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如果上帝就像鐘錶匠,當然我們也能?│《電腦簡史》 齒輪時代(十二)

張瑞棋_96
・2020/05/11 ・2777字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 492 ・五年級

人類發明機械生物,不僅展現齒輪工藝的成熟與演進,更是為後世的研究埋下伏筆。隨著時代推演,向來以神學為重的歐洲國家也底擋不住來勢洶洶的「科學革命」,科學家們運用各種研究方法,紛紛顛覆傳統概念,這種突破思維的精神,也開始在人們心中潛移默化,對於新奇的研究成果深信不疑,然而這種現象也使科學騙局隨之而來……

本文為系列文章,上一篇請見:從「鐘」的演化史看見絕妙的齒輪工藝世界│《電腦簡史》 齒輪時代(十一)

從神話幻想到機械玩偶問世

人類很早之前便有機械生物的遐想。例如希臘神話中,火神赫菲斯托斯 (Hephaestus) 打造一金一銀兩隻守門犬,還用青銅打造了會噴火的戰馬、公牛,以及巨人塔羅斯 (Talos) 。而在中國,《列子》這本書中也描述工匠偃師製作了一具木偶,在周穆王面前載歌載舞,宛如真人的故事。

巨人塔羅斯 (Talos) 是希臘神話中的青銅巨人,守護克里特島,可見在很早時期,人們早已擁有對機器人的構想。圖\wikipedia

這些神話與寓言原本純粹是天馬行空的幻想,但齒輪與動力機制發明以後,機械生物似乎就不再那麼遙不可及,而是可以追求的目標了。就像前面幾章介紹過的,從古希臘到阿拉伯世界,乃至中國,不斷有各式各樣機械玩偶,有些附屬於天文鐘內的報時裝置,也有像倒酒女侍這種自成一體的仿人機器。齒輪技術傳入歐洲後,除了用於製作機械鐘,也隨即用來打造自動機器。這些自動機器的藍圖或許是在翻譯書籍裡發現,也或許是十字軍東征與收復失土運動帶回來的見聞,甚至是掠奪回來的成品,總之,在重力機械鐘出現之前,歐洲已經有不少精巧的自動機器了。

十三世紀末,法國的阿圖瓦伯爵,羅貝爾二世 (Robert II, Count of Artois) 就請人在他的宮廷花園中,建造了好幾具自動機器,包括會動的鳥、猴子、獅子,以及自動噴泉與管風琴。歐洲的鐘樓到後來也開始加入機械玩偶,就像加扎里的城堡天文鐘那樣,這些玩偶會在正點時出來奏樂報時。 1495 年,全能天才達文西也設計了一具真人大小的盔甲武士,能夠原地坐下、站起身來、舉手,以及開啟面罩。

說實話,這些機械玩偶只會做出動動四肢、張張嘴巴這種簡單的動作,看起來相當笨拙,與神話故事中的想像還有相當大的差距。不過隨著製造工藝進步,機械玩偶使用更小、更多的零件,逐漸能做出更複雜、更細微的動作。加上改以發條做為動力來源,不用再固定於原地,可以四處走動,機械玩偶終於比較像一個活生生的獨立個體。

美國的史密森尼學會 (Smithsonian Institution) 收藏了一台現存最早的發條機器人,是 1560 年製於西班牙或德國南部。這具機械僧侶高約三十八公分,會繞著正方形路線走動。行走時搖頭晃腦,嘴巴一張一合彷彿唸唸有詞,同時左手持十字架與玫瑰念珠上下擺動,右手一邊拍打胸部,完全就是僧侶祝禱的模樣。

欺騙世人眼睛的「擬真」機器鴨

機械玩偶不斷進化,做得越來越像真的生物。1738 年,不到三十歲的法國發明家沃康松 (Jacques de Vaucanson)所發明的機械玩偶,竟然讓巴黎民眾願意花相當於普通勞工一星期的收入,買票入場參觀,

其實裡面只有展示三具機械玩偶,分別是吹笛人、鼓手與機器鴨。吹笛人雙手拿著橫笛,會吹十二首曲子;鼓手的左手拿三孔笛吹奏,右手同時打鼓。它們的大小與裝扮都和真人一樣,外觀上完全看不出機械零件,而且所用的都是真正的樂器,配合空氣幫浦吹奏,看起來就像是真人在演奏。

