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什麼?阿拉伯帝國學風開放,還搞出第一台可編程機器?│《電腦簡史》 齒輪時代(七)

張瑞棋_96
・2020/04/06 ・2675字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 536 ・七年級

從沙漠中崛起的阿拉伯帝國快速擴張,版圖橫跨歐、亞、非。不同於刻版印象中的軍事強國與宗教國家,阿拉伯帝國以自由開放的態度擁抱學術思想,首都巴格達成為繼亞歷山卓之後的學術中心。希臘先哲的智慧結晶,竟是在語文、宗教、文化都大相逕庭的伊斯蘭文明中發揚光大……。

本文為系列文章,上一篇請見:羅馬帝國一分為二,對人類文明是件好事?│《電腦簡史》 齒輪時代(六)

阿拉伯帝國海納百川,智慧宮成為學術聖殿

七世紀初,阿拉伯半島上諸多不同的遊牧民族,在先知穆罕默德的號召下,以伊斯蘭教為核心,結合成為一個統一的國家。穆罕默德於 632 年過世後,繼任的哈里發 (Caliph ,阿拉伯帝國的最高統治者) 很快就開始對外擴張,一方面向東攻擊波斯帝國,同時也進攻西邊的東羅馬帝國,勢如破竹地取得中亞以及埃及的領土,阿拉伯帝國就此崛起。到了八世紀中葉,阿拉伯帝國已經成為橫跨亞、非、歐的軍事強國,版圖擴及非洲北部與歐洲的伊比利半島。

雖然阿拉伯帝國是軍事強國,又是個宗教國家,但由於穆罕默德本身就非常重視知識與教育(他曾說過:「追求知識是每個穆斯林的義務。」),繼任的歷代哈里發也非常重視學術文化。因此阿拉伯軍隊在攻城掠地時,還特地把波斯帝國和拜占庭帝國收藏的文獻著作搜刮回國。

到了八世紀中葉,阿拔斯 (Abbasid) 王朝更將阿拉伯帝國的學術水平推往高峰。先是阿拔斯王朝第二任哈里發曼蘇爾 (Al-Mansur) ,在巴格達建立新都時,效法波斯帝國的薩珊王朝 (Sassanid Empire) ,也設立了一座王室圖書館。之後幾任哈里發則把圖書蒐集的範圍,擴及到希臘、中國、印度等地。第七任哈里發馬蒙 (Al-Ma’mun) 更是重視知識教育,他在 813 年至 833 年二十年執政期間,進一步將王室圖書館擴展為像亞歷山大圖書館那樣的學術機構。為了鼓勵伊斯蘭學者投入研究,他設立專職機構,有系統地將蒐集來的圖書翻譯為阿拉伯文。同時,馬蒙也歡迎各地學者前來巴格達,不分種族、不論宗教。這個學術機構很快便因廣納人才而日益擴大,而以「智慧宮」 (House of Wisdom) 的美名享譽四方。

阿拉伯帝國建立「智慧宮」 (House of Wisdom) ,匯集各地文化資產、智慧結晶而聲名遠播。圖\wikipedia

此時的伊斯蘭世界無論在學術、宗教,或種族方面,都採取開放包容的態度,加上與各地的經貿往來也越來越頻繁,到了九世紀,首都巴格達已成為人文薈萃的城市,一如幾百年前的亞歷山卓,吸引各地學者在此駐留。從八世紀中葉到十三世紀這五百年的黃金時期,伊斯蘭學者提出各項新的創見與發明,範圍遍及數學、天文、物理、化學等不同領域,例如代數的開創者之一花剌子密 (al-Khwārizmī ,演算法的名稱便是出自他的姓氏) 、最早正確解釋視覺原理的光學先驅海什木 (al-Haytham) ,都是在這個時期發表影響深遠的著作。

