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用物理學看《驚奇隊長》:操縱能量,居家戰鬥一把罩的超級英雄

Rock Sun
・2019/03/15 ・2973字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

本文章含有輕微驚奇隊長》據透,包括描述使用能力的畫面和些微劇情。

不論是居家或是戰鬥,您都應該具備一位…驚奇隊長?source:IMDb

「向我證明你不是史克魯爾人。

(驚奇隊長伸出手臂,一陣光束炸了電視)

「這怎麼能向我證明你不是史克魯爾人。

「這是光子衝擊 (Photon Blast)史克魯爾人才不會咧。

「captain marvel photon blast」的圖片搜尋結果
圖 / WhatCulture.com

受了 y 編的委託,跑去看了驚奇隊長》。在這2個小時的故事中,R 編需要的剛好就是這句話,因為從角色自己嘴巴裡講出來,更好讓我知道他到底有什麼能力(雖然網路就查的到,但是~~電影宇宙另當別論啦!)。

讓我們試著找到這個英雄做什麼很誇張的事,然後試著跟大家討論看看……這真的可能嗎?

驚奇隊長的能力:能量的化身

熟悉漫威的讀者應該都非常清楚驚奇隊長的能力,但 R 編還是要囉嗦一下:

除了非常老套的超人般的力氣、體力、反應等特異功能,驚奇隊長和之前很多英雄最不一樣的是──他能夠操縱」能量。

驚奇隊長能夠吸收任何種類的能量,並且調整、釋放,能夠發射由光子或宇宙能量構成的衝擊波,力量最強甚至可以媲美核子彈。
(除了這個之外還有像「在吸收能量之後,驚奇隊長能夠從最基本的原子改變物質的狀態」、「能夠自給自足」之類的內容)

操作能量這種東西不管怎樣想都太過 OP 了,而且還多加了一個光子,雖然這可以非常深入的討論,不過幸好的是……在電影中驚奇隊長並沒有做出什麼太過複雜、或超出宇宙原則的事。

簡單來說,他呈現力量的方式都很「物理」。

光子衝擊!是怎麼一回事?

驚奇隊長親口表示他發射的光束是「光子衝擊」,而電影中凡是使用力量的橋段,他的手必定是纏繞著光芒。

看起來很神奇,但是仔細想想,這已經算是非常合理的能力解釋了。

光,眾所皆知是一種能量的表現,但它也是有動能的。如果你把手電筒打開丟到太空中,它會靠著光的反作用力移動,而光子力火箭也是一個曾被研究的技術。因為光被稱為「波粒二向性」的特性,所以要用光來同時造成物理上的「衝擊」和「熱能」傷害非常合理。但是從這裡開始,我們的討論可以走兩個路線:一個是深入的了解不同頻率的光粒子性與能量的關係;也可以很單純的討論「能量」與相對應的事情是否辦的到。

如果採用後者的話,R 編想用兩個電影中的場景,來試著討論看看如果我們在現實世界中要像驚奇隊長一樣辦到這些事,會有多難?

圖 / vox.com

超方便!用手煮開水

這一幕雖然不是非常重要,但它不在任何預告裡,所以 R 編也不多說什麼前後經過免得暴雷~~反正就是驚奇隊長把手貼在一個熱水壺上,然後水就燒開了!哇~這麼方便~ 這其實不需要什麼光子能力,只要你的手會放熱就行了吧!但這是多麼誇張的熱呢?

如果我們(很懶惰的)假設當時室溫是 20℃,而那一整壺的水有 2 公升(也就是 2 公斤),我們可以簡單的計算要燒開這 2 公升的水需要:

2 (kg) x 4182 (J/(kg·K),水的比熱) x 80 (K,溫度差)  670000 (J)焦耳。

這一幕驚奇隊長手貼在水壺上長達大概 5 秒鐘,如果我們再除上 5 秒的話,我們就會知道驚奇隊長的手的放熱功率就是 134,000 瓦 (W)。

而且這 13.4 萬瓦是當茶壺本身沒有任何吸收或散失,百分之百全部傳到水裡面的情況下,需要這麼多功率,想也知道不太可能,所以理應更多。

「boiling water」的圖片搜尋結果
圖 / Regional Utilities

大家要知道,基本上我們家裡的微波爐有千瓦以上就是非常夠用了,而人類的手每平方公分只能放出 0.004 瓦的熱,R 編的手粗略計算不過才 110 平方公分,所以整個手掌才 0.44 瓦而已,假如熱量不散失然後無視熱力學定理的話,我的手要貼在水壺上長達 18 天才能夠把水燒開

13.4 萬瓦是個怎樣的概念呢?這已經是汽車引擎功率等級了~還是相當有力的那種喔!早知道驚奇隊長在美國尋根之旅的時候把他的手接到車子引擎上,就能在當時公路上狂飄了。

如果驚奇隊長全身都使出這種力量呢?從演員布麗·拉森 的資料(真的為了科學用途)知道身高體重後,我們可以套用人體表面積公式算出驚奇隊長的身體表面積大概是 1.7 平方公尺,如果他的手有 100 平方公分大,我們可以等比例算出如果他全身散發這種程度的熱能,功率可以高達 2.278 千萬瓦……洛杉磯級核動力攻擊潛艦的最高功率可達到 2.6 千萬瓦。只要再多一點點,驚奇隊長根本就等於是移動的核子反應爐,看來媲美核子彈是真的啦!!

咻!炸裂水泥塊

但空手煮開水還不是最猛的,如果說再往上一級的話,我們有一個標準的攻擊畫面來玩玩看。

在整部電影不到中間的地方,驚奇隊長有再另外秀一手招式……他用手噴出一道光束,把水泥牆炸的碎裂。會挑這一幕來跟大家討論,是因為這一幕比隨手炸掉電視還好分析多了,還有另外一幕我很想討論的如果講出來就大劇透了~ 不好玩

©Marvel Studios 2019

從 R 編手邊很多的空想科普書籍,我找到了要粉碎 1 立方公尺的水泥塊大概需要 200 克黃色炸藥。而電影畫面中,被炸掉的頂樓女兒牆部分大概長寬各 1 公尺,厚就估為 50 公分好了,那就是 0.5 立方公尺的水泥塊慘遭毒手,這樣的話就是需要 100克的黃色炸藥,1 克的黃色炸藥爆炸會釋放出來 4184 焦耳,所以要爆破這一堆水泥大概就是需要 42 萬焦耳。

「concrete hole」的圖片搜尋結果
圖 / 123RF.com

咦~?怎麼感覺比煮開水簡單多了?但煮開水是長時間的過程,雖然驚奇隊長只用了 5 秒,但從光束接觸到水泥幾乎是瞬間的事情,如果說整個事件發生在 0.1 秒之內的話,這道光束的功率就是 420 萬瓦,比一台火車還有力多了,如果是水泥牆被火車撞到也會碎裂吧。

圖 / bgr.com

雖然我們沒有深入討論光子、輻射能量、古典和量子物理來更了解驚奇隊長的力量,但是我們可以以上述兩個例子知道~他的真的很強,而且並不是全力(可能 20% 都不到吧)。但是我想一定還能更深入的想像,例如這些力量哪裡來?是用自己身體的嗎?

如果有人對核能的物理學很有研究的話,我還想知道的是,他在使用這些力量之後,會產生輻射汙染嗎?拜託~~

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Rock Sun
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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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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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科技魅癮_96
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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》