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1995 年6 月5 日:超級原子的製造:第一個玻色—愛因斯坦凝聚

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1995 年6 月5 日:超級原子的製造:第一個玻色—愛因斯坦凝聚
高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

有時物理的實驗要趕上理論是需要一點時間,曾於1920 年代所做的玻色愛因斯坦凝聚(Bose Einstein CondensateBEC)的理論預測就花了75 年的時間才真正地在實驗室中製造出來。此一成就開啟了原子物理學中的一個全新領域,因為它好像讓科學家能透過一個巨大的放大鏡,去觀察、研究奇特、極其微小的量子物理世界,而不斷地有寶貴的科學新發現。

BEC 現象最初是由玻色〈Satyendra Nath Bose,印度物理學家,1894-1974〉和愛因斯坦所預測:當一群相同的玻色粒子彼此聚集得夠近,移動得夠緩慢時,它們會集體轉入最低的能量狀態,稱之為玻色愛因斯坦凝聚〈BEC〉,此現象會在原子的溫度降到極低時發生。原子的波動特質能使其擴散,或甚至重疊,假如其密度夠高,而溫度夠低(絕對零度的十億分之幾度)的話,原子就會如雷射中的光子:整體處於一種高度相關的狀態,而形同一個單一的「超級原子」。

美國科羅拉多州JILA1 研究院的Carl Wieman(科羅拉多大學)和Eric Cornell(美國國家標準與技術研究院,NIST),在1990 年左右最先使用雷射和磁冷設備開始找尋玻色愛因斯坦凝聚。Wieman 率先使用美金200 元的雷射二極管(和CD 播放機使用同類型),而非其他團隊所使用的美金150,000 元的雷射。他的方法起先遭到同行們的質疑,但當他開始有了真正的進展後,好幾個團隊都急著跟進,希望能第一個找到BECJILA 的研究團隊首先使用室溫的銣氣體原子,先讓它緩慢下來,再用雷射光網捕捉它,這會將其原子冷卻至絕對零度的百萬分之10 但溫度仍太高,無法產生BEC

一旦捕捉住了,就關掉雷射,而以磁場捉住原子;再將磁場內最熱的原子挑出來,將其趕出場外,使磁場內的原子進一步地冷卻。接下來則需要高度的技巧:捕捉住密度夠高,溫度夠低的原子以製造BEC。為了達此目標,Wieman 和他的研究團隊將傳統標準的磁捕井設計,改良成為一個對時間平均的旋轉式磁捕井。

1995 6 5 10:54AM,由科羅拉多大學、和美國國家標準與技術研究院所組成的JILA 研究院成功地製造出了全球第一個玻色愛因斯坦凝聚。BEC在一個胡蘿蔔大小的玻璃試管中產生,經由照相機的畫面呈現,它的直徑僅大約20 微米,大約是一張紙1/5 的厚度。那是一組大約有2,000 個銣原子的 BEC,持續15-20 秒。之後不久,Wolfgang Ketterle 也在他MIT 的實驗室中成功地製造出BEC

圖示為原子雲的密度,越往右,溫度越低。此圖來自JILA >

目前,科學家可以生產更大量原子的凝聚,並能持續整整3 分鐘,繼而對這個不尋常的物質形式獲得更深入的了解與認識。直至2001 年的9 月,已有40個左右的實驗室可以複製此凝聚。1997 年,MIT 的研究員利用凝聚的原理開發出一種原子雷射,可以讓一顆顆的原子從極小的噴口掉下來;1999 2 月,哈佛大學的研究團隊製造出BEC,再將光穿過此凝聚,讓光速減慢至只剩下每小時38 哩,兩年後,此團隊進一步宣稱他們已經可以做到讓光短暫地靜止。

1999 3 月,在馬利蘭州Gaitherburg 市的美國國家標準與技術研究院的科學家成功地將極度低溫的原子擠成一束,再讓成束的原子四處噴出。此突破可能發展為製造超小電腦晶片,或以單一原子製造奈米元件的新技術。

