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第一章導論
第二章理論分析
壹、已知證據與鑑識專家的看法
貳、刑事鑑定與撞擊工程學
參、相關力學的說明
肆、造成槍傷的三種機制
伍、關於射入速度與能量的說明
陸、關於彈頭的分析與說明
柒、關於腹部傷口的分析與說明
捌、結論
第三章實驗及裝備設計
壹、實驗設計
貳、裝備概述
附錄常見問題集
第一章 導論
319槍擊案造成了國內的震盪,自選後至此都未能平靜,令國家的司法、行政、國安系統的公信力都遭到質疑,令社會依存的基本信任,都已產生裂痕。槍擊現場在第一時間未能保持,並且難以還原之下,此槍擊案的刑事部份調查似乎十分困難,但如果真相無法水落石出,將會在社會的集體意識上留下陰影,在民主進程及歷史上留下污點,社會大眾無論政治取向,都難以在信服與心安的狀態之下共存共榮,在此歷史進程的十字路口,我們(註1.1)希望能夠訴諸於放之四海皆準的物理原理,依據槍擊案所存的線索,建立科學模式,並依此設計具體實驗,用以檢視槍擊案的前因與後果是否符合。在本文第二、三章中,我們將提出有關科學理論與實驗的詳細說明。
對我們提出的科學理論與實驗設計,歡迎任何有科學訓練的人士提出批評共同研討,對於週邊條件的設立提供意見。我們希望以邏輯的建立,取代口水之爭執,以科學的真實,排除臆測的現實,以客觀的事實,物理的必然,來驗證槍擊案的合理與否。在我們的社會對司法的公正性,對總統候選人的誠信都產生懷疑的時候,我們仍然相信,科學的事實是絕對的,是可以共同檢視的,我們可以有族群的差異,可以有文化的差異,可以有所謂意識型態的差異,但是我們卻不可能有物理原理的差異。牛頓的定律,是全民都無法否認的,也是三百餘年來全世界適用,而顛仆不破的真理,也是如今我們全民唯一可以倚賴,做為建立公信與公義的基礎。
經過深思後我們後發現,槍擊案中的關鍵證據,或許可以個別成立,但同時成立則違背了自然界的物理定律。換言之,總統衣內存留的鉛質彈頭,不可能在掃街拜票時,當場擊中總統,造成11公分長,1至2公分深的爆裂傷口後停留在內衣與襯衫間。
我們以沉重的的心情期待更多科學家以事實為基礎,根據自然界的物理定律加入討論,再以實驗具體求證!但願我們目前的結論是錯的,因為這是一個痛苦而又不可思議的結論,它遠遠超過任何一個文明社會所能想像的範疇。
「事實基礎」部份:
一、腹部有一道深度超過1公分,長約11公分,並有灼燒痕的傷口,其特徵經鑑識專家認定與槍傷相符
二、在總統衣內取得一顆曾經擊中總統並且輕微變形的鉛質彈頭,其質 量為3.89公克重,直徑為8.1釐米。
物理原理:
無論槍手使用何種槍枝火藥,任何射擊距離與方位,根據牛頓定律,彈頭在撞擊瞬間的射入點,速度向量與彈頭溫度完全決定了彈頭在體內的軌跡,所造成的傷害,以及彈頭離開人體時的溫度、飛行速度與角度。
可能造成「事實基礎一」之機制(mechanism):
目前科學上僅認定下列三種機制,可以造成組織破壞而形成傷口,包括下列:
一、撞擊波(Shock Wave)(註1.2)
當彈頭以高於組織傳波速率射入組織後,所產生的壓力,即以波的型式向四周傳遞。而此波前處的組織會被壓縮而產生物理性質的劇烈變化(如組織密度急速增加、溫度急速昇高、亂度急速增加、壓力急速變大),而造成組織強度破壞,這個現象便稱為撞擊波效應。
二、熱衝擊(Thermal Impact)
一種高溫物體穿透人體組織瞬間,熱量引起相變化,組織纖維由黏體變為液體再變為氣體;組織液由液體變為氣體,組織內的壓力急劇改變,使組織由內向外爆裂,這個現象稱為熱衝擊效應。
三、破裂力(Disruption Force),純粹靠力量撕裂物體。
由「事實基礎二」可知:
四、子彈之末速度為零(因為穿出腹部後即掉落在夾克內,即幾乎已無
速度)。
五、子彈之初速(即射入腹部時的速度),最大之可能是每秒250公尺。
六、造成組織破壞的能量來源有二。第一來源即為上述子彈之初速,由
動能轉變成熱能。第二來源即為子彈在射入腹部時已有相當的溫
度,此溫度在腹部內釋放。這兩個可造成破壞的能量合計,就是造成槍傷的所有能量。
七、上述之第一個來源,即動能轉換成熱能者,
動能A =1/2 × 質量 x(速度)2
= 1/2 x (3.89x10-3) x (2.50 x 102)2
= 1.216 x 102 Joule (焦耳)
= 29.03 Calories (卡洛里)
八、上述第二個來源,即子彈在射入體內已有的溫度轉換成破壞能量,
能量B = (質量)x(溫度差)x(比熱)
= (3.89x10-3kg) x ( 2.904x102)℃x (1.29 joule/kg-℃ x 102)
= 145.73 Joule (焦耳)
= 34.83 Calories (卡洛里)
鉛的鎔點是327.4度,與人體溫度(37度)差290.4度,事實上鉛彈頭在接近此溫度時早已變形乃至熔化,不會是略為變形,因此該彈頭應該沒有達到這樣的高溫,本數值已取最大的可能溫度。
九、此二個破壞來源共計(A) + (B) = 63.86 Calories卡洛里。
推論
一、根據上述之子彈初速,已可以確定此傷口不是衝擊波所造成,因為
子彈的速度不夠快(遠低於音速),因此可證明不可能。
二、根據上述兩個破壞來源合計為63.86卡洛里,此能量並不足以造成
