我們之前在課本學過，J. J. 湯姆森 (Joseph John Thomson) 用陰極射線管發現了電子。不過陰極射線管並非湯姆森所發明，那麼，這個關鍵儀器是怎麼誕生的？這得從玻璃工匠蓋斯勒 (Heinrich Geißler) 說起。 將玻璃棒加熱至麥芽糖般的柔軟膏狀，再吹製成各種造型的吹玻璃工藝很早就有了，而這門近乎藝術的手工業往往也都是由家族成員世代相傳。1814年出生於德國中部一個小鎮的蓋斯勒，便是因此自小就參與家中的吹製玻璃工作。 隨著近代化學逐漸蓬勃發展，越來越多的化學實驗需要特製的玻璃器具，蓋斯勒18歲開始便代表父親至各地出差，承接各大學實驗室的客製化訂單。1852年，蓋斯勒到波昂 (Bonn) 為波昂大學承製實驗器材，決定在此定居下來，並在兩年後開設自己的工坊。 1857年，波昂大學的物理教授普呂克 (Julius Plücker) 問蓋斯勒能否做出更接近真空的玻璃管。原來法拉第在1838年曾做過一項實驗，他在玻璃管兩端置入金屬片，分別做為陰極與陽極，再將管內的氣體抽出，然後通上高壓電，結果出現一道明亮的光弧橫跨兩極之間，不過靠近陰極處卻是暗的（後來便稱為「法拉第暗區」） 沒有人可以解釋這奇特現象，而受限於當時的真空技術，也沒辦法做更進一步的實驗，只能就此不了了之。如今事隔近二十年後，普呂克見到蓋斯勒高超的玻璃工藝，讓他燃起破解氣體放電的希望。蓋斯勒不負所望，利用托里切利（Evangelista Torricelli）水銀真空的原理，開發出真空幫浦，不但讓玻璃管內的氣體只剩千分之一大氣壓，還可注入不同氣體。 普呂克用這些真空程度甚於以往三百倍的「蓋斯勒管」進行實驗，結果通電後出現的不再是一道光弧，而是泛著柔和的輝光。普呂克發現不同氣體會產生不同顏色的光，後來的人便利用這個特點將蓋斯勒管改成五顏六色的霓虹燈管。此外德國化學家本生 (Robert Bunsen) 和克希荷夫 (Gustav Kirchhoff) 於1859年發表光譜分析的論文後，普呂克和弟子希托夫（Johann Hittorf）也利用蓋斯勒管來觀測不同氣體的譜線，比用火焰燃燒還穩定。 普呂克還發現磁鐵會使輝光偏折，代表它會受到磁場影響。希托夫受此啟發，等到蓋斯勒的真空幫浦改良至可使真空程度小於萬分之一大氣壓，以及產生更高電壓的設備問世後，於1869年繼續進行實驗。他在玻璃管中間放置金屬片，結果輝光被阻隔在陰極與金屬片之間，而且金屬片的影子投射在陽極那端的玻璃上，代表輝光是由陰極射向陽極，而且是以直線行進；希托夫還特地用L型的蓋斯勒管加以證實。幾年之後，大家便都以「陰極射線」稱之。 希托夫雖然仍無法解釋陰極射線如何產生，至少已掀開了神祕面紗的一角，再來將由英國的物理學家克魯克斯（William Crookes）接棒探索。克魯克斯這個人相當特別，他不但篤信幽靈的存在，還積極參與降靈會，下一篇就來講他的故事。 參考資料：
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第一個看到精子與微生物的人
