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科學寶可夢 #018 比雕:鳥能飛2馬赫你敢信?

Rock Sun
・2016/09/14 ・2946字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 519 ・六年級

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身為一名訓練師,你真的了解你的寶貝們嗎?寶可夢圖鑑讀熟了沒?

其實圖鑑告訴你的比想像中的還多喔!國外玩家建立了這個 Scientific Pokedex 網站,來跟大家分析這些寶可夢們是如何使用科學力來戰鬥的。

每個星期周末跟著 R 編一起來上一門訓練師的科學課吧!

pokedex
圖/Scientific Pokedex

超音速風暴來襲 #018 比雕

比起長了炮管的烏龜和能融化岩石的飛天恐龍,比雕看起來真的會像是現實世界會有的生物……嗎?

跟前兩者比起來,既然身為一隻鳥類,比雕理論上應該要有相當嚴格的身材限制,但這幾天打開手機一看差點昏倒。

R編手上有兩隻比雕,一隻寫著「體長:1.53 公尺,體重 41.41 公斤」,另一隻寫著「體長:1.54 公尺,體重 0.94 公斤」……,這體重也差太多了吧(註1)~好比一個兩個身高 180 公分的人去量體重,一個 80 公斤,另一位只有 1.8 公斤!?這已經不是營養不良可以形容了吧~儘管世界上最小的狗體重不超過 1 公斤,而最大的狗種則是超過 100 公斤(註2),但這兩隻比雕可是長的一樣高啊!

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撇開同種的差異,比雕的官方體型:1.5 公尺、40 公斤就夠科學嗎?鶴鴕是體型最接近比雕的鳥類,但這些大火雞根本飛不起來。世界上最大的飛鳥是生活在南美安地斯山脈的安地斯禿鷹,這南美許多國家的國徽動物,平均身高可達 130 公分,體重可達 15 公斤。但是很明顯的,比雕更方面還是比牠大上許多(註3)。

世界上速度最快的鳥類,同時也是地球上移動最快速的動物,是遊隼。遊隼高空巡航的時候可以飛出時速 389 公里(0.32 馬赫),儘管這速度比絕大部分的直升機還快了,但比雕還是遊隼快了 6.3 倍,但人家可是 60 公分、1 公斤左右的輕量級體重,比牠還重 40 倍的比雕真的能飛出 2 馬赫嗎?還是說,牠能安心的飛出 2 馬赫嗎?

hawk
遊隼(圖/Scientific Pokedex)

寶可夢圖鑑中,一提到比雕的速度直接就是白紙黑字的「2 馬赫」(註4)。再搞清楚比雕能飛出 2 馬赫是多誇張之前,先討論一下「馬赫」是什麼?馬赫數是基於音速的速度單位,2 馬赫即代表他的是音速的兩倍,而且馬赫是相對值,因為聲音在水、固體和空氣中有不一樣的速度,絕大部分我們討論的馬赫數是指在空氣中的聲音速度(每秒 340.29 公尺),但在水中這個數字會變為每秒 1484 公尺,在鋼鐵中則是每秒 5120 公尺,所以在空氣中飛出 2 馬赫和在水中游出 2 馬赫是差很多的喔~

馬赫數有許多的分級,如小於 0.8 馬赫稱為亞音速、0.8~1.2 稱為跨音速、1.2~5 為超音速、5~10 為高超音速,一直到當太空船進入大氣層會達到的 25 馬赫(re-entry speed)等,物體要在不同的速度下會有不同的物理和影響需要考慮。對比雕而言,2 馬赫剛好落在超音速這區間,想要知道馬赫數的話可以使用公式

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eq mach

M 為馬赫數
u 為局部之於邊界層的流速,簡單的說就是物體的速度。
c ‘為其所在物質的音速

比雕是在空氣中飛行的,儘管空氣中音速有溫度及氣體密度等變因需要考慮(註5),就先假設比雕是在海平面飛行。這時音速時速 1225 公里,2 馬赫的話就代表比雕能飛出時速 2450 公里,比超音速客機協和號客機還快(時速 2179 公里),經國號和 F-16 速度紀錄上都未達 2 馬赫(註6)。

