分享本文至 E-mail 信箱

學術引用格式

MLA (點一下全選)

APA (點一下全選)

EndNote(.enw)

一睹眾哲神采

我不常在漫長的飛行旅程中與人攀談,在陌生人周圍我總有些害羞。但最近一次從美東返家的長途飛行中,我和身旁一位了不起的75歲女性,聊了整整5個小時。Stefi來自美國佛蒙特州,曾是位金銀匠師、也是德國移民。我們的對話內容從珠寶製作的藝術、佛蒙特州的冬天,漫談到她住猶他州的兒孫;她正要去探望他們。

一陣子後,話題轉向她住柏林的童年時光,那時正值第二次世界大戰末期。坐在我身旁的,正是一位曾經大戰洗禮的倖存者,是一條活生生的靈魂,既非士兵、亦非前線或後方工廠作業線的一員,而是無端被捲入不幸戰亂中一般人。憑著鮮明的記憶她重述了自己曾親眼目睹的故事,當時她與母親和姐妹們蜷縮在地下室裡,夾縫中求生存直到戰爭尾聲,並遭逢柏林戰役(Battle of Berlin),目睹蘇聯紅軍(Red Army)佔領柏林。她的腦海裡,這一切依然歷歷在目、栩栩如生。但我腦海裡能想像得的,卻盡是單調的黑白畫面;我這一代的任何人所見過的二次大戰影像,除黑白分明外、別無他色。

旅途過後幾天,Stefi與我回到各自的生活軌道上,我思考起人的記憶與歷史記錄間的差距。物理學界也有類似的例子,以黑白對比的影像保存夙昔的典型。我這領域中最有名的照片之一,便是1927年十月於布魯塞爾市(Brussels)舉行的第五屆索爾維會議(the Fifth Solvay Conference),該會的主題是電子(Electrons)與光子(Photons)。這會議廣為人知的原因,正是因為這張具代表性的黑白照,及當中的與會者。

圖一:於1927年布魯塞爾索爾維電子和光子會議(Solvay Conference on Electrons and Photons)中的與會者。

瀏覽此照,或用手指遊走於照片上方的名字,你會發現這些名字根本是現代物理學發展的同義詞。29名與會者中,有17名後來獲頒諾貝爾獎,其中包括居里夫人(Marie Curie),她是唯一在不同學科獲得兩次諾貝爾獎的人!這張照片捕捉了開創現代物理學的巨擘模樣,是這些人為現今科技世界的發展奠下基礎。此會能流傳至今,成為當代文明口耳相傳的故事,是因為愛因斯坦(Einstein)在會中道出了他的至理名言:「上帝不玩弄骰子!」;尼爾斯‧波耳(Neils Bohr)的回答也很經典:「愛因斯坦,不要告訴上帝祂該做什麼!」

對我們許多置身物理學的局中人而言,這些人是科學的象徵、楷模、和靈感。我們熟知他們的名字與他們的故事,我們能輕而易舉地從照片中認出他們,就像認出身旁的朋友一樣。但畢竟這都只是了無生氣、沉默無言的粗顆粒黑白群像。我認識 (所知道)的人當中,沒有誰曾與愛因斯坦、波耳、海森堡(Heisenberg)、或居里夫人邂逅;從沒有人能為我敘述這些偉大思想家還在世時的粲然神采。

很有趣的事實是,儘管這些歷史影像全是黑白的,但是彩色攝影早在此會的66年前,便由另一位偉大的物理學家詹姆斯‧馬克士威(James Clerk Maxwell)創想出來了。

圖二 史上首禎彩色照片,於1861年由托馬斯‧薩頓(Thomas Sutton) 協助詹姆斯‧馬克士威(James Clerk Maxwell)所攝。 該圖像是一條以三色投影技術拍下的蘇格蘭格紋緞帶。

當時的彩色攝影,是先以紅、綠、藍三種彩色濾鏡拍攝圖片,得到三張黑白照後,再將三張黑白照透過濾鏡重新投影,如此彩色圖像便能顯現。此原則或多或少,與今日的電視及電腦螢幕色彩生成法相同。如果你在閱讀此文時仔細盯著螢幕,你會看見螢幕上的像素正是以紅、綠、藍三色組成。

圖三 利用色彩三原色(RGB)成像的例子。 左側的三個黑白影像分別透過紅(上)、藍(中)、和綠(下)三色濾鏡拍攝下來。 當這三張照片透過彩色濾鏡重組後,全彩圖像(右)便出現了。

此蘇格蘭格紋照片,是在馬克士威授課的講座上製成的。馬克士威對光與色彩的興趣,始源於他的創見:他是史上首位理解到電力和磁力等不同物理現象之間,存在著關連的人。這兩物理現象的統一,如今稱為「電磁學」(electromagnetism) 。而這統一的學說引領了另一發現:電磁現象的代言人就是光。今天,用來描述電磁現象的四個方程式,便稱作馬克士威方程組(Maxwell Equations)。

科學是浩瀚無邊的,每為一新發現興高采烈之際,新的奧秘與疑惑往往伴隨而來。電磁學的其中一個重大成就,就是證明了光其實是一種波,而波的屬性 (波長,或頻率 )決定了我們的雙眼如何感知顏色。

