今天 (8/30) 是拉塞福 (Ernest Rutherford) 的生日，他最有名的成就就是用 α 粒子（氦原子核）轟炸非常薄的金箔，結果發現有些 α 粒子竟然反彈回來，才大膽推翻業師湯姆森的「梅子布丁模型」，改提出「行星模型」，主張原子絕大部分的質量都集中在帶正電的原子核，電子則像行星繞著太陽一樣繞著原子核轉。 我們在課本裡學到的大概就這樣，但其實拉塞福還有很多成就以及軼聞，你可能都不知道……。 ——他不但在紐西蘭出生長大，也是在那裏念完碩士，才於 1895 年到英國劍橋大學的卡文迪許實驗室 (Cavendish Laboratory)，跟隨湯姆森做研究，成為第一位不是劍橋畢業的「異類」。 ——拉塞福於 1908 年獲頒諾貝爾化學獎，並不是因為發現原子核，而是因為放射性元素會衰變成另一種元素的研究。當 1901 年，他的助手索迪 (Frederick Soddy) 興沖沖地用蛻變（transmutation）這個詞描述這個發現時，拉塞福馬上糾正他說：「看在上帝的份上，不要叫它『蛻變』吧！他們會把我們當成煉金術士砍頭的。」 ——對於自己獲得諾貝爾化學獎，拉塞福有一點不開心，因為他希望拿到的是物理獎。他曾說：「除了物理，其它科學不過是集郵。」(All science is either physics or stamp collecting.) ——1905 年，拉塞福於根據半衰期，算出一塊岩石樣本已有五億年歷史，打破當時普遍認為地球年紀只有數千萬年的迷思，也為達爾文的演化論增加可信度。 ——拉塞福是在 1909 年做金箔實驗，但因為大角度反彈的粒子數是八千分之一，考慮實驗可能誤差，並未馬上發表，直到 1911 年，他才確認實驗的可靠性。剛好湯姆森的另一位學生發表正電物質均勻分布於原子內的實驗，拉塞福便藉由駁斥這個實驗而公布金箔實驗結果與他的原子模型。 ——身為粒子物理的宗師，拉塞福對於核能還是看走眼了。他曾在 1932 年接受專訪時，針對核分裂發表看法說： 「在這過程中，是有可能獲得比質子所攜帶的還要多的能量，但平均而言，不必期望藉此獲取能量。用這方式製造能量又少又沒效率，有人想要用原子的轉變做為能量來源，無異於打月光的主意。」 結果他這句話反倒激起物理學家西拉德 (Leo Szilard) 不以為然，因而想出核分裂的連鎖反應，這個故事可參見：〈核彈與核電都始自他的靈光一閃〉。 ——拉塞福後來於 1919 年接替湯姆森，擔任卡文迪許實驗室主任。他指導過的學生有多達十位成為諾貝爾獎得主，按照得獎年份分別有： 1921 年，發現同位素的索迪； 1922 年，以量子躍遷概念修正行星模型的波耳 (Niels …
Author Archives: 瑞棋 張
開啟量子電動力學的人
我在前一篇〈測量地球質量的人〉中，介紹了和《非常律師禹英禑》的女主角一樣是自閉症患者的卡文迪許。除了他之外，英國物理學家狄拉克 (Paul Dirac) 雖然沒那麼嚴重，卻也非常怪異，和禹英禑一樣，完全無法理解弦外之音，只能以邏輯來解讀字面上的意義。禹英禑在最後一集中說自己像是混入了白鯨群裡的一角鯨，奇特又古怪；這個比喻也相當適合這位波耳口中「擁有最純淨的靈魂的物理學家」。 出生於 1902 年的狄拉克不像其他幾位著名的科學家那麼家喻戶曉，卻也是天才型的學者，為量子力學奠定重要的理論基礎。有一張最有名的物理學家大合照，被譽為史上含金量最高或智商總和最高，那是攝於 1927 年的索爾維會議 (Solvay Conference)，參加的都是當時最重要的物理學家，包括愛因斯坦、薛丁格、波耳、海森堡、……等人，可類比於金庸武俠小說中華山論劍。其中最年輕的，正是前一年剛取得物理博士、才 25 歲的狄拉克。 1928年，狄拉克進一步將薛丁格方程式結合狹義相對論，提出狄拉克方程式，一舉解決原本量子力學無法解釋高速電子的問題，開創了量子電動力學。而且他的方程式還預言了反物質的存在，這在當時是匪夷所思的，沒想到美國物理學家安德森 (Carl Anderson) 果然於1932年發現電子的反物質──正子。第二年，狄拉克便與薛丁格共同獲頒諾貝爾物理獎。 當然，歷史上不乏英雄出少年的例子，但狄拉克這個人卻是個異數。其實他私底下就像一般的科宅，熱愛間諜小說和推理小說，喜歡看米老鼠卡通，還是女歌星雪兒 (Cher) 的粉絲。但當與人相處時就顯得格格不入，例如： 狄拉克後來成為維格納的妹夫。