史上第一台硬碟問世

1956 年的今天(9 月 14 日),IBM 召開記者會展示最新的商用電腦 IBM 305 RAMAC。RAMAC 是「計算及控制的隨機存取方式」(Random Access Method of Accounting and Control)的簡稱,強調它配備了革命性的貯存裝置──史上第一部硬碟,可以迅速地隨機存取大量資料。總裁華生(Thomas J. Watson)豪氣地誇耀:「今天是 IBM 史上最重大的新產品發表日,我相信在辦公設備的歷史上也是。」 是的,之前的電腦主要仍用打孔卡片來讀取程式和貯存資料,儘管先後有各種新發明的貯存裝置,但不是容量很小,就是得從頭依序讀取資料,非常沒有效率。IBM 這台名為 350 的硬碟機長 152 公分,高 173 公分,深 74 公分,約莫兩台冰箱的大小,容量達 5 MB。 是的,你沒看錯,5 MB。如今我們會覺得不可思議,但當時的電腦只用來做計算數字,既沒有圖像也沒網際網路, 500 萬個字元的容量已經綽綽有餘了,這可相當於 62,500 張打孔卡片呢。 500 萬個字元是貯存在 50 片直徑 61 公分的圓形金屬片上,碟片表面塗滿一層薄薄的磁性微粒,微粒的磁場方向即可代表 0 或 1。運作時,碟片以每分鐘 1,200 轉的速度旋轉,鑲有兩根微小線圈的讀寫頭移到碟片上方 0.002 公分處,藉由改變磁性微粒的極性方向而寫入資料,或只是偵測微粒的極性以讀取資料。 讀寫頭和金屬碟片的運作若依比例放大,相當於戰鬥機只能以幾公尺的高度貼著地面高速飛行,需要相當高的技術才能如此精準控制,難怪 IBM 總裁華生這麼自豪。 值得一提的是,這台硬碟機的研發主管強生(Reynold …

