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勇闖南極,鞠躬盡瘁──史考特誕辰 │ 科學史上的今天:06/06

張瑞棋_96
・2015/06/06 ・1171字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 485 ・五年級

1910 年,英國海軍軍官史考特(Robert F. Scott, 1868-1912)重返南極。彼時地球最南端的南極點尚未被人類征服,多年以前他功敗垂成,這次他準備充分捲土重來,決心將英國國旗插在南極點,成為史上第一人。只是他沒料到等在前面的將是榮譽之爭與生死抉擇……。

史考特這趟探險還肩負著科學任務,其中最重要的就是尋找驗證達爾文演化論的科學證據──舌羊齒。這種古生代的闊葉植物在非洲、澳洲、南美洲都有化石紀錄,創造論者遂據此攻擊演化論,質疑它無法解釋何以彼此隔絕的大陸竟會演化出同樣的植物。達爾文猜測可能有塊南極大陸(當時尚無人抵達南極),曾經與南半球這幾塊大陸相連,因此舌羊齒得以散佈生長。史考特若能在南極找到舌羊齒的化石,就能證明達爾文是對的

史考特初抵南極建立基地,便同時讓隊員在周遭探尋。他們當然不預期會幸運地立即發現化石,但隔年二月,一組隊員竟帶回來一則令人震驚的消息:五百公里外,挪威探險家亞孟森(Roald Amundsen)也駐紮了營地,打算搶先攻抵南極點!這下史考特面臨抉擇:即使他自認經驗與裝備都勝過亞孟森,但為了確保英國的榮譽,同時讓自己在歷史留名,他應該放棄科學任務,直奔南極點嗎?

他很清楚亞孟森也是得等春天來臨時才能出發,這表示他還有八個月的時間可以考慮,但從他留下來的日記顯示,他並未多所猶豫,當下即決定堅持按原計畫不變。1911 年 11 月 1 日,史考特才終於帶著四位組員往極點出發,其他人繼續進行各自的科學任務;他甚至將隊中最好的兩個滑雪手留給他們。

然而亞孟森早在 12 天前就已經先啟程了,而且是由雪撬犬拉著雪橇飛快衝刺。史考特或許是為了載運化石而準備,則是帶著狗、馬與牽引機,行進速度大受影響。當 1912 年 1 月 17 日史考特終於橫越 1,440 公里的冰棚抵達極點時,迎接他的是亞孟森 34 天前留下的帳篷與挪威國旗。

史考特當然深感挫折,但他更沒料到之後還有更嚴酷的衝擊等著他們。回程時天氣突然大變,他們得頂著狂風暴雪,費力地踩著鬆軟的雪地前進。即便如此,他們還是抽空找尋化石,先後取得拓印著疑似舌羊齒的岩石標本達 16 公斤。即使中途兩名組員不支死去,剩下三人仍堅持帶著這些化石繼續前行,無奈他們也沒能撐到終點。

1912 年 11 月,搜索隊在離最後一個補給站 18 公里處發現他們的營帳,裏頭躺著史考特與另兩位組員凍僵的屍體。史考特最後一天的日記標註 3 月 29 日,帳棚內還有他們不肯放手的化石──那的確就是舌羊齒,他們捍衛了達爾文的主張,也解決了地質學家長期以來的爭議。

如今,在南極有座位於最南端的科學研究站就叫「亞孟森─史考特南極站」,兩人的姓氏並列,因為史考特雖然輸掉了率先抵達南極點的競賽,卻贏得了所有科學工作者的敬意與科學史上不可泯滅的地位。

 

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 ・ 540 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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拉瓦節誕辰 │ 科學史上的今天:8/26
張瑞棋_96
・2015/08/26 ・1306字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 545 ・八年級

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拉瓦節的肖像。圖/wikipedia

即使到了十八世紀,所謂化學仍只是罩著神秘與魔幻外衣的煉金術。上個世紀有偉大如牛頓者沉浸其中,卻也未能如他在物理所展現的奇蹟那般,將煉金術轉化為明確清楚的科學。直到「現代化學之父」拉瓦節出現,才撥開重重迷霧,導入正確的觀念,開啟研究化學的科學方法。

