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召喚幽靈的旋桌術,法拉第怎麼設計實驗破解?—《怪咖心理學3》

azothbooks_96
・2017/02/12 ・2641字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 484 ・五年級

  • 【科科愛看書】《怪咖心理學》的作者、心理學博士李察.韋斯曼,在第三集中要帶著讀者挑戰與破解種種超自然現象。不管是心電感應、預知夢、撞鬼,還是靈魂出竅,這些難以解釋的神秘現象可能發生在你身上,或你曾聽別人說過,但這一次科學家們用實驗結果告訴你,到底這是怎麼回事?

讓愛因斯坦也佩服的邁克.法拉第(Michael Faraday),在 1852 年集合了一群值得信賴又會旋桌術的人,執行一個巧妙的三階段實驗計畫,這計畫至今仍是教大家如何探索靈異現象的典型教材。

邁可.法拉第肖像。圖/Thomas Phillips, 1842, public domain, wikimedia commons.

法拉第生於 1791 年倫敦南部,家境清寒,從小就對科學很感興趣。他的勤奮和求知欲很快引起頂尖科學家漢弗萊.戴維(Humphry Davy)的關注,所以法拉第年僅 21 歲就進入倫敦著名的皇家學會任職。法拉第終其一生都在皇家學會工作,探索多元的主題。他發明全球聞名的本生燈,發現煤塵是導致礦坑爆炸的主因,建議英國國家畫廊清潔藝術收藏品的最佳方法,針對燃燒蠟燭的科學做了一系列熱門的演講(「思考蠟燭燃燒的物理現象,是探究物理學的最佳方法」)。

他最為人知的開創性成就,或許是探索上帝和電力及磁力等神祕力量之間的關係。法拉第花好幾個小時實驗多種儀器後,把一條電線彎進線圈裡,讓磁鐵在線圈的中央移動,意外發現磁鐵的移動會感應電線裡的電流。這個簡單的實驗顯現了電力和磁力之間的基本關連,為現代的電磁理論奠定了基礎。

愛因斯坦對法拉第的研究相當佩服,在研究室牆上掛著他的照片,作為靈感的來源。法拉第一向相當務實,發現電磁感應之後,他馬上接著探索它的可能應用,最後發明了現代發電機的前身。當英國財政大臣威廉.格拉斯通( William Gladstone)聽聞這個新奇的裝置時,他詢問法拉第電力的實用價值,法拉第給了他一個知名的答覆:「有朝一日,您可以課稅。」

第一部發電機:法拉利圓盤。圖/Émile Alglave, public domain, wikimedia commons.

法拉第也很重視宗教,他在蘇格蘭長老教會的分支「桑德曼教派」( Sandemanians)證道,他的教會身分讓他婉拒了英國皇家學會的會長一職及爵位,他提出的理由是,他覺得耶穌不會接受那樣的榮譽。政府要求他為克里米亞戰爭製造毒氣時,他也以不道德為由加以回絕。他不買保險,因為他覺得那是不信教的舉動。他的宗教信仰可能是促使他發現電磁的主因,他認為上帝掌控全世界,深信自然中的一切必定相互關連,包括電力和磁力之間看似無關的力量。

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召喚幽靈的旋桌術

旋桌術,又稱為桌靈轉。圖/擷取自YouTube影片

由於法拉第擅長掌控無形的力量,又對宗教事物很感興趣,他受旋桌術的吸引並不足為奇。1852 年,他集合一群值得信賴又會旋桌術的人,執行一個巧妙的三階段實驗計畫,這計畫至今仍是教大家如何探索靈異現象的典型教材。

在第一階段的探索中,法拉第把一組奇怪的材質黏在一起,包括砂紙、玻璃、濕黏土、錫箔、黏著劑、紙板、橡膠和木材,把它固定在桌上。接著,他請參試者把手放在那東西的上面,開始召喚幽靈。結果桌子很容易就動了,顯然這些材質並不影響幽靈的運作,這實驗讓法拉第得以在第二階段任意使用這些材質的組合。

