2013 十一月號

圖示

第九十七期電子報  出刊日期:1021112   

科學新文摘

 


 

完美定義絕對溫度 

 

 

用一顆大銅球的歌聲尋找絕對溫度尺度

 

 

現今宇宙中最精密的溫度量測儀器,長得可一點都不像家中的溫度計。它是個長得像顆大哈密瓜的銅製容器,裡面裝滿高濃度氬氣並裝置有麥克風和微波天線。不過這個擺在英國國家物理實驗室(NPL)的裝置,不只是用來測量溫度,類似這樣的裝置可能有助於澈底審視溫度的概念,並重新定義溫度在基礎物理上的意義。

 

裝設這個儀器的計畫希望可以藉由一個物理常數來連結能量和溫度。目前國際通用的溫度單位是絕對溫度,它是依據水的特性來定義的,科學家希望它能夠和其他精確的物理量一樣有清楚的定義。目前,一秒的定義來自銫原子的振盪頻率,一公尺則是光於2億9979萬2458分之一秒內在真空中所行進的距離。主導該研究團隊的波得斯塔(Michael de Podesta)說:「難以置信,絕對溫度竟然還無法直接以能量表示。」

 

目前,NPL的儀器能夠測量波茲曼常數,該常數可表示每焦耳能量所造成的溫度改變。波得斯塔的團隊和競爭者希望藉由精密測量的波茲曼常數值,反過來定義絕對溫度的大小。

 

技術上來說,NPL的新溫度計應該稱為聲波共振器。當物理學家從麥克風輸入特定頻率的聲波時,這個銅製的容器會像座鐘般產生共鳴。藉由此頻率和容器的大小,研究人員可以推算出容器內部氣體的聲速和氬氣分子的平均速率,後者可以得出氣體分子的動能。波得斯塔的團隊在7月份的《度量衡學》發表了目前全世界最精準的波茲曼常數。

 

目前定義溫度是利用水的相變,其中一個關鍵溫度,是冰、水和水汽共存的三相點,也就是273.16K。在1954年,國際上公認把水的三相點和絕對零度之間,劃分成273.16等份,每一個間隔便成為絕對溫度的1K。

 

這個1954年的規範在科學界大致上暢行無阻,但是一遇到像恆星內部的極端溫度時,則出現困難。波得斯塔說:「溫度反映的其實是原子和分子飛來飛去的平均動能。人們在理解這個原理之前,早就已經開始在測量溫度了。現在,既然有了比較嚴格的微觀基礎,並且有機會修正,我們當然要做。」

 

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2013年第141期11月號】

 

撰文/畢凌斯(Lee Billings)

翻譯/洪艾彊


 

焦點活動與要聞


 

 

 

「斥吸力」梳理交通 科大搵出最佳路線

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助鐵路故障尋補救方案 研究利製導航系統

【香港文匯報訊 記者 歐陽文倩】

每次要去陌生的地方,大家已習慣拿起手機,搜尋最短的路線以前往目的地,但原來繞道可能會走得更快,「秘訣」就在於運用物理學思維。香港科技大學的研究團隊早前夥同英國阿斯頓大學 (Aston University),首次將「聚合物物理」的「排斥力」和「吸引力」應用到路線規劃當中,並根據倫敦地鐵的數據進行模擬測試,成功梳理交通脈絡,找出繁忙時段的最省時路線,以及非繁忙時段的最節能路線,就連鐵路故障亦可找出補救方案。有關研究將可應用於交通、通訊、導航系統。

由甲地前往乙地,途中總有幾個站或轉折點,就如幾個點串起一條線,形態與將分子連接在一起的聚合物(Polymer)相似。

夥英大析倫敦地鐵數據

科大物理學博士後研究員楊志豪、教授王國彝及英國阿斯頓大學教授David Saad於是就分析了2,316個倫敦地鐵的乘客路線資料,並將「聚合物物理」之理論引入「排斥力」和「吸引力」,嘗試找出不同時段的「最佳路線」。

楊志豪解釋︰「現時我們用手機查路線,它會給你幾個結果,但都是以最短距離去做計算。正如由旺角去中環,最短距離是經紅磡隧道過去,但當太多人都選擇這最短距離時,反而會因塞車而延長行車時間。」

