科學大演化：從發現、發明到創新，細數改變科學史的重大里程碑

【前言】
德斯汀‧桑德林（Destin Sandlin）
《天天更聰明》（Smarter Every Day）影音頻道主持人

創新是人類有別於其他生物之處。不論是孩子丟石頭把卡在樹上的飛盤打下來，還是工程師幫國際太空站設計維生系統，都代表我們生來就有回答問題、解決困難的能力。有時候創新是出於好奇，也有時候是因為反對「事情本來的樣子」所採取的行動。創新的目的可能是為了得到更完整的認識，也可能是為了讓事情運作得更有效率，或者不為別的，純粹發自我們想要解開謎團的慾望，只是想看見它本來的美。
創新是一種屬於人類的慾望，想要把世界呈現在我們面前的東西拿來加以改造。我們這種習性不是最近才有的，早在文字出現以前（附帶一提，文字就是人類的最佳創新之一），我們的祖先就能夠找出難題，利用手邊有限的工具創造解決方案，並把心得傳遞給後續世代，因此每一個創新者都不需要真正從一無所知開始，而是站在前人的肩膀上。這一點或許是人類的故事中最誘人的一面。我們這一代最好用、最常用的工具，都是前幾代人摸索而來的解決辦法。
我們很容易認為人類漫長的共同歷史都是關於有錢有權的人的故事，但只要仔細探究，就會發現塑造歷史的其實是許多童心未泯的男男女女，他們一直保有對事物感到好奇與驚奇的能力，受到無盡的求知慾和發現的喜悅所驅使。幾千年來的創新者只有少數享有盛名，絕大多數沒沒無聞，但都憑著無比的耐心，一點一滴地把問題一個接一個抽絲剝繭，逐步建立起今天這個世界的骨架。這個骨架的美，在於它不是一小撮菁英建構的，而是我們大家一起打造出來的。換句話說，我們就是創新者。
我說「我們」，是因為我相信促使你我翻開像這樣一本書的，正是過去的偉大創新者所秉持的同樣一種好奇心和求知欲。你會拿起這本書，正因為你也擁有不怕改變現狀的精神。本書的故事是根據心智思考的大架構來撰寫，會使你重新審視既有的想法並獲得啟發，同時讓你有機會了解前人的心智和研究方法，如何成為我們今天得以立足其上的巨人的肩膀。這本書闡明了人類憑藉何種動機，把過去的知識變成今天的知識，同時一窺未來的知識可能是什麼樣子。
別忘了，書中的故事不只是為了介紹許多了不起的創意和解決問題的高明辦法而已，更在於讓你樂觀地領悟到我們的共通點，了解人類的寶貴特質，還有讓你看見身為創新者的你，可以發揮到什麼樣的最佳狀態。

物質的結構
世界是由什麼構成的？這個問題困擾了科學家和哲學家幾千年。

約公元前400年
孰是孰非？
希臘原子論

有時候，最簡單的問題是最難回答的，「構成宇宙的最基本物質是什麼」就是屬於這種問題。對希臘人來說，這個問題並不是現代意義上的科學問題，而是探究現實世界本質的哲學問題。希臘原子論是兩派互相衝突的思考模式的折衷方案。
第一派人馬是帕門尼德斯（Parmenides，約公元前515年）和隔了很久以後的柏拉圖（Plato，約公元前428-348年）等哲學家。他們的基本概念是，現實（reality）必定是純粹而且不會改變的。帕門尼德斯說，我們不可能證明「不存在的東西存在」，換句話說，真正的現實是不可能改變的，因為改變就牽涉到東西的表象從「存在」變成「不存在」。另一派哲學家則認為改變才是宇宙永恆的原則，沒有任何東西是永恆不變的。這群哲學家最著名的是艾費蘇斯的赫拉克利特（Heraclitus of Ephesus，約公元前540年至480年）。
而最知名的原子論者則是阿布德拉的德謨克利特（Democritus of Abdera，約公元前460年前370年）。他的論證大概是這樣：拿世界上最鋒利的刀來切一塊東西，比方說起司，我們可以先把它切成一半，再把其中一半切成一半，這樣不斷地切下去，直到無法再切割為止，最後的東西就是「原子」（atom，這個希臘文的字面意思就是「不能再分割的東西」）。宇宙正是由原子和空隙構成的。所以有永恆不變的（原子本身），也有永遠在變的（原子之間的關係）。這個理論留存到現代的，只剩下「原子」這個詞。

