雷射大人物是一條科學歷史長廊!
裡頭介紹了三十幾位過往曾經因為在雷射科學領域有重要成就而獲得諾貝爾獎的大人物!
趕快進來看看他們有哪些重要成就吧!
1918
德國
馬克斯·普朗克
Max Karl Ernst Ludwig Planck
量子論的先驅
19世紀末的冶金工業非常發達。當時人們知道把鐵塊加熱後,鐵塊會慢慢變紅。當時人們就想知道這個顏色和溫度的關係。於是假想了一個會吸收所有能量的黑體[註],看它輻射光線的顏色。結果科學家發現,每個溫度下,黑體輻射光線的顏色都是有規律的。當時,維恩從古典熱力學理論出發,建立了一個維恩公式,但是只能符合黑體輻射短波長部分的規律,如果波長太長,理論曲線就會大幅偏離。瑞利與金斯從古典物理的能量均分觀點,推導出瑞利-金斯公式,但是只能符合長波長的部份。無論是那一個公式,都不能完美解釋黑體輻射。1900年,普朗克發表了普朗克公式,在這個公式中,普朗克首先提出,黑體輻射能量不是連續的,而是以一個一個的單位能量(稱為量子)發射。這個革命性的觀念,成為量子論的開端,也因為這項研究,普朗克獲頒1918年的諾貝爾物理學獎。
註:假想的黑體是一個空腔的小孔,絕大部分由小孔射入空腔的輻射無法逃出空腔,可以當作理想的黑體。你/妳可以在一紙箱上挖一個小圓孔,再找一隻最黑的筆在其旁邊畫上相同大小的圓形,試著比較看看哪個比較黑。
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1921
德國
阿爾伯特·愛因斯坦
Albert Einstein
縱橫物理理論世界的奇才
提起愛因斯坦,大部分的人都會想到相對論,這是愛因斯坦的最著名的科學成就。他在 1905 年發表狹義相對論,描述慣性時空裡不同參考系之間的關係、結合質量和能量兩個概念;1916 年發表廣義相對論,把萬有引力、加速度、時空結合為一體,徹底推翻牛頓物理學。很多人都以為,愛因斯坦是個不世出的天才,應該拿過很多諾貝爾獎,然而,愛因斯坦只在 1921 年獲頒過一次諾貝爾物理獎。很多人也都以為他的得獎原因必為發現相對論。其實他獲獎的原因是解釋光電效應。1905年,愛因斯坦發表一篇文章,這篇文章利用普朗克的量子理論解釋了光電效應。光電效應是當可見光或紫外線照射某些物質時,其表面會釋放出電子。古典物理只能解釋電子從光線中吸收了足夠能量可以擺脫物質的吸引力,但是卻不能解釋為何只有頻率大於某一特定數值的光才能把電子從物質釋放出來。1905年,愛因斯坦發表一篇文章,這篇文章利用普朗克的量子理論解釋了光電效應,證明光的能量也具量子化,因而獲得諾貝爾獎。
1916年,愛因斯坦同時也發表另外一篇文章,描述原子的電子激發後產生輻射的機制,提出受激輻射的概念,證明光在物質中除了吸收外,還可以被放大。光放大是雷射的必備條件,光經過放大及適當的回饋就有可能產生雷射。
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1922
丹麥
尼爾斯·波耳
Niels Henrik David Bohr
量子力學的催生者
20世紀初期,兩個影響世界深遠的理論被提出來,一個是描述宏觀世界的相對論,另一個是描述微觀尺度的量子力學。量子力學帶給科學界許多巨大的改變,普朗克的黑體輻射公式首先說明能量是量子化的,並不是連續的。愛因斯坦對光電效應的解釋證明光也是量子化的,由攜帶能量的光子傳遞。1885年,瑞士數學教師巴耳末將氫原子的譜線表示成巴耳末公式。然而巴耳末公式是經驗公式,人們並不了解它們的物理含義。
1913年,波耳提出氫原子模型,在他的模型中電子以圓形軌道繞著原子核旋轉,類似行星繞太陽運動。但是,根據古典物理,只要是圓周運動,一定會有加速度,電子一定有能量的損失。波耳的模型將「量子」概念引入電子的運動中。電子只能在某些有特定半徑的軌道上運行;電子在這些軌道上運行時能量是固定的,但是電子卻可以跳到另一個能量較低的軌道,而放出電磁輻射,或是吸收輻射後而跳到另一個能量較高的軌道。波耳這項研究工作是量子物理的重大突破,讓他獲得1922年諾貝爾物理獎。波耳的理論並不完美,但這卻無損波耳的重大貢獻,因為對波耳氫原子模型的理論修正,直接催生了量子力學。
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1932
德國
維爾納·海森堡
Werner Heisenberg
洞見量子力學的天才
在波耳的氫原子模型當中,電子繞著原子核中心進行圓周運動,但是卻不會損失能量,這是違反古典物理基本原理。如果要修正波耳的理論,就要引入「機率」的概念。量子力學與古典力學不同,並不描述物體的位置和速度。量子力學之中,粒子位置無法被確定。相反,在量子力學方程之中,電子在每個位置都被賦予一定的機率,這個機率會隨時間而改變。因此,電子軌道只能夠以機率來描述。
海森堡是波耳的學生,他認為,在某一個特定的時間點,一個電子所處的位置是無法確定的,也無法跟蹤它的軌跡,所以波耳假定的電子軌道並不存在;諸如位置、速度等力學量,無法用通常的數字來描述,但可以用抽象的數學結構即矩陣來表達,這個就是量子矩陣力學。1927年海森堡提出知名的測不準原理:如果我們精確測量一個粒子的位置,我們就不可能精確測量它的動量。測不準原理充分表現出量子世界的奇異特性。1932海森堡因建立量子力學獲得諾貝爾物理獎。
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1933
奧地利
埃爾文·薛丁格
Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger
誰殺了薛丁格的貓
1933獲得諾貝爾獎的薛丁格,與前一年的得主海森堡,兩人可以說是量子力學的奠基者。1926年1月,薛丁格提出一組方程式用來描述量子運動的方程式,也就是現在的「薛丁格方程式」。在他的文章中,他推導了與時間無關的波動方程式,並證明該方程式可以正確地得到氫原子的能階能量。最重要的,波動方程跟海森堡的矩陣力學的結果是完全相同,也就是說,電子同時具有波動性和粒子性。這一篇文章被視為二十世紀最重要的成就之一,創造出量子力學的革命,並延伸到物理及化學的各個領域。
