網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策

0

0
0

文字

分享

0
0
0

第六種元素:鈦 —《改變世界的七種元素》

PanSci_96
・2014/07/09 ・4097字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

1950 年 10 月,《大眾科學》雜誌特別介紹了「在擔當飛機、火箭和盔甲的結構材料上,挑戰鋁和鐵」的「新競爭者」。強韌、質輕又抗腐蝕,鈦扮演未來的神奇金屬。

英國牧師,同時也是礦冶專家兼化學家葛瑞格(William Gregor)於 1791 年在康瓦耳的馬納坎(Manaccan)村一條河中分離出一些「黑沙」時,發現了鈦。今天我們知道那是鈦鐵礦,主要成分是鐵鈦氧化物,他從這種礦物中提煉出混合物,其中含有一種新元素的氧化物,他把它命名為馬納坎礦。四年後,德國化學家克列普洛(Martin Klaproth)由鈦的另一種重要礦物,金紅石中分離出二氧化鈦。他把新元素取名為鈦(titanium),這個名字來自希臘神話中的泰坦(Titan)巨神族,這些神遭父親優拉納斯(Uranus)囚禁在地球內部。克列普洛也發現了鈾(uranium);在那個時代,這兩種元素的性質都未完全瞭解,所以他選用了抽象的名字。然而,純屬巧合,最後證實克列普洛的命名相當恰當:和泰坦族受困在地球內部的情況一樣,鈦在礦物中的鍵結很強,非常難提煉。

直到 1910 年,冶金專家杭特(Matthew Albert Hunter)在紐約州的壬色列理工學院(Rensselaer Polytechnic Institute )進行研究時,才製出純的金屬鈦樣本。進行這項研究時,他發現了鈦的特殊物理性質。而自從首次發現鈾以來,經過了一百五十年,直到1940 年代,才發明出把鈦由礦物中提煉出來的商業製法。當冷戰初期緊張局勢逐漸升高,美俄雙方都渴望能建立先進的科技,使自己在海面、空中及外太空都占有優勢。鈦看起來似乎就是能達到這個目標的神奇新金屬。第一次及第二次世界大戰是用鐵和碳作戰;冷戰將是用鈦和鈾作戰。

鈦使冷戰時期的工程發揮到極致,例如洛克希德公司的超音速間諜機黑鳥。黑鳥的飛行速率是音速的三倍,超越任何蘇聯的先進飛彈科技,可以在數小時之內,把重要的軍事情報帶回美國本土。黑鳥是工程界令人讚歎的傑作,而且至今仍是世界上最快的吸氣式載人噴射機。

黑鳥的重量結構中,鈦佔了百分之九十 [Public domain]

超音速黑鳥

「我們將飛在(2 萬 7 千公尺的)高空上,並把速率提高到 3馬赫⋯⋯我們飛得愈高愈快,別人要追蹤我們的位置就愈困難,更不用說想阻止我們了。」洛克希德航太公司研發中心副總裁詹森(Kelly Johnson)對一群工程師解釋道。

1950 年代在冷戰的高峰期,美國渴望知道蘇聯的軍事實力。衛星技術有嚴重的限制:軌道固定,太容易預測,路徑不可能不被發現,何況由外太空拍攝到的畫面通常都很模糊。

詹森相信他的間諜機是能蒐集足夠軍事情報,還能確保機上飛行員安全的唯一方法。冷戰時期第一批間諜機是由第二次世界大戰的轟炸機改裝而成的,這些飛機速率緩慢,又在低空飛行,很容易受到蘇聯的攻擊。1950 年代末期,洛克希德最先進的間諜機 U-2,可以在 21 公里的高度飛行,速率最快可達時速 8 百公里,但是蘇聯砸下重金,研發可以攻擊 U-2 的先進反間諜機武器。美國顧慮到 U-2 易遭蘇聯反間諜機科技的攻擊,所以想發展一種可以飛得更高、更快的新型間諜機。事實上也確實如此,1960 年正當洛克希德開始研發黑鳥時,一架 U-2 被擊落,飛行員鮑爾斯(Gary Powers)遭 KGB 逮捕。

