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追風又追電,富蘭克林的冒險──《天氣之書》

時報出版_96
・2018/11/24 ・1979字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

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編按:《天氣之書》以編年形式講述一百個具有里程碑意義的時刻,標註了氣候與人類生活共同演化的歷史。一篇一個歷史時刻,皆以一張主題圖片搭配六百到八百字的短文呈現。本文摘錄兩篇:一七五二年〈班傑明.富蘭克林的避雷針〉與一七五五年〈追風的富蘭克林〉。

茲茲茲,就算觸電還是要做實驗!

班傑明.富蘭克林(Benjamin Franklin,1706-1790)最為人所知的身分是美國的開國元勛之一,但他也是一位作家、畫家、發明家、郵政專家、外交官、公民運動家,而且特別著迷於與電相關的早期科學研究。富蘭克林從一七四七年開始實驗,意外讓自己嚴重觸電──「宇宙的一擊從頭到腳貫穿我的全身」──他在一封信中如此描述此事件。

富蘭克林也學習氣象學,所以他深信閃電和靜電相似,並開始探索不同的方式,以保護建築結構免受這種強大的氣象威脅。一七四九年,富蘭克林開始發展理論,認為一根末端尖尖的棒子若與地面連接,就能保護建築免受雷擊。

一七五二年六月,他對費城一座教堂的尖塔尚未完工感到不耐──本來希望用這座尖塔來測試他的避雷針概念。於此同時,他進行了那一場傳奇的風箏實驗:在雷雨天放風箏,線上綁著一把鐵製的鑰匙。富蘭克林活著結束這個實驗是很幸運的,因為後來有人嘗試重現該實驗,結果遭雷擊身亡。而當富蘭克林的研究傳到歐洲時,那裡也進行了數個實驗,想確認他的想法。

富蘭克林從天空取電(c.1816)。畫家為英裔美籍的班傑明.魏斯特(Benjamin West,1738-1820),描繪富蘭克林出名的風箏實驗。 圖/《天氣之書》

有裝有保庇,避雷針橫空出世啦

風箏實驗和避雷針的設計都顯示了一項科學原理:電會試著找到抵抗最小的路徑以抵達地面。利用這些見解為本,富蘭克林在一七五三年度的《窮李查年鑑》(Poor Richard’s Almanack)中發表了一篇文章,描述保護房子免受雷擊的方法。他的系統由三個關鍵元素組成:一根立在屋頂尖端的金屬棒,水平的屋頂導體,以及垂直的導體,將電荷引導到接地。

圖/pixabay

富蘭克林在自家立了一根避雷針,並增加創新的細節──接地線有電時,鈴鐺就會響,通知大家這間房子上方的大氣是通電的。富蘭克林的避雷針最後被裝在多個重要建築上,包括之後成為美國獨立紀念館(Independence Hall)的賓夕維尼亞州州政府。

不只追電還要追風,富蘭克林衝一波

除了研究閃電與電,富蘭克林也一直對龍捲風等其他旋風抱持濃厚的興趣。證據來自於一系列相關信件與其他文章,特別是一七五三年一篇關於水龍捲的詳細論文,內容還附有詳細的圖片,闡述了他對於水龍捲構造及能量的理論。

富蘭克林論文〈水龍捲與旋風〉所附的水龍捲示意圖,收錄於1806年出版之《已故的班傑明.富蘭克林博士哲學、政治學、道德研究全集》(The Complete Works in Philosophy, Politics, and Morals, of the Late Dr. Benjamin Franklin)。(點圖放大)圖/《天氣之書》

富蘭克林顯然渴望近距離觀察它們。一七五五年,他帶著兒子威廉住在班傑明.塔斯克上校(Colonel Benjamin Tasker)的馬里蘭州宅邸。在鄉間騎馬時,兩人碰上了一陣剛形成的塵捲風。富蘭克林後來寫信給經常與他討論電學的彼得.寇林森(Peter Collinson),回憶接下來發生的事;以下摘錄自他的信:

它以圓錐形出現,在端點上旋轉,沿著山坡朝我們移動過來,一邊前進一邊變大。當它經過我們時,靠近地面的較小部分差不多是一個普通桶子的大小,但是往上愈變愈大,在十二.二或十五.二公尺高的地方,直徑變得有六.一或九.一公尺那麼寬。同行的其他人都站在那兒看,但我的好奇心愈來愈強烈,於是我跟著它,騎馬接近它的側面,觀察到它一邊前進,一邊帶起那體積較小端下方的所有灰塵。因為一般認為開槍射擊水龍捲會破壞水龍捲,所以我揮舞馬鞭數次,試圖破壞這個小旋風,但徒勞無功。

這段追逐結束於這股旋風橫掃過一座菸草田後消散無蹤,只留下滿天被捲起的樹葉。富蘭克林以下列妙語為他的追風之旅做結:「當我問塔斯克上校,這種旋風在馬里蘭州是否很常見時,他愉快地回答:『不,一點也不常見,但我們為了招待富蘭克林先生,故意使其發生。』真是高規格的待遇啊⋯⋯」

 

《天氣之書》延伸閱讀

  • 1806年〈蒲福為風力分級〉p.67
  • 1989年〈電子「精靈」的證據〉p.173
  • 2016年〈極端的閃電〉p.195

編按:關於富蘭克林的風箏實驗,後人描述的故事版本紛紜,其實富蘭克林本人曾撰寫文章描述該實驗,於1752年10月19日刊登在賓夕維尼亞公報(Pennsylvania Gazette)。

 

 

本文摘自《天氣之書:100個氣象的科學趣聞與關鍵歷史》,時報出版,2018  年 10 月出版。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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時報出版_96
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出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。

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未來可能會有這個職業嗎?創造創意與美感兼具的發明:未來藝術家——《拯救地球的工作者》
和平國際
・2022/11/05 ・1731字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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編按:現在的生活瞬息萬變,在未來的世代,可能會出現許多你想都沒想過的職業。讓我們與孩子一起發揮想像力,你覺得未來會有什麼樣的職業出現呢?

未來藝術家:創意的發明或許也是一種藝術

未來藝術家大賞總決賽即將開始,這個獎項是為了獎勵最有創意及具有藝術感的科學家。現在已經廝殺到總決賽的階段了,評審團必須從三件「作品」中選出首獎。這三件作品截然不同,但是都很創新,每位參賽者會發表演說,談談自己的創作理念,盡可能說服評審。

丹尼第一個發言,主題是手拿顯微鏡的大廚:「大家想像一下,把試管想成鍋子,把滴管想成湯勺,把蒸餾器想成烤箱,科學家不也是在做菜嗎?我在廚房實驗室調配無數特殊風味的菜餚,帶給大家前所未有的感官享受,有醣、碳水化合物,也有蛋白質,融合出全新的味道。我最自豪的藝術品是『植物肉』!吃起來就像肉,卻是在實驗室用馬鈴薯和大豆合成的。」

手拿顯微鏡的大廚。

第二位參賽者是莉雅,會不會有更驚人的作品呢?莉雅以「大自然設計師」為主題開始介紹:「超強力貼紙的靈感來自章魚的吸盤,火車頭是仿造鳥喙的形狀,超強光線感測器神似蝗蟲的眼睛。動、植物是豐富的生物圖書館,總會激發創意靈感。我的成名之作是這件『隱形斗篷』!我長年研究變色龍,研發出一種會隨著環境變色的布料。」

大自然設計師。

觀眾席的驚叫聲不絕於耳,現在輪到安妮塔上場了,她的主題是「微型雕塑家」。

「你們有聽過奈米科技嗎?我運用最先進的顯微鏡,每天研究分子碎片,小到奈米量級,比髮絲纖細十萬倍。我運用科學為藝術服務,善用奈米粒子修復古老大理石雕像,以及受汙染侵蝕的神廟,終於有新工具可以拯救偉大的藝術遺產了。」

微型雕塑家。

比賽結果就快揭曉了,誰會是贏家呢?倒數計時,三、二、一……大型計分牆竟然顯示:平手!這是未來藝術家大賞第一次出現三位冠軍。

丹尼、莉雅和安妮塔開心相擁。等你長大,說不定也會成為未來藝術家喔!