他回到實驗室,開始製作幾個奇怪的組合。每個組合都包含五張明信片大小的紙板,中間夾著特殊調製的黏合顆粒,那些顆粒「有足夠的黏度穩固紙板的位置,但是在持續的作用力下,也會逐漸失去黏著力。」法拉第小心地把這些組合放在桌子的周邊,牢牢地把每個組合的最底層黏在桌面上,在紙板邊緣用鉛筆從上而下劃一條細線。準備就緒後,實驗開始。他請每位參試者各自把手放在每個組合的上方,然後請幽靈把桌子移往左邊。不久,桌子開始移動,法拉第只要看他設計的組合,就可以破解旋桌術的謎底。

那概念很簡單。他推論,如果真的有神祕力量推動桌子,桌子應該會比參試者的手先移動。那會導致每個組合的下層開始偏離上層,使鉛筆線變成由左斜向右。相反的,如果是參試者的手讓桌子移動,組合的上層會比下層先移動,使鉛筆線由右斜向左。法拉第檢查鉛筆線時,答案顯而易見。每條線都是由右斜向左,證明參試者的手比桌子先移動。這些參試者似乎是自己想像桌子在動,卻沒意識到這點,他們自己做出讓想法成真的手部微動。由於這些動作完全是無意識的,他們因此對桌子的扭動感到意外,而把桌子的移動歸因於幽靈所致。

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  • 旋桌術大概像這樣

法拉第認為自己已經解開旋桌術之謎,但是他知道招靈教的信徒會反駁;雖然那是桌邊人士無意識的動作造成的現象,幽靈仍在這移動中扮演微妙但重要的腳色。如果要測試這個想法,唯一的方式是移除手的動作,看桌子還會不會動。顯然,法拉第不能直接要求參事者別推動桌子,因為他們本來就不知道自己在推動桌子,這需要換一種新的實驗方式。

法拉第回到實驗室,創造第二種巧妙的組合,這次他改用兩個明信片大小的板子,中間隔著四個平放的玻璃棒,讓上層可以隨意轉動。這種「上層板—玻璃棒—下層板」的夾心組合,是以兩條橡皮筋綁在一起。他把每個組合的底層固定在桌面上,接著在上層與下層紙板的邊緣插入小金屬針。最後,把三十八公分長的草稈垂直黏在組合上,下層紙板插一針,上層紙板也插一針。

使用這種瘋狂的設計是有道理的。法拉第的設計是把草稈當成槓桿,上面的針是槓桿的支點。上層板有任何側向的移動時,即使動作很小,也會讓草稈產生明顯的大幅移動。那組合是有效放大參試者手部微動的簡單設計,只要請參試者維持草稈垂直,就可以確定他們的手沒動。法拉第再次把這群朋友找來,請他們把手指放在上層板上,並請幽靈移動桌子,但是要一直維持草稈垂直不動。這樣一來,不管他們再怎麼努力,都無法讓桌子移動。法拉第因此正確推論,桌子移動完全是由他們無意識的動作所造成的,根本不需要幽靈發功。

1853 年他在《科學協會》(Athenaeum)雜誌上發表這個研究結果,引起招靈教的強烈反彈,很多人宣稱他們不需要碰桌子也可以讓桌子移動。不過,怪的是,他們都不願到法拉第的實驗室,在受控的情況下表演。

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《怪咖心理學 3 》書封

 

本文摘自《 怪咖心理學(3):明明沒有,為什麼看得見?當超自然現象遇上心理學 》,漫遊者文化出版。

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文章難易度
azothbooks_96
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不是不會髒,而是更難沾:耐污馬桶的表面科學
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/09/22 ・3364字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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。

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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。
關鍵不是沖水,而是「這些污垢如何抓住表面」

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。

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材料科學的核心:想辦法讓污垢「抓不住」

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)」:

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  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。

阻止細菌、生物膜找不到「落腳點」

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。

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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。
Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶

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。

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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

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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