燃媒發電空污致死人數

http://cn.nytimes.com/china/20160819/china-coal-health-smog-pollution/zh-hant/

這是一份源於中國頂尖研究型大學之一的清華大學與波士頓的健康影響研究所(Health Effects Institute)一個合作項目的報告。中間陳述「2013年把8.65萬的死亡人數歸因於火電廠的燃煤」[1]。

台電在 104 年度燃煤發電度數為 591 億度[2]。大陸的燃媒機組容量大概為十四萬 MW[3]，年發電度數估計應在一兆度上下，大概是台灣的十七、八倍。也不要輕率的假設大陸的機組較無效率，上海外高橋採用的就是臨界機組。

台灣沒有做過類似的研究。先不論台灣是更地狹人稠，單以發電度數來估計台灣因燃煤空污提早至死的人數，你認為是多少呢？三千、五千還是七千？注意，這是每年必定發生的數字，過去發生、現在正在發生，而且未來還沒有顯著的理由會大幅下降。

跟核電相比，核電自 1956 年起在英國服役起迄今六十年，累計因核電事故因而可能幅射致癌而死的根據 WHO 的估計是四千餘人，主要是車諾比事件，三浬島、福島沒有的。而且 WHO 的估計是保守的，意思是人數是高估的，因為它採取的模式是沒有閾值 (threshold) 的，也就是假設人受一點幅射也會等比例致癌。但人類從演化以來，一直飽受宇宙幅射線轟炸，有一定的容忍劑量，也有自我的修復的機制。簡單來說，六十年間累計因核電事故幅射致癌而死的人，不到每年因燃煤空污致死的一個零頭。

除了二氧化碳排放的問題之外，下次考慮發電成本時要將這些「外部」成本計入。記住，這不是可能發生的災變，而是一直在發生的災變。特別是中部地區：台中火力發電廠是全世界最大的！

References:

[1]: http://cn.nytimes.com/china/20160819/china-coal-health-smog-pollution/z

[2]:http://www.taipower.com.tw/content/new_info/new_info-e11.aspx?LinkID=15

[3]:https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_power_stations_in_China

Dragonfly 44--黑物質候選人

http://edition.cnn.com/2016/08/27/health/massive-dark-matter-galaxy-dragonfly-44-milky-way/index.html

這是兩位天文物理學家用陣列望遠鏡找到的銀河，命名為蜻蜓 44，因為陣列望遠鏡名為蜻蜓。以前一直被忽略，因為幽微不可見。

它距地球大概有三億光年，座落在昏迷星座 (Coma Constellation) 的方位，大小跟我們的乳道銀河差不多，但可見物質只有 0.1%，這比宇宙平均 4.9% 要低很多，這也是為什麼以前一直看不到的原因。如果只靠這麼一點可見物質，沒有足夠的重力相互牽引，銀河結構就會瞬間崩解。所以顯然有其它可以產生重力引力的物質。所以這是黑物質的候選人。

但先別高興的太早，三億光年的距離離地球太遠了，以目前的技術沒辦法仔細研究，最好是近一些的星體，譬如是三、五千萬光年距離左右。

另一個我覺得比較遺憾的是關於黑物質的理論進展遲緩。現在黑物質的理論許多都是從標準模型中去找不跟電磁作用的粒子，也許要更放開眼界，再野一點。理論有比較明確的發展方向，實驗也比較容易做。像 Higgs 粒子，其存在於半世紀以前就建立模型。而其質量，根據以往粒子碰撞、衰變的數據，計算可能就落於目前發現的 125 GeV 左右 (如果再往上，理論預測有一大段的”沙漠”，也就是沒有 Higgs 的可能)。其衰變模式呢？Higgs 衰變成雙光子是招牌訊號。有這樣清楚的理論基礎，當 CERN 對撞機的能量到位時，發現也就如行雲流水。目前黑物質連是否以粒子形式存在都未知，實驗做的辛苦，理論天文學家以及重力場論要加油了！

人類源起 (二)

http://cn.nytstyle.com/science/20160922/ancient-dna-human-history/zh-hant/

看來現代人的起源圖像越來越清楚：二十萬年前現代人在非洲與其它人種分支，7.5 萬年前走出非洲，非洲人以外的現代人都主要是這支出走非洲現代人的後裔。但是基因庫中少量百分比來自於更早出走的人類，也許是在當地生活已久的直立人。週三《Nature》的幾篇文章雖然是以澳洲土著為主要對象，但是所得結果與歐亞人混入尼安德塔人、丹尼索瓦人的小部份基因模式是相似的。

