Author Archives: 瑞棋 張

愛因斯坦拿到諾貝爾獎的一波三折

1919年11月6日，英國皇家學會正式公布愛丁頓5月遠赴非洲觀測日食的結果，顯示太陽的重力場會使星光的路徑彎曲，偏折角度一如愛因斯坦廣義相對論的預測。 廣義相對論徹底顛覆傳統的物理概念，重要性不言可喻，如今獲得證實，大家都普遍認為1920年的諾貝爾物理學獎非愛因斯坦莫屬。 然而愛因斯坦雖獲提名，最後脫穎而出的卻是瑞士物理學家紀堯姆（Charles Guillaume），授獎理由是「他發現鎳鋼合金中的異常現象，為物理的精密測量做出貢獻」。 就算是因為紀堯姆的發現實用價值更高，評審們認為應優先表揚，但1921年愛因斯坦再度獲得提名，沒想到諾貝爾物理學獎委員會卻宣布得獎者從缺，意即該年度的被提名人沒有任何一位符合獲獎標準。這又怎麼回事？ 原來主要是委員會中的瑞典皇家科學院院士古爾斯特蘭德（Allvar Gullstrand）極力反對。他自1905年起便擔任諾貝爾物理學獎的評審委員，本人曾獲1911年的諾貝爾生理學或醫學獎。他在多達50頁的報告中主張愛丁頓的日食觀測仍有爭議，還需要更多有力證據；同時又認定愛因斯坦的理論對人類的用處不大，其實已反映出他對廣義相對論的厭惡。 聲望極高的古爾斯特蘭德一言九鼎，其他評審委員無人反對，1921年便未頒發諾貝爾物理學獎。 1922年，愛因斯坦又獲得提名，古爾斯特蘭德依舊堅持他不夠格獲獎。不過，這次幸賴一位物理學家以臨時委員加入評審，才巧妙地化解了反對意見。 在瑞典烏普薩拉大學任教的奧森（Carl Wilhelm Oseen）非常支持新興的量子物理學，事實上他在1921年也提名了愛因斯坦角逐諾貝爾獎，只不過事由與相對論無關，而是因為光電效應的理論。 1922年的諾貝爾物理學獎被提名人中，也包括了提出量子化原子模型的波耳。奧森在報告中除了肯定波耳的重大貢獻，也強調愛因斯坦的光電效應公式與波耳理論之間的緊密聯繫。奧森建議由波耳獲獎，同時將前一年度從缺的諾貝爾物理學獎授予愛因斯坦，獲獎原因則是光電效應的理論。 在排除了廣義相對論這項阻礙後，委員會終於同意奧森的提議，於1922年11月9日宣布1922年與1921年的諾貝爾物理學獎得主分別為波耳與愛因斯坦。不過愛因斯坦10月即已啟程前往日本講學，他是11月10日在輪船上收到獲獎的電報，13日停靠上海時還受到大批民眾歡呼。 依照慣例，得獎人應在12月前往瑞典參加頒獎典禮，順便在斯德哥爾摩大學就獲獎的研究主題發表演講。但愛因斯坦直到隔年3月才返抵歐洲，無法趕上，於是諾貝爾獎委員會特地安排他於1923年7月11日，在哥特堡建城300周年的慶祝活動中，自瑞典國王手中接過獎章，並發表演說——不過愛因斯坦在演講中卻是大談廣義相對論。 就這樣，愛因斯坦終於拿到了諾貝爾獎，但卻非一般人以為的理所當然，而是歷經一波三折，並且打破許多以往的頒獎傳統。不過這倒也蠻符合他顛覆古典物理及非典型科學家的形象。 參考資料：

