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阿基米德的小發明,是螺絲界的一大步!——《轉動世界的小發明:螺絲釘與螺絲起子演化的故事》

貓頭鷹出版社_96
・2020/11/13 ・2296字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 583 ・九年級

散佈地中海各地的發明——水螺絲

水螺絲由一根直徑約三十公分、長三至四.五公尺、裝入防水木管中的巨大螺釘組成。兩端開放的木管以低角度傾斜安裝,下端則沒入水中;當一人在木管外周的防滑釘上行走,進而帶動整個裝備旋轉之際,由木管下端進入的水,便由螺絲的螺旋形分隔(也就是螺紋)向上移動,而自頂端浮現。

水螺絲的轉動緩慢,能力卻相當大(角度愈低,流動量便愈大),有人估計它的機械效率可高達百分之六十,與後來提升水位的裝置如水車及水桶運送帶相較,還略勝一籌。

後人繪製的阿基米德式螺旋抽水裝置。圖/Wikimedia common

水螺絲最早的記載,出現於西元前第二世紀,眾學者均將這項發明歸功於阿基米德。據戴奧多羅斯記載,阿基米德發明水螺絲時,還是個在亞歷山大城求學的年輕人。

這點很合理。這項裝備對於埃及的農業灌溉而言非常理想,水螺絲和大水車不同,它能夠輕易地隨處移動;它所提升的水位並不高,但應付平坦的三角洲卻綽綽有餘;而其沒有活動零件的簡單設計,則能抵抗淤泥充塞的尼羅河河水引起的堵塞。

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水螺絲的科技,由埃及散布至地中海各地。水螺絲用於灌溉,但也有其他的應用,據說阿基米德曾經利用水螺絲,倒光了國王亥厄洛一艘大船底部的汙水。古羅馬人也利用水螺絲,提升市政給水系統的水位,以及為礦坑抽水。二十世紀早期,在古羅馬位於西班牙的銅礦中發現了一些保存完善的木製水螺絲。

這些長達三.五公尺、直徑約三十公分的管子,以塗有瀝青的布料包裹,並以繩索鞏固;在其內部,螺旋形的分隔則以壓成薄片的木板製成,膠著後以銅釘固定。四根像這樣的水螺絲聯合起來,能將水位垂直提升約六公尺的高度。

古羅馬水系統也利用水螺絲供給市政用水。圖/BBC

戴奧多羅斯描述:「藉著不斷地輪流打水,它們將水自礦坑口吐出,從而排乾礦坑中的水;由於這工具的設計是如此別出心裁,大量的水得以奇妙而不費吹灰之力地射出。」自從戴奧多羅斯將水螺絲與其他提升水位的古老設備,如複雜的水桶運送帶和水車等相比較之後,便對水螺絲的簡明和有效留下深刻的印象。

鼓形水車是一種相當普通的水車,為一只直徑三至四.五公尺的大型中空輪,裡頭分隔成八個餅形的隔間。隨著水車轉動之際,水流進位置最低、沒入水中的隔間,而當該隔間抵達最高位置時,便自其流出。有人提議說,鼓形水車很可能是阿基米德靈感的來源。

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鼓式水車。圖/wikipedia

實際上,如果把鼓形水車的形狀拉長一點,並使其沿著中軸旋轉,它便會產生一條圓柱螺旋線。這種三維外推法雖然一點兒都不顯然可見,但對一位熟練的數學家而言,卻非難事。將水螺絲的發明歸於阿基米德的假設,還有另一則有趣事實可供佐證。

想像力真的是一種超能力

在所有的希臘及拉丁文學中,唯一一件關於水螺絲的詳細敘述(作者是維特魯維亞),明確地描述一根具有「八個」螺旋形隔間的水螺絲;而如果水螺絲是自鼓形水車得到靈感,就正該是這個數字。 維特魯維亞描述的應該是最早的水螺絲;後來的古羅馬工程師,一旦發現八個隔間並沒有任何的機械利益,還增添不少成本時,便將隔間數目降低至二或三個。