薛丁格最令人熟知的是他的思想實驗「薛丁格的貓」,在這個想像實驗中,一隻貓被鎖在一個箱子中,並有一毒氣瓶和一個粒子,如果粒子處於量子狀態A,毒氣瓶會破裂,但若粒子處於另一狀態B,毒氣瓶完好無損。若將箱子封閉起來,這個粒子的量子狀態由機率決定,也就是可能是A也可能是B。換句話說,毒氣既是已從瓶中放出,又被封存在瓶中,也因此,箱中的貓同時既是活的,也是死的。薛丁格用這個思想實驗說明微觀世界的機率,不一定能夠體現在我們的日常生活當中,可以說是科學家的幽默。
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1964
美國
查爾斯·湯斯
Charles Hard Townes
開創雷射新紀元
雷射的原理要追溯至1917年,當時愛因斯坦最早預測受激輻射的現象。但雷射實際的發明,起源於微波光譜學,也就是電波光譜的研究。由於微波的波長越短時,它和分子的作用越強。第二次世界大戰結束後,湯斯開始利用受激輻射來探測氣體分子的光譜。1953年,湯斯使用氨分子束成功製造出第一個微波雷射(稱為邁射),也促成湯斯開始思考光學雷射的可能性。湯斯知道紅外線和光學光線的波長較微波短,是科學研究更有用的工具。1958年,湯斯與肖洛提出利用一組反射鏡製造光學共振腔,讓光線在激發態的鉀蒸氣裡面往返振盪作為放大器,因此已認知到要使雷射成功地輻射出光,需將光波限制在同一方向上共振。1960年梅曼利用類似的原理,成功研發出第一個光學雷射—紅寶石雷射,開創了雷射的新紀元。
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1964
蘇聯
尼古拉·巴索夫
Nikolay Gennadiyevich Basov
微波雷射的先驅
科學的發展不分東西,蘇聯科學家普羅霍羅夫和他的同事巴索夫合作,首先提出微波雷射的原理,而湯斯則是首先製作出微波雷射。在1955年普羅霍羅夫和巴索夫製成利用氨分子束的微波雷射。1957至1958年他們和同事們一道,發明了製造順磁微波雷射的方法,1961年又提出製造氣體動力雷射器的理論。同時他們也發明了半導體雷射。因為這些先驅的貢獻,今天雷射才能普及。湯斯、普羅霍羅夫和巴索夫正是雷射的發明人,他們共同榮獲1964諾貝爾物理獎。
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1964
蘇聯
亞歷山大·普羅霍羅夫
Alexander Mikhailovich Prokhorov
微波雷射的先驅
當然,科學的發展不分東西,蘇聯科學家普羅霍羅夫和他的同事巴索夫合作,首先提出微波雷射的原理,而湯斯則是首先製作出微波雷射。在1955年普羅霍羅夫和巴索夫製成利用氨分子束的微波雷射。1957至1958年他們和同事們一道,發明了製造順磁微波雷射的方法,1961年又提出製造氣體動力雷射器的理論。同時他們也發明了半導體雷射。因為這些先驅的貢獻,今天雷射才能普及。湯斯、普羅霍羅夫和巴索夫正是雷射的發明人,他們共同榮獲1964諾貝爾物理獎。
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1971
英國
丹尼斯•蓋博
Dennis Gabor
全像術的發明人
在演唱會上,我們常常看到主辦單位利用投影技術,讓過世的歌星與現在的歌手一同對唱。這種投影技術通常使用數個角度的平面投影達到近似3D效果。假如有一天我們可以利用全像術做到真正的3D投影,效果將更棒。全像術是利用光學干涉和繞射原理所造成的一種視覺效果。一般的攝影術只能記錄光波的振幅大小,而全像攝影能夠同時記錄光波的振幅與相位。全像術最初是由匈牙利裔英國物理學家蓋博為了改善電子顯微鏡的解析度而發明的。1947年,蓋博提出理論,將電子束分為兩束物質波進行干涉,藉以紀錄影像。這裡利用的是電子的波動特性,那麼具有波動性的光應該也適用。但直到1960年代,高強度、高同調性的雷射發明,加上高解析底片研製成功後,才攝製出可靠度高的全像片。
要進行全像攝影,必須使用兩道雷射光,一道打到物體後反射到底片,另一道直接射向底片,因此底片記錄的是這兩者彼此干涉的結果。全像術同時記錄光的振幅及相位,因此可以還原出物體在空間中的形狀。一般攝影只能拍下單一角度的物體,全像術卻能重建原來的立體影像。全像術的神奇之處在於立體的資訊,竟能完完整整地記錄於平面的全像底片上,而且即使這底片切割成許多小碎片,我們仍能任憑其中一小片就能還原出3D影像。全像術現在大幅的應用在生活當中,例如鈔票的防偽。因為這個貢獻,蓋博獲頒1971年的諾貝爾物理獎。
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1981
美國
尼古拉斯·布隆伯根
Nicolaas Bloembergen
雷射光譜的先驅
雷射具有良好的單色性及方向性,雷射的發明開啟了光譜學的新視野。布隆伯根和肖洛是雷射光譜學的重要研究者,兩位獲獎不是因為單獨一項的創見,而是他們在雷射光譜學上一連串重大的貢獻。1964年,湯斯因為對雷射有前瞻性的研究獲得諾貝爾獎,當時與湯斯共同發表文章的正是肖洛,肖洛也是湯斯最重要的研究夥伴。肖洛是首先採用染料雷射進行光譜研究的先驅者之一。染料雷射是利用一些特殊的有機染料作為增益介質的雷射,在特定的波長區間,可以任意自由調選所需要的雷射光波長。1970年代,肖洛與合作者發展了一連串精妙無比的光譜技巧,可以提昇「雷德堡常數」的測量精確度到三倍。而「雷德堡常數」是一個跟原子能階相關的物理常數。
布隆伯根的專長則是「非線性」光學。非線性光學中一個著名的現象是:當一束紅光射入某種介質中,若其強度大到一定程度,竟然可以產生紫外光。布隆伯根最重要科學貢獻是「四波混頻」法,即利用三束雷射光的相互作用,在另一方向上產生第四道紅外波段和紫外波段的雷射。利用這個方法,可以高精度地確定原子、分子或固体中的能階。布隆伯根對非線性光學的發展以及一系列非線性效應的發現,大大地擴展了雷射光的波長範圍,使科學家可以使用的雷射光波長,從紫外光、可見光,一直涵蓋到近、遠紅外光。
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1981
