【推舊文】《進擊的巨人》物理學（下）：巨人的密度和科幻的意義

編按：在上一篇文章「《進擊的巨人》物理學（上）：變身巨人的那一刻就註定了人類的勝利？」討論了如果巨人和人類等密度的話，可能不只會被自己的體重壓垮，還會引發全球的能源危機！這次就讓我們來討論，如果巨人質量不變，他的密度又是多少呢？

指數比巨人更恐怖

在我們的世界中，以現在人類對大自然的科學知識，還沒有辦法進行高維度的物質傳送。因此就必須要憑空產生出額外的物質，無可避免地用到愛因思坦的質能互換定律 E=mc2。可是，這又會引起另一個問題：產生質量的能量太過龐大。這是因為質量與高度立方成正比，所以變出越來越高大的巨人所需的能源是以指數上升的。

讓我來說個比巨人更恐怖的故事。從前有個國王想要賞賜黃金萬貫給他的大臣。其中一位大臣說，我不要黃金萬貫，只要一個棋盤，第一個方格上放一粒米，希望國王能夠答應每天賞賜比前一格多一倍的米就足夠了。國王聽了說沒問題，這不太簡單了麼，我國糧食儲備十年也吃不完！就著人給了這位大臣第一天的賞賜：一粒米。

第二天，大臣來領賞賜，於是拿到了第一天的兩倍：兩粒米。第三天，四粒。第四天，八粒。第五天，十六粒。就這樣，大臣每天都來領米，國王覺得這位大臣真的傻了，有黃金萬貫不要，只要區區的幾粒米！

過了三個禮拜，負責糧倉的官員來找國王，說大事不妙了，我們快沒有糧食了。國王就問，怎麼可能？我們的儲備十年也吃不完啊！官員就說，沒錯，第一個禮拜，大臣只拿到了兩百五十四粒米，可是第二個禮拜就已經三萬二千七百六十六粒了。今天，他剛拿走了二百零九萬七千一百五十二粒米，總計已拿了四百一十九萬四千三百零二粒米了。棋盤有六十四格，可只是到了一半即第三十二天，他就會拿到共八十五億八千九百九十三萬四千五百九十粒米！到了最後一天，我們就得給他總共三千六百八十九京三千四百八十八兆一千四百七十四億一千九百一十萬三千二百三十粒米！

然後國王就被嚇死了，這就是指數的力量。

我們世界裡的巨人 竟然會比空氣密度更低？

延續著上一篇文章「《進擊的巨人》物理學（上）：變身巨人的那一刻就註定了人類的勝利？」的討論，就讓我們看看巨人究竟有多重吧！

《進擊的巨人》的作者諫山創也曾想過巨人如果與一般人類密度相同是否會太重的問題。於是在漫畫之中，也曾明示過「巨人比想像中輕」。

60 米高的超大型巨人身高是 1.7 米高的人類的 60/1.7=35.29 倍，即約 2 的 5 次方多一點。再把這數字立方，即是 2 的 15 次方，即是國王故事裡差不多兩個禮拜的倍數，大約就是幾萬。可是，E=mc2 帶來的能源問題，並不是把巨人變輕一點點、或者輕幾倍、幾十倍就能解決的。這是因為光速實在太快了：使用國際單位制時，光速的數值是 3 後面跟 8 個零。所以，即是變出每 1 公斤的質量，就需要 E=(1)c2，即 9 後面跟 16 個零這麼多的能量。

所以，我們不要忘了還有 c2 這個因子，因此我們必須再在幾萬後面補上 16 個零（還要乘 9），得到的就是有 20 個零以上的天文數字了。我們就算有 20 個零好了，就算你把超大型巨人變得「比想像中輕十萬倍」，也還有 15 個零。

結論是，我們的現實中沒有高維度物質傳送，也不可能用 E=mc2 去變出巨人。所以這次我們就不是假設密度不變，而是質量不變。跟上次一樣，我們只要使用密度=質量／體積，就能夠計算出各種巨人的密度。

