Category 歷史

半導體的誕生(四)——兩顆新星的交會

無線電報實況報導 1901 年 9 月底,馬可尼無線電報公司在紐約長灘進行無線電報的測試,他們已和「聯合通訊社 」(Associated Press,簡稱美聯社) 簽約,將於十月初在這裡舉辦的國際帆船競賽中,從海面上傳送無線電報到岸上,好讓美聯社進行前所未有的即時賽況報導。 他們安裝在船上的發射器以摩斯密碼的形式發送出訊息,陸上的天線收到無線電波後,所產生的感應電流使得金屬屑檢波器 (coherer) 內的金屬屑聚集起來,電阻突然降低,連接的耳機便發出聲響。接聽人員記錄下來後,再輕拍或搖晃檢波器,讓金屬屑散開,等待下個訊號。 馬可尼兩年前在上一屆的帆船競賽已經證明這套系統可行,因而拿到美聯社的合約。這兩年來,它的無線電報系統更已大幅提升傳送距離,現在進行測試只是確認器材沒有問題,大家都心情輕鬆地準備測完就可收工休息。不料開始測試後,接聽人員卻發現所收到的訊號根本沒有意義。 突現干擾 他們趕緊七手八腳地逐一檢查後,才查出是因為接收到別人發送的電波。由於當時還沒有調頻的技術,檢波器對於無線電波來者不拒,不同的摩斯密碼混雜在一起,當然無法判讀。 馬可尼已取得美國專利,又和美聯社簽下獨家合約,怎麼會有人也在此地發送無線電報?原來發送電報的人正是兩年前未被馬可尼錄用的德佛瑞斯特 (Lee de Forest)。那時他剛取得耶魯大學的博士學位,所研究的題目正是無線電波,因此向馬可尼毛遂自薦,打算研發新型檢波器,取代既不方便又沒效率的金屬屑檢波器,不料卻被拒絕。 德佛瑞斯特只好另謀它職,但他一心想完成夢想,於是換了兩份工作後,在芝加哥找到一份夜間教職,白天和弗里曼教授 (Clarence Freeman) 合作,全心研發無線電報收發裝置。最後他將反射鏡電流計改造為檢波器,使得感應電流的變化也能轉換為耳機中的聲響,並成功說服另一家規模較小的「出版商新聞協會」(Publishers’ Press Association) 採用這套系統,這樣他們也能在帆船競賽中即時報導,不會落於美聯社之後。 德佛瑞斯特和馬可尼的系統互相干擾,雙方都無法傳遞訊息。本欲獨佔歐美市場的馬可尼當然怒不可遏,但德佛瑞斯特的檢波器不同於他的設計,無法以侵犯專利為由加以制止,最後也只能同意在帆船競賽過程中,雙方輪流使用無線電五分鐘,以免互相干擾。 又有第三方干擾 比賽當天雙方按此協議輪流發送無線電報,原本一切順利,孰料中途竟又出現不明電波,嚴重干擾他們兩方收發無線電報。 「美國無線電話與電報公司」(American Wireless Telephone and Telegraph Company) 主動聲明是其所為,並宣稱他們兩年前買下道貝耳 (Amos Dolbear) 於 1886 年取得的無線通訊專利,這項專利比馬可尼的專利還早,因此除了他們,其他人無權在美國從事無線電報的商業行為。…

