0

0
0

文字

分享

0
0
0

不忘百年 後事之師— 早期科技發展的回顧與前瞻

科學月刊_96
・2011/08/08 ・6444字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 560 ・八年級

過去,中國科學家走過篳路藍縷、畢生奉獻,為國家的科技發展打造堅固基石。
而今,急功近利的氛圍瀰漫台灣科學界,扭曲高等教育的真實意義。

錢致榕 著

《科學月刊社》藉今年(2011)張昭鼎紀念研討會,對國家百年來的科技做一個回顧與前瞻,是一件很有意義的工作。它可以提供一個檢討過去百年我們科學與技術發展的途徑及得失,也可以為未來的世紀提供一個努力的方向。

現在我們常用的科技一詞,其實包含了兩個相關而又很不同兩部分:科學與技術。科學包括數學、天文、地質、物理、化學、生物、氣象、心理等科學;技術包含了兵工、造船、鐵路、礦業、農業、漁業、工業等技術。它的內涵,包羅現代文明的很大一部分,它的建立過程,是一個民族在幾乎不可能的困難情況下,創立一個偉大事業的可歌可泣的典範,值得後代仔細研究。在這裡由於篇幅的限制,只能略述大概,然後透過物理學這個例子,回顧現代科技早期在中國生長的經過,現在發展的情況,最後從過去的經驗,展望未來。我們把有限篇幅著重於初期,因為那一段時期的發展最有共同性,最不為人熟知,也對現在最有參照的意義。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
2011年5月7日在台大舉辦的張昭鼎紀念會,以〈國家百年科技史的回顧與前瞻〉為題,回顧、反思建國百年以來科技發展的成果。

 

物理學在中國的創立與發展

本文所稱的物理學是指根據實驗結果,用邏輯和數學語言,研究物質世界的基本結構和其演變規律而發展出來的一套完整的理論,透過它嚴謹的理論體系,不只使它和很多其他科學聯為一體,並且不斷衍生出新的學科和現代科技。十七世紀末,當西方科學開始發展時,簡單的物理知識開始透過西方傳教士,傳到中國。可惜十八、十九世紀中當經典物理在西方經過牛頓的系統整理後蓬勃發展時,由於教禁,中西交流切斷,中國進入閉關自守的時代,物理學在中國的發展也因此陷於停頓。

到十九世紀中葉,中國的門戶被西方的砲艦打開,開始面臨亡國的危機,才突然追求西方的現代知識。但是起初只限於船堅炮利的技術,到二十世紀初葉,大量派遣留學生以後,了解到科學是現代技術的基礎。1915年,一群留學生在美國成立科學社,以「提倡科學,鼓吹實業,審訂名詞,傳播知識」為使命,團聚同志,啟發民智。到五四運動時,知識分子提出科學民主的口號,展開全面的啟蒙運動。但是在列強環伺的壓力下,救亡圖存成了當務之急,科學救國的意念高漲,激起了一代知識份子,投入科學發展,也帶動了各種技術的發展。經過成千位科學家的艱苦開創,才在極端艱難的情況下,使現代科學在中國萌芽、生根。

物理學在現代科學和技術中,處於基礎的地位,並且牽涉較廣,所以現在我們以物理學為例,來看現代科技在中國百年來的發展的過程。二十世紀初中國開始有系統地引進物理學時,現代物理正在西方崛起並且蓬勃發展,所以物理學在中國的創立和發展,大致是和西方的現代物理發展同步,也和民國的百年歷史同步。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
1840年鴉片戰爭,敲開中國閉鎖的大門,面對亡國的危機,迫使中國政府開 始追求西方科學知識。

艱苦初創  1910~1950年代

在二十世紀的上半葉,一百六十多位留學生,在西方完成嚴謹博士訓練的年輕物理學家,回到他們生長的土地上,從無到有,一磚一瓦地把科學教育的支撐結構,從根建立起來。他們一方面透過「科學社」,團聚同志,喚起民智;一方面從小學中學科學教科書編起,進而健全大學的課程;同時創設儀器廠,不再仰賴進口,在各地建立科學教學實驗室,促進科學在全國的普遍發展。更重要的是,他們從不放棄從事面向世界水準的學術研究工作,默默地做長期累積。即使當時科學設備一無所有,學校經常欠薪一年,最初的一批科學家常被迫改行,他們還是前仆後繼,堅持不懈。

譬如,李復幾是中國第一位物理學博士,他於1907年在德國波恩大學完成一個突破性的光譜實驗,獲得博士學位,立刻束裝歸國。由於當時大學還沒有物理系的設備,無法從事物理學的工作,但是他抱著科學救國的信念,就任江南造船廠、漢治萍公司、京漢鐵路、四川鹽務局等總工程師的職位,鞠躬盡瘁,在中國創下以物理振興工業的先河。過世時靠鹽務局同事們的集資,勉強得以購得棺木,面向家鄉蘇州,葬於四川鄉下,充分反映了當時科學工作人員的困境。

李復幾回國七年之後,第二位物理學博士李耀邦,在芝加哥大學名物理家密立根指導下完成學位歸國。那時中國已有一兩所大學創設了物理系,他得以在南京高等師範教授物理。但是當時民國陷入軍閥割據的局面。學校長期欠薪的狀況,屢見不鮮,工作極其困難。三年後李耀邦放棄了物理學,在商業界獲得成功,後來創立上海滬江大學。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

