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史上第一通電話|科學史上的今天:3/10

張瑞棋_96
・2015/03/10 ・905字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 510 ・六年級

美國於 1976 年發行的電話一百年紀念郵票,圖中為貝爾設計的電話原型機。Photo Credit: US Post Office Source
「華生先生,快過來,我需要你!」
(”Mr. Watson – Come here – I want you.“)

1876 年的今天,蘇格蘭裔的加拿大發明家貝爾 (Alexander G. Bell, 1847 –1922) 因不小心打翻一瓶酸性溶液而緊急呼叫他的助理。在隔壁房間的華生赫然聽見桌上那具還在改進中的受話器竟然清楚地傳出貝爾的聲音,他們打造的電話機成功了!於是如今我們都知道這句著名的史上第一通電話,而貝爾當然是電話的發明人。

然而,「發明者」這個頭銜往往取決於誰是專利戰的勝利者。就在貝爾於 2 月 14 日委請律師提出專利申請的同一天,另一份由伊利夏・葛瑞 (Elisha Gray) 提出的電話專利申請書也抵達了美國專利局。孰先孰後不得而知,反正結果是由貝爾取得專利──就在他意外成功通話三天之前。

不過,貝爾這頂桂冠頗具爭議。十年後,當時的專利審查員威爾伯 (Zenas F. Wilber) 坦言自己長期酗酒而且債臺高築,而貝爾的專利律師也是自己的債主之一;而且威爾伯還向貝爾透露其競爭者葛瑞送來的專利申請書內容。貝爾完成「史上第一通電話」時,送話器所用的電解液正是葛瑞的設計,而非自己在申請書中所寫的水銀──這其實行不通。

葛瑞並未因為專利審查員的自白而贏回專利權。事實上,葛瑞也不是最先發明電話的人。早在 1856 年,義大利裔的發明家穆齊 (Antonio Meucci) 就在紐約的住所架設了史上第一套電話;因為他的實驗室在地下室,為了方便樓上長期臥病在床的妻子與他聯繫,才特地發明了電話。只是他籌不出申請專利所需的 250 美元,只能在 1871 年底花 20 美元提出「專利預告」先保障申請專利的權利,但之後卻因為破產,連每年 10 美元的延長費用都拿不出來,終於喪失了權利,將電話專利拱手讓人。

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2002 年美國國會通過 269 號決議案,正式承認穆齊才是電話的發明人。這個歷史公道來得遲,而史上的第一通電話卻應該更早,至少還要往回推 20 年。那是由穆齊與妻子各在電話兩端說出的話語,我們只能想像他們當時的關懷之情,實際的語句已飄散佚失於歷史之外了⋯⋯。

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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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 980 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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如何靠溫度控制做出完美的料理?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/06/21 ・2705字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 Panasonic 委託,泛科學企劃執行。 

炸雞、牛排讓你食指大動,但別人做的總是比較香、比較好吃?別擔心,只要掌握關鍵參數,你也可以做出完美料理!從炸雞到牛排,烹調的關鍵就在於溫度的掌控。讓我們一起揭開這些美食的神秘面紗,了解如何利用科學的方法,做出讓人垂涎三尺的料理。

美味關鍵 1:正確油溫

炸雞是大家喜愛的美食之一,但要做出外酥內嫩的炸雞,關鍵就在於油溫的掌控。炸雞的油溫必須維持在 160 到 180℃ 之間。當你將炸雞放入熱油中,食物的水分會迅速蒸發,形成氣泡,這些氣泡能夠保證你的炸雞外皮酥脆而內部多汁。

水的沸點是 100℃,當麵衣中的水分接觸到 160℃ 的熱油時,會迅速汽化成水蒸氣。這個過程不僅讓麵衣變得酥脆,也能防止內部的雞肉變得乾柴。

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如果油溫過低,麵衣無法迅速變得酥脆,水分和油脂會滲透到食物中,使炸雞變得油膩。而如果油溫過高,水分會迅速蒸發,使麵衣變得過於硬或甚至燒焦。