傷口所需之熱效應。事實上,每一粒可以入口的小籠包,其內的汁液約為3∼4cc,質量約3公克,其溫度約為攝氏75度,汁液在口內可釋放的熱量為104卡洛里。由此可知這粒子彈所帶的熱能是非常低,僅有一粒可入口小籠包所含汁液的65%,絕無可能造成這樣的傷口。
三、在推翻上述兩種傷害之後,唯一可能的傷害原因是破裂力,但此顆
子彈的總能量太小,破裂力不可能造這樣的傷口。因為如此的傷口,需要子彈在穿過時有高度的能量,將黏體的組織液化,將組織液氣化,如此才會造成由內向外的皮膚爆裂,甚至造成燒灼,這是總能量小於一粒可入口的小籠包的湯汁的彈頭所無法造成的(鉛的比熱約為水的3%(註1.3),而小籠包在蒸熱之後,其油水混合的湯汁可以蘊含較鉛彈頭更大的熱能)。
四、此推論的關鍵在於(1)子彈停在夾克內,因此末速為零,因此可計
算出其最大可能具有的動能,(2)子彈為鉛質,其熔點僅為327.4度,鉛的比熱為(1.29 Joule/kg-℃),由此推論出其所具有最大可能的熱能。這兩者之和小於一粒小籠包汁液所含之熱能,因此結論如下:
結論
這樣的子彈(鉛質3.89 g,總能量65 Cal約為可入口小籠包汁液所含熱量的65%),以其每秒250公尺的撞擊速度,若射入人體重要部位,它所攜帶的65 Cal能量已足以致命。該彈頭雖具致命能力,但在319槍擊事件中,無法在掃街拜票時,當場在總統的腹部打出這樣的爆裂傷口(長11公分,深度超過1公分,且有灼燒痕)。
註1.1:我們是一群沒有預設立場的科學家,或任教於國內外大學或從事科技研發工作,除此之外,並曾與多位不同專長的科學家廣泛討論。
註1.2:又譯為「衝擊波」或「衝波」,請參見R. Courant, K. O. Friedrichs, “Supersonic Flow and Shock Waves”, Springer-Verlag, 1948, 1976
註1.3:關於鉛的比熱及其它物理性質,請查閱http://www.matweb.com
第二章理論分析
壹、已知證據與鑑識專家的意見
一、腹部傷口:
(1)長約11公分、深度1至2公分 (註2.1)
(2)有灼燒痕,在公佈的照片中,沿傷口兩側上下緣的黑色灼燒痕清晰可見(註2.2,2.3)
二、彈頭:
(1)由總統衣內取得鉛質土製彈頭
(2)重3.89公克,底部直徑8.1mm、長度10.09mm (註2.4)
(3)彈頭前端為圓形(註2.4, 2.5)
(4)鉛彈上有血跡,與總統DNA比對相符
(5)彈頭上無膛線痕跡 (註2.6, 2.7)
三、衣物:
(1)夾克上有一射入口,但無出射口 (註2.8)
(2)襯衫上有一射入口,無出射口(註2.8)
(3)內衣上有一射入口及一出射口(註2.8)
四、鑑識專家的專業意見:
鑑識專家們根據總統傷口的照片,奇美醫院的紀錄以及由手術時切除後保存的部分傷口組織認為:
(1)傷勢與槍彈擦傷(grazing bullet wound)特徵相符。以電子顯微鏡觀察保存的傷口組織切片時發現鉛微粉,依此推論總統腹部曾遭鉛質彈頭擊中
(2)因彈頭上有總統的血跡反應,判定該彈頭曾擊中總統
從鑑識專家對於傷口及彈頭的研判,我們可以達到以下兩點結論:
(1)總統腹部的傷口係由一鉛彈擊中所造成
(2)在總統衣服內發現的鉛彈曾經擊中總統身體
在未對槍擊事件做進一步的探討之前,若依常人的生活經驗,而僅由上面兩項鑑識結果來做判斷的話,那麼一個合常情的推論是:
「在總統衣服內發現的鉛質彈頭曾經擊中總統,並在腹部造成長11公分、深1至2公分,並有燒灼痕跡的傷口。此彈頭曾穿透夾克、襯衫、內衣,在腹部造成上述傷勢後穿透內衣,但被襯衫與夾克阻擋,落於衣內。」
以上由生活經驗所做的推論與其他的證據及科學原理是否相符呢?因為此案的重要性,我們認為有進一步研究、檢驗的必要。
貳、刑事鑑定與撞擊工程學
我們所要提出的途徑、方法與一般刑案的證物鑑識與偵辦方向有相當不同。以下我們先討論一般的鑑識走向。在一般刑事案件中有關彈道方面的鑑識工作,研討的主題是彈頭從槍口到擊中人體這一部份的軌跡。但在總統槍擊事件中,犯案現場以及多項重要相關證據未能保存,以致槍擊案中多項基本事實均無法得知。到現在為止,一般鑑識方法在彈道方面所能得到的確定結論非常有限。目前我們不知道槍擊發生的確切時間、地點,也不知道槍手所使用的槍枝種類、裝藥量多寡。至於槍手的射擊距離、方位與藏身位置,專家們也只能從極不完整的資訊做出一些”較有可能”的推測。
由於研討彈頭從出槍口到射入點這一部份缺乏有效資訊,我們認為應該尋求與一般鑑識工作有別的研討方向,以量化的方法來追尋破案契機。於是我們根據撞擊工程學 (Impact Engineering) 提出一個新的研究方向,著重於由各種初始條件所造成的各種結果去探討整個撞擊過程中所發生的現象。所謂撞擊工程學是一整合動力學、熱流力學、材料力學等學門針對物體撞擊介質所產生的種種應變現象諸如:形變、破裂、熱傳遞等,作深入的探討研究。從撞擊工程學的角度出發,可以讓我們在現有已知的證據下以客觀的科學理論找到更多造成總統傷口的可能性,進而從中獲得我們所要的真相。
探討319槍擊案的真相,撞擊工程學與刑事鑑定二者相輔相成。以撞擊工程學的觀點來看319槍擊事件,針對子彈射入腹部組織到離開這段過程加以探討,我們得到以下看法。根據基本動力學中的牛頓運動定律,並且在彈頭的材質、形狀與組織的瞬間溫度分佈已固定等條件下,我們知道彈頭在撞擊瞬間的各項物理參數(包括彈頭在入射瞬間的位置、速度向量與溫度分佈),完全決定了彈頭之後在體內的軌跡、造成的組織破壞及彈頭離開腹部時的位置與速度。
