2025年9月1日 星期一

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2025年1月4日 星期六

誰讓恐龍有了羽毛?:從顏色、行為到奔跑速度,科學如何改寫恐龍的歷史與形象


作者:麥可.班頓(Michael J. Benton)
譯者:王惟芬
出版社:臉譜


「怎麼重建博物館化石上原來的肌肉?

通常,這是古生物學家和藝術家討論後所達成的。骨骼上有許多關於軟組織位置和性質的線索。例如,肌肉通常附著在骨骼的端點上,就像是健美選手喜歡炫耀的二頭肌附著在肩胛骨和尺骨——前臂的主要骨骼上。這種肌肉以及手臂和腿部的大部分其他主要肌肉,在哺乳類、鳥類和鱷魚中幾乎相同,因此可以由此來推斷恐龍的肌肉。在骨骼上,肌肉附著的部位通常會留下清晰的粗糙斑塊,可以利用這些斑塊來重建恐龍肌肉的位向和大小。可以使用骨骼上存在的任何線索來決定肌肉、皮膚、眼睛和舌頭的位置,不然就是參考現代動物的。」

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「『溫血』(warm-blooded)這個詞其實用得不是很恰當,因為鳥類和哺乳類演化出完美的技巧來保持體溫恆定,但血液不一定就是溫的;只是碰巧大多數生物學家都在溫帶氣候地區工作,所以當他們抓起一隻狗、一隻小動物或一隻雞時,會感覺很溫熱。」

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「骨組織學家指出,現生的冷血動物,尤其是魚類和爬行類,骨骼中有明顯的分層——這顯示骨骼在夏季時生長得很快,冬季則變得緩慢,而這些生長層跟樹的年輪有點相像。」「相較之下,鳥類或哺乳類等溫血動物的骨骼往往沒有明顯的分層,因為其生長速度一直很平均(體溫恆定的結果),而且骨骼經常展現出重塑的跡象。」

「骨重塑(Bone remodelling)可由基底結構中的管狀結構看出來,這是因為鳥類和哺乳類的代謝率很高。骨骼中會沉積鈣和磷,但有時也會因應需要而重新動用這些元素,好比下蛋或度過嚴峻的冬天。」「事實證明,恐龍的骨骼比較接近鳥類或哺乳類,而不是爬行類。」

不過光憑這點還無法篤定恐龍是溫血動物,因為即使像鱷魚或蛇這類的冷血動物,牠們也能夠維持溫血狀態,稱為「巨溫性」(gigantothermy),「巨大的身軀有助於調節內部溫度」,以鱷魚來說,「小鱷魚的核心溫度基本上是跟著氣溫起伏,但隨著鱷魚的體積變大,日夜溫差的冷熱循環並不會直接造成核心體溫的變動。」

「鳥類和鱷魚還有第二個相關的特徵,幾乎可以肯定恐龍也是如此:牠們的呼吸是單向地讓空氣通過肺。人類和其他的哺乳類呼吸,用的是一種潮汐系統,這意味著不管我們多用力地呼氣,肺部始終都還會留有一些氣體。相較之下,鳥類和鱷魚將含氧空氣吸入肺部後,在那裡讓氧氣進入血液,空氣也進入廣泛分布在脊柱和內臟周圍的氣囊。然後,當鳥類呼氣時,所有的氣體都會從氣囊和肺部中排除。恐龍,包括蜥腳類,也是如此,這讓牠們得以用更有效的方法來保持高代謝率,而毋需大量進食。」
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Q:為什麼知道恐龍有羽毛?

因為發現了帶有羽毛的恐龍化石。「第一個公諸於世的中國帶羽毛恐龍的骨架:中華龍鳥(Sinosauropteryx prima)。」→

Q:怎麼知道恐龍的毛色?

「鳥類羽毛和哺乳類毛髮的顏色大半是來自美拉寧黑色素的幾種變異型,其中一種稱為真黑色素(eumelanin),這會讓毛髮呈黑色、棕色和灰色,而另一種棕黑素(phaeomelanin)則會造成薑黃色。哺乳類就只有這兩種色素,而鳥類的羽毛中還有另外兩種色素,一是卟啉(porphyrins)會產生紫色和綠色,另一個是類胡蘿蔔素(carotenoids),產生紅色和粉紅色。」

「關鍵在於黑色素是一種非常強韌的化學物質,可以承受大量的熱或壓縮,因此可以保留在化石中。此外,兩種主要類型的黑色素分別包裹在不同形狀的囊中,稱為黑素體,真黑色素的黑素體呈香腸狀,而棕黑素的呈球形——這不論是在鳥類,還是在哺乳類中都是如此。因此,套用現存親緣包圍法的概念,即在演化上,哺乳類和鳥類這兩個演化分支會把恐龍『包圍』在當中,因此這套形狀顏色關係很可能適用在所有被包圍進來的群體,包括恐龍在內。黑色素是在皮膚中產生,透過毛囊進入發育中的頭髮或羽毛中的黑素體內。」

「中華龍鳥有褐黑素體(phaeomelanosome),也就是含有薑黃色的色素囊,而且非常多。是薑黃色的!而且牠們的尾巴有條紋,由等長的白色和薑黃色條紋交錯而成。」

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Q:有沒有可能像侏儸紀公園描述的那樣,從化石中抽取DNA,重新復活恐龍?

理論上可以,但實務上辦不到。「倫敦的生物化學家托馬斯.林達爾(Tomas Lindahl)是對古代DNA的研究報告最突出的一位評論者。他指出,DNA會在幾天、幾個月或幾年內分解。所以,在正常情況下,一百年後不會留下多少DNA,更不用說一億年了。」

「體認到DNA不能持續存在個幾千年,讓大家失望不已。也因此,所有那些聲稱找到數百萬年前昆蟲、植物和細菌DNA的投稿文章,最後全部都被學術期刊拒絕。然而,要是恐龍化石中存在有其他種類的蛋白質呢?好比說骨骼中特定的蛋白質?」

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「大多數的雌鳥都長有一種特殊的骨骼叫做髓質骨(medullary bone),這是一種填充髓腔的海綿狀骨骼,會出現在某些肢體骨骼的核心。在現代鳥類中,最初是一九三四年在鴿子身上注意到,然後在麻雀、鴨子和雞的骨架中也有觀察到。鳥的身體可以很快生成髓質骨,也可以很快地將其拆解回收,算是一種鈣質的儲藏庫,在需要形成蛋殼時可以快速釋出原料。」

「後來的研究發現,所有的現代鳥類都是如此。生理實驗顯示,在雌鳥開始產卵時,髓質骨會在整套骨架的許多骨骼核心累積,然後隨著鈣進入發育中的蛋殼而減少。髓質骨的發育和轉移會隨著季節而出現週期性的變化,主要是受到雌激素(Oestrogen)和其他與繁殖週期相關的荷爾蒙所控制。」

「位於開普敦的南非博物館的阿努蘇亞.欽薩米—圖蘭(Anusuya Chinsamy-Turan)及其同僚所發表的一篇關於孔子鳥(Confuciusornis sanctus)的研究特別有說服力,因為他們證明鑑定出髓質骨的化石都是雌性標本。」

「髓質骨只有在雌性身上發現,從來沒有在雄性身上發現——雖然也不是所有的雌性都有,因為牠們死時並非都處於繁殖季。」

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Q:為什麼恐龍蛋和恐龍寶寶會這麼小?

若參考鳥類與蛋的相對關係,「一頭十公噸的恐龍也應該產下相當於成年體重百分之二的蛋,即兩百公斤……但是牠們的蛋也許頂多二~三公斤,遠不及這樣的估計值。」

「就力學來說,蛋殼的厚度與體積成正比——畢竟,礦物質組成的殼必須要夠堅固才能避免蛋殼塌陷。一隻母雞的蛋殼只有幾分之一公釐厚,而鴕鳥的蛋殼則有兩三公釐厚,而那顆理論上要達到五百公斤的恐龍蛋,必須要有幾公分的厚度。基於兩個原因,這樣厚的蛋殼對恐龍寶寶來說將會是場災難。首先氣氣無法滲入到這麼厚的晶體結構中,二氧化碳也無法出來,因此裡面的胚胎會死亡;再來,當要孵化時,像小馬一樣大的可憐寶寶會難以破殼而出,無法脫身。」

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Q:恐龍怎麼會這麼大?

