《科學探索》奧秘匕首

曾耀寰(中研院天文所) |2008.03.09
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「『這片刀鋒』,帕迪西說,一面還用湯匙的把手碰碰刀鋒,『能切開世界上所有物質』…威爾手握著匕首,感覺湯匙把手的尖端微微抗拒,接著湯匙就被切開了。」,這匕首是奇幻小說黑暗元素三部曲之二的奧秘匕首,是一把看似普通的短劍,有兩面刀鋒,其中一面如故事中的匕首人帕迪西所描述,是無堅不摧的,即便是倚天劍和屠龍刀都較之遜色。

一把匕首要夠鋒利,要能切割物質,刀鋒一定要夠薄,如果只是夠堅硬,那也只是把物質擊碎,使之分解,若要像庖丁解牛,讓刀鋒在牛骨、經脈之間的縫隙遊刃餘地,那刀鋒得薄過縫隙。同樣地,奧秘匕首真能切開世界上所有物質,那就得能在最小的縫隙間穿過。

物質間的最小縫隙有多窄?我們先瞭解一下最小物質的結構,也就是原子的結構。希臘哲人德模克利特提出物質不可分割的原子論,到了19世紀末,才真正觸及到原子的科學研究,1897年湯姆森的陰極管實驗發現了看不見的電子,他提出布丁模型解釋原子的結構,認為原子就像一客布丁,電子像葡萄乾埋在直徑10-8公分(定義為一埃)的布丁原子內。但拉賽福用微小粒子(氦原子核)撞擊金箔,卻發現大部分的粒子會穿透,少部分會反彈回來,從穿透和反彈粒子的數量比,推算原子應該像太陽系一樣,中心是較重的原子核,帶有正電荷,負電荷的電子像行星一樣繞著原子核轉(如圖)。

拉賽福認為原子內充滿了縫隙,原子大小約10-8公分,而原子核只有原子的一萬分之一。想像一個長寬高各一百公尺的超大玻璃箱是一顆原子,原子核只是當中的一顆直徑一公分的玻璃彈珠,玻璃箱內除了少數更小的電子彈珠到處亂竄,其他都是空虛的。所有的物質都是由這種原子結構所組成的,不同物質的差別只在原子核的大小以及電子的多寡,可以想見物質內有多大的空洞!如果奧秘匕首的刀鋒薄過原子,就可以像《奧秘匕首》小說主角人物威爾,「把心思專注在匕首尖端,它就找到那個縫隙。在空氣中一路感受,直到你感覺到是世上最小的縫隙。」

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