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海豚網絡-《大黃蜂飛得比波音747還快》

時報出版_96
・2014/03/17 ・2219字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 541 ・八年級
鯨類動物啟發(公共版權,NOAA)
鯨類動物啟發(公共版權,NOAA)

海豚與鼠海豚(體型較小的海豚,或稱鈍吻海豚)是全球人見人愛的海洋生物,從四英尺長的毛伊海豚(Maui dolphin)到三十英尺長的虎鯨,四十種海豚和六種鼠海豚在所有熟悉牠們的文化所流傳的神話中都代表了正面象徵。曾經分不清海豚與鼠海豚之間的差異嗎?鼠海豚有較扁的牙齒和較短的吻部(鼻子),這些特徵也是經由牠們英文名字的由來,「porpoises」源自中古拉丁文「porcopiscis」,意思是「豬魚」。

耐人尋味的是,海豚與鼠海豚一般並不被視為食物來源,唯一的例外是在日本和祕魯,每年被捕殺的數量多達四十萬隻。以絕頂聰明、愛玩天性和願意與人類互動聞名的牠們,甚至在許多民間故事中幾乎被認為是具有神奇力量的。牠們的游泳速度、滑稽動作和用作回音定位的可愛唧唧叫聲都深受全世界的泳客、衝浪客和潛水客們的喜愛。事實上,海豚以噴水孔正下方的氣囊發出的哨音、脈波和嘎吱聲是所有海洋動物製造的聲音中最響亮的。賓州大學資訊通信科技研究中心(Center for Information and Communications Technology Research)的一位科學家分析了這些海底訊息,不過目的不是為了瞭解訊息的意思,而是希望找到讓我們的無線訊號能更能有效傳遞的線索。

凱夫拉德博士(Dr. Mohsen Kavehrad)利用摹仿海豚嘎吱聲的多頻超短雷射脈衝,製造出了更能夠穿透濃霧、雲層和其惡劣他天氣狀態的無線訊號。海豚聲音的多頻脈衝特性增加了訊號通過周圍水中障礙物的機會。同樣地,凱夫拉德博士擬真的海豚嘎吱聲也提高了訊號通過周圍濃霧或雲雨中小水珠這類障礙的機會。這個方法可以擴充光纖頻寬,能夠同時輸送更大量的資訊。這種應用技術可以使空中和地面交通工具之間、醫院病房、校園大樓、緊急救援小組之間和市內網絡的通訊更臻完善。

從另一個方向利用海豚聲音,德國一家進化邏輯公司(EvoLogics)在經過八年研究海豚溝通的物理特性後,研發設計並製造了水中聲音數據機(acoustic modem)。這項通訊技術即使在惡劣天氣條件下仍可傳送聲音訊號,因為它是利用以海豚叫聲的特殊頻率進行傳送,聲波可以持續很長的距離。進化邏輯公司表示,這些應用範圍可以包含從船艦引航到地震區域監控的裝置,費用大約是一萬兩千美元左右,已經有十多個國家安裝。

如果你看過海豚自在優游於船頭或破浪而出,肯定很清楚牠們的動作多麼優雅、迅速又敏捷。有些品種的海豚能夠達到游速每小時三十三英里,屏住呼吸二十分鐘,下潛至一千四百英尺深。想欣賞海豚展現高級流體動力學的曼妙泳姿,到網路上搜尋關鍵字「海豚吹泡泡」或「海豚圈圈」,就可以找到影片觀看牠們又拋又旋轉著銀色圈圈在玩。這些圈圈是牠們從噴氣孔吹氣製造出來的,當牠們用頭或吻部頂著這些氣泡圈圈玩耍時,看起來就像水底玩呼拉圈一樣。

海豚和鯨魚一樣需要絕佳機動性來有效獵物,不過不同於鯨魚的是,海豚的吻部可以用來改變角度,讓牠們更能控制身體與周圍海水的互動。雖然一九七○年代的協和號(Concorde)超速飛機未詳細記載它的外型設計靈感來源,但是工程師一眼就看出飛機創新的下垂吻部造型幾乎是海豚提高遨遊水中和躍出水面能力的吻部翻版。