不論阿基米德的靈感是否來自鼓形水車,水螺絲是由於人類想像力才得以實現的又一則機械發明實例,和科技演進無關。想像力是個善變的東西,以古代的中國人為例,他們並不知道水螺絲的存在;事實上他們連螺絲都沒聽過,螺絲是他們不曾自行發明的唯一一項機械裝置。

1620 年費第 (Domenico Fetti) 畫作《沉思的阿基米德》。圖/Wikimedia common

另一方面,當古羅馬人發明木螺鑽時,他們已經知道螺絲的存在,卻從未了解相同的原理可以解決一則重大的鑽孔問題:深孔極易被木屑堵塞。一直到十九世紀早期,所謂的螺旋鑽才得以發明;隨著鑽錐的轉動,螺旋狀的鑽柄會自行清除木屑。

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水螺絲不僅是一台簡單而別出心裁的機器,就我們所知,它也是人類歷史上首度登場的螺旋線。螺絲的發現代表一種奇蹟;原本就只有像阿基米德這樣的數學天才才能描述螺旋線的幾何結構,也只有像他這樣的機械天才,才能為這不尋常的形狀想出一個實際的應用。

如果他還是個在亞歷山大求學的年輕人時就發明了水螺絲,後來並(如我私心所想一般)將螺旋線的概念改良應用於無限螺桿之上,那我們一定要在他許多傑出的成就上面,再添加一則小小的、卻不盡然微不足道的榮銜:螺絲之父。

——本文摘自泛科學2020年11月選書《轉動世界的小發明:螺絲釘與螺絲起子演化的故事》,2020年 9月,貓頭鷹
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貓頭鷹出版社_96
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貓頭鷹自 1992 年創立,初期以單卷式主題工具書為出版重心,逐步成為各類知識的展演舞台,尤其著力於科學科技、歷史人文與整理台灣物種等非虛構主題。以下分四項簡介:一、引介國際知名經典作品如西蒙.德.波娃《第二性》(法文譯家邱瑞鑾全文翻譯)、達爾文傳世經典《物種源始》、國際科技趨勢大師KK凱文.凱利《科技想要什麼》《必然》與《釋控》、法國史學大師巴森《從黎明到衰頹》、瑞典漢學家林西莉《漢字的故事》等。二、開發優秀中文創作品如腦科學家謝伯讓《大腦簡史》、羅一鈞《心之谷》、張隆志組織新生代未來史家撰寫《跨越世紀的信號》大系、婦運先驅顧燕翎《女性主義經典選讀》、翁佳音暨曹銘宗合著《吃的台灣史》等。三、也售出版權及翻譯稿至全世界。四、同時長期投入資源整理台灣物種,並以圖鑑形式陸續出版,如《台灣原生植物全圖鑑》計八卷九巨冊、《台灣蛇類圖鑑》、《台灣行道樹圖鑑》等,叫好又叫座。冀望讀者在愉悅中閱讀並感受知識的美好是貓頭鷹永續經營的宗旨。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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【成語科學】水漲船高:浮力是什麼?為什麼蘇伊士運河會「大排長榮」?
張之傑_96
・2023/10/11 ・1096字 ・閱讀時間約 2 分鐘

根據教育部編《國語辭典》,這成語的解釋是:「比喻人或事物,隨著憑藉者的地位提升而升高。」你覺得拗口是不是?其實這成語是說,水位高了,水裡的船跟著升高,造兩個句你就更明白了。

油價一漲,民生用品水漲船高,人們的生活開支就增加了。

最近老師教得認真,結果水漲船高,段考成績普遍提高了。

如果水位變低了呢?水裡的船當然跟著降低。當水位低於船隻沒入水中的部份(稱為吃水),船隻就會擱淺。談到這裡,就得談談浮力原理了。

這原理的發現還有個小故事呢!相傳某希臘國王,做了一頂純金王冠。有人密報,金冠攙假。然而秤一下重量,又和當初交給金匠的純金一樣重。國王還是不放心,就請科學家阿基米德鑑定。

阿基米德苦思多日,想不出辦法。一天,他在家裡洗澡,當他進入澡盆時,看見水往外溢,突然悟出:「可以用測定固體在水中排水量的辦法,來確定金冠的比重啊!」他興奮地跳出澡盆,大聲喊著:「尤里卡,尤里卡!」(尤里卡,就是「發現了」的意思)。