再過四年,第三位和第四位物理學博士顏任光和胡剛復又分別從芝加哥及哈佛大學學成歸國,他們對國內物理學,做出突破性的貢獻。他們不但使物理在北大及東南大學生根,並且幫助當時國內十幾所大學建立物理實驗室,並且自籌公司,生產科學實驗儀器,促進全國的科學教育及研究工作。同時他們得以培養出很多傑出的學生,他們及以後十年陸續歸國的20多位博士,很多都成為以後中國物理學的奠基人。同時也有很多非常傑出的年輕物理學家,投入工業,發展航空投身兵工發展飛機、動力工業、礦山工業、及其他備戰產業,甚至投身截聽無線電報、破譯敵方軍事電報;那些科學家,對各方面工業及技術發展,也都做出獨特的貢獻,後成為中國科技界的先驅。

1937年7月7日發生盧溝橋事變後,日軍的侵略摧毀許多教學研究設施,讓 一度發展蓬勃的中國科學停擺。

在這三十年內,雖然面對長期積弱,列強環伺,日軍侵華,他們能夠篳路藍縷、慘澹經營,使中國科學從一無所有,建設到略具楷模,可以向世界水平邁進的層次。1927~1937這十年,也是中國物理學的黃金時代。在這一群物理學先驅的共同努力下,物理學在中國完成本土化:中央研究院、北平研究院物理所與中國物

理學會相繼成立,到1931年中國已經有37所大學設有物理系,可以培養自己的學生;學者開始在Nature上發表研究成果,三十年的艱苦奮鬥,物理學在中國蓬勃發展終於指日可待。

不幸七七盧溝橋事變以後,日軍全面侵華,中國開始了歷史上少有的民族大遷移,使得那欣欣向榮、蓬勃發展的黃金十年突然停止。稍具規模的教學研究設備因而摧毀殆盡,所幸當時中國科學界最頂尖的人才,包括所有的老師、大部分的學生,都已經隨著政府播遷到西南大後方,替中國科學界日後的發展保存了命脈。他們成為物理學在兩岸劫後重生的重建骨幹。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

劫後重生 1950~1980年代

勝利之後,緊接著內戰又全面爆發,使中國科學界的發展再次受到重創。雖然五年後,兩岸各自休生養息,在二十年戰亂的灰燼裡試圖重建二十年前的成就,但是等到社會真正安定,科技稍具規模時,那黃金十年已經過了四十年。這四十年,世界的科學技術已經有了跳躍性的發展。中國科技在1950~1980的30年中,經歷了劫後重生的過程。這段期間的艱苦和前面艱苦初創的過程非常類似,但也有幾點非常不同的地方。

科學社為近代中國歷史上第一個民間綜合性 科學團體,也是近現代中國歷史上規模最 大、影響最廣的科學團體。圖為1915 年出 版之《科學》雜誌第一卷第一期。

最大的分別是,雖然經過二十多年的抗日及內戰,大部分戰前辛苦培養出來的物理學人才都得以倖存,他們可以立刻推動戰後重建工作。雖然戰後台灣科學人才較少,仍然很快地建立了台大、師大、成大幾個基地,並且衍生出很多物理系。其次是兩岸休兵,但是長期處於冷戰對峙的狀態,互相以匪稱,完全不同於當年全國團結救亡圖存的氣概。最後國際的冷戰,演變成一場尖端科技大競賽,國際科技經費大量增加,造成科技迅速發展,使得落後國家的科技,處於更大的劣勢。

同時由於兩岸處境的不同,他們的科技發展各自採取非常不同的途徑。大陸上由於1950年以後長期的國際封鎖,採取自力更生、腳踏實地、一切從頭做起,雖然初期進展緩慢,30年後發展出一些自給自足的基礎工業及兩彈一星(對核彈、飛彈和人造衛星的簡稱)的國防及太空工業。這樣的背景,也帶來科學發展一個意想不到的收穫,那就是較高的科學本土化程度。以物理學為例,至今世界上只有三種語言作為主要教學媒介,分別是英語、俄語與華語。其中華語可以成為物理學的主要教學語言,靠的就是大陸科學界在這段期間的努力。但是連續不斷的政治運動,知識分子長期受到壓抑,顯然減緩了基礎科學的發展。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在這劫後重生期間,台灣科學界則受惠於較開放的社會和與歐美學界較為緊密的接觸,以及在科學教育上比較豐沛的人力資源,才奠定下今日科學教育與科技發展的基礎。但是由於沒有禁運圍堵,一般設備可以自由進口,台灣沒有發展出工業設備的基礎結構,至今大部分設備還是靠進口。國防工業至今仍屢遭外國封殺,就是一個例子。

然而困於物資的貧乏,當時台灣科學界慘澹經營的困境,也只比中國大陸略好一些。譬如當時物理、化學教授的收入雖然經過大幅度調整,可以溫飽,仍然和市場賣包子的小販相差無幾。不過由於沒有政治運動,科學工作人員可以安心工作,為日後的發展打下基礎。

