0

0
0

文字

分享

0
0
0

大氣之海,水銀真空 │ 科學史上的今天:06/11

張瑞棋_96
・2015/06/11 ・1084字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 557 ・八年級

1641 年 10 月初,托里切利(Evangelista Torricelli, 1608-1647)終於來到伽利略位於佛羅倫斯的住處。雖然已略有耳聞,但當他親眼見到這位傳奇人物如此老態龍鍾又雙眼失明,內心還是激動不已,甚至愧疚之感油然而生……。

九年前他在羅馬受教於卡斯特利(Benedetto Castelli),並擔任他的秘書。卡斯特利曾是伽利略的學生,因此當托里切利拜讀了伽利略剛出版的《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》,驚為天人後,特地藉由卡斯特利的關係寫了封信給伽利略,表達敬慕之意,並表示自己也是「日心說」的支持者。不料第二年伽利略就受到教廷審判,必須軟禁在家;托里切利有如驚弓之鳥,從此放棄天文學的研究,專心研究數學。當然也沒再與伽利略聯絡。

直到 1641 年 4 月,卡斯特利將托里切利剛完成的拋物線運動論文拿給伽利略看,伽利略大為讚賞,主動邀請托里切利來當他的助手。應該是受寵若驚,也可能是彌補心理,托里切利欣然接受,無奈恰逢母喪而耽擱行程,與伽利略晤面已是半年之後。

而此時伽利略已是風中殘燭。托里切利將其所述記錄整理成筆記,三個月後伽利略即撒手人寰,托里切利成了伽利略的最後門生。

托斯卡尼大公裴迪南二世讓托里切利接任伽利略在比薩大學的教職與宮廷數學家一職。這段期間他最大的成就在於 1643 年完成伽利略生前未能解決的一個問題:為什麼抽水幫浦怎樣都沒辦法把水打到十米以上的高度?

托里切利懷疑是因為空氣本身有重量,但要用抽水幫浦做實驗也太大費周章,於是他用密度是水的 13.5 倍的水銀取代水,如此就可以大幅降低水柱高度。他將水銀裝滿一米長的細長玻璃管中,用拇指封住管口,倒立垂直置於水銀槽中。放開拇指後,水銀柱即下降停留在 76 公分高的位置,屢試不爽。托里切利主張維持水銀柱不墜的,正是空氣重量施加於水銀槽面的壓力,也就是大氣壓力。

托里切利還發現水銀柱在陰雨天時,高度變得比較低,因此是低氣壓;而豔陽高照或空氣乾燥時就高一點,稱為高氣壓。托里切利等於發明了水銀氣壓計,後來帕斯卡就上山下海,用以測量不同高度的大氣壓力。

除了大氣壓力這個革命性的觀念,托里切利的實驗還首度讓世人見識了真空的存在;如今水銀柱上方那段真空就叫「托里切利真空」。1644 年 6 月 11 日,托里切利給朋友的信中寫下這個著名的句子,充分表達了赫然發現違反直覺經驗的科學真理時,那種令人震懾的體悟:

「我們生活在大氣之海的底部。」

 

 

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。

文章難易度
張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 539 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》。

0

1
0

文字

分享

0
1
0
電化學的誕生│科學史上的今天:5/2
張瑞棋_96
・2015/05/02 ・1047字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 459 ・五年級

1800 年 4 月,英國皇家學會主席班克斯(Joseph Banks)收到一封來自義大利化學家伏打的信。他打開一看,原來是伏打的論文,描述他如何將鋅片、濕紙板、銅片三者層層相疊,而產生持續穩定的電流。班克斯既震驚又興奮,如果論文屬實,這將是人類史上第一個電池啊!問題是信中只有論文的前半部。

原來伏打考慮到英法戰爭還在進行,不知信件能否順利抵達,所以將論文拆成兩部分投遞。班克斯還沒等到另一封信,已經忍不住跟老友卡萊爾醫生(Anthony Carlisle)分享這消息。卡萊爾看了這半篇論文後也是又驚又喜,他也忍不住了。他向化學家好友尼寇森(William Nicholson)透露論文內容後,兩人決定親自實驗看看「伏打堆」電池是否真的能產生電。

