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手槍蝦的閃光音爆槍!

Scimage
・2011/01/28 ・522字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 505 ・六年級

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你不會想惹手槍蝦的超強空氣槍!

產生光有很多種方式,不過在生物上大約就是螢光跟磷光,一般常見像是燃燒利用電漿離子發光的機會幾乎沒有。不過這樣難得的現象在幾年前被一種特殊的生物打破了,那就是手槍蝦。

手槍蝦的補食方式是利用先施力在螯的彈性組織上儲存彈力,然後一下子放出,讓螯口閉合,在這同時可以射出一條水柱。在流體中,當速度很快的時候,局部的壓力就會變小,因為壓力變小,局部就會有氣泡因為壓力太小而被引發出來(稱為空穴化)。

這樣被引發出來的氣泡很不穩定,當流速下降以後就會塌陷。因為表面張力所造成的壓力差反比於氣泡的半徑,所以當縮的越小的時候表面張力帶來的壓力反而越大,所以氣泡被不斷的加速壓縮。這種加速的方式就如同音爆一樣。最後因為氣泡縮小的太快,對裡面的氣體進行絕熱壓縮,讓裡面的氣體溫度升高到數千度,直接變成電漿發生電離,然後就發出光了。

當然這樣的光不是這蝦子的目的,氣泡的攤縮音爆才是。這種音爆可以震昏牠的獵物,然後就可以拖回家了;這些物理知識也許蝦子不懂,不過自然卻已經教會牠如何使用,在牠身上演化出一種人想像不到的閃光音爆槍!

本文原發表於科學影像

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Scimage
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船艦航行需克服的「空蝕現象」,是鼓蝦的攻擊技能!——《神奇物理學》
商周出版_96
・2022/10/16 ・1622字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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小小身軀能發出威力無比強大的巨響

有些動物會利用空蝕現象來捕抓獵物或抵禦攻擊者,鼓蝦(Pistol Shrimp)是最好的例子。這種 5 公分長的蝦科動物也被稱為手槍蝦,只因為牠會把敵人打倒。

牠可以用那對手槍螯發出比噴射機還大的聲音,大約是200 分貝,這讓牠成為世界上聲音最大的動物。小動物聽到會昏倒,較大的攻擊者也會迅速逃跑,就算是潛水艇的聲納設備也會被破壞。手槍蝦之所以能發出這麼大的聲音,是因為空蝕現象,牠會忽然用力合上手槍螯,朝攻擊者射出一股水流,這股水流後面會形成水蒸氣,並隨著一聲巨響而內爆。

槍蝦科(Alpheidae);其特徵為兩邊不對稱的螯,較大的那側可發出如槍聲般的巨響。圖/維基百科

有趣的是,手槍蝦可能根本就聽不到大爆炸的聲音。研究人員沒發現蝦子具有聽力器官,這點也許對瘋狂大爆炸會更好。

除此之外,手槍蝦不只會用螯產生轟雷聲,還會產生閃電,當空氣泡內爆時,會釋放很多能量,所以會出現「聲致發光」(Sonoluminescence)的現象,也就是當液體受到強烈壓力波動時,所發出的光效應。可惜的是,人類無法用肉眼看到閃電,但如果你可以利用相機超慢動作動態攝影的功能來拍攝手槍蝦,這樣就能看到聲致發光的現象。這看起來真的非常不可思議!發現這種效應的人非常高興,甚至將這效應稱為「蝦發光」(Shrimpoluminescence)。

總而言之,手槍蝦是種非常迷人的動物,可以單獨替牠寫出一整本書,私底下牠也是很喜歡社交的,喜愛和小魚或海葵一起生活,也經常和帶條紋的蝦虎魚一同住在山洞裡。

手槍蝦會整天待在洞裡,沒有敵人來襲時蝦虎魚會在洞口游來游去,但要是有章魚在附近游來游去,蝦虎魚就會飛快游回洞穴,並害怕發抖,然後就是手槍蝦表現的時候了,牠會衝出山洞,伸出螯砸向攻擊者。

