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十項最美的實驗:實驗桌上的科學家,影響世界的十個偉大發現

十項最美的實驗:實驗桌上的科學家,影響世界的十個偉大發現

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9789862350317
賴德鍾
臉譜
2009年6月23日
87.00  元
HK$ 73.95
省下 $13.05
 
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* 叢書系列:科普漫遊
* 規格:平裝 / 200頁 / 14.8*21 cm / 普級 / 單色印刷 / 初版
* 出版地:台灣


科普漫遊


自然科普 > 科普叢書









  科學史上十項最引人入勝的實驗精采重現,
  十個好奇的靈魂提出波瀾壯闊的問題,顛覆了我們對自身及所處世界的理解

  什麼是最美的實驗?
  一直到不久之前,最撼動人心的科學多來自個人的雙手,
  而非今日已然「產業化」的大型科學實驗。
  單一心靈透過實際動手做,正面迎戰未知。
  本書以伽利略為起點,一步步造訪九個科學長路上的小站,
  最終再次與密立根及他的小星星相遇。
  十項影響深遠的實驗憑藉其邏輯、清楚的設計與結果,
  揭露了深藏在事物背後的道理……

  《紐約時報》著名科學作家喬治•約翰遜在這本令人無法抗拒的書中,引領我們進入那些世界似乎仍充斥神祕力量的時代,當時科學家對光、電,以及解剖台上心臟的跳動困惑不已。

  我們目睹了伽利略在測量引力時,以歌唱的方式標記時間;牛頓小心地將一根針插入他的眼睛後方,以了解光如何造成視網膜的震顫;哈維在手臂上綁上止血帶,觀察他的動脈在上方跳動、靜脈在下方鼓脹,證明血液的循環;伽凡尼在切開的蛙腿上釋放電流,對痙攣的肌肉纖維驚異不已;巴夫洛夫進行了他現在著名的實驗,研究狗隨著音高而產生唾液。

  對他們所有人來說,勤奮獲得了獎賞。一瞬間,困惑一掃而空,對自然的某種全新理解躍入眼中。為了帶給我們這些故事,約翰遜重建了許多科學逸事,讓我們重溫一個靈魂凝望未知之境時縈迴的激情。

作者簡介

喬治.約翰遜(George Johnson)

  科學作家,定期為《紐約時報》(The New York Times)撰稿。他也為《科學人》(Scientific American)、《大西洋月刊》(The Atlantic Monthly)、《時代雜誌》(Time)、《石板》雜誌(Slate)及《連線》雜誌(Wired)撰寫文章,作品曾收錄於《美國最佳科學寫作選》(The Best American Science Writing)。

  他的最新著作是《勒維特之星》(Miss Leavitt’s Stars)及《下一波資訊革命》(A Shortcut Through Time),並著有《奇異之美》(Strange Beauty)及《心靈之火》(Fire in the Mind)。他曾獲得國際筆會(PEN)和美國科學促進會(American Association for the Advancement of Science)的獎項,著作兩度入圍隆普蘭克獎(Rh?ne-Poulenc Prize)決選名單。

  他是聖塔菲科學寫作工作坊(Santa Fe Science Writing Workshop)的共同主持人,現居聖塔菲。個人網站:www.talaya.net

賴德鍾

  英國伯明翰大學國際貿易碩士。曾任職電信公司主管行銷與行政工作多年。對生物學及生態學有高度興趣,亦為氣冷保時捷與紅酒之熱愛人士。電郵信箱:taiwanman99@gmail.com



1. 伽利略:物體移動的方式
2. 威廉.哈維:心臟的奧秘
3. 艾薩克.牛頓:色彩的本質
4. 安托萬洛朗.拉瓦錫:農夫的女兒
5. 羅吉.高爾瓦尼:動物電
6. 邁可.法拉第:深藏的道理
7. 詹姆斯.焦耳:世界運行的方式
8. A.A.邁克森:迷失在太空
9. 伊凡.巴夫洛夫:不可估量的測量
10. 羅勃特.密立根:界限
後記:第十一個最美的實驗
附註與參考書目
致謝
索引



前言

  幾年前一個晴朗的冬日早晨,我開車上山到聖約翰學院(St. John’s College)玩玩電子。我有幸會見了這所坐落在與世隔絕的聖塔菲山麓學校的校長,而讓我印象深刻的是,這些學生試圖重新演示密立根(Robert Millikan)在1909年的著名實驗(作為人文課程的一部分),密立根找出並測量那些基本粒子,證明它們是電的組成粒子。

