網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策

0

11
3

文字

分享

0
11
3

「安提基瑟拉儀」橫空出世,史上第一台計算機?(下)│《電腦簡史》 齒輪時代(二)

張瑞棋_96
・2020/03/02 ・2576字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 544 ・八年級

安提基瑟拉儀如此精巧繁複,與十六世紀的鐘錶相比毫不遜色,究竟是誰能在西元前就打造出這樣的作品?而且當時仍以為地球是宇宙中心,天體都繞著地球轉。使用錯誤的地心說模型,安提基瑟拉儀如何仍能準確模擬天體的運行?

本文為系列文章,上一篇請見:「安提基瑟拉儀」橫空出世,史上第一台計算機?(上)│《電腦簡史》 齒輪時代

為什麼要發明安提基瑟拉儀?

自有歷史以來,人類便一直對天空的日月星辰感到好奇。每天日出東方、月亮西沉,滿天星斗也始終如一的橫過夜空,凝視這些在天空閃閃發亮的天體原本就會令人有無限遐想,更何況人們的生活似乎也被它們影響。天體的運行軌跡隨著季節變化而規律的改變,可以依據太陽的路徑劃分出一年四季,以利耕作;而潮水漲落更與月亮盈虧有明顯的對應關係,因此需要陰曆來掌握潮汐。另一方面,看似恆常規律的天象也偶有例外,例如日食、月食、流星,而幾個行星的運行軌跡顯然也與鑲嵌在夜空背景中的星座大不相同。這些異象又意味著什麼?是否暗示將有天災人禍?

因此無論是基於實用目的,想從天象找出蛛絲馬跡,以做好準備或趨吉避凶;或是純粹基於好奇心想知道天體運行背後的規律,世界各地的古文明很早就開始觀測天體並各自發展出天文曆法,例如四、五千年前的古埃及、印度、中國,乃至美索不達米亞平原的古巴比倫文明,與中美洲的馬雅文明。其實在默冬發現默冬週期之前,巴比倫人與中國周朝早就實施十九年七閏了。不過,是巴比倫人建立了有系統的方法,運用數學來分析天體運行的規律,率先發現日月食的規律,也就是沙羅週期。

在古人的宇宙觀中,當然地球是靜止不動的,所有天體都是繞著地球轉。這很合理,畢竟你感受不到地球在動,而仰望天空,看到的明明是日月星辰在移動。不過仔細觀察五大行星,卻會發現它們的移動速度時快時慢;更奇特的是,它們偶而還會改變方向,掉頭倒退一段距離——也就是所謂的「行星逆行」——再轉回原來方向繼續往前。巴比倫人雖然掌握了日月食的週期,卻對「行星逆行」這個神祕難解的天文的現象束手無策。這個問題得再過幾個世紀,才由古希臘的天文學家接力提出合理的解釋。

如何補救地心說的缺陷

或許是得力於歐幾里得在西元前三世紀左右出版的《幾何原本》,古希臘人更能有系統地將幾何學運用在天文學上。西元前二、三世紀交替之際,阿波羅尼奧斯 (Apollonius of Perga) 率先提出周轉圓理論。他認為五大行星並不是像太陽、月亮那樣直接繞著地球轉,而是各自繞著一個假想的圓心轉,這個周轉圓(也稱為「本輪」)再繞著地球轉,因此有時才會看到行星逆行的現象。不過這仍無法解釋行星為什麼會忽快忽慢,直到西元前一百三十年左右,希帕庫斯 (Hipparchus) 在周轉圓的模型加入了偏心圓,才解決這個問題。他設想五大行星的周轉圓雖然繞著地球轉,但是地球並不在圓心的位置,而是偏離圓心一段距離,因此行星離地球比較遠時看起來速度比較慢,離地球近時看起來就比較快。

時代對於宇宙觀的見解多元,藉由數學理論的推演使假說更具合理性。圖\pixabay

兩百多年後,約莫西元二世紀中期,希臘學者托勒密 (Claudius Ptolemaeus) 發表《天文學大成》鉅著。書中結合周轉圓與偏心圓的概念,建立後世稱為「托勒密體系」的行星模型,一舉掌握日月星辰的運行軌跡,包括太陽、月亮的運行與日月食的週期、五大行星的周轉圓半徑與它們沿著周轉圓繞行的速率、周轉圓本身繞著地球轉的速率,以及圓心相對於地球的位置。地心說原本與天體實際運行不符之處,如今在托勒密體系下都獲得解決,人類的宇宙觀因此在他手中一錘定音,地心說從此主宰天文學一千多年,直到十七世紀克卜勒提出行星運動三大定律,地心說才終於被日心說取代。

由於《天文學大成》的權威地位,後世提到地心說都會以托勒密做為代表人物,但其實這本書是奠基於前人的研究成果,特別是希帕庫斯的研究。事實上,希帕庫斯的原始著作都已失傳,正是托勒密在《天文學大成》中加以轉述,我們才知道托勒密體系其實脫胎於希帕庫斯的周轉圓模型。

誰發明了安提基瑟拉儀?

