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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

Storm in a teacup : the physics of everyday life



定價:420元 
優惠價:79 332元    
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內容簡介

終於,科學家丟掉公式算式,開始講人話了!

★美國Amazon4.4星好評推薦!
★《華爾街日報》、《衛報》、《科學》雜誌(Scientific)、《書單》雜誌(Booklist)、《柯克斯書評》(Kirkus Reviews)佳評如潮!
★《數學教你不犯錯》作者、數學家 艾倫伯格(Jordan Ellenberg)誠意盛讚:「在每一個岩石下、每一個雨滴旁、每一顆沙子內,海倫‧齊爾斯基都能找到科學展現的奇蹟。」
《悖論》《解開生命之謎》作者、物理學家 吉姆.艾爾-卡利里(Jim Al-Khalili)傾力推薦:「這本書展現了物理學平易近人而有趣的一面,使我讀起來非常地快樂。」

試想一下:
藍莓是藍色的,為什麼藍莓果醬卻是紫色的?
用烤麵包機烤出一片外酥內軟的吐司,會和宇宙過熱現象有關?
如何用一隻手指就能判別生雞蛋和熟雞蛋?
廚師奮力甩動披薩的餅皮,也是在進行一個物理學的動作?

總是有些日常現象被我們視為理所當然,卻往往很少人思考過:「為什麼?」以及「這些事為什麼很重要?」
物理向來似乎只是科學家的事,但經典的物理原理其實無處不在,而且還很日常!這本書正是一場由物理、化學、生物、醫學、能源(甚至還有鐵達尼號!)聯手企劃的驚奇之旅,透過生活中許多習以為常的小事物,展現出最簡單卻極其精巧的科學奧祕!
海倫‧齊爾斯基將所有無法想像而又互相影響的事物巧妙連結,從雞蛋到哈伯望遠鏡、從深海的鯨魚惡鬥巨魷到佛卡夏麵包的烘烤過程,以及從攪動的茶水如何想像地球的大氣……透過她生動俏皮的描述,我們輕盈地越過科學的高牆,看見那些小小的現象各有價值;當它們聚集在一起時,便成就了你我的生活,甚至成為推動世界的巨大力量——

作者簡介

海倫‧齊爾斯基(Helen Czerski)
倫敦大學助理教授,也是一名物理學家,專門研究在開闊大洋中、位於碎波下的氣泡,以了解它們如何影響天氣和氣候。時常參與、主持BBC的電視節目,分享海洋和大氣物理學中的有趣故事,最近播出的系列有:「色彩的奧祕——科學光譜(Colour: The Spectrum of Science)」、「公轉與自轉(Orbit)」、「冰山探險(Operation Iceberg)」、「超級感官(Super Senses)」、「達拉歐布萊恩的科學俱樂部(Dara O’Briain’s Science Club)」以及許多關於氣泡、陽光與天氣的科學節目。她也是《BBC焦點雜誌》(BBC Focus magazine)的專欄作家,並於2014年由英國雜誌出版協會(PPA)選為年度專欄作家。此外,她也為英國《衛報》(Guardian)撰寫過非常多的文章。

作者序

唸大學的時候,我曾借住在外婆家複習物理學。
我的外婆是一位老實的北方人,當我告訴她我正在學習原子結構的時候,老人家說了一聲「喔」,接著又問:「妳了解它之後,要做什麼用呢?」
這真是一個好問題。

