學習的本身是喜樂的，從不知道變成知道從不了解，變成瞭解心靈的解放和快樂，就是學習本身最好的回報。現在讓我們跟著物理學家高文芳教授一起走入百年科技發展的歷史脈動，只要用心聆聽，您也可以發現生活周遭到處都有讓我們感動的科技與科學的美妙故事。
各位聽眾朋友，大家好、歡迎收聽，每週四晚上6點到7點的百年科技節目，我是主持人高文芳。
學生常常會問我物理界，是不是也有4大天王，沒錯，我們物理界也有4大天王，是物理發展史上，最重要的物理學家，如果要我要點4個人的話，第一個、最重要的、物理學家，當然就是伽利略，是1564年到1642、伽利略是第一個說我們來做實驗吧，所以他是物理學的始祖，從他開始才有真正的物理學學，有很多重要的貢獻，比方說他把天文望遠鏡往天空看，也發現單擺的等時性，很多重要的物理現象都是從他開始，做重要的累積。第二個天王就是牛頓，沒有錯，牛頓是1642到1727年，他有幾個非常重要的貢獻，就是他把所有的運動定律整合成我們現在所熟知的牛頓運動定律，還有萬有引力就是他發現的，還有微積分也是他介紹進物理界的。牛頓常常說他是站在巨人肩膀上的巨人，對我們來講牛頓也是巨人。他說，他可以看得很遠，是因為他站巨人的肩膀上，牛頓對我們來講，也是巨人，所以牛頓其實就是站在巨人肩頭的巨人。
第3個偉大的物理學家就是馬克士威，馬克士威生於1831年、卒於1879年，，物理會界有一個常見的笑話，說馬克士威早年因為馬克斯常常被查禁，晚年，因為有個人在賣咖啡而遠近馳名。馬克士威找到電磁學裡，重要的、少掉的一個拼圖，找到這個拼圖以後就統一了電磁場，最重的貢獻之一，就是發現光波也是電磁破，是認識電磁學非常重要的發現。也是楊振寧可以揭開強作用力，弱作用力神秘面紗的一個重要基礎，。
最後一個重要的物理學家當然就是愛因斯坦，生於1879年卒於1955年，愛因斯坦號稱人類有史以來最聰明的腦袋，不只是最聰明的腦袋，狄拉克、重要的物理學家迪拉克就說，愛因斯坦如果沒有寫下特殊相對論，那個時候的物理學已經相當成熟，也許再等個一二十年，就會有另外一個物理學家寫下特殊相對論，但是愛因斯坦如果沒有寫下廣義相對論的話，人類可能要再等100年到200年，才會有另外一個物理學家有辦法寫下廣義相對論，所以稱他是最聰明的腦袋，一點也不為過。
愛因斯坦不是最友善的、不只是最聰明的腦袋，而且他是最友善的前輩，他幫助了很多年輕人的物理學家，，跟我們的牛頓有點不太一樣，不管牛頓做什麼物理，都有人爭說這個東西是他的原始貢獻，每個人都跟他有爭執，那我們的愛因斯坦，常常扮演的角色，是幫助一些年輕的物理學家，有很多重要的發展、重要的突破，愛因斯坦協助年輕人的足跡都有在就在那個地方出現，所以愛因斯坦其實是近代物理的推手。很不幸的，愛因斯坦也是最懊惱的先知，他最有名的方程式是就是質能公式，E=mc square，很不幸的，和原子彈扯上關係，愛因斯坦在晚年覺得非常非常的懊惱。
提到這個4大天王，最有意思的事情，就是物理界的人可能都知道伽利略，生於哪年、卒於1642年，那年非常奇妙的，就是牛頓也在1642年出生，然後更有意思的是，剛剛有提到，馬可士威是1879年過世了，沒有錯，我們偉大的愛因斯坦也是在1879年出生。在物理界常會傳頌這個奇怪的、因緣的巧合，，那比較有趣的是，物理學家雖然是在做科學，可是很多人也是對這種東西非常的好奇。其中大家都知道，伽利略是1642老去，同在那一年，牛頓出生。不過，大多都只知道偉大的物理學家、科學家的生卒年，很少人會知道這些偉大的物理學家的生日、卒日，不過有一個人的逝世紀念日，大部分物理學家都知道，那就是伽利略在1642年的1月8日。
