諾貝爾大師，請回答──從科學到哲學，孩子與諾貝爾大師的22段啟蒙對話(CFO0303)
Kinder fragen, Nobelpreistrager antworten

類別： 心理‧勵志>人生顧問
叢書系列：人生顧問
作者：艾克瑟．哈克等
       Axel Hacke、Bettina Stiekel
譯者：吳信如、彭菲菲
出版社：時報文化
出版日期：2018年04月13日
定價：380 元
售價：300 元(約79折)
開本：25開／平裝／264頁
ISBN：9789571373812

【前言｜內文摘錄】

▼  內文摘錄

01 為什麼布丁是軟的，而石頭是硬的？
──1985年諾貝爾物理學獎得主　克勞斯‧克利青

「嗯～真好吃！」當你一口一口享受著香草布丁的盛宴時，從舌尖到腸胃都滿載一種滑嫩香甜的感覺，入口即化，你心裡肯定想著：「難怪布丁能夠成為風靡全世界的點心之王。」不過，當你吃著鬆軟的蜜棗蛋糕時，如果不小心咬到硬梆梆的果核，這又是完全相反的感受了！

「軟」跟「硬」到底有什麼不同？為什麼有些東西是硬的，有些東西是軟的？身為物理學家，回答這些問題就是我們的責任了。我們必須試著解釋，這些物體的特性是怎麼來的。

全世界你能夠看到或摸到的所有物體，都是由一百種左右的基本物質所構成，這些基本物質我們稱之為「元素」。各種物體間的差別，像是顏色、形狀或是強度，都取決於元素的不同組合。讓我們再回想一下生活中多采多姿的事物：世界上有白色、黑色或黃色皮膚的人種；有長得短短的草，也有高高的樹；有昆蟲、魚類、鳥類和哺乳動物。這都是因為遺傳物質不停重新組合這一百種元素，讓這些生物能夠繁衍出下一代。有些人可能還不知道這個道理喔！問問你的爸爸、媽媽吧！

原子和電子的雜耍秀

我承認，你得要有豐富的想像力才能理解這些原理。有一位想像力十足的希臘哲學家、數學家──德謨克利特（Demokrit），他早在兩千四百年前就主張，即使是看似截然不同的東西，也都是由相同的基本物質所組成。他深信，一定有一種最原始的「元件」存在，也就是最小的基本單位。他將這個基本單位命名為：「原子」（希臘文atomos），我們可以翻譯成：「不可分割的」。因為德謨克利特的「原子」是肉眼看不到的，而且對於大多數的人而言也無法想像，所以，他的理論從此被束之高閣。

一直到兩千年之後，十七世紀末期，著名的英國科學家牛頓出現。他一直在研究地球及其他星球能夠在固定軌道上互繞運轉的原因。他不停地計算，直到找出一個可以解釋太空中所有星體運動的公式，而這是現代物理學的開端。

相較於德謨克利特，牛頓的理論可以被證明，是因為星體是可見的，人們可以親眼觀測它們的出現和消失。但是，一顆石頭或一盤布丁中的微小基本物質卻是肉眼看不見的。其實那些巨大星體的運動方式，同樣也出現在這些基本的微小物質當中。關於這點，牛頓知道的和德謨克利特一樣少。

今天，大家都知道，每個原子都由一個原子核所組成，而電子圍繞著原子核運轉。這和行星繞著太陽運轉，或月球繞著地球運轉的情形類似。我們所認識的最簡單元素──氫，它只有一個電子繞著原子核運轉。每增加一個繞著原子核的電子，都會改變這個原子的性質：原子的重量以及對鄰近原子的引力大小。這就形成了大自然的積木，由此堆砌出所有物質。

所有你所知道的物質，包括布丁和石頭，都是由原子所組成。這些原子結合成各個群體，也就是分子。依照不同的分子組成，於是產生了不同的化學物質──液體、氣體及固體，而這些化學物質組成了全世界所有的東西。

為了能夠彼此結合，帶著電子的原子首先必須相容。你先想像一下，有兩位馬戲團的表演者，他們各自手上都耍弄著好幾個球，這兩位雜耍者就像不同的兩顆原子，分別有數顆電子飛繞著。當他們把手上的球向對方拋去時，觀眾就很難分辨到底哪一顆球原來是誰的，兩位雜耍者必須一起合作表演。物理學家看到這種情況就會說：「啊！這就像兩個原子組成一個分子，他們共有一堆電子。」

下一步，分子將要結成更大的一團物體。依照不同的分子組成，就會形成不同的物質。我們來看看布丁的製作：當你把布丁粉倒入牛奶中攪拌時，牛奶中的油脂和蛋白質就會和布丁粉中的澱粉結合，並形成物理學家所說的「分子預聚物」。然後，在混合過程中，液體會愈來愈濃稠，因為有數十億個原子形成了更新、更堅固的鏈結。你曾經想過，你吃下去的每一口布丁中，都隱藏著許多飛繞的電子嗎？

