這是偶然間看到 Jserv 學長分享的書,經過上學期普物重修的洗禮之下,害我重拾對物理的興趣,物理跟數學根本就這個世界的根本,非常有趣!只有考試不有趣而已…。

看完這本書,只能用「感動」二字形容我的心情。

蒸汽機的發明造就了工業革命,而電的發現,造就了第二次的工業革命。電的發現也促成了電腦的誕生,繼續造就了資訊革命。生活在這個資訊時代的我們,或多或少都該了解科技的歷史,不該只注重於文化的歷史。人文與科技都是人類文明的產物,兩者應該是相輔相成的。

steam machine

(photo credit: Barry Lewis, CC 2.0)

剛拿起這本書起來翻時,我正在前往高雄的火車上,短暫的火車時光,我翻到了法拉第(Faraday)發現了電磁感應,這其中意味著,「電能」與「動能」是可以相互轉換的。馬達、發電機、變壓器等應用也因而誕生,發電機及馬達更成了第二次工業革命的基礎,帶動了更多自動化的流程。

法拉第這位偉大的科學家出身貧困,卻有著強烈的學習熱忱。沒受過正規教育的他,靠著自學,忍受不平等的對待,一路苦撐才有今日的成就。看到這都快感動的流淚了,心中也暗自反省著,自己擁有了比過去科學家還多的資源與教育,但卻沒有用心學習甚至花費許多時間在玩樂,或度過虛無。科學家們花費了一輩子的時間在追尋世界的真理,在改善人類的生活,而我似乎僅僅是在享受著這些偉大科學家所帶給我們的物質生活,卻沒有跟隨他們的路,找出世界的真理或是改善人類的生活。

法拉第用盡其一生在研究電磁學(與電化學),可惜未受過正規教育訓練的他在數學上並不在行,或多或少影響了研究的進展。也留下了些電磁學中許多尚未解決的問題給後生晚輩們。很幸運的,馬克士威(Maxwell)這位曠世奇才,透過其優異的數學能力才把電磁學完整的描繪出來,這世界上的所有電磁現象都可以透過馬克士威方程組 Maxwell Equations 來解釋。

Maxwell Equations

(photo credit: Duncan Hull, CC 2.0)

馬克士威方程組僅有四條公式,其中三條分別是高斯定律、高斯磁定律以及法拉第感應定律。最後一條為安培定律的修正版,原安培定理可以知道變動的電流可以改變磁場,馬克士威則發現了變動的電場也可以改變磁場。這條方程式的貢獻不僅僅統合了電磁學的各種現象,更推導出尚未發現的現象-電磁波

根據法拉第感應定律,變動磁場可以生成電場,而馬克士威則發現變動電場可以生成磁場。生成磁場或電場都是種過程,可見生成的電場與磁場也屬於變動的狀態,那麼電場與磁場間豈不是可以互相生成,這是自然間美妙的平衡。而這美妙的平衡預測了電磁波的存在,赫茲(Hertz) 也在 1887 年率先證明了電磁波的存在。電磁波的出現,也大大改變了人類的生活方式。從通訊(手機)、醫療(X 光)、飲食(微波爐)、軍事(雷達)、娛樂(廣播、電視)等等,電磁波一直環繞在我們周圍。沒有馬克士威統合電磁學的基礎,我們的生活或許說不定還要晚個幾百年才會改變(我相信各種自然間的現象,始終都會被解釋的),你我的手上那隻 smartphone 也不知道什麼時候才會問世。

battery

(photo credit: Joe Haupt, CC-BY-SA 2.0)

寫到這邊,忘了提一位對於電磁學發展極有貢獻的科學家-伏特(Volta)。科學家們能夠發展電磁學的研究,或許都是他的功勞。他的發明,至今能廣受大家使用,也為這些科學家提供了穩定的電源-電池。這偉大的發明並不是延續著前人所種的因,不過只是想替自己爭口氣。不過雖然伏特發明的電池,但其實他並不了解電池為何有電的原理,這也是蠻神奇的。

light bulb

(photo credit: Kenny Louie, CC 2.0)