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 %。這代表愛因斯坦的光電效應公式E=hν正確無誤！ 密立根萬萬沒想到，自己精心設計完善的實驗，又耗費心力測量的結果，竟為光量子假說提供了無可辯駁的證明。他於1916年1月和3月先後發表兩篇論文，題目分別是〈愛因斯坦光電方程式和接觸電動勢〉與〈普朗克”h”的光電直接測定〉，使得物理學界大為震驚，原來量子並非只是解釋黑體輻射的「數學技巧」，而是光的本質。 不過密立根顯然仍難以接受。他在1月那篇論文寫道： 「在我看來，（光電方程式）目前尚無任何令人滿意的理論基礎。它的依據至今純粹是經驗性的，但它倘若正確，必將在輻射電磁能與熱能之關係的未來發展中，扮演與馬克士威方程組過去以來同樣重要的角色。」 另外他在3月的論文中也寫下： 「（光量子）這個假設應該可以稱其魯莽，首先因為停留在空間局部的電磁擾動似乎違背了電磁擾動的概念本身，其次是因為它公然違背了已充分證實的干涉事實。 …… 現在就絕對自信地斷言愛因斯坦方程式的普遍性和精確性，或許還言之過早。不過必須承認，比起迄今為止的發現，這個實驗更能賦予此一斷言的合理性。如果該方程式具有普遍有效性，那麼它無疑應該被視為物理學中最基本、影響最深遠的方程式之一。然而，愛因斯坦從其方程式推導出的半粒子理論，目前看來是完全站不住腳的。」 由此可見，密立根固然自豪於自己的實驗，卻難以嚥下實驗的結果。他更沒料到，還因此幫了愛因斯坦獲得1921年諾貝爾物理學獎；不過他自己也隨即於1923年榮獲諾貝爾物理學獎，授獎理由便是表彰「他在基本電荷及在光電效應的研究」。 有沒有覺得這段驗證光電效應理論的歷史頗耐人尋味？另一方面，這也令人見識到密立根所展現實驗物理學的嚴謹，以及秉持開放的心態，讓事實說話——這正是科學不斷向前邁進的基礎。 參考資料：

光量子現身——愛因斯坦的光電效應論文

名聞遐邇的愛因斯坦，終於在1921年獲得諾貝爾物理學獎，不過獲獎的具體理由卻與狹義相對論或廣義相對論都沒關係，而是他發現了光電效應的物理定律。 光電效應最早是赫茲在1887年觀察到，某些金屬受到光或紫外線照射時，會發出陰極射線（十年後湯姆森以實驗證明這就是電子）。隨後許多科學家進一步研究，卻發現難以解釋的奇特現象。 謎團 首先，只有高於特定頻率以上的光才會產生光電效應。例如用再強的紅光照射再久，也無法從鉀金屬打出電子，但極弱的紫光卻能輕易辦到。按理說，金屬表面的電子是因為吸收能量才被激發出來，那為什麼很亮的紅光能量遠比微弱的紫光大，卻無法讓電子釋放出來？ 而同樣是紫光，無論強度如何，只會激發出更多電子，並不會提高電子的動能。電子的最大動能只取決於光的頻率，與光的強度無關，這也與理論不符。 此外，微弱的光給予的能量較少，電子應該需要一些時間累積到足夠的能量後，才能脫離原子核的束縛，但實驗結果卻顯示電子在照射瞬間就發射出來。 光的頻率超過閾值才有光電效應、激發出的電子能量與強度無關、電子瞬時發射，這三個現象讓物理學家束手無策。這是因為當時普遍認為光是一種電磁波，可分布於各種頻率，因此光的能量變化是連續的，但這就無法解釋光電效應。 光量子假說 1905年6月9日，德國物理學期刊《物理年鑑》刊登了一篇論文，題為《關於光的產生和轉變的一個啟發性觀點》，作者是年僅26歲的瑞士專利局職員——愛因斯坦。 文中借用普朗克在1900年為了解釋黑體輻射，而提出能量的吸收和發射，是以一份一份的「能量子」（quanta）形式進行的假設，大膽指出其實光本身就一份一份的、不連續的「光量子」（後來便稱為光子）；光子的能量等於普朗克常數乘以光子的頻率（E=hν）。 有了光子的概念，光電效應的謎團便迎刃而解。● 瞬時發射： 光子與電子之間的相互作用是一對一的，當光子撞擊到電子時，能量傳遞在那一瞬間就發生了，因此幾乎沒有時間延遲。● 光的頻率要超過閾值：既然電子吸收的是單一光子的能量，而光子所攜帶的能量只和頻率有關，那麼能量若不足以讓電子脫離束縛，再多的光子（例如再強的紅光）也不會發生光電效應。● 激發出的電子動能：光的強度更大代表有更多光子，只會激發出更多電子，並不會讓單一電子的動能變得更大。 然而愛因斯坦的理論卻被主流學界認為離經叛道，因為它顛覆了古典物理學對光本質的理解；美國物理學家密立根便著手進行實驗，試圖駁斥光量子的概念，沒想到實驗結果反而證明愛因斯坦的理論是對的，愛因斯坦也因此獲得諾貝爾獎。 愛因斯坦這篇論文不但解決了困擾物理學界已久的謎題，光電效應的原理揭曉後，也促成了諸多現代科技的誕生與發展，例如太陽能板、感光元件、光電倍增管以及各種感測器等，在能源、通訊、醫療和天文學等領域發揮巨大的作用。 此外，愛因斯坦揭露光的波粒二象性，也奠定了量子物理學的重要基礎，而量子物理所產生的影響更是難以估量。

