 雨後經常可以看到的彩虹,是因為空中飄浮的小水滴就像一個個的球形透鏡,陽光射入水滴後,經過折射、反射再折射出來,進到我們的眼睛。本來的白光進入水滴後,會像牛頓的三稜鏡實驗一樣,因為折射而分成不同的色光,所以彩虹才有不同的顏色。
但是如果空氣中佈滿水滴,為什麼我們只看到一道彩虹,而不是到處都有彩虹呢?這是因為光線入射水珠的位置,只有一個角度會讓折射出的光線強度最大(見圖A)。這就是解讀彩虹現象的最基本原理:入射光和眼睛見到色光的視線間有一個固定的夾角。
因此,並不是只有空中某些特別的水珠會產生彩虹,而是只有在特定角度的水珠所折射出來的色光才能進到我們的眼睛。這個角度和不同色光的折射率有關,例如紅光的折射率較小,夾角較大(約42°13');反之,紫光折射率小,夾角就較小(約40°30'),這就造成紅色在上、紫色在下的彩虹。
因為陽光是平行入射,由上述原理和「平行線同位角相等」的定理,進到眼中的色光會因為空氣中的水珠層厚度的增加而加強,這就是為什麼大雨後的彩虹較清楚、小雨後的較淡薄的原因。
由於基本原理中固定夾角的限制,當太陽在我們頭上時(例如正午),折射的光線進不到眼睛,所以看不到彩虹。必須到約下午4點以後,彩虹才會在山巒或城市的天際線上出現,而且隨著時間越接近傍晚,彩虹的位置會越高,這也是基本原理的應用。
根據同樣的原理,考慮以通過眼睛平行於入射陽光之直線為轉軸,旋轉在你眼中造成彩虹的入射光線,這時進到你眼睛的折射色光,會轉出一個圓錐面。如果入射光不平行於地面(例如下午4點時),這個圓錐面投射到我們眼裡,看起來只是一段短圓弧。但是到了傍晚陽光平行於地面時,我們眼中的彩虹,就幾乎是正半圓(見圖B)。關於如何利用微積分推導彩虹基本原理,可參看下述網頁:http://episte.math.ntu.edu.tw/articles/mm/ mm_13_2_15/index.html。
大家記憶裡最深刻、最令人讚歎的彩虹,都發生在大雨後的傍晚,顏色分明的一道彩虹,圓圓高掛在天邊,從一座山跨到另一座山。看過上面的說明,讀者應該能夠自行解釋了吧。
彩虹是非常有趣的哲學對象,既不真的存在於外界,也不只是人類心靈的想像,它是主客互動的產物。下次和友人看到彩虹時,請記得你們共享的是空靈大氣、好風好雨;至於彩虹,是無法共享的。
我們僅利用大腦1/10的潛能嗎?
加拿大西門菲沙大學腦行為實驗室的拜爾斯坦回答如下:
或許這不是什麼令人興奮的消息,不過神經科學家並沒有發現我們的大腦還有什麼未利用的資源可供我們再開發。此外,由美國國家研究委員會的一個研究小組,在探討多種自我提升的方法後認為,要提升自我潛能除了不斷磨練與苦幹外,想依賴所謂的「腦激發」是無法在人生的道路上出人頭地的。
為何神經科學家會如此斷定,人腦的90%不可能是屬於尚未開發的處女地?首先,腦組織就像身體中的其他器官一樣,是受天擇的演化法則所塑造。從新陳代謝的觀點而言,腦組織的成長與運作是極耗費能量的;可想而知,若讓一個如此龐大的資源空轉而毫無利用價值,有違生物的演化定律。
同時這假說也被臨床腦神經學家所質疑。別說90%,即使是因為意外或是腦病變而失去少部份的腦,也可能會產生毀滅性的結果。不管人腦的任何一部位遭到創傷或是腦中風,多少會影響到患者的某個官能運作之不足。同樣地,若在腦神經外科手術中,以少量電刺激腦的某一部位,則會發現沒有一個腦區域會不對刺激做出知覺、感官或運動方面的生理反應(這可在清醒的病患身上僅處理局部麻醉來操作,因為人腦無痛覺受器)。研究人員利用腦電圖、腦磁圖、正子斷層掃描或是功能性磁振造影技術,已成功勾勒出負責各種心理功能的腦區與系統。在從事動物實驗或是少數的病人治療過程中,這些電極尚可深植腦部,但這些詳細的勘測在在顯示腦部不存有任何未開發的新區域。
毫無疑問的,「我們僅利用大腦1/10潛能」的論調,是激發人們更積極創造與生產的原動力,這並不是壞事。這說法所產生的慰藉、鼓舞與希望,可以解釋它存在的持久性;但是如同眾多具鼓舞性的迷思,事件的真相往往是最不重要的觀點。(陳景宗 譯)
美國加州聖地牙哥市的索爾問:
要怎麼量地球的體重呢?
美國密蘇里州華盛頓大學地球及行星科學系副教授維瑟遜(Michael Wysession)回答如下:
我想這位讀者真正要問的是地球的質量,而不是重量。不過,我們還是可以用平常放在浴室的體重計來解決這個問題。
在物理學中,往往相當複雜的問題,可以用簡單的方程式很貼切地描述。要決定地球的質量,我們可以用這個方程式:
g=G ×(地球質量)÷(到地心的距離)2
重力所造成的物體加速度,稱為g,是由造成引力的物體之質量所決定。經過數十年仔細的測量,我們知道重力常數G的大小是6.67 × 10-11(m3 kg-1 s-2 ;其中m代表公尺,kg代表公斤,而s代表秒。我們也知道站在地球表面的人,與地心的距離是6371公里。
要解決這個問題,你可以把你的浴室體重計丟出窗外,並測量它摔到地面前經過了多少秒。然後量出由窗戶到地面的距離,如此便能計算體重計的加速度。你得到的答案會是9.8公尺每秒平方。知道這個g值的大小,以及G 常數和到地心的距離,你就能計算地球的質量,約為6 × 1024 公斤。(況且,你從此再也不必為體重計帶來的壞消息所苦惱了。)(傅宗玫 譯)
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【本文轉載自科學人2004年7月號】
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