衣服速速乾——夏天曬衣中的科學！

F 編按：本文編譯自 Live Science

「氫鋰鈉鉀銣銫砝、铍鎂鈣鍶鋇镭…」相信很多人離開高中很多年，都還朗朗上口。

列著 118 種已知化學元素的「元素週期表」（Periodic Table），雖然唸起來像咒文，但有了它之後便能夠快速查詢原子序（proton number）、價電子（valence electrons）數量，以及元素可能的化學性質，成為各領域科學家與工程師設計實驗、預測物質反應必不可少的工具。

有趣的是，元素週期表並非一蹴可及。縱觀歷史，化學家們歷經數世紀的摸索、爭論與資料整理，才在 19 世紀後半葉逐漸確立。

週期表之父：門得列夫的突破

19 世紀中葉，已知的化學元素約有 63 種，許多化學家嘗試找出元素間的共同點，卻苦無系統性整理。當時能區分「金屬」與「非金屬」，或利用價電子概念將一些元素歸類，但要涵蓋大多數元素仍顯不足。俄國化學家門得列夫在撰寫《化學原理》教科書時，因接觸各元素的資料而產生新思路。他索性把已知元素各種性質寫在紙卡上，再一一比對它們的原子量（類似當今的原子量或原子序概念）與化學性質。

確切的靈光乍現時刻，如今已無從完全重現，但我們知道門得列夫最後觀察到：「如果按照原子量（或後來的原子序）由小到大排列，某些化學性質就會呈週期性重複。」進一步來看，元素的價電子數量通常也會對應到表格的「欄位」或「族群」。於是，在 1869 年，他將研究結果發表，提出了第一版週期表的雛形，更大膽預言了尚未被發現的元素「eka-aluminium」（後來證實即鎵 gallium）及其他四種元素的性質。

讀懂週期表：原子序、符號與原子量

今日的週期表之所以能快速讓人獲得豐富資訊，關鍵在於三個核心欄位：

1. 原子序（Atomic Number）
   代表該元素核內所含質子數。如果一原子核有 6 顆質子，就必定是碳（C），無論其他中子或電子數如何。此序號由上而下、由左而右遞增，貫穿整張表格。
2. 元素符號（Atomic Symbol）
   多為一至兩字母縮寫，如碳（C）、氫（H）、氧（O）。但也有如鎢（W，因「Wolfram」得名）或金（Au，取自拉丁文「Aurum」）等較不直覺的符號。
3. 原子量（Atomic Mass）
   表示該元素在自然界中各同位素的加權平均值，故通常是帶小數的數字。對合成元素則標示最常見或最穩定同位素的質量，但由於這些元素壽命極短，數值往往會被不斷修正。

舉例來說，硒（Se）在週期表中顯示原子序 34，屬於第 4 週期、第 6A 族，表示它有四層電子軌域，其中最外層（價電子層）有 6 顆電子。有了這些資訊，科學家可快速判斷硒的化學傾向、可形成何種化合物，乃至於在生物或工業應用中可能扮演的角色。

週期表的內部結構：週期、族與軌域

門得列夫最初按照原子量遞增排列元素，現代則依靠原子序（即質子數）來分類。橫向稱為「週期」（Period），從第 1 週期到第 7 週期；縱向稱為「族」（Group），目前總共有 18 組。週期數量在於顯示該元素電子軌域有幾層；而同一族則代表外層價電子數相同，故有相似化學性質。

例如，第 18 族常被稱作「貴氣體」或「惰性氣體」，如氦（He）、氖（Ne）、氬（Ar）等皆不易與其他元素起反應。另一個顯著群體是位於第一族的鹼金屬（Alkali Metals），如鋰（Li）、鈉（Na）等，因外層只有 1 顆電子，極容易失去該電子而形成帶 +1 價的陽離子，故與水猛烈反應。

此外，在表格中央有一塊「過渡元素」（Transition Metals）區域，包括鐵（Fe）、銅（Cu）、鎳（Ni）、金（Au）、銀（Ag）等。它們具有部分填充的 d 軌域，使得該區域的元素呈現多樣性質，例如具有金屬光澤、可塑性或導電性等，被廣泛應用於工業及工程領域。

