作者：克里斯‧ 伍福（Chris Woodford）
出版社：臉譜出版社
出版日期：2015年12月31日

文／白榮銓

儘管很多人認為科學很有趣，但可能也有很多人認為科學太難懂；儘管有些網站或新聞媒體，用聳人聽聞的手法報導科學，但可能仍有很多人依賴這些管道獲得科學資訊；愛因斯坦（Albert Einstein, 1879-1955）說過“The whole of science is nothing more than a refinement of everyday thinking.＂（科學的全部，不外乎將日常的思考精緻化），故我們應如何觀察，才得以發現隱藏於日常生活裡的科學現象？又要如何思考，才得以推論這些現象背後的科學原理？
本書作者克里斯‧ 伍福（Chris Woodford），畢業於英國劍橋大學（Cambridge University），是一位科普專業作家，並主持「Explain that stuff」網站（網址：http://www.explainthatstuff.com/）；本書以簡潔易讀的文字，透過漫遊居家環境，指出日常生活裡不可思議的物理現象，並提出令人驚奇的科學解釋。

太陽組成妙揭密
太陽光不但提供地球上所有生物生長所需的能量，更支配了地球的氣候變化。太陽的核心（core）約佔太陽半徑的20%，總質量的34%，溫度估計約攝氏15,000,000度，是太陽能量的主要來源。人類根本無法接近太陽，因此讓人好奇的是：科學家如何發揮巧思，得知太陽核心的組成與反應？
1663 年， 牛頓（Isaac Newton） 將太陽光通過稜鏡，在牆壁上投射出紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等多種顏色的彩虹色帶，牛頓將它命名為光譜（spectrum）；1814 年，德國物理學家夫朗和斐（Joseph Fraunhofer, 1787-1826）利用自製的分光鏡（spectroscope）研究太陽光譜，他發現太陽的彩色光譜中，有10 多條非常清晰的暗線（dark lines），他把這些暗線依照順序，以A、B、C、D、E 等字母命名，這些主要暗線之間，還存在著574 條較微弱的暗線，後人為了紀念他，命名為夫朗和斐線（Fraunhofer lines）。
夫朗和斐進一步比較「太陽光」與「鈉火燄」的光譜，赫然發現：太陽光譜中標示為D 的「兩條暗線」，與鈉火焰光譜中「兩條很接近的明亮黃線」，恰巧落在同一位置（圖1），這些暗線是典型的吸收線（absorption line），但夫朗和斐無法解釋此現象。
圖1　 上為太陽光光譜，下為燃燒鈉產生光的光譜；箭頭所指的兩條黑線，和兩條黃線在同一位置。（圖片來源：科技部高瞻自然科學教學資源平台）

1859 年，德國海德堡大學（Heidelberg University）的化學家本生（Robert Bunsen, 1811-1899）和物理學家克希何夫（Gustav Kirchhoff, 1824-1887），利用自製的本生燈（火焰亮度低，較不會影響光線的觀察）、改良的分光鏡以及石灰燈（lime light）進行實驗；石灰燈是1816 年英國科學家德魯蒙德（Thomas Drummond, 1797-1840） 所發明，能產生類似太陽光的均勻光譜，不同的是沒有任何暗線，故石灰燈產出的光譜，稱為連續光譜（continuous spectrum）。
實驗進行時，先以本生燈加熱鈉，再讓石灰燈發出的光，通過鈉焰的上方，然後以分光鏡觀測，結果就像夫朗和斐的實驗，在連續光譜的D線處，出現兩條暗線；兩人認定這是鈉蒸氣將連續光譜中屬於D線波長的輻射給吸收掉了，因此進一步推論：太陽的表面應存在鈉蒸氣，才會在同樣位置出現暗線。像這樣，在連續光譜中某些波長的光，被物質吸收後產生的光譜，稱為吸收光譜（absorption spectrum）。
除此之外， 克希何夫和本生研究發現，燃燒每一種化學元素，都會發射出自己獨特的光譜；而且在連續光譜中，由於元素會「吸收」它所能「發射」的譜線，故產生暗線；於是兩人將夫朗和斐線和一些元素的譜線進行對照，證明太陽含有氫、鈉、鐵、鈣、鎳等元素。1868 年，法國天文學家詹森（Pierre Janssen , 1824-1907）在分析太陽的光譜時，發現了「氦」元素， 取名為helium， 源自於希臘文「helios」，原意是「太陽」，氦可說是第一個在地球以外發現的元素。目前科學家在太陽的光譜中，已發現60 幾種元素，其中氫含量最豐富，約佔太陽質量的74%；其次是氦，約佔25%。
1920 年， 英國物理暨天文學家愛丁頓（Arthur Eddington, 1882-1944），首度提出「恆星的能量，來自核融合（nuclear fusion）」的理論；1939 年，美國物理學家貝特（Hans Bethe, 1906-2005）對於恆星內產生能源的機制，提出兩種可能方式：太陽或質量比太陽輕的恆星，產生能源的主要機制，是利用質子－質子鏈反應（protonproton chain reaction），將4 個氫核融合成1個氦核，並釋出能量及微中子（neutrino）；至於質量比太陽大的恆星，產生能源的主要過程是碳氮氧循環（CNO cycle）；1967年，貝特因為在「恆星能長時間向外釋放巨大能量」理論上的貢獻，榮獲諾貝爾物理獎。
由上述可知，夫朗和斐的太陽光譜是不連續光譜（discontinuous spectrum），光譜的暗線是由於太陽光的能量，被「未知元素」的原子吸收掉了；而克希何夫經由實驗得到的吸收光譜，光譜的暗線是由於石灰燈光的能量，被「已知元素」的原子吸收掉了；故只要比較兩者的暗線位置，就可知道太陽的組成元素；其次，由於太陽核心的溫度極高，導致原子失去電子，高速運動的原子核，經過無數次的相互碰撞，產生融合反應而釋放出極大的能量。

