克里斯‧伍福

媒體推薦：◎對本書的讚譽

「本書為如此顯而易見的問題提供你從未想過的優雅解答……對現代世界基礎科學知識感到好奇的人都將深受吸引。」

――《華爾街日報》

「作者迷人的敘述風格讓甚至最複雜的科學現象變得簡單易懂，從自高中之後就未接觸科學的人到科學家，任何人都能從本書獲得新知並樂在其中。」

――《圖書館學期刊》

◎料理的科學

撇開烘培麵包之類所涉及的神奇複雜生物化學轉換（biochemical transformation）不談，即使是烹飪的物理面向也夠引人入勝了。烹飪的本質是熱力學：盡可能以最快、最有效率的方式，把熱從炊具轉移到食物上。不同的烹調方法，都是以略有不同的方式來達成這項目的。

●烤箱烹調

從史前時代用營火串烤一隻豬，到用熱風爐草草弄好週日家庭午餐，數百萬年來，基本的烹調方式少有改變。烤箱烹調結合了所有三種熱傳形式：傳導、對流、輻射。如果你的烤箱有電熱管，對流會讓熱氣溫暖上升，而傳導把熱從熱空氣傳到你的食物裡。有些熱直接從紅燙的電熱管，輻射到食物上（如果它們在烤箱裡沒有外包裝）；有些熱則從烤盤和烤架上透過傳導來傳播。熱風爐藉由加快空氣流動，加速對流過程，更快完成烹調。

●爐具烹調

用鍋子煮湯也是一種對流。鍋子本身經由傳導而受熱。它一開始也是透過傳導，將它的熱傳到鍋裡的湯，接著那個熱使濃稠的液體加溫，於是它膨脹，密度變小。這樣一來，湯往上浮，啟動對流的輸送帶――高溫的湯上升、低溫的湯下降，最後整鍋湯變熱。

如果你不攪動湯，會出現兩種情況。靠近鍋底的一些湯，會因為傳導而黏鍋燒焦。它也會形成一個隔熱層，阻隔爐火、鍋底與上面低溫的湯，有效減少對流或完全停止。這說明了為什麼同一鍋湯，底部的湯燒焦，上方卻仍然是沒熟的冷湯。更有趣的是，如果你觀察燉鍋的對流作用，有時會看到幾個個別的地方在冒泡，那裡的湯（或你在煮的不管什麼東西）正上升又下降。每一個冒泡的地方都是微小的垂直輸送帶，在那些輸送帶上，高溫的湯上升、低溫的湯下降，專有名詞為「瑞利―貝納爾對流胞」（Rayleigh Bénard convection cell），以發現者瑞利男爵（Lord Rayleigh）和貝納爾（Henri Bénard）為名。如果你對燉鍋底部的圖樣感到好奇，上面說明的現象大概就是設計那些圖樣的原因。它們似乎可以促進對流，以我個人的經驗來說，用大火煮米或義大利麵之類的東西時，可以清楚看見各個對流胞。

●微波爐

傳統烤箱最大的缺點是，需要熱到發燙才能加熱晚餐。微波爐更快速地烹調食物，因為它們是利用短波高頻的無線電波（微波），直接放出能量到食物中。另一個優勢是，鋁製的箱子不需要先花上半小時「暖機」，就能直接進行烹調。

微波的原理是什麼？波當中的能量使食物內的水分子更快速地振動，而由於內振動可視為一種熱，最後效果就是可以烹調食物的內部熱效應。雖然有時會聽說微波爐可快速「由內而外」烹調，但這種說法不盡然正確。用微波爐烹調，水分多的食物煮得比水分少的食物快，所以像脆皮蘋果派這類東西的確會由內而外加熱，正是因為飽含水分的餡料在中間。一些整體含水量均勻的食物（如一塊肉），烹煮程度會更平均，而且通常是由外而內，因為微波更快接觸到表面。肉的表面一旦開始加溫，就會透過傳導把熱傳到內部，就像傳統的烤箱一樣。