穆薩兄弟成為延續希臘學術的幕後推手

這些創見與發明當然不是憑空而來,如果不是阿拔斯王朝四處蒐集圖書,並大量翻譯為阿拉伯文,伊斯蘭學者就無法站在希臘學者的肩膀上,再創學術高峰。而在翻譯工程中扮演重要角色的,是馬蒙特別任命的穆薩三兄弟 (Banū Mūsā brothers) 。

其實穆薩三兄弟並非阿拉伯人,而是波斯人;之所以被委以重任,與父親有很大的關係。他們幼時與父親原本住在大呼羅珊 (Khorasan ,現今的伊朗、阿富汗一帶) ,當時馬蒙還只是駐守此地的親王。馬蒙看中他們父親的才能,委派他負責觀測天象,兩人因而培養出很深的交情。後來馬蒙當上第七任哈里發,穆薩兄弟與父親也跟著來到巴格達。父親過世後,他們三人被馬蒙帶入宮中照料,還讓他們進入智慧宮學習。穆薩三兄弟在智慧宮學會希臘文,對希臘學術思想大為折服。於是當馬蒙賦予他們翻譯工程的任務,他們便想方設法,以金錢與外交手段從拜占庭帝國蒐購希臘典籍。許多希臘經典因此才免於失傳,例如《幾何原本》與《天文學大成》便是從阿拉伯文譯本,翻譯為拉丁文傳到歐洲的。

除了翻譯,穆薩三兄弟也發表了二十餘本著作,範圍涵蓋數學、天文與機械。其中於 850 年發表的《奇巧裝置之書》 (Book of Ingenious Devices) ,以圖文解說介紹了近百種機械裝置,從實用的工程機械到好玩的自動機器都有。這些裝置有許多是前人的發明,包括希臘、波斯、印度、中國等地都有。「拜占庭的費隆」及「亞歷山卓的希羅」兩人的部分作品,也收錄在這本書中才為後人所知。

穆薩三兄弟發表的《奇巧裝置之書》 (Book of Ingenious Devices) 涵蓋古今中外的實用的工程機械及好玩的自動機器,當中許多裝置是源自古希臘的發明。圖\wikipedia

第一個可編程 (Programmable) 機器-會奏樂曲的機器吹笛手

這本書除了前人的作品,也有不少穆薩兄弟自己發明的機械裝置,其中特別值得一提的,是一尊會吹奏樂曲的吹笛手。

這尊吹笛手可不是做做樣子,而是真的用嘴巴吹笛子。原來嘴巴吹出的氣是來自開水沸騰後的蒸氣,同時這股蒸氣的力量也帶動一個圓筒轉動。圓筒表面有許多突起的針柱,當轉到吹笛手的手指底下時,便會撐起原本按住笛孔的手指,而發出高低不同的音調。只要適當安排針柱散布的位置,隨著圓筒轉動,手指被經過的針柱頂得此起彼落,自然就吹出一首完整的曲子。這個設計正是後來音樂盒的構造,音樂盒同樣以圓筒表面的針柱控制音調,差別在於針柱挑動的是長短不一的鋼片。因此穆薩兄弟設計的吹笛手可算是音樂盒的鼻祖。

更重要的是,它在計算機的發展歷史上,或許是史上第一個可編程 (Programmable) 的機器。所謂「可編程」,是指機器的運作方式由某個「程式」控制,只要變更程式,就可以讓機器執行不同的任務。一般機器的運作都固定不變,例如費隆與希羅的自動機器固然巧妙,但每次啟動後的動作都千篇一律。而穆薩兄弟的吹笛手,只要更換不同圓筒,就能吹出不同曲子;針柱位置就相當於這台自動機器的程式,更換圓筒就相當於更換程式,所以才說它是台可編程的機器。

不過穆薩兄弟自己可能沒有意識到這項功能的重大意義,因為他們書中並未特別提及圓筒是否可以更換。真正發揮可編程強大功能的機器,還要再等將近千年才會出現。

穆薩兄弟設計的吹笛手或許是史上第一個可編程 (Programmable) 的機器。圖\YouTube

無論如何,穆薩兄弟編寫的《奇巧裝置之書》在自動機器的傳承上扮演了承先啟後的角色。以費隆與希羅的發明來說,他們的原始著作後來都已佚失,幸好有穆薩兄弟這本書,他們這些作品才有機會啟迪後人,設計更精巧的自動機器。另一方面,穆薩兄弟自己的發明也貢獻不小,除了吹笛手,他們還發明許多控制裝置,例如錐形閥門,就成為幾百年後水力天文鐘的重要零件。

文章難易度
張瑞棋_96
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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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推開地獄之門?冰島開挖全球首座「火山岩漿井」,開啟地球科學新篇章!

