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火車的發明|科學史上的今天:2/21

張瑞棋_96
・2015/02/21 ・695字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 502 ・六年級

1804 年的今天,英國威爾斯的潘尼達倫 (Penydarren) 煉鋼廠一陣騷動。由發明家崔維西克 (Richard Trevithick, 1771-1833) 設計的蒸汽火車頭終於完工,放置到煉鋼廠專用的鐵軌上。這條長 16 公里的鐵路平常用來運送鐵礦砂與鋼材,只不過拉動一節一節車廂的一直都是馱馬,而不是蒸汽火車頭。今天才要首度嘗試。

崔維西克所設計的蒸汽機車示意圖。圖/wikimedia@Science Museum

瓦特改良的蒸汽機問世已有二十幾年,但原本只能產生低壓蒸氣,無法負荷太過粗重的工作。1799 年,正是崔維西克率先發明可實際運作的高壓蒸氣引擎,不過若要將它運用在火車頭上,引擎本身的重量得再減輕才行。經過多次的實驗失敗,甚至造成人員傷亡,崔維西克終於在 1803 年成功將高壓蒸氣引擎小型化,即使如此,完工後的火車頭仍重達 5 噸,究竟能否取代獸力,就看今朝了。

在員工與鎮民的圍觀注目下,拉著五節貨車、共裝載了 10 噸重生鐵的火車頭緩緩起步,最後以四小時又五分鐘走完全程。雖然平均時速只有四公里是慢了些,但還是成功完成史上首次的火車行駛。

然而事後發現輾壓過的許多段鐵軌竟都斷裂了。崔維西克又試行了幾次,結果還是一樣。火車實驗宣告失敗,惟失敗原因竟在鋼材,而非蒸氣引擎本身。崔維西克的火車夢想最後由他的同胞史蒂芬生 (George Stephenson) 於 1825 年完成,除了史蒂芬生本身對火車頭做出很大的改良,另一個重要的原因當然是煉鋼技術的突破,得以做出堅韌的鐵軌。人生有時候就是時不我予啊!

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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 ・ 962 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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人體吸收新突破:SEDDS 的魔力
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/03 ・1194字 ・閱讀時間約 2 分鐘

本文由 紐崔萊 委託,泛科學企劃執行。 

營養品的吸收率如何?

藥物和營養補充品,似乎每天都在我們的生活中扮演著越來越重要的角色。但你有沒有想過,這些關鍵分子,可能無法全部被人體吸收?那該怎麼辦呢?答案或許就在於吸收率!讓我們一起來揭開這個謎團吧!

你吃下去的營養品,可以有效地被吸收嗎?圖/envato

當我們吞下一顆膠囊時,這個小小的丸子就開始了一場奇妙的旅程。從口進入消化道,與胃液混合,然後被推送到小腸,最後透過腸道被吸收進入血液。這個過程看似簡單,但其實充滿了挑戰。

首先,我們要面對的挑戰是藥物的溶解度。有些成分很難在水中溶解,這意味著它們在進入人體後可能無法被有效吸收。特別是對於脂溶性成分,它們需要透過油脂的介入才能被吸收,而這個過程相對複雜,吸收率也較低。

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你有聽過「藥物遞送系統」嗎?

為了解決這個問題,科學家們開發了許多藥物遞送系統,其中最引人注目的就是自乳化藥物遞送系統(Self-Emulsifying Drug Delivery Systems,簡稱 SEDDS),也被稱作吸收提升科技。這項科技的核心概念是利用遞送系統中的油脂、界面活性劑和輔助界面活性劑,讓藥物與營養補充品一進到腸道,就形成微細的乳糜微粒,從而提高藥物的吸收率。

