文藝復興時期的義大利出現許多橫跨不同領域的博學之士，其中最具代表性的無疑是達文西，他在藝術、建築、數學、科學、工程、解剖學、……各方面都有傑出成就。晚達文西半世紀出生的卡爾達諾 (Girolamo Cardano) 知名度沒那麼高，卻也是位在多個領域做出卓越貢獻的奇才。 卡爾達諾於1501年9月24日在義大利北部的帕維亞 (Pavia) 出生，父親是位精通數學的律師，也達文西的好友。卡爾達諾能出生長大就是一項奇蹟，他的母親曾試過多種墮胎藥想把他打掉，但都沒成功；他出生幾個月後又逢黑死病橫行，三個哥哥與奶媽都因此病故，唯獨他撐了過來，但臉上留下難看的肉瘤，從此也體弱多病。 或許是因為自身經歷，卡爾達諾一心想要學醫，但父親卻堅持要他當律師，倘若不從就一毛錢都不給他。卡爾達諾為了賺取學費與生活費，便將腦筋動到骰子與紙牌的賭博上。當時大家都以為這完全是靠運氣，但他卻領悟出不同的骰子點數或牌型組合所出現的機會，其實遵循一定的法則，因此他總能根據較高的勝率下注，結果這竟成為他長期的經濟來源。 卡爾達諾在大學時也對數學和自然哲學產生了興趣，因此1526年畢業後，一邊行醫，還一邊研究數學與各種機械原理。1535年，兩位義大利數學家的比試受到各方矚目，也引起卡爾達諾的注意。 歐洲地區在十二世紀就已經得知二次方程式的一般解，也就是我們都背過的公式： 然而三次方程式的解法卻一直無法破解。1515年，達爾費羅 (Scipione del Ferro) 找出 ax^3 + bx = c 這種類型的解法，但他並未對外公布，只傳給他的女婿以及弟子費奧雷 (Antonio Maria Fiore) 兩人。 1535年，費奧雷聽說塔爾塔利亞（Niccolò Tartaglia）解出某種三次方程式，便向他提出挑戰，雙方各出30題三次方程式，看誰在限時內解出最多題。費奧雷仗著握有老師秘傳的公式，便故意都出這種題型，自信滿滿地要藉此一戰成名。沒想到，塔爾塔利亞竟然迅速解出所有題目，而費奧雷卻解不出塔爾塔利亞的題目，狼狽慘敗。 這是史上首度有人公開解出數種類型的三次方程式，塔爾塔利亞因此聲名大噪。卡爾達諾正在編寫數學著作，想將三次方程式的解法也納入書中，便在1539年邀請塔爾塔利亞前來作客，答應將他引介給王公貴族（卡爾達諾的確因為醫術高明，受到許多權貴倚重），成功哄他說出解法，並承諾守密不宣。 卡爾達諾了解塔爾塔利亞的解法後，大受啟發，將尚未解出的其它類型三次方程式也都一一解出，他的弟子費拉里（Lodovico Ferrari）更進一步找到某種四次方程式題型的解法。隨後卡爾達諾得知塔爾塔利亞的解法更早之前就由達爾費羅發現，覺得沒有繼續守密的必要，便在1545年出版的《大術》中，公開三次方程式與部分四次方程式的一般解法。 《大術》一出版立刻轟動歐洲數學界。雖然卡爾達諾在書中如實提及達爾費羅與塔爾塔利亞兩人的貢獻，但大家仍將三次方程式的一般解稱為「卡爾達諾公式」。塔爾塔利亞當然氣瘋了，不斷抨擊卡爾達諾背信忘義，竊取自己的成果。費拉里為了捍衛護師父的聲譽，出面和塔爾塔利亞比試數學，結果塔爾塔利亞一敗塗地，最後於1557年抑鬱而終。 卡爾達諾在《大術》中還展現其它原創性，包括首度用負數進行運算、首度提及虛數。此外他為了賭博而寫下的祕笈，比巴斯卡和費馬更早論及機率，堪稱史上第一本機率理論的著作。在本職醫療方面，他是史上第一個對斑疹傷寒做出臨床描述的人。他還做出許多實用的發明，包括組合鎖、萬向轉軸，和一種書寫加密工具。 不過卡爾達諾的人生抵達顛峰沒多久就急轉直下。他的長子因懷疑三個小孩都不是自己親生，憤而殺死妻子，遭判死刑。卡爾達諾動用關係與金錢試圖營救仍無效，眼睜睜見著長子於1560年遭到處決。他的弟子費拉里則於1565年疑似被妹妹下毒身亡。卡爾達諾的次子嗜賭如命卻沒老爸的頭腦，屢屢偷他的錢，氣得他在1569年斷絕父子關係。 第二年卡爾達諾自己也蒙受牢獄之災，他因為用星象學推算耶穌的命盤而被指為異端，鋃鐺入獄。所幸在有力人士的擔保下，他只關了幾個月即被釋放，不過他的著作都被教會列為禁書，只有醫療方面的書籍可以出版。卡爾達諾在1576年過世前，索性將尚未出版的170篇手稿全都燒掉；從他已經問世的發現與發明來看，不禁讓人想像這些手稿若能流傳下來，歷史上會不會多一位堪比達文西的科學奇才？ 參考資料：
Author Archives: 瑞棋 張
發明氣泡室的人