原來維格納的妹妹瑪爾吉特 (Margit Wigner) 剛離婚不久後，於 1934 年從匈牙利來普林斯頓找哥哥，因而認識狄拉克。其實瑪爾吉特和狄拉克是截然不同的人，狄拉克孤僻內向、沉默寡言，她卻是活潑外向、熱情健談，對科學又一無所知。不過瑪爾吉特就是喜歡上狄拉克，她回歐洲後每隔幾天就寫封長長的信給他，但狄拉克卻每隔幾週才回一封寥寥數語的信。有一次她抱怨他都沒有回答她信中的諸多提問，狄拉克的回應是畫張表格列出所有問題，然後像考試般一一作答，例如她問：「你對我到底有沒有感覺？」他只寫下：「有，一些。」 儘管狄拉克在信中向瑪爾吉特坦承自己向來沒什麼情緒感受，更沒有愛的感覺，生活重心只在追求客觀真理，但隨著書信往返，狄拉克冰冷的心似乎開始融化。1935 年 8 月，狄拉克從莫斯科要回英國的途中，特地前往布達佩斯找瑪爾吉特，當他回到劍橋後立刻寫信給她說：「離開你時我很難過，我到現在都還非常想念你。我不明白為什麼會這樣，通常我離開別人時都不會想他們的。」 1937 年元月，瑪爾吉特帶著與前夫所生的兩個孩子，和狄拉克結婚；他們一直住在英國，直到1969年狄拉克自劍橋大學退休後，才搬到美國。瑪爾吉特與狄拉克相異之處反而像塊拼圖補足他的不齊，若按狄拉克同事的說法：讓他更像一個人。事實上，狄拉克結婚一年後有次出差，寫給瑪爾吉特的信中便有這麼幾句：「……。你讓我的生活產生奇妙的改變。你讓我更像個人。我感覺如果我能讓你快樂，其它什麼都不做，生活對我而言更值得活下去。」 他們兩人白頭偕老，直到狄拉克於 1984 年以 82 歲高齡過世，瑪爾吉特則活到 2002 年，死後與狄拉克葬在一起。 參考資料：
測量地球質量的人——他也是自閉症患者
自閉症類群障礙 韓劇《非常律師禹英禑》第一季風光落幕了，這齣以自閉症患者為女主角的影集相當受到歡迎，其中天真無邪的女主角禹英禑雖然有自閉症類群障礙 (autism spectrum disorders，簡稱ASD)，卻同時有驚人記憶力與超乎常人的思考，更是受到大家喜愛。雖然禹英禑是虛構的人物，但實際上的確有些自閉症患者有著非凡的成就，英國物理學家卡文迪許 (Henry Cavendish) 就是一個例子。 卡文迪許於 1731 年 10 月 10 日出生在一個貴族世家，當時還沒有自閉症這個病名，所以他並沒有經過臨床診斷，不過從他的行為來看，的確非常符合 ASD 的特徵，例如： 「他靦腆又害臊，跡近病態。當他不得不忍受與人接觸時，經常撇開眼神望向一旁，一旦受不了還會衝到室外去。有時候他來到門外，一見室內人群擁擠，就會渾身僵硬地站住，完全沒辦法踏入門內。……，散步時，他總是在同一個時間走在同一條路線上，而且會走在路中間，以免偶然碰到別人。」 「為了避免和他的女管家接觸，他總是在上床休息之前，寫下指示擺在桌上，……。他晚餐老是吃相同的食物：一塊羊腿。」（註1） 科學成就 那麼卡文迪許有那些成就？在化學方面，他發現了氫，並指出氫是一種元素，和氧反應會生成水，兩者的比例是 2 : 1。他還發現空氣中氮氣和氧氣的比例是 4: 1，而動物呼出來的氣體是二氧化碳。（註2）在物理方面，卡文迪許其實更早發現歐姆定律與庫倫定律，但生前一直未公開發表，直到 1879 年，馬克士威才發現卡文迪許早在百年之前，就在筆記本中寫下這兩項電學的發現。 事實上，卡文迪許從 1760 年獲選為英國皇家學會的會員，到 1810 年過世這五十年間都沈浸於科學研究中，卻由於社交障礙以及要求完美的個性，所發表的論文不到二十篇。如果他按一般標準發表論文，很多科學名詞可能都要改以他的姓氏命名。當然，他或許不會在意，而且他所發表的一篇論文就足以名垂千史，那就是關於地球質量的實驗。 怎麼估算地球密度？ 二千二百多年前的一個夏至，古希臘學者埃拉托斯塞尼 (Eratosthenes, 276 BC－194 BC) 利用兩地正午時，太陽投影角度的差異推算出地球周長，誤差只有 2.5 %。既然已經知道地球的大小，那麼只要知道地球的密度，就能算出地球質量，但根本不知道地殼底下是什麼，怎麼估算地球的平均密度？ 這個無解的問題直到 1687 年，牛頓發表萬有引力定律，指出兩個物體之間的引力與質量乘積成正比、與距離平方成反比，似乎露出一線曙光 。只要測量兩個物體之間的距離與引力，再和其中一個物體的重量（也就是它受到地球的引力）與地球半徑做比較，就可以推算出地球質量與密度。問題是一般物體的引力太微弱了，無法測量出來，就連牛頓自己都說不可能用這方法得知地球質量。 但如果是像山那麼巨大的物體呢？1774 年，也是英國皇家學會一員的馬斯基林 (Nevil Maskelyne) 到榭赫倫 (Schiehallion) 山，在山旁測量單擺因為鉛錘受到山的引力吸引而偏斜的角度，藉此推算出地球密度與山的密度是 9 比 …
