請問牛頓先生，番茄醬該怎麼倒？：破不了的定律、消失的雪人、吵鬧的冰塊，愛因斯坦也想知道的109個科學謎題

◎肥皂如何辨別哪些是髒東西？

每當我們的身體、衣服，或是汽車沾上我們不喜歡的東西時，我們就說它們「髒了」，於是洗淨它們。我們所說的髒東西可能是任何東西。但是，肥皂似乎總是合我們意地除去髒東西，而且只除去髒東西。

肥皂這種神奇的物品似乎能夠辨認而且尊重我們的皮膚與我們珍惜的物品，同時又像只留下骨頭的禿鷹一般吞噬太陽之下的所有東西。天底下沒有這樣的神奇物質，而答案就在油與水的性質。說穿了很簡單，其實我們稱的「髒東西」――婉轉地說是「外來異物」――全都是油性的，或者是藉著油脂而黏在我們身上的東西；而肥皂則是獨特且優良的油脂清除劑。

在我們想通如何清除髒東西之前，我們必須先檢視我們當初是怎麼弄髒的。

一粒微小的汙物（指的是我們不想被沾上的任何東西）可能有兩種方式沾到身上：不是機械式地陷在微小縫隙裡，就是因濕氣而黏附。例如在灰塵飛揚的道路或是在泥濘的道路中沾上汙物，不論是哪種情況，只要好好的用清水沖洗，或許再加把勁稍微刷一刷，就可以很理想地清除外來異物，並不真正需要肥皂。

但是如果汙物顆粒外面包覆的不是水膜而是油膜呢？汙物會像濕泥一般黏在你皮膚上。其實汙物甚至不必具備它自己的油膜，我們的皮膚上就具有足夠的油分讓汙物顆粒黏附。不過，與泥濘不同的是，這種汙物會持續黏附，因為油不像水會蒸發而且乾掉。用清水沖洗也除不掉它，因為水與油不起作用；水就像從包覆油分的鴨子羽毛上一般，避開油汙而流走。

那麼，使油性黏附汙物不黏的唯一辦法，似乎是摧毀黏性的油分本身，然後汙物就會掉落，或者被液體沖走。

既然如此，讓我們把浴缸裝滿酒精、煤油或者汽油吧；它們都是油脂的良好溶劑，不是嗎？乾洗商就是這樣處理我們的髒衣服：他們在裝滿四氯乙烯（一種溶解油脂極有效率的有機溶劑）的大桶裡攪動。儘管是在很濕的液體裡攪和衣物，他們卻把這個過程叫做「乾」洗。但是還有另一種物質的效果也一樣好，而且毒性較低（據報導曾經有人用它漱口）：那就是肥皂。肥皂並不是真正溶解油脂。它完成驚人清潔作用的方式是誘使油脂進入水裡，以便油脂及被油脂捕捉的汙物可以被水沖走。

肥皂分子既長又細，它們絕大部分（先稱之為「尾巴」）是與油脂分子完全一樣的，因此它與油脂分子間具親和力。但是它們另一端（稱之為「頭部」）擁有一對帶電且很喜愛與水分子扯在一起的原子，就是這個頭部拉著整個肥皂分子進入水中――使肥皂溶解。如果一群肥皂分子在水裡游蕩時碰上微小的汙物顆粒，它們喜愛油脂的尾巴就抱住油脂，而它們喜愛水的頭部則仍然穩穩地扎在水裡。結果就是油脂被拉進水裡。而油脂捕獲的汙物顆粒就會脫離原來附著的東西，並被水沖走。

【知識補給站】肥皂可以讓水變得更濕？

肥皂的第二個重要作用是：使水更濕。也就是說，當我們正在洗滌時，肥皂有助於水進入物品的每一個細小縫隙。水分子間的互相凝聚力很強，所以，位在水面的水分子會受到強大的吸引力要進入水的內部。任何一群粒子所能形成的最緊密隊形就是聚集成球形；因為球形對外界暴露的面積最小。所以，只要在水不受干擾時，就總會形成球形水滴，例如落下的雨水（而這也是西部拓荒者將篷車圍成圓陣抵抗印第安人的原因；若組成的是方陣，那麼他們對外暴露的面積也會比較多）。這種將液體表面上的分子向內拉的力量叫做「表面張力」，它形成的原因是位在表面的分子與液體內部的分子處境不同。

