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重現真實影像的先知│ 科學史上的今天:8/16

張瑞棋
・2015/08/16 ・916字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 504 ・六年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

1908 年的諾貝爾物理獎頒給了今天生日的法國科學家李普曼(Gabriel Lippmann, 1845-1921),以表彰他發明「利用干涉現象重現色彩的攝影術」。不過,這技術跟現今的彩色相片或彩色影片一點關係都沒有,因為它還沒商業化就馬上被別的技術取代了。這樣得諾貝爾獎好像有點尷尬,其實不然,後來證明這個當時被棄置一旁的技術並非過時,反而是超越時代太多。

李普曼這項研究與他 1872 年到德國進修,遇到的兩位指導教授有很大的關係。一位是發明光譜分析法的克希荷夫(Gustav Kirchhoff),他與本生於 1859 年從太陽光譜中辨認出許多元素;另一位是亥姆霍茲(Hermann von Helmholtz),他對彩色視覺的機制提出了解釋。李普曼於 1875 年返國後,太陽光譜與彩色視覺這兩項主題仍一直縈繞在他心中。

1891 年,李普曼成功在感光版上顯影出太陽的彩色光譜,這雖然不是第一張彩色相片,卻是首次能顯示全彩而且不會馬上褪色。李普曼第二年又進一步拍出靜物的彩色相片。1894 年,他將這項技術的背後原理寫成論文發表,原來是在玻璃板塗上一層薄薄的光敏材料,接著讓光敏材料表面吸附一層水銀;陽光穿透玻璃,再穿過光敏材料後,碰到水銀層而反彈回來,與光敏材料處的光線產生干涉作用而形成駐波。不同波長的色光形成不同駐波,因此就能產生彩色影像。

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雖然李普曼因此得到諾貝爾獎,然而這方法需要好幾分鐘的曝光時間,製備感光版的過程又複雜,因此始終無人青睞,當利用三原色原理的彩色照相法出現後,更是無人聞問了。沒想到半個世紀後,匈牙利物理學家蓋博(Dennis Gabor)根據李普曼的干涉原理進一步發明了全像攝影,可以呈現物體的完整三維樣貌。

李普曼超越時代的發明不僅如此。他於 1908 年提出整合攝影術(Integral Photography),建議用微型鏡頭陣列紀錄前方場景的完整資訊,之後再加以整合。這項技術也是直到本世紀才現身的光場照相機才加以運用。

科學史上不乏理論遠遠走在技術前面的例子,不過多是一般性的基礎理論,提出者也從未想過實際應用。像李普曼這樣提出實際的具體方案,沉寂數十年後因技術成熟而突然成真,更令人感到佩服啊!

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。
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氦的發現|科學史上的今天:10/26
張瑞棋
・2015/10/26 ・922字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 524 ・七年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

自從德國物理學家克希荷夫(Gustav R. Kirchhoff)與化學家本生於 1859 年共同發明化學元素的光譜分析法,並指出陽光的「夫朗和斐線」就是不同化學元素的光譜後,科學家紛紛透過光譜分析尋找新的元素。

高壓電場下發出橙紅色光的氦。圖片來源:Alchemist-hp@wikipedia

法國天文學家讓森(Pierre Janssen, 1824-1907)特地於 1868 年 8 月 18 日這一天跑到印度的 Guntur,因為此地才能看到日全食。日全食時,黑色太陽邊緣的日珥清晰可見,讓森就能用光譜儀觀測這太陽表面噴發出的強烈火舌,分析其中所含的元素。結果他在光譜中發現了一條特殊的的黃色亮線,他想再觀測確認,但日食已過,讓森情急之下,想出在光譜儀中加上剛好遮住太陽的小圓盤,如此就能製造日食的效果。他改造好光譜儀之後再次觀測日珥,確認是新的光譜線後,將觀測結果寄交法國科學院。

10 月 23 日,就在讓森的報告抵達法國科學院這一天,英國天文學家洛克耶(Norman Lockyer, 1836-1920)也在英國皇家學會報告同樣的發現。不過洛克耶是於 8 月 20 日在倫敦做的觀測;他沒有千里迢迢地跑到印度,因為他也想到了讓森想到的原理。英國皇家學會的秘書於 10 月 26 日向法國科學院告知洛克耶的發現,因此不用再做驗證了,當天法國科學院就對外宣布讓森與洛克耶兩人共同發現太陽新的光譜線 D3。

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不過此時兩人都還沒想到這新的光譜線可能代表新的元素,是洛克耶繼續仔細比對現有已知元素的光譜線,發現都不符合後,才於十一月宣布那是地球尚未發現的元素;他將它命名為「氦」(helium),取自太陽的希臘文 helios。

氦是惰性氣體,又無色無味,難怪這宇宙第二豐富的元素在此之前竟從未被發現。1882 年,義大利物理學家帕密里(Luigi Palmieri)才在觀測維蘇威火山的岩漿時,首次在地球上發現 D3 光譜線,證實地球也存在氦元素。氦在自然界主要存在於天然氣與放射性礦物中。放射性礦物輻射出的 α 粒子就是氦原子核,拉塞福於 1907 年將 α 粒子打入真空管,放電後觀察管內新氣體發出的光譜,才確認 α 粒子就是氦原子核。沒錯,用的還是當年讓森與洛克耶所用的光譜分析法。