●紅外線烤爐與鹵素爐

發出紅色熱光的烤爐和鹵素爐主要透過輻射來放出熱，跟熊熊營火的作用完全一樣。這就是為什麼與眼睛平高的烤爐放在豬排或起司吐司上方的位置，還能有效烹調食物，儘管烤爐產生的許多熱往錯誤的方向傳播（向上，遠離食物），根本無法發揮烹調作用。鹵素爐（嵌入式爐具）更顯然是用「光」（紅外線輻射）而非熱來烹調。它們就像控制自如的瓦斯火爐，有立即加熱的效果，所以我們可以由此了解其運作原理。鹵素爐不像傳統的電爐圈，不需要先花好幾分鐘等爐子預熱，就能開始（透過傳導）傳熱。不過，鹵素爐的玻璃面板會變得燙手，表示那時仍進行著熱傳導。

●電磁爐

以科學角度來說，電磁爐使用的烹調方法最巧妙。跟其他類型的炊具不同，電磁爐不會直接產生熱。反之，電磁爐製造一個暗藏的電磁場，在看起來像傳統烹飪鐵盤的金屬外「殼」上面產生（「感應」）漩渦狀電流，稱為渦電流（eddy current）。渦電流與一般的電流不同，沒有要傳送的目的地或流向。它們在金屬內部的晶化結構周圍旋繞，藉由產生熱來耗散本身的能量，所以平盤本身變成炊具。缺點是，你必須使用含鐵的鍋具才能感應電磁爐產生的磁場；非磁性材料就不能用了，例如鋁材。

◎為何不要攪拌你的茶？

討論了層流和紊流的奧妙之處後，你可能明白，如果你正嘗試「攪拌」茶或咖啡，其實是下下之策。攪拌（無論是茶、咖啡、油漆或醬汁）牽涉到把某個東西放入液體中並使它迴轉。如果你的做法就是這樣，最後的結果可能是不停轉動的層流，沒有任何真正的混合效果。

為了說明這個現象，新墨西哥大學的狄摩斯（John DeMoss）和卡西爾（Kevin Cahill）發展出一項令人驚訝（儘管有點難形容）的演示實驗，你可以在線上影片網站觀看實驗。其中一位科學家站在比一個透明圓柱形容器高的位置，容器裡裝滿黏稠（且透明）的玉米糖漿，接著把三滴有色食物染料注入容器中不同的高度和位置。他轉動一個攪拌器一定的次數，然後我們看到那幾滴有色染料隨著罐中內容物的迴轉，在液體中散開成完全水平的條紋。到目前為止一切順利：染料明確地混入了液體當中。是真的嗎？接下來，他停了一會兒，然後逆向操作程序，反向轉動攪拌器相同的次數。不可思議地，染料在液體中「不混合」，完整地回到一開始有的那三滴原始染料。

這項幾乎讓人難以置信的演示實驗證明了，完全的層流並不會產生混合，即使一個流體繞著圈轉也一樣；正因如此，它完全可逆。當你攪拌茶或咖啡，你所做的其實不過是推動那個流體繞著圈，以大體上層狀的方式轉動。雖然這種攪拌方式合乎常理，但是以紊亂的方式攪拌更快且更有效――所以比如說，先往一個方向攪拌，然後猛然停下，反方向攪拌，接著反覆進行這個程序。通常，我現在攪拌得很混亂，以致每次我都得擦掉灑在廚房料理檯上的至少一半飲料。（客人還常怪我端出偷工減料的飲料。）