海豚很有力量的尾巴啟發了工程師暨發明家泰德•夏米羅(Ted Ciamillo),他發明了一種重量二.五磅、寬度四十二英寸的單鰭,稱為鯨月(Lunocet)。當奧運獎牌得主,如麥可•菲爾普斯(Michael Phelps)在游泳表現最高峰的時候,也只能將四%的雙腳和雙臂的划動能量轉換成身體的前進動力。海豚則有辦法將八○%的擺動能量轉換成前進動力。戴上仿生鰭,夏米羅的速度比菲爾普斯最佳成績還快了兩倍。他的仿生鰭不僅刺激了相互較勁的自由潛水選手們的胃口,它的優勢也沒有逃過美國美軍陸戰隊兩棲單位的慧眼。

另一位仿生學家鮑勃•埃文斯(Bob Evans)在觀察海豚與鮪魚多年之後,設計出了一種小型潛水蛙鞋,稱為威力鰭(ForceFins)。這種威力鰭可以提供強力的衝刺而且不讓潛水者感到疲勞,現在世界各地的業餘和職業潛水者都在使用。這種靈敏輕便的游泳裝備看起來就像真的魚鰭,甚至曾於紐約現代藝術博物館(Museum of Modern Art)中展示。美國海軍在四年的研究測試中發現,穿上威力鰭的潛水者消耗的氧氣比穿上競爭對手暢銷品牌的蛙鞋還少。當時參與的兩百名潛水者被要求預測哪種蛙鞋會有最好的表現,而且最不會讓他們感到疲勞,結果證實我們的想法會讓我做出錯誤選擇,所有參與者都預測最堅硬又最長的蛙鞋會有最好的表現,但其實比較小又比較有彈性的威力鰭才是最後的贏家。

大黃蜂飛得比波音747還快_全書封_M一直到現在,人類都一直將自然界視為用之不盡取之不竭的資源。無論是鯨魚或鯊魚、海豹或水獺,我們基本上都是想得到海洋動物身上的皮肉。雖然現在使用了塑膠和合成潤滑油來取代鯨鬚和鯨油,但是仍然繼續不當地大量獵殺鯨魚與其他海洋生物。不過地球上進化至今的動物和植物確實提供了取之不竭的資源,可以為我們創造新的全球經濟,實際上更提供了創造財富與問題解決永無止盡的機會。這是企業家的夢想。光是本章提出的範例鯊魚和鯨類動物—只是成百上千種海洋生物之二—就代表了價值數十億美元的新產品商機和節省的數十億公噸化石燃料。就像伊芳•維爾克、法蘭克•費雪、史蒂芬•杜瓦爾、凱夫拉德博士和布倫南博士一樣,科學家和企業家們探索開發這些新機會還大有時間,我相信這些只是一小部分,還有絕大部分具有高價值而且永續的新領域尚未被開發—很多人相信那是人類未來生存的唯一之道。

 

摘錄於PanSci 2014年3月選書《大黃蜂飛得比波音747還快》,由時報出版。

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時報出版_96
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出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。


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水熊蟲真的能跟量子位元「量子糾纏」嗎?

linjunJR_96
・2022/01/20 ・2128字 ・閱讀時間約 4 分鐘

身形嬌小的水熊號稱地表最強生物,能夠透過獨特的「隱生」能力在最極端的環境下存活。這種狀態有點類似冬眠,遇見不利生存的條件時將所有代謝活動停止。

近期,有一國際研究團隊宣稱這種生物還有另一種出乎意料的能耐:和超導量子位元進行量子糾纏。用生物體做量子糾纏可是前所未聞,讓大家都嚇壞了。不過這個實驗究竟做出了什麼結果,讓作者可以做出這種宣稱?科學家沒事又為什麼要去抓水熊來糾纏呢?

掃描式電子顯微鏡下的水熊成蟲。圖/EOL

什麼是量子糾纏?