手槍蝦與牠的蝦虎魚小夥伴。圖/維基百科

如果牠在戰鬥中輸了,把螯弄斷了,牠只要修復自己就好了,另一邊的正常螯還是可以攻擊,而斷掉的螯會再重新長出來。

船艦該如何克服空蝕現象

手槍蝦那麼強大的自癒力對「勇敢號驅逐艦」這種艦艇來說當然不可能有。

1893 年,艦艇上的工程師不得不在這裡與有破壞力的空蝕作用鬥智,他們成功了!這艘艦艇沒有轉動很快的大螺旋槳了,而是幾個較小的螺旋槳,功率也稍小,這樣水流就沒有那麼快,空蝕現象也減少了。

就這樣,這艘船艦最後能以 32 節的速度出海航行,在 19 世紀末,這個速度的確非常快,報紙終於稱它為「世界上最快的船艦」,工程師們對此感到很滿意。

後來,他們只改變了一件事,就是在船頭安裝了一個魚雷發射管,可以朝敵方艦艇射擊。但這後來被證明是不切實際的,因為「勇敢號驅逐艦」現在的速度超級快,根本已經有可能超過它自己魚雷的速度了。

這已經是一百多年前的事了,現在有許多巧妙的解決方法,可以保護船隻免受空蝕現象損壞。

有些螺旋槳的設計會讓空氣從它的邊緣流出去,那些小氣泡的作用就會像阻尼器一樣,當水在螺旋槳後面流動過快且壓力過低時,氣泡就會膨脹,進而防止形成空氣泡。這個技術對軍艦也很有用,因為可以讓船艦變得更安靜,就如同我們從手槍蝦身上知道的那樣,氣泡破裂的聲音非常大,這樣會害船隻被敵人的聲納定位到。

——本文摘自《神奇物理學:從重力到電流,日常中的科學現象原來是這麼回事!》,2022 年 9 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

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2015《nature》年度照片大賞
梁晏慈
・2015/12/30 ・3033字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 494 ・六年級

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2015年即將結束,讓我們一起來看看由自然《Nature》選出的年度精選照片吧!

爬蟲類大對抗

nature pic, PanSci

別以為你在看侏儸紀世界!這是兩隻科摩多巨蜥(Komodo Dragon)為了爭地盤而決鬥的畫面。科摩多巨蜥生長在印尼,是現今體型最大的蜥蜴,平均體長可達2至3公尺,以肉食及腐食為生。由於科摩多巨蜥分泌的毒液會阻擋獵物凝血,造成獵物失血過多死亡,所以牠們會放走咬過的獵物,然後只要在背後偷偷跟蹤,食物就能手到擒來。這張展現野生動物決鬥的照片是2015年野生動物攝影師大賞的(Wildlife Photographer of the Year )的決選作品。

看得見的音爆

nature pic, PanSci

我們都知道當鴨子划過水面的速度大於水波的速度時,鴨子會在水面產生一道道美麗的漣漪。但你看過這樣的音爆場面嗎?這架美國的噴射機以超音速飛行在莫哈韋沙漠上空,位於噴射機上方的另一台美國太空總署的飛機捕捉了噴射機劃過天空的產生的衝擊波。光經過不同密度空氣的折射現象其實是很難被觀察的,但透過1864年德國科學家August Toepler發明的紋影攝影術(schlieren photography),我們能將音爆的效果完美呈現。

奇幻的麥哲倫雲

nature pic, PanSci

這可不是甚麼汙染河面的空拍圖XD,而是普朗克衛星捕捉微波及紅外光,計算後得到的麥哲倫雲。圖中較大片的褐色區塊為大麥哲倫星系( Large Magellanic Cloud),左下角較小的褐色區塊則為小麥哲倫星系( Small Magellanic Cloud )。這兩個星系屬於沒有旋渦、橢圓等結構的不規則星系,並可能環繞著我們生活的銀河系。

