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奧斯特誕辰 │ 科學史上的今天:8/14

張瑞棋_96
・2015/08/14 ・1057字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 538 ・八年級

自從伏打於 1800 年發明世界上第一個電池──伏打堆,可以提供穩定持續的電流後,科學家紛紛拿來作各種實驗,有人拿來電解,有人拿來電療,也有人研究哪種配方的電力比較強。但不管是物理、化學或生物實驗,沒有人將電力與磁力聯想在一起,這兩種力被視為彼此毫不相干的獨立現象。直到 1820 年,一封來自北國丹麥的信才驚醒了大家。

出生於丹麥小鎮的奧斯特是藥劑師之子,在考進哥本哈根大學之前從來沒上過學,都是在家自學。雖然考慮到繼承父業而主修藥學,但奧斯特最大的興趣卻是在物理、化學與哲學;大學時就曾以兩篇物理和美學的論文得獎。他一直是康德的忠實信徒,1799 年的博士論文《自然形上學的架構》就是基於康德的論點;事實上,這也形塑了他後來對自然科學的觀點。

奧斯特 1801 年申請到一筆獎學金,於是辭去藥房經理的工作,前往德、法等國展開為期三年的遊學,進修科學。此時伏打堆才問世沒多久,奧斯特剛好趕上科學界研究電的熱潮。他在學習伏打堆的製作原理時,對於不同元素之間的化學作用竟能轉化為電力深感讚嘆,更令他深信康德所說的「自然的一體性」(unity of nature),看似不同的自然現象底下其實都有深層的關聯。

1804 年,奧斯特返國後已轉為熱衷於科學。雖然沒有如願獲得教職,他仍四處演講,沒想到因為大受歡迎而於 1806 年獲聘為哥本哈根大學教授。他一邊持續發表論文,與西歐科學界保持密切聯繫,同時也努力教學,用心設計教材與教具,頗受學生好評。

1820 年 4 月 21 日的物理課,神奇的事發生了。當他將電線接上伏打堆時,放在電線旁邊的羅盤指針竟然動了一下。奧斯特基於一體性的信念,本來就認為磁力與電力也必互有關聯,如今這突來的印證自然令他大為驚喜;經過三個月的密集實驗,他終於可以肯定電流會在導線周圍產生圓形的磁場。他的論文發表後震驚學界,安培聞訊投入研究後,才發現安培定律,正式揭開了電磁學的序幕。

奧斯特持續其科學教育工作,他於 1824 年成立自然科學推廣學會;1829 年成立新的科技學院,擔任校長直至辭世。丹麥的科學發展幾乎是靠他一己之力才跟上歐洲的主要國家。

為了紀念他,丹麥 1999 年發射的第一顆人造衛星就以他為名。而國際電工委員會(IEC)也在 1930 年將磁場強度的單位取名為「奧斯特」,以表彰他在電磁學的貢獻。

【附註】義大利的羅馬格諾西(Gian Domenico Romagnosi)於 1802 年就率先發現電流會影響羅盤,但他是用義大利文在本國發表,因此完全沒有引起注意。

 

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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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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電化學的誕生│科學史上的今天:5/2
張瑞棋_96
・2015/05/02 ・1047字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 459 ・五年級

1800 年 4 月,英國皇家學會主席班克斯(Joseph Banks)收到一封來自義大利化學家伏打的信。他打開一看,原來是伏打的論文,描述他如何將鋅片、濕紙板、銅片三者層層相疊,而產生持續穩定的電流。班克斯既震驚又興奮,如果論文屬實,這將是人類史上第一個電池啊!問題是信中只有論文的前半部。

原來伏打考慮到英法戰爭還在進行,不知信件能否順利抵達,所以將論文拆成兩部分投遞。班克斯還沒等到另一封信,已經忍不住跟老友卡萊爾醫生(Anthony Carlisle)分享這消息。卡萊爾看了這半篇論文後也是又驚又喜,他也忍不住了。他向化學家好友尼寇森(William Nicholson)透露論文內容後,兩人決定親自實驗看看「伏打堆」電池是否真的能產生電。