1999 6 18 日,JILA 的研究員使用此技術首度達成簡併費米原子氣體。2001 年,一群德國的研究員證明了玻色愛因斯坦凝聚可以使用所謂的原子晶片來製造操作,如此一來,則有可能利用原子的運動,而非電子的運動,來做為製造原子積體線路的基礎。

2002 12 月,在Innsbruck 的科學家首次以銫原子製造出BEC,這是原子鐘的基礎,同時也在有些度量衡的應用上扮演著關鍵性的角色,包括電子電偶極的測量。

科羅拉多州的研究團隊現在正以各種不同的新方法來操作、試驗此物質的新形式。2001 7 月,Wieman和他的研究團隊可以讓BEC 收縮,接著產生小爆炸,有些像微小的超新星(Supernova),因此就稱它為「玻色新星」(Bosenova)。

在製造BEC 的過程中,約有一半的原子會消失,科學家可以將原子冷卻至絕對零度的十億分之3 度,是目前可達到的最低溫度。

CornellKetterle Wieman 因此成就,於2001年同獲諾貝爾物理獎。瑞典皇家科學院在讚揚他們共同發現玻色愛因斯坦凝聚時說:「這將會對精密量測與奈米科技等方面帶來革命性的應用。」JILA 團隊所使用的裝備現已為美國華盛頓的Smithsonian 博物館所永久收藏。

 

1 JILA , 源自Joint Institute for LaboratoryAstrophysics,現在概以JILA 稱之,研究領域涵蓋下列7 大方面: 天文物理、材料物理與化學、原子與分子物理、光學物理、生物物理、精密量測、與化學物理。

1609 年5 月:伽利略(Galilei, Galileo)乍聞望遠鏡

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1609 年5 月:伽利略(Galilei, Galileo)乍聞望遠鏡
高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授責任編輯

伽利略不僅因遭受到天主教宗教法庭的迫害與監禁為人所知,更可以說是以他在科學上的諸多貢獻聞名於世,其中最令人難忘的成就當屬他改良了當時很新奇的工具望遠鏡。伽利略使用改良後的望遠鏡來觀測月球,發現了木星的四個衛星,解答了星雲帶是星星的集結體,還觀測到了金星的盈虧。在他星空觀測的過程中,許多同時代的天文學家以他為首,對宇宙論提出了革命性的見解,最後推翻傳統的亞里斯多德學說,證實了哥白尼的看法。

歷史學家一般都認為望遠鏡起源於荷蘭,1608 10 月同時有兩個專利申請;第三個發明家很顯然地也在同時間製造出望遠鏡,試圖帶到法蘭克福的市集去賣。這幾個設計都是在一個管子內裝上凹透鏡與凸透鏡,來將物體放大2-3 倍。此發明很快地就傳遍全歐洲,也很快地有了設計的樣品。1609 4 月,民眾即可在巴黎的眼鏡製造店購買到3 倍數的偵測鏡片;不到四個月後,在義大利也買得到。

1609 5 月,這個讓「看遠處的東西好像就在身邊」的神奇工具傳到伽利略耳裏,他很快地在那年夏天複製了此發明,製造出他自己的3 倍數望遠鏡,然後著手改良望遠鏡的設計。當年8 月,他將一個8 倍數的望遠鏡呈獻給梵諦岡的元老院,獲得俸祿加倍的獎賞,與Padua 大學終身職的優待。10 月下旬,他完成了一個20 倍數的望遠鏡,並首次用它來觀測星空的天體。

伽利略和他的望遠鏡

伽利略最先使用它對月球做一系列的觀測,當1609 年末接近完成時,他忽然觀測到木星就在對面,最接近地球,在夜空中是僅次於月球最明亮的星球。在適當地調整了望遠鏡後,他開始觀測木星,1610 1 7 日注意到木星周圍似乎有3 顆固定的星球,讓他深感興趣,於是隔夜,他再次觀測木星,預測著當時向地球相反方向逆行的木星會從東移至西,追過周圍的3 個小星星。然而,木星似乎是向東運行,很反常,但也很有趣。