美國
阿瑟·肖洛
Arthur Schawlow
雷射光譜的先驅
雷射具有良好的單色性及方向性,雷射的發明開啟了光譜學的新視野。布隆伯根和肖洛是雷射光譜學的重要研究者,兩位獲獎不是因為單獨一項的創見,而是他們在雷射光譜學上一連串重大的貢獻。1964年,湯斯因為對雷射有前瞻性的研究獲得諾貝爾獎,當時與湯斯共同發表文章的正是肖洛,肖洛也是湯斯最重要的研究夥伴。肖洛是首先採用染料雷射進行光譜研究的先驅者之一。染料雷射是利用一些特殊的有機染料作為增益介質的雷射,在特定的波長區間,可以任意自由調選所需要的雷射光波長。1970年代,肖洛與合作者發展了一連串精妙無比的光譜技巧,可以提昇「雷德堡常數」的測量精確度到三倍。而「雷德堡常數」是一個跟原子能階相關的物理常數。
布隆伯根的專長則是「非線性」光學。非線性光學中一個著名的現象是:當一束紅光射入某種介質中,若其強度大到一定程度,竟然可以產生紫外光。布隆伯根最重要科學貢獻是「四波混頻」法,即利用三束雷射光的相互作用,在另一方向上產生第四道紅外波段和紫外波段的雷射。利用這個方法,可以高精度地確定原子、分子或固体中的能階。布隆伯根對非線性光學的發展以及一系列非線性效應的發現,大大地擴展了雷射光的波長範圍,使科學家可以使用的雷射光波長,從紫外光、可見光,一直涵蓋到近、遠紅外光。
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1997
美國
朱棣文
Steven Chu
雷射冷卻和操控原子的術士
雷射發明之後,科學家利用雷射開啟了許多研究與應用。我們知道溫度是氣體原子運動的表徵。當雷射傳播方向與原子運動方向相反時,原子感受到雷射的頻率比實際頻率略高。這個時候只要根據原子的運動速率選擇適當的雷射頻率,就可以把原子擋住,不讓它往雷射光的方向前進,當原子的速度減緩,系統的溫度也跟著下降,這就是雷射冷卻的基本原理。
1986年,美國貝爾實驗室的朱棣文利用六道雷射光做成一個鈉原子磁光陷阱,將冷卻的鈉原子囚禁在一定的空間範圍內。從此,科學家便能夠在實驗室裡,很有效率地製造出溫度為室溫千萬分之一的超低溫原子。1987年,菲利普斯利用雷射,將鈉原子冷卻到更低溫。 1990年,銫原子的溫度已可以冷卻至2.5μK。但是,只要是利用雷射光壓致冷,最終總會受限於光子的反彈能量,而無法繼續冷卻。原因是原子總會吸收與釋放光子。然而,科學家的想像力是沒有極限的,科昂-唐努德日提出一個可行的方案,同時也將銫原子的溫度冷卻至前所未有的境界。也因為如此,三人被授與諾貝爾獎章,表彰他們在雷射冷卻和囚禁原子方面所做的貢獻。
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1997
法國
克洛德·科昂-唐努德日
Claude Cohen-Tannoudji
雷射冷卻和操控原子的術士
雷射發明之後,科學家利用雷射開啟了許多研究與應用。我們知道溫度是氣體原子運動的表徵。當雷射傳播方向與原子運動方向相反時,原子感受到雷射的頻率比實際頻率略高。這個時候只要根據原子的運動速率選擇適當的雷射頻率,就可以把原子擋住,不讓它往雷射光的方向前進,當原子的速度減緩,系統的溫度也跟著下降,這就是雷射冷卻的基本原理。
1986年,美國貝爾實驗室的朱棣文利用六道雷射光做成一個鈉原子磁光陷阱,將冷卻的鈉原子囚禁在一定的空間範圍內。從此,科學家便能夠在實驗室裡,很有效率地製造出溫度為室溫千萬分之一的超低溫原子。1987年,菲利普斯利用雷射,將鈉原子冷卻到更低溫。 1990年,銫原子的溫度已可以冷卻至2.5μK。但是,只要是利用雷射光壓致冷,最終總會受限於光子的反彈能量,而無法繼續冷卻。原因是原子總會吸收與釋放光子。然而,科學家的想像力是沒有極限的,科昂-唐努德日提出一個可行的方案,同時也將銫原子的溫度冷卻至前所未有的境界。也因為如此,三人被授與諾貝爾獎章,表彰他們在雷射冷卻和囚禁原子方面所做的貢獻。
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1997
美國
威廉·菲利普斯
William Daniel Phillips
雷射冷卻和操控原子的術士
雷射發明之後,科學家利用雷射開啟了許多研究與應用。我們知道溫度是氣體原子運動的表徵。當雷射傳播方向與原子運動方向相反時,原子感受到雷射的頻率比實際頻率略高。這個時候只要根據原子的運動速率選擇適當的雷射頻率,就可以把原子擋住,不讓它往雷射光的方向前進,當原子的速度減緩,系統的溫度也跟著下降,這就是雷射冷卻的基本原理。
1986年,美國貝爾實驗室的朱棣文利用六道雷射光做成一個鈉原子磁光陷阱,將冷卻的鈉原子囚禁在一定的空間範圍內。從此,科學家便能夠在實驗室裡,很有效率地製造出溫度為室溫千萬分之一的超低溫原子。1987年,菲利普斯利用雷射,將鈉原子冷卻到更低溫。 1990年,銫原子的溫度已可以冷卻至2.5μK。但是,只要是利用雷射光壓致冷,最終總會受限於光子的反彈能量,而無法繼續冷卻。原因是原子總會吸收與釋放光子。然而,科學家的想像力是沒有極限的,科昂-唐努德日提出一個可行的方案,同時也將銫原子的溫度冷卻至前所未有的境界。也因為如此,三人被授與諾貝爾獎章,表彰他們在雷射冷卻和囚禁原子方面所做的貢獻。
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1999
美國、埃及
亞米德·齊威爾
Ahmed Hassan Zewail
飛秒化學的開創人
鎖模雷射是寬頻雷射的一種特性,它同時存在很多不同頻率的雷射光。不同頻率的雷射光如果經過適當的調整,讓它們在某個時間點上,剛好所有的波峰同時出現,所有光波疊加起來而有最大的強度。在過了一段時間之後,這個最大強度的部分再度出現,也就是有固定的時間間隔。如此,雷射的輸出並非隨時有光,而是每經一段時間發出所有光波疊加起來的雷射脈衝。鎖模雷射的脈衝時間寬度可以短至幾個千萬億分之一秒(飛秒),鎖模雷射又稱為超快雷射。