「若蜥腳類恐龍(例:腕龍)的生理機能與現代大象相同,牠們對食物的需求將會是現代大象的十倍,即二點七公噸。那是一堆和客車一樣大的樹葉。」「骨組織學已經顯示出牠們是溫血動物,但這類恐龍的體型巨大,足足有五十公噸左右,若是牠們的攝食率跟大象一樣,攝取的食物可能還不夠填滿牠們超長的脖子。」

波恩大學的馬丁.桑德(Martin Sander)在2004~2015年間進行了一項長期計畫〈蜥腳類恐龍的生物學:巨獸的演化〉(Biology of the sauropod dinosaurs: the evolution of gigantism)。「桑德招募了二十多名研究人員,不僅有古生物學家,還包括營養專家、植物學家和動物園管理員。他想要一勞永逸地解決蜥臀類恐龍之所以如此龐大的原因。」

最後,桑德教授整合出多項因素,說明「這種有史以來最大的動物究竟如何達成這項不可能的任務。這是透過一套組合達成的:生下許多後代、小型蛋、沒有親代照顧;頭小、不咀嚼、類似鳥的肺——這在吸收氧氣上比爬行類和哺乳類更有效率。」

「這些特徵讓蜥腳類恐龍能夠以最少的食物攝取量長成巨大的體形——食量可能與大象差不多,甚至更少,但體形大出十倍。牠們藉由龐大的身軀來穩定體溫,而不如大象和人類那樣,透過大量進食和一套複雜的內部加熱系統。牠們產下小型的蛋後就一走了之,不像大象和人類會投入大量時間和精力照顧一兩個嬰兒,耗盡母親的儲備食物。桑德的網狀圖非常有說服力地解釋了這一切——這就是蜥腳類之所以能擺脫大象以及哺乳類體形限制的原因。」

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「人類的咬合力在兩百~七百牛頓之間,獅子的咬合力為四千牛頓,而在所有現生動物中,咬合力最強的是大白鯊,可以達到一萬八千牛頓」。

「艾蜜莉·雷菲爾德測試了在暴龍頭骨和頜骨強度範圍內的可能施力範圍,得出每顆牙齒可產生的最大力道是三萬一千牛頓,跟異特龍的咬合力差不多。後來,卡爾·貝慈(Karl Bates)和彼得·佛金漢(Peter Falkingham)進行了一項更深入的研究,使用另一套『多體動力學模型』(multi-body dynamic modelling)的生物力學計算方法,估算出的咬合力範圍在三萬五千~五萬七千牛頓之間,相當於三點六~五點八公噸的重量。這是迄今在任何現生或滅絕動物中能找到最大的咬合力,遠超過今日的大白鯊」。

「這也讓我們能夠回答恐龍迷的經典問題:暴龍會不會把一輛車咬成兩半?現在可以肯定地給出一個答案:『會!』」

2024年12月31日 星期二

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2024年12月22日 星期日

美味的原理:食物與科學的親密關係


作者:馬提·傑佛森
譯者:王婉卉
出版社:本事出版


「用來製造刀身的鋼材,位於莫氏硬度表的5或6,因此你永遠都不該使用硬度高於此的砧板。請留意,不管是玻璃或花崗岩製的廚房流理台,主要都是由石英構成,兩者在莫氏硬度表上分別是6和7。別用你最愛的刀在玻璃或花崗岩的表面上切東西,除非你喜歡定期磨刀。」

原來這就是為什麼要避免直接在流理台上切東西的原因!😮

「我也不建議使用竹製砧板。雖然這種砧板看起來和摸起來都很像木頭,但竹子其實是一種草,而草的莖特別容易產生一種叫植物矽石(phytolith)的矽石小碎片。矽石比鋼更堅硬,因此,竹製砧板就跟玻璃一樣會讓刀刃變鈍。」

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「我們想要知道,能不能檢驗出木製砧板在某種程度上可以抗菌。木頭會不會比塑膠殺掉更多的細菌?」「答案是『不會』。事實上,不論砧板是什麼材質,或者是多久以前製造,完全無關緊要。」

「那麼,假如你在用完砧板後,真的做好該做的事,把砧板清洗乾淨了呢?我們再次檢測同一批砧板,但這次在砧板接觸過細菌後,先用熱肥皂水徹底刷洗過一遍。我們最後一次檢測砧板上有無細菌時,再次出現了這兩類砧板(塑膠和木製)之間無顯著差異的結果。」

「從科學的觀點來看,上述結果表示,如果木製砧板與塑膠砧板之間有差異的話,這個差異也微不足道,而且比起砧板本身,確切的清潔方式可能影響比較大。」

「不過,所有研究都一致同意:如果砧板表面被切剁出一堆很深的溝槽,不論你多努力擦洗,砧板都會成為嚴重影響健康的危險工具,永遠無法清洗乾淨,細菌也會在溝槽中滋生。」

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「相較於鋼製刀身,陶瓷刀身的一大優勢,就是經過燒結的氧化鋯在莫氏硬度表上為8.5,因此,它幾乎比鑽石以外的天然物質,如鋼、玻璃等更堅硬。」

「讓陶瓷刀身那麼耐久的硬度,正是問題所在。欲磨利任何刀,就需要比刀身更硬的物質,這意味著陶瓷刀要用鍍上鑽石粉末塗層的工具來磨利。比起一般菜刀,要磨利陶瓷刀是更棘手的事,因此,製造商的建議是把刀子送回去給原廠磨,或是直接丟掉,把陶瓷刀當成消耗品。這種極硬的特性也會為砧板帶來問題。陶瓷刀會切進任何用來切東西的表面,在玻璃甚至是花崗岩流理台上留下刮痕。」

「這種刀非常鋒利,就算沒有定期用磨刀石磨它,也依然鋒利,但是脆弱的特性讓陶瓷刀不太能成為多用途工具。」

雖然硬度高,但「陶瓷製品不太具有韌度」,所以摔到或是切到堅硬物體的角度不對,刀子很可能就會毀損。

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「市面上很少採用純銅製鍋,有幾個原因:純銅價格昂貴、容易失去光澤,另外,銅一碰到酸性物質就會融解到食物裡,量多到會讓人中毒的程度,所以不能拿來煮番茄或檸檬等食物。純銅唯一真正適用的地方,就只有用來打蛋的碗了。」

「鋁的比熱容量是銅的近三倍之多,這代表鋁加熱得慢,也冷卻得慢。這項特性讓鋁成為煎鍋的理想材質。」「要快速煮好一塊肉,鋁製平底鍋冷卻得比較慢,就能更有效率地燒烤肉塊,產生美味的梅納反應產物。」

「雖然鋁能製成重量極輕的鍋子,卻跟純銅一樣,也會與酸性食物產生反應。但就鋁來說,問題不是出在毒性,而是融解的鋁會導致食物表面覆蓋一層令人胃口盡失的灰色。」

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【仿鐵氟龍的低技術處理方法】

「要讓鑄鐵鍋變成不沾鍋,或是幫它做防鏽處理,首先必須將鍋子塗上一層薄薄的油,再放進極高溫的烤箱(260℃),烘烤約一個小時。這種高熱會將油分解成由兩個或三個碳原子所組成的小單元。接著,當鍋子冷卻時,這些小單元會互相連結,形成極長無比的碳鏈分子。這些長鏈碳分子會發揮像PTFE一樣的作用,成為下方金屬的塗層,防止食物與金屬產生化學鍵。這種處理方式不會產生無活性的氟塗層,好處是抗刮且易於重新塗敷。」