1953年四月，美國物理學會在華盛頓特區舉辦一連三天的研討會。第一天的午餐時間，餐廳裡人聲鼎沸，27歲的年輕學者格拉澤（Donald A. Glaser）端著餐盤好不容易找到一張桌子坐下。他還視四周，懷疑到了最後一天星期六還會有多少人留下；尤其他的演講排在最後一場，到時聽眾恐怕只有小貓兩三隻。 格拉澤的演講題目是自己去年發明的「氣泡室」（bubble chamber）。這個構想早在1949年，他在加州理工學院取得博士學位後，便一直在他心中縈繞；起因是他的指導教授安德森（Carl D. Anderson）寫在黑板上的一句話： 「對於今日那些S型掛勾（pothooks），我們做了什麼？」 S型掛勾指的是在「雲霧室」中有著奇特軌跡的粒子，也叫V粒子或奇異粒子。雲霧室內充滿飽和水蒸氣，利用活塞讓雲霧室內部空間瞬間膨脹，使得溫度急速下降；此時穿過雲霧室的宇宙射線若有帶電粒子，便會造成氣體分子游離，水蒸氣即在離子上凝結成小水滴，留下帶電粒子的軌跡。他的指導教授安德森就是在1932年發現正子的軌跡，成為首位證實反物質存在的人，而獲頒1936年的諾貝爾物理獎。 除了正子，還有其它物理方程式中預測的粒子也在雲霧室中現身，但1947年開始陸續發現的奇異粒子卻完全不在預期中，甚至也無法用當時的理論解釋。物理學家深感困擾，想要蒐集更多觀測資料加以研究，但這些粒子神出鬼沒，很少留下足跡。格拉澤1949年到密西根大學擔任講師後，一直思考著怎樣才能更容易捕捉到它們的蹤跡。 雲霧室的氣體密度低，和宇宙射線碰撞的機率自然比較低，若是改用密度較高的液體，觀測到的機率應該就會提高吧？於是格拉澤構思出氣泡室，裡面裝的不是氣體，而是液體；藉由加熱和調整壓力讓液體處於沸點以上卻不沸騰的過熱狀態。此時若有帶電粒子通過，受碰撞的液體便會局部沸騰而產生細微的氣泡，便是粒子的運動軌跡。 格拉澤於1952年做出約拇指大的迷你氣泡室，興沖沖的跟「美國原子能委員會」與「國家科學家金會」申請研究經費，卻都遭到質疑而被拒絕。看來這次研討會的主辦單位也不看好他的發明，才把他的演講排在最冷清的時段。正當他內心無奈的怨嘆時，突然聽到有人問他能否一起坐，他回過神來，原來是在核子物理頗負盛名的阿瓦雷茲（Luis Alvarez，在曼哈頓計畫中扮演重要角色）。 格拉澤在交談中提起自己的發明，阿瓦雷茲聽完眼睛一亮，告訴他自己雖然無法留下來聽他的演講，但鼓勵他絕對不要氣餒。原來阿瓦雷茲正在參與建造當時最大的粒子加速器，如果格拉澤的氣泡室真的可行，絕對是如虎添翼，可以發現更多次原子的秘密。 格拉澤回去後用不同液體（包括啤酒）做實驗，並繼續改良氣泡室。1959年，他應阿瓦雷茲之邀到加州大學柏克萊分校任教，著手打造2米長的氣泡室，用於捕捉粒子加速器所產生的粒子。這台氣泡室啟用後果然捕捉到未曾發現的粒子軌跡，格拉澤隨即於1960年因發明氣泡室而獲頒諾貝爾物理獎；阿瓦雷茲也因在氣泡室中發現大量的粒子共振態，獲得1968年的諾貝爾物理獎。 氣泡室的成功證明許多大師都看走眼，其中也包括粒子物理權威費米。其實他比格拉澤更早有此構想，但經過計算後發現並不可行，還寫在他所著的教科書上。格拉澤後來接受訪問時便說：沒有人會質疑從不犯錯的費米；好在自己當時沒看過這本教科書，否則絕對早就放棄氣泡室的構想了。 參考資料：
從眾行為與服從權威——米爾格蘭的心理學實驗
如果你在街頭看見有人抬頭注視某個地方，你會跟著抬頭看，甚至停下腳步嗎？2023 年「搞笑諾貝爾獎」(Ig Nobel Prize) 的心理學獎便頒給了進行這項研究的美國心理學家米爾格蘭（Stanley Milgram）和 Leonard Bickman、Lawrence Berkowitz 三人。 其實這項研究是超過半世紀之前的事了。1968 年，他們在紐約街頭進行實驗，看有多少人會受到影響。結果發現即使只有一個人抬頭看，40% 的路人也會跟著抬頭看，而停下腳步的有 4%。安排越多人抬頭看，路人受到影響的比例也越高，例如 5 個人抬頭看時，八成的路人都會跟著抬頭看，15% 的人還會完全停下腳步。 有人認為這個實驗展示了人類盲目的「從眾行為」，有人認為這純粹只是好奇心，無論如何，我們的行為會受群體影響的確是個事實。領軍此一實驗的米爾格蘭便是專門研究個體行為如何受群體影響的社會心理學家，他還有項「服從權威」的實驗更是有名，所帶來的衝擊與啟發也更加巨大。我曾在《科學史上的今天》介紹過這項實驗，現在再略做修改和大家分享。 ***** 你拿到一張廣告傳單，上面寫著徵求志願者參加一項記憶研究，參加者預計要花一個小時的時間，可以拿到 4 美元外加 50 美分的交通費（合計相當於 2022 年的 44 美元）。你想賺點外快便報名參加了。 你走進實驗室時，另一位報名者已經在場。身著白袍的主持人告訴你們這項實驗是為了測試懲罰對學習的效果，待會兒一人當老師，一人當學生；學生要背誦老師念過的一組詞彙，如果背錯就要接受老師的電擊。為了公平起見，用抽籤決定角色；你很慶幸自己抽到老師。 學生被帶到另一個房間，你跟他只能透過麥克風與喇叭互相溝通。主持人帶你到電擊控制台前，上面有三十個按鈕，分別標示著 15、30、45、……，一直到 450 伏特；每四個按鈕一組共七組，依序標註「輕微電擊」、「中度電擊」、……、「危險：嚴重電擊」，最後兩顆鈕只有標註「XXX」。主持人告訴你：學生一旦答錯，就先按下最低的 15 伏特按鈕，之後每再答錯一次，就提高電擊程度一級。主持人為了讓你對電擊強度有點概念，讓你接受了一次 45 伏特的電擊。 測驗開始。那位學生沒多久就開始答錯。你按下前幾次按鈕時，還能安慰自己這只會帶給他小小的痛楚，沒有關係。但隨著錯誤次數增加，對方受到的電擊也越來越強，你聽見他發出痛苦的哀號，內心越來越不安。