Category 物理學

拉塞福從鄉下青年成為一代宗師之路

這次去紐西蘭南島，有個遺憾是未能去拉塞福的出生地明水鎮（Brightwater）朝聖。雖然我們是自己開車，但明水鎮距基督城5個小時車程，和我們的行程完全相反，只能忍痛放棄。 移民之子 現在的我們就覺得偏遠，對十九世紀的拉塞福而言更是如此。他的的父母是來自蘇格蘭的移民，在明水鎮定居後，雖然又搬了幾次家，但都在附近的城鎮，因此拉塞福從小一直在小鎮讀書，直到1890年才到紐西蘭當時的第四大城——基督城，就讀坎特伯利大學（Canterbury College）。 對喜愛科學的拉塞福而言，紐西蘭不僅位在世界的邊緣，更是科學的邊陲地帶，坐困於此絕對無法有所成就。所幸在他大學畢業那年，機會來了。英國皇室有項研究獎助金，這一年首度開放給英國殖民地的學生也能申請，拉塞福憑著自己設計的無線電檢波器入選，於1895年前往劍橋大學的卡文迪許實驗室（Cavendish Laboratory），師從湯姆森（J. J. Thomson），進行為期三年的研究。 劍橋大學的異類 卡文迪許實驗室收的學生向來都是劍橋畢業，拉塞福是第一位非嫡系出身，又來自偏遠的海外殖民地，雖然湯姆森對他刮目相看，但他仍成為大家眼中的異類，總是受到排擠。1896年，馬可尼來英國展示無線電報系統，拉塞福原本引以為傲的檢波器，相較之下簡直有如玩具，他只好黯然放棄，另尋研究題目。 當時物理界正掀起研究陰極射線與X射線的熱潮，這是因為前一年11月，德國物理學家倫琴（Wilhelm Röntgen）在做陰極射線實驗時，意外發現穿透力極強的X射線，他拍下妻子左手的骨骼照片，震驚各界，吸引物理學家紛紛投入研究。法國物理學家貝克勒（Henri Becquerel）便是懷疑燐光礦物也會產生X射線，而於1896年3月初無意發現鈾鹽竟讓未拆封的底片曝光，首度揭露物質竟能自發性地散發出相當高的能量。 湯姆森鼓勵拉塞福研究較少人關注的放射性。與貝克勒同在巴黎的居禮夫婦想找出放射性的來源，拉塞福則著眼於放射性的本質。 1897年，湯姆森對陰極射線施加電場與磁場，從其軌跡發現了電子，拉塞福受此啟發，決定用類似的方法來分析放射線。不過他所拿的三年獎助金在1898年到期，剛好加拿大的麥吉爾大學（McGill University）正在物色物理系主任，在湯姆森的大力推薦下，才27歲的拉塞福竟雀屏中選。 另一個邊陲之地 拉塞福欣喜之餘也感到擔憂，他好不容易從紐西蘭來到英國，如今又要踏上另一個偏遠的殖民地，無法及時獲得最新資訊，又難以和科學社群密切交流（當時尚無越洋電報），怕會落後同儕。 拉塞福一到加拿大，便加緊延續放射性的研究。他將鈾鹽置於正負電極之間，確認鈾鹽的放射線造成空氣游離，產生電流後，將一張約5微米的鋁箔蓋住鈾鹽，電流隨即下降。他再加一張鋁箔，電流又降更多，但超過四張之後，電流即不再往下降，一直到12張鋁箔紙都維持在一個固定的值。 這代表鈾鹽的放射線至少有兩種，一種很容易被擋下來，另一種卻能輕易穿透很多張鋁箔紙；拉塞福把前者稱為α射線，後者稱為β射線，於1899年發表論文。 拉塞福雖然率先揭開放射性的一層面紗，不過貝克勒緊接著在1900年確認β射線就是電子，而在1898年發現釙和鐳兩種新元素的居禮夫婦，更是不斷有新的發現，他們兩人到1902年就發表了32篇放射性方面的論文。這讓身處邊陲的拉塞福更感焦慮，只能加倍努力。 他們會把我們當成煉金術士砍頭的 1901年的某一天，他的研究助理索迪（Frederick Soddy）發現釷元素竟然自發性地蛻變為鐳，不禁興奮地喊道：「拉塞福，這是蛻變（transmutation）！」，努力建立聲譽的拉塞福眉頭一皺，回說：「看在上帝的份上，不要叫它蛻變！他們會把我們當成煉金術士砍頭的。」第二年，他們在論文中謹慎地用「裂解」（disintegration）稱之。 拉塞福繼續揭開放射性一層又一層的面紗。他先於1902年證實α射線是帶正電的粒子，1903年又發現穿透力更強的第三種放射性，把它稱為γ射線。這一年，他的得意門生索迪決定回英國做研究，貝克勒和居禮夫婦獲頒諾貝爾物理學獎，想必讓拉塞福感觸更深。 1906年，拉塞福測量α粒子的電荷與質量比值，發現相當於帶兩個正電荷的氦原子，便推測α粒子就是氦離子（要等到1932年，他的學生查德威克發現中子後，才知道其實是氦原子核）。 重返英國 在加拿大熬了九年，拉塞福終於等到重返英國的機會，曼徹斯特大學於1907年聘請他擔任物理系主任，從此便能在歐洲學術圈內和其他同儕公平競爭。 其實拉塞福在加拿大的諸多發現早已獲得肯定，1908年的諾貝爾化學獎即頒予他，以表彰他對放射性研究的貢獻。（不過他有點不開心，因為他更希望拿到物理學獎。他曾說過：「除了物理，其它科學不過是集郵。」） 後來的事，大家都在課本上讀過了。他於1909年用α粒子轟向金箔，發現原子的質量大多集中於原子核，因而提出電子圍繞著原子核的行星模型，推翻恩師湯姆森的「葡萄乾–布丁模型」。1919年，他接替湯姆森掌管卡文迪許實驗室，完全體現了科學發展中兼具的革命與傳承精神。 1937年，拉塞福在緊急的腸阻塞手術四天後過世，享年僅66歲。他死後葬於西敏寺，與牛頓、達爾文等宗師同享最高榮耀。當然，紐西蘭人更以這位土生土長的科學巨擘為傲，紐西蘭最高面額的百元紙鈔上，便是拉塞福的肖像。 參考資料：

