海洋界的變色龍

唉！好曬呀！前兩集，一些觀眾發現我曬黑了。

在臺灣，一向不缺陽光。市面上，美白、防曬廣告亦隨處可見，不過，為什麼我們會被陽光曬傷呢？卻又好像沒聽過被日光燈曬傷的事情？

事實上，這也跟量子力學有關，而且和我們今天的主題密切連結。

之前我們討論到量子概念在歷史上的起點，接下來，我們會進一步說明，量子概念是如何被發揚光大，以及那個男人的故事。

光電效應

在量子力學發展過程中，光電效應的研究是非常重要的轉捩點。

光電效應指的是，當一定頻率以上的光或電磁波照射在特定材料上，會使得材料發射出電子的現象。

在 19 世紀後期，科學家就已經發現某個奇特的現象：使用光（尤其是紫外線）照射帶負電的金屬板，會使金屬板的負電消失。但當時他們並不清楚背後原理，只猜測周遭氣體可能在紫外線的照射下，輔助帶負電的粒子從金屬板離開。

於是 1899 年，知名的英國物理學家 J. J. 湯姆森將鋅板放置在低壓汞氣之中，並照射紫外線，來研究汞氣如何幫助鋅板釋放負電荷，卻察覺這些電荷的性質，跟他在兩年前（1897 年）從放射線研究中發現的粒子很像。

它們是比氫原子要輕約一千倍、帶負電的微小粒子，也就是我們現在稱呼的電子。

1902 年，德國物理學家萊納德發現，即使是在抽真空的玻璃管內，只要照射一定頻率以上的光，兩極之間便會有電流通過，電流大小跟光的強度成正比，而將光線移除之後，電流也瞬間消失。

到此，我們所熟知的光電效應概念才算完整成型。

這邊聽起來好像沒什麼問題？然而，若不用現在的量子理論，只依靠當時的物理知識，很難完美解釋光電效應。因為根據傳統理論，光的能量多寡應該和光的強度有關，而不是光的頻率。

如果是光線把能量傳給電子，讓電子脫離金屬板，那為什麼需要一定頻率以上的光線才有用呢？比如我們拿同樣強度的紫外線跟紅外線去照射，會發現只有照射紫外線的金屬板才會產生電流。而且，當紫外線的頻率越高，電子的能量就越大。

另一方面，若我們拿很高強度的紅外線去照射金屬板，會發現無論如何都不會產生電流。但如果是紫外線的話，就算強度很低，還是會瞬間就產生電流。

這樣難以理解的光電效應，使得愛因斯坦於 1905 年一舉顛覆了整個物理學界，並建立了量子力學的基礎。

光電效應的解釋

為了解釋光電效應，愛因斯坦假設，電磁波攜帶的能量是以一個個帶有能量的「光量子」的形式輻射出去。並參考先前普朗克的研究成果，認為光量子的能量 E 和該電磁波的頻率 ν 成正比，寫成 E=hν，h 是比例常數，也是我們介紹過的普朗克常數。

在愛因斯坦的詮釋下，電磁波的頻率越高，光子能量就越大，所以只要頻率高到一定程度，就能讓電子獲得足以逃脫金屬板的能量，形成電流；反過來說，如果電磁波的頻率不夠高，電子無法獲得足夠能量，就無法離開金屬板。

這就像是巨石強森一拳 punch 能把我打昏，但如果有個弱雞用巨石強森百分之一的力道打我一百拳，就算加起來總力道一樣，我是不會被打昏，大概也綿綿癢癢的，不覺得受到什麼傷害一樣。

而當電磁波的強度越強，代表光子的數目越多，於是脫離金屬板的電子自然變多，電流就越大。就如同我們挨了巨石強森很多拳，受傷自然比只挨一拳要來得重。

雖然愛因斯坦對光電效應的解釋看似完美，但是光量子的觀點實在太過激進，難以被當時的科學家接受，就連普朗克本人對此都不太高興。

對普朗克來說，基本單位能量 hν，是由虛擬的「振子」發出的；但就愛因斯坦而言，電磁波本身的能量就是一個個光量子，或現在所謂的「光子」。

然而，電磁波屬於波動，直觀來說，波是綿延不絕地擴散到空間中，怎麼會是一個個攜帶最小基本單位能量的能量包呢？

美國物理學家密立根就堅信愛因斯坦的理論是錯的，並花費多年時間進行光電效應的實驗研究。

到了 1914 年，密立根發表了世界首次的普朗克常數實驗值，跟現在公認的標準數值 h=6.626×10^-34 Js（焦耳乘秒）相距不遠。

在論文中，密立根更捶心肝（tuî-sim-kuann）表示，實驗結果令人驚訝地與愛因斯坦那九年前早就被人拋棄的量子理論吻合得相當好。

這下子，就算學界不願相信愛因斯坦也不行了。愛因斯坦也因為在光電效應的貢獻，獲得 1921 年的諾貝爾物理獎。

光電效應的應用

在現代，光電效應的用途廣泛。我們日常生活中常見的太陽能發電板，利用的就是光電效應的一種，稱為光生伏打效應，材料內部的電子在吸收了光子的能量後，不是放射到周遭空間，而是在材料內部移動，形成正負兩極，產生電流。