今年是雷文霍克（Antoni van Leeuwenhoek）逝世三百週年，巧好上上禮拜在德意志博物館看到他設計製造的顯微鏡，就趁今天（10月24日）他的冥誕來介紹這位奇才，順便開始補記這趟歐洲之行。 雷文霍克於1632年在荷蘭出生，5歲時父親過世，母親帶著他再嫁。10歲時繼父又過世，他便被送到叔叔那裏，直到16歲到一家布店當學徒。他22歲結婚後自己開了家布店，隨著社會地位提升，自1660年開始在市政府先後兼任不同公職，長達四十年。 這樣的經歷怎麼會和科學研究沾上邊？這要從虎克（Robert Hooke）於1665年出版《微物圖鑑》(Micrographia) 說起。 前一年，虎克畫發明複式顯微鏡，將簡易顯微鏡頂多十倍的放大倍數增加到二、三十倍，得以看見過去肉眼難辨的細節。在他精細的畫筆下，可見到跳蚤、蝨子的纖毛畢露、蒼蠅的複眼結構清晰可辨，軟木薄片原來是虎克稱為「細胞」（cell, 取自拉丁文cella，小房間之意）的小格子所組成，而自此這便成為生物細胞的名稱。 在這本畫冊中，還有局部放大的絲綢帶，清楚顯現細紗如何交錯編織而成。雖然並沒有明確的記載，但經營布莊的雷文霍克很可能就是受此啟發，而決定自行研製顯微鏡。 雷文霍克不清楚複式顯微鏡的結構，於是他就下苦功將玻璃融製成透鏡，再研磨成比瞳孔還小的鏡片。結果這個單一鏡片的放大倍率竟然遠遠高於虎克的複式顯微鏡，可達200倍以上。雷文霍克的顯微鏡構造也非常簡單，鏡片就鑲在一片金屬板上，要觀察的物體放在金屬板前的金屬插銷的尖端上，再轉動螺絲來上下、左右或前後移動金屬插銷，使得物體位於正確的焦距。 雷文霍克原本只將窺看微物世界當作自己的私人興趣，無意對外發表，最後在他的朋友格拉夫（Regnier de Graaf）醫師的力勸下，他才於1673年將放大200倍的蜜蜂、蝨子、黴菌等手繪圖像寄給英國皇家學會。雷文霍克的信函刊出後立刻造成轟動，大家都難以想像怎麼會有一位從未聽過的人物就這麼橫空出世。 1675年，雷文霍克福至心靈的將水滴放到顯微鏡下觀察，赫然發現透明清澈的水中竟然有許多不停游動的微小生物！隔年他將發現寄給英國皇家學會後，得到的卻是一片質疑，因為這完全違反當時的認知。為了確認真偽，皇家學會特地派人來荷蘭實際觀測，在親眼目睹後，才相信肉眼不見之處也存在著生機盎然的大千世界。 雷文霍克前後磨製了五百多個鏡片，用來觀察各種物品，包括昆蟲、植物、動物器官，乃至自己的牙垢、血液、精液，他也因此成為第一個發現細菌、紅血球與精子的人。他將這些發現都寄給英國皇家學會，如此持續達五十年，信件超過190封。 不過雷文霍克一直無意追求名聲。1680年，英國皇家學會授予他會員資格，但他並未前往倫敦參加入會典禮，也從未參與皇家學會的活動。事實上，他始終不願離開家鄉，即使是俄國的彼得大帝，以及不久後將成為英格蘭國王的威廉三世也都請不動他，還是得親自到荷蘭登門拜訪，才能一睹他的偉大發現。 雷文霍克的顯微鏡改變了人類對生命的認知，一如當年伽利略用望遠鏡扭轉了人類在宇宙中的自我定位。雖然微生物學還要再過一百多年才真正萌芽，但溯本追源，雷文霍克還是因為其發現而被尊稱為「微生物學之父」。
以身試菌、扭轉胃潰瘍傳統認知的人
1984年6月12日，年輕的澳洲醫師馬歇爾（Barry J. Marshall）凝視著手中的試管，試管裝著約莫50毫升的混濁肉汁，裏頭有他和華倫醫師（J. Robin Warren）好不容易培養成功的幽門螺旋桿菌。沒有人知道這種細菌對人體會有甚麼影響，他打算「以身試菌」，看看喝下這些細菌後，會不會罹患胃潰瘍。馬歇爾吐了一口氣，將試管拿到嘴前，仰頭一飲而盡，暗自祈禱不會因此賠上一生的健康。 