在自然中看见科学:这些实验结果,怎幺都跟想像不一样?


讲者:孙维新(国立自然科学博物馆馆长)
文字记录:林佳芳(国立中兴大学物理系 学生)
编修:赵轩翎(泛科学)

学科学不一定是宅宅,学物理足以撼动世界,小至生活琐事,大至宇宙定理,都是物理人关注的範畴。「物理人的挑战」,是找出如何透过教育与职涯发展让物理重回最性感的学科,让「物理人」重回最令人骄傲的身份!本文为「物理人挑战—Beyond Physics Identities」文字纪录。

「在自然中看见科学,用科学来理解自然。」国立自然科学博物馆馆长孙维新用这一句话作为演讲开头,他还开玩笑说,除了是因为这句话包含了「自然科学博物馆」的「自然科学」四个字之外,更是因为人们对物理的认识都是从自然而来。然而在理解自然现象背后的道理时,人们却常常出错。孙维新认为这原因有两种,其一为物理知识不正确,第二就是大脑认知有问题;而更多时候是以上两者的结合。

在自然中看见科学:这些实验结果,怎幺都跟想像不一样? 图片来源:物理双月刊提供
国立自然科学博物馆孙维新馆长

关于大脑认知有问题,可以从许多知名的错视图中发现,例如科夫卡环(Koffka Ring)、色彩明度错觉(Color Value Illusion)、咖啡厅错觉(Café Wall Illusion)、小精灵错觉(Pac-man Illusion)等,我们在面对这些错视图时,大脑对于颜色、线条等图形的解读发生了错误,让我们被骗。

在自然中看见科学:这些实验结果,怎幺都跟想像不一样? 图片来源:物理双月刊提供
左边为「科夫卡环」,环的左右侧颜色看似相同,其实是不同的。右边是「咖啡厅错觉」,图中的横线看似歪七扭八,其实是直的。(图片来源:The Koffka Ring、Cafe Wall Illusion)

而除了图案之外,研究也发现汉字的顺序并不一定影响阅读,即使打乱了文字,我们依旧可以知道句子的意义。也就是说,大脑会做一些奇怪的事情,让我们的认知出现问题。但这些错觉并不是毫无用处,像VR虚拟实境的科技,就是基于人脑的这种错误认知发展出来的。

在物理知识不正确中,孙维新则示範了许多颠覆想像的物理实验,藉此解释有时我们认为是对的物理知识,可能其实并不正确。首先是燃烧薯片的实验,一片洋芋片里究竟有多少油脂呢?现场观众看着洋芋片烧起来,才惊觉自己无意间吃下这幺多油,更有人开玩笑地说,在野外需要生火的话靠洋芋片就够了。

在自然中看见科学:这些实验结果,怎幺都跟想像不一样? 图片来源:物理双月刊提供

接着是两颗气球的小实验,两颗气球的其中一颗是灌较多气的大汽球,另一颗则是仅稍微充了一点点气的小气球,孙维新要观众试着猜猜看,当他将两颗气球相连后会发生什幺事?

    两颗气球会变得一样大大的变大、小的变小大的变小、小的变大两颗气球不会有任何反应

多数人认为两颗气球会变得一样大,但实际上做实验却发现,其实是大气球变大,小气球变小,空气反而由小气球进入了大气球。孙维新解释,这是因为小气球内的气体单位面积受到的压力比大气球大。换句话说,如果大气球跟小气球内的气体分子都是一样的数量,气体分子会在球内自由的运动彼此碰撞,当然也会碰撞气球的内表面啰!这时候小气球的内表面积比较小,所以在同一时间内,小气球的内表面会受到更多的气体分子的撞击。同时,又必须要与气球外的气压相互抗衡以维持气球的大小与形状,因此,小气球内的压力就会比大气球大啰!于是两颗气球相连之后,空气通通往大气球跑去了。

在自然中看见科学:这些实验结果,怎幺都跟想像不一样? 图片来源:物理双月刊提供

接下来的实验孙维新形容,是个「有些暴力」的标枪实验,他还担心地说,不知道现场观众会不会带着「孙馆长很暴力」的印象回家。这个特製的标枪教具本身有两种发射模式:直线发射及旋转发射。每次都能发射一个小圆环,但两种发射模式会影响到圆环的飞行速度和距离。哪种发射模式会让圆环速度较快?哪种又会让距离较远呢?

实验结果发现直线发射的速度较快,但圆环飞行时很不稳定,所以飞不远;旋转发射因为部分能量分给力矩,所以圆环飞行速度较慢,但稳定得多,因此飞得很远。孙维新也说,这样的小实验所观察到的现象,被应用在许多科技中,最简单的例子就是在人造卫星的发射过程,也需要转动的角速度,来帮助它顺利飞行到目标轨道。

最后孙维新所示範的是雷射光的实验。他在桌上準备了五颜六色的气球,另外準备了雷射笔,他问观众如果他用绿色雷射光照气球,哪些气球会破、哪些不会破呢?答案是除了绿色和白色的气球之外,其他全都破了。因为人眼所看到的颜色其实是物体反射的光,对绿色气球而言,他反射绿光,吸收其他颜色的光;对白色气球而言,他反射所有颜色的光。因此这两种颜色的气球不会吸收到绿光的能量,因此不会破。但对其他颜色的气球来说,他们都会吸收绿光,因此会吸收绿色雷射光所携带的所有能量,就承受不住爆炸了。

在自然中看见科学:这些实验结果,怎幺都跟想像不一样? 图片来源:物理双月刊提供

最后,孙维新也提醒在场的观众,每个人对物理的了解都是有限的,因此记得观察大自然的现象,才能全面了解物理。而观察大自然现象的方式,第一是多多走入大自然,第二就是走进自然科学博物馆啰!

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