而會不會曬傷也跟光子的能量有關。

曬傷是皮膚受到頻率夠高的太陽光，也就是紫外線裡的 UVB 輻射造成的損傷。這些光子打到皮膚，會讓 DNA 分子裡構成鍵結的電子逃逸，引起皮膚細胞中 DNA 的異常變化，導致細胞損傷和免疫反應，這就是為什麼曬傷後皮膚會出現紅腫、疼痛和發炎的原因。

而頻率較低的光線，因為光子能量偏低，所以就不太會造成傷害，這也是為什麼我們沒聽過被日光燈曬傷這種事。

結語

從 17 世紀後半，惠更斯和牛頓各自提出光的波動說和微粒說開始，人們就聚焦於光到底是波動還是粒子的大哉問；19 世紀初，湯瑪士．楊用雙狹縫干涉實驗顯示了光的波動性，而到 19 世紀中後期，光屬於電磁波的結論終於被馬克士威和赫茲分別從理論和實驗兩方面確立。

經過約莫兩百年的研究發展，世人才明白，光是一種波動。

怎知，沒過幾年，愛因斯坦就跳出來主張光的能量由一個個的光量子攜帶，還通過實驗的檢驗——光又成為粒子了。

物理學家不得不承認，光具有波動和粒子兩種性質，而會呈現哪一種特性則依情況而定，稱為光的波粒二象性。

愛因斯坦於 1905 年提出的光量子概念，顛覆了傳統認為波動和粒子截然二分的觀點，將光能量量子化的詮釋也被實驗印證，在那之後，除了光的能量之外，還有其他物理量被發現是「量子化」的，像是電荷。

我們現在知道，電荷也有個基本單位，就是單一電子攜帶的電荷大小。

儘管之後又發現組成原子核的夸克，具有 -1/3 和 +2/3 單位的基本電荷，但並沒有改變電荷大小是不連續的這件事，並不是要多少的電量都可以。

如果你覺得很奇怪，不妨想想，我們用肉眼看會覺得身體的每一個部位都是連續的，但其實在微觀尺度，身體也是由一個個很小的原子和分子組成，只是我們根本看不出來，才覺得是連續的。

光子的能量和電荷的大小，其實也是像這樣子，細分下去就會發現具有最基本的單位，不是連續的。

事實上，量子力學在誕生之後，一直不斷地為人們帶來驚喜，簡直就是物理學界突然闖進一隻捉摸不定的貓。我們下一個故事，就要來聊量子力學發展過程中，打破世間常識的某個破天荒假說，而假說的提出者，是大學原本主修歷史和法律，擁有歷史學士學位，但後來改念物理，並憑藉博士論文用 5 年時間就拿到諾貝爾物理學獎的德布羅意。

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• 作者／賽．蒙哥馬利（Sy Montgomery）；譯者／鄧子衿

雖然章魚通常不和同類打交道，和其他種類動物之間的關係，除了獵捕和被吃之外，也幾乎都不清楚。如果要在家飼養頭足類動物，專家的建議是不要把牠們和其他水族養在同一個水槽中，因為章魚可能會吃掉牠們。

不過章魚對於同槽水族也並非都處在敵對狀態。溫哥華水族館的館員丹尼．肯特（Danny Kent）發現在卑詩省水域展區中，「有些章魚能夠和許多石斑魚一起生活多年，不會吃牠們，但是有些章魚就會迫不及待的把同水槽中的其他動物吃掉。」

在這座水族館容量高達六萬五千加侖（ 25 萬公升）的「喬治亞海峽」（Strait of Georgia）展示槽中，有一條章魚喜歡爬到接近水面的岩石上，把一條腕伸到流下的水柱中。肯特發現這條章魚把腕當成釣魚線，等著鯡魚撞到腕，就把鯡魚抓來吃。

複雜的「同槽」關係可能暗藏殺機

同槽水族之間的關係也可能非常複雜。2000 年，西雅圖水族館做了一個很冒險的決定：把一條北太平洋巨型章魚放到四萬加侖（15 萬公升）的水槽中，裡面有數條一公尺多長的白斑角鯊（dogfish shark，Squalus acanthias），他們覺得章魚如果受到鯊魚的威脅時，會好好躲著。但是他們錯了。

