Tien T. Tsong - Academia Sinica

phys.sinica.edu.tw

Tien T. Tsong - Academia Sinica

Science

Development, Methods &

Achievements

科 學 的 發 展 、 方 法 與 成 就

Tien T. Tsong

鄭 天 佐

Institute of Physics, Academia Sinica

Some of the materials presented are from talks of

Ismail Serageldin

Director of the Library of Alexandria

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Bibliotheca Alexandria (3 rd C BC to 4 th C AD) rebuild in 2002 with

$600 Millions contributions from UNESCO, France, German, Japan etc.

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Science: Western History

Egyptians 埃 及 人

Greeks 希 臘 人

Why No Romans? 為 什 麼 沒 有 羅 馬 人 ?

Arabs 阿 拉 伯 人

Europeans 歐 洲 人

Spread to the Entire World 擴 散 至 全 世 界

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Imhotep (~2600 BC)

• Builder of the

Saqqara Pyramid

• God of Medicine

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Love of After Live

2630 BC

Great Engineering: 100,000 workers, 2,300,000 blocks of stones, each weighs Tien 2-4 T. Tsong tons


Source: Science in Ancient Egypt, by Geraldine Woods, 1998.

Mummy 木 乃 伊

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4500 year old false teeth

held together by gold wire

古 埃 及 以 金 線 固 定 假 牙

Photo of Time Magazine

( 好 相 片 勝 過 千 言 萬 語 )

中 國 農 村 (Time 03/06)

埃 及 未 有 拔 牙 技 術 , 牙 痛 吃 草 藥 , 但

巴 基 斯 坦 古 代 墓 地 發 現 九 副 9000 年 前

前 Source: 頭 顱 Science , 有 in 11 Ancient 顆 臼 Egypt, 齒 by 上 Geraldine 有 鑽 洞 Woods, 痕 跡 1998.

現 在 城 鄉 差 距 嚴 重 , 但 鄉 下

也 有 拔 牙 技 術

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Source: Science in Ancient Egypt, by Geraldine Woods, 1998.

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The Great Pyramid (~140 m in height, 2551 bc-2528 BC)

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The Great Pyramid was

built during Khufu’s reign.

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埃 及 古 墓

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星 座 圖

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House Clocks

For Night and Day

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古 埃 及 已 有 十 進 制 和 數 目 字

Source: Science in Ancient Egypt, by Geraldine Woods, 1998.

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The Rhind Papyrus 紙 ( 莎 ) 草 紙 書

1650 BC, Mathematical Puzzle 數 學 難 題 , 數 學 謎 題

Written some 3650 years ago, copied from a

work about 400 years older

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圓 周 : π = 3.16049

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Passing the torch to Greece

• Many of the great Greeks (e.g. Plato,

Pythagoras) visited Egypt to learn from its

temples, and soon they built the great

edifice of learning in ancient Greece that

we all admire to this day.

• 火 炬 傳 至 希 臘 :

很 多 偉 大 希 臘 學 者 如 Plato,Pythagoras 曾

經 訪 問 埃 及 , 學 自 廟 宇 , 他 們 很 快 建 立 至

今 我 們 推 崇 的 古 希 臘 文 明 。

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Pythagoras

582-500 BC

Source: Milestones of Science, Curt Suplee – National Geographic society, 2000.

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陽 曆 ,365 天 6 小

時 , 幾 何

Thales

(~600 BC)

Eudoxus

(~380 BC)

人 際 和 社 會 倫 理

Source: Milestones of Science, Curt Suplee – National Geographic society, 2000.

Confucius

(~500 BC)

Socrates

(~440 BC)

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Democritus (~460 BC)

Leucippus (~5C BC) Epicurus (341-271 BC)

原 子 論 : 宇 宙 除 了 原 子 之 外 只 有 虛 無 一 物 的 空 間

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Plato (428-347 BC)

Aristotle (384-322 BC)

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Love of Creating New Knowledge

Greek Philosophers and Scientists

Propose, discuss, debate, teach & learn

Source: Milestones of Science, Curt Suplee – National Geographic society, 2000.

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The Ancient Library

of Alexandria

古 亞 歷 山 大 古 圖 書 館

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Love of

Conquest

Alexander

the Great

356-323 BC

King of

Macedonia

Founded Port of

Alexandria

建 立 亞 歷 山 大 港

population of

~300,000

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Modern Map of the Ancient Western World

Macedonia

600 miles

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280 BC

Population:

~300,000

Light house:

143 m tall

One of the 7

wonders of

the world

Destroyed by

earthquake in

14 th C.

