飛機上的驚奇科學課：從機場、機艙到機窗外，航空旅途中的103個科學疑問全解答

以科學眼光來看，坐飛機到底安不安全？
坐在客艙中的你，也能隨手做出有趣的科學實驗！

利用相對論，坐上「永保青春班機」？
不跨越經線，南北向飛行也會產生時差？
如果試著在高空中打開艙門，你將會發生什麼事…？
帶著科學之眼，世界不再一成不變，飛行變得更加有趣！
享受飛行，讓你更接近牛頓和愛因斯坦的偉大。

從機場、機艙到機窗外，航空旅途中的103個科學疑問全解答

◎透過飛行，站在科學巨人的肩膀上
從機場空間、起飛、飛行過程到降落回地面，
獨特犀利的科學視點，全面解析旅程中所有自然和非自然現象。
‧機翼如何提供升力？以路燈推估腳下的城鎮人口？
‧海島的海岸線是無限長？火山灰是飛機的大災難！
‧阿波羅登月計劃的太空導航電腦，只有4KB的記憶體？！
‧噴射機的噴射氣流，快得可以超過音速？

◎原來如此！科學原理的精采展演
安檢儀如何操作？海關人員怎麼知道你就是護照本人？
機場跑道怎麼編號、飛機何以能飛得起來？
風暴因何而起、天空為什麼是藍色？長長尾巴的飛機雲有幾條？
飛機導航系統運作不怕失靈，原來我們是依「慣性」而飛？
如果在高空打破機窗，乘客們會被驚悚地吸捲出機艙外嗎……？
飛行原理、大氣科學、天文地理，滿載各種令人驚喜的知識洞見，
帶著腦袋與眼睛，跟著英國科學家Brian Clegg坐飛機，
來一場聰明幽默的科學發現旅行！

你就是本書的讀者
‧喜愛旅遊、飛行成癮的你：不必懷疑，帶著它上飛機，讓你的飛行更刺激！
‧討厭飛機、恐懼飛行的你：認識飛行原理，拋開懼怕，開始享受旅行的意義。
‧航空科技癡或地球科學迷：為你獻上最棒的科學環球之旅！

本書特色

讓你拿起本書的理由
(1) 以飛機乘客的觀點出發，從機場空間、起飛、飛行過程到降落回地面，輕鬆卻犀利、實用的科學視點，全面解析旅程中所有自然和非自然現象。
(2) 穿插趣味小實驗，立即驗證飛行中的科學原理！
例如：以硬幣及相似三角型原理，推估飛機高度和臨機距離，在浴缸漩渦之中看見科氏力、利用科赫曲線計算無限的海岸線長度。

作者：布萊恩‧克雷格 Brian Clegg

1955年出生，獲得劍橋大學物理學學士學位及自然科學碩士學位。英國知名科普作家，《自然》、《科學美國人》及《衛報》等多家媒體的專欄及評論作者，英國皇家藝術學會（Royal Society of Arts）會員。
已出版有《大爆炸前傳：宇宙史前史》（Before the Big Bang: The Prehistory of Our Universe）、《無限簡史》（A Brief History of Infinity）等多部科普著作。

譯者：張玲嘉

畢業自台大工商管理學系，藉由閱讀窺探人生，藉由翻譯與作者對話。沉迷於各種冷知識，discovery、國家地理頻道、旅遊生活頻道的重度使用者。目前正誠心誠意向宇宙下訂單，希望一個小時來一班的公車可以準時出現、希望在台中可以跟朋友各自微醺地坐捷運回家。

國立自然科學博物館館長．台灣大學物理系教授 孫維新──
「生活中科學無處不在，本書從搭乘飛機這個熟悉的活動切入，從地上到天上，敘述每個階段所應用的科學，輕鬆有趣，值得推薦！」