為什麼大家會知道呢？那是因為英國的國寶虎金，坐在輪椅上的英國國寶虎金，他出生你1942年1月8號，那就是伽利略老去後300年，整整300年，大家會知道的原因就是因為，虎金一天到晚在講，說他在伽利略走後300年出生，表示他和前輩有非常不尋常的因緣的關係。大家都知道，史提芬虎金是英國坐在輪椅上的國寶，虎金出生於1942年1月8日，1942年出剛好是2次世界大戰，德國開始要轟炸英國的時候。虎金的爸爸原來住在北倫敦，因為2次世界大戰，德國開始要轟炸，所以他們就搬到牛津去住。，因此虎金就出生在牛津。或許大家都知道他坐在輪椅上，在1963年，他20歲的時候被診斷，得了肌肉會有逐漸萎縮ALS的疾病，現在大家稱為漸凍症的疾病，因為洋基的全能球星賈魯格也得到同樣的症狀，所以有時候大家會把這個漸凍症稱為我來賈魯格症。
1963年虎金20歲的時候，就得到這個肌肉萎縮的疾病縮，醫生跟他說他可能只剩下半年到兩年的壽命，虎金得到這個消息以後，開始就覺得他人生有3件大事還沒有完成，第一件事，就是他，還沒結婚，於是在1965年，他就跟的女友求婚，他的女朋友拿也很勇敢的答應。第二件大事就是還沒有生小孩，於是就在1967年生了一個孩子，鞥。第3件他還沒有做的大事，就是他還沒有好好的讀過書，這個跟一般人的認知是不太一樣，偉大的人可能就是這個樣子。所以他就選擇要做廣義相對論，我在寫這個故事時，大家都知道虎金還是活得好的，我常常給學生講物理是不老仙丹，如果你想要長壽，最好的方法就是來念物理，唸物理就會讓你長壽。虎金是非常、非常厲害的物理學家，可是很多人其實只知他，這個非常有成就，當他在1963年、20歲的時候被診斷出得到肌肉會逐漸萎縮的漸凍人症，醫生說，他只剩半年到兩年的時間。
在經歷一段徬徨的日子後，他選擇珍惜生命最後的每一天，不但讓世人見證他神奇的天分，也在2012年初慶祝70大壽時，讓大家見證神奇的生命與活力，大家可能被虎金的生命和天才感動，但是剛得知他自己得到絕症的當下，除了他自己無法接受之外，最煎熬的是他的父母。據說，他的父親比虎金本人更晚，才有辦法走出傷痛，現在，科技發達，我們可能可以在遺傳工程的協助，在被胎時期就預先得知贏得成長後的基因缺陷，但是人是人類，還不知道智慧如何來的前提下，很多父母可能會做出做出困難，而且錯誤的決定，這樣子，我們這時代巨人很可能還來不及出世，就掰掰了。
虎金的傳奇故事，讓我們見證時代巨人的神奇故事，也讓大家對生命有更深層的認識，先和聽眾朋友分享到這裡，我們先休息一下，等會再回到百年科技的節目現場。
除了這個4大天王之外，卡諾了其實是物理學界最重要的一個物理學家，卡諾所做的貢獻，就是發現熱力學第二定律的前身。底下要跟大家分享的是熱力學的故事，這個故事是這樣，有位民眾，大家可能在電視上看到這個一個故事，這位民眾到賣場，買了一個很好的、很創新的冷氣機。回到家以後，他把冷氣機像電視機一樣，擺在客廳中央，直接插電以後才發現一點也不冷，而且等越久整個房間越來越熱。
