歷史 物理

與諾貝爾物理獎擦身而過的發明家

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撰文者:高崇文
發文日期:2020-06-22
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    在一般大眾的印象中,諾貝爾物理獎應該是象牙塔中學者的專利,與發明家似乎扯不上邊。其實不然,拿到諾貝爾物理獎的發明家並不少喔,只是除了馬可尼之外,大部份都不是家喻戶曉的人物,所以較少為人所知。像是發明彩色玻璃照相技術的加布里埃爾·李普曼(Gabriel Lippmann 1845-1921,1908年得獎),發明無線電的馬可尼(Guglielmo Marconi,1874-1937,1909年得獎)與布勞恩(Karl Ferdinand Braun,1850-1918,1909年得獎)發明結合燃點航標、燃點浮標和蓄電池等功能的自動調節裝置的達倫(Gustaf Dalén,1869-1937,1912年得獎)發明獲得超高壓裝置的布里奇曼(Percy Williams Bridgman,1882-1961,1946年得獎)發明相襯顯微鏡的塞爾尼克(Frits Zernike,1888-1966,1953年得獎)發明全像攝影的丹尼斯(Gábor Dénes,1900-1979,1971年得獎)發明電子顯微鏡的魯斯卡(Ernst August Friedrich Ruska,1906-1988,1986年得獎)發明掃描隧道顯微鏡的賓寧(Gerd Binnig,1986年得獎)和羅雷爾(Heinrich Rohrer,1933-2013,1986年得獎)發明積體電路的基爾比(Jack Kilby,1923-2005,2000年得獎)發明半導體成像器件電荷耦合器件的博伊爾(Willard Sterling Boyle,1924-2011, 2009年得獎)和喬治·史密斯(George Elwood Smith ,2009年得獎)發明有效率的藍色發光二極體的赤崎勇,天野浩以及中村修二(2014得獎),他們都得過諾貝爾物理獎。這一長串得獎名單是不是令各位看官覺得意外呢?

     

    有沒有發明家與諾貝爾物理獎擦身而過呢?當然有!最有名的莫過於愛迪生與特斯拉。不過兩人並不是如傳說中同在1915年被提名。只有愛迪生在1915年被提名,特斯拉是在1937年被提名,而且兩人終生都只有被提名過一次。在這裡阿文一口氣要介紹三位發明家,他們被提名諾貝爾物理獎的次數都要比愛迪生與特斯拉多喲。

     

    第一位上場的是奧古斯特·安托萬·皮卡德(Auguste Antoine Piccard,1884-1962)他是瑞士物理學家,發明家和探險家,他的雙胞胎兄弟尚(Jean Felix Piccard,1884-1963)也是科學探險史上的大人物,他們的家族包括Jacques Piccard(奧古斯特的兒子),Bertrand Piccard(Jacques的兒子),Jeannette Piccard(Jean的太太)和Don Piccard(Jean的兒子)也都投身科學相關的探險活動。這家子真的是算得上少見的科學探險世家呢!
     

    Bundesarchiv_Bild_102-13738,_Auguste_Piccard

    By Bundesarchiv, Bild 102-13738 / CC-BY-SA 3.0, CC BY-SA 3.0 de, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5481154



     

    奧古斯特與尚小時候對科學表現出濃厚的興趣,他們在蘇黎世的瑞士聯邦理工學院(ETH)就讀,尚讀的是化學,後來到芝加哥大學任教。奧古斯特則是於1922年成為布魯塞爾自由大學的物理學教授,他還參加了1922年、1924年、1927年、1930年和1933年索爾維會議(Solvay Conferences)。愛因斯坦與皮卡德就是在索爾維會議上認識的,兩人都是蘇黎世聯邦理工學院的校友。皮卡德在高層大氣中進行研究的重要動機是為了要測量宇宙射線,這些測量被認為能為愛因斯坦的理論提供實驗證據。
     

    出於對熱氣球的濃厚興趣以及對高層大氣的好奇心,奧古斯特在1930年設計出了球形加壓鋁製吊籃,可以在不需要穿壓力服的情況下上升到高空。在比利時國家科學基金會(FNRS)的支持下,奧古斯特成功地建造了吊籃。1931年5月27日,奧古斯特和保羅·基普(Paul Kipfer)從德國奧格斯堡起飛,達到了創紀錄的15781米(51775英尺)(9.8英里)的高度。在這次飛行中,他們成為第一個進入平流層的人,並能夠收集有關高層大氣的大量數據,以及測量宇宙射線。一般咸認奧古斯特和基浦是最早目視觀察地球曲率的人。其實這趟旅程頗為驚險,先是一開始發現吊籃有縫會漏氣,皮卡德趕緊用蠟封住裂縫。後來操作瓦斯活瓣的繩索有跟別的繩索纏在一起失去功能,他們只能隨著氣流飄流。艙內溫度一會兒高,一會兒低,還差點遇到雷雨,所幸最後終於平安降落。他後來又多次進行熱氣球飛行,總共進行了27次,創造了23,000米(75,459英尺)的最終記錄。