黑鳥的飛行速率是 U-2 的四倍,飛行高度高了 6 公里,實現了美國的雄心壯志。設計這架飛機時的野心可不小:美國空軍希望打造一架飛機,不必再躲避蘇聯的飛彈,而是快到讓任何飛彈都無法鎖定。以前就有飛機飛過 3 馬赫以上的速率,但那是利用後燃器造成的短程爆發。黑鳥將以這種速率做正常飛行,全程都要使用後燃器。但是要成功打造如此複雜的工程傑作,洛克希德的工程師必須先學會如何駕馭鈦。

1959 年,詹森的 3 馬赫飛機研究工作開始在洛克希德的設計工程單位「臭鼬工廠」進行,「臭鼬工廠」的暱稱,是因為附近有一家塑膠工廠會發出難以忍受的惡臭而來。工程師很快就體認到,鋼實在太重了;而鈦是質輕金屬中,唯一能承受 3 馬赫飛行造成的高溫的。

27 公里的高空,空氣接近真空,非常稀薄。溫度是會凍死人的攝氏零下 55 度。即使如此,因為黑鳥飛得比步槍子彈還快,機鼻會因與空氣摩擦而使溫度上升到攝氏 400 度以上。靠近後燃器的地方溫度更超過 560 度。要不是漆成黑色,溫度還會更高,也因為漆成黑色,因而有了黑鳥之名。溫度變化這麼大,造成飛機在飛行時會膨脹數英寸。機身與燃料箱只有在高速飛行時才能緊密結合,一旦降落,燃油就會由縫隙漏出,滴在跑道上。

黑鳥的結構重量中,鈦超過百分之九十。這個計畫啟動之時,沒有人曾經這樣大規模,或在如此極端的條件下使用過鈦。只有美國境內的小公司「鈦金屬公司」處理過鈦,而且這家公司製造的鈦,品質不太穩定。不但如此,他們還找不到足夠的鈦來打造飛機。中情局找遍全球,最後由蘇聯的一家出口商那裡取得貨源,對方並不知道他們正協助打造要用來對付蘇聯的間諜機。

在設計、測試與打造黑鳥間諜機期間,共製造了 1 千 3 百萬個鈦零件。工程師在過程中遭遇許多困難。一點點雜質就會讓鈦變脆,一開始時,某些零件由腰部的高度掉下來,就會砸得粉碎。用鋼筆畫的線會很快把鈦薄片侵蝕出一條縫;鍍鎘的板手會造成螺栓脫落;最奇怪的是,夏天製造的點焊板會碎裂,但冬天製造的不會。後來終於找出汙染源是氯,原來臭鼬工廠在夏天為了防止產生藻類,在水塔裡添加了氯。

這些問題後來都找到了解決方案,但費用很高。工程師必須在極度潔淨的環境裡工作,每一個零件都要泡在酸中,然後在氮氣中焊接。這架飛機的造價快速增加到幾億美元。

但是它還是建造完成了,而且在 1964 年 12 月 22 日舉行處女航,為了娛樂詹森,它以超音速飛行低空掠過空軍基地的跑道。洛克希德成功造出人類歷史上最不可思議的飛機。至今這仍然是最佳典範,顯示人類智慧與地球元素的特殊性質相結合時,會產生什麼火花。

黑鳥不只是工程奇蹟,也是功能強大的戰爭工具。越戰期間它首次執行任務時,很快就展現了價值。位於南越溪生的美軍基地遭北越軍隊包圍,但是美軍找不到敵人補給兵員與彈藥的卡車停車場。1968 年 3 月 21 日,黑鳥執行偵察任務時,飛過南北越之間的非軍事區。它拍回的照片不只揭露了可疑的卡車停車場,還有包圍溪生的重型火砲布置圖。幾天後,美軍對這些目標發動了空中攻擊,而且在兩個星期之內就解除了包圍。

