文：羅瑪．艾葛拉瓦（Roma Agrawal）

磁鐵

一天早上，一則消息傳到了電報局。當郵差走進印度孟買我祖父布里吉．基肖爾（Brij Kishore）和祖母昌德拉坎塔（Chandrakanta）與他們四個孩子在海邊的公寓時，他感到喉嚨一緊，因為我祖母拉著他的袖子說：「有塔爾（taar）來啦？！」在一九六○年代的孟買，「塔爾」（電報的意思）的到來通常意味著壞消息。當時鮮少有家庭擁有電話，因此相隔遙遠的家人只能透過名符其實的「蝸牛郵件」來傳遞孩子的近況、廚藝和板球比賽的得分。只有在事情很緊急的時候，才會透過電報來發送消息。

巴布吉（Babuji，爸爸的意思）──我們都這樣叫他──撕開了信封，拿出一張淡藍色的紙，上面黏著白色紙條，紙條上只有三個英文字：ANXIOUS TO RETURN（急於回家）。他看了看妻子，翻了個白眼，向她保證沒什麼好擔心的。

巴布吉的兒子謝卡爾（Shekhar）大學畢業後就到義大利找工作，顯然他不喜歡那裡，想要回家。但巴布吉堅持謝卡爾應該再試一下，於是他穿上拖鞋，走到郵局，用最少的字發出一封電報，因為電報費用並不便宜，是按長度計費。接下來那幾週，有更多電報從義大利傳來，哀求一張回孟買的車票。巴布吉在置之不理了幾回之後終於讓步。他的兒子，也就是我的叔叔，回到了孟買，在那裡度過餘生。

幾近六十年後，疫情封城期間的每個禮拜，我那剛學會走路的孩子都會尖叫著要求：「我現在要跟奶奶說話！」這個身處在疫情裡的孩子，一生中的十八個月都不曾見過她爺爺奶奶本人，因此她想跟奶奶說話的要求立刻就被答應了。我只要在觸控螢幕上用指頭點幾下，一通電話便飛越了大氣層，去到地球彼端，我媽媽就接起了電話。她第一次看到我女兒爬、聽到她牙牙學語，全都是靠智慧型手機彩色螢幕上的實況畫面。

當我停下來回想當時我們能夠如此輕鬆自在地連繫彼此，熬過那段艱困時期，我就會忍不住欽佩我們這一路以來的成就，而且懷著無比的感恩。

我們家族才過了三代而已，就經歷到科技上翻天覆地的改變，就像對整個社會所帶來的影響一樣，這過程中的每一步也都大幅改變了我們的生活：讓我們能跟自己所愛的人交流、創造出一個有著即時新聞的世界，改變了我們的工作方式，也改變了娛樂和被娛樂的方式。雖然視訊電話看似跟電報相差甚遠，但所有這些現代通訊形式都是建立在把訊號從這端傳送到彼端的科學原理基礎上，而且幾乎是瞬間傳送。我們之所以能夠辦到，全都跟磁鐵有關。

磁鐵很神奇，從它們身上輻射出來的磁場雖然看不到，卻是巨大且無遠弗屆的。這門科學很複雜，幾千年來都不被瞭解。事實上，很多物理學家會告訴你，磁力學──尤其是電磁學──仍然未被充分理解。可是至少在我們多少理解之後，就能夠創造出實用的機制。人類利用磁鐵的神奇力量創造出能與其他機器互動、或是能施力在其他機器上的機器，而且這些機器之間的距離遠超出你的想像。

磁鐵──或者說能施加磁力的物體──跟我們迄今為止看到的發明完全不同，它本來就存在於這個宇宙之中。你和我都是磁鐵（非常非常微弱的磁鐵，所以不用擔心，我們不會有突然跟冰箱吸在一起的危險），物質的微小構件──原子──就具有磁性，我們居住的這顆星球也是一塊巨大的磁鐵。

磁鐵跟輪子、釘子和彈簧不同，它是被人類發現而不是被發明的，儘管如此，還是值得在這本書裡大書特書，因為是人類想出方法讓它們發揮出比自然界所能提供的還要大的用途。

幾千年前，我們在周遭自然環境裡所找到的磁力都很微弱而且難以獲取，它們來自於磁鐵礦，後來被稱為磁石，是能在地球上找到的天然礦物，由鐵和氧以及雜質混合而成。它是一種磁性材料，但是存在於自然界的磁鐵礦只有很小的比例具有磁性，因為還需要和磁鐵礦裡面特定的雜質組合，並且得曝露在高溫和有磁場的特定環境條件下。

天然磁鐵這個字眼的出現最早可推溯到公元前六世紀的古希臘，大約在兩百年後，中國人也記載了天然石頭會吸住鐵的現象，後來又過了四百年，中國人開始把這種材料運用在堪輿學裡（一種占卜）。等又過了一千年，進入到中世紀，它才以指南針的形式運用在導航上。宋朝的領航員會把磁石雕成魚的形狀，讓它在水裡自由浮動，它就會始終指向南方，這個知識沒多久後被傳播到歐洲和中東。即便在那時候，我們對天然磁鐵已經有了一千多年的認識，還是無法複製它們，用途也僅限於導航。

