馬老師的一堂科普課

前言:馬志欽老師生前在政大新聞系教授「自然科學概論」十餘載,並於生命中最後一年抱病在世新大學開設「科技新聞導讀」,總是盡量以深入淺出的方式讓科學說白話。假使今年春天這兩門課仍由他執教,那麼某一天在課堂上,很可能會出現如下的對話。

  *  *  *

馬老師:各位同學想一想,最近有什麼熱門的科技新聞名詞?我來做個提示,是兩個字的。

某學生:老師,兩個字的我想不到,三個字的倒是有。

馬老師:三個字的是什麼?

某學生:「外星人」!

某某學生:還有「老少配」!

馬老師:「外星人」是政治新聞,「老少配」是社會新聞,跟科技都扯不上關係。

某學生:「老少配」能不能有愛情結晶,就和科技大有關係了。

馬老師:這麼說也有道理。如果你對這個問題感興趣,我可以推薦你看一本書:時報文化出版的《複製之謎》。不過「老少配」到此為止,還有沒有同學想到什麼科技新聞名詞?

某學生:老師,我也想不出有什麼兩個字的,不過四個字、五個字的都有。

馬老師:那又是什麼?

某學生:四個字的是「經濟蕭條」,五個字的是「經濟不景氣」。

馬老師:別鬧了,這些也不算科技新聞。

某學生:老師,我想到了,是不是「共振」?

馬老師:答對了!最近這個名詞炒得很熱,我們應該好好解讀一番。

某學生:老師,是不是高鐵、南科各說各話的那個「共振」?

馬老師:對,對,就是那個「共振」。

某學生:殷琪董事長在記者會上特別強調「震動」和「共振」不一樣,是不是又在玩文字遊戲?

馬老師:這次倒不是,「震動」和「共振」的確不一樣。

某學生:有什麼不一樣呢?

馬老師:「震動」這個名詞在科技上的用法,和日常生活中幾乎相同。對了,「震動」有時也寫成「振動」(在黑板上寫下這四個字),這兩個詞沒有太大差別。

某學生:那麼「共振」呢?

馬老師:「共振」是個專有名詞,有它的特殊用法,不能用你的直覺去瞭解。讓我們從頭說起,如果你想把能量灌到一個東西裡面,通常那個東西會吸收一部分,吐出一部分。就好像你拿各種食物餵小貓小狗,牠們雖然貪吃,也絕不會照單全收,有些食物嚼嚼沒味道,就會馬上吐出來。

某學生:這和共振有什麼關係呢?

馬老師:別著急,聽我說下去。共振的定義,用最廣義的說法,就是當你把能量輸入一個東西的時候,那東西竟然通通吞下去,一點也不吐出來。這是很特殊的現象,可是有時的確會出現。

某學生:老師說的定義,好像和「共振」兩個字沒有關係嘛!

馬老師:耐心聽下去,其實還是有關係的。我先舉個例子,在美國曾經發生過一件事,剛好有人用錄影機拍了下來。有一座很大、很堅固的吊橋,竟然在一陣強風中給吹斷了!有沒有同學聽說過?

某學生:有,電視上演過!

馬老師:這就是標準的共振現象。風的能量不斷灌入吊橋,吊橋卻一點都不吐出來。這些能量在吊橋中不斷累積,讓吊橋的擺盪幅度愈來愈大,最後當然就折斷了。

某學生:聽是聽懂了,但我還是無法把這種現象和「共振」兩個字聯想在一起。

馬老師:那麼我再舉另一個例子。各位都應該盪過鞦韆吧?假設有個小弟弟坐在鞦韆上,小弟弟年紀太小,不懂得怎麼用力,剛好你在旁邊,他就拜託你幫忙。請問你幫他推的時候,要不要張開眼睛?

某學生:當然要張開眼睛,不然怎麼曉得應該什麼時候推他?

馬老師:說得好,這就是關鍵。想要把鞦韆愈推愈高,就得在適當的時候出手。什麼是適當的時候呢?就是每次鞦韆盪到你這一端(在黑板上畫個鞦韆的簡圖),剛好暫停的那一瞬間。這時候你用力一推,鞦韆就會加速擺盪。只要多推幾次,鞦韆就會盪得很高,小弟弟也就嚇哭了。

某學生:這就是共振嗎?

馬老師:對,這就是共振的一個例子。你輸入鞦韆的那些能量,鞦韆完全沒有反彈,全部用來把鞦韆愈推愈高。

某學生:老師剛才不是說,通常能量都有一部分被吐出來嗎?

馬老師:沒錯,只要推的時間不對,就會有能量反彈的現象。如果我把你的眼睛矇起來,讓你憑感覺來推鞦韆,那會有什麼結果?

某學生:我會被鞦韆撞到鼻子。

馬老師:別鬧了,這只是打個比方。我的意思是如果你隨機出手,而不是算準時間,那會有什麼結果?

某學生:那會……很亂吧?

馬老師:如果只是隨機推一兩次,結果當然會很亂。但如果推個一兩百次,平均結果就會有規律了。規律是什麼呢?就是鞦韆會停下來。

某學生:為什麼?

