帝王天文學家之死｜科學史上的今天：10/27

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

• 作者／仰望天空的智人｜目前為高三自學生，在升上高三的那個暑假，毅然決 然走上自學的道路。希望在有限的青春，不要只是僅追求紙上的對錯，而是時時刻刻的詢問世界，「為什麼？」。

從三本著作了解克卜勒的天文物理觀

在歷史長河中，天文學家們提出了各種五花八門的理論，嘗試理解天上六顆讓人捉摸不定的行星，但唯有一個人的理論能夠毫無誤差¹的精準預測，時至今日仍舊屹立不搖，他的名字是——約翰尼斯．克卜勒 (Johannes Kepler) 。

克卜勒是第谷．布拉赫 (Tycho Brahe) 的得意助手，生前時，他鼓舞了同時代的伽利略公布真相，在死後，也啟發一百年後的牛頓建立了牛頓三大運動定律。

而克卜勒一生的天文成就被萃取成了「克卜勒三大定律」，最終被寫入到了現今的物理課本中。

克卜勒一生發表了許多影響後世的劃時代著作，涵蓋數學、天文、光學，現在，請讓我們將視野聚焦在三本克卜勒的天文鉅作：《宇宙的秘密》、《新天文學》、《世界的和諧》，分別象徵著，開始、轉折、結束，仔細端詳三個不同時期的克卜勒，如何逐漸完整他的「天文物理觀」。

《宇宙的秘密》：最早公開支持哥白尼理論的書籍之一

原先主張地心說的托勒密認為：行星是繞行地球在固定的球殼上一層又一層，如同洋蔥一般，自從古希臘後裔托勒密完成他的《天文學大成》開始， 一千多年以來，地心說一直都是西方天文學的主宰。

而 16 世紀時，主張日心說的哥白尼認為行星其實是繞行太陽，所有行星都和太陽冥冥之中都遵守著一個「通則」，且每個行星都和太陽保持著特定的比例關係。

• 延伸閱讀：讓世人驚呆了的「日心說」在提出的開始，根本就不受重視？！——《全球科技大歷史》

1595 年，身為講師的克卜勒，在授課的時候畫出了正三角形鑲嵌在圓形裡的示意圖，他突然靈光一閃，如果他在正三角形裡面又多鑲嵌一個小圓，這樣兩個圓就會有了比例的關係了！這不就像是哥白尼概念中提到的「每個行星和太陽都有特定的比例關係」嗎？

當時，哥白尼沒有解釋每個行星保持特定比例的原因，但現在克卜勒隱約領悟並認為「上帝是用幾何創造宇宙的」。

因此克卜勒開始展開了自己的調查，但他發現在二維平面上是行不通的，他又問了自己一次：「為何上帝只創造了水星、金星、地球、火星、木星、土星，這六顆行星？」

他聯想到了三維空間中的正多面體只有五種，克卜勒高興極了，他認為上帝是用「幾何」當作建材，並藉此來聯繫各個行星。

到了 1597 年，克卜勒發表《宇宙的秘密》（Mysterium Cosmographicum），這是克卜勒的第一本天文作品，同時也是歷史上第一本公開認同哥白尼理論的書籍，他迫不及待把自己發現的宇宙秘密隨機寄給其他天文學家，想要了解真正的專家將會如何看待自己引以為傲的觀點。

堪比古代交友軟體，一本書牽起了三人緣分

其中一本《宇宙的秘密》輾轉來到了義大利，到了一位還不有名的數學教授手中，這位數學教授告訴克卜勒：「我已經身為哥白尼的信徒很久了，私下也收集了一些能夠證明地球運動的物理現象唷！」克卜勒被他像是「回音」的名字逗樂，而這位數學教授的名字是——伽利略．伽利萊 (Galileo Galilei) 。

克卜勒鼓勵伽利略公開他的發現：「要對自己有信心啊！如果你是正確的話，或許一些學者會離你遠去，但真相就是最好的證據！」雖然克卜勒沒有馬上收到伽利略的回信，但未來兩人將會一起在不同地方，合作並支持哥白尼的日心說。

• 延伸閱讀：伽利略誕辰｜科學史上的今天：2/15

此外，也有一本書來到了第谷．布拉赫 (Tycho Brahe) 的手中，雖然第谷不認同克卜勒的觀點，但第谷看出了克卜勒的才華，並認為克卜勒擁有卓越的數學能力，只要擁有少數資料就能夠獨自建立預測模型。