  聖約翰學院像它在安那波里斯(Annapolis)的姊妹學院一樣,追求古典課程,教授始於約西元前600年先蘇哲學家(Presocratic philosopher)的物理學。那是米利都的泰利斯(Thales of Miletus)首次提出大一統理論(Grand Unified Theory)的時代:「水為萬物之源」。以今日的角度來看,他可能是在鑽研超弦(superstring)。

  泰利斯還注意到,一種在馬格內西亞省(Magnesia)發現、稱為磁鐵礦(magnetite)的岩石,會對金屬產生無形的拉力;摩擦一塊琥珀(希臘人稱為elektron的東西),會使琥珀帶有神祕的電荷:吸引稻草和粗糠。兩千多年後,女王伊莉莎白一世(Queen Elizabeth I)的醫生吉爾伯特(William Gilbert)指出,玻璃與絲摩擦會「琥珀化」(amberized)??電氣化(electrified)(他是第一個使用這個詞的人)??而其他材料也可以用這種方式產生活化現象。吉爾伯特推測,摩擦加熱了某種像水一樣的液體,產生有黏性、具揮發性的「溢出性」電荷。法國化學家杜菲(Charles-Fran?ois de Cisternay du Fay)接著發現,摩擦琥珀會排斥摩擦玻璃所吸引的物體。他得到結論,電一定有兩種形式:「樹脂質的」(resinous,或稱負電)與「玻璃質的」(vitreous,或稱正電)。某種東西深藏在事物背後。密立根找到了掌控之道。

  我在一棟兩層樓地形建築的地下室找到物理實驗室,建築正面有白色長廊,松樹圍繞。學期結束了,光線昏黃,影子拉得長長的。在房間遠端,實驗室主任布里森(Hans von Briesen)正在木製實驗桌上組裝電子零件。聖約翰學院的一項傳統是,學生和教師(他們稱為指導老師〔tutor〕)相互以敬語稱呼??布里森先生、約翰遜先生??讓走廊上的交談聽起來有點像《紐約時報》。

  布里森先生說明了密立根實驗的作法:用香水噴霧器把微小的油滴噴灑到兩片金屬板之間的空間,一個充樹脂質電,另一個充玻璃質電。摩擦空氣之後,一些油滴就像泰利斯的琥珀一樣會變得電氣化。藉由改變兩片金屬板之間的電壓,可以讓一個油滴上下移動;或如果做得精準,能讓油滴在半空中懸浮。

  從油滴的質量及抵抗下墜所需的電壓量,可以算出它的電荷。測量足夠的油滴後,可以了解電荷是像流體般出現任意量,還是像口袋裡的零錢一樣只是不連續的數量。如果後者為真,那麼最小的數量會是電的基本單位??電子的電荷。

  完成組裝後,房間暗了下來,實驗開始。經過幾次試驗,布里森先生邀請我來看看。透過一個放大鏡??小望遠鏡??凝視箱子內部,我看到了油滴。在後方光源的照明下,它們像星群或銀河系一樣閃耀。密立根自己曾如此描述它們:「這油滴的樣態就像耀眼明亮的星星一樣。」

  科學在21世紀已然工業化。報紙上大肆報導的實驗往往??基因定序(genome sequencing),證明頂夸克(top quark)的存在,藉由分析遠方星星的擺動來發現新行星??花費數百萬美元。超級電腦分析它們產生的數兆位元組資料:運算中心釋出大量熱氣,於是配置了冷卻塔,耗用足供小鎮需求的能源。執行實驗的研究團隊,已經成長到企業規模。

  但直到不久之前,最撼動人心的科學多來自個人的雙手。單一心靈挑戰未知。那些創下里程碑的偉大實驗多是一、兩位科學家進行的,而且多半在實驗桌面上完成。如果他們有做任何計算,也是在紙上或後來用計算尺進行的。

  這些實驗的設計和執行如此簡潔優雅,值得被稱為美。這就是美的古典意涵??儀器邏輯簡潔,正如分析的邏輯一樣簡潔,似乎就像希臘雕像的線條般純粹而必然。混亂和含糊瞬間掃除殆盡,對自然的某種新觀點躍入眼前。