原子排排站的方式

接下來，你現在一定迫不及待地想知道，為什麼布丁是軟的？這是因為布丁的分子結合方式並不十分緊密，而且彼此可以很快脫離。如果你把布丁在空氣中放幾天，你就會發現，美味香濃的布丁突然間變成難以入口的一灘爛糊。

相反的，石頭是硬的，必須使用暴力才能毀損石頭。例如，我們可以把石頭放進極酸的溶液中，或者輪流以強熱和冷凍方式來破壞石頭的結構。如果你把石頭打碎，你就會看到它的內部閃閃發光，這就是石頭的原子。這些原子結合成密實、規律的網狀結構，我們稱之為結晶。因為石頭內部原子彼此間的相容性很高，因此，這些原子可以互相緊密靠近，並形成一個由數十億顆原子所組成的規則序列。這種結晶體的表面通常都很光滑，在光源照射下會閃閃發亮。如果你用顯微鏡觀察鹽粒，你也會看到這類結晶體。

很幸運地，物理學家不必每天敲碎石頭來分析其內部結構，因為我們可以在實驗室中製造出實驗用的結晶體。這類結晶體的組織極為規則，自然界中的結晶無法比擬。連鑽石本身大部分都不是純白色的，而是帶有黃色或棕色的光澤。這種現象源自於一些小錯誤，例如，原本應該有一個原子的位置，卻一直空著；或者有一個錯誤的原子潛入這個位置。鑽石裡的原子排列十分緊密，因此，這種物質也就格外堅硬。

如果相同的原子以不同的方式結合，當然就會形成另一種物質。鉛筆筆芯和鑽石的原子組成完全相同，只是其原子結合方式相當鬆散。因此，鉛筆筆芯可以被其他結晶體很快磨損，最後只在紙上留下一條筆畫痕跡。

拆開又重組的奈米科技

我的研究室位於斯圖佳特（Stuttgart）的馬克斯─普朗克研究中心（Max-Plank-Institut），這個中心的研究人員正在探究自己發明的全新物質。例如，我們從一顆原子裡取出三層內部結構，再從另一顆原子取出五層內部結構，然後把這些內部結構像火腿起司三明治一樣相互交錯疊起來。我們可以透過電腦來模擬這個過程，或是真的在特殊儀器中完成組合。從事這類實驗的實驗室必須極度乾淨，不能有任何污染物。我們甚至要將空氣過濾好幾次。

當新的物質完成之後，我們就用顯微鏡觀察它的內部結構。德謨克利特還沒有親眼見到之前，對物質的細部結構就已經有基本的了解，若他能夠親眼看見這些微小結構，他會怎麼說呢？對我們而言，能夠把這些物質置於顯微鏡下觀察並試驗，真的是一件令人興奮的事。我們開始進行多項測試：

我們想知道，這些自製的新物質有哪些特性？
它是否穩定還是容易碎裂？
它帶不帶電？
它有沒有磁力？

我們還希望能解決一些實際的問題，例如，為交通工具發明一種新的油箱和引擎，讓交通工具可以使用新的燃料，而不會再污染空氣。

你現在一定以為你已經了解，為什麼布丁是軟的，而石頭是硬的。其實，你所知道的還只是皮毛而已。

就像一塊塊石頭可以堆疊成一座山丘，我們物理學家也可以用原子組成微觀的形貌。我們可以將這個形貌的一部分做成堅硬且不透明，就像石頭或碗的邊緣一樣；另一部分則做成柔軟光滑，像碗中的布丁一樣。用這種方式就可以形成一座電子無法穿過的山，或是創造一條讓電子容易流動的河流。

我們進一步把這個原子形貌架設在一顆微電腦晶片上，並且讓這個微電腦晶片操控電器，所以單獨一顆電子就可以像開關的按鈕一樣，開啟或關閉機器的電源。然後你將發現，肉眼看不見的原子和電子，在今天居然可以從事過去大機器才能完成的工作。這不是太棒了嗎？從雷射音響到洗衣機，家中許多物品其實都是依照這個原理運作的。

把原子形貌拆開又重組的過程，我們稱之為「奈米科技」（Nanotechnologie）。希臘文中「奈米」就是「新」的意思。我們想像一下，你將一把一公尺的捲尺分成十個大小相同的部分。這時，你手中就有十條十公尺長的布條。如果你再把其中一條布條分成十等份，就成了十條一公分的布條，再重複一次，布條就會變成一公釐，如此一直反覆進行下去。如果你將這個工作重複九次的話，就會變成一「奈米」長的布條。為了了解物質的結構，我們就必須把創造出來的物質分成這麼小的部分來觀察。

光看這些組成結構如何，是鬆散或緊密，就可以決定我們的新物質是像布丁一樣柔軟，還是像石頭一樣堅硬。
（記錄：Petra Thorbriez）

▍克勞斯‧克利青（Klaus von Klitzing）
1985年諾貝爾物理學獎得主，1943年6月8日生。
因為研究應用於奈米科技的量子霍爾效應（Quanten-Hall effect）而獲獎。
目前任教於德國的馬克斯─普朗克研究中心。