伽利略對於木星的行徑深感困惑,於是反覆地做相同的觀測,得到幾個主要的結論:第一,其周圍的小星星從未離開木星,看起來好像是木星拖著它們運行;第二,當它們和木星一起運行時,它們彼此間的位置,以及和木星間的相對位置都會改變;最後,一共有4 顆這種小星星。直至1 15 日止,伽利略下結論說,這4 顆星星並非固定的星星,而是繞著木星運轉的星體。木星有4 個衛星,證實了哥白尼的理論。伽利略將此驚人的觀測記錄在他的書《天體信息》(Sidereus Nuncius)中,並於1610 3 月中旬在威尼斯出版,從此奠定了他的名聲與在科學史上的地位。

《天體信息》出版後,伽利略仍繼續天體的觀測。1610 7 月,他首度論及土星的奇特面貌,說它有時看起來似乎是橢圓形,有時又像是兩個微扁的星體,更有時看起來是一個孤獨的球體,真是個令人困惑的謎。12 月時,他證實了其他天文學家的觀測,說明金星很像月球,有盈虧,提供了金星繞著太陽運轉的進一步證據,和哥白尼的理論一致。

望遠鏡是熟練技工的產品,並非科學家的發明,然而在歷史上,它的地位重要,是現代科學儀器的雛形。伽利略與他的科學伙伴們所做的觀測,將當時星空中從未為人所懷疑的現象披露出來,對於17 世紀時,堅持以地球為中心的傳統天文學家,和相信哥白尼以太陽為中心的天文學家之間的爭端有著深遠的影響。

大約1590年:顯微鏡的發明

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大約1590 年:顯微鏡的發明
高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

每一個主要的科學領域都曾因使用不同款式的顯微鏡而獲得進展。顯微鏡的發明可追溯到16 世紀末期,一個謙虛的荷蘭眼鏡製造商叫做ZachariasJanssen。雖然相較於當今款式的顯微鏡來說,當時的顯像和倍率都極為粗糙,但是Janssen 的顯微鏡在科學儀器發展史上卻是一個根本性的突破。

Janssen 是荷蘭Middleburg 一個眼鏡製造商HansJanssen 的兒子。雖然人們將發明複式顯微鏡的美譽歸於Zacharias,但大多數的歷史學家都臆測他父親應該曾扮演著重要的角色,因為在1590 年代,Zacharias還只不過是個十多歲的小孩。當時的人們剛開始廣泛地使用眼鏡,非常重視光學與透鏡。事實上,有些歷史學家將顯微鏡發明的榮譽歸給Janssen 父子與另一位同時代,但獨立研究的荷蘭眼鏡製造商HansLippershey

Zacharias Janseen

歷史學家能將顯微鏡發明日期溯及1590 年代初期,主要歸功於荷蘭的外交官William Boreel,他是Janseen 家族的老朋友,於1650 年代寫了一封信給法國國王,詳細敘述顯微鏡的起源。他描述一個垂直架在銅三角架上,大約21/2 呎長的儀器,其中主要的管直徑為一、二吋,底座是黑檀木製作的圓盤,一端是凹透鏡,另一端為凸透鏡;不同透鏡的組合使此儀器可以折射光線,並將原來的樣品影像放大3-9 倍。

第一個複式顯微鏡(大約1595 年)

Janseen 早期的顯微鏡都沒有留存下來,但一個Middleburg 的博物館卻收藏著一部1595 年的顯微鏡,上面刻有Janseen 的名字。它的設計有些不同,由三個管組成,其中兩個是套管,可以滑進做為外管的第三個管內。這個顯微鏡是用手拿著,當觀察樣品要對焦時,可將套管滑進、滑出,當套管伸展到最長時,放大的影像可達原來樣品的10 倍。雖然Janseen 的發明很有創意,但此儀器還是經過了50 年才廣泛地為科學家所使用。約克郡的HenryPower 是第一個發表利用顯微鏡觀察得到結果的科學家;1661 年,Marcello Malphigi 利用顯微鏡發現青蛙肺臟的毛細血管,提供了決定性的證據,來支持Harvey 血液循環的理論。