對於一個 3 米級的巨人，其體積是一個 1.7 米高的人類的 5.5 倍。如果要維持質量不變，那麼 3 米級巨人的密度就是人類的 1/5.5=0.18，即是只有人類的18%。以人類平均密度大約為 0.95 g/cc 去計算（g/cc 即是每立方厘米克），3 米級巨人的密度就是每平方米 0.17 g/cc。順帶一提，一個大氣壓力下、攝氏 15 度的水的密度是 1 g/cc，這就是為什麼人體是會浮在水面上的原因。而巨人受到的浮力就更加強了，想潛水基本上是不太可能的。

那麼 15 米級的巨人呢？體積是人類的 687 倍，密度是人類的 0.1%，即是 0.0014 g/cc。一個大氣壓力下、攝氏 15 度的大氣密度是 0.0012 g/cc，所以 15 米級巨人的密度原來跟空氣差不多，被其打中應該就像颱風時站在街上的感覺吧⋯⋯

最後，當然少不了大家最關心的超大型巨人了。體積是人類的 44,000 倍，密度就只有人類的 0.0022%，即 0.00002 g/cc。這不就是只有大氣密度的 1.8% 嘛⋯⋯這樣的話，如果超大型巨人真的出現，我們頂多也只會看見一團非常輕薄的肉色氣團，被打中也是不會有什麼感覺的。而且，因為其比空氣密度更低，所以會慢慢升上天空，很恐怖的說⋯⋯哇，什麼時候變成鬼故事了？

科幻是科學的翅膀

在前一篇的文章刊登後有許多的討論，有人曾評論我說「不尊重科幻作品」，我尊重他們發表意見的權利，亦欣賞他們對科幻作品的熱誠。我相信，這種熱情亦是推動好奇心的源動力。而我同時認為，如同《進擊的巨人》這樣好的科幻作品，是能夠激起人們思考科學、社會問題，再應用於我們所生存的這個世界之中的。

我希望藉著有趣的動漫題目，吸引各位思考科學原理。這當然就不是說我要破壞原作者的創作。誰不知道在作品當中，作者就是神、就是物理定律？我們會不會把科普文中提到的科學問題傳給作者叫他修改作品？不會，因為我們明白探討的題目是「如果在我們這個世界打出一記認真拳／打出龜派氣功／變身成為巨人，會發生什麼事情呢？」

就如同從前科學仍未發達的時候，登陸月球被視為幻想。有小說作家幻想登上月球，我們不會去攻擊他「不科學」，而是把這個幻想當成思考科學問題的機會，改善我們的科學技術。想必有些人曾經思考過「如果我們真的能夠飛上月球，會發生什麼事情呢？」

最終，阿姆斯壯踏出了人類的一大步；幻想，成了真實。

科幻絕不應只幻不科。其實，我自己也是《進擊的巨人》的粉絲。吸引我的，除是了那些刺激的戰鬥場面外，也是那些叫人反思現實的情節。高牆和巨人，都一一暗喻了許多發生在我們身邊的社會問題。我們會把作品中對社會的描寫化作現實的反思，為什麼我們不能把作品中的科幻化作現實科學的思考？這樣，科幻才能成就科學。

我相信，這就是科幻的意義。

你聽過「幽靈粒子」嗎？👻

天文學家推測恆星被黑洞吞噬時，可能產生比地表最強粒子對撞機產生粒子還強大千倍的高能微中子，但因微中子難以偵測，所以有「幽靈粒子」之稱。

But！
重點就在這個But之後！

本校天文所特聘教授江國興老師跟荷蘭、美國、瑞典等國的研究單位合作，捕捉到來自7億光年外的「幽靈粒子」。

故事是這樣的。

前年4月，天文學家觀測到海豚星座中央一個質量為太陽3千萬倍的超大黑洞吞噬恆星的過程。

這顆不幸的恆星靠近黑洞時，重力產生了強烈的潮汐力，將恆星拉長如麵條，之後就像被「五馬分屍」般扯裂，大約一半的恆星碎片被吸入黑洞，並產生高溫且噴發出粒子流，耀眼的光芒照亮了整個星系。

天文學家推測粒子以接近光速噴發時，可能與其他粒子及光碰撞，產生高能微中子，也就是👻幽靈粒子，但始終無法證實。

不過，直到那顆恆星被撕裂的半年後，也就是前年10月，美國國家科學基金會南極觀測站的冰立方微中子天文台 (IceCube Neutrino Observatory) 捕獲到一顆高能微中子。

