2020年09月25日
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【飽讀好書】茶杯裡的風暴:丟掉公式,從一杯茶開始看見科學的巧妙與奧祕

為什麼你該讀這本書

科學並非只有冷冰冰的公式和定理,跟隨作者的視角來看這個世界,發掘隱藏在普通與日常生活背後的科學,那不僅有大自然深刻而理性的美感,還充滿了探索未知而激發出的無窮想像力。

我們生活與居住的地方,是在太空與地球的交界處。在晴朗的夜晚,任何人只要仰望天空,都可以見到繁星點點,這些熟悉而恆久的星星,成為宇宙中獨一無二的座標。自古以來所有的文明都知道星星,卻沒有人觸碰過它們;相反地,在地球上,我們生活可觸及的周遭,每天有太多不可預測的新奇事物,使得我們身處在一個變幻無常、甚至是凌亂的地方。

然而正是這樣的地方,我們得以窺見宇宙運行的奧祕。物理學的奇妙之處,是藉由一系列相同的原子與定律,交織成一片豐富的世界,所有事物都有其遵循的脈絡,而非隨機發生。

舉例來說,當我們攪拌杯中的茶水,然後緩緩倒入牛奶,就會見到兩股流體形成螺旋狀的漩渦,這兩股顏色分明的流體會在幾秒鐘之後相互混合而難以分別。類似的現象其實也會發生在其他地方,只是維持的時間遠比數秒鐘更長。

從太空俯視地球,時常可見大氣中的雲朵,因為冷熱空氣形成彼此圍繞而非混合的漩渦。大西洋上,來自北方極地的冷空氣和南方溫暖的空氣,形成互相追逐圍繞的漩渦,會在特定的時間從英國的西邊登陸而形成惱人的天氣。從人造衛星上的完整影像也可以說明,當漩渦狀的雲經過時,地面上的人可以在短時間內經歷「晴時多雲偶陣雨」的天氣變化。

茶杯中攪拌的液體與大氣風暴看似不相干,但是同樣旋轉的現象絕非出於巧合,而是暗示著它們有一些相似的原理。科學,就是透過觀察這些事物底下隱藏的關聯性,藉由嚴謹的測試與實驗,發現、探索事物的本質,並且在已知學問的基礎上,改進、深入與發掘新事物。

有時候,這些現象的關聯性顯而易見,有些時候卻要深入研究,才能讓背後的成因浮現。例如很少人會認為蠍子和騎腳踏車的人有很多共同點,但其實兩者都是運用相同的科學原理讓自己在行動上更安全,只是彼此呈現了剛好相反的效果罷了。

要在一個沒有月光、寒冷而寂靜的北美沙漠中找到任何東西,似乎是不可能的任務。為了尋找蠍子,我們需要藉由一種特殊的裝備,它可以發出人類看不見的紫外線,也稱為「黑光」(black light)。紫外線投射在地面上搜尋時,人類依舊看不到任何東西,但是當它照到蠍子,就會在黑暗中看到一抹令人驚奇而隱約的藍綠色光點。

這是因為蠍子的身上有一種特殊色素,能夠吸收我們看不見的紫外線,轉變而放出可見的螢光。這種功能對於蠍子來說,可能有助於牠們躲藏,因為在夕陽西下之後,多數的可見光已經極為黯淡,但仍有相當多的紫外線,蠍子可以藉此檢視身上的螢光,來判斷自己是否完全隱蔽。因此蠍子的愛好者就能利用這種特性找到牠們;當然對於害怕這種節肢動物的人而言,這種特性就派不上用場。

對於有蜘蛛恐懼症的人(arachnophobes),可以選擇居住在遠離沙漠與節肢動物出沒的地方,但是即使如此,類似的螢光卻普遍存在於都市當中,出現在那些具有安全意識的單車族身上。特別是在陰天的早晨,許多人騎單車時穿著的衣服明顯比周遭明亮,這是因為雲層對於紫外線的阻擋效果不如可見光,因此當較多的紫外線照射到這些染有特殊顏料的衣服時,感覺好像衣料在發光。

單車族和蠍子使用一樣的科學原理,但是前者是為了讓別人看見以保持安全。紫外線本身對人類的用處較少,但是透過這種方式,可以轉換成免費且有用的資源。

物理學令人著迷的地方就是它無所不在,但是讓我真正喜歡的原因,不只是它呈現出有趣的事實,更可以作為一個隨身攜帶的工具,而且可以隨處使用。

之前提到相同的物理原理讓蠍子與單車族生活得更安全,此外也可以讓通寧水(tonic water) 利用其中含有的奎寧(quinine)成分,在紫外線中放出螢光。此外,還有常用於洗衣粉的增亮劑及螢光筆,甚至螢光筆的墨水也能作為紫外線的檢測劑。下一次使用螢光筆畫重點時,不妨也欣賞一下這個讓紫外線變成可見光的物理魔法吧!