發現物質波的人
1927年10月的第五屆索爾維會議（Solvay Conference），愛因斯坦、居里夫人、普朗克、薛丁格、波耳、玻恩、海森堡、……等當代巨擘齊聚一堂，被譽為史上含金量最高的研討會，29位的出席者有17位已經或將會獲得諾貝爾獎。 此次會議是基於量子力學討論電子與光子的「波粒二象性」，也就是同時具有波動性與粒子性。參加會議的科學家分成兩派，一邊是以愛因斯坦為首的古典陣營，另一邊則是以玻恩為首的哥本哈根學派，雙方對於波究竟是什麼爭執不下。 最先提出物質波的德布羅意 (Louis de Broglie) 也在其中，他的思緒不禁飄回從前……。 光量子 1919年，德布羅意自軍中退役後，決定重返校園，繼續研讀物理。8月15日他就要滿27歲，這個年紀才要念研究所似乎有點晚，這是因為1914年爆發第一次世界大戰，大學剛畢業的他隨即入伍服役，直到戰爭結束幾個月後才脫下戎袍。 德布羅意出身於法國貴族世家，大學原本主修歷史，但後來又鍾情數學、物理，最後以歷史與物理雙學位畢業。如今他回母校索邦大學（Sorbonne Université）讀研究所，特地找著名的物理學家朗之萬（Paul Langevin）當指導教授。朗之萬與愛因斯坦私交很好，在狹義相對論還沒獲得普遍認同時，就大力宣揚；就是他提出雙胞胎之一以光速旅行，回來後兩人年紀會不一樣的「孿生子悖論」。 朗之萬建議德布羅意研究的，也和愛因斯坦另一篇論文有關，那就是光電效應背後的光量子。 光究竟是粒子或是波？這個問題自古以來爭論不休，從牛頓原本定於一尊的粒子說，到惠更斯等人的波動說，始終沒有定論。直到赫茲於1888年發表電磁波的實驗結果，證實馬克士威的理論後，大家終於認定光就是一種電磁波，而不是粒子。 沒想到後來卻又發現黑體加熱後的輻射強度與溫度的關係，用波動說怎樣也無法推導出符合符合實驗結果的公式。黑體輻射的問題一直無人能解，直到1900年底，普朗克提出光量子假說，假設光的能量像粒子一樣有最小不可分割的基本單位（E = hν，h 是普朗克常數，ν 是光的頻率），才成功解釋黑體輻射，也為量子力學揭開了序幕。 不過普朗克自己認為量子只是計算上的概念，並不代表光真的是粒子。但愛因斯坦於1905年發表的光電效應公式，以及波耳於1913年提出的氫原子模型中，再度彰顯出光量子的必要性。朗之萬向德布羅意建議的便是進一步探討X射線的光譜。 物質波 在光電效應公式與波耳的原子模型中，電子所吸收或放射的能量都是光子能量的整數倍，而這又取決於光子的頻率。德布羅意不禁懷疑，電子明明是粒子，為什麼與光子交互作用的能量又與頻率有關？而且原子中的電子軌域也取決於電子的能量，更暗示著電子本身與波脫不了關係。 1923 年，康普頓的 X 光散射實驗顯示：X 光的能量轉換與散射角度完全吻合粒子碰撞的模型，終於證明了光量子假說。光的波粒二象性既然已毫無疑義，德布羅意便在第二年放膽完成博士論文，主張電子——乃至所有粒子——都與光一樣具有波粒二象性，並在論文中提出物質波波長的計算公式。 但物質波的概念還是令人覺得太匪夷所思，畢竟光純粹是一種無形的能量，具有波粒二象性還說得過去，但物質明明有確切的質量，怎能相提並論？！幾位教授便都對德布羅意這篇論文持保留意見。 不過他的指導教授朗之萬還是覺得其中論述看起來無懈可擊，便將論文寄給愛因斯坦，請教他的意見。還好愛因斯坦予以大力肯定，並評論道：「我相信這是照進我們最嚴重的物理謎團的第一道光」，德布羅意才終於在1924年順利取得博士學位，並發表這篇打破傳統認知的論文。 薛丁格受到這篇論文的啟發，也於1926年發表薛丁格波動方程式，以波函數描述微觀粒子的狀態。 但畢竟事實上從未見過物體表現出波的特性，因此在確切的證據出現之前，與經驗法則不符的物質波主張只能被視為一種假說，波動方程式也只是個好用的數學公式，一如普朗克當初提出光量子之時。 沒想到證據很快就出現，而且竟是來自從沒聽過物質波的科學家。 電子繞射實驗 1925 年 2 月，貝爾實驗室的戴維森 (Clinton Davisson) 與助手革末 (L. H. Germer) 用電子束轟炸鎳，想要從電子的散射角度分析鎳的原子結構。