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不管是美牛還是核災食品,為何科學無法克服民眾的食安疑慮?

林澤民_96
・2017/01/13 ・6490字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 555 ・八年級

行政院長林全宣布暫緩開放日本核災地區食品進口,這是繼 2009 年美國牛肉進口爭議之後,政府的食安科學在民眾的疑慮之中敗下陣來。

2008年韓國民眾大規模示威抗議美國牛肉進口。圖/By Blogger 샛길(Set-gil) - 너무나 뜨거운 광우병 쇠고기 수입 반대 촛불집회 열기 (Korean), CC BY-SA 2.0 kr, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4007375
2008 年韓國民眾大規模示威抗議美國牛肉進口。圖/By Blogger 샛길(Set-gil), CC BY-SA 2.0 kr, wikimedia commons.

2008 年韓國民眾才為美牛問題進行大規模示威抗議不久,馬英九政府在美方壓力之下也簽署了「美國牛肉輸台議定書」,引起民眾一片譁然。政府希望能說服民眾的理由,是吃美國牛肉得狂牛病因而致命的機會極小。當時美國在臺協會台北辦事處處長司徒文說沒有人吃美國牛肉致死,而台灣在 2008 年有一千多人騎機車死亡,「沒有人說騎機車不安全」。衛生署長葉金川也附和說吃美牛得狂牛病的機會跟被雷打到兩次一樣,「是非常低的風險」。

機會、命運,請選擇

2010 年,我隨台灣旅美政治學者訪問團回台,有機會面見當時的行政院吳敦義院長及馬英九總統,談到美牛進口爭議。我建言說用「機率」來為食安政策辯護是無法說服民眾的。我說:政府發行公益彩券,其中獎機率幾乎為零,難道政府要勸民眾放棄中獎的希望?而即使中獎機率極小是科學的客觀事實,這對民眾也沒有說服力,因為民眾買彩劵,相信的是「命運」而不是「機會」。

以大樂透為例:大樂透每注中頭獎的機率只有 1/13,980,000,而每期有高達數百萬注的銷售量。如果下注的買家都如政府在食安議題上所希望的、從客觀頻率的觀點來詮釋機率並以之作為行為的依據,他們就不會下注了,而公益彩券恐怕也早就破產了!事實是:下注的民眾在開獎前都還是抱著會中獎的希望,而如果這還不夠,很多人會燒香拜佛禱告,希望神明保佑他們中獎。

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拜託拜託讓我今年發大財(設計對白)。圖/By Gunkarta - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15758236
拜託拜託讓我今年發大財(設計對白)。圖/By Gunkarta – Own work, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons.

政府在食安問題上用低風險來遊說民眾之所以沒有效果,是因為官員們不知道民眾對機率的認知是跟他們完全不一樣的。從風險管理上來看,不論是公益彩劵或食安管控,政府完全可以用客觀頻率的概念來計算機率、期望值。以大樂透而言,如果每期賣出 5 百萬注,則可以算出最少有一注中頭獎的機率是 0.30;政府可以和賭場一樣很精確地預期盈虧。同樣的道理,在食安的問題上,政府也可以估計大約會有幾人得病或死亡。如果這個數目甚低,政府覺得可以容忍,便據以制定食品進口政策。這個決策過程可以是科學的,但它的客觀性恰恰造成與民眾認知的差距。

對於民眾而言,他們買彩劵在乎的不是全部共有幾人得獎,而是自己有沒有得獎。在食安問題上,他們擔心的不是一共有幾人致病,而是他們自己或家人、親友會不會致病。

即使客觀上致病的機率不大,但主觀上相信下注大樂透有中獎可能的民眾,自然不會排除不幸命運降臨的可能性。對民眾而言,食安問題正是所謂「黑天鵝」事件:它的機率雖小,危害卻極大。

「如果不覺得騎機車不安全,便沒有理由說吃美牛不安全」,這是錯誤的命題。首先,民眾對交通安全並不是完全放心。他們即使出門不見得會燒香禱告,也可能在身上、車上放平安符。而一般人在親友出遠門時,總會致上旅途平安的祝福,正是反映了對交通安全的顧慮。他們了解,意外事故是有可能降臨自身的,只是現代生活不能沒有交通,不能因咽廢食罷了。說不怕車禍便沒有理由怕美牛或核災食品,難道要民眾在上餐廳時攜帶平安符或在餐桌上互相祝禱 “Have a safe meal”?而且,在交通問題上,民眾期待的是政府能夠從基本建設上減少車禍的機率,而開放有食安顧慮的食品進口卻是增加致病的機率,這當然不符合民眾對政府的期待。

