靈魂伴侶此生唯一──《如果這樣，會怎樣？》

本文與 BRITA 合作，泛科學企劃執行。

你確定你喝的水真的乾淨嗎？

如果你回到兩百年前，試圖喝一口當時世界上最大城市的飲用水，可能會立刻放下杯子——那水的顏色帶點黃褐，氣味刺鼻，甚至還飄著肉眼可見的雜質。十九世紀倫敦泰晤士河的水，被戲稱為「流動的污水」，當時的人們雖然知道水不乾淨，但卻無力改變，導致霍亂和傷寒等疾病肆虐。

幸運的是，現代自來水處理系統已經讓我們喝不到這種「肉眼可見」的污染物，但問題可還沒徹底解決。面對 21 世紀的飲水挑戰，哪些技術真正有效？

濾水技術：從霍亂危機到高效濾芯

19 世紀的歐洲因為城市人口膨脹與工業發展，面臨了前所未有的水污染挑戰。當時多數城市的供水系統仍然依賴河流、湖泊，甚至未經處理的地下水，導致傳染病肆虐。

1854 年，英國醫生約翰·斯諾（John Snow）透過流行病學調查，發現倫敦某口公共水井與霍亂爆發直接相關，這是歷史上首次確立「飲水與疾病傳播的關聯」。這項發現徹底改變了各國政府對供水系統的態度，促使公衛政策改革，加速了濾水與消毒技術的發展。到了 20 世紀初，英國、美國等國開始在自來水中加入氯消毒，成功降低霍亂、傷寒等水媒傳染病的發生率，這一技術迅速普及，成為現代供水安全的基石。    

 19 世紀末的台灣同樣深受傳染病困擾，尤其是鼠疫肆虐。1895 年割讓給日本後，惡劣的衛生條件成為殖民政府最棘手的問題之一。1896 年，後藤新平出任民政長官，他本人曾參與東京自來水與下水道系統的規劃建設，對公共衛生系統有深厚理解。為改善台灣水源與防疫問題，他邀請了曾參與東京水道工程的英籍技師 W.K. 巴爾頓（William Kinnimond Burton） 來台，規劃現代化的供水設施。在雙方合作下，台灣陸續建立起結合過濾、消毒、儲水與送水功能的設施。到 1917 年，全台已有 16 座現代水廠，有效改善公共衛生，為台灣城市化奠定關鍵基礎。

進入 20 世紀，人們已經可以喝到看起來乾淨的水，但問題真的解決了嗎？ 科學家如今發現，水裡仍然可能殘留奈米塑膠、重金屬、農藥、藥物代謝物，甚至微量的內分泌干擾物，這些看不見、嚐不出的隱形污染，正在成為21世紀的飲水挑戰。也因此，濾水技術迎來了一波科技革新，活性碳吸附、離子交換樹脂、微濾、逆滲透（RO）等技術相繼問世，各有其專長：

• 活性碳吸附：去除氯氣、異味與部分有機污染物

• 離子交換樹脂：軟化水質，去除鈣鎂離子，減少水垢

• 微濾技術、逆滲透（RO）技術：攔截細菌與部分微生物，過濾重金屬與污染物等

這些技術相互搭配，能夠大幅提升飲水安全，然而，無論技術如何進步，濾芯始終是濾水設備的核心。一個設計優良的濾芯，決定了水質能否真正被淨化，而現代濾水器的競爭，正是圍繞著「如何打造更高效、更耐用、更智能的濾芯」展開的。於是，最關鍵的問題就在於到底該如何確保濾芯的效能？

濾芯的壽命與更換頻率：濾水效能的關鍵時刻濾芯，雖然是濾水器中看不見的內部構件，卻是決定水質純淨度的核心。以德國濾水品牌 BRITA 為例，其濾芯技術結合椰殼活性碳和離子交換樹脂，能有效去除水中的氯、除草劑、殺蟲劑及藥物殘留等化學物質，並過濾鉛、銅等重金屬，同時軟化水質，提升口感。

然而，隨著市場需求的增長，非原廠濾芯也悄然湧現，這不僅影響濾水效果，更可能帶來健康風險。據消費者反映，同一網路賣場內便可輕易購得真假 BRITA 濾芯，顯示問題日益嚴重。為確保飲水安全，建議消費者僅在實體官方授權通路或網路官方直營旗艦店購買濾芯，避免誤用來路不明的濾芯產品讓自己的身體當過濾器。