1970年,一群在美國的留學生,組合了國內外科學菁英,創辦了《科學月刊》,延續了半個世紀前《科學》的使命,在台灣發揮了類似的功能。

公益刊物《科學月刊》於1970 年創刊,宗 旨是「普及科學、介紹新知、啟發民智、培 養科學態度」。

穩定發展 1980~2010年代

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

到了二十世紀的最後20年,海峽兩岸都進入穩定發展的時期,累積了半個世紀的能量,得以釋放出來。80年代後,台灣經過數十年的穩定政策,和全民胼手胝足克難奮鬥的努力,經濟開始急速起飛,造成亞洲四小龍之一的奇蹟;中國大陸也開始改革開放,從反右及文革的後遺症中,解放出來,開始迅速發展,透過穩定的發展政策,十億人民的努力,及以港台為主的投資合作,到了2010年,超越亞洲首富的日本,成為世界第二經濟體,造成亞洲另一個奇蹟。

兩岸社會日趨安定富足,同時培養了大量科技人才,使得科技發展在人才和經費上,都得到合理的支持。基礎科學,才開始在海峽兩岸茁壯發展,各自在國際學界的表現和能見度上與日俱增。經過了一個世紀的努力奮鬥,開始有了永續發展的條件,終於可以在世界科技舞台上爭一席之地,爭取領先的地位。所以在回顧這百年來的科技發展之際,一方面可以反思過去各個領域的成就得失,同時值得考慮近十年的趨勢,決定將來科技發展那裡去?

過往科學界的特徵與貢獻

早期的科學界、尤其是當時的科學家前輩們,有兩項非常鮮明的特點:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

不同出身背景,同樣只求貢獻
早期創立中國科學的先行者,來自全國各省市、各階層,透過各種渠道,留學西方各國名校,在完成學業以後,立刻回國,投入於科學墾荒開路的工作,為科技救國的大業努力。早期台灣科學界前輩們也來自五湖四海,但是都對台灣的科學發展默默地作出貢獻。以我最佩服的張昭鼎與浦大邦這兩位台灣科學界前輩為例:前者出生於台灣台南,後者出生在中國北京;前者是戰後台灣大專院校所訓練出來的第一批化學家,後者則是第一批留學美國、在美國執教又為台灣服務的物理學家。不同的背景,卻都是台灣科學研究發展的開路先鋒,為台灣科學的發展奮鬥奠定深厚的基礎。

另外早期替台灣這塊土地努力的,還包括了日本籍的「台灣蓬萊米之父」磯永吉,與更早之前在淡水行醫、加拿大籍的馬偕博士。由此可知,從科學發展的角度來看,省籍、國籍都不重要,重要的是能對當地社會與民眾有實質的貢獻。

致力應用科技,嘉惠民眾生計

早期台灣的科學發展還有一項特色,就是科學上的研發成就,可以直接讓一般民眾受惠。我們最熟知的就是由吳振輝和郭啟彰引進台灣的吳郭魚,經過不斷的品種改良後,成為肉質鮮美、價格低廉的台灣重要水產品。在當時資源缺乏的台灣,吳郭魚的營養價值,讓台灣得以免去很多開發中國家所面臨到學童營養不均衡的普遍問題。

其它的例子,還包括建造當時總長度是「遠東第一、世界第二」橫跨分隔台灣南北濁水溪的西螺大橋,讓台灣農民的農產品物流配送,從此不再受自然地形的限制。後來的嘉義農業試驗分所經過十八年選育的台農十七號金鑽鳳梨,更是科技發展嘉惠民生的經典案例。

近年科學發展的重點與缺失

我們都知道「教育靠百年樹人,學術靠長期累積,技術靠長期努力。」科學的生根發展,有以下幾項必備條件:踏實的基礎科學教育、嚴謹的高級人才培養和科技的研究中心。早期的科技發展,受到社會財力的限制,很難做到。現在社會富足了,經費不再是瓶頸,今日科學研究與科學教育的發展,卻同時產生了急功近利、浮而不實的現象。

學術研究層面:趨於急功近利

近年台灣習慣用各種指標數據,來引導發展的方向、並藉以衡量發展的績效。例如講到經濟發展,政府關心的通常只是GDP(國內生產毛額)的數據;大家只看到台灣過去幾年來GDP年增長率有3~5%左右的成績,但是卻忽略了人民實際收入並沒有增加的事實。

科學發展更是如此!從國科會到教育部,近年來都以國際期刊發表的數量SCI、SSCI為學者研究成果與大專院校發展的評判標準。最鮮明的例子,就是教育部現在為了發展頂尖大學進入「世界一流」,推動五年五百億計畫。這個計畫過度偏重數據與量化指標,間接造成急功近利的風氣;大學教授與碩博士生成為量產學術論文的機器,卻無法替台灣的科學教育與研發創新帶來突破性的發展。同時由於盲目追求論文數量,很多大學的教學質量大受影響。

長此以往,如果不及時改正,可預見再過二十年後,我們回頭看這個十年計畫,可能發現它是台灣高等教育發展史上的一場災難。因為過了二、三十年以後,現今哪個大學在世界上排名第幾名、發表幾篇論文,根本不會有人在乎!後人只看到台灣的高等教育,因為過度急功近利的傾向,而忽視了科學教育的紮根與科學人才的培育,讓台灣的科學發展,出現後繼無人的窘境。