British_Airways_Concorde_G-BOAC_03
協和式客機。你看,要飛2馬赫應該要長這樣。圖/ wikimedia commons

那如果比雕真的能飛出 2 馬赫,他會發生什麼事呢?馬赫數不只是個速度而已,它同時也能伴隨另一個產生的東西—衝擊波。當物體在空氣中運動時空氣會受到壓力,正常情況下是「音波」,一但物體超過音速,空氣無法跟上後面的持續變化,一段時間內的音波就會疊合在一起,產生衝擊波。除了對周遭造成破壞外,超音速移動的物體本身也難逃自己製造的衝擊波的破壞,因此超音速客機協和號的形狀才會如此與眾不同,就是為了躲避自己的衝擊波。

但是比雕的形狀有與眾不同嗎?由於網路上找不到比雕俯視圖,我們拿老鷹的俯視圖來驗證一下。當比雕飛出兩馬赫時,喙的尖端已經比旁邊的音波超出兩倍的距離,因此我們能繪出馬赫錐如圖:

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pidgeot
翅膀掰掰。圖/becuo.com

嗚呼哀哉~如果比雕真的飛出了 2 馬赫,這 60゚ 角的以外的東西都將不付存在,比雕會變成像餐桌上的火雞一樣,墜落地面(註7)……

當筆者正在絕望的時候發現了一件事:比雕高速飛行時會將翅膀向後收!這實在太好了,這樣牠或許能過衝擊波的影響,但筆者又發現了一件更威猛的事

pidgeot 2
比雕,拜託你飛慢點,我覺得我的頭皮……(圖/Pokemon Wiki)

小智盡然曾坐在比雕身上飛行!幸好他剛剛好躲在馬赫角中,如果這時比雕真的飛出了 2 馬赫,我想小智的頭皮一定開始發涼(註8)。

所以先不管比雕是怎麼用這種火雞體型飛出 2 馬赫的,只能說在天時地利人和下,比雕和坐在他背上的小智都能逃過 2 馬赫衝擊波的傷害,這真是萬幸。但請寶可夢世界一定要立法限制比雕的航空權啊!要不然也要在比雕遷徙的時候考慮到周邊居民的安危,不然到時候災情可能如龍捲風過境一般啊~

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編註:

  1. 當 R 編在自己的臉書上分享這則發現時,好友們紛紛跳出來分享各式各樣的減肥傳奇,如「7 公尺長,重 7 公斤的暴鯉龍」、「2 公尺高、重 3 公斤的椰蛋樹」、「163 公分、體重 19 公斤的豪力」,真的很好奇,難不成這些寶可夢是氣體分子組成的。
  2. 世界上最小的狗是一隻名為卜卜的吉娃娃,不到 20 公分長,重不到 1 公斤;最重的狗為一隻名為巨人喬治的大丹狗,高超過 110 公分,體重超過 100 公斤,這兩隻犬科生物於 2010 年受金氏世界紀錄邀約,於紐約中央公園見面,後者似乎不認為前者是一隻狗。
  3. 安地斯禿鷹又稱安地斯神鷹,不難理解,因為牠也是世界上最長壽的鳥類,可以活到 100 歲。另外一種可以和他的體型比拚的大型飛鳥是生活在南非的灰頸鷺鴇,在體重上可以達到更重的 18 公斤,但翼展和身高較低,但不管是哪一種都比不上比雕。
  4. 除了比雕之外,寶可夢世界還有另一隻可以飛出 2 馬赫的傢伙,就是大家朝思暮想的快龍,根據 Pokémon GO 內部的圖鑑敘述,快龍能在 16 小時內繞地球一圈,地球於赤道的周長為 40075 公里,經過計算,快龍時速為 2504.68 公里,只比比雕快了一點。
  5. 古典的音速公式為 c=331+0.6T (其中 為攝氏溫標),但隨著物理的發展,許多變因如介質密度及定壓比熱與定容比熱之比也被納入考慮。
  6. 協和號紀錄上速度也是 2 馬赫,但大家可以發現比雕明顯快了很多,因為協和號是以它的飛行高度(20700 公尺)時的環境音速為 1 馬赫,當高度越高、空氣密度越小、音速隨之變小,所以才會有這些差距。至於其他戰鬥機的速度可能因為機密關係,所以公布的資料有所低估。
  7. 假設比雕在 10000 公尺高空一個不小心張開翅膀,如果不計空氣阻力,被切成子彈形狀的身體會在 45 秒後墜落地面,差不多行進 30 公里,可以從台北飛到林口。
  8. 從動畫版的畫面來看,假設 10 歲的小智身高有 140 公分的話,他的比雕身高絕對有 170 公分,真是比雕界的巨無霸啊。

