為什麼衛生棉可以做到「超乾爽不外漏」?

熟睡的女性要的就是能在生理期好好地睡一覺。圖/pexels

為什麼衛生棉可以「超乾爽不外漏」?

衛生棉是女性的生活必需品,大家一定對「 超強吸水、十倍吸收、超乾爽」這樣的廣告詞耳熟能詳!衛生棉廣告中,也常出現一個橋段──將水直接倒在衛生棉上──用以證明其有超強吸收及保水能力。

圖/pexels

事實上這一點都不誇張,因為在衛生棉內層當中具有極高吸水能力的「吸水性高分子」。吸水性高分子可吸收本身重量 500 倍(本身體積 30-60 倍)含量的水,當然可以超乾爽不外漏。

吸水性高分子本身不溶於水,且具有很高的保水能力。我們印象中的吸水材料如棉、紙、海綿等,是利用毛細管現象將水吸收於材的間隙;與吸水性高分子相較,其吸水能力低、保水能力也不好──受到壓力水就會流出。所以對於衛生棉、紙尿褲而言,尚且不足以把水分鎖住,並不適合作為吸水層主要材料。

「吸水性高分子」除了吸水還有什麼功能?

衛生棉的設計發想源自於土壤保水率材料的研究。圖/pexels

一個能夠用於衛生棉內的吸水材料,不但要有吸水能力,同時還要有保水能力。過去對於吸水能力的產生往往是因為水與纖維質孔隙之分子有作用力而使液體流動,但是如果要使液體不流動,就要想辦法讓水被抓住、被固定住,那麼在材料選擇的思維就不同了。

而這類吸水性高分子最早並非使用於衛生用品當中。在 1960 年代早期,美國農業部進行改善土壤保水率材料的研究,開發了能夠吸收本身重量 400 多倍水的高分子化合物,而且這類材料不會像纖維基吸收材料那樣釋放水。後來美國農業部將這項技術移轉給一些美國公司,進行進一步開發,逐漸被改良及應用於衛生用品中。

鎖住水分的保水能力,怎麼辦到的?

吸水性高分子最重要的特性是保水性。一個分子要如何擁有保水能力?

就是要有「抓」水的能力。

首先,先來介紹一下化學的基本觀念。水本身是一個分子,它是由氫原子以及氧原子所組成,分子式為 H2O (如下圖(B)所示)。由於氫原子以及氧原子周圍都有電子存在,然而原子本身對於電子的喜好程度不同,形成化學鍵結後,會產生電荷分布不均的現象,並產生所謂的極性(如下圖(A) 所示 )。

氧原子本身對於電子的喜好程度較高,因而較能吸引電子(喜好電子的程度在專業領域上稱之為陰電性);氫原子本身對於電子的喜好程度則較低。當兩者形成化學鍵結合時,會引起電子的局部流動──氧原子的周圍被較多的電子圍繞,氫原子的電子局部流失,形成了帶有正/負兩極的極性狀態(如下圖 (B) 所示)。

所以水本身就是有極性的。那要如何能夠抓住水分子呢?這個答案就很明顯了,就是找一個也有極性的分子, 因為正/負會相吸的簡單原理,就會把水吸引住,水就被「抓」住了。

(A)水的電子局部流動分佈 (B)水的極性。圖/作者提供

也就是說,如果我們能夠將具有極性特質的分子,固定於在衛生棉材料中,就能有效地將水抓住;而這類分子又不能被水給溶解出,那麼最好的選擇莫過於吸水性高分子了。

聚丙烯酸鈉上之-COO- 與水具有極性吸引力。圖/Edgar181 [Public domain], from wikimedia commons

在此以常用的吸水性高分子聚丙烯酸鈉 (Sodium polyacrylate)來說明:

 聚丙烯酸鈉分子式為 [-CH2-CH(COONa)-],而高分子在吸水前,分子的長鏈相互交纏,形成三維度的網目構造,類似交纏的毛線球。由於分子鏈段上的 -COONa 易解離(於水中分解成 –COO 與 Na+ 離子),所以 –COO本身會有極性,會與水分子的極性互相吸引,而將水「抓」住,(如 上圖 所示)。

由於 –COO本身帶負電,互相排斥之下,高分子網目擴大,吸水量隨之增加,換句話說,保水性也就提高了!如上面影片,我們可以觀察到其體積的膨脹,吸水前後體積有偌大的差異。

這也就能解釋為何衛生棉具有超強吸收及保水能力了!如今吸水性高分子被廣泛的應用在生活中,衛生棉、紙尿褲、土壤保水劑等都可一窺其蹤跡,具有龐大的商業價值,諸多廠商積極投入開發新材料並申請專利;但不論其結構變得多複雜,基本學理其實就是這樣簡單。

參考文獻 :

  1. Physics LibreTests: Capacitors and Dielectrics
  2. The Wire: Why Water Along the Surface of a Tank Isn’t Like the Water Inside
  3. Polymers-Osmosis Magic
  • 文字編輯/蔡雨辰

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如果有個哆啦A夢的《顛倒星球》,我們就能知道宇宙的形狀?

哆啦A夢有一集叫做《顛倒星球》:劇情是大雄一如往常的在學校裡被別人取笑,他便在七夕時祈求神仙令他變得聰明一點。哆啦A夢看見了,就拿出一台天文望遠鏡讓大雄用它來看看廣闊的宇宙,希望他的心情會因此變得好一點。

圖/giphy

看著看著,大雄突然間發現了一個和地球十分相似的星球,但有趣的是上面的大陸分佈跟地球的左右顛倒了。之後哆啦A夢與大雄一起乘坐太空船飛到這顆星球上面,驚奇地發現不單只有的大陸形狀,這裡的一切跟地球上的都完全相反,例如:男女的社會角色顛倒(這或許這是藉此對日本父權社會文化的一種探討吧)、貓與狗的叫聲顛倒、出木杉經常拿零分、甚至有一個女性打扮的哆啦A夢。

以前我經常在想,這一切都沒有可能吧!我們知道不單止生命,要使兩個星球有着同樣大小和形狀的大陸的機會率簡直微乎其微,因為這一切都與非常大量的粒子互動的結果有關。

不過,宇宙學告訴我們,這其實是有可能的!而且如果我們能觀察到這樣的一個顛倒星球,就能解決宇宙學其中的一個終極問題:時空的大尺度形狀究竟長什麼樣子?

如果我們觀察到這樣的一個顛倒星球,就能解決宇宙學的其中一個終極問題:時空的大尺度形狀究竟長什麼樣子?
圖/pixabay

宇宙的形狀

愛因斯坦的廣義相對論能夠描述整個宇宙的形狀和演化。基本上,宇宙的形狀可以分為三類:平坦的、開放的、封閉的。如果宇宙是封閉的,那就不是無限的;相反地,如果宇宙是無限的話,那他就必然是平坦或者開放的。

那什麼叫做封閉的宇宙呢?我們可以用地球儀來比喻:拿起一個地球儀,我們可以看見它的表面是沒有邊界的;雖然沒有邊界,但地球儀的表面積並非無限。如果你從表面的任何一點出發,向著任意一個方向走,你最終會從起點的後方繞回來;因此,我們就說地球的表面是封閉的。

Source:Pixabay

現在,讓我們把維度提升一級,想像三維空間也是如此。如果你從宇宙的任何一點出發,你最終會從出發點的後方繞回來,這樣的一個宇宙就是封閉的。而開放的宇宙是無限延伸,如果你不調頭,就永遠不會回到原來出發的地方。無限延伸的宇宙的形狀,如果用二維平面比喻,要不就是一張平坦的紙,要不就像一個馬鞍的形狀。理論上我們可以在宇宙中畫一個非常巨大的三角形,量度它的內角總和。如果宇宙是封閉的,我們就像在地球表面畫出一個非常巨大的三角形一樣,你會發現內角總和會比 180 度更大;相反,如果宇宙是開放的馬鞍形狀,你會發現內角總和少於 180 度。而如果宇宙是平坦的話,內角總和就會剛好等於 180 度(即如同一張平坦的紙一樣)。可是,就正如我們感受不到地球的表面是彎曲的,因為相對於地球來說我們太細小了,要畫出一個足夠用來量度整體宇宙形狀的三角形基本上是不可能的。

封閉的宇宙就是從宇宙的任何一點出發,最終會從出發點的後方繞回來;而開放的宇宙是無限延伸,如果不調頭,就永遠不會回到原來出發的地方。
圖/pixabay

 

科學家只能透過觀察非常遙遠的星系的光,細心檢查這些遙遠星系的影像有沒有異常之處。由於物質產生的重力會使光線的軌跡彎曲,我們就能看到光線扭曲了的影像。如果在這些影像之中看到星光曾經被相反方向的星系扭曲的話,就能證明光線曾經繞過宇宙一周回來了。可是這個方法有一個問題,那就是即使宇宙是封閉的,它還是非常巨大,像是星光從宇宙誕生的 137 億年以來,根本還沒跑完宇宙一週。

