【探索23-2】有跡可循的科學偶然:四種意外

科學史上許多重要發現,來自科學家們「歪打正著的意外」,然而,大部分的「意外」並非從天而降,更多的是科學家在感興趣的領域中養兵多年,最終在期待已久的決戰中,獲得出乎意料的結果。高崇文教授帶大家從光學、電磁學的發展歷史中,找尋四種看似偶然,其實有跡可循的意外發現。

講者|中原大學物理系暨研究所教授 高崇文
彙整撰文|黃瑋絜

●我要證明你是錯的,我成功了:動物電與伏打堆

1791年,義大利解剖兼生理學家Luigi Galvani解剖青蛙時發現,帶電的解剖刀碰到被肢解的的青蛙腿,蛙腿竟然做出踢腿的動作,彷彿重新活了過來;而Galvani後續進行實驗的過程中,不同金屬製成的兩把解剖刀碰上蛙腿,也會導致蛙腿痙攣、抽搐。因此,Galvani大膽猜測動物的肌肉可以生電,並將其命名為「動物電」。

當時,歐洲已吹起啟蒙運動的風潮,對「生命源自靈魂」一說感到疑惑的人們汲汲營營地找尋生命的動力來源,動物生電的理論正好搭上這股風潮,在科學界引發熱烈討論,義大利的物理學家伏打(Volta)也對此深感興趣。

伏打進行多次試驗後發現,蛙腿痙攣的現象只發生在連接兩種不同金屬時,這讓他對電的源頭產生懷疑。正好,瑞士科學家蘇澤(Sulzer)多年前曾在論文中記載,用銀片、鉛片夾住舌頭,舌頭會產生麻木感及酸味。伏打模仿蘇澤的做法,用金幣和銀幣夾自己的舌頭,確實產生了如蘇澤所說的異樣感覺。於是,伏打認為,在動物電的實驗中,肌肉和舌頭並不是電的來源,而是擔任導體(即電解質)和驗電器的角色。

最終,伏打在1799年製造出一種可以善用金屬特性、卻又與生物毫不相干的儀器,給予動物電理論致命一擊──該儀器就是鋅片、銅片、浸泡過鹽水的布相交疊而成的「伏打堆」。

值得一提的是,伏打堆的製造原是為了推翻動物電的想法,但它能夠持續提供穩定電流的特性,意外讓它成為電學史上的重要發明之一,而今日我們所使用的電池,正是由伏打堆改良、演變而來。

●我要證明你是對的,但卻不是你想的那樣:厄斯特與電流生磁

厄斯特發現電流生磁並非純然的意外,他的想法源自於康德的自然形上學以及他在德國求學時結識的朋友里特。

康德試圖將物質的運動歸因於大自然界的「交互作用」,認為物質和空間之所以穩定運行,是因為「吸引力」和相對應的「斥力」同時存在。里特受康德哲學與當時尚在發展中的「自然哲學」影響,相信各種化學反應、物理現象之間都具有關聯性。雖然里特後來沒能用科學實驗證實自己的理論,但他認為電與磁必定有關聯的想法,在厄斯特心中留下深刻的印象。

厄斯特根據過去的科學紀錄,推測電流可以生磁,也根據此思路設計許多實驗,例如在通電的導線旁放磁針,觀察導線是否可以吸引磁針;厄斯特也曾將磁針放在含有電荷的萊頓瓶旁,但磁針仍毫無動靜。

直至1820年的某一晚,厄斯特向學生講解電學時,意外發現接有伏打堆的電路通電的瞬間,導線下方的磁針竟大幅度地偏轉,這才發現電確實能生磁,但僅發生在電流大小或方向改變的瞬間。

厄斯特進一步發現,向前的電流會產生順時針的磁場,相反方向的電流則生成逆時針的磁場,這與當時普遍認為宇宙萬物皆對稱的觀念相違背,因此讓科學界又驚又喜。在這之後,厄斯特又做了許多嘗試,釐清電流大小、方向、導線距離等因素對磁針作用的強弱,將這一個意外發展為系統化的電磁理論。

●我要證明你是錯的,卻發現你是對的:帕松光斑與光的波動說

第三種意外比起前兩種較為少見,最知名的例子發生在著名的光波動說與光粒子說之爭中。

17世紀時,海更斯出版了巨作《光論》,書中將以太作為光傳播的介質,主張光是一種縱波,並用海更斯原理推導出反射定律與折射定律。不過,海更斯的理論無法解釋雙折射與極化等現象,而牛頓於1704年提出的光的粒子說不僅能夠解釋所有光偏振現象,Étienne-Louis Malus更用數學光粒子論推導出極化現象,因此,光粒子說在當時居於上風。

19世紀初,楊格完成光的干涉實驗,光的波動說因而復活。不久後,法國科學家菲涅爾(Augustin-Jean Fresnel)將光假設為橫波,補足海更斯的不足之處,而他提交到最佳論文競賽的論文,更以嚴謹的數學推導及實驗,成功地解釋光的直線傳播規律與繞射性質,菲涅爾因此獲得競賽優勝。

然而,當時擔任論文競賽評審的帕松不認同光的波動說,決定提出挑戰。帕松分析光的繞射現象後發現,若實驗時以一圓片遮擋,光屏的中心應出現一個亮點;同理,若以圓孔做實驗,光屏中心應出現一個暗斑。帕松主張繞射實驗並未觀察到這樣的現象,因此認定光的波動說不成立。

沒想到,菲涅爾經過精密計算後發現,當圓片和圓孔的半徑很小時,光點和暗斑便清晰可見,他後續的實驗中,也證實了亮斑的存在。後來,人們為了紀念這意外又戲劇性的故事,便將繞射光斑中心出現的光點或暗斑命名為「帕松光斑」。

●我要證明你是對的,卻發現你是錯的:邁克生實驗與以太理論

有鑑於稜鏡的折射率與光在玻璃內外的速度比有關,法國科學家阿拉戈推測,如果把稜鏡放在望遠鏡的目鏡之前,來自不同方位的星光到達地球時,考慮到地球公轉的速度夾角不同,透過稜鏡後的折射角也該有所不同。然而,他的實驗結果並不符合他的期待。

為了解釋此現象,菲涅爾於1818年提出「以太牽曳假設」,他假設像稜鏡這樣的介質與以太的相對運動會牽曳部分的以太,所以計算光在稜鏡中的光速時,要將此效應考慮進去。不過,依照菲涅爾的說法,在地球表面上應該量得到以太與地球的相對速度,但當時的實驗卻不曾量到所謂的「以太風」,因此菲涅爾的理論受到不少質疑。

1881年,美國物理學家邁克生(Albert Michelson)利用精密程度高的干涉儀測量以太和地球的相對運動,然而,不論如何提高儀器的精密度,仍然無法測到以太風,讓菲涅爾的以太牽曳假設再也站不住腳。

原本想證明菲涅爾理論正確的邁克生,無意間推翻了前者的理論,成為第四種意外的經典案例。

除了上述四種意外,科學史上當然也有不少發現來自純然的意外,但更多的「歪打正著」,其實是科學家們累積多年學識、經歷多次試驗後才得出的成果,雖然結局不一定符合他們期待,但這些科學意外,無疑是後來科學發展路上最堅實的墊腳石。

 

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本文整理自:109/3/21由高崇文老師在臺大思亮館國際會議廳所主講之「四種意外」演講內容。

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