其實大家可以做一個的類似的小實驗，證明冷氣機其實只是一個電暖器，證明這個世界上根本沒有冷氣機，我們所知的冷氣機根本只是一個電暖器，只會增加環境的溫度，不會降低整個環境的溫度。
每個人都可以在家裡做一個簡單實驗，把客廳所有出入口全部關閉，然後把冰箱的門打開，不用多久，大家就可以見證我所說的事實，冰箱不但不冷，客廳也會越來越熱。對整個客廳而言，對整個大環境而言，冷氣機和冰箱只能加溫，無法降溫。
揭開這個神秘面紗的物理學家就是卡諾，這個物理就是熱力學最重要、最偉大的成就與發現，每個複雜的運動狀態，都可以化約成一個引擎，比方說，人體也可以看成是一個引擎，引擎工作時，一定會有一個高溫區和一個低溫區。
高溫區像蒸汽鍋爐一樣，產生高溫蒸氣，可以推動引擎的飛輪來對外界做功，低溫區就是引擎的冷卻系統，可以帶走引擎或機械工作完成後，多出來的廢棄物，就是沒有辦法用來有效施力的廢棄熱量，就像人體一樣，溫度較高的體溫就是高溫區，人體利用食物的熱量來維持高溫，也可以驅使肌肉做功，最後一定會利用流汗，把廢熱排出體外，而身體周遭的空氣就是我們的低溫區、冷卻系統，在低溫的冷氣室內，我們會感覺工作效率比較好，在高溫的豔陽下，我們會覺得容易疲勞、倦怠。
這個現象的原因，和很多物理學家，或工程師，心中最想回答的疑惑，有著相同的答案。卡諾想回答的問題，一開始並不是有關於冷氣機的問題，而是想了解一個物理學界、工程界共同的疑惑，那就是到底是否存在一種，工作效率是百分之百的引擎？
這個是所有物理學家、工程師想要回答的問題，這個工作效率百分之百的引擎，就是我們所謂理想的引擎。理想的引擎就是能夠把輸入引擎的能量，全部用來做功，全部用來讓機器運轉，而不會產生任何廢棄物，或者任何廢棄的熱量，也就是不需要冷卻系統來帶走廢棄的熱量，也就是說，一個理想的引擎，就是一個不需要冷卻系統的引擎。
卡諾把所有的引擎簡化，找出一種效率最好的引擎，他發現，所有引擎一定會有一個高溫區，高溫期可以把熱量輸入引擎，推動引擎來做功，讓機器可以運轉。卡諾也發現，引擎一定需要一個冷卻系統，將引擎做功後所產生的廢熱帶走，任何機械運作後都會發熱，散熱就是冷卻系統的工作。
卡諾的發現就是引擎，工作完一定會產生沒有用的熱，沒有辦法不產生這些沒有用的熱，所以一定需要有一個冷卻系統把這些沒有用的熱帶走，也就是說，任何一種引擎，一定會產生廢棄的熱量，一定需要一個低溫區來帶走這些形同垃圾的廢棄物、熱量，才能夠讓引擎正常的運作。
所以卡諾的發現就是，引擎有一個高溫區，有一個低溫局，高溫區輸進去引擎的能量，有一部分會變成廢棄的垃圾，由低溫區的冷卻系統把他排出去，也就是沒有任何辦法把所有的能量用來做功，也就是說，引擎的效率不可能是百分之百，一定需要一個冷卻系統，把引擎所產生出來的一些廢熱帶走。
事實上卡諾還算出最有效率的引擎的效率，這個引擎後來被稱為卡諾引擎。卡諾算出卡也諾引擎的效率公式，非常簡單，這個卡諾引擎的效率，就是等於百分之百減掉耗損，而耗損就是低溫區的絕對溫度和高溫區的絕對溫度的比值，絕對溫度就是攝氏溫度再加上273度，也就是說，冷卻系統的溫度和高溫區的溫度差別越大，損失在冷卻系統的垃圾，或是廢棄的熱量越少，代表更大比例的能量會用來做功。
希望引擎的效率越好，如果無法改變高溫區的溫度，我們只要設法降低低溫區的溫度，就可以提高引擎的工作效率。冷卻系統的低溫區的溫度越低、高溫區的溫度越高，引擎的工作效率越好，這個就是卡諾的發現。
