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電視發明之爭│ 科學史上的今天:8/19

張瑞棋_96
・2015/08/19 ・1188字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 535 ・七年級

1922 年的某一天下午,美國愛達荷州一所公立高中的科學老師托曼經過教室時,發現裏頭有位學生還沒回去,正在黑板前塗寫。他悄悄在後排坐下,沒打擾這位去年入學就讓他印象深刻的學生,方斯渥斯(Philo T. Farnsworth, 1906 年 8 月 19 日-1971)。雖然身處偏僻的鄉村小鎮,方斯渥斯卻靠自學而程度超乎一般高中生,在電學方面的涉獵甚至已超越本科是化學的托曼;現在黑板上的圖就是。

托曼等他轉身才問他在畫什麼,方斯渥斯興沖沖的坐到他面前,拿出本子邊畫邊講解他的攝像管構想:透鏡將物體的影像聚焦到感光板上,感光板再將一個一個畫素轉換成電子訊號,就能傳送到陰極射線管,重現物體影像。聽得興味盎然的托曼將這張圖留下,他沒料到這頁撕下來的紙未來將幫方斯渥斯證明他當時就發明了電視。

事實上早在 1884 年,波蘭裔工程師尼普考(Paul Nipkow, 1860-1940)就想到在圓盤上鑽許多排成螺旋狀的小孔,旋轉圓盤讓穿過小孔的光線依序轉為電子訊號而重建影像。方斯渥斯在雜誌上讀到這項發明就一眼看出:無論圓盤轉多快都難以忠實紀錄光學信號,因此才決心發明全電子式的電視。

1927 年 9 月 7 日,方斯渥斯成功傳送了第一個影像──雖然只是一條直線。他提出專利申請,同時繼續加以改良,兩年後已經能傳送人的臉孔;他的發明也逐漸獲得媒體注意。但密切注意的還有虎視眈眈的大企業──美國無線電公司(RCA)。

RCA總裁薩諾夫(David Sarnoff)原本就很在意電視的發展,但也不滿意那些利用尼普考圓盤做出的影像品質。1929 年初,西屋公司的俄裔工程師佐利金(Vladimir K. Zworykin)向他提出構思多年的全電子式電視,薩諾夫即將他挖角過來,並派他去了解方斯渥斯的技術如何。

佐利金於 1930 年造訪方斯渥斯。如今已無法得知他停留那三天的實際情形,不過佐利金原本一直未能將他 1923 年就提出的構想落實為令人滿意的成品,卻在 1931 年就取得重大突破,發明了與原來技術大不相同的「光電攝影管」。更令方斯渥斯吃驚的是,RCA 隨即控告他侵犯了佐利金 1923 年的專利。

方斯渥斯的律師辯稱佐利金那項專利從未具體成形,而且方斯渥斯還比他更早就提出構想。RCA 的律師嗤之以鼻:哪有可能一個十來歲的高中生能發明這麼複雜的電子裝置?所幸方斯渥斯的老師托曼一直保存著他當年畫的那張草圖。1935 年,RCA 被判敗訴,但仍繼續多次上訴,直到 1939 年才終於同意支付方斯渥斯一百萬美元取得授權。向來都是跟別人收權利金的 RCA,這次可說是踢到鐵板。

然而方斯渥斯的資源畢竟比不上 RCA,電視發展的主導權後來還是掌握在 RCA手中,因此光環也都落在總裁薩諾夫身上,方斯渥斯從此就被淡忘了。不過他也無須太過哀怨,因為最早發明全電子式電視的人其實是日本的高柳健次郎,他在 1926 年 12 月 25 日就成功傳送了片假名「イ」,比方斯渥斯還早了八個多月,卻在本國以外更不為人知。

Photo Credit: (©CORBIS/Bettmann) Donated by Corbis-Bettmann

 

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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發現海王星│ 科學史上的今天:9/23
張瑞棋_96
・2015/09/23 ・880字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 541 ・八年級

