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瘾科学:锂离子电池


小姜上上个礼拜去工研院进行了一次访问,题材是「不会爆的锂离子电池」(猜薄膜喇叭的都猜错啦 XD)。不过在讲到怎么且止锂离子电池爆炸前,让我们先来了解一下锂离子电池的原理,以及为什么它会爆炸吧!

为什么用锂离子电池?

相较于其它种类的充电电池,锂离子电池有许多优点,这其中最重要的一个,就是它的能量密度。锂离子电池的电极一般是用锂化合物和石墨(纯碳)所构成,两者都是非常轻的材料,同时锂也是一个反应性非常强的元素,因此原子的键结中可以存放更多的能量。这两者相加,就意味着在现有的充电电池中,想拥有同样的蓄电量的话,锂离子电池是最轻的,适合手机、笔电、数字相机等随身物品使用。此外,锂离子没有记忆效应,也就是说锂离子电池不必先把电力放光才能再充电,而且蓄电量也不会太快减少,大约每个月减少 0.1% 的电力(算上保护回路的需求也才 5%,镍氢电池大约每个月减少 20%)。最后,它还可以历经数百次的充放电,依然生龙活虎。

但锂离子电池也有缺点。其中最主要的一个,就是它的总蓄电力(最大电量)会随着出厂时间增加而减少 -- 无论你用不用锂离子电池,出厂 2~3 年后电池的最大蓄电力都会大幅降低,甚至无法使用,因此「买了放着」是完全错误的做法。其次,锂离子电池很怕热,在高温的环境上最大蓄电量降低的效应会被加速,这部份后面会再补充。再者,锂离子电池也怕过放电,一但放电超过某个程度,电力可能会再也充不进去。当然,锂离子电池还有会爆炸的危险,这是大家都知道的。

为什么锂离子电池会爆炸?这要从它的化学性质谈起...

瘾科学:失败率超高的火星任务



一个新的礼拜,一张新的科学好图。只是为什么最近的好图都是以太空探险为主题,就不得而知了XD。

在火星周围一共有五个虚线的圈圈,最内圈是有可移动的探测机器人的任务,目前只有三个,分别是 Sojourner (Pathfinder)、Sprit 和 Opportunity。后两者于 2003 年发射,竟然到现在还在火星上活跃着,真是个非常了不起的成就。向外的第二圈是成功降落火星表面的任务,算上 Sojourner 的基地(所以这个任务有两个点),历来一共也才只有六个而已。其中苏联占了两个,美国占了四个。美国的前两个任务是维京 1 号2 号,是一组以寻找火星生命为目标的探测船,可惜因为科学家对收集来的数据有争议,最后得到的结论是「没有结论」。从此以后地球上的人们在好长一段时间内都失去了对火星的兴趣。最近重启的火星探测计划,打算从基础开始一步步的确认火星是否有支持地球类生物存在的可能,这部份以凤凰号任务寻找火星表面有没有水的存在起头,接下来则是有能力做更进一步完整分析的地表探测机器车 Mars Science Laboratory ,预计 2011 年底发射。

[全图]

瘾科学:逃脱重力井 - 50 年来离开地球轨道的太空任务



哈哈哈,标题订得很庞大,但其实只是一张出自 National Geographic 的图啦!在这张图上,每一次的太空任务皆用一条线表示,其中(这部份是根据我自已的判断,因为好像没有图说)浅黄色是成功的美国任务,深黄色是失败的美国任务;浅红色是成功的苏联任务,深红色是失败的苏联任务。以此类推,绿色系是欧洲太空总的任务,蓝色系是日本太空署的任务。

大部份的任务都集中在月球、金星和火星上。前往月球的任务总数是当仁不让的第一,共有 73 次之谱,其中代表阿波罗任务的那一系列浅黄色的线颇为耀眼。前往金星的任务共有 43 次,竟然比去火星的任务还多 3 次,只是似乎只有苏联对金星特别感兴趣,除了稀稀疏疏的 7 个美国任务外,其它都是苏联的任务。另一边,火星任务的失败率是出了名的高,所以火星周围的光环好像也特别暗淡。17 次成功对上 23 次失败,火星真是个烧钱的行星啊 XD,所幸近来的几个任务都很成功,为我们带来了不少新的科学信息。

