愛因斯坦冰箱：從科學家故事看物理概念如何環環相扣，形塑現代世界

愛因斯坦冰箱是什麼？它如何應用在核子增殖反應爐的製冷系統？
1755年的里斯本大地震，如何震出一頁新歷史？和牛頓力學的世界體系又有什麼關聯？
安培定律引發了一波波的新發現，影響到二十年後的無線通訊時代，也開啟了電力的時代。
作者從物理學家的發現、研究到發明的故事，引領讀者認識天文物理、電磁學、熱力學……一直到二十世紀的現代物理，
瞭解物理學家如何思考，為物理學奠定基礎，改變了人類歷史，形塑了我們現在生活的世界。
人類最早發現大自然運作規則之處，是源自對浩瀚的星空觀察。而牛頓的力學系統就是從研究行星運動而來的。
到了十九世紀，隨著科學家孜孜不倦的努力，更多的物理現象被涵蓋進來，像是電磁學與熱力學，而電磁學的單位大多是以發現相關定律的物理學家來命名的。
進入二十世紀之後，相對論改變了我們對時空的理解，重力波也首次被探測到，這個根基於愛因斯坦提出的廣義相對論終於被證實了，這百年的追尋又是怎樣一個過程？
每一個影響人類歷史進展的研究發現或發明，均非一蹴可及，都是科學家夜以繼日或苦心造詣的研究與觀察，是研究者演繹或推翻前人理論成果而來。
每顆星星的發現、每個研究的新定論都環環相扣，相互關聯，作者引領我們從書中四十多位物理學家的故事中，
理解這些科學發現與理論演繹的發展過程和思考邏輯；物理，不再只是難懂的符號與公式，而是生活中可以親近的科學。

透過本書，你可以認識以下四十多位改變歷史的科學家，以及他們的理念、研究與發明：
伊斯蘭第一位天文學家花拉子米、測量地球的穆薩三兄弟、發現彗星的哈雷、打破蒼穹界限的赫歇爾家族、天體力學的先驅巴宜與拉普拉斯、
天王星的發現者勒維耶、芮氏地震規模的制定者芮克特與古登堡、子午線的制定者法國總統阿拉戈、走了四千萬步丈量日本地圖的伊能忠敬；
開啟熱力學大門的卡諾父子、維多利亞時代的物理巨擘開爾文男爵、開創熱力學的克勞修斯、為原子而死的波茲曼、建立現代統計力學架構的吉布斯、
二維易辛模型的昂山格；現代物理背後的推手羅倫茲、確立原子序的莫里斯、廣義相對論的史瓦西、發現中子的查德威克、原子彈計畫的法蘭克與西拉德、
日本的原子彈F計畫與理研的二號研究、磁核共振NMR之父拉比、量子電動力學的許文格、東洋的粒子物理先驅坂田昌一。
以及藏在電磁單位背後的英雄們：庫倫、伏打、厄斯特、安培、法拉第、韋伯、亨利、歐姆、馬克士威、赫茲和特斯拉。

高崇文
作者長期在台灣知名科普網站與雜誌《物理雙月刊》主筆〈阿文開講：物理大歷史〉專欄，用輕鬆有趣的文字將科學家的生平和研究歷程來帶入物理的發展史，以及貼近生活的重要物理知識，並以淺顯易懂的方式表達繁複的物理概念，將抽象的概念具體展現或圖像化。
現任：
中原大學物理學系教授
中原大學高能中心主任
國立交通大學兼任教授
國立中央大學兼任教授
《物理雙月刊》專欄〈阿文開講：物理大歷史〉主筆
研究領域：高能物理
學經歷：
美國馬里蘭大學物理博士
德國法蘭克福大學理論物理所宏博學者
臺灣大學物理系博士後研究員
英國曼徹斯特大學物理系博士後研究員
北卡羅萊納州立大學物理系博士後研究員
清華大學國家理論科學研究中心物理組客座助理教授
臺灣中原大學物理學系副教授
德國麥茨大學核子物理研究所訪問教授

愛德蒙．哈雷與他的慧星
愛德蒙．哈雷（Edmond Halley，1656 ~1742）出生在倫敦，他的父親是一位富裕的肥皂製造商。1673年，十七歲的小哈雷進入牛津的皇后學院就讀，小小年紀卻已經是個天文專家，還擁有一套父親買給他的亮晶晶的天文觀測器材。
到南半球去
1675年哈雷還在牛津念書的時候，被引薦給第一任英國皇家天文學家約翰．弗蘭斯蒂德（John Flamsteed）。當時弗蘭斯蒂德正在編纂一份新的星表，得知消息的哈雷因而萌生到南半球去觀測南天恆星的念頭，於是乎他在1676年離開牛津，搭船到南大西洋上的聖海倫娜島，並在那裡研究南天星空1。