第一顆積體電路問世

1958 年的今天(9月12日),德州儀器多位高階主管聚集在工程師基爾比(Jack Kilby)的實驗桌前,等著看他的最新發明——積體電路(integrated circuit, 簡稱IC)。德州儀器於 1952 年從貝爾實驗室取得電晶體的專利授權後,便積極投入研發製造,此一劃時代的發明無疑將取代笨重、耗電又易壞的真空管。不過初期電晶體的製造成本仍比真空管高非常多,因此只有不計成本的軍方率先用於飛彈、雷達、電腦等國防設備,一般民眾對電晶體仍相當無感。直到德州儀器於 1954 年推出第一台電晶體收音機 TR-1,體積只有手掌大小,可以隨身攜帶,才讓社會大眾感受到電晶體將帶來的巨大改變。 雖然電晶體相較於真空管已非常小巧,但電子產品除了電晶體,還要結合電阻、電容等元件,而這些元件必須個別封裝後,一一焊接在電路板上。除了元件本身所占的空間,連接元件的電路也浪費不少空間,以致電路板尺寸得維持一定大小以上,無法再縮小電子產品的體積。 基爾比在加入德州儀器前,就一直在思考著如何縮小電路板尺寸。他於 1947 年自伊利諾大學電機系畢業後,隨即到全球聯合(Globe Union)的實驗室上班。1952 年,全球聯合也取得貝爾實驗室的電晶體專利授權,負責技術移轉的便是基爾比。全球聯合是一家位於密爾瓦基的中型企業,基爾比認清公司資源難以讓他有所突破後,終於在 1958 年 5 月跳槽到德州儀器。 他剛進德州儀器沒多久,同事們就紛紛趁暑期度假去,基爾比還沒有年假可休,只能安分地每天進空蕩蕩的辦公室上班。不過他也因此手上都沒有任何待辦事項,可以一個人全心思考如何縮小電路。 沒多久,基爾比的腦海中浮現出一個大膽的想法:何不一開始就將各種元件做在一起?如此一來不但可減少個別封裝的元件體積,也可以縮短元件之間的接線,電路板自然就大幅縮小了。 這想法看似簡單,但畢竟當時的電子產品所用的元件還不多,所以沒有縮小體積的迫切需求,也就沒有人認真思考將元件整合在一起。況且理論歸理論,實際上是否能做得出來也還不知道。 基爾比等直屬主管八月休完假回來後,向他報告自己的想法。主管心想反正許多同事仍在度假,便同意他趁此空檔動手試作,確認可行性。8 月 28 日,基爾比先將電晶體、電阻與電容以金屬線連接在一起,證明這樣的電路沒問題後,開始著手打造積體電路。 暑假結束,大家終於都回到工作崗位。9月12日這一天,基爾比在主管們與同事面前拿出他的手工成品。這是一片包含三個電阻的赭晶體,再以金線將同樣是用鍺做成的一個電晶體與一個電容銲接在一起,外觀看起來相當醜陋,有些人不禁微皺眉頭。基爾比稍做解說後,接上示波器,接著小心地打開電源開關,示波器馬上出現預期的波形,在場人士一陣歡呼,他們見證了第一顆積體電路的誕生! 9 月 12 日這一天因此被視為積體電路誕生的日子,但其實目前所用的積體電路並不是採用基爾比的設計,而是當時快捷半導體(Fairchild Semiconductor)總經理諾伊斯(Robert Noyce,後來成為英特爾創辦人之一)的發明。他比基爾比晚幾個月申請專利,採用平面製程,連接元件的線路直接做在晶片裡面,不必用金屬線銲接,更容易製造也更堅固耐用。 德州儀器和快捷半導體為了專利權大打官司,雙方纏訟多年,直到 1966 年才達成和解。這期間基爾比繼續埋頭研發,1961 年帶領團隊做出第一台用積體電路的電腦給空軍;1965 年發明熱感式印表機;1967 年和同事共同發明第一台口袋式計算機。1970 年,基爾比辦留職停薪,當一個獨立的發明家,後來有幾年到德州農工大學教書。 隨著積體電路在現代科技文明中扮演越來越重要的角色,2000 年的諾貝爾物理獎終於頒給基爾比,他成為極少數以工程師身分獲獎的人;諾伊斯則已於 1990 年因心臟病過世,所以無緣獲獎。當被問到得獎感想時,基爾比不計過去的專利恩怨,無私地提到:若是諾伊斯還活著的話,肯定會和他一起分享諾貝爾獎。 附註:諾伊斯不但發明積體電路,他和七位夥伴共同創立快捷半導體,後來開枝散葉,才有現在的矽谷。若對半導體科技的起源有興趣,可參閱我所寫的《蕭克利與八叛徒》。 參考資料: Jack Kilby | American engineer | Britannica Kilby …

尋找外星文明的人

在夜空下仰望繁星若塵,除了讚嘆宇宙之浩瀚,不免也會猜想某個遙遠的星系是否也存在著其他智慧生物吧? 這個念頭在以往只能是不著邊際的幻想,直到美國天文學家德雷克 (Frank Drake) 積極倡導,才落實為嚴肅的實際計畫。但就在昨夜 (9 月 2 日),這位推動以科學方法尋找外星文明的第一人溘然長逝了。 德雷克於 1930 年出生在芝加哥,八歲時父親告訴他太陽系還有許多行星,他不禁幻想更遙遠的星系中,或許也有類似地球的行星,上面住著和我們一樣有房子、車子的外星人。這個幼時的幻想像個幼苗在他心中紮根,到了康乃爾大學又更佳堅定。由於他參加了海軍預備軍官培訓計畫,因此大學一畢業就到海軍軍艦上當通訊官,直到 1955 年退役後,進入哈佛大學研究所攻讀無線電天文學。 德雷克於 1958 年取得博士學位後,隨即到「國家無線電天文觀測站」任職,兩年後,他將無線電望遠鏡對準 12 光年外,位於鯨魚座的天倉五,以及 10.5 光年外,位於波江座的天苑四,搜尋是否有值得注意的特殊訊號。這個原為「奧茲瑪計畫」(Project Ozma, 名稱取自《綠野仙蹤》中的奧茲瑪女王) 便是後來「搜尋地外文明計劃」(Search for ExtraTerrestrial Intelligence,簡稱SETI) 的濫觴。 1961 年,德雷克召開首屆 SETI 研討會,會中提出了著名的「德雷克公式」,用以估算我們有機會以無線電波接觸到的外星文明數量: N = R* x fp x ne x fl x fi x fc x L R*:銀河系平均每年誕生新恆星的數量(NASA估計7個) fp:擁有行星之恆星的比例(幾乎等於1) ne:每個恆星擁有允許生命的行星數量(難以估計,從億分之一到1/10都可能) fl:其中真的孕育出生命的比例(難以估計,但有天文學家估計0.13以上) fi:其中發展出文明的比例(難以估計,從億分之一到1都可能) fc:其中發展出發射電波至外太空的比例(一般估計10%~20%) L:這樣的科技文明平均存續時間(難以估計,從千年到億年都可能) 雖然這樣得出來的答案範圍太廣,從幾乎沒有到數百萬個都有可能,難以達成共識,但德雷克公式至少為原本天馬行空的胡亂猜測提供一個系統化的討論基礎。 …

