質子有多大？物理學家測出來的半徑越來越小—《物理雙月刊》

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

如果整個地球都由質子構成，而整個月球都由電子構成，那會怎樣？
——諾亞．威廉斯（Noah Williams）

質子地球，電子月球

這可能是我寫過最具破壞性的假設情境。

你可能會想像電子月球繞著質子地球運行，有點像是巨大的氫原子。某方面來說，這還有點道理；畢竟，電子繞著質子運行，而衛星繞著行星運行。事實上，原子的行星模型曾流行一時（不過，拿來解釋原子竟然不太管用）。

如果你把兩個電子放在一起，它們會想要分開。電子帶負電，而來自電荷的排斥力比將它們拉在一起的重力強了大約 20 個數量級。

如果你把 10⁵² 個電子放在一起（構成月球），它們會劇烈的互相排斥，以致每個電子會被大到不可思議的能量推開。

事實證明，對諾亞假設的「質子地球和電子月球」情境來說，行星模型更是大錯特錯。月球不會繞著地球運行，因為它們根本沒有機會影響彼此；使兩者各自分別炸開的力量，會遠大於兩者之間的任何吸引力。

如果暫時忽略廣義相對論（等一下會回來談），我們可以算出，來自這些電子相互排斥的能量，足以使它們向外加速到接近光速。將粒子加速到那樣的速率並不少見；桌上型粒子加速器（例如映像管螢幕）可以將電子加速到光速的相當比例。

但是，諾亞月球的電子所攜帶的能量，會遠遠大於普通加速器中的電子所攜帶的能量。它們的能量會超過普朗克能量的數量級，普朗克能量本身則是比最大的加速器中，所能達到的能量又大了很多數量級。換句話說，諾亞的問題遠遠超出普通物理學的程度，帶我們進入到量子重力與弦理論之類的高等理論領域。

所以我聯繫了尼爾斯．波耳研究所（Niels Bohr Institute）的弦理論科學家基勒博士（Dr. Cindy Keeler），請教她關於諾亞的假設情境。

基勒博士同意，我們不應該信賴任何涉及「在每個電子中放這麼多能量」的計算，因為這遠遠超出加速器測試的能力範圍。「我不相信粒子能量超過普朗克尺度的任何事情，」她說。「我們實際觀測到的最大能量存在於宇宙射線中；我認為比大型強子對撞機大了差不多 10⁶，但還是離普朗克能量很遠。身為弦理論科學家，我很想說會發生什麼關於弦理論的事情——但說老實話，我們也不知道。」

幸好，故事還沒結束。還記得我們先前決定忽略廣義相對論嗎？嗯，這是「帶入廣義相對論反而使問題更容易解決」的罕見情況之一。

在這種情境下，存在巨大的位能——使所有這些電子遠離彼此的能量。這樣的能量會扭曲空間和時間，和質量一樣。結果證明，電子月球中的能量大約等於整個可見宇宙的質量與能量總和。

相當於整個宇宙的質能集中在（相對較小的）月球的空間裡，會使時空強烈扭曲，甚至會比那 10⁵² 個電子的排斥力還要強。

基勒博士斷言：「沒錯，黑洞。」但這可不是普通的黑洞，而是帶有大量電荷的黑洞。為此，你需要一組不同的方程式——不是標準的史瓦西（Schwarzschild）方程式，而是萊斯納—諾德斯特洛姆（Reissner-Nordström）方程式。

萊斯納—諾德斯特洛姆方程式比較了向外的電荷作用力和向內的重力之間的平衡。如果來自電荷的向外推力夠大，黑洞周圍的事件視界可能會完全消失。那樣會留下密度無限大的物體，光可以從中逸出——這就是所謂的裸奇點（naked singularity）。

一旦有了裸奇點，物理學就會開始分崩離析。

量子力學和廣義相對論給出荒謬的答案，甚至是不同的荒謬答案。有人認為，物理定律根本不容許出現這種情況。正如基勒博士所言，「沒有人喜歡裸奇點。」

以電子月球的例子來說，來自所有這些電子互相排斥的能量會非常大，以致重力會獲勝，而奇點會形成正常的黑洞。至少，某方面來說是「正常的」；它會是和可觀測宇宙一樣大的黑洞。這個黑洞會導致宇宙塌縮嗎？很難說。答案取決於暗能量是怎麼回事，沒有人知道暗能量是怎麼回事。

但就目前而言，至少附近的星系是安全的。由於黑洞的重力影響只能以光速向外擴展，因此我們周圍的大部分宇宙仍會天下太平，對我們荒謬的電子實驗毫不知情。

——本文摘自《如果這樣，會怎樣？2：千奇百怪的問題　嚴肅精確的回答》，2023 年 3 月，天下文化出版，未經同意請勿轉載。

說明：此篇文章原本乃為泛科學 Youtube 影片所寫，經簡化之後，拍攝成〈缺電、輻射、核廢料有解嗎？「核融合發電」有可能嗎？〉和〈最受期待的核融合發電在哪裡？能源數據誰在膨風？〉兩部作品。又，本文並不針對核融合的技術性問題多做解釋，而是想用最少的字數，讓讀者瞭解核融合發展的全貌與大致進程。同時，此文主題也跟「世界是否應該採用核能發電」、「臺灣是否該使用核能發電」、「台灣是否該重啟核四」無關；這是三個完全不同的問題，核融合發電跟現有的核能發電技術也有所不同，無法一概而論。