國立中央大學太空及遙測研究中心特聘教授 劉說安──
「航空器，人類科技文明史上最快、最安全、也是最神奇的交通工具，本書透過航空旅程揭露相關科學原理與奧祕。」

Part 1 到機場了！At the Airport
好無聊啊，等飛機／機場一分為二／X光檢查行李／行李有沒有違禁品，聞聞看就知！／探測器的奧祕／來來來，全身掃描！／你真的是護照上這個人嗎？／迷信的科學原理／
§【科學實踐】丟銅板看見群聚效應

Part 2 天空！我來了！Taking to the Sky
飛機的基本概念／替飛機加油／溫室效應也想當好人／飛行與環保／飛機要啟動了／大雷達正在監視著你／今晚，有些什麼瀰漫在空中……／儀表板上的衛星導航／全世界通用的語言／最新型的跑道／牛頓定律讓你飛／與噴射引擎共飛／機鼻翹起來，飛機向天爬升／感受低氣壓／機翼的功勞／操縱面上場！／
§【科學實踐】在谷歌地圖上降落‧漩渦之中看見科氏力‧給自己一些上升力‧飛機受作用的五個力

Part 3 探索地面景致 Exploring the Landscape
神祕的麥田圈／納斯卡平原／用白堊畫畫／過去的蹤跡／追隨水的足跡／迷人的碎形／曲流的形成／你居住的城鎮如何發展起來？／無垠的海岸線／地心引力是永遠的贏家／廣納百川的大海／水水水，到處都是水！／時間與潮汐不等人／乘在浪尖之上／今天海是什麼顏色？／
§【科學實踐】相似形距離估計法：你飛了多高？‧蠟融小實驗：自主成形系統‧如何計算海岸線的長度？‧科赫曲線小實驗：無限的海岸線‧力場的奧妙‧杯子實驗：小小浪花

Part 4 雲之上 Above the Clouds
前往雲霄／賞雲大探險／前進九霄雲外／彩虹的那端沒有黃金屋／橫越冰凍的海洋／朝著陽光而去／航向太陽的心臟／為什麼天空是藍色的？／為什麼太陽一直這麼亮？／跟著量子一起穿越／越過航道／飛機長出尾巴了！／飛機外頭有生命嗎？／在機艙裡閒逛／顛簸的飛行／雷公來了！／靜電荷／製造閃電／流動的電／外面好危險，快躲到金屬盒子裡！／飛機被灰塵困在地面／火山爆發／身陷輻射地帶／會騙人的高輻射／來自宇宙的你：宇宙大碰撞／
§【科學實踐】絕對不能做的實驗：敲碎機窗‧那台飛機離我們多遠？‧絕對不能做的實驗：打開通往災難的大門‧輕鬆理解靜電作用‧千萬不要嘗試的實驗：耐心大考驗

Part 5 機艙人生 Cabin Life
你的血壓／趕上時差／跨越時區／時差是什麼？時差又不是什麼？／駕馭時差／尋求藥物的協助／南北向的飛行也有時差嗎？／移動的經驗／相對性，相對有趣／伽利略的偉大想法／乘著高速氣流／愛因斯坦的獨特觀點／永保青春的班機／飛機上沖不出一杯好茶？／「聽」食物／
§【科學實踐】神奇實驗：玩弄視差‧飛機上的實驗：破冰者‧伽利略的朋友：「趕得上」實驗

Part 6 飛行時的科技 Technology in Flight
在地圖上追蹤你的航線／投影全世界／太過尖端的科技／打造扁螢幕／巴托林的驚奇晶石／來點光，液晶就轉給你看／隨身攜帶高科技／駕駛艙的景色／聽從慣性的引導／追蹤飛機在空中的位置／啟發愛因斯坦的加速度／微弱的重力／陀螺的旋轉／
§【科學實踐】太陽眼鏡實驗：旋轉出偏振‧耳機實驗：軌道模擬器