磁鐵本身有兩種不同的形式：永久磁鐵和電磁鐵。永久磁鐵就是我們在學校科學實驗裡看到的那種馬蹄型和棒型磁鐵，以及那些用來裝飾我們冰箱的磁鐵。它們有兩極，北極和南極：將兩個磁鐵的南極或北極互相靠近，就會產生推力或斥力（repulsion force），但如果將一個磁鐵的南極與另一個磁鐵的北極互相靠近，就會吸住彼此。

我們花了幾千年的時間才掌握磁力的運作方式，因為這需要先對原子物理和材料科學有先進的認識。一種材料要成為一塊磁鐵，就需要眾多粒子在各種不同規模下以非常特殊的方式運動。讓我們先從環繞原子核的電磁開始說起，電子具有負電荷，也具有物理學家口中所謂的自旋（spin），這說明了它的磁特性。這種自旋會靠著「指向」的不同而在一些原子裡頭徹底抵消掉電子的磁力，使它們變成非磁性。但在其他原子裡，雖然有些電子被排列成自旋會被抵消掉，但不是所有電子都這樣排列，因此還殘留著淨磁力，形成磁性原子。

再來，如果我們把焦點從電子放大到原子，就會看到元素裡頭的原子都是自然地隨機排列，這意味各個原子的磁力相互抵消。但在某些材料裡，有一小部分的原子──被稱為磁域（domains）──會使原子全都朝同一方向排列，使得這個磁域具有淨磁性。但是它們還不算是磁鐵，因為磁域本身通常是隨機排列。

因此要使一種物料產生磁性，多數磁域裡頭的原子都需要靠強烈的外部磁場，或在特定溫度下靠特定順序施加的大量熱能來強制形成磁排列。一旦磁域都指向同一方向，就有了磁鐵。

即便到了今天，仍有人爭論磁鐵礦是如何一開始就磁化，因此人工複製這種磁化向來是種挑戰。某些像鐵、鈷和鎳這類原料所具有的電子排列方式有利於其原子變得有磁性，因此是位在定義明確的磁域裡。我們的祖先曾試著調配這些金屬混合物，並以各種組合方式來加熱和冷卻它們，來找出形成永久磁鐵的最佳配方。他們是成功了，但只限於某種程度，因為他們製造出來的磁鐵，磁力有點弱，而且無法維持長久。

科學方法發展出來的永久磁鐵始於十七世紀，當時威廉．吉爾伯特（William Gilbert）博士出版了《論磁石》（De Magnete）一書，概述他對磁性原料的實驗。到了十八和十九世紀，我們發展出更先進的冶鐵和煉鋼技術，並觀察到某些組合可以製造出更強大或更持久的磁鐵，甚至是兩者兼具，但我們還是沒有真正瞭解箇中原因。十九世紀也見證了電磁學的到來，這個主題我們稍後會再回來討論，但直到二十世紀以及量子物理概念出現之後，我們才懂得定義和充分理解原子和電子，進而製造出強大且持久的永久磁鐵。

我們運用三種原料來製造永久磁鐵：金屬、陶瓷和稀土礦物。第一個重大改良是開發出鋁－鎳－鈷金屬混合物來製造亞力可（alnico）磁鐵，但製作過程複雜又昂貴的。到了一九四○年代，我們將小球狀的鋇或鍶跟鐵壓製在一起，創造出陶瓷磁鐵，這種磁鐵的價格便宜很多，在今天按重量來算的永久磁鐵裡頭，絕大多數都是用這種方法生產出來的。第三類原料是稀土磁鐵，靠像釤、鈰、鐿、鐠等元素製成。

在上一世紀裡發明的這三種永久磁鐵所產生的磁場比以前強大了兩百倍，這種改良過後的效率使得永久磁鐵在我們現代生活的諸多方面開始擔任起重要的角色，譬如一輛汽車就有三十種獨磁鐵的應用方式，使用到的磁鐵數量超過一百個；恆溫器、門扣、揚聲器、馬達、剎車、發電機、人體掃瞄儀、電路和電組件……只要拆開任何一樣，你都能在裡面找到永久磁鐵。

不過就像我們看到的，永久磁鐵和電磁鐵的故事總是交織在一起，而且自從大約兩百年前發現了電磁鐵之後，各種電磁鐵便隨著人類對其運作原理及用途的瞭解，而在我們的偏好清單中進進出出。過去幾十年來，永久磁鐵的普及不僅是拜強度和緊密性不斷增加之賜，也是因為它們不像電磁鐵一樣需要靠電源。不過自十九世紀起，甚至到了今天，在需要巨大磁場的情況下，電磁鐵開始佔據主導地位。我們可以控制它們的強度，在有需要的時候關閉或者增強電磁鐵的磁場。

電磁鐵花了這麼長的時間才出現在這個領域裡的原因是，我們必須先對材料科學、電力、光學，以及電磁的神秘力量有所瞭解才行。只有當我們能夠在原料裡頭移動電子時，我們才懂得如何去創造和改變這種力，並將它運用在科技裡。