5 月 2 日這一天,他們如法泡製做出了伏打堆。尼寇森將一條電線連接伏打堆的底部與驗電器(有趣的是,伏打做伏打堆電池實驗時,用的驗電器正是尼寇森改良發明的),再將另一條電線從驗電器連到伏打堆的頂端時,才發現無法維持良好接觸。於是他們滴了一大滴水在伏打堆最頂端的鋅片,再將電線的一端插入水滴中,結果赫然發現水滴上方竟冒出氣體。他們趕緊拿了一杯水來,將兩條電線放入水中,果然電解出氫氣與氧氣。

就這樣,尼寇森與卡萊爾成了最早發現電解反應的人,開啟了電化學這個全新的領域。幾個月後,德國化學家里特(Johann Ritter)發現了電鍍現象;幾年後英國化學家戴維(Humphry Davy,就是發掘法拉第的人)利用電解反應陸續分離出鈉、鉀、鈣、鐁、鋇、鎂、鋰等新的化學元素。隨著更多科學家的投入以及科技的進步,電化學迅速蓬勃發展,而一切都起源於 1800 年 5 月 2 日這一天──電化學的誕生日


【番外篇】

前面提到的德國化學家里特是青年才俊,除了發現電鍍現象,他也在 1800 這一年獨立做出電解水的實驗,並測量出氫氣與氧氣的比例,此時他才 23 歲;第二年又發現紫外線。不過他也是個名符其實的瘋狂科學家,他用自己身體做電的實驗:他用舌頭嚐出電有酸味;發現電會使鼻子打噴嚏;電線觸碰眼球會看見彩色的閃光;還有──是的,電自己的生殖器,他宣稱如此會得到快感。看來他雖然沒有率先發現電解現象,倒是成為第一個發明電氣情趣商品的人。

不過他越來越變本加厲,繼續用更強的電流通過身體各部位,靠鴉片來止痛,即使健康出狀況,仍未停止。後來他 33 歲就病逝,恐與這些實驗有關。

 

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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為電磁學揭開了序幕:安培誕辰|科學史上的今天:1/20
張瑞棋_96
・2015/01/20 ・782字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 558 ・八年級

1800 年的法國,甫自十年狂暴混亂的法國大革命安定下來。25 歲的數學老師安培也終於安定下來──不管是生活上還是精神上。他的父親因為篤信盧梭的教育思想,讓安培自小在家中自學,親自教導他語文、文學、數學等等不同科目,長久下來,父親在他心中已是像老樹盤根般的重要支柱。因此,當父親於 1792 年被革命黨送上斷頭台,安培無法接受這個打擊而精神崩潰。

安德烈-馬里.安培。圖/wikimedia

安培猶如遊魂般晃蕩了將近兩年,母親顧及其安危而將他送到偏遠小鎮休養,在那兒他遇見未來的妻子。在愛情的滋養下,安培逐漸康復,並回到故鄉里昂覓得教職。1800 年,當第一個小孩在他們結婚週年誕生,展望未來,一切似乎充滿希望。他不知道他將再度失去最愛的人,而這一年剛發明的伏打堆──義大利物理學家伏打發明的世上第一個電池──將改變他的人生。

1803 年,愛妻因病去世,安培這次面對此重大打擊的方式是瘋狂地投入研究工作。除了繼續鑽研數學,他也研究物理、化學,發表多篇論文。1820 年,丹麥一位名不見經傳的物理學家奧斯特 (Hans Ørsted) 發現電流會使磁針轉動,轟動了全歐洲,因為在此之前,沒有人認為電力與磁力有何相干。安培聞此消息後立刻展開實驗,所幸二十年前發明的伏打堆可以提供持續穩定的電流,安培得以控制變因,尋求電力與磁力兩者之間的關係。

再來的事我們都知道了:安培陸續提出界定電流方向與磁場方向的「安培右手定律」、磁場強度與電流大小之關係的「安培定律」、導線線圈的匝數愈多,電流產生的力也愈大的「安培加成定律」 (Ampere’s Addition Law) 。安培為電磁學揭開了序幕,為了紀念他,電流的單位就以他的姓氏命名。

 

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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