不料中途玻璃竟不耐高熱而破裂，空氣跑進真空設備中，以致高溫的鎳靶嚴重氧化。戴維森不想就這樣丟棄鎳靶，於是透過加熱還原反應予以修復後，繼續實驗。 沒想到沒想到鎳靶部分表面因此形成排列整齊的晶體，實驗結果竟出現出乎他們意料的圖案。戴維森不以為意，直到第二年去英國二度蜜月時，順道參加當地一個物理研討會，首次聽聞德布羅意的物質波理論，才知道原來他們發現的是電子繞射的圖案，而繞射是波才有的特性，證明電子也有波動性。 戴維森返美後和革末再次進行實驗後，於1927年4月在《自然》期刊發表論文。兩個月後，G. P. 湯姆森也發表他獨立發現的電子繞射現象。德布羅意的物質波理論終於獲得證實，也讓剛萌芽的量子力學更加鞏固。 機率波 雖然當年十月的索爾維會議已無須再討論物質波是否存在，但對於物質波是什麼，而薛丁格方程式的意義又是什麼，兩派人馬卻各執己見。 德布羅意和愛因斯坦、薛丁格等人同一陣營，認為波就是傳統意義的物理波，但是玻恩、波耳、海森堡等人則延續「不確定性原理」的哥本哈根詮釋，主張粒子本沒有確切的客觀狀態，薛丁格方程式中的波函數代表的是粒子不同狀態的機率。 愛因斯坦針對哥本哈根詮釋的完備性不斷攻擊，卻一一被玻恩駁回。德布羅意也有備而來，提出「前導波」（pilot wave）理論，認為粒子是隨著空間中的前導波運動，就像是衝浪者乘著波浪前進一樣，如此就能解釋粒子的波粒二象性，而無需近乎玄學的哥本哈根詮釋。但是德布羅意無法回答他們提出的許多質疑，只能黯然不再提起。 德布羅意於1929年獲頒諾貝爾物理學獎（戴維森與 …
半導體的誕生（七）——發現p-n接面
越洋電話遇瓶頸 真空管的技術成熟後，AT&T 利用三極管做為中繼訊號放大器，於 1915 年開通橫跨美國東西兩岸的長途電話。接著 AT&T 繼續擴建遍布全國的電話網，並且在 1927 年，利用無線電波經電離層反射到大西洋對岸，完成從紐約到倫敦的史上第一通越洋電話。 不過這通電話只是實驗性質，因為電離層與大氣條件一年四季、晴雨晨昏都不一樣，越洋電話若要全年都暢通無阻，無線電波波長必須涵蓋更高的頻率範圍。偏偏真空管在高頻表現不佳，如何提高真空管的切換頻率，便成了貝爾實驗室的首要任務。 無奈真空管是靠加熱的方式產生游離電子，開開關關的切換速度有其上限，貝爾實驗室的工程師再怎麼努力，始終無法突破瓶頸。後來一位工程師歐偉 (Russell Ohl) 認清真空管此路不通，決定回頭研究礦石檢波器，沒想到因而發掘出半導體的潛力。 無線電求救訊號 歐偉於 1898 年出生在賓州的一個小鎮，從小就自學做各種化學實驗，也曾組裝電報的收發裝置。就讀師範學校時，他在實驗室角落發現一台礦石收音機，感到十分好奇，於是央請教授教在課堂上示範講解。 教授讓同學輪流戴上礦石收音機的耳機聆聽，輪到歐偉時，他竟聽到遠在大西洋的英國船隻所發出的求救訊息。原來當時正值第一次世界大戰，那艘英國船艦受到德國潛艇的攻擊，於是用無線電求救。歐偉大感震撼，從此對無線電深深著迷，決定改念賓州州立大學，立志當一名工程師。 他畢業後先在西屋電氣工作一陣子，再到AT&T上班。1927 年，貝爾實驗室成立，歐偉也轉調過來，研發高頻無線電。經過多年嘗試都沒有進展後，歐偉有天突然想起當年課堂上那台礦石收音機。如果礦石檢波器輕易就能收到遠方的無線電，那麼只要去除礦石中的雜質，或許就能接收頻率更高的無線電波。 歐偉重新檢視歷史上的無線電波實驗與論文，發現矽石的效果最好，於是他決定精煉出純度更高的矽，來做實驗驗證這個想法。他的同事都覺得他異想天開，竟把腦筋動到早已過時的技術，但他還是說服了冶金部門的同事幫忙，終於在 1939 年以高溫熔製的方法精煉出高純度的矽，讓他進行實驗。 一塊奇特的矽石 這位同事將矽石交給歐偉時，告訴他其中一塊相當奇特，每次量到的導電性都不一樣。歐偉聽到後不是太在意，先把這塊矽石放在一旁，直到 1940 年 2 月 23 日才把它拿出來檢測。他打開檯燈仔細檢查，發現這塊矽石中間有條裂痕，猜想這就是導電性不一致的原因。接著他接上電表，指針竟然馬上跳到 0.5 V 的位置；一關掉檯燈，指針就又歸零。 歐偉大吃一驚，白熾燈泡的光是不足以產生光電效應的，難道是光伏效應？但過去從不曾有如此高的電位差，況且光伏效應必須有兩種不同材料互相接觸，不應該出現在單一矽晶體上。