齊威爾的夢想是要了解化學反應過程的動態行為,根據理論的計算,化學鍵分離和形成的反應時間非常短暫,大概飛秒等級。如此快速的反應偵測起來非常困難。齊威爾認為,鎖模雷射脈衝就像是一個非常快的快門。舉例來說,要拍到子彈穿過標靶的過程,需要照相機快門快於千分之一秒。利用快速的雷射,就可以達成這個目標。於是他開始設計雷射系統,利用超快速的雷射脈衝去激發化學反應,也設計極快的偵測器探測化學反應的狀態。經過幾年的不斷嘗試和改進,終於在1987年的夏天看到飛秒間發生的化學變化,奠定了「飛秒化學」的基礎,使化學家可以進一步了解在分子的結構上,化學反應是如何開始,以及反應發生的經過。因這個「飛秒技術」在化學上的貢獻,齊威爾獲得了1999年諾貝爾化學獎的肯定。
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2000
俄羅斯
若雷斯·阿爾費羅夫
Zhores Ivanovich Alferov
雷射的普及與應用
半導體是一種電導率介於絕緣體和導體之間的物質。電導率容易受控制的半導體,可作為資訊處理的元件材料。常見的半導體材料有矽、鍺、砷化鎵等,並經過各式特定的參雜,而矽更是各種半導體材料中,商業應用最廣的一種。一般半導體材料只要給予適當條件的能量激發,或是改變其能隙之間距,就能導電。
半導體雷射具有體積輕巧、效益高、消耗功率小、使用壽命長、以及容易由電流大小來調制其輸出功率等優良性質。這些特性使它廣泛應用於資訊處理、光纖通訊、家電用品及精密測量上。而且,因製作精細、技術層次高,對於整體光電產業而言,具有舉足輕重的地位,也是關鍵性元件。
第一個室溫且連續發射的半導體異質結構雷射,是在1970年由阿爾費羅夫領導的研究群所製作出來的,而克勒默則在1963年發展了有關半導體異質結構雷射的原理。半導體雷射二極體的應用範圍亦相當廣泛,如雷射唱盤、高速光纖通訊、雷射印表機、雷射筆等,今天我們日常生活當中所見的雷射,大多都是半導體雷射。此外,半導體雷射也是固態雷射的高效率激發光源。
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2000
德國
赫伯特·克勒默
Herbert Kroemer
雷射的普及與應用
半導體是一種電導率介於絕緣體和導體之間的物質。電導率容易受控制的半導體,可作為資訊處理的元件材料。常見的半導體材料有矽、鍺、砷化鎵等,並經過各式特定的滲雜,而矽更是各種半導體材料中,商業應用最廣的一種。一般半導體材料只要給予適當條件的能量激發,或是改變其能隙之間距,就能導電。
半導體雷射具有體積輕巧、效益高、消耗功率小、使用壽命長、以及容易由電流大小來調制其輸出功率等優良性質。這些特性使它廣泛應用於資訊處理、光纖通訊、家電用品及精密測量上。而且,因製作精細、技術層次高,對於整體光電產業而言,具有舉足輕重的地位,也是關鍵性元件。
第一個室溫且連續發射的半導體異質結構雷射,是在1970年由阿爾費羅夫領導的研究群所製作出來的,而克勒默則在1963年發展了有關半導體異質結構雷射的原理。半導體雷射二極體的應用範圍亦相當廣泛,如雷射唱盤,高速光纖通訊、雷射印表機、雷射筆等,今天我們日常生活當中所見的雷射,大多都是半導體雷射。此外,半導體雷射也是固態雷射的高效率激發光源。
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2001
美國
埃里克·康奈爾
Eric Allin Cornell
原子雷射的奠基人
「玻色–愛因斯坦凝結」是愛因斯坦應用玻色的光子統計理論所作的預測:當原子的溫度低於臨界溫度時粒子會突然大量地聚集在能量的最低態。當粒子在溫度很高的環境時,有清楚的位置和運動的軌跡,波動的現象不顯著。然而,當溫度一再降低時,其運動速度變慢了,動量變小了,就漸漸地失去了粒子的特性,波動的特性愈明顯。當溫度再降低達到所謂的臨界溫度時,波動性將更強了,波色粒子會突然大量地聚集在能量的最低態,稱之為玻色-愛因斯坦凝聚。臨界溫度是非常接近絕對零度的低溫,必須藉由雷射冷卻技術才能達到。
1995年6月康奈爾與威曼利用雷射冷卻技術,首次形成和觀測到銣原子的玻色-愛因斯坦凝聚。他們的玻色-愛因斯坦凝聚是由約2000個銣原子在絕對溫度170奈度(即 0.000000170 K)的環境下所達成的,這也是人類從來沒有過的低溫。克特勒所領導的研究群主要以鈉原子來進行玻色-愛因斯坦凝聚的研究。雖然比康奈爾與威曼晚三個月才觀測到玻色-愛因斯坦凝聚,然而他們卻能更快(約10秒,康奈爾與威曼第一次產生玻色-愛因斯坦凝聚需約370秒)地讓更多的原子產生玻色-愛因斯坦凝聚。因此,可以更有效地來研究玻色-愛因斯坦凝聚的現象。因為這些聚集的原子,跟雷射光的光子有類似的性質。如果將一道雷射光照射在這一團低溫凝聚體上,就可以製造出原子雷射。
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2001
美國
卡爾·威曼
Carl Edwin Wieman
原子雷射的奠基人
「玻色–愛因斯坦凝結」是愛因斯坦應用玻色的光子統計理論所作的預測:當原子的溫度低於臨界溫度時粒子會突然大量地聚集在能量的最低態。當粒子在溫度很高的環境時,有清楚的位置和運動的軌跡,波動的現象不顯著。然而,當溫度一再降低時,其運動速度變慢了,動量變小了,就漸漸地失去了粒子的特性,波動的特性愈明顯。當溫度再降低達到所謂的臨界溫度時,波動性將更強了,波色粒子會突然大量地聚集在能量的最低態,稱之為玻色-愛因斯坦凝聚。臨界溫度是非常接近絕對零度的低溫,必須藉由雷射冷卻技術才能達到。
1995年6月康奈爾與威曼利用雷射冷卻技術,首次形成和觀測到銣原子的玻色-愛因斯坦凝聚。他們的玻色-愛因斯坦凝聚是由約2000個銣原子在絕對溫度170奈度(即 0.000000170 K)的環境下所達成的,這也是人類從來沒有過的低溫。克特勒所領導的研究群主要以鈉原子來進行玻色-愛因斯坦凝聚的研究。雖然比康奈爾與威曼晚三個月才觀測到玻色-愛因斯坦凝聚,然而他們卻能更快(約10秒,康奈爾與威曼第一次產生玻色-愛因斯坦凝聚需約370秒)地讓更多的原子產生玻色-愛因斯坦凝聚。因此,可以更有效地來研究玻色-愛因斯坦凝聚的現象。因為這些聚集的原子,跟雷射光的光子有類似的性質。如果將一道雷射光照射在這一團低溫凝聚體上,就可以製造出原子雷射。
