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法拉第不只懂電磁學,也是火場鑑識專家?──《比小說還離奇的 12 堂犯罪解剖課》

PanSci_96
・2017/09/14 ・2642字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 552 ・八年級

火場通常又暗又臭,很不舒服,考驗體力。經過漫長的一天,你回到家,累得像條狗,渾身燒過的塑膠味。一點都不光彩。可是很迷人。

──火場調查員妮亞.尼克.戴依德(Niamh Nic Daeid)

是陰謀?還是天時地利人和造就了倫敦大火?

1666 年 9 月 2 日星期日,倫敦普丁巷的一名僕役被煙嗆醒,發現樓下店鋪起火了,他猛敲雇主麵包師傅湯馬斯.法里納(Thomas Farriner)的房門。全家上下沿屋頂逃生,只剩下女僕蘿絲(Rose)嚇得無法動彈,被烈焰吞噬。

圖/Diliff@wikimedia commons

不久,焰舌舔上附近住戶屋牆,市長湯瑪士.布拉德沃斯爵士(Sir Thomas Bloodworth)被叫到現場,指揮消防隊員拆毀建築,阻止火勢延燒。美夢遭到侵擾的布拉德沃斯怒氣騰騰,不理會消防隊員急切請求採取更進一步的措施。「呸!找個女人來撒泡尿不就沒事了。」說完,他離開現場。

隔天上午,記事員山繆爾.派比(Samuel Pepys)體驗到「狂風大作,將火焰趕入市區,歷經長時間的乾旱,什麼東西都成了可燃物,就連教堂的石牆也不例外」。到了下午,倫敦陷入地獄般的火海,火焰沿著「油、葡萄酒、白蘭地倉庫」、木造建築、稻草屋頂、瀝青、布料、油脂、煤炭、火藥──17 世紀的各種易燃物──呼嘯而過。極度高溫使得空氣迅速膨脹攀升,乘著風勢吸入新鮮空氣,將更多的氧氣捲入煉獄。倫敦大火塑造出專屬的天氣系統。

大火在 4 天後漸漸平息,摧毀了中世紀倫敦的大半城區,涵蓋 13,000 多棟屋舍、87 間教堂,以及聖保羅大教堂。城裡 80,000 居民中約有 70,000 人在一瞬間流離失所。

倫敦大火的局部畫作,作者不明。畫中描繪9月4日星期二自倫敦塔碼頭附近船隻所見的火勢,倫敦塔在畫面右方,左方則為倫敦鐵橋,遠方為聖保羅座堂,被高竄的火舌環繞。圖/wikimedia commons

灰燼餘溫尚存,種種陰謀論甚囂塵上。大部分的倫敦人無法相信這場火純屬意外,裡頭有太多巧合:起火點是密集的木造建築區;當時大家都在夢鄉之中;那天街上格外冷清,沒有人幫忙滅火;吹起狂風,泰晤士河水位正低。

蓄意犯罪的謠言如雨後春筍般萌生。外科醫師湯瑪士.米斗頓(Thomas Middleton)站在教堂尖頂上,俯瞰火勢從幾處相隔甚遠的個別區域燒起。「這類狀況令我相信這場火的延燒是有人刻意為之。」他如此寫道。

外國人背負最大的嫌疑,在摩爾菲有個法國人差點被打死,因為旁人懷疑他用盒子裝「火球」,之後才發現那是網球。詩歌表達出眾人對起火原因的困惑:

我們仍舊不解一切從何而起;究竟是地獄、法國、羅馬,還是阿姆斯特丹。

──無名氏〈倫敦焚燒詩〉(A Poem on the Burning of London,1667)