平行宇宙裡有千千萬萬無限個我

那麼,我們究竟要如何分辨宇宙的形狀呢?天文學家以觀察遙遠星系的分布和微波背景輻射來計算出宇宙的曲率,而觀測結果顯示宇宙的形狀非常接近平坦,這代表宇宙有可能是無限延伸下去的。假設我們身處的宇宙並沒有任何特別之處,那麼如果我們建造一艘超越光速的太空船,讓我們能夠即時飛到宇宙任何一個角落,我們應該會見到非常相似的星空,發現四周有著差不多數量的各種形狀的星系包圍着我們 ── 這就導致一個非常奇怪的結論:「宇宙有著無限的物質」。

「無限」是一個非常奇怪的概念,其中一個特點是無論機率多小,在一個無限的宇宙之中的事都必然會發生。所以,在一個絕對平坦的宇宙之中,只要物理定律允許,一切事件都必然會發生!那我們必然會在宇宙某個角落找到一個與地球完全一模一樣的星球,而且上面著另外一個我,另一個體型、聲線、外貌,還有喜好、身體裡的遺傳密碼、構成身體的成份,甚至身體裡各個粒子的排列都完全一樣的我!

或許不單止有一個我, 也可能「此時此刻」宇宙中有著無限個我正在做同樣的事情:在寫這篇文章。

「無限」其中一個特點是無論機率多小,在一個無限的宇宙之中事情都必然會發生,像是可能在「此時此刻」宇宙中有著無限個我正在做同樣的事情。
圖/giphy

只不過,現在的觀察仍然未能完全分辨宇宙的形狀。如果宇宙是開放的或者是封閉的話,以上情況就不會發生,這是因為缺少了無限的物質。

大雄觀察到宇宙之中存在著如此一個顛倒星球,就是宇宙是絕對平坦的一個非常有力的證據!如果提出來,這絕對是諾貝爾獎級的大發現,哆啦A夢也就再也不用擔心大雄會被人欺負!而如果我們現實中也能找到這樣的「顛倒星球」,肯定不只會得到諾貝爾獎,也絕對會震驚整個世界!


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會「哺乳」的蜘蛛?超營養蜘蛛奶讓幼蛛頭好壯壯!

  • 文/林傑│有點反骨的人類。談談科學,再談談文學。

你還記得在哈利波特第一集出現的阿辣哥嗎?牠擁有八隻腳八隻眼、巨大無比且毛茸茸的身軀,以及可怕的獠牙……這可怕的形象想必也曾出現在某些人的惡夢中吧?

不只是哈利波特,蜘蛛也是許多恐怖驚悚電影喜愛的元素之一。或許是被電影所影響,我們總覺得蜘蛛是種冷血無情、會吃人的八腳怪,但是,你有沒有想過,牠也有充滿母愛的一面?

你能想像長相可怕的蜘蛛也有充滿母愛的一面嗎?圖/By Neal Fowler @flickr

哺乳蜘蛛非新面孔!台灣也是牠的家

來自中國科學院昆明分院的科學家在雲南發現了一種蜘蛛,牠養育後代的行為與哺乳類動物相當類似,雌蛛不僅會分泌母乳給幼蛛喝,還會清潔牠們的巢穴,讓幼蛛在乾淨的環境下健康長大。

但這其實並非全新的物種,這種蜘蛛最早是於 1933 年在台灣發現的,當時的台北還被稱為台北州,發現蜘蛛的人則是日本學者齋藤三郎 (Saburo Saito)。而除了台北之外,台灣各地、中國東南部和東南亞都有發現這物種的蹤跡,許多野外攝影家的作品也有牠的身影。

這種蜘蛛的學名為 Toxeus magnus [註],更多人稱牠為大蟻蛛。在分類學中,牠是屬於蛛形綱、蜘蛛目、蠅虎跳蛛)科、蟻蛛屬。看看牠的外型,與我們熟悉的蜘蛛形象不太一樣,沒有毛茸茸的身軀(只有局部有毛)、沒有色彩鮮艷的斑紋,反倒有些樸素,長得就像螞蟻;若是到了野外,不仔細看,還很容易與黑棘蟻 (Polyrhachis dives搞混。

長得像螞蟻的大蟻蛛 (Toxeus magnus) 和一般的蜘蛛似乎有些不一樣呢!圖/By Sarefo, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons

當時研究團隊在野外發現大蟻蛛的巢穴,裏頭居然有不只一頭成年蟻蛛,這使得研究者相當困惑,因為大部分蜘蛛是獨居動物,只有少數具有群居或者社會性的行為,因此,他們決定將大蟻蛛帶回實驗室做進一步研究。

比牛奶更營養的蜘蛛奶,讓幼蛛流連忘返

研究團隊給大蟻蛛們打造了適當的窩,嚴格控管室溫與濕度,並給予充足的水分與食物,觀察大蟻蛛孵化及育兒的過程。

在幼蛛剛孵化的第一周,雌蛛,也就是蜘蛛媽媽,會從腹部的胃外溝(epigastric furrow;又譯為生殖溝)分泌出乳汁,滴在巢穴表面供幼蛛食用;隨著幼蛛長大,幼蛛會直接在胃外溝吸取乳汁。分析發現:這種乳汁含有糖分、脂肪、蛋白質等豐富的營養成分,其中蛋白質的含量高達 123.9mg/ml,相當於一般牛奶成分的四倍。

蜘蛛媽媽會從腹部的胃外溝 (epigastric furrow) 分泌出乳汁,滴在巢穴表面供幼蛛食用。B 圖左邊箭頭所指黃色處為乳汁。圖/研究圖片

孵化後 20 天,部分幼蛛會離開巢穴覓食,開始具有野外覓食的能力,但特別的是,幼蛛仍會返回巢穴吸食母乳。生長到了 40 天,蜘蛛媽媽不再分泌乳汁,但幼蛛仍會待在巢穴中「啃老」,與媽媽一同生活。

過了 60 天後,幼蛛成長到性成熟,成年雌蛛會持續生活在巢穴中,而成年雄蛛則會被媽媽及其他雌蛛攻擊驅趕。科學家認為,這個現象可以避免近親交配,減低罹患相關隱性疾病的風險,並增加基因多樣性。

給我滾出去!圖/By BET @giphy

哺乳+育幼,幼蛛的保命金符

研究團隊想要了解大蟻蛛媽媽及母乳對於幼蛛的重要性,進而設計了一系列的實驗。

研究者將蜘蛛分為四組,第一組為控制組,控制組的蜘蛛們非常幸福,一直到了成年都與母親待在一塊;第二組的雌蛛產卵後,研究人員立即以立可白阻斷雌蛛的乳汁分泌;第三組則是在幼蛛生長到第 20 天時,阻斷雌蛛的乳汁分泌;第四組在幼蛛生長到第 20 天時,將蜘蛛媽媽與幼蛛分開。

實驗發現,第二組的幼蛛一旦缺少媽媽的母乳,所有的幼蛛會在十天內死亡,證實了母乳是幼蛛成長時不可或缺的食物來源

出生的時候缺乏媽媽的乳汁,幼蛛便全部死亡了。圖/maxpixel

第三組的幼蛛成長到一定程度後再隔絕雌蛛的乳汁,幼蛛的生存率與物種體型比起控制組並無明顯變化,代表成長到 20 天後乳汁並非幼蛛的必要食物,而可以用其他的食物作為替代,因此牠們的覓食率明顯上升。

而第四組的實驗則發現:當幼蛛同時缺少乳汁與媽媽照顧,幼蛛的生存率與體型會下降,覓食率與離巢率則大幅上升。

研究人員進一步發現,缺少母親的照顧下,這些後代體內普遍存在寄生蟲,嚴重危害到幼蛛的健康,是幼蛛死亡的主因。這是因為母親可以清理並修補巢穴,大幅減少寄生蟲。就如同人類媽媽打掃小孩的房間,避免蟑螂螞蟻窩藏在我們的房間角落。

從這一系列的實驗可以發現,除了乳汁分泌,母親的存在對於後代的成長亦扮演很重要的角色。

這樣的養育行為或許另有用意

根據上述的實驗結果,我們能夠初步證實:媽媽的存在,對於後代的生存與成長有著正面幫助。除此之外,科學家還觀察到,幼蛛的雌性比例(雌:全部)在不同狀況下有著明顯的不同:第三組幼蛛的雌性比例 (0.50) 遠低於第四組 (0.84) 及控制組 (0.87),大蟻蛛媽媽似乎能夠控制幼蛛的性別比例,「刻意」地讓雌蛛的數量多於雄蛛。

在大蟻蛛這種一夫多妻的物種中,雌性在育幼方面比之雄性更為投入,在這種狀態下,更多的雌性意味著對於繁衍後代更為有利。可惜的是,雌蛛如何影響性別比的機制還未明瞭。

哺乳類以外的哺乳和育幼行為背後隱含什麼樣的意義呢?圖/By aitoff @Pixabay

在非脊椎動物中,目前只有發現大蟻蛛表現出與哺乳動物異常類似的養育及哺乳行為。無論是哺乳動物或者其他物種,哺育的行為對於物種繁衍皆有著正面效應,母親的存在能夠讓後代在成長時減少被捕食的危險,或是能夠教育後代生存的能力,不論是何者,皆可以提升後代在未來的生存機率,進而促進物種繁衍。

這次的發現,讓我們知道原來哺乳並不是哺乳動物的專利,不知道未來是否能找到更多會哺乳的物種呢?