基礎教育層面:沒有踏實紮根

今天大家過度重視科學發展的上層結構,例如研究機構的設立與研發經費的爭取,但卻忽視了下層結構「基礎科學教育」踏實紮根的重要性。急功近利的心態,從高等教育蔓延到了基礎教育;各級學校莫不以讓學生在奧林匹亞競賽得獎為發展目標。

但是調查顯示,學生們對數學、物理、化學等學科的興趣,卻是不增反減。我們很多的教育做法,有意無意地把孩子逼上了死路,扼殺了他們原本對科學的興趣。當從小學到大學、大家都在以「點數」、「獎牌數」為目標的時候,就不會有人去注意基礎科學教育的重要性。

未來的發展方向

高等教育發展的目的,不是為了拼點數、搶積分,而是為了替未來的社會培育人才,解決未來社會的問題。學術研究的目的,不是單純為了發表文章,而是為了增進學術知識、訓練科學家的思維方式,然後將這些科學知識與思維方式,傳遞給下一代的人才。

如果量化指標真的是科學研究與教學發展上無法避免的評量標準的一部分,那至少我們所訂出的量化目標,要能夠「按照我們社會的需要」來訂立;如果連自身的科學發展需要都搞不清楚,又怎麼能夠與世界科學界的發展趨勢順利接軌?

學術靠長期累積,技術靠長期努力,教育靠百年樹人;但是近十年的趨勢似乎是研究以論文篇數為準,科學發展以諾貝爾為目的,教育以奧林匹亞為目標,體育以國外大獎或僱用為標竿。這樣的趨勢,能夠發展科學,建立科技,振興社會,改進人民生活,使社會永續發展嗎?

回首四十年前因有《科學月刊》雜誌,結合一批科學菁英,承擔了早期《科學》的使命,為台灣奠定了深厚基礎。希望今天在此科技百年反思之際,《科學月刊》能夠再度發動社會的力量,面對當今的挑戰,檢討過去發展的得失,策劃未來的努力方向,發揮時代先行者的功能,使我們的社會對人類文明能做更大的貢獻,永遠不再落後。

注:本文內容細節部分,可參見錢致榕和劉源俊合著,〈中華民國百年來物理學的發展〉,《中華民國發展史:學術發展篇》,台北,國立政治大學人文中心,2011。

錢致榕:國立政治大學講座教授
美國約翰霍普金斯大學物理暨天文學教授

文章難易度
科學月刊_96
249 篇文章 ・ 3349 位粉絲
非營利性質的《科學月刊》創刊於1970年,自創刊以來始終致力於科學普及工作;我們相信,提供一份正確而完整的科學知識,就是回饋給讀者最好的品質保證。

0

4
0

文字

分享

0
4
0
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

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

文章難易度

討論功能關閉中。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
193 篇文章 ・ 297 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

0

0
0

文字

分享

0
0
0
走私琥珀可能被處絞刑?是誰獨佔一整個世紀的琥珀市場?——《琥珀之書》
積木文化
・2023/11/14 ・3337字 ・閱讀時間約 6 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

  • 作者/瑞秋・金(Rachel King)
  • 譯者/林潔盈

走私琥珀可能面臨嚴刑峻罰?採集琥珀是義務?

格魯諾與鮑爾都記載過人們會用琥珀交換鹽這件事。由於許多住在海邊的農民也是漁民,鹽可以保存捕獲物。然而,漁夫以海洋為生的事實也意味著,有時會被指責只是假裝在捕魚,實際上卻在收集琥珀,於是公開警告非法持有琥珀的下場(圖 36);漁民和農民被迫發誓,即使是最親密的家庭成員,若有違法亦會告發。

〔圖 36〕1664 年 3 月 24 日,與竊盜、走私琥珀有關的官方命令。

在後來的幾世紀裡,不僅是漁民和農民,還有他們的兒子與僕人(如果成年)、郵差和牧師都必須宣誓,而且每三年重複一次。他們還必須參加採集琥珀的活動。在其他任何時候,所有普魯士海灘都禁止進入。懲罰方式從罰款、鞭笞、驅逐到絞刑不等,任何人只要「竊盜」五十公克就會受到懲罰。1

如何採集琥珀?採集琥珀被形容是「魯莽的尋寶」?

蓋歐克.鮑爾從未去過普魯士,必然是從某位比較接近琥珀採集活動的仁兄那兒獲得資訊。這個人可能是普魯士公爵的醫生安德烈亞斯.戈德施密特,而戈德施密特更在一五五一年寫下對琥珀更詳盡的論述。根據戈德施密特的說法,拒絕參與琥珀採集活動會被罰款。他還解釋說,使用的漁網相當大,寬度為七十公分。他強調,裸身採集並非普遍的做法,只有在大約五公里範圍內的少數村莊才有這種習俗。

儘管看來引人發噱,但裸體可能是為了避免溺水。在一幅出自十八世紀出版品的木刻畫中,記錄了撒網採集者站在深度及腰的水中(圖 37)

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
〔圖 37〕琥珀採集的情景,出自約翰.阿摩司.康米紐斯(Johann Amos Comenius)《 世界圖繪》(Orbis sensualium pictus, 1754)第二部分的木刻畫。