最高階層掀起對真相的渴求。查爾斯二世(Charles Ⅱ)在這場火中損失最為慘重。國王授權給國會,設立調查火災起因的委員會。大批目擊證人紛紛站出來,某些人說他們看到有人投擲火球,或是坦承自己正是丟火球的犯人。有個叫愛德華.泰勒(Edward Taylor)的人說,星期六晚上,他跟荷蘭籍的叔叔走到普丁巷,發現湯馬斯.法里納烘焙坊的窗戶開著,往裡頭丟了「兩顆用火藥跟硫磺做的火球」。不過愛德華.泰勒才十歲,他的證詞不被採信。法國鐘錶師之子羅伯特.賀伯特(Robert Hubert)腦袋愚鈍,承認點火的人是他。沒有人真正相信,可是因為他如此堅持,陪審團認定他有罪,把他送上泰伯恩刑場的絞架。

國會委員會成員湯瑪士.奧斯朋爵士(Sir Thomas Osborne)寫下:「所有的論點都瑣碎無比,人民知道此事並非人為就滿足了。」最後,委員會判定這場恐怖的火災是源自「上帝之手、一場狂風,以及極端的乾季」。

火場鑑識專家:麥可.法拉第!?

委員會做出如此缺乏說服力的結論,其實我們不用意外。評估複雜火場的調查人員需要了解火焰的運作模式。17 世紀在這方面的科學知識少得可憐。直到 1861 年,麥可.法拉第(Michael Faraday)把關於火焰的論述寫進書裡之後,社會大眾才有辦法接觸這類理論。

《蠟燭的化學史》(The Chemical History of a Candle)書中收錄了 6 篇他針對年輕聽眾設計的講演內容,是這個主題的關鍵教材。法拉第以蠟燭作為燃燒本質的象徵。在某次關鍵的講座中,他用罐子悶熄蠟燭。「空氣是燃燒的要件。」他解釋道,「更重要的是,我要你們了解新鮮空氣是必要條件。」他口中的「新鮮空氣」其實就是「氧氣」。

麥可.法拉第。圖/Wellcome Library@Wikimedia commons

法拉第是早期的專業證人,有時將研究結果帶出實驗室這事實行得很徹底。1819 年,某間在倫敦白教堂區的糖廠於大火中燒毀,老闆告保險公司拒絕理賠 15,000 鎊的保險金。這個案子演變為某項新製程──老闆採用加熱的鯨油,沒有告知保險公司──與起火原因有多大關係。作證之前,法拉第拿鯨油做實驗,加熱到攝氏兩百度,展示「從油生出的蒸氣,除了水以外,全都比熱油本身還要易燃」。在法庭上,一名陪審員不相信這個論點,於是法拉第當場點燃他用試管裝來的蒸餾氣體,「整個法庭瞬間瀰漫最難聞的臭味」。

法拉第最重要的鑑識任務,是 1844 年德罕郡的哈斯威爾礦坑爆炸案,有 95 名男子與男孩身亡。這起爆炸發生在德罕郡礦區勞資糾紛激烈時期。代表悲傷家屬的律師向首相羅伯特.皮爾(Robert Peel)請願,要求政府派出代表調查。法拉第就是其中一人。

這個團隊花了一天實地探訪礦坑,調查裡頭的空氣流向。途中,法拉第發現他坐在一桶火藥上,旁邊就是沒有遮蔽的燭火。他一躍而起,「抗議他們有多不小心」。陪審團判斷這是意外事件,法拉第贊同這個論點。但是調查團回到倫敦後提出報告,指出礦坑裡的灰塵是本次爆炸的重要因素,建議改善通風系統。礦坑主人因為成本考量而回絕。這個風險遭到長達六十年的忽略,直到1913 年,威爾斯的聖海德礦坑發生類似的意外,奪走 440 名礦工的性命,釀成英國史上最嚴重的礦災。

圖/Wikimedia commons

在 20 世紀,消防單位與科學界聯手研發出火場調查技術,背後的支持者是想要知道究竟有多少火場、起火點以及起火原因的政府機關。60 與 70 年代的調查行動變得更加文明:有固定的流程、能夠驗出複合化學物質──比如,火場裡是否有汽油的蹤跡──的新器材。社會大眾愈來愈了解消防原理,現今的和平時代極少有火災或是爆炸──必定要有火才會引爆──造成大量死傷。要是這類不幸事故真發生了,調查火場的人員絕對是畢生難忘。

