1

6
1

文字

分享

1
6
1

基礎交互作用與原力(第四部曲):原力決選——阿宅物理(7)

科學大抖宅_96
・2017/12/21 ・4202字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 575 ・九年級

在沒有很久以前、也沒那麼遙遠的銀河系裡……[1]
為找出原力的祕密,我們探索了作為基礎交互作用的電磁力弱力、強力重力。然而,原力並不在其中,我們心裡也忍不住起了疑惑……

星際大戰開頭必備的跑馬燈。(圖片來源

在前三回,我們討論了目前已知的四種基礎交互作用(電磁力弱力、強力重力),以及它們的基本原理。很可惜地,當中並沒有原力。不過,在這四種基礎交互作用中,有沒有可能存在著與原力性質類似的力呢?

交互作用的距離

原力最為人熟悉的用途之一,是能隔空取物。在《星際大戰第五部曲:帝國大反擊》(舊三部曲的第二集),絕地大師尤達便向年輕的主角路克示範原力,將太空船從沼澤裡升起;類似的情節也反覆出現在星際大戰各集之中。

沼澤邊的尤達和路克。source:IMDb

針對這一特點,我們可以從既有的基礎交互作用性質,做一些比對和猜測。以前曾提及的電磁力、弱力、強力和重力,適用範圍其實各有不同。弱力和強力基本上只作用在比原子更小的尺度;電磁力和重力則不受距離限制,整個宇宙都是它們的發揮空間。除此之外,各交互作用的強度也大不相同;在四者皆能產生作用的距離下,強力最強,電磁力次之,弱力排第三,重力最微弱。若以表格呈現,大致如下:

交互作用傳遞粒子作用範圍(公尺)作用強度(比例)[2]
強力膠子10-1510
電磁力光子10-2
弱力W、Z粒子10-1810-13
重力重力子(尚未觀測到)10-42

從上表看來,既然原力可以遠距離移動物品,作用範圍極短的弱力跟強力只能出局了。而根據我們日常生活經驗,重力和電磁力也確實能夠從很遠的地方就發揮作用。例如,地球磁場雖然是在地球內部生成,卻能夠影響我們手中的指南針;我們從高樓丟出物品,地心引力可以隔空作用使其下墜。

遺憾的是,雖然重力和電磁力原則上都可以對遠處物體作用,人類卻不具有操控重力的能力和技術。若想利用重力做到如星際大戰電影中自由移動物體的效果,要麼學《航海王》的海軍大將藤虎借助重力果實的能力,抑或等待我們對重力有更深層的了解,才有一絲希望。

《航海王》裡,海軍大將藤虎施展重力果實能力。(圖片來自《航海王》動畫)

相較之下,我們對電磁力倒是有一定程度的掌握。俄羅斯裔荷蘭兼英國物理學家安德烈.蓋姆(Andre Geim)便曾利用水的反磁性[3]成功使青蛙漂浮在空中,並因此得到西元 2000 年的搞笑諾貝爾物理獎[4]。只不過,電磁力的使用很大程度受到物體所帶電荷、或物體本身性質的限制,要作為原力並不是那麼理想。

  • 利用強大磁場以及水的反磁性,使青蛙漂浮在空中。

交互作用的統合

提到重力和電磁力的作用範圍都是無限遠這件事,或許會讓不少人回想起(並沒有),根據以前國、高中物理課所學,重力和電磁力,似乎有不少相似的地方。例如,兩個質點間的重力/電磁力大小,跟其質量(電荷)乘積成正比、和彼此距離平方成反比;再者,兩者也都以光速傳遞。如果你有這樣的疑惑,那麼你想的跟物理學家想的,其實概念相去不遠。

愛因斯坦在完成相對論之後,晚年花費大量時間與精力,想要把當時已知的基礎交互作用──重力和電磁力──統合在一起。這不是突發奇想,類似的事情在歷史上也曾發生過:電和磁相關的物理現象一度被人們認為分屬兩個不同領域,直到十九世紀後半,馬克士威(James Clerk Maxwell)以統一的架構描述二者,電和磁才合併為電磁力。只要簡單搜尋一下馬克士威方程組(Maxwell’s equations),就會發現它同時包含了電場和磁場,而且兩者互相影響。

