多少像素才「夠看」？

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

最近，韋伯太空望遠鏡發布首批科學影像，終於看到敲碗好久的結果——韋伯拍到了人類從未見過的許多東西！有人說，韋伯是哈伯的繼任者，但不知道大家是否好奇過，哈伯和韋伯到底誰比較強？

這個問題有點難回答，因為兩部望遠鏡都是當代科技的結晶。哈伯是 1990 年升空的王者，韋伯是 30 年後科技進步下的產物，我試著用客觀的方式來比較這兩部太空望遠鏡。

哈伯觀測可見光，韋伯觀測紅外光

哈伯的主鏡直徑是 2.4 公尺，韋伯則是 6.5 公尺，韋伯的主鏡直徑比哈伯大 2.7 倍，這也是大家最常比較的部分。可是，如果主鏡大就比較厲害，那麼夏威夷大島上的凱克 10 公尺望遠鏡，不就比哈伯和韋伯更強？

哈伯與韋伯觀測的波段不同，用途也不一樣。哈伯主要觀測的波段在可見光，可見光是指人類眼睛可以看見的光或顏色範圍，也就是紅、橙、黃、綠、藍、靛和紫。從紅光到紫光，光的波長由長到短，紅光的波長大約是 0.62–0.74 微米（1 微米＝0.001 公釐），紫光的範圍則是 0.38–0.45 微米。

紅外光是指比紅光波長更長的光，也就是波長比 0.7 微米更長，這是韋伯望遠鏡主要觀測宇宙的波段。

哈伯和韋伯太空望遠鏡觀測的波段，一個在可見光，另一個在紅外光，所以在功用上本來就不一樣，如果要比較的話就要小心，不然就像拿橘子跟蘋果相比，拿不同的東西做比較顯得很突兀。

誰看得比較清楚？來比一比解析度吧！

哈伯與韋伯可以拿來做比較的是解析度，解析度的值（角秒）愈低，表示能看到天體愈細微的部分，解析度跟主鏡直徑和觀測的波長有關。望遠鏡主鏡愈大，解析度愈好；另外也跟觀測的波長成正比。

以下兩張影像分別是史匹哲太空望遠鏡（Spitzer Space Telescope）和韋伯拍的天空中同一區域紅外光影像，拍攝的紅外波長也差不多（史匹哲：8 微米，韋伯 7.7 微米），不過兩幅影像的解析度卻差很多，韋伯的影像中可以看到更多的細節，史匹哲則好像糊成一團。

當觀測的波長一樣時，解析度跟觀測望遠鏡的主鏡直徑成反比。史匹哲的主鏡是 0.85 公尺，所以韋伯的解析力是史匹哲的 6.5/0.85=7.8 倍！主鏡的大小直接反應在解析度上，韋伯與史匹哲在解析度上高下立判！

解析度除了跟主鏡的直徑成反比，也跟觀測的波長成正比。所以同一面主鏡觀測天體，用愈短的波長觀測解析度愈好。下圖是史匹哲望遠鏡觀測 M81 星系的結果，同樣 0.85 公尺的主鏡觀測，隨著觀測波長的增加，解析度變差。

答案揭曉——哈伯的解析度略勝一籌！

前面提到解析度跟主鏡直徑與觀測波長的關係有一個重要前提，主鏡必須研磨到完美、光滑，也就是主鏡上不能出現高低起伏。如果主鏡不完美，像遊樂場裡的哈哈鏡，不能聚焦成像，解析度自然不好。

波長愈短對鏡面的要求愈高。哈伯太空望遠鏡的鏡面對 0.5 微米波長更長的光是完美的，比 0.5 微米波長更短的光波則呈現不完美，韋伯望遠鏡的主鏡則是對 2 微米更長的波長是光滑的。（光學上，物理學家的說法是哈伯和韋伯分別在 0.5 和 2 微米達到繞射極限。）

哈伯和韋伯望遠鏡最佳解析度分別在 0.5 微米和 2 微米，根據前面的解析度公式，哈伯在 0.5 微米的解析度是 0.05 角秒，而韋伯在 2 微米的解析度是 0.08 角秒，結論是哈伯的解析度比韋伯稍微好一點！也就是哈伯老當益壯，一點也不比韋伯差。

從哈伯到韋伯，有如長江後浪推前浪

天文學家從 1990 年開始，透過哈伯望遠鏡研究宇宙，這三十年來科學家已經把哈伯的功能發揮到極致，我們對宇宙的了解很多都來自哈伯的觀測。不過這三十年的努力也讓天文學家發現哈伯不足的地方，科學家知道關鍵在紅外線觀測能力。前一代的紅外望遠鏡史匹哲無法達到需求，天文學家只能殷殷期盼韋伯。