也就是說當槍手使用不同威力的槍枝、彈藥 (火藥、裝藥量不同) , 從不同的距離、方位射擊,不論威力強的槍彈在遠距離射擊或威力弱的槍彈在近距離射擊,如果彈頭在撞擊瞬間有相同的各項物理參數,則射入體內的軌跡及所造成的傷害是一樣的。以上所提到的力學,在下一段裡有更進一步的詳細說明。
參、相關力學的說明
因為鉛彈頭在整個運動過程中僅輕微變形,我們可以將鉛彈頭的運動視為一個剛體運動(註2.9)。剛體運動一般來說有6個變數,其中3個是平移變數,另外3個是轉動變數(註2.10)。依據牛頓運動定律F=ma,這個剛體運動可以由一個2階常微分方程式決定,而剛體所受到的力是由剛體材質(鉛合金)、形狀、介質(腹部組織)、剛體的溫度分佈、介質的溫度分佈,以及剛體材質與介質的物理性質等因素決定。在剛體(鉛質彈頭)與介質(腹部組織)與介質初始溫度(人體溫度)均已固定的情況下,我們知道鉛彈頭在腹部組織的運動軌跡,它所造成的組織損傷,組織與彈頭的溫度變化經過,以及彈頭離開組織時的末速度都完全由微分方程式的起始條件(initial conditions)所決定(註2.11)。
上述起始條件包括剛體在撞擊瞬間的位置、速度向量,以及溫度分佈。剛體在撞擊瞬間的位置可以由腹部傷口的位置與形狀推算。剛體在撞擊瞬間的速度向量共有6個座標,其中3個座標是質心的線速度,而另外3個座標是角速度。我們已知角速度相當小(註2.6、2.7),而質心在撞擊瞬間的運動方向亦可由腹部傷口的方向與形狀推算,所以剛體於撞擊瞬間的質心運動速度,在速度向量這個初始條件裡,最具有決定性的影響力。
鉛彈頭在撞擊瞬間的溫度分佈,因鉛的熱導係數(heat conductivity)高,傳熱快,所以彈頭因表面與空氣摩擦所生的熱很快便傳到其他部位,因此我們推測彈頭溫度分佈均勻。
此外因彈頭僅輕微變形,亦可推測在槍擊過程中彈頭溫度分佈均勻。鉛熔點低(327℃),其材質軟化範圍(softening range)約在230℃~295℃之間。如果彈頭溫度不均勻,則彈頭前端及外緣的溫度將比其他部分高出甚多並且達到軟化範圍,如此彈頭在穿透4層衣物(註2.12)並造成11公分長,1~2公分深的傷口後應將劇烈變形。而事實上彈頭僅輕微變形,所以我們確定彈頭溫度分佈均勻 。
綜上所述,在彈頭的材質、形狀、介質的初始溫度分佈等因素均已固定的情形下,要研究彈頭在撞擊瞬間後的軌跡,兩個決定性的物理參數是:
入射瞬間彈頭速度Vi,以及
入射瞬間的彈頭平均溫度Ti。
這兩個參數,加上入射角度,除去極有限的誤差後,決定了同樣材質形狀的彈頭對組織造成的傷害,彈頭在體內的軌跡,彈頭停留體內與否,彈頭離開組織的末速,以及彈頭是否會穿透內衣、襯衫或夾克。
我們要特別強調的是 319 槍擊案以撞擊工程學的觀點來看,是極其特殊的個案。因為它的射入速度很低,所具有的動能也低。舉例來說若速度減為二分之一則動能會變成原本的四分之一。因此相較之下在撞擊過程中,隨著入射速度的減少,彈頭的溫度因素的影響比例便會增大。
我們會在以後的討論中發現,彈頭的入射速度不能超過每秒250公尺,所以彈頭所能攜帶的動能有限。彈頭所攜帶能量的另一來源是它的熱量。彈頭對體內組織造成破壞、撕裂與燒灼都需要能量,在動能短缺時,熱能的重要性提昇。
於是在319槍擊案有個關鍵因素,就是鉛彈頭彈頭的入射溫度。由於鉛熔點低,若入射時溫度過高會造成彈頭劇烈變形。所以鉛彈頭在撞擊時溫度既不能太高,也不能太低,而是要在合理的溫度區間中。因此它的合理溫度區間便成了研討的重點之一。
在概略介紹彈頭的物理參數後,我們還要介紹彈頭造成組織傷害的機制。彈頭造成組織傷害的可能機制 (mechanism) 有三種:1.衝擊波效應、2.熱衝擊效應、3.破裂力。但是在319 槍擊案因為入射速度低 (低於音速) 所以僅具有其中的熱衝擊效應與破裂力兩種。
肆、造成槍傷的三種機制:
一、衝擊波效應(shock waves)
衝擊波(又譯為撞擊波,或衝波)效應是彈頭撞擊介質組織後,以壓力波的形式向四周傳遞。當彈頭以高於介質中波傳速度行進時,衝擊波的效應非常顯著(註2.18),介質的物理性質會在壓力波的波前 (wave front) 產生不連續的現象,此不連續之處又稱為「衝擊鋒面」 (shock front)。此時在彈頭前端與衝鋒面之間的介質因被快速壓縮產生高壓高熱,使得物理性質產生劇烈變化(例如密度急速增加、溫度急速昇高、亂度急速增加、壓力急速變大等)。這些物理性質的劇烈變化會造成組織的強度破壞,例如組織可能因局部強壓而爆裂,以及組織在高溫下遇到足夠的氧氣而引起燃燒。
二、熱衝擊效應(thermal impact)
即使衝擊波效應未發生,但彈頭本身所帶的熱量足以使彈頭穿透組織時,其周邊組織在短時間內吸收了大量的熱量。這些熱量可以由高熱的彈頭上傳來,也可以由彈頭在組織中運動時因摩擦或壓力改變使部分動能轉變成的熱能而來。少部分組織若在短時間吸收了足夠的熱量而又無法及時將熱量傳出時,在組織內可以引起相變化,組織纖維可由黏彈體變成液體再變為氣體,組織液可由液體變為氣體。組織內的壓力也可以因相變化之故急劇改變,因而由內向外爆裂。爆裂時高溫氣體遇到氧氣也可能燃燒而造成灼燒傷。(當然,此處與上面所提的衝擊波效應有相當重複之處,因為嚴重的衝擊波效應可以在組織局部造成高熱。)
