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不願開除猶太人,哈柏自己辭職—《為第三帝國服務》

PanSci_96
・2017/02/15 ・3634字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 542 ・八年級

  • 【科科愛看書之本月選書】當科學家面對納粹統治,應該共謀還是抵抗?在《為第三帝國服務:希特勒與科學家的拉鋸戰》中以三位諾貝爾獎得主:彼得.德拜、馬克斯.普朗克和華納.海森堡為主角,敘述他們在納粹統治時期如何面對科學、面對政治。德拜是個局外人,雖然在德國擁有傑出的職業生涯,卻堅持拒絕入籍德國。面對國家社會主義者的干擾和要求,普朗克的反應是苦惱且支吾。海森堡尋求官方的認同,卻又拒絕承認自己的妥協所帶來的後果。

普朗克在會見希特勒的描述中,有個部分我們可以毫無疑問的接受,那就是他擔憂在達勒姆的威廉皇帝物理化學和電化學研究所所長哈柏(Fritz Haber)的命運。父母都是猶太人,儘管哈柏已經受洗,偶爾也去教堂做禮拜。但是以亞利安主義的教條來看,他仍是猶太人。仇恨猶太人的人知道他們的敵人仍舊流著原本的血液。

哈柏的父母都是猶太人,但是因為軍事上的貢獻,沒人能夠否定他,因此他並未受到迫害。圖/By The Nobel Foundation, Public Domain, wikimedia commons

哈柏的化學武器

哈柏對於德意志帝國一直很有用處。正如普朗克對希特勒所說的,他不僅發明由氮轉化為氨的製程,氨對於炸藥來說是重要的先質;他也策劃了生產氯氣的化學武器 。沒有人能夠指責哈柏在化學的軍事應用上缺乏貢獻。

就在氯氣於 1915 年用於伊普爾的戰場上後不久,他出發到東部戰線去監督它的使用──他出發前一天,他的第一任妻子克拉拉(也是化學家)用丈夫的軍用手槍自殺,自殺原因顯然是對於丈夫的研究方向感到羞辱和恐懼。然而,哈柏對於這個戰時工作並不後悔,在戰爭結束後仍舊在柏林的研究所繼續毒氣的研究。氰化物氣體氫氰酸 A 於 1920 年代研發出來作為殺蟲劑使用。納粹發現另外的應用,後來修改為氫氰酸 B。

克拉拉.伊梅瓦爾(Clara Immerwahr)。圖/Public Domain

哈柏在化學武器上的成果經常被視為證據,說他是沒有道德感的怪物,或者說他是科學中的異形。但是,在戰爭期間,盡可能為軍隊服務又幾乎是舉世都認同的義務。哈柏在戰爭中的工作為他贏得了同時代人的尊重,讓他成為高尚的德國人,也沒有人懷疑他的愛國精神。此外,他希望化學戰的衝擊能夠結束壕溝戰的僵局,迫使早日解決戰爭,最終得以挽救生命。

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狠不下心開除猶太人同事,只能自己離開

在 1933 年,威廉皇帝研究所中有許多成員都處於公務員法的模糊地位中。因為這些研究所是由政府和工業界的合股公司提供資金,他們的大部分工作人員並不完全算是政府雇員。然而,哈柏的威廉皇帝物理化學研究所並不一樣,因為那裡是由政府直接控管。

新的法律並沒有威脅哈柏個人,因為他的交戰紀錄讓他得以豁免,但他被告知要開除他的猶太人同事。該研究所中「非亞利安人」的研究人員比例很高,大約有四分之一,這一點讓反猶太分子更有證據宣稱猶太人如何照顧自己人。負責執行解雇的帝國教育部科學局長伯恩哈德.拉斯特(Bernhard Rust)斷言,可以理解他們會這樣做。但是,他堅持,「我不能讓這種情況發生……我們必須讓大學裡產生新的亞利安人世代,否則我們將失去未來。」 拉斯特讓好的德國猶太人保證,「我對於那些心中想要把自己當成德國人一分子的人深深感到難過……但是為了未來著想,我們必須執行規則。」

負責執行解雇的帝國教育部科學局長伯恩哈德.拉斯特(Bernhard Rust)。圖/By Bundesarchiv, Bild, CC-BY-SA 3.0, wikimedia commons.