哈雷在聖海倫娜島待了十八個月，不但完成包含341顆星的南天星表外，還改良了六分儀，蒐集到可觀的海洋與大氣的資料。他發現擺在赤道地區會變慢，由此得知重力在此變小。更幸運地是，1677年11月7日，他量到一次完整的水星凌日。1678年5月哈雷帶著豐碩的成果回到英國，12 月就被選為皇家學院的院士，國王也直接下令授予他學位，當時他年僅二十二歲。
隔年，皇家學會派哈雷去但澤市，任務是去檢查天文學家同時也是但澤市長的赫維留斯（Johannes Hevelius）用裸眼觀測的天文資料，並且說服他使用望遠鏡。從但澤市回英國後，哈雷發表包含341顆南天恆星的詳細數據的《南天星表》（Stellarum Australium ）。因為這份星表加上附屬的星圖，他獲得與丹麥天文學家第谷同樣崇高的聲譽。

1680年，哈雷又去了一趟歐洲，在法國加萊觀測到一顆彗星；在巴黎，他與巴黎天文台長卡西尼（Giovanni Domenico Cassini）一起繼續觀測這顆彗星，想要決定它的軌道。1682年他回到英國，並娶了瑪莉．圖給（Mary Tooke）；這時他的父親也娶了續弦。他與新婚妻子定居在倫敦的伊斯林頓（Islington）， 同時潛心研究天文，也持續觀測這顆彗星；但他大概沒想到日後這顆彗星會以他命名。
關於行星運動的爭論
1684年1月24日哈雷在皇家學會會議上發表「克卜勒第三定律可以推出重力與距離平方成反比」的見解2。當時許多皇家學會院士，包括當時任職於學會的虎克（Robert Hooke），之前擔任皇家學會主席並設計聖保羅大教堂的維恩（Christopher Wren）以及哈雷，都積極想要從遵循反平方律的重力來導出克卜勒行星運動三大定律。當時虎克號稱他已經得到完整的證明，還宣稱正式發表前，他不想給哈雷與維恩看。維恩為此還懸賞給反平方力的引力會造成橢圓軌道的證明，但是虎克卻遲遲拿不出令維恩以及哈雷滿意的證明來。這令兩人非常光火。顯然虎克這傢伙是在故弄玄虛，分明是做不出來嘛！

但是這個爭議卻被一件意料外的悲劇所打斷，哈雷的父親失蹤了！事實上老哈雷的再婚是一場災難，五周後確定老哈雷已經身亡，為了處理父親的身後事與家中的產業等問題，哈雷搞得身心俱疲，無暇他顧。五個月後，哈雷才終於結束俗事纏身的狀態，前去劍橋拜訪艾薩克．牛頓（Isaac Newton），沒想到這一趟旅行竟然改變了他們兩個人的人生。
和牛頓的命運相會
為什麼哈雷會想去拜訪牛頓呢？雖然牛頓之前曾對天文學下過功夫， 但是他並沒有將他的研究公諸於世3。而且1671年他公開的色彩理論遭到虎克的嚴厲批評，此事讓他勃然大怒，不再與皇家學會來往。

1679年11月，虎克曾寫了一封公開信給牛頓，希望他能將最近的研究成果與學會分享；牛頓回信提到或許可以靠測量垂直落體到達地面的水平位移（向東）來證明地球的自轉。不料虎克馬上寫信指正除了向東之外還會有向南的位移，並且提醒牛頓，重力並非均勻，靠近中心時重力會變大。虎克還提到物體拋下的軌跡看起來應該像是橢圓，但沒有給出任何具體的數學證明；並在最後一封信中提到重力應該與距離成反比，他的理由是在重力影響下運動的物體速度與距離成反比；這其實是不對的。

牛頓在與虎克的通信中逐漸了解向心力可以導出克卜勒第二定勒，但一如往常地沒有公開。不過基於牛頓精通數學的名聲，哈雷相信牛頓幫得上忙，他就冒險去劍橋跟這位素來以不好相處聞名的怪咖討教了。

當哈雷一開口問，如果重力是反平方力，那麼行星軌道應該為何時？ 牛頓居然毫不假思索地馬上回說：「是橢圓軌道。」哈雷馬上要求看證明，牛頓在紙堆裡找來找去卻找不到，於是他答應重算一次再寄給哈雷。

到了11月牛頓就將這份證明的短文《關於在軌道中的物體運動》（De motu corporum in gyrum ）寄給哈雷。如獲至寶的哈雷馬上再去劍橋拜訪牛頓，並說服牛頓將這些結果分享給皇家學會。至今皇家學會還保留著這件文件的複本。

哈雷進一步說服牛頓將結果擴充並將成果出版成《自然哲學的數學原理》（Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ），這本書被認為是科學史上最重要的論著之一。原本牛頓打算寫兩卷，沒想到寫到後來變成三卷；全書第一卷《論物體的運動》（De motu corporum ）研究物體在無阻尼環境中的運動，牛頓證明了物體在受到遵從平方反比定律的力作用下沿圓錐曲線軌道運動。第二卷主要討論物體在阻尼介質中運動的內容分離出來；牛頓寫這一卷是要反駁笛卡兒的理論。笛卡兒認為行星的運動是由於受到宇宙間的巨大漩渦的帶動，而牛頓指出漩渦理論與天文觀測結果完全不合。第三卷《論宇宙的系統》（De mundi systemate ）則是將萬有引力運用到各種天文現象上。