自乳化藥物遞送系統,也被稱作吸收提升科技。 圖/envato

還有一點,這些經過 SEDDS 科技處理過的脂溶性藥物,在腸道中形成乳糜微粒之後,會經由腸道的淋巴系統吸收,因此可以繞過肝臟的首渡效應,減少損耗,同時保留了更多的藥物活性。這使得原本難以吸收的藥物,如用於愛滋病或新冠病毒療程的抗反轉錄病毒藥利托那韋(Ritonavir),以及緩解心絞痛的硝苯地平(Nifedipine),能夠更有效地發揮作用。

除了在藥物治療中的應用,SEDDS 科技還廣泛運用於營養補充品領域。許多脂溶性營養素,如維生素 A、D、E、K 和魚油中的 EPA、DHA,都可以通過 SEDDS 科技提高其吸收效率,從而更好地滿足人體的營養需求。

隨著科技的進步,藥品能打破過往的限制,發揮更大的療效,也就相當於有更高的 CP 值。SEDDS 科技的出現,便是增加藥物和營養補充品吸收率的解決方案之一。未來,隨著科學科技的不斷進步,相信會有更多藥物遞送系統 DDS(Drug Delivery System)問世,為人類健康帶來更多的好處。

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工業的巨輪──《人類大歷史:從野獸到扮演上帝》
天下文化_96
・2016/04/01 ・4955字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 540 ・八年級

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一切的源頭都是太陽能

早在工業革命前的數千年,人類就已經知道如何使用各種不同的能源。像是可以燃燒木材,用火力來煉鐵、取暖、烤蛋糕。用帆取得風力就能推動帆船,用水車取得水力就能用來碾穀子。然而,這些使用方式都有明顯的限制和問題:火力得先取得木材,風力得靠天賞臉,至於水力一定得住在河的附近才成。

還有一個更大的問題,就是我們不知道如何進行能量間的轉換。譬如風力可以推船、水力可以推石磨,但卻沒辦法拿來煮水或煉鐵。相對的,燃燒木頭的熱力也無法推動石磨。在當時想要轉換能量,只能靠一種東西:人類或動物自己的身體。在自然的代謝過程裡,人類和其他動物燃燒有機燃料(也就是食物),把能量轉換為肌肉運動。於是,男男女女或動物攝取穀物和肉類,燃燒碳水化合物和脂肪,再用這些能量來拉車或拖犁。

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在機器不普及的年代,獸力人力是動力的主要來源。圖/wiki

因為所有能量轉換只能靠人類和動物的身體,當時幾乎所有人類活動靠的就是肌肉的力量。人類的肌肉能用來造車蓋房,牛的肌肉能用來拖犁耕田,馬的肌肉能用來運輸貨物。而所有能用來供應這些「有機肌肉機器」的能量來源只有一種:植物。至於植物的能量,則是來自太陽。植物靠光合作用,將太陽能轉為有機化合物。

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由此看來,歷史上人類成就的幾乎所有事情,第一步靠的都是將植物取得的太陽能,轉換為肌肉的力量。

正因如此,人類歷史在過去一直是由兩大週期來主導:植物的生長週期,以及太陽能的變化週期(白天和黑夜,夏季和冬季)。

陽光不足、穀物尚未成熟的時候,人類幾乎沒有能量可用。這時穀倉空空,收稅員無事可做,士兵無力行軍或打仗,各個國王也覺得以和為貴。但等到陽光充足、穀類成熟,農民的收穫堆滿了穀倉,收稅員四處忙著收稅,士兵頻頻操練、磨刀利劍,國王也召集大臣,計畫下一場戰事。這一切的源頭都是太陽能—這時候已經取得並封裝在小麥、稻米和馬鈴薯裡了。

廚房裡的祕密

在這之前的幾千年間,人類每天都面對著能源生產史上最重要的發明,卻總是視而不見。每次有哪個家庭主婦或僕人想要燒水泡茶,或是把裝滿了馬鈴薯的鍋子放在爐子上烹煮,這項發明就這樣大剌剌的呈現在他們眼前。在水煮沸的那一刻,水壺或鍋子的蓋子會開始跳上跳下。這時熱能轉換為動能,但是我們過去都只覺得這樣亂跳有點煩人,至於一時忘記而讓水煮乾,就更麻煩了。沒人注意到這件事的真正潛力。

