【科學史日誌】1675年10月:萊布尼玆 (Gottfried Wilhelm Leibniz) 的原始「積分」構想

大家都聽過微積分,但應該許多人不知道微積分的重要性為何。事實上,微積分的發明提供了計算速率的最佳工具,使得定量科學發展神速。微積分的發展眾所皆知需歸功於牛頓與萊布尼茲。牛頓的思維邏輯大家可能比較熟悉,但另一位萊布尼茲的思路可能就鮮為人知了。究竟這位科學巨擘是如何研究微積分的呢?

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【科學史日誌】1956年7月20日:微中子的發現

科學研究的突破與發現總是循著脈絡環環相扣。有了貝克勒在1896年歪打正著發現鈾鹽的放射性,才開啟了後續一連串對於輻射、核能、帶電粒子射線等的研究。而在研究β衰變過程中,離奇地出現了違反角動量守恆的現象,包立於是大膽提出了有種質量極小的粒子被釋放出來的假設,而後費米又進一步完善假設,提出費米β衰變理論,「微中子」以傳聞中的幽靈型式首次被大家認識。而這隻幽靈在隨後的二十年當中,不斷透過各種實驗結果證明自己的存在,但始終無法見到它。直到1956年7月20日,瑞恩斯與科安將氫靶放置在原子爐附近,透過液閃爍偵檢器偵測光子信號間的關聯性,確定了微中子真實存在,讓這個「只聞其聲不見其人」的神祕粒子被科學界接受。

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【科學史日誌】1948年5月:朝永振一郎 (Sin-Itiro Tomonaga) 採用重整方法完構量子電動力學

二十世紀初,有兩顆重磅炸彈被投入物理領悟——量子力學與相對論,它們掀起了革命性地風暴,開創全新的研究領域,更孕育了無數諾獎的得主。朝永振一郎也是這片煙花中的燦爛星火,他鑽研的領域是量子電動力學的研究,其研究團隊發現電子散射幅中的發散其實是源自於質量和電荷的發散,而且質量和電荷的發散形式類似。其後,又基於貝特的量子估算,最終完整了量子電動力學的主架構,於1965年與其他兩位QED奠基人許溫格、費曼獲得諾貝爾獎的桂冠。

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【物理史上的一月】大約1961年1月:勞侖次 (Edward Lorenz) 和蝴蝶效應

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勞侖次 (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。

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【科學史日誌】1675年10月29日:萊布尼茲 (Gottfried Wilhelm Leibniz) 完成建構積分並引入積分符號

博學的萊布尼茲,除了是位哲學家、科學家、外交家之外,更因發展出微積分,而在數學史上佔有重要的地位。年僅十四歲的萊布尼茲便進入萊比錫大學主修哲學、法律和數學,開始接觸到伽利略、培根、霍布斯及笛卡爾等科學家的新思潮。他初抵巴黎便結識惠更斯並在他的指導下,致力研習物理和數學。在巴黎苦讀數學的萊布尼茲終於綻放出創意的花朵。1675 年 10 月 29 日他在手稿中引入符號「∫」即將拉丁文「summa」(英文「sum」總和) 的第一個字母 「s」 拉長,以表示積分。但其實這一路以來波折不段,之後與牛頓的糾葛更是讓他抑鬱,跟著科學史日誌一起回顧萊布尼茲艱辛、精彩的一生⋯⋯

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【物理史上的十二月】Y.L.W.- Dec. 27, 1956:宇稱守恆的推翻

在物理學中,「對稱性」長久以來都扮演著關鍵性的角色。自從 1925 年以來,科學家就一直認為我們的世界和鏡子內的影像是無法區別的——即為人所知的宇稱守恆的觀念,而主要的理論也印證了此假設。宇稱守恆和能量、動量與電荷守恆等最基本的物理法則一樣,在物理方面都享有極高的地位,一直到 1956 年美國國家標準局(現在的美國國家標準與科技研究院)進行了一系列重要的試驗後才改觀。正如相對論一般,大自然再一次證明了它並不總是遵循著「常識」的法則。

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【物理史上的十一月】Nov. 8, 1895:倫琴(Wilhelm Conrad Röntgen)發現X射線

幾乎沒有一個科學上的突破能像倫琴發現X射線一樣的立即展現出影響力,此重大的發現很快地就震撼了物理界與醫學界。X射線在實驗室被發現到廣泛地為人所使用,期間短得嚇人:在倫琴宣布發現X射線後的短短一年內,X光就已是醫學上診斷與治療所必需使用的一環了⋯⋯

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【物理史上的十月】1900 年 10 月:普朗克(Max Planck)黑體輻射的公式