     

    在1930年代中期,奧古斯特意識到只要對他的高空氣球駕駛艙進行改裝就能潛到到深海。1937年他設計了athathscaphe,這是一種小型鋼纜車,可以承受很大的外部壓力。施工開始後,因為二戰的爆發而中斷。1945年恢復建造,氣泡狀的駕駛艙,即使外面的水壓增加到46 MPa(6,700 psi)以上,仍然可以維持膠囊內部的正常氣壓。在較重的鋼艙上方,則是安裝了一個大型浮選箱,並用低密度液體裝滿浮力。液體是相對不可壓縮的,可以提供隨壓力增加而不變的浮力。因此,巨大的油箱裝滿了汽油,不是作為燃料,而是作為浮力的來源。這艘飛船被命名為FNRS-2,在1950年被送給法國海軍之前,在1948年進行了多次無人潛水。在那裡進行了重新設計,並在1954年將一名男子安全降下4,176平方米(13,701英尺)。皮卡德(Piccard)和他的兒子雅克(Jacques)接著建造了第二隻深水船,1953年兩人一起潛到破紀錄的深度3,150 m(10,335 ft)。他的兒子Jacques Piccard 後來成了著名的深海探險家,曾經潛到馬里亞納海溝呢,他的事蹟阿文當另撰一文,還請大家耐心等候。

     

    奧古斯特·皮卡德在1932, 1933年被提名過諾貝爾物理獎兩次。他於1962年3月24日在瑞士洛桑的家中因心臟病去世;享年78歲。

     

    第二位要為各為介紹的是羅伯特·威廉姆斯·伍德(Robert Williams Wood 1868-1955)。他出生於馬薩諸塞州的康科德市,最初的目的是成為一名牧師,就讀於Roxbury拉丁學校。 但是,當他有一天晚上目睹罕見的極光時,他決定學習光學。伍德到哈佛大學,麻省理工學院和芝加哥大學學習並獲得了物理學位。從1894年到1896年,他還去了德國,與柏林大學的海因里希·魯本斯(Heinrich Rubens)一起工作。回到美國後,他在威斯康辛大學短暫地教過書,從1901年起成為約翰·霍普金斯大學的“光學”專職教授直到去世。
     

    Robert_Williams_Wood

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    1903年,他開發了一種光學濾鏡,伍德玻璃,它對可見光不透明,但對紫外線和紅外光都透明,現代的所謂”黑光燈”就採用了它。 伍德將其用於紫外線照相,但也建議將其用於秘密通訊。 伍德也是第一個拍攝紫外線螢光的人。他還開發了一種紫外線燈,在醫學上被廣泛稱為伍德燈。紅外照片中樹葉略帶超現實的發光外觀被則稱為伍德效應。伍德在月球的阿里斯塔丘斯高原地區發現了一個極低的紫外線反照率區域(吸收了大部分紫外線的區域),他認為這是由於高硫含量所致。 該地區仍被稱為伍德斑。他被稱為“紅外和紫外線攝影之父”。儘管早在伍德之前科學家就知道電磁輻射超出了可見光譜範圍,並且開發了能夠記錄它們的照相乳劑早於伍德,但他還是第一個刻意製作出紅外和紫外光照片的人。

     

    伍德有一樁令人津津樂道的軼事是揭露N射線是假的。1904年法國物理學家布朗洛(Prosper-René Blondlot1849-1930)聲稱發現了一種類似於X射線的新輻射線,被命名為N射線。 有一些物理學家報告說已經成功地複製了他的實驗。 其他人則報告說他們沒有觀察到。 伍德在一次《自然》雜誌的邀請下訪問了布朗洛的實驗室,秘密地從他的儀器中取出了一個必要的稜鏡。 結果布朗洛仍然現場示範,宣稱N射線真的存在,這表明整件事根本是自欺欺人。伍得一舉推翻了所謂的N射線的存在。
     