諾貝爾獎最接近數學的一次？

剛剛公布的諾貝爾物理學獎頒給普林斯頓大學的霍普菲爾德（John J. Hopfield）和多倫多大學的辛頓（Geoffrey E. Hinton），以表彰他們「基礎性的發現與發明，使得機器學習得以藉由人工神經網路獲得實現」。 這並非諾貝爾物理學獎第一次頒給與電腦有關的發現或發明。例如： 1956年的三位得獎者是因為對於「半導體的研究及發現電晶體的效應」。 1973年頒給兩位分別發現「半導體和超導體上的穿隧現象」，以及另一位提出「理論預測通過位能障壁之超電流（supercurrent）的性質，特別是被稱為『約瑟夫森效應』的現象」。 2000年的三位得獎者分別「發展出用於高速和光電子學的半導體異質結構」以及「發明積體電路」。 2007年的三位得獎者是因為「發現巨磁阻效應」。IBM因此才發明硬碟，大幅提高電腦的貯存容量。 2009年的三位得獎者則是「讓光纖用於光通訊取得突破性成就」，以及「發明成像半導體電路——CCD感光元件」。 若以對人類的貢獻而言，霍普菲爾德和辛頓這次獎倒也實至名歸，畢竟近年來人工智慧突飛猛進，在材料、生物、製藥、……等各種領域都讓科學家獲得突破性的發展。只不過之前得獎者的發現或發明都與物理原理有關，而且也是實體的，但類神經網路與機器學習似乎無關乎物理學，又是屬於軟體或演算法的範疇，真要說，跟數學還比較有關係。 然而諾貝爾獎的獎項不包括數學。這次物理學獎頒給他們兩人，應該是諾貝爾獎最接近數學的一次吧？ 按：其實諾貝爾經濟學獎已經頒給好幾位數學家，例如在賽局理論提出納許均衡的納許（John Forbes Nash Jr.）。不過諾貝爾的遺囑原本並未設立經濟學獎，是1968年瑞典中央銀行為紀念諾貝爾而增設，因此正式名稱為「瑞典中央銀行紀念阿爾弗雷德·諾貝爾經濟學獎」，有些人就反對將它通稱為諾貝爾經濟學獎。 補充說明： 根據諾貝爾獎官方新聞稿，還是跟物理學有關係的^^。 原來物理學中可用原子自旋來描述某個材料的特性，霍普菲爾德便將之用於描述整體的神經網路（圖像中的畫素或是文句中的字母相當於網路中的節點，節點之間的連結代表它們彼此的關聯性）。就如自旋系統具有能量數值，他也賦予不同節點之間的連結不同數值，經由不斷反饋來尋找能量最低的路徑，便可得到最佳結果。