馬歇爾於1951年9月30日出生，8歲隨家人搬到伯斯（Perth），在這裡取得醫學學士學位，並於1977年進入皇家珀斯醫院（Royal Perth Hospital）工作，1981年他加入腸胃科，認識了病理學家華倫醫師。 華倫告訴他從兩年前開始在一些胃潰瘍病患的檢體中，發現「疑似細菌的東西」，或許值得進一步研究是否與胃潰瘍有關。當時普遍認為胃潰瘍純粹是壓力過大，或是抽菸、辛辣之類的刺激性食物等導致胃酸分泌過多，而侵蝕胃壁所造成，與病菌無關。何況細菌怎可能在胃酸這種強酸的環境中生存？ 其實除了華倫，其他醫生也曾在胃潰瘍病患的胃中發現幽門螺旋桿菌，但都認為細菌只是經過胃，並不是在胃中定殖，畢竟實際進行培養也都無法成功。不過馬歇爾和華倫抱著姑且一試的心理，竟於1981年10月用抗生素治好一位胃潰瘍病患，讓他們信心大增，著手進行研究。 他們於1982年開始將檢體送交實驗室培養，前30個都培養不出幽門螺旋桿菌，使得院裏的資深醫生忍不住勸馬歇爾別再瞎搞，去做正經的研究。不過馬歇爾的堅持終究換來幸運女神的眷顧。復活節假期結束後，馬歇爾回到醫院，竟收到實驗室通知第31個檢體培養出幽門螺旋桿菌。 原來實驗室的標準作法是經過48小時都沒長出東西，就會把培養皿丟棄。這次遇到復活節四天連假，來不及丟棄培養皿，才有機會讓生長速度比較慢的幽門螺旋桿菌長出來。隔年他們向澳洲胃腸病學會提交報告，卻被審查者認為落在當年論文排名的後10%，予以退回。 雖然華倫和馬歇爾隨後於1983年6月在《柳葉刀》發表實驗結果，卻仍備受醫學界質疑，認為他們只不過證實幽門螺旋桿菌的存在，但並未證明這種菌與胃潰瘍之間有因果關係。於是馬歇爾於1984年用小豬進行實驗，然而不知道為什麼，這些注射幽門螺旋桿菌的小豬就是不會得胃潰瘍。馬歇爾才決定孤注一擲，拿自己做實驗。 馬歇爾在飲用充滿幽門螺旋桿菌的肉汁之前，先用內視鏡確定自己沒有胃潰瘍，並且特意先吃抑制胃酸的藥，以增加幽門螺旋桿菌的存活機會。結果三天之後，他就有消化不良的感覺，再過了兩天，他的媽媽與太太都說他口臭。此時他還不確定是否與胃潰瘍有關，但兩天之後，他開始嘔吐，於是用內視鏡檢查胃部，果然看見胃潰瘍的病灶；採檢後也的確發現幽門螺旋桿菌。第十四天他開始服用抗生素，不久後胃潰瘍即痊癒，讓他的主張更加有說服力。 隔年馬歇爾發表自體實驗的論文，引發其它醫療機構也進行實驗，最後醫界終於接受胃潰瘍和幽門螺旋桿菌有關，用抗生素治療消化性潰瘍也成為標準療法，使得相關病例減少了50%以上。2005年的諾貝爾生理或醫學獎便頒給馬歇爾與華倫，以表彰他們「發現幽門螺旋桿菌及其在胃炎與消化性潰瘍中的角色」。 馬歇爾後來接受訪問，回顧自己這段經驗時表示： 「年輕的研究學者或學生有一大優勢，就是『不懂』，像一張白紙，可以很開放地去接受新的東西。……有位歷史學家曾說：『學習的障礙不是無知，而是對知識的成見。』知識的成見就像國王的新衣，大家以為懂了，其實不懂。你自認對東西不懂，是個優勢，因為你可以吸收各種新想法、新知識；但如果你懂的是錯的東西，是知識的成見，就沒辦法接受新知識。」 誠哉斯言！ 參考資料：
從五次方程式到橢圓函數——讓數學家忙上五百年的天才