他們非常驚訝章魚非但沒有受到威脅，反而有計畫地逐一殺死了那些白斑角鯊（重現這個意外的影片在 2007 年放上網路後便瘋傳，有 290 萬人看過這個影片，也都非常驚訝）。研究人員發現鯊魚沒有消失，但是死亡了，沒有被吃掉。章魚沒有獵食牠們，也沒有因為直接威脅而馬上逃走。

根據最原始的新聞報導和影片的字幕，在鯊魚進行瘋狂殺戮之前，章魚就先發制人，進行攻擊。在鯊魚還沒有機會造成威脅之前，章魚就先把有可能掠食自己的動物殺死了。

直擊章魚下毒現場？

在科蘇美，我親眼目睹了另一個不同的跨物種互動，我從來沒有看到有人報告過這樣的景象。

在這趟旅程中最後一次潛水時，我們前往的礁岩樸實無華，沒有幾個大朵的珊瑚頭，也沒有許多突出的長礁與岩石。在潛水半個小時後，我們下潛到約十公尺深，這時看到在突出岩塊下的白沙子上，有一條加勒比礁章魚（Caribbean reef octopus，Octopus briareus）。

我靠近到兩公尺，發現在章魚前面幾公分的位置，大約有十幾隻活螃蟹聚集，有紅的也有黑的，身體的殼約五、六公分大。這些螃蟹看起來非常平靜，想到這些螃蟹所處的狀況，我極為驚訝。有些螃蟹慢慢爬著，如果有一隻螃蟹想要遠離章魚，章魚便伸出腕，把螃蟹（我認為非常溫柔地）撥回來。

這個狀況非常詭異。章魚的周圍是牠最喜歡的食物，但是牠並沒有因為興奮而變成紅色。牠的皮膚是白色的，夾雜了些明亮的藍色。章魚並沒有用吸盤把溜走的螃蟹抓回來，而是用腕把螃蟹掃到自己面前。螃蟹沒有急忙逃脫，這也很奇怪。

另外，我在旁邊沒有看到有螃蟹殼和其他殘骸，章魚巢穴外面通常會有這些東西。不過這裡可能不是那條章魚的巢穴。不論如何，這裡的螃蟹也太多了，牠們或許是站在以前同伴留下的外骨骼上，但是我也沒有看到。章魚看了我一眼，就回去專心看顧那些螃蟹了。就算我近到只有一公尺，牠也沒有退避。

我想在這裡待久一點，但是海流強勁，我們是在放流潛水中，停不住。後來我問水族館中的朋友：那些螃蟹在幹什麼？為什麼不逃走？那條章魚在打什麼注意？章魚為什麼要看顧這群螃蟹？我半開玩笑地拋出一個點子：那條章魚是不是用墨汁對那些螃蟹下藥了？

墨汁除了掩人耳目，還真有可能影響其他動物的行為

美國海洋動物學家馬吉尼蒂夫婦（G. E. and Nettie MacGinitie）有次把一條熱帶海鰻放到有泥灘章魚（mudflat octopus）的水槽中。熱帶海鰻開始尋找章魚，章魚在牠靠得太近的時候，便對牠噴墨汁。熱帶海鰻會繼續狩獵，但是不會攻擊章魚。就算熱帶海鰻真的觸碰到章魚，也不會想要攻擊章魚或是吃掉章魚。每次都這樣。

章魚的墨汁中含有黑色素（melanin），以及其他有重要生物功能的成分，其中一種是酪胺酸酶（tyrosinase），這種酵素能刺激眼睛，並堵住鰓。不過它可能還有其他效果。

1962 年，《英國藥理學期刊》（British Journal of Pharmacology）上有一篇論文指出，這種酵素能夠阻礙催產素（「擁抱激素」）與血管升壓素（vasopressin）¹這兩種激素的活性。鳥類、爬行動物、無脊椎動物（包括章魚）等，都有個別的催產素和增壓素，哺乳動物的催產素曾經試驗用在魚身上，結果改變了魚的社會性行為。

如果這種激素正常的濃度受到影響，那麼像螃蟹這樣獨居的動物，可能會變得特別平靜，還能聚集在一起，面對主要掠食動物時也依然如此。

註解：

1. 抗利尿激素，能夠影響血液循環。

——本書摘自《章魚的內心世界》，2019 年 9 月，馬可孛羅。

編按：此為《drawdown 反轉地球暖化100招》最終章，作者提出一些「明日新亮點」，期待可以減緩全球暖化的現象。

生質能源效率低落：高耗能的能量轉換過程

數十年來，一群科學家致力以人造樹葉取代自然光合作用並且直接從大氣之中創造燃料，能量則來自陽光。

收益很明顯。幾乎所有能源都來自太陽，其中大部分源自於光合作用。（我們取得能源的形式，包括由植物而來的食物，以及植物的衍生物，例如石油、瓦斯、泥炭、煤、木頭與乙醇）。