/////

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蠍子出沒的地方,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。
不過對於在公園或是尋常巷弄內發現的科學,人們往往存有偏見,因為它似乎只是小孩子走路分心時會看到的事物,這種應該屬於小孩子的好奇心,好像對成年人沒有真正的用途,由此認為一個成年人的知識與話題,應該是來自於閱讀講述宇宙運作的書籍。不過這種態度卻會讓人錯過許多重要的東西,忽略同樣的物理現象適用於很多地方。
例如,烤麵包機可以教我們一些最基本的物理定律,而且好處是烤麵包機容易取得與操作,透過這臺在廚房常見的機器,就可以見到宇宙最遙遠的地方,相同的物理規則也正在運作。而且當我們了解了為什麼麵包會變熱,這熟悉的概念就能套用在很多地方,即使我們永遠不需要在乎宇宙的溫度,這種方式與能力也是人類文明中一個重要的成就。對於日常科學的觀察與學習而具備的知識及能力,是每一位現代人充分參與人類文明的途徑。
要在不打破蛋殼的情況下,你知道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 SpaceTelescope, 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」)與巨大的蟹狀星雲。
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!
這就是我喜歡物理學的原因,即便我不知道生活中即將面對哪些新事物,也都能夠應用已知的物理學去解釋或處理這些現象。目前的科學家相信,這些在地球上觀察到的物理現象,除了成為所有人生活的基本工具之外,也同樣適用於宇宙的多數地方。當你在生活中將物理學原理融會貫通之後,面對世界就會無往不利。
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,如果是親手去發掘、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、會自我清潔的衣服,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:你是否猶豫要不要改用省電燈泡作為家中的主要照明?睡覺時手機放在床邊,會不會影響健康?有偏光功能的太陽眼鏡,和一般墨鏡差別在哪裡?雖然基礎的物理知識不一定能立即給予答案,卻能夠架構出思考脈絡,對於習慣使用物理思考的人,他不會因為無法立即理解而感到無助,並且往往能夠在思考或是尋找方法之後得到結果。
批判性思考對於我們了解世界具有很大的助益,特別是當廣告商與政客都在大眾面前營造出一種「他們是值得信任」的印象時,我們更要具備尋找與判斷證據的能力。透過選舉投票以及生活方式的選擇,我們不僅可以降低錯誤的風險,更是對社會和全體人類負責。沒有無所不知的人,但是在人生旅途上,掌握物理原則會使你增添一項利器。
儘管我是物理學的忠實粉絲,但在追求、優遊於物理的遊樂園時,除了為了趣味,還能藉由邏輯的過程來收集事實。科學的方法可以讓每個人對於數據與資料提出合理的論述,雖然一開始大家會有歧見,但是收集更多的資料並獲得更可靠的觀點,最終往往可以獲得一致的結論,這也是科學與其他學科不同的地方。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,因為成品呈現粉紅帶淺紫的顏色,所以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中最快樂的過程。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、卻讓我在顏色上失望的粉紅色果醬帶回英國。
六個月後,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,並有助於果醬的保存;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。
本書將透過我們生活周遭常見的小事,聯結到整個大世界的運作方式,將物理學變成一個好玩的遊樂園,展示如何從玩爆米花、研究咖啡漬與冰箱上的磁鐵,到探險家史考特的南極遠征、藥物測試與未來的能源需求。科學不是「少數人」的事情,而是「所有人」的生活,任何人都可以展開一場屬於自己的科學探索。
本書每一章都會從生活的小故事開始說起,解釋許多我們習以為常卻沒有深入思考的事物,接著利用這些原理,來解說現代最重要的科學與技術。每個知識都有它的小用處,但是當許多知識聚集起來之後,就會創造真正、更高的價值。科學家們通常不太談論了解世界運作的另一個好處,但是當物理學變成你看待世界的眼光時,世界就猶如物理原理的拼圖;當你熟悉一些基礎模式之後,就可以發掘更多相關性。我希望讀者能透過本書,在心中種下科學的幼苗,並且在未來可以擁有更多看待世界的方式。
本書的最後一章, 將會探討構成生命的「人類」、「地球」、「文明」這三項重要系統的關聯,你不一定要同意我的觀點,畢竟科學的本質就是不斷找尋新的證據,來質疑與考驗原有的理解而不斷更新結論。
茶杯裡的風暴,只是一個開始。

 

譯者簡介

藍仕豪
生於民國73年的桃園人,因為小學時讀了愛因斯坦的傳記,從此迷戀著科學。雖然大學唸的是工程科學系,卻在研究所時進入天文學的領域:取得清大的碩士之後,更嘗試讓更多朋友了解並喜歡上科學。並且期待科學能夠與人文結合,讓科學更有溫度,讓人文更有活力!