哈柏被下令要解雇他的許多主要工作人員,因此認為,唯一的正直行為就是自己也辭職。他帶著極大的尊嚴下台,在四月時寫信給拉斯特:

我的傳統思想要求我,在我的科學立場,當我選擇同事時,只考量專業成就和申請人的個性,不問他們的種族。你不能指望一個 65 歲的男人改變這種引導了他 39 年大學生涯的思維方式。

納粹「站在破碎的玻璃前」,士氣低落的哈柏在 5 月告訴洛克斐勒基金會的韋佛。「他們現在了解,他們其實並不想打破它,而且他們不知道該拿碎片做什麼。」 韋佛視哈柏為「可憐卻不失高貴的人物。他在沉船時拯救了他唯一能夠救的東西,那就是他的自尊。」

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哈柏紀念活動

哈柏的辭職讓普朗克悲痛欲絕,但他的回答顯示出盲目的投入不合時宜的禮節裡,如何麻痺了他。「我該怎麼辦?」當梅特納抗議不公時,他這麼問,「這是法律。」 普朗克知道解雇的合法性並不會讓他們變得正確,但在他看來,法律讓人難以反駁。

正如拜爾岑所說的,「這個人面臨著抗議法律的違法性這樣矛盾的位置,說法律違法在盎格魯撒克遜國家可能有其道理,但在德國卻沒有。」

當普朗克要選擇哈柏的接班人時,他深刻了解威廉皇帝學會的自主性是個謊言。普朗克向拉斯特提議了哈恩,但是拉斯特卻任命格哈特.漢德爾(Gerhart Jander)這位在哥廷根大學任教的平庸化學教授,但重要的是,他是忠誠的黨員。他將協助拉斯特的副手魯道夫.曼澤爾(Rudolf Mentzel),實際上是受他指揮。曼澤爾之後穿著他的黨衛軍制服出現在威廉皇帝學會理事會的會議中。漢德爾很無能,但在 1935 年,他的位子由彼得.阿道夫.泰森(Peter Adolf Thiessen)所接替,泰森是納粹黨的「老戰士」與全能的科學家,他把研究所轉換成政權的有效工具。研究所的工作變得愈來愈集中在化學戰,而晚上的聚會和「深化同志情誼」的陣營充滿著發泡啤酒的酒杯互相碰撞的聲音。

這種情況是否表示,如果主要代表人物離職,會有什麼事降臨到所有的德國科學領域──可能由不稱職的領導者所經營,也可能成為納粹事務的附庸?這就是普朗克和海森堡害怕會發生的事。對於海森堡來說,就只是罷工離開這個國家是失職,不是道德的抗議行為。

1920 年德國當時幾位重要的物理學家、化學家的聚會。其中第一排右二的就是哈柏。圖/Public Domain, wikimedia commons.

可憐的哈柏帶著破碎的心離開德國。受到這個他所愛的國家排斥帶來的痛苦,清楚的呈現在他於 1933 年 12 月從英國寫給波希的哀怨字句中:「我從未做過任何事,從未說過任何話,會保證讓我變成現在德國執政黨的敵人。」 一個月之後,他在瑞士死於心臟疾病。威廉皇帝學會的自然科學界堅決抵制一體化可以從勞厄所寫的訃告中看出,在訃告中,他堅持宣告哈柏在德國文化中的地位:「他是我們的一員」,他如此寫道。

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普朗克、勞厄和其他人決定在 1935 年 1 月 29 日,也就是哈柏的一週年忌日,在位於柏林哈納克大廈的總部舉辦一場追悼會。但是,威廉皇帝學會大多數的研究人員並未正式列入官方的禁令,而他們之中有幾個參加了追悼會,知道這件事會上報當局。這些人包括波希、梅特納、哈恩,他們的學生弗里茲.斯特拉斯曼(Fritz Strassmann)和馬克斯.德爾布呂克(Max Delbrück),以及普朗克本人。誰也不知道是否會用武力阻止聚會,但是結果有人踴躍參加,也和平度過。普朗克對他們的前同事說了幾句感謝的話:「哈柏堅守著我們,」他宣稱,「我們將繼續對他保持忠實 。」

哈柏與妻子克拉拉的墓。圖/MichaelLeukert, CC by 3.0, wikimedia commons.

哈柏的紀念活動有時會被標榜為德國科學家的確做出反對納粹行為的證明。但其實並非如此,不過仍舊是反對反猶太主義的象徵性抗議。對於普朗克來說,這只是適當的遵守傳統:在請求帝國教育部的拉斯特同意該次活動時,他將此捍衛成一個「古老的習俗」 ,沒有政治含義。雖然拉斯特嚴厲的回答:「哈柏對科學和德國有許多貢獻,但納粹黨做了更多」 ,他同意普朗克繼續聚會。而且一旦該部禁止任何一所大學的教授出席,他說,這將被視為挑釁行為,學者就不能參加 。連勞厄都遵守這個規定,並正確的假設納粹間諜將會出席活動。