黑鳥在越南證明了它的價值之後,在 1973 年 10 月又再次派上用場,當時埃及軍隊渡過蘇伊士運河,發動贖罪日戰爭。阿拉伯聯軍的閃電攻擊令以色列猝不及防,而美國在這場衝突中支持以色列,擔心如果情報不足,以色列可能會失去更多領土。蘇聯則支持阿拉伯聯軍,已經調動宇宙衛星提供以色列軍隊的位置給阿拉伯聯軍;尼克森總統下令黑鳥也對以色列提供類似的支援。

黑鳥自紐約飛到阿拉伯與以色列邊界,距離有 9 千公里,它破紀錄在 5 小時內抵達,且在禁區上空飛行 25 分鐘就足夠它拍照了。第二天早上,顯示阿拉伯軍隊位置的照片已經放在以色列參謀總長的桌上。

有了鈦,美國在冷戰時期掌控了整個天空。在太空中,美國也一樣占盡優勢,阿波羅及水星太空計畫中都廣泛使用鈦。但是在鐵幕的另一邊,蘇聯也利用神奇的鈦金屬稱霸海洋,他們建造了一種新型的潛水艇,體積較小、速率較快,而且可以潛到較深的海底。

1280px-Mike_class_submarine
1983 年,蘇聯又再次使用鈦,這次要打造世界上潛水最深的潛艇。長度 122 公尺的共青團員號(Komsomolets),船身內層用鈦打造。[Public domain]

打造蘇聯潛艇

「這一定是先進設計:新的材料、新型的發電機,還有新的武器系統 —這一定是最高級的。」斯維亞托夫(Georgi Sviatov)在擔任 K-162 潛艇的蘇聯海軍初級工程師時這麼說。當時蘇聯想製造一艘潛艇,要能快速通過危險水域去攻擊敵人,而且中途不會被偵測到。

工程師想使用鋼和鋁,但是鈦的優點很明顯。在打造潛艇船身時,金屬的強度對重量比值是首要考量,船身一定要輕,潛艇才能自然浮出水面,但是同時也要能承受極大的水壓。鈦的優異比值能使蘇聯潛艇下沉到創紀錄的深度。不但如此,鈦又能抗腐蝕,它的表面會形成二氧化鈦薄層,在嚴苛的海洋環境中保護船身。而且,鈦和鐵不同,鈦不是磁性物質,潛艇較不會被偵測到,也不會引爆磁性水雷。

美國完成鈦製黑鳥時,蘇聯正在為高科技船身努力。第一艘鈦船身潛艇 K-162 太貴了,大多數人都認為,就算用黃金打造也不用這麼貴;於是,這艘潛艇就被戲稱為「金魚」。

1983 年,蘇聯又再次使用鈦,這次要打造世界上潛水最深的潛艇。長度 122 公尺的共青團員號(Komsomolets),船身內層用鈦打造,可在 1 公里的深度運作。1989 年 4 月,共青團員號沉沒於挪威海,起因是有一條高壓空氣管線起火燃燒,引發大火。火焰快速經由富含氧氣的空氣蔓延開來。因為火燒、水淹,加上窒息,60 名水兵中有 42 名死亡。破裂的鈦製船身、兩座反應爐,以及至少兩枚核彈頭,至今仍沉在海面下 1.6 公里處,封在混凝土製成的石棺內,以防止裡面有毒的鈽外漏。