參考資料:

  1.  Scientific Pokedex
  2. Whatbird.com
  3. Pokemon wiki
  4. Wikipedia(Mach numberslargest bird list 鶴鴕灰頸鷺鴇協和式客機遊隼
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Rock Sun
64 篇文章 ・ 959 位粉絲
前泛科學的實習編輯,曾經就讀環境工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但我現在會說沒有專長(笑)。也對太空科學和科普教育有很大的興趣,陰陽錯差下在泛科學越寫越多空想科學類的文章。多次在思考自己到底喜歡什麼,最後回到了原點:我喜歡科學,喜歡科學帶給人們的驚喜和歡樂。 "我們只想盡我們所能找出答案,勤奮、細心、且有條理,那就是科學精神。 不只有穿實驗室外袍的人能玩科學,只要是想用心了解這個世界的人,都能玩科學" - 流言終結者

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想要減肥或控制體重?先散步評估一下吧!——《大自然就是要你胖!》
天下文化_96
・2024/07/02 ・1877字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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恢復初始體重與延長健康壽命

身體的能量大多由細胞裡的能量工廠產生,也就是粒線體。這種能量以 ATP 的形式存在,用來驅動體內種種的生物過程,維持新陳代謝。攝取果糖後,身體會產生尿酸,對能量工廠造成氧化壓力,導致 ATP 產量減少,最後果糖所含的熱量會以脂肪和肝醣的形式儲存在體內。這個過程能幫助我們儲備能量,以因應食物不足的狀況。

生存開關活化所產生的氧化壓力,可能對細胞內的能量工廠和身體其他部位造成損害。在自然界中,這種氧化壓力通常為時短暫,能量工廠很快就會恢復正常運作。相對之下,現代人體內的生存開關卻是全年無休、火力全開。原本是為了生存而暫時抑制粒線體的能量產生,沒想到卻變成一種永久的枷鎖,並帶來嚴重的後果。

長期暴露在慢性氧化壓力中,會使能量工廠的結構發生變化。粒線體會變小,功能下降。即使在生存開關並未活化的狀況下,粒線體產生的能量也不復以往。這等於重新設定了新陳代謝的基礎值,降低能量的產生和使用,隨之而來的便是體重增加。因為身體現在認定減重前的體重才是正常,所以將體重減輕視為生存威脅,於是調整新陳代謝速率做為因應。這時,你的新陳代謝就成為你的敵人!

長期暴露在慢性氧化壓力中,粒線體會變小,降低能量的產生和使用,隨之而來的便是體重增加。因為身體現在認定減重前的體重才是正常,所以將體重減輕視為生存威脅,於是調整新陳代謝速率做為因應。圖/envato

生存開關長期處於活化狀態,不只會影響體重和能量。現在更有證據指出,慢性或反覆出現氧化壓力,也會導致人體老化,於是皮膚出現皺紋,內臟器官緩慢磨損。所有的食物攝取,多少都會對能量工廠造成氧化壓力(第一章曾說過,減少熱量攝取可能延長壽命,原因可能正是在此)。然而,與其他營養相比,攝取果糖對粒線體造成的氧化壓力要大得多。

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在我看來,若能在粒線體受到永久損傷之前,及早對肥胖症展開治療,效果最好。的確,我個人的經驗是,兒童和青少年的肥胖症比較容易治療,只需要改變飲食,減少攝取會活化生存開關的食物,因為年輕人仍然擁有大量功能正常的粒線體。相較之下,要治療肥胖症的長期患者挑戰就高得多,因為他們的能量工廠長期承受慢性的氧化壓力。然而,任務仍然可能達成,關鍵在於恢復粒線體。

要治療肥胖症,就得增加粒線體的產能

我們被「鎖定」在高體重和低能量的狀態,這聽來真是令人沮喪,但這種狀態並非不能改變,能量工廠是可復原的。基本上有兩大方法,首先,盡量減少對能量工廠的損害,讓它們有時間自然恢復。這種方法主要著重在中止生存開關持續活化。其次是積極修復能量工廠,甚或是增加生產粒線體,以彌補失去的數量。