他趕緊找實驗室主任來看這個前所未見的現象，同時和同事繼續深入研究這塊矽石。 他們發現裂痕兩邊的矽石分別有不同的雜質：上半部含有少許的硼，而下半部的雜質則是磷。這些雜質應該原本就在原料矽粉中，原料經過高溫熔化再自然冷卻時，較重的磷下沉得比較快，較輕的硼下沉得比較慢。在這冷卻過程中，龜裂於恰好的時間發生在恰好的地方，而把這兩種元素分隔兩邊。結果外表看似一塊完整的矽石，其實卻是由兩種特性不同的矽組合而成。 發現 p-n 接面 含有磷的矽多了自由電子，含有硼的矽則多了電洞，因此歐偉把前者命名為「n型」，後者叫「p型」，並把兩者的接觸面稱為「p-n接面」(p-n junction)。他猜測 p-n 接面處形成一道能量屏障，平時不會導電，但在白熾燈泡的照射下，n型矽的自由電子被激發而越過屏障，產生電壓與電流。 就這樣，歐偉憑著堅定的信念加上一絲運氣，才發掘出半導體材料的關鍵秘密；而 n型、p型、p-n接面這些名詞後來便成為半導體的標準名稱。不過第二年美國就因為日本偷襲珍珠港而加入第二次世界大戰，貝爾實驗室必須優先研發國防武器，直到戰後才又重啟半導體的研究。 歐偉的發現後來延伸出兩項重要發明，一項是太陽能電池，另一項則是電晶體。再來電晶體是如何發明出來的，乃至積體電路以及矽谷的誕生過程，就請參見我的新書《 蕭克利與八叛徒》了。 註：本文改寫自之前曾發表的〈純屬意外的發明與發現——太陽能電池〉
兩隻孤獨的企鵝找到了彼此
這是澳洲攝影家邦格特納 (Tobias Baumgaertner) 在墨爾本南邊六公里處的聖科達 (St Kilda) 拍到的照片——兩隻小藍企鵝（學名 Eudyptula minor，又名小企鵝、神仙企鵝，是體型最小的一種企鵝）彼此依偎著眺望夜景。 邦格特那於 2019 年來此處原本是要拍攝企鵝棲息地受到人類的影響。小藍企鵝白天都在海中覓食，直到黃昏才會集體上岸，回到棲息地睡覺、築巢、交配，或餵養幼兒。邦格特納注意到其他企鵝群聚活動或在睡覺時，這兩隻企鵝卻在一角的礁岩上互相拍撫、輕啄、並肩看著遠方燈火。 那裏的志工告訴他右邊皮毛已白那隻是母的，年紀較大，左邊深藍色那隻是公的，兩隻都失去了原有的配偶。牠們上岸後總會找到彼此，然後到礁岩上互相梳理、望著閃爍的燈光，一站就好幾個小時。（我不禁想到瑪麗．居禮喪夫五年後，和丈夫曾指導過的學生朗之萬，兩人的愛情故事。） 由於不能開閃光燈，牠們又不時動來動去，邦格特納守了三夜，才成功捕捉到如此浪漫的畫面。但他一直到 2020 年 3 月，有感於疫情造成許多人生離死別，才將照片分享到 Instagram 上。不久後又經由他人透過推特轉發而轟動一時，畢竟任誰都一眼就從中感受到不言而喻的深情吧。這張照片也於當年獲得《海洋學雜誌》(Oceanographic Magazine) 的攝影大獎。 不過有生物學家對於邦格特納貼文中的抒情描述不敢苟同，認為這會誤導大眾以為企鵝有著忠貞的愛情。好啦，的確有研究顯示企鵝雖然有固定配偶，但如果沒有生出下一代，有 18 % 到 50 % 就會分手。不過正因為如此，這兩隻企鵝廝守在一起，只是靜靜地眺望夜景，才更觸動人心，不是嗎？ 今天七夕情人節，就和大家分享這組深情浪漫的照片。世局再怎麼紛擾，至少有人陪伴著你。 參考資料： A guide to little penguins – Phillip Island Nature Parks Does a Photo Show ‘Widowed’ Penguins Consoling Each Other? | Snopes.com
半導體的誕生（六）——真空管崛起
1901 年美洲盃國際帆船賽的電報大亂鬥，德佛瑞斯特以單打獨鬥之姿，對抗馬可尼電報公司以及美國無線電話與電報公司後，決定留在紐約尋求金援，這樣才有機會在激烈競爭中占有一席之地。 雖然無線電報還沒商業化，但很多人已相信它會是未來的明星產業。在華爾街打滾的懷特 (Abraham White) 說服德佛瑞斯特：與其找大金主，讓別人握有公司多數股權，不如直接向大眾募資，這樣公司才是自己的，享有最大利益。德佛瑞斯特對懷特的提議非常心動，同意和他攜手合作，於 1902 年成立「德佛瑞斯特無線電報公司」，由懷特擔任總經理，自己專心於技術研發。 公司成立沒多久，他們就取得陸軍在紐約總督島 (Governors Island) 的無線電報標案，並在隔年三月順利完成驗收。