書籍目錄

前言

1. 爆米花與火箭—氣體定律

2. 有起就有落—重力

3. 美麗小世界—表面張力與黏滯性

4. 片刻之間—變化與平衡狀態

5. 波動—從水波到WiFi

6. 鴨子為何不會雙腳冰冷?—原子的舞曲

7. 湯匙、旋轉,還有第一枚人造衛星—轉動的原理

8. 異性相吸—電磁學

9. 不同的視野

致謝

參考資料

精采試閱

任何人在自家廚房進行會爆炸的實驗,可能會引起家庭革命,但如果成品是美味又不會破壞廚房的,那就另當別論了。
乾燥的玉米含有碳水化合物、蛋白質、鐵與鉀,是一種不錯的食物,但是這些東西被包覆在一個堅硬的外殼內,因此若要食用乾燥的玉米,似乎得透過激烈的手段改變現狀。「爆破」是其中一種有效的方式,可以讓玉米爆開而改變形態的成分,就藏在這顆種子當中。昨晚,我經歷了一場充滿爆破的烹飪,因為我做了爆米花,並且發現在玉米不受歡迎的堅固外殼內,竟然隱藏有柔軟的內層。但是為什麼玉米爆炸後會變成蓬鬆的爆米花,而不是碎片?
我將一匙乾燥的玉米粒放到油溫已經很高的平底鍋內,蓋好蓋子並泡上一壺茶。相較於窗外肆虐的狂風暴雨,油鍋內嘶嘶作響的玉米就顯得安靜多了。雖然一開始平底鍋內似乎沒什麼動靜,但是一場關於氣體的好戲正要上演。
每個玉米內部都有胚芽,它們是植物生命的起點,而周圍的胚乳則是胚芽發芽時所需的養分。胚乳主要的成分是澱粉,此外還有大約14%的水分,當水分在鍋中逐漸受熱時,水分子運動越來越劇烈,最後沸騰而變成蒸氣。玉米外殼原先是為了保護種子不受外界傷害,但是加熱中的玉米內部卻開始產生暴動,讓玉米粒變成一個迷你的壓力鍋。當汽化的水分子數量不斷增加,並且以越來越快的速度大力撞擊玉米粒的內壁時,就會形成越來越大的壓力。
壓力鍋就是藉由高溫產生壓力的原理,使得烹飪變得很有效率,同樣的原理也發生在要變成爆米花的玉米內部。當我離開爐子去找茶包時,油鍋的溫度已經將玉米內部的澱粉加壓煮成類似凝膠的糊狀物,此時大多數的玉米殼還能承受壓力,但是當玉米內部溫度上升到180℃時,壓力就接近我們周遭空氣的10倍,而這也是玉米外皮的耐壓極限。
我搖晃了平底鍋一下,聽到第一個爆破聲,幾秒鐘之後,鍋內發出的聲響就像一架扣下扳機的迷你機關槍,許多爆米花敲打著透明鍋蓋的頂部,並且從蓋子的邊緣散發出獨特而令人印象深刻的蒸氣。在我離開幾秒鐘去倒茶的時間裡,這些像彈幕一樣的爆米花就多到把蓋子撐開且跳了出來。
這一個小小的「劇變」前後,有些物理的規則大不相同。在爆米花破殼而出之前,數量固定的水蒸氣,在玉米內部隨著溫度升高而壓力增加、最終超越外皮能承受的極限時,內部所釋放出的高壓澱粉糊不再受到體積限制,可以開始擴張;此時,澱粉糊的分子仍在快速運動,直到它的壓力下降到與外界的大氣壓力相同為止。在這個過程當中,綿密的白色泡沫快速擴大變得蓬鬆,並且將玉米粒內外翻轉。當它冷卻而凝固後,爆米花就完成了。
每當我開心地吃完爆米花時,總會發現一些焦黑在鍋底、沒有成功變成爆米花的玉米粒。這是因為在進入油鍋之前,玉米粒的外殼已經受損,以至於在加熱的過程中,玉米粒當中的水蒸氣不斷散出而無法蓄積壓力。事實上,只有少數穀物可像玉米這樣變成爆米花,主要條件就是外殼必須密閉而沒有氣孔。但若是玉米粒內部的水分不足(原因可能是在不當的季節採收),也會使得壓力不足而無法「爆開」,這些失敗而堅硬的玉米粒就無法食用了。
我將一碗爆得恰到好處又柔軟的爆米花,連同剛泡好的茶放在窗前,欣賞著窗外的暴風雨。也許「爆破」不盡然都是壞事!