關於拉塞福,你不知道的二三事

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 …

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、……等人,可類比於金庸武俠小說中華山論劍。其中最年輕的,正是前一年才剛取得物理博士、尚未滿 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: 有一次狄拉克演講完後讓聽眾提問,一人舉手說:「我不懂黑板右上方那條方程式。」狄拉克卻一語不發的看著他,時間一秒一秒過去,現場陷入沉默的尷尬中。過了一分鐘,主持人終於忍不住提示狄拉克是否回答一下那人的問題。卻見狄拉克搖搖頭說:「那並不是個問題,那只是評語。」 1929 年,狄拉克和海森堡一起搭輪船到日本訪問。海森堡在船上不斷邀女孩跳舞,坐在一旁的狄拉克等他回到座位後,問他為什麼要跳舞,海森堡說:「跟好女孩跳舞是件快樂的事啊。」狄拉克想了一會兒,說:「可是海森堡,你事先怎麼知道她們是好女孩?」 船到橫濱後,有一位記者登船想訪問他們。記者認出海森堡,問他說:「我找遍整條船都找不到狄拉克。」此時狄拉克就站在旁邊卻默不作聲。 狄拉克得知自己獲得諾貝爾獎後,原本打算拒領,以免成為鎂光燈焦點。直到拉塞福勸誡他如果真的這麼做反而會更出名,他才打消原意。 1934 年,狄拉克受邀到普林斯頓高等研究院當訪問學者。有一次記者來採訪他,等記者回去後,他擔心報社沒讓他校稿就逕行刊出訪談內容,於是到隔壁研究室問兩位同事該怎麼辦。其中一位建議他先發函給報社要求「不得以任何形式發表」,狄拉克聽了什麼也沒說,就一直站在那兒。經過一段時間頗長的大眼瞪小眼後,那兩位同事決定不管他,重拾原先被他打斷的話題。大約過了十五分鐘,狄拉克終於說話了:「你們不覺得『以任何形式』這幾個字是多餘的嗎?」 狄拉克真的是最徹底的省話一哥。根據普林斯頓的同事,他每次講電話時,嘴巴幾乎只會吐出”Yes”、”No”、”I don’t know”這幾個字。他在劍橋大學的同事還開玩笑地將「一個小時說一個字」定義為一個「狄拉克」單位。 有一次,也在普林斯頓高等研究院的匈牙利裔物理學家維格納 (Eugene Wigner) 將杜思妥也夫斯基的《罪與罰》借給狄拉克看,等他還書時問他看法。狄拉克答說這本書挺好的,除了有個錯誤:有個章節在同一天內有兩次日出。 狄拉克後來成為維格納的妹夫。維格納的妹妹瑪爾吉特 (Margit Wigner) 剛離婚沒多久, 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,狄拉克冷淡內向、沉默寡言,她卻是活潑外向、熱情健談,對科學也一無所知。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。有一次狄拉克去布達佩斯找瑪爾吉特,回來後寫信給她說:「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。」 於是當下次瑪爾吉特來美國時,狄拉克便向她求婚,兩人於 1937 年結婚。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。他們白頭偕老,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: “The Strangest Man: The …