位在液體內部的分子受到上、下與周圍所有分子的吸引力，而且這些吸引力互相抵消。但是位在表面的分子只受下方與周圍分子的吸引，而沒有上方的吸引力，所以產生不受來自上方吸引力抵消的向下淨吸引力。這使得表面的水分子比其他水分子更緊密附著於水，於是水就會像是穿上一層韌性的表皮。微小的物體甚至可以停留在水面，而不會穿透這層「皮」沉下去，小蟲甚至還可以在水面上快樂滑行。

該肥皂上場了！肥皂分子擠在水面附近，將喜愛水的頭部朝向水裡，喜愛油脂的尾部伸向水面，從而破壞水的表面張力。這干擾了水分子聚在一起的傾向，而且使它們附著並且濕潤漂浮在水面的異物，像是縫衣針（見本篇「趣味小實驗」），以及其他東西。

【趣味小實驗】

因為表面張力的緣故，你可以用兩隻牙籤或火柴棒將針輕輕平放在碗裡的水面上。

等縫衣針平躺在水面之後，在它周圍撒少許洗衣粉，但不要砸中縫衣針。因為洗衣粉比肥皂更能消滅表面張力，只要有一些洗衣粉溶化，縫衣針會立即沉到碗底。



◎為什麼沒辦法用高溫熔化鹽？

為什麼我能熔化糖，但是熔不了鹽？

誰說不能熔化鹽？如果溫度夠高，任何固體都會熔化。岩漿是熔化的岩石，不是嗎？如果想要熔化鹽，只需要把烤箱溫度調高到華氏1474度（攝氏801度），但這會使你的廚房泛出美麗的紅光。另外，烤箱要到華氏2700度（攝氏1480度）才會熔化。

當然，你的意思是熔化糖比鹽容易得多――也就是在低得多的溫度熔化。糖只要在華氏365度（攝氏185度）就會熔化。原因是什麼？這兩種常見的白色、碎粒狀廚房化學物有什麼大不同之處？它們都是純化合物，而且看來相似，但它們分屬兩個很不相同的化學國度。

已知的化合物超過一千一百萬種，而且各有各的獨特性質。為了努力弄懂這麼多的化合物而不至於完全發瘋（這個努力大部分是有效的），化學家開始把它們分成兩大類：有機物與無機物。

有機物是那些包含碳元素的化合物。它們大部分出現在活的生物或是像石油與煤之類曾經活過的生物裡。

無機物就是有機物之外的每一種化合物。大部分的食物、藥品以及屬於生物的東西――包括糖――都是有機物，然而所有的岩石與礦物――包括鹽――都是無機物。

如果可以對有機物與無機物的物理性質做單獨且無所不包的廣義敘述，那就是：有機物較柔軟，而無機物則較堅硬。原因是構成有機物的分子是電性中和的一群原子，然而構成無機物的分子通常是離子――帶電的一群原子。相反電荷之間的吸引力遠大於中性分子間的吸引力（強度約為兩倍到二十倍）。因此，無機物遠比有機物難以拆散（使粒子分開）。你或許曾注意到砍岩石比砍樹難得多。

那麼物質熔化時會發生什麼事？它其實就像拆散一種物質。分子因為熱而開始大量四處運動，最後它們會分開，並且繞過其他分子流動；於是物質變成流動的液體。明顯的是，鬆散的有機物分子應該能夠在較低的溫度就開始流動，原因是它們不需要那麼強的激擾以拆解它們。所以有機物通常比無機物在更低的溫度熔化。

糖（蔗糖）是由中性分子構成的有機物典型；鹽（氯化鈉）則是典型的無機物，它由鈉離子與氯離子構成。那麼，糖遠比鹽容易熔化就應該不令人意外了。

和其他每一件事一樣，道理都在分子。

【知識補給站】從固態熔成液態和從液態凝固成固態的溫度相同嗎？

如果每一種純化學物都有特定的溫度從固態熔成液態，那麼它有沒有特定的溫度從液態凝固成固態？

有的。事實上，這兩個溫度是相同的。

從液態凝固成固態的過程就是我們常說的「凍結」。當我們說水在華氏32度（攝氏0度）凍結，我們同樣可以說那是冰的熔點。它們相同的原因是：四處亂竄的液體分子必須減速到某一個能量，以便它們進入固態晶體裡永久、僵硬的位置；另一方面，它們必須被加熱到同樣數量的能量，以便掙脫它們僵硬的位置並開始液態流動。