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【舒肥(真空低溫烹調)】

「假設你要煮一塊菲力牛排。你將真空低溫烹調的水浴溫度設在57℃,把牛排丟入袋內,抽出空氣至真空狀態後密封好,再把它扔進水裡。」

「在這個溫度下,牛肉中絕大多數但非全部的各種不同蛋白質分子會變性。其中,構成這塊牛肉大部分的肌凝蛋白將會變性,使肉質變得軟嫩,而非很硬。另一種會讓肉類呈現紅色的蛋白質是肌紅蛋白(myoglobin),這時它才要開始變性,所以肉不會是血紅色,而是淺粉紅色。不過,肌動蛋白(actin)這種蛋白質依然處於自然狀態,這是好事,因為肌動蛋白如果變性的話,肉質就會變硬,嚐起來沒那麼多汁。」📝 肌凝蛋白>肌紅蛋白>肌動蛋白

「這一整塊肉從外層到正中央都會恰好是57℃,因此是完美的三分熟。如果你想吃生一點的牛排,溫度則需要設定成49℃,低於肌紅蛋白開始變性的溫度。吃五分熟的話,就設定在60℃,肌紅蛋白會完全變性。如果你想毀了這塊牛排(起碼我是這麼認為),將溫度設在74℃,會讓所有蛋白質變性,包括肌動蛋白在內,因而煮出全熟牛排。」

「蛋最適合用真空低溫方式來烹調,因為蛋本身就已經是很好用的密封包裝狀態,不需要抽出空氣至真空狀態。白蛋白(albumin)或蛋的白色部分,是由多種蛋白質組成,大多在61℃到65℃之間會煮熟或變性。蛋黃的蛋白質則是在65℃到70℃之間變性凝固。根據這些資訊,你現在就可以用舒肥機煮出完美的蛋了。想要蛋白恰好煮熟、蛋黃完全沒熟,就把水浴溫度設定在63℃。如果你比較喜歡口感更扎實的蛋白和大部分沒熟的蛋黃,就設定在66℃,想要蛋黃恰好凝固的話,就把溫度調高到70℃。」

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「據說,在銅盆中打蛋白不可能會打過頭。我知道這件事以後,當下的反應是『這聽起來像是某種未經證實的傳說』,結果,原來早在十八世紀,就有廚師注意到這種會帶來驚人效果的作法,其背後的原理直到1994年才被釐清。」

「用銅盆打蛋時,會有非常微量的銅在混合液中融解。你先別擔心,銅融解的量遠低於該金屬的每日建議攝取量。接著,這些銅會與變性蛋白質裡易於產生化學反應的硫基化合物結合。這能防止蛋白質之間形成一種格外強大的交聯作用(cross-link),這被稱為硫鍵。」

「額外添加的銅,可有效減少變性蛋白質的黏性,得以讓蛋白質不會緊黏著彼此而形成乾性發泡的泡沫,但依然保有足夠的黏性,可以打發成硬性發泡。銅可能會減緩打發的速度,卻絕對會讓打發的過程更輕鬆。用銀製或金製的打蛋盆也會得到相同的效果,不過我得承認,要找到這兩種打蛋盆更困難。」

「如果你買不起銅盆,科學可以幫你一把。你要做的不是在蛋白中加入銅,而是加一點酸。擠一些檸檬汁就能奏效了,或者你不想改變味道的話,就加一撮乾燥的酸性粉類,像是塔塔粉。這種酸會產生跟銅一樣的效果,能阻礙硫鍵形成,也會讓打蛋的工作更輕鬆。」

加糖也可以幫助形成泡沫,因為蛋混合液會變得更黏稠,也就更容易「緊抓住泡泡,讓蛋白質網狀結構有更多時間可以形成,你必須耗費在打蛋上的力氣就會變少了。」

脂肪則會妨礙泡泡形成,「大幅降低蛋白被打發的機率,甚至讓蛋白無法打發。」「脂肪會堆積在泡泡表面,跟蛋白質互搶地盤。如此一來,蛋白質網狀結構便永遠不會形成,泡沫也就塌下去了。」

「坊間說法聲稱,只要有一丁點滿是脂肪的蛋黃,就注定失敗。要檢驗這種錯誤觀念很容易,實驗結果發現,即便混入了數滴蛋黃,蛋白還是可以好好打發。」

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「一般人理所當然地認為,如果有了可以冷藏的地方,人們自然就會把容易腐壞的食物貯藏在那裡,才能保存得更久,但這是因為大家都理所當然地認為,自己很了解食品保存與造成食物腐壞的科學原理。」

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「為什麼必須要將澱粉改質?」

如果食物料理好後立刻吃掉,那使用一般的麵粉、澱粉並不會有任何問題,但「若食品需要經過冷凍的話,使用玉米澱粉的這種可靠老方法根本沒用。由於冷卻過的水會從直鏈澱粉的網狀結構中被擠出去,已經稠化的食品表面會滲出液體,導致消費者拒買該商品。」

另外,一般澱粉的特性(直鏈澱粉與支鏈澱粉含量的確切比例)「會根據使用的作物種類、收成時期、生長條件等,出現極大的差異。」所以加工食品產業才想尋找更穩定的澱粉,以確保產品的品質保持一致。

「其中最常見的改質澱粉名為「麥芽糊精」(maltodextrin)。」

「麥芽糊精非常會吸收脂肪。你可以用麥芽糊精把液態脂肪變成乾燥粉末,卻不會讓味道出現明顯的改變。將麥芽糊精添加到炸過的點心類食品,就能吸取殘留的油,讓產品摸起來或吃起來不會很油膩。由於麥芽糊精基本上不會影響風味,水溶性極高,因此可用在液態產品上增添其分量,同時增加黏度,卻不會變甜。正因如此,麥芽糊精被添加到沙拉醬等食品裡。麥芽糊精也是一種非常穩定的產物,不會隨著時間而有所變化或腐敗,因此奪下了加工食品萬用成分的寶座。」

鹿角菜膠:「名稱源自鹿角菜(carrageen moss),這種紅藻生長在歐洲與北美的北大西洋岩岸,是一種相當常見的藻類。」

「直鏈澱粉會產生的一個問題是,如果把它加進乳製品中,它會與一些蛋白質產生反應,使乳製品變得有點黏糊。另一方面,鹿角菜膠不會有這種問題,因此才會出現在那麼多乳製品當中。鹿角菜膠也能夠抑制冰晶的形成,所以你會發現鹿角菜膠不只被用來稠化奶昔類食品,也會被運用在冰淇淋的製作。」

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「關於梅納反應,必須記住的其中一個關鍵,就是這個反應只有在溫度高於100℃時才會發生。溫度達到120℃時,會產生一點梅納反應,但不到140℃之前,這種反應都不會真正啟動。這表示,無論食物是用蒸的還是水煮的,都不會產生如此豐富的香氣滋味。」

「舉例來說,如果你要燉菜,卻只是把洋蔥、肉類等所有食材全都扔進裝水的鍋子裡,結果可能有點平淡無味。這就是為什麼主廚都要先用較高的溫度,在平底鍋把肉和洋蔥煎成褐色。光是用水煮,無法產生梅納反應所帶來的香氣,因為水煮的溫度受限於100℃。」

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【保存期限的意義】

「如果把一塊生雞胸肉放進冰箱,那些細菌要花多久時間才會增加到上述具有潛在危險的數值?算出來後,就能得到食用有效日期了。只不過食品生產業者會格外慎重,標上比計算結果還要早幾天的日期,以防食物不是保存在最佳溫度下。」

「但大部分的保存期限都不是透過上述方式來決定,因為這麼做耗時費工又花錢。多數製造商利用專為特定食品打造的電腦模型,他們會將製造過程、運輸、保存的各種條件輸入模型,運用以往的科學數據,預測安全的食用有效日期。」

