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指紋鑑識科學誕生 │ 科學史上的今天:06/21

張瑞棋_96
・2015/06/21 ・1254字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 546 ・八年級
phtot credit: wikipedia, Fingerprints taken by William James Herschel 1859-1860.jpg

達爾文當年收到華萊士寄自東南亞的麻六甲群島的一封信,才促使他整理塵封已久的手稿,出版了影響深遠的《物種源始》。多年以後,生命僅剩兩年的達爾文又收到一封來自日本的信,老邁的他已無心力了解,於是將信件轉寄給表弟高騰(Francis Galton, 1822-1911),沒想到因此又促成了另一個影響深遠的學科──指紋辨識。

寄信給達爾文的是到日本協助建立現代醫院的英國醫生佛德斯(Henry Faulds)。他於 1880 年寫給達爾文的信中敘述他在日本多年的發現:指紋因人而異,可用於標記個人身份,甚至可以區分人種。佛德斯苦等不到回音後,將自己的創見寫成論文投稿到《自然》科學期刊發表。沒想到著名的天文學家赫歇爾之子,威廉 · 赫歇爾(William Herschel)立刻投稿《自然》予以打臉,聲稱他派駐印度時用指紋管理已超過二十年,包括規定民眾立約以及囚犯入獄都須按捺指紋;意指這並非佛德斯的創見,而且他不認為指紋可以區分人種。

佛德斯與赫歇爾後續的筆仗並未引起太多關注。達爾文轉寄給高騰的信也未立即勾起他的興趣,畢竟高騰當時已是著名的統計學家、人類學家、遺傳學家與地理學家,有諸多研究要作。八年後,高騰接受委託評估法國警官伯提昂(Alphonse Bertillon)所提出標示嫌犯的方法──依臉部輪廓與手腳長度予以分類,才想起來佛德斯這封信。

1888 年的今天,《自然》刊登了高騰所寫的《個人識別與描述之一》,這是他轉向研究指紋的首篇文章,標誌了以系統性的科學方法分析指紋的起點。有趣的是,高騰的指紋資料就是來自於赫歇爾。

無論是佛德斯或赫歇爾,他們雖然發現指紋可用於身分識別,但他們都未建立一套科學系統;否則要追溯的話,中國古代更早就習慣在訂立契約時按捺指紋為憑了。高騰將其統計學上的專長應用在指紋研究上,他將指紋紋路分為八大類型,其下再細分各種特徵,建立了一套指紋分析法,並計算出兩人指紋相同的機率只有 640 億分之一。1892 年,阿根廷警方讀了高騰的著作後,率先建立世上第一個指紋專責單位,並在同年就憑著現場留下的一個血指紋,偵破一件家庭命案。蘇格蘭場與紐約警方也分別自 1901 與 1902 年起設立專局,用指紋辦案。

如今指紋的分析方法與採集技術已遠遠超越當年高騰發明的方法,應用範圍更從警方的刑事鑑定擴及到一般民眾的日常生活,但無論如何演變,所依據的仍是高騰率先引進的統計學方法。「相關係數」與「向平均數回歸」這兩項重要的觀念正是高騰的創見呢!

 

 

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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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。

 

 

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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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拉普拉斯誕辰 │ 科學史上的今天:3/23
張瑞棋_96
・2015/03/23 ・1096字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 574 ・九年級

圖/ Biblioteca de la Facultad de Derecho y Ciencias del Trabajo Universidad de Sevilla Source CC

兩百年前,法國數學家暨天文學家拉普拉斯寫下這段流傳千古的話:

「如果一個智能知道自然界所有物體當下的位置與作用力,而他也能對這些資料進行分析,那麼從宇宙最大的天體到最小的粒子的運動都可以被囊括在一個簡單的公式之中。對他而言,沒有什麼是不確定的,未來就像過去一樣清楚的展現在他眼前。」

這不但是拉普拉斯個人的信念,這段名言也成了「因果決定論」最具代表性的註解,屢屢被後人引用。其中這個全知的智能就以「拉普拉斯惡魔」或「拉普拉斯精靈」著稱。

拉普拉斯的確證明了他對天體運行的瞭若指掌,他解決了牛頓始終無法解釋的難題:行星彼此的攝動長期累積下來應當影響甚鉅,但為何太陽系仍能維持穩定?他還是首位提出「星雲說」成功解釋太陽系起源的科學家;並且在愛因斯坦提出廣義相對論的一百二十年前就預言黑洞的存在。當拿破崙問他為何在所著的五巨冊《天體力學》中都沒提到上帝,他回答:「陛下,我不需要那個假設。」