未來藝術家的工具組

動態雕塑、磁吸繪圖、隨時間變換的調色、特殊眼鏡,都是未來藝術家的工具,將帶領我們體驗未知。未來數十年的藝術將會大洗牌,未來藝術家早已蠢蠢欲動,準備大顯身手,大膽的實驗和創作!

什麼是科學料理?

科學料理的精髓在於「食譜藝術」,以生物化學的專業知識為基礎。目前最先進的研究莫過於研發人造肉,改善肉品產業密集的畜牧行為,提供更尊重環境和動物生命的替代產品。

什麼是生物統計學?

生物統計學是仿效生物的特徵(包括動、植物)來改善人類既有的科技,其中最著名的成品有新一代黏著劑、特殊顏料、先進布料。

什麼是奈米科技?

奈米科技是新的研究領域,善用極其微小的物質來設計特別輕盈的材料或肉眼看不見的裝置,工業用途廣泛。

未來藝術家要有的能力

○ 跳脫框架思考

○ 想像力

○ 具有觀察精神

○ 同理心

○ 美感

○ 有團隊合作的精神

——本文摘自《拯救地球的工作者》,2022 年 10 月,和平國際出版,未經同意請勿轉載。

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和平國際
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往上打的雷!太空中才看得到的「藍色噴流」與它的精靈好友們
linjunJR_96
・2021/11/08 ・2121字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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今年十月,駐守在國際太空站的法國太空人 Thomas Pesquet 拍攝到難得一見的異象:耀眼的藍白色光暈在歐洲大陸上空炸開,彷彿《天使與魔鬼》中的反物質已經被引爆。

不過這陣閃光並沒有登上當地新聞,甚至沒幾個人看到他發生。因為它並不是發生在地面上的事件,而是大氣層上層的放電現象,稱為瞬態發光事件(Transient Luminous Event, TLE)。

往上打的雷

如同伴隨午後雷陣雨而來的閃電與雷聲,這些發光事件源自於雲層中充沛的電荷。在午後雷陣雨時,雷雨雲中的水滴與冰塊在劇烈的上升氣流中摩擦生電,使得雲層頂部和底部累積許多焦躁的電荷。一旦電荷累積足夠,巨大的電位差便會往地面打通一條游離化的導電通道,進而在陰雨的天空中劈出一道亮光。這就是我們常見到的雲對地閃電。

不過有時候,雲層中的電荷如果率先找到了向上的通道,便會產生「向上」的閃電,稱為「藍色噴流(Blue Jet)」,屬於 TLE 的一種。由於成因和一般雲對地閃電類似,這種宛如外星傳送門一般的景象有時被稱為中高層大氣閃電,但藍色噴流聽起來酷多了。雖然拍攝者沒有特別註明,不過這次在國際太空站拍攝到的有可能是藍色啟動器(Blue Starter),也就是長度較短的藍色噴流。

從太空中觀測到的向上放電。來源/ESA

雲層上方的平流層和中氣層也時常見到另一種 TLE,叫做紅色精靈(Red SPRITE)。這種橘紅色的光影是受到下方閃電擾動後產生的高層放電所導致。他們通常成群出現,有著各種五花八門的型態,一般以下方觸鬚形狀分為水母狀和紅蘿蔔狀兩種。更高的電離層則有暗紅色的淘氣精靈(ELVES)。

不同高度的放電現象會產生不同的形狀與顏色。圖/Wikipedia

大氣科學家的小幽默

到這裡你可能已經發現,科學家為這類現象命名的品味十分獨特,而且他們還花時間將這些有趣的名字硬是編成煞有其事的縮寫。SPRITE 是強烈雷雨雲電離導致的平流層擾動Stratospheric/mesospheric Perturbations Resulting from Intense Thunderstorm Electrification);ELVES 則是電磁脈衝源造成的甚低頻擾動與發光現象Emission of Light and Very Low Frequency perturbations due to Electromagnetic Pulse Sources)。為了延續這個主題,後來陸續被觀察到的現象也以這類概念取名,包括山怪巨魔(TROLL)、小妖精(Pixies)、幽靈(GHOST),和地精(Gnomes),為大氣科學增添許多奇幻色彩。