再進化：從 63 種到 118 種

當門得列夫在 1869 年發表週期表時，已知元素只有 63 種，表格中甚至留有空白以預留「未來或存在尚未發現的元素」。他果然預測到了鎵（Ga）以及日後證實的日耳曼ium（Ge）等新元素性質，贏得舉世矚目。隨後，有越來越多元素透過科學發展，尤其是光譜分析與放射性研究而被發現，例如鐳（Ra）和氡（Rn）等。

到 20 世紀後期，隨著粒子加速器的誕生，人類可以合成更重的超鈾元素（Atomic Number > 92）。這些人工合成元素往往極度不穩定，壽命僅能以毫秒或微秒計，但仍證實存在、並填補週期表後段空白。如今，週期表已收錄到第 118 號元素「鿆（Og，Oganesson）」，但科學家預測或許還能繼續向上延伸；只要能合成更重、更穩定的原子核，我們就能拓展週期表的新邊境。

一般認為，隨原子序遞增，原子核內部的質子數目激增，原子愈趨不穩，往往在極短時間內衰變成較輕元素。然而，一些理論物理學家提出「島狀穩定性」（Island of Stability）的概念：也許在某特定質子與中子數量組合下，能出現意外長壽的「穩定」重元素。

是否真能在表格上方再增添「第八週期」甚至更高週期的列，仍有待更多實驗來驗證。但無法否認的是，週期表一直是科學家檢驗自然規律的試驗場，也見證了人類探索未知的無盡熱情。

F 編按：本文編譯自 Live Science

在美國加州死亡谷（Death Valley）「魔鬼鍋爐」般的炙熱溫度下，每年夏天都舉行一場被稱為「世上最極端越野賽」的經典賽事：Badwater 135。選手需在攝氏 49 度、下方為北美洲海拔最低的地帶上，跑步或走完 217 公里的山路，一路衝向位於美國本土最高峰（聖女峰）附近的終點。這聽來猶如天方夜譚，但每年仍有近百人勇敢挑戰。許多四足動物在此高溫下可能早已中暑倒地，為何人類卻能憑藉一雙腳在此環境中堅持下去？

事實上，速度上我們遠不及同等體型的動物，例如豹或馬，然而要比拼耐力，人類卻常能大放異彩。我們能在大草原中與野生動物「天荒地老」地消耗，即使我們在短程衝刺中會被輕易超越，仍可以憑藉馬拉松般的堅韌一路追趕，最終讓速度更快的對手因高溫與疲勞而甘拜下風。究竟人類為何會進化出這般特殊的耐久力？。

人類長程奔跑的演化起源

人類的體質在遠古時期並非天生就能輕鬆長跑。據一種假說推測，大約 700 萬年前，類人猿的祖先於非洲開始「離開樹梢」，轉而在地面上覓食、移動。早期的兩足行走雖然看似笨拙，卻逐漸在持續的氣候變遷與草原化過程中展現優勢：

1. 更廣闊視野：直立行走時，頭部位置提高，有利於觀察周遭環境，提早發現危險或獵物。
2. 省力遷徙：兩足步態下，移動同樣距離所需能量相對降低，足以在開闊平原上長距離跋涉。

隨著數百萬年的進化，人科動物（hominids）在骨骼、肌肉與生理機制上更趨於適應長時間行走和奔跑。他們在廣袤的非洲大地上，並非以速度壓倒對手，而是依靠「耐力與持久追蹤」取得優勢。考古學家曾提出「持久狩獵」(Persistence Hunting) 的假設：古人類可能利用高溫時段在大草原上追趕羚羊或其他動物，待獵物體溫過熱而力竭之際，人類再上前制伏。一方面依靠長距離奔跑耐力，另一方面倚仗強大的散熱能力。