  • [註]:大蟻蛛已於 2016 更改屬名(從 Myrmarachne 改成 Toxeus),現今正式學名應為 Toxeus magnus。其舊學名最初是由齋藤三郎 Saburo Saito 發現時命名為 Myrmarachne magnus

參考資料


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歐洲食品安全局│食安簡史5:新手培訓中心

食品安全近年引發許多焦慮,臺灣的食安政策究竟該如何制訂,才能讓大家吃得安心放心呢?本系列以歐盟、英國、美國、加拿大、中國等國為例,整理歸納系列文章,邀請大家破關點技,點好點滿成為食安鬥士。

想到歐盟食安局上班嗎?你必須具備解決跨領域問題的能力!

攸關民眾健康的食安危機,得適用積極預防原則──歐盟食安綠皮書

在歷經狂牛症風暴二十年後的今天,歐洲的食品安全管理已被視為全球的典範之一1,原因可從當初歐洲慎重的規劃裡看出一些端倪。

英國爆發狂牛症的隔年,歐盟隨即頒布食安綠皮書 (a Green Paper on General Principles of Food Law in the E.U.) ,闡明了攸關健康的食安問題,應當採用合理的預防原則:「若資訊不完整,或科學證據暫無法獲得完整的風險評估,以致無法獲得結論時,得適用預防原則」2。此科學性的積極預防原則,貫穿了未來歐洲食安管理的精神,替現今建立了良好基石。

歐洲食安局在義大利帕爾馬(Parma)的總部。圖/wikipedia

健康對上經濟,食安問題會轉彎?

食品安全攸關多數人的健康,一旦危害發生,其損傷則難以回復,管理方應採取風險敏感導向的積極預防策略。

英國爆發狂牛症後的 1998 年,英國向歐洲提出申請取消牛肉輸出之禁令,歐洲法院駁回要求,其判決說明:「若危害的存在與範圍尚未確定,管理機關可在未釐清之時,採取保護措施。」從此歐洲面對嚴重的食安危機,偏向積極預防的處理原則2。「積極預防」的概念就是採取「風險敏感策略」,當危害存在可能性時,得暫時採取合理的管制措施。這是因為食品安全攸關多數人的健康,一但危害發生,其損傷則難以回復,因此無法完全適用於科學實證主義。為確保歐盟的高度健康保護標準,得採取暫時性之風險管理措施2

兩年後的2000 年,歐盟公布食品安全白皮書 (a White Paper on Food Safety),內文說明歐盟民眾需要「從農場到餐桌」的全面性食安管理體制3。具體建議包括:風險系統的架構飼料和食品追蹤系統消費者至上組織的透明性與民主性等。綠皮書和白皮書的建議,替未來的歐盟食安管理系統打下了良好的基礎4

歐洲食品安全局。圖/wikipedia

國家存在之目的,不在打造一個零風險的環境,而是合理地降低人民生活的風險2

在食安管理的利害關係裡,政府身為人民權益的代理人,有義務向廠商要求合理的管制,但此管制不能、也無法無限上綱,因為要求廠商提供完全無風險之食品,在現實上是難以達到的要求。而此分寸的拿捏,則必須要仰賴如歐洲食品安全局 (European Food Safety Authority, EFSA)、英國食品標準局 (UK Food Standards Agency, FSA) 等科學機構的報告來制訂標準。以歐盟面對食品中的三聚氰胺和戴奧辛為例2,並非一昧的要求廠商零檢出,而是基於歐洲食品安全局的風險評估報告,制訂合理的濃度標準,此行為才符合國家存在之目的,才能真正確保人民的生活安全。

歐盟在 2002 年頒布的一般食品法中敘說,為達到保護建康和生命的目標,食品管理應當以風險分析為依據,而風險分析可分為「風險評估」、「風險管理」和「風險溝通」之架構,三者良好之運作,才能保護人民健康,並達到消費者至上的目的2

風險分析架構之三個單元。圖/作者繪製

  • 【風險評估】:針對特定物質、技術或事件,以科學上合理的方法,計算對健康不良影響之機率。簡單來說,是以科學方法調查風險的可能性和危害程度,並判斷是否可以接受。比方說在 2008 年中國三聚氰胺毒奶粉爆發時,歐盟食安局初期判斷人體接受度是 5 mg/kg,而在 2010 年時,重新考量科學證據後,下修成 0.2 mg/kg5,6
  • 【風險管理】:指歐盟或會員國依照風險評估結果,並加入社會、經濟和倫理的因素,所發佈的行政命令或法律。比方說以 2008 年愛爾蘭發生戴奧辛汙染豬肉為例,歐洲食安局的風險評估報告判斷,只要愛爾蘭豬肉的比例在食品中的20%以下,就不會對人類的健康造成影響。而歐盟執委會也依此發佈回收命令:含愛爾蘭豬肉 20 %以下的食品不予回收;20 %以上或含量不明者全數回收。
  • 【風險溝通】:是指由風險評估者、風險管理者、消費者和利益關係社群彼此互動,務必使消費者得到正確的知識,以消彌對風險的不理性恐懼。以台灣目前媒體傳播環境裡,假新聞、偽科學紛起,導致許多民眾相信虛假的食品安全資訊,使得「風險溝通」成了我國食品藥物管理署和農委會最艱辛,也最重要的工作。

電影《動物方程式》(Zootopia),城中接二連三的肉食動物發狂事件,而市長疏於溝通及未透明的私下調查等,使得居民陷入一片恐慌之中。圖/IMDB

歐洲食品安全體制-歐洲食品安全局

在公佈食安綠皮書、白皮書後數年內,歐盟陸續成立了「食品安全局」、「食品安全實驗室 (European Union Reference Laboratories)」和「食品與獸醫管理局 (Food and Veterinary Office)」等機構,其職權如下7

  • 歐盟執委會:食安政策決策(風險管理)
  • 歐盟食品安全局:風險評估、風險溝通
  • 歐盟食品安全實驗室:系統性檢驗
  • 歐盟食品與獸醫管理局:稽核歐盟和其他國家的食安管理
  • 歐盟刑警組織:和各國警方合作,追緝不法案件

歐盟食安管理系統結構。圖/作者繪製

而在此體制中的核心,就是負責「風險評估」的歐洲食品安全局。而和過去的組織比較,歐盟食安局多了以下的特性:

  • 【獨立】:歐洲食安局的目的是提供獨立整合的科學意見,讓決策單位面對食物鏈的潛在風險和實質問題能做出適當的決定。為了避免重蹈英國農、漁業食品部的覆轍,歐洲食安局直接向歐盟執委會負責,其預算由議會直接提供,其經濟上不受任何國家或歐盟其他組織的控制。 2014 年,歐盟食安局年度的預算為 6300 萬歐元,約 23 億台幣(註:台灣大學 2014 年的總支出約 160 億台幣)。並且為了強化歐洲食安局的獨立性,法律更賦予法律人格,及其職員享有豁免特權等地位4
  • 【跨領域的溝通能力】:由於食品安全是相當複雜,且極需公眾溝通技巧的領域。因此歐洲食安局在招募員工時,除了專業的科學能力考量外,另還特別著重具有跨領域的學識處理複雜問題的能力面對公眾有高度的溝通和傳播技巧的人才8
  • 【組織透明性】:英國政府在反省狂牛症風暴的過程中,認為部分政府單位隱匿疫情才導致如此嚴重的後果。因此在 2000 年成立英國食品標準局時,就強調組織的透明度,除涉及機密的會議外,所有的會議記錄都完全上網公開7。而隨後成立的歐洲食安局也沿襲了這個觀點,絕對不可以延遲公開報告,並且少數派的意見也會以予尊重,開誠布公8
  • 【公眾協商平台】:如同上方所述,食安管理牽涉到許多層面,包含消費者、農民、生產者、經銷商等,而政策的成功度,則仰賴產業鏈的每個關鍵團體都能理解政策的重要性。因此歐盟食安局會定期舉辦消費者論壇 9。除了面對面的協商外,歐盟食安局也會利用媒體來向民眾報告目前協商、討論的進度,以求公開透明,同時廣納各方意見8