量子糾纏是量子力學獨有的一種描述,至於實際上到底是在「糾纏」什麼,可以參考先前這篇文章[2]

儘管名字聽起來很神祕,但量子糾纏並不只存在於科幻電影和內容農場,現今在實驗室中造出糾纏的粒子對早已是稀鬆平常的技術。量子計算和量子傳送等應用領域就是以糾纏作為基礎發展至今。

雖然這樣說,但利用糾纏粒子將物品或人類在星際間傳送的夢想可能還得再等等。因為目前能夠成功被「糾纏」的都是個別的金屬離子、奈米大小的粒子、和鑽石結晶這類易於控制,結構簡單的微小目標物。

相對於這些乾淨整齊的系統,生物體的結構可說是極為雜亂複雜,難以成為量子實驗的對象。

此外,為了減少物質本身熱能所帶來的振動影響,糾纏的實驗程序時常需要在接近絕對零度的低溫環境下進行。在這種溫度下不只生命無法延續,許多物質的特性也都已經改變。

因此,儘管實驗方面已經發展許久,要對活生生的生物進行量子糾纏仍是相當遙遠的目標。對量子力學來說,整個生物世界太亂又太熱,完全不會想靠近一步。正因如此,這篇拿水熊做實驗的文章才引起了大家的關注。

水熊和超導量子位元的糾纏

水熊一般只有幾百微米大,算是「巨觀」生物中相對微小的種類,要做量子實驗的話較好下手;更重要的是水熊能夠以隱生狀態度過嚴苛的實驗環境,爾後再重新恢復活力,如此一來要是成功便也算是對生物體進行量子糾纏了。

實驗團隊於是將一隻水熊放到了絕對溫標 0.01 度(也就是只比絕對零度高 0.01 度),同時接近真空的環境中,在此和兩個超導量子位元進行實驗。他們將水熊放入其中一個量子位元零件中,並觀察到位元的共振頻率產生改變。接著他們用常見的量子計算程序將兩個位元進行糾纏,並測試糾纏結果。

根據測試的結果,作者宣稱水熊和兩個量子位元形成了三個位元的組合態。也就是說,水熊在這裡變成了第三個等效的量子位元,和另外兩個超導位元糾纏在一起!實驗結束後,水熊周遭的溫度和壓力被緩慢恢復至適合生存的範圍,最後重新開始代謝活動。

作者宣布他們突破了以往的實驗限制,打開了通往量子生物學的大門,並以「水熊和超導量子位元的糾纏」為題,將文章的預印版放上了 arXiv 網站,引起科學界一片譁然。

圖/GIPHY

等等,這其實不用量子力學也能解釋

雖然實驗相當有趣,媒體也爭相報導,但是許多物理學家認為這份研究的標題過為聳動,突破性恐怕也是過於誇大。

超導量子位元其實跟一般電子零件一樣,裡面有電容、電感等等基本單元所組成的電路;而接近絕對零度的水熊,基本上能當成一小團冰塊。

實驗團隊將冰塊放到電容裡面,會改變它的共振頻率等特性其實不足為奇。如果電容裡面掉進了一些灰塵,其電路性質也會受到類似的影響。

不論零件中放入冰塊,灰塵,還是螞蟻,這些影響都是「傳統」的電磁學可以描述的,並非量子現象。

也就是說,作者宣稱的「整隻水熊做為一個量子位元進入了量子糾纏態」這個解讀不只言過其實,甚至有誤導之嫌。這篇文章目前還未投稿至期刊,因此沒有經歷同行科學家的審查,還不算是夠格的科學實驗結果。

關於這份研究有哪些方面需要改進,目前仍是備受爭辯的有趣問題。不過有件事是大部分人都同意的,那就是這次實驗再度刷新了水熊生存能力的極限。或許將來某天,水熊的隱生能力真的能成為生物世界和量子物理之間的橋樑。不過就目前而言,好奇心滿點的物理學家得再更努力些。

編按:該如何驗證量子糾纏,可以參考〈驗證量子纏結的貝爾不等式 │ 科學史上的今天:06/28〉,此論文的主要問題是不能藉由實驗設計,來確認三者共振頻率改變是源自於量子糾纏。

參考資料

  1. 看過「水熊蟲」走路嗎?——牠的步態與 50 萬倍大的昆蟲很相似!
  2. 照出黑洞不算什麼,科學家連量子纏結都能拍到!?
  3. 水熊和超導量子位元的糾纏(原文)

linjunJR_96
2 篇文章 ・ 2 位粉絲
清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。