2024年12月21日 星期六

微中子:挑戰物理學「最大之謎」,一本書讀懂諾貝爾獎的研究


作者:多田將
譯者:衛宮紘
出版社:世茂


【電荷與電場】

「張貼可愛貓咪的圖像時,愛貓跟隨者、厭貓跟隨者都會對貓咪圖像做出反應,而對貓咪不感興趣的跟隨者,會直接無視推文。以下將愛貓(或者厭貓)的特性稱為『貓荷』。此時,對帶有貓荷的跟隨者來說,動態時報會因貓咪圖像的張貼而發生變化;但對不帶貓荷(對貓咪不感興趣)的跟隨者來說,動態時報等同沒有發生變化。這個僅對帶有某特性(荷量)者才會產生影響的空間(變化),稱為『場』。換言之,這邊存在僅對帶有貓荷的人、愛貓(或者厭貓)者帶來影響的『貓場』,而對貓咪不感興趣、不帶貓荷的人來說,相當於不存在貓場。」

「張貼貓咪圖像後,帶有貓荷的跟隨者未必會一同做出反應。我發布的無趣推文很少有人轉推,但極為少數的情況下,會出現轉推數千次的情況。此時,即便最初推文已經發布數日,仍舊會慢慢持續地被轉推出去。對貓咪圖像的反應也是如此,隨著時間經過逐漸擴散,從身邊的人(親近的人)依序反應,不久便傳至遠方的人(不親近的人)看見貓咪圖像感到興奮的狀態,逐漸傳播開來。狀態的變化是逐漸傳播,這正是所謂的波。我們就將傳播興奮的情況稱為『貓波』吧。」

「將這樣的情況換至電的世界,則貓荷是電荷、貓是電場(或者電磁場),貓波則相當於電磁波。如同對不帶貓荷的人來說,無論張不張貼貓咪圖像,動態時報皆沒有變化,對不帶電荷的物體來說,無論附近有沒有電荷或者有無電磁波,空間皆沒有變化;但對帶有電荷的物體來說,空間明顯有所不同,可以看作是電場出現變化。」

「推文會擴散到什麼程度,要視傳播手段的抵達能力而定。貓咪的可愛是世界共通的,所以貓波能夠跨越國界散播全球。但是,朋友之間前陣子出遊的話題,就僅能在朋友之間傳播,影響的範圍狹小有限。」

「不過,雖然說是貓波傳播,但實際交換的是貓咪圖像本身。A張貼的貓咪圖像,B下載至自己的手機。如此,『貓波傳播開來』也可說是『(帶有貓荷者)交換貓咪圖像』。在電磁波世界也是如此,『電磁波傳播開來』可說成『(帶有電荷者)交換電磁波』。此時,如同貓波可換成貓咪圖像,電磁波也可視為『光子(Photon)』,電波傳播是『(帶有電荷者)交換光子』。」

◆◆◆

圖1:「波源靜止的情況。波會以同心圓狀傳播開來。」

圖2:「波源以波傳播速度的一半速度向右移動。由於各時間產生波的位置改變,波形會向右擠壓。」

圖3:「波源是以波傳播速度的兩倍速度向右移動。同心圓崩壞變成奇妙的形狀。這些波疊加起來後,會產生連結各波面的切線狀波面。合成後的波會向虛線箭頭的方向傳播,形成所謂的『衝擊波』。這是波源的移動速度超過波的傳播速度時產生的波。」


「在聲音的世界,衝擊波相當有名,大家應該都有聽過超音速飛機等產生的『音爆(sonic boom)』吧。雖然聲音的衝擊波看不見,但換成水面的衝擊波就能夠看見。艦艇高速移動時產生的白波也是衝擊波。」

「荷電粒子超越光(電磁波)的傳播速度時,也會產生『光的衝擊波』。」稱為『契忍可夫輻射』(Cherenkov radiation)。

《基本粒子物理超入門》:「各位有在電視上看過原子爐的資料影片嗎?影片中可以看到原子爐會發出藍白色的光芒對吧。那其實是電子在爐心的冷卻水內以非常快的速度泳動所產生的契忍可夫輻射喔,這裡的契忍可夫輻射是藍色光芒。」

「另外,常有太空人說在太空中『看到神了』,也有不少宗教人士會引用這樣的說法。不過,他們看到的影像,其實是契忍可夫輻射在腦內遊走時所產生的影像。太空內有許多來自星星或太陽的天然粒子束,又稱為宇宙射線。這些帶電粒子在腦内以光速移動時,就會產生契忍可夫輻射。這些光會在腦內四處亂跑,當腦細胞偵測到這些光訊號時,就會看到奇怪的影像。」

「總之,當粒子在物質中的移動速度超過光速時,就會放出藍光。」

2024年12月18日 星期三

料理科學


作者:羅伯特.沃克(Robert L. Wolke)
譯者:鄭煥昇、黃作炎、洪慈敏
出版社:采實文化


「若要製作紅茶或烏龍茶,萎凋完成的葉子會置於大型的機器中翻滾,目的是讓葉子扭曲成形,並破壞葉子的細胞,一方面讓細胞的內部接觸到氧氣,一方面讓葉子釋出『多酚氧化酶』(polyphenol oxidase),這是一種可讓葉子裡的茶多酚(即單寧)氧化的酵素。再者,氧化反應的產物包括橘色、紅色和黃色的茶黃素(theaflavins)與茶紅素(thearubigins)這兩種化合物,茶葉的氣味與顏色即由此而來。」

「幾乎全世界的人都把這個氧化的過程稱為『發酵』(fermentation),但其實大家都誤會了,酵母和細菌跟這個過程毫無關係。事實上,這純粹是一個化學的氧化過程,完全不是生物性的發酵過程。」

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「沸水絕對不適合用來泡咖啡,因為沸水在揮發成蒸氣的過程中會帶走太多咖啡的香氣」。「泡咖啡最理想的溫度落在85~93°C,也就是將近沸點的溫度。」

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「有個問題困擾我多年,卻始終得不到答案,所以我也無法在此向大家開釋:既然我們把蔬菜水果歸為一類,把魚和肉類歸為一類,那麼奶蛋為何也被歸成一類,好像這兩樣東西具有明顯的關聯性呢?再業餘的人隨便瞄一眼,也應該看得出來牛和雞沒什麼共通點,除非你認識早起去撿牛蛋和擠雞奶的人。」

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「所有乳脂肪都『健在』的全脂牛乳,可以製作出濃稠、醇厚的優酪乳,由於消費者對低脂優酪乳的需求極大;因此,為了避免製造出質地稀薄、近似水狀的產品,廠商可能會添加乳固型物或果膠(多半取自水果的水溶性碳水化合物)或少量的吉利丁作為增稠劑或安定劑。」

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「那麼,果農如何把九月盛產的數萬箱的蘋果,保存至隔年一月甚至更久呢?一方面,他們會把蘋果以零下0.6~2.2℃的低溫冷藏,減緩熟成;同樣地,你在家裡也可以如法炮製,但更重要的是像果農一樣,同時控制氧氣和二氧化碳的量,因為除了釋放乙烯之外,蘋果吸進氧氣,呼出二氧化碳;所有的蔬果被採收之後,皆會繼續進行這種呼吸作用,而在低溫下,減少氧氣量並增加二氧化碳的控管儲存量,這在蘋果產業中稱為『控氣保藏法』。」

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「甘蔗和甜菜充滿蔗糖,而蜂蜜的糖主要為果糖(39%)、葡萄糖(31%)、麥芽糖(7%)以及1.5%的蔗糖所組成。此外,蜂蜜中4%是由其他醣類、少量礦物質、維生素和酵素構成的。」

「扣除前述物質後,其餘的17%多半是水,這使蜂蜜成為過度飽和的糖溶液。換言之,蜂蜜中的糖溶解量比一般的水更多。」

「因此,長期存放蜂蜜時,過量的糖便將緩緩地『不溶解』,以結晶體的形式出現,此時蜂蜜將會呈現沙粒狀——這主要是由葡萄糖觸發的結晶過程。其實,我個人挺喜歡結晶蜂蜜脆脆的口感。若把蜂蜜置於10~21℃便可加速結晶作用,而當溫度再升高或降低時,都會減緩結晶作用。你可以自行選擇喜愛的口感。」