奈米碳管場效電晶體 (Carbon nanotube field effect transistor; CNT FET)

這是九月二日在 《Science Advance》刊載的一篇關於奈米碳管場效電晶體的一篇學術文章[1]。經媒體報導後，標題有些聳動[2]。其實離我第一次在《電子時報》上介紹它已過十餘年，中間持續有進展。只不過此次有性能顯著的提升，所以上了報。

先說它的材料好了。碳是宇宙間豐度很高的元素：第一當然是結構最簡單的氫，占四分之三，然後是氦，占近四分之一，依次是鋰，再來就是碳。這些都是宇宙極早期就有的元素。

碳的存在型態很多樣，像鑽石、石墨都是常見的樣態。碳原子序為 6，結構很簡單，所組成的固體對稱性極高。以現在紅極一時的石墨烯 (graphene) [3] 為例，它是一個二維結構，就是單層結構 (monolayer)。從上往下俯視，碳原子以六角型蜂巢狀結成平面，這大概是二維結構所容許的最大對稱了。奈米炭管 [4] 則是將石墨烯捲成像蛋捲的圓柱。

奈米炭管為什麼適合做場效電晶體中的通道 (channel，指介於電晶體源極 (source) 及漏極 (drain) 之間的通道) 物質呢？電子元件最重要的概念是控制，就是電流通或不通，要能以施加電壓來調控；一直是通電流的物質如金屬、或者一直都斷路的絕緣體都不適合當電晶體。所以以前用半導體當材料，當適度植入正/負離子之後，其導電性就可以用電壓控制。一般半導體的導帶 (conduction band) 與價帶 (valence band) 之間的能量差在 0.3 eV 上下，也就是說以 1 V 以下的電壓就可以控制半導體電晶體的開關，這也是目前的工藝水平。

奈米炭管的電子特性是近乎半金屬 (semimetal) [5]，半金屬的導帶與價帶恰好觸及，所以導電性極佳，而且導電性也可以用電壓調控。另外，在奈米炭管與石墨烯的電子機動性 (mobility) 也很好，可以近光速的千分之一。所以它可以用來做大電流、高頻快速操作的元件。

從這篇文章中看來它已經在製程微縮以及金屬雜質 (散射妨礙導電) 控制上有所進展。作者在每一場效電晶體中放一奈米碳管，而每一微米的間距可以置入 47 根奈米碳管，這大概粗略等於 20 nm 左右的製程，算是不錯了。而導電性因雜質控制的改進可以達到理想值的 1/4，比一般半導體場效電晶體耗能要少 5 倍。看來已非做單一電晶體的概念展示品。但是有優點也就有缺點。像文中提及待克服的漏電流 (leakage current) 問題，其源頭就是因為其導電性好，太好了！不開也漏電。偏偏現在高端的半導體元件漏電流問題很嚴重，有將近 40% 的能量是消耗在發熱上，手機像以前的白金懷爐！

它能替代現有以矽晶為基礎的半導體嗎？實驗室中的樣品性能上也許有些過人之處，但是量產是另一個完全不同的層次。更困難的是半導體的製程微縮已推進至物理的極限邊緣，有人說是 5 nm，也許還可以往下走一兩步，但是為一種新的材料開發一全新的製程以及相應的設備，這太忽略產業累積的巨大投資所形成的慣性了，也太小看物理所設下的天險了！比較可能的情節是將其嵌入現有的矽半導體體制之中，使其與矽晶半導體製程相容，並且從一特殊的應用起步，譬如射頻元件。這是很多新世紀技術的導入策略，如自旋電子學 (spintronics)，我相信奈米碳管要見用亦當如此。

References:

[1]:http://advances.sciencemag.org/content/2/9/e1601240

[2]:http://tomorrowsci.com/technology/%E7%B4%8D%E7%B1%B3%E7%A2%B3%E6%99%B6%E9%AB%94%E7%AE%A1%E6%80%A7%E8%83%BD%E9%A6%96%E6%AC%A1%E8%B6%85%E8%B6%8A%E7%9F%BD%E6%99%B6%E9%AB%94%E7%AE%A1/