///

地球上有一層包覆著我們的大氣,讓氣體分子永遠存在我們的四周,並且不斷撞擊著我們,以及維繫我們的生存。大氣真正的美妙之處在於它並非處於靜止狀態,而是不斷變化。如果我們的肉眼可以觀察到空氣,將會看到它們豐富的運動。透過這個章節提到的氣體定律,無論是哪一種分子的氣體,它們都可以升溫或冷卻,也可以壓縮或擴張,因而造成各種有趣的影響。就算這些氣體不在鯨魚的肺部或是蒸汽機的鍋爐內,它們仍然在運動。在大氣中,一團氣體的周圍也是氣體,這意味著它們不斷地影響彼此,不斷地依照周圍狀況調整狀態。雖然我們無法分析每一個細節與變化行為,但是它的結果卻無人不知——我們稱之為「天氣」。
一個遼闊的平原是觀察風暴的最佳場地,這個地方可能前一天還晴空萬里,緩和的大氣流動讓人以為這裡不曾改變過。但是此時,眼睛看不見的空氣分子也許正逐漸聚集,從地表附近開始往上移動,並持續不斷地推擠、擾動、改變狀態與流動。接著,高壓區的空氣會往低壓區前進,並且在過程中不斷加熱或冷卻。這個過程看似持續、緩和而無特別之處,然而實際上,氣體分子正在醞釀著巨大的能量。
暴風雨來臨前的日子一如往常,但是分外晴朗的天空,使得地表升溫的速度更快。於是,空氣分子獲得更多的能量。中午過後不久;一片厚實的雲正逐漸接近並持續擴張,直到它延伸到地平線,壓力的差異讓這個橫跨平原的巨大氣體團,能量不斷地轉移。接下來一場大戲就要上演了,雖然空氣分子會因為運動而相互影響,但是它們沒有時間達到穩定的狀態,而且大量的能量正向外傳遞。同時地表受熱上升的空氣不斷推擠、穿過雲層,並在上方形成看起來像一座不斷向上伸展的蘑菇狀結構。
當雷雨雲到達頂部時,取代平原上廣闊藍天的,是一大片低沉黑暗的蓋子,而在地面上的我們,已經被這場狂暴所包圍。我們無法看見空氣分子,但是我們看得到風起雲湧的現象。這暗示著因為壓力失衡,空氣胞之間正在發生劇烈的衝擊,然而這也是一種恢復平衡的過程,只是透過這樣快速而劇烈的方式,空氣分子會彼此交換能量,水氣凝結成水滴,接著就落下傾盆大雨。在風暴橫掃的範圍之中,氣體分子也會在地表上肆虐,而我們正身在其中。
這場暴風雨提醒了我們,平常的藍天之下究竟蘊含多少能量。但其實狂風與暴雨都是來自於我們頂上,微小氣體分子的碰撞與推擠。當空氣之中的水氣分子從陽光中獲得能量後,就會上升而聚集成雲,一旦它們的能量變成熱輻射逸散到了太空,就會凝結成雨滴回到大海或陸地;氣體在這個循環的過程中,依然遵照理想氣體定律,不斷地調整而尋求平衡。
我們生活在一顆旋轉的行星上,這裡有各種地形和色彩豐富的表面,但這也使得大氣在調整平衡時,要經歷複雜的過程,其中無論是水氣形成的雲,或是其他各種氣體,都會面臨相同的狀況。天氣預報只是追蹤與分析這些氣體之間的戰鬥,並將可能影響我們的狀況彙整出來,這一切與前面提到的大象喝水、蒸汽機運作、火箭升空所運用的原理,全都是氣體定律運作的結果。讓玉米變成爆米花的物理原理,也同樣支配著我們的天氣。