假如你以老派方式泡茶，用茶葉而非茶包，可能會注意到另一個令人好奇的科學效應。如果你用力攪拌，茶葉會聚集在杯底的中央，而不是像你預期的打轉到杯緣。一開始，茶葉的確向外移動，但隨著你停止攪拌，旋轉的茶與杯底及杯子內壁之間的摩擦力，使那裡的液體變慢。這產生一個雙渦旋，使流體從杯子裡的外側往內側循環，把茶葉掃向中央，茶葉因為本身的重量而下沉留在杯底，其餘的液體在茶葉周圍攪動。是誰想出這無用之用的廚房科學？當然是我們的老朋友愛因斯坦，他在1926年一篇鮮為人知的論文中發表了這項論點。

◎卡士達大混亂

一日為茶，終生為茶。無論你攪拌多少，用你的方式（層流）或我的方式（紊流），最後的成品看起來總是一樣。以這種單純方式流動的流體稱為牛頓流體（Newtonian fluid），因為它們遵循的是牛頓在17世紀所鋪設好的物理康莊大道。

然而，不是所有液體都像這樣流動。十二、三歲時，我花了一上午的上課時間才了解這件事。那時我在學習烹飪（可笑地稱為「持家學」或可能叫「家政學」），剛學會如何正確製作生平第一次卡士達醬。成果相當不錯，可是不知為何，我忘了要攪拌，鍋底有一點點燒焦。我把它放著冷卻，完全忘了這回事，直到下課才想起來，但已經沒時間做最後的搶救了。我覺得在下午回家前，袋子裡裝著半公升燒焦的冷卡士達醬很麻煩，最後沒辦法，決定在教室洗手槽把它沖掉。大錯特錯！我又刮又攪，冷掉的卡士達黏糊糊，緩慢吃力地移動。原本在鍋子裡順暢流動的黃色液體，迅速開始變得極度黏稠。天啊！我又攪了幾次，只是讓情況更糟糕。我越焦慮，就戳得越快，卡士達變得更稠。最後，它變成堅硬的膠塊，我得用木湯匙迷你的尾棒，一次一點地把它捅下塞孔，才收拾完畢。

後來我又花了十年，才了解為什麼會發生那樣的事，這次是在科學課堂上。大多數的液體（如水和茶）屬於牛頓流體，其他則是非牛頓流體（non-Newtonian fluid）。施力於其上，它們不會像經過攪拌的茶一樣，只是改變位置或迴轉。根據內部分子結構的不同，這類液體可能變得更黏滯（viscosity）又黏稠（剪切增稠流體﹝shear-thickening fluid﹞）或更易流動又液化（剪切稀化流體﹝shear-thinning fluid﹞）。卡士達（以及任何含有玉米粉的東西）是剪切增稠流體；血液、面霜、牙膏、鮮奶油泡和痰，都是剪切稀化流體。你搖動番茄醬，讓它暫時變稀，更容易流動，方便倒出：施加剪切力（物理學家的專有名詞，表示讓一個物質改變形狀的力），使它變稀。你可能注意過（但從不在意），牙膏的流動方式正是如此。從軟管裡慢慢流出的牙膏像一隻又肥又慢吞吞的蟲，但刷牙1、2秒之後，神奇地轉變成容易流動的滑溜液體。剪切稀化液體不像剪切增稠液體那麼麻煩，每次看到這種液體都覺得很有趣。例如咳嗽，對肺裡的痰施加足夠的壓力，就能讓痰從固體變成液體，輕易吐出嘴巴。這種舉動讓人很反感，但事實千真萬確。