亞 帝 扶 植 了

Ptolemy 王 朝

Von Erlach 1721

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Library of Alexandria

Founded by Ptolemy I Soter, king of

Egypt around ~3 rd CBC

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Love of Learning

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The library

held about

700,000

scrolls,

arranged in

storage

racks

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700,000 Scrolls

7- 8 scrolls = 1 book of 300

octavo pages

猶 太 福 音

3 or 4 AD

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Love of Knowledge:

Incoming ships are

searched for books

and copied.

來 船 要 先 被 搜 查 , 書

本 先 抄 下 後 才 歸 還

1 st library & multiversity of the world

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The Ancient Library

Married Greek and Egyptian

Science with Asian Elements Added

亞 歷 山 大 古 圖 書 館 結 合 古 希 臘 和 埃 及 科

學 , 並 具 東 方 色 彩

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The Ancient Library

Then Produced An Explosion Of

Knowledge Unmatched in History

亞 歷 山 大 港 古 圖 書 館 激 發 了 史 上

無 可 比 擬 的 知 識 遽 增

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sun

ARISTARCHUS

(310 BC – 230 BC)

地 球 繞 著 太 陽 轉 學 說

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Hipparchus

2 nd Century BC,

calculated the

length of the year

to within 6 1/2

minutes, compiled

the first known star

catalog, and made

an early

formulation of

trigonometry ( 計

算 一 年 天 數 , 紀 錄

星 譜 , 創 造 三 角 ).

張 衡 ( 東 漢 ,78-139 AD), 地 震 儀 , 渾 天 儀 ~130 AD

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Eratosthenes

(276 BC-194BC)

• Third Director of

the Library

• Brought

Archimedes

• 錯 誤 : 鍊 金 術

• Tasked

Callimachus

• Beta Scholar

• Father of

Geography

• Grammarian

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Eratosthenes As Astronomer

• Measured the distance to the sun as

804,000,000 stadia ( 測 量 地 球 到 太 陽 之 距 離 )

• Measured the distance to the Moon as 780,000

stadia. ( 測 量 地 球 到 月 球 之 距 離 )

• He computed these distances using data

obtained during lunar eclipses. ( 從 月 蝕 時 得 到

的 數 據 計 算 而 得 這 些 距 離 )

• Measured the tilt of the Earth‘s axis with great

accuracy obtaining the value of 11/83 of 180 ,

namely 23 51’ 15“. ( 測 量 地 球 自 旋 角 度 )

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Eratosthenes

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How accurate?

• Circumference of the earth: 250,000 stadia

@ 157.2 m = 39,300 Km

98.25 % of present value

• Distance to the sun: 804,000,000 stadia @

157.2 m = 126 million Kms

84.25% of present value

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Eratosthenes Maps The world

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Claudius Ptolemy

(65-125 AD)

地 球 中 心 論

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The Earth At The Center Of The Cosmos

Source: Milestones of Science, Curt Suplee – National Geographic society, 2000.

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Established the calendar

• The year 365.25 days long

• Leap years

• Became the basis for the

Julian calendar

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Euclid

(~300 BC)

Greek, but taught

geometry in

Alexandria.

13 volumes

Elements

mathematics

books

Source: Milestones of Science, Curt Suplee – National Geographic society, 2000.

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Euclid --

Elements of Geometry

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n 角 形

讓 n 趨 於 無 限

大 , 可 求 π 值

π 是 希 臘 文 圓 周

的 第 一 字 母

Archimedes (287-212 BC)

Educated in Alexandria

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浮 力 = 排 除 之 水 重

Source: Milestones of Science, Curt Suplee – National Geographic society, 2000.

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Source: Milestones of Science, Curt Suplee – National Geographic society, 2000.

摃 桿 原 理

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Source: Milestones of Science, Curt Suplee – National Geographic society, 2000.

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五 結 鄉 利 澤 國 中 從 書

中 記 載 , 委 託 廠 商 重

製 2000 多 年 前 希 臘 科

學 家 阿 基 米 德 抽 水

機 , 引 水 灌 溉 農 園 。

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Herophilus

335-280 BC

Father of

Science

Anatomy

Conducted

detailed postmortems

and

identified parts of

the brain and the

circulatory

system

屍 體 解 剖 學 , 腦

與 循 環 系 統

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Galen served as a doctor to gladiators in Pergamom

(Turkey). 有 沒 有 把 活 人 當 死 馬 醫 ?

Source: Milestones of Science, Curt Suplee – National Geographic society, 2000.