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肉烤熟後會變成黃色。

「為什麼『褐變』的食物主要吸收的是藍光呢?當我們說分子吸收一塊可見光的能源(光子),是指分子的電子進行了這項動作(吸收)。吸收能源後,電子會提升到較高的能態;換言之,即跳上更高階。不同分子中的電子對於能夠吸收的能源量各有偏好,它們願意跳上的階梯數量各有其限,所以它們願意且能夠吸收的特定光能也有所限制。這就是量子理論。

「梅納褐變反應與焦糖化反應中所產生的聚合化合物,是由電子被緊密控制住的超大型分子所組成,所以它主要吸收的是較高能量的光子。在所有肉眼可見的顏色中,能源最高者為藍色,因此當它被吸收時,剩餘的光就看似黃色,再更深一些便會是褐色。」

2024年12月9日 星期一

解剖犯罪實驗室:揭露鑑識科學的缺陷與危機


作者:布蘭登‧葛雷特(Brandon L. Garrett)
譯者:朱崇旻
出版社:麥田


「DNA鑑定與傳統的鑑識方法不同,是以客觀統計數值為根據。研究者透過蒐集不同族群的DNA數據,研究出『對偶基因』(allele)這般變化極大的基因特質在不同族群出現的頻率。也就是說,DNA鑑定結果並不是用『符合』或『不符合』來表示,而是或高或低的機率值。科學家可以用族群統計數據判斷一個人湊巧與特定基因檔案相符的機率,而這個機率可能是數百萬、數億、甚或數兆分之一。至於咬痕、毛髮、指紋或槍彈與工具痕跡的特質就沒有相關族群統計資料可循,無法得知鑑識人員分析的細節是多麼普遍或罕見。」

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「今天,訓練有素的專業鑑識人員並不會使用『吻合』這種說法。」「之所以不使用『吻合』一詞,是因為這種說法沒有表明指紋證據(或其他痕跡證據)必然存在的不確定性。鑑識人員會根據量測數值等客觀資訊做決定,但也會受『內在信念』或『個人確信的程度』等主觀判斷所影響。」「世界上沒有完美的鑑識識別這回事。」

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「事實上,現在的數位化指紋資料庫並未標榜能準確辨識出指紋的來源,操作員在輸入你的指紋之後,程式會依照當初設計的參數搜尋出和你最像的名單。設計搜尋程式與演算法的公司通常不會公開背後的原理,甚至連使用程式的實驗室可能都不甚了解指紋搜尋程式的演算法。真正的指紋辨識和電視上演的不一樣,相似的指紋並不會瞬間出現在螢幕上,還是得由專家鉅細靡遺地檢視資料庫調出的每一枚相似指紋,而資料庫建議的指紋也可能沒有一枚與犯罪現場的採樣相近。」

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「指紋是在人出生前就形成的構造,凹凸紋路不僅覆蓋我們的指尖,還布滿我們手指與腳趾的內面,這些皮膚紋路稱之為『摩擦表面』(friction skin)。而手指或手掌觸碰物品時,汗液或油脂在皮膚表面所形成的一層薄膜會留下紋路,這樣的印記就是所謂的潛伏紋。」

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「首先,每個人的指紋真的都獨一無二嗎?你可能一直以為指紋具有獨特性,世界上找不到指紋相同的兩個人。」但問題在於,留在犯罪現場的指紋並不是清晰可見、含括所有特徵的指紋,「一個人的指紋和另一個人在犯罪現場留下的潛伏紋相似的情況,究竟有多常見?我們不知道一個來自犯罪現場模糊且不完整的潛伏紋,是否經常像別人的指紋,這可能取決於指紋的詳細程度。」

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 「一些研究顯示,當陪審員被告知幾億或幾十億人當中可能有一人產生相同的DNA鑑定結果時,他們會露出茫然的眼神。聽到如此巨大的數字,人們會自動認定DNA證據來自被告。這其實是十分嚴重的誤解,我們有時也會看到律師※故意誤導陪審團。例如,在俄亥俄州一起訴訟案中,檢察官問道:『你是說,在樣本中發現的DNA來自其他人的機率……是七百萬分之一?』分析師回答:『是的,大約是七百萬分之一。』『威廉·湯普森(William Thompson)與愛德華·舒曼(Edward Schumann)教授將這種現象稱為『檢察官謬誤』(prosecutor's fallacy),因為檢察官往往會主張證據顯示被告就是來源。DNA證據並不能顯示證據出自某個來源的機率,它只能顯示一組遺傳特徵在人群中有多麼常見或罕見。」

※ 這裡應該是筆誤,依前後文來看應該是「檢察官」。

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「一般而言,證據愈是主觀、愈是需要詮釋解讀,專家就愈容易受情境偏誤影響。我們以血跡型態分析為例,血跡及噴濺型態都非常難詮釋。國家科學院的報告強調,『許多時候』會因為血跡重疊的複雜度而『很難或無法』進行詮釋。此外,報告也指出,『血跡分析師的意見主觀因素多於科學因素。』近期一份研究發現,專家在約13.1%的案件中出錯,且隨著血跡及噴濺型態的詮釋難度提升,專家對於情境資訊的依賴也會提升,並希望從中找到線索。在這些情況下,分析師更容易受偏誤影響,23%的人分析結果都有誤※。」

※ Michael Taylor et al., “Reliability of Pattern Classification in Bloodstain Pattern Analysis, Part I: Bloodstain Patterns on Rigid Non-absorbent Surfaces,” Jaurnal of Forensic Science 64 (2016): 922, 926-27.

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「你也許會以為藥物檢驗是奠基於化學原理,所以不容易出錯。鑑識實驗室的化學家通常會使用遠比犯罪現場的檢驗精確得多的追蹤檢驗。」

「話雖如此,藥物檢驗就和其他專業一樣,仍有詮釋以及人為誤差的空間。而警方沒收扣押的藥物往往都不純。舉例而言,雖然古柯鹼的基本結構都一樣,實際販售的古柯鹼卻可能混有各種雜質。合成藥物可能混合了各種合法與非法物質,在做檢驗時,分析結果或許會不一致,分析師可能不會得到與實驗室標準純藥相同的結果。此時,就牽涉到分析師的判斷了。物質樣本與參考樣本如果有許多差異,分析師還能做出這是同一種藥物的判斷嗎?此外,取樣也可能造成很大的問題:雖然有時檢驗樣本就只有針筒或藥瓶裡的微量物質,有時警方也可能查獲數百或數千包藥物。光是檢驗一樁案件的樣本可能就得耗費數週時間。」

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「這類現場酒駕測試也受到檢驗,結果顯示它們的測試效果極差:在一次實驗中,警員對一群人使用現場測試,其中有將近半數受試者體內沒有酒精,卻被判定飲酒過量、不宜開車※。美國國家公路交通安全管理局(National Highway Traffic Safety Administration)將這些酒駕測試『標準化』,發現在十五種常用的路邊測試中,只有六種有辨別酒醉程度的效果。在俄亥俄州法院禁止警方使用不符標準的現場測試之後,立法單位卻通過一條新法,允許檢察官提出現場酒醉測試的結果,無論是否符合全國標準,該測試結果都可以帶上法庭。」

※ Simon Cole and Ronald Nowaczyk, “Field Sobriety Tests: Are They Designed for Failure?” Perceptual and Motor Skills Journal 79 (1994): 99

2018年曾發生紐澤西州一名女子因酒駕被判入監服刑,但後來她的律師發現,當時用來檢測的儀器並未校正,負責校正的警探後來被控執行公務不當,紐澤西最高法院在舉辦聽證會後認為,「校正疏漏可能導致大量案件出錯」,到了年底,最高法院撤銷了兩萬多起案件的訴訟。

以前如果在新聞上看到駕駛的酒測超標,但堅持說自己沒有喝酒,大家通常都覺得這人在嘴硬,但……也可能駕駛說的真的是實話 😨

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「為什麼我們在拍護照大頭照時不能微笑?抑或說,為什麼在有『禁止微笑』法規的州份,連拍駕照照片都不能微笑?」「監理所工作人員在替你拍照時會叫你別笑,這不是為了讓照片顯得更正經,而是因為就在此時此刻,聯邦探員可能正把你的駕照、護照或其他聯邦證件的照片使用在臉部辨識演算法中。一個人露出笑容時,五官之間的距離會發生變化,而這會影響臉部辨識演算法。這就是為什麼聯邦《真實身分法案》(REAL-ID act)制定了標準,要求人們用不帶笑容的照片當證件照。」