這段期間，德佛瑞斯特與負責的通訊官鄧伍迪 (Henry Dunwoody) 上校兩人惺惺相惜，成為忘年之交。在德佛瑞斯特的力邀下，鄧伍迪於 1904 年中晉升少將後即申請退役，到他的公司擔任副總經理，專門與軍方打交道。 侵犯專利 就在業務蒸蒸日上之際，公司於 1906 年突然遭逢重大危機，法院判決德佛瑞斯特的檢波器侵犯他人專利，也就是調幅技術發明人范信達的電解式檢波器，不得使用。由於其它檢波器也都各有專利保護，他們別無選擇，只能拿鄧伍迪剛於三月申請專利的碳化矽檢波器來試試看。 碳化矽是半導體的一種，鄧伍迪雖然比研究半導體礦石已三、四年的匹卡德還早五個月申請專利，但顯然所知相當有限，以為直接把現有的檢波器替換掉就好了，但他和德佛瑞斯特怎麼樣就是沒辦法獲得良好收訊效果，最後只好求助於 AT&T 的匹卡德（註1）。 匹卡德指出問題在於天線與碳化矽的接觸位置與壓力後，他們終於成功用碳化矽檢波器取代電解式檢波器，公司才化險為夷，免於倒閉。不過德佛瑞斯特未能免責，在懷特的運作下，他被迫在 1906 年 11 月辭職，以名下原有股份換回一千美元，黯然離開自己的公司，另起爐灶。 三極真空管 除了一千美元，德佛瑞斯特帶走的還有三極真空管專利的所有權；董事會之所以同意，是不想再捲入專利糾紛。 真空管最早是在 1904 年，由馬可尼電報公司的弗萊明 (John A. Fleming) 提出專利申請。他發明的是二極管，只有開關與整流的作用；德佛瑞斯特在二極管的負極和正極之間加上金屬網做為柵極，變成三極管，多了放大訊號的功能（註2）。儘管德佛瑞斯特堅稱自己獨立發明出三極管，但旁人恐怕多會認為他只是改良了二極管，因此董事會寧可這項新發明讓給德佛瑞斯特，以免又被告侵權。 德佛瑞斯特隨即在 1907 年初申請三極管專利，並命名為「Audion」。取這個與聲音直接相關的名稱，是因為他不僅要用來做出更靈敏的無線電報檢波器，還要用來接收無線電電話。 不過當時仍不清楚訊號放大的原理，他在測試時發現三極管內的真空程度如果太高，反而無法運作，因此誤以為須靠氣體離子的作用，而特意讓真空管內留有些許氣體。結果製造出來的三極管效能很不穩定，因此無線電電話的事業於1911年宣告失敗，三極管本身也未受市場青睞，遠遠不如匹卡德在這一年離職創業，所推出的礦石檢波器。 德佛瑞斯特仍不願放棄三極管，最後在1912 年想到「再生電路」的設計，也就是從三極管輸出訊號後又再反饋到三極管，放大效果可以超過百倍。當時AT&T正計畫建造橫跨美國的長途電話網路，便邀他前來展示。結果AT&T的科學家發現三極管的問題所在，原來是德佛瑞斯特設計的結構不良，才耐不住真空。 經由AT&T的改良後，真空度更高的三極管果然展現更佳也更穩定的效能，再搭配再生電路，終於彰顯出三極管的巨大潛力。除了做為檢波器與通訊網路的中繼放大器，真空管還可用於無線電波發射器；當然，還有收音機。 半導體礦石無人聞問 1920 年商業廣播電台開播後，真空管收音機因價格昂貴，難以普及，風行一時的仍是匹卡德的礦石收音機。雖然它只能用耳機收聽，還得摸索礦石的熱點與接觸壓力，但由於價格便宜非常多，仍是一般民眾的首選。然而真空管收音機有喇叭，更適合全家一起收聽廣播節目，因此隨著真空管的製造成本越來越低，真空管收音機逐漸成為必備的家電產品，礦石收音機終於失去吸引力，到了 1930 年代已乏人問津了。 匹卡德最後只能無奈關掉公司，轉而擔任其他無線電公司的顧問。他見到自己的事業竟然是毀於自己當初出手救援的人，不知心中作何感想。 真空管勢如破竹，各式各樣的電器用品，乃至商用電腦、軍用雷達應運而生。原本好不容易因礦石收音機嶄露頭角的半導體礦石，變成無用的過時產物，從此被棄置一旁，無人聞問。必須再過十年，貝爾實驗室一位工程師為了解決真空管的技術瓶頸，才憑他的信念加上一點運氣，發掘出半導體礦石另一項奇特性質，開啟了半導體元件的研究……。 註： 參考資料：
一位不斷在 NASA 打破玻璃天花板的女性