◎為什麼一樣東西會黏在另一樣東西上？

黏或不黏，這是一個值得考慮的問題——而且，儘管聽起來可能很陌生，但我們每一天都以千種不同的方式提出這個疑問。也許你不常用膠水（黏合劑），甚至家裡可能沒有半瓶，但是你做的每一件事，基本上所有大大小小的一切，都牽涉到東西是黏在一起，還是直接滑掉。每吸一口氣，看不見的氣體得滑過迷宮般的氣管，暢通無阻地進入肺部。狼吞虎嚥吃下肚的食物和飲料也會滑過相同的路徑。當你讓自己向上移動到樓上，你可以這麼做的原因是你（非常短暫地）黏在腳下的地毯或木板上。而我們還沒開始思考更顯而易見的黏性類型，例如把郵票穩穩黏在信封上的膠水，就體驗到那些黏的現象了。我們會注意到黏與滑的差異，多半只有在它們沒發揮作用的時候：黏的東西滑動，或滑的東西黏住。超市裡「小心地滑！」的警示牌、壁紙剝離的一角、緊貼在你的玻璃杯杯底的啤酒杯墊，都是典型的例子，提醒我們自己有多依賴黏性科學――黏或滑――一次就得搞定。

一塊磁鐵黏固在冰箱上，是因為有一股看不見的力，也就是磁力，將金屬與金屬緊合在一起；不會看到任何黏膠。各種各樣的黏性和滑性都可同理而論，不管有沒有黏膠。當東西黏著，就是有一個力將它們連接在一起；它們不黏或滑落的時候，那股力通常還在那裡，只是太小而黏不牢。

假設你正在貼某種品質特別好卻相當重的壁紙，而它一直脫落回捲，完全黏不住。怎麼回事呢？表面上來看，這單純是重力（壁紙的重量使其脫落）與黏膠（產生讓壁紙黏在牆上的力）之間的拉鋸。聽起來滿簡單的，但實際情況稍微複雜一些，因為事實上其中有三種不同的黏附力。漿體（黏膠）必須黏在壁紙上，然後黏膠的另一面要黏到牆上。此外，比較不明顯的是，漿體本身必須彼此互黏。當壁紙從牆上脫落，你可能會發現壁紙背面仍然有一些漿體在上面，其他漿體則脫離留在牆上。這情況說明，漿體會黏在壁紙上和牆上，但本身沒有相黏。另一個類似的例子是，你為自己做果醬三明治，然後把麵包剝開。你可能會發現果醬黏到兩片麵包上了。當你撕開三明治，作為黏膠的果醬就失去作用，最重要的是因為它把自己黏結起來的力，沒有比它黏到任一邊麵包上的力來得大。

更進一步觀察，這裡的三種黏附力其實只有兩種：東西可以黏住自己或黏住其他東西。我們稱這兩種力為內聚（cohesion）和附著（adhesion）。我們稱黏膠為「接著劑」，因為當我們把黏膠塗在其他東西上時，認定它們的黏性歸結起來是源於強韌的附著力；但事實上，每一種有效的黏膠也要具備強大的內聚力，才能確保它的中間部分不會直接分裂。黏膠更正確的名稱或許是「附著—內聚—附著」，以反映黏膠需要三種不同黏附類型的每一種。

談到附著力和內聚力相輔相成的例子，水可能是最常見又最引人注目的。水的內聚力極強，即使周圍有其他東西可以抓牢，它還是喜歡跟自己黏在一起，這就是為什麼大量水分子群聚在一起之後，雨以水滴的形態灑下。這可能讓你好奇為什麼暴風雨不是以巨大得嚇人的單一水滴降下，答案是大水滴不穩定。隨著雨不斷落下，降下的水滴與掠過它們的空氣發生撞擊，將水滴撞碎成更小的顆粒，所以它們完全沒機會形成超過約5公釐的大小。水的內聚力一般超過附著力，這解釋了為什麼一滴水在你的手掌上保持不動，或珍珠般的雨滴穩穩停留在葉子上，不會滑落出去。下雨天，當雨猛烈打在你的窗戶上，你會發現小水滴往往順著一定範圍內條紋狀的路徑蜿蜒而下，簡直就像玻璃窗上直立式的排水管，而那也是因為水有內聚力的關係。每一顆新的小水滴都更傾向與已經在那裡的水滴黏在一起，而不是黏到玻璃還沒溼的其他部分。水自我黏附的能力極強、黏附到其他東西上的能力極弱，我們得用清潔劑（界面活性劑﹝surfactant﹞）才能適當地散布水分，徹底浸溼東西。