《微物圖解》(Micrographia)的作者虎克(RobertHooke)實際依賴倫敦的儀器製造商Christopher Cock來製造顯微鏡,不過,虎克仍是最早對顯微鏡的原始設計做出實質改進的人之一。虎克的顯微鏡和早期的望遠鏡有許多共同之處:眼杯用來維持眼睛和目鏡之間的正確距離,對焦使用分開的套管,球窩接頭用以托住傾斜的身體。至於光學方面,虎克使用雙凸物鏡,置放在鼻子上,加上一個目鏡,一個管子或調整型透鏡。很不幸地,這樣的組合導致透鏡呈現出嚴重的色差與球形像差,得到的影像很不理想。於是,他設法在管道中間放置一小隔膜,來降低周圍的光線,使影像更明確,以改進其所產生的像差,結果卻造成非常暗的影像。因此,他將油燈的光通過充滿水的玻璃,使光線擴散來照亮樣品,可是得到的影像仍是模糊。

後來靠著一位荷蘭的科學家Anton van Leeuwenhoek 才進一步改良了顯微鏡,也因此,Van Leeuwenhoek 有時會被公認為是顯微鏡的發明者,其實他並非發明者,只是《微物圖解》的超級崇拜者。他的顯微鏡倍率在當時是最好的:他成功地使用單一透鏡將樣品放大270 倍。Van Leeuwenhoek 利用他的顯微鏡來描述從牙齒刮下碎屑中的細菌,還用它來研究在池塘水中所找到的原生動物。

18 世紀初,英國儀器設計師曾引進Edmund Culpeper 所發明三角架顯微鏡的改良型,其他的改良還包括更精密的對焦機制,不過透鏡的設計一直還是很簡陋,所以大多數的顯微鏡都為模糊的影像與光學上的像差所苦。在19 世紀上半期,由於玻璃組成的精進與消色物鏡的發展,使得光學有了突破性的進步。消色物鏡更有效地降低透鏡的球形像差,不會有顏色上的扭曲。

20 世紀改良後的顯微鏡可以讓顯微鏡家在改變倍率時仍能對焦。由於解析度、對比技術、螢光標示與數位影像等的大幅改進,和其他無數的創新,使得顯微鏡學已在各個不同的領域如化學、物理、材料科學、微電子和生物方面都掀起了革命。

如今,人們已可在自然的環境下即時執行活細胞的螢光顯微鏡操作,1999 年,Intel Mattel 合作生產美金100 元的Intel Play QX3 電腦顯微鏡(後來停產),將顯微鏡帶入消費市場。有著早期顯微鏡先驅研究精神的佛羅里達州立大學的科學家更將顯微鏡學應用於最初所觀察的事物上,將此精密的儀器對準每日所使用的普通物品,如美國的主要商品漢堡和薯條,詳實地觀察麥粒的薄片、洋蔥的組織、馬鈴薯的粉粒和結成晶體的乳酪蛋白質。

1935 年4 月:Robert Watson-Watt 取得英國空防雷達系統的專利

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1935 年4 月:Robert Watson-Watt 取得英國空防雷達系統的專利
高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

有許多的科學家和工程師都對在第二次世界大戰期間,關係盟軍的勝利扮演著極重要角色的雷達系統之發展有所貢獻。雷達(Radar RAdio Detection AndRanging 的首字母縮略字)透過發送無線電波,再測量其反射回來的訊號以偵測遠方的物體,如飛機或船隻。Robert Watson-Watt 爵士最先發展出實用的雷達系統,在第二次世界大戰期間用來幫助防禦英國,就是最偉大的雷達先驅之一。