8月14日—發現由電生磁的人

1800年，伏打將銀片與鋅片交替堆疊，每對之間以浸了鹽水的布片隔開，創造了史上第一個電池──伏打堆。有了這個可持續產生穩定電流的裝置，科學家紛紛用來做各種實驗，包括電解、電鍍，甚至有人拿來電療，但不管是物理、化學或生物實驗，都沒有人發現電力與磁力有任何關係。直到1820年，丹麥的物理學教授奧斯特（Hans C. Ørsted）才做出石破天驚的宣告：電流可使磁針偏轉。 奧斯特於1777年8月14日出生在丹麥一個小鎮，由於鎮上沒有正式的學校，他都是在家自學，直到考上哥本哈根大學。由於父親是藥劑師，自己開設藥局，他本想繼承父業而主修藥學，卻發現自己對物理、化學與哲學更有興趣。結果他大學時還以兩篇物理和美學的論文得獎，1799年的博士論文《自然形上學的架構》則是基於大哲學家康德的論點。 奧斯特本想在哥本哈根大學謀得教職，卻未能如願，但隔年申請到一筆為期三年的獎學金，便於1801年前往德、法等國遊學。他在德國遇到大他半歲的青年化學家里特（Johann Ritter），兩人都在藥局當過學徒，也都是自學，因此相談甚歡。 里特向奧斯特介紹自己用伏打堆做的許多實驗，並闡述各種物理現象背後必有所關聯的理念，包括電與磁之間也是。對身為康德信徒的奧斯特而言，這剛好符合康德所說的「自然的一體性」（unity of nature），因此他也相當認同，1804年回到丹麥後，更熱衷於研究科學。 1806年，奧斯特獲聘為哥本哈根大學的物理學教授，他在教學之餘，也開始嘗試用伏打堆和磁針進行各種實驗，但始終沒有結果。1820年4月21日，他在上物理課時，神奇的事發生了。當他將電線接上伏打堆的瞬間，放在電線旁邊的羅盤指針竟然動了一下，讓他大為驚喜，電和磁果然互有關聯！ 隨後三個月，奧斯特展開一系列的實驗。他將磁針放在導線的不同位置，畫出磁針偏轉的方向；並測量磁針距導線不同距離時的偏轉角度，來估算電流作用於磁針的強弱。最後他終於在七月發表以拉丁文寫成的論文，震驚了全歐洲的科學家。安培聞訊後也投入研究，才發現安培定律，正式揭開了電磁學的序幕。 奧斯特一舉成名後仍持續其科學教育工作，他於1824年成立自然科學推廣學會；1829年成立新的科技學院，擔任校長直至辭世。丹麥的科學發展幾乎是靠他一己之力才跟上歐洲的主要國家；為了紀念他，丹麥1999年發射的第一顆人造衛星就以他為名。而國際電工委員會（IEC）也在1930年將磁場強度的單位取名為「奧斯特」，以表彰他在電磁學的貢獻。 後記：義大利的羅馬格諾西（Gian Domenico Romagnosi）於1802年就率先發現電流會影響羅盤，但他是用義大利文在本國發表，因此完全沒有引起注意。 參考資料：