不知不覺你已經得按下 150 伏特的按鈕，你猶豫著看了主持人一眼，他點點頭，於是你還是按了下去，對方立即尖叫他受不了，他要出去。但主持人向你保證這不會造成生命危險，請你繼續。於是在主持人的堅定態度下，你繼續出題考他，繼續用更強的電擊處罰他，到了 300 伏特時，對方已語無倫次地哀嚎，你真的不知道該不該繼續下去……。 其實扮演學生那位受試者與主持人是一夥的，他完全沒有受到電擊，他的痛苦表現都是演出來的。學習效果也只是個幌子，這個實驗的真正目的是要測試一般人面對權威者下達有違自己良心的指令時，有多大的抗拒力。 或許你相當有自信自己不是冷血的人，決不會毫無節制地電擊對方；心理學家們也預期真的會持續下去、直到最高伏特值的受試者應該不到 10%。但最終的實驗結果卻顯示有高達 65% 的人，儘管中途都曾想要停止實驗，但最後還是遵從主持人指示按下最強的按鈕。 會是剛好這些人有性格上的缺陷嗎？並沒有。米爾格蘭幾年後再對參與實驗的人作人格測驗，發現順從者與反抗者無論在童年教養、親子關係、人格特質上都無顯著差異。事實上，後來許多類似的實驗也都呈現差不多的結果。 米爾格蘭是從 1961 年 8 月 7 日開始在耶魯大學進行這項實驗，就在納粹戰犯艾希曼（Adolf …
發明血液透析機的人
全球慢性腎臟病患者逐年增加，台灣也是，嚴重到需要接受血液透析（也就是俗稱的「洗腎」）的患者在2011年約有7.1萬人，經過十年已經增加到9.6萬人。以往這類患者等於就被宣判死刑，直到二次大戰後，荷蘭醫師考爾夫（Willem J. Kolff）發明出血液透析裝置，才帶來一線曙光。 考爾夫於1911年2月14日出生在荷蘭的萊頓 (Leiden)，父親是一所肺結核療養院的院長。考爾夫原先的志願是要當動物園園長，壓根兒不想當醫生，因為他覺得自己無法承受看著病人死去。不過父親的一言一行逐漸在他心中累積成為典範，他終於決定也要當位懸壺濟世的醫生。他自小就有閱讀障礙，但他努力克服，如願考上萊頓大學的醫學院。 1938年考爾夫自醫學院畢業後，到格羅寧根大學（University of Groningen）附設醫院擔任住院醫生。院裡一名腎衰竭的年輕人逐漸惡化，但醫院上下卻都束手無策。考爾夫眼看著這位病患22歲就失去生命，內心大受衝擊，開始思考是否可能發明一種仿腎臟功能的裝置，將血液中的廢物與毒素排出。他最後看中的是看似毫無關聯的玻璃紙。 用纖維素製成的玻璃紙於1912年問世後，經過不斷改良，到了1930年代已經普遍用於各種食品、包括肉類的包裝。這是因為玻璃紙是種半滲透膜，對空氣、油脂、水和細菌的滲透性較低，可以延長生鮮效期，又能展示食品的實際樣貌。考爾夫想的便是利用大小不同的分子有不同的滲透性。他將含有尿素的溶液裝在玻璃紙內，密封好後在清水中來回晃動，半小時後，溶液中即測不出尿素，確認尿素有高滲透性。 然而考爾夫才剛完成初步實驗，第二次世界大戰隨即爆發。納粹以閃電戰術很快於1940年打到荷蘭，考爾夫全力投入醫療傷患的工作，還成立了歐陸第一個血庫。不幸，荷蘭很快就抵擋不住德軍攻勢，眼見醫院即將被納粹接管，院長夫婦雙雙自殺身亡，考爾夫也不願為敵人效力，於是搬到較偏遠的小鎮坎彭 (Kampen) 行醫，一方面繼續研發血液透析的裝置。 1943年考爾夫做出第一個原型機。他用玻璃紙做成長長的管子，一圈又一圈地纏繞在木製的滾筒上，再橫置於洗衣盆內，然後用馬達帶動滾筒緩慢轉動。腎臟病病患的血液流經管子，其中的尿素等新陳代謝後的廢棄物便穿透玻璃紙，進到洗衣盆內的水，管子末端的血液就變乾淨了，再輸回病患體內。 考爾夫用這台機器陸續治療病危的腎臟病患者，果然讓他們從昏迷中清醒過來，雖然這十五位病患都只多活了幾天，但考爾夫仍充滿信心繼續實驗。1945年9月11日，一位因嚴重尿毒症陷入昏迷的67歲老婦人被送進醫院，周遭的人都說她是納粹的走狗不值得救，但考爾夫堅持救人是醫生的天職。經過11個小時的洗腎，老婦人終於撿回一命，並且多活了七年，成為第一個血液透析的成功案例。 二次大戰結束後，考爾夫不但沒有為自己的發明申請專利，還免費分送了三台血液透析機給英、美、加三國的研究人員。他於1950年移民美國，除了繼續改進血液透析機，另外還研發人工心肺、人工心臟，因而有「人工器官之父」的美譽。 考爾夫一生獲獎無數，包括2002年獲頒臨床醫學界僅次於諾貝爾生理學或醫學獎的「拉斯克-狄貝基臨床醫學研究獎」(Lasker-DeBakey Clinical Medical Research Award)，以表彰他「對於腎臟血液透析的研發，將原本致命的腎衰竭變成可醫治的疾病，延長了數百萬病患的無價生命。」時至今日，受惠的病患應已超過千萬，這都要歸功於考爾夫的先驅研究與無私精神。 參考資料：
發現范艾倫輻射帶的人
