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1909 年諾貝爾物理獎:只有無線電,沒有距離——《物理雙月刊》

物理雙月刊_96
・2017/08/29 ・1441字 ・閱讀時間約 3 分鐘

1909 年的諾貝爾物理奬授予一項我們視為理所當然的科技——長距離無線電通訊。得奬者是古列爾莫・馬可尼(Guglielmo Marconi)和卡爾・布勞恩(Karl Braun),兩人平分奬金。

古列爾莫・馬可尼的諾貝爾獎官方照片。圖/By Nobel foundation @ wikimedia commons

無線電能做什麼?赫茲:我也不知道

人類有史以來的 98% 時間都只能進行緩慢近距離通訊,而跨越城市甚至國家的通訊必需花更長時間。即使發明了汽車、飛機、電話等現代科技,即時通訊仍只限於鋪設了電話線的地區。跨越海洋的通訊仍然非常緩慢。

赫茲在 1886 年成功產生電磁波。他在實驗室的一端放置一個傳送器,另一端的課室放置接收器。傳送器和接收器都有一個用來製造火花的縫隙。當縫隙兩邊的電勢差足夠高,電流就可以穿過縫隙並形成火花,產生電磁波。電磁波穿過實驗室到達接收器造成電勢差,接收器的縫隙亦同樣會出現火花。

當時,赫茲並未意識到無線電傳送技術會對後世有非常巨大的影響。他有一次在課堂上示範這個實驗,其中一個學生問他這樣做有什麼用途。赫茲的回答是:「一點用都沒有。」他並不知道在今天,無線電通訊已取代食物,成為現代生物邏輯層最底層的必需品。

面對跨越距離的電報,你準備好了嗎?

義大利工程師馬可尼看到了這一點。他在 1890 年代初開始發展無線電技術,希望能以無線電報作為通訊工具。馬可尼的家人非常支持他的研究,他的父親甚至變賣家財給馬可尼買電線。1895 年,馬可尼尋求義大利政府資助研究,可是義大利政府對無線電通訊技術不感興趣。

馬可尼的第一台無線電報發射器,能夠以摩斯密碼傳送訊息。

然而,有洞察力的英國政府看到無線電通訊的潛力,願意資助馬可尼的研究。1896 年,馬可尼與母親一起到英國,並在兩年間取得了巨大研究進展。1897 年 5 月 13 日,馬可尼成功發送人類首個跨越布里斯托灣(Bristol Channel)的電報。渡過海洋的電報內容是:「Are you ready?」

卡爾・布勞恩的諾貝爾獎官方照片。

另一方面,物理學家布勞恩則從物理原理著手,改良馬可尼的無線電發射和接收器。馬可尼的發射器使用最簡單的方法,把連續的電磁波動發射出去。這樣做的弱點在於電波能量會隨距離快速衰減;根據波動干涉原理,其訊號亦易受其他頻率的無線電波干擾。

布勞恩細心研究馬可尼的設計後,找到方法使發射出去的無線電波能量衰減率減至最小。他亦改良了接收器,令其只對特定頻率的無線電波反應。另外,布勞恩設計的發射和接收器不再需要與天線連接,大大減低了受雷擊的危險。1899 年,布勞恩成功發送電報跨越英倫海峽。1901 年,馬可尼使用布勞恩設計的發射和接收器由英國發送電報至加拿大,完成史上第一次跨大西洋電報通訊,永遠改變人類文明發展。

史上第一次跨大西洋電報通訊圖解,出自馬可尼的諾貝爾奬講座。

經常聽到的一個問題「科學研究有什麼用?」赫茲的答案告訴我們,探研自然世界的源動力是純粹的好奇心。1912 年,鐵達尼號沉沒,一千五百多人葬身大海。然而,存活下來的七百多人能夠及時得救,得歸功於長距離無線電通訊。諾貝爾曾說過:「如果我有一千個構思而其中只有一個行得通,我已經滿意。」誰知道這一個構思,能帶領人類走得多遠?

Are you ready?


