靈機一動:發明傢的啓示

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圖書描述

充滿驚奇的發明之旅

  本書收集從二○○九年一月至二○一二年一月在《科學發展月刊》(國科會刊物) 發錶過的三十六篇專欄報導:「突破的故事」— 靈機一動的思維。藉由這三十六個突破的發明故事來喚起大眾對科學與工程的興趣與熱忱,鼓勵青年學子以謹慎和嚴密的態度去從事基礎研究,造福人類。許多發明是來自「靈機一動」的突破思維,這些突破的研究常帶來創新的工具、方法、理論、醫療等,也促進瞭人類的福祉。譬如詹姆斯˙瓦特 (James Watt,1736 -1819) 發明蒸氣引擎,僅是想用機械功能來代替來人工及馬車,但最後被應用到火車、汽車、飛機、潛水艇等,引起工業大革命,影響瞭整個人類的社會形態。

  發明傢的座右銘是:「需要是發明之母」,其實翻閱科技的發明進展史,我們發現大多數的發明都是因「需要所使」 而得來的,如愛迪生尋找電燈泡燈絲是個典型故事。發明傢的特色是有好奇的思維、不輕易放棄的精神、能利用天時、地利、人和的環境去創新。愛迪生的一句名言是:「發明是一分靈感,九十九分努力 (流汗)」。許多發明傢並沒有具備高等教育或學曆,而許多突破的發現與發明關鍵是發生在「靈機一動」的剎那,正如著名法國科學傢巴斯德 (Louis Pasteur) 說的:「機會眷顧有準備心的人」。

名人推薦

  颱灣大學化學係講座教授 牟中原
  長庚大學生醫係講座教授 周成功  
  鄭重推薦

著者信息

作者簡介

林天送


  颱灣雲林縣人
  美國Syracuse University化學碩士、賓士法尼亞大學博士、哈佛大學化學係博士後研究
  現任颱大化學係客座教授
  華盛頓大學化學學係化學教授(終身職)
  華盛頓大學醫學院神經學係教授及中樞神經係統傷害研究中心研究員
  曾任美國阿岡國傢實驗室特約研究員
  荷蘭萊頓大學物理係客座教授
  中央研究院原子與分子科學研究所特約研究員
  颱灣大學醫學院分子醫學研究員及颱大化學係客座教授
  日本理化學研究所 (RIKEN) 客座教授
  德國佛來堡大學(University of Freiberg)客座教授
  國傢衛生研究院邀請擔任教育「自由基與醫學」講員
  專業論文:物理化學、生物醫學論文125篇
  www.chemistry.wustl.edu/faculty/lin

  科普(生物醫學與保健)著作:
  1.你的生命活力—從自由基談起,424頁(健康世界齣版社,1996)。本書榮獲颱灣衛生署2000年優良讀物推薦奬。
  2.你的生命活力—從生活細節做起,245頁(健康世界齣版社,1997)。
  3.自由基大革命—生老病死的祕密,267頁(健康世界齣版社,1999)。
  4.二十一世紀的健康管理藍圖—活到一百二十歲(健康世界齣版社,2000)。
  5.環境荷爾濛危機(楊明珠閤著),201頁(元氣齋齣版社,2001)
  6.活用你的腦力,271頁(健康世界齣版社,2003)
  7.延年益壽的奧祕。232頁(宏欣齣版社, 2011)本書榮獲颱灣衛生署2011年優良讀物推薦奬。

圖書目錄

牟序
周序
自序

I. 生活篇
1. 發明傢的思維:靈機一動
2. 嚮自然界學習:維爾剋(Velcro)的發明
3. 嚮壁虎學習:乾式黏附物的發明
4. 我的巧剋力糖怎麼熔糊瞭? 微波爐的發明
5. 辦公室日常用品的發明:小兵立大功 談迴紋計針、膠帶和留言膠紙
6. 個人電腦硬軟體的發展
7. 通訊工具的發明:傳真機、電話、網路
8. 節省能源:電燈泡、日光燈、發光二極體的發明
9. 影印機與雷射印錶機的發明
10. 快速攝影術的發明:看到子彈正穿過撲剋牌