三、破裂力(disruption force)
這指的是彈道穿過組織這一機械性過程造成的破壞效應。若再細說,這樣造成的破壞原因可以分為以下三種:
a、組織被彈頭穿過造成破壞
b、彈頭在組織中受阻力不均造成翻滾(tumbling and yawning)因而造成於穿透之外的破壞
c、因彈頭自旋之故造成的破壞
319 槍擊案的因為入射速度低 (低於音速) 所以衝擊波的破壞力並不存在。而僅有熱衝擊效應經由彈頭本身所具有的熱量對其周邊組織產生傷害及彈頭穿過組織所造成的破裂力存在。
一般來說彈道與鑑識專家,基於他們所受的訓練以及多年偵辦刑案的經驗,傾向於認為槍彈的入射溫度對組織造成的影響有限。這種觀點在一般情形下是合理的,因為熱傳導需要時間,若時間過短則所能傳導的熱量有限,不足以造成對組織的破壞。對此現象舉例如下:很多人都有將手指以平穩速度穿過燃燒中的蠟燭的經驗,手指只會感到微熱而不會被燙傷。燭焰的焰心溫度比外焰低,但也有300℃以上,而手指通過火焰時的時間至少有1/10秒。正常情況下一顆彈頭穿過11公分組織所經過的時間最多不超過1/100秒(註2.13)。而彈頭溫度則視其出槍口速度及飛行時間而定(註14)。
然而319 槍擊案中彈頭在射入腹部組織瞬間的溫度對於傷口形成的討論中扮演一個極端重要的角色。上述三種造成組織破壞的機制,在319 槍擊案中,由於彈頭撞擊速度不超過250 m/sec,低於空氣中的音速,更低於組織中的音速,因此衝擊波造成的效應非常之小。而熱衝擊效應由於彈頭角速度很低,在缺乏自旋角動量的情形下,單靠穿透時與組織摩擦所產生的熱量有限。再就彈頭在撞擊時所含的熱量而言,鉛彈頭那時的溫度最多只能與熔點相近,300℃左右,而彈頭在組織內停留的時間在1ms到6ms之間,組織為熱的不良導體,在如此短暫的時間內從不超過300℃的彈頭吸收到的熱能有限,所以總統腹部的傷勢主要是由鉛彈頭對組織的破裂力所引起的。
這樣的分析引起了一個自然的問題:總統腹部傷口的灼燒痕是如何造成的呢? 因此我們將進一步探討
彈頭射入速度與能量
彈頭材質與形變
腹部傷口
伍、關於射入速度與能量的說明
一、模擬人體組織:
我們根據美國警方廣泛使用來測試槍彈穿透性與傷害力的一種材料的數據資料,得出了彈頭撞擊時速度的一個上限。這材料名叫組織替代膠(ordnance gelatin或ballistic gelatin)。在加水沖調後濃度10%的ordnance gelatin,於溫度攝氏4度時,強度與人體組織相似,被用為標準的組織替代物。
此替代物的強度測試標準是,以BB氣槍用每秒590±20英尺的撞擊速度射擊,BB氣槍的彈頭應穿透組織替代膠凝塊3.25~3.75英吋。這也就是說,若以BB氣槍射擊人體組織,撞擊速度179±6 m/sec時,穿透深度應在8.25至9.75公分之間。
BB氣槍的彈頭中空,口徑4.50 mm。相較之下,口徑8mm的實心鉛彈,以同樣的撞擊速度(180 m/sec)射擊人體組織,穿透深度絕對有11公分,甚至更深。因為鉛彈頭曾穿透5層布料(註2.15),我們將撞擊速度提高百分之四十 (此時彈頭的動能變成了原速度時的1.96倍),也就是每秒250公尺。
我們確信,鉛彈頭撞擊總統腹部組織時的瞬間速度不超過250 m/sec。此外,鉛彈頭在經過總統腹部組織時,若主要是擦過而不是穿透,那彈頭所受的阻力將較穿透時為小,而彈頭的射入速度也就將比250 m/sec更低了。
二、鉛彈頭所攜帶總能量的估算:
鉛彈頭在撞擊瞬間所攜帶的總能量的主要來源有二:彈頭的動能與熱能,我們已經估計過撞擊瞬間彈頭的速度不能超過250 m/sec,所以在撞擊瞬間時,
彈頭動能≦1/2 × (3.89×10-3 kg) × (2.50×102 m/sec)2
=1.216×102 J
=29.03 Cal
另外一方面,在撞擊瞬間鉛合金彈頭的溫度並未達到熔點,否則撞擊後會劇烈變形。一般市面上買到的鉛是鉛與銻(Sb)的合金,銻的成份在4%~6%之間。此種合金的硬度在室溫下比鉛的硬度高,但熔點則改變不多,事實上還略低,而比熱也改變很少。所以我們就以鉛在1atm時的熔點 (327.4℃) 和鉛的比熱 (129 J/kg℃) 來估算,在撞擊瞬間時,鉛彈頭所釋於到組織內的熱能
彈頭熱能≦(3.89×10-3)×(290.4℃)×(129 J/kg℃)
=145.73 J
=34.83 Cal
兩項相加,我們得到鉛彈頭理論上最高,可以釋於於組織內的總能量不超過63.86 Cal。
也許有人會提出,還有一些能量沒有計算進去。我們沒有計算由角動量產生的動能,但是我們已經看到彈頭的角速度低,所以由角速度產生的動能相當地少(註2.16)。另外,材質變形也可能會釋出一些位能,但鉛彈頭僅輕微變形,由於變形可以釋放出的能量是少之又少。計入這些少許能量之後,我們得出,鉛彈頭可以釋出到組織內的總能量不超過65卡。
請注意,65卡是理論上的上限。如要達到這個上限,組織必須將鉛彈頭上所攜的全部動能百分之百的吸收,並且在少於1/100秒的時間內與熱導性極佳的鉛彈競爭,將所有高於組織溫度的熱能百分之百的完全吸收。事實上人組織無法如此有效率地收能量,所以鉛彈頭真正釋放到組織內的能量遠低於65卡這一理論上限。
三、65卡!? 可能嗎?