因此,儘管政府並不情願,又可想而知會不允許發表活動紀錄,但是哈柏紀念活動實際上是國家認可的。歷史學家約瑟夫.哈柏雷爾(Joseph Haberer)稱哈柏紀念活動為「一個證明公民勇氣已經潰散的手段」 ,表達出咒罵但至少部分必要的評判。這次集會再次表明了國家社會黨可能會怎麼容忍這些科學家讓他們覺得可笑的舉動和儀式,或許他們了解,只要讓這些科學家以非政治化的方式釋放他們的不滿,這些微不足道的讓步就能夠讓更多人順從。

而且普朗克充分而明確的讓世人知道他願意妥協。他於 1936 年威廉皇帝學會 25 週年時再次談到哈柏的成就(並且因此受到斥責),但是在該活動的出版紀錄中,他卻一直不讓哈柏的名字出現。普朗克也在發給希特勒的電報中提及這個慶祝活動,感謝他「仁慈的保護德國科學」 。

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普朗克後來聲稱,在國家社會黨的統治下,威廉皇帝學會認為,權宜之計就是表現得「像在風中的樹」,必要的時候彎曲,但是等壓力過去,就會再次變得挺直 。他從來沒有真正了解,納粹只關心他們彎曲的時候。


 

本文摘自《為第三帝國服務:希特勒與科學家的拉鋸戰》,麥田出版。本書為泛科學 2017 年 2 月選書。

 

 

 

 

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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戰爭、科學家與化學武器:從地圖上消失的島嶼——《世界史是由化學寫成的》
圓神出版‧書是活的_96
・2023/05/17 ・1680字 ・閱讀時間約 3 分鐘

從地圖上消失的島嶼

1929 年,舊日本陸軍在瀨戶內海的大久野島,設立了化學武器(毒氣)工廠。因為當地製造的是國際法所禁止的毒氣,所以屬於國家最高機密。直到 1945 年二戰結束為止,這座島一直都是不存在於日本地圖的祕密島嶼。

毒氣自 1929 年開始生產,工廠並在 1933 年和 1935 年兩度擴建,都在絕對保密的情況下生產芥子毒氣、路易氏劑、多種催淚瓦斯和氰化氫(氫氰酸)。

日本瀨戶內海的大久野島,有「從地圖上消失的島」之稱,由於相信是戰時用作製造化學武器的地點,所以被稱為毒氣島。圖/wikipedia

1937 年 7 月,蘆溝橋的一聲槍響,揭開中日戰爭的序幕,當時毒氣工廠的員工已將近一千人。在全盛時期,員工人數多達五千人,二十四小時全力製造各種毒氣,然後送往中國戰場前線。

當然,工人也會在工廠內因接觸毒氣而喪命。 1933 年 7 月,一名青年在傾倒氰化氫溶液時,飛沫不小心噴到防毒面具的吸收罐,結果瞬間就因吸入毒氣造成的急性氰化物中毒倒下。當他被送上病床躺好時,全身已嚴重抽搐,連救都來不及救,僅撐了一天就斷氣。許多員工也因長期吸入芥子毒氣而引發呼吸系統疾病——據說只要在大久野島工作,至少都會罹患一次肺炎。

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要命的氣體

芥子毒氣的氣味類似黃芥末,因此才命名為芥子。它是一種揮發性液體,對皮膚和內臟都有強烈糜爛性,一旦接觸到,皮膚就會潰爛燒傷,痊癒後會留下蟹足腫般的肥厚疤痕,吸入後也會侵蝕肺部。

路易氏劑也是糜爛性毒氣,別名「死亡之露」,只要嘗到一滴,短短半小時必然斃命;皮膚接觸後會產生劇痛,吸入後會引發噁心嘔吐,並引發全身嚴重的中毒反應。

日本在 1939 年夏天之後,開始對中國國民黨與中國共產黨軍隊使用芥子毒氣。最大規模的毒氣攻擊,是為期四個月的武漢會戰(1938 年 6 月 12 日至 10 月 25 日),期間展開了將近四百次毒氣攻擊。

大久野島的毒氣生產在太平洋戰爭開始時達到巔峰,到 1943 年左右,才逐漸轉為以製造發煙筒和普通炸彈為主,不再生產毒氣。這項轉變起因於 1942 年 6 月,時任美國總統羅斯福對日本的警告。他表示,如果日本繼續採取這種非人道的戰爭手段,他將視其為對美國的挑釁,並以相同的方法施以最大的報復。提出這項警告,表示美國握有日軍在中國使用毒氣武器的鐵證。有一說認為,日軍剛好趁此機會結束對中國的毒氣攻勢。

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不過還有另一項原因,就是製造毒氣罐的鐵等資材短缺。比起製造毒氣罐,日軍認為,應該把鐵用來製造普通炸彈。唯恐美國報復的日軍,從此停止製造毒氣。