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阿基米德驚呼「尤里卡!」。圖/wikimedia

阿基米德把王冠和同等重量的純金,放在兩個容量相同、盛滿水的盆子裡,發現放王冠的盆子,溢出的水比另一盆多些。說明王冠的體積,比相同重量的純金的體積大,證明了王冠並非純金製的,揭露了金匠欺君之罪。

阿基米德因此發現了浮力原理(又稱阿基米德原理):物體在水(液體)中所獲得的浮力,等於物體所排出(開)液體的重量。根據浮力原理,只要水夠深,幾萬噸的船都能浮在水上,因為它排開的水,比船還要重啊!

章老師曾搭乘郵輪經過蘇伊士運河。這條運河寬 205-225 公尺,深 23-24 公尺,所以只要船隻吃水的部份不超過 20 公尺,保證可以通行。章老師搭乘的是艘中小型郵輪,只有 3.5 萬噸,加上 1000 名乘客和 400 位工作人員,吃水可能不到 10 公尺。走在我們前面的,是艘 10 萬噸級的貨輪,也行駛得十分順當。查一下資料,這條運河可以浮起 24 萬噸的船呢!

卡在蘇伊士運河中,造成「大排長榮」的長賜號。圖/wikimedia

那麼 2021 年 3 月間怎會發生蘇伊士運河事件?發生事故的長賜號,總噸位 220,940 噸,寬 58.8 公尺,都在安全值之下。可是運河水深 23-24 公尺,是指中央的航道,靠近岸邊就沒那麼深了。長賜號被強風吹離航道,在岸邊擱淺。這還不說,長賜號全長 399.94 公尺,擱淺時斜著卡在運河中,把整條運河堵住了。

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張之傑_96
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張之傑,字百器,出入文理,著述多樣,其中以科普和科學史較為人知。

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探討量子力學,該是「發明」還是「發現」?
賴昭正_96
・2022/12/14 ・4432字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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  • 文/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

西方科學的發展基於兩大成就:希臘哲學家發明了形式邏輯系統(歐幾里得幾何),以及發現了通過系統實驗找出因果關係的可能性(文藝復興時期)。 在我看來,中國的先賢們沒有邁出這一步,也就不足為奇;令人驚訝的是這些發現出現了!——愛因斯坦,1921 年諾貝爾物理獎

在「思考別人沒有想到的東西—誰發現量子力學?」一文之意見裡,有些讀者認為應該用「發明」,而不是「發現」:

  • 量子力學該是發明而非發現的。量子現象是物理學家發現的,因此發明了一套理論來解釋——管用但非常不直覺。
  • 科學被認為一種發現,然而「詮釋」與「解釋」則似乎更像是一種「創造」或「發明」。
  • 所說「發明了一套理論來解釋」不夠清楚。應該說發明了一條方程式——薛丁格的波方程式。之後推演出一整套原子軌域只是數學上的發現必然如此,而且經實驗驗證,大自然確實如此運作。
  • 在概念上個人是以德布洛伊所「發明」的物質波為一個界線…… 對於本文所探討的誰發現量子力學?可以存在著另一個見解為薛丁格「發現」且「找到」或「猜測」出了量子波動方程;波爾、海森堡、波恩等人「發明」了量子力學。

筆者不甚苟同,因此想在這裡拋磚引玉,談一談筆者的看法。

在中文或英文裡,發現(discovery)與發明(invention)均顯然有非常不同的意義。

我們說哥倫布發現新大陸;因為新大陸早就存在自然界,所以我們不會說哥倫布發明新大陸。造紙術、指南針、火藥、及印刷術並不存在於自然界中,所以我們說這是中國古代的四大發明,而不是四大發現。從這裡我們可以看出在日常用語中,發現與發明的分別主要在於該「東西」是不是已經存在於自然界中。

月亮總是存在的,所以只能被發現,而非被發明。圖/Pexels

「存在」的物理意義

可是什麼是「存在」於自然界中的呢?相信大部分的人都持與馬赫(Enerst Mach, 1838-1916,奧地利物理學家、哲學家)一樣的看法:只五官的感覺是真實的、是「存在」的。馬赫的一句名言是:「我不相信原子的存在!」

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因此儘管道爾頓(John Dalton)在 19 世紀初就提出原子論,19 世紀中期後化學家成功地將它應用於解釋化合物的組成及化學反應現象,但大部分的物理學家到 20 世紀初還是不相信原子的存在!