觀測紀錄太少,一度被視為謠言

這些曇花一現的大氣奇景過去只是飛行員間口耳相傳的傳說,被學界斥為無稽之談。一直到 1989 年,藍色噴流才首次被太空梭拍攝的黑白影片捕捉,證實了這些傳說中的閃光確實存在。在觀測影像技術進步的同時,人們也開始積極尋找觀測高層大氣的放電現象。世界各地的照片與錄影時不時紀錄到各種不同顏色和型態的 TLE。不過由於這些奇幻的光芒只存活在雲層上方的高空,而且通常只維持幾毫秒,要從地表觀察很碰運氣,使得至今關於這類現象的資料量仍然不多。

高層大氣中的各種瞬態發光事件。圖/Wikipedia

如果想要做觀測,除了像飛行員一樣在高空中拚巧遇,最好的方法就是從太空攝影。因此,國際太空站便成為 TLE 的最佳觀測站。這已經不是第一次駐紮上方的太空人目擊類似的現象,只要打開縮時攝影,就能捕捉這些轉瞬即逝的景象。由於赤道附近有許多雷雨雲,每當太空站經過這個區域時便是最佳觀察時機。

除了地球之外,NASA 去年也透過朱諾號探測器在木星大氣層拍到類似精靈的放電發光現象。只不過這些精靈跟地球上的紅色精靈有些差別。紅色精靈的色彩來自於地球大氣中豐富的氮氣成分,不過木星大氣主要由氫氣組成,所以出現了前所未見的外星藍色精靈。科學家以前就預測:在木星這類同樣有大氣和閃電的星球上也能見到 TLE,不過一直到去年才首次直接觀察到,再度顯示這類觀測研究的難度。

根據福爾摩沙衛星二號的觀測資料,科學家估計全球每年會發生數百萬次 TLE。關於它們的成因和物理機制,目前只能算是略懂略懂,而其對氣候和高空飛行器的影響也有待科學家繼續探索瞭解。目前國際太空站上的哥倫布號實驗艙外已經配備專門的設施,針對 TLE 進行監控拍攝。將來或許能見到更多絢爛的奇幻物種現身在遙遠的空中。

參考資料:

linjunJR_96
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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交流電發電機的勾勒起點,發明鬼才與他的大學生活——《被消失的科學神人‧特斯拉親筆自傳》
PanSci_96
・2020/12/12 ・2484字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 519 ・六年級

編按:尼古拉・特斯拉(Nikola Tesla)的父母原本一直希望他繼承衣缽、成為一位牧師,然而在他少年時期有次感染了霍亂,被醫生宣判可能回天乏術,特斯拉對父親說:「如果你同意讓我去唸工程科系,我也許會好起來。」於是後來特斯拉的父親為他安排進入奧地利史泰利亞邦 (Styria) 的格拉茲 (Graz) 理工學院就讀,這裡也是特斯拉構想交流電發電機的起點。

為不讓父親失望,一天只睡四小時

一年的身體調養期結束之後,我被父親送到奧地利史泰利亞邦 (Styria) 的格拉茲 (Graz) 理工學院就讀,他為我精挑細選了這所歷史悠久、聲譽卓著的大學。這是我期待已久的時刻,在充裕獎學金的資助下,開始我的大學學業,我下定決心一定要在課業上有傑出表現。拜父親的教導和諸多機會所賜,我的學習底子優於一般學生。

進入大學之前,我已經學會多國語言,也啃讀了不同圖書館的藏書,多多少少汲取了有用的資訊。另外,這是我第一次可以選擇喜歡的科系就讀,所以畫圖再也不會成為我的困擾。

我立志要給父母親一個驚喜,所以第一學年我每天從清晨三點一直讀到深夜十一點不間斷,連星期假日都不放鬆片刻。由於同學們抱著學而不思的鬆散學習態度,我的學業成績自然技壓群雄。第一年結束,我通過九科考試,教授們認為我的表現值得給予超越滿級分的嘉獎。

特斯拉在大學第一學年為了給父母親一張榮譽的成績單,拼命讀書。圖/Pexels

我帶著這張獲得褒揚的成績單回家,在短暫休息過後,我滿心期待著能贏得父親的稱讚,但是看到父親對於我拚了命博得的榮譽一點都不在意的時候,我深感受傷,這件事幾乎扼殺了我的鬥志和雄心。

