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改良蒸汽機的瓦特誕辰|科學史上的今天:1/19

張瑞棋_96
・2015/01/19 ・1155字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 518 ・六年級

瓦特?啊不就他小時候看到燒開水的水壺蓋子被蒸氣掀起,因此得到靈感而發明蒸汽機。錯!他既沒有因此得到靈感,蒸汽機也早就有人發明了,瓦特只是「做了一個改良的動作」。不過這個改良卻造成很大的差別,為工業革命揭開了序幕。

詹姆斯.瓦特。圖/wikimedia

出生於蘇格蘭的瓦特自小體弱多病,直到中年仍常受頭痛之苦。他十八歲時先到倫敦當了一年學徒,學會製造儀器後回到蘇格蘭,打算在母親的故鄉格拉斯哥 (Glasgow) 開店營業,卻因未依規定做滿七年學徒而資格不符,無法開店。幸而格拉斯哥大學剛進了一批天文儀器,因運送路程顛簸,多已無法正常運作,需要有人調整修理。於是瓦特在 1757 年進駐格拉斯哥大學開始修復的工作,並得以在校園內開個小店。他也結識了發現二氧化碳的布拉克 (Joseph Black) 教授與經濟學大師亞當・史密斯。

布拉克教了瓦特物理理論和實驗方法,還在念數學與機械的大學生羅賓遜 (John Robinson) 則特別鼓勵他研究蒸汽機。1763 年,格拉斯哥大學請他修理一台紐科門 (Newcomen) 蒸汽機的模型,開啟了瓦特投入蒸汽機的研究之路。當時紐科門蒸汽機問世五十年以來從未改變,除了替礦坑抽水之外別無用途。瓦特研究後發現它的致命缺陷:蒸氣進入汽缸將活塞往上推後,必須等蒸氣自然冷卻,活塞才會往下掉,再繼續循環。如此不但活塞動作間斷緩慢,蒸氣熱能有四分之三都浪費掉了。

瓦特花了兩年時間才想出解決之道:另建一個獨立的冷凝器與汽缸連接,活塞因重力往下掉時可以將蒸汽排往冷凝器,如此可以讓汽缸始終是熱的,活塞就能不間斷地上下運動。瓦特用模型試驗確實可行,但要建造一台真正的蒸汽機需要大量的經費,布拉克幫他找了出資人,但受限於當時的工匠技術,建造過程屢屢失敗,出資人資金有限,瓦特有八年的時間還得兼差當測量員才能維持下去。

所幸有新的金主接手,才終於在 1776 年成功造出第一台可商業運轉的新型蒸汽機。在合夥人的建議之下,瓦特繼續研究改進,讓原本只能做返復直線運動的蒸汽機也能作圓周運動,跨大了蒸汽機的應用範圍;並發明雙向汽缸,大幅提升效率。

瓦特雖然不是最早發明蒸汽機的人,但因為他的改良,蒸汽機才能改變生產方式,提升生產效率;也才有蒸汽火車與輪船的發明,降低運輸成本、縮短世界距離,人類才得以進入工業時代。不過從瓦特的故事也可看出創新絕非單憑一人之力就能成功,其中所涉及學界的協助、資金的挹注、技術的配合,乃至專利的保障(但相對的,瓦特後來也用專利打壓他人),至今仍值得我們深思。

 

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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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 478 位粉絲
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。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。


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調香師的秘密:「糞臭素」挑起你骯髒的慾望

胡中行_96
・2022/05/16 ・2039字 ・閱讀時間約 4 分鐘

倫敦高級區梅費爾(Mayfair)的聯排透天洋房裡,他與屋主近身互動。六呎高,湛藍的雙眸,古銅的肌膚,寬闊的下顎,銀髮一絲不苟地貼齊,以及一縷迷人的香氣:肉桂、皮革和不可言喻的香味,他確定迎面襲來的深刻,源自另一個時空。

梅菲爾位在倫敦西區,它是世界上最昂貴的地區之一。圖/Wikipedia

「當你嗅聞,你是用腦在聞。最原始的,處理記憶和情緒的部位。」
屋主解釋:「若芸芸眾生試圖尋覓自我的氣味,那我正在打造專屬你的身份。」

關於香水的秘密

一場訪談,讓男性時尚雜誌《GQ》的作家 Michael Paterniti 化身高級訂製香水的顧客,而江湖人稱「香水界情色男優」(the Pornographer of Perfume)的屋主 Roja Dove,正優雅地介紹混香的秘密。「我使用『糞臭素』,一種帶有糞便氣息的醜陋分子。男女性器皆與肛門比鄰,底蘊裡一丁點的『糞臭素』,便能喚起骯髒的慾望。」[1]

Roja Dove 是一位英國調香師。圖/Wikipedia

糞臭素是怎麼來的?

