搞笑學物理

序　敲開科學的大門
　　有人說我是古怪的專家，連看到食物，也會先拿出試管來收集，並匆忙展開計算。
　　可是我認為，從熟悉的事務開始，是獲得科學觀念最有效的方法之一。
第1章　泡餅乾，得大獎
　　泡餅乾時，液體到底如何進入餅乾的孔隙，
　　搞清楚這件事讓我得了「搞笑諾貝爾獎」，也救了那些把餅乾泡糊的人。
第2章　煮出完美的黃金蛋
　　用熱傳導的平均律抓出時間，或尋找沸點合適的液體來煮蛋，
　　就可以做出蛋白剛剛好凝結、蛋黃卻還可以流動的完美水煮蛋。
第3章　不怕超市結錯帳
　　科學家有一些處理數字的竅門，輕鬆簡單，人人都學得會。
　　這些把戲可以拿來估算自己在超市購物的金額，而且以後面對數字再也不緊張。
第4章　創造世界紀錄的回力棒
　　回力棒的原理可以應用在任何旋轉的東西上，
　　從我們腦袋裡的原子，到腳踏車的輪子，甚至於在軌道上旋轉的地球。
第5章　拔釘子也要有效率！
　　螺絲起子愈長愈好用？把釘子釘入木板時，大力搥或小力搥比較好？
　　在讓我們有效率的使用工具這方面，科學原理還是挺有用的。
第6章　我們怎麼接到球？
　　我們是如何使用接球技巧的？是在頭腦裡解方程式嗎？
　　或者這種方程式，只是描述了我們經由重複練習學到的簡單身體動作？
第7章　肥皂泡、細胞膜及生命的意義？
　　泡沫是如何形成的？分子會有什麼形狀？都與細胞膜的組成有關。
　　地球上第一個受到膜包圍的細胞出現後，生命就此開始。
第8章　吃出食物的好滋味
　　我們常會用鹽來帶出食物的甜味；捏住鼻子，洋蔥吃起來像蘋果。
　　食物是如何釋放出香氣與滋味的，牽涉了許多科學。
第9章　精子向前衝！
　　精子跑去與卵子會面的路程，從類似火箭的推進升空開始，
　　到最後衝破由電網防衛的城堡，每個步驟都是不折不扣的物理學問題。
尾聲　搞笑之後，想想科學的未來
　　由「好奇心」推動的科學研究，本質上並沒有「善」、「惡」之分。
　　我們應該管控的是科學應用，而不是科學發現的過程。

附錄1　梅耶、焦耳以及能量的觀念
附錄2　溫度在食物分子上的效應

第4章　創造世界紀錄的回力棒

很少人有機會發明出金氏世界紀錄的新項目。我卻很幸運的有這麼一個機會，當時我曾短期參與一個科學性電視節目的規劃，負責設計一項有科學基礎的全國性比賽項目，吸引大家對科學的興趣。

我建議：「可不可以讓他們自己設計回力棒，看看飛得如何？」製作人耐著性子跟我解釋，在戶外錄製節目非常昂貴。因此我設計出來的項目，最後必須可以在攝影棚裡舉行決賽才行。為了讓他們滿意，我說：「這個容易，讓他們用厚紙板製作回力棒。然後投擲出去、繞目標、再回到手裡，比比看誰在1分鐘內可以丟最多次。」

這項比賽非常成功，創造出「全新」的世界紀錄。英國籍的投擲手韋斯特（Lawrence West），讓他的紙製回力棒可以繞著3公尺外的目標，在1分鐘內丟接了20次，令人難以置信。當時我們企圖解釋為何回力棒會自動飛回來，可惜沒有成功。因為製作人只允許我們做幾秒鐘的說明，時間太短了。我覺得這部分相當遺憾，因為回力棒原理的說明，也是非常迷人的，絕不比它的飛行差。

事實上，回力棒的原理可以應用在任何旋轉的東西上，從我們頭腦裡面的原子，到腳踏車的輪子，甚至於在軌道上旋轉的地球。當有某種力量想使這些東西「傾斜」時，它們的反應全都是一樣的。

在回力棒的例子裡，這股傾斜力來自流過翼面的空氣。這力怎麼產生的？又怎麼使回力棒飛回來？這些問題是本章討論的主題。最後，你們還可以試試，自己做一根可以創造世界紀錄的紙板回力棒吧。

歷史悠久的運動項目

「什麼回力棒？你們讀書人把它當作飛盤吧？」

這句話是史萊德（Sean Slade）說的。他是英國回力棒學會的執行祕書。我當時在中學開一門課，叫做「回力棒：物理學與飛行」，計畫教一般學生怎麼設計、製作回力棒，並且知道怎麼投擲。為了這門課，在剛開始準備的一個多星期以來，我已經讀過許多討論回力棒物理原理的書了，但我還是不會投擲。不管我怎麼努力，它就是不會飛回來。

