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發明家的思維:靈機一動

我們都在享受發明家帶來的創造品,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?
 
 
 
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
  1. Stefik, M. and B. Stefik (2004) Breakthrough, MIT Press, Cambridge, MA.
  2. Brown, D.E. (2002) Inventing Modern America: From the Microwave to the Mouse, MIT Press, Cambridge, MA, USA.
  3. Schwartz, E. I. (2004) Juice, Harvard Business School Press, Boston, MA, USA.
  4. 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.
  5. Wikipedia:http://en.wikipedia.org
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