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基礎交互作用與原力(第三部曲):反重力全面進攻——阿宅物理(6)

科學大抖宅_96
・2016/05/03 ・3821字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 601 ・九年級

在沒有很久以前、也沒那麼遙遠的銀河系裡……[1]
為找出原力的祕密,我們發現了作為基礎交互作用的電磁力、弱力和強力。然而,在這過程之中,卻有股神秘的力量,尚未顯露其真面目。它的無遠弗屆與威力,遍及宇宙的每個角落……

星際大戰開頭必備的跑馬燈
星際大戰開頭必備的跑馬燈

在科幻文本和動漫、電玩裡,重力一直是屢見不鮮的題材。古早以前,人類就已夢想能夠騰雲駕霧[2]、或者擁有翅膀[3]飛上青天;飛機發明後,我們更進一步希望能對抗引力、脫離地球——於是我們有了火箭和太空船。不過,飛機與火箭的原理,均是藉由產生新的推力,來抵銷地心引力的束縛;也因此,希冀從根本阻絕重力、甚或創造出反重力的嘗試,在歷史上一直方興未艾。更何況,就算不考慮重要性,反重力三個字聽起來就是酷呀!!在漫畫〈哆啦A夢〉(舊譯:小叮噹)裡,哆啦A夢便是因著腳底的反重力裝置而懸浮在三釐米的空中,以至於腳底不會被弄髒

漫畫裡,針對哆啦A夢腳底反重力機能的說明(圖片來源)
漫畫裡,針對哆啦A夢腳底反重力機能的說明(圖片來源

理所當然,要討論反重力如何可能做到之前,我們得先了解什麼是重力;而最簡單的方法,當然就是上批踢踢[4]八卦板post標題為「有沒有動漫裡能操縱重力的角色都很強的八卦?」的文章。除此之外,我們還可以從國中課本回想起牛頓(Isaac Newton)萬有引力定律:

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上述方程式說的是,兩個物體之間的(吸)引力正比於兩者質量(分別為m1和m2)的乘積、而反比於之間距離(r)的平方。G則為比例常數,俗稱萬有引力常數。

然而,這個曾經在考試中試煉我們的著名公式,卻存在問題:現今的科學已經知道,光線的路徑會因重力而彎曲;更有甚者,黑洞作為宇宙中最神秘的天體,其所產生的重力連光都可以捕獲。但是,光,它根本沒有質量!根據牛頓的公式,光怎麼可能會受到重力吸引呢?[5]

好在我們有愛因斯坦(Albert Einstein)。

約莫百年前,愛因斯坦的廣義相對論橫空出世,為重力帶來了全新的觀點:就像放在彈簧床上的鉛球會讓床面下陷一樣,愛因斯坦認為,帶質量的物體也會對時空產生影響、造成時空的扭曲;而附近的另一物體,就會因為明顯感受到時空的凹陷,而被吸引過去——這就是廣義相對論對重力的簡單詮釋。光在時空中行進,就像走在地面上的汽車,難免會受到路面的坑洞或斜坡影響而產生路徑的變化。[6]

太陽周圍變形的方格代表因太陽而凹陷的時空。由A發出的光線感受到時空的扭曲而改變路徑,使得我們看到A存在B處,此亦稱為重力透鏡效應(圖片來源)
太陽周圍變形的方格代表因太陽而凹陷的時空。由A發出的光線感受到時空的扭曲而改變路徑,使得我們看到A存在B處,此亦稱為重力透鏡效應(圖片來源

更進一步地,讓我們回想自身的經驗:當搭乘電梯,而電梯開始往上升的時候,冥冥中似乎有股力量把你往下拉、身體彷彿變重了(幸好不是在游泳)。換言之,電梯上升的加速度,會讓我們覺得像是多了一股向下的重力——加速度可以產生類似重力的功效。這件事情,其實正是愛因斯坦所提出的等效原理(equivalence principle):在小範圍底下,位於重力場內的觀測者所感受到的物理效應,跟其處於均勻加速運動的無重力環境所看到的物理效應,沒什麼兩樣。[7]

明白等效原理後,讓我們回想以前學過的自由落體問題:兩個不同質量的物體,在不考慮空氣阻力的狀況下,何者比較快落地?等效原理告訴我們,不論你是在地球的比薩斜塔、還是在宇宙中由下往上加速行進的太空船裡,實驗的結論都是一樣的。然而,有別於在地球上還得靠伽利略(Galileo Galilei)證明物體掉落的快慢和質量無關;太空船內的結果倒是非常容易想像:當我們把手放開,二者會同時掉落到地面——因為其實是太空船的地板往上衝、撞到懸空的兩個物體。

我們無法分辨在地球上、或在加速行進的太空船中,有什麼不同(圖片來源)
我們無法分辨在地球上、或在加速行進的太空船中,有什麼不同(圖片來源

得到等效原理這神兵利器,反重力的謎題就再也難不倒我們了:有沒有可能,存在某種反重力物質,其不但不會被地心引力吸引,還會被地球的重力排斥而往天空「掉落」?