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第九世紀中國發明火藥,可說有了小小的突破,能讓熱能轉換成動能。一開始,要用火藥推動彈丸,聽來實在太有悖常理,所以長久以來,火藥只是拿來製作炸彈。直到後來(起因可能是某些炸彈專家在研缽裡磨火藥,磨杵卻被大力炸飛?),才終於發明了槍枝。而要再從火藥發展為有效的火炮,就又過了大約六百年。

即便如此,要將熱能轉化為動能的想法,仍然太過天馬行空,所以要再等三個世紀,人類才發明了下一種使用熱能來移動物品的機器。這項新科技是在英國煤礦坑裡誕生。隨著英國人口膨脹,森林遭到砍伐,一方面是取得木柴做為燃料推動經濟成長,一方面也是為了要有居住地和農業用地。於是,英國逐漸面臨木柴短缺的問題,開始燒煤做為替代品。許多煤礦層都位於會淹水的地區,而且只要淹水,礦工就到不了較低的礦層。

這個問題必須解決。大約在1700年左右,英國的礦井裡開始迴盪著一種奇特的噪音,可說是吹起了工業革命進擊的號角,一開始只是微微在遠方響起,但十年十年過去,聲音也愈趨雄壯,直到最後,整個世界都籠罩在震耳欲聾的聲響之中。

這就是蒸汽機。

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瓦特蒸汽機模型。圖/wiki

蒸汽機種類繁多,但都有一個共同的原理:燃燒某種燃料,例如煤,再用產生的熱將水煮沸,產生蒸汽;接著蒸汽推動活塞,讓活塞來回移動,而連接到活塞的任何機械裝置也就跟著移動。這麼一來,熱能便轉換為動能了!在十八世紀的英國煤礦坑裡,是將活塞連接到幫浦,好把礦井底部的水給抽出來。最早的引擎效率低到難以想像。光是想抽出一點點的水,就得燒掉極大量的煤。然而,當時礦煤充足、又近在咫尺,倒是沒人在意。隨後的幾十年間,英國人改善了蒸汽機的效率,還把它請出了礦坑,用在紡織機和軋棉機上。紡織生產彷彿脫胎換骨,開始廉價生產愈來愈大量的紡織品。轉眼之間,英國就取得了世界工廠的地位。但更重要的是,把蒸汽機請出礦坑,可說是打破了一項重要的心理關卡。如果燒煤能夠讓紡織機動起來,為什麼不能讓其他的設備,像是車輛,也這麼動起來?

釋放物質蘊含的力量

1825年,一名英國工程師將蒸汽機裝到了一輛滿載煤炭的貨車上,讓引擎將這輛貨車沿著鐵軌,將煤炭從礦場送到約二十公里外的港口。這是史上第一臺蒸汽動力火車。想當然耳,既然蒸汽可用於運送煤炭,為什麼不能運送其他商品呢?甚至,為什麼不能載運人呢? 1830年9月15日,第一條商業化鐵路開通,連接了利物浦與曼徹斯特,用的同樣是與抽水或紡織相同的蒸汽動力。不過短短二十年後,英國的鐵軌長度已達數萬公里。從此之後,人類就深深著迷於如何使用機器和引擎,轉換各種能量。只要發明出適當的機器,世界上任何地方、任何類型的能量都能為我們所用。舉例來說,物理學家發現原子內儲存著巨大的能量,就開始思考要如何釋放這種能量,用來發電、推動潛艇,或是摧毀城市。從中國煉丹術士發現火藥,到土耳其人用大炮粉碎君士坦丁堡的城牆,之間足足過了六百年。但是從愛因斯坦發現質量可以轉化為能量(也就是E=mc2)之後,僅僅過了四十年,原子彈就已經落在廣島和長崎上空,核電廠也如雨後春筍般遍布全球。