1905 年,當愛因斯坦還是瑞士專利局的一位小職員時,發表一篇論文謂液體中看不到的原子會轟擊懸浮粒子,導致可以在顯微鏡下直接觀察到布朗運動(Brownian Motion)。1908 年 5 月,愛因斯坦發表了第二篇關於布朗運動的論文,提供了細節,及可透過實驗檢驗他的理論的方法。

同年,法國物理學家佩蘭(Jean Perrin)進行了一系列實驗後,寫道:「(我的結果)毫無疑問嚴格且準確地證實了愛因斯坦的(預測)公式」。佩蘭的實驗不但說服了許多物理學家相信原子的存在,他也因之獲得了 1926 年諾貝爾物理獎。

法國物理學家,尚.巴蒂斯特.佩蘭(法語:Jean Baptiste Perrin) 圖/wikimedia

可是有人「看」過原子嗎?1955 年,美國賓夕法尼亞州立大學的穆勒(Erwin Muller)和巴哈杜爾(Kanwar Bahadur)終於透過場離子顯微鏡(field ion microscope)在尖銳的鎢樣品尖端觀察到單個鎢原子,可是這並不是肉眼直接看到的,而是透過理論「解釋」所觀察到的。像前面提到之一些讀者的意見一樣,馬赫認為科學理論是用來描述與歸納觀感,它存在於感觀之外,與現實無關;但大部分的物理學家都認為這是哲學的問題,他們是「看到」了原子!物理理論是存在於宇宙中的,等待我們去發現。

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在「微中子的故事」一文裡,筆者提到了 1930 年包立(Wolfgan Pauli)為了解救能量不滅定律免於破壞,在「非常絕望下」下提出了一個後來被稱為「微中子」(neutrino)的觀念。當時「微中子」根本不存在宇宙中,我們不知道包立是否認為這是一種發明;但1995年諾貝爾物理獎發給「……通過實驗證明……微中子的存在」之物理學家來內士(Frederick Reines)。

老實說,筆者想破大腦都不知道這一個在基本粒子標準模型裡不帶電、沒有質量、不是電磁波、沒有人直接觀感過、只有能量的「東西」會是什麼「東西」?更令筆者難以相信及理解的是:它竟然還有兩位兄弟姐妹!

發現」還是「發明」?

我們現在就用上面那些觀點來探討,到底牛頓是發現還是發明萬有引力?萬有引力是抽象的、不是「東西」,牛頓當然不可能用眼睛發現;牛頓發現的只是蘋果往地上掉及宇宙中星球之有規律的運動(現象),從中推論出萬有引力(解釋)。因此對牛頓而言,他或許認為萬有引力不存在於自然界中,是他的創造出來的,所以要說是一種發明,好像也沒什麼反對的理由。

牛頓到底是發現還是發明萬有引力?圖/Envato Elements

可是萬有引力真的不存在於宇宙中嗎?1798 年,英國科學家卡文迪許(Henry Cavendish)在實驗室中不但測出兩個物體間的引力,也準確地量得萬有引力常數!所以眼睛看不到的「東西」並不代表不存在於宇宙中——牛頓顯然是發現、而不是發明萬有引力定律!

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同樣的道理,普朗克根本沒發現什麼量子「現象」,他只是看到了黑體輻射的光譜分佈,便提出能量量化的觀念,在當時顯然是一種發明,但後來的發展(如原子的光譜)不是證明了「能量量化」存在於宇宙中嗎?量子力學成功地解釋和預測了這些現象,因此也被認為是存在於宇宙中的。

當然,我們知道物理理論或定律是可能被推翻或修正的,但這只代表我們的發現錯了。哥倫布不是以為他到了印度群島嗎?

