科學有趣之謎

早在好久好久以前，當人們在星空下圍著焚火，大聊一些荒誕不經的故事時，科學的本質似乎就已開始萌芽……正因為物理世界的各種定律，讓西歐在世界上建構出全球化文明，本書將順著地球文明史的進程，帶您一同享受科學觀光之旅

從牛頓力學到最先進理論，
撐起現代文明的科學世界淺顯易懂又有趣！

◎沉重的飛機為何能在空中飛？――柏努利定律
◎味噌湯愈濃，喝起來愈容易燙傷――拉午耳定律
◎為何物體會直直掉落？――伽利略相對性原理
◎為何煞車需要油？――帕斯卡定律
◎能影印要歸功於靜電？――庫侖定律
◎LED是從隕石中發現的――發光二極體
◎在滿滿都是人的電車中互相推擠――作用與反作用定律
◎跨時代發明的「零符號」――印度科學
◎大爆炸有位爸爸――宇宙大爆炸理論

本書特色

1、從科學理論探索文明世界的各種現象！為什麼飛機能在空中飛？為什麼物體會直直掉落？地球暖化是飛機雲害的？為什麼啤酒會有泡沫？……我們生活周遭的事物看似平凡，卻蘊含了科學世界的各種奧祕，本書要告訴你的，是科學不只是一種理論，它與我們的生活息息相關，也是撐起文明世界的重大功臣。
2、圖示解說、簡單易懂！以容易理解的方式介紹物理世界的運動、熱能與電能、基本化學的物質變化，到探索地球與宇宙的生命之謎及最新的科學理論。科學世界日新月異，是什麼樣的契機讓其發展開來，又有什麼迷人有趣的故事，就讓我們一同來看看。

大宮信光
科學評論家。科學新聞工作者。
1938年出生於東京。就讀於東京教育大學時便開始從事家教、經營補習班，1967年加入SF同人誌『宇宙塵』。1978年左右起開始自稱SF亂學者、科學評論家，以科學技術與文明未來為主軸，汲取、吸收並消化森羅萬象的知識。
主要著作有《改變世界的科學大理論100》、《引人入勝懂很大之相對論》、《引人入勝懂很大之氣象結構》（日本文藝社出版）。《在世界發光的日本科學家們》（講談社出版）。《圖解不可不知的天災地變》（かんき出版）等。

譯者簡介 蔡婷朱
東海大學日文系畢。
享受著透過翻譯進入各個領域吸取新知的生活（雖然過沒幾天就會忘光光）。
近期譯作有《狂熱糕點師的洋菓子研究室》、《RX-78-2鋼彈機體模型改造指南》、《不可思議的料理科學》等。