范艾倫於1914年 9月7日 出生於美國愛荷華州的一個小農場，他自小就相當著迷於電氣設備，還曾自製特斯拉線圈，發出30公分長的火花，把母親嚇壞了。他高中畢業後報考海軍學院，筆試成績名列前茅，本以為可以如願錄取，卻在體檢時因扁平足而被刷下來，他不得已才轉念愛荷華衛斯理安學院（Iowa Wesleyan College）。當其他準大學生莫不趁著暑假呼朋引伴大肆玩樂，他卻帶著借來的磁力儀，跑遍所住的亨利郡，繪製各處的地磁圖。 范艾倫1939年取得博士學位後，進入卡內基研究所研究地磁，沒想到隨即爆發第二次世界大戰，於是轉而為軍方研究近炸引信（Proximity fuze），這是利用雷達技術，可在離目標特定距離才引爆的雷管，用於炮彈、火箭或魚雷；曼哈頓計畫也用了此一技術。 1942年，范艾倫成為海軍上尉，一圓當初加入海軍的夢想，並因阻擋神風特攻隊攻擊他所服役的軍艦有功，戰後以海軍少校退伍。1946年，范艾倫在約翰霍普金斯大學的應用物理實驗室（APL）成立一個小組，利用從德國繳獲的V2火箭研究高空大氣，終於又回到他原本最愛的地球科學。 1950年，幾位物理學家在范艾倫的家中聚會，大夥兒決定應該比照「國際極地年」（International Polar Year）的模式，也辦個「國際地理物理年」（International Geophysical Year），屏除國家利益與政治立場，各國科學家攜手合作，利用雷達、火箭、計算機等新技術觀測各種與我們息息相關的自然現象。活動日期就訂在1957年七月到1958年底，因為預估此時正是太陽黑子最活躍的時候。 美國政府為了表示國際地理物理年的支持，於1955年宣布將在活動期間發射衛星，在地球軌道上進行探測。隨著時間迫近，正當大家引頸期盼之際，沒想到1957年10月4日這一天，一直默不吭聲的蘇俄竟然搶先發射了世上第一顆人造衛星「史普尼克一號」（Sputnik 1）。 這可真是個出乎所有人意料的重大事件。美國所受的衝擊尤其巨大，無論是為了面子或裡子，一定得趕緊追上才行。1958年1月31 日，美國成功發射「探索者一號」（Explorer 1），裡頭放了范艾倫改良的蓋格計數器，用以偵測宇宙射線。 沒想到傳回來的資料顯示，蓋格計數器的讀數隨著高度增加而迅速提高，但後來竟降為零；兩個月後發射的探索者三號上的蓋格計數器也是如此。范艾倫猜測是因為宇宙射線過強導致儀器過載而失靈所致，於是他在探索者四號上的蓋格計數器前方多加一層鉛片，果然就得到完整的紀錄，並且證實范艾倫輻射帶的存在。 范艾倫輻射帶的發現對於往後的太空探索非常重要，因為輻射帶內充滿高能粒子，對於太空人與儀器設備都會造成損傷，知道此一事實之後，才會在進行太空任務或是衛星佈署時，採取必要的防護措施。 回顧起來，用范艾倫的姓氏命名這輻射帶真是理當如此，因為這項發現不僅出自范艾倫所設計的儀器，也是源自他於1950年發起的國際地理物理年；甚至更早，始自1932年那位在烈日下努力繪製地磁圖的少年。 參考資料：
終結化學半世紀亂象的人
1860 年9月5日，史上首度召開的國際性科學會議——第一屆卡爾斯渥會議（Karlsruhe Congress）進入第三天。來自十二個國家，共140位化學家在德國卡爾斯渥理工學院齊聚一堂，原本希望一舉解決化學界長久以來的歧見，但眼看已是最後一天，卻仍然沒有成果……。 這一切要從道爾吞於1803年提出的原子論說起。道爾吞認為化學元素是由不可分割的原子組成，並以簡單整數比組成化合物。雖然原子論缺乏直接證據，並未獲得普遍認同，但隨著越來越多化學實驗可以佐證，原子論逐漸獲得支持。只不過要用來解釋氣體實驗的結果時，卻出現了問題。 法國化學家給呂薩克 (Joseph Louis Gay-Lussac) 自1808年開始進行氣體實驗，發現在同溫同壓下，產生化學反應的兩種氣體，以及反應後生成的新氣體，彼此之間也是呈簡單整數比，例如兩公升的氫氣和一公升的氧氣結合成兩公升的水蒸氣。不過根據原子說，氣體的基本粒子也是單一原子，因此這個化學反應應該是： 2H + O —> 2HO 除非氧原子能切成兩半，否則這個反應式根本無法成立。但所謂原子就是不可再分割啊！ 給呂薩克隔年發表後來以他為名的「給呂薩克定律」後，引發不同看法，有人認為他的實驗有問題，有人認為這表示原子說根本不成立；另外水究竟是兩個氫原子和一個氧原子組成，或是一個氫原子和一個氧原子，也有不同陣營各自表述。 1811年，義大利的一位高中教師亞佛加厥 (Amedeo Avogadro) 發表論文，主張氣體元素的最小粒子並非單一原子，而是由兩個原子組成的分子；而在同溫同壓下，相同體積的氣體，含有相同數目的分子。如此便能解決給呂薩克定律和原子說的衝突。不過這篇論文是發表在法國的物理期刊，注意到的化學家並不多，而知道的人也都嗤之以鼻，除了亞佛加厥名不見經傳，最主要還是因為這違反了「電化二元論」(Electrochemical dualism)。 這是由瑞典化學家貝吉里斯（Jöns Berzelius）提出的理論。貝吉里斯堪稱當時的化學權威，他陸續發現許多新元素，並以更精確的實驗測量各種元素的原子量，也是他以拉丁文字首做為化學元素的符號，取代了道爾吞的圖像符號，沿用至今；他所寫的教科書被翻譯成不同語言，成為當時的標準教材。電化二元論是指元素分為正電性與負電性兩種，化合物就是靠元素正負電之間的吸引力結合而成；這理論可以充分解釋電解實驗，因此普遍獲得大家認同。 