馬老師:因為有一半的機會,你是在幫倒忙。如果鞦韆迎面而來的時候,你偏偏伸手去推,就等於是在幫鞦韆減速。

某學生:我懂了!一半機會是讓鞦韆減速,另一半機會是讓它加速,所以很多次平均下來,鞦韆就停了。

馬老師:對,這位同學真的懂了。從這個例子我們就能知道,想要造成共振現象,施加的力量一定要符合那個東西的節拍或韻律。用物理學的術語來說,就是外力的頻率要等於那個東西本身的頻率,也就是外力和那個東西以相同的頻率「振盪」,而「共振」就是「以相同頻率振盪」的簡稱。喔,對了,補充一點,在物理學中,我們通常用「振盪」取代「振動」,因為「振動」是看得見的運動,比較狹義,而「振盪」則廣義得多。

某學生:那麼腦震盪也包括在內嘍?

馬老師:我說的是「振盪」(在黑板上寫下這兩個字),「腦震盪」是這麼寫的(在黑板上寫下這三個字),你自己說有沒有包括在內?

某學生:沒……有……吧。

馬老師:我剛剛說「振盪」非常廣義,現在我們就來舉個例子。各位同學都用過微波爐吧?有沒有人用微波爐煮過水?

某學生:老師,網路上說不能用微波爐煮水,會引起爆炸!

馬老師:網路上不負責任的言論很多,盡信網不如無網,千萬不要看到什麼都相信。

某學生:這麼說,是不會爆炸嘍?

馬老師:絕對不會!如果你真想讓微波爐爆炸,方法的確有,不過老師不會教你。下面我要介紹的實驗,保證絕對安全無虞。你們回家去,拿個塑膠容器裝滿水,生水就行了,然後放進電冰箱的冷凍櫃,凍上兩三天,等到確定裡面沒有水泡,才把它拿出來。記住,千萬別用玻璃杯,因為水結冰之後體積會變大,會把玻璃杯脹破。也不能用金屬容器,因為下一步是要把它放進微波爐,金屬不能進微波爐可是常識喔。

某學生:用瓷碗可不可以?

馬老師:勉強可以,最好還是用塑膠容器。接下來,你把這個裝著一大塊冰的容器放進微波爐,微波三、五分鐘。各位同學猜猜看,結果會怎麼樣?

某學生:化作一碗水!

某某學生:通通蒸發了!

馬老師:都不對,你打開微波爐一看,會發現那塊冰好好的,幾乎沒有融化。

某學生:不可能吧!如果是一碗雞湯,微波五分鐘早就滾了。

馬老師:要解釋這個看似矛盾的現象,得從微波爐的原理說起。有沒有同學知道微波爐的原理?

某學生:就是利用微波的能量加熱食物嘛。

馬老師:說得沒錯,不過你這麼說等於沒說。微波爐加熱食物的原理,是將能量以微波的形式,傳給食物裡面的水分子,讓這些水分子劇烈翻轉。水分子的翻轉帶動食物中其他的分子,從人類的角度看來,就是整碗食物變熱了。

某學生:那麼冰裡面難道沒有水分子嗎?

馬老師:喔,對不起,是我沒說清楚。微波的能量只能傳給液態水分子,而冰裡面的水分子都是固態的,所以無法吸收這些能量。

某學生:為什麼呢?

馬老師:水分子長得大概像這個樣子(在黑板上畫出水分子H2O的模型)。兩個氫原子好像兩隻翅膀,獲得微波的能量便會來回翻轉,這就是一種廣義的振盪。可是在冰塊裡面,相鄰水分子的翅膀互相抓住、彼此牽制,所以就沒有翻轉的自由了。

某學生:這麼說的話,是不是食物裡面一定要有液態水分子,才能用微波爐加熱?

馬老師:對!冰塊裡面的水分子是固態的,所以微波爐對它愛莫能助。另一個例子是脫水的乾糧,比方說乾饅頭,那裡面的水分非常少,用微波爐也沒什麼用。

某學生:可是有些微波爐也有解凍功能啊?難道冷凍肉類裡面有液態水嗎?

馬老師:微波爐解凍的原理,要比加熱食物複雜一點,兩者不可混為一談。如果你有興趣,可以上網查查資料。萬一查不到也沒關係,下星期我再公布一兩個網址,不過你一定要自己先查查看。(註)

某學生:老師,我還是不懂微波爐和共振有什麼關係。

馬老師:嚴格說來,微波爐是使水分子翻轉,跟水分子的共振並沒有什麼關係。許多人都以為微波是讓水分子共振,其實那是錯誤的觀念。

某學生:可是為什麼一定要用微波呢?

馬老師:簡單地說,如果不用微波而用電波,那麼許多通訊裝置都可能受到干擾。

某學生:老師,微波和電波有什麼分別?

馬老師:這是另一個題目了,微波和電波都是電磁波這個大家族的成員。電波是無線電波的簡稱,是這個家族中波長最長、頻率最低的老么,其次就是微波,接下來依序是紅外線、可見光、紫外線、X射線、加瑪射線。各位同學既然有興趣,下次我們就來討論這個題目。女同學一定不要缺席喔,因為你們最關心的UVA、UVB都是紫外線……

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後記:「讓科學說中文」是科學月刊三十年來的一貫宗旨,「讓科學說白話中文」則是馬老師晚年最大的心願。謹以馬老師這個未竟之志,與所有的中文科普工作者共勉。

(註)馬老師後來公佈的兩個網址是:
http://rabi.phys.virginia.edu/HTW/microwave_ovens.html
http://wise.fau.edu/divdept/physics/jordanrg/LLS/lecture10/LLS_lecture_10.htm(已失效)




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