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發明跨越維度的「全像術」──蓋博誕辰 │ 科學史上的今天:06/05

張瑞棋_96
・2015/06/05 ・872字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 547 ・八年級

周杰倫的演唱會上,作古已久的鄧麗君自升降舞台緩緩升起,栩栩如生宛若真人,用甜美的歌聲與周杰倫展開對唱。這項令鄧麗君宛如親臨現場的 3D 全像投影技術(註)只是全像術(holography, 或稱全像攝影)的其中一種應用,全像術還有許多神奇的性質,甚至還推及宇宙本質的深奧物理問題。而今天正是全像術的發明人蓋博的誕辰(Dennis Gabor, 1900-1979)。

出生於匈牙利的物理學家蓋博原本在德國求學、工作,1933 年為了逃避納粹迫害而移民英國,在 BTH 公司上班。1947 年,蓋博為了提升電子顯微鏡的解析力而發明「波前重建(wavefront reconstruction)」技術,這項技術原本是利用電子繞射與干涉作用,直到 1960 年雷射發明後才運用於光學上,而開啟了許多難以想像的發明,蓋博也因此獲得 1971 年的諾貝爾物理獎。

全像術必須將光線一分為二,一道打到物體後反射到底片,另一道直接射向底片,因此底片記錄的是這兩者彼此干涉的結果。相較於一般攝影只是記錄光的強度(即明暗)與波長(即色彩),全像術還多了光的相位(波峰、波谷的位置),因此可以還原出物體原來的形狀。而且一般攝影只能拍下單一角度的物體,全像術卻能計算出物體不同角度的樣貌,所以才能重建原來的立體影像。

全像術的神奇之處在於三維的資訊竟能完完整整地記錄於二維的全像底片上,而且即使這底片碎裂成許多小碎片,我們仍能任憑其中一小片就能絲毫不差地還原出全部的三維資訊,。既然二維的全像圖與三維的實體是等價的,物理學家不禁懷疑:我們以為自己生活在三度空間,會不會只是我們的幻覺,整個宇宙其實是個二維的全像圖?或是從另一個角度看,會不會宇宙其實有更高次元,我們這個世界只是它的三維全像圖?

這些可不是天馬行空的胡思亂想,物理學家已經在著手建立「全像理論」。蓋博當初發明全像術,絕對想不到它竟會走這麼遠吧?

註:全像投影必須當初就以全像術攝製,鄧麗君既然早已不在人間,應該不是媒體所稱的全像投影。

 

 

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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特斯拉誕辰 │ 科學史上的今天:07/10
張瑞棋_96
・2015/07/10 ・1359字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 554 ・八年級

1886 年,紐約的一處建築工地裏,有位氣質不凡的工人又在忿忿不平地跟同事大吐苦水。他帶著塞爾維亞口音一邊咒罵愛迪生的可惡,一邊大談自己的發電夢想;這位滿懷抱負卻虎落平陽的工人正是不世出的天才──特斯拉(Nikola Tesla, 1856 – 1943)。

四年前他到愛迪生的歐洲分公司上班,不只解決大大小小的工程問題,還挽救一次重大危機,原本寄望可以拿到高額獎金,好投入他一心想要發明的交流電發電機,誰知公司竟黃牛了!但特斯拉也沒有更好的棲身之所,只能委曲求全。待了兩年,他決定到美國發展,惜才的分公司總經理特地寫推薦函,讓他到紐約找愛迪生本人。

雖然愛迪生早已耳聞特斯拉的才能因而熱誠接待,但他們畢竟是截然不同的兩種人。除了體型與舉止的差異之外,愛迪生欠缺理論學養,靠的是不斷從嘗試和錯誤中改良發明,因此對特斯拉這種高談闊論的理論家並不以為然;加上愛迪生對自己發明的直流電系統頗引以為傲,根本不信特斯拉的交流電構想可行,只派他解決各種技術問題。

特斯拉也不負所望予以一一解決,包括愛迪生特別懸賞五萬美金的直流電發電機同步運作問題。只是他沒料到連尊貴的愛迪生也會耍賴不給獎金,說他不懂美國人的幽默。特斯拉真的受夠了,他已經被騙了兩次,於是這次他轉頭就走,決定獨力做出交流電發電機,證明給世人看!

