靈機一動：發明家的啟示

牟序
周序
自序

I. 生活篇
1. 發明家的思維：靈機一動
2. 向自然界學習：維爾克(Velcro)的發明
3. 向壁虎學習：乾式黏附物的發明
4. 我的巧克力糖怎麼熔糊了? 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. 影印機與雷射印表機的發明
10. 快速攝影術的發明：看到子彈正穿過撲克牌

II. 生物醫學篇
11. 生命的螺旋 DNA結構的發現
12. 複製又複製：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：小型心臟起搏器的發明
15. 抗生素的研究：盤尼西林舍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、胃癌與幽門螺旋桿菌
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. 意外的產物 — 克維拉 化學家的禮物(1)
22. 意外的產物 — 鐵氟龍 化學家的禮物(2)
23. 意外的發現 — 人造甜劑 化學家的禮物(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 — 朱棣文
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) 環境荷爾蒙 — 從限用塑膠袋說起
(2) 自由基化學與醫學

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克服大自然的工具，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。但人類是千萬年演化過來的動物，在逐步演進的過程中去求適應新的生活環境，許多發明與發現只不過是演進過程中的一個步驟而已。
　
　　本書收集了為期三年（2009年1月至2012年1月）在《科學發展月刊》（國科會刊物）發表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表過的二篇報導：「環境荷爾蒙——從限制使用塑膠袋說起」（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，也促進了人類的福祉。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，達成了新的功能，這就變成一種新科技，也就改變了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，影響了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獎，1956年因發明半導體晶體管（transistor，見第十四和十五章）得獎，1972年因超導體的獨特理論得獎，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，當初可能僅是為了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系教授查利．唐恩斯（Charles H. Townes，1915出生，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獎，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出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，用科學家與發明家的思考做背景，來了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：阿歷山大．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，使得貝爾喜出望外，後來才有行動電話的發明，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，這實驗室開發出無數的發明，貝爾實驗室也曾經培養出六位諾貝爾獎得主。

　　發明家的座右銘——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，如天文學家彭齊亞斯（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獎（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。

　　翻閱許多發明家的身世及科技的發明進展史，我們也發現：發明家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。美國大發明家愛迪生（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了二年的時間，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「需要所策」的動力，加上他的好奇心及不輕易放棄的精神，才使他找到答案—碳絲，這也說明愛迪生一生能擁有約將近一千一百項美國專利的一個原因。他還曾經說：「我曾經試了一千多種材料來做燈絲，但我從未失敗，因為這些實驗告訴我有一千多種材料不是做燈絲的材料。」

　　我們也發現：許多發明家並沒有具備高等教育或學歷，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，而體驗到發明者的最高境界：「我找到了！」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、開發出新科技，正如著名法國科學家巴斯德（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，跟人家做了二年電氣學徒，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，他入美國海軍無線電學校學習無線電工程。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，進一步的許多實驗後證實他的推想，而才提出微波爐的專利申請。

　　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表在《美國國家科學院彙刊》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。