油炸時,麵衣水分會快速汽化。 圖/Envato

美味關鍵 2:焦糖化與梅納反應

另一道美味的料理——牛排。無論是煎牛排還是炒菜,高溫烹調都會帶來令人垂涎的香氣,這主要歸功於焦糖化反應和梅納反應。

焦糖化反應是指醣類在高溫下發生的非酵素性褐變反應,這個過程會產生褐色物質和大量的風味分子,讓食物變得更香。而梅納反應則是指醣類與氨基酸在高溫下發生的反應,這個過程會產生複雜的風味分子,使牛排的色澤和香氣更加迷人。

要啟動焦糖化反應和梅納反應的溫度,至少要在 140℃ 以上。如果溫度過低,無法啟動這些反應,食物會顯得平淡無味。

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焦糖化反應


焦糖化反應與梅納反應。圖/截取自泛科學 YT 頻道

油溫與健康

油溫不僅影響食物的風味,也關係到健康。不能一昧地升高油溫,因為每種油都有其特定的發煙點,即開始冒煙並變質的溫度。當油溫超過發煙點,會產生有害物質,如致癌的甲醛、乙醛等。因此,選擇合適的油並控制油溫,是保證烹調健康的關鍵。

說了這麼多,但是要怎麼控制溫度呢?

各類油品發煙點 。圖/截取自泛科學 YT 頻道

科學的溫度控制

傳統電磁爐將溫度計設在爐面下,透過傳導與熱電阻來測溫,Panasonic 的 IH 調理爐則有光火力感應技術,利用紅外線的 IR Sensor 來測溫,不用再等熱慢慢傳導至爐面下的溫度計,而是用紅外線穿透偵測鍋內的溫度,既快速又精準。

而且因為紅外線可以遠距離量測,如果甩鍋炒菜鍋子離開爐面,也能持續追蹤動態。不會立即斷開功率關掉,只要鍋子放回就會繼續加熱,效率不打折。

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好的溫度感測還要搭配好的溫度控制,才能做出一流的料理。日本製的 Panasonic IH 調理爐,將自家最自豪的 ECONAVI 技術放進了 IH 爐中。有 ECONAVI 的冷氣能完美控制你的室溫,有 ECONAVI 的 IH 調理爐則能為你的料理完美控溫。

有 ECONAVI 的 IH 爐不只省能源、和瓦斯爐相比減少碳排放,更為料理加分。前面說了溫度就是一切的關鍵,但是當我們將食材投到熱鍋中,鍋中的溫度就會瞬間下降,打亂物理與化學反應的節奏,阻止我們為料理施加美味魔法。

所以常常有好的廚師會告訴我們食物要分批下,避免溫度產生太大變化。Panasonic IH 調理爐,只要透過 IR Sensor 一偵測到溫度下降,就能馬上知道有食材被投入並立刻加強火力,讓梅納反應與焦糖化反應能持續發揮變化。而當溫度回到設定溫度,Panasonic IH 調理爐也會馬上將火力轉小,透過電腦 AI 的迅速反應,掌握溫度在最完美區間不劇烈起伏。

不僅保證美味關鍵,更不用擔心油溫超過發煙點而導致油品變質,讓美味變得不健康。

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透過 IR Sensor 精準測溫並提升火力。圖/截取自泛科學 YT 頻道
IH 調理爐完美控溫 。圖/截取自泛科學 YT 頻道

舒適的烹飪環境

最後,IH 爐還有一個大優點。相比於瓦斯爐,因為沒有使用明火,加熱都集中在鍋具。料理過程更安全,同時使用者也不會被火焰的熱氣搞得心煩意亂、汗流浹背,在廚房也能過得很舒適。而且因為熱能集中,浪費的能源也更少。

因為沒有使用明火,料理過程安全又舒適。圖/截取自泛科學 YT 頻道
Panasonic IH調理爐火力精準聚集在鍋內。圖/Panasonic提供

為了更多的功能、更好的效能,我們早已逐步從傳統按鍵手機換成智慧型手機。一樣的,在廚房內,如果你想輕鬆做出好料理,同時讓烹飪的過程舒適愉快又安全。試試改用 Panasonic IH 爐,一起享受智慧廚房的新趨勢吧!👉 https://pse.is/649gm5