美國軍事情報團在 1960 年代末開始蒐集蘇聯鈦船身潛艇的證據。衛星照片拍到,在列寧格勒(聖彼得堡)蘇多梅海軍上將造船廠(Sudomekh Admiralty Shipyard)中有一種特殊金屬,這金屬對光的反射性太好,不可能是鋼,而且它也不腐蝕。在 1969 年冬天,美國海軍助理武官葛林(William Green)中校在訪問列寧格勒時,撿到一片碎片,這是由駛離蘇多梅船廠的卡車上掉下來的。結果發現那是鈦。這件事到了 1970 年代中期才獲得證實,當時情報團的軍官在檢查蘇聯送往美國的廢五金中,發現有一片鈦上面刻了 705 的數字。情報團已知這是一直在注意的蘇聯潛艇計畫的序號。長期以來,美國都不相信蒐集到的情報。要打造船身像蘇聯潛艇這麼龐大的尺寸,鈦看起來實在太貴,也太困難了。

冷戰結束後,具有極度深潛能力的鈦船身潛艇,以及 3 馬赫的鈦機身飛機,都不需要了。在 1990 年代初,隨蘇聯瓦解,鐵幕兩邊都可以刪減軍事費用了;美國總統老布希及英國首相柴契爾夫人稱之為「和平紅利」。最後一艘 705 型潛艦已退役,而黑鳥的經費也已經刪除,整個研發過程結束,黑鳥成為史上唯一未遭敵人砲火擊落,也未損失任何乘員的軍機。

本文摘自《改變世界的七種元素》,由天下文化出版

文章難易度
PanSci_96
974 篇文章 ・ 442 位粉絲
PanSci的編輯部帳號,會發自產內容跟各種消息喔。


2

1
0

文字

分享

2
1
0

從族群耆老的死亡,看見黑猩猩的「同理心」——《我們與動物的距離》

馬可孛羅_96
・2022/01/16 ・2063字 ・閱讀時間約 4 分鐘
  • 作者:法蘭斯・德瓦爾(Frans De Waal)
  • 譯者:陳信宏

人類為何會發展出宗教,其中一個最常被提及的原因便是我們對死亡的體認。我們對生命有限的理解,經常和「人類有沒有可能是唯一擁有宗教的生物」這個問題一起提出。我對這個問題沒有明確的答案,只能說我們沒有理由假設別的靈長類動物對其他個體的死亡一無所知。

如同巴諾布猿天堂裡的巴諾布猿,其他猿類也相當熟悉死亡與失去親友的現象。有時候牠們自己就是凶手,例如有一天那群巴諾布猿打死了一條劇毒的加彭膨蝰。那條蛇令牠們深感恐懼,只要一動就嚇得所有巴諾布猿往後跳開。牠們用樹枝小心戳牠,最後瑪雅才把牠高高拋起並且重重甩在地上。值得注意的是,那條蛇死了之後,牠們的表現就完全顯示牠們並不認為牠會再起死回生。死了就是死了。幼猿開開心心地拖著沒有性命的蛇屍當成玩具,掛在脖子上,甚至撬開牠的嘴巴檢視牠巨大的毒牙。

加彭膨蝰,是一種毒性極強的噝蝰屬毒蛇,分布在非洲撒哈拉沙漠以南的熱帶雨林地區,它是世界上毒性最強的蛇類動物之一,擁有世界上最長的毒牙。圖/Wikipedia

那幕情景令我想起以前目睹過的一場黑猩猩狩獵行動。我們在坦尚尼亞的馬哈勒山脈(Mahale Mountains)跟隨一群黑猩猩,突然聽到樹上高處傳來一陣騷動。黑猩猩抓到獵物的時候會發出一種特殊的尖叫聲,單是這麼一種特殊聲響的存在,就顯示了牠們想要分一杯羹的意願。若不是這樣,保持安靜顯然才是聰明的做法。那陣尖叫聲吸引了其他許多黑猩猩聚集過來。有幾頭公黑猩猩抓到了一隻紅疣猴,這是黑猩猩難以自行捕捉的一種獵物,通常要團體合作才抓得到。