所以，任何物質固態與液態間的熔化（凍結）都會涉及某一確定數量的能量。對純水而言，每公克的能量恰巧是80小卡。如果想熔化1公克的冰，就必須對它施加80小卡的熱；如果想凍結1公克的液態水，就必須抽走80小卡的熱。

為了與眾不同，化學家不把那個數量的熱叫做「熔化熱」或者「凍結熱」，他們把它叫做「熔解熱」。更糟的是，只要一種物質在室溫時是液態，而且我們必須冷卻後使它成為固態，人們就稱呼那個轉換的溫度是「凝固點」；然而如果物質在室溫時是固態，而且必須加熱再使它變成液態，人們就稱呼那個同樣的溫度是「熔點」。去抗議學術權威蛋頭吧。

【知識補給站】一個卡路里不是一個卡路里？

卡路里是能量的數量。雖然能量以許多可以互換的形式存在，但人類最熟悉的是熱，一個卡路里通常被認為是某一數量的熱。

但究竟是多少熱？你去問化學家會得到一個答案，但是去問營養學家就會得到另一個答案，而且兩者不算接近――其中一個「卡路里」是另一個的一千倍。這就好像一個人的公里是另一個人的公尺；為了解讀高速公路路標，你必須知道是誰寫的路標。

沒有跡象顯示化學家與營養學家會相互認同，他們都太堅持己見，所以世人只好使用兩種大小的卡路里。

化學家的卡路里，我們可以叫做小卡，是將1公克的水升高攝氏1度時所需的熱量。但是那是很少的熱量，所以營養學家使用大卡：將1公斤的水升高攝氏1度時所需的熱量。於是1個大卡等於1000個小卡。



◎為什麼總是有破不了的定律？

這可能是個笨問題：是什麼東西決定事情會不會發生？水會流向低處，但是不流向高處；我可以把糖溶在咖啡裡，但是如果我溶太多的糖，我卻無法把糖取出來；我可以引燃一枝火柴，但是無法使它復原……。有沒有宇宙律決定什麼可以發生與什麼不可以發生？

沒有所謂笨問題這回事。事實上，你的問題或許是整個科學裡最深奧的問題。儘管如此，它倒是有頗為單純的答案――這是說自從一個叫做喬賽亞．威拉德．吉布斯（Josiah Willard Gibbs）的天才在19世紀後期想通這回事之後。

答案就是在大自然的每一個地方都有兩個基本量之間的平衡――能量。你或許已經知道一些有關的事以及「熵」；你或許不知道（但很快就會知道）有關它的事。但某一件事會不會發生就是由這個平衡決定的。

某些事情可以自然發生，但是除非得到外來協助，反向的事不會發生。例如，我們可以藉著挑水或以幫浦打水來使水流向高處；如果真的想要的話，我們可以藉著蒸發水分，然後以化學方法分離糖與咖啡粉，就能取回溶在咖啡裡的糖；要使燒過的火柴頭復原就困難得多，但是只要有時間與設備，一群化學家或許可以從那些灰燼、煙與氣體間重建火柴頭。

重點是上面的每一個例子都需要許多的干預――從外界輸入能量。在完全不干預的情況下，大自然容許很多事情自然發生。但如果我們袖手旁觀，一直等到世界末日，其他事就永遠不會發生。大自然的底線就是如果能量與熵的平衡恰當，事情就會發生；如果不恰當，就不會發生。

讓我們先談能量，然後再解釋熵。

一般而言，如果可能的話，每樣東西都會試圖降低它的能量。瀑布上的水藉著下墜到底下的水塘而消除想要掙脫的位能（我們可以利用水下墜途中釋出的能量為我們推動水輪）。但水一旦進入水塘，至少就位能而言，它就「沒有能量」了。水無法再回到上面去。許多化學反應發生的原因也相似：化學物質藉著自發的轉變，自己成為含有能量較少的物質，以消除內部蓄積的能量。燃燒的火柴頭便是一個例子。