於是不得不死了心，打電話向史萊德求救。他很訝異，居然碰到我這個不會丟回力棒的澳洲人，而且他答應為我介紹這項技藝。這項技藝是澳洲原住民發明的，至今已經有一萬年以上的歷史了。而現代科學才剛剛開始想瞭解回力棒。

第二天，史萊德帶了一袋的回力棒，來按我家的門鈴。裡面大概有百來根回力棒。有的是木頭做的，這是傳統的材料；但絕大部分是用現代材質做的，像鮮明、亮麗的塑膠製品，或碳纖維這種強力材質，有的還是鈦金屬製品。最長的一根幾乎和史萊德一樣高，看起來像一種很可怕的武器。

其實這種會飛回來的玩意兒，很少拿來當武器的。澳洲原住民和現代的投擲者一樣，主要是把它當成運動器材。當然，根據下面這段1881年所寫的描述，這種運動還帶點血腥的戰鬥氣息：

雙方各有十或十二位戰士，帶著回力棒與盾牌，全副武裝，鼻子和額頭上還畫著白色迷彩，相隔約二十步，排成兩列互相對峙。先由一方成員出列，站好位置，朝對方的任何一人，投擲回力棒，然後回到隊伍裡，輪對方攻擊。這樣子你來我往，直到一方有人先被擊倒，或者大家都累了、過癮了，才會罷休……由於投擲回力棒需要很大的力氣，飛行路線又很詭異，要有非常好的眼力和敏捷度，才能躲得開攻擊。這項活動提供了澳洲原住民非常好的體能訓練。當然也會激起大家的恐懼感，怕被回力棒割到身體，下場慘不忍睹。

現代的回力棒有時也差不多同樣可怕。史萊德告訴我，最近有人剛刷新了回力棒擲遠的世界紀錄，這個人並不是澳洲原住民，而是一位法國人，他參加了在英國士魯斯柏立舉行的比賽。結果創下遠達149公尺的紀錄，非常驚人，然而這場比賽差一點釀成悲劇。因為回力棒的邊緣必須非常銳利，以減少空氣動力學上的阻力，這樣才能讓它在飛回來之前，經過最遠的距離，而飛得很遠的回力棒，就像在空中旋轉的剃刀刃。回力棒在飛回來的時候，如果從側面回來，有時投擲者是看不見回力棒的。這把回力棒的飛刃，差點砍斷那位法國人的頭，最後掉在投擲者後方約6公尺的地方。

儘管回力棒有危險性，可是誠如我先前所提的，它很少被拿來當作武器或打獵工具。你想想看，直接投擲長矛或石頭去打敵人或獵物，要比回力棒容易命中目標。回力棒的飛行路線不但是彎曲的，途中還會一直上升。

澳洲原住民用來當獵具與武器的是一種外形有點像回力棒的棍棒，可以直接投擲而不會飛回來，當地的方言稱為「凱力」（kylie）。它的兩臂設計，具有空氣動力學上的「升力」效果。當用水平方式投擲出去時，會直線前進，從離地面大約1公尺的高度掠過，每秒大約可以轉動10次，可以擊中任何擋在路線前方的東西，不管是動物或敵人。具有回力棒外形的東西，大約有95%都屬這一類，不是真正的回力棒。

回力棒本身則完全不同。它們的兩臂設計，也是為了得到空氣動力學的升力。但是在回力棒上，這股空氣的升力以不同的方式運作。回力棒以（相對於地面）稍接近垂直的角度投擲出去，空氣的升力使得它順著圓弧路線飛行，並且會逐漸轉向。等到回力棒轉回投擲者的附近時，變成以水平的方式盤旋，就好像專程等著投擲者把它接回來似的。

當我看著史萊德帶來的大型回力棒時，心裡還是充滿疑懼。這玩意兒即使是在盤旋，看起來還是很危險，而且似乎可以很輕易的切下幾根手指來。史萊德看出我的疑問，就告訴我，接回力棒不能像接飛盤那樣用單手操作，而是使用兩手的手掌，一上一下的把它夾住。而且實際上比看起來簡單多了，我玩了幾次，也開始愛上回力棒。

投擲回力棒現在已經是很有組織的運動項目，還有許多不同的競賽類別，例如：「快接」、「擲遠」（這是原住民本來的比賽項目）、「高空最長時間」，以及其他很多項目。「高空最長時間」的大獎，應推萊德（Bob Reid）莫屬。萊德是英國里茲大學（Leeds University）的物理學家，他使得回力棒在空中盤旋了24小時又11秒。