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「在讀完本書後,如果哪天你被選為刑事訴訟的陪審員,想必會有許多想對專家提出的問題。」
  • 專家有沒有聲稱自己『識別』了證據的來源?
  • 專家有沒有說明鑑識分析的限制?
  • 他們使用的鑑識技術有多可靠?還是根本沒有人知道這種方法的可靠性?
  • 這種方法的錯誤率有多高?
  • 專家本人的熟練度夠高嗎?
  • 專家有接受過盲測能力試驗嗎?
  • 專家有沒有從警方、檢方或同事那裡收到可能造成偏誤的資訊?
  • 辯方有沒有在訴訟前收到所有的分析紀錄與數據?
  • 辯方有另外請專家來作證嗎?
  • 實驗室用了哪一些品管機制?
  • 專家有沒有使用鑑識資料庫?若有,他們搜尋資料庫時使用的電腦程式有多可靠?
「我們不需要複雜的統計數據,但我們必須完整地了解鑑識證據的品質,專家也應該用我們能理解的方式提供說明。」

「身為刑事訴訟陪審員,我們必須注意證據的力度是否足夠,並判斷檢方是否排除了所有合理懷疑、成功證明被告有罪。然而,我們被誤導了數十年,一直以為鑑識證據強而有力。鑑識專家聲稱自己是不會犯錯的超級英雄,這種說法雖然很有戲劇效果,但也會導致無辜人士被冤枉。這些是可以解決的問題,如果我們抱持懷疑的心態擔任陪審員,鑑識專家就會改變他們說話的方式;當我們對鑑識科學了解得更多、要求專家提供更好的證據,他們就不會再用『來源相同』與『識別』等詞語敷衍我們了。」

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「鑑識界諸多領域存在一種文化:如果證據夠完美,你就必須『下定論』。若有分析師表達出任何疑慮,更不用說承認毛髮證據無法鑑別出犯人,其他人便會有所不滿。一名鑑識分析師朋友告訴過我,管理者可能會對那些看起來猶豫不決的鑑識人員說:『你不是[專家〕嗎?堅持立場,下個鑑定結論。』許多鑑識領域的指導文件都要求專家在出庭時斬釘截鐵地發表結論。在訓練過程中,分析師也被鼓勵要將重點放在自己的經驗及成就上,並大致說明自己使用的方法,最後簡單提出鑑定結論。多數時候,辯方律師都不會質疑專家或採取進一步行動,所以專家也沒有多說的必要。就像我的鑑識分析師朋友所說的那樣,馬龍等傳統的專家證詞可以簡化為:『我是貨真價實的專家。我遵循科學方法,辨識出犯人的身分。就這樣。』」

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作者在附錄推薦了一些書和影片,記一下自己感興趣的:

#書 《Suspect Identities》(嫌疑身分)Simon A. Cole:「介紹指紋分析的歷史,包括專家的無錯誤主張,以及他們對於出錯可能性的否定。」

#書 《Cops in Lab Coats》(穿著實驗衣的警察)Sandra Thompson:這本作者表示強烈推薦。探討有效管理與營運實驗室的方法。

#電影 《非常上訴》(Conviction, 2010),改編自貝蒂.安的故事,由希拉蕊.史旺擔任主角,「此案點出了我們在法庭上極少聽到錯誤率資訊的問題,且除了不提供一般的錯誤率證據之外,專家有時甚至會隱瞞證明被告清白的證據。」

#報導 紐約時報2019年的報導《These Machines Can Put You in Jail. Don’t Trust Them.》:關於現場血液酒精濃度檢驗的問題。

2024年12月7日 星期六

物理奇遇記:湯普金斯先生的相對論及量子力學之旅


作者:加莫夫、史坦納德
譯者:但漢敏
出版社:貓頭鷹


「在相對論中,觀察結果一定與某位特定觀察者有關,他與觀察對象之間存在著定義清楚的相對運動關係。」

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【量子撞球】

「教授拿了一個開球使用的木製三角框,把球局限在木框裡。那顆球馬上就開始狂亂地滾動,整個三角框內看來都是白茫茫的模糊一片。

『你看!』教授說,『現在我限制了球的位置,讓它只能位於這個三角框的範圍裡,不像之前最多只能確定這顆球位於撞球檯上的某處。可是現在雖然比較確定位置,球的速度卻變得如此混亂,因此球速的測不準程度也提高了。』

『難道無法讓球不要像這樣亂滾嗎?』湯普金斯先生問。

『不行,實際上是不可能的。所有位於封閉空間裡的物體,都會進行某種運動,我們物理學家稱之為零點運動。物體無法靜止不動。如果真的靜止不動的話,我們就可得知確切的物體速度,這時速度將等於零。但假如我們知道物體位於某位置的話,就無法得知物體的速度了;就像這顆限制在三角框裡的球一樣。』

湯普金斯先生看著球,這顆球不斷在封閉邊界裡衝撞,像是關在籠子裡的老虎一樣。此時突然發生了一件怪事:球跑出來了!球現在跑到三角框的外面,正朝遠端的桌角滾去,怎麼會這樣?球並不是跳出三角框的框架,反而比較像是從邊框『滲漏』出來的。

『哈!』教授興奮高喊道,『你看到了嗎?剛剛是量子理論中最有趣的結果之一:任何物體都不可能永遠留在封閉範圍內;當物體擁有的能量足以讓自己脫離限制時,物體就可以越過邊界。此時物體很快就會[滲漏〕到外邊,逃出去了。』」

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「強核力是種短程力,因此只有相鄰的核子才會受強核力影響;然而庫倫靜電力卻是長程力。所以,位於原子核邊緣的質子雖然只受到緊臨粒子的吸引力吸引,但卻會受到其他所有較遠質子的排斥。而且隨著質子愈多,排斥力也變得愈來愈大,但吸引力卻不會逐漸增加以抵銷互斥力(因為每個質子能同時實際「摩肩擦踵」的粒子數量有限)。但原子核超過某一大小後,原子核會變得不穩定,因而釋放出某些組成粒子。由門德列夫建立的元素分類周期表中,位於尾端的那些元素就會釋放粒子,這些元素稱為『放射性元素』。」

「經過以上說明後,各位可能認為這些不穩定的重原子核會放射出質子(因為中子不帶電,所以不會受到互斥的庫侖力影響)。然而實驗證明,原子核釋放出的粒子通常是阿爾法粒子。原子核的組成粒子之所以會形成這個特定組合,是因為兩個質子加兩個中子的組合特別穩定,它們會牢牢鎖在一起。所以比起打散質子、中子後再釋放,這不如一口氣放射出整組粒子會更容易。」

「阿爾法衰變的其中一項特性是,阿爾法粒子有時需經過極長的時間才能『逃離』原子核。以鈾與釷來說,大概要花上數十億年;而鐳則得經過約十六個世紀。某些元素不到一秒就會發生衰變,不過這種時間還是比核子內的極速運動要漫長太多了。因此,明明原子內的排斥力到足以把阿爾法粒子強行推出原子核,然而卻有某種力量拴住了阿爾法粒子,讓它留在原子核內,有時還可停留達數十億年之久,這種力量又是什麼呢?而且,既然阿爾法粒子已在原子核內待了那麼久,最後又是為何會遭踢出呢?」

「拉塞福曾利用『原子撞擊法』,對這些力量進行了精細的實驗研究。拉塞福在卡文迪西實驗室進行了這項著名實驗,他讓放射性物質釋放出快速移動的阿爾法粒子束,觀察這些射出粒子與受撞物質的原子核碰撞後,會出現何種偏移情況(也就是散射)。實驗證明,雖然粒子在離原子核很遠時,會因受原子核的長程互斥靜電力影響而被推出原子核外,但當粒子非常靠近原子核外圍邊界時,排斥力就會變為強大的吸引力。因此也可說原子核有點像高聳城壁周圍圍繞的堡壘,讓粒子出不去也進不來。」