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。 更神奇的是，一般攝影只能拍下物體的單一角度，全像攝影卻能計算出各個角度，因此可以呈現出物體的三維影像。而且即使全像底片碎裂成許多小碎片，我們仍能任憑其中一小片，絲毫不差地還原出完整的樣貌。 不過全像攝影有賴於色彩純淨的光源，蓋博當時用水銀燈拍攝的效果不是很好，因此很久都沒有進展。直到1960年雷射發明後，全像攝影才終於取得突破，蓋博也於1971年獲頒諾貝爾物理學獎。 全像攝影後來逐步應用在不同領域，例如信用卡、身分證、護照的防偽；大量資料的儲存與讀取；材料的非破壞性檢測；還有如今AR/VR的影像顯示。全像攝影還被弦論物理學家用來作為「全像原理」（holographic principle）的類比：我們以為自己生活在三度空間，但會不會整個宇宙其實是二維的全像底片所投射出來的？ 蓋博絕對想不到當初在網球場的一個念頭，竟會衍生出這麼多應用，還涉及宇宙本質如此深奧的問題吧？ 參考資料：

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。

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。

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。 巴黎人類學學會於1861年4月初舉辦的年會，聚焦於大腦如何運作的問題：究竟大腦功能是整體運作的結果，或是不同區域各自負責特定的功能？奧布丹醫師（Simon Auburtin）上台力主特定區域論，重提其岳父13年前提出的賭注：因腦傷而失去說話能力的病患，其病灶一定是在前額葉，若有人能找到反例，他願奉上500法郎。 其實兩派都拿不出足以支持己論或駁倒對方的具體證據，才會三、四十年來仍爭吵不休。布羅卡在台下聽得興味盎然，他原本對此問題並未研究，也無特定立場，如今才被勾起興趣。 年會結束一週後，布羅卡到一家醫院探視一個暱稱「譚」的51歲病患，因為他除了”Tan”這個音之外，其它字詞都說不清楚。布羅卡從病史得知他是30歲才喪失說話能力，40歲後右半身從手臂到下肢逐漸癱瘓，因長期臥病在床而導致褥瘡，現在右腿已嚴重感染。 4月17日上午，譚終因敗血症不治過世。布羅卡當天解剖他的屍體，果然在左腦額葉表面發現有個雞蛋大的病變。布羅卡從病變的發展比對其病史，推斷病灶始於額葉下方、眼眶之上的位置，那麼這部位應該就是負責掌管說話能力。 布羅卡開始追蹤類似病例，兩年內又從十二位病患的大腦確認了這個推論後，於1865年寫成論文發表，從此左腦這個負責說話的部位就稱為「布羅卡區」。 布羅卡成為史上第一位發現某個腦區有特定功能的人，也開啟了繪製大腦地圖的序幕。醫師、解剖學家、心理學家們開始尋找大腦各個區域的職掌，隨著技術的演進，這幅地圖越來越精細，涵蓋的層面也越來越廣，包括知覺、運動、情緒、……等等。 所以這代表特定區域論取得全面勝利嗎？並不盡然。就以說話能力為例，除了布羅卡區，其實還牽涉到韋尼克（Wernicke）區（韋尼克區損傷的病人雖然可以清楚地說出字詞，卻是亂無章法的組合，而他們也無法理解別人說的話）、聽覺皮質或視覺皮質、與運動皮質。 事實上，任何心智活動都需要大腦各部位的協同運作，就像交響曲需要不同樂器一起演奏。另一方面，大腦裏的這些樂器必要時還能變換角色，彼此支援。 總之，大腦的運作遠比特定區域論者所以為的還要複雜，也更具彈性。布羅卡的發現成為大腦地圖的起點，而大腦地圖其實只是了解心智活動的起點。 參考資料：Paul Broca – Wikipedia

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。