倒番茄醬敲瓶底所引發的悲劇，和土壤液化 ──《茶杯裡的風暴》

倒番茄醬敲瓶底所引發的悲劇

某個慵懶的星期天，我在一間英式酒吧點了一份午餐：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，這些週遭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。

《宋飛正傳》（Seinfeld）中的片段。source：Giphy

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？

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番茄醬是液體還是固體？

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，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之處。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。

圖／By Mike Mozart @ flickr , CC BY 2.0

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。

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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。

當你嘗試緩慢而柔和地推動番茄醬時，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。圖／By Jeffreyw @ flickr, CC BY 2.0

從番茄醬到土壤液化

番茄醬是生活中的小事物，但是同樣的物理學現象，如果作用在大規模的區域，可能會造成難以想像的後果。基督城（Christchurch）是一個迷人的紐西蘭城市，我曾經在2002 年造訪過它，那裡的土地是由亞芬河（Avon）所攜帶的微小顆粒，在數千年當中不斷沉積而成的地層，因此這個風景優美的地方，其實是一個不定時炸彈。

基督城。圖／By P. Stalder @ wikimedia commons

在 2011 年 2 月 22 日下午  12 點 25 分的時候，位於市中心東南方 10 公里的地方，發生了一場芮氏規模（Richter scale）6.3 的地震。地震本身就會搖晃人與物品而造成傷害與災難，甚至會毀壞建築物。這座城市下方的沉積物地層，只有在它維持堅固的固體狀況下，才能讓都市穩定地運作；然而地震帶來的劇烈搖晃改變了一切，如同搖晃裝有番茄醬的玻璃瓶一樣，這些沉積物液化了。雖然都是相同的物理現象，但是不同於番茄醬內的長鏈分子因為搖晃而彼此分開，從小尺度上來看，地震的晃動讓水進入這些沉積物，使得沙土分開而流動。

路面上的汽車之所以不會下沉，是因為雖然重力把它往下拉，但是地面同時也足夠堅固，可以抵抗這種牽引。然而在基督城地震的那幾分鐘內，這種平衡卻被打破了，這些數十年來沒有移動過的沙地，隨著振動而被迫彼此之間錯開、滑動。若是振動造成的平移速度慢，在它上方的車子就安全無虞，然而強大的地震造成快速的平移，沙子與空隙中的水分被迫離開原來相對的位置，於是沙子彼此滑動，形成一種流質的泥沙混合物，同時脫離固體的狀態。因為振動而流動的沙土失去支撐力，牽引汽車的重力獲勝，於是車子開始下沉；不過當地震的振動結束之後，晃動減緩的沙子很快找到彼此之間的支撐而重新固化，搖晃結束後，許多原來在沙地上的車子都呈現半掩埋的狀態。

在沙漠中遇到流沙時，拚命掙扎的結果往往使人萬劫不復。圖／By Naturefreak @ Pixabay

這次的地震為基督城帶來史無前例的傷害，許多汽車掩沒在沙土當中，建築物的地基因為隨著周邊與下方沙土的移動而下沉、傾斜。這個稱為「液化」（liquefaction）的現象，通常只有地震這樣強大的能量釋放，才能晃動由大量沉積物組成的地層。不過如果搖晃的速度比較緩慢，這些沙子組成的地層有足夠的時間傳遞能量，就不會將能量留在其中而產生液化。這就是為什麼在沙漠中遇到流沙時，拚命掙扎的結果往往使人萬劫不復。因為人在流沙當中快速而大力地擺動四肢與身體，周圍被他擾動的流沙就形同液體，使得身在其中的受害者逐漸下沉；如果他以很緩慢的速度動作，沙子就會呈現固體的樣貌，大大增加脫困的機會。

振動的頻率取決於時間，所以你如果用不同時間去完成一些事情，例如快速搖晃番茄醬，或是緩慢地爬行在流沙中，就會得到截然不同的結果，重點在於「掌握時間」。

本文摘自泛科學8月選書《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》，三采文化出版。