一位十九世紀作家表示,在他那個時代,琥珀採集者通常跨進水裡一百步,或是大約在第三波海浪出來的位置。2 許多人一起採集也比較安全。在十七世紀晚期,一位監督者控制兩個海灘,每個海灘大約由二十五人負責採集。因此,一次採收行動可能牽涉到多達五十位採集者,在桑蘭,一天內可能有四百人工作。當巨浪快把人淹沒時,他們會轉過身來,聚集在一起,用身體破浪。漁網也是救生工具。當海浪往內陸拍打而持續衝擊著採集者之際,採集者將漁網的手柄插進砂裡並緊緊抓著。

這必然是個奇特的景象。二〇一五年,一份英文報紙將俄羅斯皮奧涅爾斯基(Pionersky)的琥珀採集者活動描述為「魯莽的尋寶」。3 當然,也有更安全的採集方法。採集者也會從船上進行採集,用長矛將琥珀從海底弄出來,以網子或鉗子收集(圖 38)

〔圖 38〕撈琥珀的工具,出自威廉・隆格(Wilhelm Runge)《東普魯士的琥珀》(Der Bernstein in Ostpreussen, 1868)。

就價格而言,用鉗子採集的琥珀是用網子的兩倍,因為礦石的狀況比較好。最安全的方法是在腐爛的海藻中尋找被沖上岸的琥珀,婦女與兒童亦可參與。這種琥珀通常稱為「老琥珀」,因為受到大海的連續撞擊、破碎與風浪衝擊。一五三七年,老琥珀的價格比撈捕琥珀大約低了三分之二。4

從大海到市場

安德烈亞斯・戈德施密特也記錄了明確的採集後處理。當時的琥珀大師名叫漢斯.福克斯(Hans Fuchs)。福克斯會安排將琥珀裝入木桶中,最終運送到洛赫施塔特(Lochstädt,今帕洛沃 Pawlowo)。送達以後會進行分類。三個主要類型為:普通礦石、工藝礦石與特殊規格礦石。戈德施密特並沒有解釋這些術語的實際意義,但還好他的同胞塞韋林.戈培爾(Severin Göbel)在十五年後提供了解釋:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

普通礦石之所以如此稱呼,是因為它是最小且品質最低的礦石;畫家及木匠等人會用這種礦石來清漆。另一種是所謂的工藝礦石,可以做成各式各樣的成品。第三種稱為特殊規格,最大塊。5

十七世紀的琥珀師漢斯.尼可勞斯.德米格恩(Hans Niclaus Demmigern)在任期間曾撰寫一則指示,對尺寸、顏色與質地提供更詳盡的說明——

工藝礦石:長度、寬度與厚度相當於人的拇指,為棕色或紅色。同上,如果棕色或紅色礦石恰好超過這個尺寸,而且品質不太好、堅硬但充滿裂縫與洞,則是有剛毛與「蟲蛀」。

特殊規格礦石尺寸相同,但是,

其顏色是深黃或淺黃色。如果特殊規格礦石比人的拇指更長、更寬且更厚,卻有「蟲蛀」、滿是洞、看來有剛毛或不健康,它仍然屬於特殊規格礦石。

德米格恩還強調有另一個類型——

頂級礦石:寬度夠、大而堅實的礦石。同樣地,比大拇指長度更寬、更厚,也很堅實的就屬此類。它是透明、輕盈且堅實的礦石,重量在七十公克以上,或者重量小於七十公克但堅實、火紅且清透的礦石。白色、淺綠色或乳白色的礦石,以及特殊規格的白色礦石,無論大小⋯⋯,都屬於頂級礦石。6

普通礦石是上述之外的所有琥珀,除了白色琥珀(作為藥物)以及顏色罕見的琥珀,這類琥珀則會單獨挑出並送到琥珀師那兒。現在的情況非常類似。琥珀根據重量進行分類,按重量分類出售。截至二〇二〇年二月,重量在二至五公克之間的琥珀,每塊售價約為每公斤四百五十英鎊,而重量在五百公克至一公斤的大塊琥珀,價格約為四千三百英鎊。7

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

誰獨攬了百年琥珀貿易?

在洛赫施塔特進行分類後,這些木桶會經由柯尼斯堡轉運到旦澤,再透過人脈較廣的商人家族賈斯基(Jaski)安排銷售(圖 39)。賈斯基家族在一五三三年買下了這個權利,在第一次付款後,無論接下來是否供應了約定的數量,每年都要支付固定的費用。一五三三年受皇帝冊封為貴族的保羅.賈斯基(Paul Jaski)是獲得此權利的第一人,他在低地諸國(Low Countries)有合作伙伴。他的十個孩子中,有幾個在歐洲其他地方上大學,並在國外定居。

儘管條頓騎士團的繼任者普魯士公爵曾多次試圖重新談判,賈斯基家族仍然控制琥珀銷售長達一個多世紀。例如在一五八六年,奧爾格.腓特烈公爵(Duke Georg Friedrich)試圖打破他們的控制,但賈斯基家族向保護者波蘭國王求助,而波蘭國王予以支持。