安比西林_96
・2021/10/20 ・2720字 ・閱讀時間約 5 分鐘

水井、石油井和天然氣井大家都知道,但你有聽過「岩漿井」嗎?最近,冰島著手開挖全球第一座「火山岩漿井」。這似乎是一個瘋狂的主意,滾燙的岩漿可高達攝氏上千度,還可能伴隨著可怕的火山災害。不過這個前所未有的大膽計劃,不僅具備新興可再生能源的巨大潛能,更有望開啓地球科學的新篇章!

冰與火之地——冰島,100% 依靠可再生能源的國家

落在北極圈邊緣的冰島(Iceland),擁有壯闊冰川與絢麗極光,同時也是地球上火山活動最頻繁的地區之一,可謂名副其實的「冰與火的國度」。這座大約 1500 萬年前才因火山活動形成的年輕島嶼,因位在大西洋中洋脊[註1]之上,受到歐亞大陸板塊與北美洲板塊往各自方向的拉扯,而有著 32 個活躍的火山系統,且平均每 4 年就會發生噴發。

圖/wikimedia

除了令人屏息的天然極地美景,冰島更是全球綠能國家中的模範生。得天獨厚的地理條件,讓冰島超過 99% 的電力都是依靠可再生能源,其中 73% 的電力源自水力發電,另 26.8% 則來自地熱能。在可再生能源,尤其是地熱能的開發應用技術上領先世界的冰島,在地發電厰不單是觀光旅游的賣點之一,更吸引了不少國外的投資入駐,以降低企業的碳足跡。

延伸閲讀:利用地球的熱情發電吧:深層地熱發電

通往「地獄」之門,也是推開科學新研究的大門

地熱能開發技術純熟的冰島,在 2009 年的一次鑽探中,卻遇到了意想不到的變故:原本想開挖深達 4500 公尺下的熱水,沒想到卻在 2100 公尺處挖到了一個岩漿庫[註2]!這此的開挖位於冰島北部的 Krafla 火山口附近,一個較小火山口 Víti (冰島語中正是「地獄」之意)邊上。

大量的蒸汽與玻璃從鑽孔中噴湧而出,在鑽探套管報廢之前,還觀測到破紀錄的 900°C 高溫。原先的計劃被迫喊停,但科學家卻從中看到進行地科研究的大好機會。

2009 年時,原先要鑽探地熱井的冰島團隊,卻意外挖到了一口岩漿井。圖/science.org

這起事故,促成了克拉夫拉岩漿試驗臺( Krafla Magma Testbed,簡稱 KMT)研究計劃的誕生。時隔多年籌備,這個備受矚目與期待的計劃,在國際大陸科學鑽探計劃(International Continental Scientific Drilling Program)與多個科研機構的支持資助下,終於於今年展開。這一次,科學家們帶著更堅實的鑽探工具,與明確的鑽研目標,要來敲開通往「地獄」的大門。

「我們曾去過火星,也到過金星,但我們從未觀測過地表下的岩漿。」意大利國家地理物理與火山學的研究主任 Paolo Papale 如是説道。

過去火山學家一直缺乏直接觀測地底岩漿的機會,只能仰賴地震儀、GPS 感測系統和雷達衛星,來推測岩漿的運動。儘管他們可以調查噴發到地表的熔岩,但這些已固化的樣本,早已失去大部分原本所含有的氣體。這些氣體是驅動火山噴發,影響岩漿原始溫度、壓力與成分的關鍵。