只是他很快就花光積蓄,不得不當個日薪兩美元的建築工人。幸運的是,這樣打了一年工、向同事吐了一年苦水後,他的瘋言瘋語竟傳到西聯電報公司的主管耳中。1887 年,特斯拉獲得資金援助成立公司,完成了發電機的原型,又在受邀演講時獲得富豪威斯汀豪斯(George Westinghouse, 西屋公司創辦人)的激賞,提供他優渥的條件與充裕的資金全力發展交流電供電系統。

愛迪生當然不會任其坐大。除了透過媒體誇大交流電的致命性,還運作讓紐約監獄改用電椅處死死刑犯,以強化民眾對交流電的嫌惡。然而,直流電供電系統的先天限制還是不敵交流電的優點;1893 年芝加哥萬國博覽會,西屋公司用特斯拉的系統點亮了 96,620 個燈泡,正式宣告了家庭照明新時代的來臨,這是交流電的勝利,也是特斯拉對愛迪生的復仇。

但特斯拉還有更大的野心。他於 1891 年發明了特斯拉線圈,可以隔空產生感應電流;而在研究過程中,他還順帶發明了廣播、無線電、遙控器。於是特斯拉夢想著建造一座高塔,透過巨型的特斯拉線圈發送訊息到大西洋對岸;他計畫建造三十座這樣的高塔將全世界連結起來,而且所有人都能透過無線感應免費獲得電力。

然而,特斯拉的無線電專利於 1904 年突然被撤銷,改授予後發先至的義大利發明家馬可尼,於是金主不願再繼續支持他的計畫,而他自己的積蓄也逐漸花費殆盡,最後不得不變賣所有的資產與實驗設備。1934 年,他只能搬到紐約的小旅館,靠著西屋公司每月 125 元美金的接濟過活。

1943 年,特斯拉孤獨地死於旅館房間,除了他常餵食的鴿子,無人聞問。愛迪生成了教科書上的偉人,特斯拉則被歷史遺忘了數十年,直到最近,人們才逐漸想起這位將世界帶入電氣化時代的先知……。

  • 2021/7/11 更新:原文為「克羅埃西亞口音」,更正為「塞爾維亞口音」。雖然特斯拉的出生地雖然位於現在的克羅埃西亞,但他其實是塞爾維亞人。

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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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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發明雷達:華生─瓦特誕辰│科學史上的今天:4/13
張瑞棋_96
・2015/04/13 ・907字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 511 ・六年級

雷達在二次大戰爆發後發揮了預警的功效。除了軍事用途,後來也應用於其它各種用途。圖/ Science Museum / SSPL

「死光?!」華生-瓦特 (Robert Watson-Watt) 不禁懷疑自己是不是聽錯了。1935 年 1 月,擔任英國國家物理實驗室無線電所所長的他,原以為空軍部找他來是有關通訊方面的事,他壓根兒也沒想到會聽見這個科幻小說中的名詞。

原來空軍部聽說納粹正在建造死光這個威力強大的武器,因此希望借重他的專長趕緊研發,萬一德國空軍來襲的話,就能用來擊落敵機。華生-瓦特心中苦笑:大家對於無線電波的過度幻想也太不切實際了;但還是答應回去後會好好研究。

說來諷刺,一次大戰時他想報效國家,但當時無線電才剛萌芽,他的所學在戰爭時尚無用武之地而被拒絕,因此才到氣象辦公室利用無線電波偵測雷電。沒想到如今反而是軍方主動來找他了。

以當時的技術當然不可能造出死光,因此也不必擔心納粹擁有這武器。不過,德軍飛越英國海峽僅需二十分鐘,他們即使只用炸彈空襲也是一大威脅,英國迫切需要的是能夠提早發現德軍的突襲,才能有所防衛。而華生-瓦特與同事為了偵測雷電所發展的技術此時恰能派上用場。

不過雷電本身即會產生電波,飛機可不會。因此華生-瓦特還得設計讓天線往天空發射電波,再根據飛機機身反彈回來的訊號判斷其方位。在軍方的 支持下,他率領團隊著手建造雷達站,並於 1935 年 6 月 17 日首次成功偵測到飛機。華生-瓦特,改善蒸汽機而揭開工業革命的瓦特之後代,也因此成為雷達的發明者。