上一篇〈破解三次方程式的博學奇才〉講到，數學家很早就發現二次方程式的根式解（也就是將方程式中的係數透過四則運算與開根號解出所有的根），但之後歷經數百年卻一直對三次方程式束手無策。這個難題直到十六世紀中期才終於被義大利數學家卡爾達諾（Girolamo Cardano）破解，而他的弟子費拉里（Lodovico Ferrari）也跟著找出四次方程式的根式解。 受此激勵，數學界普遍相信再來找出五次方程式的根式解應該指日可待，不料將近三個世紀過去了，每個試圖挑戰的數學家都鎩羽而歸，就連萊布尼茲、歐拉、拉格朗日、高斯等大師在多方嘗試後也都知難而退。沒想到，挪威一位高中生竟然宣稱找到了五次方程式的解法。 阿貝爾（Niels Henrik Abel）於1802年8月5日出生，當時挪威還屬於丹麥—挪威聯合王國，1814年瑞典入侵後，挪威被迫獨立出來，成為臣服於瑞典的聯盟；阿貝爾的父親原是牧師，獲選為國會議員。 阿貝爾自小在家由父親親自教導，直到13歲上中學才離家住校，怎奈遇到脾氣暴戾的老師，學業成績一落千丈。三年後，父親因得罪議長而被迫離開政壇，竟開始酗酒，全家生計逐漸陷入困頓。就在阿貝爾陷入內外交迫之際，來了一位年輕的數學老師何姆波（Bernt Holmboe），宛如天使般適時伸出援手。 在何姆波的循循善誘下，阿貝爾迅速展露數學天分。何姆波列出書單，讓阿貝爾自學歐拉、高斯、拉格朗日等大師的著作，並且幫他申請獎學金，讓他無後顧之憂。到了高中最後一年，何姆波已經無法再給予阿貝爾任何指導，更令他訝異的是，阿貝爾竟交出五次方程式的解法。 一個高中生完成無數大師都做不到的事？這也太匪夷所思！但何姆波仔細看過卻又找不到錯誤，他唯恐是自己能力有限，便轉寄給兩位大學教授，請他們確認。結果他們也挑不出毛病，於是又寄給丹麥的數學家迪根 (Carl Ferdinand Degen) ，請這位北歐最頂尖的數學家審閱，看是否能直接在期刊上發表。迪根一時也看不出有什麼問題，但為求謹慎，他請阿貝爾用五次方程式的實例實際演示一遍，阿貝爾這時才發現自己的解法有錯。迪根不願見他繼續浪擲數學天分，便建議他將心力轉向橢圓積分這個新的數學領域。 1821年阿貝爾高中畢業，進入大學就讀，之前幫他檢查五次方程式解法的那兩位教授相當惜才，不但資助他的學費，還於1823年安排他到丹麥參訪。阿貝爾就在這裡認識了未來的未婚妻克莉絲汀。 阿貝爾雖然聽從迪根的建議研究橢圓函數，但五次方程式一直在他心中縈繞不去。從丹麥回到挪威後，他開始思考或許五次方程式不像二次、三次、四次方程式那樣存在根式解，這正是為什麼無數人前仆後繼卻都無功而返。於是他不再尋找解法，相反地，他要證明五次方程式並不存在根式解。 其實義大利醫生魯菲尼 (Paolo Ruffini) 早在1799年就已提出這個證明，並陸續將論文分送出去。但畢竟他只是個業餘數學家，很難讓人相信他能發現250年來諸位數學巨擘都沒看到的事實。加上他的證明極為複雜，得花時間才能研判正確與否，結果收到的數學家大多沒有回應，等到他1822年過世後，更沒人知道這篇論文的存在，當然阿貝爾也不知情。（不過魯菲尼的證明並不完備，因為他用了一項假設，卻未證明此一假設為真。） 經過幾個月的努力，阿貝爾終於成功完成證明，為高懸近三百年的難題畫上句點。但由於經濟拮据，為了節省印製論文的費用，阿貝爾將完整證明濃縮成短短六頁，裝訂成冊後，於1824年寄送給當代知名的數學家。結果他也和魯菲尼當年一樣受到忽視，寄出去的論文全都石沉大海，像高斯收到後根本連信封都沒拆開。即使有人打開來看，也因他濃縮後的證明過於精簡以致艱澀難懂，懶得仔細研讀。 阿貝爾本想藉此劃時代的發現謀得教職，無奈天不從人願，於是他1825年大學畢業後，申請獎學金出國留學。