德布洛伊(Louis de Broglie)「發明」物質波嗎?1927 年貝爾實驗室的戴維森(Clinton Davisson)和格默(Lester Germer)在實驗室中,發現被鎳金屬晶體表面散射的電子顯示出干擾圖案後,大部分的科學家都相信物質波的存在,因此諾貝爾獎委員「敢」將 1929 年物理獎頒發給德布洛伊,1937 年物理獎頒發給戴維森和格默了。

格默(右)和戴維森(左)共同合作,證明了物質的波粒二象性。圖/wikimedia

「是不是已經存在於自然界中」事實上也正是中外專利局判斷是否頒發「發明專利」的基礎;台灣專利法謂:「發明專利是指利用自然界法則之技術思想的創作,對於欲解決之問題,使用適宜的技術手段,產生其功效,達成所預期的發明目的。

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發明專利必須具有技術性,不具技術性之發明,例如單純的發現、科學原理、單純之美術創作等,都不符合發明的定義。」在這一法規下,萬有引力、相對論、量子力學…… 等等科學原理都是發現,不能申請發明專利。

量化量子化

既然在這裡談到科學用詞,我們不妨也來談談「能量量化」的意義。

在「天才愛因斯坦曾和諾貝爾獎擦身而過? 相對論也不曾得過諾貝爾獎」的泛科學影片裡,有聽眾建議將「普朗克提出能量量化的觀念」中之「能量量化(quantization)」改為「能量量子(quanta)化」。

筆者認為「能量量子化」中的「子」字有「微粒子」的意義在內;但普朗克在他那篇「開創量子力學」的文章中,只認為空心黑色球體內任一頻率(n)輻射能量均不是連續的,而是由 hn 單位組成的,輻射的發射和吸收必須以hn進行,從沒提過「能量量化」的觀點,更甭說具有「微粒子」之意的「能量量子化」了。因此我們只能從以後的發展來判斷。

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在古典力學裡,氫原子中的電子可能具有的能量應該是連續的;但後來發現只能存在某些能階上才可以解釋光譜——這應該說是一種「能量量化」的現象,而不是「能量量子化」的現象!讓我們在這裡用一個日常生活的例子或許更能說明其間的差異:實數是連續的(質),但我們用它來數人頭時,卻發現它只能存在於整數的「數階」上(量)。讀者覺得用實數被「量化」了、或是被「量子化」了比較適合?

結論

愛因斯坦謂「西方科學的發展基於兩大成就:希臘哲學家發明了形式邏輯系統,以及發現了通過系統實驗找出因果關係的可能性」。

從這名言裡,我們可以看出愛因斯坦顯然認為因果是存在於宇宙中的,將它們連在一起的形式邏輯系統(formal logical system)才是一種發明;所以我們可以說薛丁格發明了「波動量子力學」;海森堡(Werner Heisenberg)、伯恩(Max Born)和喬丹(Pascual Jordan)發明了「矩陣量子力學」;狄拉克(Paul Dirac)發明了希爾伯特(Hilbert)空間上的「算子(operator)量子力學」——他們以不同的數學形式表達了物理學家所發現的量子物理(理論)。

在「不用數學就可以解釋—相對論的著名想像實驗「雙胞胎悖論一文裡,筆者提到了時間及空間是人類製造出來便利溝通的語言。為了解釋觀察到的現像,不同運動者對時間便必須有不同的認知,否則就會發生像「雙胞胎悖論」(twin paradox)一樣的矛盾。

「雙胞胎悖論」提及:當太空旅行者回到地球後,發現自己比留在地球的雙胞胎手足更年輕。圖/Pexels

同樣地,作家在寫一篇文章時,也必須假設讀者對主題具有某些程度的了解與認知。如果假設不對,那便像內人讀筆者的文章一樣,不管筆者是用發明或發現,對她來說都是「不知所云」!而如果能在讀者心中起了共鳴呢?則不管筆者是用發明或發現,相信讀者都能心領筆者事實上是在有意或無意中表達了對某一物理觀念的看法。

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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。