我抬頭透過枝葉的縫隙觀察,看見那幾頭黑猩猩在那隻猴子還活著的情況下就開始吃起牠的肉。由於黑猩猩不是「專業」掠食者,所以沒有演化出貓科動物那種有效的獵殺技巧,而牠們對待獵物的方式也反映了牠們的同理心有時而窮,就和人類一樣。許多黑猩猩都聚集過來形成一種進食集合,包括生殖器腫脹的母黑猩猩,她們通常享有進食的優先權。那整個場景非常吵雜混亂,但所有成員終究都分到了一塊猴肉。第二天,我注意到一頭母黑猩猩經過,背上騎著一頭幼黑猩猩。牠的女兒開開心心地高高揮舞著一根毛茸茸的東西,我才發現那個東西屬於那隻可憐的猴子所有:一頭靈長類動物的尾巴成了另一頭靈長類動物的玩具。

黑猩猩對「死亡」的體悟

某天早上,蓋扎.泰萊基(Geza Teleki)跟隨一群黑猩猩行動,聽到遠處傳來刺耳的尖叫聲。六頭公黑猩猩狂野地來回猛衝,一面發出「喇啊」的叫聲,迴盪在山谷之中。在一條小沖溝裡,只見瑞克斯(一頭公黑猩猩)的身軀一動也不動地癱倒在亂石之間。泰萊基雖然沒有看到他跌落的過程,但覺得自己目睹的乃是這頭公黑猩猩從樹上跌落而摔斷脖子所引發的最初反應。

幾頭黑猩猩停下來看了看瑞克斯的屍體,然後猛力向外衝,並且朝四面八方丟擲大石塊。在那樣的喧鬧狀況下,黑猩猩紛紛互相擁抱、交合、撫摸以及輕拍,臉上則是咧開嘴露出緊張的表情。接著,牠們又花了不少時間盯著屍體看。一頭公黑猩猩在一根樹枝上俯身看著屍體,發出嗚咽的聲音。其他黑猩猩則是觸摸或者嗅聞瑞克斯的屍身。一頭青年母黑猩猩更是一動也不動地靜靜盯著他的屍體看了整整一個小時以上。經過三個小時的擾攘之後,其中一頭年紀較大的公黑猩猩終於離開那片林中空地,朝下游走去。其他黑猩猩一一跟上,慢慢離開,同時不斷回頭望向那具屍體。

猿類面對死亡的反應已有愈來愈多的報導敘述。二○○九年,桃樂絲死後的一張照片在網路上爆紅,因為她的遺體引來保護區內黑猩猩群的圍觀,猩群們相當專注(但靜默得令人發毛)。這在蘇格蘭的布萊爾德拉蒙野生動物園(Blair Drummond Safari Park),一頭名叫潘希的年老母黑猩猩死亡了,其過程透過影片仔細分析,原來在她死前的十分鐘,其他黑猩猩為潘希理毛或者撫摸了十幾次,潘希的成年女兒也整夜陪在她身旁。潘希死後引起的反應從猩群成員觸碰她的嘴巴與四肢(也許是想要檢視她是否還在呼吸或者是否還能動)到某頭公黑猩猩猛擊她的遺體,這種行為也曾經在其他黑猩猩死亡之後被人觀察過。

這種表現看起來雖然像是麻木不仁,卻有可能是一種想要喚醒死者的行為。猿類面對死亡的反應通常綜合了兩件事,一是對死者的毫無回應感到挫折,二是繼續測試看看還有沒有辦法引起死者的回應。不過,圍聚在死者身旁的大多數個體都會默不作聲,彷彿意識到發生了什麼可怕的事情。研究人員觀察潘希臨終前的狀況之後,得出的結論指出:「黑猩猩對死亡的體認受到了低估。」

——本文摘自《我們與動物的距離:在動物身上發現無私的人性》,2021 年 12 月,馬可孛羅

所有討論 2
馬可孛羅_96
84 篇文章 ・ 331 位粉絲
馬可孛羅文化為台灣「城邦文化出版集團」的一個品牌,成立於1998年,經營的書系多元,包含旅行文學、探險經典、文史、社科、文學小說,以及本土華文作品,期望為全球中文讀者提供一個更開闊、可以縱橫古今、和全世界對話的新閱讀空間。