另一項重要發明是內燃機,僅僅花了不到一個世代的時間,就徹底改革了人類的運輸,也讓石油變成一種液態的政治權力。在這之前數千年,我們早就知道了石油的存在,但只用來為屋頂防水、替軸輪潤滑。就算到了大約一個多世紀前,大家還是認為石油就只有這些用處。說要為石油流血打仗,簡直是笑話。當時為了土地、黃金、胡椒或奴隸打仗,或許天經地義,但為了石油,可是萬萬說不過去。

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石油其實在幾千年前就已出現在人類的文明中,但直到內燃機的出現,才讓石油變成一項各方勢力角逐的資產。圖:wiki

至於電力的發展更為驚人。在兩個世紀前,電力對經濟還毫無影響力,多半只是用來做些神祕的科學實驗,或廉價的魔術把戲。

但有了一系列的發明之後,電力就成了我們有求必應的神燈精靈。

手指一彈,就能印刷出書本、織出衣服、保持蔬菜新鮮、冰棒不融化,還能煮晚餐、處決死刑犯、記錄我們的想法和笑容、讓夜間亮起燈光,還讓我們有無數的電視節目可看。我們很少有人瞭解電力運作的機制,但更少人能夠想像生活中沒有電力該怎麼辦。

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能源的大海汪洋

工業革命的核心,其實就是能源轉換的革命。我們已經一再看到,我們能使用的能源似乎無窮無盡。講得更精確些,唯一的限制只在於我們的無知。每隔幾十年,我們就能找到新的能源來源,所以人類能運用的能源總量是不斷增加的。

為什麼這麼多人擔心我們會耗盡所有能源?為什麼他們擔心我們用完所有化石燃料之後,會有一場大災難?顯然,這世界缺的不是能源,而是「能夠駕馭並轉換成符合我們所需」的知識。如果與太陽任一天放射出的能量相比,全球所有化石燃料所儲存的能源,簡直是微不足道。太陽的能量只有一小部分會到達地球,但即使是這一小部分,就已經高達每年3,766,800艾焦(exajoule,exa代表10的18次方,焦耳joule是能量單位,在地心引力下將一顆質量1公斤的蘋果抬升1公尺,所需的能量就是1焦耳;艾焦是10的18次方焦耳,這可是要抬舉很多很多顆蘋果呦。)全球所有植物行光合作用,也只能保留大約3,000艾焦的能量。現在,人類所有活動和產業每年約消耗500艾焦的能量,而地球只要大約短短90分鐘,就能從太陽接收到這麼多能量。而且,這還只是太陽能而已。我們還有其他巨大的能量來源,像是核能、像是萬有引力。萬有引力最明顯的例子,就是因為受到地球與月球相互吸引而形成的潮汐作用。

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若能好好善用太陽源源不絕提供的能量,我們或許能夠真正保護一個乾淨的地球。圖:Bruno Caimi

在工業革命之前,人類的能源市場幾乎完全只能靠植物。這就像是住在一座容量每年3,000艾焦的水庫旁邊,想辦法盡可能多抽一點水出來。然而,到了工業革命時期,人類發現能使用的能源不是一座水庫,而是一整片海洋,容量可能有幾十億艾焦。我們唯一需要的,只是更好的抽水幫浦罷了。

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提煉原料新法

學習如何有效駕馭和轉換能量之後,也解決了另一個阻礙經濟成長的問題:原料短缺。等到人類找出方法駕馭大量而又廉價的能源之後,就開始能夠取得過去無法運用的原料,像是在西伯利亞荒原採集鐵礦;或者從愈來愈遠的地方將原料運來,像是從澳洲將羊毛運到英國的紡織廠。同時,科學上的突破也讓人類能夠發明全新的原料,例如塑膠;或是發現先前未知的天然原料,例如矽和鋁。

