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⊙「光是什麼」愛因斯坦給了答案

⊙追逐光既浪漫又前衛

⊙下一個愛因斯坦年代

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⊙陳建德(國家同步輻射研究中心主任)

愛因斯坦在台灣發｛光｝

2005. 5. 15　中國時報

　　今年是聯合國明定的「2005世界物理年」，這是人類有史以來最大的科學推廣活動，目的在於紀念自1905年起，愛因斯坦建立了許多物理理論，對世界這一百年來的科技文明所產生的深遠影響。台灣也有一系列的認識物理活動，同步輻射研究中心從「光」的角度切入，為國人介紹愛氏對台灣過去以及未來的影響。

2005年，愛因斯坦在全台各地發光發熱。⊙圖片／國家同步輻射研究中心、本報資料照片

一百年前，愛因斯坦為「光是什麼」給了一個最重要的答案。

　　想想看，如果像螞蟻一樣看不到「光」，今天的人類會有什麼樣的文明？人類對「光」是什麼一直都有莫名的神祕感，三百多年前，牛頓開始做出有系統的研究，發現白光係由紅橙黃綠藍靛紫的光所構成，認為光像一顆顆極微小的珠子，強調了光的粒子性。大約同一時期，另外有一派人以惠更斯(Huygens)為代表，提出光的本質是一種波，成功的解釋光的折射。

　　十九世紀中葉，馬克斯威爾(Maxwell)建立了電磁波理論，並預測了光是一種電磁波。到廿世紀初，愛因斯坦為闡釋光電效應而提出了光的量子論，描述光是一顆顆攜帶能量的粒子，其能量大小則和光波的頻率成正比，後人以「光子」強調此一本質，從此人類認識到光同時具備粒子與波動的雙重特性。
科技生活「光」照世人

　　以現代的觀點，所有電磁波也可以反過來叫做光，電磁波在愛因斯坦的相對論中也佔有極重要的地位。稍後愛氏又利用他所擅長的統計力學結合光量子論，成功的解釋了固體在低溫下比熱值的奇怪變化，也討論了原子分子受光照射時，電子「轉換軌道」的機率，成為日後雷射的核心理論基礎。

　　愛因斯坦的理論創新，不但為原子分子的量子論發展奠立信心，也成了固態物理的經典範例，而在今日科技文明的直接影響則堪稱無遠弗界。隨便舉例:光電效應的了解造就今日的電影配音、日常看到的自動門、太陽能電池、數位相機等科技，而今天的CD、DVD、影印機、收銀台的條碼機則受惠於雷射理論。除了固態物理開啟了晶圓產業所需的知識準備外，愛氏也造就了新竹科學園區的光電產業。

追逐光既浪漫又前衛

「台灣光子源」是國內科技界在「2005世界物理年」提出的構想，將會是世界上最亮的Ｘ光光源。⊙圖片／國家同步輻射研究中心、本報資料照片

　　愛因斯坦對光的求知過程既前衛又浪漫，他想像若企圖以高速追著光跑，看到的光會是什麼樣子，因而發展出了狹義相對論。這個理論的具體結果是能量和質量可以像台幣美金之間換算，換算的比率就是光速的平方；今天的核能發電就是根據這個換算公式來產生電能。

　　另外，愛因斯坦還發展出廣義相對論，指出重力場會使時空扭曲，最有名的第一個驗證就是1919年英國天文學家在日蝕時所觀測到的星光，經過太陽重力所發生的偏轉，符合愛氏所預言。今日飛機、車船所使用的衛星導航系統欲精確定位，必須考慮到相對論的效應，國內受益的相關產業也與日俱增。

　　愛因斯坦還以相對論開啟了現代天文學，讓人類的宇宙觀有了革命性的改變。

同步加速另一個舞台

　　1919年，拉塞福(Rutherford)以α粒子撞擊氮核，產生人類第一次的人造放射性元素，並發現質子，1932年，科克羅夫特等人提出一種高壓式的加速器，使質子將鋰原子核撞裂開來，這是人類首先利用人工所加速的粒子開展的原子核實驗，由實驗過程的能量和質量損益表，愛因斯坦的E=mc2公式得到首次的證實。

　　加州柏克萊的勞倫斯(Lawrence)也在同一段時間發展出圓形的迴旋加速器，當加速質子能力逐漸提高時，科學家看到質子果然因為愛因斯坦狹義相對論而質量增加了，這使得加速的步調失序，於是有同步加速器的問世。

　　正當同步加速器試用於加速電子時，又發現電子的超高速圓周運動會發射電磁波而損失能量，這個電磁波不像大哥大產生的電波向四面八方散去，而是按著愛因斯坦的相對論效應，朝切線方向集中在百分之幾度以內，這就是同步輻射，也稱作同步加速器光源。科學家逐漸發現，這種光源在紅外光、紫外光，尤其是Ｘ光波段，應用在研究物質與生命科學上威力無窮，在研究範圍上遠遠超越傳統的光學顯微鏡及電子顯微鏡，於是世界各科技先進的國家紛紛開始傾國家之力興建同步加速器光源。我國於1993年也有了第一座低能量(擅長於真空紫外光區)的同步加速器光源─「台灣光源」(Taiwan Light Source)。

下一個愛因斯坦年代

　　愛因斯坦的相對論絕不祇是一種理論，對很多科學家及工程師而言，根本就是活生生的實用工具。以「台灣光源」的同步加速器為例，電子的軌道半徑與偏轉所需的磁場大小完全如愛因斯坦的狹義相對論所預期，比牛頓的古典力學理論計算值要大40倍以上。

　　近年來，我國的基因體生命科學研究團隊利用「台灣光源」Ｘ光陸續探測出多個新的蛋白質結構。這些尖端實驗已使台灣在多項基礎科學研究領域登上了世界的最前沿。

　　在此同時，瑞士、英國、法國、中國大陸等十多個國家開始興建低束散的中能量同步加速器光源，藉以產生高亮度高穩定度的Ｘ光，國內學術科技界目前醞釀向政府提出一個「台灣光子源」興建計畫，希望台灣能在光的領域迎頭趕上歐美日先進大國，國家同步輻射研究中心也有信心設計出這樣一座世界最亮的Ｘ光光源，提供國內在生醫、材料等多項領域最犀利的科學研究神燈。　

　　我們有幸在「2005世界物理年」的當下，提出一個與愛因斯坦一起築夢的願景，尤其盼望台灣的青年學子中能出現下一個對人類文明福祉有深遠影響的愛因斯坦，光耀世界。

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