當人們想到量子物理的先驅者時,腦中一定馬上浮現狄拉克(Dirac)、愛因斯坦、波耳(Bohr)、海森堡(Heisenberg)、薛丁格(Schrödinger)等人,然而,最初卻是由於普朗克(Max Planck)對黑體輻射多年研究所累積在熱力學方面過人的洞悉力,才建立起量子物理革命的舞台。雖然大家很快地就接受了普朗克的輻射法則,但是「能量量子化」這個嶄新觀念的重要性還是經過好多年後,才得到世人的關注。一旦大家重視它時,物理世界就呈現全然不同的面貌了。

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【物理史上的九月】1821 年 9 月 4 日和 1831 年 8 月 29 日:法拉第和電磁學

在電磁學方面對人類貢獻極大的英國科學家法拉第(Michael Faraday),父親是倫敦地區現在稱為象堡地方的鐵匠,小時家境清寒。法拉第就讀小學時曾學習閱讀、寫作和數學等基本課程,之後,他就未曾再接受更高等的正式教育。14 歲時,他到裝訂書商處當學徒,七年的學徒生涯讓他對科學產生了興趣,尤其在化學方面。法拉第追根究底的本性,驅使著他在自然科學方面涉獵廣泛,並著手做化學實驗,甚至建造了他自己的靜電機器⋯⋯

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【物理史上的八月】1932 年 8 月:正電子的發現

《星際奇航》(Star Trek)的創作者羅登貝瑞(Gene Roddenberry)結合大量真實的科學於其虛構科幻影視系列中,是史上最成功的影集之一,其中有一個物質/反物質引擎,可以啟動「企業號」,使其虛擬的航速比光速還快。1928 年,英國的物理學家狄拉克(Paul Dirac)由愛因斯坦的相對論推論說,宇宙中的每一粒子皆有一相對應的反粒子,其質量相同,但帶著相反的電荷,形同一組孿生子。於是,科學家競相尋找此假設的實驗證據,最後由加州理工學院的博士後研究員安德森(Carl D. Anderson)勝出⋯⋯

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【物理史上的七月】1921年7月19日:亞婁(Rosalyn Sussman Yalow)的誕生

醫學物理學家亞婁(Rosalyn Sussman Yalow)於 1977 年獲得諾貝爾生理學或醫學獎,是出生在美國的女性獲此殊榮的第一位。亞婁和物理學家伯森(Solomon Berson)長達 22 年的科學合作,發展出放射免疫分析(RIA)技術。RIA 技術可以偵測血中少量的物質例如胰島素或酵素,開創了內分泌學中幾個有影響力的研究路徑⋯⋯

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【物理史上的六月】1905 年 6 月:愛因斯坦與特殊相對論

愛因斯坦小時候曾讀過伯恩斯坦(Aron Bernstein)的《自然科學國民手冊》(The People’s Book on Natural Science),其中有一章,作者伯恩斯坦請讀者想像自己與電流一起滑過電報線路的情形,這個想像一直盤踞在年輕愛因斯坦的心中。愛因斯坦 16 歲時開始思考,假如他能趕上光的速度,那麼光束看起來會像什麼呢?孩童時代的愛因斯坦總認為,如果有人能隨著光一起衝刺的話,光束看起來應該是靜止的,就像靜止的波一樣,但是一直沒有人曾經觀察到靜止的光,所以讓他開始思考其中可能的原因⋯⋯

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【物理史上的五月】1933 年 5 月 5 日:《紐約時報》報導〈宇宙無線電波的發現〉

在美國 1997 年的科幻電影《接觸未來》(Contact)中,大部分的戶外鏡頭都在新墨西哥州的特大天線陣(Very Large Array)天文台現場拍攝。聽過此電影的人比知道此天文台是以央斯基(Karl Guthe Jansky)命名的人多很多,其實,央斯基在天文學家中是知名的電波天文學之父。

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【物理史上的四月】 1932 年 4 月 14 日:柯克勞夫(John Cockcroft)和沃吞(Ernest Walton)分裂原子核

英國女小說家溫特森(Jeanette Winterson)在她 1997 年的小說《大一統理論的對稱》(Gut Symmetries,Symmetries of Grand Unified Theories)中說道:「在日本長崎和廣島原子彈的恐怖中隱藏著愛因斯坦 E=mc2 的美麗。」此方程式的確是熱核武器和核能的基本原則,它最先是一位英國物理學家柯克勞夫(John Cockcroft)和愛爾蘭物理學家沃吞(Ernest Walton)分別將原子核分裂,證實了愛因斯坦的理論。

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【物理史上的三月】 1883 年 3 月 15 日:雷諾(Osborne Reynolds)提出雷諾數的主張

由於液體非線性的本質,因此很難預測它們複雜的流動,這是眾所皆知的事。然而多虧一位出生在愛爾蘭的物理學家雷諾(Osborne Reynolds),現在物理學家可以預測一個已知系統中的流動是層流或是紊流。雷諾在流體動力學的研究是一位先驅者,他做了一個巧妙的實驗來說明兩種流動關鍵的轉換點,可以用一個簡單的數目來預測,這數目就是我們現在所知的雷諾數。

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