不可能!當我們根據等效原理而把環境挪到加速飛行的太空船中,很顯然地,所有懸空的東西都會被往上衝的地板撞到、絕不會離地板愈來愈遠(除非我們施加外力)。

同樣地,有沒有可能,存在某種隔絕重力的物質,使得放於其上的物體,感受不到重力吸引?例如,電影〈顛倒世界(Upside Down)〉裡,就發現了消除重力作用的物質。

我以我爺爺的名譽發誓[8],答案仍然是否定的。除非太空船停止加速,否則懸空的物體保證都會被地板撞上;意味著,地球上的物體永遠會受到重力作用而向下掉落[9]——除非某一天,我們對重力有了更深層的理解,像〈星際效應(Interstellar)〉那般發現了量子重力[10]的祕密,事情或許才有轉圜的餘地。

不過,除了反重力,人工重力也是科幻文本常見的題材。許多電影裡,包括星際爭霸戰(Star Trek)和星際大戰(Star Wars),太空船上的人們可是走來走去、跟在地表上沒兩樣。這可能嗎?

星艦的人工重力讓船員能夠活動自如(圖片來自〈闇黑無界:星際爭霸戰〉)
星艦的人工重力讓船員能夠活動自如(圖片來自〈闇黑無界:星際爭霸戰〉)

以目前科學的認知,因為重力是由質量而來;除非我們能夠創造如星球般龐大的質量(像是「現本土決戰用特別攻擊最終質量兵器」[11]),否則並無法在根本意義上產生足夠日常生活使用的重力。

等一下!等效原理這下子跳出來了:只要太空船一直保持加速,就可以有類似重力的效果!但這仍然有個實際的問題——太空船很快就會達到設計的最高速率,無法一直加速下去。

一般而言,現今最可行的方案,會是將太空船做成圓筒形或環形,利用旋轉時的離心力將人「固定」住(就像家裡的洗衣機進行脫水時,裡面的衣服都會貼在滾筒上)。於是,我們可以看到〈星際效應〉裡,主角前往土星的太空船就是做成環狀,並利用旋轉來製造重力(還提到了可能會頭暈);同時,電影結尾的庫柏太空站(Cooper Station)可能也是因此才做成圓筒狀,房子則依著圓筒的內壁建造。[12]

〈星際效應〉裡的環狀太空船永續號(Endurance)利用旋轉造出人工重力(圖片來源)
〈星際效應〉裡的環狀太空船永續號(Endurance)利用旋轉造出人工重力(圖片來源

不過,即使我們可以利用離心力模擬重力的效果,但〈星際爭霸戰〉或〈星際大戰〉裡的太空船怎麼樣都不像是在旋轉;又例如,漫畫〈七龍珠〉裡的重力室根本就在地面上固定不動,那如何能製造重力呢?只能說,依目前的科學知識,那是不可能的任務,就算找湯姆.克魯斯(Tom Cruise)[13]來也一樣。換言之,他們果然擁有超越目前地球人的科技力呀!

於前兩話,我們提過電磁力、弱力和強力都分別有相應的粒子負責傳遞。與上述類似,物理學家也假設重力乃由重力子(graviton)傳遞。然而,重力子目前尚未被觀測到[14];量子重力理論亦仍在發展當中,距離理論完備還有很長一段路要走。重力,雖然充斥於生活之中,現今對其所知卻是相當有限。

至此,對已知的基礎交互作用,我們均有了大概的理解。在下一話,如史詩般壯大的探尋原力之旅,即將邁入最終章!錯過可惜!敬請密切注意!

continue

參考資料:

  • 1. 徐一鴻(A. Zee) (2006) 膨脹的宇宙——愛因斯坦的玩具

註釋:

  • [1] 請參考電影〈星際大戰(Star Wars)〉。該系列電影開頭總會有“A long time ago in a galaxy far, far away….”的跑馬燈字幕。
  • [2] 最著名的如〈西遊記〉或〈封神演義〉均有相關情節。
  • [3] 例如希臘神話伊卡洛斯(Icarus)的故事。
  • [4] 批踢踢(PTT)是台灣最知名的電子佈告欄系統(BBS)。
  • [5] 就牛頓的年代來說,其實對光的性質並不完全清楚、也沒有黑洞的想像。這邊我們偷吃步,把大家現今熟悉的概念拿出來說了——但牛頓是無辜的。
  • [6] 在歷史上,其實是愛因斯坦先提出廣義相對論、並預測了光線的路徑會因重力而彎曲,實驗才觀測到此一現象。
  • [7] 此亦稱為弱等效原理。另有所謂強等效原理,這邊便不做介紹。
  • [8] 請參見漫畫〈金田一少年之事件簿〉。
  • [9] 事實上,前面提及的光會因重力而偏折的現象,亦可用等效原理說明。大家不妨自行思考看看。
  • [10] 將量子力學與重力相結合的理論。
  • [11] 請參考動畫〈勇往直前2(トップをねらえ2!)〉。
  • [12] 有興趣進一步了解的讀者,不妨參考火星軍情局的好文。
  • [13] 好萊塢男星。主演〈不可能的任務〉系列電影。
  • [14] 大家或許有印象,於今年(2016)年初國外的LIGO團隊宣佈觀測到重力波。嚴格來說,重力波和重力子是不同的概念,亦無法混為一談。

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科學大抖宅_96
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在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/


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「你不要過來啊!」蜘蛛為了在交配中保命,竟然把自己給射出去了!

