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從蒸氣時代到電力時代——參觀德意志博物館

從蒸氣時代到電力時代——參觀德意志博物館

從蒸氣時代到電力時代——參觀德意志博物館

5月23日,抵歐第二天,獨自逛德意志博物館。這是全球最大的科技博物館,創立於 1903 年,展品多達 28,000 件,涵蓋蒸氣時代、電力時代、大航海時代、航空時代以及天文觀測……等,人類文明重要進展中的諸多文物與發明。

館內收藏真的非常豐富,有太多值得介紹,這裡我先挑一些過去曾涉獵的主題。

高壓放電與法拉第籠

我到達時剛好趕上高壓放電的演示,主持人開啟 120 萬伏的高壓電,只見兩根三層樓高的金屬棒隔空放電,在它們之間的玻璃板出現蜘蛛網般的閃電,令抬頭仰望的一群小學生驚呼連連。

高壓放電演示。

主持人用德語解說一番後,他的同事鑽進一個球形鐵籠。接著鐵籠緩緩升到半空中,主持人又啟動開關,高壓電火花傳到鐵籠上方,持續了十幾秒。主持人關掉電源後,將鐵籠降至地面,他的同事毫髮無傷地走出來,完美演示了「法拉第籠」的靜電屏蔽效應。

工作人員坐在法拉第籠內,不受高壓電影響。

鐵籠是良好的導體,外部電場產生的電荷都會往鐵籠移動並分佈在其外層表面,因此籠子內部並沒有電荷。富蘭克林早在 1755 年就觀察到此一現象,不過直到 1836 年,法拉第以極具戲劇性的手法當眾演示,法拉第籠的神奇作用才廣為人知。

法拉第用木框與金屬網打造一個高 3.5 公尺的籠子,置放在玻璃支柱上,然後帶著電荷計、蠟燭與繫著細絲繩的銅球,走入籠子裡。發電機啟動後,籠子因大量電荷而冒出火花,法拉第卻悠哉地展示電荷計上的指針完全不受影響,令現場的英國皇家學會院士們嘖嘖稱奇。

法拉第籠不光是令人眩目的展示道具而已,如今我們的生活中也處處可見,例如飛機和汽車也都是一種法拉第籠,才能保護裡面的乘客免於雷電的傷害。這當然是法拉第當年無能想像的應用,不過這正是許多科技發明源於科學發現的一個常見的例子,

電力時代初期的發電機

一踏進電力館的展示區,許多碩大無比的古老發電機映入眼簾,動輒兩、三公尺高,一看說明,年代竟然在 1870 年到 1890 年之間。我之前一直把特斯拉於 1893 年,協助西屋電氣點亮芝加哥世界博覽會的十萬只燈泡,視為大型供電的開端,但原來在此之前,歐洲就有如此規模的供電系統;雖然用的是直流電,卻也能傳送幾十公里。

1887 年的內極式發電機。

事實上,當特斯拉於 1884 年抵達美國之際,有幾位先鋒已經在打造商用的交流電發電機與變壓器,例如匈牙利的岡茲公司 (Ganz Works)、英國的弗蘭提 (Sebastian Ziani de Ferranti) 、美國的小史坦利 (William Stanley Jr.) 等人。而義大利的費拉利 (Galileo Ferraris) 與俄國的多博佛斯基 (Mikhail Dolivo-Dobrovolsky) 也約莫和特斯拉同時期發明多相交流電系統。

世上第一個多相交流電的水力發電廠就建於德國的勞芬 (Lauffen),於 1891 年傳輸電力到 176 公里外的法蘭克福,比特斯拉為西屋電氣建立的尼加拉瀑布發電站還早五年。

由於特斯拉一直被愛迪生的光環掩蓋,直到近年世人才認識這位不世出的天才,為他一生做出諸多貢獻卻落得悲慘下場感到不平,因此許多人給予他「交流電之父」的稱號。我原本也覺得他值得此一榮耀,但如今參觀完博物館後,覺得不應再以交流電之父稱之,否則其他也做出重要貢獻的人就會像特斯拉過去那樣,被世人忽略淡忘了,不是嗎?

建於勞芬的水力發電站模型。

蒸氣時代

走進蒸汽時代區,視覺震撼更甚於電力區,這些機器更加龐大,超乎我原本的想像。以瓦特的蒸汽機為例,在我腦海中頂多就一個人高,沒想到現場一看,竟然有兩層樓高!

瓦特於 1788 年打造的蒸汽機。

不過這還不是最高的,現場有具紐科門 (Thomas Newcomen) 蒸汽機,甚至高達三層樓。

其實我因為寫過瓦特的故事,知道紐科門蒸汽機原本用來在礦坑抽水,瓦特再加以改良而成,我應該認知到用於礦坑的機器本來就不小才對。但顯然百聞不如一見,還是要看到實物才能感受到它們的巨大。

紐科門蒸汽機。

館內還有很多蒸汽推動的機器,這些龐然大物擺在一起,令人覺得宛如置身於蒸汽龐克的電影場景中,不禁幻想著這些活塞、連桿與齒輪動起來的樣子⋯⋯。

天文觀測

在館內發現一具大有來頭的天文望遠鏡。首先它的鏡片是由發現太陽光譜中有許多黑線(稱為「夫朗和斐線」)的德國物理學家夫朗和斐 (Joseph von Fraunhofer, 1787-1826) 設計的。

夫朗和斐本是慕尼黑一間玻璃工坊的學徒,結束七年的學徒生涯後,到一家光學儀器公司上班。一位來自瑞士的玻璃師傅發現他極具天分,於是傾囊相授製作高品質玻璃的秘密。夫朗和斐不但研磨手藝大為精進,也有系統地分析玻璃的折射率等光學特性,終於大幅改善折射式望遠鏡的色差問題。這具天文望遠鏡便是後來這家光學儀器公司為新柏林天文台打造的。

當時只知道太陽系有七大行星,不過法國數學家勒威耶 (Urbain Le Verrier) 發現天王星的實際運行軌道與理論所預測的不大相符,經過計算後,他於 1846 年 8 月在法國科學院發表論文,宣稱天王星應該還受到另一顆尚未發現之行星的引力拉扯,並指出這顆未知行星的可能軌道。

勒威耶的論文發表後,他的法國同僚卻半信半疑,無人有意願觀測天際加以驗證。畢竟這推測的第八顆行星即便真的存在,星光也相當黯淡;繁星若塵,要從星圖中比對出來實是一大挑戰。勒威耶只好寫信給在柏林天文台的好友天文學家加勒 (Johann G. Galle) ,請他在自己所預測的方位搜尋這顆行星。

德國天文學家加勒。

1846 年 9 月 23 日,加勒收到勒威耶的信,當晚即進行觀測,同時請助理在旁與星圖比對。沒想到觀測不到半小時,助理就興奮地大喊:「星圖上沒有那顆星!」他們果真發現了勒威耶預測的第八顆行星,也就是海王星。

海王星成為八大行星中,唯一以天體力學計算推斷其存在後,才經由觀測而發現的行星,而且與理論預測的位置僅相差 1 度,再次證明了自然現象可以用簡單的物理定律加以掌握。

如今這具發現海王星的望遠鏡默默地立於博物館的一角,在它旁邊遙想當年,除了感佩前人的才智與付出,更能體會科學之美與力量。

加勒於 1846 年發現海王星所用的望遠鏡。
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