赫拉克利特用這句格言總結了他的論點：「沒有人能踏進同一條河裡兩次。」

[p13]
1808年
看不見的小東西
現代原子理論

煉金術士在中世紀累積出一套龐大的知識體系，這些知識就是我們今天所說的化學反應。法國化學家拉瓦節（Antoine-Laurent Lavoisier 1743-1794）的研究總結了這些知識。到了19世紀，科學家已經發現了一些重要規律。其中之一是有些物質可以透過化學過程加以分解，有些則否。後者就稱為元素，在大自然中似乎扮演了某種基本的角色。另一個發現是，同一種物質中的元素之間的重量比似乎是固定的，如水中的氧重量永遠是氫的八倍。
1808年，英國科學家約翰‧道爾頓（John Dalton，1766-1844）出版了《新化學哲學》（A New Chemical Philosophy）一書，解釋了這些長久積累下來的知識，奠定了現代原子理論的基礎。他的論點很簡單：物質確實是由原子構成的，同樣的化學元素一定有相同的原子組成，不同的化學元素則有不同的原子組成。不同的物質就是原子以不同比例結合在一起的結果。
道爾頓的看法和德謨克利特一樣，認為原子是不可分割的，就像迷你保齡球一樣。雖然他的理論的最後這個部分終究還是被推翻，但這個理論本身卻成了現代宇宙觀的基礎。

1859年
來自遠方的知識
光譜學
自19世紀中葉以來，科學家就知道不同物質加熱後會發出不同顏色組合的光。波耳的原子論可以解釋這個現象：原子以光的形式釋放能量，能量大小則取決於電子可出現的軌道的間距，而每種原子的電子軌道間距都不一樣。光譜學正是利用這個原理來辨別物質。今天科學家會用光譜學了解恆星的化學組成，監控工業程序中的化學物質濃度，還有很多其他的應用。

上圖：氖原子發出的光譜。

[p14]
1897年
餅乾開始崩解
電子的發現

19世紀的主流看法是原子是不可分割的，儘管有些現象顯示這個理論可能還不全面，其中最引人注意的就是陰極射線。陰極射線的原理是這樣的：把一根玻璃管以當時最佳的技術抽成真空，一端是以電流加熱的導線，稱為陰極，另一端是高電壓板。當電流通過陰極時，管子裡也會出現各種顏色的光帶，似乎有什麼東西流過，激發了殘存的原子。問題很簡單：到底是什麼東西流過了管子？
英國物理學家約瑟夫‧約翰‧湯姆森爵士（Sir Joseph John Thomson, 1856-1940）決定動手解答這個問題。他做了一個裝置，讓產生光的無名物質通過一個既有電場又有磁場的區域，然後測量兩個數值：首先調整電磁場，讓未知粒子不發生偏移地通過；第二次再測量僅由電場引起的偏移。他從兩次測量結果發現，不論通過管子的是什麼，總之絕不是當時已知的任何粒子，而是前所未聞的東西。
從新粒子與電場和磁場的交互作用來看，他知道新的粒子必定是帶負電，重量比最輕的原子還要輕上千倍。他把新粒子命名為電子。於是科學家首度面臨了尋找原子結構這個難題──實際上就是為了解釋電子是從哪裡來的。

