【Veritasium】樹木生長的物理原理 How Trees Bend The Laws of Physics

有時最簡單的問題，卻有最驚人的答案。 例如，樹木怎麼可能長這麼高呢？ 這是一個甚至看起來都不需要回答的問題。 樹就是高。有些樹超過一百公尺。 為什麼要有高度限制？我來告訴你為什麼。 樹木需要將水分從根部運送到頂端的枝條，才能存活。 這可不是一件輕鬆的事。 水被吸上管子的高度是有限的。 十米。 如果你用一根長的垂直吸管吸水，水最多只能上升到十米高。 此時，吸管頂部將形成完美的真空狀態。 水將會自動開始沸騰。 要讓一棵樹將水提升一百公尺，它必須產生十個大氣壓的壓力差。 樹木怎麼會做到那樣呢？ 當我提出這個謎題時，許多人都說答案是蒸騰作用。 這就是水分從葉子蒸發時，會將其後方的水分子一起拉上去的原理。 現在這明顯是一種樹木用來產生吸力的機制。 但它無法幫助我們克服這十米的限制。 壓力最低只能達到純真空，我猜測樹葉內部並不會出現這種情況。 對吧？ 對，漢克。所以你可能會懷疑，一棵樹並不含連續的類似稻草的管狀結構。 這棵樹內部實際上具有閥門結構，因此不會形成連續的水柱。 你所說的這個大管子，需要灌滿水，其實是由細胞組成的。 儘管這些都是不錯的推測，但結果並非如此。 研究樹木的科學家發現，負責輸送水分的韌皮部管中確實存在連續的水柱。 那麼，樹木還有哪些其他方式可以將水分從根部運送到葉子呢？ 它們不會吸。它們不用真空。 好吧，那他們到底是怎麼做到的呢？ 像擠奶牛一樣擠壓，就像從頭到尾擠壓奶牛的乳房一樣。 那裡的樹肉很少。 除了極大程度地浪費能量之外，構成導管的全部細胞都是死亡的。 滲透壓呢？ 如果根部的溶質比周圍土壤中的多，水就會被推進樹木中。 但有些樹生長在紅樹林中，那裡的水鹽分極高，以致滲透壓的作用方向反而相反。 因此，樹木需要額外的壓力才能將水分吸入樹體內。 那一定是毛細現象。 管子越細，水就能升得越高。 但樹木中的導管太寬了。 直徑為20至200微米的水，上升高度應小於一公尺。 那麼，樹木是怎麼做到的呢？ 嗯，我們其中一個假設是錯的。 壓力最低只能達到純真空。 在氣體中，這是正確的。 當你消除了所有的氣體分子時，壓力為零，你就得到了一個完美的真空。 但在液體中，壓力可以低於零，甚至產生負壓。 在固體中，我們會將其視為張力。 這意味著分子正在互相拉扯，同時也拉扯著周圍的環境。 隨著水分從細胞壁的孔隙中蒸發。 它們在一般樹木中產生強大的負壓，高達十五個大氣壓。 考慮孔隙處的氣-水介面。 一邊有1個大氣壓的壓力推入，另一邊則有負15個大氣壓的吸力。 那麼，為什麼半月板不會破裂呢？ 由於孔隙極小，直徑僅為2至5奈米。 在這個尺度下，水的高表面張力確保氣水界面能夠承受巨大的壓力而不會塌陷。 當你沿著樹向下移動時，壓力會逐漸增加，到根部時達到大氣壓力。 因此，樹的頂部和底部之間可以產生很大的壓力差。 因為頂部的壓力如此之負。 但等一下，如果顶部的壓力是負15個大氣壓，水不應該正在沸騰嗎？ 是的，應該是這樣。 但將相態由液態轉變為氣態需要活化能。 這可以以成核位點的形式出現，例如一個微小的氣泡。 這就是為什麼導管中絕對不能有氣泡如此重要的原因。 而且他們能做到這一點，是因為與吸管不同，從一開始就充滿了水。 這樣一來，水在本應沸騰的時候仍處於亞穩態的液體狀態。 這就像過冷的水即使應該結冰，仍能保持液態一樣。 因此，你可以说樹木中的水被極度「抽吸」，因為它在如此負壓的情況下仍能保持液態。 那麼，樹木為什麼要將這麼多水分往上運送呢？ 我想讓你猜一下。大聲說出來。 光合作用？ 實際上，並非如此。用於光合作用反應的水不到1%。 還有其他想法嗎？ 那麼，成長呢？ 嗯，5%的水用於製造新細胞。 那麼其餘 95% 的水去了哪裡？ 它 juste s'évapore. 每當一棵樹吸收一個二氧化碳分子，就會失去數百個水分子。 哇哦。 你能相信這有多棒嗎？ 樹木透過奈米尺度的孔隙蒸發水分，產生高達數十個大氣壓的負壓。 在應該沸騰卻無法沸騰的狀態下，將水抽升100米 由於完美的導管中沒有氣泡， 只是讓大部分在吸收幾個二氧化碳分子的過程中蒸發掉。 我以後再看樹木時，心境再也不會一樣了。 他們什麼都不吃，這有什麼道理可言？ 他們什麼都不吃。 他們什麼都不吃，只吸收水分。 我想衷心感謝漢克、亨利和波洛亞科夫教授進行鏡頭前的假設性闡述。 這是科學過程中的重要一環，即使你的假設最終被證明是錯誤的也是如此。 正如愛因斯坦所說：一個從未犯過錯誤的人，從來沒有嘗試過任何新事物。 我一直很好奇，站在腹膜外視頻這邊會是什麼樣的感受。 現在，如果你還沒訂閱他們，我反而會感到驚訝。 但如果不是，請點擊這些註釋，查看它們的頻道， 你或許還能學到點什麼。 我也要感謝猶他大學的約翰·斯佩里教授。 他透過一個小時的Skype對話，為我詳細解說了所有內容。 因此，我會在描述中放入他的網站連結。 我們正在觀察低於大氣壓的壓力，是這樣嗎？ 沒錯。低於大氣層。 這是液體壓力，而非氣體壓力，因此人們常誤以為， 哦，你無法擁有負壓，因為已經沒有分子剩下，你知道嗎？ 純真空的定義是分子數為零。 那是汽油錢， okay？所以，說清楚一點…… 我想這正是我理解這一點時遇到的主要問題之一。 這段影片若沒有 CGP Grey，根本無法完成。 當我於倫敦告訴他這個想法時…… 他說要解釋起來會非常困難。 而且你知道，當他說難以解釋的時候，你就知道事情會很棘手。 感謝您對此劇本提供的所有意見。 感謝您觀看。 拍攝這段影片對我來說真的是一場真正的冒險。 感謝您與我一同完成這段旅程。 我真的很感激你們所有的意見， 而且如果你還沒訂閱這個頻道的話， 您可以點擊註釋，或點擊上方的連結。 並與我一同展開下一次的科學冒險。 我拍了一段影片，承諾會再拍一段影片，講述這個問題的答案。 我大概幾個月前就提出過這個問題。 我說：訂閱頻道吧，下周我就告訴你答案。 以正確的頻率驅動它。 是的！