离开内行星的探测卫星就少了,而且都是美国的天下。先锋 10 号、11 号和航海家 1 号、2 号先后拜访了木星,但先锋 10 号却没能继续前往土星,超越土星的行星天王星和海王星则只有航海家 2 号拜访过。这四颗探测卫星是目前最远离地球的人造物体,下面的图上可以看到它们在太阳系中的相对距离。以固定行星为目标的探测卫星还有前往木星的伽利略号和前往土星的卡西尼号,其中伽利略号在完全任务后撞毁于木星,卡西尼号则还在土星轨道上努力工作着。最后一个前往外行星的探测卫星是「新地平线号(New Horizons)」,2006 年初发射的它,短短两年多就已经冲过了土星的轨道,目前在土星和天王星之间,预计 2015 年抵达目标冥王星。

其它任务包括两次前往水星、9 次前往太阳(应该说是以太阳为任务目标)、还有 17 次前往小行星或彗星。我们目前对太阳系的了解大多来自于这些探测任务,但是除了火星、木星和土星外,大部份的任务都是在上一世纪 60、70 年代,太空探险的黄金时代进行的。不知道什么时候人类才能重拾太空探险时代的雄心,为这张图再多增添几个圈圈?

[大张的图 ]

瘾科学:下一个足以比肩登月的成就是什么?



这个礼拜,我们庆祝了人类登月四十周年。在缅怀前人的勇气、精神和成就的同时,我们不禁要扪心自问:在这四十年间科技进步了这么多,但我们做了什么事情, 能和当年登月的成就相比?有什么事,是我们可以大声的对先辈们说「你看,我们一点也不比你们差」?Popular Science 提出了五个或可比肩登月的「成就」,这五个都是要政治、经济、科学,和最重要的,一般民众的鼎力支持才有可能成功,一如当年的登月计划。从肯尼迪总统提 出,到人类终于站上月球花了约十年,因此我们也以十年为期,探讨这些成就达成的可能性。

只能说,前途漫漫啊...

瘾科学:哈勃太空望远镜(下)



下集从 1993 年哈勃终于修复完成开始说起,来谈哈勃太空望远镜的太空观测与重要贡献。上集由此去

哈勃处在相当低的轨道,离地仅 559 公里。之所以在这么低的轨道,是为了要方便航天飞机在未来进行维修工作(事实证明这是个正确的决定),而且目前为止已经进行过四次的维修任务,而第五次则是正在进行中。但是哈勃的低轨道,也意味着哈勃的观测作业会受到各式各样的限制 -- 在一边是地球,不仅被地球遮到的物体无法观测,地球反射的太阳光也会对哈勃造成类似「光害」的效果,因此地球周围一定范围内的太空观测效果也会打折扣。另一边是太阳,和地球一样,太阳周围也有一大块的范围是无法观测的。除了太阳和地球之外,月球偶尔也会出现来露个脸,但随着月相的变化,月球对哈勃观测的影响也是不定的。因此,哈勃只有在远离黄道面,朝向上方(大约是地球的北方)和下方(南方)两个方向才能持续地观测。其它方向就算没有太阳和月球捣乱,每一圈轨道(96~97 分钟)都会有一半的时间是被地球遮着的。

除了这些天文上的因素的限制外,哈勃本身的低轨道意味着哈勃会持续和大气磨擦。磨擦的力道很小,但却会让哈勃的轨道飘浮不定,六个礼拜(一个半月)的预估位置可以误差到 4000 公里以上。因此哈勃的观测都是几天前才预定的,太早设计好观测计划,反而可能时间到了会刚好被什么挡到。

哈勃还有一个很奇妙的额外限制,就是通过南大西洋上空时也无法观测。这是因为范艾伦幅射带刚好在这里碰触到地球的上层大气,如果开启观测仪器的话,很容易不小心把仪器给烧了。

瘾科学:比贵金属更稀有


传统上以来,金、银、铂等金属因为不容易氧化、变性,因此被当作是重要的货币和交易媒介。但随着科技发展,不仅这些金属找到了新的用途,许多本来用途不大或用途不明的金属也渐渐进入了我们的视野。现代的「贵」金属是什么?New Scientist 整理了一张图,告诉我们几种在现代科技中占大头的元素,大约在地球上还有多少存量 -- 相较之下,石油算是存量丰富的了 @@。

图中的棒子中,靠外侧的浅色棒子是依现行消耗速度的存量,而内侧的深色棒子是依照美国消耗速度的一半来计算的存量。实际上的数字大约会介于这两者之间,因为开发中国家在未来几年会继续发展,所以要维持现状是不现实的,但大概也很难到美国消耗量的一半。同时,这个估计值是照着现有的技术计算的,当新的技术出来后,可能会有某些元素的消耗量增加,某些会减少。