之前寫過幾位在 60 年代，靠著自身能力與堅強意志，在性別歧視仍相當明顯的 NASA 出人頭地的女性，例如她的故事曾拍成電影《關鍵少數》的凱薩琳．強森 (Katherine Johnson)、喜劇演員傑克的媽媽茱蒂．寇恩 (Judith Love Cohen) 以及拯救登月任務的瑪格麗特．漢密爾頓 (Margaret Hamilton)。現在要介紹的這位喬安．摩根 (JoAnn Morgan)，更是一而再、再而三地打破女性的玻璃天花板。 先來看看這張照片，這是 1969 年 7 月 16 日阿波羅 11 號發射升空時，在甘迺迪太空中心的發射室 (firing room) 拍攝的（火箭升空後才由休士頓的任務控制中心接管），四天之後，人類首度踏上月球。這張照乍看之下清一色都是白人男性，但其實其中有位女性，你能找到嗎？ 像「在海灘看煙火」 很難吧？如果你還沒找到，她在第三排控制台的中間位置，那就是喬安摩根，第一位在發射室中參與火箭升空任務的女性。 喬安本姓哈丁 (Hardin)，1940 年出生於阿拉巴馬州，雖然從小喜歡數學、科學，但更愛音樂，原本立志長大後要當鋼琴老師。不過高中時，因為擔任飛行員的父親調來佛羅里達州的火箭基地，便舉家從阿拉巴馬州搬遷到基地附近，喬安原本的人生志向也因此改變了。 喬安轉學後的高中就和火箭發射台隔著一條河，她在學校偶而便看到對岸的火箭發射升空（當時主要是飛彈測試），不過這並未激起她的太空夢。她日後回憶當年起初還感到新奇有趣，像「在海灘看煙火」，但後來就只覺得是轟隆作響的背景噪音。 1957年10月，蘇聯率先發射第一顆人造衛星「史普尼克一號」（Sputnik 1），美國趕緊也在1958年1月發射人造衛星「探險者一號」(Explorer 1)。探險者一號不僅是為了不在太空競賽中落後，裡面也搭載科學儀器，證實了范艾倫輻射帶（來自太陽的帶電粒子在此被地球磁場捕獲）的存在。 這是人類第一次在太空所做的科學發現，也觸動了喬安的內心深處。她告訴自己：「這是事關我們這顆星球上每個人的深刻知識。這是項重大發現，我也要成為這個團隊的一員。」她的人生志向因此才徹底改變。 不久後她看到陸軍彈道飛彈署的徵才廣告，其中有兩個工程師助理的實習生名額。數學和科學本是她的強項，於是她順利在1958年高中畢業後成為實習生。過沒多久，美國航空暨太空總署正式掛牌運作，陸軍彈道飛彈署也於當年10月併入，喬安因此開啟她在NASA 的生涯。 喬安進入佛羅里達大學數學系就讀，還修了計算機的課程。她在NASA的表現很快獲得主管注意，甘迺迪太空中心主任德布斯（Kurt Debus，原是納粹德國的V-2火箭專家）特地找她面談，在了解她的志向後，他向喬安建議在學校還應該修哪些科目，以及未來所需的認證。 她聽進這些指點，最後如願取得「量測與儀器工程師」以及「資料系統工程師」的認證，於 1963 年成為 NASA 正職的工程師。 可以叫她煮咖啡嗎？ 在她正式上班之前，她的直屬主管怕她受到性別歧視，特地召集部門同事開會，告誡他們要把她當成工程師對待。但還是有人舉手發問： 「那我們可以叫她煮咖啡嗎？」 「不行！你不能叫一個工程師煮咖啡。」 由此可見當時要排除性別歧視有多困難，而她也仍要不時面對各種阻礙，例如接到猥褻電話，或是因為沒有女廁，得請警衛在男廁門口幫她把關。有一次喬安到發射台要讀取測試結果，那裏的主管突然從後面出現，用力拍她的背，凶惡地斥喝她：「我們這裡不准有女人！」 除了外來的性別歧視，喬安還得承受一種孤獨感，因為無論是工作或開會，她幾乎都是在場唯一的女性。不過從正面看，她也因此激勵自己一定要做到最好。 在陸續參與水星計畫、雙子星計畫與阿波羅計畫後，喬安一步一步晉升為資深工程師，然而每當火箭要發射時，她仍然不能進入發射室。直到阿波羅 11 號，一位主管向主任德布斯極立爭取後，她終於成為第一位在發射室參與火箭升空的女性，負責儀表控制。 …
【歐洲紀行】造訪馮紐曼故居
來到布達佩斯，除了到城市公園探尋特斯拉當年靈光一閃、在沙地上畫出交流感應馬達設計圖之處，還想順道造訪的，是另一位天才馮紐曼 (John von Neumann) 的故居。 天才兒童 馮紐曼的天才是非常誇張那種。他出生在布達佩斯一個富裕的猶太家庭，從小就展露過人天份，六歲能心算 8 位數的除法，八歲就會微積分，除了母語，也會英、法、德與義大利等國語言，還會古希臘語。他的記憶力驚人，看過的書過目不忘，甚至能背下電話簿。 1921 年，馮紐曼被布達佩斯大學數學系錄取，卻因父親強烈反對，只好改念柏林大學化學系，兩年後再轉到蘇黎世理工學院。雖然他完全沒在布達佩斯大學上過一堂課，卻因高分通過期末考又有發表數學論文，結果在 1926 年除了取得蘇黎世理工學院化工博士，也同時拿到布達佩斯大學的數學博士學位。隔年他即在柏林大學任教，以 23 歲創下該校有史以來最年輕的紀錄。 馮紐曼在教書的同時不但持續發表論文，而且產量驚人，才三年就發表了32篇論文。