RSS Feed
 邁向解析力學之路第一集:吵架王達朗拜(上)從棄嬰到院士

邁向解析力學之路第一集:吵架王達朗拜(上)從棄嬰到院士

封面圖片來源:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Jean Le Rond d%27Alembert, by French school.jpg阿文曾教過大學部二年級的「力學」必修課,教了整整三年,由於要求太過嚴格,不少同學修了三次,從大二修到大四才過,被戲稱為「幽靈船」,因為有些學生一修再修,始終無法通過,簡直像華格納的歌劇「漂泊的荷蘭人」一劇的幽靈船一樣,永遠無法上岸! 因此阿文被戲稱為「幽靈船船長」。其實阿文對「力學」的確情有獨鍾,因為「力學」從原本一門研究滑輪,槓桿等實際工程器材的學問,在笛卡兒、牛頓等偉大學者的努力下,逐漸華麗轉身,成為描述宇宙的宏偉數學架構,現代物理學於焉而生,當然令人肅然起敬!但是故事並沒有在牛頓之後就戛然而止。 從牛頓的「原理」問世之後,力學仍然持續向著嚴謹化,體系化的方向大步邁進。我們通常將這個最後成型的高度數學化的學問稱之為「解析力學」,不過在比較古老的文獻上,也被稱為「理論力學」(法文mécanique rationelle,英文:Rational Mechanics),實則更貼切。它成為物理其他分支的典範!統計力學、電動力學。相對論力學,乃至於量子力學都是從它身上得到養分而開花結果。所以說「解析力學」是眾物理理論架構之母,絲毫不為過。在它發展的過程中,有許多重要的人物參與其中,阿文打算將這些人物與解析力學的發展交織而成的故事,撰寫成一系列的文章。原本應該從牛頓的死對頭,萊布尼茲講起,無奈他的故事太長,必須獨立成一個系列,所以阿文就將第一篇的主角,改成了科學史上少見的吵架王。就是以「達朗拜原則」、「達朗拜算子」、「達朗拜級數收斂準則」而聞名的尚·達朗拜(Jean-Baptiste le Rond d'Alembert,1717–1783) 。
 以小搏大的利器:魚雷(中)可畏的海上殺手

以小搏大的利器:魚雷(中)可畏的海上殺手

封面圖片來源:USS Goldsborough (DDG-20) fires a Mark 46 torpedo from a Mark 32 torpedo tube, in 1990 (6476074).jpg上一回阿文簡單介紹了魚雷的源起,主要的人物就是英國工程師懷海德。但是懷海德的魚雷有一個重大的缺點,就是不能自行尋敵,一旦啟動只能勇往直前,直到炸毀目標為止,所以距離太遠的目標就有足夠時間閃過攻擊。其實在魚雷發展的早期,發明家致力於製造一種能從遠方遙控的魚雷。原型機由約翰·愛立信(John Ericsson)、約翰·路易斯·萊(John Louis Lay)和維克多·馮·舍利哈(Victor von Scheliha)製造。順帶一提,約翰·愛立信於1873年發明了一種電動魚雷,它由來自外部電源的電纜供電,因為當時的電池容量不足;Sims-Edison魚雷也有類似的動力;Nordfelt魚雷也是電動的,並由牽引線的脈衝控制。這使被當作目標的船隻探測到魚雷,甚至躲過魚雷的機會減少,並避免洩露攻擊者的位置。不過這些魚雷的其他性能都遠不如懷海德魚雷,所以未受青睞。第一枚得到專利能從遠方遙控的魚雷,是1877年由移居澳大利亞的路易斯·布倫南(Louis Brennan)所發明的魚雷。它被設計在12英尺(3.7米)的深度下運行,並配備了一個突破水面的指示器桅杆,到了晚上,桅杆上有一盞小燈,只能從後面看到。魚雷使用直徑為1.0毫米(0.04英寸)的金屬絲達到20節(37公里/小時;23英里/小時)的速度,但後來改為 1.8 毫米(0.07英寸)能將速度提高到27節(50公里)/h;31英里/小時)。魚雷配備了由深度保持機構控制的升降舵,前後舵由鼓之間的差速器操作。布倫南魚雷的內部鼓周圍有兩根線,岸上的蒸汽絞車拉動電線,使滾筒旋轉並驅動螺旋槳。操作員控制絞盤的相對速度並提供導引。兩個鋼鼓一個接一個地安裝在魚雷內,每個鋼鼓都攜帶數千碼的高強度鋼絲,鋼鼓通過差動齒輪連接到雙對轉螺旋槳。如果一個鋼鼓的旋轉速度比另一個快,則方向舵被激活;電線的另一端連接到蒸汽動力繞線發動機,這些發動機的佈置使得速度可以在精細的範圍內變化,為魚雷提供靈敏的轉向控制。1880年布倫南帶著他的發明前往英國,海軍部檢查了他的魚雷,發現它不適合在船上使用;然而,1881年8月上旬,一個特別的皇家工程師委員會直接向戰爭大臣休·柴爾德斯匯報,該報告強烈建議政府出資建立一個改進的模型。1883年,布倫南魚雷公司與政府達成協議,新任命的英格蘭防禦工事監察長安德魯·克拉克爵士(Sir Andrew Clarke),讚賞布倫南魚雷的價值,並於1883年春天在梅德韋河上的希爾內斯加里森角堡(Garrison Point Fort, Sheerness)造了一個實驗站,並在英國皇家工兵部隊的駐地,查塔姆軍營(Chatham Barracks),建了一個工坊。1883年至1885年間,英國皇家工兵部隊不斷對布倫南魚雷進行了試驗,1886年布倫南魚雷被推薦用作港口防禦魚雷,它在大英帝國境內使用了超過十五年;從1887年到1903年,此類系統被用於英國本土和殖民地的海岸防禦,所以是由陸軍,而非海軍負責購買與使用。
 追逐宇宙射線的獵人:羅西(下)太空探索的先驅

