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先鋒十號發射升空|科學史上的今天:3/2

張瑞棋_96
・2015/03/02 ・946字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 525 ・七年級

圖/ NASA Ames Research Center 

1972 年的今天,先鋒十號 (Pioneer 10) 太空船自美國佛羅里達州甘迺迪角發射升空。除了調查宇宙射線與太陽風,它將嘗試一項前所未有的危險任務:穿越小行星帶,探索木星,最後航向太陽系外。

介於火星與木星之間的小行星帶佈滿大大小小的天體,光直徑超過一公里的小行星至少就有數十萬顆。雖然這在廣袤的星際空間中密度並不高,NASA 的科學家可以讓先鋒十號的航行路線盡可能遠離當時已知的小行星,但他們不確定有多少足以造成傷害的小行星碎片分佈其中,實在沒有把握先鋒十號能否安全通過這地雷區,因此已經同時準備隔年發射先鋒十一號。

四個月後,先鋒十號進入小行星帶,地面的控制中心氣氛也開始凝重起來,但隨著先鋒十號傳回來的數據顯示沿途幾乎沒有超過一毫米以上的碎片,控制中心越來越樂觀以待。1973 年 2 月 15 日,先鋒十號安全通過小行星帶,為往後的星際航行確認了一條安全通道。

同年年底,先鋒十號依原定計劃接近木星,傳回五百張清晰的相片,提供前所未有的木星近距離圖像。接著,先鋒十號繼續前行,1976 年通過土星軌道;1979 年通過天王星軌道;1983 年 6 月 13 日,越過海王星軌道,成為第一個脫離太陽系八大行星範圍的人造物體。

它預定的任務都已圓滿達成,但控制中心仍與它保持聯繫,直到 1997 年終因考慮人力與經費問題而正式結束任務。先鋒十號孤零零地成為漂流最遠的人造物體(直到 1998 年才被速度更快的航海家一號超越),進入休眠等待被再度喚醒。五年後,控制中心兩次均成功再度收到它的清楚回應,但 2003 年 2 月終於完全與它失去聯繫。

目前(2015 年 3 月)先鋒十號應該已離我們 113 個天文單位(約 170 億公里),以每年 3.8 億公里的速度朝金牛座而去。我們已經永遠失去它了,除非中途真有外星人遇見它,並且看懂艙內那塊標示著地球與我們人類訊息的銘版⋯⋯。

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
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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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納皮爾忌日|科學史上的今天:4/4
張瑞棋_96
・2015/04/04 ・1033字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 511 ・六年級
對數的發現為天文學家省去很多計算的功夫,納皮爾可說是功德無量。圖/wikimedia

1614 年,猶如平地一聲雷,一本名為《奇妙的對數規則之描述》的奇書撼動了歐洲的天文學家們。這本書提供了一個前所未有的工具,將他們從繁複的計算工作中解放出來。同樣令人驚奇的是,這樣一本劃時代的鉅著,其作者竟只是對天文學與數學有興趣的業餘愛好者。

事實上,出身蘇格蘭貴族的納皮爾興趣廣泛,在此之前,他未曾出版任何數學著作,反倒是發表了不少神學議論,還設計了弩砲、裝甲車、潛水艇等戰爭武器。不過花了他最多心思的還是《奇妙的對數規則之描述》這本書,他整整耗費二十年的光陰才完成。

當時天文學家的很多時間都投注於繁重的計算工作上面。因為他們在推測天體的軌道時,基本上是根據三角幾何來計算;雖然當時已經有現成的三角函數表讓你可以用角度查出對應的 sin、cos 等數值,但一來這些數值都是用分數表示,二來天文距離都是很大的數字,因此每次計算都是很多位數的相乘或相除,當然耗費很多時間。

納皮爾透過研究等比級數與等差級數的對應關係,而找出一種規則可以將複雜的乘除計算轉換為簡易的加減,這背後的觀念就是利用 am x an = am+n。當某一個數 A 可以用 a表示,m 就是 A 的對數(以 a 為底),如果我們事先建立好以 a 為底的對數表,就可以用查表的方式得知 A 與 B 的對數分別是 m 與 n,再反查 m + n 這個對數的對應值,就是 A x B 的積。

納皮爾之所以花了二十年時間就是除了 57 頁的說明外,還要建立印滿 90 頁的對數表。不過他當初所選的 a 是一個特殊的數字以配合天文學家常做的計算,經過英格蘭數學家 Henry Briggs 的修訂,才改成以 10 為底,變得適用範圍更廣。之後再經由大數學家歐拉建立指數與對數的運算法則,才成為現今的樣貌。

對數的發現為天文學家省去很多計算的功夫,拉普拉斯就曾說:「對數的發明簡化了計算,使天文學家的壽命增加了一倍。」納皮爾可說是功德無量,只是他的出生日期已不可考,我們只能在他的忌日緬懷他的貢獻了。

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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包立誕辰│科學史上的今天:4/25
張瑞棋_96
・2015/04/25 ・1195字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 544 ・八年級