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改變世界的通訊革命:電話發明家亞歷山大.貝爾(Alexander Bell)
數感實驗室_96
・2024/05/28 ・582字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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本文由 國立臺灣師範大學 委託,泛科學企劃執行。 

你多久沒有用手機打電話了呢?現代人大多將手機當作上網的工具,每天接到最多的電話應該也是快遞、推銷跟詐騙吧。但其實以前電話可以說是最重要的溝通方式。畢竟比起電報只能傳遞幾個字,能一口氣說出想傳遞的內容,不是方便許多了嗎?

 這樣在通訊史上扮演著舉足輕重的角色,他的發明改變了人們的生活方式,也開啟了全新的溝通時代。今天我們就來介紹,讓大家能說話的那位關鍵科學家,亞歷山大.貝爾(Alexander Bell)。

貝爾不僅是一位發明家,他同時也是一位教育家,他擔任私人家教時曾教導過海倫凱勒。海倫凱勒與貝爾一生保持聯繫,她在回憶錄中寫道,貝爾全心投入於聾啞教育,做出了許多貢獻,卻從不以此自豪。

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亞歷山大.貝爾最了不起的地方是他既擁有卓越的科技發明能力,又持續關心著聾啞教育。也許正是因為他如此關心人,才能發現各種尚未被滿足的需求,從而成為他發明的靈感來源。

更多、更完整的內容,歡迎上數感實驗室 Numeracy Lab 的 YouTube 頻道觀看完整影片,並開啟訂閱獲得更多有趣的資訊!

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數感實驗室_96
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數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/

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已經不能沒有「它」?悄悄改變我們生活的「家庭科技」
賴昭正_96
・2024/01/12 ・4027字 ・閱讀時間約 8 分鐘

  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

我們生活在一個高度依賴科學與技術的社會,但幾乎所有的人對科學與技術都一無所知。

——Carl Sagan(1934-1966)美國天文學家、科普作家

在「日常生活範式的轉變:從紙筆到 AI」一文裡,筆者談到 50 年來的科技發展完全改變了我們自己日常生活的方式,如筆者已經不再用紙筆寫文章、不在圖書館裡找資料、旅行不需要攜帶地圖、在家逛街購物、買股票不需要透過券商下單、與親友及科學月刊通訊都是瞬間達成、⋯⋯等等。最近人工智能的正式登場更可能讓人人成為寫文章高手,讓讀者懷疑這篇文章是不是筆者自己寫的。

除了這些有形的日常生活方式的改變外,事實上還有一些無形、沒有改變我們生活方式的科技正在我們家中發生的。其中最明顯的就是電視, 我們看電視的方法還是一樣, 但年輕的讀者可能不知道不管從軟體或硬體來看, 電視機已經完全不再是 1970 年代的電視機了。我們在這裡就來談談這些偷偷摸摸進入我們家庭生活的三大無形改變吧,免得被名科幻小說及科普作家薩根(Carl Sagan)嘲笑:我們生活在一個高度依賴科學與技術的社會,但幾乎所有的人對科學與技術都一無所知。

電視機

早期的電視機是由真空管及陰極射線管(CRT)組成的,體積膨大。1940 年代,半導體器件的發明使得生產固態電子器件成為可能,它比熱真空管更小、更高效、更可靠、更耐用、更安全、更涼爽、更經濟。從 1960 年代中期開始,熱電子管可以說完全被晶體管取代。然而直到 21 世紀初,陰極射線管(也是一種真空管)仍然是電視監視器和示波器的基礎。