在人們可以掌控電後,對於電的研究也不僅僅在於學術上了,開始有許多轉往應用的科學家。這一個重要的發明我相信無人不知無人不曉-電燈愛迪生(Edison)發明了電燈,這大家都知道。但在書中得知,原來早在愛迪生之前就已經存在電燈了-電弧燈。時下也有許多科學家在研究電燈,愛迪生之所以名氣響亮,是因為他解決的是穩定的光源。愛迪生有名的是 try and error,其鍥而不捨的精神十分值得我們學習,網路上也有許多與其相關的小故事。但愛迪生在洞悉問題的能力上也非常值得我們學習,發光根本不是重點,重點是在穩定。不穩定的光源其實用性實在不高,以致於電弧燈的發明者-戴维(Davy)沒被普遍視為電燈的發明者,愛迪生若沒體認到這一點,或許也不會成為電燈的發明者。如今,我也身為一個研究生,或許我也該學著找出問題的根本,往往隱藏在表面之下的才是癥結所在。

電燈的發明也是改變世界的偉大發明,直接改變了人類的作息,使人類不再需要依賴太陽或月亮所提供的「光源」。使得你我能在黑夜中繼續白天的活動,在黑夜中提供指引,使我能在這凌晨四點寫部落格。

telephone

(photo credit: James Cridland, CC 2.0)

接著另一項改變世界的發明是-電話。電話的發明大大縮減了人類的距離,以往遠距離的通訊僅能以書信代勞,如今即使身在地球的兩端,只要透過電話,就可以進行即時通訊。而電話的發明人大家都知道是貝爾(Bell),但不知道這背後有著多少的不堪的往事。其實,電話並不是貝爾發明的,而是從他人-格雷(Gray)的專利書上抄過來的。雖然不是貝爾的本意,在透過許多不堪的手段以及種種原因下,貝爾被美國專利局認定為是真正的電話發明人。不過,我事後在查了些資料發現,美國國會於 2002 年 6 月 11 日重新裁定了電話的真正發明人為-穆齊(Meucci)。這故事告訴我們,不要太相信我們所得到的資訊,應該對其保有懷疑的態度,並找出實際的真相。

computer

(photo credit: Chris Monk, CC 2.0)

接下來最令我感動的發明出現了-電腦(身為資訊工程的學生,對於電腦的誕生我謹能獻上最高的敬意。因為沒有電腦我就要失業啦!!!)電腦的誕生,使的人類進入下一階段的革命-資訊革命。起初電腦僅僅是幫助人類完成較複雜的簡單計算,就是比較複雜的四則運算。第一台電腦-ENIAC,其處理效能為每秒 5000 次的加減運算或 357 次的乘除運算,如此的運算能力已經超越人類許多,但其體積也非常巨大造價也相當昂貴。不過,現今隨便一台計算機都比他強比他小比他便宜。而如近神速的進步,一切都該歸功於-半導體的發現。

semiconductor

(photo credit: Yuri Samoilov, CC 2.0)

在提半導體的發現前,應該先知道貝爾實驗室。貝爾實驗室是為了紀念原電話發明人-貝爾而命名這很明顯,不過直到看了這本書我才知道原來貝爾實驗室是由 AT&T(由貝爾電話公司演變而成)所成立,我還以為是 MIT 的某實驗室…。貝爾實驗室是發現半導體的源頭,由於傳統的三極管已不敷使用,在貝爾實驗室經過多年的研究下,半導體終於問世。起初的半導體還存在著許多技術問題,透過肖克利(Shockley)提出的接面電晶體才解決了許多技術問題。肖克利值得令人敬佩的是他「思考的決心(will to think)」,半導體本來是他研究的項目,但因為自己的分神,錯失了發現半導體的機會。雖然使他相當不滿,但他化悲憤為力量的表現也實在令人敬佩。這種化悲憤為力量的舉動對我來說也是滿常發生的。雖然沒有什麼特別的記錄,但我倒是常常將自己的不順化為學習的動力,我覺得還滿有用的!

關於肖克利的貢獻可不僅僅如此,肖克利在提出接面電晶體的幾年後,感受到半導體工業正在起步,而隨即自行創業。他募集了「八位」主要員工,這八位員工分別是羅伯特·諾伊斯(Robert Noyce)、戈登·摩爾(Gordon Moore)、朱利亞斯·布蘭克(Julius Blank)、尤金·克萊爾(Eugene Kleiner)、金·赫爾尼(Jean Hoerni)、傑·拉斯特(Jay Last)、謝爾頓·羅伯茨(Sheldon Roberts)和維克多·格里尼克(Victor Grinich)。但因為肖克利人品問題,這八位科學家最後背叛肖克利,離開公司並創立了快捷半導體公司。而快捷半導體公司為今日的矽谷奠下的基礎,矽谷今日的蓬勃發展與創業風潮,都該歸功於快捷半導體公司的出現。而沒有肖克利獨到的眼光或許無法聚集這八個優秀的年輕人,或許也不會有今日的矽谷。

silicon valley

(photo credit: Patrick Nouhailler, CC-BY-SA 2.0)