雷達系統所需之基本原理於1880 年代即已確立,當時的德國物理學家赫茲〈Heinrich Hertz〉首度製造出無線電波,將其在他的實驗室內傳送。他發現此看不見的波是一種電磁輻射,也注意到有些物質可以傳送無線電波,有些會將電波反射回去。

無線電波很快地就應用於各方面:1901 年,義大利物理學家Guglielmo Marconi 首先發送了無線電波通訊橫渡大西洋;1904 年,德國的工程師Christian Huelsmeyer 發明了一套簡陋的系統,可以利用無線電波來阻止船隻或火車在多霧的日子裏相撞。美國海軍研究員也發現,他們可以利用無線電波的回波來偵測船隻,但此發明卻無人理會。

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1995 年4 月:美國費米國家實驗室頂夸克的發現

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1995 年4 月:美國費米國家實驗室頂夸克的發現
高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

粒子物理的標準模型認為,所有物質均由含有6種夸克與6 種輕子的基本粒子所組成,其中最重的為頂夸克(又稱t 夸克)。頂夸克不穩定,只有在人為製造時,例如美國伊利諾州Batavia 的費米國家實驗室以高能的質子和反質子束來相互碰撞,才偵測得出來。物理學家在1977 年發現與它同代的底夸克(或稱b 夸克)時,就深信頂夸克一定存在,只是他們沒想到還要等了將近20 年才終於找到它。

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1781 年3 月:赫歇爾發現天王星

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1781 年3 月:赫歇爾發現天王星
高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

赫歇爾(Frederick William Herschel)誕生於一個平凡的德國音樂家庭,家中有三個兄弟姊妹,但他後來成為天文史上最有名的觀察家之一。赫歇爾因發現天王星而聞名於世,由於他有系統的星空觀測,使得他能將當時的星雲數目由大約100 個增至2,500 個,成為他最重要的成就之一。

赫歇爾於1738 年誕生在德國的漢諾威,曾短暫的在德國軍中服役。19 歲時,在父親的協助下逃往英國,先是擔任軍中的樂隊指揮,之後於Bath Octagon教堂當風琴師及音樂教師。後來,他開始創作軍樂、交響樂和聖歌,無論在創作或演奏方面,都有一番成就;閒暇時,則致力於外國語文、哲學與數學的研究。 夫德瑞克‧威廉‧赫歇爾

然而,正當赫歇爾在音樂領域上的表現日趨成熟之際,卻在讀過Smith 的《光學的完整系統》(CompleatSystem of Opitcks) Ferguson 的《天文學》(Astronomy)後,對天文學產生了狂熱的興趣。他先租用一台小型的反射式望遠鏡來觀測天空,因為缺乏經費購買大型的望遠鏡,所以他決定藉著來英國投靠他的弟弟Alexander,與妹妹Caroline 的幫忙,自己製作望遠鏡。終於他製成了一台48 吋反射鏡的望遠鏡,是他所擁有最大的一台,但他大部分有紀錄的觀測都使用一台20呎的反射式望遠鏡。在他所製作的大型反射式望遠鏡中,包括一台焦距40 呎的望遠鏡,都遠比他同時代的人所使用的望遠鏡要大很多。

赫歇爾設計儀器的技巧對他成為成功的天文學家助益很大。他的第一個主要發現是火星和木星都繞著自己的軸心自轉。1781 3 13 日,當他以一個7吋的反射式望遠鏡掃描天空,試圖算出星體位置的視差時,他注意到一個不尋常的圓盤狀物體。起初他以為是一顆彗星,但在持續觀察數月,加以計算後,發現此物體的軌道在土星軌道外很遠處,而且相當的圓,因此認定它是一顆行星。天文界後來稱它為天王星,以希臘神話中的天神命名。天王星是近代第一個發現的行星,它的發現立即為赫歇爾帶來聲譽,英王喬治三世封他為勳爵士,聘為御用天文學家,年薪200鎊,使他可以專心地傾全力於天文學的研究。