5 月 2 日這一天,他們如法泡製做出了伏打堆。尼寇森將一條電線連接伏打堆的底部與驗電器(有趣的是,伏打做伏打堆電池實驗時,用的驗電器正是尼寇森改良發明的),再將另一條電線從驗電器連到伏打堆的頂端時,才發現無法維持良好接觸。於是他們滴了一大滴水在伏打堆最頂端的鋅片,再將電線的一端插入水滴中,結果赫然發現水滴上方竟冒出氣體。他們趕緊拿了一杯水來,將兩條電線放入水中,果然電解出氫氣與氧氣。

就這樣,尼寇森與卡萊爾成了最早發現電解反應的人,開啟了電化學這個全新的領域。幾個月後,德國化學家里特(Johann Ritter)發現了電鍍現象;幾年後英國化學家戴維(Humphry Davy,就是發掘法拉第的人)利用電解反應陸續分離出鈉、鉀、鈣、鐁、鋇、鎂、鋰等新的化學元素。隨著更多科學家的投入以及科技的進步,電化學迅速蓬勃發展,而一切都起源於 1800 年 5 月 2 日這一天──電化學的誕生日


【番外篇】

前面提到的德國化學家里特是青年才俊,除了發現電鍍現象,他也在 1800 這一年獨立做出電解水的實驗,並測量出氫氣與氧氣的比例,此時他才 23 歲;第二年又發現紫外線。不過他也是個名符其實的瘋狂科學家,他用自己身體做電的實驗:他用舌頭嚐出電有酸味;發現電會使鼻子打噴嚏;電線觸碰眼球會看見彩色的閃光;還有──是的,電自己的生殖器,他宣稱如此會得到快感。看來他雖然沒有率先發現電解現象,倒是成為第一個發明電氣情趣商品的人。

不過他越來越變本加厲,繼續用更強的電流通過身體各部位,靠鴉片來止痛,即使健康出狀況,仍未停止。後來他 33 歲就病逝,恐與這些實驗有關。

 

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。

文章難易度
張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 539 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》。

0

0
1

文字

分享

0
0
1
公尺制誕生│科學史上的今天:05/08
張瑞棋_96
・2015/05/08 ・724字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 533 ・七年級
鉑銥合金公尺原器

一公尺究竟有多長?那要看你在什麼時候問的,2014 年的答案是「光在真空中於 1/299792458 秒內行進的距離」。

1790 年,法國大革命後,為了要統一全法各地的度量衡,想用自然中不變的物理量訂定,因此選擇用半週期為一秒的單擺長度作為一公尺。

但是單擺的週期不單只跟長度有關,不同地點的 g 值不同也會影響,這樣實在太不科學了。於是法國科學學會決定要以為經過巴黎的那條經線從北極點至赤道距離總長度的一千萬分之一作為一公尺,於是花了六七年測量估算,並用黃銅做成了一公尺的標準原器,讓大家知道一公尺有多長。

但因為當初的測量誤差、原器材質的穩定性等,1899 年,重新製作鉑銥合金的公尺原器,並定義一公尺為 0 °C 時該公尺原器的長度。

還是不夠精準,因此 1960 年採用氪 86 光譜作為計量依據,將 1 公尺定義為氪 86 原子在 2p10 到 5d5 能級之間躍遷的輻射在真空中波長的 1650763.73 倍。看不懂沒關係,因為這方法實在太麻煩,氪又難以取得。

謝天謝地雷射技術出現讓光速測量成熟,1983 年以光速作為物理常數,將一公尺定義為「光在真空中於 1/299792458 秒內行進的距離」。

不知道一百年後會怎樣定義一公尺有多長。

 

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。

 

 

___________
你是國中生或家有國中生或正在教國中生?
科學生跟著課程進度每週更新科學文章並搭配測驗。來科學生陪你一起唸科學!

文章難易度
張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 539 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》。

0

1
0

文字

分享

0
1
0
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

tumblr_nto5cjdPS71tenh4mo1_1280
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。

3223_2
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。

文章難易度
張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 539 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》。