物理學

駁斥不成變助攻——密立根的光電效應實驗

愛因斯坦於1905年6月9日發表論文,提出光量子的概念,成功解釋困擾科學家很久的光電效應。不過當時普遍認為光是一種波,尤其許多實驗都證實光就是馬克士威所說的電磁波,愛因斯坦的量子說自然受到高度質疑;美國物理學家密立根便是反對者之一。(可參見上一篇) 密立根完成測量基本電荷的油滴實驗後,未待論文發表,立即於1912年著手光電效應實驗。他設計了一個極為精巧的裝置,足以排除各種可能的干擾,以確保實驗數據的準確性,希望藉此徹底否定光量子假說,擊退愛因斯坦對經典物理學的挑戰。 這個裝置的核心是一個高度真空的玻璃管,以免電子受到空氣中的分子干擾。玻璃管內設有用電磁控制的鋒利刀片(下圖K),可刮削鈉、鉀和鋰等金屬樣本(下圖中間W)的表面,排除氧化或其它雜質的影響。為了精確控制入射光的頻率,密立根使用弧光燈作為光源,並透過一系列稜鏡和濾光片,分離出特定頻率的單色光。 單色光照射金屬所產生的光電子會奔向陽極(下圖S),形成光電流。如果愛因斯坦是對的,光電子的最大動能和入射光的頻率應該會呈線性關係,否則就代表光量子假說是錯的。 密立根花了三年時間才完成實驗,結果與他預期的相反,所有實驗數據都完美地落在一條直線上。而且從斜率算出普朗克常數的值,與普朗克當初從黑體輻射理論推導出的值高度吻合,誤差不到0.5

Read More »
科技

發明全像攝影的人

1930年代,穿透式電子顯微鏡和掃描式電子顯微鏡相繼問世,人類終於跨越光學限制,得以窺見更微小的世界。只是受限於繞射與球面像差,當時電子顯微鏡的放大倍率只比最佳的光學顯微鏡好上百倍,仍不足以分辨固體材料的晶格。各路人馬紛紛尋求改善之道,沒想到,竟因此催生出截然不同的照相原理——全像攝影(Holography)。 蓋博(Dennis Gabor)於1900年6月5日出生在布達佩斯一個猶太家庭。大學畢業後,他前往柏林工業大學進修;1927年以陰極射線示波器的研究取得博士學位。蓋博原本繼續留在德國工作,但納粹執政後,他為了避免受到迫害,便於1933年移居英國,很快地在英國湯姆森-休斯頓公司(BTH)找到工作。 1947年復活節那天,蓋博到網球場打球,他坐在椅子上等待時,突然靈光一閃:電子顯微鏡拍攝的照片不夠清楚,何不記錄下物體的全部訊息,事後再用光學方法加以校正? 就這樣,蓋博發明了全像攝影,讓光線一分為二,一道打到物體後反射到底片,另一道直接射向底片,因此底片記錄的是這兩者彼此干涉的結果。相較於一般攝影只是記錄光的強度(即明暗)與波長(即色彩),全像攝影還多了光的相位(波峰、波谷的位置),透過「波前重建」的技術,便可以還原出物體原來的樣貌。

Read More »
物理學

科學頑童費曼

有一天,量子力學巨擘波耳主持一場研討會,與會者不乏諾貝爾獎等級的頂尖學者,會後他把擔任其助理的兒子叫到一旁,交代說:「記住坐在後面那個小夥子的名字,只有他不怕我。下次要討論什麼,先找他來;其他人都只會說:『是,波耳博士』。」這個小夥子就是才25歲的理查·費曼。

Read More »
心理學

開啟現代精神醫學的人

1778年,皮內爾(Philippe Pinel)醫師躊躇滿志地來到巴黎,打算在此懸壺濟世。不料巴黎竟不承認外省的學位,他無法行醫,又沒錢重讀醫學院,只能靠編譯醫學與科學的文章謀生。

如此過了五年,有天竟傳來他一位好友自殺身亡的消息。這位好友因為憂鬱症被送進精神病院,究竟在裡面發生了什麼事?皮內爾震驚悲痛之餘,決定深入了解精神病院的管理,於是到一間私人療養院應徵工作。

Read More »
醫學

大腦地圖的起點

1859年11月,達爾文出版掀起軒然大波的《物種起源》。同年七月,法國外科醫師兼人類學家布羅卡(Paul Broca, 1824 – 1880),和同僚創立了巴黎人類學學會,希望透過解剖學了解人類這個物種。

Read More »
心理學

【好書推薦】《我們為何相信》

1866年,英國物理學家克魯克斯(William Crookes)得知弟弟在美洲感染黃熱病,客死異鄉的噩耗。他自小就特別照顧這個小他14歲的弟弟,痛心又遺憾之餘,開始四處參加降靈會,盼能與死去的弟弟說話。

