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提出熱力學第三定律:能斯特誕辰 │ 科學史上的今天:06/25

張瑞棋_96
・2015/06/25 ・782字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 512 ・六年級

古希臘哲學家芝諾(Zeno)曾提出阿基里斯永遠追不上烏龜的悖論:每當阿基里斯追到烏龜原來的位置時,烏龜又往前爬了一小段距離;阿基里斯再追到烏龜新的位置時,烏龜又前進了一點;如此不斷下去,雖然差距不斷縮小,卻永遠追不上。

可先不要對這荒謬的悖論嗤之以鼻,因為在某種特殊狀況下,它真的會在真實的物理世界中上演。德國物理學家能斯特(Walther H. Nernst, 1864–1941)就是因此才在 1906 年提出熱力學第三定律,證明物體的溫度絕對不可能冷卻到絕對溫度零度,也就是攝氏零下 273.15 度。

雖然開爾文爵士早在 1848 年就訂出絕對溫度。而根據法國科學家查爾斯(J. A. C. Charles)1787 年所做的氣體實驗而推導出的查爾斯定律,在固定壓力下,理想氣體的體積與絕對溫度成正比,而且當溫度降到絕對零度時,體積會變成零,因此不可能會有更低的溫度。不過,所謂體積變成零畢竟是用外推法推算的,而且氣體在接近絕對零度時就已不再是氣態,也不是液態或固態,而是一種稱為「愛因斯坦-玻色凝聚」的全新相態,因此不能憑此斷定絕對零度是溫度下限。

直到 1906 年,能斯特在研究低溫條件下的化學反應時,才發現在等溫過程中(兩個物體或系統彼此接觸後,溫度會趨於相同),當趨近於絕對零度時,熵的變化會趨近於零,也就是無法再改變物體或系統的溫度,因此能斯特指出:「不可能用任何方法,在有限的步驟內將系統的溫度降到絕對零度。」這就像阿基里斯永遠追不上烏龜一樣。

能斯特因為發現熱力學第三定律而獲頒 1920 年的諾貝爾化學獎。他還與普朗克一起說服愛因斯坦於 1914 年回柏林大學任職,然而他自己卻因為公開批評希特勒,而在 1933 年被迫退休,八年後病死家中,來不及見到納粹政權垮台。

 

 

 

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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笛卡兒誕辰|科學史上的今天:3/31
張瑞棋_96
・2015/03/31 ・980字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 531 ・七年級

1618 年 11 月,參加志願軍而來到荷蘭 Breda 駐守的笛卡兒走到市集閒逛。22 歲的他雖然出身於法國貴族豪門,並於兩年前拿到法律學位,卻因為對於學校教育感到失望,而決定到處旅行,透過自身體驗探求知識。當他走過廣場的公佈欄時,目光不禁被上面的一張佈告所吸引──那竟然是一道數學題目?!他好奇地走上前去,央請一位正在饒富興味地讀著的路人解釋,才知道是在徵求解答,而這位路人竟是當地大學的助理校長 Beeckman。

在 Beeckman 的鼓勵之下,笛卡兒重拾數學與物理,並在一年後派駐德國時經歷了著名的「神啟之夜」,澈悟應以數學原理重新建立知識體系,並決心以此為一生志業。1620 年,笛卡兒離開軍隊,繼續遊歷歐陸各國增長見聞,八年之後定居荷蘭,開始著手整理他的思想體系,著作成書。

笛卡兒的著作跨及物理、數學與哲學,其中最著名的當屬 1637 年發表的《方法導論》以及 1641 年的《沈思錄》。其中放在《方法導論》之三篇附錄中的《幾何》這一篇,首度引進直角座標系與線段運算的觀念,幾何圖形因此可以轉譯為代數方程式,從此倚重直覺、解法繁複的幾何問題得以搖身一變為有明確步驟可解的代數問題。笛卡兒前無古人地將幾何與代數熔於一爐,開創了「解析幾何」,成為現代數學的第一個里程碑,也為微積分的發展奠下了根基。直角座標系因此被稱為笛卡兒座標系,也成為現代物理各種理論架構的基礎。