「然而拉塞福實驗最驚人的成果,是發現了原子核在放射性衰變時放出的阿爾法粒子的能量,與從外射入原子核的粒子所擁有的能量,其實都比粒子位於堡壘頂端(我們一般稱為位壘)時該有的能量更低。這個實驗結果與古典力學的所有基本概念完全相反。沒錯,如果你丟球的力量小於讓球滾上山坡所需的力量,那球怎麼可能會滾上去呢?從古典物理學的角度來看,只能推測拉塞福的實驗出錯了。」

「但他的實驗沒有錯。加莫夫、葛尼與康頓兩組人同時證明了這項結果。他們指出若將量子理論納入考量的話,勢必可獲得這種結果。之前也說過,量子物理不像古典理論將軌道清楚定義成線狀,而是認為軌道軌跡像鬼魂般擴散不清。正如同舊式幽靈可以輕易穿越老舊城堡的厚磚牆一樣,這些幽靈般的軌道也可以穿越位壘,雖然從古典理論來看是不可能辦到的。」

◆◆◆

湯普金斯先生在睡夢中來到一間工作室,有一位工匠正在「製作核子」,工匠很熱心地回答湯普金斯先生的提問。

「『你製作核子時要用漿糊之類的嗎?』湯普金斯先生好奇地問。『完全不需要,』老木匠回答,『因為只要讓這些粒子彼此接觸,它們馬上就會黏在一起。你想試的話也可以試試看。』湯普金斯先生接受他的建議,兩手分別拿起一個質子與一個中子,小心翼翼地把兩個球靠在一起;這時他立刻感受到一股強大拉力,他注意到眼前的兩顆球出現了很奇怪的現象。這兩個球在交換顏色,輪流變成紅、白兩色。似乎紅色顏料從他右手裡的球『跳』到左手的球上,然後又『跳』回來。因為顏色轉換的速度實在太快了,這兩顆球現在看來有如用一條粉紅色帶子連在一起,顏料則沿著帶子來回擺盪。

「『我那些理論物理學家的朋友稱這是[交換現象]。』老木匠說道;湯普金斯先生的驚訝神情逗得他呵呵笑了起來。『兩顆球都想變成紅色,你也可以說它們都想帶電,但因為它們不能同時帶電,所以只好來回拉扯。由於兩顆球都不願放棄,它們只好緊緊貼在一起,要用力才能把它們分開。』」

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「根據相對論,物質本身就是一種能量型態,因此擁有負能量的質子等於擁有負質量。這真的太詭異的!如果你想拉動這種原子,它會朝你遠離;如果你想把它推開,它反而會靠近你。跟一般質量為正的『合理』粒子正好相反。」

2024年12月1日 星期日

費曼物理學講義[I]力學、輻射與熱:基本觀念


作者:理查.費曼(Richard Feynman)、羅伯.雷頓(Robert Leighton)、馬修.山德士(Matthew Sands)
譯者:高涌泉
出版社:天下文化


【蒸發】

「這兒我們還要討論一些別的,那就是到底是哪些水分子離開了水面?我們前面講過,那些得以離開的水分子,是因為它在偶然的意外裡得到了比其他水分子多一點的動能,才能擺脫它鄰近分子吸引力的羈絆。所以凡是能逃脫水面的水分子,能量一定得比平均水分子的高出一點,而那些逃脫不了,留下來的水分子,其運動量當然一定比原來的水分子平均運動量要低些。這就是為什麼正在蒸發的液體,溫度會逐漸變冷。」

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「嚴格說來,組成晶體的單位不是原子,而是離子(ion)。離子是得到或失去了一個或一個以上電子的原子。」

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「由於碳與氧之間的吸引力,遠大於與碳、或氧與氧之間的吸引力,因此在這過程中,氧在跑來跟碳起作用之前,可能僅只具有少許一點能量,然而一旦開始與碳碰在一起,就引發異常劇烈的騷動,使得附近每樣東西都獲得了能量,因而產生出大量的動能。結果當然就是燃燒現象。在碳與氧的結合中,我們得到了熱,這種熱通常表現於熱氣體中的分子運動,但在某些情況下,因能量過於巨大而產生了光,這麼一來,我們就有了火焰。」

◆◆◆

「原子太小,小到完全無法用光學顯微鏡看得到。事實上,甚至用電子顯微鏡也難以看到。(光學顯微鏡只能看到比原子大很多的東西。)不過要是原子一直不斷在動的話,倒是可以用光學顯微鏡『間接』看得到。此話怎麼說呢?」

「就拿水做例子吧,如果我們把一個大球放進水裡。此處所謂大球,是指比原子大了許多,而在顯微鏡下可以看得見的球。我們發現這顆球會毫無規則的在水裡亂跑一通,就像一大群人聚在操場上玩推球遊戲一樣。」

「同樣的,我們從顯微鏡裡可以看到所謂的『大球』,會因為在某個時刻,球的某兩端受到不相等的原子撞擊,而會發生些微小偏移。而下個時刻裡,不相等的撞擊部位改變了,與前不同,偏移方向頓時更改,以致前後方向完全沒有連貫性。結果是,如果我們透過一具精良的顯微鏡,觀察水裡細微的膠質懸浮粒子,就會看見這些粒子都在不停的不規則運動。那就是由於粒子都受到原子撞擊的結果,而這個現象叫做布朗運動(Brownian motion)。」

◆◆◆

「如果原子在運動,則運動量愈大,系統裡所含有的熱就越多,所以熱跟所有與溫度有關的效應,都可以用力學定律來表明。」

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「此處我們的目的既然是要描述自然,從這一觀點出發,則氣體、乃至世間所有物質,全是由無數個到處亂闖的粒子構成。於是乎當我們站在海邊時所看到的一切事物,頓時都經由這個共同點有了關聯。首先我們想到的是壓力強度,它是來自原子與牆壁之類的東西碰撞的結果。然後是風,它是原子平均一致向同一方向飄移的現象。而物質內部原子的無規運動就是熱。還有當物質部分受到擠壓,一時之間在同一處所聚集了過多的原子,因而引發原子密度上的波動,向四周推展開去。這種過高密度造成的波動,即是聲音。」

◆◆◆

「電交互作用的現象,從表面看來,不外是兩樣物品互相吸引:帶正電的吸引帶負電的。但是後來科學家發現,這樣子的解釋,觀念上顯然有些不足,對此現象更具體的描述應該是:正電荷的存在,可使得它附近的空間扭曲,造成一種『狀況』,以致於當我們把一個負電荷放置其中,這負電荷會感受到一股力。這種能夠產生的潛在性質,我們稱為電場(electric field)。當我們把一個電子放進這個電場內,我們說它『被拉引』。於是我們得到兩條規則:(1)電荷造成了電場,(2)電場內的電荷會感受到力,因而運動。」

◆◆◆

「此處還有個比方,如果我們泡在水池裡面,身旁水面上浮著一個軟木塞。我們可以拿另一個軟木塞放在它附近,然後用手按著第二個軟木塞水以『直接』移動第一個軟木塞。如果你只注意這兩個軟木塞,其他一概不管,你看到的會是其中一個軟木塞亦步亦趨的跟隨著另一個軟木塞移動,兩者之間似乎有種『交互作用』存在。當然事實上,我們是以軟木塞來撥弄水,然後水就會推動另一個款木塞,於是我們可以捏造出一條『定律』來,說你只要把水稍微推一下,這附近水中的所有物品都會跟著動。當然由於我們推水動作僅是局限在某個地方,只要距離一遠,受到影響的軟木塞動作程度就會很快減弱。」