 

本文摘自泛科學2017年9月選書《比小說還離奇的12堂犯罪解剖課》,馬可孛羅出版。


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為什麼吃甜的會蛀牙?——《生活中的東西都可以寫成化學式》

快樂文化
・2022/05/09 ・1404字 ・閱讀時間約 2 分鐘

來談談我們的敵人——蛀牙。

蛀牙的化學物語

導致蛀牙的主要原因有兩個。前面提過的蛀牙菌是其中一個因素,而蛀牙菌具體的名稱為「轉糖鏈球菌」,據說這種細菌常在孩童約三歲以前經由大人傳染,原因包括使用父母用過的筷子和湯匙,或輪流喝飲料等;另一個因素就是食物中所含的糖分,主要成分為「蔗糖」。

這兩個因素結合在一起時,就會發生以下情況:首先,轉糖鏈球菌利用蔗糖製造一種稱為「葡聚糖」的分子。葡聚糖的化學式為(C6H10O5)n,後面會再詳細說明。葡聚糖附著在牙齒表面,會成為轉糖鏈球菌的棲息地。此外,口腔中的其他細菌(根據統計,口腔中的細菌有 600 多種)也會混入其中。

這些附著在牙齒上的組合物稱為「牙菌斑」,有時也被稱為「齒垢」或「生物膜」(biofilm,又稱菌膜)。你可能在牙膏等的廣告中有聽過這些名詞。

之後,獲得棲息地的轉糖鏈球菌會產生大量的「酸」,引發去礦質作用,最終導致蛀牙。這個過程如下列所示。

轉糖鏈球菌生活在溫暖的葡聚糖裡,並分解出乳酸;事實上它們也會分解出醋酸,及一種稱為甲酸(HCOOH)的酸,但乳酸所佔的比例較高。這些酸會引發強烈的去礦質作用,溶解牙齒並造成蛀牙。

在這種情況發生前,必須好好刷牙,以澈底清除黏附在牙齒上的牙菌斑(葡聚糖+細菌)!即使是漱口,具黏性的牙菌斑也不易脫落,最有效的方法還是好好刷牙。而牙膏中含有研磨劑(可幫助去除汙垢的顆粒),能有效去除黏黏的牙菌斑。

不易蛀牙的甜食

上個單元我們說明了糖是如何引起蛀牙的。事實上也有一些分子的味道就和糖一樣甜,但卻不太容易引起蛀牙,其中最有名的分子之一就是「木糖醇」,你可能有聽過加了木糖醇的口香糖吧!這個分子的化學式為 C5H12O5,詳細的結構如下圖。

為什麼木糖醇味道甜甜的,卻不容易引起蛀牙呢?在回答這個問題前,我們先回想一下為什麼蔗糖(糖)會導致蛀牙。蔗糖是轉糖鏈球菌用來製造葡聚糖的材料,而反應過程中產生的果糖,會被轉糖鏈球菌做為養分來源,並分解出乳酸分子。

那木糖醇呢?首先木糖醇不像蔗糖是製造葡聚糖的材料,另外轉糖鏈球菌不會把木糖醇當成養分來源,所以也不會分解出乳酸。因此它們的味道雖然很甜,但卻不容易引起蛀牙。

這裡出現了一個問題。木糖醇和蔗糖的結構看來截然不同,但為什麼味道也是甜甜的呢?若像下圖一樣,稍微改變一下木糖醇的畫法,就會發現它的結構與構成蔗糖的葡萄糖和果糖很像,具有許多羥基這點也非常相似。

——本文摘自《生活中的東西都可以寫成化學式》,2021 年 11 月,快樂文化


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