前言 早在好久好久以前，當人們在星空下圍著焚火，大聊一些荒誕不經的故事時，科學本質似乎就已開始萌芽。說到這裡，最近似乎比較少聽見大家在說「歷女」（註：迷戀歷史的女性）這類用詞。即便如此，若你還是非常喜愛世界史，建議可先閱讀【第3章 改變世界的前近代大理論】。讀完後你的腦中應該會立刻浮現出疑問，「內容不是都在介紹具體的發明嗎？大理論在哪裡？」那我就要誇獎一下你很敏銳！
這其實也是前近代的特徵。探討前近代的大理論時，世界觀並不存在神話，有時理論又會被當成故事來描述，當然就會讓很多人無法打從心裡認同。我認為，正因為人們發明了富含衝擊性的具體事物，才能打造出前近代大理論。大理論與具體事物究竟是密不可分？還是尚未分離？這亦是前近代才有的特性表現。與前近代相比，能將抽象理論與具體事物清楚分離的，當然就是近代大理論的特徵。也因此，近代大理論建構全球化文明，不對……應該不只有全球，而是能將範圍擴及到宇宙。
而【第2章 物理世界 運動、熱能與電能】的內容就在介紹開啟近代之路的大理論。應該有讀者覺得第2章的內容很多對吧？不過這麼長的篇幅其實還不夠我探討物理世界，於是我把一些內容＂偷渡＂到第5章。
會偷渡到第5章有其用意，接著，就要請各位讀者好好咀嚼。就算已經偷渡了，對於精通科學的讀者而言，一定會抱怨怎麼這個也沒說，那個也沒說。沒錯，確實是如此，但我必須在這裡不斷地說抱歉，因為這一切只能由您親身探索了。
正因物理世界的各種定律，打破了前近代強烈的民族性文明，讓西歐在世界上建構出全球化文明，並成為霸權。即便如此，中國、印度、伊斯蘭、亞洲內陸、非洲仍帶有獨特的風土民情並維持至今。在全球化近代科學技術與社會基礎建設結合的過程中，或許充滿民族特性的科學思維還是會透過全新定位重現。
這也是因為以物理為領頭羊的近代世界就像是緊追在後般，在近代後期將【第4章 基本化學物質變化】及【第5章 生命的普及 地球及宇宙之謎】的舞台推上近代後期。
地球文明史一路下來，進入了21世紀的今日，與其說「溫故知新」，反而更像是來到溫新知故的時代。媒體與網路不斷地提供科學的日新月異，感覺就像是諾貝爾獎緊追在後。
但我強烈認為，這一切其實在【第1章 邁向22世紀的新展開】就已經開始。
這裡順著世界史的進程，引導介紹了本書。各位當然也可以從頭開始享受書中內容，或是這裡翻一翻、那裡看一看，先從自己有興趣的地方開始讀起。
 
期待各位能隨性地享受科學觀光之旅
大宮信光

前言

第１章 邁向22世紀的新展開 最新科學理論
從對宇宙的憧憬孕育而生的大發現
――ips細胞
第４代光源的LED是從隕石中發現的
――LED
地球暖化是飛機雲害的？
――卷雲與宇宙射線
人類的希望在宇宙，地球必須回歸野生狀態！
――第六次大滅絕
地球以外存不存在生物？
――適居帶
控制宇宙的暗黑物質
――暗物質
掀開宇宙的真面目
――上帝粒子‧希格斯玻色子

第2章 物理世界 運動、熱能與電能
為什麼會罹患揮鞭式頸部創傷？
――慣性定律（牛頓第一運動定律）
跑車為何能急衝？
――運動方程式（牛頓第二運動定律）
在滿滿都是人的電車中互相推擠
――作用與反作用定律（牛頓第三運動定律）
力學的黃金定律
――功能原理
撞球郎中在無意間運用的定律
――動量守恆定律
為何煞車需要油？
――帕斯卡定律
沉重的飛機為何能飛在空中？
――柏努利定律
20世紀的科學金字塔
――狹義相對論與廣義相對論
尼采的「永恆輪迴」是從這定律來的！？
――能量守恆定律
追求理想的引擎
――卡諾定律
洗衣機為什麼不能放在浴室？
――歐姆定律
能影印要歸功於靜電
――庫侖定律
令人懷念的電熱爐
――焦耳定律
撐起電氣文明的無形框架
――電磁感應定律（法拉第感應定律）
討厭變化的自然界
――冷次定律
右手發電、左手用電
――弗萊明的右手與左手定則
古埃及人的大發現
――反射三定律
什麼是光纖？
――折射定律
來自五感的物理定律
――韋伯費希納定律
在平交道聽見的宇宙膨脹
――都卜勒效應
為什麼原子又分成很多種類？
――包立不相容原理
愛因斯坦與電視的深刻緣分
――光電效應

第3章 改變世界的前近代大理論
為皇帝發明的紙
――中國科學
跨時代發明的「零符號」
――印度科學
建構出化學基礎的鍊金術
――伊斯蘭科學
會有天婦羅全歸功於非洲
――非洲與亞洲內陸科學
拯救人類飢餓的植物品種改良
――美洲原住民科學