辨識濾芯其實並不難——正品 BRITA 濾芯的紙盒下方應有「台灣碧然德」的進口商貼紙，正面則可看到 BRITA 商標，以及「4週換放芯喝」的標誌。塑膠袋外包裝上同樣印有 BRITA 商標。濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣，並且沒有拉環設計，底部則標示著創新科技過濾結構。購買時仔細留意這些細節，才能確保濾芯發揮最佳過濾效果，讓每一口水都能保證潔淨安全。

不過，即便是正品濾芯，其效能也非永久不變。隨著使用時間增加，濾芯的孔隙會逐漸被污染物堵塞，導致過濾效果減弱，濾水速度也可能變慢。而且，濾芯在拆封後便接觸到空氣，潮濕的環境可能會成為細菌滋生的溫床。如果長期不更換濾芯，不僅會影響過濾效能，還可能讓積累的微小污染物反過來影響水質，形成「過濾器悖論」（Filter Paradox）：本應淨化水質的裝置，反而成為污染源。為此，BRITA 建議每四週更換一次濾芯，以維持穩定的濾水效果。

為了解決使用者容易忽略更換時機的問題，BRITA 推出了三大智慧提醒機制，確保濾芯不會因過期使用而影響水質：

1. Memo 或 LED 智慧濾芯指示燈：即時監測濾芯狀況，顯示剩餘效能，讓使用者掌握最佳更換時間。

2. QR Code 掃碼電子日曆提醒：掃描包裝外盒上的 QR Code 記錄濾芯的使用時間，自動提醒何時該更換，減少遺漏。

3. LINE 官方帳號自動通知：透過 LINE 推送更換提醒，確保用戶不會因忙碌而錯過更換時機。

在濾水技術日新月異的今天，濾芯已不僅僅是過濾裝置，更是智慧監控的一部分。如何挑選最適合自己需求的濾水設備，成為了健康生活的關鍵。

濾水技術：不僅是進步，更是守護未來

人類對潔淨飲用水的追求，從未停止。19世紀，隨著城市化與工業化發展，水污染問題加劇並引發霍亂等疾病，促使濾水技術迅速發展。20世紀，氯消毒技術普及，進一步保障了水質安全。隨著科技進步，現代濾水技術透過活性碳、離子交換等技術，去除水中的污染物，讓每一口水更加潔淨與安全。

今天，消費者不再單純依賴公共供水系統，而是能根據自身需求選擇適合的濾水設備。例如，BRITA 提供的「純淨全效型濾芯」與「去水垢專家濾芯」可針對不同需求，從去除餘氯、過濾重金屬到改善水質硬度等問題，去水垢專家濾芯的去水垢能力較純淨全效型濾芯提升50%，並通過 SGS 檢測，通過國家標準水質檢測「可生飲」，讓消費者能安心直飲。

然而，隨著環境污染問題的加劇，真正的挑戰在於如何減少水污染，並確保每個人都能擁有乾淨水源。科技不僅是解決問題的工具，更應該成為守護未來的承諾。濾水器不僅是家用設備，它象徵著人類與自然的對話，提醒我們水的純淨不僅是技術的勝利，更是社會的責任和對未來世代的承諾。

*符合濾(淨)水器飲用水水質檢測技術規範所列9項「金屬元素」及15項「揮發性有機物」測試
*僅限使用合格自來水源，且住宅之儲水設備至少每6-12個月標準清洗且無受汙染之虞

隨機性，在許多領域都扮演了不可或缺的角色。例如電腦信息的加密，還有模擬複雜物理系統等技術，都需要用到巨量的亂數資料。不過，這些隨機是怎麼來的呢？

當電腦計算 1+1 是多少時，它可以遵從既定的程序算出正確答案；但如果叫電腦隨便給你一個數字，它肯定不知道該怎麼辦。畢竟電腦不像人，可以隨便「想到」一個數字。電腦只能根據你的命令，算出你要的結果。

要得到「真正的隨機」並不如想像中簡單。當我們到廟裡擲筊，或是玩桌遊時丟骰子，得到的結果看似沒有規律，但其實不然。它們可以用簡單的電腦計算來預測，像是丟硬幣的結果，便早已被研究透徹。只要對初始條件有足夠良好的掌握（像是丟出的速度與角度等等），這類物品的行為都能用兩百年前確立的力學定律來精準預測，因此稱不上是「真正」的隨機；另外一個缺點在於，這類方法產生隨機結果的速度實在太慢，跟不上現代社會對於隨機資料的龐大需求。