II. 生物醫學篇
11. 生命的螺鏇 DNA結構的發現
12. 復製又復製:PCR的發明
13. 生物結構影像術:磁共振影像術的發明
14. 錯誤中的發明:小型心髒起搏器的發明
15. 抗生素的研究:盤尼西林捨建鏈黴素與抗菌肽素
16. 帶來性開放的藥丸發現:談威而鋼與口服避孕藥
17. 醫學的發現 — 胃炎、胃潰瘍、胃癌與幽門螺鏇桿菌
18. 麻醉藥的發現與應用
19. 一氧化氮醫學
20. 生物醫學工程大師 — 蘭格與柯爾夫

III. 化學篇
21. 意外的産物 — 剋維拉 化學傢的禮物(1)
22. 意外的産物 — 鐵氟龍 化學傢的禮物(2)
23. 意外的發現 — 人造甜劑 化學傢的禮物(3)
24. 嗅覺與味蕾受體的新發現
25. 電化學的應用與發展:鋁的提煉與燃料電池
26. 天時地利人和 飛秒化學的開拓者 — 齊威爾
27. 特異的球狀結構:泡型建築的創始與碳六十的發現
28. 除草劑與基因改造食品
29. 珍珠與鑽石
30. 綠色化學:清潔劑成分、乾洗與二氧化碳的利用

IV. 物理天文篇
31. 原子與分子的放射 — 雷射的發明
32. 雷射的應用:捕捉原子與中性粒子 物理大師 — 硃棣文
33. 電晶體的發明
34. 積體電路的發明
35. 近代天文學的二個新發現:宇宙微波背景輻射信號和脈衝星
36. 卡門的發明經驗 — 從失敗中求成功

後語

附錄
(1) 環境荷爾濛 — 從限用塑膠袋說起
(2) 自由基化學與醫學

圖書序言

自序

  一百年來我們看到許多驚人的科技進展,也常會驚嘆發明與發現的奇妙。其實人類一直在追求能剋服大自然的工具,常常想用各種發明來改善我們的物質生活,以期能過著更方便、舒服而有趣的生活。但人類是韆萬年演化過來的動物,在逐步演進的過程中去求適應新的生活環境,許多發明與發現隻不過是演進過程中的一個步驟而已。
 
  本書收集瞭為期三年(2009年1月至2012年1月)在《科學發展月刊》(國科會刊物)發錶過的三十六篇專欄報導:「突破的故事——靈機一動的思維」。另外也附加曾經在同一刊物發錶過的二篇報導:「環境荷爾濛——從限製使用塑膠袋說起」(2003年10月)和「自由基化學與醫學」,(2008年12月)。撰寫本書的原動力是想藉由這三十六個突破的發明故事來喚起大眾對科學與工程的興趣與熱忱,鼓勵學生們能以謹慎和嚴密的態度去從事基礎研究,繼而期望能更上一層樓,入發明的樓閣,造福人類。

  學習、參閱許多科技發現與發明史,我們發現許多發明是來自「靈機一動」的突破思維,這些突破的研究常帶來創新的工具、方法、理論、醫療等,也促進瞭人類的福祉。但發明者當初的用意可能僅在於改善當時當地的某一項日常生活細節,後來有人把這發明應用到新的領域,達成瞭新的功能,這就變成一種新科技,也就改變瞭人類的許多生活方式。譬如當初詹姆斯.瓦特(James Watt,1736–1819)發明蒸氣引擎,僅是想用機械功能來代替來人工及馬車,但最後被應用到火車、汽車、飛機、潛水艇等,引起工業大革命,影響瞭整個人類的社會形態。再說約翰.巴帝恩(John Bardeen,1908–1991)得過二次諾貝爾物理奬,1956年因發明半導體晶體管(transistor,見第十四和十五章)得奬,1972年因超導體的獨特理論得奬,當初發明半導體晶體管是想取代笨重、佔空間而功能低的真空管,但後來由電子裝備而電腦、太空、國際貿易等都是依賴這項發明。再來看許多大學或研究機構的研究,當初可能僅是為瞭滿足研究者的好奇心,或僅是單純的基礎學術研究,基礎學術研究是指沒有特定應用的研究,譬如雷射(laser)是由美國哥倫比亞大學的物理係教授查利.唐恩斯(Charles H. Townes,1915齣生,今年98歲)發明,當初的研究是探討有關微波的激光量子現象(maser:microwave amplification by stimulated emission of radiation),微波與我們看得到的光都是電磁波(electromagnetic wave),他因這項研究獲一九六四年諾貝爾物理奬,由maser到laser,而擴大應用到光的指標、CD、DVD、貨物條碼識辨器、基因分析等(見第十七章)。這些發明的應用皆大大地齣乎發明者的原先用意,達成意想不到的應用而變成新的科技潮流,讓後人享受到這些發明的成果。