自 2009 年與這口岩漿井打交道以來,科學家確認它的脾氣相當溫和,並無噴發的太大風險,加上位處偏僻無人居住之地,因此非常適合進行研究。未來若從 KMT 取得新鮮熱辣的岩漿樣本,將可用來驗證過去科學家對於岩漿的認知是否屬實。

地底下的岩漿,揭開大陸形成的秘密

地球大部分海床,都是由玄武質熔岩[註3]構成,冰島也不例外 。然而組成大陸地殼的花崗岩,卻是由另一種更粘稠、富有二氧化矽的流紋質岩漿而來,而 KMT 岩漿井底下的就是流紋質岩漿。

為什麽構成海床與大陸地殼的熔岩種類有所差異?科學家相信,探究以玄武岩為主要構成的冰島上的流紋質岩漿樣本,將揭秘這個地質科學中很基本,卻未解決的問題。

要長期監測岩漿井的溫度、氣壓、化學成分等參數,實實在在地挑戰人類科技的極限,因為靠近岩漿處的溫度可是超過攝氏一千度。鑽探團隊正測試各種能耐高溫及膨脹的器械,而科學家也在研發各種可抵抗高溫高壓的新型偵測器。

這些研究成果不僅能用於地球科學,有朝一日更可能造福太空探索,如被運用在登陸太陽系中環境最惡劣的金星上。

水手 10 號拍攝的金星,由可見光與紫外光影像疊合而成,可見其表面被一層厚厚的硫酸雲遮蓋。圖/維基百科

一口岩漿井,將成為世界重要的火山學中心

KMT 引領科技的創新,也為冰島的地熱能產業帶來突破的機會。越靠近熾熱的岩漿,利用地熱能發電的效率便會增倍,這麽一來便可減少為了滿足能源需求而開挖的地熱井數量,降低對周圍環境造成的衝擊。光是在 2009 年意外挖掘的這一口岩漿井,就具備可以供應一整個小鎮電力的潛能。

開挖岩漿井時,需要注入大量的水來冷卻與潤滑鑽頭,這個對火山系統進行擾動的過程,也提供科學家一個瞭解火山運動的絕佳觀測機會。進行鑽探後,地震波速度發生的改變,也可透露岩漿流動的範圍。透過探究這些細微的火山運動變化,科學家能更好預測火山的噴發,讓我們能建立更整全的火山預警系統。

「十年後,這裏將可能成為火山學的中心。」冰島地熱研究中心科學主管 Ottó Elíasson 這麽認為。觀察地底下流動的岩漿,就像在瞭解地球的脈動,可以告訴人類更多關於這顆星球的故事,更能帶領我們走向更多科學新的可能性。

註釋

  1. 大西洋中洋脊(Mid – Atlantic Ridge,又稱中大西洋帶),是橫跨大西洋及北冰洋、大部分地區位於海底的山脈。
  2. 岩漿庫(Magma chamber,又稱岩漿房),是地球表面下一至十公里處由熔岩和火山灰氣體形成聚集之處。由於其內的岩漿密度比周圍的母岩來得低,因此會產生使岩漿往上移動的浮力。如果出現可讓岩漿通往地表的管道,便會造成火山噴發。
  3. 玄武岩(basalt),由基性岩漿噴發凝結而成,主要成分是矽鋁酸鈉或矽鋁酸鈣,是一種細粒緻密的黑色火成岩。玄武岩質熔漿被認為源自地球的上部地函。

延伸閱讀

參考資料

  1. Forget oil or water. In Iceland, well diggers seek to tap a volcano’s magma
  2. VisitIceland – Geography of Iceland
  3. VisitIceland – Renewable energy
  4. Magma chamber
  5. Krafla Magma Testbed
  6. Rhyolite
  7. Basalt

安比西林_96
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本職為生態環境領域的可撥煙酒生。 不定時掉落科普文章。 大家一起嗑科科(❍ᴥ❍ʋ)
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