相較於歐盟食安管理系統,我國食藥署和農委會在「獨立性」、「跨領域溝通能力」和「組織透明性」明顯較困乏。囿於公務體系組織法和政府財政的侷限,或許可從短期的方法著手:先和民間團體、企業組織合作,增加跨領域溝通的能力,漸漸提高政府和人民溝通的可親性;同時應鼓勵提高組織透明性,並從民眾較關注或科學性較高之議題(如:雞蛋、食源性疾病),公開每一次的會議記錄開始,詳細標註發言內容、少數意見,同時歡迎民間團體就會議記錄進行討論,不僅可收集民間意見、亦可提高民間和政府的互動程度,循序漸進地培養彼此互信的長久關係。

下一篇請見:英國食品標準局│食安簡史6:新手培訓中心

參考資料

  1. 食力foodNEXT。第二期。食力出版社。中華民國
  2. 林昱梅(2015)論食品安全管理法制中之預防原則:以歐盟與臺灣為中心。台大法學論叢。國立台灣大學法律學院。中華民國
  3. 食品衛生管理法。立法院國會圖書館
  4. 洪德欽(2015)歐盟食品安全制度對臺灣食安改革的啟示。台大法學論叢。國立台灣大學法律學院。中華民國
  5.  EU limits imported Chinese food. BBC新聞網
  6. EFSA reduces tolerable intake level for melamine. EFSA官方網頁
  7. Klaus Jürgen Henning; Stefanie Freyberg; Susann Stehfest; Susanne Kaus; Gaby-Fleur Böl (2014) 2014年歐盟食品安全年鑑第三次更新和修訂版。聯邦風險評估研究所 (BfR) (www.bfr.bund.de),德國柏林
  8. 楊小敏、戚建剛 (2012) 歐盟食品安全風險評估制度的基本原則之評析。北京行政學院學報。5-11頁
  9. 29th meeting of the EFSA Stakeholder Consultative Platform. EFSA官方網頁

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重磅登場!令人聞之色變的Little Boy原子彈——《跟著怪咖物理學家一起闖入核子實驗室》

特殊槍管式構造:牽一「管」而動全身

要了解原子彈的構造,得從最單純的槍管式構造開始說起。

槍管式構造使用在史上第一顆實戰原子彈 Mk-1,代號:小男孩 Little Boy,也就是投在廣島的那顆原子彈。它準備了超過臨界質量的鈾 235 核心,並且將核心分成兩份。當兩份核心單獨分處於兩端時,兩端的質量分別都在臨界質量以下。直到起爆的時候,才一鼓作氣地將兩份核心合為一體,使質量超越臨界質量。

內部的砲管構造,兩端的核心分別配置。圖/聯經出版社提供

基於這種裝置辦法,它的內部採用類似砲管的構造,在砲管的兩端分別配置分割成兩份的核心。然後,在其中一份核心裝設使用一般炸藥(稱為推進劑)的起爆裝置,待推進劑爆炸,即可促使同一端的核心在砲管中朝反方向移動。

啟動物也是,分割成釙與鈹,分別裝設在兩份核心。在說明啟動物時曾提到,釙與鈹只要在空氣中相隔 4 公分以上,就能超越 α 射線的射程,啟動物也就不會啟動。

推進劑起爆,核心加啟動物那一端在砲管中往對向移動,核心的總量於是在合體的瞬間超越臨界質量,同時間,啟動物啟動,釋放中子,促成超臨界狀態──發生核爆。

欠缺失效安全模式,投彈前一刻才裝上起爆裝置

槍管式的優點是構造單純,不過也存在重大的問題。首先,

槍管式的核心只使用鈾製作。

至於不使用鈽的原因,請容我留待稍後說明。濃縮數十公斤的鈾異常艱辛,為了節省試驗消耗的鈾,這枚並未經過試驗,就被直接投入實戰。

槍管式的另一項重大問題是:

安全性。

如同前述說明,只要單方面的核心往管中央移動,就能引發核反應。不僅構造單純,就連啟動也簡單。一般而言,一失控就會造成慘重災情的機械或裝置,會被限定在所有條件都順利到位的情況才能啟動。換句話說,我們會希望,只要有任何一項非在意料之中的不適當情況出現,它就無法作動。這稱為失效安全(fail-safe)模式。然而,槍管式原子彈並不存在失效安全模式。

所以美國對廣島投彈的實況是:在缺乏起爆相關裝置的狀態下出擊,直到投彈前一刻才裝上起爆裝置。所以當時,能組裝起爆裝置的技術人員必須隨機待命。正因為它如此欠缺安全性,在處理上尤須謹慎。

小男孩的核心所使用的鈾 235 僅僅 50 kg,其中真正發生核分裂反應的量卻只有 1 kg。也就是說,費盡千辛萬苦濃縮精煉得來的鈾的絕大部分都沒有發生反應。而且其餘的鈾,也因為受到最初發生核分裂反應的部分爆炸之影響,而飛散至四處。

總而言之,小男孩的效率一點也稱不上好。

小男孩採用槍管式構造,體型細長。圖/聯經出版社提供

不容小覷的超級男孩:個頭小巧、威力無窮

儘管如此,小男孩的威力還是一般炸彈(化學反應型的炸彈)所無法比擬。小男孩的能量高達 60 TJ。一般而言,核武器的威力以「相當於幾公噸的 TNT 爆炸所產生的能量」的表現方法呈現。TNT(三硝基甲苯,俗稱黃色炸藥)為一般炸藥,它的爆炸能量定義為:每 t(公噸)4•184 GJ(十億焦耳)。小男孩的爆炸威力是 60 TJ,經過換算則相當於 15 kt 的 TNT。

核爆造成的蕈狀雲。圖/Wikipedia

換句話說,相當於引爆 15000 t 的 TNT。而 15000 t 又相當於重巡洋艦的重量。請各位想像一艘全部用火藥建造的重巡洋艦,這樣應該就不難想像它的威力—簡直誇張到荒謬的程度。而那麼龐大的威力,竟然只消一枚原子彈就能實現!只需要一架轟炸機,就能運載 15000 t 的爆炸當量。看在這樣的報酬率,當然是哪個國家都會拚了命地去開發原子彈吶。

 

 

 

本文摘自《跟著怪咖物理學家一起闖入核子實驗室》,2018 年 6 月,聯經出版。


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瑞典科技博物館數學花園:融合數感、美感、體感設計的北歐遊樂場

我們曾在讓人好玩又好學的「數學遊樂場」,在台灣有嗎?一文中,分別介紹了美國華盛頓 Harry Thomas Sr. playground 與竹北嘉豐數學公園,也一起思考了臺灣的數學公園是否能能夠掙脫對數學的貧乏想像與設計[1]。那麼,還有沒有更多有意思的數學公園呢?

數學花園概念圖。圖片來源/Tekniska museet, Sweden授權

2018年的夏天我前往瑞典參加 Bridges 2018全球數學藝術展覽與會議,在抵達瑞典科技博物館(Tekniska Museet)時發現了他們令人驚艷的「數學花園」(The Mathematical Garden)。這個於2017年9月開幕的數學花園是動物園島(Djurgården)博物館園區的最新景點[2],也是個令人興奮、融合數感、美感、身體感於一體的北歐數學遊樂場!

數學是描述宇宙秩序的學問,在生活中無所不在並且千變萬化,以圖樣、對稱、數列、碎形、黃金比例的形式存在於自然、藝術、音樂或是人類科技中;而數學花園提供了各種互動體驗,讓來到博物館的遊客可以自由探索數學的樂趣。接下來就讓我開始介紹數學花園的各項設計吧[1]!

家裡也好想有一組的五邊形鋪磚

從博物館的大門開始就有玄機:我們都看過磁磚是四邊形、六邊形甚至是三角形,但你有看過連續的五邊形鋪磚嗎?(延伸閱讀:五迷們難以達成的願望之一:用正五邊形磁磚鋪地板)如果沒有,現在就讓你看看!博物館大門口的五邊形鋪磚,這是業餘數學家瑪喬里.賴斯(Marjorie Rice,1923-2017)所設計的。原本只有高中學歷的她,讀了人稱葛老爹的科普專欄作者葛登能(Martin Gardner,1914-2010)在《科學美國人》的專欄後,開始研究起這個題目,並且發展了一套系統最終找出四種新型態的凸五邊形鋪磚[3]。

博物館門口的五邊形地磚來自瑪喬里.賴斯的發現。攝影/Shark Lin

不過由於瑪喬里.賴斯去年(2017)離世,今年Bridges開幕演講也邀請了數學家桃樂絲.舒特內德(Doris Schattschneider),聊聊這位家庭主婦在數學史上留下的傳奇故事[4]。

用雙腳走出答案的數學迷宮

面向博物館右側的是兩個看似簡單但其實相當狡猾的數學迷宮,在螢幕前面讀這篇文章的你,不妨也照著下圖圖說的規則試著解謎看看吧!我和我與會的小夥伴可是嘗試了好幾天才解出來啊!