Part 7 遠方的風景與回到地球 Distant Views and Back to Earth
觀賞遠方的山峰／跟丘陵一樣古老／高處不勝寒／冰封的山／用虹吸越過轉彎／答案是真空！／認識夜晚的天空／觀賞太陽系最亮的行星——金星／了不起的月球／會變臉的月娘／歡迎光臨銀河系／街燈狂想曲／人類神奇的眼睛／構建出一張世界圖像／放大你的瞳孔／第一次觸地／最後／
§【科學實踐】水杯＋吸管＝虹吸管驚喜‧別被大腦騙了：月亮有多大？‧模擬實驗：認識月相變‧小計算：街燈展示出人口的多寡
圖片列表／圖片版權／索引

好無聊啊，等飛機

坐在航站裡等飛機的你，意識到此刻自己內心的小宇宙中，各種矛盾的感受交織在一起，有興奮、有無聊，也有些許害怕。最後，通常都是無聊的感覺勝出。

飛行或許是到達遠方最快的方法，但它也通常包含許多等待的時間。即使你是搭機經驗豐富的空中飛人，還是能在飛行過程中找到一些不平凡的小事，例如停機坪上燃料的味道，或是飛機引擎啟動的聲音，通常都能讓人瞬間興奮起來。但是，不論你多麼喜歡飛行，老實說還是會感到一些害怕吧。因為被困在一個離地七英里、由金屬與塑膠做的圓管中，僅僅仰賴科學與技術保障你的生命安全，總是一件很不自然的事。

如果你跟我一樣不喜歡飛行，那麼下面這些可靠的統計數字，或許能提供一些幫助。平均一年裡，每一億兩千五百萬人次的旅行中，只有一人死於飛安事故，不管是任何特定的交通路線，飛行都要比搭火車安全三倍，而你何時擔心過坐火車會危險？

相同的風險對開車來說，則是千萬分之一，開車比飛行危險十二倍。同樣的六小時，待在工作場所比待在機艙內更可能遇到致命事故。不過，我們從這些統計數字中，也只能得到這麼多的保障與安心了——總之，飛行真是不可思議的安全！

雖然本書重點是你在機艙內的所見所聞，但是無聊的感覺很可能在你還沒上飛機之前，例如在機場航站枯等時，就第一時間跑出來搶戲，一般人只能在免稅商店裡一直逛、一直逛、一直逛，或是不知不覺喝上一大堆咖啡。所以，在起飛之前的空檔時間，我們還是先簡單介紹你會在地面上遇到的一些尖端科技吧。

機場一分為二

機場嚴格地分隔出兩個區域：陸側（groundside）與空側（airside）。當你要跨越區域出入關卡時（尤其是國際航線），將會有科技設備將你阻擋下來，確認本人身分，並且檢查是否攜帶危險物品。

在被允許的情況之下，航空公司也會在過關時測量你的體重（早期就是這樣做的），因為乘載重量對於飛行來說是非常敏感的影響因素，航空公司必須仰賴平均值來估計乘客在飛機上總共占多少重量。

過去曾經發生過至少一起以上的飛安事故，是肇因於這樣的平均值估計。一架飛機在德國的機場跑道上準備起飛，用盡全力卻只能一路拖行而起，原來是因為當地舉辦了一場硬幣博覽會，該航班上許多乘客都是硬幣交易商，為了怕新買到手的硬幣在託運過程中失竊，他們選擇隨身攜帶這些硬幣。這種未預期到的因素讓乘客的平均重量超出預估，加重整台飛機的承載，多出來的這些重量，讓機師無法正確判斷拉起飛機的時機，導致起飛過程中的驚險場面。

探測器的奧祕

當行李在過輸送帶檢查的同時，你本人也要經過一個看起來有點恐怖、讓人不自覺緊張、有罪惡感的拱門，這就是傳說中的金屬探測器，它跟在野地尋找寶藏時使用的手持探測器是一樣原理，只不過在機場，它們尋找的是藏在你身上的金屬。