這件事情，其實，其實很容易理解，因為人體本身也可以看作一個引擎，高溫區就是38度的體溫，低溫區的冷卻系統就是身體周遭的氣體，也就是說高溫是體溫，低溫是環境的溫度。我們吃進食物幫助身體維持體溫，高溫區就有能量輸入肌肉，就可以用來收縮肌肉讓身體運動，身體運動後就會產生垃圾或廢棄的熱量，就由血液流動、汗水排出體味，利用體外的空氣來做冷卻，體外的低溫區溫度越低，我們會感覺比較舒服，主要的原因就是低溫區的溫度越低，引擎的工作效率，也就是身體的工作效率越高。反之，氣溫太高，我們很容易感到疲勞、倦怠，就是因為冷卻系統的溫度是在接近體溫下工作，工作效率奇差無比，這樣子就很容易感覺非常的疲勞。用這樣子的說法，用這樣的說明，我們很容易就能了解，低溫區的溫度越低，工作效率越好的原因，先和聽眾朋友分享到這裡，我們先休息一下，等會再回到百年科技節目的現場。
歡迎回到百年科技節目現場，我是主持人高文芳。
卡諾，1979年生在巴黎，他的父親是法國重要的將領，同時也是知名的幾何學家。卡諾的父親在1815年拿破崙戰敗後，老卡諾只好逃亡，小卡諾也只好離開軍職，從這個時候開始，專心他的學術研究。那個時代的學者，不少人都在軍中參職，是一個非常奇特的歷史現象。
卡諾是在1824年寫下一本書，書名是火力引擎的探討，其中最重要的結論之一，就是我們剛剛講到的這個效率公式，低溫區的溫度越低引擎的工作效率也好、不可能有不產生廢熱，不可能有不需要冷卻系統的引擎的公式。這個效率公式後來發展成熱力學第二定律，是熱力學第二定律的全身。第二定律也可以說，就是不存在工作效率百分之百的引擎，有點可惜的是卡諾，希望在科學上有有什麼突破，希望證實法國人也是高度文明國家的原動力，傳說和拿破崙打敗戰有關。傳說拿破崙戰備之後，卡諾認為，法國積弱不振的原因，是因為法國不重科技，因為法國不重視科技的發展，讓卡諾發誓，在有生之年，一定要在科學史上留下重要的成果，讓法國人可以抬頭挺胸。可惜的是，這個重大發現的原動力，竟然是拿破崙。
其實卡諾所做的貢獻主要的功能有兩個，第一個，他發現沒有百分之百功率的引擎，而且高溫區其實不能太高，高溫區如果太高，引擎可能會燒壞溫區的溫度其實也不能太低，因為零件可能會沒辦法工作，就像人體外的氣溫太低，人體其實會凍壞。
然後發現的第二個貢獻，其實應該向台電收取版權税，因為卡諾發現這件事情，台電才有法向客戶收費。卡諾發現發現能量有兩種，一種是有用，或者我們稱為有方向性的能量，一種是沒有用，或者我們稱為沒有方向性的能量。高溫區所產生的這個能量，可以用來做功的原因是這些能量會往低溫區流動，是有方向性的能量，所以可以說是有用的能量，而低溫區要排出去、冷卻系統要帶出去的、廢棄的熱，就是沒有用的熱、沒有用的能量。
所以電力公司他不賣電，也不賣能量，賣的是有用的能量。台電要理解這點，才有辦法向他的客戶收錢，因為台電的人，如果跟你說他賣電給你，你可以告訴台電，有多少電流到我家，就有多少電流回台電，所以說用多少電就全部還給台電，不用花錢跟他們買電。如果台電變聰明，說他賣你的是能量，也可以告訴台電，能量是守恆的，百年之後，我們來做一個總結，我可以把所用到的能量全部都返還，所以你也不用付錢給台電。
其實卡諾幫台電解圍，因為台電賣你的是有用的能量。