根據電化二元論，同樣元素的原子具有相同電性，那麼兩個原子一定會彼此互斥，怎麼可能結合成分子。亞佛加厥的假說就此逐漸消聲匿跡、石沉大海，即便安培也曾提出類似的主張，也未能獲得認可。但不接受分子說，在判定氧化物或是由碳、氫、氧等組成的有機化合物時，就會遇到像水一樣的問題，對於元素的組成比例各有見解，進而影響原子量的判定。另一方面，化合物的化學式也有五花八門不同的表達方式，例如醋酸的化學式就有多達19種寫法。 卡爾斯渥會議的召開便是為了解決化學界的混亂，期望訂定原子量標準，並統一化學式的書寫規則，以促進化學的發展。怎奈會議進行到最後一天仍然沒有共識，眼見這場難得的盛會就要以失敗收場，來自義大利的化學家坎尼扎羅（Stanislao Cannizzaro）的演講扭轉了一切。 其實此時義大利尚未完成統一，而33歲的坎尼扎羅才剛於五月隨著遠征團，回到位於西西里島的故鄉巴勒摩 (Palermo)。1848年他參與西西里獨立革命，但西西里王國獨立16個月後，終究不敵波旁王朝的鎮壓，擔任砲兵軍官的坎尼扎羅先流亡到法國，再輾轉到不同大學任教。如今他終於返回故鄉，並成為臨時議會的一員，應該相當煩忙，卻仍然抽空遠赴德國參加這場國際性的化學會議。 坎尼扎羅在演講中闡述同胞亞佛加厥被埋沒半世紀的理論，並提出制定原子量與分子量的方法，說明如此便能一舉解決絕大部分的爭議。但畢竟電化二元論已深植人心，加上這個革命性理論太突如其來（在場人士大多首次聽聞），會議最後仍未做出任何結論。不過現場發放坎尼扎羅兩年前所寫的論文《化學哲學教程提要》（他當時是以義大利文發表，所以沒有引起注意），被與會者帶回去後逐漸發酵，最後終於獲得大家認可，原子量與化學式的爭議也迎刃而解，才有今日的樣貌。 當時才26歲的門得列夫以及30歲的德國化學家邁耶（Lothar Meyer）也參加了這場會議，他們深受啟發，幾年後各自發想出週期表。邁耶說坎尼扎羅的論文「就像一束光照清楚了最重要問題的所在，讓我吃驚不已，彷彿擦去了眼翳般撥雲見日。」門得列夫則感慨：「自從人們拒絕接受亞佛加厥和安培定律中的普遍化概念，已經過了那麼久了嗎？」 的確，回顧這段歷史，讓人不禁設想：如果亞佛加厥定律提早五十年獲得認可，不知道會不會加速化學的進展？而如果沒有被坎尼扎羅重新發掘出來，化學的混亂又會持續多久？ 參考資料：
將導尿管伸進自己心臟的人
1929 年一個夏天中午，德國艾伯斯華德（Eberswalde）小鎮的奧古斯特-維多利亞（Auguste Viktoria）醫院裡，大夥兒正在休息用餐時，昏暗漆黑的手術室突然閃進兩個人影。領頭的是資深護士狄森（Gerda Ditzen），後面跟著新進的住院醫生福斯曼（Werner Forssmann），他們回頭確定沒人看見後，趕緊將門關上。 福斯曼於 1904 年 8 月 29 日 在柏林出生，高中畢業後進入弗里德里希-威廉大學（即現在的柏林洪堡大學）醫學院就讀，1928 年通過國家考試後，先在大學的附屬醫院待了一年，隔年便來到奧古斯特-維多利亞醫院。他在外科主任施奈德（Richard Schneider）的指導下開了幾次刀，不過他最想做的卻是心導管的實驗。 這個念頭源自他之前讀到上個世紀中葉，法國幾位科學家曾在馬的頸靜脈切開一個小口，然後插入一條細管，沿著血管一路抵達馬的心臟，以測量心臟的血壓變化。馬在實驗過程中一直保持清醒，實驗後也安然無恙，福斯曼因此認為這方法也可以用於人身上，如此便可直接對心臟投藥進行搶救，無需高危險性的開刀手術，也不用全身麻醉。 福斯曼向主任施奈德提出這個醫療實驗，施奈德要他先提動物實驗計畫。福斯曼心想就算做完動物實驗，在這不到四萬人的小鎮，也不見得有合適的病患可進行人體實驗，為了避免曠日廢時，他主動表示志願當第一隻白老鼠。施奈德怎麼可能允許這麼危險的事，當場嚴詞拒絕。 福斯曼不肯死心，決定私下偷偷進行，但手術器具與材料平常都鎖在手術室的櫃子裡，因此他特意接近掌管手術室的狄森護士，向她推銷這個點子，描繪將來可以造福多少病患。沒想到狄森雖然同意助他一臂之力，但堅持必須是由她來當白老鼠。為了能進行實驗，福斯曼便點頭答應了。 他們兩人溜進手術室後，狄森熟門熟路地只開啟幾盞必要的燈，然後打開櫃子拿出相關器材，消毒後放在檯子上。接著福斯曼示意她躺到手術台上。 「不是坐著就好嗎？」狄森疑惑地問道，畢竟福斯曼之前是說從左手肘的靜脈插入導管。 「呃……雖然是局部麻醉，還是躺著比較安全。」福斯曼哄她躺好後，又將她的手臂與雙腳牢牢固定在手術台上。見到她狐疑不安的表情，他趕緊安撫她：「安全起見。以免你下意識亂動。」 狄森已經幫他這麼多了，他怎麼可以再讓她冒險接受實驗。福斯曼背對狄森，偷偷在自己左臂注射麻藥後，再慢條斯理地假裝檢視狄森的手肘、用碘酒消毒，其實是要爭取時間等麻藥生效。 確認麻藥發揮作用後，福斯曼退到狄森視線以外，在左手肘處劃開一道傷口，將靜脈固定好後再切開來，然後拿起 65 公分長的導尿管插入靜脈，往上推進約 30 公分後，將傷口包紮好，走近手術台。他用右手解開狄森手腳的束縛，狄森瞄到福斯曼左手臂露出一截導管，立刻明白了怎麼一回事，不禁哭了出來，同時不停地數落他。 