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凡得瓦誕辰|科學史上的今天:11/23

壁虎在天花板爬來爬去為什麼不會掉下來?看牠如此迅速移動就知道不可能是腳底有黏膠;而牠在玻璃上也遊走自如,可見也不是靠倒鉤;難道是吸盤?科學家後來用電子顯微鏡發現壁虎的腳底並無任何吸盤,卻有數十萬根的纖毛,而每根纖毛末端又有上百個分叉。原來支撐壁虎體重的就是這數億根細毛與壁面之間的凡得瓦力。

壁虎可藉由腳上的凡得瓦力於牆上爬行而不會掉落。圖片來源:Steve Evans@wikipedia

凡得瓦力是分子彼此極為接近時所產生的吸引力。因為分子本身雖是電中性,但電荷不會剛好均勻分布,往往兩端各為正負電,如此一來,就會像磁鐵那樣與另一個靠近的分子互相吸引。凡得瓦力非常微弱,但是億萬個分子同時作用就產生極大的黏著力。

凡得瓦力的發現始自1873年的一篇博士論文;這篇論文的作者,荷蘭物理學家凡得瓦當時已經36歲,大概是在科學史上佔有一席之地的科學家之中,最晚取得博士學位的人。

凡得瓦因為家境因素,小學畢業後只能上專門培養小學師資的學校,而自19歲起成為小學教師。六年後,他想繼續進修,卻因為沒在一般中學學過希臘文與拉丁文而無法進入大學,只能前往旁聽。他先靠自學,於28歲取得中學教師資格;幾年後,古典語文的入學規定終於廢除,他才得以進入萊頓大學就讀。

1869年,愛爾蘭物理學家安德魯斯(Thomas Andrews)發現在某個臨界壓力與臨界溫度下,二氧化碳會形成一種無法區分為氣態或液態的流體;然而此時壓力、溫度、體積三者的關係卻無法用理想氣體方程式描述。凡得瓦認為問題就出在理想氣體把氣體假設為不具體積、完全彈性碰撞的粒子,因此他納入分子的實際體積與彼此的吸引力這兩個因素,將理想氣體方程式修正為「凡得瓦方程式」,成功解釋臨界點的流體狀態。他就以此做為博士論文而於1873年獲得博士學位。

這篇以荷蘭文寫的論文原本不會得到科學界的注意,幸好曾研究過這題目的馬克士威注意到這篇論文後驚為天人,大力推崇,默默無聞的凡得瓦才一夕成名,並於1876年成為大學教授,直到七十歲退休為止。

1910年,凡得瓦獲頒諾貝爾物理獎。回顧他的一生經歷,從小學老師、中學教師、大學教授,最後還得到諾貝爾物理獎,這種不斷努力向上的精神真是令人敬佩。

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。


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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。

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