足部與下肢結構：為奔跑而生的細節

哈佛大學的人類演化生物學家丹尼爾‧李伯曼（Daniel Lieberman）指出，人類的奔跑能力「從腳趾到頭頂」都有演化專門化的痕跡，稍加留意便能發現許多奧祕。

1. 短腳趾與足弓結構
   • 人類的腳趾較短，是為了減少長距離奔跑時的折損機率。若腳趾過長，每次著地都更容易造成骨折或扭傷。
   • 足弓（包括足底肌腱與韌帶）則具備彈簧般的功能，可在踩踏地面時儲存彈性能量，接著釋放推力，減少肌肉能量消耗。
2. 強力肌腱與韌帶
   • 跟腱（Achilles tendon）和髂脛束（IT band）都能吸收並釋放大量彈力，在跑步時有效節省體力。
   • 透過肌腱的彈性能量回饋，跑者在每一步落地與蹬地之間，都能減少額外的肌肉耗損。
3. 臀部肌群的角色
   • 人類相較於猿類擁有更發達的臀大肌（gluteus maximus），能夠穩定軀幹，使身體不致向前傾斜或晃動得過於劇烈。
   • 這種「穩定性」非常關鍵，它能支撐直立姿勢，維持跑步時的協調和平衡。

軀幹與上肢：不容忽視的穩定器

奔跑並不只是腿部的事。上半身及頭部在跑動中也扮演著不可或缺的穩定與協調角色。

1. 擺臂對頭部穩定的影響
   • 當我們在跑步時，雙臂自然擺動，有助於平衡腿部擺動帶來的轉動力矩；換言之，手臂的擺動能對沖下肢動量，讓我們在快速移動時仍保持穩定，頭部不至於過度搖晃。
   • 猿類上肢肌肉發達，卻沒有像人類一樣的大範圍肩關節「解耦」特性（能讓肩膀與骨盆分開晃動、頭部保持前方視線），這使得牠們在直立奔跑時更顯笨拙。
2. 脊椎靈活度與呼吸節奏
   • 人類的脊椎與骨盆並非僵直連接，跑步時，骨盆能與肩部做出相對扭轉運動，使軀幹整體更靈活。
   • 這種結構也幫助人類在奔跑過程中匹配呼吸節奏：腳步落地的頻率能自然與肺部換氣形成同步節拍。

冷卻系統：靠「排汗」征服烈日

在非洲大草原上奔跑，面臨的最大挑戰之一便是高溫。人類為何可承受長時間高溫壓力，甚至能在午後與動物「耐力大戰」？

1. 排汗與體溫調節
   • 大多數動物主要依賴氣喘（如狗的哈氣）或有限的汗腺冷卻。人類則擁有遍布全身、數量龐大的汗腺；這使我們可藉由大量流汗帶走熱量，再透過汗液蒸發達到降溫效果。
   • 雖然我們也會因此流失水分與電解質，但只要能適度補充，便能持續散熱。而某些大型哺乳動物，在持續奔跑一段時間後，往往因過熱而只能停下休息。
2. 無毛皮膚與蒸發效率
   • 相較於其他哺乳類，人體毛髮主要集中在頭部與部分身體區域，大片皮膚裸露，有助於排汗時的蒸發散熱。
   • 這種「裸皮」極可能是長距離奔跑與日間活動的選擇性演化結果，確保人類能在炎熱的白天進行移動或狩獵，而不因過熱而必須在陰涼處長時間停留。

呼吸方式：維持長距離的關鍵

另外值得注意的是人類高效率的呼吸節奏。四足動物在奔跑時，呼吸通常與四肢步態高度耦合，比如馬或犬類在衝刺中必須配合四肢的震動節奏吸氣和吐氣，較難隨意變換節拍。而人類因直立姿態，使得呼吸與跑步步伐能保持更大程度的自主調控。

• 獨立呼吸調節：
  • 能依跑者自主需求來決定吸氣與吐氣的頻率，不一定要剛好配合腿部的落地次數。
  • 這讓人類在長時間奔跑或耐力賽中，能以相對節能的方式調節氧氣和二氧化碳的交換量。
• 嘴巴與鼻子的雙重進氣：
  • 為支撐長時間有氧運動，跑者多半會同時用鼻子與嘴巴呼吸，以便快速補充氧氣並排出二氧化碳。
  • 相較之下，某些動物在喘氣散熱時犧牲了進氣效率，一旦體溫飆升，便難以同時維持高強度奔跑。