///

我們對於重力作用在固體上的現象大多很熟悉,主要也是因為我們本身便是一種固體。然而在現實世界中,圍繞在固體四周的,往往是另外一種流動的東西,是一種稱為「流體」的物質,而且流體正不斷受到外力的影響而改變。人類的肉眼可以清楚見到葉子的掉落或是橋梁的升降,卻無法觀察到流體內的複雜變化。事實上,流體力學是一個美麗的世界,它們拂過、翻攪、綿延的狀態,充斥在世界各個角落且令人驚奇。
我認為泡泡之所以可愛,是因為它們無所不在,並且是物理世界的無名英雄。它們會不經意地出現在水壺、蛋糕、化學反應裝置或是浴室裡面,與其他物質產生反應,或是正在進行一些有用的事情,只是泡沫往往稍縱即逝。數年前,有一群五到八歲的小朋友,我問他們知不知道哪邊可以看到泡泡,他們很踴躍地跟我說在汽水、浴缸或是水族箱當中。
我在一整天活動的尾聲已經有些疲憊,但還是開朗地帶領最後一群小朋友,並試圖管理大家的秩序。過了好一陣子之後,我問:「你們知道哪邊可以找到氣泡嗎?」接著,一個小朋友舉手回答,注視著我,然後說:「起司……與鼻涕泡!」儘管我從未想過這個答案,但也不能否定他的邏輯,畢竟小朋友比起我們更常見到鼻涕泡。但是對於至少一種生物而言,鼻涕泡是生活的關鍵。讓我們來見見這種海中的紫色蝸牛——紫螺(janthina janthina)吧!
海螺通常生活在海底或是岩石上,當你把岩石上的海螺抓起來放到水中,牠也會立刻到達水底。古希臘的阿基米德(就是那位發現浮力而大喊「Eureka」〔我發現了〕的人)是第一位描述物體浮起來或沉下去之機制的人。雖然,阿基米德對於船體的浮力可能比較有興趣,但是同樣的原理其實也發生在海螺與鯨魚身上,或是任何浸入水中,或是漂浮在水上的物體。
從阿基米德的想法可以知道,如果海螺占據海中的某個「位置」,那個「位置」的海水就會被排開,也就是說,海螺在水中必須要與海水競爭空間,而這種競爭的力量都來自拉往地心的重力。雖然海水是流動的流體,也依然有重量,而物體受到重力牽引的力量與質量成正比;也就是說,如果海螺的質量是同體積海水的2倍時,那牠受到的重力牽引就會變成所排開海水的2倍。
阿基米德的原理告訴我們,海水會施予海螺一個向上的力量,但是這時候的海螺也被重力往下拉,因此,「海水的壓力作用在物體表面,並將原有物體往上推」的力量就稱為「浮力」。所以海螺如果比海水的密度小,就會往上浮。實際上,由於海螺的質量大於同樣體積的海水,因此牠在重力的競爭中就會獲勝,可以沉到水底;但是如果海螺質量小(相同體積下的質量比較少,代表密度較低),牠就會浮起來。
在海螺演化的歷史上,大多數的歲月都是在海中度過。但在過去的某個時候,一個尋常的海螺忽然出現了很糟的狀況,牠所產的卵被包覆在過多的氣泡中,而且氣泡不斷地變大。浮力只在乎整體的平均密度,當氣泡增加體積,卻沒有增加重量的情況下,氣泡與海螺的整體密度低於海水的密度時,海螺就會浮起來,見到了陽光與廣闊的海面,這隻浮起的海螺正是另一個演化的起點。