追逐宇宙射線的獵人:羅西(下)太空探索的先驅

上一回阿文介紹了研究宇宙射線的先驅,布魯諾· 羅西(Bruno Benedetto Rossi,1905-1993)的人生故事,但只講到了一半,現在接著講下去羅西人生的下半場。1943 年7 月上旬,貝特邀請羅西加入曼哈頓計畫,不到一個月,羅西就到洛斯阿拉莫斯實驗室報到;幾週後,羅西的太太,諾拉和他們三歲的女兒弗洛倫斯也趕往在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯與羅西重聚。實驗室主任歐本海默要求羅西建立一個小組,負責開發製造原子彈所需的探測儀器。羅西很快意識到,原先那裡已經有一個由瑞士物理學家施塔布(Hans H.Staub,1908-1980)所領導的小組,他們的任務與自己頗為相近。於是兩人決定將他們的小組合併成一個「探測器組」。他們底下大約20 名年輕研究人員,包括後來在羅西手下拿到博士學位的“ 電子巫師” 馬修· 桑茲(Matthew Linzee Sands,1919-2014)和施塔布從史丹佛大學帶來的粒子探測器專家,大衛·B· 尼科德默斯(David Bowman Nicodemus,1916-1999)。為了估算原子彈的威力,科學家需要發明新的探測器去探測大型電離輻射,因為原子彈威力愈強,釋放出來的輻射強度愈高,探測到的空氣電離程度也就愈高。放射性研究一開始,就是根據空氣電離程度來測量輻射強度,但當時的電離室對變化的反應很慢。為了解決這個問題,羅西和施塔布仔細分析單一帶電粒子在電離室內產生離子時的脈衝。他們意識到非常短暫的脈衝表示從原子中被電離的自由電子擁有很高的遷移率。羅西與艾倫(James S. Allen,1911-1982)合作,發現了電子在混合氣體中的漂流速度比在單一種類的氣體中來得大。艾倫和羅西以此發明了所謂「快速電離室」,並在戰後獲得了專利。它是曼哈頓計畫成功的關鍵因素之一,後來被廣泛用在戰後的粒子物理學研究中。
 電影《奧本海默》該出場而沒出場的科學家群像(下)

電影《奧本海默》該出場而沒出場的科學家群像(下)