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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亥姆霍茲發表能量守恆定律 │ 科學史上的今天:7/23
張瑞棋
・2015/07/23 ・920字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 527 ・七年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

「能量守恆」是科學上極為重要的基本定律,許多物理定律都是奠基於此。然而這個今日看來理所當然的概念,在十九世紀中葉剛出現時卻是備受冷落,難以動搖當時根深蒂固的錯誤認知。

先是馮·邁爾(Julius von Mayer)在 1842 年發表公認是能量守恆的第一篇科學論文,但完全未激起任何漣漪;緊接著焦耳在第二年於學術會議上宣讀論文,說明自己所做位能與熱能的轉換實驗,現場也是一片沉默。直到 1847 年的今天,亥姆霍茲(Hermann von Helmholtz, 1821-1894)在柏林物理學會上宣讀論文《論力的守恆》後,才終於引起迴響,使得能量守恆定律逐漸獲得各界認同。

亥姆霍茲發表論文時才 26 歲,還在軍隊中擔任醫官。早在他就讀醫學院時就對當時流行的「生機論」──主張生物體內有特殊的「生命力」──感到懷疑;他認為這種說法無異讓每個生物都成了永動機,而他根本不相信有永動機,於是就從「永動機為何不可能實現?」出發,思考各種力之間的關聯。

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亥姆霍茲論文中的「活力」與「張力」其實就是分別代表動能與位能;他用守恆的概念檢視卡諾(Nicolas Carnot)、焦耳等前輩的研究,以及各種機械裝置運作過程中,動能、位能、熱能的變化,一一論證每個項目都符合能量守恆定律,因此主張整體的能量不會改變,不增不減,只是從一種形式轉換成另一種形式。能量守恆定律在亥姆霍茲嚴謹的論述下,終於得到許多物理學家的支持,也為馮·邁爾與焦耳爭得應有的肯定。

亥姆霍茲也因此得以在第二年提早退役,至大學教授生理學,繼續做出許多重大貢獻,包括測量神經刺激傳遞的速度、解釋色盲的成因、發明可以直接檢查眼球的檢眼鏡、研究耳朵內部構造而提出音調的生理基礎、發明共鳴器。1871 年轉任物理學教授後,又提出描述電磁波的「亥姆霍茲方程式」;而且旗下還出了三位諾貝爾獎得主,包括在量子力學的誕生中扮演重要角色的維因、測量光速的邁克生,以及發明彩色照相術的李普曼;此外,還有將電磁波帶給世界的的赫茲。

科學史上能像亥姆霍茲這樣跨足不同領域,既能提出理論又能發明,還成功作育英才的科學家也算是絕無僅有了!

 

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發明跨越維度的「全像術」──蓋博誕辰 │ 科學史上的今天:06/05
張瑞棋
・2015/06/05 ・874字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 547 ・八年級

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周杰倫的演唱會上,作古已久的鄧麗君自升降舞台緩緩升起,栩栩如生宛若真人,用甜美的歌聲與周杰倫展開對唱。這項令鄧麗君宛如親臨現場的 3D 全像投影技術(註)只是全像術(holography, 或稱全像攝影)的其中一種應用,全像術還有許多神奇的性質,甚至還推及宇宙本質的深奧物理問題。而今天正是全像術的發明人蓋博的誕辰(Dennis Gabor, 1900-1979)。

出生於匈牙利的物理學家蓋博原本在德國求學、工作,1933 年為了逃避納粹迫害而移民英國,在 BTH 公司上班。1947 年,蓋博為了提升電子顯微鏡的解析力而發明「波前重建(wavefront reconstruction)」技術,這項技術原本是利用電子繞射與干涉作用,直到 1960 年雷射發明後才運用於光學上,而開啟了許多難以想像的發明,蓋博也因此獲得 1971 年的諾貝爾物理獎。

全像術必須將光線一分為二,一道打到物體後反射到底片,另一道直接射向底片,因此底片記錄的是這兩者彼此干涉的結果。相較於一般攝影只是記錄光的強度(即明暗)與波長(即色彩),全像術還多了光的相位(波峰、波谷的位置),因此可以還原出物體原來的形狀。而且一般攝影只能拍下單一角度的物體,全像術卻能計算出物體不同角度的樣貌,所以才能重建原來的立體影像。

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全像術的神奇之處在於三維的資訊竟能完完整整地記錄於二維的全像底片上,而且即使這底片碎裂成許多小碎片,我們仍能任憑其中一小片就能絲毫不差地還原出全部的三維資訊,。既然二維的全像圖與三維的實體是等價的,物理學家不禁懷疑:我們以為自己生活在三度空間,會不會只是我們的幻覺,整個宇宙其實是個二維的全像圖?或是從另一個角度看,會不會宇宙其實有更高次元,我們這個世界只是它的三維全像圖?

這些可不是天馬行空的胡思亂想,物理學家已經在著手建立「全像理論」。蓋博當初發明全像術,絕對想不到它竟會走這麼遠吧?

註:全像投影必須當初就以全像術攝製,鄧麗君既然早已不在人間,應該不是媒體所稱的全像投影。

 

 

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