福斯曼請她趕快打電話給 X 光室的護士艾娃（Eva）做好準備，兩人隨即快步走去照 X 光。此時福斯曼的同事羅梅斯（Peter Romeis）聞訊也趕來 X 光室，一見之下就要把導管給拉出來，福斯曼好不容易才說服他讓自己完成實驗。 福斯曼站到 X 光機與螢光屏幕之間，艾娃拿著一面鏡子讓他可以看見螢光屏幕上的影像。福斯曼見到導管已經進到肩關節的位置，他估算還能再推進 30 公分，於是在導管上做好記號，在身旁三人驚惶的目光下，繼續將導管推往心臟。導管就定位後，果然看見導管末端就在右心房內，福斯曼請艾娃拍下 X 光照片；人類史上前所未有的壯舉就這樣被記錄下來。 施奈德知道這件事後原本大為震怒，但看了 X 光照片後，不得不信服心導管的可行性。不久之後有位患者病危，施奈德允許福斯曼用心導管將腎上腺素與洋地黃製劑投入患者的心臟，果然得到不錯的成效。施奈德鼓勵福斯曼寫成論文，並推薦他到德國最負盛名的夏里特（Charité）醫院。 福斯曼於 1929 年 10 月前往任職，孰料 11 月論文刊出後，夏里特醫院的外科主任看了反而覺得這是兒戲，立刻將他解雇。福斯曼只好回到原來的醫院，在施奈德的支持下，繼續用兔子、狗等做心導管的實驗。不過他發現德國心臟科醫界的噓聲也遠大於掌聲，考慮到未來的發展，他只好放棄心臟醫學，轉往泌尿科發展。 二次大戰後，福斯曼帶著妻小搬到黑森林一帶，在鄉間擔任醫生。他萬萬沒想到自己的論文被法國醫生考南德（André Cournand）與美國的理查（Dickinson Richards）醫生發現，他們兩人共同合作，將心導管技術應用於心臟醫療上，使得心導管逐漸普及。1956 …
發現同位素的人
同位素指的是同一種化學元素，卻有不同的核種，也就是原子核裡的質子數相同，但中子的數量不一樣。以往科學家都認為每個元素都是獨一無二的，從不曾設想過同位素的可能性，加上同一種元素的同位素所表現出來的化學性質都毫無二致，也不可能在化學實驗中發現異狀，那麼同位素是怎麼發現的？ 元素蛻變 1901 年的某一天，24 歲的索迪（Frederick Soddy）在實驗室中興奮地喊道：「拉塞福，這是蛻變現象 (transmutation)！」，拉塞福聽到後眉頭一皺，回說：「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。」 是的，蛻變是煉金術士長久以來追求的聖杯，也就是將某種元素轉變為另一種元素，以求將一般金屬變成黃金。當然一直沒有人能做到，如今索迪發現密封的放射性元素釷竟然自發性地蛻變為鐳，才不禁這麼脫口而出。 索迪出生於 1877 年 9 月 2 日，大學畢業後在牛津大學做了兩年的研究員，接著於 1900 年來加拿大的麥基爾大學（McGill University），追隨拉塞福做放射性的研究。 放射性是法國物理學家貝克勒（Henri Becquerel）於 1896 年無意間發現的，他將底片用黑色紙板密封後，跟鈾鹽一起放入抽屜，幾天後底片拆封，竟然感光了，因而發現鈾鹽會放射出某種神祕的能量。從此科學界掀起研究放射性的熱潮，拉塞福也是其中之一。他於 1899 年，進一步區分出放射線有 α 與 β 兩種，不過仍沒有人知道放射線究竟是什麼。 索迪跟著拉塞福做了兩年研究後，回到英國繼續研究放射性，他發現存放鐳的密封罐中竟憑空出現惰性氣體氦，寫信向拉塞福報告，拉塞福進一步實驗後，才於 1907 年確認鐳發出的 α 射線原來就是氦原子核，因此才產生氦氣。 鈾的衰變鍊 索迪後續研究鈾的衰變時，發現鈾在最終變成鉛之前，大約有 40 種衰變反應，問題是，鈾和鉛在週期表上中間只有 9 種元素，那麼在這麼多不同反應中出現的新原子究竟是什麼元素？又該如何放進週期表？ 當時週期表仍是按原子量的大小排列，雖然有少數金屬元素的位置得重新調換，化學性質的規律性才能符合，但大致上已知元素都已在週期表各安其位，實在沒有理由再予推翻。因此索迪的發現受到大家質疑，認為他的實驗有問題。 1913 年，拉塞福另一位門生莫斯利（Henry Moseley）以陰極射線（高速電子）撞擊不同金屬元素，發現若按所產生X光的頻率高低順序，重新排列週期表，便會呈現化學性質的週期性。這是一項重大突破，元素週期表從此可以用客觀的數據制定，而不是靠人為介入調整。 索迪發現在新的週期表上，放射性元素的衰變鍊便有了明確的路徑，元素釋出一個 α 粒子，會變成它左邊第二格的元素；釋出一個 β 粒子則會變成緊鄰它右邊的元素。他便依此在 1913 這一年發表「位移法則」。 根據位移法則，不同元素可能會經過不同路徑而衰變成同一元素，但原子量卻不一樣；例如鈾-235釋出會 α 粒子而衰變成釷-231，但錒-230經過 β 衰變卻成為釷-230，兩者都是釷，但原子量不同。索迪便把不同原子量的同一元素稱為「同位素」。 …
發明電視的人