於是，在其他條件相同的時候，大自然的傾向是每樣東西如果能夠的話，就會降低能量。這是第一條規則。

但是降低能量只是使事情發生的一半原因；另一半原因是增加熵。熵只是一個比較炫的字眼，用來表示無秩序或混亂、事物渾沌無規律的安排。美式足球隊員在開球的時候排成有秩序的隊形（他們不是無秩序的），所以他們具有不高的熵值；但是在開球後，他們可能散布在整個球場，形成比較無秩序、熵值較高的排列。

構成一切物質的各個粒子（原子與分子也一樣），在任何時刻，它們可能處於有秩序的排列、處於極無秩序的一團亂或者兩者之間的某種排列。也就是說，它們可能具有從低到高不同數量的熵。

當其他條件（能量）相等的時候，大自然的天性是每一件事容易愈來愈混亂（也就是說，如果能夠的話，每件事都會增加它的熵）。所以，這便是第二條規則。只要熵的增加量足以補償而且有餘，就可能發生「不自然的」能量增加；或者只要能量的減少量足以補償而且有餘，就可能發生「不自然的」熵減少，懂嗎？

所以一件事情能不能在自然界天然發生（沒有外來的任何干預），主要就是能量規則與熵規則之間平衡的問題。

瀑布呢？水下墜的原因是能量大幅減少，在上面的水與在底下的水幾乎沒有熵的差別。這是一個由能量驅動的過程。

咖啡裡的糖呢？糖溶化是因為熵有大幅度增加，在咖啡裡游動的糖分子比整齊排列在糖晶體裡的糖分子更加無秩序。然而，固態的糖與溶解的糖幾乎沒有能量的差別（糖溶解的時候，咖啡不會變得更熱或更冷，會嗎？）。這是由熵驅動的過程。

燃燒的火柴呢？明顯地有大量的能量降低，蓄積的化學能以熱與光的形式釋出。但是也有大量增加的熵，翻騰的煙與氣體遠比緊緻的小小火柴頭更加無秩序。所以這個反應受到自然規則的雙重激勵，於是在你提供刺激性的摩擦時，它便立即迅速進行，同時受到能量與熵的驅動。

如果假設有一個過程裡，能量與熵這兩個物理量之一「走錯路」時怎麼辦？如果另一個量「走正路」，強大到足以克服錯路，那麼這個過程仍然可以發生。也就是說，只要熵增加量大到足以制衡能量增加，就可以增加能量。還有，只要能量減少量大到足以制衡熵減少，那麼就可以減少熵。

吉布斯所做的就是設想並且寫出「能─熵平衡」的方程式。如果某個過程用這個方程式得到的結果是負數，這就是大自然容許自然發生的；如果是正數，這個過程就是不可能自然發生的。絕對不可能。除非人類或者其他什麼東西從外界加進去能量而繞過規則。

如果使用的能量夠多，我們永遠可以克服大自然萬物偏向於無秩序的熵規則。例如，只要我們夠努力，我們就能夠一個原子一個原子地去蒐集那些溶解在地球海洋裡的1000萬噸、可以任人取用的黃金。但是這些黃金以混亂、難以置信的高熵狀態分布在3億2400萬立方英里（13億5000萬立方公里）的海洋裡。問題在於分離與純化這些黃金所需要的能量成本可能比黃金價值更高。

正符合他對於力學定律的狂熱，據說阿基米得說過：「給我一根夠長的槓桿與一個支點，我就能舉起整個地球。」如果他知道有熵與蘋果派，他可能會加一句：「給我夠多的能量，我就能使世界恢復蘋果派的美好秩序。」

◎肥皂如何辨別哪些是髒東西？

每當我們的身體、衣服，或是汽車沾上我們不喜歡的東西時，我們就說它們「髒了」，於是洗淨它們。我們所說的髒東西可能是任何東西。但是，肥皂似乎總是合我們意地除去髒東西，而且只除去髒東西。

肥皂這種神奇的物品似乎能夠辨認而且尊重我們的皮膚與我們珍惜的物品，同時又像只留下骨頭的禿鷹一般吞噬太陽之下的所有東西。天底下沒有這樣的神奇物質，而答案就在油與水的性質。說穿了很簡單，其實我們稱的「髒東西」――婉轉地說是「外來異物」――全都是油性的，或者是藉著油脂而黏在我們身上的東西；而肥皂則...