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Dioscorides

Herbarium

• Eminent figures

relied for

centuries on this

catalogue of

herbal treatments

中 草 藥 或 漢 藥

動 物 生 病 也 會 找 草 藥

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真 正 歷 史 比 小 說 或 戲 劇 有 趣

Julius Caesar 凱 撒

100-44 BC

Cleopatra 埃 及 豔 后

69-30 BC

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Love of Power

Assassination of Caesar (100-44 BC) by Cassius & Brutus Tien T. Tsong


Love of Books & Knowledge:

Mark Antony Gives Cleopatra a Gift

of 200,000 Scrolls from Pergamom

Cleopatra

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Die for Love?: Mark Anthony (83-30 BC) & Cleopatra (39 yr old)

Ptolemy 王 朝 從 此 滅 亡

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30 BC-200 AD

• Egypt becomes a Roman Province

(Octavian/Augustus 30 BC) 成 為 羅 馬 帝 國 一 省

• Emergence of Christianity, St. Marc preaches in

Alexandria mid 1 st C AD 基 督 教 的 進 入

• Persecution of Christians in Egypt 基 督 徒 被 迫 害

• Riots, fires, civil strife in late second and early third

centuries 動 亂 與 大 火

• Arab influence & rule 阿 拉 伯 勢 力 的 引 入 與 統 治

~120 AD

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Reassembling The Lost Knowledge

重 新 尋 找 收 集 遺 失 的 知 識

• Al-Ma’amun and Beit Al Hikma

• Enormous support for learning

• Huge translation program

• In 70 years, Arabic would become the

language of learning

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Reassembling Lost Manuscripts

蔡 倫 造 紙 :105 AD

第 八 世 紀 傳 至 歐 洲 , 第 九 世 紀 自 己 製 造

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Source: Milestones of Science, Curt Suplee – National Geographic society, 2000.

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Source: The Oxford Dictionary of Islam, Edited by John L. Esposito. Oxford University Press, 1999.

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Dioskorides’

medicinal

plants

Translated in the

9 th Century,

recopied many

times (this copy is

from 11 th Century)

Source: The Oxford Dictionary of Islam, Edited by John L. Esposito. Oxford University Press, 1999.

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Medieval

Libraries

Flourished

中 世 紀 圖 書 館

興 旺

(note stacks of

books in alcoves)

Source: The Oxford Dictionary of Islam, Edited by John L. Esposito. Oxford University Press, 1999.

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The 9 th Century Revival

文 化 在 阿 拉 伯 興 旺

• Jabir Ibn Haiyan (Geber) - Chemistry - (Died 803 C.E).

• Ali Ibn Rabban Al-Tabari - Medicine, Mathematics,

Calligraphy - (838-870)

• Al-Razi (Rhazes) - Medicine, Ophthalmology, Smallpox ,

Chemistry, Astronomy - (864-930)

• Al-Farabi (Al Pharabius) - Sociology, Logic, Philosophy,

Political Science, Music -(870-950)

• Abu Al-Qasim Al-Zahravi (Albucasis) - Surgery, Medicine

- (936-1013)

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Jabir Ibn Hayyan

• Jabir Ibn Haiyan

(Geber) - Chemistry

- (Died 803 C.E).

• Alchemy and

Chemistry

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Al Razi

• Al-Razi (Rhazes) -

Medicine,

Ophthalmology,

Smallpox ,

Chemistry,

Astronomy - (864-

930)

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Farabi

• Al-Farabi (Al

Pharabius) -

Sociology, Logic,

Philosophy,

Political Science,

Music -(870-950)

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Zahravi (936 – 1013)

• Abu Al-Qasim Al-

Zahravi

(Albucasis) -

Surgery, Medicine

- (936-1013)

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The 10 th –13 th Centuries

from Persia (Iran) and Iraq

• Muhammad Al-Buzjani - Mathematics, Astronomy - (940-

997)

• Abu Raihan Al-Biruni - Astronomy, Mathematics,

determined Earth's circumference - (973-1048)

• Ibn Sina (Avicenna) - Medicine, Philosophy,

Mathematics, Astronomy - (986-1037)

• Omar Al-Khayyam - Mathematics, Poetry - (1044-1123)

• Nasir Al-Din Al-Tusi - Astronomy, Non-Euclidean

Geometry - (1201-1274)

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Buzjani

• Muhammad Al-

Buzjani -

Mathematics,

Astronomy - (940-

997)

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Al Biruni

• Abu Raihan Al-Biruni -

Astronomy,

Mathematics,

determined Earth's

circumference - (973-

1048)

• Some time after 1017

he went to India and

made a

comprehensive study

of its culture.

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Khayyam

• Omar Al-Khayyam

- Mathematics,

Poetry - (1044-

1123)

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Rubaiyyat ( 詩 )

Omar Khayyam:

(c. 1050-1122) is

better known as

poet, but he was

brilliant in

mathematics and

astronomy too!

