列印此頁 列印此頁

研究發展~綠能生活8

光與能量
文‧圖/林清富

  「光」具有廣泛的應用,例如,讓網際網路變得極為方便和普遍的光纖通訊,讓電視和顯示器變成很薄的顯示技術,讓人類的夜晚不再黑暗的照明技術,讓人可以隨時拍照留念的數位相機和手機相機,風靡全球的立體電影阿凡達,以及未來可以取代石油的太陽能發電等等。而臺灣的光電技術和產業在世界上也是相當先進,並占有極重要的地位。在2009年,臺灣的光電超過2兆新台幣,占全世界光電產值的17-18%,與臺灣人口只占全世界的0.35%相比,臺灣的光電界在全球可說令人刮目相看。


  然而光是什麼?我們知道生命的三大基本要素是光、空氣、和水。光,如此重要,卻是一個叫科學家探索很久都還摸不清底細的「東西」。這裡我們用引號的「東西」來稱呼光,是有特別用意的,因為光是不是一個「東西」,很難說,即使是科學家也是說不準。在很早以前,就有人探討光的本質,那時對光的探索還在「哲學」的層次,一直到了17世紀以後,對光的探討才開始有較「科學性」的研究。


  光是什麼?較為「科學性」的觀點有三種,分別是光線、光粒子和光波。光線的觀點可以從陽光經由樹林中的縫隙穿透下來理解(圖1),在還不知道光的本質之前,光線的觀點可以幫助我們瞭解和預測光的行進方向。光線的觀點讓科學家們發現了折射定律(圖2),單單光線的觀點就可以讓我們設計一些光學儀器,如顯微鏡、照相機、攝影鏡頭等,甚至於最近開始流行的立體影像,如阿凡達電影,也需要使用光線的觀點來設計。

圖1:陽光經由樹林中的縫隙穿透下來-形成光線。
圖2:司乃耳定律(Snell’s Law):筷子在水中變成彎折。

  在光線的觀點之外,最讓科學家們爭論不休的焦點為,光到底是光粒子或光波?早期的著名人物大多認為光是粒子,這些人物包括笛卡兒(René Descartes, 1596-1650)和牛頓(Sir Isaac Newton, 1643-1727)。光粒子的觀點可以用來解釋折射、反射和影子等現象,牛頓還用光粒子說來解釋彩虹的顏色,他認為白色光是分屬各種色彩的不同微粒之混合體,因為有笛卡兒和牛頓這些偉大人物認定光是粒子,因此當時的主流意見就採用了光是粒子的觀點,在其後的100多年裡一直占著主導地位。從光粒子的觀點可以推論出,光在水中的速度比在空氣或真空中快,現在我們知道這是錯的,但在牛頓的年代,還沒有技術可以測量光速,因此當時無法判斷光粒子觀點的謬誤。另一方面,光速是多少?以及如何測量光速?這些自然而然也是科學家們極感興趣的問題。


  相對於粒子觀點,光波的觀點可說是發展得很慢。發現彈簧遵守著某個定律的虎克(Robert Hooke, 1635-1703)認為光是一種振動,並初步建立了波面和波線的概念。惠更斯(Christian Huygens, 1629-1695)更進一步提出光是一種波動的主張,他解釋光是一種介質的運動,該運動從介質的一部分以某種速度依次地向其他部分傳播,然而沒有實驗證據證實這些觀點。


  要確認光是波動,必須要有類似水波或聲波的波動現象,最明顯的是干涉現象和繞射現象。但是這類波動現象的發生,還要有一個非常重要的特性,即波必須有同調性或相干性(Coherence)。特別是干涉現象,必須要來自不同位置的波源具有相干性,也就是說,得要有兩列相干光才可能看到光的干涉,這在當時是很困難的技術,因為自然界的光源幾乎都不具有相干性。直到1801年,英國科學家托馬斯‧楊(Thomas Young, 1773-1829)才用雙狹縫進行實驗,確實看到了干涉條紋,而證明了光的波動性(圖3)。為了解決相干性的問題,托馬斯‧楊在雙狹縫之前還擺了一個單狹縫,以確保進入雙狹縫的兩道光具有好的相干性。托馬斯‧楊的實驗可說是驚天動地,因為光波的觀點從此橫掃物理界和科學界,把光的粒子說掃進了垃圾堆。