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2001
德國
沃爾夫岡·克特勒
Wolfgang Ketterle
原子雷射的奠基人
「玻色–愛因斯坦凝結」是愛因斯坦應用玻色的光子統計理論所作的預測:當原子的溫度低於臨界溫度時粒子會突然大量地聚集在能量的最低態。當粒子在溫度很高的環境時,有清楚的位置和運動的軌跡,波動的現象不顯著。然而,當溫度一再降低時,其運動速度變慢了,動量變小了,就漸漸地失去了粒子的特性,波動的特性愈明顯。當溫度再降低達到所謂的臨界溫度時,波動性將更強了,波色粒子會突然大量地聚集在能量的最低態,稱之為玻色-愛因斯坦凝聚。臨界溫度是非常接近絕對零度的低溫,必須藉由雷射冷卻技術才能達到。
1995年6月康奈爾與威曼利用雷射冷卻技術,首次形成和觀測到銣原子的玻色-愛因斯坦凝聚。他們的玻色-愛因斯坦凝聚是由約2000個銣原子在絕對溫度170奈度(即 0.000000170 K)的環境下所達成的,這也是人類從來沒有過的低溫。克特勒所領導的研究群主要以鈉原子來進行玻色-愛因斯坦凝聚的研究。雖然比康奈爾與威曼晚三個月才觀測到玻色-愛因斯坦凝聚,然而他們卻能更快(約10秒,康奈爾與威曼第一次產生玻色-愛因斯坦凝聚需約370秒)地讓更多的原子產生玻色-愛因斯坦凝聚。因此,可以更有效地來研究玻色-愛因斯坦凝聚的現象。因為這些聚集的原子,跟雷射光的光子有類似的性質。如果將一道雷射光照射在這一團低溫凝聚體上,就可以製造出原子雷射。
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2005
美國
約翰·霍爾
John Lewis Hall
發明光梳雷射
雷射在發明之後,主要應用分成二個主流:一為頻寬超窄之穩頻雷射或單頻雷射,另一個是頻寬超寬且時間超短的脈衝雷射。單頻雷射有很多重要的應用,當雷射頻率可以穩定到0.001 Hz時,它可以做成「光鐘」,光鐘可用以提高全球定位系統的精確度。脈衝雷射就像是超快的快門一樣,在很短的時間一閃而過,可以讓科學家看見很多不一樣的微觀現象。這兩種雷射的應用看起來非常不同,1970年代霍爾和亨施,結合兩種雷射的優點,發展出光梳雷射及量測未知雷射頻率的嶄新方法。
過去要測量雷射光的頻率必須由頻率標準銫原子鐘出發,由於光的頻率是銫原子鐘的幾萬倍,這個方法工程浩大,全世界只有少數幾個國家標準實驗室可以做到。鎖模雷射同時有許多不同頻率的雷射光,霍爾和亨施發展的方法,首先將鎖模雷射的頻率範圍擴大,接著將它的頻率間隔及起始頻率固定住(利用銫原子鐘),這個時候,雷射光的頻率就像一個整齊的梳子,是一把非常準確的光頻率尺,可以讓我們測量所有雷射光的頻率。從此開始,科學家可以輕而易舉的測量穩頻雷射的頻率。光梳雷射還可以快速測量分子的吸收光譜,未來有可能用來診斷疾病。
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2005
德國
特奧多爾·亨施
Theodor Wolfgang Hänsch
發明光梳雷射
雷射在發明之後,主要應用分成二個主流:一為頻寬超窄之穩頻雷射或單頻雷射,另一個是頻寬超寬且時間超短的脈衝雷射。單頻雷射有很多重要的應用,當雷射頻率可以穩定到0.001 Hz時,它可以做成「光鐘」,光鐘可用以提高全球定位系統的精確度。脈衝雷射就像是超快的快門一樣,在很短的時間一閃而過,可以讓科學家看見很多不一樣的微觀現象。這兩種雷射的應用看起來非常不同,1970年代霍爾和亨施,結合兩種雷射的優點,發展出光梳雷射及量測未知雷射頻率的嶄新方法。
過去要測量雷射光的頻率必須由頻率標準銫原子鐘出發,由於光的頻率是銫原子鐘的幾萬倍,這個方法工程浩大,全世界只有少數幾個國家標準實驗室可以做到。鎖模雷射同時有許多不同頻率的雷射光,霍爾和亨施發展的方法,首先將鎖模雷射的頻率範圍擴大,接著將它的頻率間隔及起始頻率固定住(利用銫原子鐘),這個時候,雷射光的頻率就像一個整齊的梳子,是一把非常準確的光頻率尺,可以讓我們測量所有雷射光的頻率。從此開始,科學家可以輕而易舉的測量穩頻雷射的頻率。光梳雷射還可以快速測量分子的吸收光譜,未來有可能用來診斷疾病。
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2009
香港、英國、美國
高錕
光纖通訊之父
自古以來,人類對於長距離通訊的需求就不曾稍減。隨著時間的演進,從烽火到電報,再到電話、網路。現代人不管是用手機還是電腦,都可以在網路上面輕鬆獲取想要的資訊,我們也在網路上追劇、訂車票、買東西,網路已經是生活中不可或缺的一部分。但是你有沒有想過,是什麼樣的設備,把台灣和全世界網路連結起來呢,答案就是連接每個大陸的海底光纖電纜。
1950年代,印度科學家卡帕尼發明光纖,證明光線可以在玻璃纖維中傳導,從此人們知道細小的玻璃纖維可以用來傳導光線,不需要利用鏡片。差不多就在這個時期,高錕開始鑽研利用玻璃纖維進行信號傳送,並將實驗成果在世界各地發表。1966年高錕發表的論文中指出:用石英玻璃纖維進行長距離信息傳遞,將帶來一場通訊事業的革命,並提出當玻璃纖維衰減率下降到每公里20分貝(dB)時,光纖通訊即可成功。高錕的研究為人類進入光纖通訊開啟了新紀元,網際網路也因為這樣快速的發展,高錕因此獲得2009年諾貝爾物理學獎。
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2012
法國
塞爾日·阿羅什
Serge Haroche
量子電腦的肇始
電腦是現代生活不可或缺的一部分,用古典物理學架構的電腦,它的位元只能是0或1。但是以量子物理學為基礎的電腦,它的量子位元處於所謂的「疊加狀態」,勉強可以比喻為一部分是0,一部分是1,這讓它能夠同時處理的資料,比傳統電腦多出很多。因此,如果能運用許多的量子位元,就可能做出運算效能超強的量子電腦。阿羅什和瓦恩蘭就是用不同的實驗方法,分別讓光子和離子在特殊的條件下,展現出量子的「疊加狀態」。這可以說是發展量子電腦關鍵的一步,意義重大。
阿羅什讓微波的光子在兩片鏡子形成的共振腔中來回震盪,然後將一個高激發態的原子打入腔內,測量該原子進入及離開共振腔前後的量子狀態,就能推估光子的量子性質,計算光子的波函數,進而了解其同時存在的各種狀態(疊合),以及何時塌縮成單一狀態。
