亥姆霍茲發表能量守恆定律 │ 科學史上的今天：7/23

1908 年的諾貝爾物理獎頒給了今天生日的法國科學家李普曼（Gabriel Lippmann, 1845－1921），以表彰他發明「利用干涉現象重現色彩的攝影術」。不過，這技術跟現今的彩色相片或彩色影片一點關係都沒有，因為它還沒商業化就馬上被別的技術取代了。這樣得諾貝爾獎好像有點尷尬，其實不然，後來證明這個當時被棄置一旁的技術並非過時，反而是超越時代太多。

李普曼這項研究與他 1872 年到德國進修，遇到的兩位指導教授有很大的關係。一位是發明光譜分析法的克希荷夫（Gustav Kirchhoff），他與本生於 1859 年從太陽光譜中辨認出許多元素；另一位是亥姆霍茲（Hermann von Helmholtz），他對彩色視覺的機制提出了解釋。李普曼於 1875 年返國後，太陽光譜與彩色視覺這兩項主題仍一直縈繞在他心中。

1891 年，李普曼成功在感光版上顯影出太陽的彩色光譜，這雖然不是第一張彩色相片，卻是首次能顯示全彩而且不會馬上褪色。李普曼第二年又進一步拍出靜物的彩色相片。1894 年，他將這項技術的背後原理寫成論文發表，原來是在玻璃板塗上一層薄薄的光敏材料，接著讓光敏材料表面吸附一層水銀；陽光穿透玻璃，再穿過光敏材料後，碰到水銀層而反彈回來，與光敏材料處的光線產生干涉作用而形成駐波。不同波長的色光形成不同駐波，因此就能產生彩色影像。

雖然李普曼因此得到諾貝爾獎，然而這方法需要好幾分鐘的曝光時間，製備感光版的過程又複雜，因此始終無人青睞，當利用三原色原理的彩色照相法出現後，更是無人聞問了。沒想到半個世紀後，匈牙利物理學家蓋博（Dennis Gabor）根據李普曼的干涉原理進一步發明了全像攝影，可以呈現物體的完整三維樣貌。

李普曼超越時代的發明不僅如此。他於 1908 年提出整合攝影術（Integral Photography），建議用微型鏡頭陣列紀錄前方場景的完整資訊，之後再加以整合。這項技術也是直到本世紀才現身的光場照相機才加以運用。

科學史上不乏理論遠遠走在技術前面的例子，不過多是一般性的基礎理論，提出者也從未想過實際應用。像李普曼這樣提出實際的具體方案，沉寂數十年後因技術成熟而突然成真，更令人感到佩服啊！

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。

「能量守恆」是科學上極為重要的基本定律，許多物理定律都是奠基於此。然而這個今日看來理所當然的概念，在十九世紀中葉剛出現時卻是備受冷落，難以動搖當時根深蒂固的錯誤認知。

先是馮·邁爾（Julius von Mayer）在 1842 年發表公認是能量守恆的第一篇科學論文，但完全未激起任何漣漪；緊接著焦耳在第二年於學術會議上宣讀論文，說明自己所做位能與熱能的轉換實驗，現場也是一片沉默。直到 1847 年的今天，亥姆霍茲（Hermann von Helmholtz, 1821－1894）在柏林物理學會上宣讀論文《論力的守恆》後，才終於引起迴響，使得能量守恆定律逐漸獲得各界認同。

亥姆霍茲發表論文時才 26 歲，還在軍隊中擔任醫官。早在他就讀醫學院時就對當時流行的「生機論」──主張生物體內有特殊的「生命力」──感到懷疑；他認為這種說法無異讓每個生物都成了永動機，而他根本不相信有永動機，於是就從「永動機為何不可能實現？」出發，思考各種力之間的關聯。

亥姆霍茲論文中的「活力」與「張力」其實就是分別代表動能與位能；他用守恆的概念檢視卡諾（Nicolas Carnot）、焦耳等前輩的研究，以及各種機械裝置運作過程中，動能、位能、熱能的變化，一一論證每個項目都符合能量守恆定律，因此主張整體的能量不會改變，不增不減，只是從一種形式轉換成另一種形式。能量守恆定律在亥姆霍茲嚴謹的論述下，終於得到許多物理學家的支持，也為馮·邁爾與焦耳爭得應有的肯定。

亥姆霍茲也因此得以在第二年提早退役，至大學教授生理學，繼續做出許多重大貢獻，包括測量神經刺激傳遞的速度、解釋色盲的成因、發明可以直接檢查眼球的檢眼鏡、研究耳朵內部構造而提出音調的生理基礎、發明共鳴器。1871 年轉任物理學教授後，又提出描述電磁波的「亥姆霍茲方程式」；而且旗下還出了三位諾貝爾獎得主，包括在量子力學的誕生中扮演重要角色的維因、測量光速的邁克生，以及發明彩色照相術的李普曼；此外，還有將電磁波帶給世界的的赫茲。

科學史上能像亥姆霍茲這樣跨足不同領域，既能提出理論又能發明，還成功作育英才的科學家也算是絕無僅有了！

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。