從起點到終點,穿過線條的顏色必須紅藍相互交換,不能連續穿過同個顏色(Every other blue, every other red maze)。攝影/Shark Lin

一個人玩迷宮不夠過癮的話,在數學花園裡也可以揪夥伴一起玩。博物館門口兩側佇立著像盤子一般的拋物面,可以讓人試著找到拋物面的焦點後說悄悄話,問問你的夥伴在另一邊聽不聽得見?

Parabolic dishes,攝影/Shark Lin

不只有數感,再來點音感吧

英國數學家希爾維斯(James Joseph Sylvester,1814-1897)曾說過:「難道不能形容音樂是數學的感性,而數學是音樂的理性?」 (May not music be described as the mathematics of the sense, mathematics as music of the reason?)[5]

下圖右側高高低低的金屬管是由木琴構成,觀眾敲擊這些柱子會聽見不同音調但悅耳和諧的聲音,可以探索柱高與音調的關係培養數感與音感,進而演奏出屬於自己的音樂;左側地面則是石頭製成的黑色木琴,敲擊時的動作就像是在打鼓一般有韻律感。

音樂裡的數學區(musical mathematics),攝影/Shark Lin

覺得只用手敲玩音樂不夠?在數學花園還可以卯起來大跳特跳。圖中最右方兩個女孩正在九宮格金屬板上遊玩,藉由身體感的律動撞擊下方的金屬片製造出悅耳的聲音,就像在一台數學跳舞機上盡情舞動;另一個可以踏上去的遊具是前方的白色柱子,其高度代表不同的分數,如1/7、1/6、1/2、1/1,呼應音樂裡不同音之間的頻率比關係,踏在上方就像是踩高蹺需要專注才能平衡。

自然界無所不在的數學密碼

造型靈感來自鸚鵡螺線(nautilus shell)的滑梯,兼具數感、美感以及遊樂場設計中重要的身體感,讓孩子在攀爬時覺得十分刺激且充滿挑戰性,對於數學有多重體驗與記憶,不只是課堂的考題。

鸚鵡螺線滑梯(The nautilus slide),攝影/Shark Lin

自然界之中無處不藏著數學的密碼,除了滑梯之外,還有以瑞典數學家科赫命名的科赫曲線(Koch curve)之造形柵欄,依照費氏數列分支的亭子,以及遊樂場地面貫穿整個數學花園的黃金螺線,希望讓大家從自然中認識黃金比例、費氏數列與碎形。

科赫曲線(Koch curve)柵欄與費氏數列涼亭。攝影/Shark Lin

不僅如此,附近還有一些箱子種植向日葵與雛菊,會議結束約一個多月遇上向日葵收成,科技博物館邀請 Bridges 2018 的與會數學家、藝術家提供名字與一句想對孩子說的話,將綁在向日葵上面分送給5至7歲的孩童,讓他們可以認識來自世界各地的數學家與藝術家。

認識世界各地不同的人和文化還有不一樣的角度:數學花園的魔方陣(magic square)並非僅以傳統西方的視角詮釋,而是以中國傳說故事裡在洛水出現的神龜背上刻的九宮花紋或圖點呈現[6];一旁可讓孩童攀爬的柱體高度則是呼應龜殼上的點數。

洛書神龜與魔方陣。攝影/Shark Lin

最後是由許多三角形構成的大型多面體遊具,小孩與大人可以踏著繩子攀爬,需要身體的協調、平衡以及對於踏點的判斷,才能順利在多面體中穿梭與擺動。

三角形構成的多面體遊具。攝影/Shark Lin

而其中最數學的玩法,是數學家亨利·西日曼(Henry Segerman)號召的手牽手360大合照,大家都玩得不亦樂乎。

數學花園體現了數學蘊含的美感與樂趣,我在Bridges 2018期間,每天在科技博物館前都看見許多民眾帶著孩子,共同探索與體驗這些好玩的遊具。若是來瑞典旅行,別忘了造訪這座兼具數感、美感與身體感的數學花園;而我深深期待,台灣未來也能有充滿數學想像力的戶外場域。

註釋

數學花園在設計上分成四大類,分別是:

  1. 自然中的數學(mathematics in nature)
  2. 音樂裡的數學(musical mathematics)
  3. 演算法、最佳化與迷宮(algorithms, optimization and mazes)
  4. 形狀、胚騰、鋪磚(shapes, patterns and tessellations)

由於說明牌的遊具規劃與現場有少許出入,因此本文並未詳列四大類型的每個遊具,而是選擇介紹互動性與趣味性較高的設計。在官方網頁中,策展人Lars Paulsson也有建議幾種玩法

參考資料

  1. Shark Lin,「讓人好玩又好學的「數學遊樂場」,在台灣有嗎?」,2017
  2. The Mathematical Garden – Tekniska museet,2017
  3. UniMath,[幾何學突破] 發現凸五邊形鋪磚的第 15 型,2015
  4. Doris Schattschneider, Marjorie Rice and Her Pentagonal Tilings, Proceedings of Bridges 2018: Mathematics, Art, Music, Architecture, Education, Culture, 2018
  5. 蔡聰明,音樂與數學:從弦內之音到弦外之音,1994
  6. 趙崇良,失落的古文明:「河圖洛書和八陣圖」之我見,2010
  • 本次旅行獲得財團法人國家文化藝術基金會國際交流計畫補助。

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想死而復生,先冰起來就對了……嗎?史上第一個冷凍人│科學史上的今天:1/12

不想讓食物壞掉,我們可以把它們冰在冰箱裡,那如果想要長生不老,我們可不可以把人冰在冰箱裡呢?答案是:可以!

事實上,世界上有組織就專門在做這種「冷凍人」,今天,就讓我們來看看冰凍人與冰凍人背後那追求長生不老的故事。

心理教授死後冷凍,追求重見光明的一天

歷史上第一個冷凍人是 James Bedford,他原本是加州大學的心理學教授,罹患腎臟癌,而後癌細胞轉移至肺臟。在當時,這算得上是不治之症。Bedford 最終死於 1967 年,並在遺囑中留下了 10 萬美金,希望可以把自己給好好冰起來。

在 Bedford 死後幾個小時,處理人員對他的屍體進行了十分原始的冷凍程序,這個「冰人」的過程是這樣子的:首先,他被注射了作為抗凍劑的二甲亞碸 (dimethyl sulfoxide,DMSO),在當時被認為對於長期冷凍很有效用。再來,Bedford 便被保存進液態氮中。他的冷凍艙在搬了幾次家後,現在在「阿爾科生命延續基金」(Alcor Life Extension Foundation) 落地生根。

阿爾科生命延續基金的冷凍艙大概就是長這樣。圖/By Photo courtesy of Alcor Life Extension Foundation, CC BY 2.5

由於 Bedford 是史上第一個進行這種死後冷凍的人,相關社群十分重視他所帶來的意義,甚至將他冷凍的那天──1 月 12 日設定為「James Bedford 日」,每年都要慶祝一下。

來點抗凍劑,避免細胞變冰晶

不過,為什麼 Bedford 的冰凍過程這麼複雜呢?冷凍時,體內的水分形成大型冰晶很容易會造成細胞損傷,所以才要循序漸進並加入抗凍劑,讓細胞不至於在冷凍時受到太大的損傷。

而說到了所謂的「抗凍劑」,其實在寒帶生物的身上十分常見,生長在寒帶的變溫動物由於不像人類會自動調節體溫維持在固定範圍,牠們的體溫會隨著外界溫度變化。試想:假設外面降到零度以下,牠們的體溫也會跟著下降,這樣一來,牠們體內的液體不是就會跟著變成冰塊了嗎?

冷凍時如果產生冰晶很容易會造成細胞損傷。圖/pixabay

嘿嘿,這種事情當然是不會發生滴,在各地生存下來的動物各自有其抗寒的本領。以灰樹蛙 (Hyla versicolor) 為例,牠們可以在零度以下存活數天,這是因為牠們在面對天寒地凍的時候,血液裡的甘油和葡萄糖的比例都會上升。如此一來,就能夠保護細胞不因低溫而形成冰晶,牠們才能繼續在低溫中存活。而 Bedford 被注入的二甲亞碸在冷凍過程中所扮演的,正是類似的角色。

冷凍技術,真能實現科幻場景?