第4章 基本化學 物質變化
為何輪胎能支撐車子的重量？
――波以耳定律
修好凹陷乒乓球的技術
――波以耳─查理定律（理想氣體方程式）
可用來擊退蛞蝓
――凡特何夫方程式
燃燒鑽石（！）做確認
――質量守恆定律（物質不滅定律）
就算繞遠路，流汗量也一樣
――赫斯定律（熱總量不變定律）
啤酒泡沫與潛水夫病的不解之緣
――亨利定律
愈濃的味噌湯，喝的時候愈容易燙傷
――拉午耳定律

第5章 生命的普及 地球及宇宙之謎
在咖啡杯上迸出的創造火花
――細胞學說
在修道院庭院的偉大發現
――孟德爾定律解決了達爾文的煩惱！
雙股螺旋的發現祕聞
――分子生物學的中心法則（Central Dogma）
先有雞？還是先有蛋？
――RNA世界學說
在古代，氧氣是有毒的
――內共生理論
為何地震時能立刻知道震央在哪？
――大森法則
為何物體會直直掉落？
――伽利略的相對性原理
不管蘋果還是月亮都會掉落！
――萬有引力定律
以不斷擴張為志的美國人才會有的大發現
――哈伯定律
大爆炸有位爸爸
――宇宙大爆炸理論
夸克和「那個」還蠻像的
――蓋爾曼的夸克模型
想與外星人相會，就要延長文明壽命！
――宇宙文明方程式
因為有人，所以存在宇宙
――人擇原理

第1章 邁向22世紀的新展開 最新科學理論
 
從對宇宙的憧憬孕育而生的大發現――ｉＰＳ細胞
從小對宇宙的憧憬、逆其道而行的思維，再加上由身體皮膚攝取而來的細胞，發現了能夠生成各種臟器、人稱萬能細胞的ｉＰＳ細胞。這樣的發現究竟能否讓人變年輕或長生不老？
 
◎大村智教授與山中伸彌教授的共通點
在2015年獲得諾貝爾生理學或醫學獎，大村智教授峰迴路轉的人生，其實與2012年榮獲同一獎項的山中伸彌教授很相似。
大村教授從當地大學（山梨大學）畢業後，於都立高中擔任鐘點老師。深受學生學習熱忱的感動，決定進入東京理科大學研究所重新學習化學，之後更前往美國。
山中教授同樣就讀於當地大學（神戶大學）的醫學院，並立志成為整形外科醫生。除了國高中接觸柔道，大學更打過橄欖球（大村教授則是滑雪），因此常遇到骨折的情況，也多次聽聞橄欖球員在比賽中意外受傷，導致終身癱瘓的遭遇。不過，在整形外科就必須面臨這些無法治癒的悲慘病例。山中教授接著進入大阪市立大學研究所攻讀藥理學，其後前往美國，來到格拉德斯通（Gladstone）研究所。大村教授與山中教授兩人皆充分利用美國資源這件事情也非常相似。大村教授準備回國前，因聽聞「就算回去也沒有研究經費」而打消念頭，並奔走於美國各家藥廠，尋求共同研究的可能性。當時人類治療用藥的發展正值突飛猛進的階段，大村教授認為「做同樣的事情也不會有勝算」，於是將目光聚焦在動物用藥，這點與山中教授的情況也非常相近。
大村教授與美國製藥大廠共同開發的藥物對犬貓極為有效，在獲得驚人利潤後，更將藥物免費引進非洲，並對人體帶來療效，深受當地人的感謝。
山中教授雖然進入奈良先端大學擔任助理教授，但當時的研究主流為ＥＳ細胞（胚胎幹細胞），且研究範疇分門別類，其中不泛強力的競爭對手。
這對於山中教授率領的小型研究團隊而言，幾乎沒有勝算可言，只能從分門別類中尋找新契機，如此逆其道而行的思維方式，可說與大村教授不謀而合。
 
◎一直以來對宇宙的憧憬
山中教授在國高中的時候很常閱讀科幻小說，其中最喜歡的是『佩利羅丹』（Perry Rhodan）系列。此小說在德國以每週一本的頻率持續發行，在日本則出版成月刊，擁有相當讀者群。
故事內容是登上月球的太空人羅丹在使用了名為細胞淋浴的細胞活性裝置，變成永生人後，建立大星際帝國的波瀾壯闊物語。羅丹所使用的細胞活性裝置能讓細胞變年輕，這其實與製造ｉＰＳ細胞（※1）的技術相通（※2）。山中教授也表示，等未來較有空閒之餘時，要再來重新閱讀佩利羅丹。
或許山中教授的內心深處，還是一直抱持著對凍齡永生，以及對宇宙世界的憧憬。
 