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Al Tusi

• Nasir Al-Din Al-Tusi

- Astronomy, Non-

Euclidean

Geometry - (1201-

1274)

• Worked with

Hulagu, built the

Maragha

observatory that

became a famous

school

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Al Tusi’s Maragha Observatory (13 th C)

Source: The Oxford Dictionary of Islam, Edited by John L. Esposito. Oxford University Press, 1999.

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Al Khwarizmi and Algebra

代 數 780-850 AD?

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Al Khwarizmi

• Gave us Algebra

and Algorithm

( 代 數 與 演 算 學 )

• Distinguished

mathematician and

astronomer

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Ibn Al Haytham

(965–c.1040)

• Born in Basra, Iraq, but

made his career in Cairo,

where he supported

himself copying scientific

manuscripts. Among his

original works, only

those on optics,

astronomy, and

mathematics survive.

卓 越 的 光 學 、 天 文 和 數 學 家

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Ibn Al Haytham

(965–c.1040)

• His Optics, which relied

on experiment rather

than on past authority,

introduced the idea that

light rays emanate in

straight lines in all

directions from every

point on a luminous

surface. Sight occurs

when the ray hits the

eye ( 光 學 : 根 據 實 驗

而 非 古 代 權 威 , 直 線 傳

播 , 視 覺 )

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Ibn Al-Haytham’s

Optics

• Detailed

analysis of the

eye, coupled

with light rays

entering the

eye gave his

optics a very

modern twist.

眼 睛 的 構 造 與 光

視 覺

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Ibn Al

Haytham

• Latin editions of the

Optics, available

from the 13th

century on,

influenced Kepler

and Descartes.

拉 丁 版 光 學 一 書 影 響

了 凱 普 勒 和 迪 卡 兒

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On Taking Evidence Over Authority

證 據 勝 於 權 威

“He who searches for truth is not he who reviews

the works of the ancients…[it is] he who follows

argument and evidence, not the statement by an

individual, who is inevitably affected by context

and imperfection”.

每 個 人 的 說 詞 會 受 到 個 人 背 景 和 缺 陷 所 影 響 , 探

真 者 未 必 要 學 自 古 人 , 而 是 要 根 據 論 辯 與 事 實 。

--- Ibn Al Haytham, (965–c.1040)

Al Shukuk Fi Batlaymous

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On The Experimental Method

“We start by observing reality … we try to select

solid (unchanging) observations that are not

affected by how we perceive (measure) them. We

then proceed by increasing our research and

measurement, subjecting premises to criticism,

and being cautious in drawing conclusions… In all

we do, our purpose should be balanced not

arbitrary, the search for truth, not support of

opinions. …「 首 先 觀 察 事 實 , 選 擇 不 受 觀 察 與 量 測

方 法 所 影 響 的 堅 實 結 果 , 並 接 受 嚴 苛 的 檢 驗 , 小 心

下 結 論 … 在 真 理 的 追 求 , 我 們 要 客 觀 , 不 能 隨 意 或

以 別 人 意 見 當 佐 證 …」

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Experimental Method (Cont’d)

… Hopefully, by following this method, this road

to the truth that we can be confident in, we shall

arrive to our objective, where we feel certain that

we have, by criticism and caution, removed

discord and suspicion”. 「 希 望 以 批 判 和 細 心 , 我

們 達 到 客 觀 , 不 被 懷 疑 或 自 相 矛 盾 的 結 果 」。

-- Ibn Al-Haytham, (965–c.1040)

Kitab Al-Manadhir.

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Way ahead by 600

years!

• Ibn Al-Haytham (965-

1040) articulated the

experimental method

in the 11 th C, more

than half a millennium

ahead of Galileo

(1564 – 1642), who

suffered for it.

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Fear Of Own Biases

擔 心 自 己 的 偏 見

“Yet we are but human, subject to human

frailties, against which we must fight with

all our human might. God help us in all our

endeavors”. 「 上 蒼 幫 幫 忙 , 幫 助 我 們 這 些

凡 人 努 力 克 服 自 己 的 弱 點 與 偏 見 。」

-- Ibn Al-Haytham, (965–c.1040)

Kitab Al-Manadhir.

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格 物 窮 理 : 物 理 ? 科 學 ?