象鼻蟲的大頭照

nature pic, PanSci

「哈囉~你在看我嗎?你可以再靠近一點!」這是一隻棉子象鼻蟲(boll weevil, Anthonomus grandis),頭部僅有幾釐米寬,長長的、延伸出來的不是鼻子,而是用來覓食的口器。這張Wellcome Image Awards的得獎作品,利用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope),清楚呈現象鼻蟲的頭部特徵。

大自然裡也有粉紅龐克!?

nature pic, PanSci

原文是用令人恐懼( eerie)去形容圖中像骷髏的物體,但我覺得它們笑得蠻可愛的啊╰( ̄▽ ̄)╭。哎呀~回歸正題,這是由David Maitland拍攝的紙紗草(papyrus plant, Cyperus papyrus)維管束切片200倍放大影像。維管束組織負責傳輸養分及水分,是維管植物裡很重要的角色,不只可愛而且還很有用呢!

病毒蔓延中

nature pic, PanSci

這是一張大病毒的3D影像( large virus,其宿主為後棘狀阿米巴變形蟲(Acanthamoeba polyphaga)),由數百張的2D影像疊圖而成。但科學家究竟是如何知道物質的三維結構呢?答案是,X光繞射(X-ray diffraction)。由於單一分子的繞射行為並不明顯,科學家唯有將待測物結晶,透過大量重複單元的晶格繞射結果,才得以了解待測物的結構。因此養晶、解結構,仍是目前最直接證明合成出目標分子的方法。可是…養晶是門藝術啊(倒~~)!生物大分子的結晶尤其困難。好消息是X光自由電子雷射器(一種高強度的脈衝X光)的出現有望解決這個困難,讓科學家不用養晶也能知道單一分子的結構!

太空泡泡

nature pic, PanSci

這團「雲啊~霧啊」的太空泡泡是行星狀星雲-南貓頭鷹星雲。當恆星進入生命晚期,其向外膨脹的氣體被電離後產生發射星雲,即為行星狀星雲。 此照片由智利的甚大望遠鏡( Very Large Telescope)拍攝。

「冥王星,你好!」

nature pic, PanSci

2006年發射的新視野號,這幾年來不斷傳回大量的影像和資訊回地球,然而直到2015年,這張當新視野號最靠近冥王星時所拍攝的冥王星影像才真正地驚豔了大家。照片中太陽光清楚地勾勒出冥王星的輪廓,顯現了她孤冷(表面溫度44 K)的氣質。期待新視野號能帶領我們繼續發現太陽系的其他秘密。

快閃一瞬間

nature pic, PanSci

這張照片利用長時曝光的攝影技術,清楚地捕捉到了閃電!對於大部分的人來說,雷電交加是件很可怕的事;然而對於位在美國佛羅里達的國際閃電研究及測試中心(International Center for Lightning Research and Testing)而言,這些我們害怕的事物,卻是他們感興趣的對象。他們設計並實際探討火箭穿透風暴後觸發的閃電現象。

「膚淺」的人體影像

nature pic, PanSci

這張彩虹斑點的人體照片,顯現了在人體最大的器官-皮膚上的化學物質及微生物。圖中色彩越趨近於紅色代表此處的分子多樣性越高,反之,藍色代表多樣性低。聖地牙哥大學的Pieter Dorrestein及其團隊徵求兩名志願三天不洗澡的健康受試者,採取他們皮膚上約400個位置的樣品,進行質譜及DNA定序的分析,最後利用超級電腦彙整了大筆的數據並繪製了這張圖。

生生不息

nature pic, PanSci

這張滿布屍首的照片呈現了禿鷹的日常生活!禿鷹以屍體為食,很少主動攻擊動物。牠們的胃酸有很強的腐蝕性,因此即便吃下被細菌感染的食物,也不容易生病。這畫面或許看起來有點陰森,然而禿鷹的攝食習慣,其實在生態系統的健全發展中扮演很重要的角色。

加州大火

nature pic, PanSci

今年8月克里爾雷克( Clearlake)的火災照片。人稱「金州」的加州這四年來飽受乾旱之苦,野生動物的生存受到了威脅,各地區更是火災頻傳。

火星上有水!?