很可惜地,愛因斯坦的嘗試以失敗作終;至今也沒有人成功合併重力和電磁力。以後見之明來看,愛因斯坦是註定要失敗的:在他的年代,物理學家對弱交互作用所知不多,強交互作用更尚未被發現。少了兩種基礎交互作用可以參考,愛因斯坦、或其他任何人,都不可能在資訊不足的狀況下統合電磁力和重力。事實上,在四種交互作用中,重力是最難被整合在一起的。根據前面的表格,我們可以看到重力跟其他作用力相比,微弱到不可思議的地步!要如何在同一個理論下,自然地統合重力和其他力,讓物理學家傷透了腦筋(但這還不是最麻煩的)。

愛因斯坦曾嘗試統合重力和電磁力,不過並未得到令人滿意的成果。 圖/Pixabay

愛因斯坦的未竟之業,在 1960 年代終於有了轉機。因著格拉肖(Sheldon Glashow)、薩拉姆(Abdus Salam)和溫伯格(Steven Weinberg)等人的努力,電磁力和弱力被成功統合為電弱交互作用(electroweak interaction)[5]。兩者乍看雖差距甚大,但在極微小的尺度(或夠高的能量)下,卻能夠被表述為電弱交互作用的不同面向。類似於,在日常的磁力實驗(想像我們拿兩個磁鐵互相靠近),我們只看到磁鐵的互相吸引或排斥,好像跟電沒什麼關係;但在某些狀況、或特別設計的實驗下,我們就能觀測到磁場和電場互相影響的情形。同樣地,只要尺度夠小,看似非常不同的電磁力和弱力,都可以用電弱交互作用一併描述。

儘管在統合基礎交互作用的目標上有了初步進展,強力和重力卻依然故我、獨立存在,不跟弱力和電磁力發生關係。這部份也跟人類的科學技術有關──強力和重力預期要在更小(遠超目前人類實驗所能及)的尺度,才會顯現出它們跟其他交互作用的連結。換言之,我們不但沒辦法從實驗得到太多暗示,即使我們有了好的理論,也難以驗證其正確性。這都有待未來物理學家的持續挑戰。

交互作用統合示意圖。縱軸代表宇宙年齡;右方則標示該宇宙年齡對應的粒子能量。縱軸越往上表示宇宙年齡越小、對應粒子能量越高(尺度越小)。我們現在實驗所能達成的能量,最高只到 10000 GeV(1013 電子伏特)這個量級,也就是只能檢驗到宇宙誕生後約 10 的負十幾次方秒時的物理現象;當時電磁交互作用和弱交互作用仍是合在一起的。(圖片來源

原力的最可能候選?

那麼,原力還有沒有其他特徵,可以讓我們更好地跟現有的交互作用比對呢?在《星際大戰第四部曲:曙光乍現》裡,歐比王對天行者路克是這麼解釋的:「(原力)是所有生物形成的力場,它在環境中,在我們身上,它維繫銀河於不墜。」根據歐比王的形容,國外鄉民紛紛猜測,原力一定是指萬用膠帶!「畢竟萬用膠帶(跟原力一樣)也有光明面和黑暗面,還可以把東西黏捆聚集在一起……」

歐比王(右)跟年輕的路克(左)解釋原力。

不過,若說到基礎交互作用,重力似乎最符合「維繫銀河於不墜」的描述。我們知道,就是因為太陽龐大的引力,太陽系裡的所有行星才能繞著太陽轉,形成一個系統;銀河系裡的所有恆星系統,也都在重力作用下圍繞銀河系中心運行。又或者說,整個宇宙的演化,乃至星系、恆星,和行星的生成,重力都扮演了關鍵性的角色。如果硬要在四種基礎交互作用中選出一種充當原力,重力可說是最恰當的候選者。不過其實,要保持宇宙的現有樣貌,四種交互作用缺一不可;組成我們身體的原子,也同時受到所有交互作用的影響。

交互作用和心靈控制

等等!星際大戰中,原力可不只是拿來搬搬石頭、維繫銀河這麼簡單。在《星際大戰第七部曲:原力覺醒》裡,女主角芮甚至用原力改變帝國風暴兵的心智,而得以從拘禁中逃脫。這是怎麼回事?重力做得到嗎?

確實,就我們目前所有的科學知識來說,用基礎交互作用來操縱心靈這種事是無法想像的。所以,我們只能腦洞全開,設想如下的腦補極大化三部曲,分別對應到括號裡三個非常困難的科學問題。

一、假設我們跟海軍大將藤虎一樣吃了重力果實,或用某種科學技術,可以自由控制重力的大小和方向,壓過其他交互作用的影響並操縱所有物體,包括原子和次原子粒子。(我們有可能操控重力嗎?)