但是父親死後,我發現了一疊信件,全是學校教授寄來的,信上說除非父親把我帶離學校,否則我會因為用功過度而沒命,看完後,我悲痛難抑。

大量閱讀與討論,發明構想與科學原理的加成

此後,我全神貫注在物理學、力學和數學上,閒暇時間都泡在圖書館裡。我的習慣是只要開始做一件事情,一定會有始有終,因此常常給自己招來難題。

有一次,我開始閱讀伏爾泰 (Voltaire) 的著作,看到有將近一百卷用小字印刷的皇皇巨著正等待著我去讀,令我驚慌——這個怪物每天喝七十二杯黑咖啡支撐自己寫作!我下定決心一定要全部讀完,但當我放下最後一本伏爾泰的作品時,感到無比暢快,說:「結束了!」

特斯拉開始閱讀伏爾泰的著作後,便下定決心要讀完。圖/柿子文化

我第一年的表現贏得了教授們對我的欣賞,也與他們建立起情誼。包括了:羅格納教授,教授算術和幾何學;包施爾教授,教授理論及實驗物理學;奧勒博士,教授積分,專長在積分方程式,這位科學家的講課是我聽過最精彩的一位。奧勒博士特別關心我在學業上的進展,經常會在下課後留一、二個小時給我,出題讓我解答,我很樂意接受這樣的安排。

我跟他解釋我的飛行器構想,這項發明是建立在合理的科學原理上,不是天馬行空的幻想,我設計的渦輪機已經讓這部飛行器成真,很快就會展現在世人眼前。

羅格納和包施爾兩位教授都是求知欲旺盛的學者:羅格納教授的自我表達方式很奇特,每次都會引起一陣騷動,然後是一段長長的沉默和尷尬;包施爾教授是一位有條不紊、絕對理智的德國人,他有和熊掌一樣巨大的雙手雙腳,但他的實驗都被精準無誤的執行,展現如鎖芯般精密的高超精準技巧,沒有一點閃失。

發現真理需要敏銳直覺與細心觀察

在校第二年,學校收到一部來自法國巴黎的格拉姆發電機 (Gramoe Dyname) ,它有一個馬蹄鐵狀的層壓式場磁鐵,以及一個裝有整流器的繞線電樞。通電之後,這部機器展現了各種不同的電流效應。

包施爾教授在示範時,把它當作馬達在操作,結果電刷出現故障,火花亂竄,我在一旁觀察發現:沒有這些裝置,馬達仍有可能運轉。

包施爾教授宣稱不可能,並且請我就這個主題上臺報告,他最後在做總結時如此說道:「特斯拉先生也許會有了不起的成就,但可以肯定的是他永遠不會去實踐這個構想。這麼做無異是改變一個穩定的拉力,猶如把重力轉變成旋轉力,這是一個永動機的概念,不可能成功。」

但是,直覺超越知識,當邏輯推論或是其他想出來的方法都沒有用的時候,無疑的,我們大腦裡某些奇妙的神經纖維會驅策我們去發現真理。

有一段時間,我迫於教授的權威而猶疑不定,但是我很快就相信自己是對的,然後傾注所有熱情和年輕人的無窮信心,擁抱這個不可能的任務。

23 歲的尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla),1879年。圖/STORE NORSKE LEKSIKON

首先,我在心中勾勒出一部直流電發電機,使之啟動運轉後,緊盯觀察電樞電流的變化。然後,我會另外想像一部交流電發電機,觀察在相同情況下其運作過程。接下來,我則勾畫想像馬達與發電機兩種系統,並用各種方式測試其運作情況。

我心眼所見的圖像對我而言是如此全然真實,具體可觸。我在格拉茲的理工學院的剩餘時光都在全心鑽研這個問題,直到離校前依舊毫無斬獲,我差一點就要舉白旗投降,宣判這個問題無解。

——本文摘自泛科學2020年12月選書《被消失的科學神人:特斯拉親筆自傳》,柿子文化,2019年01月。
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