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嬰兒有什麼用?─談電氣時代的降臨

 
 
法拉第曾在聖誕科學講座中示範電磁實驗。實驗完結後,有一位女士問他:「法拉第先生,請問這樣做有什麼用途?」法拉第回答道:「請問一個新生嬰兒有什麼用呢?」 嬰兒長大了,自然有用!法拉第發現的電磁感應後來帶動了一連串的新發明:如電報,電動機,電話,電燈等等。這些發明讓工業生產力迅速發展,使得企業規模變得越來越大。這不但改變了當時的產業型態,更深刻地改變了我們的社會結構。 而電氣技術帶來新的交通與通訊工具,也使城市的面貌和人們的社會生活發生了巨大的變化。在本次演講中,講者將回顧電磁學是如何地推動人類文明的巨輪。
 
講演綱要(審校|孫維新)
當年以選填物理為志願,主持人張顏暉教授致詞時打趣說,他也曾被長輩問:「讀物理有什麼用?」。直到臺大物理學系招生宣導座談,很多家長還是表達:不知道為什麼孩子要念物理。張教授用數十載的教研經驗表示,念物理是很好的選擇!因為除了可以懂得自然的道理,經基礎科學的扎實訓練,還可培養堅強的跨學科能力,讓學生不論念什麼學門,都可以精通基本概念!也能清楚瞭解,時常讓人們不知有什麼用的基礎研究,卻是通向未來最重要的基石!可以徹底改變人類的生活模式,就像電氣時代的降臨。

「嬰兒有什麼用?」高教授「藉題發揮」進入正題,由法拉第的著名故事講起。這段經典對話發生在某次倫敦耶誕科學講座,在法拉第示範電磁實驗後,面對觀眾提出究竟有甚麼用的疑義,他有禮貌的回應:「請問一個初生嬰兒有什麼用途?」(My Lady, of what use is a newborn baby?)高教授指出,其實還有另一版本流傳,法拉第對其答覆:「You will tax it !」這也道出一個重點,科學研究與嬰兒一樣需要長大,時間會證明其寬廣的成果和用途!

場景轉回到現在,高教授憶起國中理化考試時,大家一邊動筆作答,一邊漫天飛舞著佛萊明(John Fleming)左手,安培(Ampère)右手定則的往事,同時也帶大家回顧電磁學的大事紀。他笑稱這是場國際性的運動,從十九世紀初「義大利」科學家伏打(Volta)發明電池,接著「丹麥」科學家厄斯特(Oersted)發現電流生磁、「德國」科學家歐姆(Ohm)提出歐姆定律、「英國」科學家法拉第(Faraday)發現電磁感應,後續又有韋伯(Weber)畫出世界地磁圖,馬克士威(Maxwell)接續提出電磁波理論,赫茲(Hertz)用振盪電流的方式產生電磁波。而最後他們的名字,都變成學生們聽到會肅然起敬的電磁學單位!

電磁學如何推動「文明」巨輪前進?高教授將其分為四個層面來說,首要的是電磁學讓社會從傳統書信來往,進入以光速交換資訊的時代,建立網路世界。再者,電磁學提供將各種能量轉化成大規模且穩定的動力來源,成為現代工業建設的基礎。電磁學也改變了我們居家生活的方式,改變了藝術表達與保存記憶的形式。最後,電磁學提供了強而有力的探索工具,讓人類看得更高、更遠,更深,可以不斷創造知識,推進文明!

隨著電磁學朝向不同里程邁進之際,高教授舉出幾個途中的歷史大事件,並用實例談起實際上「有價值」的知識,要變成「有價格」的真實商品,要經過比想像更遙遠的距離。以「電報傳遞資訊」為例,法拉第發現「磁動」可以生電,韋伯與高斯在這之後首創第一個電報系統,接著查爾斯·惠斯通,及威廉·庫克發明指針式電報,開啟了商用電報的先河,爾後也實際用在大西方鐵路兩個車站間的通訊。

另一方面,摩斯製造電報遇到瓶頸後,藉亨利繼電器的原理,將有效工作距離由原本500米,成功地傳送至10英里遠。之後在政府資助下,連接了美國華府與巴爾地摩,沿著鐵路蓋電纜,終於向40英里外的巴爾的摩城發出歷史上第一份長途電報。雖然現在很少人使用電報,但這項能將電磁學知識與技術,輾轉實現於通訊發明的過程,不只讓它成名於歷史,也開啟了資訊交換的新篇章。

高教授也說明海底電纜,是怎麼透過科學知識的力量,找出工程沒看到的問題,並導入先進的技術,讓跨大西洋電纜通訊得以實現。另外,他還論述電器時代中重要的電話、無線電報、電視、電晶體、行動電話,全球資訊網從無到有的歷程,說明其對資訊交換作出重要的貢獻。高教授在電磁學幫助能源與工業的層面,說明法拉第的電磁感應原理應用,開闢馬達、電動機、電力系統的康莊大道。還有工廠電氣化及自動化生產的進程。

討論度最高的當屬十九世紀末的「電流戰爭」,高教授帶出威斯汀豪斯、特斯拉,以及愛迪生在電力分配系統的正面抗衡。背後的投資公司都希望能替自己取得更大的市場,而這些關係卻也造成「直流電」與「交流電」白熱化的競爭比電影情節還要複雜。交流電能夠使用變壓器是個特點,高教授也指出變壓器的原理首先也是由法拉第發現。他也表示儘管有些直流電系統持續使用到20世紀末,但交流電在分配和利用上的優勢,讓它最終勝過了直流電!

在居家生活與娛樂層面,高教授說到常見的電燈,讓電力接入無數的家庭和企業,並帶動家電產品相繼問世,隨著電器種類增多,二十世紀初插座誕生,電動化標誌著家務勞動也進入自動化的階段。世界上第一個白熾燈專利,在愛迪生還沒出生以前出現,英國人弗雷德里克·德·莫林斯發現了金屬絲通電後可以灼熱發光,通過了專利申請。高教授也介紹,愛迪生與英國電氣工程師斯萬(Sir Joseph Wilson Swan)為燈泡專利打官司的過程。

還有世界上第一個電網的誕生,「通用電氣」生產出世界上第一台密封製冷系統電冰箱。十九世紀初首個現代化、電力推動的空氣調節系統,逐漸也用於提升居家及汽車駕駛的舒適度,還有擁有專利的自動彈出式烤麵包機,在烘烤後將其吐出。留聲機、電影、錄影機也沒有缺席,這些都改變了時代文明的生活方式,提高了居家生活舒適度,同時也提供了留存記憶的新工具。

整場演講高教授暢談科學、科技,與社會的關聯,文明也在電磁學提供的知識探索工具發展下,達到另一高峰。對電磁波的瞭解,開啟無線電波天文學的黃金年代,而最近「事件視界望遠鏡」(EHT)拍攝黑洞的照片,更是人類對宇宙觀測上的歷史性突破。

另外,科學家使用X射線揭開DNA的結構之謎,使用由紫外線、紅外線、可見光,和X射線產生的圖像,來處理並重建阿基米德失傳的著作,還有以之鑑定佛像的技術,皆是再造新猷的體現!高教授最後以MRI、粒子加速器,及大強子對撞機收尾。實在是演講時間有限,不然以高教授對「電磁英雄列傳」的著墨,應該可以一口氣說完自己著作的《愛因斯坦冰箱》中的全部內容,那將會更為精彩!
 
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