那麼,Bedford 最後搬去的阿爾科生命延續基金是個什麼樣的地方呢?

這個位於亞利桑那州的組織,是個專注於人體冷凍技術 (Cryonics) 的非營利組織,也是目前全世界最大的人體冷凍服務的供應商。所謂的人體冷凍技術,指的是將人體或是動物保存於攝氏零下 196 度以下,等待未來醫療技術更進步時,再將它們解凍復活、進行治療。

而除了全身性的冷凍之外,也有許多人選擇只冷凍頭部,期待有朝一日可以將自己的腦袋裝到更年輕、更好的身體上。

人體的冷凍準備步驟。圖/By Photo courtesy of Alcor Life Extension Foundation, CC BY 2.5

也想變成冰淇淋?還沒死掉可不行!

這樣的冷凍技術其實引發了許許多多的爭議,相信人體冷凍技術的人們認為,這樣低溫保存的方式可以完整保存人體,甚至舉了一些冰凍過後又恢復活性的動物為例。

欸欸欸,聽起來真的是非常不錯呢!是不是只要花點錢就可以把自己冰起來留待未來更高明的醫療解凍?嗯……還請各位不要高興的太早,前面提到的案例跟實際執行的人體冷凍技術可是有段不小的差距。

首先,現在的技術尚無法保證解凍之後這些人體就能成功被復活,因此許多人都對於這個技術心存疑慮。再來,依據目前的相關規定,需要等到人被法律判定死亡,才可以對其進行後續的冷凍處理,也就是說,這些被冰起來的,通常都是法律上所認定的「死者」,還真的不是可以隨便說冰就冰的呢。所以說阿爾科生命延續基金其實就是冰了一堆遺體的……(無誤)

除了冰凍之外,還有更多追求長生不老的方式。如果想要知道更多關於防止衰老的秘辛,就快去訂閱泛科學的 YouTube 頻道,敬請期待我們過年即將推出的特別影片!

參考資料

  1. 灰樹蛙的抗凍劑 陳偉民 遠哲科學教育基金會發現月刊 2007 年 12 月第 136 期
  2. DMSO冷凍細胞原理

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星際移民、系外觀光?一本屬於現代人的宇宙旅遊規劃指南 ── 《離開太陽系》書評

  • 文/黃貞祥

衝出太陽系、迎向星際效應、穿越時空超光速、征服全宇宙,邁向人生究極巔峰

我們人類現在活在一個很奇妙的時代。

就當作智人這個物種的歷史有廿萬年好了,我們是唯一存活的人種,可見要人科動物要生存在地表上有多困難。我們的祖先在七萬五千年前,因為蘇門達臘島的多峇火山爆發造成的氣候劇烈影響,人口一度縮減至只剩兩千人,可是卻發生了認知革命,開始有了語言。

大概在一萬年前,中東地區的人類首先進入農耕生活,其他文明陸續加入。直到發生工業革命前,我們人類在過去幾千年來,儘管累積了長足的科技進展,可是重大發明出現的間隔,往往是以百年來計,在承平時期也要數十載才感受到經濟的變化。在這幾千年前,認真研究過去歷史的文明,就寥寥無幾了,更遑論對未來的科技能有預測。

我們現在擁有的科技進步,卻真的能以日新月異來形容了。也只有在我們這個時代,人類才熱切地想要預測未來,並且任憑想像力奔馳而發展出各種科幻作品。先進國家也出現了一個新職業 ── 未來學家 (futurists)

只有在我們這個時代,人類才熱切地想要預測未來。
圖/pixabay

想準確預測未來,首先你要知道這些!

能否準確預測未來的科技變化,對不少企業來說,不管是高科技產業,或者所謂的傳統產業,都是悠關生死存亡的。一旦作出錯誤的判斷,或者沒及時有所作為,不管這家企業的過去有多輝煌,都能一夕崩盤,柯達就是個令人感到惋惜的例子。可見預測未來科技發展,真是門好生意呀。

然而,會不會就像大多數的華爾街的分析師以及投資基金的經理人對市場變化的預測並沒有比猩猩猴子好一樣,未來學家的預測也不比射飛鏢好多少呢?這我不知道,如果我知道,我也不會告訴你,但是跟著我一起買股票炒期貨就對了⋯⋯才怪!

要準確預測未來的科技知識,要有大量的科學知識,並且深入瞭解科學理論對各種現象之極限的描述,除此之外還要知道有哪些正在萌芽的科學理論及科技。簡單來說,就是要能夠用嚴謹的科學方法探究如何有所為,以及有所不為。

要準確預測未來的科技知識,要有大量的科學知識,並且要深入瞭解科學理論。
圖/pixabay

科技發展預測大師 ── 加來道雄

我才疏學淺,不能對未來科技發展作任何預測,可是仍很有信心告訴大家,我知道有這號人物就是有這能耐,他就是大名鼎鼎的物理學家和科普作家 ── 加來道雄

物理學家和科普作家 ── 加來道雄。
圖/維基百科

他在《2050 科幻大成真:超能力、心智控制、人造記憶、遺忘藥丸、奈米機器人,即將改變我們的世界》(The Future of the Mind: The Scientific Quest to Understand, Enhance, and Empower the Mind) 就要帶我們到 2050 年的世界;另一本《2100 科技大未來:從現在到 2100 年,科技將如何改變我們的生活》(Physics of the Future: How Science Will Shape Human Destiny and Our Daily Lives by the Year 2100) 則帶我們到接近百年後的世界,探討腦、人工智能、醫學、奈米科技、能源、太空旅行、財富、人類的未來。

加來道雄是紐約市立大學理論物理學教授,超弦理論 (Superstring) 的奠基者之一。他同時是 Discovery 頻道《科幻成真》(Sci Fi Science: Physics of the Impossible) 的節目主持人。他主持了兩個廣播節目:《探索》(Explorations) 和《奇幻科學》(Science Fantastic),在超過 140 個廣播電台播出。

加來道雄的學術根底紮實,又有製作科普電視節目的豐富經驗,極為擅長用平易近人的語言,讓人覺得那些物理學專有名詞不僅不可怕,甚至還很好玩。

加來道雄在最新出版的《離開太陽系》(The Future of Humanity: Terraforming Mars, Interstellar Travel, Immortality, and Our Destiny Beyond Earth) 認為人類終將必會飛出太陽系開拓宇宙!他從建立月球基地娓娓談到火星殖民地,再談到我們如何邁向星際之旅再到永存整個宇宙!看得我也熱血沸騰想要一起上月球、住火星了!

加來道雄作為一個弦論專家,他也精通量子力學和相對論(畢竟弦論就是要統合量子力學和相對論),對各種未來科技的可能性,瞭如指掌,因此所有討論中,都不僅是天馬行空而已,不管是奈米船、太陽風帆、曲速引擎等等,都不僅是科幻小說家的專利,他都提供了紮實的科學理論基礎。

對科幻迷來說,人類能夠作星際旅行是很令人興奮的,可是我們是否要先解決人類連月球都只上過一次的問題,否則沒再多人類的幾大步,那也不過是白日夢而已。加來道雄在整本書中,充分分析和介紹了各種各樣能夠讓人類實現這些夢想的科技和困難,問題似乎只是,我們人類是否有探索外星的破釜沉舟決心。

老祖宗的探險魂還深深扎根在我們心中

以生物學的眼光來看,人類其實是個很詭異的物種,因為智人 (Home sapiens) 是地表上,唯一佈滿全球七大洲、五大洲的單一物種!我們幾乎散布到所有地表上的生態環境和海拔高度。我們的祖先源自非洲熱帶稀樹草原,他們膽大到敢離開自己熟悉的環境,四處奔走散佈到全球各地。

我的祖父母來自中國福建泉州,他們為了生計離開家鄉搭上擁擠髒亂的船,到充滿瘴氣的陌生南洋發展,然後在馬來西亞落地生根,我自己也到台灣和美國求學然後定居海外。膽敢離開熟悉的家園出去闖蕩,是根植於我們人類基因中的。

當然,我們仍留著老祖宗在草原和穴居生活時的各種習性,例如我們天生喜好翠綠的廣闊草原,還有要和親朋戚友交換八卦。但是有了 VR 和 AR 科技,在移民外星時要安撫人們心靈,未來似乎不難辦到。只要人類沒因為核戰或氣候變遷而太早毀滅自己,離開太陽系成為多行星族類應該只是時間的問題而已。

只要人類沒因為核戰或氣候變遷而太早毀滅自己,離開太陽系成為多行星族類應該只是時間的問題而已。
圖/pixabay

不簡單的宇宙長征

讀《離開太陽系》,真的會熱血沸騰,這真是人類未來的指南啊!