二、假設人的意念和思考完全由大腦決定,或說,由大腦的原子結構決定。儘管現實上,我們對於大腦原子結構如何能產生意識幾乎一無所知。(意識從何而來?)

三、那麼或許,能夠自由控制重力以操縱大腦的原子結構,就等於能夠自由操縱人的思想。(思想和記憶如何對應到大腦組成及其原子結構?)

這邊必須強調,以上三個問題,沒有任何一個在近未來看得到顯著進展。在此的討論純為原力探尋之旅做個補完。

原力探尋之旅的終點

我們在〈基礎交互作用與原力〉系列共四篇文章中,討論了目前已知的四種交互作用,以及它們的統合;很可惜地,它們並無法完美對應到星際大戰中的原力。雖然不能排除未來發現新的基礎交互作用的可能性,但其擁有原力全部特徵的機會恐怕是微乎其微。

絕地大師尤達在《星際大戰第五部曲:帝國大反擊》曾形容:「生命創造原力,使之成長。」或許這樣的描述,更適合留在文本裡,與七龍珠的「氣」、火影忍者的「查克拉」、或是聖鬥士星矢的「小宇宙」互相對照吧。願原力與你同在!

注解:

  • [1] 請參考電影〈星際大戰(Star Wars)〉。該系列電影開頭總會有 “A long time ago in a galaxy far, far away….” 的跑馬燈字幕。
  • [2] 必須注意的是,交互作用強度實際上依情況而定,這邊的數字只是大概,而非精確數字。
  • [3] 反磁性(Diamagnetism)指的是,當某些物質處於外加磁場中,其內部會感應生成相反方向的磁場,使得該物質對外部磁場產生排斥現象。
  • [4] 他更因「在二維石墨烯材料的開創性實驗」獲頒 2010 年的諾貝爾物理獎,成為至今唯一一位既獲得搞笑諾貝爾獎,也獲頒諾貝爾獎的得主。
  • [5] 三人因此得到 1979 年的諾貝爾物理獎。

參考資料:

  • David Griffiths (2008) Introduction to Elementary Particles, Second Edition.

數感宇宙探索課程,現正募資中!

文章難易度
所有討論 1

0

3
0

文字

分享

0
3
0

調香師的秘密:「糞臭素」挑起你骯髒的慾望

胡中行_96
・2022/05/16 ・2039字 ・閱讀時間約 4 分鐘

倫敦高級區梅費爾(Mayfair)的聯排透天洋房裡,他與屋主近身互動。六呎高,湛藍的雙眸,古銅的肌膚,寬闊的下顎,銀髮一絲不苟地貼齊,以及一縷迷人的香氣:肉桂、皮革和不可言喻的香味,他確定迎面襲來的深刻,源自另一個時空。

梅菲爾位在倫敦西區,它是世界上最昂貴的地區之一。圖/Wikipedia

「當你嗅聞,你是用腦在聞。最原始的,處理記憶和情緒的部位。」
屋主解釋:「若芸芸眾生試圖尋覓自我的氣味,那我正在打造專屬你的身份。」

關於香水的秘密

一場訪談,讓男性時尚雜誌《GQ》的作家 Michael Paterniti 化身高級訂製香水的顧客,而江湖人稱「香水界情色男優」(the Pornographer of Perfume)的屋主 Roja Dove,正優雅地介紹混香的秘密。「我使用『糞臭素』,一種帶有糞便氣息的醜陋分子。男女性器皆與肛門比鄰,底蘊裡一丁點的『糞臭素』,便能喚起骯髒的慾望。」[1]

Roja Dove 是一位英國調香師。圖/Wikipedia

糞臭素是怎麼來的?