上圖：19世紀末湯姆森發現電子時所用的陰極射線管。

[15]
1897年
可口的原子
原子的葡萄乾麵包模型

發現電子之後，科學家不得不認真思考一個簡單的問題：假使原子真的有內部結構，電子在這裡面的位置要怎麼擺？第一個嘗試性的回答是這樣的：假定原子是一顆由正電荷構成的球體，電子就是像葡萄乾嵌在麵包裡那樣嵌在正電荷中。葡萄乾麵包理論雖然不久就被推翻，卻是個富有想像力的理論，用來解釋原子可以分割這個新概念。

右圖：葡萄乾麵包模型，一個嘗試解釋原子結構的早期理論。

如果你面前的一顆保齡球是氧原子核，那麼其中的電子就相當於一座大城市裡的八粒沙子。

1911年
核心才是重點
原子核的發現

歐內斯特‧拉塞福（Ernest Rutherford, 1871-1937）是歷史上唯一一位在獲得諾貝爾獎之後，才做出畢生最重要貢獻的科學家。他出生於紐西蘭，在英國受教育，是放射性研究的先驅。他在蒙特婁的麥吉爾大學（McGill University）工作時發現了阿伐輻射（見第25頁），因而在1908年獲頒諾貝爾獎。
之後拉塞福回到英國曼徹斯特任教，開始進行一場革命性實驗，徹底改變了我們對原子結構的理解。他把放射源放入一側有孔的鉛盒中，這時放射性粒子會以粒子束的形式從孔中射出，可以把它們想像成一連串的次原子子彈。他用這些「子彈」轟擊薄金箔，再從另一端檢測。實驗的目的是測量透過金原子漫射出來的正電荷數量和分布形狀。
但拉塞福和同事卻有了意想不到的發現。大部分子彈直接穿過金箔，僅少數子彈稍微偏轉──這部分確實符合葡萄乾麵包模型給人的預期──但大約有千分之一的子彈會反彈回來。這種情況就好像你對著一團霧氣開槍，結果偶爾有一顆子彈往你身上彈回來。拉塞福於是提出結論：原子大部分的質量必定是集中在一個很小的範圍內，他稱之為「核」，而電子是繞著核運行。這就是現代原子觀的開端。

左圖：歐內斯特‧拉塞福的照片和他使用過的科學裝置。

[16]
1913年
愈來愈詭異了
波耳的原子論

拉塞福的實驗結果一開始就有問題。如果電子真的是像行星一樣繞著原子核這個太陽轉，電子必然要持續發光，代表電子會消耗能量，最後墜毀在原子核上。經過計算（這是他最喜歡給物理研究生的作業題目）得知原子的壽命只有幾秒鐘而已。這問題可不小。
1913年在英國工作的丹麥年輕博士後研究員尼爾斯‧波耳（Niels Bohr, 1885-1962）找到一個途徑，不和這個問題正面對決。他決定把新的量子力學（見第74頁）用在拉塞福的原子論上。量子力學認為在次原子世界裡，包括質量和能量在內的一切，都是以小封包的形式存在。波耳把這個觀念運用在環繞原子核的電子上，發現電子和行星不一樣，並不是任何軌道都能被它占用，而是只有在離原子核幾個固定的距離上才能找到電子，這些地方稱為「容許軌道」。電子只要待在這些軌道上就不會輻射。
要是談到電子如何從一個容許軌道換到另一個容許軌道，量子世界的詭異性就浮現了：電子要從原本的軌道消失，發出或吸收光之後，再重新出現在另一個軌道上，而不會經過兩個軌道之間的任何地方。這稱為量子跳躍。不用去想像這是怎麼發生的，這和我們的經驗沒有任何可類比之處。