主觀機率、客觀機率,大大不同

即使撇開命運不談,民眾對於美牛或核災地區食品風險的估計,也會與政府的科學估計有所不同。政府官員從風險管理的立場出發,自然要收集科學證據與統計資料,盡量客觀地估計食安問題對民眾健康造成危害的機率。但是一般人對於機率的認知,卻通常帶有主觀的成分。

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這種傾向,在 1970 年代即為心理學家、2002 年諾貝爾經濟學獎得主康尼曼(Daniel Kahneman)與其早逝的合作者特沃斯基(Amos Tversky)所發現。康尼曼與特沃斯基的理論主張一般人在作風險決策時,沒有能力用科學、客觀的方法估計機率,而是用一些簡單、有效率的捷徑來作為主觀估計的依據。這些捷徑,他們稱之為 heuristics,意思是具啟發性的簡便法則。

康尼曼與特沃斯基的研究歸納出三種主要法則:

記憶所及簡法(availability heuristic):以記憶所及的相關事件來估計機率

代表性簡法(representativeness heuristic):根據事件的代表性來估計機率

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定點調整簡法(anchoring and adjustment heuristic):以一個數目為基底,然後往上或往下調整估計

根據這些簡法估計出來的機率通常會偏離客觀機率,造成估計誤差。記憶所及的事件常受媒體或個人經驗影響;具代表性特質的事件當然不見得發生次數就高;而作為基底的數目即使是隨機決定的,也常會影響到調整後的估計。

舉例而言,六個兒女的家庭,其性別出生序一共有 2 x 2 x 2 x 2 x 2 x 2 = 64 種可能的排列法。因為每一胎生男生女的機率各為 0.5,而且各胎是男是女都是互相獨立的事件,這 64 種出生序都是同樣可能的。可是當康尼曼與特沃斯基在實驗中問受測者「女男女男男女」和「男女男男男男」哪一種出生序可能性較高時,超過 80% 的受測者認為第一種出生序較為可能。即使是比較各有三男三女的「女男男女男女」和「男男男女女女」,大多數人仍然認為第一種排序的可能較高。康尼曼與特沃斯基舉此實驗為「代表性簡法」造成估計偏差的例證,因為一般人都認為上述兩組的第二種排序較無代表性。

另一個例子:下列兩個陳述中,你認為哪個的可能性較高?

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林教授自 2010 年以來,諸事不順。

林教授自 2010 年與馬英九總統握手以來,諸事不順。

2010年6月筆者參與台灣旅美政治學者訪問團與馬總統座談,提及食安問題。圖/作者提供
2010 年 6 月筆者參與台灣旅美政治學者訪問團與馬總統座談,提及食安問題。圖/作者提供

如果你認為第二個陳述的可能性較高,可能你是受到「記憶所及簡法」的影響了,因為記憶中有某某人與馬總統握手過就倒楣的媒體報導;你如果相信它,記憶所及,就容易想像,感覺上可能性就高。但是在邏輯上,第一個陳述包含第二個,因此其可能性較高。

以食安問題而言,當人們記憶所及是媒體對狂牛病或核災感染食品危害健康的報導時,他們對食安風險的估計會使用「記憶所及簡法」,因而造成高估的偏差。(筆者長期住在美國,吃牛肉毫無顧忌。記憶中,從未看到美國媒體對這議題有所報導。)

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其實,康尼曼與特沃斯基後來發展成型的「前景理論」(prospect theory)就直接主張一般人會高估客觀上較低的機率而低估客觀上較高的機率。像大樂透中頭獎或吃美牛得狂牛病這種客觀上接近於 0 的機率,在小數點之後有那麼多 0,一般人是沒法想像的。多幾個 0 或少幾個 0 對民眾而言其實是無感,可是當他們看到報導有人中頭獎或得狂牛病,他們對這些機率的主觀估計就不會是 0,而會比 0 顯著地高。

當人們主觀上認為吃美牛或核災地區食品有得病致死的可能時,他們對進口有安全疑慮食品的期望值就會比現狀糟糕了,當然無法接受政府開放進口的政策。這一點,應用康尼曼與特沃斯基的前景理論,我們還可以從民眾的立場做更進一步的風險決策分析。

前景理論的風險決策分析

前景理論的風險決策分析與傳統理論不同之處,在於後者在計算預期效益時用客觀機率來加權價值,而前者則用主觀機率。除了對主觀機率的假設外,前景理論對價值(或效益)函數也做了一些特殊的假設。如果用 π(.) 代表主觀機率作為客觀機率的函數、v(.) 代表價值作為「得」、「失」結果的函數,前景理論的主要假設可以簡單敘述如下:

機率函數

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  • 客觀機率為 0 的結果其主觀機率亦為 0:π(0)=0。
  • 客觀機率為 1 的結果其主觀機率亦為 1:π(1)=1。
  • 客觀機率甚小的結果,其主觀機率大於客觀機率:若 p 甚小,則 π(p) > p。
  • 客觀機率較大的結果,其主觀機率小於客觀機率:若 p 甚小,則 π(1-p) < 1-p。
  • 較大客觀機率在主觀上被低估的幅度,可能大於甚小客觀機率在主觀上被高估的程度:若 p 甚小,則 (1-p) – π(1-p) ≥ π(p)-p,也就是 π(p) + π(1-p) ≤ 1。
  • 其它與本文無直接關係的假設。

下圖是康尼曼與特沃斯基所假設的加權函數,也就是主觀機率函數。

圖/A. Tversky and D. Kahneman, “The Framing of Decisions and the Psychology of Choice.”Science, Vol. 211, 30 January 1981.
圖/A. Tversky and D. Kahneman, “The Framing of Decisions and the Psychology of Choice.”Science, Vol. 211, 30 January 1981.

價值函數

  • 無「得」無「失」的結果其價值為 0:v(0)=0。
  • 有所「得」的正面的結果,其價值函數往正向呈現邊際效益遞減的趨勢。
  • 有所「失」的負面的結果,其價值函數往負向呈現邊際效益遞減的趨勢。
  • 相對於同樣數量的「得」,「失」所造成的傷害程度大於「得」所帶來的滿足程度:若 x<0,則 |v(x)|>|v(-x)|。
  • 風險決策的預期價值為「得」、「失」結果價值用主觀機率加權後的總和:若風險決策得到 x 結果的客觀機率為 p,得到 y 結果的客觀機率為 q,則風險決策的預期價值為 V(x,p;y,q) = π(p)v(x) + π(q)v(y),此預期價值也稱作「前景」(prospect)。

下圖中的藍色曲線是康尼曼與特沃斯基價值函數的一個例子。曲線上的紅點代表兩個結果 x 與 y,其價值分別為 v(x)=-900 與 v(y)=150。紅色虛線代表兩個價值以所有可能之主觀機率加權後之總和,也就是預期價值。π(p) 越大則預期價值越靠近 x 點 ;π(q) 越大則預期價值越靠近 y 點。

prospect

我們現在可以用前景理論來分析一般民眾在決定要不要支持政府開放進口有安全疑慮食品的政策了。這個決定包含兩個選項:支持開放進口或維持不進口的現狀。因為支持開放會有兩個可能結果:(x)因食用不安全的食品而致病、(y)得到更多的安全食品,而民眾做決定時並不能確定哪一種結果會發生,只能主觀估計這些結果的機率,所以他們的決定是一種風險決策。我們可以把選項的各種可能結果更清楚地表示如下:

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A. 不支持開放進口,其結果為 s。這個結果是確定的也就是客觀機率為 1。若不支持開放進口並不會改變現狀,則我們可以假設現狀的價值為 v(s)=0 。因為此結果的客觀機率為 1 ,其主觀機率 π(1)=1。選項 A 的前景為 0。

B. 支持開放進口,其結果為 x 的客觀機率為 p、為 y 的客觀機率為 q。選項 B 的前景為兩種結果用主觀機率加權後的預期價值 V(x,p;y,q) = π(p)v(x) + π(q)v(y)。

前景理論雖然認為民眾在估計機率時會有主觀、甚至不理性的情形,然而在主觀機率形成之後,他們做決定的邏輯卻仍然與理性選擇一樣,也就是用預期價值(前景)的相對大小來決定選項。在這裡,只有當

V(x,p;y,q) = π(p)v(x) + π(q)v(y) > 0

成立的時候,民眾才會選擇 B,也就是支持政府開放進口的政策。以上圖為例,這代表 x 與 y 的預期價值必須要在紅色虛線在橫軸之上的那一部分,民眾才會願意承擔風險。

上式中,如果 v(x) 與 v(y) 均為正值,不等式是一定成立的,民眾會支持開放;如果 v(x) 與 v(y) 均為負值,不等式則一定不成立,民眾不支持開放。但這裡 v(x)<0 而 v(y)>0,所以不等式是否成立要進一步分析。政府官員決策的依據,是用科學研究的結論認定食安有問題的機率極小,也就是 π(p) = p→0,如此則 V(x,p;y,q) = π(q)v(y) > 0,不等式亦成立,民眾應該可以放心政府的開放政策,甚至還可以享受食品多樣性的正面價值。