前言 原來如此！

【第1章 肥皂如何辨別哪些是髒東西？――關於居家生活的18個科學謎題】

01 │ 肥皂是如何製造的？
02 │ 肥皂如何辨別哪些是髒東西？
03 │ 水也有軟硬之分嗎？
04 │ 蠟燭燃燒後，蠟跑去哪裡了？
05 │ 藍色的火還是黃色的火適合烤肉？
06 │ 汽水為什麼不再冒泡泡？
07 │ 拿橡膠去加熱，結果會膨脹還是收縮？
08 │ 保溫瓶為什麼保熱又保冰？
09 │ 汽水一開瓶，竟然瞬間結冰！有可能嗎？
10 │ 冬天睡水床為什麼特別冷？
11 │ 香菸煙霧的顏色會由藍變白嗎？
12 │ 開香檳前一定要先搖一搖嗎？
13 │ 銀湯匙真的比不鏽鋼的好用嗎？
14 │ 做冰淇淋為什麼要用到鹽？
15 │ 淋浴時，為什麼水總是忽冷忽熱？
16 │ 為什麼用力甩體溫計才能讓水銀下降？
17 │ 電池為什麼沒電了？
18 │ 漂白劑為什麼能洗清髒汙卻保留白色？

【第2章 為什麼蛋愈煮愈硬？――關於廚房與烹調的18個科學謎題】

01 │ 爐火愈大，義大利麵能愈快煮熟嗎？
02 │ 煮開水，為什麼要蓋上鍋蓋？
03 │ 沸水中加鹽，水溫會升高？
04 │ 為什麼有些菜用細火慢燉特別好吃？
05 │ 為什麼焦糖的味道特別誘人？
06 │ 為什麼蛋愈煮愈硬，馬鈴薯愈煮愈軟？
07 │ 魚有紅色的血，為何魚肉不算紅肉？
08 │ 如何用奶油煎煮食物而不起油煙？
09 │ 小蘇打和發粉都算化學添加物嗎？
10 │ 為什麼沒辦法用高溫熔化鹽？
11 │ 微波爐是靠分子摩擦加熱嗎？
12 │ 什麼是猶太粗鹽？鹽也有異教徒嗎？
13 │ 天然海鹽真的比較美味及營養嗎？
14 │ 現磨的胡椒比較香，那鹽呢？
15 │ 兩杯糖可以溶於一杯水嗎？
16 │ 不沾鍋為什麼不沾？
17 │ 為什麼可以用糖或鹽保存食物？
18 │ 菠菜的鐵質可能多到被磁鐵吸住嗎？

【第3章 鴿子飛起來，車子會變輕嗎？――關於汽車的12個科學謎題】

01 │ 電池怕冷嗎？
02 │ 擋風玻璃被撞擊時為什麼會變成小碎片？
03 │ 有沒有可以徹底防止生鏽的辦法？
04 │ 汽車抗凍劑有用嗎？
05 │ 將細砂撒在結冰路面能防止汽車打滑嗎？
06 │ 為什麼下雪天要在馬路上撒鹽？
07 │ 為什麼鴨子游泳不會打濕羽毛？
08 │ 油為什麼可以潤滑？
09 │ 用打氣筒幫汽車輪胎打氣為何會這麼累？
10 │ 為何用打氣筒打氣，打氣嘴會變熱？
11 │ 一氧化碳跟二氧化碳有什麼不同？
12 │ 貨櫃車裡載的鴿子若飛起來，車會變輕嗎？

【第4章 果凍是用豬皮做的嗎？――關於市售商品的16個科學謎題】

01 │ 解凍盤的功效真有那麼神奇嗎？
02 │ 啤酒開瓶時，為什麼瓶口會產生煙霧？
03 │ 食物的熱量如何轉化為人體的能量？
04 │ 為什麼我們用玉米糖漿取代蔗糖？
05 │ 為什麼餅乾上面要有小孔？
06 │ 貼上冷敷包後為什麼會涼涼的？
07 │ 「凍傷」也算是一種「燙傷」嗎？
08 │ 磨碎的牡蠣殼可以做成好的鈣類補品嗎？
09 │ 味精為什麼能讓食物更美味？
10 │ 吃「帶血」的生牛排真的會吃到血嗎？
11 │ 瓶裝番茄醬要搖一搖才容易倒出來？
12 │ 為什麼食用油要添加氫？
13 │ 乾冰為什麼是乾的？
14 │ 果凍是豬皮做的嗎？
15 │ 為什麼魚會有腥味？
16 │ 不同酒類的酒精度是怎麼算出來的？