周 敦 西 (1017-1073): 太 極 是 天 地 萬

物 所 以 存 在 之 理 。

朱 熹 (1130-1200): 太 極 只 是 天 地 萬 物

之 理 。 在 天 地 言 , 則 天 地 有 太 極 ; 在 萬 物

言 , 則 萬 物 各 有 太 極 。 為 有 天 地 之 先 , 畢 竟

是 先 有 此 理 。

格 物 致 知 、 誠 意 正 身 、 修 身 齊 家 、 治 國 平 天

下 。 無 極 ─ 太 極 動 ─ 靜 陽 ─ 陰

太 極 : 物 理 定 律 ? 智 慧 設 計 者 ? 上 帝 ?

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• Discoverer of the

circulation of the

blood – 400 years

before Harvey.

• Author of the

magisterial Al-

Shamil in

Medicine

Ibn Al Nafis

(1213-1288 A.D)

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On Accepting The Contrarian View:

如 何 對 待 不 同 觀 點

“When hearing something unusual, do not

preemptively reject it, for that would be folly.

Indeed, horrible things may be true, and familiar

and praised things may prove to be lies. Truth is

truth unto itself, not because [many] people say

it is.” 「 只 有 傻 瓜 才 會 一 聽 到 奇 怪 的 想 法 就 馬 上

唾 棄 它 。 荒 唐 事 可 能 是 真 的 , 習 以 為 常 或 被 人 稱

讚 的 反 而 可 能 是 錯 的 。 真 就 是 真 , 不 是 因 為 很 多

人 說 是 真 才 是 真 。」

--- Ibn Al-Nafis, (1213-1288 A.D.) Sharh’

Ma’na Al Qanun.

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Elegant astrolabes ( 星 盤 ) made for the Safavid rulers of Iran

Made for Abbas II in 1647-48. Made by Abu al-Aimma in 1712-13.

Source: The Oxford Dictionary of Islam, Edited by John L. Esposito. Oxford University Press, 1999.

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Madian Al-Qawsouni (d. 1634 AD)

discussing simultaneity

同 時 性 與 觀 察 者 關 係 的 討 論

• The earth is spherical, and from there flows a

problem. If three people stand together and one

goes east, the other west, while the third would

remain where he is. ( 三 人 之 中 一 人 往 東 , 一 人 往

西 , 一 人 不 動 )

• The two travelers would return to him, the one

going east returning from the west, and vice versa.

( 兩 旅 行 者 環 繞 地 球 一 圈 後 回 到 原 點 )

• But the number of days spent by the travelers

would be increased by one day for the one

traveling east and decreased by a day for the one

traveling west. ( 往 東 者 增 一 天 , 往 西 者 少 一 天 )

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Madian Al-Qawsouni (d. 1634 AD)

(cont’d)

• This leads to the question: is it possible

that one day is Friday for one person

and Thursday for another and Saturday

for still another? ( 會 不 會 一 個 人 說 那 天

是 星 期 五 , 另 一 說 是 星 期 四 , 又 另 一 人

說 是 星 期 六 ?)

• We think yes. ( 沒 錯 )

Madian Al-Qawsouni

-- Sharh li Qasidat Ibn Sina

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Astronomy

Copernicus (1473 -1543)

• Although the Arabs

and Muslims made

major discoveries and

contributions, they did

not provide an

alternative model to

the Ptolemaic (related

to AD 2 scientists) one,

as did Copernicus

阿 拉 伯 學 者 未 能 提 出 地

球 中 心 之 外 的 宇 宙 模 型

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Passing The Torch:

Europe Ascendant

十 五 六 世 紀 火 炬 傳 遞 給 歐 洲

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Nicolaus

Copunicus

(1473-1543) Polish

Astronomer

波 蘭 天 文 學 家

Heliocentric Theory

vs. Ptolemaic

Theory

Ming Dynasty

Brief History of Time – S.H.

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1633 -- Galileo Recants

宗 教 迫 害 受 審 , 撤 銷 原 來 主 張

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天 體 運 行 定 律

Derived these laws

from law of universal

gravitation

Tycho Brahe

(1546-1601)

Data from

observations

Johanes

Kepler

(1571-1630)

Sorted out three laws of

planetary motion from

the data

Newton

(1642-1727)

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電 磁 波

Michael

Faraday

1791-1867

James Clerk

Maxwell (1831-

1879)

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According to Maxwell, God say:

and there is light!

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The Four Greatest Theories Of Physics

• Newton’s Principia 原 理

establishes inverse square act-at-a-distance force

of gravitation

• Maxwell’s Electromagnetic Waves 電 磁 波

unifies electricity & magnetism, Faraday’s concept of

field, electromagnetic waves, light

• Einstein’s Relativity 相 對 論

space & time, mass & energy, gravitation &

acceleration

• Quantum Mechanics: Planck, Einstein, Bohr, de

Broglie, Heisenberg, Schroedinger, Born, Dirac .. 量 子

力 學

matter wave, probabilistic, uncertainty principle

… and the quest continues…

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Some Great Scientists of the Past

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Science Is Driven by Curiosity

About the Natural World

科 學 的 追 求 來 自 對 自 然 的 好 奇

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WHAT IF?

