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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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1665年1月:虎克《微物圖解》的出版

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1665年1月:虎克《微物圖解》的出版
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

在古典科學的書籍中,幾乎沒有一本能夠像牛頓的《自然哲學的數學原理》(Principia)和達爾文的《物種起源》(Origin of the Species)一般,擁有彌久不衰的影響力,但有一本書卻經常為大家所遺忘,那就是《微物圖解》(Micrographia)。《微物圖解》的作者是虎克(Robert Hooke1635-1703,於1670年代提出虎克定律),雖然他的知名度無法和他同時期的牛頓相比,可是他卻是英國17世紀最聰明、最多才多藝的科學家之一。《微物圖解》除了在科學上的重要性有目共睹外,它更打開了原來看不見的宇宙,將其呈現給一般的讀者。

虎克誕生於威特小島的一個牧師家庭,他起初想當藝術家,因此13歲時就到當時最有名的肖像畫家處當學徒,在那裡他抱怨油彩和油漆讓他的胸口不舒服,所以就離開學徒生涯到西敏寺學校去上學。在學校裏,他精通了古文,學會彈奏風琴,利用飛行物來做實驗,還據說只花一星期就精通了希臘數學家歐基理得的書《幾何原本》(Elements)中的前六卷。1653年,虎克在牛津的基督教堂當聖歌隊員,遇到了後來創辦皇家科學會(the Royal Society)的人。1658年時,他去當波義耳 (Robert Boyle)的助手,應用他的機械技巧來改良抽氣機,在化學與實際的實驗方面學到了純熟完美的技術。

四年後,虎克被任命為新創辦皇家科學會實驗室的組長,負責每星期所討論的實驗工作。1665年,他終於受聘為Gresham學院的幾何學教授,是英國第一位有給職的研究科學家。1661-1664年間,他利用顯微鏡進行了一系列的觀察與實驗,將所得到的結果寫成了《微物圖解》。

《微物圖解》於16651月首度在書店上架後立刻造成轟動,它不僅提供給科學家嶄新的資料寶藏,而且對實驗科學提供了既清晰又完美的例證。例如,由顯微鏡底下所簡單觀察到的一片木炭即可認識到細胞的存在;描述一隻蒼蠅的構造就可寫成空氣動力學、聲學、與波動型態等方面的實驗論文。事實上,在《微物圖解》中所記錄的60個觀察報告,加上58幅繪製精美的版畫,每一個都那麼詳細,足以提供物理上做更深入的研究。虎克在藝術方面的才華,使他能忠實地解釋、描述1660年代複式顯微鏡中所呈現的粗糙影像,對於此書的完成與出版助益很大。

這本書對外行人來說也有相同的震撼效果,主要是因為它易讀的寫作方式和豐富的圖解內容,讓人對於平凡、熟悉的事物有了深刻的新視野:一個細小的針頭看起來像一根粗糙的紅蘿蔔;纖細的絲很像籃網;熄滅的火花看似一堆木炭。Samuel Pepys說他仔細地閱讀此書,直到深夜2點,並宣稱:「這是我一生中所讀過最精巧、有創意的一本書」。Peps後來買了自己的科學儀器去加入皇家科學會,終於在1684年當上科學會的會長。

虎克後來在光學與重力方面的研究雖然因牛頓的貢獻而相形失色,但是在當時,他在科學儀器的發明與設計方面是無可匹敵的。例如,他發明了錶的發條來控制齒輪的平衡、複式顯微鏡、輪式氣壓計、和目前全球機動車所使用的接合器:虎克接合器。他率先強調解決天文儀器解析度的重要性,製作了第一個反射望遠鏡,並用它來觀測火星的自轉,也讓他最早察覺到一個雙星系統。此外,他也是一個高超的建築師,設計了許多倫敦的建築物,雖然現在只剩幾幢而已。

虎克晚年時健康惡化,心血管毛病加上糖尿病使得他的雙腿腫脹、胸口疼痛、暈眩、虛弱、全盲,終於在170333日過世。雖然他在世人的眼中看來很成功,但是他的名譽卻因他和其他科學家的紛爭而受損,其中包括和惠更斯對彈簧調整器的意見不同,和牛頓先是光學問題,後又就萬有引力的平方反比法則提出的先後爭執。這些事情總是深深地刺傷他的自尊心,所以他後來變得易怒、鬱悶、多疑,總覺得被牛頓出賣了,在社會上得不到應有的聲望。

雖然虎克從未獲得世人如對牛頓般的推崇,然而,他的確有著特殊的創造力,多才多藝,對古文的造詣深厚,有著高度的繪圖技巧與實際的手藝技能。最重要的,根據牛津大學歷史學家Alan Chapman所說:「他是證明『實驗哲學』真的有效,可用以拓展自然知識領域的人。他是歐洲最後一個文藝復興的人,是英國的『達文西』(Leonardo)」。〈譯者按:達文西是義大利文藝復興三大藝術巨匠之一,多才多藝,代表作有蒙娜麗莎、最後的晚餐等。〉

1987年2月:超新星1987A的發現

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1987年2月:超新星1987A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

1987年的2月,加拿大天文學家Ian Shelton(當時他是多倫多大學大四的學生)忙著在智利的LasCampanas 天文台用望遠鏡對著167,000光年外一個叫做大麥哲倫星系的小銀河系拍照。他以為他只是做著每天的例行公事,可是當他將底片沖洗出來後,卻注意到一個極度明亮的星球,是他以前觀察此區域從未見過的:一個大約為五等星的星球。他知道那不是新的星球,而只是一個在超新星爆炸中散開來,正在老化中的巨大星球。
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毛細現象 〈Capillary action〉

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毛細現象 〈Capillary Action〉
台中縣常春藤高級中學李品慧教師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

毛 細現象是一種物質吸引另一種物質的能力,就如植物中的維管束,可以輕易地吸水,就像衛生紙或宣紙般等多孔性紙類一樣,它發生於液體與物質之間分子的附著力 大於液體內部分子的內聚力時,此時物質與垂直的表面接觸會產生凹的新月形狀,同樣的理論也可以說明多孔物質如海棉,可吸取液體的原因。

毛 細管常被用來說明毛細現象,當低端的玻璃試管被放置在液體中,如水,會產生凹的新月形狀,表面張力將液柱拉高直到足夠的液重與分子之間的力達到平衡,液柱 的重量正比於試管直徑的平方,但液體與試管邊界接觸的長度正比於試管直徑,因此愈窄的試管比寬試管可以吸取較高的液柱。舉例來說,一直徑0.5公厘的玻璃 細管大約可以吸取2.8公厘的水柱。

而其他的組合方式,如水銀柱和玻璃,液體分子間的力量大於液體與固體之間的力,因而產生凸面形狀,而毛細現象也作用於相反方向。
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