  作為科學作家,我經常被像量子力學或廣義相對論等高深艱澀的理論吸引,這些理論企圖以一些優雅的定律來抓住現實。如果要舉個例子來看看這種追尋已經變得多麼抽象,除了超弦理論,根本不必再多看。超弦理論斷定,物質最終是由十維空間中存在於數學意義上的碎片振動(vibration)產生的。這真是令人驚奇,但又如此艱深而令人困惑??對於我,或可能所有人都是??我開始覺得需要回歸基本。

  《物理世界》雜誌(Physics World)曾做過一項調查,詢問讀者他們認為最美的實驗是什麼。從結果來看,名冊彙編的前十名都在可預見的物理學領域。然而,我想知道,如果把網撒得更大一點呢?我決定列出自己的清單。

  問題是該從哪裡著手。從泰利斯摩擦琥珀創造靜電?這個例子缺乏我追尋的那種優雅。它既沒有控制條件,也沒有系統性的試驗可用以觀察哪些材料,在哪些條件下,可以產生這種帶電狀況。正如吉爾伯特後來證明的,琥珀沒有任何獨特之處。以實驗科學來說,泰利斯尚未跨出第一步。

  另一位先蘇哲學家畢達哥拉斯(Pythagoras)如何,他發現撥弦產生的樂音與數學比例有精準的對應關係?如果整條弦彈出精確的C音,弦的四分之三會發出F音,弦的三分之二是G音。如果按住弦的二分之一,會再次產生C音,高八度的C音。這些都是數字,畢達哥拉斯宣稱??另一個大一統理論。他應該見好就收的。但他繼續推論,火是由四個等邊形包圍著二十四個直角三角形組成,這四個等邊形各由六個三角形組成。空氣是由四十八個三角形組成,水是由一百二十個三角形組成。實驗讓位給神祕主義。

  另一位候選人可能是阿基米德(Archimedes)。那個他從浴缸裡跳出來高喊「尤里卡」(Eureka,我找到了),發現物理學浮力原理的可疑傳說,使得人們忽視了他的偉大成就。他的著作《論浮體》(On Floating Bodies)被認為是傑出的數學推理,而這不僅是因為它導出阿基米德原理(Archimedes’ principle,物體沉入液體產生作用的一個向上力〔upward force〕,等同於物體體積排開的液體重量)。他也從第一原理了解到,如果一個叫作拋物面(paraboloid)的錐形物體浸沒在水中會如何漂浮(冰山大致就是拋物面,其現象與阿基米德所言近似)。
然而,他的偉大之處多在推理而非實驗。是另一個偉大的理論家。我追尋的是那些罕見的時刻,利用手邊的材料,一個好奇的靈魂找到一種方式向宇宙提出問題,堅持到它回答。理論上,設備本身就是一種美的事物,拋光的木材、黃銅、光亮黑色硬橡膠。但更重要的是設計和執行的美,以及思緒的純淨。

  因此我不得不從古希臘直接跳到17世紀,那時一個叫伽利略(Galileo)的人提出運動的基本定律。以那裡為起點,我一步一步進行,造訪科學長路上其他九個小站,最終再次與密立根及他的小星星相遇。

  任何閱讀本書的人都很可能列出不同的清單。「這本書不能只叫作《十項美麗的實驗》就好了嗎?」一位朋友抗議。或許可以。但我希望保有藝術的任意性(arbitrary),在我挑選的實驗和選擇講述每個實驗的方式都是。這不是一本關於偉大發現的書,也不是像伽利略仔細觀察發現衛星繞著木星或達爾文(Charles Darwin)對雀鳥的觀察這些意外獲得的驚喜。這些都不是我想探索的那種對事實所做的精心安排、具控制性的質問。這本書也不打算成為縮小版科學傳記大全??已經有很多這類好書。有些人生平的奇怪細節吸引我的注意力,如拉瓦節(Antoine-Laurent de Lavoisier)和邁克生(Albert A. Michelson)。其他如伽利略和牛頓(Isaac Newton)的故事,過去已經談得太多。我試著以炭畫的方式描繪每一位科學家。我要的主角是實驗,而非實驗者。

  為了讓故事盡量清晰,我花了一點篇幅試著分配主角的貢獻度,涉入史學家的論戰。焦耳(James Prescott Joule)關於能量和熱的驚人發現已被梅耶(Julius Robert von Mayer)預測到,但執行這項美麗實驗的人是焦耳。我喜歡克爾文勳爵(Lord Kelvin)對這件事的評論:「考量到是否能從自然的奧祕中獲得任何更深入的理解時,不論當事人對問題多麼在意,個人的優先順序在此根本無足輕重。」




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