最短非最快 兜路更早到

有見人流集中令繁忙時間的交通擠塞,他們就用「排斥力」的概念,於一般最短距離以外另闢途徑,透過數學運算,令路線自動「保持距離」,不要過於集中。結果,部分人會被分配繞道,但也因為疏導了交通,令行走不同路線的人最終能以最快的時間抵達目的地。而根據倫敦地鐵的數據模擬,研究團隊的路線結果令擠迫程度下降24%,但路程只是長了4.6%。

至於在非繁忙時間,研究隊團則用「吸引力」的概念,就像飛機的「轉機安排」一樣,盡量將不同地區的乘客組合起來,節省運輸成本和能源使用,主要的路線亦可因有足夠的乘客而保持班次的頻密度。 與業界商用於足球賽交通

王國彝表示,有關研究能平衡交通網絡,減輕高峰期的壓力。除了一般的鐵路,有關研究結果還能應用於其他交通安排、網路通訊路徑及導航系統之上。研究結果已於《美國國家科學院院刊》上發表,並被選為「重點文章」。目前,David Saad亦正與業界商討能否將有關方法運用在足球賽事的交通安排上,他們還期待可有更多合作,令研究成果能更廣泛地應用。

全文網址: http://paper.wenweipo.com/2013/10/31/ED1310310002.htm

 


 

新書介紹


書  名:《星空協奏曲》 
作  者:高涌泉、曹亮吉、徐光台、姚珩、吳俊輝???     
出版者 :臺大出版中心 
出版時間:2013年10月 
內容簡介

對於浩瀚星空,從古至今,人們總有無限的想像。 
人類的好奇心是如何引發這場震撼世界的科學革命,顛覆了自希臘時代以來的宇宙觀? 
本書集結國內第一流學者講演之內容,帶領讀者穿梭古今,一同聆聽這一曲由哲人們共同譜出的千年樂章。  

星空協奏曲

 

學科中心近期研習活動

 

 主  題:自然領域數位化科學實驗演示北區教師工作坊
 日  期:102.11.16(六) 09:30~17:10
 地  點:東吳大學
 講座師資:陳秋民教授、學科中心種子教師
 
 參加對象:中、小學對數位化科學實驗演示有興趣的教師

 主  題:102年度課綱微調課程宇宙學示範教學(北區)教師增能研習
 日  期:102.11.26(二) 13:00~17:10
 地  點:國立臺灣大學
 講座師資:陳義裕教授、高文芳教授 

 主  題:102年度課綱微調課程宇宙學示範教學(中區)教師增能研習
 日  期:102.12.05(四) 13:00~17:10
 地  點:國立臺中一中
 講座師資:陳義裕教授、高文芳教授

 主  題:102年度課綱微調課程宇宙學示範教學(南區)教師增能研習
 日  期:102.11.28(四) 13:00~17:10
 地  點:國立台南二中
 講座師資:陳義裕教授、高文芳教授

 

 

 


科學活動及演講

 

 主  題:科學、傳播與社會-科學溝通的新三角關係
 日  期:102年11月29至12月1日
 參加對象:科學界、教育界、新聞傳播、以及社會學等跨領域之科普工作者 
 研習地點:國立自然科學博物館國際會議廳(紅/藍廳)
 報名網站:http://activity.nmns.edu.tw/2013scicommforum/index.asp

 主  題:天文望遠鏡DIY/華山1914觀星趣
 日  期:102年11月30日(週六)09:00~18:00
 地  點:華山1914文創園區 東3烏梅酒廠
 參加對象:高中職教師、一般民眾

 報名網站:http://www.ylib.com/scientific/activity/201311Telescopediy/course.htm

 

 主  題:2013彗星系列演講 之7—「天地玄黃宇宙洪荒—談天體碰撞與人類歷史」
 日  期:102年11月30日(週六)14:00~16:00
 地  點:臺北市立天文科學教育館
 參加對象:一般民眾

 活動網站:http://ticket-app.tam.gov.tw/activity/cp.php?actno=111

 

 

 

 

 

 

 

物理學科中心網址: http://physical.tcfsh.tc.edu.tw/physical/index.html
聯絡電話:(04)22226081轉811          聯絡信箱:physics@tcfsh.tc.edu.tw
聯絡人:  蔡沛霖