知識之海的閃亮圖鑑：從雪花到銀河系，給好奇者的入門書

〈雪花──寫在「來自天空的信」上的六角形祕密〉

「雪花，是一枚天上送來的信箋。」這是致力於研究雪與冰的物理學家中谷宇吉郎所說的話。

細小的冰晶在高空的低溫雲層中吸收水蒸氣後，就會形成雪花。1936 年，中谷先生模擬了雲層中的溫度和濕度，成功製造出全世界第一場人造雪。開頭那句話，意味著我們可以從雪花判讀氣象資訊。

雪花最具代表性的形狀，是有著六根放射狀分枝的樣子，但也有長得像小鼓，或是像針一樣細長的雪花，形狀各異，但基本上都是六邊形的。原因在於形成結晶時，水分子連結的方式。

水分子互相結合時，六邊形在結構上是最穩定的，以此為基礎所形成的雪花也才會是六邊形的。而冰晶在「長大」成為雪花的過程中，會受到氣溫和水蒸氣等周圍氣象條件影響，逐漸形成各種造型。

只要把雪花放在布上拍照，就可以仔細觀察它們的形狀了。不知道送到你手中的「信箋」上寫了些什麼？

〈晚霞──在不同星球上，有不同的色彩〉

照耀在大地的陽光，其實是沒有顏色的。但天空是藍的，晚霞是紅的，這些鮮豔的色彩究竟從何而來？

太陽光其實包含了許多顏色的光，光的色彩則取決於波長。如果某個粒子的半徑比光的波長小很多，它所造成的散射就稱為「瑞利散射」；如果半徑與光的波長差不多，這樣的粒子所造成的散射，就叫做「米氏散射」。

地球上看到的晚霞之所以偏紅，是瑞利散射造成的現象。傍晚時，太陽的位置降低，光在大氣層裡前進的距離拉長，微小粒子已在遠處將大部分藍光散射出去，能來到我們眼前的，就是剩下的紅光，我們也才會看見橘紅色的晚霞。

2015 年，NASA 公布了由無人探測車「火星科學實驗室」在火星拍攝的照片，那裡的夕陽，是藍色的。

與地球完全相反的「藍色晚霞」，是米氏散射造成的現象。火星的大氣層較薄，且包含許多微粒。這些微粒的半徑與紅光的波長相近，能充分散射紅光，所以才會留下藍光。

此外，正因為地球和火星擁有大氣層，才使得天空有不同色彩的變化；如果是月球這種沒有大氣層的星球，永遠只有夜空籠罩。

你希望自己居住的行星擁有什麼顏色的天空呢？

〈礦石收音機──用礦石分辨聲音的浪漫收訊器〉

所謂的「礦石收音機」，是利用礦石從電波中截取音訊的收音機。1888 年，德國物理學家赫茲（Heinrich Hertz）證明電磁波存在後不久，市面上便出現了礦石收音機。

以日本為例，礦石收音機是在 1925 至 1930 年代普及的，當時正是開始啟用電臺廣播的初期。政府為了打造全國任何角落都能用礦石收音機收聽廣播的環境，提出「全國礦石化」的口號，並加強了傳輸用的電波訊號。

礦石收音機的原理很單純，先是用天線接收在空中傳播的無線電波，轉換成電流後，利用方鉛礦、黃鐵礦、紅鋅礦等礦石進行整流並提取音訊，再用耳機轉換成聲音，就可以收聽廣播，不需要使用乾電池或其他電源。後來，隨著使用真空管和電晶體的高性能收音機問世，經常受到干擾的礦石收音機才逐漸消失。現在主要做為收藏品，或是由愛好者自行組裝玩賞。

透過礦石，將遍布在空氣中、肉眼不可見的電波轉譯成聲音，怎麼想都是非常浪漫的發明。

〈玻璃──固體還是液體？尚未解開的透明之謎〉

灰姑娘的玻璃鞋，為什麼過了12點卻沒有消失呢？

在提出這個問題前，更讓人好奇的是玻璃的「堅硬」。早在文明出現之前，人類與玻璃就已有了交情，但至今在科學上，仍未能完全釐清玻璃的這個謎。

一般來說，固態物質的原子會整齊排列成晶體，液態物質的原子則會到處跑來跑去，不會排列成晶體結構。而玻璃雖不具備晶體結構，卻是不折不扣的固體─也可說是「靜止的液體」。關於玻璃這項神奇的性質，至今仍有多項研究正在進行中。

