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。」
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「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)。」
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「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。」
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「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。」
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「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。」
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「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。
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「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。」