◎眼前面臨的大難題
就在山中教授自美國返日，正為日本不友善的研究環境感到煩悶之際，便聽聞美國成功製造出人體ＥＳ細胞的驚人消息（→ｐ９圖片）。
若想將人體ＥＳ細胞應用於醫療，將面臨２個問題，那就是倫理道德爭議與排斥反應。
為了解決這２個問題，山中教授決定嘗試利用人體細胞中的皮膚細胞，製作出與ＥＳ細胞類似的細胞。這樣的想法不僅異想天開，更與學界認知完全背道而馳。
但山中教授認為，「皮膚細胞與ＥＳ細胞都擁有能完整製造細胞的設計排列（稱為基因體），兩者的差異在於設計排列的內容。也正因如此，若找出ＥＳ細胞的排列內容，並將內容提供給皮膚細胞的話，或許就能將皮膚細胞初始化，變成類似ＥＳ細胞的萬能細胞」。
 
◎４種基因能讓細胞變年輕！
透過電腦等工具的協助，終於從眾多設計排列找出了４種基因。將這些基因提供給皮膚細胞並初始化後，真的成功讓細胞變年輕，於是就誕生了幾乎能夠無限增生的ｉＰＳ細胞。
若細胞能變年輕且永遠不死，那麼由細胞組成的組織—臟器—身體就同樣能夠永生。然而，一個成人體內的細胞數多達約60兆個，可說是極為複雜的時空連續體。
人類的結構可沒那麼單純，因此山中教授也抱持著保留態度，但對於ｉＰＳ細胞的期待仍持續閃耀，閃耀至遙遠的宇宙。
 
（※1）iPS細胞全名為「人工多功能幹細胞」（Induced pluripotent stem cell），取英文的每個字首為縮寫。
（※2）山中伸彌、綠慎也著《我向山中伸彌教授詢問了生命和iPS細胞》（暫譯，講談社發行）。
 
※所謂的4種基因
透過新手法，利用病毒在老鼠的皮膚細胞中組成4種基因（「Oct3/4」「cMyc」「SOX2」「Klf4」），2週後就會變成萬能細胞。雖然機制相當類似ES細胞，但由於類別不同，因此另命名為iPS細胞。iPS細胞不僅是由日籍研究學者領先全球製造而成，更被認為是能在再生醫療範疇中，取代胚胎幹細胞（ES細胞）的新萬能細胞。由於製造過程中無需使用到受精卵，因此不會有倫理道德爭議問題。
 
第2章 物理世界 運動、熱能與電能
 
為什麼會罹患揮鞭式頸部創傷？――慣性定律（牛頓第一運動定律）
只要是未受到外力影響的前提下，不動的物體會維持靜止，等速直線運動的物體則會維持著等速直線運動狀態。
 
◎ 慣性定律最重要的就是「維持」
相信大家都同意，只要不對靜止的物體做任何事情，物體就會維持不動。
不過，如果沒有從外部施加任何動作，物體就能一直持續運動的話，說真的是也還蠻不可思議的。人們自古便認為，想讓物體持續運動，就必須不斷施力。就像馬車，如果沒有馬兒奔跑，馬車當然就無法持續往前。不過，馬兒在奔跑的過程中，還必須克服地面磨擦與空氣阻力造成的減速。
慣性定律中，最重要的就是「維持」。靜止物體基本上會維持靜止狀態，運動物體則是會持續運動。想要改變的話，就必須施加與此狀態相反的力量使物體加速。但物體卻會因討厭變化並做出反抗，也就是企圖維持既有的模式，此模式就稱為「慣性」。
當電車緊急煞車時，乘客們站立於車廂內，踩在電車地面的雙腿就會配合電車減速。但這時的上半身並沒有受到任何外力影響，因此根據慣性定律，上半身就會以既有的車速向前進。
過程中，下半身與上半身的運動出現落差，只有上半身繼續向前，並出現前傾的動作（左圖）。這裡讓我們來談談開車遇到追撞事故等，車速突然改變的情況。物體慣性的大小會與其質量成正比，因此在重量又重、支撐又弱的頭部就會產生明顯落差，並造成所謂的揮鞭式頸部創傷。
 