黏性主要是關乎附著力，現在先讓我們專注於這個主題。概括來說，我們可以把黏性分成三類：永久黏附（接著劑的功能）、暫時黏附（我們走過地板或蒼蠅爬上牆壁）、徹底不黏或滑移（潤滑刮鬍刀滑過你沾著肥皂泡泡的下巴，或者在雪和冰上滑行）。雖然這三種黏附類型看起來或許完全不同，但它們都是以兩個非常近的表面之間的短程力為基礎，而且有很多共通點。

◎料理的科學

撇開烘培麵包之類所涉及的神奇複雜生物化學轉換（biochemical transformation）不談，即使是烹飪的物理面向也夠引人入勝了。烹飪的本質是熱力學：盡可能以最快、最有效率的方式，把熱從炊具轉移到食物上。不同的烹調方法，都是以略有不同的方式來達成這項目的。

●烤箱烹調

從史前時代用營火串烤一隻豬，到用熱風爐草草弄好週日家庭午餐，數百萬年來，基本的烹調方式少有改變。烤箱烹調結合了所有三種熱傳形式：傳導、對流、輻射。如果你的烤箱有電熱管，對流會讓熱氣溫暖上升，而傳導把熱從熱空氣傳到你的食物裡。有些熱...

前言

第1章　穩固的基礎
像房子一樣安全？
建築物承受多大的負荷？：腳上的重力╱建築物有何不同呢？
為什麼建築物不會下陷進地裡？：定律萬歲！
力從哪裡來？：原子如何還擊？╱你腳下的原子
拉垮房屋：脆弱的跡象╱吹毀
日常生活中的力又有何不同？
為什麼摩天大樓不會被吹倒？：大腳丫╱風城的祕密╱減弱振幅

第2章　樓上樓下
估量優劣
能量到底是什麼？：焦耳先生的焦耳╱要花多少能量？
什麼是功率？：消耗（或產生）多少功率？╱比較功率
能量的成本
能量從哪裡來，又往何處去？
為什麼會痛？：撞車╱熱水壺造成的燙傷╱從梯子上摔下來
樓上樓下——在你自己家裡
簡要說明球形乳牛

第3章　超級英雄
人體機械
憑什麼相信槓桿？
輪子
為什麼捲筒紙可連續抽？
輪子如何減少摩擦力？
斜坡板：螺絲釘也是斜坡板
你能否用一把電鑽燒掉你的房子？：到底會變多熱？╱值得擔心嗎？
真正的工具如何發揮作用？：獨輪推車╱斧頭╱鐵鎚╱針筒
科學與運動工具：團隊科學

第4章　自行車之美
自行車是輪子：空頭支票╱自行車或橋？
自行車是槓桿：追求速度感
自行車是齒輪：齒輪如何發揮作用？
看，沒有耍詐！
為什麼騎自行車這麼累？：摩擦力╱曳力╱滾動阻力
能源危機？：抵抗摩擦力╱一路順暢╱像魚一樣思考

第5章　瘋汽車
汽車棒在哪裡？
深呼吸
汽車糟在哪裡？
比汽油更讚？
我們的電動未來？：能量回收
完美的汽車會是什麼樣子？
打滑或抓地？：武裝完備

第6章　黏手黏腳
為什麼一樣東西會黏在另一樣東西上？：內聚和附著
永久黏附：有電！
自我提醒：發明更好的黏膠
暫時黏附：摩擦力如何發揮作用？╱壁虎膠
滑移：冰冰寶貝

第7章　內幕
生命的樂高積木：再會「繃得」先生
我們如何知道原子存在？：分裂原子
燃料供應了什麼？充滿能量的原料：需要多少原子才能點亮一顆燈泡？
是什麼讓不同物質如此不同？：絕妙的金屬╱合金同盟╱完美塑膠

