爆米花和火箭——氣體定律

2021-01-11 大學老師談閱讀與教育

廚房裡發生爆炸通常不是什麼好事,不過有時候小小的爆炸能幫你烹製美食。幹玉米粒含有多種營養成分(碳水化合物、蛋白質、鐵和鉀),但它們都被堅韌的外殼緊緊包裹在緻密的種粒裡。要得到這些營養成分,把玉米粒變成能吃的東西,你就得想點極端的法子,比如爆炸。幸運的是,玉米粒本身的特性決定了它很容易爆炸。昨天晚上我做了點爆米花。堅固強韌的外表下隱藏著柔軟的內心,這樣的發現總是令人欣喜。不過,玉米粒為什麼會變成蓬鬆的爆米花,而沒有直接把自己炸得粉身碎骨呢?

油燒熱以後,我往平底鍋裡放了一把玉米粒,然後蓋上鍋蓋,轉身去燒水泡茶。屋外風暴肆虐,碩大的雨滴毫不留情地敲打著窗戶。油裡的玉米粒發出輕微的噼啪聲,似乎一切平靜,但事實上,平底鍋裡的好戲已經開場。每一粒玉米內部都有一個胚芽,它可以長成一棵新的植物,而胚乳則為新植物提供生長所需的養分。胚乳主要由澱粉顆粒組成,它的含水量大約是14%。玉米粒放進熱油以後,胚乳內部的水開始蒸發變成氣體。溫度高的分子運動速度更快,所以玉米粒受熱的時候,越來越多的水分子以蒸汽的形式在它內部左衝右突。從演化的角度來說,玉米粒種皮的主要作用是抵禦外力侵襲,可是現在,它卻不得不承受來自內部的暴亂。在這種情況下,種皮變成了一口迷你高壓鍋。變成蒸汽的水分子無處可去,所以種皮內部的氣壓越來越大。氣體分子不斷碰撞彼此和種皮,隨著氣體分子的數量和運動速度不斷攀升,種皮承受的撞擊力也越來越大。

高壓鍋用滾燙的蒸汽高效地烹製食物,玉米粒內部的小小高壓鍋也一樣。就在我尋找茶包的時候,胚乳裡的澱粉顆粒被烹製成了某種黏糊糊的加壓凝膠,而且玉米粒內部的氣壓還在繼續增大。種皮能夠承受的壓強是有限的,玉米粒內部溫度上升到180℃時,內部氣壓差不多達到了標準大氣壓的10倍,凝膠看到了勝利的曙光。

我輕輕晃了晃平底鍋,聽到鍋裡傳出第一聲爆裂的悶響。幾秒鐘後,噼啪聲就密集得像機槍開火一樣了,跳動的爆米花頂得鍋蓋不斷顫動。每一聲爆響都讓鍋蓋邊緣冒出一縷蒸汽。我倒了杯茶,就在這短短幾秒內,平底鍋裡的爆裂聲變得更加激烈,鍋邊冒出的蒸汽此起彼伏,接連不斷。

爆炸發生的瞬間,遊戲規則變了。在此之前,困在種皮內部的水蒸氣是出不來的,隨著溫度不斷升高,蒸汽使種皮內部的氣壓不斷增大。堅韌的種皮破裂的瞬間,種皮內部的物質立即暴露在外部環境的壓強(標準大氣壓)下,這些物質的體積也不再受限。澱粉凝膠內部灼熱的分子仍在左衝右突,但外面卻再也沒有什麼東西束縛它。於是凝膠開始爆炸性膨脹,直至其內部和外部氣壓相等。緻密的白色凝膠變成了蓬鬆的白色泡沫,整個玉米粒向外翻了過來,然後逐漸冷卻固化。整個轉化過程就此結束。

把爆米花倒出來以後,你總會發現幾個沒爆開的「傷兵」,焦黑的玉米粒悲傷地躺在鍋底。如果種皮破損,高溫蒸汽會直接逃逸,玉米粒內部無法積聚氣壓,自然就不會爆開。正因如此,玉米可以用來做爆米花,其他穀物卻不行,因為它們的種皮上有細小的孔洞。如果玉米粒太幹——比如收穫的時機不對——導致種皮內部的水分不足以在蒸發後產生足夠的壓強,它也不會爆開。少了劇烈的爆炸,原來不能吃的玉米粒到最後還是不能吃。

我端著茶和這碗烹製完美的爆米花走到窗邊遙望外面的風暴。破壞有時候也不是壞事。

簡單就是美,化繁為簡的美更令人動容。在我看來,描述氣體行為的定律就像視錯覺的遊戲,你以為自己看到了某樣東西,可要是眨眨眼再看,它又會變成另一種截然不同的東西。

我們生活的世界由原子組成。這些微小的物質粒子擁有相似的結構:外層帶負電的電子陪伴著內部帶正電的沉重原子核,但不同的原子之間仍有區別。化學的故事講的是電子如何按照量子世界的嚴密規則,讓多個原子共擔責任、改變陣型,以及支撐被俘獲的原子核組成更大的模式:分子。

就在我敲下這些字時,在我呼吸的空氣中,成對的氧原子(每對氧原子都是一個氧分子)正在以1500千米/小時的速度不斷撞擊以320千米/小時的速度運動的氮原子,也許還會撞上速度為1600千米/小時的水分子。不同的原子和分子在以不同的速度運動,這裡的混亂與複雜超乎想像。每立方釐米空氣中大約有30000000000000000000(3×1019)個分子,每個分子每秒大約會發生10億次碰撞。面對這麼複雜的問題,你可能會覺得最明智的做法是直接放棄,轉而研究腦科手術、經濟理論,或者乾脆黑掉一臺超級計算機——幹什麼不比這個簡單呢?

那些研究氣體運動的先驅當年根本不知道自己面對的到底是什麼,不然他們可能根本沒有勇氣探索下去。無知也有無知的好處。19世紀初,人們還認為原子的概念不科學;直到1905年,人們才找到了原子存在的確切證據。而在1662年,羅伯特·波義耳(Robert Boyle)和他的助手羅伯特·胡克(Robert Hooke)只有玻璃器皿、水銀、密閉容器裡的空氣和恰到好處的無知。他們發現,如果增大壓強,容器內空氣的體積會隨之縮小。這就是波義耳定律:氣體壓強與體積成反比。一個世紀後,雅克·查理(Jacques Charles)發現,氣體的體積與溫度成正比。溫度升高至原來的2倍,氣體體積也會膨脹至原來的2倍。這簡直不可思議。複雜的原子運動怎麼會遵循這麼簡潔明了的規律呢?

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