如今在溫暖海域常見的紫螺,應該是那隻迷失在海面的海螺的後代。這種有著鮮明紫色的海螺,會分泌一種黏液(我們偶爾可以在早晨花園的石頭上,見到蝸牛爬行所留下來類似的黏液),並利用身上強壯的足部讓黏液圈住空氣,製作出一個通常比自己身體還大的泡沫筏,這樣一來可以確保牠與氣泡的總密度小於海水,因此能一直仰臥漂浮在海面上(氣泡在上而殼在下方),並且以捕捉水母為食。如果你在海灘上看到的海螺有紫色的殼,那可能就是紫螺了。
浮力可以幫我們分別密封容器內的物體或成分,而且快速有效,例如現在許多汽水都有無糖版本,如果今天把它們放在一模一樣的瓶子中,在沒有任何標示的情況下,要如何分別哪罐不含糖呢?答案是把瓶子放入淡水中,無糖的汽水會浮在水面,而含糖的則是會沉入水底。因為這兩種飲料的體積與容量相同,但是一般330毫升的含糖汽水,會有大約30~50克的糖溶解在飲料中,代表含糖飲料的密度更高而會沉到淡水中;無糖飲料內的甘味劑與色素等等添加物,所添加的質量就非常少,其餘部分幾乎都是水與二氧化碳,因此裝有無糖飲料的罐子就會漂浮在水面上。
此外,浮力還可以用來分辨雞蛋是否新鮮。由於放在冰箱內很久的雞蛋會因為內部的水分蒸發,空隙被空氣取代而變輕,所以將雞蛋放入水中,會沉入水底的是未超過一星期的雞蛋。但是因為雞蛋尖端的某些空隙中含有空氣,所以在水底的雞蛋會站起來;相反地,如果蛋已經放置很長一段時間,它們往往就會浮在水面上。不過,準備一頓早餐可以學到的科學,可不只有分辨雞蛋而已!
如果可以調整與控制一個物體所攜帶的空氣數量,進而改變整體占用的空間,就可以在液體中控制它要下沉還是上浮。當我開始研究海水的氣泡時,發現一篇1962年發表的論文中,有一段寫道:「泡沫的生成不僅僅是來自於破碎的浪花,還有許多是來自海底腐化的物質、魚類噯氣(打嗝出的氣體)以及甲烷。」打嗝?我忽然感覺到這篇文章的作者,似乎曾經坐在暗沉而舒適的皮椅上寫作,而且地點還是在倫敦某個接近港口、不起眼的俱樂部內。因此當我讀到這段時,不禁告訴別人這是一種誤解。
過了三年,當我在荷屬古拉索島進行水下研究時,忽然有一隻長約1.5公尺的大目海鰱從我肩膀上游過,並且從牠的鰓中打了一個嗝,我才知道那篇文章並非毫無依據。事實上,一般的硬骨魚類通常有一個貯存空氣的地方,稱為「魚鰾」(swim bladder),魚可以藉此控制自己的浮力;如果魚的整體密度和周圍的水相同,就可以在一個位置完全保持平衡。大目海鰱的魚鰾較為特殊,能夠與鰓直接配合呼吸、並且提取氧氣。雖然不得不承認真的有魚會打嗝,但是我仍然不認為這些魚類是造成海面泡沫的重要原因。