上面提到的八位科學家與快捷半導體公司,相信有許多人都沒聽過。但其中一位-摩爾(Moore),是身處電資產業的人多數都知道的。摩爾提出的「摩爾定律(Moore’s Law)」雖是沒經過驗證的大膽預測,但也幾乎成功的預測了 IC 的發展。諾伊斯與摩爾脫離快捷後,共同創辦了世界上最大的半導體公司-Intel。各位使用的個人電腦中,幾乎都是採用 Intel 所推出的 x86 架構 CPU。但產業的轉型真是奇妙的事情,Intel 原本以生產 DRAM 與 SRAM 為主,Intel 在其主要業務外,接下了 Bucisom 的案子代工設計計算機晶片,因而意外發明的微處理器,最後竟然成為 Intel 最重要的產品,更成為個人電腦中最重要的元件供應商。這種現象很常似乎很常出現在草創的公司中,我猜這就是常常在 Jamie 的部落格中看到的 pivot 吧!

半導體的進步大大推動了電腦的能力,而電腦的能力進步也大大的推動著半導體繼續進步,這其實意味著 VLSI 與 CAD 產業的出現。在大學期間,我的專題從事了 EDA 領域的研究,我只知道做 EDA 可以去台積電或是 Synopsys 工作,但對於 EDA 的定位其實模模糊糊。直到看了這本書才知道 EDA tools 使怎麼樣的改變我們的生活,經過電腦模擬產生的晶片正在越縮越小,一片小小的晶片卻擁有驚人的運算能力。這也是如今許多電子產品可以越做越小的主因,這才讓我體會到 EDA 的強大,但可惜我目前已經脫離他了。

network

(photo credit: Khairil Yusof, CC 2.0)

隨著電腦的普及,一項重要的技術也被發展了出來-網路。從傳統電話線,一直到現在的光纖技術,網路的力量越來越強。電腦不再僅僅是幫助人類進行龐大的運算,也成了人類溝通交流的重要工具。電話是偉大的發明,令身隔兩地的人們可以「聽見」彼此的聲音,但網路更恐怖了,令身隔台北台南或甚至台灣美國兩端的人可以「看見」彼此。除了在溝通的方面大有進步外,訊息得傳遞更是爆炸性的成長。網路上充滿了各式各樣的資訊,以往許多知識僅能從課堂中或書籍中取得,如今有多數資訊都可以從網路上獲得,但網路上也充滿著大量的虛假訊息與危險。我認為網路會是近代科技上的重要基礎,網路會為人類帶來新的生活模式,不過相對的也會為人類帶來新的危險。為了探索網路,這也是我決定進入當前實驗室的原因之一。

這本書是本寫的非常棒的科普書籍,內容的用詞還算淺顯易懂,但畢竟是科學書籍,仍不乏些專業詞彙。除了讓我了解電的發展外,也讓我對不同的領域有了更進一步的了解。尤其是物理學與電機的領域,另外也了解了材料工程的範疇,材料技術的瓶頸也是攸關各項科技的發展。更深刻的體會了世界的改變絕對不是單一的領域所造成的,是透過多領域的相互合作產生的結果。這也令我不經想到成大的現況,科系間的相互合作少之又少,大部分的交流可能僅有運動與聯誼。尤其許多相似的課程,交由擅長該領域的院系開設不是更加合適嗎?沒必用不同科系都要自己搞一個,這樣就算了,還不承認他系所開設的課程。

非常推薦這本書給任何人,尤其是高中生。在就讀高中時,我們就會開始接觸普通的物理,這其中包括力學、熱力學、電磁學以及相對論。在求學中的我們,大多數僅僅是將老師所教導的公式記入腦海中,有部分學生會去理解公式的含意。但我們卻不知道這些物理對我們的生活造成了多大的影響。這本書就詳細的說明了電磁學的起始至今的種種發展,以及對人類世界所造成的衝擊。不僅僅是只理工組的高中生,包括文組的高中生。科技與文化都是在改變世界,或多或少都應該了解彼此。在這文人相輕的亂世中,許多人會過度輕視他人的能力,除了個人心境上有問題外,往往也是由於我們對於其他事物的了解不夠。企圖了解其他領域,除了獲得知識外,也可開闊自身的視野外,令自己有著更寬廣的心來看待我們的世界,甚至能成為統合多領域的奇才。當今的學術研究劃分的過度精細,這是好事或許也是壞事,跨領域的人才可能會漸漸消失,這對於世界得進步來說可能是很大的危機。