雖然有各式各樣的應用，但它們都是根據同樣的原理—電磁感應。如果你的電動牙刷充電底座全部都是塑膠、表面看不到任何金屬接頭，那麼你家裡就已經有一個很明顯的電磁感應設備了。電磁感應原理是由一位維多利亞時期的偉大科學家麥可．法拉第（MichaelFaraday）所發現，他發現移動通電中的線圈或是改變其電流量，就會產生磁場。同樣地，移動或是改變磁場也會產生電，這就是電動馬達與發電機運作的原理。

在電動牙刷的例子中，充電器的線圈輸出變動的電磁場，便可驅使電動牙刷線路的電流流動。「電磁」（Electromagnetic）是指帶電的，與／或帶磁的，電與磁都是同一個現象中的一體兩面。而「場」（field）則是指力場（field of force）。這是法拉第設想出來的概念。

他看著鐵屑在與磁鐵相隔的紙上排隊成列，形成一條條的曲線，這些曲線的分布好似描繪出那看不見的磁力，法拉第則想像這些曲線充斥在磁鐵的四周。當我們移動線圈穿磁場，讓線圈橫切越過一條一條的曲線（就像小孩的手插入鐵欄杆縫隙中，往前移動刷過每根欄杆一樣），這樣就能將磁力轉換為電力。在線圈附近移動磁鐵和在磁場內移動線圈是一樣的意思，兩者都會造成線圈與磁場產生相對移動。導致帶電的電子在線圈中流動。這與所有發電機的發電原理一樣。

在電動牙刷的例子中，雖然沒有東西在充電底座中移動，但是電流一直在改變（因為交流電的緣故），讓磁力線一下從充電底座向外射出，隨後又再度收斂回來。當導線被放置在這樣變動的磁力線上時，便會橫切穿越過磁力線，就像發電機裡的移動導線一樣。

充電底座裡的導線跟電動牙刷裡的導線不需直接接觸，而是透過電場改變所產生的磁力，將能量從線感應磁場圈傳導到電動牙刷裡，形成電力。變壓器就是應用類似的原理來降低電壓（你家一定有好多顆充電器，以及手機等電子產品的電源供應器），這些變壓器是由一對疏密不同的線圈組成，當其中一個線圈的電流發生變化，即可透過磁感應誘發另一個線圈產生電流。

在金屬探測門裡，有好幾個導電線圈，其電流讓附近的金屬物產生磁場，此磁場則又反過來使探測器裡的線圈產生感應電流。這邊提到的金屬物，可能是你口袋裡的硬幣、皮帶扣，或是藏在外套裡的武器。近年來，由於鞋子也會被用來挾藏危險物品，旅客也經常被要求脫下鞋子過X光機，這是因為金屬探測器無法檢查靠近地板高度的東西。不過現在已有新型的金屬探測器可以直接掃描鞋子，讓安檢過程比較不再那麼煩人。

來來來，全身掃描！

最近我們可能越來越常在機場被要求做全身掃描。這種全身掃描器就像裸體檢查，任何偷藏在身上各處的東西都無所遁形，而且全身掃描只需數秒即可，過程短暫，人們比較不會覺得被冒犯。雖然有人認為掃瞄出裸體的影像會侵犯隱私，但事實上，這樣的憂慮有點太誇大了。

掃描出來的影像無法清楚辨識人體細部特徵，看起來還比較像是電腦人體模型圖，毫無真實感。這樣的全身掃描器可分為兩大類，兩種都是使用不可見光。一種是高能量（短波長）的無線電波，另一種則是X光。
然而，不論是哪一類，都有人對於掃瞄器是否會影響健康帶有疑慮。無線電波版的掃描器所使用的頻率類似微波爐，雖然沒有證據顯示這樣的電波會帶來健康隱憂，但由於掃描過程中會使人體內產生少量的熱能，此點目前科學界仍有疑慮，擔心會為人體帶來不良的影響。