圖3:(1) 托馬斯‧楊的雙狹縫干涉實驗架構圖;(2) 光的雙狹縫干涉條紋(http://en.wikipedia.org)。

  接著,傅科(Jean Bernard Léon Foucault, 1819-1868)和斐索(Armand Hippolyte Louis Fizeau, 1819-1896)在1850年發明了斐索-傅科儀測量光速(圖4),發現光在水中的速度比在空氣或真空中慢,所以確定了光粒子的觀點是錯的,也因而被稱為是對牛頓的光粒子說釘入了棺材的最後一根釘子,從此光粒子說似乎就壽終正寢了。之後,馬克士威(James Clerk Maxwell, 1831-1879)由電磁學的四個定律,即馬克士威方程式(Maxwell’s equations),推導出電磁波的波動方程式,進一步推論電磁波的速度就是光速,而赫兹 (Heinrich Rudolf Hertz, 1857-1894)根據馬克士威的推論,藉由實驗產生了電磁波。因此在19世紀末,確定了光就是電磁波,其特性可由電磁波的波動方程式預測,而其傳播速度就是光速,現在我們確定光和電磁波其實就是同樣的「東西」。

圖4:傅科和斐索在1850年發明了斐索-傅科儀測量光速(http://en.wikipedia.org)。

  光的粒子說和波動說之間的角力,好像武林高手在過招一樣,高潮迭起。就在光的波動說獲得壓倒性的勝利之後,20世紀初,卻又被一位二十幾歲的年輕人給推翻了。

   推翻光波觀點的實驗是所謂的光電效應,其現象是赫茲於1887年所發現,但赫茲無法解釋這個現象。此現象的情形如下:當金屬表面被光照射時,金屬會吸收光而發射出電子。光的波長必須小於某一臨界值時,才有電子釋出,臨界值取決於金屬材料,而釋出電子的能量取決於光的波長而非光的強度,這一點無法用光的波動性解釋;此實驗的現象還有一點與光的波動性相矛盾,按照光是電磁波的理論,如果入射光較弱,那麼照射的時間要長一些,金屬中的電子才能積累足夠的能量而脫離金屬表面。然而事實是,只要光的波長小於某一臨界值時,無論光是強是弱,電子的產生幾乎都是瞬時的,不超過10的負九次方秒,比用電磁波理論所預測的時間快了好幾個數量級。

  這些奇怪的現象困擾了19世紀末的物理學家們,卻被一位二十幾歲的年輕人解開了謎團。這個年輕人就是愛因斯坦(Albert Einstein, 1879-1955),他解釋光是由小的能量粒子組成的,稱為光子,並且光子可以像單個粒子那樣運動。「光子」理論開啟了新的觀點來看待微觀世界的基本特徵,亦即波動和粒子的雙重性。前面的這個現象,稱為光電效應(圖6),解釋這個現象讓愛因斯坦獲得了諾貝爾獎。而它的影響更是無遠弗屆,因為光粒子說解釋了黑體輻射,也促成了光電工程和量子理論的發展。黑體輻射的認識讓電燈泡發光獲得長足的進步,叫人類從20世紀初至今約100年間擁有安全可靠的照明,不用擔心煤油燈或蠟燭造成火災;而光電工程的進步,讓雷射和光纖被發明出來,產生了光纖通訊網路,並進一步演變出網際網路;而且光電工程還在繼續開發省電的發光二極體,讓照明不僅安全可靠,更是節省能源(圖7);還有太陽能光電所使用的伏打電池(圖8),也是運用光電效應,簡單地講,就是照射光子以產生電子,許多人預期這是解決能源危機和氣候變遷的最好方式。此外,光電科技的進步導致了電影、電視成為日常生活的一部分(圖9),這使得許多人在漫漫長夜當中,不僅不會無聊,更有精彩影片陪伴,叫人們的生活變得豐富精彩,也促成媒體以及聞名全球之影歌星、模特兒、球星的出現,讓某些人在一夕間爆紅,家喻戶曉,如小胖林育群、周杰倫、張惠妹、林志玲、江蕙、劉德華、張學友、李小龍、王建民、郭弘志、麥可.傑克森、湯姆.克鲁斯、妮可•基嫚、惠尼.休斯頓、布萊德.彼特、珍妮佛•安妮斯頓、貝克漢、馬拉度那、乃至章魚哥保羅等(圖5)。而光纖通訊網路及演變出的網際網路也讓Google,Youtube,i-phone,i-pad,臉書,推特等網路科技、產品及網路社群不斷推陳出新,日新月異(圖10&圖11)。

