本帖最後由 常樂 於 12-06-28 15:18 編輯
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在日常生活中，我們都在享受發明家帶來的創造品，如電話、電燈、電視、電腦、電池、PC 老鼠、微波爐、雷射、磁共振影像掃描（MRI）等，但你可曾想過這些工具、醫療與科技的創造品是如何得來的嗎？「突破的故事」系列將報導一些近代科技進展的小故事，用科學家與發明家的思維做背景來了解發明的前因後果及過程細節。
發明家的銘言是：「需要是發明之母」（Necessity is the mother of invention），這也是古諺：「窮則變，變則通」的道理。其實仔細翻閱科技的發明進展史，會發現大多數的發明都是因「需要所驅」（need driven）而得來的，如愛迪生尋找電燈泡燈絲就是個典型的故事。
另外還有 3 種因素也能推動發明：數據所驅（data driven），用類推方法去發現許多奇妙的可能性，如孟德爾的遺傳實驗方法；方法所驅（method driven），用儀器去觀察、發現與發明，如天文學家伽利略利用望遠鏡創立新的宇宙觀；理論所驅（theory driven），憑自己的心得及理論去推理而得到答案，如愛因斯坦的相對論。
不過發明者當初的創新用意可能只是想滿足自己的好奇心，或解決生活上的需要，或想改善某項日常生活的困境細節。但是後來有人把這發明應用到新的領域，產生新的功能，這就變成一種新科技，也就改變了我們的生活型態。我們來看 3 個例子：
半導晶體（transistor）的發明
1947 年 12 月由美國貝爾實驗室的夏克雷、巴帝恩及布拉頓 3 人發明。當初 3 人發明半導晶體是想取代笨重、占空間而功能低的真空管，但半導晶體一出爐，馬上改變了整個電子工業，尤其是小型電子裝備。後來應用到電腦、生物科技、奈米科技、太空、國際貿易等，這就出乎當初 3 人的意料。
3 人於 1956 年因發明半導晶體而獲得諾貝爾物理獎。後來巴帝恩與古柏及史律弗共創 BCS 超導體的獨特理論，再次於 1972 年得到第２次諾貝爾物理獎。
值得一提的是，半導晶體是由貝爾實驗室開發出來的，而貝爾實驗室是當時規模最大、最有名氣的民營實驗室，開發出無數的發明，並培養出 6 位諾貝爾獎得主。
雷射的發明
1959 年 6 月由唐恩斯與夏羅提出專利申請。1964 年唐恩斯、巴穌夫及普赫洛夫 3 人因量子激光導致雷射的發明而獲得諾貝爾物理獎。夏羅、布洛柏根及西班則因發明雷射光譜學及電子光譜學，而分享 1981 年諾貝爾物理獎。
唐恩斯是美國哥倫比亞大學的物理系教授，專長是微波光譜學，研究氨分子的旋轉結構，是一種單純的基礎學術研究，當初僅是探討有關微波的激光加強量子現象（microwave amplification by stimulated emission of radiation， maser）。微波與我們看得到的光都是電磁波，但後來由 maser 的實驗發展到雷射，而擴大應用到光的指標、CD、DVD、貨物條碼識辨器、基因分析等，也是出乎發明者原先的意料。其實許多大學或研究機構的研究是一種基礎學術研究，基礎學術研究是指沒有特定「應用」的研究。
DNA 的結構
1953 年由華生與克里克兩位提出 DNA 的雙股螺旋結構，1962 年獲得諾貝爾獎。當初華生剛拿到美國印地安那大學的生物博士學位，到英國劍橋大學做博士後研究，而克里克正在劍橋攻讀博士學位。一個偶然的機會讓他們看到另外一位 Ｘ 光晶體專家弗闌克林有關 DNA 的 Ｘ 光底片，經幾番學術爭議而推理出 DNA 的結構，奠定了基因、醫學、分子生物的基礎。
三十幾年後，美國莫李斯於 1986 年發明聚合酶鏈鎖反應（polymerase chain reaction， PCR）而獲得 1993 年諾貝爾化學獎。這方法能無限量地複製 DNA，開拓了生物科技、基因工程的新領域。人類的基因圖譜就靠 PCR 及一些新科技才能於 2002 年完全解讀出來，PCR 的發明也促進基因、遺傳、疾病的關聯研究，探索生老病死的奧祕。如果沒有華生與克里克的 DNA 結構發現在先，莫李斯的 PCR 發明在後，許多遺傳疾病的醫療大概仍然朿手無策，生物科技也不會有近年來一日千里的進展。
愛迪生的一句名言是：「發明是一分靈感，九十九分努力（流汗）。」（Invention is 1 percent inspiration and 99 percent perspiration）如愛迪生與助理花了 2 年的時間，試了一千多種不同材料來做電燈泡的燈絲，但都不盡理想，最後才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「需要所驅」的動力，加上他的好奇心及不輕易放棄的精神，才使他找到碳絲的答案，這也說明愛迪生一生能擁有 1，098 項個美國專利的原因。