雷達在二次大戰爆發後發揮了預警的功效。除了軍事用途,後來也應用於其它各種用途,包括民航上提供機場塔台指揮飛機的起降,氣象上 用於預測暴風雪、降雨量等天氣狀況,天文上用於遙測天體表面(還記得之前曾介紹把雷達訊號打到金星嗎?)。對了,還有大家痛恨的埋伏在路邊的雷達測速;這 裡有則幕後花絮:1956 年,華生-瓦特在加拿大開車超速,被交通警察用雷達測速槍逮到,開了一張加幣 12.5 元的罰單。後來華生-瓦特還寫了一首小詩自嘲成了自己發明的受害者。

 

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布拉格父子與 X光繞射 │ 科學史上的今天:07/02
張瑞棋_96
・2015/07/02 ・1124字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

科學的進展就如牛頓所說的「站在巨人的肩膀上」,少不了前人的經驗累積。布拉格父子在 X光繞射的發現與應用上扮演的傳承角色就是典型的代表,而且他們人生道路上的許多交會也頗耐人尋味。

起點當然是今天生日的老布拉格(William Henry Bragg, 1862-1942)。他於 1885 年自英國三一學院以優異的成績畢業後即獲聘至澳洲阿德雷得大學(University of Adelaide),講授數學與實驗物理。數學是他的專長,而他雖然上過 J. J. 湯姆森一年的物理課,卻未深入研究,另一方面,學校的實驗器材也不足,在這遠離歐洲的邊陲地帶,他只能硬著頭皮一邊自學物理,一邊到廠商那兒當學做儀器。因此可以想見,當拉塞福於 1895 年從紐西蘭要前往英國跟 J. J. 湯姆森做研究,途經澳洲來拜訪老布拉格後,兩人就此成為世交。

1896 年,5 歲的小布拉格(William Lawrence Bragg, 1890-1971)跌傷骨折,老布拉格想起不久前侖琴發現的 X射線,於是動手打造 X射線管,幫兒子照 X光。這是他們兩人與 X光的初次相遇。後來小布拉格進入阿德雷得大學就讀,自然也成了老爸的學生。他畢業後,老布拉格獲聘至英國里茲大學任教,於是舉家於 1909 年遷回英國,小布拉格進入老爸的母校三一學院,而且指導教授又是 J. J. 湯姆森。

當時仍不清楚 X射線的本質是什麼,直到 1912 年夏天,德國物理學家勞厄(Max von Laue)發現 X光穿過晶體會產生繞射現象(就像水波或光波因干涉作用而產生明暗相間的條紋),才確定 X射線其實就是一種電磁波。原本就一直在研究 X射線的老布拉格得知後,趕忙把兒子找來一起做實驗,小布拉格很快在當年十一月就發表「布拉格定律」,不但給出解釋 X光繞射現象的模型,還可以根據 X射線的波長、角度,推算出晶體的晶格間距,因而得知晶體的結構。老布拉格也沒閒著,他在第二年發明了 X射線光譜儀,提供實際可行的測量工具。

1914 年,勞厄先獲得諾貝爾物理獎,接著第二年,由布拉格父子共同獲頒諾貝爾物理獎,創下史上唯一親子檔一起獲獎的紀錄;而小布拉格年僅 25 歲就獲獎,至今仍是諾貝爾科學獎項中最年輕的紀錄保持人。

拉塞福於 1937 年過世後,小布拉格接替他擔任卡文迪許實驗室主任直到 1953 年。華生與克里克正是在他任內來卡文迪許實驗室進行研究,而於 1953 年解開 DNA 的雙螺旋結構;成為破解關鍵的「51 號相片」也是羅莎琳 · 弗蘭克林(Rosalind Franklin)以 X光繞射原理攝得的。

布拉格父子兩人的一生就像雙螺旋,以當代重要的科學家為鏈結,彼此互繞;也像 DNA般傳遞了 X光繞射的技術,為科學的進展提供了重要的助力。回顧當時科學家們的交會,饒富趣味;喔,後來小布拉格的女兒還與 J. J. 湯姆森的孫子結為連理呢。

 

 

 

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