這種一廂情願的想法,卻不能讓民眾接受,那是因為民眾做決定時用的不是傳統經濟學的理性選擇邏輯,而是認知心理學前景理論的邏輯。上面說過,前景理論不因為 p 甚小就認為 π(p) = p→0 而是認為 π(p) >p,也就是民眾不認為食安問題的負面結果可以完全忽略:風險選項的預期價值必須要把 π(p)v(x) 納入考量。

上面作為民眾買單的不等式可以轉換為

-v(x)  < [π(q)/π(p)] v(y)

注意,這裡 -v(x) 是因食用不安全進口食品所造成的傷害(負值)的負值;因為負負得正,我們可以用  |v(x)|  來代替它。將它代入上式得

|v(x)| < [π(q)/π(p)] v(y)

這個不等式是否成立?為了方便討論,我們且根據前景理論的假設做一些數值估計。因為 p 甚小,民眾主觀上會高估它,我們假設 π(p) = 0.01(百分之一)是個合理的估計。再者,因為 p+q=1,所以 q = 1-p = 0.99 是個甚大的機率,它會被低估,而且它被低估的程度會大於 p 被高估的程度。我們假設 π(q)=0.90。將 π(p)=0.01 與 π(q)=0.90 代入上式得

|v(x)|  < 90v(y) 或 |v(x)|/v(y) < 90

也就是說,只有那些主觀上認為健康的代價小於美國牛肉或核災地區食品所能帶來的滿足感的 90 倍的民眾,才會願意甘冒風險支持政府的進口政策!只要健康的代價相對於食品滿足感足夠大,儘管致病的客觀機率甚小,因為主觀上其可能性不可忽略,民眾不會支持政府。注意:這裡因為致病是「失」而滿足感是「得」,根據前景理論,即使失與得同額,民眾在價值估計上對失去健康的反應也會更強烈的。

也許您認為上面的數值假設太不合理,那讓我們修改一下。現在假設要開放的食品會致病的主觀機率是π(p)=0.001(千分之一),而 π(q)=0.990,則

|v(x)| < 990v(y)

讀者們可以自問您健康的代價會小於美國牛肉或核災地區食品所能帶給您的滿足感的 990 倍嗎?如果您的答案是肯定的,您就可以放心支持政府開放進口的政策了。

政府要如何才能說服民眾支持開放進口?

前景理論最為人所熟知的結果,恐怕是它能用來預測人們對待風險的態度。一般來說,因為價值函數的邊際效益遞減,一般人在面對「得」的情況比較會想要避免風險(risk-averse),而在面對「失」的情況比較願意承擔風險(risk-acceptant)。這其實不是鐵律,真正的風險態度還是要從比較選項的預期價值來決定。

政府進口美牛和核災地區食品的動機是什麼?圖/By Alpha from Melbourne, Australia - Eye fillet marbling - Little Creek Cattle Co Grass-Fed Beef, CC BY-SA 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=9818464
政府進口美牛和核災地區食品的動機是什麼?圖/By Alpha from Melbourne, Australia – Eye fillet marbling – Little Creek Cattle Co Grass-Fed Beef, CC BY-SA 2.0, wikimedia commons.

從馬政府到蔡政府,不論是進口美牛或核災地區食品,最令民眾困惑的是為何在有食安疑慮的情況下,政府仍然那麼亟於開放進口這些食品。雖然媒體猜測政府背後有來自美、日、或世貿組織的壓力,但政府從未曾把不開放進口的後果明確讓民眾知道,因此民眾在做風險決策時,並未嚴肅考慮不支持開放進口的後果。

如果民眾清楚知道不開放的的負面後果,那他們是不是就會比較願意承擔風險而支持開放進口?要回答這個問題,我們必須將上面的分析略作修正。此時選項 A 的結果 s 的價值不再為 0,而是 v(s)<0,其主觀機率仍然是 π(1)=1。選項 A 的前景為 v(s)<0。因此,民眾願意支持開放進口、承擔風險的條件是:

V(x,p;y,q) = π(p)v(x) + π(q)v(y) > v(s)

因為 v(s)<0,很顯然這個條件會比較容易達到,但我們還可以進一步把它轉換成:

|v(x)| < [π(q)/π(p)] v(y) + [1/π(p)] |v(s)|

這裡不等式右邊第一項根以前一樣,第二項的 |v(s)|=-v(s) 是不開放進口的後果的絕對值,這可以包括受到美、日、甚至 WTO 反制的代價。若我們如前假設 π(p)=0.01 與 π(q)=0.90,則

|v(x)| < 90v(y) + 100 |v(s)|

相信有不少民眾會同意:台灣受到重要國際友邦和組織反制的代價,比起美國牛肉或核災地區食品所能帶給個人的滿足感要高出太多了,何況有安全疑慮的食品即使進口,個人也可以不吃。在這種考量下,應該會有更多民眾願意承擔風險、支持政府的政策。