人類已找到幾千顆圍繞恆星旋轉的行星,確認和地球極為類似的孿生行星之存在,也應該只是時間的問題而已,畢竟全宇宙有兩億兆顆和地球差不多大小的行星。

source:NASA

加來道雄認為我們人類建立月球基地、殖民火星、登上類木行星、移居太陽系外、探索鄰近恆星,都會是科技進展的推波助瀾之下愈來愈可行。我們現在已在發展 AI、奈米科技、生物科技,未來還會有更酷炫的科技,例如奈米船 (nanoships)、雷射光帆 (lasersails)、衝壓噴射核融合引擎 (ramjet fusion machines)、反物質引擎 (antimatter engines) 等等,甚至可能改變時空結構,利用蛀孔來穿越時空。

要在茫茫宇宙中長征,我們也需要應用生物科技來改造人體,讓人體能夠適應旅程中的各種變化。我們現在至少都有了 CRISPR/Cas9 等等基因體編輯技術,雖然現在還不是百分之百好用,但未來很可能有更好用的版本,或者全新的基因體編輯技術。所以改造人類基因現在是匪夷所思的,但是我們不也接受了許多古代無法置信的醫療科技嗎?在漫長的未來,改造人體的倫理思考也是今天難以想像的。

加來道雄在介紹未來可能出現的科技時,也沒忘記把人類過去探索太空的歷史脈絡做了清楚交待,也讓我們理解各種現狀。我們的宇航科技能走到今天,都是靠許多了不起的人堅毅不拔地實現夢想,讓我們能夠進入太空旅行的黃金時代,不過後來也因各種政治因素而逐漸冷卻。

近年,對太空探索的熱情又重燃,因為有幾位身懷巨款的企業家開始投入大筆資金研發更創新的宇航科技,加上美國政府也重啟載人太空計畫,這些努力讓人類在可見的未來,我們很有可能見證《月球城市》(Artemis) 般在月球建立相當程度上自給自足的基地,並且像《火星任務》(The Martian)(電影《絕地救援》原著小說)那樣送人到火星去種馬鈴薯。

未來我們可能像《火星任務》那樣送人到火星去種馬鈴薯。
圖/IMDb

加來道雄也仔細為我們規劃了在月球和火星上生活的科技願景。把火星改造成人類適宜居住的星球,成為地球的後花園,已經是人類史上最壯觀的的巨大工程了,沒有之一。然而,加來道雄還想要人類衝出太陽系,他的野心怎麼可能只停留在火星呢,他甚至提出計畫來登上氣態巨行星如木星甚至彗星和奧特雲,還有移居土衛六「泰坦」等等。

未來對於生活在地球上的人類而言,宇航科技的開發並不僅是少數人上太空的專利那麼簡單和自私而已。有許多在地球上稀少且重要的礦產資源,在太空中的其他行星甚至小行星,是遍地都可見的,也難怪我小時候玩的電腦遊戲,有不少是上太空去搶錢、搶糧、搶娘們⋯⋯哦不,是搶地盤來挖礦的。

就像史詩般的科幻作品,不會滿足於讓人類待在太陽系,邁向星際之旅才能向全宇宙展示地球的威儀吧!物理學家鐵馬克 (Max Tegmark) 在《Life 3.0:人工智慧時代,人類的蛻變與重生》(Life 3.0: Being Human in the Age of Artificial Intelligence) 中認為通用人工智慧會是人類的最後一個發明,之後就沒人類的事了。人工智慧發展到最後,也是要征服全宇宙的。加來道雄當然也很清楚,要做星際旅行,鐵定要有人工智慧的協助,就像諸多科幻電影中那樣,有機器人來為旅程操心。

出征宇宙的人工智慧也需要靠電腦運算,而且還要用到丹.布朗 (Dan Brown) 的《起源》(Origin) 提到的量子電腦。這樣人類就能打造星艦邁向浩瀚無垠的宇宙了吧?然而,在現實中,真實的星艦可能不會如美日的科幻電影或卡通那樣酷炫,加來道雄為我們介紹了「奈米船」的想法,用雷射光帆航向宇宙的四面八方。

如果要載人在星際中趴趴走,可能要用到離子引擎、電漿引擎、核融合火箭、核子脈衝火箭仍至反物質火箭來推動星艦快速前進,加來道雄仔細為我們分析了這些高科技的可能性,而且他還更有信心地認為,搞不好我們未來能夠直接改造時空結構,利用蛙孔瞬間穿越時空,或者像《銀河飛龍》(Star Trek: The Next Generation) 那樣造出阿庫別瑞曲速引擎進行超光速旅行。

宇宙的機密尚未解開

和諸多科幻電影一樣,我們雖然現在還不知道宇宙中是否還有另一種形式的生命,但是未來卻可能遇上外星生命。我真的很難想像地球是宇宙中唯一孕育出生命的星球。加來道雄當然也不忘探討外星文明的可能性,還有先進文明是怎麼回事。

宇宙再浩大無邊,也是會經歷「成、住、壞、空」的。然而,宇宙中還有太多我們未知的事物,例如暗能量和暗物質。物理學家仍有許多工作可以做,這就留給未來的科學家來完成吧。永遠對宇宙保持好奇心不斷地探索,就是人類現在和未來存在真正的意義吧!

圖/pixabay

 

人類未來三部曲:《2100 科技大未來》+《2050 科幻大成真》+《離開太陽系》,本文為《離開太陽系》書評,由時報出版。

 

 


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不只鳥類和片尾有彩蛋,恐龍蛋也能有色彩

在所有卵生的羊膜動物中,恐怕只有鳥類能產下帶有豔麗色彩的蛋。

相較於大多數的陸棲動物會將產下的蛋埋在土裡,鳥類的蛋多藏在的鳥巢中,白色以外的色彩可以為鳥蛋增添了保護色。除此之外,鳥類也能透過視覺線索來辨識出自己產下的蛋。

鴯鶓暗綠色的蛋。 Credit : Shuhari. CC BY 3.0, wikimedia commons.

要討論鳥類蛋殼上的色彩,就必須從原卟啉 (Protoporphyrin, PP) 和膽綠素 (Biliverdin, BV) 這兩個重要的化學物質談起。原卟啉能與空氣中的鐵鹽反應,形成多種鳥蛋殼上帶棕褐色的斑點;膽綠素則是蛋殼藍綠色澤的主要成分。

這兩種重要的有機化合物讓鳥蛋可以鮮豔多彩,這類有顏色的蛋經常可見於知更鳥、旅鶇或平胸類之類的大型鳥類。僅分布於澳洲的鴯鶓 (Dromaius novaehollandiae) 便是一個著名的例子,鴯鶓暗綠色的蛋殼就含有高量的膽綠素與微量的原卟啉。

真的只有鳥類會產下有彩色的蛋嗎?

竊蛋龍蛋巢標本 PFMM 0010403018,可以看出淡藍色的卵兩兩相對的圍繞在蛋巢周圍,層與層之間還有沉積物區隔。 Credit : Wiemann, J. et al. (2017)

在過去很長的一段時間裡,科學家一直認為「彩蛋」這樣的特徵只有鳥類才有。不過近年來,古生物學上的發現顛覆了這個想法。德國波昂大學 (University of Bonn) 的分子古生物學家葳曼 (Jasmina Wiemann) 與楊子睿從河源龍 (Heyuannia) 的蛋殼化石上找到了前述的兩種有機化合物。這一發現顯示這種生存於晚白堊紀的竊蛋龍類 (Oviraptorid) 早已能夠產下具有藍綠色澤與棕褐色斑點的蛋,為牠們所構築的開放性巢穴提供額外的隱蔽。

最近葳曼和楊子睿更進一步檢視了更多不同類群的恐龍蛋化石標本。他們甚至發現這些特殊的有色蛋很可能僅存在於一部分獸腳類恐龍,且為單一起源。

根據拉曼光譜分析從短吻鱷到鳥類各個類群的蛋殼顏色與蛋巢形式樹狀圖。(點圖放大) Creidt : Wiemann, J. et al. (2018)

根據拉曼光譜分析,鳥腳類的慈母龍 (Maiasaura) 和蜥腳類的泰坦巨龍類 (Titanosaurid) 的蛋殼中都沒能找到這類的色素。這些離鳥類親緣關係較遠的恐龍很可能跟現在的短吻鱷一樣,只會產下帶有白色蛋殼的卵。

竊蛋龍蹲坐在開放式的蛋巢上孵蛋的假想圖。 Credit : Joschua Knüppe.