上一回阿文列出六位諾貝爾獎得主,雖然參與曼哈頓計畫,卻無緣出現在《奧本海默》註這部電影。這一回阿文要繼續介紹五位與故事主軸密切相關,卻依然沒有得到導演青睞而「被消失」的科學家,藉此讓大家對曼哈頓計畫的規模與難度有更進一步的認識。註 除電影名外,文中將使用學界的通用譯名「歐本海默」。
首先要介紹的是寫下《弗里施· 佩爾斯備忘錄》的奧托· 羅伯特· 弗里施(Otto Robert Frisch,1907-1995)與魯道夫· 恩斯特· 佩爾斯(Rodulf Ernst Pierls,1907-1995)。這份備忘錄是第一個闡明如何產生核爆過程的文件。他們主張若使用235 鈾,只需要相當小的臨界質量,就能引發巨大的爆炸。弗里施是維也納出生的猶太人而佩爾斯是出生柏林的德國猶太人,佩爾斯是海森堡的學生,當過包立的助理,戰爭爆發時他正在劍橋大學拿著洛克菲勒研究獎學金進行研究。獲得了英國的無限期居留簽證之後,他留在英國並於1937 年就任伯明罕大學數學物理學教授一職。弗里施則是在1933 年納粹掌權後就離開奧地利,他在丹麥波爾研究所待了五年,1939 年中,弗里施離開丹麥,到伯明罕做短期訪問,但是二戰突然爆發使他無法返回丹麥。這就是他們共同撰寫這份重要文件的背景。
後來弗里施一直留在利物浦直到1943年末,繼續研究與鈾連鎖反應相關的散射截面,並開發了一種根據α 射線光譜測量鈾同位素組成的裝置。儘管利物浦時常停電、頻繁遭受空襲,弗里施仍然努力地工作,並獲得當地警察局的許可,讓他待在實驗室工作到很晚。1943 年8 月19 日,邱吉爾和羅斯福在魁北克會議上簽署《魁北克協定》後,英國決定將自己的原子能研究與美國的原子武器項目結合起來。弗里施無法以德國人身份進入美國(因為奧地利被德國兼併了),因此他匆忙歸化為英國公民,然後前往美國。抵達美國後,弗里施被分配到洛斯阿拉莫斯工作,當時鈾235 和鈽都已投入生產,弗里施的任務是確定要維持連鎖反應所需核分裂材料的數量,也就是臨界質量。這些實驗非常危險,因為金屬的輕微變化可能會引發連鎖反應,使實驗者暴露在致命劑量的輻射中。有一次,弗里施僅僅靠在樣品上就意外地開始了這樣的反應—從他的身體反射的少量中子就足以啟動反應!他稱之為「戈迪瓦夫人集會」(Lady Godiva assembly,Lady Godiva 是反應堆的暱稱)。幸運的是,他意識到發生了什麼事並即時將材料拆開,按照當時的寬鬆標準,他在兩秒鐘內收到了一整天允許的中子輻射劑量。
 科普利獎章得主的物理學家群像(五) 兩位與太陽黑子結緣的貴公子

科普利獎章得主的物理學家群像(五) 兩位與太陽黑子結緣的貴公子

今年大家談論度最高的,不再是疫情,而是經濟衰退。而經濟大蕭條是上個世紀持續時間最長、影響最廣、最為慘烈的經濟衰退,威瑪共和的傾壞,納粹勢力的抬頭,甚至第二次世界大戰的爆發,都與大蕭條有關。至於大蕭條的成因,有各種說法,阿文不是經濟學家,讀了各家說法,還是一頭霧水。不過,有一種說法倒是引起阿文的注意,就是太陽黑子理論。英國經濟學家傑文斯(W.S.Jevons)早在1875年就曾提出,太陽黑子的出現大約每十年左右出現一次,而經濟周期大約也是每十年一次。這並非偶然,具體來說,太陽黑子活動頻繁就使農業生產減產,農業的減產影響到工業、商業、工資、購買力、投資等方面,從而引起整個經濟蕭條。相反,太陽黑子活動的減少則使農業豐收,整個經濟繁榮。從導致大蕭條的1929年美國股市大崩盤到1933年大蕭條,也正好配合太陽黑子數達到最大值的時間(1928年4月)。當然,阿文對太陽黑子是否造成大蕭條也半信半疑,只是1931年與1932年頒發的科普利獎得主,恰巧與太陽黑子都有關,所以順便一提,也算是個有趣的豆知識。另外一個有趣的事實是,這兩位得主都是來自富貴之家,甚至利用自家貲財來資助科學,也算是一段佳話。
(1) 2 3 4 ... 14 »