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史上首度測量電流速度 │ 科學史上的今天:06/19

張瑞棋_96
・2015/06/19 ・1058字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 539 ・八年級

十九世紀初,倫敦一家樂器行走出來一位十幾歲的學徒,他握著剛領到的工資,興奮地又來到附近的舊書攤買書。這一次他的目光被一本描述伏打(Alessandro Volta)所作電學實驗的書給吸引住,但他身上的錢不夠,而且這是本法文書,他還得再買本辭典才能看得懂。他還是下定決心將手中的錢給老闆當訂金,並在之後攢夠錢時將書與辭典買回家。

研讀之後,他找了哥哥一起打造書中所述的伏打電池,但只剩零錢不夠買所需的銅片。他靈光一閃,根本不用買,就拿手上的便士銅板取代就行啦!這就是惠斯登(Charles Wheatstone, 1802-1875),從小就努力追求新知,並展露發明的天份。

1834 年的今天,就在他受聘至倫敦國王學院講授實驗物理沒多久後,惠斯登發表論文,這是史上首度有人想出測量電流速度的方法,距離萊頓瓶發明已八十八年,伏打堆問世也已三十四年。這麼久的時間,沒有人知道電流的速度,因為它實在太快了!

惠斯登將八百公尺長的電線從中切開,一端接上萊頓瓶(奇怪為什麼不是用伏打堆?莫非惠斯登仍拮据到買不起銅片?),再用快速旋轉的鏡子觀測跳過電線缺口的火花相較於電線兩端的火花有多少延遲,而估算出電流的速度。雖然他得出的數值比真正的電流速度快了 50%,但在方法學上卻是正確無誤的。他所發明的旋轉鏡後來也成為物理學家測量光速所用的關鍵工具。

惠斯登繼續在電磁學上做出貢獻。1837 年,他和庫克(William F. Cooke)共同發明電報,不但成為最早的發明者之一,並且在兩年後沿著鐵路建造了世界上第一條商用電報線路。1843 年,他改良別人的設計而發明的「惠斯登電橋」(Wheatstone bridge)至今仍被廣泛用來測量電阻。他還是最先在發電機中用電磁鐵取代永久磁鐵,而成為能產生大電流的工業用發電機的發明人之一。

惠斯登的發明與發現橫跨不同領域。除了在自己的老本行上發明六角形手風琴、研究聲波,他還是全世界最先發明 3D 圖片顯示裝置的人──他讓左右兩眼同時各自觀看 45度角的反射鏡,而產生立體效果。他發現不同的金屬放電時產生的火花,透過稜鏡會呈現各自特有的光譜,為光譜學開啟了先河。他還發明一種矩陣加密法(Playfair cipher),廣被軍隊採用,直到第二次世界大戰初期仍被部分英軍使用。

憑藉著熱情與努力,惠斯登從一個樂器行的學徒成為英國皇家學會的一員,如願成為科學家與發明家,可說是事在人為的最佳例證。

 

 

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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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。

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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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電報的發明者──惠斯登誕辰|科學史上的今天:2/6
張瑞棋_96
・2015/02/06 ・864字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 532 ・七年級

十九世紀初,倫敦一家樂器行走出來一位十幾歲的學徒,他握著剛領到的工資,興奮地又來到附近的舊書攤買書。這一次他的目光被一本描述伏打 (Alessandro Volta) 所作電學實驗的書給吸引住,但他身上的錢不夠,而且這是本法文書,他還得再買本辭典才能看得懂。他還是下定決心將手中的錢給老闆當訂金,並在之後攢夠錢時將書與辭典買回家。

查爾斯.惠斯登。圖/wikimedia

研讀之後,他找了哥哥一起打造書中所述的伏打電池,但只剩零錢不夠買所需的銅片。他靈光一閃,根本不用買,就拿手上的銅板便士 (penny) 取代就行啦!這就是惠斯登,從小就努力追求新知,並展露發明的天份。