瘾科学:无中子核融合



因为核融合那篇出乎意料之外的热门,而且很多人都有提到钢弹里的氦3 - 氘反应和「米诺夫斯基物理学(呃...)」,所以小姜就特地查了一下数据。看看这两者有没有科学真实性的存在。显然的米诺夫斯基粒子(和延伸而来的 I-Field、米加粒子)完全是虚构的,但氦3 - 氘反应却是非常真实的一个存在,是几种称为「无中子核融合(Aneutronic Fusion)」反应中的一种。先前提到过最容易实现的 D-T 反应和 D-D 反应的产物中都有中子,因而各有各的安全顾虑 -- D-D (氘-氘)反应会产生中子轰炸周围的材料,使周围的材料幅射化,而 D-T (氘-氚)反应除了同样会产生中子之外,氚还有幅射性。相较之外,无中子核融合追求的是不仅原料没有幅射性,反应本身也不会产生中子,成为完全「干净」的核融合。

然而,美好的事物通常只存在于纸上...

瘾科学:核融合


就当这是科幻与现实的番外篇吧!只是好像核融合比较接近现实一点 :p。

现代的核电厂使用的发电技术,称为「核分裂」,是利用中子撞击一颗重原子(通常为铀或钸)后,重原子会「分裂」成两颗轻的原子,并在过程中放出能量。核融合则是相反的过程,将两颗轻的原子核对撞后,形成一颗较重的原子,并在过程中放出能量。不论哪一种,能量的来源都是核反应的过程中减少的质量,透过爱老的著名公式 E=mc² 转换。

核分裂技术最早在 1940 年代初试验成功,1954 年苏联就有第一个核能发电厂在运转了。相较之下,核融合(亦称核聚变)技术大约在 1950 年代初试验成功,但直到五十多年后的今天,仍然是个近在眼前,却构之不及的梦想。核融合技术到底是为什么这么吸引人?为什么经过这么久的研究还没有个结果?

科幻与现实:终章



终章要来谈什么呢?就来谈谈科幻本身吧!科幻小说和幻想小说最大的不同,就是幻想小说给我们的是一个「不可能」的世界,而科幻小说给我们的,却是个「不可行」的世界。不可行只是暂时的 -- 很多时候是某种新发现的科学原理,或是某种新技术,就能让从前的不可行,变成可行。从某些程度上来说,科幻小说就像是一部预言书,小说的作者用合理的方式,预言出一个未来,去推测未来这些技术成熟后,对人类、对世界的影响。而事实证明,这些预言不仅很多都已经成真,甚至有更多,是因为科幻小说里提过某些概念,才有人去真的将它实现出来的。

最早期科幻小说和幻想小说的分界是很模糊不清的,毕竟对以前的作家来说,「科学」和炼金术差不多,都和魔法没两样吧?一千零一夜里有些故事或许可以归类为很早期的科幻小品,还有像格列弗游记这种努力将幻想的元素合理化的小说。进了现代科学的年代里,才有真正可以安全的「科幻」这个名词的作品,其中的第一部大概是刻卜勒的作品 Somnium,于 1634 年出版。刻卜勒并没有打算写一部科幻小说 -- Somnium 的故事旨在描述一位观察者站在月球上观察地球时的景像,用以解释地动说,但因为刻卜勒还加了一点故事描述人是怎么到月球上的(做了个梦),所以被当成是现代科幻小说的开山始祖。

第一部严格定义的科幻「小说」,一般认为是英国作家 Mary Shelley(女生喔~)在 1818 年出版的名作科学怪人(Frankenstein)。科学怪人横跨了很多领域:恐怖故事、疯狂科学家、人体实验、创造生命,而且带有很重的道德与社会批判成份 -- 这其中很多都是未来科幻小说中一再出现的元素。(补充一提,英文的书名 Frankenstein 指的是那个疯狂科学家,不是他创造出来的科学怪人。科学怪人从头到尾都没有名字。)有趣的是,Mary Shelley 还写了另一本小说 The Last Man,讲的是全世界遭受瘟疫,故事中的主角们一个一个死去,只剩下最后一个人的故事。在现代看来这是个老掉牙的剧情(但多少是票房保证),但当时竟然卖得非常不好,被批评的一文不值。不知道那些评论家到了现代看到我们的这些灾难片,会不会晕倒?

瘾科学:飞机为什么会飞?