韋伯首批公布的影像中，幾乎都是哈伯曾經拍過的天體，從科學上來說，比較可見光和紅外影像資料可以對目標天體更多了解，不過我認為這應該是韋伯對哈伯致敬的方式，感謝哈伯三十多年的貢獻！

韋伯站在巨人的肩膀上，必定能看得更暗、更遠！

• 文／林彥興（EASY天文地科團隊總編輯，就讀清大理學院學士班）

「一個哈伯不夠用，那你有試過來一百個嗎？」

哈伯太空望遠鏡可說是世上最著名的科學儀器之一。在它 1990 年升空的這三十年中，拍攝了無數令人嘆為觀止的宇宙奇景。然而，隨著時光流逝，垂垂老矣的哈伯剩下的時日恐怕已經不多。

倘若再次出現嚴重故障，可能就得和這座傳奇的天文望遠鏡永遠告別。好在，哈伯並非後繼無人，在今 (2021) 年十月韋伯太空望遠鏡升空之後，NASA 的下一個旗艦級太空望遠鏡，將以相仿的體型，卻百倍於哈伯的觀測能力幫助天文學家更深入了解宇宙的奧秘。它就是「南希．葛莉絲．羅曼太空望遠鏡 Nancy Grace Roman Space Telescope 」。

誰是羅曼？人稱哈伯之母的天文學家

在介紹望遠鏡之前，讓我們先來看看羅曼究竟是誰，居然偉大到讓 NASA 以她的名字命名下一代的旗艦級望遠鏡。

南希．葛莉絲．羅曼 (1925-2018) 是著名的美國天文學家。在二十世紀前葉，科學界中的性別不平等遠比現在嚴重。但她仍然努力撐過他人的冷眼與勸退，選擇攻讀天文並在取得博士學位後，在恆星分類、星團運動等領域貢獻卓越。

1959年，羅曼到 NASA 任職，並從此長年擔任 NASA 的首席天文學家。在她任職的時代，太空科技才剛剛起步，人們對太空望遠鏡的概念也相當陌生。但羅曼憑著她的遠見，參與、主持了許多 1960 與 1970 年代 NASA 的太空望遠鏡計畫，並四處為這些計畫籌措資金，為現代太空望遠鏡的蓬勃發展打下基礎。

同時，她也推動 NASA 將觀測到的資料開放給全世界使用，最終讓天文界開放資料的文化延續至今。她對 NASA 太空望遠鏡計畫的卓越貢獻，最終讓她獲得「哈伯之母」的美譽。

我要一個打一百個！羅曼的超廣視野

在被命名為羅曼太空望遠鏡之前，這個望遠鏡計畫名為「廣域紅外巡天望遠鏡
WFIRST 」。顧名思義，這是一台觀測可見光與近紅外線，用於進行廣域巡天——也就是觀測大範圍天空——的望遠鏡。預計將在 2020 年代中期發射，與蓋亞、韋伯等前輩一起運行於日地第二拉格朗日點。

在望遠鏡的構造上，羅曼與哈伯太空望遠鏡相當類似，都使用一面直徑 2.4 公尺的主鏡。但得益於三十年來的科技進步，同樣是 2.4 公尺的主鏡，性能卻大不相同。

首先，利用先進的新式材料，羅曼的主鏡重量僅有哈伯的兩成，約 186 公斤重。再者，為了增加鏡片的反射率，一般的望遠鏡都會在鏡片的表面鍍上一層高反射率的金屬。比如哈伯太空望遠鏡的鏡片表面，就鍍上了一層約 850 奈米厚的鋁。但鋁雖然能夠很好的反射可見光與紫外光，對紅外線的反射率卻不夠理想。因此作為一個觀測近紅外線為主的望遠鏡，羅曼的主鏡片表面鍍上了厚度 400 奈米的銀，讓它能夠更好反射來自宇宙深處的黯淡紅外線。

但單純只是反射還不夠，想要得到清晰的影像，就得精確的讓光線聚焦到正確的位置。因此，望遠鏡需要非常精密的拋光。羅曼的主鏡在拋光完成後，鏡片表面的平均起伏僅有 1.2 奈米。這有多平整呢？如果我們將鏡片放大到跟地球一樣，那它表面的起伏將僅有 6 毫米高！

最後，當光線經過一連串複雜的鏡片聚焦之後，將匯聚到羅曼的相機—— 3 億像素的「廣域儀器 Wide Field Instrument 」上，轉化為影像資料後送回地球讓天文學家分析。在這一整套光學系統的合作下，羅曼太空望遠鏡保有與哈伯相同解析度的情況下，擁有視野一百倍以上的超廣視野！