在《沈思錄》中,他主張我們應該懷疑一切,甚至包括所有從感官知覺得來的知識,因為我們怎知這世界不是由法力無邊的惡魔所製造出來的幻象(是的,就像《駭客任務》裡的母體)?若一切都可能是假的、都不存在,那還有甚麼是真實的呢?笛卡兒領悟到無論如何,這個正在懷疑一切的自我一定存在,否則懷疑的念頭從何而來?因此他提出了至今每個人都琅琅上口的名言:「我思,故我在!」笛卡兒這種質疑一切的精神與完全訴諸理性思考的主張,將西方哲學自教會的禁錮中解放出來,為現代理性主義開啟先河,並被譽為「現代哲學之父」。

1649 年.笛卡兒應瑞典女王之邀前往擔任私人教師,原本羸弱的身體不耐酷寒,不久即病倒而於次年因肺炎過世。直到 1667 年,他的遺骸才運回法國,一生在外遊歷的笛卡兒最後終於回到座標原點。

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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拉塞福誕辰 │ 科學史上的今天:08/30
張瑞棋_96
・2015/08/30 ・1193字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 558 ・八年級

「這簡直就像是朝著一張紙巾發射十五吋砲彈,結果砲彈卻彈回來打到你自己!」

1909 年,拉塞福聽到研究助理蓋格 (Hans Geiger) (多年後他將發明偵測輻射的蓋格計數器)向他報告奇特的實驗結果:一些  α 粒子被薄薄的金箔反彈回來,當下不禁浮現這個畫面。

這真是太奇怪了!根據他的業師湯姆森 (Sir Joseph John Thomson,1856-1940) 的原子模型,原子組成應該是電子平均散佈在帶正電的均勻物質中,就像是梅子鑲嵌在布丁中那樣。但既然射向金箔的絕大部分 α 粒子都毫無阻礙地穿過去,表示布丁本身阻擋不了 α 粒子;而電子的質量又是如此微小,根本不可能將重它三千倍以上的 α 粒子彈開,那麼那些反彈回來的 α 粒子到底撞到了什麼

當時他百思不解,最後他終於想到一個與湯姆森截然不同的模型:原子內部帶正電的物質全部集中在小小一處,稱為原子核;電子則像行星繞著太陽一樣繞著原子核轉。那些極少數被金箔彈回來的 α 粒子就是撞上了金原子的原子核。

漂亮!實驗所顯示各種角度的散射也都符合這個模型的計算結果。只是他遲疑著該如何發表這個理論。倒不是畏於湯姆森在粒子物理界的位高權重,而是對拉塞福而言,這樣公然打擊湯姆森多少帶有弒父的意味!

是的,1895 年他從邊陲地帶的紐西蘭來到英國劍橋跟著湯姆森做研究,被多少人視為土包子,等著看笑話。幸而在湯姆森的無私指導下,他區分出兩種放射線並分別命名為 α 與 β,才得以應聘前往加拿大一所大學當系主任。後來進一步發現 α 射線就是氦原子核,並確認了半衰期的現象(1905 年,他利用半衰期算出一塊岩石樣本已有五億年歷史,打破原本普遍認為地球年紀只有數千萬年的迷思),因而於 1908 年得到諾貝爾化學獎(不過他也不懂為何不是物理獎?)。湯姆森可說是他的恩師啊!

兩年後終於有個絕佳的機會──湯姆森的一位學生再度發表一個支持正電均勻分布於原子內的實驗結果,如此一來,拉塞福可藉由駁斥這個實驗結論來帶出他自己的實驗與模型,避免直接攻擊湯姆森。於是 1911 年 5 月,他正式發表論文,公布其劃時代的發現。

然而這篇論文卻未激起太大的漣漪,一方面是因為違反直覺經驗(如果原子內部絕大部分空空如也,怎麼我們不會穿越地板陷下去?),一方面則是這個模型有個致命的問題:繞著原子核轉的電子應該很快就會失去能量,而墜毀到原子核,但這顯然沒發生。幸而沒多久他的學生波耳(Aage Bohr)用量子力學對這模型做了修正;「拉塞福─波耳模型」在往後數十年成為公認的原子模型,直到後來軌道的概念才被「電子雲」取代。

除了波耳,拉塞福還帶出很多優秀的學生,有多達十位成為諾貝爾獎得主。在作育英才方面有如此傲人成就,自身的研究又有極具開創性,拉塞福對科學的貢獻真是無與倫比!