拉普拉斯對天體的掌握當然是建立於數學的高深造詣。他一些開創性的研究留下許多以他為名的數學名詞,例如拉普拉斯轉換、拉普拉斯方程、拉普拉斯展開、拉普拉斯定理、⋯⋯等等。就連機率也是他在 25 歲時率先給出古典機率的明確定義,使機率走向公式化與公理化,日後他還出版了第一本結合微積分與機率理論的《機率分析論》。身為因果決定論的忠實信徒,怎麼研究起機率這種看似隨機無法預測的事件?其實隨機事件大量累積之後仍會出現一定的規律,也就仍然可以預測,還是逃不出拉普拉斯惡魔的手掌心。

以牛頓力學為起點,將因果決定論推到極致,視宇宙萬物如機械鐘錶的拉普拉斯於 1827 年三月逝世於巴黎,而牛頓恰恰於一百年前的三月過世;同樣間隔一百年的未來,1927 年 3 月 23 日,正是拉普拉斯冥誕這一天,海森堡發表了「不確定性原理」,終於替拉普拉斯惡魔敲了喪鐘。

 

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侖琴誕辰 │ 科學史上的今天:3/27
張瑞棋_96
・2015/03/27 ・1044字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 527 ・七年級

已經半百的德國物理學家侖琴仍然興致勃勃的也想研究神秘的陰極射線。圖/wikimedia

1895 年 11 月,已經半百的德國物理學家侖琴仍然興致勃勃的也想研究神秘的陰極射線。打從 1869 年希托夫 (Johann Hittorf) 用陰極射線管發現它後,至今二、三十年以來,大家仍不清楚陰極射線究竟是什麼,就連它是粒子還是波都還爭論不休。侖琴打算重做前輩們的各種實驗,看看能否瞧出甚麼端倪。

他先試萊納德 (Philipp Lenard) 的實驗。萊納德在陰極射線管之陽極那端的玻璃開了個小窗,再用鋁箔封住,如此就可以在維持管內於真空狀態下。然後萊納德用一張塗了氰亞鉑酸鋇 (barium platinocyanide) 的紙板靠近鋁箔窗,發現紙板會發出螢光,證明了陰極射線可以穿過鋁箔,因而支持赫茲的主張:陰極射線是波,不是粒子。侖琴如法炮製,證實萊納德所言不虛,接著進行下個實驗。

他將紙板放在一旁,改用希托夫最初的陰極射線管。他接上電,關了燈,卻赫然發現黑暗之中,不只管內的玻璃發出綠色螢光,一、二公尺外也有一小片螢光!他開了燈才發現原來就是他剛剛放在一旁的那塊塗了氰亞鉑酸鋇的紙板。這怎麼可能?!希托夫管是完全密封的,從沒有人在管外測到陰極射線,而萊納德之前也已經證明陰極射線在空氣中頂多行進幾十公分。侖琴索性將希托夫管用黑布整個包住,但紙板仍會發光,這絕對不是陰極射線造成的。

接下來六個星期,侖琴鎮日窩在實驗室中做各種測試。他用紙板、木頭、金屬、⋯⋯等等不同材料來阻隔,發現這神秘的射線仍能穿透,只是在紙板上留下深淺不一的陰影,似乎只有鉛能完全隔絕。最令他震撼的,莫過於當他拿著一小片鉛塊時,紙板上竟出現他的手骨的影像!他在年底對外公布他所發現的 X 射線,並附上他的妻子戴著戒指的左手的 X 光照片,立即震驚全世界。

法國物理學家貝克勒(Henri Becquerel)就是大受震撼之下企圖研究 X 射線,而在兩個月後就無意發現了放射性,同時為居禮夫婦開啟了研究方向。愛迪生在第二年就做出 X 光機賣給醫院使用,居禮夫人也在一次大戰期間打造了 X 光巡迴車,幫忙診斷戰場上受傷的士兵。歷史上沒有其他科學新發現像 X 射線這樣,如此迅速地產生重大影響並且馬上付諸實際應用,也因此 1901 年,侖琴理所當然的成為第一屆諾貝爾物理獎的得主。

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