  本書將報導一些近代科技的進展小故事,用科學傢與發明傢的思考做背景,來瞭解發明某項科技的前因後果及過程,我們先看電話發明的故事:阿曆山大.貝爾(Alexander Graham Bell,1847–1922),1876年3月9日在他的實驗簿記載這項新發明而得專利(見第三十三章),雖然這之前,貝爾一直在思考電話的發明,但那天的實驗並不是要發明電話,他與助理湯馬斯.華生(Thomas A. Watson)是想改進電報的傳遞問題,想利用諧波(harmonic wave)方法一次同時傳遞多項電報,但無意中卻發現他們的裝置能傳遞聲音,使得貝爾喜齣望外,後來纔有行動電話的發明,縮短人與人之間的空間距離與隔閡。如果你失去電話的方便,你會有多大的不便呢?後來有貝爾電話公司及貝爾研究實驗室(Bell Laboratory)的建立,貝爾研究實驗室曾經是美國規模最大、最有名氣的民營實驗室,這實驗室開發齣無數的發明,貝爾實驗室也曾經培養齣六位諾貝爾奬得主。

  發明傢的座右銘——需要是發明之母,其實仔細去翻閱科技的發明進展史,我們發現大多數的發明都是因「需要所使」(need driven)而得來的,如愛迪生(Thomas Edison)尋找電燈泡燈絲是個典型故事(見第十九章)。另外還有三個推動發明的因素:(一)數據所使(data driven),用類推方法去發現許多奇妙的可能性,如唐恩斯的微波實驗,由maser類推到laser的方法(見第十七章);(二)方法所使(method driven),用儀器去觀察、發現與發明,如天文學傢彭齊亞斯(Arno Penzias)和威爾遜(Robert Wilson)測量到宇宙微波背景輻射的信號,創立新的宇宙觀,獲一九七八年諾貝爾物理奬(見第三十一章);(三)理論所使(theory driven),憑自己的心得及理論根據去推理而得到答案,如愛恩斯坦(Albert Einstein)的相對論。

  翻閱許多發明傢的身世及科技的發明進展史,我們也發現:發明傢的特色是有好奇的思維、不輕易放棄的精神、能利用天時、地利、人和的環境去創新。美國大發明傢愛迪生(擁有1098項專利)的一句名言是:「發明是一分靈感,九十九分努力(流汗)」。就像愛迪生與助理花瞭二年的時間,試瞭一韆多種不同材料來做電燈泡的燈絲,但都不盡理想,最後纔找到碳絲做燈絲而申請到專利。愛迪生能確認電燈泡的重要性,有「需要所策」的動力,加上他的好奇心及不輕易放棄的精神,纔使他找到答案—碳絲,這也說明愛迪生一生能擁有約將近一韆一百項美國專利的一個原因。他還曾經說:「我曾經試瞭一韆多種材料來做燈絲,但我從未失敗,因為這些實驗告訴我有一韆多種材料不是做燈絲的材料。」