沒有整齊的晶體結構，也是玻璃之所以透明的理由之一。如果原子整齊排列，結晶的交界處就會對光線產生折射或反射；正因為玻璃沒有規整的晶體結構，沒有折射或反射，光才能穿過去。

理所當然認為「堅硬且透明」的玻璃，要是用科學的角度來看，其結構可是很複雜的呢。

〈圖靈紋──長頸鹿正在分裂？用理論解釋動物身上的紋路〉

長頸鹿身上的網狀斑紋是怎麼形成的呢？1933年，日本物理學家平田森三認為，長頸鹿身上的紋路與乾涸的土地裂痕十分相似，於是主張長頸鹿的紋路是在成長過程中，因皮膚龜裂而產生的。不過這個說法在學界引起爭論，最後不了了之。

過了19年，英國數學家圖靈（Alan Turing）在1952年提出了預測自然界產生斑點與條紋的機制。圖靈認為，生物細胞內的化學反應，導致生物自行形成不同的圖案，此模式後來也稱為「圖靈紋」。而在後世的驗證裡，也重現了長頸鹿紋、斑馬紋、豹紋、熱帶魚條紋逐漸變化的情形。

圖靈紋的有趣之處，在於明明沒有設計圖，卻能自然呈現漂亮的紋路。雖然不是所有動植物的花紋都屬於圖靈紋，但這個概念對於解開動物演化之謎來說，仍然發揮了重要的功用。

〈拓撲學──即使扭曲也不會改變的圖形性質〉

如果聽到有人主張「馬克杯和甜甜圈的形狀相同」，想必會讓人很吃驚吧。但這其實就是拓撲學，又可意譯成「位相幾何學」。簡單來說，就是研究圖形和空間扭曲變形後，性質依然不變的幾何學。

請想像一只用陶土捏成的馬克杯，如果把杯身捏緊、與把手合體做成一個圓環，結果會怎樣呢？對，會變成甜甜圈的形狀。只要運用拓撲學的概念，在「有一個洞」這一點上，馬克杯和甜甜圈可說是形狀相同的物體。拓撲學就是以這種方式，藉由孔洞和紐結的數量、正反面的區別來分類圖形。

說到拓撲學，就不得不提到將一條紙帶扭轉後，兩端相連，形成沒有正反面之分、無始無終的「莫比烏斯環」。若將兩個莫比烏斯環的邊緣黏在一起，就能做出名叫「克萊因瓶」、沒有邊緣也沒有正反面之分的曲面。

這種擺脫常識、專注於追求圖形性質的拓撲學世界，是不是很有趣呢？

〈煉金術──魔術師鑽研的神祕與化學祕術〉

水是由氫和氧組成，凝固後會變成冰──這種研究物質反應和結構的學問稱為「化學」；若追溯化學的歷史，會發現它源於煉金術。

煉金術師可說是魔術師的一種，他們的目的是將「不完全的存在」變成「完全的存在」。具體來說，他們致力於將鐵、鉛等普通金屬變成黃金，或是發明能治百病的長生不老藥，並將能實現這一點的物質稱為「賢者之石」。

煉金術非常重視硫和汞這兩種元素。硫能將鐵變成金黃色（二硫化鐵），汞在常溫下則是銀色的液體，易於與其他金屬結合；硫象徵雄性與主動，汞則象徵雌性與被動，兩者是相反的存在。煉金術師認為，所有物質都是由汞和硫組成，熱中於結合二者、打造出賢者之石的「偉大功業」（Magnum Opus）。

現在人們已經知道煉金術充滿謬誤，但它的「失敗」卻造就了蒸餾技術、化學藥品、實驗器具等許多發明，對近代化學的發展貢獻良多。

〈萬有引力──萬物都會互相吸引！統一天與地的理論〉

前面提到的克卜勒定律雖然釐清了行星運行的規則，卻沒能說明為何有此現象──行星應該是受到太陽的某些影響才會公轉。而為克卜勒的推測賦予理論解釋的，正是物理學家牛頓。

1665 年，牛頓根據克卜勒提出的行星運行定律與自己發現的運動定律，推導出因蘋果而聞名的「萬有引力定律」，也就是「宇宙所有物體都會互相吸引」。如同蘋果受到地心引力吸引，月球也受到地球吸引。但月球之所以不會撞上地球，也不會飛向他方，是因為地球吸引月球的引力，和月球公轉的離心力互相平衡的緣故。同理，這個理論也能套用在繞著太陽公轉的地球和其他行星上。

這個定律的驚人之處在於，可用相同的理論說明天體運行和地上的現象。當時普遍認為由神主宰的宇宙，因此逐漸與人類居住的世界有了聯繫。