他先到德國柏林，在這裡和一位工程師克列爾 (August Crelle) 成為好友。克列爾完全臣服於阿貝爾的天才，第二年創辦世上第一份數學期刊後，連續刊登了阿貝爾多篇論文，終於讓他開始獲得注目。 1826年阿貝爾轉赴巴黎，埋首幾個月完成一篇關於超越函數的論文後，滿懷期待地將論文寄給法國科學院。當時科學院的秘書傅立葉將論文交給勒讓德（Adrien-Marie Legendre）和柯西（Augustin-Louis Cauchy）審閱，但前者老態龍鍾，無力了解，後者高傲自負，根本沒打開看。這篇論文三年後被德國的雅可比 (Carl Jacobi) 發現，這位日後躋身大師之林的青年數學家讚嘆道：「或許是我們這個世紀最重要的發現。」無奈為時晚矣。 阿貝爾苦等幾個月都沒有消息，又得了肺結核健康惡化，只好先到德國投靠好友克列爾。阿貝爾抱病完成一系列橢圓函數的文章後，思鄉心切，克列爾勸他留下來擔任數學期刊的編輯，但他婉拒了，於1827年返回挪威。找不到工作的阿貝爾只能當家教掙錢；貧病交迫中，他赫然發現雅可比也發表了橢圓函數的論文，於是日以繼夜地趕工，交出了橢圓函數的加法定理、雙週期性，以及橢圓積分的反演等重大發現。 1829年4月6日，阿貝爾終於不敵病魔，病逝於床上，臨終前愧疚地要求大學好友照顧始終不離不棄的未婚妻。兩天後，遠在德國的好友克列爾尚未聞其死訊，欣喜地寫信通知阿貝爾已獲柏林大學聘任為數學教授。一年之後，法國科學院才於1830年6月將象徵最高榮譽的數學論文大獎，頒給阿貝爾與雅可比兩人。 從21歲破解五次方程式的謎題，到26歲英年早逝，阿貝爾在短短五年內就做出許多影響深遠的貢獻，如今以他為名的數學定理或名詞超過30個，法國數學家埃爾米特 (Charles Hermite) 也說：「阿貝爾留給數學家的，夠他們忙上五百年。」只可惜對於他的肯定與榮耀都來得太晚，倘若他能早日脫離貧病交迫，不知還會留下多少重大成果。 （2002年，挪威政府為了紀念阿貝爾兩百年誕辰，設立阿貝爾獎，比照諾貝爾獎，每年頒獎鼓勵傑出的數學家。） 參考資料：
破解三次方程式的博學奇才
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：
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
范艾倫輻射帶 (Van Allen radiation belt) 是太陽風與宇宙射線襲來，其中的帶電粒子被地球磁場捕獲，而在地球周圍形成兩個甜甜圈狀的區域。外面那層以0.1 – 10 MeV (百萬電子伏特) 的高能電子為主，分布於地球上方一萬三千公里至六萬公里處；內層從地球上方一千公里延伸至一萬兩千公里，包含超過 100 MeV的高能質子與數百 KeV的電子。范艾倫輻射帶像是防護罩般，避免大氣層受到高能粒子破壞，也保護生物免於受到輻射傷害，是地球生機盎然的重要關鍵。它的名稱就是以發現者范艾倫（James Van Allen）的姓氏命名，不過他能夠發現卻是源自一連串的意外。 范艾倫輻射帶像是防護罩般，避免大氣層受到高能粒子破壞，也保護生物免於受到輻射傷害，是地球生機盎然的重要關鍵。它的名稱就是以發現者范艾倫（James Van Allen）的姓氏命名，不過他能夠發現卻是源自一連串的意外。 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：