歷史 物理

1908年諾貝爾物理獎:加布里埃爾・李普曼

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撰文者:余海峯 博士
發文日期:2017-01-01
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  • 很多時候,我們都把擁有的視為理所當然,沒細心想過其實世界上並沒什麼是必然的。1908年的諾貝爾物理奬授予加布里埃爾・李普曼(Gabriel Lippmann),因為他發明了一種現代人看來理所當然的東西:彩色照相技術。
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    [加布里埃爾・李普曼的諾貝爾獎官方照片。圖片來源:wikimedia commons]
     
    現代照相技術的先驅—針孔成像—早在公元前已被古中國和希臘人發現。在公元前400多年的戰國時代,墨翟(又稱墨子)發現穿過針孔的光線會形成上下左右倒轉的影像;差不多同一時期,古希臘的亞里士多德(Aristotle)與歐幾里德(Euclid)亦留下了描述針孔相機的記錄。公元6世紀,拜占庭數學教授安提莫斯(Anthemius of Tralles)曾於實驗中使用針孔相機。阿拉伯物理學家海桑(bū ʿAlī al-Ḥasan ibn al-Ḥasan ibn al-Haytham)和北宋科學家沈括亦分別於公元10世紀和11世紀發現針孔相機的光學原理。達文西(Leonardo da Vinci)在15世紀亦描述過山谷之中的自然針孔成像現象。

    在首次記載發現針孔成像技術後的兩千多年裡,人類一直未能找到留住影像的方法。直至1802年,英國發明家Thomas Wedgwood首次使用含硝酸銀(silver nitrate)的感光物質捕捉成像。可是Wedgwood的照片上的影像並不穩定,很快就會消失。1822年,法國發明家涅普斯(Joseph Nicéphore Nièpce)首次使用光刻技術(photolithography)製作出史上第一幅永久照片。自此很多發明家和科學家投入相機和照片的改良,使用的方法亦各有不同。這些研究成果的共通點就是其相片是黑白的。換句話說,仍未有人能夠拍出忠實反映物件色彩的相片。

    前文介紹過1903年諾貝爾物理獎得主享利・貝克(Henri Becquerel)發現了放射性,他的放射性鈾鹽能夠使照相板感光。而他的父親愛德蒙・貝克(Edmond Becquerel)曾在銀板上使用氯化銀(silver chloride)形成一層忠實反映物件色彩的物質。可是,他既不能解釋這個現象,亦找不到方法把這層物質留在銀板之上。Wilhelm Zenker及1904年諾貝爾物理獎得主約翰.斯特拉特,第三代瑞利男爵(John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh)曾分別嘗試以波動學說裡的干涉現象(即在1907年諾貝爾物理奬介紹過的邁克生干涉儀的基本原理)去解釋貝克的實驗。最後在1890年,Otto Wiener用實驗證明了他們的干涉成像理論。

     
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    [李普曼在1890年代拍攝的彩色照片。圖片來源:wikimedia commons]
     
    上述這些方法拍出來的彩色照片因為不穩定,無法長時間留存。1891年李普曼發表了把彩色影像穩定地固定在照相板上的方法。他使用明膠(gelatine,常被用在食物、藥物和化妝品的無味膠質,主要成分為蛋白質)作為溶液,加入硝酸銀和溴化鉀(potassium bromide)。在這溶液背後放一層水銀作為鏡子,把穿過溶液的光線反射回去。來回的光線就會在溶液中互相干涉,形成駐波(standing wave)。

    駐波是波動學說裡的一種現象,不同波長的波形會互相抵捎,剩下的就是相同波長的波。這其實就是管樂的發聲原理,演奏者改變樂器長度製造出不同波長(即不同頻率)的駐聲波。小提琴和結他的演奏者按住弦的不同位置在弦上造出不同波長的駐波,透過空氣把相同波長的聲波送進音箱裡,在音箱中再造出駐聲波,把聲音放大。

    光亦是一種波動,因此以上原理亦適用於光線。不同顏色(即不同波長、頻率)的光的駐波會把溶液中的銀粒子隔開,其間隔對應不同顏色的光的波長。於是,凝固了的箔的不同位置上就帶有對應不同顏色的光的銀粒子間隔。以白色光線照射時,光線會被這些銀粒子反射。除了對應其間隔的顏色的光,其他顏色的光線都會因摧毀性干涉而自我抵消。因此我們就會看到只反映被拍攝的物件的色彩了。

     
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    [兩個傳播方向相反的波(紅色和藍色)干涉形成一個駐波(黑色)。Image courtesy of Wikimedia Commons.]
     
    使用這個方法,李普曼造出無需色素或染料的彩色照片,故此影像亦非常穩定,能永久保留。李普曼的彩色照相技術亦為後世開創了全息攝影技術(holography),使人能在平面上看到立體的影像。

    如同愛因斯坦說過,科學教育的目的並不在於學習很多事實,而在於訓練腦筋去思考。很多我們習以為常的東西,曾經都不存在過。我相信,透過一個科學原理帶出一段科學發展歷史,能使我們學會珍惜。
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