他的發明橫跨不同領域。除了在自己的本行上發明六角形手風琴,他也是全世界最先發明 3D 圖片顯示裝置的人──他讓左右兩眼同時各自觀看 45 度角的反射鏡,而產生立體效果。他發現不同的金屬放電時產生的火花,透過稜鏡會呈現各自特有的光譜,為光譜學開啟了先河。他還發明一種矩陣加密法 (Playfair cipher),而廣被軍隊採用,直到第二次世界大戰初期仍被部分英軍使用。

不過他奉獻最多的還是在電磁學方面。他將電線從中切開,接上萊頓瓶,再用快速旋轉的鏡子測量跳過電線缺口的火花延遲的時間,而估算出電流的速度。雖然他得出的數值比真正的電流速度還快了 50%,但他所發明的旋轉鏡卻在後來物理學家測量光速時派上用場。他和威廉・庫克 (William F. Cooke) 於 1837 年共同發明電報,不但成為最早的發明者,並且在兩年後沿著鐵路建造了世界上第一條商用電報線路。他改良別人的設計而發明的「惠斯登電橋」(Wheatstone bridge) 至今仍被廣泛用來測量電阻。他也是最先在發電機中用電磁鐵取代永久磁鐵,而成為能產生大電流的工業用發電機的發明人之一。

惠斯登靠著自學,從一個樂器行的學徒變成一位多產的發明家,還成為英國皇家學會的一員,可說是事在人為的最佳例證。

 

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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電量的單位、電力學第一條物理公式──庫倫誕辰 │ 科學史上的今天:6/14
張瑞棋_96
・2015/06/14 ・961字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 570 ・九年級

自 1746 年可以貯存靜電的萊頓瓶發明後,科學家們才能展開電學的研究。不過,也因為這是人類首度能「把玩」神秘的電,沒有說哪種專長就比較高明,因此初期的研究者來自各種不同背景。例如富蘭克林是政治家、他的朋友普利斯特利(Joseph Priestley)是化學家、卡文迪許是物理學家、伽伐尼(Luigi Galvani)是醫生,而庫倫(Charles-Augustin de Coulomb, 1736-1806)在四十歲之前根本就是軍中的結構工程師。

庫倫自法國皇家軍事工程學校畢業後即加入軍隊,至各處建造防禦工事與軍事工程。1777 年,法國科學院懸賞改良羅盤,以便於海上航行可以遵循更精確的航向。搞了十幾年結構工程的庫倫認為他的力學知識可以提出改進方案,於是著手撰寫論文參加此科學競賽。而這成了一個重要的轉捩點──不論是對他個人人生或是對電學的發展而言。

庫倫認為羅盤上的磁針架在軸上必然會有摩擦而影響擺動,因此提出改用頭髮或細絲懸吊磁針。庫倫在研究過程中找出細線扭轉時的扭力與指針轉動角度的比例關係,因而發明了扭力計,可以測出極為微小的磁力。這篇論文果然贏得了首獎,庫倫因此從工程轉而專注於科學理論的研究,而他所發明的扭力計將成為測量電力的關鍵工具。

庫倫先埋首於摩擦力的研究,於 1781 年發表論文指出摩擦力與壓力成正比,分別提出靜摩擦與動摩擦的公式。這篇論文再度獲得法國科學院的論文首獎,他也於次年當選為法國科學院院士。他接著投入電學的研究,用扭力計測量靜電彼此間的斥力與距離的關係。

其實早在 1766 年,普利斯特利在回覆富蘭克林的信中就大膽猜測靜電力也跟萬有引力一樣,與距離的平方成反比。卡文迪許也在 1770 年曾做過未公開發表的實驗,推論電荷之間遵守平方反比定律。不過終究是庫倫於 1785 年用扭力計無懈可擊地證明了這個如今以他為名的「庫倫定律」──兩個帶電物體間的作用力大小與距離平方成反比,與帶電量乘積成正比。

庫倫定律是電學的第一條物理公式,因此是電學上一個重要的里程碑,代表電學的研究從定性跨入定量的階段。為了表彰他的成就,庫倫成為電量的單位,代表一安培的電流在一秒內通過導線截面積的電量。

 

 

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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