政府官員必須了解:當你們以巨額獎金引誘民眾下注公益彩券的時候,你們不能夠同時要求他們不要擔心有安全疑慮的進口食品;當你們用科學方法從事食安風險管理的時候,你們不能夠簡單地認為幾個人死亡和幾個人中獎一樣,是在政府治理可以容許的範圍之內,而冀求民眾支持。

本文嘗試說明:民眾不但相信命運甚於相信機會、系統性高估微小機率,對負面結果的反應也較正面結果更強烈。在進口有安全疑慮食品這個議題上,日、韓政府、馬政府都已嚐過苦頭,蔡政府不應該不汲取教訓。真的有國際關係上不得不然的苦衷,應該實話實說,民眾自然會加以考慮。科學是冷酷的,政府不能不尊重科學,但更不能不尊重民眾的思考方式和安全考量。

本文〈為何科學無法克服民眾的食安疑慮?〉轉載自 Tse-min Lin 的部落格

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林澤民_96
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台大電機系畢業,美國明尼蘇達大學政治學博士, 現任教於美國德州大學奧斯汀校區政府系。 林教授每年均參與中央研究院政治學研究所及政大選研中心 「政治學計量方法研習營」(Institute for Political Methodology)的教學工作, 並每兩年5-6月在台大政治系開授「理性行為分析專論」密集課程。 林教授的中文部落格多為文學、藝術、政治、社會、及文化評論。

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從奈米微塵到化學氣體, HEPA 與活性碳如何聯手打造純淨空氣?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/17 ・4433字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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本文由 Amway 委託,泛科學企劃執行。

很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網
在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢 / 圖片來源:envato

到底怎樣才算是「乾淨」?這不是什麼靈魂拷問,而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞,甚至能成為台積電(TSMC)決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中,雖然不需要生產精密晶片,但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密,卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康,你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此,空氣議題早已超越單純的環保範疇,成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

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很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是同一件看起來平凡無奇的東西:一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信,就憑這層厚度不到幾公分的板子,能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎?

這片大家都聽過的 HEPA 濾網,裡面到底是什麼?

首先,我們必須打破一個直覺上的誤解:HEPA 濾網(High Efficiency Particulate Air filter)在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5,是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物,它們能穿過呼吸道直達肺泡,並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本,在工廠與汽車尾氣中,還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1,甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」(UFP,即 PM0.1)。 UFP 不僅能輕易進入血液,甚至能繞過血腦屏障(BBB),進入大腦與胎盤,其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣,單靠孔目大小來「過濾」粒子,那麼為了攔截奈米微粒,濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡,一般人認為的「乾淨」,在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米3 奈米(相當於頭髮直徑萬分之一)的晶片而言,空氣中一顆微小的塵埃,就是一顆足以毀滅世界的隕石。

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因此,傳統的過濾思維並非治本之道,我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形,最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身,誕生於曼哈頓計畫!

1940 年代,製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而,若將排氣直接排向大氣,會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾(Irving Langmuir),他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」(Absolute Filter),其內部並非有孔的篩網,而是石綿纖維。

有趣的來了,如果把過濾器放到顯微鏡下,你會發現纖維之間的空隙,其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢?這是因為在奈米尺度下,物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時,並非走直線,而是會受到空氣分子撞擊,而產生「布朗運動」(Brownian Motion),像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時,布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動,最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時,靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客,就這樣被永久禁錮迷宮中。

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現在最常見的 HEPA 材料,是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間,它們在濾網內隨機交織,像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後,並非僅僅面對一層薄紙,而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層,微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外,HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵,那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀,中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐,目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒,而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺:過濾不是越快越好嗎?

其實,這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管,如果你捏住出口,水流會變得湍急;若將出口放開並擴大,雖然總出水量不變,但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言,當表面積越大,單位面積所需承載的空氣量就越少,空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久,增加被捕捉的機會。此外,越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」,延長了使用壽命,這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

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然而,即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter),但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ,其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物,去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念?塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子,大小約在 2 至 200 微米;細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米,細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」,大多數的病毒(如流感、新冠病毒)都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說,基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上,它更獲得英國過敏協會(Allergy UK)認證,能有效處理 19 大類、102 種過敏原,濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」 / 圖片授權:Shutterstock

然而,同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中,硼是常見的 P 型摻雜物,用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕,進而釋放出極微量的硼離子,就可能直接污染晶圓,改變其導電特性,導致晶片報廢。

此外,無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA(超低穿透率空氣濾網) 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中,任何多穿透的一顆微塵,都代表著一筆不小的經濟損失。

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為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率,材料學家搬出了塑膠界的王者,PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕,還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維,其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕,但它既昂貴且物理上也很脆弱,安裝時若不小心稍微觸碰,數萬元的濾網就可能報銷。因此,你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此,在空氣濾淨系統中,還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網,就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附?