    伍德在1909年通過旋轉汞形成拋物面形狀,構造了第一台實用的液體鏡面望遠鏡,並研究了其優缺點。之前在1872年紐西蘭人Henry Skey 雖然做了一個直徑35公分的液體鏡面望遠鏡,但是伍德的望遠鏡直徑達51公分。
     

    儘管物理光學和光譜學是伍德的主要研究領域,但他也在超音波領域貢獻卓著。 他的主要貢獻是拍攝聲波和研究大功率超音波。伍德的主要研究領域是物理光學,但他發現自己面臨著向學生展示光的波動本質而又不求助數學抽象的方法。 因此,他決心拍攝電火花發出的聲波來類比光波。之所以使用電火花是因為它不會產生波列,而是會產生單個波前,看起來得更直觀。儘管這種方法是由August Toepler首次發現的,但是伍德對沖擊波及其反射進行了更詳細的研究。
     

    隨著美國參加第一次世界大戰,伍德決定與正在研究超音波作為探測潛艇方法的朗格文(Paul Langevin)合作。在朗格文的實驗室中,他觀察到大功率的超音波形成水中氣泡,如果將魚放在強聲束的路徑中,魚類將被殺死! 有時實驗者的手會感到灼痛。 這些觀察結果激起了他對高功率超音波的興趣。
     

    1926年,伍德將朗格文的實驗示範給阿爾弗雷德·李·魯米斯(Alfred Lee Loomis, 1887 – 1975))看,兩個人就開始合作進行高強度超音速波的實驗。伍德和魯米斯還使用高強度超音速波研究了從內部加熱液體和固體的方法。 儘管液體的加熱相對簡單,但它們也能夠加熱冰塊,使中心在外部融化前融化。內部加熱或破壞物體的能力現在是現代超音速波治療的基礎。 伍德和魯米斯後來將注意力轉移到高強度超聲波對生物的影響上,觀察到超音波將易碎的身體撕成碎片。 通常,在足夠高的暴露水平下,細胞會被撕開,儘管像細菌這樣的很小的細胞也可以避免破壞。 青蛙,老鼠或小魚在暴露一到兩分鐘後被殺死。
     

    伍德和魯米斯研究了在高強度超聲速波下液體與固體形成乳狀液和霧狀,結晶和成核,化學反應,以及高強度超聲速波的干涉圖樣以及駐波。 在完成了廣泛的實驗之後,伍德回到了光學領域,沒有回到超音速波工作領域。魯米斯則繼續與其他合作者一起進一步推動科學發展。後來他在二戰時對美國發展武器有重大貢獻,阿文得另撰一文,無法在此詳述了。
     

    伍德從1925到1950年被提名了三十九次諾貝爾物理獎,但是始終與諾貝爾獎牌緣慳一面,他於1955年過世,享年八十七。

     

    第三位上場的是法國法國工程師和發明家喬治·克勞德(Georges Claude 1870-1960)。他因從事空氣工業液化的早期工作,霓虹燈的發明和商業化以及通過從深處抽出冷海水來發電的大型實驗而聞名,被稱為“法國的愛迪生”。

     

    喬治·克勞德生於巴黎,1889年從新創立的巴黎高等工業技術學院( École supérieure de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris 簡稱ESPCI)畢業後,做過電纜廠的電氣檢查員,電氣廠的實驗室經理,此外還創辦並編輯了一本雜誌,《電火花》(L'Étincelle Électrique)。 與雅克·阿桑·德阿森瓦爾(Jacques-Arsèned'Arsonval)的友誼顯然可以追溯到此時。大約在1896年,克勞德得知用於照明的瓶裝乙炔在高壓下儲存,具有爆炸性,是很危險的東西。克勞德發現,將乙炔溶解在丙酮中,效果相當於將其儲存在25個大氣壓下,降低了處理氣體的風險。這是他一生科學事業的起點。

     

    1902年,克勞德設計了現在稱為克勞德液化空氣系統。 該系統可以生產工業量的液氮,氧氣和氬氣; 克勞德的方法與卡爾·馮·林德(Carl von Linde)(1895)的早期系統競爭而得到成功。 卡爾·馮·林德 是一位德國發明家,科學家和機械工程師,馮·林德發現了林德-漢普遜循環,發明了首台氣體分離機。林德-漢普遜循環是先將氣體壓縮後浸入冷卻劑中後經過換交熱器(countercurrent heat exchanger)繼續降溫,然後通過焦耳-湯姆森(Joule–Thomson orifice)達到最低溫,但是壓力減低,這時部分氣體就液化了,沒有液化的氣體送回換熱氣去冷卻溫度較高但高壓的氣體然後送回去壓縮器展開下一個循環。