而那些帶有褐色或藍綠色的蛋則集中於真手盜龍類 (Eumaniraptora) 這群獸腳類恐龍之內。這些類群的恐龍除了前面提到的竊蛋龍,還包括傷齒龍類 (Troodontid) 與隸屬於馳龍類 (Dromaeosaurid) 的恐爪龍 (Deinonychus)。有別於慈母龍與泰坦巨龍這類白色蛋殼的恐龍,能產下有色蛋的恐龍很可能類似於鳥類,會蹲坐在開放式的巢穴中孵蛋。

恐爪龍孵蛋的假想圖。 Credit : Joschua Knüppe.

然而,其中較為特別的是,出土於北美洲雙麥德遜組 (Two Medicine Formation) 的傷齒龍類竟然也找不到色素存在!這顯示在傷齒龍類群中,不同的物種也會受到生活習性或外在環境因素的影響而產下僅帶有白色蛋殼的卵。

彩色的恐龍蛋給我們的啟示

藉由這些不同顏色的恐龍蛋,也許未來我們還能夠重建出更多關於蛋殼顏色與當年地質年代生態環境和演化的相關線索、並更進一步定位出這些彩色恐龍蛋精確的起源。同時帶給我們對於當代鳥類生殖行為更多的洞見。

References:

  • Kilner, R. M. The evolution of egg colour and patterning in birds. Biol. Rev. Camb. Philos. Soc. 81, 383–406 (2006).
  • Wiemann, J.; Yang, T.-R.; Sander, P.N.; Schneider, M.; Engeser, M.; Kath-Schorr, S.; Müller, C.E.; Sander, P.M. (2017). “Dinosaur origin of egg color: oviraptors laid blue-green eggs”. PeerJ. 5: e3706. doi:10.7717/peerj.3706.
  • Wiemann, J.; Yang, T.-R; Norell, M. (2018). “Dinosaur egg colour had a single evolutionary origin”. Nature. doi: 10.1038/s41586-018-0646-5

本文轉載自《遠古巨獸與他們的傳奇》原文為《復活節彩蛋!


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把冷泉加熱,就會得到溫泉嗎? 關於柴山湧泉的那些事

我溫泉 都不用溫泉 改用冷泉加熱 再放一些味噌湯包
那就是味噌湯了吧……
不是味噌湯,這溫泉泡起來跟味噌 87%口感很像
那就是味噌湯阿幹
──你不可不知道柴山兩津開發秘辛

什麼是溫泉?

近日有政治人物表示:把冷泉加熱就會變成溫泉。

欲分析這個主張背後的科學原理,或許可以先從法規上對於溫泉的定義來看看。由經濟部為主管機關的「溫泉法」1中,將溫泉定義為「符合溫泉基準之溫水、冷水、氣體或地熱(蒸氣)」。而所謂的溫泉基準,又被另訂在「溫泉標準」2之中,在這份標準中,溫泉被分成了「溫水」與「冷水」:

  • 第二條 符合本標準之溫水,指地下自然湧出或人為抽取之泉溫為攝氏三十度以上且泉質符合下列款、目之一者:
    • 一、溶解固體量……(略)
    • 二、主要含量陰離子……(略)
    • 三、特殊成分……(略)
  • 第三條 本標準之冷水,指地下自然湧出或人為抽取之泉溫小於攝氏三十度且其游離二氧化碳為五百(mg/L)以上者。

因此,就溫泉標準中的「冷水」來看,不只是溫度需低於攝氏三十度,還需要有較高的二氧化碳濃度。例如著名的「蘇澳冷泉」,水質屬於碳酸氫鈣泉,泉水中富含二氧化碳,透明無色且帶有氣泡。在日本時期,日本軍人竹中信景,更以蘇澳冷泉為原料,在蘇澳設置汽水工廠,而打造了名聞一世紀的「彈珠汽水」!

著名的蘇澳冷泉,水質屬於碳酸氫鈣泉,泉水中富含二氧化碳。圖/wiki commons

也因此,回顧一下來看我們平常習慣稱之的溫泉,實為法規上的溫泉溫水;而如蘇澳冷泉,則是法規上的溫泉冷水。又因為法規並沒有規定把溫泉水加熱、冷藏或結冰,會影響到它的定義。所以不管拿到的是冷掉的溫泉還是加熱的冷泉,都仍屬於法規上的「溫泉」了。

你的冷泉不是你的冷泉

但是!此處就有兩個需要留意的陷阱題了!

其一是,冷泉(如蘇澳冷泉)之特別與可貴的因素,與泉水中含有的游離二氧化碳濃度有關。所謂游離二氧化碳,指的是二氧化碳以碳酸和分子的形式溶解於水中。如同氣泡水喝起來會比較酸且有氣泡的原因一般。一旦將泉水加熱,會使得氣體的溶解度降低,水中的氣泡感就變少了,這就略浪費了冷泉的優勢。

其二是,「柴山冷泉」雖然以冷泉為名,但泉質完全不符合溫泉法規上的溫泉冷水!

柴山冷泉的本質,其實就是滲漏到地表的地下水。這種含水層 (aquifer) 裸露於地面層的情況,在順向坡、斷層線山腳、火山碎屑岩和安山岩層層相疊的火山山腳都有可能會發生,最常見的例子便是有時在山壁上會看到湧出的山泉水。因此柴山「冷泉」更精確或好理解的用詞,應是「湧泉」。

湧泉對於生態與文明的影響非常深遠,海生館助理研究員邱郁文老師的研究即發現,高雄早期地底的湧泉,孕育了拉氏青溪蟹、台灣米蝦、鱸鰻等濕地生物。昔日柴山湧泉最主要的出水口「龍巖冽泉」,更曾被清朝詩人以「玉磯噴雪碎,石乳撒花濺。蟹眼千尋濼,龍澌百丈淵。」讚揚。只可惜自來水建設逐漸替代了湧泉的功能,而最終讓湧泉水直接引入地下水道排放出海。3

柴山湧泉最主要的出水口龍巖冽泉,今日主要剩下遊憩的功能。圖/wiki commons

另外,柴山湧泉還有一個生態與文史方面的重要性,與另一個出水口、位於龍巖冽泉南側的石頭公湧泉有關。高師大生物科技系梁世雄教授考據了石頭公湧泉,發現湧泉處有乳白色硫化物,分析認為是由微生物群聚產生的硫化氫組成,認為這可能是一種「硫化湧泉」4。梁世雄、邱郁文、楊娉育等人考證石頭公廟前水道附近,於日治時期有「高雄溫泉」之歷史紀錄5。打狗文史再興會社理事陳坤毅亦提出 1922 年時,當地設有溫泉浴場,將硫化湧泉加熱做為溫泉使用的紀錄6

因此,儘管柴山湧泉不符合法規定義上的溫泉,但仍具有相當觀光、生態與環境教育的價值。湧泉之利用,也可以如同一些水質優良的山區,就會有業者推出利用山泉水養魚泡茶,或是將山泉水引入泳池與洗澡水等。對於水質更好的地方,更會將飲用水視為一種重要的產業(望向金球獎最大贏家 – Fiji water girl =w=)。

柴山湧泉表示:「我渴了」

然而,2012-2015 年間謝寶森、邱郁文、梁世雄、黃大駿等人所主持的「全國湧泉濕地生態資源調查78」,卻發現龍巖洌泉面臨水源枯竭與水泥化之嚴重威脅,大部分時間均為枯竭狀態,唯有在颱風或長時間大量降雨後才會出泉,水量稀缺有待復育。

而在水質的部分,2014 年秋季,龍巖冽泉因生化需氧量 (BOD) 偏高,汙染程度 (RPI) 為 2.25 ,屬中度污染程度。其鄰近的石頭公廟湧泉除秋季 RPI 為 1.5 屬於未(稍)受污染,其餘三個季節均為中度汙染。研究團隊也推測此區水質,有受到生活汙水的影響。

因此,如果觀光局長真的有心想發展湧泉的觀光,建議先踢皮球給環保局長和水利局長把污染防治和生態復育先做好吧XDD

至於還有一種湧泉叫做傳說中的高涌泉(拜)又是另外一則故事了……

要以柴山湧泉發展觀光,最需要的可能是先替它補充水分。圖/pixabay

參考資料

  1. 水利法規查詢系統:溫泉法
  2. 水利法規查詢系統:溫泉標準
  3. PanSci:「生猛科學」首聚:保證在地、保證生猛,宇宙史上第一次熱炒店科學開講!
  4. 環境資訊中心:柴山下奇特的「硫化湧泉」 可能等不到透徹研究就消失了
  5. 柴山湧泉的沒落與再現
  6. KUN 土申!冷泉加熱成溫泉?
  7. 行政院農業委員會林務局生態調查資料庫:全國湧泉濕地生態資源調查
  8. 林務局自然保育網:101-14 全國湧泉濕地生態資源調查

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