即使進入現代社會，大多數人不必再於烈日下持久追蹤獵物，我們仍可在馬拉松、越野超馬等各式比賽中看見古老遺傳「跑步基因」所迸發出的潛力。從波士頓馬拉松、超級鐵人三項，到極端氣候下的 Badwater 135，人類透過持續的鍛鍊與後勤補給，一次又一次突破極限。

• 文/雅文基金會聽語科學研究中心 廖永賦 助理研究員

你也有這樣的經驗嗎？冬天，尤其是冷氣團來襲時，喉嚨特別容易乾癢。這種季節若在戶外運動，對喉嚨更是一大挑戰！每吸入一口氣，喉嚨就彷彿被餐巾紙抹過一次，愈發乾涸。此時若想開口說話，總得先吞吞口水、潤潤嗓子後才得以清晰表達。其實，天冷對喉嚨的影響不僅於此，甚至還可能影響語言演化的歷程！就讓我們來看看氣候環境能如何形塑語言吧！不過在此之前，我們先來科普一下溫度、濕度及乾喉嚨之間的關聯。

「冷」就一定「乾」？溼度與乾喉嚨的關聯

相信大家都有過雨天衣服晾不乾的經驗，也或許對午後雷陣雨前的悶熱難耐再熟悉不過。一般而言，環境中水分蒸散的速率取決於相對濕度：在相同溫度下，相對溼度越低，空氣擁有越多攜帶水蒸氣的「潛力」，因此能從物體表面帶走更多的水份。而雨天衣服晾不乾，就是因為相對溼度高 ( 接近或是等於 100% ) 所造成的。

聰明的讀者可能會馬上聯想到，那喉嚨容易乾，是否也直接受到相對濕度的影響？答案是……但情況會更加複雜一點，因為我們還需額外考量氣溫的改變。由於呼吸時，空氣會經過呼吸道而逐漸加溫（假設環境溫度低於體溫），此時空氣的「飽和蒸汽壓」（即空氣所能攜帶水氣的最大總量）會逐漸上升，因而能吸收更多水分。舉例來說，若目前溫度為 10°C，此時每立方公尺的空氣中最多 ( 當相對溼度為 100% 時 ) 可以帶有約 9 克的水氣 ^[1]；再假設吸氣後所吐出的空氣增至 30°C，此時，這團空氣最多能夠攜帶31克/公尺³的水氣。換言之，經過一次呼吸之後，這團空氣多出了 22 克/公尺³以上的空間來吸納水氣。

因此，當我們考量到空氣吸入及吐出時的溫度差，便能清楚看出喉嚨乾燥與否其實主要是受絕對溼度而非相對溼度的影響——氣溫低時 ( 例如，10°C 以下 ) ，絕對溼度也一定低（小於 9 克/公尺³），我們因此較容易感到喉嚨乾燥。

聲調語言與聲帶

所以喉嚨乾不乾到底跟語言有何關聯？其實，它跟台灣人最熟悉的幾種語言 （華語、台語、客語）關係非常密切喔！

台灣人在學習講英語或其他歐洲語言時，舌頭經常會感覺打結。與此同時，來自歐美的中文學習者，也經常難以準確地唸出中文的各種聲調。語言作為一套表達意義的系統，必需仰賴語音上的各種對比來區辨及表達意義。像是英語之所以對我們來說那麼難發音的緣故，是因為它們仰賴許多相近但不同的子音 (consonant) 來區辨及表達意義。舉例來說，/s/ (sand)、/ʃ/ (sheep) 及 /ʒ/ (genre) 這三種子音皆為類似的擦音 (fricative)，但華語中僅有 /s/ 的音 (ㄙ)。

相對而言，我們熟知的華語（北京官話）、台語、客語等，皆為聲調語言 (tonal language)。這類語言中的聲調系統透過母音音高 (pitch) 的變化來達到區辨語意的功能。例如，華語的「嗎」、「麻」、「馬」、「罵」這四個字音僅在聲調 (及時間長度) 上有所差異，其它影響語音的變項如舌位、唇位等則維持不變。