安提基瑟拉儀經科學家復原重建後,赫然發現內部有周轉圓齒輪組,所以才能令行星指針完美地模擬行星運行,甚至包括逆行現象。由此可見當初設計者就已經充分瞭解周轉圓的行星模型;既然安提基瑟拉儀與希帕庫斯幾乎是在同一時代,相差不超過二、三十年,不禁令人猜想:安提基瑟拉儀會不會正是希帕庫斯所設計的?

安提基瑟拉儀的發明者有可能為「方位天文學之父」-希帕庫斯。圖\wikipedia

也有人認為安提基瑟拉儀的設計可追溯至年代更早的阿基米德 (Archimedes) 。阿基米德被公認為發明齒輪裝置的先驅,除了螺旋抽水機,傳聞他還發明了計算里程的馬車,以及能將敵人的船隻吊起的巨型裝置。據史書記載,西元前 212 年羅馬軍隊攻陷位於西西里島的敘拉古 (Siracuse) 城時,阿基米德當場被羅馬士兵殺死,他所發明的一件天文儀器被羅馬將軍馬塞勒斯 (Marcellus) 據為己有。後來看過這件儀器的人描述道:

「這個銅製裝置上的月亮隨著太陽一起轉動,轉的圈數與天上的月亮一樣。而當(裝置上的)月亮轉到和太陽、地球成一直線時,月亮的影子投射在地球上,如實呈現了天上的日食現象。」

以往史學家並沒有太認真看待這段記述,因為除此之外都沒有關於這件儀器實際構造的描述;而且當時是否真有這樣的技術能力也令人懷疑,就像可以吊起敵人船隻的裝置,應該純粹只是阿基米德紙上談兵,並沒有真的建造出來。但如今安提基瑟拉儀的出土,為這段文字大大增添了可信度。加上安提基瑟拉儀的正面與這段文字所描述的如此類似,的確很有可能承襲自阿基米德真的設計。

羅馬人對於阿基米德發明的儀器描述與安提基瑟拉儀的正面相似,使學者們開始猜想或許安提基瑟拉儀的設計是出自阿基米德之手。

無論是否與阿基米德有直接關連,安提基瑟拉儀的齒輪如此精巧複雜,除了需具備齒輪運作的知識,也需要有純熟的製造工藝配合才能完成,而知識與技術都需要時間的積累才會成熟,不可能當下憑空出現。也就是說,在安提基瑟拉儀發明之前,齒輪的相關知識與技術必定已存在相當時日。因此,如果說安提基瑟拉儀是史上第一台計算機,那麼若要探討計算機的起源,我們勢必得將目光投往阿基米德那個時期的古希臘。

 

文章難易度
張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 400 位粉絲
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》。


0

5
0

文字

分享

0
5
0

如何從茫茫大海中,找到戰爭遺留的深水炸彈?——海底掃雷行動

Else Production
・2022/01/19 ・2597字 ・閱讀時間約 5 分鐘

對於年輕人來說,我相信「深水炸彈」一詞並不會陌生,因為這近乎是每一個狂歡派對裡的必需品。但對於埋藏在深海裡的炸彈,大家又有沒有想過我們如何找出來?

這些未爆炸的軍備,我們稱之為 Unexploded Ordnance(簡稱 UXO),有可能是水雷,有可能是深水炸彈,也有可能是導彈。它們多數是第一次或第二次世界大戰遺留下來的產品,受到多年來沉積(即水流在流速減慢時,所挾帶的砂石、塵土等沉淀堆積起來)的影響,令它們埋藏在海床以下的地方。跟據 Euronews 的估計,單單在波羅的海亦有超過 30 萬的 UXO 埋在那裡。

二戰期間,桑德蘭水上飛機掛載的深水炸彈,圖/維基百科

你也許會問,既然都已經埋藏了,何況我們仍然要處理他們?這是因為我們會在海底裡鋪設電欖、水管、天然氣輸送管等輸送系統,假如鑽探過程中不小心觸碰了它們已產生意外,或是在完成工程某一天突然爆炸而令輸電系統中斷,後果可真是不堪設想。因此,最理想的方法便是把他們全部找出來並繞道而行,或是安排專家把他們處理。

真正的大海撈針:用磁場把 UXO 吸出來!

要找到這些 UXO,最容易的方法便是使用金屬探測的方法,但由於普遍的金屬探測器的探測範圍是不超過 2 公尺的,我們很難把探測器貼近凹凸不平的水底前行(這大大增加了磨損探測器的風險),因此我們會選擇較間接的方法:磁強計(Magnetometer)。由於大部份的彈藥外層是用鐵形成的,而鐵是對磁非常敏感的,因此我們能夠在較遠的範圍便能察覺他們的存在。當在外勤工作,我們會以兩個磁強計為一組去作探測,令我們更準備知道其實際位置及大小。讓我們看看以下例子:

圖 1:磁強計的探測結果

在圖 1 裡,假設我們知道標記「1」是一個 UXO 的位置,上圖的平行線為磁強計由左至右的移動路線,下圖為磁場沿路的變化。我們可以看見,當若果沒有任何金屬物件存在的話,兩個磁強計量度的數是相近的,亦即是該環境本身的磁場。但在 UXO 的附近,我們可以看到明顯的變化。藍色線代表航行路線的左方磁強計的量度值,燈色線代表右方,由於磁場強度會隨著距離而減少,因此很明顯這一個 UXO 的位置更接近藍色線,亦即是航線的上方。

我們可以透過兩者的差距估計其位置及大小,但為了確保其真實性,我們亦會在附近再次航行,假如也有磁場變異,這便是一個不會移動的金屬物品(撇除了船、飄浮中的海洋垃圾等的可能性)。

排除法:用側掃聲納窺探看不見的海底!