視野超大，然後咧？

誒不過話說回來，視野廣大有什麼用呢？

望遠鏡不是要讓我們去看更暗、更小的東西用的嗎？視野變大了，解析度卻沒有提升，這樣真的算是有進步嗎？

當然有囉！

在大家的印象中，天文學家好像總拿著望遠鏡，鉅細靡遺的觀察、研究某個天體。這當然是其中一種重要的方式，但並不是天文研究的全貌。其實在真正的天文物理研究中，很多天文學家想知道的並不是特定天體的特性（比如仙女座銀河有幾根懸臂、有多少顆恆星），而是藉由大量普查宇宙中該種天體的基本性質，然後在海量的資料中尋找擁有科學價值的寶藏。

覺得這像有字天書嗎？沒關係，我們舉個比較親民的例子。

如果你今天想知道新課綱對孩子們的學習成效如何，你會怎麼做呢？也許你可以找幾個孩子出來談談，仔細地問問他們對新課綱的想法。就像那些鉅細靡遺的研究特定目標的天文學家一樣；但你也可以用更宏觀的方式，比如看看他們全體的考試成績或補習花費，來了解新課綱的影響。

同理，對宇宙學家與星系天文學家來說，羅曼太空望遠鏡的廣大視野，讓他們可以在相同的時間內拍攝更廣的天空，或是在對同一片天空拍攝更久的時間，以看見更暗的天體。

當羅曼升空之後，將會拍攝早期宇宙中數以百萬計的大量星系與超新星，並對其中一部份進行更詳盡的光譜分析，藉由觀測這些星系的紅移、位置分佈、形狀、亮度、大小⋯⋯等等資訊，可以回推出宇宙膨脹歷史（與暗能量有關）、星際間暗物質的分佈（利用重力透鏡效應）、尋找早期宇宙中的特殊星系、甚至是幫忙測量本星系群之中的恆星移動。

另一方面,系外行星學家也對它充滿期待。羅曼太空望遠鏡將藉由兩種方式來偵測系外行星：

一個是藉由「微重力透鏡 Microlensing 」效應。當一顆恆星通過一個背景光源時，恆星的質量會扭曲周圍的時空並匯聚後方的光源，使得背景光源看起來像在短時間內快速的變亮、然後又恢復原狀，而且亮度變化的曲線有相當明顯的特徵。而如果這顆恆星旁邊有行星環繞，那行星的質量也將對亮度曲線造成影響。天文學家就能藉由分析亮度的變化曲線，來探測系外行星的存在。

第二個重點，羅曼將攜帶最先進的日冕儀 (CGI)，直接拍攝系外行星與原行星盤。

甚麼是日冕儀呢？顧名思義，它最早是為了研究太陽的日冕而發明的儀器。由於平常的太陽實在太亮，使得旁邊相對黯淡的日冕相當難以觀測，因此科學家發明了日冕儀，藉由複雜的光學系統，遮擋住視野中心來自太陽的強光，才能好好的拍攝、研究黯淡的日冕。

而系外行星的探測中，由於系外行星本身又小又暗、又非常靠近明亮的母恆星，想要直接拍攝到他們，就像要你直視著汽車頭燈，然後尋找頭燈旁的蚊子一樣困難。因此，天文學家必須借助日冕儀的力量才能夠直接拍攝到它們。

而羅曼搭載的光譜儀，將更進一步利用各種特殊的光學元件，以及類似調適光學技術中採用的可變形鏡片，利用破壞性干涉來消除主恆星的光線，讓我們能看到主恆星旁 邊，比恆星暗數百萬倍的系外行星。並進一步研究它們的光譜，看看他們溫度多高、 是由甚麼組成、讓我們更加了解這些外星世界。 

結語：值得期待的未來

作為韋伯之後的下一款大型光學太空望遠鏡，天文學大尺度與小尺度的問題羅曼通通包辦。它將能夠以哈伯等級的解析度，拍攝廣大宇宙中數以百萬計中的星系來研究宇宙學與星系演化；同時，它搭載的新一代日冕儀將能讓我們更清楚的直接拍攝系外行星。羅曼太空望遠鏡將產出哪些令人驚艷的資料？又將如何協助我們揭開宇宙的神秘面紗？就讓我們拭目以待吧！

參考資料

1. STSCI, Roman. Nancy Grace Roman Space Telescope
2. Roman Space Telescope NASA 官網. Roman Space Telescope/NASA
3. 主鏡製造商 Nancy Grace Roman Space Telescope 
4. Roman Lecture Series
5. 初稿：【時事新聞】羅曼太空望遠鏡的鍍銀主鏡