nature pic, PanSci

「火星上究竟有沒有水?」一直是天文學家好奇的問題。現在,他們用這張火星上的隕石坑-火山口加尼上的照片證明火星上真的有水在流動!圖中黑色條紋的部分表示火星表面有含水的礦物質,且條紋的分布會受季節影響,推測和水的流動有關。這項研究仰賴高解析度成像科學設備(High Resolution Imaging Science Experiment, HiRISE),並希望後續的結果能讓我們對於宇宙生命的發展有更進一步的了解。

一口氣看完了那麼多精彩的照片,你是否更想了解其背後的故事呢?別擔心,泛科學早就為好奇的你準備了許多相關報導,祝大家有個收穫滿滿的2015喔!

延伸閱讀:

 參考資料:

梁晏慈
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梁晏慈,台灣大學化學系研究所。 喜歡聽故事、說故事,還有貓。

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衝啊!音速小子—淺談音爆及光爆
金延儒
・2015/08/11 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 520 ・七年級

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Sonic
Source: wiki

「誒誒誒!音速小子,快點停,你再衝就要掉下懸崖了啊!!」,在懸崖邊的你緊張的說。

「蛤蛤蛤~~~什麼~~~我聽不清楚你在講什麼!!我的耳膜快破啦!!」,你聽到音速小子在一個他最擅長的360度旋轉的最高點說出這句話,伴隨著巨大的聲響,然後迅速的往下俯衝,略過你……

接著就像迪士尼動畫會有的橋段,他在懸崖外騰空了整整一秒鐘,一聲不響地,華麗退場。

事實上,這是你最後一次聽到他的聲音、見到他的身影。在悲傷的同時,你也想著:「為什麼他不聽我的話呢,為什麼!!!!還有他最後那句話是什麼意思?」

或許,就怪他被稱作「音速」小子吧。

(故事為劇情需要,純屬虛構)

音速小子到底怎麼了?

當然有很多可能導致上面這個故事發生。首先,音速小子可能像很多人一樣習慣邊跑步邊聽音樂,又剛好你叫住他的那一刻因為他放的音樂太大聲讓他耳膜快破了,所以也沒聽到你的聲音,造成悲劇的發生。

但是根據你的說法:那一刻,你聽見了巨大的聲響,大到應該不會是耳機發出來的。那麼我會推斷是因為音速小子正經歷因為超音速所帶來的「音爆」現象。

要了解音爆,我們先來看看超音速的歷史吧。1903年萊特兄弟成功完成了第一次人類的動力飛行,在那一次飛行中,他們用12秒的時間飛行了36.5公尺,時速是每小時10.9公里,這雖然是一個小學生跑步都能追上的速度,但這可是劃時代的重要事件。接著我們把時間快轉到二戰,戰爭的危急狀態讓人類的飛行技術突飛猛進。到戰爭末期,最優良的飛機甚至可以達到時速700公里以上!根據紀錄:當時就有飛行員在俯衝,接近音速飛行時,感受到不穩定的搖晃,甚至也有因此操作失當而機毀人亡的紀錄。

事實上,人類史上第一次的超音速飛行是在1947年10月14日完成的,24歲的查克·葉格(Charles Elwood Yeager)成為第一個飛得比聲音快的人,他在12800公尺的高空,使飛行速度達到每小時1078公里,相當於1.015馬赫[註二][註三]。在當時要突破音速,有許多地方有待當時的科學家突破,其中一項就是音爆的問題。

FA18
FA-18大黃蜂戰機以接近音速的速度飛行 Source: wiki

Sound boom
source: wiki

究竟什麼是音爆呢?簡單來說,音爆就是:當物體的速度,超過它所發出聲音的速度時,周圍的空氣會產生一個壓力非常大的錐狀區域(被稱為馬赫錐),造成氣流的不穩定,然後巨大的壓力差會產生巨大的聲響,就像上圖及左圖的示意圖這樣。順帶一提,子彈飛行產生的聲響也是音爆的例子之一。