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對一個慵懶的星期天而言,一間英式酒吧是午餐最好的去處。這些餐廳內部給人的印象,不是充滿設計感的裝潢,而是層層堆疊交錯的空間隱身在古老橡木梁柱之間。我常去的那間酒吧,其中一個角落有個黃銅的飼料盆,旁邊那張照片中是獲得喬治亞獎的豬,而某次我就坐在這些東西之間,點了一份標準的酒吧午餐。附餐會有薯片,以及隨之附上的一罐番茄醬,但是這種組合需要你付出一點體力為代價。數十年來,這些橡木的梁柱已經見證過無數次這樣的儀式:擠番茄醬。為了要讓番茄醬離開瓶子,人們大多必須與它暴力相向。
大部分的人每次剛開始倒番茄醬時,都很樂觀地直接讓瓶口朝下,嘗試讓番茄醬自然流出,但通常什麼事都不會發生。因為番茄醬是厚實黏稠的物體,重力不足以把它拉出瓶子。廠商之所以讓它具備這種狀態,第一個原因是黏稠的番茄醬可以避免放置了一段時間後,裡面的香料開始沉澱,使得你必須在使用前將它搖晃均勻;第二個原因是大家喜歡薯片上有厚厚一層番茄醬,如果它不夠黏稠,淋在食物上只會有薄薄的一層,其餘都會流到旁邊。不過說了這麼多,我的番茄醬依然在瓶子內,還是沒有淋到薯片上。
當大家將打開瓶口的番茄醬倒置在薯片上方幾秒鐘後,終於開始明白瓶子裡的番茄醬對於重力的拉扯是絲毫不為所動。那些亟欲享用薯片的人開始搖晃瓶子,而且越來越大力,甚至還會用另外一隻手拍擊瓶子的底部(這時的「底部」是指朝上的那側)。當餐廳裡的人都開始注意這個人與瓶子之間的戰鬥時,忽然,四分之一瓶的番茄醬就這樣倒在薯片上。
這就奇怪了,它可以一次流出這麼多,讓薯片蓋滿厚厚的番茄醬(也可能噴了一大堆到桌上),那為什麼剛才一滴也流不出來?這種抗拒到了某種程度之後,才會大量出現的流動,原因是什麼?
這一切都跟番茄醬有關,當你嘗試緩慢而柔和地推動它時,它就如同一個固體,但是一旦你快速搖晃它,它就像是液體,因而流動自如。當番茄醬在瓶子內或在薯片上時,只有重力會輕微地吸引它,就如同吸引一個固體一樣,維持在原來的位置;但是快速搖晃就會使得番茄醬的內部開始移動,此時就出現液體的行為。這一切都跟時間有關1,如果使用不同的速度移動同樣的東西,結果就會大不相同。
番茄醬最主要的成分就是番茄,以及增加風味的醋與香料,而番茄本身除了大量的水,其他成分似乎也沒有什麼特別。但是這瓶番茄醬的祕密就在於其中0.5%的添加物,它們是由醣分子組成的長鏈化合物,稱為「黃原膠」(xanthan gum)。這種化合物最早的用途是在於細菌的培養,如今則是一種常見的食品添加劑。當瓶子靜置在桌上時,這些被水包圍的長鏈分子彼此會輕微地交纏,因此可以固定番茄醬內的各種物質。但是隨著餐廳客人拿著瓶子搖晃,這些長鏈分子會暫時解開,不過很快又會恢復與其他的長鏈分子交纏。當瓶子搖晃得越來越劇烈時,就會有越多分子處於分開的狀態,直到它們交纏的速度比不上分開的速度,這時,番茄醬就不再像固體,而是變成了液體,從瓶子內流出來了。
所有英國人每天花在倒番茄醬的時間,一定相當可觀,但其實有一個方法可以解決這個問題,卻很少人去做。大家常將瓶子倒置,然後搖晃、拍打底部,其實是事倍功半的做法,因為變成液體的番茄醬都在底部,而朝下的瓶頸內的番茄醬,卻依然像固體。所以最好的方式不是拍打底部,而是讓番茄醬的瓶子傾斜對準薯片,然後拍打瓶子的前端,這時變成液體的番茄醬就在出口,所以很容易就自然地流出來,而且不需要大力搖晃,不會弄出打擾其他客人的聲響,也不用擔心整瓶番茄醬都變成液體,忽然噴得到處都是,更不會讓你的薯片埋在一大灘的番茄醬底下。