無線電波傳訊息
1865 年， 英國物理學家麥克斯威爾（James Maxwell, 1831-1879），預言電磁波的存在，他認為加速運動的電荷，會在垂直方向上，產生隨時間變化的磁場；隨時間變化的磁場，又會在周圍空間，產生隨時間變化的感應電場；這個變化的電場又會在周圍空間，產生變化的磁場；兩者交替產生，循環不已，形成向外傳播的波動（圖2），稱為電磁波。

圖2　 電場與磁場的振幅變化方向，均垂直於電磁波的前進方向。（白榮銓繪製）

1886 年，赫茲（Henrich Hertz, 1857-1894）為了證實「電磁波的存在」，他將萊登瓶（Leyden jar） 連接倫可夫感應線圈（Ruhmkorff coil）， 加以變壓，做為高電壓脈衝（high voltage pulses） 電源； 然後將兩根短銅棒的遠端各接一片正方形鋅板（圖3），近端各接一個黃銅小球，兩個黃銅小球中間留有火花隙（spark gap），組成發射器（transmitter）；另外用一條銅線彎成圓弧形，兩端各接一個黃銅小球，組成接收器（receiver）。在昏暗的實驗室裡，赫茲將接收器放在發射器前方數公尺處，當發射器接上高電壓脈衝後，兩個小銅球之間會產生高頻振盪火花；然後調整發射器和接受器之間的方向和距離，以及接收器兩個黃銅小球的間隙，就可以在接收器的兩個黃銅小球之間，看到一束很小的淡藍色火花。

圖3　赫茲的電磁波實驗裝置示意圖。（白榮銓繪製）

上述實驗中，正方形鋅板的用途是作為電容，當高電壓脈衝電源接上兩根銅棒時，兩端的電容器被充電，發射器兩個黃銅小球間的電場強度逐漸增強；當兩個黃銅小球間的空氣被離子化，電荷會在兩個黃銅小球之間來回振動，產生交流變化電場，再感應生成附近的交流變化磁場，交互循環前進，亦即發射器發射出電磁波；另一方面，接收器圓弧線圈內部的磁通量，隨著時間快速變化，形成了感應電動勢，這個感應電動勢會在接收器的兩個黃銅小球間形成電場，當電場強度大到某一程度時，接收器的兩個黃銅小球間，會產生火花放電的現象，亦即接收器收到電磁波了。
其實，光波也是電磁波（圖4），電磁波具有光波的各項性質（例如反射、折射和繞射等），後來的無線電通訊技術，即受惠於赫茲的電磁波實驗，例如電磁波之一的無線電波（radio wave），傳遞訊號的速度相當於光速，將無線電波發射端的低頻訊號（聲音），透過調變（modulation）技術，處理成高頻訊號（電磁波）；接收端將接收到的高頻訊號（電磁波），透過解調（demodulation）技術，還原成低頻訊號（聲音），達到訊息傳播的目的；為了表彰赫茲在科學上的貢獻，以「赫」（Hz）做為頻率的基本單位，並尊稱他為「電磁波之父」。

圖4　電磁波頻譜

無線電波的行進方式（圖5）包含：1. 無線電波在自由空間以光速直線發射之後，隨著「彎曲」的地球表面前進，稱為地波（ground wave），因為地球表面本身是一個很大的導電體，所以無線電波能在地表產生感應電流，造成靠近地表附近的波速較慢，導致波前（wave front）向下傾斜，故無線電波能沿著地球的曲面前進；2. 由於太陽和各種宇宙射線的輻射，使得地球大氣層中的空氣分子和原子吸收能量，產生離子與自由電子，當電子濃度高到足以影響無線電波傳播之區域，稱為電離層（ionosphere），無線電波遇到電離層，會發生一次到多次的折射或反射，偏折至遠方地面，稱為天波（sky wave）；3. 發射天線與接收天線之間，有的直接經由空氣直線傳播（又稱直接波），有的經由地面堅硬物體反射後被接收，合稱為空間波（space wave）。