瓦恩蘭將離子置放於電場形成的陷阱中,用雷射光抑制離子的震動,降低溫度,再用雷射光微調離子的震動,以研究其量子狀態。
他們分別獨立發明針對個別量子系統進行高精確測量與控制的新科技,並且實作成功。他們的研究成果使我們得以開發量子電腦,研發極為精確的光鐘。
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2012
美國
戴維·瓦恩蘭
David Jeffrey Wineland
量子電腦的肇始
電腦是現代生活不可或缺的一部分,用古典物理學架構的電腦,它的位元只能是0或1。但是以量子物理學為基礎的電腦,它的量子位元處於所謂的「疊加狀態」,勉強可以比喻為一部分是0,一部分是1,這讓它能夠同時處理的資料,比傳統電腦多出很多。因此,如果能運用許多的量子位元,就可能做出運算效能超強的量子電腦。阿羅什和瓦恩蘭就是用不同的實驗方法,分別讓光子和離子在特殊的條件下,展現出量子的「疊加狀態」。這可以說是發展量子電腦關鍵的一步,意義重大。
阿羅什讓微波的光子在兩片鏡子形成的共振腔中來回震盪,然後將一個高激發態的原子打入腔內,測量該原子進入及離開共振腔前後的量子狀態,就能推估光子的量子性質,計算光子的波函數,進而了解其同時存在的各種狀態(疊合),以及何時塌縮成單一狀態。
瓦恩蘭將離子置放於電場形成的陷阱中,用雷射光抑制離子的震動,降低溫度,再用雷射光微調離子的震動,以研究其量子狀態。
他們分別獨立發明針對個別量子系統進行高精確測量與控制的新科技,並且實作成功。他們的研究成果使我們得以開發量子電腦,研發極為精確的光鐘。
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2014
日本
赤崎勇
藍光雷射的先驅
1970年代,赤崎勇教授開始改良氮化鎵半導體元件。這個材料能發藍光,不過製作難度非常高,眾多的科學家都曾經嘗試過,沒有一個人成功。1982年,天野浩也加入他的團隊,當時天野浩還只是個大學生。1985年,團隊終於成功生產了高品質的氮化鎵。透過摻入雜質的技術,把氮化鎵做成半導體,就可以發光,不過比較微弱。後來,赤崎勇的團隊在使用電子顯微鏡時,又發現電子束可以提高藍光LED的光度和效能。
同時,中村修二也進行氮化鎵的改良研究,他發現只要經過適當的加熱程序,去除氮化鎵裡面的氫氣,就可以提高光度和效能,不需要昂貴的電子束。1993年,中村修二大幅提昇氮化鎵和銦氮化鎵的發光效率,終於生產出具有商業應用價值的藍光LED,讓他被譽為「藍光LED之父」。從第一顆藍光 LED 面世後,氮化鎵材料被大量研究,往後更是應用在白光LED及藍光雷射的製作。換句話說,藍光LED的研發,催生了LED照明及藍光半導體雷射,藍光半導體雷射也是我們日常生活當中最常見的藍光光碟機的讀寫光源。
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2014
日本
天野浩
藍光雷射的先驅
1970年代,赤崎勇教授開始改良氮化鎵半導體元件。這個材料能發藍光,不過製作難度非常高,眾多的科學家都曾經嘗試過,沒有一個人成功。1982年,天野浩也加入他的團隊,當時天野浩還只是個大學生。1985年,團隊終於成功生產了高品質的氮化鎵。透過摻入雜質的技術,把氮化鎵做成半導體,就可以發光,不過比較微弱。後來,赤崎勇的團隊在使用電子顯微鏡時,又發現電子束可以提高藍光LED的光度和效能。
同時,中村修二也進行氮化鎵的改良研究,他發現只要經過適當的加熱程序,去除氮化鎵裡面的氫氣,就可以提高光度和效能,不需要昂貴的電子束。1993年,中村修二大幅提昇氮化鎵和銦氮化鎵的發光效率,終於生產出具有商業應用價值的藍光LED,讓他被譽為「藍光LED之父」。從第一顆藍光 LED 面世後,氮化鎵材料被大量研究,往後更是應用在白光LED及藍光雷射的製作。換句話說,藍光LED的研發,催生了LED照明及藍光半導體雷射,藍光半導體雷射也是我們日常生活當中最常見的藍光光碟機的讀寫光源。
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2014
美國
中村修二
藍光雷射的先驅
1970年代,赤崎勇教授開始改良氮化鎵半導體元件。這個材料能發藍光,不過製作難度非常高,眾多的科學家都曾經嘗試過,沒有一個人成功。1982年,天野浩也加入他的團隊,當時天野浩還只是個大學生。1985年,團隊終於成功生產了高品質的氮化鎵。透過摻入雜質的技術,把氮化鎵做成半導體,就可以發光,不過比較微弱。後來,赤崎勇的團隊在使用電子顯微鏡時,又發現電子束可以提高藍光LED的光度和效能。
同時,中村修二也進行氮化鎵的改良研究,他發現只要經過適當的加熱程序,去除氮化鎵裡面的氫氣,就可以提高光度和效能,不需要昂貴的電子束。1993年,中村修二大幅提昇氮化鎵和銦氮化鎵的發光效率,終於生產出具有商業應用價值的藍光LED,讓他被譽為「藍光LED之父」。從第一顆藍光 LED 面世後,氮化鎵材料被大量研究,往後更是應用在白光LED及藍光雷射的製作。換句話說,藍光LED的研發,催生了LED照明及藍光半導體雷射,藍光半導體雷射也是我們日常生活當中最常見的藍光光碟機的讀寫光源。
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2014
美國
艾力克·貝齊格
Eric Betzig
超越繞射極限的奈米顯微鏡
人類善於觀察周遭事物,並歸納觀察結果以總結出萬物運行的道理。觀察最主要依賴眼睛,人類的眼睛可觀察到的物體最小尺度約是一根頭髮的寬度。如果要看到更小的物體,則需要借助放大鏡或顯微鏡等工具放大物體的影像。1873年德國科學家阿貝,證明由於繞射的限制光學顯微鏡的最高解析度約為可見光波長的一半。人類眼睛可看到的可見光波長約為400至700奈米,所以藉由光學顯微鏡可分辨的最小結構約為200奈米。一百多年來,科學家不斷嘗試想要突破這個限制。