開啟量子力學的人——普朗克

兩朵烏雲 1900 年,物理大師克耳文爵士 (Lord Kelvin) 宣稱物理學已臻完善,只要再花些時日解決「萬里晴空中的兩朵烏雲」即可。哪兩朵烏雲?一是邁克生-莫雷實驗 (Michelson–Morley experiment) 實驗顯示不同方向測得的光速都一樣,該如何解釋光在以太中的傳遞方式?第二朵烏雲則是還沒找到完全吻合黑體輻射實際數據的物理公式。 克耳文沒料到他眼中小小的烏雲竟很快發展成狂風暴雨,吹得物理學大廈搖搖欲墜。幸好愛因斯坦拂去第一朵烏雲,他以狹義相對論指出以太並不存在,鞏固了古典物理學。但第二朵烏雲卻變成巨大的龍捲風,來勢洶洶的量子力學將古典物理學連根拔起,而最初拍動翅膀引發颶風的,正是這篇要介紹的普朗克 (Max Planck, 1858-1947)。 其實普朗克進入大學時,一位物理學教授也曾告誡他說:「這門科學中的一切都已經被研究了,只有一些不重要的空白需要被填補」,勸他不要選讀物理。幸好他沒聽勸,後來才會鑽研難倒所有物理學家的黑體輻射問題,因而開啟了量子力學。 黑體輻射 什麼是黑體輻射?我們知道鐵塊加熱後,隨著溫度提高,會逐漸從黃紅色轉為藍白色,代表頻率也越來越高,輻射能量也越來越強。不過物體除了本身的輻射,也會反射外來的光和熱,若想研究輻射強度與溫度的關係,就要設想一種理想物體,能完全吸收外來的電磁波,不會反射出去,如此輻射強度就只取決於它本身的溫度;而不會反射代表是純然黑色,這種物體就稱為黑體。 現實中當然不存在真正的黑體,不過卻有相當類似的東西:鋼鐵廠的煉鋼爐。煉鋼爐有個小洞,從洞口測到的輻射強度與波長,便是爐內散發的輻射,幾乎沒有外來的影響。 其實鍊鋼正是科學家研究黑體輻射的起因。19世紀中葉開始,鋼鐵工業隨著煉鋼技術的突破快速成長,各國之間的競爭也日益激烈。到了19世紀末,英國已被德國超越,但不久美國又追了上來。德國物理學家維因 (Wilhelm Wien) 為了提升國家競爭力,便蒐集煉鋼爐的輻射數據進行研究。 他先於1893年歸納出「維因位移定律」,指出不同溫度的黑體,其輻射強度在哪個波長達到頂峰。接著他以空腔模型模擬煉鋼爐,根據熱力學於1896 年推導出特定溫度下,黑體輻射強度與波長關係式的「維恩分佈定律」。不過這條公式只有波長較低的區段符合實際數據,波長較大(也就是低頻)就有不小差距。 英國物理學家瑞利 (3rd Baron Rayleigh) 則於1900年,從電磁學的角度歸納出輻射強度與波長四次方成反比的公式,便可符合黑體輻射在波長較大的區段。但根據能量均分定理,空腔內的電磁波會分布於不同波長,包括紫外線、γ 射線以上極短的波長。這顯然並不合理,怎麼可能隨便加熱一個物體,就會產生趨向無限大的能量? 於是瑞利在公式中加進針對高頻的限制,但這麼做其實沒什麼根據。英國物理學家金斯爵士 (Sir James Jeans) 於1905年提出更完整的推導,將它修正為「瑞利─金斯定律」,但這條公式仍無法吻合高頻區段的實際數據。 量子假說 在維因和瑞利分別提出黑體輻射的定律之際,普朗克也已經研究這個問題一段期間了。 其實普朗克剛進大學時,一位物理學教授曾告誡他:「這門科學中的一切都已經被研究了,只有一些不重要的空白需要被填補」,勸他不要選讀物理。但他回答說:「我並不期望發現新大陸,只希望理解已經存在的物理學基礎,或許能將其加深。」還是選擇了物理學。 1879年,普朗克以熱力學第二定律的研究取得博士學位,隨後在不同大學任教。1894年,他開始注意黑體輻射的問題。經過多年嘗試,普朗克最後發現若是放棄「能量的變化是連續的」這個傳統認知,也就是假設能量像粒子般具有最小不可分割的基本單位,便能得出與實驗數據吻合的黑體輻射定律。 1900年底,普朗克發表「普朗克定律」,在公式中加入「普朗克常數」h(大約是 6.626…

