Tag 科學史上的今天

1月4日—首創半導體應用的人

1894年1月1日,發現電磁波的赫茲因感染不治,才36歲就英年早逝。五個月後,英國物理學家洛奇(Oliver Lodge)發表演說向他致敬,除了重新演示電磁波實驗,還做出一項令人驚奇的展示。大家原本以為電磁波的特性既然和光一樣,那麼也會被障礙物阻擋,沒想到洛奇將金屬屑檢波器放在50米外的另一棟建築物內,竟然也能接收到電磁波。 此一消息立刻造成轟動,各路人馬紛紛進行無線電的實驗,包括馬可尼、特斯拉、後來發明AM的范信達,學界中也不乏其人,如拉塞福、俄國物理學家波波夫(Alexander Popov)等。而在遙遠的印度,一位大學教授也自行研發無線電裝置,結果因此首度創造了半導體的實際應用。 發現半導體 玻色(Jagadish Chandra Bose)於1858年11月30日出生於英屬印度的孟加拉管轄區,雖然出身貴族家庭,但父母卻教導他眾生平等,不但讓他和賤民及穆斯林的小孩一起學習、遊玩,還會招待他們在家中吃飯。 玻色大學畢業後,本想和父親一樣進入政府體系,但父親卻堅持他當個只須對自己負責的學者,不要去統管別人,讓他前往英國留學。玻色於1884年自劍橋大學畢業後,隨即返回故鄉的管轄區學院教授物理。他在授課之餘,也埋首於物理實驗,其中一項便是半導體。 半導體是德國物理學家布勞恩(Ferdinand Braun)十年前意外發現的。他用撿流計量測硫化鉛的導電性,沒想到指針竟然動也不動,他試著調換正、負極的接線,結果指針馬上就有反應。向來物質只有絕緣體和導體之分,如今才知竟還有介於兩者之間的半導體! 玻色循此測試IV族元素的礦石,結果除了單向導電性,還發現非常特殊的現象。一般金屬遵守歐姆定律,也就是電流與電壓成正比,但半導體礦石卻不然,當施予的電壓小於某個臨界值時,電流微乎其微,而一旦超過臨界電壓,電流便突然大幅躍升。 他原本只把這視為奇妙的物理現象,但當他得知洛奇的演示後,立即想到可利用這個特性偵測微弱的無線電波。 礦石檢波器 他將半導體礦石接上電池,施以恰好將達臨界值之前的適當電壓。天線接收到無線電波後產生感應電流,所伴隨的感應電壓加上原來的電壓恰好超過臨界值,電流計就會出現明顯變化。如此半導體礦石便可以做為靈敏的檢波器,在更遠的距離接收到微弱的無線電波。 1895年11月,玻色在市政廳前公開演示,成功無線電波讓穿過副州長的身體、兩道磚牆,傳送到一英哩之外的礦石檢波器。為了加強戲劇效果,他還將檢波器接上繼電器,藉此敲響銅鈴並點燃火藥。 這次演示有許多歷史首創,包括: ——礦石檢波器成為半導體的首度實際應用: ——首度傳送毫米波(馬可尼等人都還是用波長更長的無線電波) ——首創號角天線 ——第一個無線遙控裝置 玻色將論文寄交英國皇家學會,並於第二年受邀前往發表演講。當時馬可尼正在倫敦向英國政府展示無線電報系統,兩人應該有機會當面交換意見,不過顯然馬可尼並未採納玻色的方案,而是藉由提高天線高度來增加傳送距離。 事實上礦石檢波器也不是很靈光,因為裡面的雜質分布並不均勻,得嘗試很多次才能找到「熱點」,稍有晃動改變接觸點,就會失去訊號。玻色也未繼續研發改進,因為他對商業應用完全不感興趣,連專利都沒去申請,只想專心做研究,因此。半導體礦石檢波器重新受到青睞要等到1902年了。 玻色研究所 玻色後來轉而研究光與電磁波對植物的影響,也做出許多重要發現。他還撰寫科幻小說,成為孟加拉科幻小說之父。 1917年,才退休兩年的玻色在加爾各答創辦玻色研究所,親自擔任院長,直到1937年過世為止,一生為教育做出貢獻。之前提過的另兩位也姓玻色的科學家:D. M. 玻色與S. N. 玻色,便都曾受過他的指導;下圖的合照即有他們三人的合影。 1977年的諾貝爾物理學獎得主莫特爵士(Sir Nevill Mott)曾說:「J.C. Bose至少領先他的時代60年。事實上,他已經預見P型和N型半導體的存在。」電機電子工程師學會(IEEE)也自今年2025年起,設立以他為名的獎章,表彰對無線通訊技術有重要貢獻的人。 參考資料:

1月1日—打破物理統計規則的人

1924年,愛因斯坦收到一封來自印度的信,信上寫著: 敬愛的大師, 我冒昧地寄上這篇論文,請您細讀並不吝指教。我很想知道您對這篇論文的看法。……我的德文能力不足以將它翻譯成德文,如果您覺得它還有價值,並能安排發表於物理學刊。……也許您還記得有個加爾各答來的人,請您允許把您的廣義相對論論文翻譯成英文,那就是在下。 您忠實的玻色 寫這封信的人是出生於1894年1月1日的玻色(Satyendra Nath Bose),30歲的他只是個遙遠東方的大學講師,在物理界仍默默無名。他冒然寫信要愛因斯坦這位大師幫忙,是因為他自認隨信附上的這篇論文是個重大發現,怎奈四處投稿卻都被拒絕,不得已才寫信求助於愛因斯坦。 說來好笑,這篇論文其實起因於他自己犯下幼稚的數學錯誤。 1921年,玻色在課堂上向學生介紹量子力學的起源,也就是黑體輻射的實驗結果始終無法用古典物理解釋,直到普朗克提出光量子的概念,才成功解決這個難題。他為學生演示古典統計力學的計算過程時,卻搞錯連國中生都知道的機率觀念。 同時擲兩枚硬幣會有四種結果:正正、正反、反正、反反,機率各是1/4,因此出現一正一反的機率是1/2,但他卻一時糊塗,誤以為機率是1/3。奇妙的是,最後竟然得出和量子力學同樣的結果! 玻色相信這絕不是巧合,他思考後提出「全同粒子」的嶄新觀念,認為光子是無法區別的,不像硬幣是獨立的不同硬幣,因此兩個光子是「正反」或「反正」也無法區分,應視為一種情況,因此機率是1/3,而非古典統計中的1/2。 玻色寫成論文投到許多期刊,但每個編輯都認為他的機率觀念有問題,他處處碰壁後,不得已只好寫信給愛因斯坦。 愛因斯坦果然與眾不同,一眼看出玻色觀點的重要性,不但親自把論文譯成德文投到《物理學刊》,還特定附上短箋為之背書。愛因斯坦在第二年也寫了一篇論文,將玻色的理論推廣到其它粒子,並預言了「愛因斯坦-玻色凝態」的全新相態(1995年獲得證實),而這種用於量子物理的統計便稱為「玻色-愛因斯坦統計」。 幸虧有愛因斯坦這樣的伯樂,玻色的理論才終於受到各界的重視,並且獲得廣泛的應用。玻色也隨即被擢升為教授,遺憾的是,直到他80歲過世前,始終未能獲得諾貝爾獎。為了紀念他,粒子物理標準模型中符合玻色-愛因斯坦的粒子(也就是負責傳遞作用力的粒子),都被稱為「玻色子」;如此,至少讓後人都無法忽略他對量子力學所作的貢獻。 補充一個軼事: 1927年,義大利政府為紀念伏打逝世一百週年,在科莫(Como)舉辦研討會,普朗克、愛因斯坦、薛丁格、狄拉克、波耳、海森堡、……等當代最著名的物理學家都參加了,玻色原本也在受邀之列,但是他卻沒有出席。 倒不是他有什麼私人因素不克前往,而是大會以為他還在加爾各答大學任教,於是在邀請函的收件人寫「給加爾各答大學的玻色教授」。但是玻色已經去了達卡大學,而加爾各答大學還有一位也姓玻色的教授,結果這位D. M. 玻色就代替好不容易出名的S. N. 玻色,參加了這場眾星雲集的物理大會。 不過D. M. 玻色比S. N. 玻色大8歲,分別在英國皇家科學學院與德國洪堡大學取得學士與博士學位,還曾進入卡文迪許實驗室學習。因此也有人認為他當時的學術聲望應不下於S. N. 玻色,或許邀請函本來就是給他的。 參考資料:

11月16日—真空管問世120週年

真空管?現在除了所謂「發燒級」音響,日常生活中幾乎看不見真空管了吧。沒錯,現今的電子產品幾乎已全面改用電晶體,不過在電晶體出現之前,收音機、電視、雷達、……等電子產品就已紛紛問世,這都是拜真空管發明之賜。 真空管開啟了電子化的時代,若要標誌一個起點,或許是1904年11月16日。這一天,英國物理學家弗萊明(John A. Fleming)正式申請真空管的發明專利。 弗萊明攝於1906年。圖片來源:Wikipedia 弗萊明於1849年11月29日出生,學業成績自小就一直名列前茅,還曾自己動手打造模型船、引擎與相機。但他念完大學後,由於家裡的經濟狀況不允許,只能階段性地半工半讀,直到31歲才取得博士學位。 弗萊明教了兩年書後,自1882年開始兼職擔任愛迪生英國分公司的顧問。1884年,他回母校創立英國第一個電機系;為了幫助學生記住電流方向、磁場方向、導體的運動方向三者之間的關係,他特別提出「左手法則」與「右手法則」,流傳至今。 弗萊明右手定則。圖片來源:Wikipedia 1898年,馬可尼委託弗萊明協助克服無線電的瓶頸。馬可尼雖然已經展示了無線電電報的可行性,卻始終無法傳到更遠的距離。弗萊明設計出結合高功率交流發電機的發射器,讓馬可尼於1901年底,成功從英國傳送無線電到美國,創下越洋無線電報的里程碑。 不過無線電信號在這麼遠的距離卻很不穩定,仍無法商業化。弗萊明在思考如何解決時,想起愛迪生曾在1883年發現的「愛迪生效應」。當時愛迪生為了查明燈泡的燈絲為什麼老是在正極端燒斷,而在燈泡中多加一片獨立的金屬片,然後在金屬片與電源正極間接上電流計。沒想到點亮燈泡後,電流計的指針竟會移動,問題是金屬片與燈絲根本沒有接觸,電流從何而來? 愛迪生那時無法理解,也未再深究;這也難怪,畢竟要到1897年,湯姆森才發現電子。如今弗萊明已經知道是熾熱的燈絲使得電子游離,「跳躍」到正極的金屬片,才產生電流。 於是他根據此一原理,提高燈泡的真空程度,用金屬片包圍住燈絲,並施予金屬片較高的正極電壓。然後將這個真空管接上接收無線的天線,無線電波所產生的感應電流只會流向同一方向,達到整流的效果,便能用高頻無線電波將電報傳送到更遠的距離。(註) 二極真空管示意圖。圖片來源:Wikipedia 弗萊明所發明的真空管是二極管。1906年,美國工程師德佛瑞斯特(Lee De Forest)在二極管的燈絲與金屬片之間多加一個網狀的柵極,接上負電壓,就可調整電流的大小,成為可放大訊號的三極管。自此,真空管便成為電子產品的基本元件,除了前述的電子產品,也讓電腦得以邁入數位化;史上第一台可程式化的通用型電腦ENIAC 便用了一萬七千多個真空管。 雖然真空管因為耗電、易壞,反應速度又慢,而逐漸被電晶體取代,不過它揭開了數位時代的序幕,也算是功成身退,值得紀念。 註:不過真空管本身的物理限制還是不適用更高頻的電波,AT&T旗下的貝爾實驗室因此才改從半導體著手,進而發明電晶體。這段歷史可參考筆者所著之《蕭克利與八叛徒》。 參考資料: John Ambrose Fleming – Wikipedia John Fleming – ETHW