2000年,赫爾設計了一個有兩道雷射的奈米手電筒,利用一道雷射光激發螢光分子讓他們發光,同時在不做觀測的地方,利用另一道雷射光壓抑所有的螢光分子發光,因此只會取得在這個被激發的螢光分子影像。透過掃描以及同時對光強度的測量,就可以取得一張超越繞射極限的圖像。光學顯微鏡在解析度方面就不再受繞射限制了。
在此同時,莫爾納爾和貝齊格,也發展了類似的方法。他們找到特殊的蛋白質分子,這種分子可以被微弱的雷射光激發,發出螢光。這個時候如果用微弱雷射來激發蛋白質,能讓部分的分子發出螢光,而且所有發光分子之間的距離均大於繞射極限,因此每一個發光的位置,都可以被顯微鏡記錄且精確決定。當螢光消失時,他們重新激發蛋白質,同樣的,使用的脈衝弱到只能讓部分的分子發出螢光,這個步驟一直不斷的重複。將所有的影像重疊起來時,就得到了一張超高解析圖像。
這三位科學發展出來的螢光影像技術,解析度遠小於繞射極限,使科學家可以清楚地觀測到生物分子的結構,開啟螢光影像分析的新紀元,目前已廣泛應用於各項生物醫學研究領域,未來更會加速生物技術研究的進展。
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2014
德國
斯特凡·赫爾
Stefan Walter Hell
超越繞射極限的奈米顯微鏡
人類善於觀察周遭事物,並歸納觀察結果以總結出萬物運行的道理。觀察最主要依賴眼睛,人類的眼睛可觀察到的物體最小尺度約是一根頭髮的寬度。如果要看到更小的物體,則需要借助放大鏡或顯微鏡等工具放大物體的影像。1873年德國科學家阿貝,證明由於繞射的限制光學顯微鏡的最高解析度約為可見光波長的一半。人類眼睛可看到的可見光波長約為400至700奈米,所以藉由光學顯微鏡可分辨的最小結構約為200奈米。一百多年來,科學家不斷嘗試想要突破這個限制。
2000年,赫爾設計了一個有兩道雷射的奈米手電筒,利用一道雷射光激發螢光分子讓他們發光,同時在不做觀測的地方,利用另一道雷射光壓抑所有的螢光分子發光,因此只會取得在這個被激發的螢光分子影像。透過掃描以及同時對光強度的測量,就可以取得一張超越繞射極限的圖像。光學顯微鏡在解析度方面就不再受繞射限制了。
在此同時,莫爾納爾和貝齊格,也發展了類似的方法。他們找到特殊的蛋白質分子,這種分子可以被微弱的雷射光激發,發出螢光。這個時候如果用微弱雷射來激發蛋白質,能讓部分的分子發出螢光,而且所有發光分子之間的距離均大於繞射極限,因此每一個發光的位置,都可以被顯微鏡記錄且精確決定。當螢光消失時,他們重新激發蛋白質,同樣的,使用的脈衝弱到只能讓部分的分子發出螢光,這個步驟一直不斷的重複。將所有的影像重疊起來時,就得到了一張超高解析圖像。
這三位科學發展出來的螢光影像技術,解析度遠小於繞射極限,使科學家可以清楚地觀測到生物分子的結構,開啟螢光影像分析的新紀元,目前已廣泛應用於各項生物醫學研究領域,未來更會加速生物技術研究的進展。
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2014
美國
威廉·莫爾納爾
William Esco Moerner
超越繞射極限的奈米顯微鏡
人類善於觀察周遭事物,並歸納觀察結果以總結出萬物運行的道理。觀察最主要依賴眼睛,人類的眼睛可觀察到的物體最小尺度約是一根頭髮的寬度。如果要看到更小的物體,則需要借助放大鏡或顯微鏡等工具放大物體的影像。1873年德國科學家阿貝,證明由於繞射的限制光學顯微鏡的最高解析度約為可見光波長的一半。人類眼睛可看到的可見光波長約為400至700奈米,所以藉由光學顯微鏡可分辨的最小結構約為200奈米。一百多年來,科學家不斷嘗試想要突破這個限制。
2000年,赫爾設計了一個有兩道雷射的奈米手電筒,利用一道雷射光激發螢光分子讓他們發光,同時在不做觀測的地方,利用另一道雷射光壓抑所有的螢光分子發光,因此只會取得在這個被激發的螢光分子影像。透過掃描以及同時對光強度的測量,就可以取得一張超越繞射極限的圖像。光學顯微鏡在解析度方面就不再受繞射限制了。
在此同時,莫爾納爾和貝齊格,也發展了類似的方法。他們找到特殊的蛋白質分子,這種分子可以被微弱的雷射光激發,發出螢光。這個時候如果用微弱雷射來激發蛋白質,能讓部分的分子發出螢光,而且所有發光分子之間的距離均大於繞射極限,因此每一個發光的位置,都可以被顯微鏡記錄且精確決定。當螢光消失時,他們重新激發蛋白質,同樣的,使用的脈衝弱到只能讓部分的分子發出螢光,這個步驟一直不斷的重複。將所有的影像重疊起來時,就得到了一張超高解析圖像。
這三位科學發展出來的螢光影像技術,解析度遠小於繞射極限,使科學家可以清楚地觀測到生物分子的結構,開啟螢光影像分析的新紀元,目前已廣泛應用於各項生物醫學研究領域,未來更會加速生物技術研究的進展。
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2017
美國
萊納·魏斯
Rainer Rai Weiss
雷射量天尺
根據愛因斯坦廣義相對論的預測,兩個恆星大小的黑洞如果互相融合,會向外發出重力波,就好像把一塊石頭丟進平靜的湖水中會引起漣漪一樣。證明重力波的存在,一直被視為是相對論中的聖杯。1980年代,萊納•魏斯首先領導科學團隊,設計並建造可以測量重力波的量天尺,用以驗證愛因斯坦相對論中預言的重力波,而重力波就是黑洞存在的直接證據。為了探測重力波,魏斯同時建造了兩座相距約3000公里雷射干涉儀。在每個干涉儀中雷射光經由分光鏡,進入干涉儀的兩臂,被鏡子反射回分光鏡後產生干涉。這兩臂就是互相垂直的兩把尺,當兩把尺的相對長度有變化,干涉結果也會改變。只要偵測到兩把尺的相對距離改變,排除掉所有雜訊之後,就可以偵測到來自黑洞的重力波。2015年9月14日,人類科學踏出了歷史性的一大步,由這三位科學家領導建造的LIGO(雷射干涉重力波天文台)直接測量到廣義相對論最後一個未證實的預言:重力波。
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2017
美國
巴里·巴里什
Barry Clark Barish
雷射量天尺