我學習物理學是因為它能解釋我感興趣的事物,讓我了解周遭事情發生的機制,以及世界運作的方式。雖然我已經是一個專業的物理學家,但是有一部分在進行的研究,不需要使用專業的實驗室,或是複雜而強大的電腦與昂貴的軟體;許多令我滿足而有趣的發現,都不是在刻意要研究科學的狀況下出現;在具備許多基礎物理知識之後,整個世界都是我的實驗室,也是遊樂場。

在不打破蛋殼的情況下,你知道要如何分辨生雞蛋與熟雞蛋嗎?這裡介紹一個簡單的方法:首先將蛋放在一個堅硬光滑的表面上,並且開始轉它;在蛋轉動的時候,用手指輕輕地固定蛋,讓它靜止一下就放開,如果蛋又開始轉動,那麼這個就是生雞蛋。

看似相同的蛋殼之內隱藏了奧祕與解答—如果是熟雞蛋,內部已經變成固體,所以碰觸、固定之後就全部靜止;而生蛋只有外殼靜止,內部的液體仍然在旋轉,等到你放開之後就會繼續牽引著蛋殼轉動。

如果不相信的話,可以找一顆雞蛋試試看!除非有外力推、拉,不然物體會傾向於維持原來的運動。就像蛋裡面旋轉的蛋白一樣,維持不變的轉動量是物理學的一項原理,稱為「角動量守恆」(conservation of angular momentum),但是這種現象不只會發生在雞蛋上。

作為人類探索太空的眼睛,哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope, HST) 自1990 年升空以來,一直在地球的軌道上運行,至今已經拍攝了成千上萬幀精采絕倫的天文影像,包含了火星的樣貌、天王星的行星環、銀河系最古老的恆星、名字獨特的草帽星系(Sombrero Galaxy, NGC 4594,又稱「闊邊帽星系」)但是這樣一個漂浮在軌道上的望遠鏡,要如何面向宇宙中同一處,並精確地對準太空中微小的光點呢?答案是靠著哈伯太空望遠鏡上攜帶的六具陀螺儀(gyroscopes),它們內部的轉子每分鐘轉動19,200 次。由於角動量守恆,在沒有外力矩改變陀螺儀的情況下,它們的旋轉軸將一直精確地維持在同一方向,因此望遠鏡得以保持鎖定在一個遙遠的天體上,直到進行下一階段的觀測任務。人類文明中最先進的技術原理,原來也可以用自家廚房裡的雞蛋來證明!

以往人們重視資訊與知識,因為它們不易取得,但是在資訊爆炸的今天,我們有太多管道可以輕易取得資訊,甚至要花更多的精神來面對這些資訊的浪潮。因此對現代人而言,如果已經能夠處理好自己的生活,那又何必尋求更多的知識,讓事情變得更複雜呢?如果哈伯太空望遠鏡不能在我趕著出門時,看向地球幫我找鑰匙,那「它很厲害」這件事,跟我有什麼關係呢?

當人類可以滿足自己對世界的好奇心,就會感到快樂,如果是親自去發掘、了解,更是一種難得的喜悅。即便不是為了工作需求,純粹是透過好奇心獲得的知識,也可能應用於新的醫療技術、天氣預報、手機、會自己清潔的衣服,甚至是核融合反應爐等等。這些知識也是我們面對緊湊、繁忙的現代生活所必須具備的部分。

科學的開始是人們可以提出許多想法,接著闡述具體並可以測試的假說,再謹慎地進行實驗與驗證,並且仔細檢查結果;若是要證明假說有誤,就得更謹慎。一旦這項假說通過大家知道的所有驗證,在科學上就可以謹慎地將它認定為世界運作的原理。然而,科學永遠在嘗試推翻過去的理解,這正是科學不斷進步的動力。