從蒸氣時代到電力時代——參觀德意志博物館

5月23日,抵歐第二天,獨自逛德意志博物館。這是全球最大的科技博物館,創立於 1903 年,展品多達 28,000 件,涵蓋蒸氣時代、電力時代、大航海時代、航空時代以及天文觀測……等,人類文明重要進展中的諸多文物與發明。 館內收藏真的非常豐富,有太多值得介紹,這裡我先挑一些過去曾涉獵的主題。 高壓放電與法拉第籠 我到達時剛好趕上高壓放電的演示,主持人開啟 120 萬伏的高壓電,只見兩根三層樓高的金屬棒隔空放電,在它們之間的玻璃板出現蜘蛛網般的閃電,令抬頭仰望的一群小學生驚呼連連。 主持人用德語解說一番後,他的同事鑽進一個球形鐵籠。接著鐵籠緩緩升到半空中,主持人又啟動開關,高壓電火花傳到鐵籠上方,持續了十幾秒。主持人關掉電源後,將鐵籠降至地面,他的同事毫髮無傷地走出來,完美演示了「法拉第籠」的靜電屏蔽效應。 鐵籠是良好的導體,外部電場產生的電荷都會往鐵籠移動並分佈在其外層表面,因此籠子內部並沒有電荷。富蘭克林早在 1755 年就觀察到此一現象,不過直到 1836 年,法拉第以極具戲劇性的手法當眾演示,法拉第籠的神奇作用才廣為人知。 法拉第用木框與金屬網打造一個高 3.5 公尺的籠子,置放在玻璃支柱上,然後帶著電荷計、蠟燭與繫著細絲繩的銅球,走入籠子裡。發電機啟動後,籠子因大量電荷而冒出火花,法拉第卻悠哉地展示電荷計上的指針完全不受影響,令現場的英國皇家學會院士們嘖嘖稱奇。 法拉第籠不光是令人眩目的展示道具而已,如今我們的生活中也處處可見,例如飛機和汽車也都是一種法拉第籠,才能保護裡面的乘客免於雷電的傷害。這當然是法拉第當年無能想像的應用,不過這正是許多科技發明源於科學發現的一個常見的例子, 電力時代初期的發電機 一踏進電力館的展示區,許多碩大無比的古老發電機映入眼簾,動輒兩、三公尺高,一看說明,年代竟然在 1870 年到 1890 年之間。我之前一直把特斯拉於 1893 年,協助西屋電氣點亮芝加哥世界博覽會的十萬只燈泡,視為大型供電的開端,但原來在此之前,歐洲就有如此規模的供電系統;雖然用的是直流電,卻也能傳送幾十公里。 事實上,當特斯拉於 1884 年抵達美國之際,有幾位先鋒已經在打造商用的交流電發電機與變壓器,例如匈牙利的岡茲公司 (Ganz Works)、英國的弗蘭提 (Sebastian Ziani de Ferranti) 、美國的小史坦利 (William Stanley…

法國大革命與杜邦公司的誕生

法國大革命催生出史上第一個遠距傳訊系統,還間接促成史上第一部計算機的誕生,就連杜邦公司的創立都與法國大革命有關。皮耶.杜邦 (Pierre Samuel du Pont) 是位經濟學家,深受法國國王路易十六倚重,與當時身兼稅務官的「現代化學之父」拉瓦節 (Antoine Lavoisier) 成為知交。由於皮

從蝴蝶效應到登月任務——另一位關鍵少數 (上)

許多人得知「蝴蝶效應」大概都來自電影《侏儸紀公園》,片中那位數學博士為了解釋混沌現象而用了這樣的比喻: 「一隻蝴蝶在北京拍動翅膀,造成(紐約)中央公園從晴天變雨天。」 是的,這個比喻生動地突顯了混沌現象的特性:對初始條件極為敏感,一點點微小的變化最後可能導致截