根據愛因斯坦廣義相對論的預測,兩個恆星大小的黑洞如果互相融合,會向外發出重力波,就好像把一塊石頭丟進平靜的湖水中會引起漣漪一樣。證明重力波的存在,一直被視為是相對論中的聖杯。1980年代,萊納•魏斯首先領導科學團隊,設計並建造可以測量重力波的量天尺,用以驗證愛因斯坦相對論中預言的重力波,而重力波就是黑洞存在的直接證據。為了探測重力波,魏斯同時建造了兩座相距約3000公里雷射干涉儀。在每個干涉儀中雷射光經由分光鏡,進入干涉儀的兩臂,被鏡子反射回分光鏡後產生干涉。這兩臂就是互相垂直的兩把尺,當兩把尺的相對長度有變化,干涉結果也會改變。只要偵測到兩把尺的相對距離改變,排除掉所有雜訊之後,就可以偵測到來自黑洞的重力波。2015年9月14日,人類科學踏出了歷史性的一大步,由這三位科學家領導建造的LIGO(雷射干涉重力波天文台)直接測量到廣義相對論最後一個未證實的預言:重力波。
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2017
美國
基普·索恩
Kip Stephen Thorne
雷射量天尺
根據愛因斯坦廣義相對論的預測,兩個恆星大小的黑洞如果互相融合,會向外發出重力波,就好像把一塊石頭丟進平靜的湖水中會引起漣漪一樣。證明重力波的存在,一直被視為是相對論中的聖杯。1980年代,萊納•魏斯首先領導科學團隊,設計並建造可以測量重力波的量天尺,用以驗證愛因斯坦相對論中預言的重力波,而重力波就是黑洞存在的直接證據。為了探測重力波,魏斯同時建造了兩座相距約3000公里雷射干涉儀。在每個干涉儀中雷射光經由分光鏡,進入干涉儀的兩臂,被鏡子反射回分光鏡後產生干涉。這兩臂就是互相垂直的兩把尺,當兩把尺的相對長度有變化,干涉結果也會改變。只要偵測到兩把尺的相對距離改變,排除掉所有雜訊之後,就可以偵測到來自黑洞的重力波。2015年9月14日,人類科學踏出了歷史性的一大步,由這三位科學家領導建造的LIGO(雷射干涉重力波天文台)直接測量到廣義相對論最後一個未證實的預言:重力波。
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2018
美國
阿瑟·阿什金
Arthur Ashkin
隔空取物的魔術師
長久以來,人類一直幻想可以用光線操控生命體,如同科幻小說裡面所說的,用光線把會動的生物抓住。這個看似科幻的技術,卻是諾貝爾獎得主所發明的。光鑷利用光的穿透性,無需接觸即可猶如「隔空取物」般對物體施力,有如科幻電影的場景。1987 年,阿什金成功展示利用雷射光鑷捕捉並移動微小物體,例如:病毒、細菌、酵母菌、紅血球、海藻及活細胞等生物體。更重要的是,雷射光鑷並不會對樣品造成損傷。阿什金利用雷射照射在微米級(千分之一公釐)左右的塑膠小球上,他發現這些小球會被吸引到聚焦後的雷射光的中心處。光學鑷子的基本原理如下:聚焦後的雷射照射在要控制的小球體上,雷射中的光子會使小球體受到光壓。由於雷射光的中心部份的強度最高,然後往兩側逐漸降低,因此當雷射照射在小球體時,小球體的每個部份會因為照射到的雷射強度的不同而受到不同大小的光壓。但是合起來的總效果會把小球體推向雷射中心強度最高的區域,並把小球體限制在該區域內。因此可以藉由這個方法來控制並移動微小物體。
1990年,阿什金進一步利用紅外線雷射進行細胞雷射微手術,使用光鑷操控細胞中結構,深入細胞內卻不破壞細胞膜,這個技術開啟後續無數革命性的研究。光鑷可提供非常精密微小的力,不但可以操控生物體,亦可測量單分子之間的作用力,研究更微觀的生物物理機制,例如分子馬達在細胞骨架上的運動機制、基因轉錄的過程及蛋白折疊的動力學等,為生命科學研究開拓嶄新的視野。
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2018
法國
熱拉爾·穆魯
Gérard Albert Mourou
超強脈衝雷射的發明者
當雷射在1960年代發明之後,如何提昇雷射光的強度一直是科學家的夢想。但是到了1980年代左右,科學家發現如果用放大器來提高雷射光強度,隨著雷射光強度的增加,便需要有更強的放大器,但是這時放大器可能會因為雷射光的強度而燒毀。因此受限於放大器,雷射光強度遲早會遇到瓶頸。
而穆魯與他當時的研究生斯特里克蘭兩人提出了一個反其道而行的新方法,巧妙的解決了這個問題。簡單的說這個方法就是先把一個雷射脈衝拉長,以分散單位時間中的光強度,然後把拉長後的脈衝放大,接著把這個放大後的拉長脈衝壓縮回原來的時間長度,這樣就可以有效的把原本的雷射脈衝的光強度放大至少上千倍到百萬倍。
這個方法最特別的地方在於相當於把一個雷射脈衝分成很多小部份後再放大,所以不會讓放大器造成過大的負擔,直接跳過放大器性能的極限,而達到加強雷射脈衝的效果。這個新方法可以讓物理學家繼續使用傳統的雷射放大器,但是卻可以得到更強的雷射脈衝,甚至可用來製造雷射武器。
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2018
加拿大
唐娜·斯特里克蘭
Donna Theo Strickland
超強脈衝雷射的發明者
當雷射在1960年代發明之後,如何提昇雷射光的強度一直是科學家的夢想。但是到了1980年代左右,科學家發現如果用放大器來提高雷射光強度,隨著雷射光強度的增加,便需要有更強的放大器,但是這時放大器可能會因為雷射光的強度而燒毀。因此受限於放大器,雷射光強度遲早會遇到瓶頸。
而穆魯與他當時的研究生斯特里克蘭兩人提出了一個反其道而行的新方法,巧妙的解決了這個問題。簡單的說這個方法就是先把一個雷射脈衝拉長,以分散單位時間中的光強度,然後把拉長後的脈衝放大,接著把這個放大後的拉長脈衝壓縮回原來的時間長度,這樣就可以有效的把原本的雷射脈衝的光強度放大至少上千倍到百萬倍。
這個方法最特別的地方在於相當於把一個雷射脈衝分成很多小部份後再放大,所以不會讓放大器造成過大的負擔,直接跳過放大器性能的極限,而達到加強雷射脈衝的效果。這個新方法可以讓物理學家繼續使用傳統的雷射放大器,但是卻可以得到更強的雷射脈衝,甚至可用來製造雷射武器。
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1918
1921
1922
1932
1933
1964
1971
1981
1997
1999
2000
2001
2005
2009
2012
2014
2017
2018