圖5:因著世足大賽一度爆紅的動物明星-章魚哥保羅。(http://share.youthwant.com.tw/sh.php?id=65007796&do=D)
圖6:光電效應的實驗架構圖。
(http://www.fordham.edu/academics/programs_at_fordham_/chemistry/courses /fall_2010/physical_chemistry_i/lectures/photoelectric_6309.asp)
(1)
(2)
(3)
圖7:
(1)煤油燈、蠟燭、電燈泡;
(2)光纖通訊網路示意圖(http://web2.yzu.edu.tw/top_unv/epapers/No004/04.html);
(3)發光二極體示意圖(左)和實體(右, http://en.wikipedia.org)。
(1)
(2)
圖8:
(1)太陽能光電所使用的伏打電池示意圖(http://encyclobeamia.solarbotics.net/articles/solar_cell.html);
(2)太陽能發電廠(http://en.wikipedia.org/wiki/File:SolarPowerPlantSerpa.jpg)。
圖9:真空管(左, http://www.milbert.com/tstxt.html))和IC(右, http://en.wikipedia.org)。
圖10:筆記型電腦(左, http://www.acer.com.tw)和手機(右, http://www.apple.com)改變人類生活至鉅。
圖11:(左上) Google網頁;(右上) Youtube網頁;(左下) 臉書網頁;(右下)推特網頁

  另一方面,「光速是多少?」這個問題使得邁克森(Albert Abraham Michelson, 1852-1931)設計了一個極精確的實驗方法,以測量光速(圖12),然後進一步發現光速不隨座標系統的相對運動而改變,這也促成了愛因斯坦假設光速是定值,進而推導出相對論以及質能互換公式。而由質能互換公式,粒子可以消失,化成光的能量型式;光也可以消失,變成電子等類的粒子。於是光可以從不是東西,變成是物質的東西,再由物質的東西變成不是東西的能量。

圖12:邁克森測量光速的實驗裝置(http://en.wikipedia.org)。

  可以說,從亙古以來,光是促成人類文明的一大要素。自從工業革命之後,人類在物理學的進步極大。另一方面,也消耗了地球上許多資源,特別是使用石化能源造成幾個嚴重的後果,如全球暖化和極端氣候等,因此改用替代能源變成極為重要。一年前,許多專家認為要解決石化燃料造成的問題可以依靠核能,但是今(2011)年3月11日日本發生九級大地震,引發大海嘯,並進而損害福島核電廠,導致極嚴重的核污染外洩,影響區域甚至於超過方圓30公里的範圍。因為平日以嚴謹效率著稱的日本,仍然無法完全掌控核能外洩,使得核能安全的神話瞬間破滅。所以在日本核災後,世界各國深刻體會到,解決石化能源的問題不能依靠核能,於是剩下來的選項就只有再生能源了。再生能源包含有幾項,如水力、太陽能、風力、海洋能、生質能等。其中太陽能光電是目前各國發展之重心,根據2004-2009年間全球各種再生能源年平均成長率統計發現,這6年間太陽能光電年平均成長率最高,達102%。這表示在再生能源中,太陽光發電是未來各國長期能源發展競爭中的最重要發展目標。太陽光每天照射給地球的能量,以功率計為174,000 TW,而全球需求為15-16 TW,所以太陽光的供應超過人類需求的一萬倍以上。所以,就未來而言,光還是解決人類能源問題的重要方案,且可能是最重要的選項。(本專欄策畫/電機系林茂昭教授)

林清富小檔案

  現任臺大電資學院光電所所長。1983年獲臺大電機學士,赴美就讀研究所,獲美國康乃爾大學電機碩士和博士。歷任臺大電機系和光電所合聘副教授,臺大電資學院光電所、電子所、電機系合聘教授。曾任國際電機電子工程師學會中華民國分會理事,中華民國光學工程學會理事,中華民國光電學會理事,以及IEEE LEOS Taipei Chapter主席;研究領域有太陽能電池、半導體發光元件、光通訊、奈米電子和奈米光電等,發表期刊論文140餘篇,會議論文300多篇,一本介紹光纖通訊元件之英文專書,以及2本中文小說。其傑出表現獲多方肯定,得過國科會傑出研究獎、甲種獎、中國電機工程學會傑出電機工程教授獎、科林論文獎、宏碁基金會龍騰論文獎等。目前為國際電機電子工程學會會士(IEEE Fellow),國際光學工程學會會士(SPIE Fellow),以及亞太材料科學院院士(Member, Asia-Pacific Academy of Materials)。

發表迴響

你可以使用 HTML標簽

<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>