 

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靈光一閃 PCR|科學史上的今天:4/8
張瑞棋_96
・2015/04/08 ・1162字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 544 ・八年級

聚合酶連鎖反應(PCR)簡要流程。圖/wikipedia

1983 年的今天,美國的生化學家穆利斯 (Kary Mullis, 1944-) 從位於舊金山灣區的公司下班後,載著也是化學家的女友珍妮佛沿著蜿蜒山路開往紅杉區,準備在林中小屋度過週末。他四年前才來 Cetus 公司從事 DNA 的大量合成複製,這雖然是種苦力的工作,但他還是甘之如飴,畢竟這可比前一個殺鼠取腦的工作有趣多了。

不過他還是不時在想難道沒有更好的辦法嗎?現在的做法得先用限制酶剪開 DNA,取得想要的片段,然後用連接酶將此片段插入質體,接著再將質體送入大腸桿菌細胞中,等大腸桿菌大量繁殖後,再從中分離純化出所要的 DNA 片段。整個過程繁瑣耗時又效率不佳。

車燈照著漆黑的路面,身旁的女友已熟睡,穆利斯的腦袋繼續想著這個問題。突然一個絕妙的想法逐漸成形:DNA 交纏的雙股在高溫下會分開,稍微降溫後加入事先準備好的「引子」;引子是短短的單股 DNA,其序列恰與目標片段的首尾兩端互補,所以會黏結到這兩個位置,就像用括號把句子前後括弧起來。於是我們有了兩個單股的 DNA 模板,此時再放進 DNA 聚合酶,使 DNA 材料結合到模板上,結果就形成兩個與目標片段一模一樣的 DNA。如此繼續如法炮製下去,所要的 DNA 就會 2、4、8、16、⋯⋯不斷地倍增,兩小時之內就可以得到上億個 DNA!

穆利斯興奮地把車停到路邊,顧不得會吵醒珍妮佛,彎身從她前面的置物箱中找出紙筆,將整個步驟寫下來。於是一個從此改變生物科技產業的發明於焉誕生,這個稱為「聚合酶連鎖反應」(Polymerase Chain Reaction, 簡稱 PCR)的方法大幅縮短合成 DNA 所需的時間,還能做到自動化,從此即使只有一點點 DNA 樣本,也能輕易大量複製以供各種實驗,從生物學、醫學、藥物研發、遺傳學,人類學到犯罪學都因此受益而突飛猛進。紐約時報如此比喻它的重要性:「生物學從此分為前 PCR 時期與後 PCR 時期。」穆利斯也因此獲得 1993 年的諾貝爾化學獎。

如果是電影,此時應該就打上 “The End”;不過若是傳記電影,通常還會在片尾打出字卡,交代主角後來如何。那麼穆利斯後來呢?呃──我只能說他越來越不像科學家。他不相信愛滋病與 HIV 病毒有關、不相信臭氧層破洞與氣候變遷,他認為這些都是環保份子、科學家與政府機構為了自身利益編出來的謊言。但他倒是相信占星學、相信迷幻藥令他心智大開,甚至宣稱他曾在那間林中小屋遇見外星生物。

另一方面,這也不是有著快樂結局的愛情電影。見證他靈光一閃的歷史時刻的女友珍妮佛在當年年底就離開他了。他想必受傷很深,才會在十年後的諾貝爾獎頒獎典禮上致辭時,最後幾分鐘都在回憶當時失去她的痛苦,「PCR 時代將臨的甜美氣息也無法取代珍妮。我那時非常寂寞。」這是他最後的結語。

 

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