牛頓在書中提到兩位歐陸的科學家──伊斯梅爾．布里阿德與喬瓦尼．阿方索．博雷利4，他們都比虎克還早提出反平方引力，但是都沒有證明。後來法國科學家亞歷克西斯．克萊羅（Alexis Clairaut）在參詳相關文獻後這麼說：
「瞥見一項真理與證明它相差何止千里。」
史上第一份氣象學的地圖
1691年，牛津大學的薩維爾（Savilian）天文學講座教手出缺，自信滿滿的哈雷提出申請，沒想到卻碰了一鼻子灰，反對最力的人居然是學生時代對他讚譽有加的弗蘭斯蒂德。原來弗蘭斯蒂德對牛頓沒有在《原理》一書中對他和「他的天文台」的功勞表達感謝感到很不滿，連帶地對哈雷也很不爽。不過他打出冠冕堂皇的理由，居然是哈雷的基督教信仰有問題。他寫信給牛津，甚至宣稱哈雷是「敗壞青年」呢！

求職受挫並沒有影響哈雷旺盛的求知欲與行動力。1685~1693年，他在《自然科學會報》擔任編輯，1686年他出版一份「季風與信風的地圖」5， 這是史上第一份氣象學的地圖。1693年，哈雷發表一篇關於人壽保險的文章，他基於一個德國小城的完整數據紀錄，來分析死亡年齡。這篇文章為英國政府出售人壽保險提供了堅實的基礎，英國政府因此確定一個合理的價格。哈雷的這篇文章對保險統計科學有深刻的影響，該成就現在被視為人口學史上的一件大事。
量測地磁
1696年，牛頓被任命為皇家鑄幣廠廠長，他很講義氣地讓哈雷當他的副手，負責在契斯特（Chester）鑄幣廠當副審計長。哈雷做了兩年， 直到這個職位被取消為止。1698年，英王威廉三世任命哈雷擔任一艘探險船的船長，目的是研究地球的磁場。船出發沒多久，哈雷就發現他手下的水手們根本不服從他，處處與他作對，所以1699年7月探險船就被迫返回英國。
兩個月後，他再次展開大西洋的航行。這一次他一共花了兩年的時間在大西洋上，從北緯52度一直航行到南緯52度。1700年9月6日他平安回到英國，隔年就發表了《通用指南針變化圖》（General Chart of the Variation of the Compass ）。這張是第一張畫有等磁偏線（isogonic line） 的地圖。
七十六年來一次的慧星
1703年11月哈雷終於得償宿願，被指定為牛津大學的薩維爾幾何學講座教授。二年後哈雷發表了《天文學對彗星的簡介》（Synopsis Astronomia Cometicae ），他在檢視歷史的紀錄後，發現1682年出現的這顆彗星與1531年阿皮昂（Petrus Apianus）、1607年克卜勒觀測的彗星軌道要素（orbital elements）幾乎相同，因此哈雷推斷這三顆彗星是同一顆彗星，週期在75~76年之間；在粗略的估計行星引力對彗星的攝動之後， 他預測這顆彗星在1758年會再回來。
1718年，哈雷通過比較他的天體測量數據和古希臘天文學家希帕克里特斯6 的數據，發現恆星自行運動（proper motion）。恆星自行是恆星相對於太陽系的質量中心，隨著時間變化的推移所顯示出角度上的改變，這是由於該恆星相對於我們有橫向運動所致。通常這個效應很小，只有離太陽很近的星才有可能觀測得到。哈雷參考古希臘的記載後發現，天狼星在1800年內向南偏移至少30角秒。這真是了不起的成就。
慧星回來了
1742年，哈雷坐在天文台的椅子上，他違背醫師囑咐喝下一杯酒後， 安詳離世，享壽八十六歲。他被葬在倫敦東南的聖瑪格麗特教堂。但是哈雷的名聲在十六年後再次回到人間。

1758年12月25日，德國的一位農夫兼業餘天文學家約翰．帕利奇（Johann Georg Palitzsch）觀測到之前哈雷預測會在1758年再度回來的彗星，證明了哈雷的預測是正確的。不過慧星受到木星和土星攝動的影響延遲了618天，直到1759年3月13日才通過近日點。

三位法國數學家亞歷克西斯．克萊羅（Alexis Clairaut）、傑羅姆．拉朗德（Joseph Lalande）和妮可-雷訥．勒波特（Nicole-Reined Lepaute） 組成的小組事先就算出這個效果，但他們預測的日期是4月13日，比實際通過近日點的時間晚了一個月。彗星回歸的確認是牛頓天體物理學最早成功的預測。

1759年，法國天文學家拉凱葉（Nicolas-Louis de Lacaille）將這顆彗星命名為「哈雷彗星」，以此紀念愛德蒙．哈雷的功勳。