第一次世界大戰採取的戰略是嚴守陣地,使得化學武器還能發揮某種程度的效果;但到了第二次世界大戰,轉為注重武器的火力和機動性,從這一點來看,化學武器的沒落,或許是因為跟不上時代的緣故。

「末日鐘」的衝擊

1947 年起,美國科學雜誌《原子科學家公報》每個月都會發表預測世界末日的「末日鐘」,目的在於警告全球核武開發、戰爭、環境破壞等問題。「末日鐘」是為了警告眾人關於核子戰爭的危險性,而由曼哈頓計畫中最早參與原子彈研發的美國科學家所創立。它將人類滅亡設為「午夜零時」,並以距離這個時間還有幾分鐘來表示。當核子戰爭的危機升高,分針就會前進;降低則會退後。

末日之鐘變化圖,越接近午夜代表越接近末日。圖/wikipedia

2020 年 1 月 23 日發表的末日鐘所顯示的剩餘時間,是有史以來最短的——僅剩一百秒。當時伊朗破壞核子協定、北韓研發核子武器,以及美國、中國與俄羅斯持續擴張核武,都提高了相關威脅;而各國對氣候變遷的關心降低,也是其中一項原因。

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——本文摘自《世界史是化學寫成的:從玻璃到手機,從肥料到炸藥,保證有趣的化學入門》,2022 年 2 月,究竟出版,未經同意請勿轉載。

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從古典熱力學跨足到量子時代!探索普朗克黑體輻射定律——《大話題:量子理論》
大家出版_96
・2023/04/15 ・1411字 ・閱讀時間約 2 分鐘

古典熱力學的擁護者——馬克斯.普朗克

普朗克的故事始於柏林的威廉皇帝學會物理系,就在 20 世紀到來之前。

普朗克是普魯士科學院的院士,非常保守。他沉浸在古典物理的傳統方法中,並且是熱力學的熱情擁護者。

事實上,從 1879 年(愛因斯坦誕生的那一年)發表的博士學位論文,到 20 年後他在柏林的教授生涯,他幾乎只致力於熱力學定律相關的問題。他認為熵的第二定律比一般所認為的還要更深入、廣博。

普朗克想以熱力學解開黑體問題。圖/《大話題:量子理論》

黑體問題的絕對性和普遍性吸引了普朗克。看來合理的論證表明,在熱平衡狀態下,輻射強度和頻率的關係曲線應該與腔體的大小或形狀無關,也應該與腔體的材料無關。

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該公式應該只包含溫度、輻射頻率和一個或多個通用常數,這些常數在任何腔體或腔體顏色下,都是相同的。

找到這個公式,就意味著在理論中發現一個相當根本的關係。

歷史已經證明普朗克的見解甚至比他所想的要深入得多。1990 年,科學家使用 COBE 衛星測量了宇宙邊緣的背景輻射(即大爆炸遺留的輻射),並發現與他的黑體輻射定律完全吻合。

科學家後來發現宇宙背景輻射與普朗克定律完全符合。圖/《大話題:量子理論》

前原子時代的物質模型

普朗克知道他的朋友海因里希・魯本斯和費迪南德・科爾鮑姆的測量結果非常可靠。

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普朗克首先在腔壁上引入電振子*的概念,在熱攪動下來回振動腔體壁。(*注意!此時對原子仍一無所知。)普朗克假定所有可能的輻射頻率都會出現。他也預期溫度更高時,平均輻射頻率也會增加,因為腔壁受熱會使振子振動得愈來愈快,直到達成熱平衡為止。

普朗克假設頻率會隨溫度增加。圖/《大話題:量子理論》

電磁學完整解釋了輻射的放射、吸收與傳播,卻沒有說明熱平衡時的能量分布。這是熱力學的問題。普朗克做出了某些假設,找出振子的平均能量與熵之間的關係,從而得出一個計算輻射強度的公式,他希望這個公式能符合實驗結果。

普朗克試著利用歸納的方式,改變對輻射熵的表達方式,最後得出了可描述整個頻率範圍輻射強度的新公式。

普朗克以歸納的方式得到了能描述整個頻率範圍的新公式。圖/《大話題:量子理論》

海因里希・魯本斯也參與了這場歷史性的研討會。他立刻回家將自己的測量結果與普朗克的公式比對。經過一整晚的努力,他發現數據與公式完全符合,隔天一早便通知普朗克。

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普朗克找到了正確描述輻射定律的公式,很好。但他現在能利用這個公式,找出潛藏其中的物理嗎?

普朗克的新公式能符合實驗數據。圖/《大話題:量子理論》

——本文摘自《大話題:量子理論》,2023 年 3 月,大家出版出版,未經同意請勿轉載。

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