圖5　無線電波的行進方式。（白榮銓繪製）

就廣播的特性而言，調幅（amplitude modulation, AM）廣播使用地波和天波傳送，容易受到空氣中的靜電干擾而出現雜音； 短波（short wave, SW） 廣播使用天波傳送，可以傳播範圍較大；至於調頻（frequency modulation, FM）廣播是經由空間波的直線路徑傳送，傳播範圍較調幅廣播小，容易受到天然地形及人工建築物的阻擋，導致信號接收困難。
由上述可知，原始的訊息傳遞大多是口耳相傳，而現代的廣播電台與無線電話等通訊裝置，則是仰賴電磁波來傳遞訊號，不同頻率的無線電波，在經過不同介質及其分界面的過程中，會發生反射、折射、散射、繞射和吸收等現象，導致訊號衰減且方向可能發生變化，而這些特性都有可能影響無線電波的行進方式。

智慧玻璃不思議
1913 年， 丹麥物理學家波耳（Niels Bohr, 1885-1962）研究原子結構與原子發出的輻射，他認為電子在環繞著原子核的不連續軌道上運行，電子從原來運行的軌道躍遷（transition；即過渡）至另一個軌道時，會釋出一個光子（photon）或吸收一個光子；而釋放或吸收光子的能量，等於電子在躍遷軌道間的能量差。電子不能隨意躍遷，電子抓取光子所獲得的能量，必須符合不同軌道間的能量差，才會從較低的能階躍遷至較高的能階。
依據上述的量子理論，因為可見光的光子能量太低，無法被玻璃內的電子吸收，故光子穿透玻璃繼續前進，玻璃呈現透明狀；紫外線的能量較可見光高，會被玻璃內的電子吸收，故大部分的紫外線無法穿透玻璃。至於太陽眼鏡使用的變色玻璃鏡片， 是以「光致變色」（photochromism）材料（含有鹵化銀）製成，受到太陽的紫外線照射，產生化學反應，銀離子轉變成不透明的銀原子，吸收可見光，故鏡片由亮變暗。太陽眼鏡移入室內，避開紫外線，化學反應逆向進行，銀原子轉變回原來的銀離子，故鏡片由暗變亮；現代的光致變色鏡片，已改用萘并吡喃（naphthopyran）的複雜塑膠做為鏡片材料，受到紫外線照射時，會改變成不同的分子結構，故可有效地轉換成暗色鏡片。
光致變色材料在室內或車內，沒有受到紫外線照射時，無法有效變暗；而「電致變色玻璃」（electrochromic glass），只要施加電壓，讓電流經過電致變色玻璃，在很短時間內，就可以讓玻璃板變暗；關掉電壓，玻璃板再度恢復透明，它的結構與原理是什麼？
電致變色玻璃的構造是在兩層玻璃之間（圖6）， 夾有5 個薄膜層， 分別是透明導電層（transparent conductor）、離子儲存層（ion storage）、電解質層（electrolyte layer）、電致變色層（electrochromic layer）及另一個透明導電層。

圖6　 電致變色玻璃施加電壓，會發生色變作用。（白榮銓繪製）

當電致變色玻璃兩端沒有施加電壓時，初始狀態的電致變色層是透明無色（或淺色）；當兩端加上低電壓後，離子儲存層裡的離子，在電場的作用下經過電解質層，移動到電致變色層，注入電致變色材料的晶化結構中，發生色變作用，阻絕光線通過，使玻璃變暗；若關掉電壓，離子返回離子儲存層，則玻璃再次變透明。
由上述可知，窗戶貼隔熱紙或使用窗簾，雖可遮擋陽光，卻可能使得室內照明不足，若使用電致變色玻璃，則可隨著不同方位窗戶對光線的需求，及當時的氣溫變化，藉電源的控制來調整可見光的穿透度，達到節能減碳的需求；除此之外，電致變色玻璃還應用於室內裝潢隔間、汽車天窗、防眩光後視鏡、顯示器以及電子紙（electronic paper）等。
綜合上述， 克希何夫和本生透過光譜，推論思考，揭開太陽組成的祕密；麥克斯威爾推論電磁波的存在，啟發後來的無線電通訊技術發明；智慧玻璃遇光和施加電壓時會變色，這些不可思議的物理現象背後，都可以原子的微觀性質解釋；至於為什麼建築物不會下陷進地裡？能量從那裡來？又往何處去？為什麼衣服洗一洗，就變乾淨？這些都有待您進一步的閱讀與思考！

白榮銓
臺中市立居仁國中退休教師