這太不可能了吧？倒不見得。如果你像萊德那樣熱中回力棒運動、行徑又古怪，居然跑到南極去投擲回力棒，這件事也可能成真。他讓回力棒在24個時區上繞了一圈，因此實際的盤旋時間雖然是11秒，卻可以再加上24小時（見圖4.1）。

萊德在南極投擲回力棒，回力棒在空中盤旋了11秒。但是回力棒繞過了24小時的時區，所以整個在空中盤旋的時間可以說是24小時又11秒，萊德因而可以拿到回力棒「高空最長飛行時間」這項目的大獎。

回力棒為什麼會飛回來？

精簡版的說明

有了史萊德與萊德這些朋友的幫忙，我覺得自己設定的一些問題，像是「回力棒為什麼會飛回來」之類的，實在太容易解決了。這個問題的回答很簡單，就是旋轉，還有標準回力棒兩翼的方向是不一樣的（見圖4.2）。

回力棒每一翼的形狀，就像飛機的翅膀。可是它們接在一起的方式，使得一翼的圓形邊緣向前，另一翼的向後，拋擲之後，回力棒在空中旋轉前進，圓形邊緣總是朝前。因此兩臂都能提供「升力」，然而由於回力棒是以接近垂直的角度（相對於地面而言）旋轉，這股升力會使它逐漸仰斜，然後轉向飛回來。

這是我應電視製作人的要求，必須在十秒鐘之內完成的說法。這是電視用的精華版。很多人都覺得電視機前面的觀眾，沒有興趣聽長篇大論，也不想瞭解一些比較複雜的事務。因此製作單位常要求科學家長話短說，點到為止就好。這點我不以為然，我覺得他們太小看電視觀眾，有點保護過度了。我希望上面那段簡要的解釋，無法滿足你的求知慾。

摘自《搞笑學物理》第4章　回力棒會飛回來的祕訣

敲開科學的大門

科學家這個職業，使得他們在社交活動上有些不便，這情形和劊子手或行刑官有點類似。大家都對他們的行業與入行的動機好奇，但又不敢問個清楚。就科學家這個行業來說，不敢細問的原因是，提出問題的人往往聽不懂答案，總是顯得自己一副呆頭呆腦的樣子。每當我參加社交聚會的時候，有人一知道我是科學家，往往敬而遠之。這些人寧願去向我太太打聽，我到底在搞什麼東東，卻很少人願意直接和我打交道。

本書就是為這些人而寫的，這些想知道科學家到底在忙些什麼的人。我藉著一些「熟悉的事務」來敲開科學的大門，讓大家知道，做為一個科學家有什麼感覺。而且從內行人的角度來告訴大家，科學家在做什麼，他們為什麼這樣做，以及做了以後又會怎樣。我設計了一套與日常生活有關的科學介紹，拿到媒體發表，有不錯的成功經驗。譬如怎麼浸泡小餅乾；烤肉時抹醬汁的最佳方法；怎麼製作回力棒，該如何投擲；甚至如何利用物理原理來增進性生活等等。

很多人對這些小故事都很感興趣，這鼓舞我寫出這本書來。在書中，我詳細介紹了這些故事的科學背景，並且把科學的應用更進一步延伸到更普遍的日常活動中，例如浸泡甜甜圈、購物、運動、家務、沐浴與就寢。事實上，已包括了大部分的日常生活。

從日常小事的科學來瞭解世界

科學能夠大大改善日常生活，而研究日常活動也能使科學更充實。實例之一是熱對流原理的發現。出生於美國（當時仍是英國殖民地）的英國科學家冉福得伯爵（Count Rumford, 1753-1814）在吃熱蘋果派的時候，燙到嘴巴，因而發現了這個原理。第一個量測分子大小的人是富蘭克林（Benjamin Franklin,1706-1790，美國開國元勳、科學家），他觀察到船尾排出的洗碗髒水可以抑制波浪，而想到量測分子的主意。首次評估分子之間作用力範圍的實驗，是在考量多孔物質如何吸收液體時，所設計出來的。

本書的每一章都圍繞著一項大家很熟悉的活動，同時介紹以這項活動為中心的主要科學觀念。除此之外，還摻雜許多科學和科學家的小故事。故事的主角很多是與我同時代的科學家同行，有些則是很有名氣的前輩。和我同時代的朋友，大多看過我寫的東西，他們都很客氣，不表示什麼反對的意見。至於那些先輩們的故事，我非一吐為快不可，他們也沒法阻止我。

利用大家熟悉的事務，是向一般人介紹科學觀念最有效的方法之一。電的發明人——法拉第（Michael Faraday,1791-1867，英國物理學家兼化學家），是這種行動的先驅者。在大約一百五十年之前，他做過一系列很通俗化的科學演講，主題是「蠟燭的化學歷史」，吸引了大批的倫敦上流社會精英。後來很多科學家也跟進，連我也不例外。