下圖：在波耳的原子中，電子停留在特定的軌道上（紫色圓圈），從一個軌道換到另一個軌道時會發光（黃色波）。

1931年
繞著圈圈跑
加速器時代

用宇宙射線來測定物質結構的問題是，我們無法控制宇宙射線，只能等你要的宇宙射線自己出現。這個問題用粒子加速器就能解決。加州大學柏克萊分校的歐內斯特‧奧蘭多‧勞倫斯（Ernest Orland Lawrence, 1901-1958）在1930年展開這種機器的研發。
首部柏克萊加速器稱為迴旋加速器（cyclotron），這是實驗室內部使用的暱稱，取自一個零件供應商的名字。想像有兩塊圓形的磁鐵疊在一起，從中間切開，產生兩組D形的磁鐵。把粒子導入兩組D形磁鐵之間的空隙，可使粒子加速，但粒子一旦進入這個磁場，路徑就會被彎成一個圓圈。每次粒子回到這個間隙就會加速，軌道半徑愈來愈大，到最後就能形成光束用來進行實驗。
1953年，位於紐約長島的布魯克赫文國家研究所（Brookhaven National Laboratory）的加速器正式啟用。它採用另一種設計，粒子是在甜甜圈形狀的加速室裡移動，加速室外包著磁鐵，使粒子聚集在內部。每當粒子通過一個定點就會加速，磁鐵的磁力也必須增強，才能把能量變高了的粒子繼續聚集在加速室內。由於磁鐵必須與加速同步，這種加速器稱為同步加速器，所有20世紀後期的大型加速度都是這種類型。
最後，想像由兩個環構成的類似同步加速器的裝置，粒子在環中以相反方向運行，在兩環交叉處對撞。這就是粒子對撞機。世界第一部粒子對撞機「大型強子對撞機」（Large Hadron Collider，見第20頁），就屬於這種加速器。

右圖：原子核是由質子（紅色球）和中子（藍色球）所組成。

1932年
還少了什麼？
中子的發現

拉塞福把最輕的元素氫原子的原子核取名為「質子」（proton，意思是「第一個粒子」）。但還是有一個問題沒解決。以碳為例，碳的原子核有六個質子，但重量卻是氫的12倍，可見原子核裡應該還有別的東西。這個粒子在1932年由英國物理學家詹姆士‧查兌克（James Chadwick）發現。他用次原子「子彈」撞擊鈹原子核，得到了重量和質子相當的不帶電粒子。他把這種粒子命名為「中子」（neutron意思是「中性的粒子」）。找到了中子，原子核之謎也解開了。

左圖：一位技師正在調整迴旋加速器中的線路。第一臺迴旋加速器是1934年由歐內斯特‧勞倫斯發明的。

英國物理學家詹姆士‧查兌克因為發現中子，在 1935年獲頒諾貝爾獎。

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1936年
這是誰點的？
讓人困惑的新粒子

地球不斷受到來自太空的粒子轟炸，這些粒子叫做宇宙射線。其中大多數是質子，主要來自太陽，以及銀河系中的其他恆星，偶爾也來自外星系。科學家從1930年代開始在山頂上裝設偵測器，觀察這種高能粒子與撞擊目標之間的交互作用。基本策略是誘導一個高能粒子撞上特定目標，再透過檢視撞擊後的殘骸來了解物質的基本結構。這種作法成為20世紀實驗技巧的範例。
1932年，卡爾‧安德森（Carl Anderson, 1905-1991）在科羅拉多州派克峰的裝置裡看到了不尋常的現象。他觀察到一個和電子質量相同、卻帶正電荷的粒子的軌跡。這就是反物質的發現。我們現在知道所有的粒子都會有一個質量相同、但其他特性全部相反的反粒子。物理學家早已預料到會有反物質的存在，因此安德森的發現很快就被學界接受，並在1936年獲得諾貝爾獎。
同樣在1936年，安德森和他的研究生賽斯‧內德梅厄（Seth Neddermeyer，1907-1988）在宇宙射線儀器中發現了一個更驚人的粒子。這個新粒子比電子重，但比質子輕。它先後被命名為中間子（mesotron）及介子（meson），最後定名為緲子（muon），代號是希臘字母μ，是自然界的基本粒子之一（見第68頁）。到了1950年代，科學家從宇宙射線的交互作用中發現了更多其他種類的粒子，才知道次原子世界比我們預期的複雜多了。