Read More »
人物

絕無僅有的全能天才——達文西

最偉大的畫作與最偉大的壁畫分別是什麼?大部分人最先想到的一定是《蒙娜麗莎》以及《最後的晚餐》。是的,光憑這兩幅家喻戶曉的畫作,就讓達文西躋身最偉大的畫家之列,但你知道嗎?他還是雕塑家、建築師、工程師、發明家、解剖學家、地質學家,甚至是物理學家。

Read More »
心理學

【好書推薦】《身為自己》

關於意識有太多大哉問了。《身為自己》這本書的並不想討論意識是怎麼產生的這個「困難問題」,也沒要著墨於大腦如何傳遞神經訊號這種功能面的「簡單問題」,而是想探討「真實問題」——意識如何理解外在世界並形成主觀經驗?

Read More »
心理學

我們真的有自由意志嗎?

我們有自由意志嗎?儘管有時我們會有不假思索的本能反應;儘管有時我們會受情緒影響而做出不理性的行為;儘管有時我們會因生存壓力而被迫做出不得已的選擇;但無論如何,大體而言我們仍相當確定「我」是自己的主宰,我的行為是源自我的自由意志。然而,美國心理學家利貝特(Benjamin Libet)所做的一項實驗,卻徹底動搖了這個基本信念。

Read More »
醫學

靈魂的重量

人死後還有靈魂嗎?很多人都相信有。那麼,能證明靈魂的存在嗎?1901年4月10日,美國麻州的麥克道格(Duncan MacDougall)醫生疑似發現了靈魂實體,不只如此,他還量到了靈魂的重量──21公克。

Read More »
數學

現代哲學與數學的開創者

1618年,笛卡兒來到荷蘭南部一個城鎮,加入駐守當地的軍隊。有一天他走到市集閒逛,經過廣場的公佈欄時,目光不禁被上面的一張佈告所吸引──那竟然是一道數學題目?!

Read More »
太空天文

開創光譜分析法的人

1859年夏日某一天,物理學家克希荷夫與化學家本生一如往常相偕散步。他們談起幾天前兩人好玩地用分光鏡觀測鄰鎮大火,竟從中辨認出鍶與鋇的特有光譜。

說著說著。克希荷夫突然停下腳步,瞄了一眼天上的太陽,轉頭對著本生說:「本生,我一定是瘋了!」

Read More »
電腦科學

推動現代科技產業的人

凡納爾·布許(Vannevar Bush)?相信即使是科技產業的圈內人,大多也都對於這個名字感到陌生。其實他對現代科技的發展至關重要,無論是電腦、網際網路、人機介面與多媒體應用,倘若一路回溯過往歷史,最終都會發現他的身影。

Read More »
太空天文

發現陽光中隱藏秘密的人

1801年七月裡的某一天,慕尼黑一棟房屋突然間轟的一聲棟倒塌了。14歲的玻璃工學徒夫朗和斐被埋在瓦礫堆下,大聲呼救。當瓦礫被挪開時,陽光照到夫朗和斐的眼睛,他不由舉起手來遮擋。他看著從指縫間穿過的光線,萬萬想不到他灰暗的人生自此也將被照亮,而且未來他還將會發現陽光中隱藏的秘密。

Read More »
數學

最先認清無限大的人

面對這些無限大衍生的種種矛盾,數學家普遍認為無限只能當作一種概念,不能加以計算或比較大小。數學王子高斯就嚴肅表示:「我反對將無限量看成真實的實體來運用,這在數學之中是永遠不被允許的。無限只是一種說法而已。」直到不信邪的德國數學家康托爾出來挑戰長久以來的禁忌,用集合論照出無限大的真正原形。

Read More »
化學

週期表夢中現身

門得列夫試了很久,卻總是顧此失彼,最後終於精疲力竭而不支睡著。睡夢中一張表格驀然浮現,化學元素以他未曾想過的方式排列,卻恰能各安其位。他自夢中驚醒,趕緊拿出紙筆,趁記憶猶新將它如實畫下……

Read More »
太空天文

二千三百年前如何知道太陽有多大?

我在2月19日那篇〈哥白尼冥誕〉中提到西元前二百多年的希臘學者阿里斯塔克斯(Aristarchus of Samos)推算出太陽的大小是地球的300倍。有讀者問道:他是怎麼推算的? 首先,阿里斯塔克斯在月全食時,從地球的影子剛好遮住一半月表時開始計時,直到月球完全被遮住後又冒出一半來,估算出地球的影子是月球直徑的2倍,因此地球直徑是月球的3倍。 接著他知道上弦月和下弦月時,太陽、月球和地球的位置剛好是直角三角形,在量測出太陽和月球對地球的夾角為87°後,便可算出太陽到地球的距離是月球到地球的20倍(註)。

Read More »