正如上文提要,磁場變異所告訴我們的,只是金屬物品的位置,但它亦有可能不是炸彈,也有可能不是埋在海床下,因此我們也會使用其他科學方法去驗證。其中一個便是側掃聲納(Side Scan Sonar) ,透過聲波反射的原理,我們可以看到海床的影像。假如海床是乾淨的,聲波傳送及接收的時間是一樣的,因此我們可以看到連續的晝面。但假如有異物在水中間或海床上,聲波便會被折射而形成黑影。讓我們看看以下例子:

圖2: 側掃聲納 圖片,紅色箭咀範圍代表沒有反射的區域,綠色箭頭範圖代表船與海底的距離 (圖片來源:Grothues et al., 2017)

看看圖 2。燈色的部份是海床的晝面,中間白色的部份是船的航道,亦是側掃聲納的盲點,而黑色的部份則是有物件在海床上方而形成的聲波折射,讓我們能夠清楚看見它們的形狀。有時候我們亦會看到一些海洋垃圾,如車胎、單車等,而在上圖的左上方,我們相信是一些棄置的工業廢料。

當然你也可以爭論,在圖左上方的物件有機會不是死物,而是一種未知海洋生物,因此我們也會進行多次的側掃聲納,如果在同一位置並不能再看到它,那麼這是生物的機率便很高。假如在磁場異變的位置側掃聲納沒有探測到任何物件,這進一步證明其 UXO 的可能性。但假如有黑影在上方,我們也會透過黑影分析其大小是否吻合,並會憑經驗分析該物品會否存在金屬。

此外,在看側掃聲納,我們也很重視在磁場異變的位置附近有沒有刮痕,因為形成刮痕的原因多數是船上作業頻繁的地方,有機會是漁船拖網的地點,也有機會是大船拋錨起錨的地方,而這些動作均有機會接觸或移動了這些潛在的 UXO,產生危機。因此,這些地方都會是我們首要處理的地方。

筆者按:假如大家想看看其他用側掃聲納發現的東西,如沉船、飛機等,可以到這裡觀看

萬無一失:Mission Completed !

當然,在取得數據時,我們也要儘可能減低人為因素而形成的影響。舉個例子,我們要確保磁強計遠離測量船,以免船上的儀器影響了磁強計。因此,我們並不會把磁強計綁在船底,而是把它們用纜索綁在船尾數十米以外的地方拖行。

另外,我們也要確保測量船要以均速航行,以確保所有數據都是一致的。最後,我們也要確保船上的 GPS 系統準確無誤,否則所有有可能是 UXO 的位置都是錯誤的。

完成以上的工序後,我們便會製作磁梯度圖(Magnetic Gradient Map),把剩餘下來的磁場變置點用其強度及大小表示出來,正如圖 3,再交給拆彈專家們處理。他們便會跟據他們的專業知識,加上該海岸的戰爭歷史,對比當時有可能參戰的國家、使用的武器及其金屬含量以找出存在的炸彈來處理。

要知道這些 UXO,單單在 2015 年在世界各地亦奪去了超過 6000 人的性命,因此這個科學命題可真是不容忽視!

圖 3:磁梯度圖。左邊是潛在 UXO 的位置而右邊則是它們的磁場強度的改變。(圖片來源:Salem et al., 2005)

延伸閱讀:

參考資料:

  1. Salem, A., Hamada, T., Asahina, J. K., & Ushijima, K. (2005). Detection of unexploded ordnance (UXO) using marine magnetic gradiometer data. Exploration Geophysics, 36(1), 97–103.  
  2. Han, S., Rong, X., Bian, L., Zhong, M., & Zhang, L. (2019). The application of magnetometers and electromagnetic induction sensors in UXO detection. E3S Web of Conferences, 131, 01045.
  3. Image scans gallery. EdgeTech. (n.d.). Retrieved January 5, 2022, from https://www.edgetech.com/underwater-technology-gallery/ 
  4. Grothues, T. M., Newhall, A. E., Lynch, J. F., Vogel, K. S., & Gawarkiewicz, G. G. (2017). High-frequency side-scan sonar fish reconnaissance by autonomous underwater vehicles. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 74(2), 240–255.

本文亦刊載於作者部落格 Else Production ,歡迎查閱及留言

 

Else Production
76 篇文章 ・ 908 位粉絲
馬朗生,見習地球物理工程師,英國材料與礦冶學會成員,主力擔任海上測量工作,包括海床勘探、泥土分析、聲波探測等。