我們也發現：許多發明家並沒有具備高等教育的訓練或學歷，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」特別眷顧他們，讓他們撿到「天上掉下來」的禮物，而體驗到發明者的高峰境界：「我找到了！」（Eureka！）或「阿哈」（Aha）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」才能抓住機會進一步求精，開發出新科技。正如著名法國科學家巴斯德說的：「機會眷顧有準備心的人。」（Chance favors the prepared mind）
如微波爐的發明者史班賽，雖然連小學都沒有畢業，但他有好奇及好學的精神，做了 2 年電氣學徒，就變成無所不通的電氣修理員。18 歲時，正值第二次世界大戰，他進入美國海軍無線電學校學習無線電工程。1945 年的一個夏天下午，史班賽在測驗高能量磁控電子管（微波能源管）後，注意到口袋的巧克力糖熔糊掉了。這意外使他聯想到利用磁控電子管來做加熱工具，進一步的許多實驗證實了他的推想之後，才提出微波爐的專利申請。
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小百科
微波爐用微波的能量煮熟食物。微波是電磁波的一種，微波爐放出來的微波頻率是 2.45 GHz（GHz， 109 cycles/sec），它的功率是 300 ~ 1，000 瓦。微波爐能煮食物的原理是，微波的能量被食物中的水分吸收而引發水分子旋轉，水分子的旋轉能位差正好與微波頻率相當，分子旋轉的能量變成熱能，也就提高了食物的溫度。
微波爐是家家戶戶必備的廚房用具，乾淨俐落，尤其融化冷凍的食物更是方便。化學家也曾經利用微波爐來促進化學反應。
發明者
美國伯西．史班賽（Percy Spencer， 1894-1970），他的美國專利是 #2，495，429（1946 年）。史班賽出生於緬因州的 Howland，一歲半的時候，父親就去世了，接著媽媽離家他嫁，叔叔就領養了他。史班賽 7 歲的時候，叔叔也去世了，他再次成為孤兒，小學也沒念完就去打工。
史班賽有好奇和好學的精神，跟人家做了 2 年電氣學徒，變成無所不通的電氣修理員。1912年 當鐵達尼號沉沒於大海時，從報紙上看到那時無線電報員的救人英雄行為使史班賽大為感動，18 歲就進入海軍無線電學校學習無線電工程。他並沒有提起他那有限的教育程度，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，完成了無線電學校的課程。
幾年後（1925 年左右），他找到雷氏恩公司（Raytheon Corporation）的無線電技工工作。在雷氏恩公司的工作期間，他發揮了求真的態度和好奇心，一共發明也申請到一百五十多個專利。
靈機一動
二次世界大戰期間，美國雷氏恩公司是一家高科技電器公司，也是國防工程的承包商。雷氏恩公司負責製造有關雷達（RADAR 是 Radio Detection And Ranging 的簡寫）裝置的磁控電子管，雷達是利用微波來偵察敵軍的飛機和軍艦的動向，現在雷達也可用來測定雨量、預報天氣等。史班賽在雷氏恩公司的工作，是負責磁控電子管的改良和生產。
1945 年的一個夏天下午，史班賽正在試驗一個新改良的高能量磁控電子管。他有吃零食的習慣，口袋裡常放著巧克力糖，那天他發現放在口袋裡的巧克力糖熔糊掉了。他推想：有可能是剛才在大太陽下散步時熔糊掉的，但也有可能是新的磁控電子管釋放出來的微波作怪。第二天，他就進一步做了一個小試驗：他要他的助手去買一包玉米，他把這包玉米放在磁控電子管的正前面，扭開電波，幾分鐘後，玉米竟然爆開來，弄得滿屋子都是玉米花。這時候他已經推定微波的能量有煮沸、熔糊巧克力糖的功能。
接著他又做了第二個試驗：他找到一個舊的金屬小茶壺，在茶壺的旁邊開了一個小洞，且在茶壺裡放了一個生雞蛋，並把磁控電子管的微波對準那茶壺的小洞，扭開電波，看看能不能把生蛋煮熟。這時剛好有一位同事來看他，同事好奇，走近茶壺的旁邊，正要彎腰去看茶壺裡的蛋有什麼變化，但剎那間，蛋竟然爆開了，蛋黃由小洞噴出來，沾滿這位同事的臉孔。
這二個試驗證實了他的推想，並於 1946 年提出專利申請。1947 年雷氏恩公司就推出第一個商業專用的微波烤箱，專門供給餐廳、火車和輪船使用。1955 年家庭用的微波爐才上市，很快就大受歡迎。
掌聲回響