評估粒線體的健康,你可以從散步開始!圖/envato

在討論如何達成這兩項目標之前,我想先提供簡單的方法,讓你評估自己能量工廠的健康狀況:觀察自己的自然步態,也就是平時的行走速度。你可以記錄自己繞行附近一個街區的時間,同時佩戴計步器計算步數,然後算出每秒行走的步數和距離。另一種方法更簡單,只要記錄繞行街區的時間,將現在的時間與之後的時間進行比較,就能判斷粒線體的健康狀況是否改變。重點在於測量時要採行自然步態;換句話說,行走時請勿故意加快腳步。正常的步行速度約為每秒 1.2 公尺,但每秒 0.6 至 1.8 公尺都算正常範圍。我建議把目標設定為每秒 1.2 公尺以上。長期超重的人步行速度通常較慢,平均約為每秒 0.9 公尺。

研究顯示,自然步行速度與粒線體的品質呈現正相關,步行速度較快的人壽命較長,整體健康狀況也較好。步行速度減慢可能是因為骨骼肌疲勞增加,或 ATP 濃度低。值得注意的是,年輕超重者的步行速度往往與其他年輕人相似,但隨著年齡增長,超重者和正常體重者之間的步行速度差異會愈來愈大。

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我鼓勵你去散步,評估你的自然步行節奏。這可幫助你深入了解減肥和維持體重的難易程度,不僅如此,長期監控自己的自然步行速度,還有助於評估體重控制的整體進展。

——本文摘自《大自然就是要你胖!》,2024 年 06 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

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天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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有效減重三部曲!快來量身製訂你的減肥計畫——《大自然就是要你胖!》
天下文化_96
・2024/06/27 ・3334字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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可持之以恆的減重計畫

有效減重的第一步是刺激脂肪燃燒。由於我們只在需要額外能量時才會燃燒脂肪,因此需要減少來自飲食的能量。所有以減重為目標的飲食法都會限制熱量,然而,最成功的飲食法必須也能關閉生存開關,因為這能減少覓食反應,有助於緩和飢餓感。正是因為如此,主要著重在熱量限制、但允許糖類和高升糖碳水化合物的飲食法,一旦結束熱量限制,就會注定失敗。也因為如此,飲食中即使沒有特別限制熱量,僅限制糖和高升糖碳水化合物的攝取,也有減輕體重的效果。這樣的飲食法是透過微調生存開關,減少飢餓感,讓人自然而然限制熱量的攝取。此外,調低開關可更有效的燃燒脂肪,因為正如前面所提的,生存開關的作用之一,就是阻止脂肪燃燒(請參閱第三章)。

第二步是阻止新陳代謝速率變慢。當體重減輕時,身體會降低新陳代謝速率做為補償,以維持現有體重。正如前面提過的,長期超重者的能量工廠運作效率會降低,因為身體將超重視為新的常態。在這種情況下,身體會降低新陳代謝來因應體重減輕,因此原本可保持穩定體重的攝食量,這時卻會導致體重增加。這幾乎是所有節食法功敗垂成的主因。

為了克服這個問題,我們必須調整生存開關,避免能量工廠遭受進一步的傷害,同時刺激新的能量工廠建立,增加能量產出。

目前,建立新能量工廠的最佳方法是運動,而且正如前面所提的,是特定類型的運動。這裡的運動主要是為了刺激能量工廠,而不是燃燒熱量。雖然運動也能燃燒熱量,帶來好處,但想要燃燒脂肪,最好的方法還是透過飲食限制、減少可用熱量。的確,如果生存開關一直處於活躍狀態,運動時燃燒掉的熱量,很容易因為休息時新陳代謝變慢而補償回來。這是飢餓的動物補償覓食時能量損耗的方式,也是哈扎人可以走上一整天尋找食物,卻不會增加整體能量消耗的原因,因為透過食用大量蜂蜜啟動生存開關後,他們的身體會在休息時減少能量消耗,補償活動耗去的能量。

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想要燃燒脂肪,最好的方法還是透過飲食限制、減少可用熱量。圖/envato

低醣飲食、生酮飲食有助於減肥嗎?