1930 年，才轉到漢堡大學任教不到一年，他又應邀前往普林斯頓大學教授量子理論。三年後，普林斯頓高等研究院正式啟用，馮紐曼與愛因斯坦等人並列，成為初始的六位學者之一。當時普林斯頓高等研究院暫設於普林斯頓大學校園內，未滿 30 歲的馮紐曼老是被誤以為是學生。 如果你以為馮紐曼只是數學天才，那就錯了。他對各種新奇事物都充滿好奇，常興致盎然地問別人在研究什麼，然後往往在五分鐘內就掌握全盤脈絡與關鍵所在，甚至提出前所未有的見解，讓對方既驚訝又佩服。因此除了數學，馮紐曼在其它領域也做出許多重大貢獻。 現代電腦架構 在物理方面，他為剛萌芽的量子力學提供嚴謹的數學架構，也讓之後的數學家與物理學家因而有了處理多維空間的數學工具。他還將數學應用到經濟學，首度為賽局理論建立系統化的模型，因而被視為「賽局理論之父」。 除了這些抽象理論，馮紐曼為流體力學和震波建立數學模型，讓他在二次大戰期間加入曼哈頓計畫，協助計算原子彈的內爆作用。由於其中牽涉的計算極為複雜龐大，需藉助於計算機，他也因此跨入計算機的設計。 1944 年，馮紐曼應邀參觀軍方正在打造的第一台通用型的電腦 ENIAC，發現每次要執行不同程式就得重設上千個開關、插拔上百條電纜，非常沒有效率。他幾經思索後，於 1945 年發表論文，倡議將電腦硬體劃分成運算、貯存、控制、輸入與輸出等五大單元，成為現代電腦的基本架構。兩年後他又發明流程圖，讓撰寫軟體程式時的思考邏輯一目了然，至今仍為程式設計師所用。 馮紐曼後來進一步構想能像細胞一樣自我複製的機器，而提出「細胞自動機」(Cellular automaton)，從簡單的指令與零件開始，就能衍生出複雜的機器，並且一代一代的繼續複製下去。有人認為這就是電腦病毒的始祖，也有人認為他預見了生命繁衍的秘密（四年後，華生與克里克才揭開DNA的秘密）。 英年早逝 馮紐曼一次又一次地在不同領域展現他的創見，只可惜他在 1957 年就因為骨癌過世，享年僅 53 歲。罹癌化療期間，他還在研究如何讓電腦學習人腦的思考方式，讓人不禁想像如果他沒有英年早逝，人工智慧會有怎樣的發展。 這樣一位全能型的天才，當然不能錯過造訪其故居的機會。馮紐曼於 1903 年 12 月28 日出生於此，一直住到 18 歲上大學才離開。不過我們到了那裏卻發現這棟建築物完全看不出與馮紐曼的關聯，只有牆上兩塊紀念銅牌鐫刻著簡單頌辭……。 銅牌上寫的是馮紐曼原本的姓名 Neumann János。紐曼在前是因為匈牙利的姓名寫法和我們一樣姓在前、名在後，而後來 Neumann 前面多了 Von，則是匈牙利國王於 1913 年賜予他父親貴族身分才有的。 給各位一道謎題：其中一塊銅牌中間有粗細不同的線條，你知道那代表什麼嗎？ 參考資料：
【歐洲紀行】特斯拉與布達佩斯
1881 年，26 歲的特斯拉經由叔叔的介紹，到布達佩斯一家新成立的電話公司工作，負責局端設備的維修改善。不過他腦中不時浮現的卻是幻想中的新型馬達。 四年前在格拉茨工業大學（位於奧地利）的課堂上，教授向大家演示發電機與電動馬達的運作，只見馬達快速轉動時，電刷不端冒出火花。他當場提出或許不用電刷也可以運作，這樣就不會產生火花了，卻遭教授譏諷他的構想有如永動機，根本不可能。不服氣的他自此就一直構思免電刷的新型馬達。 1882 年 2 月的一個下午，神奇時刻發生了。特斯拉日後在自傳中寫道： 「我永遠記得那天下午，我和一位朋友正在城市公園享受散步詠詩的愜意，我那時候可以把整本書一字不漏地熟記在心，其中一本就是歌德的小說《浮士德》。 ⋯⋯當我朗讀這些振奮人心的詩句，靈感如電光石火般湧現，真理瞬間揭露。我立刻拿起一根枝條在沙地上畫出心中浮現的設計圖。⋯⋯我看到的影像是如此銳利清晰、堅實如金石，我告訴友人：『你看，這裡是馬達；注意看，我要將它反轉。』我按捺不住心中的激動，滔滔不絕說了起來。」 後來的事我們都知道了，特斯拉不只真的實現夢想，做出不用電刷的交流感應馬達，還有許多前所未有的發明，改變了人類文明。而這一切的起點就是——布達佩斯城市公園。 因此當我在今年五月底來到布達佩斯時，抱著朝聖的心理前往城市公園，想要尋覓特斯拉當年畫下馬達設計圖的沙地。不料公園比我想像的大非常多，裡面也沒看到相關的紀念標誌，於是我只能隨意漫步，想像當年特斯拉也曾在同樣的小徑上，ㄧ邊散步一邊思考⋯⋯。 參考資料： 《被消失的科學神人‧特斯拉親筆自傳》，Nikola Tesla 著，劉恩麗 譯，柿子文化出版