這樣的控制最終在一六四〇年代打破,當時的選帝侯腓特烈.威廉一世(Elector Friedrich Wilhelm)支付了相當於八百八十公斤白銀的貨幣,重新獲得控制權。這筆費用攤成四年支付,在一六四七年,腓特烈.威廉一世成為第一位完整掌握琥珀從海上採集到銷售過程的普魯士統治者。8

〔圖39〕旦澤全景。手工彩色版畫,出自蓋歐克.鮑爾與法蘭斯.霍根伯格(Franz Hogenberg)《世界城市圖》(Civitates orbis terrarium, 1575)第二卷。

註解

  1. Andreas Aurifaber, Succini historia. Ein kurtzer: gründlicher Bericht woher der Agtstein oder Börnstein ursprünglich komme (Königsberg, 1551), unpaginated. ↩︎
  2. 建議的距離出自 Wilhelm Runge, Der Bernstein in Ostpreussen. Zwei Vorträge, Sammlung gemeinverständlicher wissenschaftlicher Vorträge (Berlin, 1868), p. 9. ↩︎
  3. Darren Boyle, ‘Amber Galore! Modern-Day Gold Rush on Russian Coastline as Fossilized Tree Resin Washes Up on the Shore’, www.dailymail.co.uk, 13 January 2015. ↩︎
  4. Berlin, GStAPK, XX HA, Etatsministerium 16a 6 (Schriftwechsel mit den Bernsteinmeistern Hans Fuchs und Siegmund Fuchs über Betrieb des Bernsteinwesens (1543–71)), 3r. ↩︎
  5. Severin Göbel, Historj vnd Eigendtlicher bericht von herkommen ursprung und vielfeltigen brauch des Börnsteins (Königsberg, 1566), unpaginated. 作者的翻譯。 ↩︎
  6. Berlin, GStAPK, XX HA, Etatsministerium 16a 15 (Bernstein- und Strandordnungen (1625–96)), ff. 90r–v; Berlin, GStAPK, XX HA, Etatsministerium 16a 23 (Verzeichnis von Bernsteinsorten). 作者的翻譯。 ↩︎
  7. ‘List of Open Selling Prices of Amber Production of jsc Kaliningrad Amber Factory’, Baltic Jewellery News, XXXVIII (March 2020), p.114. ↩︎
  8. Karl Gottfried Hagen, ‘Geschichte der Verwaltung des Börnsteins in Preußen . . . Von der Zeit des Ordens bis zur Regierung König Friedrich i’, Beiträge zur Kunde Preussens, VI/1 (1824), pp. 1–41; Wilhelm Tesdorpf, Gewinnung, Verarbeitung und Handel des Bernsteins in Preußen von der Ordenszeit bis zur Gegenwart (Jena, 1887). ↩︎

——本文摘自《琥珀之書:傳承萬物記憶、透視歷史風貌的永恆傳奇》,2023 年 9 月,積木文化出版,未經同意請勿轉載。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

0

0
0

文字

分享

0
0
0
人類終於實現室溫超導體之夢?常溫常壓超導體 LK-99——《科學月刊》
科學月刊_96
・2023/11/01 ・4262字 ・閱讀時間約 8 分鐘

  • 作者/王立民
    • 臺灣大學物理學系教授,主要研究領域包括超導物理、高溫超導電子元件等
  • Take Home Message
    • 今(2023)年 7 月 27 日,韓國研究團隊宣稱他們發現一種在常溫常壓下能產生超導體性質的材料「LK-99」。
    • 筆者團隊在實驗室中合成了 LK-99 樣品,並觀察到此樣品在常溫時呈現出抗磁性性質,但不具有超導體的完全抗磁特性。
    • LK-99 樣品具有半導體的導電特性,在 390 K 也有電阻急遽下降的變化,但應為樣品內含的硫化亞銅所致,因此僅可被視為一種具抗磁性半導體材料。

一直以來,實現「室溫超導體」就是人類的夢想。今(2023)年 7 月 27 日,來自韓國的研究團隊宣稱發現一種在常溫常壓下能產生超導體性質的材料「LK-99」,隨即引起全世界的振奮與轟動。

此外,在理論計算上也顯示 LK-99 在適當的摻雜與晶格排列下,具有表現超導性的可能。

幾天後,美國勞倫斯柏克萊國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL)的研究員格里芬(Sinéad Griffin)也指出,透過超級電腦的計算模擬顯示,當銅原子(copper, Cu)滲透到晶格中的路徑處於適當的條件和位置——特別是取代某一個鉛原子(lead, Pb)的特殊位置時——它們就能夠具有超導的共同特徵。

這是首篇證實 LK-99 理論上可行的論文,更帶動了能源科技公司美國超導體(American Superconductor Corporation, AMSC)的股價在收盤前暴漲。緊接著其他以密度泛函理論(density functional theory, DFT)計算 LK-99 的能帶結構也被提出,作者們普遍認為銅的摻雜引起了「從絕緣體到導體」的轉變,並大膽推斷 LK-99 可能具有超導特性。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

然而,各國間許多以實驗工作為主的研究團隊試圖復現韓國研究團隊 LK-99 的結果,卻未能證實 LK-99 是室溫超導體,國際團隊的實驗均顯示它僅是具抗磁性的半導體材料。