9月6日—提出原子論的人

老人以顫抖的手拿起筆,吃力地在紀錄本上寫下今天的天氣、溫度、濕度和氣壓。他自21歲起就每天記錄當天氣象的相關資料,至今57年從不間斷,即使今年五月再度中風,身體大不如前,他仍堅持這數十年如一日的習慣。 老人闔上紀錄本,想起當年啟蒙他研究氣象的果夫(John Gough)老師。那是他15歲的時候吧?他到哥哥接手的一所文法學校幫忙教書,第二年,大他9歲的果夫也前來任教。果夫雖雙眼失明卻博學多聞,不吝教導他語文、數學與自然科學,他無以回報,只能朗讀書報給果夫聽。 但他得之於果夫實在太多,除了學到大氣的測量與實驗方法,以及如何將氣象記錄整理成冊(他便是因此養成每天記錄的習慣),果夫還大力推薦他,讓他在27歲時得以到曼徹斯特一所學院教書。 對了,他就是在任職後才發現自己的眼睛也有缺陷,原來自己一直是色盲,其實無法看見完整的色彩。他試著探討這背後的原因,而於當年完成他的第一篇論文。結果這篇1794年發表的論文,成為史上第一篇探討色盲的科學論文,而自己的姓氏後來竟然就被用來命名色盲症(Daltonism)。 他原以為會在這所學院教書終老,沒想到學院的財務狀況日益惡化,他在1800年就失去教職。他乾脆自己開辦私塾,課餘時則針對之前觀測氣象時,注意到的「飽和蒸氣壓」現象展開實驗。 他發現相同氣體溶入水中的量,與空氣中的氣體含量,兩者有固定的比例關係,而不同氣體在水中溶解的比例關係卻各不相同。他因此思考不同氣體是否由不同粒子組成,而且粒子的數量與重量也各不相同? 經過無數實驗後,他於1803到1805年間陸續發表後來被稱為「原子論」的學說,主張每種元素都是由不可再分割的原子組成;同一元素的原子完全一樣,不同元素有不同性質與重量的原子;不同元素形成化合物時,其原子是以簡單整數比結合而成。 他還設計了各種原子的符號,一顆顆小小的圓形圖案多美麗啊!他不懂世人為何要採用瑞典化學家貝吉里斯(J. J. Berzelius)所提議的,使用字母作為元素符號,一點美感都沒有。還有一個法國人蓋呂薩克(Joseph Gay-Lussac)也讓他相當不滿,竟然指他的實驗有誤,說水的氫氧比例不是1:1。 無論外界如何批評或又怎麼紛紛擾擾,他仍堅信自己才是對的,因此他埋首繼續自己的實驗,繼續為私塾的學生上課,直到1837年中風才不得不結束私塾。他突然想起最後一屆有位姓焦耳的學生,雖然調皮卻蠻聰明的,不知現在如何了? 老人回過神來,將氣象的紀錄冊收好,上床就寢。第二天一早,照顧他生活起居的僕侍發現他倒在床邊地板,已無氣息。1844年7月27日,以原子論改變現代化學的道爾頓(John Dalton)因中風過世,享年77歲。 按:原文收錄於《科學史上的今天》中〈9月6日——道爾頓冥誕〉,此處略做修改。 參考資料:

8月25日—失去記憶的人

手術成功了,莫萊森很少再受癲癇之苦。但是他也喪失了記憶的能力,再也記不住見過的人、說過的話、聽過的歌,所有新的體驗猶如朝露轉眼成空,什麼也沒留下。他的人生從此就永遠停留在十六、七歲。