赫歇爾之後所做的觀測與發現不計其數,當Caroline 漸漸將研究重心轉向彗星時,他則轉而觀察太陽黑子,證實了太陽的氣體本質,又發現了木星的兩個衛星和天王星的兩個衛星。不過,赫歇爾的研究工作主要集中在星球方面,特別是太陽系在太空中的運行,以及雙星繞著共同的重心運轉的證據。他還首度試著使用太陽附近的星球來計算太陽通過銀河系的運行,算出太陽並非宇宙的中心,此看法漸漸得到天文界的認同,在當時跨出很重要的一步。他也比Laplace(譯者按:Pierre-Simon Laplace 1749-1827,法國的數學天文學家,著有《天體力學》與《宇宙系統論》)更早提出宇宙的演化理論,說明宇宙最先是處在一個均勻的狀態,再形成星球,而後集結成星雲。赫歇爾所發現的雙星有1,000 多個。

然而,赫歇爾最有雄心的研究是,使用他所謂的「星星標規」技術,即在他的望遠鏡所能觀測到的視野內數星星的數目,來勾勒銀河系的結構。他所使用的望遠鏡越來越大,效果也越來越好,使他能看出許多神秘的「星雲」其實就是模糊星球的集結體。因為他缺乏鎖星裝置之類的儀器來瞄準旋轉的天空,所以他做觀測時,都會站在梯子上,將望遠鏡瞄準子午線上的某個點,觀察一細小長片可見的天空中有什麼星球通過,然後將所見到的大聲描述出來,由妹妹Caroline 做紀錄。隨著夜晚的流逝,他會改變望遠鏡的位置,來觀測另外一小長片天空,再另外一小長片

由於Caroline 的幫忙,赫歇爾終於能於20 年間在英國觀測所有能見到的天空,並將所見到的模糊光帶有系統地整理出來,就是現在所知道的星雲。他於1822 年逝世後,兒子John 將其儀器搬運到南非,以觀察南方的天空。1864 年,John 出版《星雲目錄》(TheGeneral Catalogue of Nebulae);1888 年,L. E. Dreyer將其再版擴充成《新星雲目錄》(The New GeneralCatalogue of Nebulae)。直至今日,大多數的非星體物體仍會以目錄上的號碼來標示。赫歇爾從數星星下結論說,銀河系像個圓盤,有許多不規則處,太陽位近中心點。後來的研究當然證實了赫歇爾有關銀河系形狀的推論,但也發現了太陽並不是位居中心,整個太陽系也比赫歇爾所假想的要大很多。

譯者註:Caroline Lucretia Herschel1750-1848,著名女性天文學家,除了協助哥哥威廉赫歇爾從事星空觀測與計算外,並於1783 年自行觀測到3個星雲,1786-1797 年間發現了8 顆彗星。她於1828 年完成2,500 個星雲的目錄表而獲英國皇家天文協會頒發金質勳章;1835 年獲選為英國皇家協會的第一位女性榮譽會員;1846 年又榮獲普魯士王的科學金質勳章。她終身未婚,享年98 歲。在她過世後,後人感佩其研究精神與成就,於1889 年將一顆小行星命名為“Lucretia”,以紀念這位傑出的女性天文學家。

大約1935年3月:薛丁格(Erwin Schrödinger)的弔詭貓

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大約1935年3月:薛丁格(Erwin Schrödinger)的弔詭貓
國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

奧地利理論物理學家歐文‧薛丁格(Erwin Schrödinger)所提出的波動方程式對量子論有深遠的貢獻,此方程式後來以他的名字命名。但很意外的是,他最有名的研究卻是1935年所提出的一個思考性實驗——薛丁格貓的弔詭,此實驗引起哲學家的興趣,但也讓愛貓人士感到毛骨悚然。