1922年的某一天，美國愛達荷州一個人口不到兩千人的小鎮里格比（Rigby）裏，16歲的方斯渥斯（Philo T. Farnsworth）正在父親的農場上幫忙。他用馬拉著耙子在地上耙出準備施種的植溝，中途他回頭看著地上一道道的植溝，突然冒出一個想法：電子如果這樣一行一行地，由上往下畫出一幅畫，速度就會快到肉眼無法分辨，看起來宛如實在的圖像……。 方斯渥斯於1906年8月19日出生，從小就對電特別有興趣，常自己動手做實驗，並不時從科學雜誌學習新知，電視這念頭便是源自他在雜誌中讀到的文章。 波蘭裔的德國工程師尼普考（Paul Nipkow）曾在1884年發明一種裝置，沿著圓盤周圍以螺旋狀鑽許多小孔，圓盤旋轉後，前方光線穿過一個個小孔，依序打到光感測器，轉換為電子訊號後，傳輸到可隨訊號強度而變的光源，便能重建黑白影像。不過這要到1906年，可放大訊號的三級真空管發明後，才能付諸實現。而且即使許多人再加以改良，解析度仍非常低，另外還有個致命的缺點：由於圓盤的轉動是機械動作，再怎麼快也無法如實呈現動態畫面。 方斯渥斯在農場上想到以電子產生影像的點子後，第二天連忙去找科學老師托曼（Justin Tolman）請教，沒想到老師根本連電視這名詞都沒聽過。於是方斯渥斯拿起粉筆，在黑板上一邊畫一邊說明自己的構想：透鏡將物體的影像聚焦到感光元件，感光元件再將一個一個畫素轉換成電子訊號後，傳送到可控制陰極射線管電磁場的裝置，讓電子一行一行地在螢光幕上打出物體影像。托曼聽得興味盎然，特地在筆記本上畫下黑板上的圖，他沒料到這張紙未來將會成為方斯渥斯發明電視的有力證據。 第二年方斯渥斯全家搬到猶他州，他進入楊百翰大學就讀後，仍繼續研發理想中的電視。有次他遇見從加州過來的兩位慈善家，他們聽了他的構想後，竟立即願意投資，於是方斯渥斯便於1926年搬到柏克萊，在那裏設立實驗室。隔年9月7日，方斯渥斯成功從柏克萊傳送影像到舊金山，雖然只是一條直線，但已足以讓他興奮地大叫：「你終於來了，電子電視！」。 方斯渥斯提出專利申請，同時繼續加以改良。1928年9月3日，他在媒體記者前展示了第一個圖像——1美元的紙鈔，據說是為了回應他的投資人想知道能不能從他的發明看到錢。第二年，他的太太艾瑪（Elma）成為首度透過電視傳送的臉孔。方斯渥斯樂觀又自信地期待光明前景，卻渾然不知威脅已悄悄迫近。 原來西屋公司的俄裔工程師佐利金（Vladimir K. Zworykin）在1923年已申請了電子式電視的專利，只不過一直未能做出成品。他於1930年被挖角到有意發展電視的美國無線電公司（簡稱RCA）後沒多久，便前來造訪方斯渥斯，停留了三天之久。隔年，佐利金就取得重大突破，發明了與原來專利大不相同的「光電攝影管」。更令方斯渥斯吃驚的是，RCA竟然還反過來控告他侵犯了佐利金的專利。 方斯渥斯提出抗辯，稱自己更早就提出構想，RCA的律師嗤之以鼻：哪有可能一個十來歲的高中生能發明這麼複雜的電子裝置？所幸方斯渥斯的老師托曼當年畫的那張草圖一直保存著，成為有力證據。1935年RCA被判敗訴，但仍繼續多次上訴，直到1939年才終於同意支付方斯渥斯100萬美元，向他取得技術授權。 但二次大戰爆發後，電視的商業化也暫時中止，等到戰爭結束後，原本就壟斷無線電發展的RCA延續其優勢稱霸電視市場，方斯渥斯眼見難以匹敵，終於在1951年接受國際電話與電報公司（簡稱ITT）併購。方斯渥斯逐漸被淡忘，人們則以為電視的發明人是佐利金。 方斯渥斯成為ITT的員工後，繼續做出各種發明，包括潛艇偵測器、雷達顯示器、……等。但他最投入的卻是核融合的研究，這是他在研究電視時得到的靈感。他設計了名為「融合器」(Fusor)的裝置，利用陰極射線管的原理，讓正離子互撞而產生核融合。不過ITT眼見沒有具體成果，便在1966年中止了這項研發計畫。 1967年，方斯渥斯搬回猶他州，繼續研發融合器，為此除了出售ITT的持股，還用保單向銀行貸款。過沒幾年方斯渥斯就耗盡資金，也無力償還貸款與稅款，以致實驗室遭到查封。他開始酗酒，最終感染肺炎，於1971年病逝家中。死前兩年，他和太太艾瑪在家中透過電視轉播，看到阿姆斯壯踏上月球表面時，轉頭對艾瑪說：「Pem（方斯渥斯稱她的小名），這使得一切都值得了。」 艾瑪在方斯渥斯死後不斷為他應有的歷史地位而努力。1999年，《時代》雜誌將法恩斯沃斯納入「時代100：本世紀最重要的人物」之列。 按：若以最早成功傳送圖像做為標準，發明電子式電視的人應該是日本的高柳健次郎，他在1926年12月25日就成功傳送了片假名「イ」，比方斯渥斯還早了八個多月，但這件事在日本以外鮮為人知。 參考資料：
發明迴旋加速器的人