「这个我知道!高中有学过嘛,就是因为机翼的形状的关系,气流从上面流过必须要走比从下面流过长的距离,但最后上下气流又必须在机翼后缘汇合,因此机翼上侧的气流势必要比较快。依照伯努力定律,流速快的流体气压低,所以机翼上方就会产生一个底低压区,将飞机整个向上拉!这就是飞机会飞的原理啰~」

或至少,高中是这么学的。如果真的是这样的话,小姜就不用费事特地写一篇瘾科学啰 XD。仔细的想一想,就会发现一些疑点。举例来说,为什么机翼要做成前面厚,后面薄的形状?如果真的只要上面流过的的路径长就有升力的话,那中间厚,前后薄应该也能飞啊?后面厚也可以啊?为什么一定要前面厚?而且,如果真的是这样的话,飞机只要在跑道上一直加速,就会自动飞起来了,为什么要在最后有拉高机头「起飞」的动作?还有,为什么伸出去的襟翼(起飞降落时从机翼上伸出去的那几片额外的翼面)是渐次往下倾斜的?依照上面的原理,伸出去的襟翼是平的就好了啊?

显然的,一定哪里有问题...

科幻与现实:时光旅行



为什么空间的三个次元,我们都可以自由来回,只有时间是单向的?时间的本质困扰了科学家和哲学家有多久,幻想时光旅行的故事和小说就有多久的历史。早期的时光旅行小说很少有直接「穿越」的故事(跟近代的趋势很不一样,近几年网络小说里穿越的故事多到连理由都省了),像 Samuel Madden 在 1783 年所著的 Memoirs of the Twentieth Century(二十世纪回忆录)里是一位天使从 1998 年带了当时的文件给一位英国大使的故事,法国人 Louis-Sébastien Mercier 所著的 L'An 2440, rêve s'il en fût jamais (2440 年,一个似有若无的梦)和不知名人士的 Missing One's Coach: An Anachronism (错失马车:一个时代错误的故事)两个 19 世纪的故事,都是在梦中时光旅行的,只是一个是到了未来,一个是到了过去。

但是真正将时光机、时光旅行等概念介绍给大众的名作,就是 H.G. Wells 于 1895 年的大作 The Time Machine(时光机器),这部小说并没有试着在能对人类产生任何影响的时轴内操作(第一次跳跃就到了 802,701 年,接着又跳到了 3000 万年后),从而避开了后人很爱玩的因果问题。接下来时光旅行就成了科幻小说的固定原素,从星舰迷航记到回未来,再到超人(他绕着地球转,让时光倒流!),都免不了利用一下这个原素。

问题是,在科学上,时光旅行是可行的吗?

瘾科学:庆祝 π 日!


其实... Pi 的是 3 月 14 号(看得出来为什么吧 XD),也就是上个礼拜六,但小姜整个周末都忙着玩全军破敌,倒忘了这回事了 ^^"。小姜会想写这篇,是因为美国国会通过一项提案,定 3/14 日为国家 Pi 日,要求所有的学校必须在这一天进行以数字教学为主的活动,并且以「派」做为这个节日的主要食物。既然人家这么看重这个节日,那小姜也来共襄盛举一下吧~

Pi(音「拍」,希腊字母为 π)代表的是圆周率,也就是一个圆的周长和直径之间的比例。Pi 是一个无理数,即它不能用两个整数之间的比例来表示,同时 Pi 也是个超越数,即它不能用任何有限项的数学式来表示。正因为 Pi 的这两个特性,使得 Pi 的小数字计算非常得困难,长久以来,算出圆周率的准确值就变成了一种挑战,即使我们现在知道的位数之多,已经远超越了有实用价值的范围,还是不时地会听到有人宣称小数字又推进到了几位了云云。

继续和小姜一起来看 Pi 的奇闻轶事吧!