當然，並不是所有的科學家都認同這種通俗化的做法。我的一些同行覺得，用泡餅乾、泡甜甜圈這種瑣事來陳述嚴肅的科學實驗結果，有使科學低俗化的危險。另外有些人覺得這種做法，可能範圍太過狹隘，我很快就會走到死胡同，發現沒什麼東西好說了。有位報紙的編輯謔稱我是一個古怪的專家，說我「連看到一盤炸魚排與馬鈴薯，也會先拿出小試管來收集食物，並匆忙在餐巾紙上開始計算。」我想他指的，大概是我那篇談到烤肉的科學觀察報導，內容是關於烤肉材料吸收醬汁的情況。

但那位編輯卻不經意的正中紅心，恰好描述了科學到底在做些什麼。科學家所做的事，就是設法瞭解這個世界。而瞭解世界的途徑，並沒有什麼大事、小事之分的。研究看起來沒什麼重要的小事，和思索一個重大的主題，兩者是同等的。很多藝術家、作家和哲學家早就發現，生命中看起來屬於世俗面向的某些東西，有它非常深層的意義，也非常重要。

分享自然之美

科學家以自己的科學方式來看待周遭的世界，不管時間、地點或社交禮儀。因此，有時候他們的行為會顯得怪怪的。十九世紀的物理學家焦耳（James Prescott Joule, 1818-1889）選了風景秀麗的瀑布區度蜜月，很多女士一定覺得他很羅曼蒂克。其實完全不是這麼回事，他在度蜜月的時候，隨身還帶著溫度計，整天跑去量瀑布上游和下游的水溫，想證實自己的熱力學原理，有夠扯吧！我以前的同事在上班途中碰上暴雨，全身都給淋溼。進了實驗室之後，他那顆科學頭腦做出了最明智的決定，就是把全身的衣服脫光，然後把自己吊掛在散熱器上面「晾乾」，這個舉動嚇壞了一位不知情的清潔人員。

在這本書裡，你們會碰到許多科學家（別擔心，他們絕大部分都是穿著衣服的），他們的時代橫跨古今，文化背景不同，連對科學與社會的期許也不一樣。但他們有共同的願景，那就是經由對這個世界的科學瞭解，可以讓人們更加體會自然之美；而且這種瞭解的過程，本身就充滿了特殊的美感，不論是和巨大尺度的現象有關的事務，或只涉及日常生活、大家所熟悉的事務。而我最希望能和你們分享的物理之美，就是來自我們熟悉的瑣事。

誌謝

這本書得以完成，要感謝很多科學界的朋友與同事。他們參與決定議題、閱讀原稿、改正錯誤、還提出很多寶貴的意見。幫忙的人包括M. Abrahams、L. Aitkin、B. Aveyard、P. Barham、G. Barnes、G. Beauchamp、T. Blake、N. Furlong、J. Gregory、S. Hanna、M. Hanson、R. Heath、R. Highfield、P. Jones、H. McGee、E. McLaughlin、M. Miles、E. Mitchell、D. Needham、J. Odell、J. Palmer、A. Parker、R. Pashley、B. Reid、H. Rothman、S. Slade、B. Slotnick、 . Thomas、B. Vincent以及L. West。還有一些人同樣貢獻良多，在這本書出版時，無疑的我會謹記在心。

此外，我要特別感謝我的經紀人李維（Barbara Levy）以及我的兩位編輯特雷克（Peter Tallack）與米那（Richard Milner）。他們一直鼓勵我，而且深信我有能力完成這件近乎不可能的任務。不過最感謝的，還是我太太溫蒂（Wendy），她以一個外行人的程度，不畏困難的一再閱讀每一章的初稿。她所提的建議，避免了很多原先寫不清楚的地方，大大增加了本書的可讀性。

雞毛蒜皮的附注同樣有趣

本書的各章節都經過精心設計，讀者可以用看故事的心情，很快的讀過去，也可以細細推敲其中的物理原理。

此外，書中還有許多迷人的小路，帶領讀者到有趣的軼事或可愛的小角落裡去。而這些內容不能擺進正規的章節裡，怕它們可能影響行文說故事的流暢性，我用附注來處理這些東西，集中放在每一章之後。讀者可以從附注裡，找到吃墨西哥番椒的最佳方法；知道澳洲「墨基拉巴溪鴯鶓賽跑暨回力棒投擲協會」的規則（鴯鶓也就是一般所說的澳洲鴕鳥）；也會看到為什麼美國有一州曾經想控告另一州，理由是竊取雨水。

這些雞毛蒜皮的小事，其實和本書主要章節的內容同等重要。當我找到這些小玩意而把它們寫出來的時候，心裡可樂的呢，但願讀者也能分享這種喜悅，喜歡這些小東西。

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