來到住處之前,兩人在麗池飯店(Ritz Hotel)旁的沃爾斯利餐廳(the Wolseley)用過午餐。此時他們的消化系統正將蛋白質,分解成胺基酸(amino acid)。接著,腸道內的菌落會先進行「去胺作用」(deamination),用氫去代換胺基。於是,有一種叫做「色胺酸」(tryptophan)的胺基酸,就變成「吲哚-3-乙酸」(indole-3-acetic acid,簡稱「IAA」)。

再來,乳酸桿菌(Lactobacillus)、梭菌(Clostridium)和類桿菌(Bacteroides),透過「去羧作用」(decarboxylation;羧,注音ㄗㄨㄟ)把 IAA 中的羧基(carboxylic acid group)換成氫,人體內的「糞臭素」(skatole;即3-methylindole)就誕生了[2][3][4]

Roja Dove 的調香手法

在正式調香之前,Roja Dove 會提供約莫 200 張的試香紙,讓訂製高級香水的顧客挑選最能觸發當下感覺,並連結過往回憶的幾種氣味。Roja Dove 將以它們為發想的根據,把原料輕拍到試香紙上,再把試香紙與一只金屬小風車連結。當小風車運轉,微風迎面吹來,他便能感受這些原料的效果。

當然,調香運用的糞臭素不是靠「人體製造」,而是在實驗室或工廠裡「人工合成」。1883 年德國化學家費雪(Hermann Emil Fischer, 1852-1919)發明了「費雪吲哚合成」(Fischer Indole Synthesis):一種苯肼(phenylhydrazine)和醛(aldehyde)或酮(ketone),透過酸觸媒(acid catalyst)催化產生的作用。一般罐裝糞臭素,便是這麼來的[2][5]

從溝通、聞香、構想、嘗試、製作到完成需要耗時一到二年。圖/Pixabay

從溝通、聞香、構想、嘗試、製作到完成,長達一、二年後,每 3.4 盎司(100.55 毫升)要價 4 萬美元的訂製香水,才會被呈現在顧客面前。所幸,對花不起重金與不特別愛好香水的人來說,還是有其他巧遇糞臭素的機緣。因為某個程度上來說,糞臭素就像愛。它撲朔迷離地存在生活中出乎意料之處:香水、茉莉、橙花、甜菜、香菸、糞便、煤焦油與草莓冰淇淋。糞臭素時臭時香,載舟亦能覆舟,令人欲拒還迎。

氣味的關鍵在於濃度

氣味由香變臭的關鍵,在於濃度。像是過多的愛,使人無法擔待。以體積比來說,一旦超過 60 pptV(0.327 ng/L)[註1],就會開始臭得一去不返[7]。如果以重量比計算,健康人體製造的糞便中,糞臭素濃度約為 5 μg/g,但消化道疾病患者,則可高達 80 到 100 μg/g[註2]。換句話說,腸道保健雖然不會讓人芬芳馥郁,但至少能避免如廁之後臭名遠揚[8]

回顧過去的調香職涯,Roja Dove 感嘆上等的原料不再是小農收成,產地直銷,人工合成的產物也逐漸取代天然素材。

「的確,我們必須在香水裡添加合成物。」他向時尚作家 Michael Paterniti 坦承,那是為了襯托自然的味道,但是如果大比例的使用人造成份,「合成的香水聞起來,就永遠僅是人工的氣息。」然而大時代的趨勢,就連知名調香師也無力回天。諷刺的是,在這場產業變遷的遺憾裡,得知糞臭素並非天然,卻多少能帶給香水顧客卑微的慰藉。

註解

  1. pptV(parts per trillion by volume),則是兆分之一體積比。ng/L,指每公升幾奈克。
  2. μg/g,又作 mcg/g,指每公克中有幾微克,也就是 ppmW(parts per million by weight)百分之一重量比。

參考資料

  1. How to Smell Like a God (GQ, 2014)
  2. Skatole – A Natural Monstrosity In Perfume, Parliaments, Produce And Poop (American Council on Science and Health, 2020)
  3. Impact of the Gut Microbiota on Intestinal Immunity Mediated by Tryptophan Metabolism (Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 2018)
  4. 羧酸(教育部重編國語辭典修訂本,臺灣學術網路第六版)
  5. Emil Fischer Biographical (the Nobel Prize)
  6. Skatole (American Chemical Society, 2021)
  7. Identification, quantification and treatment of fecal odors released into the air at two wastewater treatment plants (Journal of Environmental Economics and Management, 2016)
  8. New Insights Into Gut-Bacteria-Derived Indole and Its Derivatives in Intestinal and Liver Diseases (Frontiers in Pharmacology, 2021)

數感宇宙探索課程,現正募資中!

胡中行_96
29 篇文章 ・ 26 位粉絲
曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。臉書:荒誕遊牧。