至於使用電腦計算的結果呢？常見像是串流平台的隨機播放功能，以及粉專抽獎會用的亂數產生器，它們所呈現的隨機是演算法算出來的。隨機播放功能利用特殊的演算法，排列出一個讓你聽起來很隨興的歌單；一般的電腦亂數，只是將特定的「種子」數字丟進一個超複雜的算式，算出成串毫無規律的數字。這些方法雖然快速又實用，但終究是可以預期的。當亂數數量夠多時，往往可以發現某些規律；而可被預期的亂數若是用於加密或認證，便會成為駭客眼中的肥羊。

由量子世界尋求真正的隨機！

既然手邊的物品和電腦都不管用，科學家於是轉向微觀的量子世界。量子物理對世界的描述本身就是機率性的，因此物理學家可以從實際測量結果中汲取「正港的」隨機亂數。像是物質的放射性衰變或電路中的雜訊，都是常見的選項。這類過程雖然可以確保隨機性，但效率還是稍嫌太差，相關的實驗架設也相當費工。

不過就在今年二月，研究人員利用半導體雷射技術，打造出有史以來最快的亂數產生器：每秒 250 TB 的隨機位元，比先前的紀錄高出一百多倍。

雷射的產生牽涉到原子內的「電子躍遷」。在一般狀態下，大部分原子中的電子會按照高中化學課本中提到的「電子軌域」排列，這種排列方式稱為「基態」，代表原子中的所有電子，都處在最低能量狀態。

在原子接收一定的能量後，會有部分電子跳入高能量的軌域中，變成「激發態」，這時原子內的電子組態不穩定，電子會跳回低能量軌域中回到「基態」，並以光（輻射）的形式放出能量。

而這些跳回的電子，如果都從同一個激發態回到基態，就會釋放出特定「頻率」與「能量大小」的光，以愛因斯坦的說法，從相同的激發態回到基態，會得到固定的「光子」，這是舊量子論的重要發現之一。提供原子特定的能量，讓原子放出光子，就可以激發出雷射。

利用電子躍遷的隨機性

但這件事情跟隨機性有什麼關係呢？電子躍遷本身就是具有隨機性的。

要激發雷射，其實事情並沒有那麼簡單，需要克服這個機率性。讓我們回頭看上面的敘述，「『大部分』原子中的電子會按照……」、「在原子接收一定的能量後，『有部分』電子跳入高能量的軌域中」，這些「大部分」、「有部分」，使得我們就算給原子固定能量，也未必能平穩釋放出特定光子，讓雷射光的強弱不穩定，也不會朝同方向射出。

因此雷射技術的重點之一，就是「光學共振腔」，將激發光子的物質放在共振腔中，放出的光子會在共振腔中來回游走，再次激發原子放出更多的光子，來增強雷射強度，並讓雷射光往特定方向射出。

但是，「光學共振腔」強化雷射強度以及方向，但實際上雷射光的強度，仍然是由量子力學的隨機性所決定！如果我們能用感光元件捕捉雷射光線起伏不定的強度，再轉換為數位訊號，就能獲取珍貴且無法破解的隨機亂數。

蝴蝶結狀「光學共振腔」

這種想法雖有十幾年的歷史，不過由於技術上的限制，產率一直相當有限。而且一般方形共振腔產生的雷射，容易讓光強度陷入特定的規律，產生的隨機性也較低。為了解決這個問題，研究人員將共振腔的形狀改良為蝴蝶結狀。如此一來，在其中反彈的雷射光便能保有其當初紊亂的特性，且往特定方向射出。

隨機的雷射光源被 254 像素的高速攝影機拍下，每個像素受到的光強度也被證實為相互獨立，因此成就了 254 條同步生產線，一同產出隨機亂數，使效率遠遠勝過以往一次只能記錄一個像素的做法，創下每秒 250 TB 的紀錄。

現今電腦運作的時間尺度最快不超過幾 GHz，因此這次的 250 THz 創舉難以發揮全部的實力。如果犧牲一些效率，用較簡單的偵測裝置來取代高速攝影機，可以讓整個裝置變得更加輕巧，提升實用性。在不久的將來，史上最速的亂數產生機制，或許可以直接容納於單一晶片之上。