1846 年 9 月 23 日夜晚,夜空清澈,繁星若塵。萬籟寂靜之際,柏林天文台的圓頂驀然爆出一句:「星圖上沒有那顆星!」那是天文學家加勒 (Johann G. Galle) 的助理所發出的驚呼,因為他仔細比對了星圖後,確定上面沒有加勒看到的那顆星星。沒想到觀測不到半小時,他們果真就在法國數學家勒威耶 (Urbain Le Verrier) 所預測的位置附近找到一顆新的行星;也就是太陽系的第八個行星,海王星。

勒威耶之所以會相信海王星存在,並計算它可能的位置,乃因天王星的實際運行軌道與理論所預測的不大相符,而最合理的推測就是天王星受到一顆未知行星的引力拉扯所致。他於 1846 年 8 月底在法國科學院宣讀論文,隨後寄信告知加勒。

海王星成為八大行星中,唯一事先經由天體力學計算,預言其存在並預測其位置,才被發現的行星。以科學而言,這是一大勝利,再次展現了自然現象用簡單的物理定律就能掌握。然而,一旦牽涉到「誰是第一人」的問題,就沒那麼簡單了。

英國方面隨即舉證歷歷,宣稱他們的年輕數學家亞當斯 (John C. Adams) 更早就計算出海王星的位置,只是收到他信件的天文學家未予重視才被埋沒。英法雙方爭執多年後,折衷的結論就是讓亞當斯與勒威耶並列為共同的發現者。然而,一份遺失多年的歷史文件在 1998 年現身,證明英國同胞給予亞當斯的讚譽言過其實,他不應分享勒威耶的殊榮。

當然世間這些紛紛擾擾完全於天體無礙,海王星兀自以 165 年的漫長公轉周期在邊緣孤獨地運行(自它首度被發現到現在,也才剛繞完太陽一圈沒多久哪!),只在 1989 年時,航海家二號 (Voyager 2) 從它身旁匆匆掠過,攝下它靛藍中略帶白色紋路的美麗身影。但那隱藏在宛如湧著白色浪花的平靜海洋底下的,其實是酷寒低於 -200°C、風速超過音速的狂暴氣流。

2014 年 8 月,另一艘太空船新視界號 (New Horizons) 在相隔 25 年後再次穿越海王星軌道,但這次任務只為探索冥王星及古柏帶,所以未見海王星身影即一路遠去,就這麼永遠告別這顆太陽系中最遙遠、最寒冷的行星……。

 

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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知識大圖解:電子槍
知識大圖解_96
・2015/04/27 ・983字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 557 ・八年級

「電子槍」可不是什麼火力強大的武器,而是日常電器中的重要元件。

電子槍是一種多用途的電子元件,在許多設備中扮演關鍵的角色,應用範圍涵括3D印表機、焊槍、英國鑽石光源中心(Diamond Light Source)的大型同步加速器,以及美國金博爾物理研究所(Kimball Physics)的電力系統。

電子槍的運作原理可用最基本的動能和電流來解釋。將電子槍安裝在電氣裝置的真空管中,它會將電子和離子從金屬源(陰極)釋放出來,轉變成可供利用的能量波束,這個過程稱為「熱離子發射」。

Electron guns
請點擊看大圖。

電子槍中有一根小燈絲會加熱陰極,使其釋放出電子流。電子迅即加速,並被拉往鄰近帶正電的陽極。陽極上開有小孔,電子穿過之後,會形成一道集中的電子束,繼續在裝置內前行。1897年,湯木森(J. J. Thomson)在進行陰極射線的實驗後研究其用途,並利用這個概念發現了電子的存在。

電子槍大致可分成兩大類型:熱離子發射與場發射。前者比較常見,可在高溫下運作。場發射(field emission)產生的熱量較少,但是亮度較高、電場較強。此外,「泛射式電子槍」則可將電子束散射至較為寬廣的區域。

 電子槍如何將能量轉變成實用產品?

關鍵在於釋放出原本固定在導體中的電子,但真正困難的是控制逃脫出來的電子。我們會將金屬加熱,使得電子離開陰極,然後用高電場來分離這些電子。 

電視和鑽石同步加速器看似截然不同,電子槍在兩者中如何運作?