在漫威電影裡，許多情節設定都跟真實世界的科學有所關連。就前陣子上映的《蜘蛛人：無家日》來說，在公開預告片中可見到知名反派八爪博士的回歸；他不但是研究核能的科學家，在《蜘蛛人2》還打造出了核反應爐。

八爪博士的核反應爐，跟太陽可說有 87 分像；姑且不論畫面呈現得正不正確，這部機器特別的地方就在於，它是核融合反應爐，而非目前核能發電所用的核分裂反應爐。然而，這兩者差在哪裡？都已經有核能發電技術了，為什麼還要研發核融合發電？不僅如此，核融合研究甚至一度引發學術界的爭議醜聞，甚至被拿來拍成 IMDb 超低分的電影。

傳統核能發電的發展趨勢

不久前（2021 年底），臺灣舉辦了是否重啟核四的公投。在選舉期間，我們或許聽過不少關於核能發電的利弊分析與討論。在溫室效應越來越受到關注、以及強調 2050 年要淨零碳排放的現代，核能發電極低的碳排放，是不容忽視的優點；但另一方面，核廢料問題，和核子事故風險，也是反核人士眼中無法接受的缺點。

不管如何，近數十年來，全球核能發電量雖然在日本福島核災後一度減少，但整體而言，仍大致呈現緩慢增長的趨勢。不過，核能在全球的發電佔比，則是於 1996 年達到 17.5% 的高峰後，開始緩慢下降。

另一方面，若比較從 1954 年到 2020 年，「開始運轉的核電廠」和「停止運作的核電廠」兩者的數目。可以發現，在 1990 年之前，開始運轉的核電廠，遠比停止運作的核電廠要多得多。但從 1990 年開始，兩者就呈現差不多的趨勢。

基於上述統計資料，大抵可以說，因為總總複雜的原因，不管是對是錯，在上世紀 90 年代以後，核電廠慢慢地不像以前那麼受到歡迎。而近年來對溫室效應的關注，以及仍是現在進行式的俄烏戰爭，會對核能發展帶來什麼影響，有待我們持續關注。

為什麼要研究核融合發電？

就在核能前景尚未完全明朗的同時，我們卻也能在許多新聞媒體上看到，除了新式核分裂發電技術的研發之外，還有「Google 和比爾蓋茲投資核融合反應爐」、「世界最大核融合反應爐進入組裝階段」、「中國核融合再創新世界紀錄」、「核融合新創 Helion 獲 22 億美元資金」、「貝佐斯投資核融合新創」等，關於核融合發電的消息；美國政府和其他許多國家也都投入資源在核融合研究。

同樣是核能發電，核融合發電和傳統的核分裂發電，有什麼不一樣？為什麼許多國家與知名人士都對核融合發電寄予厚望？八爪博士又為什麼打擊蜘蛛人的正事不幹，要去研究核融合？（搞錯重點了好ㄇ）

核反應的類型

簡單來說，核反應可分成兩大類，一是原子核分裂成其他較輕原子核，稱為核分裂（nuclear fission）；另一則是，兩個以上的原子核結合成新的原子核，稱為核融合（nuclear fusion）。因為核反應往往伴隨能量的吸收或釋放，核能電廠於是利用這一點，擷取核分裂過程中釋出的能量，作為發電之用。

至於太陽，主要由氫構成。龐大的重力將氫向內擠壓，於太陽核心產生極端的高溫和高壓，並促使氫進行核融合反應成為氦，連帶產生能量。目前的核融合研究，目的就是在地球上複製這個過程，以獲取釋出的能量。只不過，地球上並不存在如太陽核心般的高溫和高壓，所以必須人為地製造出適合的環境，核融合發電才有可能實現。也因此，有人會把核融合技術形容成人造太陽，而《蜘蛛人 2》電影裡，八爪博士製造出的核融合裝置，就長得一副太陽的樣子。

核融合發電的優點與困難

相較於傳統的核能電廠，核融合發電擁有許多優點。首先，在許多人擔心的安全性問題上，核融合發電不可能出現像是爐心熔毀或熱失控等狀況。因為核融合發電所需的「燃料」（雖然核反應不算是燃燒）需要人為持續提供，而且核融合反應的環境也需要精密控制，所以一旦系統出現狀況，就會使得整個發電程序停止運作——換言之，不可能「爆走」。

但核融合發電在安全性上的優點，也是它最大的缺點——因為核融合反應實在太容易動不動就停止了，科學家們想方設法，目前也沒辦法做到讓反應爐持續不間斷地運作；換言之，它不具有商業發電的價值。也是因為這樣，我們在新聞裡常會看到，某國科學家成功突破紀錄，讓核融合反應持續了幾秒鐘或幾分鐘。而如何讓核融合反應爐能夠持續運作，就成為相關研究最重要的課題之一。