「不過從另一方看,如果我們不只是推一下,而是按著軟木塞上下左右來回在水中移動,結果會造成一個新的現象,那就是軟木塞帶動的水,帶動了它旁邊的水,形成波動,散布出去。結果是來回運動或是振動所造成的影響,會被傳送得非常遠,這是無法以直接的交互作用來圓滿解釋的。因此,我們必須以『有水存在』這個觀念,取代直接交互作用的觀念。同樣在電這方面,取代了直接交互作用的東西,我們稱為電磁場。」

◆◆◆

「我們在算計能量時,由於能量有時會離開或進入我們所考量的系統,既然我們要證明的是一個系統內能量守恆不變,就得格外小心防止系統外的能量混了進來,或系統內的部分能量被提走。其二是能量有許多不同的形態,而每一種形態各有其計算公式。我們有:重力能(gravitational energy)、動能(kinetic energy)、熱能、彈性能(elastic energy)、電能、化學能、輻射能(radiant energy)、核能、質量能(mass energy)等等。如果我們在任何一個時刻,把系統內的以上所列各個能量,先用它們各自專用的公式分別計算出來,然後全部加起來得到一個總和。只要沒有任何能量出入這個系統,這個總和就永遠維持不變。」

「我必須在此強調,直到今日,我們還不知道能量究竟是什麼東西。我們不能夠說,能量是由一些定量的小單位集合而成。不過我們有一些公式可以拿來計算出一些量,如果將這些量加起來,就會得到「28」這個數字*。無論我們什麼時候去計算,都會得到同一個數字!一切都相當抽象,因為能量守恆律並沒有告訴我們這些公式背後的機制或是理由。」

*此數字為一比喻故事中的數值。

◆◆◆

「月球對於地球以及海水的拉力在中心處有個『平衡』點,但是比較靠近月球的海水受到的拉力比平均拉力大,而較遠離月球的海水所受的拉力則比平均拉力來得小。此外海水能夠自由流動,而比較堅硬的地球本身則不能。潮汐真正的原因就由這兩個因素混合造成。」

「我們不禁要問,『平衡』是指什麼?究竟什麼東西會平衡?如月球把整個地球拉向它,為什麼地球不會掉到月球上?原因是地球跟月球一樣,耍著同樣的把戲,它也是圍繞著一個由地球月球合起來的重心點在轉。這個重心點雖在地球裡面,但不是位於地球的中心。所以光說月球繞著地球轉,原則上是有點問題的,正確的說法應該是:地球月球同時圍繞著一個共同的重心在打轉,它們都會落向這個共同位置。」

「而它們圍繞著共同中心的運動,剛好平衡住它們想落向對方的傾向。所以地球並非循著一條筆直的線往前走,它也是在不斷的繞圈子。」

「背著月球的地表海水,因為離開月球較遠,月球對它的拉力比月球對地球中心的拉力要弱了一些,致使它成為『不平衡』;而月球對地球中心的拉力,正好平衡抵消了『離心力』。由於海水所受的拉力不能平衡離心力,所以使得海水被拋躍地心,形成水面上漲的結果。相對的,面對月球的海水,來自月球的引力比離心力稍強,這個不平衡的結果與上述的情况相反,海水被拉向月球,不過一樣是被拉離地心,所以海面上漲。最後我們看到的是海水有兩次潮汐。」

2024年11月30日 星期六

宇宙大哉問:20個困惑人類的問題與解答


作者:豪爾赫.陳(Jorge Cham)、丹尼爾.懷森(Daniel Whiteson)
譯者:徐士傑、葉尚倫
出版社:遠見天下文化


「質量很大的東西通常分布得相當分散。以地球為例,地球質量大約與一公分寬(大約一個彈珠大小)的黑洞等同大小。如果你與這個黑洞距離一個地球半徑長,感受到的重力就如同站在地球表面一樣,都是1g。」

「當你愈靠近地球中心點,愈感覺不到地球重力。那是因為地球圍繞著你,把你平均的往各個方向拉。相反的,當你離黑洞愈近,感受到的重力愈大,因為整個地球質量近在咫尺的作用在你身上。」

◆◆◆

「即使是重力,也不能比光速還快。地球感受到的重力不是來自太陽當下的位置,而是八分鐘前的位置。這就是資訊穿梭一億五千萬公里所需的時間。如果太陽消失了(瞬間傳送自己到度假區),地球將繼續在正常軌道上運行八分鐘,然後才意識到太陽已經不見了。」

◆◆◆

「科學家認為,在六千五百萬年前,有塊數公里大小的岩石到達地球,這可能是導致恐龍滅絕的原因。」「有趣的是,科學家認為,殺死恐龍的岩石(大約十公里寬)在實際撞擊我們星球的好幾年前,就曾經飛過地球,應該給過恐龍科學家一些警告。」

◆◆◆

這是一個人在太空中測量岩石發熱的情況,光子以紅外線的形式散發出來。










如果有另一個搭乘火箭的人飛過,也測量了這顆岩石散發出的光子能量。










明明是相同的岩石、相同的光子,兩人看到的光波頻率卻不同(相對論都卜勒效應。岩石正在遠離其中一人,靠近另外一人),「由於岩石在發出光子時速度沒有變化,愛因斯坦得出結論,它的質量一定發生變化。事實上,他發現到,如果乘以光速的平方,岩石質量的變化量等於光子的能量。」

「也就是當光子離開岩石時,它實際上會改變岩石的質量。這種質量變化(再乘上光速的平方)與發射光子的能量相同。似乎岩石的一小部分質量轉化為能量,然後以光子的形式消失(請記住,光子沒有任何質量,只是純能量)。」

◆◆◆

「任何一點點被困住的能量也會使空間彎曲,並被其他物體吸引,就像有質量的東西一樣。」

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「二氧化碳就像一面單向玻璃,只吸收紅外線這種特殊的光。來自太陽的可見光在進入的過程中會穿過二氧化碳,但是當光以紅外線的形式反射時,會被二氧化碳層阻擋,能量就這麼困在裡面並使行星變暖。」

◆◆◆

「太陽風是由來自太陽的快速移動粒子組成,主要是質子和電子。製造所有美麗陽光的反應也同樣產生了太陽風。還有來自太空深層的粒子,稱為『宇宙射線』。這些粒子都是有害的。實際上,它們相當致命。」

「謝天謝地,在地球上我們有一個很棒的行星保護系統:地球磁場。當電子或質子撞擊磁場,它們會發生偏轉。地球磁場偏轉了許多來自太陽的有害粒子,使它們錯過地球或螺旋上升到兩極,並在兩極產生耀眼的極光。沒有地球磁場,我們就會受到有害的太陽輻射衝擊,這也會剝離我們的大氣層。」

「不幸的是,火星沒有地球那樣的行星磁場。在地球上,我們的磁場是由在星球內流動的熔融金屬流產生。然而,火星是一顆較小的行星,由於它比地球更早冷卻,因此凍結了內核並關掉了磁場。」

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「額外維度如果存在的話,並不是與我們空間平行的另一種空間。它們只是現有空間的延伸,不會讓你離開目前所在的空間,只是為你的粒子提供了更多搖擺或抖動的方法。這就像在你的郵寄地址中添加另一行。它能更準確的說明你的位置,但不會為郵差提供任何捷徑,使你的郵件更快到達。」

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「隨著所有燃料耗盡,核融合消失。太陽的外殼將漂移出來並形成星雲,這是未來行星形成的原始材料。隨著核融合的消退,重力繼續在核心作用,將剩餘的元素聚集成一個非常熱的緻密團塊,稱為『白矮星』。這顆較小的恆星大約是太陽原始質量的一半,但被壓縮成一個等同地球大小的球體。」

「雖然此時沒有核融合發生,但白矮星仍然會發光。就像從鍛造爐中拉出的白熱金屬一樣,白矮星會因自身熱量而發光,並且持續很長一段時間。」

「白矮星會發光多久?我們實際上並不知道,因為我們從沒見過白矮星。物理學家認為,白矮星可能需要數兆年的時間才能冷卻下來,最終變成黑暗、緻密的質量,稱為『黑矮星』。但是宇宙的年齡還不足以讓任何黑矮星存在。」