電子槍的用途非常廣泛,但其背後的物理概念倒是不難。基本上就是提供電子能量,讓電子脫離束縛態。在鑽石中心,我們的電子槍上裝有一組電極,可以重整電子束,並將其送進線性加速器。舊型陰極射線管電視機則裝有能夠產生上萬伏特的零件,來加速電子束,使其直接打在螢幕上成像。所以,電視和鑽石同步加速器主要差別在於激發出電子後,對電子所做的處理。

要是沒有發明電子槍,整個產業界會變得如何?

可能一直到最近都還不會發明電視機,但是這關係其實也不算太大,因為廣播和電視節目的發射機也都需要用到裝有電子槍的放大器;若沒有電子槍,根本不會有電視節目可看。而且不只是電視節目訊號,老式的電動閥也是基於電子束而研發出來的,如果現代世界少了電子槍,整個電子產業的發展等於少了一個關鍵步驟。

 

本文節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第07期(2015年4月號)

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猴子審判 │ 科學史上的今天:5/25
張瑞棋_96
・2015/05/25 ・1103字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 587 ・九年級

一九二○年代的美國,藉助第一次世界大戰帶動的工業生產,經濟與科技於戰後快速成長,新的精神與文化也有如蠢蠢欲動的岩漿開始衝破舊有規範。人們隨著自由即興的爵士樂搖擺、不顧禁酒令的規定暢飲私酒、抽象藝術大興其道,就連禁錮已久的女性參政權也終於獲得憲法保障。

然而在這樣自由開放的社會氛圍下,仍有一道思想防線在美國南方各州悄悄築起。1925 年 3 月 21 日,田納西州州長正式簽署「巴特勒法案(Butler Act)」,明令禁止老師在學校講授違背聖經中上帝造人的任何理論,尤其是主張人由原始生物演化而來的說法。

美國公民自由聯盟(American Civil Liberties Union, 簡稱 ACLU)極為憤慨,公開聲明將義務幫助每一位因講授演化論而被起訴的教師。沒有人預料到第一個案件很快就發生在一個人口只有一千八百人的小鎮達頓(Dayton)。

一位 24 歲的高中生物代課老師斯寇普斯(John Scopes)在鎮上幾位自由派人士的鼓吹之下,故意以身試法,承認於 4 月 24 日在課堂上講授演化論,並且特意要學生作證的確有聽到他提及猿猴祖先之事。結果如他所願,5 月 25 日這一天,他因違反田納西州法律而遭到檢方起訴;這件轟動全美國、別稱「猴子審判」(Monkey Trial)的「斯寇普斯案」正式成立。

ACLU 守諾派了律師團前來,著名的人權律師丹諾(Clarence Darrow)亦主動加入辯護;檢方的主辯人也是大有來頭:前國務卿、曾三次代表民主黨競選總統的布萊恩(William J. Bryan)。雙方於 7 月 10 日在擠得水洩不通的法庭上展開世紀大辯論。

在七天的唇槍舌劍之中,丹諾等人原本找來八位演化學專家,試圖說明演化論與聖經並不衝突,但法官只允許一位出庭作證。他們轉而主張聖經僅應適用於道德與神學層面,不應插手科學領域;甚至出險招讓對手布萊恩坐上證人席,藉由他回答詰問時,按字面意義解釋《創世紀篇》所呈現的荒謬結果,來證明巴特勒法案有多不合理。但法官主動提醒陪審團不應考慮法律的合理性,重點在於有無觸法。眼見法官明顯偏頗,於是丹諾最後一天乾脆放棄結辯,任由陪審團於 7 月 21 日宣判斯寇普斯有罪,應罰款一百美元。

對 ACLU 與斯寇普斯等人而言,他們原本就不在意贏得官司,而是意在推翻惡法。於是他們向最高法院提起上訴,主張巴特勒法案違憲,但還是敗訴了。然而就影響層面而言,他們並未失敗。因為審判過程經由全國性的廣播而引發社會大眾的省思與討論,原本已進入立法程序的十五個州中,最後只有兩個州通過巴特勒法案。1967 年,田納西州終於廢除此法案;第二年,美國聯邦最高法院裁定所有類似的反演化論的立法違憲,科學教育才終於獲得保障。

 

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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