WHAT IF?

??

WHAT IF?

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Science

“Knowledge of Natural Rules & Order”

Experiment

Observe, discover, study and

understand natural phenomena

Theory (Analytical & Numerical)

Understand, formulate natural

phenomena and predict not-yetobserved

phenomena

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Human Knowledge

Methodology

Logics & Mathematics

Natural

Sciences

Physics

Chemistry

Biology

Astronomy

Geology

Etc.

Human &

Social

Sciences

Sociology

Economics

Political Sci.

History

Psychology

Etc.

objective

subjective

Applied to Life

Technology

Architecture

Physiology &

Medicine

Law

Education

Art, Music &

Entertainment

Humanity

Philosophy

Aesthetics

Ethics

Religion

Etc.

Etc.

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Natural Sciences

(traditional definitions)

• Physical Sciences: Physics, Chemistry

• Life Sciences: Biology (zoology, botany)

or molecular biology, genetics

• Earth Sciences: Geology, Astronomy,

Meteorology

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The Nature of Scientific

Knowledge 科 學 知 識 的 性 質

• Approximate( 概 略 )

• Empirical( 實 證 )

• Reproducible( 可 重 複 )

• And so much more…

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The Scientific Method

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The Method of Science

Experimental Observation 實 驗 觀 察

Hypothesis & Theory 假 說 與 理 論

Theoretical Prediction 理 論 預 測

Experimental Confirmation 實 驗 驗 證

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The Method of Science

OBSERVATION: Sense specific physical realities or events.

HYPOTHESIS: Create a statement about the general

nature of the phenomenon observed.

REVISED

HYPOTHESIS

PREDICTION: Forecast a future occurrence PREDICTION

consistent with the hypotheses.

EXPERIMENT: Carry out a test to see if predicted

event occurs.

EXPERIMENT

If results DO

If results DO NOT

match prediction, match prediction RECYCLE

hypothesis is

supported.

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Bending of light ray by gravitation:

Einstein & Eddington

Brief History Tien of Time T. Tsong – S.H.


No amount of experimentation can ever

prove me right; A single experiment can

prove me wrong. 「 不 論 多 少 實 驗 都 無 法 證 明

我 的 理 論 , 但 是 只 要 一 個 實 驗 就 可 能 推 翻

它 。」

Albert Einstein

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Fact

• An observation that has been repeatedly

confirmed, and is accepted for all

practical purposes to be “true”.

• 一 個 經 重 複 觀 察 驗 證 的 事 實 , 實 際 上 便 可

稱 之 為 為 「 真 」。

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Truth

• Truth in science is never final, and what is

accepted as fact today may be modified or

even discarded tomorrow.

• 科 學 的 真 不 是 終 極 , 今 天 的 真 , 也 許 明 天

會 被 修 正 , 或 甚 至 於 被 推 翻 而 丟 棄 。

Tien T. Tsong


Hypothesis 假 說

• A tentative statement about the natural

world leading to deductions that can be

tested 暫 時 解 釋 , 從 演 繹 結 果 來 驗 證

• Hypotheses can be verified or rejected by

tests 假 說 可 由 測 試 證 實 或 丟 棄

• Hypotheses can be used to build more

complex inferences and explanations 根 據

假 說 建 立 更 複 雜 的 解 釋 與 推 論

Tien T. Tsong


Model

• A Hypothesis can also be a Model, which

is also a tentative statement about the

natural world leading to deductions that

can be tested 假 說 也 可 以 是 一 個 模 式 , 一

個 暫 時 可 由 推 論 的 正 確 與 否 來 檢 驗 的 說 詞

Tien T. Tsong


Law

• A descriptive generalization about how

some aspect of the natural world behaves

under stated circumstances

• 定 律 乃 普 遍 化 敘 述 自 然 世 界 裡 在 某 一 情 況

下 發 生 的 某 些 事 的 運 行 法 則

Tien T. Tsong


Theory

• Well-substantiated explanation of some aspect

of the natural world that can incorporate a large

body of scientific facts, laws, logical inferences

and tested hypotheses. 由 很 多 經 過 相 當 程 度 驗

證 的 假 說 與 定 律 組 成 的 某 些 自 然 現 象 的 解 釋

• Evolution is one of the strongest and most useful

scientific theories today. Evolution vs. Intelligent

Designs (believe that cannot be tested).