化學家一直要到1820年代,才發現了鋁這種金屬,但當時要從礦石中分離出鋁,非常困難、而且昂貴。於是,有幾十年時間,鋁的價值甚至比黃金還要高得多。在1860年代,法國皇帝拿破崙三世還會用鋁質餐具來宴請最尊貴的客人,至於那些二等的客人,就只能用黃金刀叉來湊合湊合。

但是到了十九世紀末,化學家發現了一種電解法,能夠大量、廉價提煉鋁,目前全球的鋁生產量堂堂達到每年3,000萬噸。如果拿破崙三世聽說這些屬民的後代,居然拿鋁做成拋棄式的鋁箔,用來包三明治、外帶剩菜,用完就丟,想必會大驚失色。

兩千年前,地中海盆地的人如果屬於乾性膚質,就會在手上抹橄欖油。而今天他們抹的是護手霜。我在附近一家店裡隨便買了一條簡單的現代護手霜,裡面的成分如下:

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去離子水、硬脂酸、甘油、辛酸/癸酸甘油酯、丙二醇、肉荳蔻、酸異丙酯、人參根提取物、香料、鯨蠟醇、三乙醇胺、矽靈、熊果葉萃取物、抗壞血酸磷酸鎂、咪唑烷基脲、對羥基苯甲酸甲酯、樟腦、對羥基苯甲酸丙酯、羥基異己基3-環己基甲醛、羥基香茅醛、芳樟醇、丁苯基甲基丙醛、香茅醛、苧烯、香葉醇。

以上幾乎所有的成分,都是在過去兩世紀間才發明或發現的。

第一次世界大戰期間,德國遭到封鎖,造成原物料嚴重短缺,特別是可做成爆炸物的硝石,更是奇缺無比。德國本身不產硝石,當時最大的硝石產地在智利和印度。雖然用氨來取代硝石,也可以有同樣的效果,但當時要生產氨的成本還非常高。可以說德國人走運,他們的同胞、猶太裔化學家哈柏(Fritz Haber),在1908年發展了一套技術,幾乎只需要用空氣就能製備出氨。德國人很快將哈柏研發的技術投入工業生產,只要靠著空氣當原料,就能製作爆炸物。

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德國科學家哈柏(Fritz Haber),因為在第一次世界大戰期間他鑽研於化學武器工作,也被稱為「化學戰爭之父」。圖:wiki

有學者認為,要不是有哈柏的發現,德國絕無可能撐到1918年的11月。 而且,這項發現還讓哈柏贏得了1918年的諾貝爾獎,但可以想見他得的是化學獎,可不是和平獎。(哈柏在第一次世界大戰期間,也是引導使用毒氣的先驅。)


立體書封

 

人類大歷史:從野獸到扮演上帝》,天下文化出版。

本書作者 哈拉瑞(Yuval Noah Harari)希望滿足讀者的是:「請給我單單一本書,不到五百頁的篇幅,用清晰可讀的散文,不填塞一堆令人暈頭轉向的年份、人名、地名、稱號,就能涵蓋了人類如何崛起、如何被農作物綁架……乃至影響現代生活甚巨的資本主義、一神教、自由人文主義、基因工程……如何興盛的重大脈絡,讓我洞悉其中的關鍵和意涵。」

天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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張瑞棋:我想呈現科學家榮耀的背後,和常人無異的一面
梁晏慈
・2016/03/31 ・2235字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 517 ・六年級

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「以古為鏡,可以知興替。」如果能在過去、現在兩點拉出一條直線的話,未來的趨勢也有機會在我們掌握之中;當我們遇到困難時可以透過過往的經驗,幫助我們下判斷。這就是歷史的重要性!同樣的,歷史的脈絡可以幫助我們學習科學,而且還有機會發現科學家並不是我們想像中的神聖不可侵。2015 年 12 月 22 日在胖地台北,泛科學的專欄作者張瑞棋帶著《科學史上的今天》,和我們分享科學家背後鮮為人知的小故事。