哎呀,只不過老實說,超音速飛機與我們的日常生活確實有點遠,可能有點難想像,但其實這個現象在日常生活中也不難觀察到。

從湖面看音速小子的悲劇

大家都有在湖邊玩耍、看看大自然的經驗吧,看著湖面上自由自在悠游的水上動物們,恨不得自己也長了個蹼,能夠跳下去跟著他們一起游泳,把心理的壓力一掃而光。

鴨子游泳產生的水波紋

讓我們觀察一下那隻鴨子身後的水波,事實上,因為鴨子的行進速度比水波的波速還要快,所以在它的後面會有三角狀的水波紋產生。

對應超音速飛機音爆的例子:因為飛機的行進速度比聲波的波速還要快,所以在機身後面會有錐(因為聲波是向四面八方傳遞)狀的衝擊波產生

有沒有覺得兩句話很像呢?確實,以上所說的兩個現象基本上是源於同一個物理概念。

知道了音爆 那你知道還有光爆嗎

光爆聽起來……怎麼那麼……像什麼會把人燒掉的恐怖武器啊!

別亂想。光爆其實就是上面兩個現象的延伸,只不過這次不是發生在聲音,也不是發生在湖面,而是光!

光爆這個現象是由1934年由蘇聯物理學家契忍可夫(Pavel Alekseyevich Cherenkov)發現的,正式的名稱叫做:契忍可夫輻射Cherenkov radiation),有的人會稱呼他為光爆,這種輻射的特點就是:很美的藍色輝光

Cherenkov radiation
Source:Wikipedia

聰明、好奇的你想了一下,說:「你別騙人了,愛因斯坦的狹義相對論告訴我們:一個物體的速度不可能比他所發出來的光還要快!」

事實上,這個現象的確沒有違反愛因斯坦偉大的狹義相對論。只不過他們用了一個小技巧:這個實驗不會是在真空或者是空氣中這些光行進很快的地方進行, 他們把整個實驗放到一些光跑得比較慢的地方(例如在生活中常見的水中,光的行進速度只剩下原本的大約四分之三),如此一來,科學家們就可以利用加速器,把粒子加速到比他自己發出的光還要快的速度,接著才能順利觀察到這個現象。

在金屬表面產生的光爆

surfingawake
Source: phys.org

2014年,哈佛大學的研究團隊又有了新的突破,他們成功製造出跟光爆類似的現象,只不過這次的波是行進在金屬表面,以一種被稱為表面電漿子(Surface plasmons)傳遞,他們把這個現象叫作”Cherenkov surface plasmon wakes”。

這個實驗室的教授,費德里科·卡帕索(Federico Capasso)說:「傳統的光學研究成果讓我們製造出全像圖、Google Glass、 LED燈等等的科技產品;但在未來,奈米光學Nanophotonics)將會是奈米科技的一項重要領域。這次研究成果讓我們更有能力能控制奈米尺度下的光。」

在裡面的研究生,同時也是這篇論文的第一作者丹尼爾(Daniel Wintz)說:「要能夠在比光的波長還小的尺度下控制光是一件非常困難的事情。重要的是我們不但成功製造、觀測到這個現象,更找到了幾個不同的方法來控制它。」

不只是產生這個現象難,就連要觀察也很難,因為事實上,表面電漿子是看不到的,研究團隊必須想辦法把表面電光子從金屬表面“抽”出來,然後經過光纖,才能紀錄到影像。

所以說,其實從水波、聲波一直到光波以及以表面電漿子傳遞的波,這些不同樣貌的現象其實都是同一個物理現象所主導,只是我們平常沒有發現其中的關聯性而已!

備註

  1. 維基百科-萊特兄弟
  2. 1馬赫為一倍的音速,詳見維基百科-馬赫
  3. 這個紀錄有些許爭議,見維基百科-查克·葉格,但不管如何,葉格無庸置疑是第一個在有計劃性、嚴密監控的情況下,靠著飛機自身的動力而實際且確實地突破音障的人類。

參考文獻

  1. Surfing a wake of light: Researchers observe and control light wakes for the first time
  2. Controlled steering of Cherenkov surface plasmon wakes with a one-dimensional metamaterial Nature Nanotechnology [2015]