卡諾的定律，就是說引擎工作一定會有廢棄熱產生，也就是人體一定要流汗，一定要有一個冷卻系統，把不需要、把用不到的垃圾熱量帶走。
冷氣機就是一種我們剛剛提到的引擎，這種機器其實是一種電暖器。冷氣機其實就是一個引擎，他想做的事情是把室內過多的熱量，排出室外，可是在做這件事情的過程中，從低溫區吸收的熱量，連同引擎輸入的能量所產生的廢棄熱量，一起丟到室外。在封閉的室內，你會覺得溫度下降或一直維持在低溫，但是在室外的人就倒楣了，不但要接受你家丟出來的溫差，也就是你家的溫度降低了的這個溫差，還要接受冷氣去引擎所製造的垃圾，所以整體來看，沒有冷氣機只有暖氣機。
所以在酷熱的暑假開冷氣，只是一個很不好笑的笑話，就像剛剛提到在客廳放冷氣的故事，看起來很可笑，其實不然，因為大家都是50笑百步。
我們要看看台北市，他是一個盆地，大熱天，昨天每個人都在室內開冷氣，固然降低室內溫溫度，可以讓人體的引擎工作的效率提高，但是，整個台北盆地密不通風，每個人都開台冷氣，其實就是每個人都開一台暖氣，室外溫度越高，冷氣機的效率也就越來越低，只好拼命的耗電，變成惡性循環，所以大家都是50笑百步。
卡諾的發現讓我們能了解，冷氣可能是人類最聰明的發明，讓人類在這低溫的時候，提高人體工作效率，冷氣也可能是人類最愚蠢的發明，取捨之間，實在兩難。把自己不要的熱，從室內丟到室外，汙染外面的環境，這樣的行為有人認為，就只是人類生存，甚至是所有生命，尤其是動物生存的行為模式，難怪有人說人類是地球上的最大病毒，不但不事生產、不斷侵犯其他物種生存的空間，更在地球上，製造各種垃圾，最後還危害自己的生存。
人類科技最大的挑戰，就是我們到現在還不知道要如何有效的儲存能量，但是上帝早就幫我們準備好了最好的能源的儲存方式，那就是一地球的生鮮超市。上帝、太陽釋出的能源，有效的利用光合作用，藉由綠色植物的運作，將能源活生生的儲藏在多元的生態體系。
在這個巧妙的生態平衡體系，所有生命都各取所需，一起分工，一直維持，系統的平衡，一旦有一個物種從這個平衡系統取得過多的資源，取得過多的能源，過度的把有用的能源變成沒有用的垃圾，這個巧妙的平衡系統就會失衡。
冷氣機，可能是人類最聰明的發明，同時也可能是人類最不可原諒、最愚蠢的發明，然而每一件事都有正反兩面，不會只有正面，沒有反面，也不會，只有反面、沒有正面。當人類的生活，因為科技文明的介入，得到很多的便利。然而，在便利的另一面，卻可能是更多的污染，
幸好人類早就發現正常兩面的普世性，也就因為如此，我們可以很幸運的聽到各種反省的聲音。有個朋友看到魚缸裡頭的魚吃在那裡，拉也在那一方小小的水池裡，對小魚兒投以無限的同情。我們其實也很像小魚兒，大家的食衣住行，通通在地球表面，非常有限的空間裡，所幸的是某種動物的垃圾是其他動物的食物，上帝巧妙的把多元的生命，巧妙的分佈在小小的地球、生態體系，只要我們小心謹慎，不要過度消費者地球，相信人類一定可以在大自然的平衡裡，找到和所有生命共存共同的答案，因為時間的關係，今天在節目已經接近尾聲，謝謝聽眾朋友的收聽，大家千萬別忘了，鎖定每週四晚間6點到7點的百年科技節目，我是主持人高文芳，我們下週再見囉。
本節目由佩錦科技贊助播出佩錦科技 titc 引進優質的德國科技文化,融合美國成熟理性的策略，成功將台灣人的智慧銷到歐美，日頂級公司，願將上帝豐盛的恩典獻給我們熱愛的祖國台灣。