最先提出宇宙大爆炸的人

1927年10月，第五次索爾維會議（Solvay Conference）在比利時召開，當代的物理學及化學巨擘齊聚一堂，留下的團體照堪稱史上最多天才的合影。一位就在比利時魯汶天主教大學（Catholic University of Leuven）任教的神父勒梅特（Georges Lemaître），趁地利之便來到會議地點，鼓起勇氣走向愛因斯坦，攤出自己針對廣義相對論中的重力方程式所做的計算，而得出的解所代表的物理意義竟然違背大家的認知：宇宙並非穩定狀態，而是正在膨脹！ 愛因斯坦聽了之後，淡淡地告訴勒梅特：幾年前俄國物理學家弗里德曼（Alexander Friedmann）就曾寫信給他，也說空間曲率可能為負（代表宇宙向外擴張）。他當時就表示並不苟同，如今也是。愛因斯坦告訴勒梅特：「你的計算雖然正確，但你的物理學仍很拙劣。」 勒梅特雖是神父，在數學與天文學可是學有專精。勒梅特出生於130年前的今天（1894年7月17日），他青年時就立志當神職人員。他1920年在魯汶天主教大學取得數學博士學位，三年後成為神父；任職前，他先到劍橋大學跟隨愛丁頓（Arthur Eddington）研究天文學與最新的宇宙學理論。 愛丁頓是最早將愛因斯坦的廣義相對論論文翻譯成英文，向英語世界推介的人。也是他於1919年遠赴非洲觀測日食，才讓原本備受質疑的廣義相對論獲得證實，並被大家接受。他絕未想到勒梅特這個獻身神職的學生，不久後竟會顛覆愛因斯坦的想法。 勒梅特在劍橋大學做待了一年後，又到美國哈佛大學的天文台待了一年，1925年返回母校擔任兼職講師。他在1927年向愛因斯坦展示的發現，其實是他這年稍早就已發表的論文，只不過他是以法語發表在比利時的期刊，所以沒有受到注意。 1929年，美國天文學家哈伯發表論文，指出他對遙遠星系的觀測顯示：越遠的星系以越快的速度遠離地球，代表所有星系都在彼此遠離，也就意謂著宇宙正在膨脹。愛因斯坦不得不改變自己的看法，接受宇宙膨脹。愛丁頓也幫忙勒梅特將論文翻譯成英文出版，並在1931年發表評論，盛讚為解決宇宙學問題的「絕妙解決方案」。 勒梅特隨後受邀至英國科學協會（British Science Association）演講，他進一步主張宇宙是從一個「原始原子」擴張而成，也就是如今所稱「大爆炸」模型的濫觴。但這個激進的想法再次令愛因斯坦感到不悅，就連愛丁頓也難以接受。倒是教宗庇護十二世在1951年宣稱，大爆炸理論為天主教的創世說提供了科學上佐證。但勒梅特本人卻反對這種說法。他認為大爆炸本身是中性的，既不支持也未駁斥他的宗教信仰，不應將兩者連結在一起。 大爆炸理論之後經由加莫夫（George Gamow）等物理學家的努力益發成形，最後在1964年，貝爾實驗室的兩個工程師意外發現宇宙微波背景輻射後，終於獲得證實。隔年，勒梅特即因病過世，享年71歲。 勒梅特對宇宙學做出如此重要的貢獻，知名度卻一直遠遠不如其他科學家。包括早在哈伯提出「哈伯定律」（星系遠離地球的速度和相對於地球的距離成正比），以及代表宇宙膨脹速率的「哈伯常數」之前，勒梅特早就在1927年的論文中推導出此一關係式，卻未能獲得正名。即使國際天文學聯合會終於在2018年將哈伯定律更名為「哈伯-勒梅特定律」，至今一般人仍習慣用哈伯定律稱之。 其實科學史上有許多類似的例子，最早的發現者或發明者其實另有其人，無奈卻鮮為人知。不過勒梅特或許並不在意，因為他中年後即轉而研究純數學，追求更純粹、更形而上的真理。 參考資料：