若希望維持減重後的體重,我建議最好從低醣飲食或生酮飲食開始。原因是這些飲食嚴格限制添加糖,而添加糖是飲食中主要的果糖來源;另外也限制高升糖碳水化合物,這是飲食中主要的葡萄糖來源,身體會將葡萄糖轉化為果糖。

這些飲食法可減弱生存開關,讓飢餓感自然降低,而原本受生存開關保護的脂肪,也會變得可以燃燒。這樣的飲食也能讓你的身體系統「重新開機」,擺脫過去慣於吃高果糖食物的狀態,不再快速吸收和代謝果糖(參見第八章)。偶爾吃點甜食時,也更能抵抗糖的作用。

這樣的飲食還能減少肝醣儲存。之前提過,身體會同時儲存脂肪和碳水化合物,其中碳水化合物是以肝醣的形式儲存。在斷食期間,身體首先燃燒的是肝醣,因為身體偏好以葡萄糖做為燃料。如果我們成天吃碳水化合物,腹部儲存的脂肪會繼續保留。但若減少攝取碳水化合物,尤其是高升糖或含有果糖的碳水化合物,就可減少儲存的肝醣,進而增加脂肪燃燒。因此限制碳水化合物,對於減重十分有效。

睡飽也可以幫助減肥?

身體對肝醣的偏好,也有助於解釋為什麼睡眠八小時以上有很大的幫助,以及為什麼早上運動(早餐前)比晚上運動更能有效減肥。睡覺時,大部分的肝醣儲備會燃燒掉,因此我們醒來,是處於脂肪燃燒模式。若是在晚上運動,燃燒的主要是白天累積的肝醣。

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睡覺時,大部分的儲備肝醣會燃燒掉,因此睡飽八小時對減重大有幫助。圖/envato

低醣飲食控制血壓、血糖

最後,正如我們在低果糖和低鹽飲食研究中發現的,低醣飲食可能促進粒線體生長。實行低醣和生酮飲食有些注意事項。首先,這會增加低血糖的風險。如果感到出汗或頭暈,可能需要檢查血糖或吃一塊水果(儘管這是一種碳水化合物)。

其次,低醣飲食中的某些食物仍會啟動生存開關,例如含鹽量高和富含鮮味的食物(如紅肉和帶殼海鮮)。前面提過,含鹽量高的食物會刺激葡萄糖轉化為果糖,進而啟動生存開關。但採行低醣飲食時,可轉化為果糖的葡萄糖相對較少,因此即使攝取高鹽食物,也不太可能產生果糖,不致於因此增加體重。然而,鮮味豐富的食物仍然很有可能導致體重增加。另外,要考慮減少或戒除飲酒,因為酒精也能活化生存開關。

低醣飲食也能降低血壓,因為生存開關變弱了。若是正在服用降血壓藥物,必須仔細監測血壓,因為可能需要減少劑量。

同時減少鹽和碳水化合物的攝取,也可能導致低血壓,若是感到頭暈,除了檢查血糖,可能還得檢查血壓。因此,我建議在實施低醣飲食幾週後,再開始減少每天攝取的鹹味食物及其他可活化生存開關的食物。

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此外,我建議每天至少喝八杯水,確保身體獲得足夠的水分,還要監測有害的低密度脂蛋白膽固醇濃度,以及血液中的尿酸濃度。低醣飲食有時會導致低密度脂蛋白膽固醇顯著增加,若出現這種情況,必須減少飽和脂肪的攝取量。如前一章提過的,生酮飲食也可能導致尿酸濃度升高,而目前還不清楚尿酸增加的生理效應,不過這可能是身體為了維持血糖濃度(尿酸會激發胰島素抗性)和血壓的補償作用。然而,高尿酸也會對能量工廠造成氧化壓力,若是尿酸濃度大幅上升(例如高於八毫克/分升),可能需要與醫師討論,權衡治療的風險和潛在益處(請參閱上一章)。

減肥時也需要適時補充水分。圖/envato

雖然有些人可以長年維持低醣飲食,但對大多數人來說,這種飲食法很難持續超過幾個月。部分原因是,我們天生就渴望飲食中有較多的碳水化合物。因此,我建議採用其他的替代方案來減肥。