除了安全性問題之外，核能發電產生的核廢料也常為人所詬病。不可否認，目前的核能發電方式，會產生具輻射性的核廢料，半衰期從數百年到百萬年不等，而台灣一直未能設立核廢料的最終處置場，全世界至今也沒有任何一座高階核廢料處置設施正式運轉。預計最快要到 2024 年，在芬蘭才會有全球第一座的高階核廢料永久處置場正式啟用。然而，臺灣的地質條件跟芬蘭完全不同，能否找到適合的最終處置場，仍是個問號。

那麼在核融合發電，也會面臨核廢料的難題嗎？答案既是，也不是。核融合發電也會產生核廢料，但其屬於低階核廢料，基本上就是工作人員使用過後的防護衣和清潔用品，以及反應爐的腔壁等。這些核廢料的半衰期大體而言都不長；因情況而異，約數十年到數百年，其輻射水平即可回覆到接近一般環境的背景值。所以，做為結論，核融合發電還是會產生核廢料，但相較於現有的核能發電，其危險程度以及對環境的影響要小上很多。

最後，核融合發電還有另一個優勢：燃料。現在的核能發電，主要使用鈾 -235 做為燃料；雖然全球的鈾礦礦藏相對豐富，根據世界核能協會（World Nuclear Association）的估計，足夠人類再使用 90 年，但並非取之不竭。相對地，核融合發電常用的燃料是氫的同位素——氘和氚；而氫在地球上極為豐富，要製備氘和氚也並不困難。換句話說，人類完全不需要擔心核融合的燃料不夠這種事情。除此之外，在核融合過程中，還會運用到鋰，它可幫助生成反應所需的氚，而幸好鋰的存量在地球上也是非常豐富，若把陸地上和海洋中的鋰都考慮進來，同樣不需要擔心鋰會用光。^[1]

核融合發電的分類

在核融合發電中，為了讓相異原子核能夠進行融合，一般會將其加熱到一億度上下的高溫。一種作法是，利用雷射直接或間接加熱裝了燃料的膠囊，以誘發膠囊內部燃料的核融合反應，稱為慣性局限融合（Inertial confinement fusion）。

另一種常見的作法則是，將燃料加熱，使其成為電漿狀態。很顯然地，一億度的電漿，是沒有任何容器可以盛裝的；所以科學家會利用強大的磁場，拘束住電漿，讓核融合反應能夠穩定持續地發生，稱為磁局限融合（magnetic confinement fusion）。八爪博士製造的機器，就比較接近這樣的作法。但跟電影不同的是，現實裡的研究人員是不可能直接站在高溫電漿旁邊的。八爪博士的設計，跟現實不但有差距，而且也顯然更危險。

上述核融合發電方式，全部都需要人為地產生高溫，讓核融合得以發生——但這並不表示核融合只能在高溫環境中產生。實際上，早在 1950 年代，科學家就發現，確實有核融合反應在低溫環境即可發生，現在稱為緲子催化融合（muon-catalyzed fusion）。緲子是一種性質跟電子非常類似，但質量比電子大得多、且非常容易衰變的基本粒子。若在氘和氚組成的氫分子中，用緲子取代電子，那麼該氫分子內部的氘和氚，甚至在室溫就可能產生核融合反應。

只不過，緲子的備製不僅需要花費大量能量，其迅速衰變的性質，也讓我們很難拿來作為核融合發電之用，再考慮到其他的技術性問題，使得目前的核融合研究，都是朝著高溫的方向進行。

然而，1989 年，有兩位科學家聲稱，成功在室溫環境下，以他們發現的新方法實現了核融合反應。這樣的消息迅速獲得媒體注意，並被大肆報導，人們對實現低溫核融合又開始寄予期望。很可惜地，其他科學家嘗試複製兩人的實驗成果，卻都無法成功；另一方面，科學社群也發現了兩人實驗上的瑕疵。於是，沸騰一時的「冷融合」話題就這麼煙消雲散。現在，雖然仍有少部分人從事相關研究，但都未能成氣候。

儘管如此，或許因為冷融合很有話題性，這個議題並未在媒體上消失；2011 年美國好萊塢甚至以冷融合為主題，拍了一部 IMDb 超低分的電影，英文片名就是冷融合（cold fusion），臺灣翻譯成《關鍵核爆》，劇情甚至把幽浮（UFO）都扯進來了。

延伸閱讀：八爪博士4ni！？《蜘蛛人》裡的人造太陽或將問世？（下）

參考資料

• 世界核能協會
• 2021世界核能產業現況報告
• World Nuclear Performance Report 2021 COP26 Edition
• 國際熱核融合實驗反應爐
• 國際原子能總署
• 馬克斯‧普朗克電漿物理學研究所
• JT-60U Experimental Report No. 46
• Muon-catalyzed fusion – Wikipedia
• Inertial confinement fusion – Wikipedia
• Magnetic confinement fusion – Wikipedia

[1] 其實，鈾也存在海洋中。若考慮到海水中的鈾，那麼基本上人類也不用擔心鈾礦不足。只不過，鈾在海水中濃度極低，約 10 億分之 3，不論在運用的技術還是成本上，挑戰都很高。