     

    這個循環主要是利用焦耳-湯姆森效應的以下兩個特性,一個是由膨脹引起的溫度降低與初始壓力和最終壓力之差成正比,第二個是壓縮時消耗的能量與壓力比的對數成正比這意味著將氣體質量從1個大氣壓壓縮到10個大氣壓或從10個壓縮到100個氣體所花費的能量是相同的。對於相同的能量消耗,後者膨脹後的溫度降幅比前者大十倍。實際上,將空氣中的灰塵除掉,除去二氧化碳和水氣,壓縮到200個大氣壓,在交換器中冷卻,然後膨脹到25個大氣壓。一系列的壓縮和膨脹就導致氣體液化了。

     

    克勞德設想了一種技術可以提高林德-漢普遜循環的效率,因此,克勞德通過分餾氧氣,氮氣,氬氣實現分離。克勞德和商人Paul Delorme創立了液化空氣集團(L'Air Liquide,S.A.),這是一家總部位於法國巴黎的大型跨國公司。

    克勞德另一項重要的發明是開發了霓虹燈管照明設備,他利用了液化氣體的副產品氖氣。當電流通過管內的稀薄氖氣時會發光。克勞德在1910年12月3日至18日的巴黎車展(Salon de l'Automobile et du Cycle)上首次公開展示大型霓虹燈。他於1910年3月7日在法國首次為其技術申請專利。克勞德本人在1913年寫道,除了提供氖氣之外,還有兩項主要的發明使霓虹燈照明可行。第一項發明是純化氖氣(或其他惰性氣體,如氬氣)的方法。克勞德開發了用於淨化完全密封的玻璃管中的惰性氣體的技術。第二項發明對克勞德照明業務的發展至關重要。它是一種利用濺鍍儘量減少電極的退化(degradation)的設計,這些電極負責將電流從外部電源傳輸到標牌內的發光氣體。

     

    克勞德從1926年開始根據暖海的表層水(溫暖)和底部(寒冷)(海水的潮汐能或熱能)的溫差測試電力生產。最早提倡這個想法的是克勞德的良師益友是“海洋熱能轉換”(OTEC)概念的發明者雅克·阿爾桑·德阿森瓦爾(Jacques-Arsèned'Arsonval)。克勞德與保羅·布歇羅(Paul Boucherot)一起,利用表層和深層之間的溫度梯度構建了渦輪機(1930年)。克勞德於1930年在古巴建立了自己的工廠。該系統使用低壓渦輪機發電22千瓦。但是這個電廠後來被海上的風暴摧毀。記取這次教訓,克勞德在1935年建造了另一家工廠,這次是在停泊在巴西沿海的一艘10,000噸的貨船上。這艘貨船叫La Tunisie(突尼斯號)。突尼斯號於1933年在Ateliers et Chantiers de France-Dunkerque進行了改造,成為一個製冷廠,每天可以利用來自海洋的熱能生產2000噸的冰。一年有500人從事製冰。但是,連接到15噸箱子的管子在底部附近破裂。他說這是“我職業生涯中最痛苦的失敗。這兩次失敗讓克勞德幾乎傾家盪產,狼狽不堪。但是真正讓他聲名狼籍的卻不是這個失敗的事業,而是政治。

     

    在1940年第二次世界大戰開始時德國擊敗法國,隨後德國占領法國北部以及在南部建立維琪政權之後,克勞德公開支持法國與德國的合作。其實克勞德從年輕時就不支持民主政治。早在1933年他就加入了法蘭西行動(Actionfrançaise),這個組織主張法國恢復君主制。克勞德是君主制領導人查爾斯·莫拉斯(Charles Maurras)的密友。他於1941年被維琪政權提名為國家諮詢委員會(Conseil National Consultatif)的成員。1944年法國被盟軍解放後,克勞德因與納粹德國的合作而於1944年12月2日被拘留。1945年,他因支持合作的宣傳工作而被判無期徒刑。1950年,他被特赦出獄。1960年他過世了,享壽八十九。克勞德在1931年被三位委員提名諾貝爾物理獎,可惜隨著政治局勢的演變,他雖然有多樣貢獻,還是與獎無緣。

     

    介紹完這三位與諾貝爾獎無緣的發明家,下一回我們再來談談與諾貝爾無緣的數學家,敬請期待!

     

    參考資料:

    • 中文 英文 法文 德文維基相關條目

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