要了解基本的物理原理,讓生活與工作更便利,不是物理學家獨享的權利,所有人都能透過物理來了解世界,有時還不必按部就班地看見或理解所有過程,物理的現象就已經完整展現在你眼前。

曾經,有一次製作藍莓果醬時,成品呈現粉紅帶淺紫的顏色,因此一開始令我相當失望,不過當我了解其中的原因,卻變成我在探索世界之時最快樂的過程。我曾在羅德島住過幾年,當我要離開,把所有行李都收拾好、手邊只剩下一些瑣碎事項時,我想著要完成最後也最重要的一件事情—把此地夏季的藍莓做成果醬,帶回英國。

我一直很喜歡藍莓,總覺得這種果實不僅美味,而且還很美麗、奇異並帶著異國情調,特別是相較於其他地方,羅德島的藍莓總是特別好,因此在離開之前,我利用最後一個上午來挑選藍莓。我開心地想像著藍莓果醬做好時,會呈現那重要而迷人的藍色。但事與願違,當果醬在鍋子中冒泡時,雖然散發出各種奇妙香氣,可是就是沒看到藍色。最後,我只能把這個可口、在顏色上卻讓我失望的粉紅色果醬帶回英國。

6 個月後,一個朋友製作關於女巫的電視節目時,剛好遇到一項歷史的難題。他發現古代文獻上記載「聰明的女人」會在人的皮膚上塗抹馬鞭草花瓣煮成的湯汁,藉此判斷那個人是否被下了咒語。

這種判斷女巫的出發點現在看來似乎相當荒誕不經,但是朋友仍然好奇於古代是如何以系統分析的方式去測驗一件事情。當我做了一些研究之後,發現這方法可能真的有效。

紫色馬鞭草與紫甘藍、血橙等其他紅色及紫色植物,大多含有一種稱為「花色苷」(anthocyanins)的化合物,它們會賦予植物鮮明的色彩。不同種類的花色苷會因為分子結構的微小差異而呈現不同顏色,此外,同一種花色苷如果在不同酸鹼值(pH值)的液體中,也會改變顏色。

換句話說,酸鹼值會讓花色苷的分子產生些微變化而造成顏色的差異,如同小學的自然課使用的石蕊試紙,只是植物中的花色苷是純天然的試劑。

這個有趣的實驗,只要利用你家的廚房就可以完成。首先,把紫甘藍菜放到熱水中煮出色素,然後分裝成小碗,接著將醋倒入有紫甘藍菜湯汁的碗內,液體就會變得更紅;若放入碗中的是洗衣粉(鹼性),那麼溶液就會變成黃色或是綠色。我們可以藉由俯拾即是的花色苷結合日常生活的物品,讓廚房變成調色盤。我喜歡這個發現,而且無須使用實驗室才有的設備,每個人在家中都可以嘗試。

因此古書上所記載的「聰明的女人」,當她利用馬鞭草花的湯汁來作為試劑時,實際上也許只能分辨pH 值的不同,而非是否遭到下咒。

人類皮膚表面的pH 值會隨著不同狀況而產生變化,例如在長跑之後,皮膚表層的汗水可以讓塗抹的紫甘藍菜汁液從中性的藍色變成弱酸性的紫色;而沒有運動出汗的時候,它就不會改變顏色。「聰明的女人」可能注意到馬鞭草花瓣湯汁的變化,然後加上自己的解釋。如今我們已經無從考證確實的狀況,但是我認為這是一個合理的假設。

這段小小歷史故事就說到這邊,我還是繼續來說藍莓與果醬的問題。水果、糖、水與檸檬汁,是果醬的四種主要成分,檸檬汁能夠協助其中果膠的凝結,並有助於保存果醬;而藍莓的藍色來自花色苷,因此在酸性的檸檬汁當中,自然就呈現粉紅色。

雖然平底鍋上的藍莓果醬如同石蕊試紙,因為酸性而無法達到我想要的顏色,但是美好的學習過程彌補了我的失望,而且還讓我從水果中看到如同彩虹般豐富的色彩變化,因此一切也都值得了。

(本文摘自三采文化《茶杯裡的風暴:丟掉公式,從一杯茶開始看見科學的巧妙與奧祕》

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