在各國紛紛設法復刻韓國團隊的研究時,筆者實驗室也立刻緊鑼密鼓加入,期望驗證這項被宣稱為「世紀大發現」的研究真實性。

超導的「迷」與「謎」

為了解這次室溫超導的真相,我們不得不先從現今超導的研究開始談起。

超導迷人之處不僅在於學術上的奇妙物理相變化,更在實際應用中展現出它獨特的性質——零電阻與完全抗磁性。這幾項特質在電力傳輸、交通、軍事、能源、量子科技等領域中,都具有相當多的應用價值。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

然而自 1911 年荷蘭物理學家歐尼斯(Heike Onnes)發現「汞」(mercury, Hg)在 4.2 K(Kelvin,克耳文)的溫度下會呈現超導特性,成為第一個超導材料以來,歷經 75 年人們發現的最高超導溫度僅有 23 K 的鈮鍺化合物(niobium-germanium)。

1986 年,瑞士物理學家米勒(Karl Alexander Müller)及德國物理學家比得諾茲(Johannes Georg Bednor)發現銅氧化合物超導體(又稱高溫超導體),並於 1987 年獲得諾貝爾物理獎。

同年,中央研究院院士吳茂昆與朱經武也發現超導溫度約 90K 的釔鋇銅氧(YBCO)超導體,它的超導溫度已突破應用液態氮 77 K 的溫度障壘。

而迄今為止,常壓下超導溫度最高的是在 1993 年發現的汞鋇鈣銅氧(HBCCO)超導體,約為 135 K。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在理論的發展上,1957 年三位美國物理學家施里弗(John Schrieffer)、巴丁(John Bardeen)、古柏(Leon Cooper)提出 BCS 理論(Bardeen–Cooper–Schrieffer theory, BCS theory),解釋了出現於 1986 年以前的「低溫超導體」(或稱傳統超導體)的超導行為,例如同位素效應。然而公認能解釋高溫超導性的理論仍付之闕如,BCS 理論預期的超導上限溫度僅 40 K 左右。

多年來,人們也嘗試提高超導溫度,常用的手法是利用高壓,如在百萬大氣壓下一些含氫化合物將呈現近室溫的超導性,但這些方法其實對超導的理論或實驗研究不具任何意義。

因為根據基本理論,當外加壓力無限大時,超導臨界溫度(Tc)當然可以無限提高。所以具有重大意義的室溫超導,必須是在常壓下出現超導特性的材料,這也是韓國團隊宣稱 LK-99 為常溫常壓超導對科學界帶來震撼的原因。

如何檢驗材料的超導特性?

如前所述,超導具有零電阻與完全抗磁的特性,因此一項材料超導特性的驗證基本上需經由電阻與磁性的量測來確認(若加上比熱量測則會更完整)。以筆者實驗室裡用磁控濺鍍技術所成長的高溫超導 YBCO 薄膜為例,圖一(a)為量測此材料電阻率(ρ)比值隨溫度(ρ/ρ100 K− T)變化的關係(以 100 K 為基準),可以看到當溫度降至大約 88 K 時,YBCO 薄膜的電阻急速下降至近零電阻(儀表偵測極限)狀態。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

而在磁性的量測,則利用超導量子干涉磁量儀(SQUID magnetometer)量測 YBCO 薄膜在零磁冷卻(zero-field cooling, ZFC)與磁冷卻(field-cooling, FC)下的磁化強度(magnetization, M)隨溫度變化的關係。

之所以需量測 ZFC 與 FC 曲線,是為了確認超導的磁通釘扎(magnetic flux pinning)效應,也就是磁力線在超導體內部低位能區的束縛狀態(可由 FC 曲線觀察此現象),而此效應也是所謂「第二類超導體」的特徵之一。

圖一、YBCO 薄膜電阻率的比值(a)與磁化率(b)隨溫度變化的關係。當溫度降至大約 88 K 時,YBCO 薄膜的電阻急速下降至近零電阻狀態。圖/科學月刊(作者提供)

另外,若材料本身為完全無雜質存在的「百分之百超導體」,則它的磁化率(χ,定義為 M/H,H 為外加磁場強度)在 ZFC 低溫下則是完美的 -1 值(為超導體的邁斯納效應)。

相對地若材料本身只含有部分超導材料,混合了某些非超導材料,則 χ 雖仍為負值但卻會小於 1,且對應材料中超導成分所占的體積比率。因此透過磁性 ZFC、FC 的量測可以精確地定性與定量一項材料的超導特性。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

如圖一(b)所示,此為量測 YBCO 薄膜在外加磁場 5 Oe(oersted,奧斯特)下 ZFC、FC 磁化率 χ 隨溫度變化的關係。圖中可以看到 YBCO 薄膜在低溫 2 K 下 ZFC 的 χ 值為 -1,顯示它完美的抗磁性,且 ZFC 與 FC 曲線分離也顯示樣品中存在著磁通釘扎效應。

另一種大家熟知、直觀的超導現象即為磁浮實驗。圖一(a)左上角的照片便是利用筆者實驗室自行成長的大塊 YBCO 單晶(黑色),在液態氮冷卻下的磁浮實驗照片。

圖中可清楚看到磁鐵飄浮於 YBCO 晶體上方,但此處需強調的是——一項材料並不是具磁浮現象就可斷言為超導體,例如因具有高抗磁性而可產生磁浮現象的熱解碳(pyrolytic carbon),就是一種具磁浮現象但並非超導體的例子。因此,超導特性的檢驗仍須以嚴謹的電性與磁性測量為檢驗標準。