電磁力就像重力一樣是自然界的基本作用力之一，它是發生在粒子之間的物理互動，而這些粒子就像電子一樣具有電荷。十八世紀末和十九世紀初的時候，安德烈－馬里．安培（Andre-Marie Ampere）、麥可．法拉第（Michael Faraday）和其他科學家發表了很多關於電場和磁場的理論，這些理論最終被數學家詹姆士．克拉克．馬克士威（James Clerk Maxwell）整合總結進現在被稱之為馬克士威方程式（Maxwell equations）的理論裡。

這些方程式給了我們重要的資訊，於是我們發明了電動馬達，而這些方程式也是輸電網、無線電、電話、印刷機、空調、硬碟和資料儲存裝置的基礎，它們甚至被用來製造出強大的顯微鏡。

移動電荷會產生磁場是這方面科技發展的背後關鍵原理，毋須深入探究複雜的科學，簡單來說電流如果透過一圈導線流動，行為就會像磁鐵一樣。要是你改變強度，也會改變磁鐵的強度。反之亦然，在導線附近施加可變磁場，就會在導線裡創造出電流。以此科學原理為基礎的實驗已經證明，當電荷（像電子一樣）在磁場裡移動時（不管是自由移動還是在導線裡移動），都會感受到推力。

對電磁力的研究使我們得以界定出電磁波的現象，你可以把電磁波想成是電場和磁場之間相互作用下，力的流動所造成的波浪。當我們能夠將光量化成電磁波時，我們對光的認識就成倍增長了（更多內容請見下一章）。而且除了可見光之外，我們還發現了一整套電磁波譜，從無線電波（波長最長）到伽馬射線（波長最短）。還有這些波可以透過不同方式來運用：我們的長程通訊技術正是建立在電磁學和電磁波的基礎上，全球各地無數的人──像我叔叔這樣的重度電報使用者──都是利用這種技術在跟所愛的人分享消息。

書籍介紹

本文摘錄自《小零件改變大世界：釘子、輪子、彈簧、磁鐵、鏡片、繩子、泵浦，七種細小發明如何成為現代文明的重要推手？》，臉譜出版

作者：羅瑪．艾葛拉瓦（Roma Agrawal）
譯者：高子梅

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🔩2023英國皇家學會科學圖書獎入圍作🔩
🔩現代世界不為人知的小小零件，如何從根本上改變了我們的生活？🔩

💡七種建構現代文明的細小發明

在人類文明漫長的歷史中，許多矚目的發明與創新相繼誕生，讓我們今天得以過上舒適的生活，並能享受科技發展帶來的便利。

論及人類最偉大的工程奇蹟，我們可能首先會想到許多恢弘的建築物或精密的機器。這些成就固然令人讚嘆不已，但其實一些微小而簡單的結構零件更值得我們關注，因為改變世界的往往是這些小零件，它們是文明與科技的基石，若沒有它們，現代世界賴以運作的各種事物將不復存在——

🔩從輕型飛機到越洋船艦，人類能夠上天下海，全是小小釘子的功勞？
🛞輪子怎樣開啟了人類的探險時代，讓我們的足跡遍布地球，甚至踏足宇宙？
➿被隱藏起來的彈簧，如何使摩天大樓拔地而起，並形塑今天的城市生活？
🧲不只是導航，磁鐵還幫助我們打破空間限制，讓距離不再窒礙溝通與交流？
🔎鏡片如何促進醫學變革，讓人類掌握生命密碼，甚至讓創造生命變成可能？
🪢兼顧實用與美學功能的繩子，數千年來也為我們提供了心靈上的療癒？
⛽從取水工具到人工心臟，人類如何發明出各式各樣的泵浦來延續與挽救生命？

《如何在果凍上蓋城市？》的作者、曾參與建造西歐最高建築物碎片塔的結構工程師羅瑪．艾葛拉瓦，將帶領我們走進工程學的微觀世界，一睹七種不顯眼、卻又無處不在的基本零件，如何成就各種奇蹟，推進人類文明的發展。

💡被埋沒在歷史中的發明家故事

「他們來自於世界各地，也來自不同的時代，
他們是讓電流通過自己雙手的醫師、用顯微鏡研究自己精子的商店老闆、
接受豬心移植的病患、對破掉的餐盤感到沮喪的家庭主婦……」

在人類發明與創新的歷程中，不乏知名於世的傑出工程師和科學家，但也有更多締造了卓著成就的人物，卻因為時代環境或身分所限而默默無聞。羅瑪在本書中為我們重新講述了這些鮮為人知的故事，以及他們對於工程學和這個世界舉足輕重的貢獻。

工程學可以揭露我們過去的模樣，把人類的歷史告訴我們，亦能反映我們當下的面貌。如果能理解我們所製造出來的東西如何運作，它也將成為我們通向光明未來的引路者。

本書將從小處開始，為你打開那些表面看來高深莫測的東西，並期望能再一次點燃你對探索各種人類創新發明的好奇心，進而啟發你深入複雜但引人入勝的工程學世界。

Photo Credit: 臉譜出版

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責任編輯：馮冠維
核稿編輯：翁世航