圖四 電磁波譜:利用光(或「顏色」)具備的各種不同性質,描述出各種類別的光。 人眼能看到的是可見光,它位在波譜中間一個的小小彩虹區段。

藉由可測量的特性來定義光的顏色,這對人類而言是一大突破,不僅幫助我們理解周圍的世界,同時也帶我們發現,有許多光的「顏色」人眼是根本看不見的!這類光已是我們耳熟能詳的,像是無線電光、微波光、紅外光、紫外光、和X光。但是知道一個事物的確存在(「看哪,紅外光!」),能測量它的屬性(「這個無線電波的波長是21公釐。」),不見得清楚它為何存在。自然界裡怎會有這麼多種光呢,以及為什麼,要等到二十世紀早期,這些奧祕才由參與索爾維會議的偉大心靈們一一解開。

愛因斯坦發現了宇宙有一舉目通用的速限,即是真空之中沒有什麼跑得比光速還快。馬克斯‧普朗克(Max Planck)假設微觀世界裡,能量是由量子(quanta)的離散包傳遞,有光的情況下,這些量子就是光子(photons)。尼爾斯‧波耳使用普朗克的假說來解釋原子是如何產生離散頻譜線,等於是替原子找到有色指紋,好在週期表上相互區分。居里夫人發現鈾具有X射線的輻射特質,是首位假設X射線來自原子本身的科學家,這無疑是一透徹的洞察,推翻長久以來原子不可分割的假說,並首度啟發了當代對放射性物質的認識。路易‧德布羅意則逐漸瞭解了基本粒子的規模,物體居然可以同時表現為波和粒子,這種「雙重性」的特色凸顯了量子世界的奇異,絕非是我們日常經驗裡熟悉的鬆餅、福斯汽車(Volkswagens)和家雀等尋常事物能比擬。埃爾溫‧薛丁格(Erwin Schroedinger)把量子假說提昇到更普遍的範疇,發展了一個數學方程(現在以他的名字命名),使我們能預測原子世界的實驗結果。他知名的思想(gedanken)實驗,是利用盒裡的一隻貓與一小瓶氰化物,探討「知識」介於宏觀和微觀世界間的神祕差異。類似的成就不勝枚舉。

圖五 所有已知化學元素的可見光指紋(「原子光譜」)。 每個原子發射和吸收這些獨特的顏色組合,使我們能夠加以識別。

時興下的政治氣候,經常懷疑科學研究的實用性,質疑把資源挹注在基礎研究,是否能為整體社會帶來任何好處(經濟上或其他層面)。凝視這些索維爾與會者的照片,思考他們為知識文明所做出的貢獻,我們旋即會瞭解,是他們的研究改變了世界;某程度上,是他們的空前思索,為我們現知的世界開天闢地。輻射的發現直接促使放射醫學、輻射殺菌、核電和核武的誕生。原子的活動和原子間相互作用產生的光,後來應用到雷射、LED手電筒,車子或滑板下方酷炫的燈光上,此刻你在電腦螢幕上讀到的像素也源於此。微觀世界的量子力學,以及我們對它的理解,直接影響了積體電路與你所見過的現代電子設備。這些事實恐怕會使人類的時間感故障失衡,畢竟回想量子力學發明的那時,電腦還只是具資料計算功能的機器,沒人能想像「晶片」怎麼做。到了1958年,索爾維會議的31年後,傑克‧基爾比(Jack Kilby)在德州儀器(Texas Instruments)研發出史上首款能工作的積體電路;1970年代,出現了首台使用積體電路、且一般人能負擔的電腦,21世紀初期,智慧型手機隨之誕生。蘋果(Apple)、微軟(Microsoft)、惠普(Hewlett-Packard)、戴爾(Dell)等科技龍頭的崛起,無一不是立足於1920到1930年代間的基礎研究上。

我的思緒回到最初,那記錄往昔的群像。在馬克士威首禎蘇格蘭格紋三色照出現後,彩色攝影術進步相對緩慢。1908年的諾貝爾物理學獎頒給了早期攝影用的色彩感光乳劑,但是,第一卷成功的彩色底片,要等到1935年柯達(Kodak)成立家喻戶曉的科達康(KODACHROME)品牌後,才順利問世。即便如此,彩色攝影比黑白攝影昂貴得多,直到1950年代末期才有廣泛的使用。也就是說,我們的影像歷史,多是由顆粒感厚重的黑白影像所主導的。

正因如此,當這張索爾維會議的照片上週在我朋友的Facebook牆面上流傳時,真是一大驚喜,因為它居然是彩色的!它出乎意料地使我震撼,難以忘懷。有好長一段時間,我只是盯著照片看。我從不知道居里夫人戴的圍巾有一點藍色,愛因斯坦繫著一條具迷幻效果的領帶,而薛丁格別著紅色的領結(保利看著那個領結,是否很羨慕呢?)。但更重要的是,因為畫面上這群人是彩色的,他們彷彿坐在我的對桌一樣清楚立體。這肯定是有些奇怪而扭曲的心理歷程吧,那一抹色彩的迸發,人物臉龐上柔和的膚色,突然使這些科學先驅的存在變得更真實。

圖六 1927年索爾維會議,與會者的彩色肖像版。

就此,他們不再只是歷史課本上的名字,或幾禎有顆粒感的照片而已;並列人類共享的科學遺產裡,這群卓越非凡的思想家,總算在邈如曠世的科學家手中模樣再現,讓後人能一睹其翩翩神采。

作者:Shane L. Larson
譯者:Angela M.H. (現為自由譯者,歡迎聯繫 angela.mh19@gmail.com)

本文原發表於Write Science[2012-11-21]

編註:根據這篇,原上色者並非透過科學方式得知正確色彩,而是自行根據當時脈絡上色。

關於作者

Write Science

A collaborative project to practice the craft of communicating scientific ideas.