參考資料：

• Kim, K., Bittner, S., Zeng, Y., Guazzotti, S., Hess, O., Wang, Q. J., & Cao, H. (2021). Massively parallel ultrafast random bit generation with a chip-scale laser. Science, 371(6532), 948-952.
• https://www.nature.com/articles/d41586-021-00562-6
• https://cointelegraph.com/news/lack-of-randomness-why-hackers-love-it

民進黨初選民調，其五個執行單位的結果一致且相近，是否值得懷疑？

關於這個問題，民進黨的官方答覆是：「此次總統初選民調方式，各執行單位的成功樣本高達 3200 份以上（95％信心水準下，抽樣誤差為正負1.7%），且為本黨民調中心抽樣提供給五家民調單位同時訪問，在相同的抽樣架構、相同的問卷題目、相同的訪問原則、相同的訪員訓練，相同的加權方式之下執行。有相近的民調結果才顯見此次總統初選民調的品質值得信賴，如果五家單位的民調結果差異過大，那才是值得擔憂的事。」

這個答覆令人滿意嗎？

民調得出接近的結果，究竟是否有「異常」？先從假設談起

五個單位關於蔡英文支持度的結果分別為：36.5721%、36.1190%、36.6532%、34.5323%、35.5072%，其平均數為 35.6768%。五單位的結果偏離平均數最大值為 1.1445%，這個值比 95％ 信心水準下的抽樣誤差正負 1.7% 要小很多。

按照民進黨的說法，似乎各單位民調結果越相近，民調的品質越值得信賴，真的是這樣嗎？五個單位的結果距離其平均數不超過 1.1445% 的機率是多少？如果這個機率甚小，難道我們不應該擔憂？

要探討這個問題，必須要做一些假設，以下的假設其實不盡成立，但本文的目的並不在於檢定這些假設的真假，而是在於利用統計學「抽樣分佈」（sampling distribution）的概念來看在「正常」狀態下，五個重複樣本結果相近的程度是否有「異常」的跡象。做這些假設只是為了要提供一個「正常狀態」的框架而已。

假設一：各民調單位的樣本是同一母體的的隨機樣本，其樣本數同為 N=3200。

這個假設除了樣本數外，會有很多爭議。

第一、所謂母體是指甚麼？全體合格選民？當然不是。

民進黨所從以抽樣的母體其實有兩個：市話號碼和手機號碼。這是兩個不一樣的母體，而且不論分別開來或合併起來，都不能反映全體合格選民。

第二、各單位的樣本是市話加手機混合母體的隨機樣本嗎？當然不是。

根據民進黨的計算，市話被抽中的機率是 0.19%，手機被抽中的機率是 0.05%。既然市話跟手機被抽中的機率不一樣，各單位的混合樣本就不是混合母體的隨機樣本，更不是全體選民的隨機樣本。

如果民進黨能把市話樣本和手機樣本分別開來，則市話樣本可以說是市話母體的隨機樣本，手機樣本可以說是手機母體的隨機樣本。但因為民進黨只公布每單位市話和手機混合樣本的資料，這裡的假設只是純粹正常狀態的假設。

假設二：支持度的母體參數值（π）可以用各單位樣本支持度（Ｐ）的平均數來估計。

本來在同一母體重複抽取足夠多的隨機樣本時，樣本的平均支持度會是母體真正支持度的不偏估計。但如果這些重複樣本不是隨機樣本，則這個假設不必然成立。另外，五個重複樣本並不能算「足夠多」，所以這個假設也只是純粹假設。

假設三、各樣本對人口變數的加權對結果的影響可以忽略。

這個假設通常是可以接受的，但因為民進黨未公布未加權的結果，加權究竟影響有多大也無從得知。

根據這些假設，得到此結果的機率是……？

根據假設一，應用中央極限定理（CLT）可以導出樣本支持度 P 的「抽樣分佈」是常態分佈：

P~N(π，π(1-π)/N)

其期望值π 是母體支持度，變異量是 π(1-π)/N。值得注意的是：變異量是 π(1-π) 的函數，因為 π 增加時 1-π 減少，π 減小時 1-π 增加，這個分佈的「胖」、「瘦」對 π 並不敏感。因為這樣，以下機率的計算與母體支持度大小的關係不大，關係較大的是五樣本支持度相近的程度。