若是不想採行低醣飲食,可以考慮地中海飲食法,或是我的開關飲食法,但必須更嚴格的限制會活化生存開關的食物,也就是嚴格限制高升糖碳水化合物的攝取,特別是白米飯、馬鈴薯、麵包、薯條和早餐麥片。如果這還是太具挑戰性,可以稍作調整,每天有一餐可吃高升糖碳水化合物(也許是半份),記得要細嚼慢嚥,花一個小時用餐。其他餐飲中則只能攝取低升糖碳水化合物,並完全限制會啟動生存開關的食物,例如高鹽或鮮味豐富的食物和酒。你可以挑幾天進行 168 斷食法,透過間歇性斷食加強熱量限制,同時刺激能量工廠生長。(這裡有個重點:有證據顯示禁食會損害日常表現,尤其是兒童。無論如何我都不建議孩子採行間歇性斷食,請牢記在心。)開關飲食法的減重效果較慢,但對許多人來說,可能比較容易忍受。

無論你選擇哪一種飲食法,每週有三、四天必須運動,每次至少持續一小時,重點是保持在第二區運動。(世界衛生組織等團體建議,除了輕度運動,每週進行 75 至 150 分鐘的高強度鍛鍊,可能帶來額外的好處。不過就我們的目的而言,這是附加選項,因為第二區運動對於能量工廠的增加和脂肪燃燒,具有最好的效果。)此外,可以考慮記錄你的步行距離和時間,觀察自己的自然步態是否改善,這意味著體內的能量工廠變得更健康。最後,如上一章我對開關飲食法的建議,每天要喝大量的水,並吃一盎司(約 30 公克)黑巧克力。

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最後一點:我不建議透過長期禁食來減肥(雖然我認為這是大自然的現象,所以我也可能是錯的)。前面曾提過巴比里禁食了一年,雖然如此,巴比里開始禁食幾個月後,實驗室檢驗發現他的血糖濃度非常低,只有約 30 毫克/分升,有時會降至 20 毫克/分升。這樣低的葡萄糖濃度如果突然發生在你我身上,我們會陷入昏迷,而且有永久性腦損傷或死亡的風險。

——本文摘自《大自然就是要你胖!》,2024 年 06 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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【2023 諾貝爾物理獎】什麼是「阿秒脈衝雷射」?能捕捉到電子運動的脈衝雷射?
PanSci_96
・2023/11/28 ・5966字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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林俊傑《江南》:「相信愛一天,抵過永遠,在這一剎那凍結了時間」

這一剎那持續了多久?這出自佛經的時間單位有多個解讀,其中最短,可以對應的國際單位制是阿秒。 1 阿秒又有多快呢? 1 阿秒等於一百萬兆分之一秒,是已經短到不行的飛秒的千分之一。在這段時間,別說是談戀愛了,連世界上行動最快的光,也只能移動一顆原子直徑的距離。

在阿秒的時間尺度裡,連光都得停下腳步,過去我們認為捉摸不定的電子,也終於將在我們眼前現身。 2023 年的諾貝爾物理學獎,正是頒給了三位帶領人類進入阿秒領域,探索全新世界的科學家。而這項技術,還可能讓電腦的運算速度加快一萬倍!

就讓我們一起來進入阿秒的領域吧,領域展開!

什麼是阿秒脈衝雷射?

今年諾貝爾物理學獎的三位得主分別是 Pierre Agostini 、 Ferenc Krausz 、和 Anne L’Huillier ,表彰他們對阿秒脈衝雷射實驗技術的貢獻。

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圖/X

所謂的阿秒脈衝雷射,指的是持續時間僅有數十到數百阿秒的雷射。當我們能使用脈衝雷射來觀察目標,就好比使用快門時間極短的相機對目標拍照,能捕捉到瞬間的畫面。

2018 年的諾貝爾物理學獎,就頒給了極短脈衝雷射的研究。短短 5 年後,雷射領域再次得獎,但這次是更快的阿秒雷射,能捕捉到電子運動的超快脈衝雷射。

世界上沒有東西能真正的觸碰彼此?看見電子能帶來什麼突破?