 

 

本文摘自《物理雙月刊》39 卷 8 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站

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《物理雙月刊》為中華民國物理學會旗下之免費物理科普電子雜誌。透過國內物理各領域專家、學者的筆,為我們的讀者帶來許多有趣、重要以及貼近生活的物理知識,並帶領讀者一探這些物理知識的來龍去脈。透過文字、圖片、影片的呈現帶領讀者走進物理的世界,探尋物理之美。《物理雙月刊》努力的首要目標為吸引台灣群眾的閱讀興趣,進而邁向國際化,成為華人世界中重要的物理科普雜誌。

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陸上生命的根源:菌根菌——《真菌微宇宙》

azothbooks_96
・2021/09/26 ・1538字 ・閱讀時間約 3 分鐘
  • 作者 / 梅林.謝德瑞克
  • 譯者 / 周沛郁

我們目前還不清楚菌根關係最初是怎麼形成的。有些人大膽提出,最初的相遇溼黏而沒有條理──藻類被沖上泥濘的湖岸和河岸,而真菌在這些藻類體內尋找食物和庇護。有些則主張,藻類來到陸地時,體內已經帶著真菌夥伴了。里茲大學(University of Leeds)教授凱蒂.菲爾德(Katie Field)解釋,不論如何,「它們很快就變得依賴彼此」。

常出現於兒童繪本的毒蠅傘,就是一種能與植物共生的菌根真菌。圖/WIKIPEDIA by R Henrik Nilsson

菲爾德是一位傑出的實驗者,投入多年的時間研究現存最古老的植物支系。菲爾德用生長箱模擬遠古的氣候,並用放射性示蹤劑,測量生長箱裡真菌和植物之間的交換作用。真菌與植物的共生方式提供了線索,讓我們了解植物和真菌遷移到陸地的最早階段是怎麼互動的。化石也讓我們一瞥這些早期的聯盟。最精細的樣本來自大約四億年前,含有明確的菌根菌痕跡──羽狀瓣和今日一模一樣。菲爾德讚歎道:「你可看到真菌居然就長在植物細胞裡。」

最早的植物幾乎只是一坨綠色組織,沒有根或其他特化的結構。而這些植物逐漸演化出粗糙的肉質器官來容納真菌同伴,真菌則搜尋土壤中的養分和水。最初的根演化出來時,菌根關係已經存在五千萬年了。菌根菌是陸地上後續所有生命的根源。菌根(mycorrhiza)這個詞真是取得好。根(rhiza)隨著真菌(mykes)存在於世。

數億年後的今天,植物演化出更細、生長更快、更能見機行事的根,這些根表現更像真菌。不過即使是這些根,探索土壤的表現也無法超越真菌。菌根的菌絲比最細的根細了五十倍,長度可以超越植物根部達一百倍,比植物根部更早出現在植物上,延伸到根系之外。有些研究者更進一步。我的一位大學教授向一班吃驚的學生吐露:「植物其實沒有根,只有真菌根,也就是菌根。」

毒蠅傘在樹的細根上形成的外生菌根。圖/WIKIPEDIA by Ellen Larsson

菌根菌太多產,菌絲體占土壤中活生物量的二分之一到三分之一。根本是天文數字。全球土壤表層十公分之中,菌根菌絲的總長度大約是我們銀河系寬度的一半(菌絲長 4.5 × 1017 公里,銀河系寬度 9.5 × 1017 公里)。如果把這些菌絲熨成一片,總表面積是地球上乾燥土地面積的二點五倍。然而,真菌不會停滯不動。菌根菌絲迅速死去、再度生長(一年十到六十次),一百萬年後,累積的長度會超過已知宇宙的直徑(菌絲長 4.8 × 1010 光年,已知宇宙直徑是 9.1 × 109 光年)。菌根菌已經存在了大約五億年之久,而且不限於土壤表層十公分的地方,所以這些數字顯然低估了。

植物和菌根菌在彼此的關係中產生一種極化現象──植物的莖處理光與空氣,真菌和植物的根則處理周圍的土壤。植物把光和二氧化碳打包成醣類和脂質。菌根菌則把固著在岩石裡的養分拆開,分解物質。這些是真菌在雙重棲位下的情況──真菌一部分的生命發生在植物體內,一部分在土壤中。菌根菌駐紮在碳進入陸生生命循環的入口,牽起大氣和土地的關係。時至今日,菌根菌就像擠進植物葉和莖裡的共生真菌,會幫助植物應付乾旱、炎熱和其他許多陸地生命一開始就有的逆境。我們稱為「植物」的,其實是演化成來栽培藻類的真菌,以及也演化來栽培真菌的藻類。

——本文摘自《真菌微宇宙:看生態煉金師如何驅動世界、推展生命,連結地球萬物》,2021 年 8 月,果力文化

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azothbooks_96
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