驗證 LK-99 是否為超導體

依據韓國團隊在論文中揭露的 LK-99(化學成分為 Pb9Cu(PO4)6O)合成方法,此材料的技術門檻不高,從原料到成品僅需數天即可完成。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

首先根據文獻,我們合成的 LK-99 樣品外觀與顏色與其他團隊結果無異(圖二右上角),圖二為合成 LK-99 樣品的 X 光繞射圖(X-ray diffractometer, XRD)。此結果同樣與韓國等團隊所呈現的結果差異不大,均顯示其中的成分組成並非單純化合物,尤其是其中出現銅-硫化合物的「雜相」,意味著在對 LK-99 的特性量測與下定論時需格外小心。

圖二、筆者實驗室合成的 LK-99 樣品外觀(右上)。LK-99 樣品的 X 光繞射圖與韓國等團隊所呈現的結果差異不大,均顯示其中的成分組成並非單純化合物,尤其是在合成方法中出現副產物硫化亞銅(Cu2S)的「雜相」。圖/科學月刊

圖三(a)為筆者實驗室合成的 LK-99 樣品在外加磁場 200 Oe 下的磁化強度量測結果,顯示 LK-99 在室溫(約 300 K)下具抗磁性,但換算磁化率則極低,約為 10-4 左右。我們觀察到 LK-99 的 ZFC、FC 與韓國研究團隊公開的數據類似,也觀察到類似第二類超導體 ZFC 與 FC 曲線的分離,但這可能是因樣品中存在著具有磁通釘扎效應的雜質,才會造成它在低溫(10 K)以下呈現磁矩反轉成大於零的順磁性。

圖三(b)則為筆者實驗室製作的 LK-99 樣品電阻率隨溫度變化的關係圖,樣品在常溫以下呈現半導體的導電行為,特別是在溫度約 390 K 觀察到電阻急遽降低的情形,類似韓國團隊宣稱的在約 378 K 出現超導零電阻現象。

然而,已有中國科學院研究團隊的實驗結果表明,此超導現象可能是由於合成方法產生的副產物硫化亞銅所引起,硫化亞銅已知會在 377 K 出現結構相轉變並伴隨電阻急遽下降。而 LK-99 樣品在以能量色散光譜(energy-dispersive-spectroscopy)元素分析後也能觀察到硫元素的存在,與 X 光繞射的結果吻合。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

因此,我們在實驗室中觀察到 LK-99 樣品在溫度約 390 K 時電阻急遽降低的現象,推論應為硫化亞銅所致,與超導無關。

圖三、樣品在常溫以下呈現半導體的導電行為,特別是在溫度約 390 K 附近觀察到電阻急遽降低的情形。但此超導現象可能是由於合成方法產生的硫化亞銅所引起,與超導無關。(a)LK-99 樣品在外加磁場 200 Oe 下的磁化強度量測結果,顯示 LK-99 在室溫下具抗磁性,但換算磁化率則極低。(b)LK-99 樣品電阻率隨溫度變化的關係圖。圖/科學月刊

並非室溫超導體的 LK-99

根據韓國團隊所發表的合成方法,我們複製出室溫超導 LK-99 樣品。在磁性測量部分,顯示 LK-99 在室溫為抗磁性物質,但不具超導的完全抗磁特性。

電性測量則顯示 LK-99 具有半導體導電特性,在 390 K 也有電阻急遽下降的變化,但應為樣品內含的硫化亞銅所致,與超導零電阻行為無關。因此,LK-99 僅可被視為一種抗磁性半導體材料,此結論與許多國際團隊的結果一致。在今年 8 月中旬,知名期刊《自然》(Nature)甚至刊出一篇文章直指「LK-99 不是超導體」。

LK-99 的認證實驗仍有待各國(包含韓國國內)其他團隊持續進行,尋找室溫超導之路仍然漫長。

感謝臺灣大學及國科會在研究資源的支持,以及中興大學物理系教授吳秋賢、東海大學物理系教授王昌仁及時找到元素磷,使復現實驗得以立刻進行。

也感謝實驗室團員的努力,使實驗室得以早日揭露 LK-99 真相,相關結果將整理以期刊正式發表。

註解

在超導狀態下,第一類超導體在超導臨界磁場(Hc)以下時呈現完全抗磁狀態(邁斯納效應,Meissner effect)。第二類超導體則呈現兩個臨界磁場:下臨界磁場(Hc1)與上臨界磁場(Hc2),磁場在小於Hc1下為完全抗磁性的狀態;磁場介於 Hc1 與 Hc2 之間時,部分磁力線可以進入超導體內部,呈現非完全抗磁性的混合態。

  • 〈本文選自《科學月刊》2023 年 10 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。
科學月刊_96
249 篇文章 ・ 3349 位粉絲
非營利性質的《科學月刊》創刊於1970年,自創刊以來始終致力於科學普及工作;我們相信,提供一份正確而完整的科學知識,就是回饋給讀者最好的品質保證。