薛丁格於1887年誕生在奧地利的維也納,父親經營一間小油毯工廠。他自幼在家學習,直到10歲才進入九年制的普通高等學校就讀,而他也很快地展現出在物理與數學方面的優越能力。他以前的一位同學回憶起年輕時的薛丁格對於上課內容皆能充分瞭解,所以課後能馬上到黑板上以趣味的方式開始解題。薛丁格於1906年畢業後隨即進入維也納大學研修理論物理學,於1910年獲得了博士學位,所做的博士論文是研究在潮濕空氣中絕緣體表面的電傳導。 211-1 在短暫服自願役後,薛丁格在維也納被任命為實驗物理的助理,研究放射線,證實了放射線衰變的統計性本質。他後來說他的實驗工作對於他的理論研究來說是無價的資產。
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1452年4月15日:一位科學先驅的誕生——達文西

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1452年4月15日:一位科學先驅的誕生——達文西
高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

1994年,億萬巨富比爾‧蓋茲(Bill Gates)花了史上天價3千萬美元買下了達文西(Leonardo da Vinci)的手稿《萊斯特抄本》(Codex Leicester)。身為「文藝復興人」的縮影,達文西主要以他的藝術名作如「最後的晚餐」和「蒙娜麗莎」聞名於世。直到20世紀,修道士於1960年代在他的老家發掘出他的手抄本原稿,並加以修復,裏面的筆記和註記全都是左撇子達文西以左手反向由右向左書寫,難以解讀,只能藉著鏡子才能辨識,但此抄本卻鞏固了他在當時是最偉大科學家之一的地位。

達文西誕生於1452年4月15日,是佛羅倫斯公證人Ser Piero d’Antonio的私生子,由父親撫養長大,接受當時一般的正規教育包括閱讀、寫作和算術。當他快到青春期,展現出潛在的藝術天分時,他就到佛羅倫斯知名的Andrea del Verrochio工作室當學徒,學習繪畫、雕刻以及有用的工藝與機械技巧,例如研磨、調色、基本的幾何透視和黏土與青銅的使用。當他於1472年被接納加入畫家協會時,他除了追求藝術外,也已經開始畫幫浦、武器和其他精巧機器的草圖。他一生都在追求這兩種興趣,求取平衡,雖然兩方面的成就不同,但都很成功。 1482年,達文西到米蘭公爵Ludovico Sforza處工作。但出乎意料的是,他謀得此職位是靠著推銷他的工程技術和設計精進的武器與防禦工事的計畫,並非靠他的藝術家技巧。 Credit:American Museum of Natural History Library 公爵讓他忙著繪畫、雕刻、並設計繁雜精美的宮廷慶典和兵器,但是達文西仍設法研讀《歐基理得》(Euclid)、Battista Alberti有關建築的書籍、和Piero della Francesca有關繪畫的《透視法》(On Perspective),繼續研究幾何學。據說他由於忙著鑽研幾何學,常忽略了作畫。 在這其間,達文西真正的成就都是在科學方面的。他僅靠著機械的方法就設計出幾個讓圓形和正方形面積相同的作法,並於1498年寫了一本力學初級理論的書。他同時在他的Codex Atlanticus(1490)中預見建造望遠鏡的可能性,在手卷中他寫著「製造眼鏡來看放大的月亮」,雖然這樣的裝置在往後的100年內都無法實現。至1513年,他更延伸此基本概念,想像出將單一星球的影像投射到凹鏡上的方法,凹鏡的反射就可以將星球表面放大。

1499年,法國軍隊入侵米蘭,公爵被打敗,所以停止雇用達文西。由於少了有錢的贊助人,達文西因此先到Mantua,再到威尼斯,最後抵達佛羅倫斯,專心研究數學和繪畫。1503年,佛羅倫斯被包圍,達文西因此策劃了一個龐大的計畫,欲將比薩後面的Arno河改道;他還計畫建運河,使佛羅倫斯有管道和河流相通。 他的觀察經常附有對所分析物體或現象的精確繪圖,並加註解,所以他的一生中累積了無數卷這樣的筆記,詳細記錄了上自天文,下至化石形成、植物成長、光作用的研究。