科幻与现实:永动机



艾西莫夫有部小说 The Gods Themselves,虽然内容主线不是在说永动机,但当中的主线题材称做 Electron Pump,可以无中生有的产生出能量来,从某些程度上和永动机有着异曲同工之妙。Electron Pump 为它的发明人带来了名声和财富,但最后却发现这些「无中生有」的能量其实是在另一个平行宇宙过来的,在一串连锁反应后,最终会让我们的太阳超新星爆炸。

没人知道永动机究竟存不存在,或是真的造出来了,会有什么影响。但关于永动机最永恒不变的事,大概就是人们永远不会停止尝试吧 XD。记得最近的一个例子就是 Steorn 的 Orbo,曾经宣腾一时,结果最后还是无疾而终(但他们显然没放弃)。从科学上来说,永动机被认为是不可能的 -- 在科学上讲不可能不是件好事,因为这会阻止进步,但在永动机的例子中,要让永动机在科学上实现,要破坏的物理定律太多了,以至于只要有一个确定的永动机出现,物理学就要全部重写的地步。

让 永动机无法实现的科学原因主要有两个:热力学的第一定律(能量守恒)表明了在一个封闭的系统内,不会无缘无故地冒出新的能量来,而热力学的第二定律则表明 了任何系统内的熵只能增加,即在没有外界输入能源、能量的情况下,粒子最终都会慢慢停止,直到所有的粒子携带的能量相同 -- 没有能量差,自然就无法产生功了。

科幻与现实:前进,宇宙!



在科幻小说里,人类是注定要上太空的,无论是因为地球的生存空间不够,还是人类内心深处的那种探索未知的欲望。然而现实世界的人类只能勉强到月球上而已,而且近四十年来都没有再回去过,只能在离地数百公里的近地轨道中徘徊,但如果这个系列告诉了我们什么的话,那就是科幻小说差不多是世上最准的预言书了,因此小姜并不怀疑人类会有「Boldly go where no one has gone before」的一天。

打造一艘宇宙飞船对现在的科技来说挑战还是太多了,从动力系统,到维生,到通讯,到乘客的生理心理健康,有非常多的面向可以讨论,但小姜准备把重点放在动力系统上,因为相较之下其它的都还算好解决,或甚至可以说动力系统如果够好的话,其它几样的相对负担就会低得多(想象一下飞机上和船上的乘客对食物的需求量)。目前人类已经掌握技术和理论上可行,但尚未掌握的推进技术有许多种,但在谈这些技术前,小姜想先分析一下从地球到宇宙的尽头,所需要的四种不同的宇宙飞船:

第 一种(I),是爬出地球的重力井,进入宇宙所要用的宇宙飞船,也是目前大部份在用的宇宙飞船。这个部份要求的是强大的瞬间爆发力,将飞行载具加速到地球的脱逃速率。技术上,目前的主流是化学能的火箭 -- 无论是从地面直接发射,还是靠飞机 带到大气层上缘,再用火箭飞完剩余的部份 -- 但用化学能不仅危险(基本上就是把自已绑在颗大炸弹上),而且准备这些燃料在资源上是很大的浪费。但这部份是非做不可的,只有当人类在外层空间建立了桥头堡之后,才有可能从比较浅的重力井中获得进一步发展的原料。目前听起来化学能火箭最可行的替代方案有两个,一个是太空电梯,另一个是电磁炮。

第二种(II),是在太阳系内使用的宇宙飞船。短时间的爆发力在这里帮助不大,这种宇宙飞船需要有一定的速度,但也不须要太高。虽然化学能在这里是能使用的,但在初始的加速后,接下来大部份的时间宇宙飞船都在定速滑行,并不是很有效率。现行的技术前往太阳系各处都要数年到十数年的时间不等,但随着科技的进步,希望这个数字可以降低到数周,最多不超过数个月。

第三种(III),是前往邻近的星球。这类的宇宙飞船动力最好是要能持续提供的,以维持固定的加速,而且宇宙飞船本身还要有减速的能力,并在抵达目的地之后,还要能回头。

第四种(IV),是星际旅行,直到宇宙的尽头。这种就无所谓了,引擎开到底,冲吧!

瘾科学:飞机 vs 鸟



飞机在天上飞,鸟也在天上飞,但是鸟是不听塔台指挥的,所以两个撞在一起似乎是总有一天要发生的事情。史上第一起飞机撞鸟的事件,是 1905 年奥维尔.莱特在追一群鸟玩的时候,不小心撞死了一只,时至今日,鸟击算是非常频繁的, 2003 年一年美国空军就列出了 4300 起鸟击事件,民航业 5900 起,还要再加上没有回报的小型飞机事件,估计是民航业的四倍以上。

飞机正面的任何方向都有可能受到鸟击。 现代飞机的设计是机身的任何部份都要能承受重 2.8kg 的鸟的撞击,机尾要能承受重 5.6kg 的鸟的撞击,挡风玻璃则是在 2.8kg 的要求外,还再加上一个不能产生破片。但不消说,鸟能撞到的各种位置中,最危险的就是吸进引擎了。



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