來到住處之前,兩人在麗池飯店(Ritz Hotel)旁的沃爾斯利餐廳(the Wolseley)用過午餐。此時他們的消化系統正將蛋白質,分解成胺基酸(amino acid)。接著,腸道內的菌落會先進行「去胺作用」(deamination),用氫去代換胺基。於是,有一種叫做「色胺酸」(tryptophan)的胺基酸,就變成「吲哚-3-乙酸」(indole-3-acetic acid,簡稱「IAA」)。

再來,乳酸桿菌(Lactobacillus)、梭菌(Clostridium)和類桿菌(Bacteroides),透過「去羧作用」(decarboxylation;羧,注音ㄗㄨㄟ)把 IAA 中的羧基(carboxylic acid group)換成氫,人體內的「糞臭素」(skatole;即3-methylindole)就誕生了[2][3][4]

Roja Dove 的調香手法

在正式調香之前,Roja Dove 會提供約莫 200 張的試香紙,讓訂製高級香水的顧客挑選最能觸發當下感覺,並連結過往回憶的幾種氣味。Roja Dove 將以它們為發想的根據,把原料輕拍到試香紙上,再把試香紙與一只金屬小風車連結。當小風車運轉,微風迎面吹來,他便能感受這些原料的效果。

當然,調香運用的糞臭素不是靠「人體製造」,而是在實驗室或工廠裡「人工合成」。1883 年德國化學家費雪(Hermann Emil Fischer, 1852-1919)發明了「費雪吲哚合成」(Fischer Indole Synthesis):一種苯肼(phenylhydrazine)和醛(aldehyde)或酮(ketone),透過酸觸媒(acid catalyst)催化產生的作用。一般罐裝糞臭素,便是這麼來的[2][5]

從溝通、聞香、構想、嘗試、製作到完成需要耗時一到二年。圖/Pixabay

從溝通、聞香、構想、嘗試、製作到完成,長達一、二年後,每 3.4 盎司(100.55 毫升)要價 4 萬美元的訂製香水,才會被呈現在顧客面前。所幸,對花不起重金與不特別愛好香水的人來說,還是有其他巧遇糞臭素的機緣。因為某個程度上來說,糞臭素就像愛。它撲朔迷離地存在生活中出乎意料之處:香水、茉莉、橙花、甜菜、香菸、糞便、煤焦油與草莓冰淇淋。糞臭素時臭時香,載舟亦能覆舟,令人欲拒還迎。

氣味的關鍵在於濃度

氣味由香變臭的關鍵,在於濃度。像是過多的愛,使人無法擔待。以體積比來說,一旦超過 60 pptV(0.327 ng/L)[註1],就會開始臭得一去不返[7]。如果以重量比計算,健康人體製造的糞便中,糞臭素濃度約為 5 μg/g,但消化道疾病患者,則可高達 80 到 100 μg/g[註2]。換句話說,腸道保健雖然不會讓人芬芳馥郁,但至少能避免如廁之後臭名遠揚[8]

回顧過去的調香職涯,Roja Dove 感嘆上等的原料不再是小農收成,產地直銷,人工合成的產物也逐漸取代天然素材。

「的確,我們必須在香水裡添加合成物。」他向時尚作家 Michael Paterniti 坦承,那是為了襯托自然的味道,但是如果大比例的使用人造成份,「合成的香水聞起來,就永遠僅是人工的氣息。」然而大時代的趨勢,就連知名調香師也無力回天。諷刺的是,在這場產業變遷的遺憾裡,得知糞臭素並非天然,卻多少能帶給香水顧客卑微的慰藉。

註解

  1. pptV(parts per trillion by volume),則是兆分之一體積比。ng/L,指每公升幾奈克。
  2. μg/g,又作 mcg/g,指每公克中有幾微克,也就是 ppmW(parts per million by weight)百分之一重量比。

參考資料

  1. How to Smell Like a God (GQ, 2014)
  2. Skatole – A Natural Monstrosity In Perfume, Parliaments, Produce And Poop (American Council on Science and Health, 2020)
  3. Impact of the Gut Microbiota on Intestinal Immunity Mediated by Tryptophan Metabolism (Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 2018)
  4. 羧酸(教育部重編國語辭典修訂本,臺灣學術網路第六版)
  5. Emil Fischer Biographical (the Nobel Prize)
  6. Skatole (American Chemical Society, 2021)
  7. Identification, quantification and treatment of fecal odors released into the air at two wastewater treatment plants (Journal of Environmental Economics and Management, 2016)
  8. New Insights Into Gut-Bacteria-Derived Indole and Its Derivatives in Intestinal and Liver Diseases (Frontiers in Pharmacology, 2021)

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胡中行_96
29 篇文章 ・ 26 位粉絲
曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。臉書:荒誕遊牧。