光合作用看似簡單：水、陽光、吸收二氧化碳並排出碳水化合物與氧氣。然而，單憑自然光合作用想要滿足世界對於能源日漸增長的需求，則是不可行的。

為了生產生質燃料而種植玉米、白楊或是柳枝稷，就能源效率而言，不利條件顯而易見。植物能毫不費力地轉換陽光，但是如果要將光子轉化為可使用的儲存能源，效率值僅 1％。

以玉米為例，農夫必須以石油供能的拖曳機犁地、使用除草劑抑制雜草、以打穀機收割作物，並以卡車將作物載運至好幾英里外加工。玉米在加工廠內被研磨成泥，與酶和阿摩尼亞混合，煮熟以殺死細菌，液化後放入酵母發酵數日，將糖分轉化為乙醇。接著蒸餾並且分離物質。固體被分離出來，液體進入分子篩。二氧化碳被截取並且出售給飲料製造商。添加變性劑使它無須被課稅且無法飲用，接著進入儲存槽，之後被放入油罐車載往精煉廠，然後加入汽油之中。

業界稱之為再生燃料，實際上是過度延伸再生燃料的定義。

因為整個過程相當依賴柴油、石油、汽油、電力與補助。計算下來，以玉米為基底的乙醇，生產的能源只比製造過程所需能源多出一些。如果把使用土地時產生的排放、地下水的耗費、生物多樣性的喪失以及氮肥的衝擊計算進去，對於大氣層是否有益，就有爭辯的空間了。玉米最符合效益的用途是作為人們飢餓時的主食，而不是作為推動跨界休旅車的乙醇。

試想如果可以略過農場、肥料、拖曳機、卡車、加工廠與補助，無論你與水源身處何方，都可以直接從水與二氧化碳中製造燃料。這就是丹尼爾．諾賽拉（Daniel Nocera）20 多年前發起人造葉計畫的目標。

擺脫能源效率不佳窘境：人造葉計畫

諾賽拉是哈佛大學能源科學的教授。 1980 年代早期，身處加州理工學院研究所的他便致力研究將水分離為氫與氧。他的計畫是想促進氫經濟。

該科技的原始版本使用矽片，其中一面鍍有鎳鈷催化劑，當矽片放入水中後，將在其中一面的表層產生氫，另一面產生氧。早期媒體讚揚並誇大該科技可能的影響。諾賽拉預言該科技將對窮人有益。他表示氫氣可以用來煮飯，或是藉由燃料電池轉化為電力。但是一罐氫氣對於窮人有什麼用？沒有⋯⋯除非他們有燃料電池，而這是一項昂貴的科技。科技上的突破卻在經濟上沒有可利用性。

氫氣是世界上最輕的物質，如鬼火般稍縱即逝。雖然 1 磅氫蘊含的能量比汽油多 3 倍，但是要取得 1 磅氫的過程相當棘手，並且需要高壓槽與壓縮機等設備。要生產足夠 1 個家庭使用的能源，需要 1 個膠合板大小的矽片，以及 3 個浴缸大小的儲存槽。

諾賽拉專注於如何提供窮人平價的能源，卻很少想過窮人可以如何生產電力。儘管如此，他下定決心要想出一種人人都能享用的能源與科技，他將這個概念比喻為 1970 年代的「死忠粉絲」（Deadhead）。死之華樂團（e Gratefal Dead）在數十年前就提出音樂共享這個最終摧毀產業的概念。該樂團允許並且鼓勵人們錄製他們的演唱會，至今仍有網站致力分享與交換這些歌曲。這樣的概念有可能適用於能源科技嗎？

諾賽拉認為如此。

他相信專注於那些對最貧困之人有益的科技，受益最多的將是整個社會。許多年來，他回應質疑的方式，就是指出如果投入人工光合作用的金錢與投資於電池的一樣多，突破將來得更快。

突破確實發生了。 2016 年 6 月 3日，諾賽拉與他的同事潘蜜拉．席爾瓦（Pamela Silver）宣布，他們結合了太陽能、水與二氧化碳，成功製造出蘊含高能量的燃料。他們採用兩種催化劑，從水中免費製造出氫，用於餵養能合成液態燃料的鉤蟲貪銅菌（Ralstonia eutropha）。用純二氧化碳餵養這種細菌，過程將比光合作用有效率 10 倍。如果二氧化碳取自空氣，效率也多出 3 至 4 倍。

直到最近，諾賽拉持續關注從無機化合物中產生氫氣。他與哈佛團隊不將氫視為提供給人類的能源，而是用來餵養細菌的能量原料，因此朝向原始目標邁進了一大步：利用太陽與水製造便宜的能源。對了，還有細菌。也許經濟上可行的人工光合作用，到頭來也不是完全人造的。

——本文摘錄自《drawdown 反轉地球暖化100招》，2019 年 1 月，聯經出版