Photo Credit: Bettina Katzenstein / ETH Zürich license Source

就在普朗克首創量子說的這一年,包立誕生於奧地利。這位天才型的物理學家不到 25 歲就提出「包立不相容原理」,因而也躋身量子力學的奠基者之一。

他的天才從他 18 歲高中畢業那年,就寫出一篇關於廣義相對論的論文可見一斑;尤其此時距離愛因斯坦發表廣義相對論也才不過三年。他進了慕尼黑大學,沒念大學就直接當著名的物理學家索末菲(A. Sommerfeld)的研究生,21 歲就以氫分子的量子理論取得博士學位。同年,索末菲請他幫忙審查《數學科學百科全書》中有關相對論的詞條,結果他竟交出一篇多達 237 頁的專文,獲得愛因斯坦的特別讚許。

當時的量子理論無法解釋某種原子光譜的奇特現象,包立研究後,於 1924 年底主張電子除了已知的三種量子數之外,還有第四種量子數,而且只允許有兩種數值;這個全新的量子數在第二年被三位物理學家確認就是現今所稱的「自旋」。包立指出兩個電子不能有相同的量子態(由四種量子數定義),因此同一軌域最多只能有兩個自旋彼此相反的電子;若有更多電子只能往更外層軌域擴展。感謝包立這個「不相容原理」,我們才能站在地板上,不會往下陷進去。

「包立不相容原理」可以完美解釋物質的原子結構與化學作用。他所引入的「自旋」這個量子數,後來更成為粒子物理標準模型中將所有粒子區分為兩類的依據──整數自旋的是波色子,其它是費米子;所有費米子都遵守「包立不相容原理」,波色子則否。包立因而獲頒 1945 年的諾貝爾物理獎。

1930 年包立在思考 β 衰變的問題時,還率先預測必定存在質量極小的中性粒子。結果直到 1956 年微中子才被發現確認。

包立是有名的完美主義者,對於別人論點的差錯總是言詞尖銳地當面指正,不論對象是誰。他常用「完全錯誤」批評有錯誤的論點,不過這還不是最差的評語,對於那些他認為不夠格的論文,他會譏諷「甚至連錯誤都稱不上(Not even wrong)」,因為科學至少要能被否證。而他所給的最好評語就只是「竟然沒什麼錯」。

包立雖然話語尖酸、不留情面,但這毫不影響他在同儕心目中的地位,因為這代表他總是給出最嚴格、最真實的意見。因此在他因胰腺癌而於 58 歲病逝後,每當出現新理論或新發現,大家仍不免要想:若是包立還在的話,不知會有什麼高見……。

 

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NASA創立│科學史上的今天:7/29
張瑞棋_96
・2015/07/29 ・975字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 523 ・七年級

1957 年 10 月 4 日,蘇聯不聲不響地發射了第一顆人造衛星史普尼克一號(Sputnik 1)。這可把美國給嚇壞了,此值冷戰時期,雙方算是暫時用核子武器達成恐怖平衡,如今敵人率先在太空取得突破口,這怎麼得了!於是乎,在白宮與國會皆有一致共識之下,很快地,1958 年 7 月 29 日,美國總統艾森豪簽署了《公共法案85-567》,「國家航空暨太空總署」(National Aeronautics and Space Administration, 簡稱 NASA)於焉成立。

為了盡速在太空競賽中迎頭趕上,同年 10 月 1 日正式掛牌運作的 NASA 當然不是從零開始。聯邦政府於同日解散已有 46 年歷史的「國家航空諮詢委員會」,將旗下的三大二小實驗室,共八千名人員全數轉移到 NASA 上班,並併入「陸軍彈道飛彈署」與「海軍研究實驗室」的部分人員與設施。國防部「先進研究計畫署」(即現在的DARPA)與空軍手上的太空計畫也都移交給 NASA。

資源集中整合完畢後,萬事皆備,只欠東風了;前德國火箭專家馮·布朗(Wernher von Braun)正是最後的一塊拼圖。納粹著名的 V2 火箭就是他發明的,幸好德國戰敗,幸好美國搶在蘇聯之前將他帶回國,如今有他來搞定太空計畫中最重要的火箭,自然事半功倍。

NASA 先進行「水星計畫」與「雙子星計畫」,將太空人送上太空,並試驗太空艙的飛行與著陸,為「阿波羅計畫」做準備。十年磨一劍,1969 年 7 月 21 日,阿姆斯壯與艾德林在全球十億人眼前踏上月球表面,NASA 終於不辱使命,在太空競賽中一舉超越蘇聯。

不過更有科學價值的卻是 NASA 其它諸多無載人太空計畫。無數衛星監測地球的大氣與地理;哈伯、錢卓拉、史匹哲等太空望遠鏡探索宇宙深處,傳回瑰麗絢爛的恆星與星系,讓我們更了解所處的宇宙;諸多探測器蒐集太陽系行星的資料(剛傳回冥王星相片的新視野號就是其中之一);好奇號還忠實地在火星上漫步,先鋒者 10 號、11 號與航海家 1 號、2 號繼續分頭航向宇宙深處……。

從太空船到太空梭,從太空望遠鏡到無人探測器,從地球到其它星球,從太陽系到太陽系外;半世紀以來,NASA 宛如代表人類一次次探索未知的疆界,而它也提供了無數珍貴的科學資料給全世界,充分展現科學開放、分享的精神。雖然NASA近年來也因預算刪減而將許多太空計畫轉由民間公司承接,我們仍期待它將繼續「航向宇宙!浩瀚無垠~」。

 

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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