至於X光的全身掃描，當然大家都知道X光很危險，但是X光全身掃描器的運作原理跟傳統醫療用X光不一樣，全身掃描器應用所謂的背向散射式X光（backscatter X-ray），它不會穿透你的身體，而是在穿透衣服之後，遇到身體時便會向四周彈開的一種X光探測器。這種X光的劑量非常低，大約是空氣中每小時有害輻射暴露量的五十倍（我們稍後再談談自然輻射）。整體而言，它對健康的危害相當低，卻能大幅降低私密搜身所造成的不愉快。

你真的是護照上這個人嗎？

現在，我們已經確認你身上沒有攜帶危險物品，但是還不能確定你的身分。搭乘國際航班時，通過安檢後接下來還會有邊境管制。

這一個關卡越來越常使用生物計量學（biometrics）來識別身分。現在已經有很多護照會鑲上微小的晶片，而晶片當中儲存著你個人的生物特徵識別資料，這些資料僅記載你旅行時馬上就能比對辨認的特徵，以確認你的確是護照上的本人。

理論上，人體每一部位的外觀都可作為生物特徵識別（例如耳朵尺寸），但是實務上大部分辨識系統所選用的特徵，不外乎臉孔辨識、指紋辨識、虹膜辨識當中的一種，也可能同時採用一種以上。視網膜掃描在諜報電影中很熱門，但是這項技術需要從你的眼球中取得影像，過程具有侵入性，會令人覺得害怕，因此機場安檢不採用虹膜識別技術，畢竟喜歡讓雷射光刺進眼球的人大概不多。

相較於虹膜辨視，指紋辨識概念是最常見的，即使它總是會讓人聯想到犯罪。最早應用指紋技術的人是威廉．赫歇爾爵士（Sir William Herschel），他與他身為知名天文學家祖父同名。在一八五○年代，他在印度工作時用指紋來鑑別法律文件的真偽。到了一八九○年代，警察部門建立指紋庫，開始將指紋使用在刑事案件的偵查上，並依形狀加以分類，讓比對指紋工作更加容易。雖然剛開始時，光是將犯罪現場找到的指紋跟指紋庫進行比對的工作，就是一件相當耗時乏味的事。

在機場使用指紋做為生物特徵辨識比刑案偵辦簡單多了，不搜尋比對龐大的資料庫，只需要讀取護照記載的資料，並與在機場現場測得的數據比對即可。指紋辨識技術會找出手指皮膚紋路中脊線與凹谷高低的差異，偵測的方法有很多種，有簡易掃描，也有利用電容器來感測指紋形狀（跟蘋果iPhone 手機在觸控螢幕上使用的技術一樣），完整的指紋紋路不會被紀錄下來，而是辨認指紋圖形中的局部特徵，並以此與事先儲存的資料比對。指紋辨識有兩個困難點，一個是必須擷取到在長期之下，仍能保有明顯特異性的紋路，此外，紋路也會因按壓指紋時的力道大小與指尖放在感應器上位置而扭曲變形。另一個問題是按壓指紋會讓人有犯罪的聯想，提供指紋總是會令人感到自己是否做錯了什麼事。相反地，虹膜辨識就沒有上述提到的這些負面觀感。

虹膜是位於眼球瞳孔附近的小色塊，仔細觀察的話，會發現有許多細微的線條從中心向外射出，如同車輪的幅條一樣，組成一精細的紋路。以相機將這獨特的紋路拍攝下來，可與記錄在護照上的資訊進行有效比對，也不會受到類似眼鏡這種透明材質影響，而且人體不須要直接接觸偵測儀器。

在這三種經常使用的生物特徵辨識技術中，臉孔辨識是最理想的技術，因為它能夠遠距離執行，人們不須在關卡前停下來按指紋或拍攝虹膜。但是目前它的可靠度尚不足以依賴做為唯一的辨識方法。臉孔辨識可以應用於流動的人群，若以安檢的例子來說，當人們停下來跟機場官員對話時，便可低調地在幕後執行臉孔辨識的工作。臉孔辨識運作的方法有數種，包含擷取臉部主要器官的位置、3D掃描臉的形狀，或是以類似指紋辨識的原理來辨別表皮的肌理紋路。但不論是哪一種，都很容易受到外觀變化影響，例如蓄鬍，甚或是差異很大的表情也都會影響判別結果。