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

1919 年,德布羅意 (Louis de Broglie) 自軍中退役,決定重返校園,繼續研讀物理。8 月 15 日他就滿 27 歲,這個年紀才要念研究所似乎有點晚,這是因為 1914 年他大學畢業時,爆發了第一次世界大戰,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。他在研究所的指導教授是物理學家朗之萬 (Paul Langevin)。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;雙胞胎之一做太空旅行後,年紀會變得不一樣的「孿生子悖論」便是他所提出。朗之萬建議德布羅意研究的,則與愛因斯坦另一篇解釋光電效應的論文有關。 波粒二象性 光究竟是粒子或是波?這個問題自古以來爭論不休,直到赫茲於 1888 年發表實驗結果,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。不過光是波的話,卻又無法解釋黑體輻射的實驗結果。這個無人能解的問題直到 1900 年底普朗克提出光量子假說(E = hν,h 是普朗克常數,ν 是光的頻率),假設光的能量像粒子一樣有最小不可分割的基本單位,才成功解釋黑體輻射。 普朗克為量子力學揭開了序幕,不過一開始大家都難以接受,明明是電磁波的光怎麼又成了粒子!就連普朗克自己也認為量子只是計算上的概念,並不代表光真的是粒子。然而在愛因斯坦於 1905 年發表的光電效應公式,以及波耳於 1913 年提出的原子模型中,再度彰顯出光量子的必要性,量子說已不容忽視,德布羅意要鑽研的便是這個顛覆傳統物理的學說。 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。德布羅意懷疑的是,電子明明是粒子,為什麼與光子交互作用的能量與頻率有關?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。 物質波 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。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。 但德布羅意的主張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。因此幾位教授都對這篇論文持保留意見,但朗之萬覺得德布羅意的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」,德布羅意終於順利取得博士學位。 但畢竟物體從未表現出波的特性,因此在有確切證據之前,與經驗法則不符的物質波主張只被視為一種假說。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。戴維森完全沒有聯想到電子繞射,因為繞射是波才有的特性,不應該出現在電子上。 第二年戴維森去英國二度蜜月時,順道參加當地一個物理研討會,才得知德布羅意的物質波理論。於是他返回美國後,與革末特別製備了單晶體的鎳,從各種不同角度射出電子束,果然產生明顯的繞射圖案。 1927 …

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真空管專利的所有權。儘管他堅稱完全是自己獨立發明出真空管,但早在 1904 年,馬可尼電報公司的弗萊明 (John A. Fleming) 就提出真空管的專利申請,董事會不想再捲入專利糾紛,所以同意把這項新產品讓給德佛瑞斯特。沒想到,這一次他的改造竟然誕生了影響深遠的重要發明。 弗萊明發明的真空管是二極管,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)。這項功能可開創出許多前所未有的應用,不過德佛瑞斯特在 1907 年初申請專利時,只想用來做出更靈敏的檢波器,可以在更遠的地方接收無線電波,並未想到還有其它用途。另一方面,當時的真空技術也還不夠好,三極管內的殘餘氣體嚴重影響實際效能與使用壽命,因此德佛瑞斯特這項發明並未造成轟動,還不如匹卡德在這一年離職創業,所推出的礦石檢波器。 過了五年,德佛瑞斯特與幾位發明家不約而同在 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,彰顯出三極管不容忽視的潛力。隨著技術進步,真空管的真空程度、工作溫度、燈絲材料、……等缺失大幅改善後,三極管終於陸續獲得各方採用,除了做為檢波器,還用於電話線路的中繼放大器、無線電波的發射器、收音機、……等等。 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: 匹卡德當時任職於 AT&T,而年初他們才和 AT&T 創辦人貝爾 …