當我們得出65卡(272.14 焦耳)這個總能量上限之後,我們感到極度驚訝。因為65卡是非常之少的能量。根據能量不滅定律,對組織所有的破壞,都必須由這272.14焦耳的能量來產生。我們會在下文中詳細說明為什麼這是極為困難的事。
粗略言之,槍擊案中傷口的各項特徵,如果分別一項項來看,在其他案例中的確發生過。譬如說槍彈擦傷或造成爆裂傷是發生過的,特別是槍彈在高速射擊時的確有可能產生爆裂傷。而槍彈在高速射擊時也的確有可能因衝擊波效應在組織上造成燒灼痕,特別如果子彈已經在空氣中飛行一段時間,與空氣摩擦使彈頭溫度很高時,灼燒痕更易發生。
但是319槍擊案中彈頭穿透力低,撞擊速度低於250 m/sec,而且彈頭在撞擊時溫度不應很高。在這種情形下,鉛彈頭既要製造11公分長,1~2公分深的傷口,又要在組織上產生有相當長度的灼燒痕,而且鉛彈頭在整個過程中都不能因為吸收過多熱量而軟化變形,那就變得極度困難了。所以我們認為這至少是一樁「微機率事件」,並將設計一個實驗來驗証在我們生活的世界裡,這樣一個事件是否有實際發生的可能。
四、能量的例子
我們舉兩個生活中的例子來說明65卡的能量是如何之小。一個剛出籠的小籠包,裡面汁液的溫度超過95℃。讓它涼一下,等到它可以入口時,裡面汁液大概有75℃。如果以汁液3-4℃,質量約3公克,與水的比熱約0.9計算,那麼這3至4cc的汁液在口內可釋放出的熱量大約是100卡,65卡的1.53倍。再舉一個例子,以滾水泡茶,稍等一下,但茶溫度略降,至85℃時小啜一口,入口的茶應至少有2cc (註2.17),這2cc茶可以釋出的熱量約95卡(65卡的1.46倍)。
我們已經解釋了我們的研究方向,並對於鉛彈頭撞擊瞬間的速度依已知數據做了合理估計。從撞擊速度的估計得到了鉛彈頭可以釋於於組織內的能量上限,這能量上限是區區65卡(=272.14 J)。以下我們再就彈頭與總統腹部傷口的特徵逐項討論。而這些討論的主要目的是闡述本文主旨:
一顆最多只含272焦耳能量的鉛彈頭,若要在腹部造成11公分長,1~2公分深,且沿傷口上下兩側有灼燒痕的傷口,而鉛合金彈頭僅輕微變形,是一件極度困難的事。
以上所述事件,在此世界上或是一「微機率事件」,或根本不可能發生。是否有可能發生,是可做實驗來驗證的。這實驗的基本設計是以一個投射器,在各種的溫度與速度下,投射出與總統衣內發現的鉛彈同樣形狀與材質的投射體,擊打覆蓋同樣衣物的人體替代品。主旨中事件若有可能發生,則在相當多的試擊中,必能製造出與主旨中所有特徵皆符合的傷口。
陸、關於彈頭的分析與說明:
在總統衣內取出的彈頭為鉛合金製成,重3.89公克,底部直徑8.1mm,長度10.09mm,前端為圓形,彈頭上無膛線痕,鉛彈僅輕微變形。
(1) 因彈頭前端為圓形,穿透力比前端為尖形的彈頭差。彈頭上無膛線痕表示彈頭缺乏自旋角動量。這樣的彈頭再組織內通過時比較不容易因為彈頭翻轉(tumbling and yawning)而造成較穿透進一步的傷害,而因與組織摩擦產生的熱量也較有高角動量的彈頭為少。
(2) 彈頭為鉛銻合金,而市面上所售的鉛銻合金中銻成份通常在4~6%之間。鉛銻合金質軟,熔點低。因鉛彈頭未劇烈變形,所以在從彈頭撞擊腹部到它離開組織這段時間內,彈頭的溫度都不能超過鉛熔點327℃,又因鉛的比熱低,鉛彈頭在撞擊時所含的熱量中,能用於破壞組織的絕不超過34.83卡。
(3) 彈頭未能穿過總統襯衫而出告訴我們彈頭撞擊速度低。我們根據已知數據做的寬鬆估計結果是:撞擊速度至多250 m/sec,所以彈頭撞擊時的動能不超過30卡。所以可以用於破壞組織的總能量不超過65卡。
(4) 制式步槍射擊時,出槍口速度可高達1000 m/sec,而一般制式手槍射擊時的出槍口速度也有500 m/sec到600 m/sec之間。同樣的彈頭,若速度加倍,動能將變成4倍。重3.89克的彈道,若撞擊速度為1000 m/sec,則它所攜有的動能為464.48卡,而不是29.03卡。所以250 m/sec的彈頭所有的殺傷力遠遠低於1000 m/sec的彈頭。此外,軍用常規彈頭為尖形,因而較易對組織產生易於引起衝擊波效應與熱衝擊效應。再加上制式槍枝射出的彈頭因角速度高之故,不單在槍膛內已因摩擦產生不少的熱量,在投射途中常因與空氣急速摩擦而產生出更多的熱。我們還不要忘了,制式槍枝射出的彈頭速度超過音速,那時彈道前端與衝鋒面間的空氣因受強力壓縮而釋出高熱。彈頭因導熱性高所以溫度快速上昇。因此相對而言,槍擊案中的鉛彈在撞擊時不過是一顆「溫彈」或「冷彈」。以上種種因素使得槍擊案中的鉛彈頭在撞擊時對組織所有的破壞力遠低於由制式槍枝射出的常規彈頭。
制式步槍射出的彈頭,若經過相當距離,撞擊人時彈頭溫度可達800℃或更高。(註19)
柒、關於腹部傷口的分析與說明:
總統腹部傷口長11公分,深1~2公分,傷口上下兩側緣有明顯的灼燒痕。
一、穿透傷與爆裂傷(或深擦裂傷)的比較:
因為腹部組織柔軟,只要速度夠,雖然彈頭前端為圓形,穿透11公分的組織並不難。(我們估計,同樣形狀材質的鉛彈,180 m/sec的撞擊速度便足以穿透11公分的組織。)打一個比方,我們用一張彈弓將彈珠向溼泥發射,可以把彈珠射入相當深處。
相對於穿透而言,要造成11公分長,1~2公分深的擦裂傷或爆裂傷便困難多了。我們先考慮可能造成這樣傷勢的原因。
(1) 彈頭擦過組織
若彈頭以相當速度,雖彈頭前端為圓形,還是有可能在擦過表皮時造成表皮破裂。若速度非常高,也有可能因摩擦生熱造成燒灼現象。但若要造成槍擊案中的傷勢,有下列困難:
A.長度:
因腹部為弧形,彈頭擦相當韌性的結度組織時會受到與腹部表面垂直向外方向的力,將使彈頭軌跡往腹部垂直向外的方向移動,而不易造成11公分長的擦傷。(註2.20)