為什麼看見電子的運動那麼重要呢?我們複習一下原子的基本構造,在原子核之外,帶有微小負電荷的電子,被帶正電的原子核束縛住。量子力學告訴我們電子沒有確切的位置,而是以特定的機率分布在原子核周圍的不同地方,也就是所謂的電子雲。

圖/YouTube

雖然電子的體積比原子核小很多,但電子雲的範圍,卻占了原子體積的絕大部分。在物理或化學反應中,真正和其他原子產生交互作用的,幾乎都是這些外面的電子。在電影《奧本海默》中,當男女主角手心貼著手心,奧本海默這時卻說:「世界上沒有東西能真正的觸碰彼此,因為我們觸摸到的物體,都只是其中原子的電子雲和我們手上的電子雲產生的斥力。」

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圖/screenrant

對了,這種話也只有奧本海默跟五條悟可以講,一般人請不要隨便亂牽別人的手。

除了和心儀的他牽手,不同的電子排列狀態也會直接影響物質的化學活性、材料的導電導熱等基本性質,各種化學和物理過程都和電子息息相關。從非常實際的層面來說,電子可以說是物質世界最重要的基本單位。所以不難想像,如果我們能看見電子,甚至獲得可以操縱個別電子排列與能量的技術,我們能真正成為材料的創世神,許多不可能都將化為可能,是相當重大的突破。

捕捉電子運動有多困難?

但要操縱電子可不是什麼簡單的事,不只是因為電子非常小,更重要的是他們動得非常快。具體來說,電子在原子周圍跳動的週期時間尺度大約是十的負十八次方秒,也就是一阿秒。一顆原子的大小約是十的負十次方公尺,速度等於距離除以週期,換算下來,電子雲差不多是以光速等級的速度在原子核周圍跳動。

圖/wikipedia

如果要捕捉到阿秒尺度的電子運動,就必須將實驗的時間解析度也提升到阿秒等級,否則就會像是用長曝光鏡頭拍攝亞運競速滑冰比賽一樣,只能拍到一團糊糊的影像,而沒辦法分出勝負。

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可是,在 1980 年代,脈衝雷射最快只能達到十的負十五次方左右,還只有飛秒等級。而且光靠當時的技術和材料優化,已經沒辦法再縮短脈衝時間了,因此這時候,就要從原理上重新打造一套方法了。

如何製造更快的脈衝?

首先,要製造更快的脈衝並不是用頻率更高的電磁波就好。你想,我們在拍照時,想要讓曝光時間更短,要改善的不是把室內光源從可見光改成頻率更高的紫外光,而是調快快門的開闔速度,讓光一段一段進入感光元件中,變成影片一幀一幀的畫面。而這一段一段進入像機的光訊號,就像是我們的脈衝。

不論是皮秒雷射、飛秒雷射還是阿秒雷射,一直以來在做的都是同一件事,在整體輸出功率不變的情況下,讓每一次脈衝的持續時間更短,同時單一次的功率也會更高。簡單來說,就是要從無數次的普通攻擊,變成每一次都是集氣後再攻擊。

但要怎麼為光集氣呢?光和其他波動一樣,可以和其他波動疊加。把不同頻率的光疊加在一起,波峰和波谷會抵消,波峰遇上波峰則會增強。只要用特定的比例組合許多不同頻率的光,就可以在整體總能量不變的情況下,產生一個超級窄的波峰,其他地方全部抵銷。

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1987 年,本次諾貝爾獎得主之一的 Anne L’Huillier 教授發現,當紅外線雷射穿過惰性氣體時,氣體會被激發放出整數倍頻的光。也就是氣體放出許多不同頻率的光,而這些頻率都是原本光源頻率的整數倍,從兩倍三倍到三十幾倍以上的高倍頻光都有。而橫跨這麼大頻率範圍的光,就能組合出時間長度很短的脈衝光。

不過這聽起來未免也太好康了,真的有那麼簡單嗎?

這個看似魔法的實驗背後其實有著相當簡潔的物理圖像。電子原本是被電磁力束縛在原子中,當一道強度夠強的雷射通過氣體原子,原本抓住電子的電位能被雷射削弱。

雖然這道牆只是矮了一些可是還是存在,但此時,在電子的大小尺度下,量子力學發揮了作用。調皮的電子有機會透過量子穿隧現象,穿過這道束縛,暫時逃離原子核的掌控。關於量子穿隧效應的介紹,我們近期也會再做一集節目來專門介紹。

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但電子還來不及逃遠,雷射光已經從波谷翻到波峰。電磁波的波谷與波峰,不是指能量的高和低,而是指方向相反。因此在相反的電磁場方向下,不幸的電子被推回原子核附近,再度被原子核捕獲。但在這欲擒故縱、七擒七縱的過程後,電子並非一無所獲,他所得到的動能會以光的形式重新放出。