好不容易將微塵擋在門外時,危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王:AMC(氣態分子污染物)

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒,但面對氣態分子時,就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般,能輕易穿過物理濾網的縫隙,其中包括氮氧化物、二氧化硫,以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物(VOCs)。

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為了對付這些幽靈,我們必須在物理防線之外,加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同,這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理(Impregnation)」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質,在活性碳上添加不同的化學藥劑:

  • 酸鹼中和:對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體,會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑,透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之,如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑,就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
  • 物理吸附與凡德瓦力:對於最麻煩的有機揮發物(VOCs,如甲醛、甲苯),因為它們不具酸鹼性,科學家會精密調控活性碳的孔徑大小,利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力(凡德瓦力),像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。
活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附? / 圖片來源:Amway

空氣濾淨的終極邏輯:物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境,活性碳的運用並非「亂槍打鳥」,而是一場極其精密的對戰策略。

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工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告,像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝,打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區(Photolithography),晶圓最怕的是人體呼出的氨氣,此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和;而在蝕刻區(Etching),若偵測到酸性廢氣,則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯,是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中,雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析,但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯,正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網,更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳,科學界有個關鍵指標:「比表面積(Specific Surface Area)」。活性碳的孔隙越多、表面積越大,其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳,並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理,打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克,但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字,相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積,是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是,它還添加了雙重觸媒技術,能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線,能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體,或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來,成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說,無論是造價百億的半導體無塵室,還是守護家人的空氣清淨機,其背後的科學邏輯如出一轍:「物理濾網攔截微粒,化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作,空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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來趟蕉心之旅?購買有產地履歷的香蕉好安心
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/06/02 ・2160字 ・閱讀時間約 4 分鐘

本文由 家樂福食物轉型計畫 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳彥諺

你喜歡吃香蕉嗎?香蕉是台灣人從小到大非常熟悉的水果,不僅方便攜帶、營養價值豐富,更符合現代的養生概念,很適合健身者、節食者。不過,你是從哪裡買到香蕉的呢?
你知道現在已經有專屬香蕉的「驗證」了嗎?

從以前到現在的台灣「蕉傲」

為什麼香蕉也有驗證?在談到驗證之前,首先讓我們聊聊過去。

作為常見的、隨手可得的水果,香蕉不只是台灣重要的水果產業之一,也是全球重要的經濟果樹及糧食作物。在巔峰時候,香蕉曾經是全球產量最多的水果,經濟價值非常高,僅次於蘋果、柑橘及葡萄,而糧食重要性也僅次於小麥、稻米和玉米。

而我們的台灣,曾經有「香蕉王國」美名,當時因爲產量大,加上風土及氣候適合栽種,台灣種植出來的香蕉特別好吃,價格和出口銷量的成績都非常亮眼。在香蕉的黃金年代中,台灣東西南北都有種植。

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只是,雖然台灣是香蕉王國,外銷成績乍看亮眼,但蕉農的辛苦卻很少人知道。行話裡有種說法是「種蕉如賭」,因為種植香蕉必須靠天吃飯,將蕉苗種下之後,接著蕉農便得對賭著天氣氣候環境市場狀況——如果自然條件不佳,會導致收成慘澹,不過,若整體銷量過剩,也將造成價格大跌。又如果非常好運,成功撐過上述的局面,最終在進入市場銷售前,還將面臨到中盤、行口(台語)的層層轉手。作為一個蕉農,有太多變數不能掌控,收入也因此起伏不定。

吃好蕉!守護蕉農大行動!

台灣香蕉,從過去的出口黃金年代,邁入今天的另一個美好時代。如今,香甜軟糯的台灣香蕉,仍然是我們生活中的重要存在。

今天的台灣,因為經歷了多次爆發的食安問題,消費者越來越注重食品安全。與此同時,農民們仍然有收入穩定的需求。要如何平衡這兩點呢?