B.深度:
彈頭直徑8 mm,擦傷不易形成深度10 mm至20 mm的傷口。
(2) 彈頭從腹部皮膚下穿透組織,但是在組織內造成瞬間巨大壓力改變而致使表皮爆裂。這種可能性在槍傷案例中也有紀錄,引起的原因是衝擊波效應或熱衝擊效應。但在總統槍擊案中的鉛彈頭撞擊速度不超過每秒250公尺,是一顆「慢彈」。其溫度又不超過320℃,頂多是一顆「溫熱彈」。而又不是一顆「熾熱彈」,可以造成的衝擊波效應與熱衝擊效應,與制式步槍射出的槍彈相較下是微乎其微。
二、腹部傷口上下兩側的灼燒痕
傷口有灼燒痕表示組織曾到達燃點,而又有足夠的氧氣供應,使部份組織燃燒。組織的燃點高過300℃,而鉛彈頭在組織內經過時間至多7/1000秒,鉛彈頭溫度不超過327℃。從本文中曾提到關於手指通過蠟燭焰的例子(焰心溫度超過300℃,手指經過時間至少1/20秒),我們知道,只靠鉛彈頭傳來的熱量而要造成槍擊案中的灼燒痕,是極端困難的。而且造成灼燒需要有足夠的熱量,而我們已知鉛彈頭在撞擊瞬間的總能量不超過65卡(272.14焦耳)。我們已經從例子裡看到65卡是多麼少的熱量。以如此少的熱量(或能量),若要造成組織灼燒,必須很有效率的將這樣少數的能量,使用在極微量的組織上才可以達成。
這顆前端圓形的慢速低溫彈頭,究竟是用什麼樣的低溫方法而如此的有效率呢?如果這樣慢速低溫彈頭都造成了總統槍擊案中那樣的燒灼傷,那是不是說在絕大多數由制式槍支造成的槍傷裡,傷口都應有比總統槍擊案嚴重數倍的燒灼傷呢?另外的一個困難是,若組織到達燃點,那鉛彈因為熱導性高的緣故,表面也少到到達近熔點的溫度。但若如此鉛彈頭不會只輕微變形。所以這顆總能量不超過65卡的鉛彈,若要造成槍擊案中的燒灼傷而鉛彈頭僅輕度變形是相當困難的。
從以上對傷口的分析,我們看到,這一顆前端圓形,撞擊速度不超過250 m/sec的慢速溫熱鉛彈,若要造成長11公分,深1~2公分的擦裂或爆裂傷是很困難的。若要造成傷口上下兩側的灼燒痕也是很困難的。我們知道這顆鉛彈撞擊時的總能量最多只有區區65卡(272焦耳),但這些許能量不單要造成上述的擦裂或爆裂傷,還要造成傷口兩側的灼燒痕。這顆前端圓形的鉛彈,較尖形彈頭不易造成組織內的高壓。那麼是什麼物理效應使得這顆慢速、中低溫的土製鉛彈頭,極度有效率地造成了前述的腹部裂傷與灼燒痕呢?
捌、結論
從以上的各項說明裡我們可以清楚的結論:
該鉛彈頭能夠造成槍擊案中有灼燒痕,長達11公分,深度1~2公分的傷口,而鉛彈本身僅輕微變形的機會,非常微小。這個「微機率事件」在現實世界中是否能發生,是可以由實驗檢驗的。為了追求槍擊事件的真相,這樣的實驗有絕對的必要性。
我們是一群沒有黨派的科學從業人士。我們已經設計好了一個實驗來檢驗上述微機率事件是否有可能發生。實驗設備的詳圖也已經隨實驗設計一同公佈。電路板、驅動程式與韌體在設計完畢後也將公佈。我們歡迎科學界人士進行平行實驗。實驗是可以重複的,而且實驗絕不說謊!
註2.1:傷口寬度係受傷後生理反應所致,較不重要。
註2.2:2004/3/20日聯合報A2版,記者郭先盛、周宗禎、吳淑玲台南報導:”(奇美醫院)急診部主任林宏榮說,總統共縫了32針,包括皮上20針,皮下12針,傷口兩側有焦黑痕跡。”
註2.3:總統腹部傷口的照片是醫療小組於奇美醫院簡報時展示,並由各媒體記者攝影刊登。三月二十日中國時報A5版及三月二十八日中國時報A7版的照片均源於此。照片中的腹部傷口沿上下兩側均有黑色灼痕,清晰可見,灼痕長度超過傷口長度三分之二以上,且左右對稱。
註2.4:彈頭重量、形狀與材質:見2004/3/21日中國時報A6版。
註2.5:制式彈頭的長度通常遠超過直徑,而且多數的前端為尖形。
註2.6:根據刑事局的初步報告,鉛彈頭上無膛線痕跡,也就是說該彈頭係從光膛槍射出。如此射出的彈頭不會快速自旋,也就是說彈道在行進方向的角動量極低。
註2.7:根據最新鑑識資料,也有部份專家認為鉛質彈頭上或許有些微膛線痕,有就是說該鉛但是由一支有少許膛線的土製手槍射出。但是土製槍支槍管與彈頭間的間隙大,所以生產的彈頭自旋角速度比制式槍枝低。而且鉛合金質軟,彈頭上只有些微膛線痕提供了自旋角速度低的強力佐證。所以無論彈頭是否有膛線痕,我們可以確定彈頭的自旋角速度縱是非零也必相當低。
註2.8:鉛彈頭穿過總統夾克、襯衫和內衣,經過腹部組織,在穿透內衣後被襯衫阻擋而停留在衣服內的圖示:見2004/3/24日中國時報A5版。
註2.9:我們採用與槍擊時總統座車速度向量相同的慣性座標系。因此後文中的瞬間速度向量是相對於總統座車來計算的。
註2.10:一個剛體運動可以用一條在剛體運動群(the group of rigid motions)中的曲線來描述。此剛體群是轉動群(SO(3))與3維平移群(R3)的半直積(semi-direct product),轉動群是一個3維單純李氏群,其李代數為所有反對稱的3×3矩陣。
註2.11:在以上的說明裡,為了簡化說明,我們未將熱動力學的方程式明顯提出,而只強調彈頭在撞瞬間的溫度分不是重要的初始條件之一。同樣的,我們並未詳細討論介質(組織)因受剛體(彈頭)撞擊所產生的運動與熱傳導現象。這一部份的數理模型屬於流體力學的範圍,所涉及的偏微分方程組是從物理學中的質量、動量與能量守恆定律而來。
註2.12:夾克有兩層布料
註2.13:確切時間因彈頭在組織內的減速度而定,實際上不超過數毫秒。
註2.14:制式彈頭由制式槍枝射出時,彈頭的熱度來源一部份是火藥爆炸時所產生的熱傳來,另一部份是彈頭在槍管內旋轉摩擦所生的熱,我們已知槍擊案中的鉛彈角速度很低,所以第二部份的所生熱量不高。彈頭若以超音速射出,則衝擊鋒面(shock front)與彈頭間的空氣因受高壓而產生高熱。若彈頭在空氣中以音速飛行一段距離後,因衝擊波與摩擦效應而使彈頭升高的溫度常超過前述兩種來源之和。