【第5章 蟋蟀先生，今天氣溫幾度？――關於戶外生活的18個科學謎題】

01 │ 為什麼海邊總會吹來徐徐涼風？
02 │ 為什麼湧向岸邊的波浪總與海岸線平行？
03 │ 為什麼中午的陽光最容易曬傷？
04 │ 能由樹蔭下的溫度算出馬路上的溫度嗎？
05 │ 自由女神像為什麼是綠色的？
06 │ 為何空氣是透明的？
07 │ 為什麼是用水銀柱的高度來計算壓力？
08 │ 為什麼晴天的雲是白的，雨天的是黑的？
09 │ 蟋蟀先生，今天氣溫幾度？
10 │ 為什麼玻璃做的溫室可以保暖？
11 │ 雪人怎麼不見了？
12 │ 為什麼快要下雪前，反而感覺比較暖和？
13 │ 人造雪是怎樣做出來的？
14 │ 為什麼雪可以做成雪球、堆成雪人？
15 │ 煙火為什麼會有這麼多種顏色？
16 │ 為什麼氣球會往天上飛？
17 │ 充滿氣的飛船如何克服熱脹冷縮？
18 │ 為什麼太空梭返回地球會遭到高溫洗禮？

【第6章 冰塊為什麼這麼吵？――關於水的14個科學謎題】

01 │ 流汗會比較涼是因為汗水被蒸發嗎？
02 │ 為什麼鐵板會沉而鐵殼船不會？
03 │ 魚是最好的潛水伕？
04 │ 魚會得潛水伕病嗎？
05 │ 為什麼肥皂泡泡是圓的？
06 │ 所有的液體都是濕的嗎？
07 │ 打個賭，熱水會先結冰？
08 │ 鐵達尼號沉了，為什麼冰山不會？
09 │ 為什麼「水會找到自己的水平面」？
10 │ 在紐約煮蛋會比在墨西哥市熟得快？
11 │ 暴風雨天燒開水，沸點會比較低嗎？
12 │ 為什麼溜冰會比跑步快這麼多？
13 │ 為什麼我們天生就知道水能滅火？
14 │ 冰塊為什麼這麼吵？

【第7章 胖原子如何減肥？――關於物理的13個科學謎題】

01 │ 紅外線是「光」還是「熱」？
02 │ 超人的 X 光眼睛為什麼看不透鉛？
03 │ 為什麼拿黃瓜片敷臉會涼涼的？
04 │ 愛因斯坦究竟想說什麼？
05 │ 胖原子如何減肥？
06 │ 為什麼磁石吸鐵卻不吸鋁或銅？
07 │ 天上掉下來的小石子會不會打傷人？
08 │ 原子和分子會永遠動個不停嗎？
09 │ 為什麼度量衡要改用公制？
10 │ 為什麼不同的東西輕重會不同？
11 │ 這是誰的 DNA ？
12 │ 能量也能夠回收再利用嗎？
13 │ 為什麼總是有破不了的定律？

前言 原來如此！

【第1章 肥皂如何辨別哪些是髒東西？――關於居家生活的18個科學謎題】

01 │ 肥皂是如何製造的？
02 │ 肥皂如何辨別哪些是髒東西？
03 │ 水也有軟硬之分嗎？
04 │ 蠟燭燃燒後，蠟跑去哪裡了？
05 │ 藍色的火還是黃色的火適合烤肉？
06 │ 汽水為什麼不再冒泡泡？
07 │ 拿橡膠去加熱，結果會膨脹還是收縮？
08 │ 保溫瓶為什麼保熱又保冰？
09 │ 汽水一開瓶，竟然瞬間結冰！有可能嗎？
10 │ 冬天睡水床為什麼特別冷？
11 │ 香菸煙霧的顏色會由藍變白嗎？
12 │ 開香檳前一定要先搖一搖嗎？
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