家樂福認為,比起讓蕉農單打獨鬥,有另一個能兼顧農民與消費者雙方利益的方法,那就是以賣場的力量,支持小農。家樂福賣場內,只販售通過驗證的香蕉,藉由驗證,不僅可以做到產地溯源、驗證履歷,鼓勵且支持小農轉型,讓蕉農可以專注栽種,不需擔心後端銷售問題,同時,顧客也能藉由驗證得知透明資訊,進而安心選購。

四大金蕉:履歷蕉、有機蕉、金蕉伯、石虎香蕉

家樂福的香蕉驗證共有四大種。家樂福的「履歷蕉」,是從雲林屏東產區中挑選出來當季的、品質最優良的香蕉,並且全產品都需具備「產銷履歷(TAP)標章」,也需要遵循「家樂福農藥規範」,履歷蕉的每一根香蕉,都有其栽種來源用藥是否符合歐盟標準的紀錄,且只有在經過政府委託的第三方驗證機構定期抽檢合格後才能販售。

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家樂福 BIO 有機香蕉」則是來自全台最大的「有機驗證(Organic)」香蕉農園,位於屏東。「有機」的標章並不好取得,蕉農必須以全天然農法栽種,不施化肥不催生催熟,以人工除草代替除草劑,讓土壤是自然健康的狀態,健康的土壤所種植出來的香蕉,除了來源健康,口感香氣也特別好。

金蕉伯履歷香蕉」不是一個人,而是一群人!10 多年前,家樂福已開始在全台各地找尋志同道合的農友,終於在雲林遇到願意為食品安全環境永續共同努力的蕉農,後來更成為長期契作的對象。他們以友善農法耕種,呵護土地,種出好蕉。

石虎山蕉」則是南投中寮的一群農友。他們為了保育瀕臨絕種的台灣保育類動物石虎,不擴大農地面積、不使用化學肥料及除草劑,保留給石虎一塊乾淨安全友善的棲息地。

家樂福的 Act For Food 食物轉型計畫

家樂福與民生息息相關,通路可以單純只是販售點,也可以帶來改變、產生力量。因此,家樂福推動食物轉型計畫,希望建立起與農民、農民團體相互信賴的合作連結,藉由大量計畫性種植、保證收購降低平均成本,一來讓農民能獲得合理的農務所得,二來讓消費者能以合理價格買到安全的食物,三來,通路能成為穩定供貨的角色。

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買香蕉選擇家樂福香蕉驗證,不僅食得安心,更是以行動支持在地農民。家樂福相信每個人都值得最好的,以家樂福 AFF 食物轉型作為領航,一同創造友善農民、土地、消費者的共好模式。

家樂福以行動,開創對所有人與土地共生共好的食物轉型模式,也邀請大家一同參與支持。

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奠下製冷技術基礎的功臣——瑪麗.恩格爾.彭寧頓的生平
椀濘_96
・2022/03/10 ・2583字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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被《紐約客》(The New Yorker)稱為「冰女」(Ice Woman)的科學家——瑪麗.恩格爾.彭寧頓(Mary Engle Pennington;1872-1952),是美國著名的細菌化學家,同時也是一名製冷工程師。

Mary Engle Pennington(1872-1952)。圖/wikipedia

出生於田納西州的彭寧頓,出生後不久便舉家搬往賓州費城生活。彭寧頓的童年生活很豐富,她的父親熱衷於園藝,也鼓勵她一起協助栽種、熟悉各類植物;除植物外,周末彭寧頓會和母親逛市場,有時還會去農場挑選肉品,她便會在一旁觀察,也是在這時她注意到了,夏天滿是農產品的攤位,一到冬天卻什麼都沒有。

「女性」在化學這條路上受到的阻礙

十二歲時的小彭寧頓在圖書館找到了一本醫學化學教材,身為一個對書籍狂熱的閱讀者,努力吞下了對當時的她而言是非常艱澀的內容,她便察覺到,是那些肉眼看不到的化學元素構成了周遭的一切,甚至維持生命所需。

「突然,有一天,我意識到,儘管我無法觸摸、品嚐或聞到它們,但它們確實存在。這是一個里程碑,」彭寧頓說,「我領悟到了世界的真實性。」

這引起了彭寧頓的興趣,她便向私立女子學校的校長詢問,是否願意提供化學講座。由於當時科學被認定不是適合年輕女性的學科,因此校長感到震驚並拒絕了。不過高興的是,彭寧頓的家人非常支持她的新興趣。

十八歲的彭寧頓找到了賓州大學的科學學院院長,詢問是否能能提供就讀名額,在當時的院長與化學系教授支持男女同校下,她順利取得了入學允許。

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1890 年,彭寧頓進入賓夕法尼亞大學攻讀化學,同時也輔修了植物與動物學,彭寧頓在短短兩年內完成了學士的學位要求,包括化學、植物學、動物學、細菌學。畢業時,彭寧頓是班上唯一的女性,但礙於當時賓大沒有授予女性學位,因此她僅能獲得修業證書,而不是像她的男性同學那樣獲得學位。