江國興老師與國際團隊在結合伽瑪射線、X光、紫外線、可見光和電波的偵測與分析後，證實它正來自半年前海豚星座黑洞吞噬恆星的位置。

江老師說，雖然微中子像幽靈一般難測，但每一顆來自宇宙深處的微中子都攜帶宿主星體的重要訊息，只要搭配電磁波或重力波觀測，我們將可更全面了解產生高能微中子的物理機制。

👇快點開黑洞撕裂恆星噴發粒子流的模擬影片來看！

雖然「撕裂恆星」聽起來很恐怖，但編編覺得畫面很美🤩......
而且保證沒有任何 #端火鍋 的畫面😆

【中國核聚變取得重大進展，新一代“人造太陽”裝置建成並首次放電成功】

據中核集團消息，2020年12月4日14時02分，新一代“人造太陽”裝置——中國環流器二號M裝置（HL-2M）在成都建成並實現首次放電，標誌著中國自主掌握了大型先進托卡馬克裝置的設計、建造、運行技術，為我國核聚變堆的自主設計與建造打下堅實基礎。

中國環流器二號M裝置是我國目前規模最大、參數最高的先進托卡馬克裝置，是我國新一代先進磁約束核聚變實驗研究裝置，采用更先進的結構與控制方式，等離子體體積達到國內現有裝置2倍以上，等離子體電流能力提高到2.5兆安培以上，等離子體離子溫度可達到1.5億度，能實現高密度、高比壓、高自舉電流運行，是實現我國核聚變能開發事業跨越式發展的重要依托裝置，也是我國消化吸收ITER技術不可或缺的重要平臺。

該項目於2009年由國家原子能機構批復立項，由中國核工業集團西南物理研究院自主設計建造。作為核工業主管部門，國家原子能機構通過強化科研投入和研發能力建設等，全力推動核聚變相關基礎研究與應用研究。近年來國家原子能機構創新管理模式，賦予科研院所自主權和決定權，持續穩定支持核聚變基礎性、前瞻性研究，催生一大批原創性、前沿性成果。

此前，中核集團先後發展了多種類型的磁約束聚變研究裝置，建成了中國環流器一號、新一號和二號A裝置等三大國家重要科研設施，並取得了系列重大科研成果，樹立了中國核聚變研究史上的一座座豐碑，為我國聚變能的發展奠定了堅實的科學工程技術與人才基礎。

在HL-2M裝置建設過程中，核工業西南物理研究院聯合國內多家研制單位，在裝置物理與結構設計、特殊材料研制、材料連接與關鍵部件研發、總裝集成等方面取得了多項突破，實現了可拆卸線圈結構，增強了控制運行水平，提升了裝置物理實驗研究能力；攻克了高鎳合金雙曲面薄壁件大型真空容器模壓成型和焊接變形控制等關鍵技術；掌握了具有國際先進水平的異形銅合金厚板材制造成型工藝，實現了高強度膨脹螺栓組件的自主國產化；研制成功國際先進水平的國內首臺大型立軸脈沖發電機組。以HL-2M裝置建設為牽引，西物院掌握的特種材料、關鍵設備、極端條件精密制造等關鍵技術，已形成“同步輻射”效應，在航空、航天、電子等前沿領域實現創新應用。

HL-2M裝置是實現我國核聚變技術高質量發展的重要依托，將使我國堆芯級等離子體物理研究及相關關鍵技術達到國際先進水平，成為中國攜手世界核聚變能開發的國際合作平臺。面向全球，它將吸引和集聚國際核聚變高端人才，培養造就一批具有國際水平的核聚變科技領軍人才與高水平的創新團隊，形成一批具有國際影響力的標誌性科技成果。

據介紹，我國核能發展實施“熱堆-快堆-聚變堆”三步走戰略中，將聚變能作為解決能源問題的最終一步。開發核聚變能不僅是解決我國能源戰略需求的途徑，對我國未來能源與國民經濟的可持續發展具有重大戰略意義。目前，國家原子能機構正在研究布局一體化核聚變研究創新體系，打造國家級核聚變創新研究平臺、國內外專家學者交流平臺、青年科學家成長平臺，全面促進我國核聚變事業由並跑向領跑邁進。