好奇心＋不放棄－點亮愛迪生頭腦

• 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。

「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！」

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。

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。

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。

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！

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。

「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。

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。

量化或量子化

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。

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。

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。

延伸閱讀

• 「微中子的故事」（科學月刊2016年11月號）或《我愛科學》（華騰文化有限公司，2017年12月出版）。
• 「思考別人沒有想到的東西—誰發現量子力學？」（泛科學，2022/06/01）。
• 「不用數學就可以解釋—相對論的著名想像實驗雙胞胎悖論」（泛科學，2022/08/26）。
• 「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」（泛科學YouTube影片，2022/10/01）。
• 基本粒子的標準模型 （泛科學，2018/10/09）。

編按：現在的生活瞬息萬變，在未來的世代，可能會出現許多你想都沒想過的職業。讓我們與孩子一起發揮想像力，你覺得未來會有什麼樣的職業出現呢？

未來藝術家：創意的發明或許也是一種藝術

未來藝術家大賞總決賽即將開始，這個獎項是為了獎勵最有創意及具有藝術感的科學家。現在已經廝殺到總決賽的階段了，評審團必須從三件「作品」中選出首獎。這三件作品截然不同，但是都很創新，每位參賽者會發表演說，談談自己的創作理念，盡可能說服評審。

丹尼第一個發言，主題是手拿顯微鏡的大廚：「大家想像一下，把試管想成鍋子，把滴管想成湯勺，把蒸餾器想成烤箱，科學家不也是在做菜嗎？我在廚房實驗室調配無數特殊風味的菜餚，帶給大家前所未有的感官享受，有醣、碳水化合物，也有蛋白質，融合出全新的味道。我最自豪的藝術品是『植物肉』！吃起來就像肉，卻是在實驗室用馬鈴薯和大豆合成的。」

第二位參賽者是莉雅，會不會有更驚人的作品呢？莉雅以「大自然設計師」為主題開始介紹：「超強力貼紙的靈感來自章魚的吸盤，火車頭是仿造鳥喙的形狀，超強光線感測器神似蝗蟲的眼睛。動、植物是豐富的生物圖書館，總會激發創意靈感。我的成名之作是這件『隱形斗篷』！我長年研究變色龍，研發出一種會隨著環境變色的布料。」

觀眾席的驚叫聲不絕於耳，現在輪到安妮塔上場了，她的主題是「微型雕塑家」。

「你們有聽過奈米科技嗎？我運用最先進的顯微鏡，每天研究分子碎片，小到奈米量級，比髮絲纖細十萬倍。我運用科學為藝術服務，善用奈米粒子修復古老大理石雕像，以及受汙染侵蝕的神廟，終於有新工具可以拯救偉大的藝術遺產了。」

比賽結果就快揭曉了，誰會是贏家呢？倒數計時，三、二、一……大型計分牆竟然顯示：平手！這是未來藝術家大賞第一次出現三位冠軍。

丹尼、莉雅和安妮塔開心相擁。等你長大，說不定也會成為未來藝術家喔！

未來藝術家的工具組

動態雕塑、磁吸繪圖、隨時間變換的調色、特殊眼鏡，都是未來藝術家的工具，將帶領我們體驗未知。未來數十年的藝術將會大洗牌，未來藝術家早已蠢蠢欲動，準備大顯身手，大膽的實驗和創作！