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「從小到大,科學家在我們心中非常偉大,無論是哥白尼的日心說,或者證明地心引力作用一樣的伽利略。這些科學家閃耀著光芒,直到越讀越多書後才發現,光芒的背後其實存在著陰影。這些科學家們的陰影來自信仰權威以及性別。」

信仰

普遍認為哥白尼的日心說之所以不被認可,是因為宗教的打壓。然而另一種觀點是由於哥白尼認為上帝創造的宇宙應該存在著完美對稱的幾何關係,也就是軌道應該是圓形的!但這會和他觀察到的天文現象不吻合,因此與其說日心說的發表示因為教會的壓力,其實哥白尼本身的執迷才是造成學說延宕的原因。又比如提出滅絕說的居唯葉,他認為物種會因為某些災難而滅絕,另一方面在創世後仍物種繼續被創造。由於他深信聖經的創世論,甚至抨擊達爾文的演化論,導致演化論的發展備受阻礙。

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讓我們一起來聽聽科學家背後鮮為人知的故事吧!

權威

除了信仰外,有時候科學家利用自身權威、堅持己見,抑制別派學說,亦會影響科學的發展。你能想像西元十六世紀,醫生們拿著的解剖經典是出自於西元二世紀的蓋倫,且內容漏洞百出嗎?蓋倫是根據其動物解剖的經驗來推斷人體的內部構造,當然和人體的構造有很大的出入。但許多人不改抵抗權威,使得錯誤流傳千年。直到維薩留斯的出現,人體的結構才終於被了解。維薩留斯憑藉著大量的人體解剖經驗,推翻了多年來的理論,加上他有美術的長才,得以將知識快速的更新、傳播。

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另一個為人所知的例子是牛頓萊布尼茲。在微積分發展上,英國推崇地位較高的牛頓提出的流數,而非萊布尼茲的微積分,這導致英國的數學研究落後其他歐陸國家。最後一個權威造成的悲劇,讓許多產婦賠上了性命。十九世紀,醫生塞默維斯發現由醫院接生的產婦死亡率遠遠高出了由助產士接生的。他推測原因是醫學系的學生在解剖完大體後沒有清潔,而將細菌帶給產婦。然而其他高傲的醫生們認為:醫生怎麼可能害人呢?而摒棄了塞默維斯的想法。

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性別

女性在科學界受到的打壓也不少:在代數領域有傑出成就的埃米諾特,竟因其性別而無法擔任大學教授;華生看了羅莎琳.佛蘭克林的 DNA  X 光繞射圖片,終於發現了 DNA 的雙螺旋結構,並以此得到了諾貝爾獎。雖然華生得獎的時候佛蘭克林已過世,然而我們可以想像,在當時的社會氛圍下,即便她在世,女性科學家的得獎機率仍然很低;發現脈衝星的喬瑟琳貝爾其成就在天文界有目共睹,然而諾貝爾物理獎的獎座是被指導教授赫維許拿走;吳健雄透過實驗證實宇稱不守恆,但最後是理論學家楊振寧及李政道是拿到了諾貝爾物理獎。

有些時候科學家對抗的不是來自外界的輿論、權威,反對的力量反而是來自科學界:牛頓打壓虎克及萊布尼茲;愛迪生堅持使用直流電系統,並利用交流電椅製造世人對交流電的恐懼,藉此反對特斯拉的交流電系統;發明氫彈的泰勒對前主管歐本海默落井下石,聲稱歐本海默對美國不忠……

我想呈現的不只是科學家的榮耀,還有其與常人無異的一面

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跟著《科學史上的今天》的腳步,我們可以發現科學家或許只在智力上比一般人高超,但其品性仍和常人一樣:他們也會忌妒、也會排擠別人、也會為了得到權力耍手段。如果大家能用平等的角度認識科學家,去了解理論後的時代背景,那學科學就不再只是背公式和定理,而是和一段段生命故事相遇的奇幻旅程。

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梁晏慈
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梁晏慈,台灣大學化學系研究所。 喜歡聽故事、說故事,還有貓。