換言之，說話者僅能透過聲調的操弄來表達這四個字的差異，而要能精確操弄聲調，需仰賴的就是精細的聲帶控制——從下圖我們可以看到，要表達出這四種聲調的差異，控制聲帶的肌肉必須在 0.5~0.8 秒內非常精細地調控聲帶，以精確呈現出各種聲調音高的輪廓 (pitch contour )。因此，當聲帶因為濕度、氣溫或是感冒而變得乾燥時，發出母音本身已經很難了 ^[2]，還需作出聲調變化更是難上加難。

氣候環境對於聲調語言演化的影響

根據上文的這些現象，Everett、Blasi 及 Roberts ^[4] 提出一個有趣的想法：既然絕對濕度對聲帶的生理有如此顯著的影響，這些影響會不會早已在上千上萬年的尺度上推動著語言聲調系統的演化？為了驗證這個想法，作者分析了 The World Atlas of Language Structures (WALS) ^[5] 與 World Phonotactics Database 這兩個資料庫的語言，並使用美國國家環境預測中心 ( National Centers for Environmental Prediction, NCEP ) 與國家大氣研究中心 ( National Center for Atmospheric Research, NCAR ) 的資料計算各語言起源地的平均絕對溼度與平均氣溫。

分析結果顯示，一地的平均絕對溼度與平均氣溫皆與該地之語言聲調系統的發展有著顯著的關聯，並且，溼度的與聲調的關聯最為強烈：氣候環境越為乾燥，該地發展出聲調語言的機率越低。當然，直接由地理分布去論證氣候環境對語言之演化影響是大有問題的，畢竟語言的分布同時也受到語族及語系 ( language family ) 的歷史影響。例如，兩種聲調語言在地理分布上皆位於潮濕的地區，或許並非受到氣候影響，而是由於它們恰巧有著共同的祖先，因而在地理分布上相當接近。

面對這種可能性，作者們嘗試分析單一語族「內」的語言（皆為聲調語言），發現「濕度與聲調」以及「溫度與聲調」之間的關係仍然穩定存在：潮濕地區所發展出的聲調語言，其聲調系統相較於起源地乾燥之聲調語言，通常更為複雜多樣、更需仰賴精細的聲調控制。綜上所述，作者認為除了社會與文化因素之外，氣候環境因子如濕度與氣溫，也很有可能是推動語言變遷與演化的因素之一。

看似毫無關聯的「天氣」與「語言」，其實有著很深的淵源。從聲帶的細微震動到語言的地理分布，不知不覺中可能都受了環境左右。下次天氣轉涼時，這些有趣的研究或許能提醒我們，多圍圍巾、多喝溫水，對於呵護嗓子有多重要！

1. https://teaching.ch.ntu.edu.tw/gclab/wp-content/uploads/A10-飽和水蒸氣壓.pdf
2. Leydon, C., Sivasankar, M., Falciglia, D. L., Atkins, C., & Fisher, K. V. (2009). Vocal fold surface hydration: A review. Journal of Voice, 23(6), 658–665. https://doi.org/10.1016/j.jvoice.2008.03.010 https://doi.org/10.1016/j.jvoice.2008.03.010
3. Ryu, Catherine, Mandarin Tone Perception & Production Team, and Michigan State University Libraries. Tone Perfect: Multimodal Database for Mandarin Chinese. Accessed 1 November 2024. https://tone.lib.msu.edu/
4. Everett, C., Blasi, D. E., & Roberts, S. G. (2015). Climate, vocal folds, and tonal languages: Connecting the physiological and geographic dots. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 112(5), 1322–1327. https://doi.org/10.1073/pnas.1417413112
5. Dryer, M. S., & Haspelmath, M. (2013). The World Atlas of Language Structures Online. https://doi.org/10.5281/zenodo.13950591
6. Maddieson, I. (2013). Tone (v2020.4). In M. S. Dryer & M. Haspelmath (Eds.), The world atlas of language structures online. Zenodo. https://doi.org/10.5281/zenodo.13950591
7. Leaflet—An open-source JavaScript library for interactive maps. (n.d.). Retrieved November 5, 2024, from https://leafletjs.com/