雖然臉孔辨識技術還有待進一步革新，但它畢竟是一個強大的工具，能提供傳統身分查驗以外的識別方法，當日後辨識系統來越進步時，這樣的技術很可能躍升變成主流。對於這樣的新科技，喜歡或不喜歡，你的臉都洩漏無遺。

迷信的科學原理

辦理完登機手續，得知登機門之後，我們終於暫時擁有一些小小的自由，是時候該前往前往登機門，準備當一隻待宰羔羊。登機門通常都是以號碼編排，通常都會跳過十三號，雖然很少人是真的患有「十三恐懼症」（triskaidekaphobia）——對於數字十三感到不理性的恐慌，但是由於十三在西方仍然常被視為不幸運的數字，因此航空公司和機場都樂於主動避開。

迷信的科學原理與我們對機率的認知密不可分。人類的大腦結構不擅長處理機率問題，這從我們對事件群聚效應（cluster）的反應便可得知。想像有一件事在全國各地隨機發生，從疾病的爆發到某個人跌到，你覺得這些隨機事件應該是如何分布？我們的直覺反應是預期事件會平均發生在各地，但事實上，這真是錯得離譜。

只要想像一下，若打翻一罐軸承滾珠（ball bearings）在平坦空曠的地板上，當圓珠停止滾動時，如果每一顆圓珠都剛好平均散落成相同大小的格狀、跟其他圓珠的距離都相同，你不會覺得奇怪嗎？你大概會覺得一定有某個神祕原因讓它們排列成這樣，地板下一定有磁鐵或是騙人的把戲。自然狀態下，一定會有些圓珠比較聚集靠近，而有些圓珠相距比較遠，這樣自然形成一堆一堆的圓珠就是群聚。

相同現象也會發生在所有隨機分布的事件裡。古時候若遇到同一地區的牛隻接連染病，當地農夫多半會認為背後一定有什麼原因所導致，通常大家會歸咎到是某個女巫搞的鬼。而在現代，非傳染性疾病的群聚效應，則常被認為是手機基地台或是核電廠的影響。如果疾病是隨機性地發生，那麼我們便應該預期它也會有群聚效應；但是人們很直覺地會歸咎於當地的因素，而且，若當地有什麼隱患存在時，最後都會成為人們怪罪的對象。雖然並非所有事件群聚都是隨機的，例如石綿工廠附近的塵肺病患者分布，但是我們還是不能主觀地直接認定明顯隱憂就是導致問題的原兇。

在斷下結論之前，必須由有效的統計方法來驗證二者之間是否具有因果關係。雖然人們為十三恐懼症提出許多的旁證，例如將其連結到出賣耶穌的猶大是最後晚餐中第十三位客人，或是占星術上黃道帶有十二星座，而十三落在這十二星座之外，但是這些證據很難證實十三會帶來不幸說法，比較有可能的解釋是數字十三只不過是壞事發生的自然群聚結果。可能是某個農場在母豬生了十三隻小豬之後沒落，然後就這麼剛剛好，那個月十三日有人死掉。一連串巧合讓每個人都樂於加入厭惡數字十三的行列。

雖然不是很理性，不過航空公司和機場都不希望引起乘客任何一絲不安，所以不太可能出現航班號碼或是登機門是十三號的情況。在倫敦希斯洛機場第四航廈，避用十三的手法更是高明。有時候，當人們發現登機門十三被跳過，就會認定十四號登機門也是不幸運的，因為它是實際上的「第十三號」登機門。

為了避免乘客有這樣的憂慮，希斯洛機場將十二號登機門和十四號登機門分別安排在第四航廈最遙遠的兩邊尾端，這樣一來你就不會看到十二號跟十四號登機門並排在一起，無法一眼就發現十三號登機被跳過，如此一來，也就不會有人對於使用十四號登機門感到不安了。