而因為這些能量最早都來自雷射,因此電子放出的光波長,也剛好會是雷射的整數倍。再說的細一些,你可以理解為這些電子在吸收一顆顆光子後,一口氣釋放這些能量,所以能量都是一開始光子的整數倍。

在 1990 年代,科學家已經掌握了這個現象背後的原理。但一直到千禧年過後。這次諾貝爾獎得主之一 Pierre Agostini 教授和他的研究團隊才終於在適當的實驗條件之下,利用高倍頻光打造出了一連串寬度只有 250 阿秒的脈衝。同時第三位得主 Ferenc Krausz 也使用不同方法,分離出 650 阿秒的脈衝。

最後,獲得阿秒脈衝這個祕密武器之後,我們的世界將迎來哪些變化呢?

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阿秒脈衝在各領域的應用

其實啊,有在關注諾貝爾獎都知道,諾貝爾獎通常不會頒給時下正夯的新興研究,前面講的研究,實際上都已經是二十多年前的往事了,而這些辛苦的科學家會在這麼多年後拿下諾貝爾獎的榮耀,正是因為阿秒雷射的發明經過了時間的考驗,成為非常普及的實驗技術,而且被大家公認為重要的科學貢獻。

當然,今年生醫獎的 mRNA 是個超快例外,有興趣的話,別忘了點擊下方影片,看看編劇都編不出來的 mRNA 研究歷程。

說了那麼多,阿秒雷射究竟對人類生活有什麼幫助呢?當然,它能讓我們更深刻了解物質還有光的本質,但是除了幫電子拍下美美的照片放在期刊的封面上,阿秒雷射可以用來做什麼?

在過去這二十年,許多研究已經找到了相當有潛力的應用。

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舉例來說,在醫療方面,阿秒雷射可以用來分析血液或尿液樣本。控制良好的超短脈衝可以精準的刺激生物樣本中的各種有機分子,讓這些分子震動並放出紅外線訊號。如果使用的脈衝長度太長,分子釋放的訊號就很容易和原本施加刺激的雷射混在一起,造成量測的困難。唯有阿秒等級的超短脈衝能夠實現這樣的量測。

這些紅外線光譜就像是質譜儀一樣,能幫助我們快速分析血液中的蛋白質、脂質、核酸等重點物質的關鍵官能基狀態。並透過機器學習的方式整合,成為個人化的健康狀態報表,或是做為診斷的依據,將精準醫療提升到全新的層次。

圖/attoworld

不只如此,發送超短脈衝的技術也可能革新當今的電腦運算。電腦運作的方式就是利用電晶體這種微小的開關,不斷的開開關關去發送一跟零的訊號,所以開關電流的速度便決定了你的運算速度。以半導體為基礎的電晶體,工作頻率通常不超過上百 GHz ,在時間上也就是十的負十一次方秒。

自從阿秒雷射技術普及之後,就有科學家想到:既然雷射脈衝的速度更快,那不如就別用半導體了,改用光學脈衝來控制電流作為運算的媒介。這個概念叫做光學電晶體(Optical Transistor)。

今年初,亞利桑那大學的團隊便發展示了如何利用小於十的負十五次方秒的超短雷射脈衝,來開關電流並傳送一與零的位元,這個頻率比現有半導體電晶體快了一萬倍以上。這顯示了光學方法的操作頻率可以有多快,或許能讓我們突破訊號處理和運算上的速度瓶頸。

看完這些便可以理解,阿秒等級的超快雷射脈衝的確是相當近代的一個科學里程碑。就像是科學革命時望遠鏡和顯微鏡的發明,讓人們看見那些最遠和最小的事物,超快脈衝用最快的時間解析度,讓我們看到許多人類從未看過的景象。

阿秒脈衝雷射的出現,是科學上的一個里程碑,讓我們能用更高的時間解析度,讓我們看到許多過去從未看到的景象。最後也想問問大家,在雷射這一塊,你最期待有哪些應用,或者最希望我們接著來講哪個主題呢?

  1. 為什麼醫美、眼科手術那麼喜歡用飛秒、阿秒雷射,真的有比較好嗎?
  2. 使用雷射脈衝的光學電晶體真的有可能取代傳統電晶體嗎?
  3. 除了光學電晶體,最近很夯的矽光子技術,聽說裡面也有用到雷射,可以一起來介紹嗎?

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參考資料

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