什麼是科學料理？

科學料理的精髓在於「食譜藝術」，以生物化學的專業知識為基礎。目前最先進的研究莫過於研發人造肉，改善肉品產業密集的畜牧行為，提供更尊重環境和動物生命的替代產品。

什麼是生物統計學？

生物統計學是仿效生物的特徵（包括動、植物）來改善人類既有的科技，其中最著名的成品有新一代黏著劑、特殊顏料、先進布料。

什麼是奈米科技？

奈米科技是新的研究領域，善用極其微小的物質來設計特別輕盈的材料或肉眼看不見的裝置，工業用途廣泛。

未來藝術家要有的能力：

○ 跳脫框架思考

○ 想像力

○ 具有觀察精神

○ 同理心

○ 美感

○ 有團隊合作的精神

——本文摘自《拯救地球的工作者》，2022 年 10 月，和平國際出版，未經同意請勿轉載。

我們的能源從哪裡來、往哪裡去？

全球每年對能源的需求量相當巨大，若用「瓩時」──即一度電這樣的度量單位──來表示會出現天文數字，因此改用「太瓦時」（TWh）來表示，太瓦時等於 10 億瓩時。

在一八〇〇年，全球約有 10 億人口，當時對能源的需求約為 6000 太瓦時；而且幾乎全部來自傳統的生質能源。到了二〇一七年，全球人口達到 76 億，發電量增加了 25 倍（156000 太瓦時）。

下圖顯示在二〇一七年全球主要能源消耗總量的百分比，其中近 8 成為化石燃料。其他再生能源包括風能、太陽能和地熱能，其中成長最快的是風場和太陽光電場。生質能源則主要來自傳統生質能源。

大約有 1/3 的全球能源消耗在將化石燃料轉化為電力和精煉燃料上。

剩下的稱為最終能源需求（final energy demand），是指用戶消耗掉的能源：每年約 10 萬太瓦時。

大約有 10％ 是來自開發中國家傳統生質能的熱，22％ 來自電力，38％ 用於供熱（主要來自化石燃料） 30％ 在交通運輸。熱能和電能主要都是用於工業和建築。汽油和柴油幾乎提供了所有用於運輸的燃料。

怎麼做比較不浪費？能量轉換效率大比拚！

我們看到供熱與供電一樣重要。兩者都可以用瓩時為單位，也就是一度電來測量，雖然電可以完全轉化為熱量，例如電烤箱，但只有一小部分以熱能形式存在的能量可以轉化為電能，其他的必然會散失到周圍環境裡。

在火力發電廠中，存在於化石燃料中的化學能會在燃燒後轉化為熱能。這會將水加熱，產生蒸汽，蒸汽膨脹推動渦輪的葉片，轉動發電機。只有一部分熱量被轉化成電力；其餘的熱量在蒸汽冷凝，完成循環時，就轉移到環境中，成了殘熱。

這份熱電轉化的比例可透過提升高壓蒸汽的溫度來增加，但受限於高溫下鍋爐管線的耐受度。

在一座現代化的火力發電廠中，一般熱能轉化為電能的效率約為 40％。若是在較高溫的複循環燃氣發電機組（combined cycle gas turbine，CCGT）裝置中，這個比例可提高到 60％。

同樣地，在內燃機中也只有一小部分的熱量可以轉化為車子的運動能量（動能）；汽油車的一般平均效率為 25％，柴油車則是 30％，而柴油卡車和公車的效率約為 40％。

另一方面，電動馬達的效率約為 90％，因此電氣化運輸將顯著減少能源消耗。這是提高效率和再生能源之間協同作用的一個範例，這將有助於提供世界所需的能源。

再生能源的過去跟未來

在十九世紀末，水力發電的再生資源幫助啟動了電網的發展，在二〇一八年時約占全世界發電量的 16％。而在再生能源──風能、太陽能、地熱能和生質能源──的投資上，相對要晚得多，是在二十世紀的最後幾十年才開始。

起初的成長緩慢，因為這些再生能源沒有成本競爭力還需要補貼。但隨著產量增加，成本下降，它們的貢獻開始增加。這些其他再生能源發電的占比已從二〇一〇年的 3.5％ 上升到二〇一八年的 9.7％，包括水力發電在內，再生能源的總貢獻量為 26％。

不過，就全球能源的占比，而不是僅只是考慮用戶消耗的電力來看，再生能源僅占約 18％，而傳統生質能則提供約 10％ 的能量。隨著太陽能和風能的成本在許多國家變得比化石燃料更便宜，它們在總發電量中的占比有望在未來幾十年顯著增加。

這世界花了很長的時間才意識到這一事實，從現在開始，再生能源勢必將成為主要的能源來源。

——本文摘自《【牛津通識課02】再生能源：尋找未來新動能》，2022 年 6 月，日出出版，未經同意請勿轉載。