圖/作者提供

1982 年,愛普生(Seiko Epson)發布了第一台用液晶(liquid crystal)當平面顯示器(display)的液晶電視(LCD TV);1984 年,愛普生又發布了第一台全彩袖珍液晶電視。夏普(Sharp)於 1988 年推出第一台商用液晶電視;第一台電漿(plasma)電視於 1997 年出現。電漿電視畫面是透過顯示器上面畫素(Pixel)點發光,不是像液晶電視機在畫面後面照光,因此在畫質方面比液晶顯示器強多了,但因在價格上沒辦法競爭,早已被淘汰掉了,最近被類似的有機發光二極體(organic light emitting diode, LED)電視機取代。

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除了硬體外,電視影像訊息的傳播編碼(coding)也大異於前:早期使用類比訊號(analog signal)編碼,現在則使用數字(digital)。後者在其開發時就立即被認為是自 1950 年代彩色電視出現以來,電視技術上之一項創新進步的重大變革。類比廣播到數字廣播的轉變始於 2000 年左右;經過多次及多年的拖延,美國終於於 2009 年 6 月 12 日正式取消無線類比電視廣播,台灣也已於 2012 年 7 月全面廢除無線類比電視廣播,改用數位電視。詳情請參見高畫質數位電視

電燈泡

我們一般都將發明燈泡的功勞歸於愛迪生(Thomas Edison),事實上早在他 1879 年申請專利之前,英國發明家就已經知道用弧光燈當燈泡。但愛迪生不但將白熾燈泡商業化,並發明了將電力帶入住家所需的整個系統——發電機、電線、保險絲、燈的開關。1904 年出現了取代碳絲燈泡之更亮的新型鎢絲燈泡,1913 年發現在燈泡內放入氮氣等惰性氣體可以提高壽命,沿用至今。 

電燈照明的原理是因為任何溫度不為絕對零度的物體,總是不停地對外放出各種頻率的輻射能(見「科學家如何找到黑體輻射光譜,引發 20 世紀初的量子革命?」)。不幸的是:這些不同頻率的輻射能中只有非常少的一部分是可見光,因此利用鎢絲加熱來照明的電燈效率非常低(見「電燈的效率」)。

筆者在「太陽能與光電效應」裡探討了「二極體」(diode)的物理,其用途甚廣(如整流器及控制器等)。它可以透過光來發電製造太陽面板;它也可以透過電來發光——「發光二極體」(light emitting diode, LED)——製造上面提到之有機發光二極體電視機及二極體燈泡。因我們可以用不同材料來控制發出來之輻射在可見光範圍,所以二極體燈泡效率比傳統鎢絲燈泡高得非常多:例如前者只需 18 瓦特就可達到後者 100 瓦特(W)的亮度。加上它不使用高溫,壽命也因之比較長;但因其製造成本高,所以直到最近美國才宣布禁售傳統鎢絲燈泡,強迫使用二極體燈泡1

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圖/作者提供

發光二極體需要在直流電下運作,一般家用二極體燈泡設計在低電壓 1.2-3.6V 之間。然而,為了變壓方便及減少輸送過程中的能量浪費(見「高壓危險」),全世界電力公司都用高電壓的交流電輸送電力,到住宅區附近的變電所後再減壓到 120-240V,因此二極體燈泡的設計非常不同於傳統燈泡:它的首要任務是將高電壓交流電降壓整流為低壓的直流電。除此之外,因固態線路特性,它也必須考慮電壓及電流的穩定、散熱等問題,因此在設計上比鎢絲燈泡複雜多了,成本也貴得多。

家庭電話

與電視機及燈泡相比,家庭電話可以說是改變最少的;事實上自從行動電話普及後,許多家庭已不再使用固定的家用電話,改變了我們日常生活的方式。但仍有不少像筆者一樣頑固的長者保留家用電話的,他們將發現:雖然現在的電話機比以前的加了很多功能,如來電顯示、留言、無線分機等,但其基本結構還是保留在 1962 年世界博覽會上首次以商品名「按鍵音(Touch-Tone)」推出的按鈕撥號(也就是說 1970 年代的電話現在還是可以用的,也還可以在市面上買到)。

