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發明家的思維：靈機一動
98/01/06
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林天送｜
美國聖路易華盛頓大學化學系暨神經科學系
在日常生活中，我們都在享受發明家帶來的創造品，如電話、電燈、電視、電腦、電池、PC 老鼠、微波爐、雷射、磁共振影像掃描（MRI）等，但你可曾想過這些工具、醫療與科技的創造品是如何得來的嗎？「突破的故事」系列將報導一些近代科技進展的小故事，用科學家與發明家的思維做背景來了解發明的前因後果及過程細節。
發明家的銘言是：「需要是發明之母」（Necessity is the mother of invention），這也是古諺：「窮則變，變則通」的道理。其實仔細翻閱科技的發明進展史，會發現大多數的發明都是因「需要所驅」（need driven）而得來的，如愛迪生尋找電燈泡燈絲就是個典型的故事。
另外還有 3 種因素也能推動發明：數據所驅（data driven），用類推方法去發現許多奇妙的可能性，如孟德爾的遺傳實驗方法；方法所驅（method driven），用儀器去觀察、發現與發明，如天文學家伽利略利用望遠鏡創立新的宇宙觀；理論所驅（theory driven），憑自己的心得及理論去推理而得到答案，如愛因斯坦的相對論。
不過發明者當初的創新用意可能只是想滿足自己的好奇心，或解決生活上的需要，或想改善某項日常生活的困境細節。但是後來有人把這發明應用到新的領域，產生新的功能，這就變成一種新科技，也就改變了我們的生活型態。我們來看 3 個例子：
半導晶體（transistor）的發明
1947 年 12 月由美國貝爾實驗室的夏克雷、巴帝恩及布拉頓 3 人發明。當初 3 人發明半導晶體是想取代笨重、占空間而功能低的真空管，但半導晶體一出爐，馬上改變了整個電子工業，尤其是小型電子裝備。後來應用到電腦、生物科技、奈米科技、太空、國際貿易等，這就出乎當初 3 人的意料。
3 人於 1956 年因發明半導晶體而獲得諾貝爾物理獎。後來巴帝恩與古柏及史律弗共創 BCS 超導體的獨特理論，再次於 1972 年得到第２次諾貝爾物理獎。
值得一提的是，半導晶體是由貝爾實驗室開發出來的，而貝爾實驗室是當時規模最大、最有名氣的民營實驗室，開發出無數的發明，並培養出 6 位諾貝爾獎得主。
雷射的發明
1959 年 6 月由唐恩斯與夏羅提出專利申請。1964 年唐恩斯、巴穌夫及普赫洛夫 3 人因量子激光導致雷射的發明而獲得諾貝爾物理獎。夏羅、布洛柏根及西班則因發明雷射光譜學及電子光譜學，而分享 1981 年諾貝爾物理獎。
唐恩斯是美國哥倫比亞大學的物理系教授，專長是微波光譜學，研究氨分子的旋轉結構，是一種單純的基礎學術研究，當初僅是探討有關微波的激光加強量子現象（microwave amplification by stimulated emission of radiation, maser）。微波與我們看得到的光都是電磁波，但後來由 maser 的實驗發展到雷射，而擴大應用到光的指標、CD、DVD、貨物條碼識辨器、基因分析等，也是出乎發明者原先的意料。其實許多大學或研究機構的研究是一種基礎學術研究，基礎學術研究是指沒有特定「應用」的研究。
DNA 的結構
1953 年由華生與克里克兩位提出 DNA 的雙股螺旋結構，1962 年獲得諾貝爾獎。當初華生剛拿到美國印地安那大學的生物博士學位，到英國劍橋大學做博士後研究，而克里克正在劍橋攻讀博士學位。一個偶然的機會讓他們看到另外一位 Ｘ 光晶體專家弗闌克林有關 DNA 的 Ｘ 光底片，經幾番學術爭議而推理出 DNA 的結構，奠定了基因、醫學、分子生物的基礎。
三十幾年後，美國莫李斯於 1986 年發明聚合酶鏈鎖反應（polymerase chain reaction, PCR）而獲得 1993 年諾貝爾化學獎。這方法能無限量地複製 DNA，開拓了生物科技、基因工程的新領域。人類的基因圖譜就靠 PCR 及一些新科技才能於 2002 年完全解讀出來，PCR 的發明也促進基因、遺傳、疾病的關聯研究，探索生老病死的奧祕。如果沒有華生與克里克的 DNA 結構發現在先，莫李斯的 PCR 發明在後，許多遺傳疾病的醫療大概仍然朿手無策，生物科技也不會有近年來一日千里的進展。
愛迪生的一句名言是：「發明是一分靈感，九十九分努力（流汗）。」（Invention is 1 percent inspiration and 99 percent perspiration）如愛迪生與助理花了 2 年的時間，試了一千多種不同材料來做電燈泡的燈絲，但都不盡理想，最後才找到碳絲做燈絲而申請到專利。愛迪生能確認電燈泡的重要性，有「需要所驅」的動力，加上他的好奇心及不輕易放棄的精神，才使他找到碳絲的答案，這也說明愛迪生一生能擁有 1,098 項個美國專利的原因。
我們也發現：許多發明家並沒有具備高等教育的訓練或學歷，而許多突破的發現與發明關鍵是發生在「靈機一動」的剎那，好像「發明之神」特別眷顧他們，讓他們撿到「天上掉下來」的禮物，而體驗到發明者的高峰境界：「我找到了！」（Eureka！）或「阿哈」（Aha）的興奮與感嘆。
但即使有些發明是「偶然」發生的，當事者必須有準備的心，能「識寶」才能抓住機會進一步求精，開發出新科技。正如著名法國科學家巴斯德說的：「機會眷顧有準備心的人。」（Chance favors the prepared mind）
如微波爐的發明者史班賽，雖然連小學都沒有畢業，但他有好奇及好學的精神，做了 2 年電氣學徒，就變成無所不通的電氣修理員。18 歲時，正值第二次世界大戰，他進入美國海軍無線電學校學習無線電工程。1945 年的一個夏天下午，史班賽在測驗高能量磁控電子管（微波能源管）後，注意到口袋的巧克力糖熔糊掉了。這意外使他聯想到利用磁控電子管來做加熱工具，進一步的許多實驗證實了他的推想之後，才提出微波爐的專利申請。
「突破的故事」系列的重點是報導一些有關科學家與發明家的小故事，本文所提到一些科學家與發明家會陸續出現在本系列文章中，尤其因「靈機一動」而登上 Eureka 或 Aha 高峰的情節。
深度閱讀
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Stefik, M. and B. Stefik (2004) Breakthrough, MIT Press, Cambridge, MA.
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Brown, D.E. (2002) Inventing Modern America: From the Microwave to the Mouse, MIT Press, Cambridge, MA, USA.
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Schwartz, E. I. (2004) Juice, Harvard Business School Press, Boston, MA, USA.
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Flatow, I. (1993) They All Laughed...From Light Bulbs to Lasers: The Fascinating Stories Behind the Great Inventions That Have Changed Our Lives, Harper-Perennial, New York.
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Wikipedia:http://en.wikipedia.org