拉瓦節出生於巴黎一個富裕家庭,念中學時就對自然科學充滿興趣,但家人希望他將來當律師,因此他大學雖然念的是法律,卻常利用課餘時間研讀化學、植物學、數學等學科。畢業後也沒馬上執業,竟跑去考察礦區。26 歲時,他發現有個絕佳的工作機會──稅務官;只要預付一筆稅款給皇室,就可以代皇家收稅,多收的就進自己口袋,而且還免稅。有了這穩定豐厚的收入,他就可以添購儀器,打造實驗室,無後顧之憂地專心研究科學。他萬萬想不到,這個如意算盤將來反而為他帶來殺身之禍。

就在當上稅務官這一年,拉瓦節也因為對石膏的研究而獲選為法國科學院院士。第二年,他針對被視為「四元素說」之證據的「水經長時間加熱會轉化成土類物質」展開實驗。經他仔細分析質量的增減後,發現生成物並非由水轉變而來,而是來自於裝水的容器,有力地駁斥了此一說法。

1772 年,他接著挑戰主宰世人觀念數十年之久的「燃素說」──物質燃燒後會釋出蘊藏其中的燃素。拉瓦節再度以定量的方法,透過一連串簡單明瞭的實驗證明:金屬燃燒後增加的重量恰等於空氣減少的重量,證明並無所謂的燃素。他將空氣中參與燃燒的氣體稱為氧氣,並算出所佔的比例,推翻長久以來人們以為空氣是單一元素的錯誤觀念。他並且指出呼吸作用也是氧氣與體內的碳結合後,產生二氧化碳與熱,和燃燒作用完全一樣。

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拉瓦節用於氧化汞實驗的器材。

拉瓦節根據多年來的實驗,證實了質量守恆定律,並且提出統一化學命名的規範,讓科學家們有共同的語言可以彼此交流,因而加速了化學的進展。1789 年他出版史上第一本系統化的化學教科書《化學要論》,定義了元素的概念,並首度列出 33 種元素(雖然有些後來證明是化合物);兩年後他以科學院院士的身分起草建立公制。拉瓦節逐步為科學文明建立起有邏輯、有秩序的知識體系,然而他身處的政治環境卻是逐漸狂亂失控。

1793 年的法國大革命革了皇室的命,身兼稅務官的拉瓦節也受到牽連。先是科學院被勒令關閉,不久後拉瓦節就被逮捕拘禁,半年後被送上斷頭台。我們不知他死前是否有留下遺言,但他頭顱落地的次日,科學家拉格朗日聞訊感嘆道:「砍下這顆頭顱只需一瞬間,可是即使再過一百年,只怕再也找不到這樣的頭腦。」雖然一年半後拉瓦節獲得平反,但已無法挽回重大的科學損失了。

 

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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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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發現混沌系統:龐加萊誕辰│科學史上的今天:4/29
張瑞棋_96
・2015/04/29 ・980字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 563 ・九年級

從十九世紀末到二十世紀初的世紀交替之際,出現許多極具天賦之科學家,造就現代科學的風起雲湧。其中法國數學龐加萊(或譯龐卡赫)是個異數,不但在代數、數論、微分方程、幾何、拓樸學等不同領域都做出開創性的成果,又能思考其物理意義而提出超越時代的深刻洞見,是難得一見的全面性天才。

龐加萊於 1887 年針對瑞典國王的懸賞而著手研究三體問題(三個天體在相互重力作用下如何運動)。他發現即使將問題簡化為其中一個天體為質量近乎零的質點,微分方程組仍太過複雜而無法求解,不過他卻成為史上最先發現混沌系統的人。混沌系統對於初始條件極為敏感,以致於「差之毫釐,失之千里」;正如他在 1908 年發表的著作《科學方法》中所寫的:

「有時初始條件的微小差異,將造成最終現象的極大改變。前者的小誤差,會造成後者極大的錯誤。預測將成為不可能的事。」

三體就是混沌系統。因此無法預測其軌道如何運行。不用等到海森堡祭出測不準原理,龐加萊就將拉普拉斯的惡魔打回原形。不過龐加萊窺見的是來自未來的理論,一直要到七、八十年後,科學家們才注意到他早就揭櫫的混沌現象而開始研究,並且仍要藉助於他的一些方法與概念。