當時賓大沒有授予女性學位,因此彭寧頓僅能獲得修業證書,無法像男性一樣取得學位。圖/Pexels

不過這並未澆熄彭寧頓的熱忱,彭寧頓無視所有對她的歧視,並繼續埋首於化學研究生涯,具有天賦的她,在短短三年內發表了一篇關於化學元素鈮(columbium)和鉭(Tantalum)的衍生物論文,靠著這份成就,也讓彭寧頓在 1895 年時,取得賓大的化學博士學位,這件事對當時(對現在應該也是 XD)而言堪稱壯舉,沒有學士學位,卻擁有了博士學位。

然而,對她,對一位女性科學家的偏見與歧視並未因此消失。

隨後彭寧頓很快就察覺,化學專業對女性從業者的偏見與在學術界時是相同的,儘管彭寧頓已經是加入美國化學學會的第三位女性,但大多數化學家,包括女性化學家,都認為應將她們的知識和技能應用於當時被認為更「女性化」的領域。

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但彭寧頓堅持選擇純科學。

從純科學走向社會

之後,彭寧頓陸續在賓大擔任研究員,又在耶魯大學攻讀了生理化學,但她也不斷意識到,社會對於受過良好教育的女科學家認可及需求並不高,並開始思考著如何推廣她的科學工作。為此,她在費城創立了臨床實驗室,為醫生提供良好的實驗室資源,以利於進行準確的細菌學分析,而後也在賓夕法尼亞女子醫學院任教,教授生理化學,並指導該校的化學實驗室。

1906 年,彭寧頓被任命為新成立的費城衛生和細菌學實驗室主任。此時的彭寧頓也修改了目標,她希望能用科學來改善社會,而不是在只在實驗室裡專注於純科學。她任職後的第一份工作是:根除可能傳播致命疾病的不純牛奶。然而當時還沒有相關法規或標準,她考量到公眾對食品加工廠不衛生條件的擔憂,及製作過程中是否受到汙染,並建立起第一個全國通用的牛奶和乳製品檢驗及保存標準。

彭寧頓建立了制定全國採用的牛奶和乳製品檢驗及保存標準的第一個系統。圖/Pexels

而後,彭寧頓成功地改善了食安問題,並在教育公眾了解食品中污染物的危害方面發揮了關鍵作用,與此同時也為她之後的製冷研究埋下了種子。

為製冷技術和食品保存奠下基礎

1907 年美國農業部(USDA)化學局(即為食品和藥物管理局 FDA 的前身)局長哈維·威利(Harvey W. Wiley)鼓勵她為政府研究食品冷藏保存的方法。

隔年威利任命彭寧頓擔任美國農業部化學局食品研究實驗室的負責人,這也讓她成為了化學局裡第一位女性實驗室負責人。

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彭寧頓帶領研究員設計了食品工業的各個方面技術,如倉儲、包裝和配送等,該實驗室成為了食品處理及儲存研究的核心,特別是在防止雞蛋、家禽和魚類腐敗方面。

彭寧頓在參與冷藏車運輸研究的期間,開始對製冷機械產生興趣,並開始改良冷藏倉儲與推廣食物保存的相關知識。她對冷藏倉儲的改良十分出色,許多食品經銷商向她尋求建議,以製定完善的衛生程序,為她的專業知識贏得了尊重。

事蹟

彭寧頓於 1908 年作為美國官方代表,參加在巴黎舉行的第一屆國際製冷大會(她終生參與此會議)。作為唯一的女性代表,雖然她沒有發明製冷,但開發了確保冷藏食品保持新鮮和可食用的程序,並幫助建立了製冷行業,製冷也成了她的主要研究重點。

彭寧頓為許多科學和醫學期刊做出了貢獻,不僅是美國科學促進會、美國化學學會和生物化學家協會的成員,也是費城病理學會等多個學術學會的成員之一。

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1920 年,她成為美國製冷工程師學會第一位女性會員,她積極參與了該組織的計劃、教育和出版委員會,1923 年彭寧頓被美國暖冷氣空調工程師學會(ASHRAE)認可為美國最重要的食品冷藏及家用製冷權威,1947 年成為美國製冷工程師協會的會員。

參考資料:

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椀濘_96
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喜歡探索浪漫的事物; 比如宇宙、生命、文字, 還有你。(嘿嘿 _ 每天都過著甜甜的小日子♡(*’ー’*)