在吹笛人與鼓手之間的機器鴨看起來貌不驚人,其實最為神奇。它用了四百多個零件,不但如鴨子般拍拍翅膀、發出呱呱的叫聲,還會伸長脖子吞食你餵它的飼料,重點是,過一會兒它竟然會排出綠色的便便。

機器鴨表演完後,沃康松還會打開外殼,向嘖嘖稱奇的觀眾解釋運作原理。裡面的元件皆可對應到真鴨的體內器官,就連位置也都一樣。沃康松指著這些元件一一解釋:食物經由食道進入特製的化學處理器(相當於胃),分解後再經過彎彎曲曲的橡膠管(相當於腸子),最後從管子末端(相當於肛門)排出來。

機器鴨模擬真實鴨子內部臟器的位置,並聲稱具有消化功能,精緻縝密的設計,使當時人們全然相信其真實性。圖\wikipedia

沃康松是真的具有這些生物學知識,他不但上過解剖學的課,還從外科醫生好友處獲得實務經驗。他正是因此更加堅信生物器官猶如機器,只要搞清楚每個器官的功能,就能用機械裝置模擬它們的運作。真實生物能做的,機械生物也都能做到,機器鴨就是一個證明

不過,沃康松誇大了機器鴨的能耐,所謂消化與排泄的功能,其實是用造假的手法完成的。那些糞便是用染色的麵包屑捏成小塊後,預先藏於鴨子的肚裡,並不是來自吞下的食物,也就是說,這隻機械鴨實際上並不會消化食物。這個祕密直到一百年後才被揭穿,但在此之前,民眾卻普遍相信這隻機器鴨真的有消化食物的能力。

為什麼大家都如此深信不疑?上個世紀末,歐洲到處都還可見到像是女巫審判的迷信現象,為什麼到了十八世紀,民眾就對科學與科技抱持如此樂觀的態度?轉變並非一朝一夕,這一切,始自於十六世紀中葉開始的「科學革命」。

從相信科學到相信機器文明

1543 年,哥白尼在臨終前出版的《天體運行論》中提出日心說,主張天體並不是繞著地球轉,而是繞著太陽轉,包括地球也是。這個理論不但顛覆一般人的認知,更是違背基督教傳統教義,從此開啟了科學革命。後來許多人追隨哥白尼的腳步,相信科學實證,而不是宗教教義。包括克卜勒於 1609 年與 1619 年發表行星三大運動定律,用簡單的數學公式就能描述行星如何運行;同時伽利略也自 1609 年起不斷改良望遠鏡,發現許多原本肉眼看不見的星球,打破教會的說法。

哥白尼的「日心說」違背教會所提出的「地心說」,為日後埋下了科學革命的種子。圖\wikipedia

雖然他們生前仍難以與教會抗衡,但隨著更多科學家投入研究,各項證據顯示科學,而不是神學,才是理解宇宙奧秘的方法。從十七世紀下半葉開始,歐洲各國在皇室的支持下,紛紛成立科學研究機構,從此科學浪潮再也不是教會所能阻擋了。當牛頓於 1687 年宣布萬有引力定律時,已經不用擔心教會的看法。隨著越來越多科學預測成真,科學也逐漸在人們心目中建立起權威性。

除了宇宙現象,人類也逐步揭開大自然的神秘面紗。例如虎克於 1664 年用顯微鏡發現「細胞」,揭露萬物還有更小的構造;波以耳也約莫在此時率先使用科學的實驗方法,開創化學這門學科。隨著各種科學定理陸續發現,科學革命累積了豐碩的成果,為十八世紀中葉開始的工業革命奠定基礎。蒸汽機、紡織機與煉鋼技術大幅改變生產方式,原有依賴大量人力的工作都可以由機器取代,人們的生活起了翻天覆地的改變。

對於當時目睹科技快速進展的民眾而言,機器似乎無所不能,那麼,一隻會進食排便的機器鴨又哪需要懷疑呢?就在這種對科學與科技懷抱著無比信心的社會氛圍中,一場更大膽的騙局隨之登場……。

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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 320 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》。


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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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