正如當時許多藝術家與醫生一般,達文西也致力於解剖屍體的工作。因為15世紀的義大利缺乏冷藏設備,也沒有甲醛,所以他必須儘速處理,用以研究人體解剖學,這也對他的藝術產生影響。但是他的科學家本質也讓他對於人體四肢的結構,其與神經和關節的依存關係,以及頸部脊椎、小器官、毛細管的功能深感興趣。他同時還被齒輪和槓桿所吸引,這些都是他許多機器草圖的重心,包括早期腳踏車、直昇機、起重機、自動旋轉烤肉叉、自動車,以及像彈弓、飛彈、多管機關槍、手榴彈、追擊炮或甚至現代坦克前身等武器的原型。

他對當時是動力主要來源的水很著迷,導致他設計出先進的水車、蒸汽動力大砲,以及測量大氣濕度的儀器。他也構想出漂浮的雪鞋,讓人在水中行走;可漂浮的救生用具;在水底攻擊船隻,使其沈沒的裝置;「不會沈的」雙殼船,以及清理海灣和運河的挖泥船。 1513年,他的健康逐漸走下坡,於是搬到羅馬居住。三年後,他擔任法國法蘭西斯國王(一個超級崇拜者)的首席畫家、建築師和技師。

1519年5月2日,達文西病逝於法國可陸克斯(Cloux),享年67歲。 達文西在他的時代是一個異數,他強調直接觀察、反覆測試的科學研究方法,而這一直到19世紀都是研究科學的主要原則,例如,他進行鳥飛翔的系統研究,並試圖應用此相同的原則在他所設計的飛行機器上。就此而論,達文西可說在不科學、高度迷信的中世紀對於科學問題時常以哲學而非科學方式來解決,和後來世代的經驗主義間建立起溝通的橋樑。

大約1961 年1 月:羅倫茲(Edward Lorenz)和蝴蝶效應

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大約1961 年1 月:羅倫茲(Edward Lorenz)和蝴蝶效應
高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

對於一般門外漢來說,渾沌的概念帶給他們的是一種完全任意性的印象,但對於科學家來說,它卻是表示在因果系統中的隨機行為,也就是說,系統對於測量太敏感,以致於產生的結果雖然有著根本的秩序,但看起來卻很隨機。這個表面上很矛盾的觀點是一位由數學家改行成為氣象學家的愛德華‧羅倫茲(Edward Lorenz)所提出的,他在一次意外發現了此現象,隨即孕育出現代渾沌理論的領域,並永遠改變了我們檢視像天氣等非線性系統的方式。 羅倫茲小時候就對天氣非常著迷,常在康乃狄克州西哈特福父母家的屋子後面觀察著溫度計,記錄氣溫的高低;他也對數學感興趣,經常和父親一起解數學難題。1938 年,羅倫茲自達特茅斯大學畢業後,計畫步入數學領域,但爆發了第二次世界大戰,他在陸軍航空兵擔任氣象預報員,使得他的計畫出現了變化。後來,他決定就此鑽研氣象學,發表過一般大氣循環等議題的文章,所以很早就成名。
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1968 年2 月:宣布發現了脈衝星(Pulsars)

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1968 年2 月:宣布發現了脈衝星(Pulsars)
高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

1967 年,當時還是天文學系研究生的約瑟林‧貝爾(Jocelyn Bell)注意到她的無線電波望遠鏡傳來的資料中有一些奇怪的「少許雜訊」,她和她的指導教授安東尼‧赫維斯(Anthony Hewish)起初以為他們可能偵測到來自外星生物的訊號。結果並非外星人,但仍是非常令人振奮:他們發現了第一顆脈衝星,並於1968 2 月對外宣布此發現。 貝爾於1943 年誕生於愛爾蘭,由於受到中學老師的鼓勵而研讀科學,並至劍橋攻讀天文學博士學位。貝爾和指導教授所做的研究採用偵測行星間所發出閃爍光的新技術來觀察類星體,因為類星體比其他的天體更會閃爍,赫維斯認為此技術是研究類星體的好方法,所以他設計了一個無線電波望遠鏡來觀察研究。 大約1970 年時的約瑟林‧貝爾
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