審定推薦

【審訂】

鄭永銘

畢業於台師大物理系、化學研究所,曾經擔任台北市教育輔導團資訊教育科輔導員,台北市教育局中小學創意競賽規劃委員,臺北市建國中學物理教師等職務,並經常出席全國中小學創意教學研習之講座,及海峽兩岸中小學資優研習營之講座。目前為公共電視節目的科學顧問。曾指導學生參加2008國際物理奧林匹亞競賽榮獲兩面金牌。


【國際推薦】

「這本書展現了物理學平易近人而有趣的一面,使我讀起來非常地快樂。透過作者的解說,讓我們發現原來單調的日常事物,竟然有著如此迷人的一面,甚至不亞於哈伯望遠鏡看到的天體,或是在大型強子對撞機中產生的物質。」
——《悖論》《解開生命之謎》作者、物理學家 吉姆.艾爾-卡利里(Jim Al-Khalili)

「這是一本迷人、平易近人而充滿熱情的書。海倫邀請你用她的視角來看這個世界,並了解物理學家的想法,藉此讓你發現隱藏在普通與日常生活背後的科學。」
——《數學的戀愛應用題》作者、數學家 漢娜‧弗萊(Hannah Fry)

「在每一個岩石下、每一個雨滴旁、每一顆沙子內,海倫‧齊爾斯基都能找到科學展現的奇蹟。」
——《數學教你不犯錯》作者、數學家 艾倫伯格(Jordan Ellenberg)

「如果你認為要理解事物運作的原理,是一件比登天還難的事情,那麼請你翻一下這本書,它會帶著你一步登天,並且讓你從高處看到美麗而壯闊的風景。這無疑是一本有趣、迷人而出色的好書。」
——英國喜劇演員與作家 馬庫斯‧布里斯托克(Marcus Brigstocke)

【好評推薦】(按姓氏筆畫排列)

李遠哲    中央研究院前院長
林秀豪    清華大學物理系特聘教授
孫維新    國立自然科學博物館館長/臺灣大學物理學與天文所教授
高涌泉    臺灣大學物理系兼科學教育發展中心主任
彭啟明    大氣科學博士/大愛電視台 氣象主播
黃貞祥    國立清華大學生命科學系助理教授/泛科學專欄作者
鄭國威    泛科學總編輯
賴以威    師大電機系助理教授 數感實驗室共同創辦人
螺螄拜恩 暢銷書人氣作家
簡麗賢    北一女中物理老師
羅焜哲    台南一中物理科教師

「作者用詩意的眼光與文筆,帶領你在日常周遭的小角落,看見物理!」
——清華大學特聘教授 林秀豪  


「英國大詩人濟慈以為牛頓的科學破壞了彩虹的美麗與詩意。其實,科學並非只有冷冰冰的公式和定理而已,還能發掘出大自然深刻而理性的美感,以及充滿探索未知而激發出更多無窮的想像力。《茶杯裡的風暴》就以身作則地帶領我們,在身旁習以為常的小事物裡遨遊物理的世界,讓平凡生活增添了許多奇妙的樂趣。」
——國立清華大學生命科學系助理教授/泛科學專欄作者 黃貞祥  


「身為文組生,個人數理成績永遠在低空徘徊,以至於我剛拿到本書時略感暈眩(扶額)。然而閱畢後,我非常希望它能提早二十年出現,以改變眾多數理白癡的人生。
本書以一則則生動有趣的日常小故事,將科學由少數專業人士範疇,推展至芸芸眾生的生活。閱讀之際,我不再產生『阿鬼,你還是講中文吧~』的想法,反而為了進入一個前所未見的美麗新世界而欣喜不已。」

——暢銷書人氣作家 螺螄拜恩


「談到「物理」,不少人可能反應:「好難喔!看不懂。」確實如此,在學習「物理」科目期間,不少學生認為難度很高,甚至覺得「高不可攀」。然而,不談深奧難懂物理關係式和專有名詞,物理其實很有趣,物理在生活中,生活中有物理。
如果不相信,不妨閱讀三采文化出版的《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》。這本書以淺顯易懂的說法讓讀者能與生活經驗結合,再思考其中的科學概念,例如從水等液體討論表面張力和黏滯性;從一般物體的轉動談現代科技的人造衛星。從生活主題切入談物理概念,讀來讓我興趣盎然,獲得更多不同角度的說法,對活化物理教學裨益良多。」

——北一女中物理老師  簡麗賢

專欄推薦

如何優雅的擠出番茄醬?技巧背後蘊藏的科學知識 文/物理學家、BBC節目主持人海倫‧齊爾斯基(Helen Czerski)   對一個慵懶的星期天而言,一間英式酒吧是午餐最好的去處。這些餐廳內部給人的印象,不是充滿設計感的裝潢,而是層層堆疊交錯的空間隱身在古老橡木梁柱之間。我常去的那間酒吧,其中一個角落有個黃銅的飼料盆,旁邊那張照片裡的是獲得喬治亞獎的豬,而某次我就坐在這些東西之間,點了一份標準的酒吧午餐。 附餐會有薯片,以及隨之附上的一罐番茄醬,但是這種組合需要你付出一點體力為代價。數十年來,這些橡木的梁柱已經見證過無數次這樣的儀式:擠番…..看更多
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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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