註2.15:射入時穿透夾克的兩層布料,襯衫與內衣,射出時穿透內衣但未穿透襯衫。
註2.16:即使彈頭在撞擊時繞對稱軸的角速度高達每秒2000轉,因角動量而產生的的動能也不過是0.6卡左右。
註2.17:標準的茶匙(teaspoon)容量為5cc,在外面喝咖啡時,附帶的小盒奶精,每一盒裡有5cc的奶精。
註2.18:超音速航空器飛行時便造成非常明顯的衝擊波效應。若航空器的速度與音速非常接近時,此衝擊波可能對航空器的結構強度造成會毀滅性的影響。這便是航空史上”超越音障”所遇到困難的主要原因。
註2.19:曾服兵役的讀者當有打靶的經驗。從靶場撿到的銅彈頭比未擊發過的銅彈頭長。原因是彈頭在經過相當距離飛行後,與空氣摩擦產的熱已使得銅彈頭產生部份相變化,而空氣中的黏滯力使得彈頭變長。此處為了與鉛相比較,銅的熔點是1083.4℃,比鉛的熔點327.4℃高出756℃。
註2.20:據資深trauma surgeon 告知,台灣從來沒有過身體任何部位遭槍彈擦傷而造成11公分長,又至少1公分深傷口的病例。
第三章 實驗及裝備設計
壹、實驗設計
因鉛彈頭的物理特性已知,彈頭的射擊角度、速度與溫度決定了受擊目標及彈頭本身的受損程度。本實驗將檢測不同的溫度與速度對受擊目標與彈頭本身造成的損害模式(damage pattern)。
本實驗主要是設定溫度與速度下將鉛彈頭投射到目標物。捨棄一些對目標物會損壞造成不嚴重傷口的數據,在實驗過程中蒐集不同的射擊溫度與速度,以及這些速度與溫度所造成傷口的相關數據,並同時紀錄彈頭的變形情況。實驗過程如下:
(1)準備一個布料及皮膚組織的填充匣,分別模擬布料和肚皮組織,而這兩個填充匣組合後成為我們實驗的射擊標的物。
(2)將預備好的鉛彈頭加熱到我們所需要的溫度。
(3)將鉛彈頭射向目標,並記錄彈頭撞擊之前的空氣壓力與速度〈Vi〉,假如彈頭穿透標的物時,也要同時紀錄它穿透後的速度〈vp〉。
(4)拍下實驗所造成的槍傷痕跡、測量及記錄其相關特性與特質,包括傷口的深度、長度,同時驗證它是否為一個爆裂的子彈傷口、傷口是否對稱、傷口附近是否有瘀傷及腫脹。
(5)檢驗彈頭是否有變形並拍照記錄
(6)重複上述步驟(1)至(4),並給予不同的溫度與空氣壓力。
實驗分三階段進行:
第一階段
最初實驗階段的標準皮膚組織模擬物,其組織筒內填充濃度百分之十,溫度4℃的射擊凝膠,經過前述各個步驟後,我們分析相關實驗數據後將捨棄以下三種可能情況所產生的結果:
穿透力太小
穿透力太大
子彈變形過於嚴重
捨棄上述條件後,我們將會保留其他的溫度與速度的相關數據,並將這些溫度與速度的範圍稱為(D1)。若相關條件超過條件(D1)範圍,其實驗數據就絕對無法滿足政府所公佈相關證據之要求。
第二階段
在第二階段皮膚組織筒內將加入新鮮的豬皮,它的射擊速度與溫度將維持在條件(D1)範圍內,我們將再度重複前述的六個步驟,然後分析相關實驗數據,同時捨棄不符合政府公佈槍傷結果的數據,得到速度與溫度一個比(D1)更小的範圍(D2)。若射擊的速度與溫度是在條件(D1)的範圍外,即無法滿足政府所公佈的相關證據條件。
第二階段的主要目的是要縮小第一階段條件所得的能溫度與速度範圍,以節省第三階段的實驗成本〈因為第三階段的實驗是活體實彈射擊驗證,所耗成本支出較前兩階段均多〉。
第三階段
在此活體實驗階段裡,我們用活體(例如乳豬)進行實驗,以便進一步模擬人體受槍擊後的生理現象。活體實驗的結果將徹底解答「總統衣內發現的鉛彈頭是否能造成總統腹部傷口?」這一問題。
貳、裝備概述
這個實驗設備 (如下圖所示)是以高壓氣體當作動力,並以改變氣體壓力來控制投射體的速度,由加熱室來控制投射體的溫度。

該實驗裝備包括以下幾個部分:
壓板
—汽缸經由壓板帶動助進桿及裝填管使彈頭與發射管緊密結合
裝填管
—將彈頭裝填至發射位置;裝填管及發射管內部材質為鐵弗龍
後檔板
—支撐壓板並維持助進桿及裝填管的水平
前檔板
—支撐發射管、加熱室及汽缸
發射管
—導引彈頭的前進方向
速度偵測器
—光學的感應器是用來偵測彈頭的速度,六個或六個以上的光學感應器被放在彈道的不同位置,當投射體(彈頭)阻礙了光學感應器時,這個訊息很快就會傳送到電腦中央處理器,迅速且確實記錄下時間與相對位置,發射體的撞擊速度vi和最後速度vf,可透過上述光學感應所測試結果計算,計算結果將自動紀錄於電腦中
布料填充匣
—可重複裝填布料
組織填充匣
—可重複裝填組織替代物
防護擋板
—防止流彈傷及人員
底座的框架
—金屬基部框架的主要部分是一個8公分×50公分大小的物體,額外的部分可用以延伸框架的長度
汽缸
—汽缸經由壓板帶動助進桿及裝填管使彈頭自動上膛
加熱室
—裝填管及加熱室,是被崁在支撐的平板上,裝填管及發射管內部材質為鐵弗龍
—鉛彈頭在加熱室內用電熱源加熱
助進桿
—維持壓板的平衡
熱電偶
—測量加熱室內的溫度
填充匣的基座
—填充筒基座高18公分,崁在基部框架上,它在框架上的位置是可以調整的,組織填充筒和布料填充筒則是被崁在填充筒基座上
支撐的平板
—支撐平板是被嵌在基部框架的另一端
擋彈板
—於裝置的另一端,將彈頭檔下
高壓氣體
—推動彈頭前進的動力來源
發射控制器
—發射控制器是一控制閥,它透過設備連接到填充噴嘴上,當按下發射鈕時,壓縮空氣會推動彈頭經發射管射出
常見問題集
Q1:鑑識專家李昌鈺博士認定槍傷是真的,而彈頭上的血也是擊中總統時濺上去的。為什麼你們還要討論呢?難道你們要證明出不同的結論嗎?