我們先分析蔡英文支持度的相近程度，再用同樣的方法分析賴清德、韓國瑜、柯文哲的支持度。根據上面的假設，蔡英文母體支持度參數值估計為π=0.356768，由此求出的變異量是 0.0000717139，標準差是 0.008468。所以：

P~N(0.356768，0.008468^2)

也就是平均數為 0.356768，標準差為 0.008468 的常態分佈。這個常態分佈就是上面所說的「正常狀態」，當足夠多的機構「在相同的抽樣架構、相同的問卷題目、相同的訪問原則、相同的訪員訓練，相同的加權方式之下執行」執行民調時，其所得到的樣本支持度理論上應該遵行這個常態分佈。我們要算五個單位結果那麼相近的機率必須要在這個常態分佈之下來算。

在這樣的常態分佈之下，每一樣本支持度距離 35.6768% 不超過 1.1445%，也就是落在 (34.5323%，36.8213%) 區間內的機率是 0.823463，這就是下圖曲線下藍色區域的面積。

如果要算五個民調的支持度同時落在此區間內，則其機率是 0.823463^5≈0.38。

這個機率是大是小呢？

一般所說的「信心區間」可以有兩個意義。 以支持度比例來說，教科書所說的信心區間是指樣本比例加減由樣本比例算出來的抽樣誤差估計值所得到的區間。但如果我們知道母體比例，則也可以把母體比例加減由母體比例算出來的抽樣誤差來建構信心區間。

這裡因為假設二，我們可以從第二種意義來看待「95%信心區間」：樣本支持度落在以母體支持度為中心的這個區間的機率為 0.95。如果我們有五個重複樣本，則這五個樣本的支持度全部落在「95%信心區間」之內的機率是 0.95^5≈0.77。

上面算出的 0.38 是在正常狀態之下，五個重複樣本支持度距離母體支持度不超過 1.1445% 的機率。

現在民進黨五個執行單位得到的蔡英文支持度均在此區間之內，因此有 0.38 機率發生的事件發生了，這樣奇怪嗎？如果摸彩中獎的機率約 0.40，而你中獎了，你會覺得有人作弊讓你中獎嗎？我想多數人不會覺得這樣中獎有什麼好奇怪的。

這機率可以看做是統計檢定的 p值，也就是數據與假設相諧的程度。0.38 比 0.77小，但它並未小到讓我們得出數據與假設不相諧的結論。

當然，就如統計檢定 p>0.05 並不代表虛無假設為真一樣，它也不足以讓我們做出假設一至三為真的結論。（請參考拙作〈看電影學統計：ｐ值的陷阱〉）

用同樣的方法分析各單位測得的賴清德、韓國瑜、柯文哲對比支持度，都可以得到類似的結果。五個重複樣本的支持度落在實際發生區間內的機率為：0.30（賴清德）、0.60（韓國瑜對比蔡柯）、0.58（韓國瑜對比賴柯）、0.49（柯文哲對比蔡韓）、0.40（柯文哲對比賴韓）。這些機率均未小到令人起疑的地步。

統計上，差異過大或差異過小都可能有問題

民進黨說「有相近的民調結果才顯見此次總統初選民調的品質值得信賴，如果五家單位的民調結果差異過大，那才是值得擔憂的事。」其實是不對的。差異過大固然值得擔憂，太過相近也是問題。

比如我們把五單位的蔡英文支持度偏離其平均數的最大值減半至 0.5723%，則母體支持度加減 0.5723%的區間便縮小為下圖藍色區域。單一樣本的支持度落在此區間內的機率大約是 0.5，五個樣本支持度全部落在此區間內的機率只有 0.5^5≈0.03。這樣小的機率只能讓我們得到數據與假設不相諧的結論。

民進黨應該解釋的是五單位民調的結果並沒有相近到不可思議的地步，而不是說相異過大才值得擔憂。民調太相近或太相異都是品質可能有問題的跡象。

後記

本文完成後，看到ptt上有高手（raiderho）更早就用模擬的方法得到五單位民調相近程度並非小機率事件的結論。該文雖然用的是模擬的方法，卻能以對比民調中四個比例（蔡／賴、韓、柯、未表態）的聯合常態分佈為基礎來計算機率，可以補本文只用邊際分佈計算機率之不足。

請參考：

• Raiderho（冷顏冷雨）：〈綠營初選民調分析１〉、〈綠營初選民調分析2〉

本文轉載自作者部落格，原文標題：民進黨初選民調的「抽樣分佈」