• 進 化 論 ( 可 驗 證 )vs. 智 慧 設 計 ( 信 仰 )

Charles Darwin (1809-1882): 物 競 天 擇 (1838-

1859) On the Origin of Species ( 物 種 原 始 )

Tien T. Tsong


Step by Step Proof: Darwin’s Theory of Evolution

Tien T. Tsong


Coherent Domains of

Knowledge

• Overall Paradigm 範 疇

• Central concepts 主 要 概 念

• Developments within the domain 在 某 一 範

圍 內 發 展

• Interlocking 交 織

• Mutually supportive or inconsistencies 相

互 同 意 或 互 相 矛 盾

• Not necessarily 100% interlinked (e.g.

Quantum and General Relativity) 不 必 完 全

交 織

Tien T. Tsong


Ultimately, in Science, the final

authority is not a person, but a

reasoning process

科 學 定 論 來 自 推 理 , 非 來 自 權 威

Tien T. Tsong


The Values Of Science

科 學 的 價 值 觀

Tien T. Tsong


Values of Science

•Truth


• Honor 誠 ( 榮 譽 , 不 作 假 , 不 抄

襲 )

• Creativity and imagination 創 意 與

想 像 力

Tien T. Tsong


Values of Science

•Truth


• Honor 誠 ( 榮 譽 )

• Creativity and imagination 創 意 與

想 像 力

• Constructive subversiveness 疑

• Tolerance of engagement 忍

• Arbitration of disputes 公 平

Truth vs. Consensus Science vs.

Consensus Politics

Tien T. Tsong


Science is about originality,

creativity and excellence

regardless of age, race, religion,

language, sex, or national origin…

科 學 只 有 創 新 、 創 造 力 和 卓 越 , 與

科 學 家 的 年 齡 、 種 族 、 信 仰 、 語 言

文 化 、 性 別 或 國 籍 無 關 …

Tien T. Tsong


The values of science are

forged by student practice and

teacher example

科 學 由 學 生 的 參 與 而 造 就

老 師 是 先 行 者

Tien T. Tsong


The Role of Youth

年 輕 人 的 角 色

歷 史 上 重 要 科 學 貢 獻 來 自 年 輕 人

Tien T. Tsong


Sir Isaac Newton (1642-1727)

Tien T. Tsong


Newton

By age 30 Newton had:

• Revolutionized optics and the nature of

light 對 光 學 有 革 命 性 的 貢 獻

• Thought out gravitation 萬 有 引 力

• Invented the calculus 發 明 微 積 分

• Full professor at Cambridge 劍 大 教 授

• Elected Fellow at the Royal Society 皇 家

學 院 院 士

Tien T. Tsong


1905

Einstein’s miraculous year

• Molecular Dimensions 分 子 的 尺 寸

• Brownian Motion 布 朗 運 動

• Photoelectric Effect 光 電 子 理 論

• Special Theory Of Relativity 狹 義 相

對 論

•E = mc²

Tien T. Tsong


Only 26 years old!

1879-1955

Tien T. Tsong


Werner Heisenberg

(1901 – 1976)

• Created the first

version of quantum

mechanics at age 24

(1925) 創 造 量 子 力 學

• Formulated the

“Uncertainty Principle”

at age 26 (1927) 提 出

測 不 準 原 理

Tien T. Tsong


Paul Dirac

(1902-1984)

Tien T. Tsong


Dirac – The brilliance of youth

•At age 24, in 1926, while still a graduate

student, he made his first major contribution

to physics by devising a form of quantum

mechanics. 提 出 量 子 力 學 的 新 表 達 方 式

•At age 26, in 1928 he formulated the full

quantum treatment (relativistic QM) of the

electron and predicted anti-matter -- Positron

found four years later. 相 對 論 量 子 力 學 , 預 測

反 物 質 , 反 電 子 在 四 年 後 被 發 現

•At age 31 shared Nobel prize with

Schrödinger in 1933 三 十 一 歲 獲 得 諾 貝 爾 獎

Tien T. Tsong


Double Helix: The Tinker Toy

Model of DNA

• James Watson

was 25 at the

time of the

discovery of the

structure of DNA

in 1953

• Tinker Toy Model

DNA 結 構 模 型

Tien T. Tsong


Older People: Don’t be

Discouraged

• Einstein: General Relativity: age 37

• C. N. Yang: age 32-35

• Erwin Schrödinger: Wave equ. : age 39

• John Bardeen: BCS Theory: age 49

Theorists: Imagination, creativity, bold…

Experimentalists: … + experience + cautious in

interpretation, age plays less important role

E. W, Müller, Atom-Probe FIM at age 56

Tien T. Tsong


Whereas Science is Experimental

The Ultimate Glory Goes to Theorists

They Formulate the Laws & Theories of

Nature

科 學 終 極 榮 耀 屬 於 理 論 學 家 , 且 長 壽

Experimentalists Discover Natural

Phenomena and Help Sorting Out the Order

of These Phenomena

Experimentalists Benefit Society More

Directly by Developing Technologies

實 驗 科 學 家 透 過 科 技 發 展 , 直 接 造 福 人 類

Tien T. Tsong


Physics to Science &

Technology

Technology & Engineering:

Apply scientific

knowledge to benefit

mankind

Tien T. Tsong


Values of science

Tien T. Tsong


Big Bang

Formation of Universe

Solar System

~13x10 9 yr

5x10 9 yr

0

Australopithccus Afarensis

Homo Erectus

Ape

Human Evolution

Homo Sapiens Java Man Peiking Man

~4x10 6 yr

~1.9x10 6 yr

~2x10 5 yr

0

Human

Civilization

starts

Agriculture

Human Civilization

Agriculture Society

Handicraft Economy

Industrial

Revolution

~13,000 yr

~6000 yr

300 yr

Handicraft Economy: Based on experiences, human & animal power,

small to midsize scale, little science.

Industrial Revolution: Started 1760-1840, based on experiences &

simple science. Materials: iron & steel. Motive power: engine, electricity.

System: factories. Transportation: automobile, train & ship. Knowledge:

A little physics & chemistry. Industry stimulated progress in science. Tien T. Tsong

0


Physics & Science & Technology Time-Line Spectrum

1604: Galileo, Science is

based on experimental facts!

1609, 1618: Brache,

Kepler laws of planet mo.

1687: Newton, Principia

1690: Huygens, optics

1704: Newton, Optics

1770: Black, calorimetry

1600 1700 1800

幾 千 年 的 醞 釀 , 終 於

開 花 結 果 , 剛 開 始 不

久 , 現 在 不 能 鬆 懈 。

1824: Carnot cycle

1831: Faraday,

field & em induction

1769

1698 1712 Automobile Iron

Steam engine

Cugnot

industry

Savery, Newcomen

Steel indu.

1800 1900 2000

1803: Train (Trevithick)

1803-1807: Steam boat

(Symington, Fulton)

1849: Kelvin temp.

1850: Clausius laws

of thermodynamics

1875: Gibbs

1873: Maxwell

em-wave

1875-1876: Bell

Telephraph

telephone

1905:

Einstein, th.

relativty

1900-1926 QM:

Planck,

Einstein, Bohr,

Heisenberg,

Schroedinger

Nuclear, Atom & mole.

H.E. & Solid state phys.

1901-1907: Wireless

comm. Edison,

Marconi

Fleming, Forest

1903: Airplane, Wright

brother, etc.

1936: EM,

1951: FIM

1981:STM

Industrial Revolution

(1760 – 1840)

1957, DNA: Watson & Crick

Molecular Biology

1948: transistor. 1950:

laser. 1980: STM

Surf. Sci., Materials Sci.

Cosmology, Nano Sci.

1957: Sputnik, 1960: laser,

1969: moon landing, 1947-

now, solid state electronics &

computer & information tech.

1900-1950: modern industry

1950-now: high tech. industry

Tien T. Tsong


Modern Physics & Science & Technology

1) Electromagnetic Waves

1831: Faraday, Induction & Field

1873: Maxwell, EM waves

2) Relativity, Einstein

1905: Special Th. Space & Time,

Mass & Energy

1915: General Th. Acceler. & Gravity

3) Quantum Mechanics

1900: Planck, Energy Quantization

1905: Einstein, Photon

1913: Bohr, H-Model, Appl. of QM

1924: de Broglie, Matter Wave

1925: Heisenberg, Quantum Mech.

1926: Schroedinger, S-Equation

4) Particle & Fields

Atom & Molec. Phys.: Laser,

Optical Trap, BE-Condens.

Condensed Matt. Phys.:

Solid state electronics,

Computer, Informat. tech.

Chemistry: Chem. bond, Chem.

Indus. Pharmaceutical Ind.

Biology: Double helix,

Molecular bio., Genetic eng.

Medical science

Surface Sci. : Thin films,

Electronic materials, Catalysis

Materials Sci.: Interdisciplinary

Astrophysics & Space Sci. & Tech.

Nanoscience: Interdisciplinary

Tien T. Tsong


科 學 迅 速 進 步 只 有 幾 百 年 歷 史 , 可 說 剛 剛 開 始 , 所 以

年 輕 人 , 加 油 !

年 重 人 , 加 倍 努 力 !

謝 謝 聆 聽

Tien T. Tsong

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