A1:槍擊案中各項物證與事證或許可以個別成立,但經過理論分析後,我們發現三項關鍵性的證據(一、傷口 二、彈道 三、彈頭留在內衣與襯衫之間)無法同時成立。若相關證據無法同時成立,則總統腹部傷口部不是在掃街拜票時,當場遭衣內存留的鉛頭擊中的。
我們是根據撞擊工程學 (Impact engineering) 的方向來探討槍擊案,與鑑識科學 (forensic examination) 並無衝突,且有互補作用。我們提出,並要以實驗得到答案的問題是:總統衣內發現的鉛彈是否可能曾在總統腹部打出如官方所公佈的傷勢。而因我們的實驗方法涵蓋了所有相關的物理參數分佈,如果這問題的答案是「可能」,則我們的實驗必能複製出與總統腹部相似的傷勢。但若相似傷勢無法由多次實驗複製,那麼以上問題的答案便是「不可能」。
槍擊案中縱然當事人、鉛彈與所造成的傷口特殊,也無法打破物理定律。若「該鉛彈曾造成總統腹傷」這一敘述與物理定律相背,則該敘述必然為偽。
Q2:為什麼要討論熱量?能量與槍擊有何關係?
A2:要造成11公分長的傷口需要能量,造成1至2公分深的傷口需要能量,而造成沿傷口兩側的焦黑灼痕,需要能量,而熱量是能量的一種形式。能量不滅定律告訴我們,以上所需要的能量,都必須由彈頭撞擊時所攜帶不到272焦耳(65卡) 的總能量來供應。因為鉛彈頭所攜能量過於有限,而造成總統腹傷又需要相當能量。所以熱量與能量成為了解槍擊案的關鍵之一。
Q3:就算物證中的鉛彈很不可能造成總統的傷口,你們的實驗可以證明此鉛彈 “絕對不可能” 造成一個深超過一公分,長約十一公分,帶有灼傷痕的爆裂傷嗎?
A3:這個問題牽涉到機率的概念,以及「絕不可能」這個詞的確切意義。
就機率的觀念來看,理論上,任何機率大於零的事件 (event) 都「有可能」發生。可是在我們生活的宇宙裡,時空是有限的。根據量子力學,我們所在處方圓五十公里內所有的氣體分子「有可能」在下一秒內全部移到地球的另一面,以致於附近所有的人畜全部窒息而死:這個事件的機率大於零。但這個事件的機率是如此之小,自從地球形成以來尚未發生過。著名的數學家 E. Borel 有一句名言:「I submit, an event of probability less than 10-50 , although theoretically possible, has never been observed.」
在我們設計的實驗中,會在所有可能的速度與溫度範圍內,以各種不同的射入速度,溫度組合 (比如速度每 10m/sec,溫度每10℃) ,將鉛彈擊打與人體腹部組織類似的活體 (譬如乳豬) 。如果在多次重複實驗中都無法造成與總統腹部模式 (pattern) 相同的傷口,那麼實驗的結論不是「機率很小,但若再試射兩槍仍有可能發生」,而是「絕無可能」。
Q4:為什麼你們不討論槍手使用槍支的種類、何種火藥、裝藥量、射擊距離與方向?
A4:以上的問題屬於鑑識科學與彈道學的範圍,討論的重點是鉛彈頭自出槍口到撞擊腹部這一段的軌跡。但是三一九槍擊案中因警方與國安單位未能及時封鎖現場積極蒐證,致使破案困難。
基於國人對本案有諸多疑點,我們將研討重點集中於解答 「總統衣內鉛彈是否可能造成總統腹部傷勢」這一疑惑。
我們對槍擊案的理論研討與實驗設計以彈頭射入腹部瞬間的速度向量與溫度為焦點。不問以上問題中各項未知因素為何,只要鉛彈頭撞擊瞬間的物理參數 (即速度向量與溫度) 相同,則彈頭在腹部的軌跡與造成的傷勢也必定相同。這是撞擊工程學 (impact engineering) 中採用的方法。
若以上疑惑的科學答案為「可能」,則實驗結果可以告訴我們如何複製與總統腹部模式相同的傷口。實驗可以重複,絕不說謊!
Q5:有位名醫說,子彈在總統肚皮上煞車11公分後,速度減低以致煞車後只能穿透一層內衣而被襯衫擋住。而煞車時因摩擦生熱造成灼傷。這樣的解釋聽來十分合理,難道你們有不同的看法?
A5:若彈頭與腹部組織摩擦後速度減低到只能再穿透一層布料,那麼彈頭的撞擊速度必定相當低。因為彈頭擦過組織時受到的阻力低於彈頭穿透組織受到的阻力,所以如果總統腹傷是彈頭擦傷造成,彈頭撞擊速度要比我們估計的250m/sec更低。另一方面,若摩擦所生的熱能造成長11公分,深1至2公分,且傷口兩側有焦黑灼痕的傷口,那麼彈頭的速度必須高於音速 (330m/sec),不是一顆低於250m/sec 的慢速彈可以辦到的。
我們以沉重的心情期待更多的科學家加入討論,並以實驗來證明以上結論是錯的。
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