[3]:https://en.wikipedia.org/wiki/Graphene

[4]:https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_nanotube

[5]: https://en.wikipedia.org/wiki/Semimetal

暗物質與暗能量

暗物質 (dark matter)[2] 與暗能量 (dark energy)[3] 二者有些一樣，也有些不同。一樣的是它們與我們熟悉的光－就是電磁作用－不會交互影響，所以我們用可見光及無線電望遠鏡都觀察不到，是以我們以「暗」名之；不同的是它們在重力之下舉止很不一樣：暗物質與平常物質 (ordinary matter) 一樣，彼此之間是吸引力，但暗能量卻會造成重力的斥力。

現在對宇宙的暸解我們又”進”了一小步。我們日常所見的平常物質，就是我們所熟悉、由原分子所組成的物質，只占宇宙總質能 4.9%。而暗物質占 26.8%，暗能量占 68.3%，這些都是我們只能間接觀察它們存在的質能。唉！我們所知越來越少了。不過，這幾個百分比這幾年更改過，而且精確到小數點第一位。就像宇宙的年紀現在我們可以堂而皇之的說 137.99 億年 [6]，而不是像以前只能籠統的說大概一百四十億年。所以科學還是努力在進步。

暗物質的概念出現的較早，上世紀 30年代時，弗里茨ž玆威基 (Fritz Zwicky) 就提出了星團中有暗物質的概念。這個概念的源起很簡單，是國中物理。一個物體靠向心力維持繞行，其運動速度和向心力的根號成正比，而向心力由重力提供，重力又與互相吸引的二個質量成正比。所以我們觀察星體的運動速度，應該可以推算它們的質量。第一個暗物質的證據是霍勒斯ž巴布科克 (Horace Babcock) 在他的博士論文中提出的，是觀察我們附近的仙女座銀河 (Andromeda Galaxy) [5]－就是那個在幾十億年後將與我們所在乳道銀河 (Milky Way Galaxy) 撞成一團的那個銀河－的一些星體運動，他得的結論是有許多暗物質，否則那些星體不可能如此快速運動！他的數據只有四點，而且誤差很大。但他的結果被後來的其它觀察陸續證實。博士論文可以有如此重大的發現，有為者亦若是！

暗能量的議題其實源遠流長。從愛因斯坦寫下他的重力方程式後，一個經常徘徊在理論物理學家心頭的問題是宇宙未來的命運是如何？大爆炸後宇宙終將由其組成物質的重力相互吸引、終將塌縮回一歧點？亦或將無止境的擴張下去、終成荒蕪稀疏、物質寥落之境？愛因斯坦當時的選擇是宇宙是靜止的，後來成為他最後悔的事。在 1998 High-Z Supernova Search Team 發表了對 Type 1A 超新星的觀察，隔年的 Supernova Cosmology Project 得到宇宙的擴張還在加速的結論。如果宇宙中只有平常物質和暗物質，宇宙在初期大爆炸後快速擴張期後終將因這些物質之間的引力而減緩擴張的速度。顯然宇宙中還有另外一種能量，其重力作用為斥力，使得星體之間加速分離。愛因斯坦方程式中的宇宙常數 (cosmological constant) 是暗能量的可能解釋之一。這個發現距今不到二十年，天底下永遠有新鮮事。

之所以推薦這本書 《宇宙雞尾酒》[1] 是因為夠新，裏頭連最近量到的重力波都有提。前頭講的都只是簡介，新的結果在書中。作者凱瑟琳ž弗里玆 (Katherine Freese) 的專長是高能天文學 (high energy astrophysics)，這是研究這類題目最合適的背景，譬如高能物理中的微中子 (neutrino) 就曾是暗物質的候選人之一。裏頭有張照片是四位女性教授的合照，其中一位曾經當過 《Scientific American》的封面人物。是舊識也曾是競爭對手。翻書時不免前塵舊事才下眉頭，又上心頭。

References:

[1]:http://www.books.com.tw/products/CN11249677

[2]: https://en.wikipedia.org/wiki/Dark_matter

[3]: https://en.wikipedia.org/wiki/Dark_energy

[4]: https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmological_constant

[5]: https://en.wikipedia.org/wiki/Andromeda_Galaxy

[6]: https://en.wikipedia.org/wiki/Age_of_the_universe