圖/giphy

傳統電話系統通話依賴於兩個節點間的直接物理連接,在通話中這條線是不能斷的。為了覆蓋廣泛的地區,任何兩點間都直接連線當然是不可能的,因此出現了稱為「電路交換」(circuit switching)的呼叫切換技術。早期的呼叫切換是由電話接線員來完成的,但隨著電話覆蓋範圍的擴大,美國電話及電報公司(AT&T)開始推出機械交換系統,人們可以從家裡手動撥打其它號碼,不再需要人工操作員接通。到 1978 年左右,完全自動化終於消滅了電話接線員這一職業。

圖/作者提供

自從互聯網(Internet)及一種可用寬頻連線進行語音通話的互聯網協定語音(voice over internet protocol, VoIP)出現後,網路語音(VoIP)電話開始慢慢侵食傳統的家庭電話。不像電視機及燈泡,事實上傳統的家庭固定電話是有其優點,如不受斷電及不穩定網路的影響等,但因網路語音電話成本較低及較高彈性,美國聯邦通訊委員早在 2022 年 8 月就宣布不再要求美國電信公司提供銅線固定電話服務,因此相信傳統的電話系統不久將在美國消失了2

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電路交換技術的一大缺點是:兩點一旦連接在一起,別人便不能再使用那整條電路3,浪費了有限的資源。現在網路語音電話的交換網絡依賴於「分組交換」(packet switching)技術。分組交換概念是波蘭裔美國工程師巴蘭(Paul Baran)於 1960 年代初提出,首先使用於美國國防部的阿帕網(ARPANET)。使用者透過網路傳送檔案時,先將檔案分割為較小的數位「資料包」(packet)形式來進行傳輸。每個資料包都有一個包括來源位址、目標位址、資料包數量和序號等的資料包頭,因此它們可以各走其獨立路線(網路節點負責指揮交通),發送者和接收者之間沒有必要(也從未)直接連接在一起,可以充分且更有效率地利用傳輸媒體。數位資料包到達目的地後,經組合再透過數據機(modem)將數位數據轉回電話線的類比訊號,傳到傳統的電話上。

以前傳統電話因為要用實體電線接到區域交換總機,所以可以從區域號碼知道這支電話的所在地;網路語音電話只要連接到任何一個網路節點就可以,所以家用電話號碼可以隨搬家移動到別的區域(例如台北的 02 區域電話號碼可以在阿里山出現),因此區域號碼已經失去其區域的意義。

結論

這些悄悄來的家庭科技中,改變最多的是電視:在軟體(數位訊號傳輸)及硬體方面(平面顯示器)都完全擺脫了舊科技,以全新的面貌在家庭中出現;接觸過舊電視的讀者,應該不難發現影像的改進不可同日而語。燈泡則只改變硬體(二極體燈泡),網路語音電話只改變軟體(分組交換訊號傳輸)。

筆者雖然喜歡新科技,但因一則較貴,再則可能不穩定,而不願做新技術的天竺鼠(實驗對象),對新技術的接受總是很遲的;即使如此,筆者的家庭也已經全面「現代化」了。但是內人除了發現電視機不同及燈泡比以前更接近太陽光4外,根本不知道老公花了多少心血將狗窩現代化。

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註解

  1. 事實上美國早在 2007 年就頒布白熾燈泡禁令,但被川普政府撤銷,該規則於今年(2023 年)8 月 1 日才又生效。台灣經濟部宣佈 2011 年底全面禁售白熾燈,五年內全面更換成二極體燈泡。
  2. 但在台灣還不流行。根據名市場研究公司 Future Market Insights 分析:全球住宅網路語音服務市場規模預計將從 2023 年的 221 億美元增至 2033 年的 678 億美元;在預測期內(2023 年至 2033 年),全球住宅網路語音服務需求預計將以 11.9% 的複合年增長率增長。
  3. 只要電話不掛斷(如找資料暫停通話),電路就不會、也不能斷;因此原則上如果夠多人在同時用電話,將會將所有的電路線都佔罄了。
  4. 太陽表面的溫度約在 6000°C,鎢絲燈泡大都在 3000°C 左右操作以增加壽命。

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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。