◎ 透過斜面了解慣性定律
第一個注意到慣性定律的人是伽利略。
伽利略讓原本要從斜面Ａ點滑落到Ｏ點的球，沿著斜面往上攀爬時，無論斜面角度大小，球爬升停止的Ｂ點或Ｃ點會與Ａ點的高度相同（上圖1）。
於是伽利略推測，若讓斜面愈來愈平，在達到水平ＯＤ的狀態時，球怎樣都無法爬至Ａ點的高度，因此會永遠持續運動並繞行地球一圈，雖然事後發現這與等速率圓周運動所說的內容並不同。
 
※發現慣性定律之人
突破了由伽利略（1564～1642）提出，想法較為侷限的慣性定律，並使其內容發展為力學基礎的是笛卡兒（1596～1650）。而牛頓（1642～1727）更將其與自己的理論結合，提出第一運動定律。如今刻意在運動定律前加上「牛頓」二字，似乎有點過度吹捧牛頓一人。
 
為何煞車需要油？――帕斯卡定律
對一部分密閉流體施加壓力時，這壓力一定會傳遞到液體的每個角落，且其強度不變。
 
◎ 運用在煞車上的帕斯卡定律
帕斯卡定律中所提到的「流體」雖然聽起來非常陌生，但簡單來說就是液體與氣體的總稱。此外，壓力強度則是指單位面積所承受的力量。
舉例來說，根據帕斯卡定律，若對2平方公分的面積施予2公斤的力量，那麼每1平方公分就會承受1公斤的力量，當剖面積為100平方公分時，就會形成合計100公斤的力量。僅僅2公斤的力量，就能擴大成100公斤的力量，怎麼能不好好利用呢（左圖2）。
於是，帕斯卡定律就被用運在煞車上。
 
◎ 大量使用於車輛的油壓煞車機構
煞車的作用，就是對轉動的車輪或車軸施予阻礙轉動的力量，使其減速。為了能形成這股煞車的力量，我們有時雖然也會利用密閉空間累積的壓縮空氣壓力，達到空氣煞車的效果，但一般而言，油壓煞車較為常見。
油壓煞車是透過腳踩的方式對煞車踏板施力，並將這股力量經由彎曲油管中的煞車油，把增加到數十倍大的力量傳遞至煞車蹄片，平均地將力量施加在每個車輪上（左圖1）。
油壓千斤頂亦是相同原理。以「人是會思想的蘆葦」這句名言為眾人所熟知的布萊茲・帕斯卡（Blaise Pascal）應該作夢也沒想到，自己的發現會被拿來這般運用。
然而，帕斯卡在31歲時遭遇了從馬車上墜落的事件後，便放棄科學家的身分並投入修道院，化身為「思想的蘆葦」，致力於思索與寫作。
 
※帕斯卡的實驗（1623～1662）
伽利略的弟子托里切利（Torricelli）曾在一根長約１ｍ且一端封閉的玻璃管灌滿水銀，接著用手指堵住另一端開口，讓玻璃管朝下倒立於水銀槽中。
這時管內的水銀開始下降，但降至高度約76cm時就不再繼續下降，並認為支撐著此重量的就是大氣壓力，而這同時也是氣壓計的原理。對此實驗充滿興趣的帕斯卡更親自嘗試，拜託自己的姐夫幫忙將實驗裝置背上山頂，觀測大氣變化，成功完成了關鍵性的驗證。壓力單位的Pa更是來自帕斯卡的名字。帕斯卡在一次又一次的實驗中，將推論證實為「帕斯卡定律」。