Peggy Sha
・2022/05/18 ・1686字 ・閱讀時間約 3 分鐘

自然界中,充滿了不少為了交配而「慷慨赴義」的勇者,像是:螳螂、蜘蛛等等,在激戰中或激戰後,雄性會變成配偶的盤中飧,如此一來,不僅可以延長交配時間、增加受精機率,還能為雌性提供養分,讓後代更有機會健康快樂地成長!(讓我們感謝飛天小爸爸的努力!)

「性食同類」不僅可以延長交配時間、增加受精機率,還能為雌性提供養分,讓後代更有機會健康快樂地成長!圖/Pixabay

這種現象呢,被稱之為「性食同類」(sexual cannibalism),通常是雌性吃掉雄性的比例稍微高一些。

但正如俗話所說,「生命會自己找到出口」,竟然有雄性蜘蛛靠著把自己「射」出去來保下一命!今天,就要來為你講述,隆背菲蛛(Philoponella prominens)的噴射故事。

交配到一半就彈出去了?超離奇高速彈射之謎!

這次的主角隆背菲蛛呢,是一種原產於日本、韓國等地的社會性動物,過去驚人的成就包括:能夠一次聚集 300 多隻同伴,共同編織出一片大網。

至於牠們超強的彈射能力又是如何被發現的?原先,來自湖北大學的張士昶副教授與團隊正在研究隆背菲蛛的性行為,卻忽然發現了一個超離奇現象:完成交配之後,雄蛛居然會猛然彈開,「biu」地一下就飛得老遠!

這驚人的過程可說是快到不可思議,最高紀錄達到一秒 88.2 公分,別說是肉眼,就連普通相機都沒辦法正確紀錄下細節。

這個現象立刻引發了研究團隊的好奇心,那麼接下來該怎麼辦呢?當然是:交配大戰看起來!

射,還是不射?這是個攸關性命的問題!

為了進行研究,團隊總共觀察了 155 次交配行為,並在其中 152 次中觀察到了這種超高速的彈射情形。你可能會很好奇,那剩下的 3 次呢?嗯……那 3 隻隆背菲蛛沒有成功彈射出去,交配後就成了配偶的大餐了。

什麼?沒彈掉就會被吃掉?這究竟是巧合還是命運的安排?

研究人員決定出手人為干預一下,他們選了 30 隻隆背菲蛛,然後想辦法阻止牠們彈射,結果發現:「彈射=保命」,要是你射不出去,那你就逃不過配偶的大口,注定要變成人家的晚餐。

要是隆背菲蛛彈射失敗,那就逃不過配偶的大口,注定要變成人家的營養來源。圖/Pixabay

相反地,如果成功彈出去了,那麼,你不但可以保命,也多了再次交配的機會。嘿,沒錯,牠們彈出去後還會再爬回來交配,再彈、再爬、再交配,就如此反反覆覆。(當然啦,有時也會在過程中不小心弄掉一些身體部位,比如一兩支步足。)

想要成功噴射,你需要一對強壯的步足!

至於為何隆背菲蛛能變成這樣的飛天小蜘蛛呢?秘密就藏在牠們的步足中。研究團隊發現,雄蛛們會將第一對步足抵在雌蛛身上,一旦交配完成,就用力蹬腳彈射出去。

根據實驗,科學家們發現這對步足可說是噴射與交配關鍵,少了一支都不行,只要沒有這對秘密武器,雄蛛只會停留在求偶階段,但不會真的跟雌蛛交配。但如果掉的是其他幾支腳,那可完全不會影響交配過程,還是能順利完成生育大計。

而這對秘密武器最強大的地方,其實是來自液壓;只要蜘蛛擠壓胸部的肌肉,便可以將其中的體液注入特定關節(tibia–metatarsus joint),透過液壓來伸直步足、產生彈力。

沒想到吧?為了在交配中保命,隆背菲蛛還得運用到流體力學,是不是很有趣呢?

參考資料:

Male spiders avoid sexual cannibalism with a catapult mechanism: Current Biology
These male spiders catapult away to avoid being cannibalized after sex
Watch These Male Spiders Jump Like Hell to Avoid Being Eaten After Sex
This Male Spider Catapults Itself Into the Air to Avoid Sexual Cannibalism | Science| Smithsonian Magazine
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Peggy Sha
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曾經是泛科的 S 編,來自可愛的教育系,是一位正努力成為科青的女子,永遠都想要知道更多新的事情,好奇心怎樣都不嫌多。