愛因斯坦的狹義相對論是以勞倫茲轉換為基礎推演而來,然而勞倫茲轉換其實得助於龐加萊的不少貢獻。他早在 1898 年就建議應該將光速視為恆定不變,甚至在愛因斯坦發表論文之前,就闡述了類似的相對性原理,只是龐加萊的理論架構還是以以太存在為前提,才未能捷足先登。

龐加萊於 1904 年提出的「龐加萊猜想」更是高懸百年的數學難題[註]。這個猜想涉及四維空間的拓樸學,在眾多數學家試圖證明其真偽的過程中,竟也發展出物理中的弦論在處理高維空間時所需的數學工具。

龐加萊一生發表的論文近五百篇,著作三十部,幾乎涵蓋數學所有領域以及原來沒有的領域。而他跨足的物理也涵蓋廣闊,包括天體力學、流體力學、電磁學、熱力學、……等等。難怪他會被譽為繼高斯之後,對於純數學及其應用均具有全面知識之最後一人。

  • 註:龐加萊猜想最後終於在 2006 年確認俄國數學家佩雷爾曼(Grigori Perelman)在 2002 至 2003 年所完成的證明正確無誤。但此人卻隱居起來,還拒領一百萬美元的獎金。

 

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道金斯生日 │ 科學史上的今天:3/26
張瑞棋_96
・2015/03/26 ・1165字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 521 ・七年級

英國演化生物學家道金斯。圖/ S Pakhrin source license

公螳螂為什麼要冒著被母螳螂吃掉的危險上前交配?雌性動物為什麼慎選交配的對象,而雄性卻花心地到處播種?工蜂為什麼甘願像奴隸般的為女王蜂服務?父母為什麼願意為小孩犧牲自己?

英國演化生物學家道金斯在 1976 年出版了一本書回答了這些問題。這幾個看似不同的問題其實有一個共同的答案,那就是這本書的書名──《自私的基因》。是的,他認為生物其實只是基因的載具,作為基因的生存機器,一切行為只為了讓基因得以代代相傳、永垂不朽。所以公螳螂拚死也要讓基因透過交配延續下去;雄性到處播種可以增加基因延續的機會,而雌性因為懷孕的限制只好慎選對象;工蜂雖然不能交配,但讓擁有與自己相同基因的女王蜂完成交配也是一樣的意思;父母為小孩犧牲奉獻也是如此。

道金斯此論一出,各界嘩然!對宗教信仰者而言更是如臨大敵;哥白尼將地球從宇宙中心移除還不打緊,達爾文說人是由猿類演化而來雖說有違聖經,至少還保有人的尊嚴,如今道金斯竟然還要把人的主體性完全去除,真是是可忍孰不可忍!

而一般人對此說法也是難以接受。神聖的愛情其實是基因要透過生殖繼續複製繁衍?父母對小孩不求回報的愛也只是因為小孩體內有自己的基因?令我們感動的崇高美德竟然被解釋為基因的自私行為,豈能不讓人感到惶惶不安?!

不過道金斯其實並未否定人的主體性,也不認為人註定永遠是基因的奴隸,畢竟人類社會還是存在純然無私的利他行為。他說:

「我們自覺的預見能力,也就是在想像中模擬未來的能力,能防止我們縱容盲目的複製者而幹出那些最糟糕的自私行為。⋯⋯在這個世界上,只有我們,我們人類,能夠反抗自私的複製基因的暴政。」

或許也是這種對於人的自省能力與理性思考的信念,道金斯同時也是個積極強硬的無神論者。他後來還寫了一本《上帝錯覺》批判宗教對人類社會的戕害,對於包裝成「智能設計論」的反演化論教育更是不遺餘力地砲轟。道金斯以科學觀點挑戰原屬宗教與道德的領域,因而成了當代樹立最多敵人的科學家;看起來,他仍將繼續直言不諱的引發人們的思考與爭辯。

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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