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，無師自通，有連接貫穿的能力，求真務實的精神，因此能把巧克力糖的熔糊現象加上磁控電子管功能而發明了微波爐，打破傳統的加熱方法，而達成加乘作用（synergy）。
史班賽除了發明微波爐外，還發明了高能量的磁控電子管的製造，這對二次世界大戰期間的雷達改良製造有很大貢獻，他曾因這項貢獻榮獲美國海軍的卓越公共服務獎（Distinguished Public Service Award）。後來他成為雷氏恩公司的副總裁和資深理事，在他退休之前，雷氏恩公司還把一棟新的大樓命名為史班賽大廈。
他一生輝煌的奮鬥史、創造和發明，確實為人類帶來數不盡的方便和享受，也就備受種種表揚。他被選入國家傑出發明名人館（National Inventors Hall of Fame），麻州州立大學也曾經贈給他榮譽博士學位，他還被美國藝術科學學院（American Academy of Arts and Sciences）選為院士。
小百科
Velcro，中文叫魔鬼沾，或稱鉤毛搭扣帶。Velcro 是個註冊商標，由 2 個法文單字拼起來：velour（絨毛） 和 crochet（鉤子）。它是由 2 片尼龍絲織編而成，一片有微小的鉤子，另外一片有微小的環圈，把這 2 種布料疊壓在一起時，它們就牢牢地連結住了。
它是拉鏈的代替品，優點是耐用、質輕、容易拉開、可以清洗、顏色種類多等，因此幾乎搶走了拉鏈、鈕扣、鉤鉤和鞋帶的生意。
發明者
瑞士的喬治．梅斯倬（George de Mestral， 1907 ~ 1990），他在 1951 年申請到瑞士專利（#2，717，437）。梅斯倬出生於瑞士洛桑附近的小鎮，畢業於洛桑市的聯邦科技學院，獲電機工程學士學位。大學畢業後，在一家瑞士機械工廠當工程師。梅斯倬從小就有好奇心，手也非常靈巧，在 12 歲時，就自己設計組裝了一個玩具飛機，而且他老爸還幫他申請到專利。他的嗜好是爬山和打獵。
靈機一動
1948 年的秋天，梅斯倬帶著小狗到附近的小山蹓躂，小狗突然跑進一個長滿芒刺的小樹叢。梅斯倬為了找回小狗，也穿越那有芒刺的小樹叢，狗是找到了，但狗的毛皮都沾滿了芒刺小針。這些芒刺小針是小樹叢的種籽，你猜猜：樹叢長這樣帶有芒刺小針的種籽有什麼作用？原來，帶有芒刺小針的種籽要能貼附在動物毛皮上才能散播到遠處，這是自然界生物傳播繁殖的功能。
梅斯倬回到家裡，花了半天才把小狗毛皮上的芒刺小針清理乾淨，也才注意到自己的外套和褲子也貼附了芒刺小針，他得一個個拔掉，但是他又注意到他的皮鞋卻是乾淨的。他一時好奇，就用顯微鏡仔細觀察貼在衣服上的芒刺小針，發現這些芒刺小針擁有幾千排的微小鉤子，而這些鉤子又是整齊地連接在衣服的環圈紋路上。他把拔掉的芒刺小針再壓回衣服，它又和衣服牢牢貼附在一起。這個觀察使他靈機一動，如果能製造出帶有小鉤子和帶有小環圈的2種布料，就可以模仿這天然方法製造新型的鉤鈕。
於是梅斯倬專程跑到法國里昂市的紡織廠，找人製造他想像中的鉤鈕。里昂市是當時世界紡織工業的大本營，好幾家紡織廠的設計師都搖頭說不可能做出這樣的布料，但有一家小紡織廠的年輕設計師覺得好玩，就答應試試看。
經過不斷的嘗試和實驗，他們終於發現尼龍絲在紅外線照射下會產生堅硬的小鉤子。再經過精細的設計和品質改善，終於做出 2 種理想的尼龍布料：分別帶有小鉤和小環圈，把這 2 片疊壓在一起時，它們就牢牢地連結住了。如果用力壓按這 2 片布帶，它們會結合得更緊牢。如果要拉開，先用力拉起一小角邊，其餘的就很容易拉開來。
1951 年，梅斯倬的這項發明獲得瑞士的專利，次年就成立 Velcro SA 公司開始經營製造魔鬼沾。再經過製造程序和方法的改進，1955 年得到改良魔鬼沾的瑞士專利。雖然製造魔鬼沾的專利在 1979 年就失效了，但是 Velcro 的商標仍然有保護權。
擊掌回響
芒刺小針貼在衣服上是常有的事，平常人把它弄掉就不以為意了。許多生物學家也看過芒刺小針的小鉤子結構，但是只有梅斯倬會進一步仔細觀察，進而推想到鉤鈕的應用。其實他有過使用拉鏈的不方便經驗，如拉鏈脫節了；又有時候做冬天的戶外活動時，手凍得不容易拉上外套的拉鏈或繫鞋帶。因此他平時就有這些準備的心（prepared mind），一碰到機會就有聯想的能力，把「無」化為「有」，有「創造」的能力。他還能從自然界的生態，推廣「鉤」和「圈」的連接理論假設，用實驗去證明而對應了實際生活的「需要」。
這小故事也說明了發明家的一個特色：好奇、有準備的心、知道「需要」的問題所在、有創造能力去求證和執行自己的構想與理想。
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