第8章　玻璃不思議
煮沸的沙灘：陷入中間狀態
為什麼玻璃窗會碎裂？：冷熱不定
為什麼玻璃那麼重？
為什麼你可以看穿玻璃窗？
更好的玻璃：留住熱氣╱清潔溜溜
似見非見：瞧，不用窗簾
黑白分明的案例：誰發明了光致變色玻璃？

第9章　鬆弛的沙發，嘎吱作響的木地板
下垂
塑膠或彈性體？
超過極限
突然斷裂
嘎吱作響
靠岸
磨損與褪色：失色
生鏽與腐爛
自我修復的塑膠

第10章 光之喜悅
何為光？
你看不見的光
所有的光都帶電
為什麼我們看不到光？
是什麼讓你家光亮無比？：陽光╱燭光╱燈絲光╱螢光╱LED光╱螢光蟲和螢火蟲
亮晶晶皮鞋的科學

第11章 無線電卡卡
光總是對的
維多利亞時代的手機
無線電時代
無線電到底是怎麼運作的？：打造你自己的廣播電台╱無關遠近
太空中的鏡子
為什麼要用無線電波？
神速，光速

第12章　憑數字而活
數位差異
機械法則
類比時代
數位科技如何發揮作用？：數位相機╱MP3播放器╱不必在乎品質？
數字有何迷人之處？
數位困境：成群山寨者╱品質如何呢？╱脆弱的恆久性

第13章 冷熱無常
牢不可破的定律
內部的熱
生活在定律裡
寒冬的住家可以保留住多少熱能？
獲得溫暖
變得涼爽
降溫vs.加溫
進入地底
誤導熱：留住你的熱
為什麼電腦忽冷忽熱？

第14章 食物里程
食物vs.燃料
計算卡路里：加滿能量
肥或瘦？
太多烹飪？
料理的科學：烤箱烹調╱爐具烹調╱微波爐╱紅外線烤爐與鹵素爐╱電磁爐
尋找能量藥丸？

第15章 流來動去的東西
如何不讓你家灰塵滿布？
隨波逐流：平滑流╱紊亂流
居家應用紊流
為何不要攪拌你的茶？
卡士達大混亂
融合
跟著水流走
打鼾的科學
流體大重要

第16章 水，水
為什麼我們喜歡水？
熱水：為什麼是水？╱水留住熱
水的運動：用水寫字╱馬桶小妙招
泡澡還是淋浴？：節能
皮包骨

第17章 汙點遊戲
什麼是髒，以及髒為什麼是個問題？
用肥皂和清潔劑去汙
為什麼衣服洗一洗就變乾淨？
汙垢大作戰
乾衣的科學：溼答答的清洗衣物裡有多少水？╱作用力乾衣╱蒸發乾衣
更乾淨的未來？
瓶子裡裝了什麼？

第18章 人要衣裝
保暖：為什麼綿羊不會發抖？
神奇的羊毛
保持乾爽
穿得好穿得巧：及時一針省九針
我的天啊――破爛牛仔褲的科學
鞋子的科學

注釋與參考資料
延伸閱讀
致謝

前言

第1章　穩固的基礎
像房子一樣安全？
建築物承受多大的負荷？：腳上的重力╱建築物有何不同呢？
為什麼建築物不會下陷進地裡？：定律萬歲！
力從哪裡來？：原子如何還擊？╱你腳下的原子
拉垮房屋：脆弱的跡象╱吹毀
日常生活中的力又有何不同？
為什麼摩天大樓不會被吹倒？：大腳丫╱風城的祕密╱減弱振幅

第2章　樓上樓下
估量優劣
能量到底是什麼？：焦耳先生的焦耳╱要花多少能量？
什麼是功率？：消耗（或產生）多少功率？╱比較功率
能量的成本
能量從哪裡來，又往何處去？
為什麼會痛？：撞車╱熱水壺造成...