在電影中，歐本海默走進勞倫斯（Ernest Lawrence）的實驗室時，見到他正在打造迴旋加速器。沒錯，迴旋加速器就是勞倫斯發明的，剛好今天是他的冥誕（1901年8月8日），來分享一下他如何發明這個影響深遠的裝置。 天然放射源 1909年，拉塞福於用鐳所輻射出來的α粒子轟擊金箔，赫然發現α粒子竟會反彈，按他自己的形容：「簡直就像是朝著一張紙巾發射十五吋砲彈，結果砲彈卻彈回來打到你自己！」。面對此一事實，拉塞福才提出原子的絕大部分質量集中於原子核，週遭圍繞著電子的原子模型。 十年之後，拉塞福又用α粒子轟擊氮氣，竟出現原本沒有的氫原子核（拉塞福便命名為質子）與氧氣。顯然既然氧是由氮變成的，那麼是不是可以也用同樣方法，將別的元素轉化成另一種元素，甚至鍊土成金或是製造出尚未發現的元素？ α粒子實際上就是氦原子核，本身帶正電，而越重的元素其原子核內部的質子越多，對α粒子的正電排斥力也就越強，使得天然放射源所產生的α粒子難以接近，無法一探究竟。拉塞福便在1927年大聲疾呼，要物理學家找出產生高速粒子的方法。 直線加速器 就在1927這一年，從挪威來到德國攻讀物理博士的威德羅（Rolf Widerøe）發現了一篇的論文。這篇論文是瑞典科學家伊辛（Gustaf Ising）於1924年發表的，裡面描繪出直線加速器的構想，也就是在帶電粒子的行進方向上安置多個高壓電場，來推動粒子加速前進。 不過伊辛並沒有把機器做出來，也不知道直線加速器的構想是否真的可行。威德羅便決定以此做為博士論文的題目，結果他藉由轉換電場的正負極方向，先推後拉地加速鈉離子和鉀離子，而於1928年成功將這兩種粒子的速度提高兩倍到5萬電子伏特，完成世上第一台直線加速器。 不過物理學家所需的粒子至少要達百萬電子伏特以上，威德羅這台加速器所能賦予的能量遠遠不足，只能算是完成概念驗證，並不具實用價值。但若要做出百萬電子伏特以上的直線加速器，不但需要很大的空間，也要很高的電壓，建造費用與運作成本都相當高昂。正當歐洲的物理學家試圖克服困難，打造更高能量的直線加速器時，在大西洋的另一端，未滿30歲的美國物理學家勞倫斯卻另闢蹊徑，想出另一種加速粒子的方法。 迴旋加速器 勞倫斯出生在南達克達州的一個小鎮，憑藉著優異的學術表現，24歲就取得耶魯大學的物理博士學位，並在隔年獲聘為助教授。1928年他轉往加州大學柏克萊分校任教，隔年春天，他在圖書館翻閱期刊時，看到威德羅的博士論文。雖然勞倫斯只懂一點德文，無法全然了解論文內容，但還是從插圖看出來粒子加速的原理。他興起也來造一台直線加速器的念頭，但計算後發現要將粒子加速到一百萬電子伏特，所需的距離遠超過現有的實驗室空間。 他尋思是否可能讓加速器擺得進實驗室，忽然靈機一動：把直線改成螺旋狀，用磁場引導帶電粒子的行進方向，如此就能縮小加速器的尺寸，而且不必用到很高的電壓，就能讓粒子逐步加速到極高的能量。勞倫斯立刻找了研究生李文斯頓（Stanley Livingston）幫忙打造，他們先做出直徑僅4吋的迴旋加速器（Cyclotron），於1931年1月把質子加速到8萬電子伏特，只用到1,800伏特的電壓。 李文斯頓憑此成果拿到博士學位後，繼續和勞倫斯合作，著手把迴旋加速器的尺寸加大到11吋。1931年8月3日，出差在外的勞倫斯收到一封電報，寫著：「李文斯頓博士要我告訴你，他已經獲得1,100,000伏特的質子。他還要我加上”Whoopee!”。」這無疑是勞倫斯預先收到的最佳生日禮物。 達成這個重要里程碑後，勞倫斯在8月26日就向學校爭取到設立「輻射實驗室」，繼續打造更大的迴旋加速器。他們陸續完成27吋、37吋的尺寸，到了1939年5月已達60吋，可將粒子加速到16百萬電子伏特。 貢獻與影響 自1938年起，輻射實驗室就轟出許多前所未見的放射性同位素，同時也用來進行腫瘤的醫療實驗。1939年的諾貝爾物理獎便頒給勞倫斯，以表揚他在「迴旋加速器的發明和發展及因此取得的成果，特別是在人造放射性元素方面」。不過由於第二次世界大戰爆發，勞倫斯直到隔年二月底才在柏克萊校園內接受頒獎。 曼哈頓計畫啟動後，勞倫斯也扮演了重要角色。他除了向上層力薦歐本海默，本身也負責製備原子彈所需的鈾燃料，所用的便是迴旋加速器改裝而成的巨型質譜儀，以「電磁分離法」將鈾-235與鈾-238分開來。。 第二次世界大戰結束後，輻射實驗室的物理學家麥克米蘭（Edwin McMillan）針對粒子質量會隨著速度提高而增加的相對論效應，於1945年打造出同步加速器，再次突破迴旋加速器的能量瓶頸；到1974年，這所實驗室已經發現16種新元素，另外還發現了反質子與反中子。 輻射實驗室後來改為隸屬於美國能源部的「勞倫斯柏克萊國家實驗室」（Lawrence Berkeley National Laboratory），至目前為止，這所實驗室誕生了十五名諾貝爾獎得主，除了勞倫斯本人，我國的李遠哲也是其中之一。 另外勞倫斯於1952年在柏克萊東方60公里處設立的分支實驗室，後來獨立為「勞倫斯利佛摩國家實驗室」（Lawrence Livermore National Laboratory）去年在核融合上也取得重要突破。他們於2022年12月首度達成輸出能量（3.15 百萬焦耳）大於輸入能量（2.05 百萬焦耳）的「能量淨增益」里程碑，前天（8月6日）又宣布，獲得比上次更多的輸出能量。 這些科學成就都需要政府挹注鉅額經費才能達成，而這正是勞倫斯在戰後不斷鼓吹的「大科學」。1968年獲諾貝爾物理獎得主、也曾在柏克萊為勞倫斯效力的阿瓦瑞茲（Luis Alvarez）便在悼念他的文章這麼說：「他一定會被記得是迴旋加速器的發明人，然而更重要的是，他應該被記得是現代科研方式的發明人。」 按：本文改寫自發表於本月（8月號）的《工業材料》雜誌 參考資料：