史上第一次公開演示的科學實驗

位於現今德國東南方的雷根斯堡（Regensburg）自1594年開始便成為神聖羅馬帝國召開帝國議會的地方。1654年5月8日這一天，王公貴族們聚集在議會廳前的廣場，等著看來自馬德堡（Magdeburg）的市長格里克（Otto von Guericke）弄了30匹馬來，這麼大陣仗是要變什麼把戲。 1602年出生的格里克是名門之後，父親與祖父也都曾擔任過馬德堡市長，他自己則是在24歲那年加入市議會，開始他的政治生涯。然而過沒幾年，馬德堡也捲入自1618年開始的「三十年戰爭」——這是源於天主教與新教的衝突，而導致神聖羅馬帝國內部各個王國之間的內戰。 1631年，天主教軍隊進攻到馬德堡，格里克幸運地在圍城之前逃了出去。馬德堡被攻破之後，進城的士兵大肆洗劫與屠殺，城內2萬5千居民僅剩5千人倖存，1,900棟建築有1,700棟被大火燒毀。 格里克回到近乎廢墟的馬德堡後，因為之前在荷蘭的萊頓大學（Leiden University）學過數理與工程學，而被任命主持重建工作。1646年，格里克成為馬德堡市長，任職超過30年，直到1678年才退休。 在他成為市長的三年之前，義大利物理學家托里切利（Evangelista Torricelli）於1643年在水銀柱上方製造出真空狀態，打破真空不可能存在的傳統認知，並證明了大氣壓力的存在。格里克得知此實驗後大受震撼，隨即也投入研究，最後從滅火用的打水幫浦獲得靈感，而於1650年發明了世界上第一個真空幫浦。 格里克用真空幫浦做了許多實驗，發現真空容器所能承受的力量遠遠超乎想像。皇帝斐迪南三世（Ferdinand III）聽聞後，遂邀請他來雷根斯堡在皇室與議會成員面前演示。格里克深知一般的實驗方式不足以撼動人心，因此精心設計了場面盛大的實驗。 只見格里克走到廣場中央，拿出兩個銅做的空心半球，球殼直徑約50公分。他將兩個半球合在一起，中間接合處放置一張浸了油的環形皮革以確保密合後，用真空幫浦抽光銅球內的空氣。接著他讓這合在一起的銅球的兩邊各由15匹馬拉住，一聲令下後，兩隊馬匹往相反方向拉，出乎所有人意料之外，銅球竟文風不動！就在群眾目瞪口呆，夾雜著竊竊私語之際，格里克上前取下銅球，打開上面的閥門，讓空氣跑進去後，用雙手便輕輕將銅球分成兩半。 就這樣，格里克不但讓人們見識了真空的威力，也展示了托里切利所說的「大氣之海」。格里克回到馬德堡後，又在鄉親面前做同樣的演示（不過馬匹減少為左右各8匹），隨後各地也紛紛仿效這個「馬德堡半球實驗」，三年後波以耳即因為受此實驗啟發，而找來虎克改良真空幫浦進行實驗，進而發現著名的「波以耳定律」。 除了對科學有重大影響，馬德堡半球實驗能以如此簡潔有力地方式，向一般大眾展示感官經驗之外的自然現象，堪稱史上第一個以直觀形式呈現科學真理的公開演示（伽利略的比薩斜塔自由落體實驗應該只是傳聞，並未實際發生），就科學普及教育的角度而言，更具有特別的意義。 參考資料：