  我們也發現:許多發明傢並沒有具備高等教育或學曆,而許多突破的發現與發明關鍵是發生在「靈機一動」的剎那,好像「發明之神」特彆眷顧他們,讓他們撿到「天上掉下來」的禮物,而體驗到發明者的最高境界:「我找到瞭!」或「阿哈」的興奮與感嘆。但即使有些發明是「偶然」發生的,當事者必須有準備的心,能「識寶」而方能抓住機會進一步求精、開發齣新科技,正如著名法國科學傢巴斯德(Louis Pasteur)說的:「機會眷顧有準備心的人」。例如微波爐的發明者史班賽(Percy Spencer,見第三章),雖然連小學都沒有畢業,但他有好奇及好學的精神,跟人傢做瞭二年電氣學徒,就變成無所不通的電氣修理員,十八歲時,正值第二次世界大戰,他入美國海軍無綫電學校學習無綫電工程。一九四五年的一個夏日午後,史班賽在測驗高能量磁控電子管後,注意到口袋的巧剋力糖熔糊掉瞭,這意外使他聯想到利用磁控電子管來做加熱工具,進一步的許多實驗後證實他的推想,而纔提齣微波爐的專利申請。

  著者曾經有二項研究申請到專利:(一)Electrolytic Coatings of Polymeric Film on Metals(R. J Ehrig and T.-S. Lin),US Patent #3,464,849(Sept. 2, 1969), 及(二)Method for Treating Neuronal Injury with Carboxyfullerenes( D.W. Choi, L.L. Dugan, T.-S. Lin, and T.-Y. Luh),USA Patent #6,265,443(July, 2001)。 但可惜還沒有被普遍採用。雖然第二件專利的論文發錶在《美國國傢科學院匯刊》Proc. Natl. Acad. Sci., 94, 9434 -9439(1997),而有高達五百七十次citations。但我也體驗到發明者的興奮與期待。

圖書試讀

一、我的巧剋力糖怎麼熔糊瞭?
微波爐的發明

史班賽雖然小學都沒有畢業,但他找到自己的喜愛進而力求上進,自我學習基礎數學、物理、化學等,有連接貫穿的能力,求真務實的精神,因此能把巧剋力糖的熔糊現象加上磁控電子管功能而發明瞭微波爐。

小百科
微波爐(Microwave oven)是用微波的照射能量去煮熟食物,微波是電磁波(electromagnetic wave)的一種,微波爐放齣來的頻率是2.45GHz(GHz: 109 cycles/sec),其電力為 300 —1000 watts。微波爐能煮沸食物的原理是微波能被食物中的水分子吸收,水分子間有許多氫鍵(hydrogen bonding),而這些氫鍵的能位剛好在微波的能量範圍,故水能吸收微波而能轉變成熱能,也就提高瞭食物的溫度。

用途
微波爐是傢傢戶戶必備的廚房用具,乾淨俐落,尤其熔化冷凍的食物更為方便。化學傢也曾經報導:利用微波爐能促進某些化學反應。

發明者簡介
微波爐的發明者是美國伯西.史班賽(Percy Spencer, 1894 -1970,圖1),美國專利#2,495,429(1946年)。史班賽齣生於緬因(Maine)州的Howland。史班賽一歲半的時候,父親便去世,接著媽媽改嫁,叔叔領養瞭他,但七歲的時候,叔叔也去世,使班賽成瞭孤兒,小學沒念完就去打工乾活。

史班賽具好奇及好學的精神,跟人傢做瞭兩年電氣學徒,變成無所不通的電氣修理員。1912年當鐵達尼號(Titanic)沉沒大海時,從報紙上看到那時無綫電報員救人的英勇行為使史班賽大為感動。十八歲就進入海軍無綫電學校(Navy Radio School)學習無綫電工程。他入學沒有提起有限的教育程度,但他以自修力求上進,自己找書學習三角、代數、物理、化學、冶金學等,無師自通,完成瞭無綫電學校的課程。

幾年後(1925年左右), 他找到雷氏恩公司(R a y t h e o n Corporation)的無綫電技工工作。在雷氏恩公司的工作期間,發揮瞭他的求真與好奇心,一共發明也申請到一百五十多個專利。

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