雖然第谷回信稱讚克卜勒的巧妙的推測，但第谷認為哥白尼的觀測資料不太精確，因此第谷邀請克卜勒到自己的天文台工作，希望克卜勒能夠好好善用他更精準的觀測資料。

克卜勒獲得進入到當時一流天文台的機會，開始了他長達 20 幾年的天文研究。

《新天文學》：等面積定律的起源

《新天文學》（Astronomia Nova）在當時是一本與眾不同的天文書籍，它只單一討論一個行星的運動，克卜勒認為只要了解火星的運動，就等於了解其他行星的運動，但克卜勒卻沒有想到，了解單一行星的運動將會是一條崎嶇難行的道路。

克卜勒一直在思考如何將哥白尼的概念帶入到火星的運動上，首先，他根據行星「在近日點較快，在遠日點較慢」的物理現象了設立了距離規則：行星運行速度和行星到太陽的距離是反比關係。

克卜勒進一步將所有火星到太陽的距離加總起來，說明這就是火星繞行一周掃過的面積，面積能夠代表著火星走過的時間，克卜勒此時建立了我們今日熟知的第二定律「等面積」概念：相同時間內，行星掃過相同的面積。

《新天文學》：什麼？軌道不是圓的！

然而，當克卜勒將自己發現的「新穎物理方法」嘗試應用在偏心圓上時，卻出現了誤差，不過克卜勒心中沒有一絲動搖，他將結果和實際觀測資料比對，推測出火星軌道應該是「非圓」。

真正的軌道比想像中的扁平狹長，克卜勒用肉球來比喻，這就如同從肉球中間擠壓出來的形狀，克卜勒暫稱這個非圓軌跡為「卵形 (oval) 」。

1604 年，克卜勒寫信給自己的朋友，向他抱怨自己已經嘗試了 20 種不同的方法來產生卵形軌跡，卻產生出了和偏心圓相反的誤差。克卜勒推測真正的軌跡就會在圓形和卵形之間，並開始針對這個誤差專研，他認為自己距離真正的軌跡不遠了。

就在克卜勒窮途末路的時候，他突然從誤差中看到了一個常見的數字，一個克卜勒之前在修正火星距離中，曾出現過的數字。

在之前嘗試偏心圓的時，克卜勒發現偏心圓所得到的模型距離和實際觀測值會有誤差，需要經過一個簡單的修正才會符合觀測值，就在此刻他領悟到了這個修正的意義，這就是火星運行的秘密，具有物理意義的「徑向擺盪」，而從當今的數學視角來看，克卜勒的修正就是橢圓在極座標的距離公式： 1+ecosθ

克卜勒是個傑出的數學家，他雖然知道這是橢圓，但他不相信行星的秘密是如此簡單的圓錐曲線，他試圖用其他方法解釋徑向擺盪，但各種方法都沒辦法像橢圓一樣毫無誤差的精準預測。

1605 年，克卜勒領悟到橢圓本身就能代表行星運行的物理現象，他找到了「橢圓軌跡」的規則：行星以橢圓軌跡繞行太陽，而太陽在其中一個焦點上。

如今，這項橢圓的規則也成為了我們所說的克卜勒第一定律。

但克卜勒工作還沒有完成，他該思考究竟要如何說服當時的其他天文學家，直至 1609 年，克卜勒終於發表了《新天文學》，細心拆解了托勒密和第谷的行星系統，並建立了最精準的橢圓軌跡模型，克卜勒成了世上第一個「摸清行星運動的天文學家」

現在，我們已經知道《宇宙的秘密》、《新天文學》在天文學中的關鍵角色，下一篇文章中，我們將從《世界的和諧》這本書，找到最後一條定律的源頭，完成克卜勒成為星空立法者的最後一哩路……

• 在紛亂、窮苦的人間，三本書，讓克卜勒成為「星空的立法者」（下）

註解

1. 克卜勒認為第谷觀測資料的誤差最大到兩角分，而克卜勒用橢圓預測出來的火星位置都是角秒的誤差，由於克卜勒的預測結果都在觀測值的誤差內，基本上能夠說克卜勒的預測幾乎等同於實際觀測。

參考資料

1. Aiton, E.J. (1969). Kepler’s second Law of Planetary Motion. Isis A Journal of the History of Science Society, 60, 75-90.
2. Wilson, C. (1968). Kepler’s derivation of the elliptical path. Isis A Journal of the History of Science Society, 59, 5-25
3. Gingerich, O. (1972). Johannes Kepler and the New Astronomy. Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society, 13, 346-373
4. James, R.V. (1999). Johannes Kepler and the New Astronomy. New York：Oxford University Press
5. 姚珩、黃瑞秋 (2003)。克卜勒行星橢圓定律的初始內涵。科學教育月刊，第 256 期， 第 33-45 頁。
6. 姚珩 (2004)。行星面積定律的建立。科學教育月刊，第 257 期，第 32-38 頁。
7. International LaRouche Youth Movement. (2006). Presentation of Kepler’s Astronomia Nova.
8. 維基百科：Rudolphine Tables、Harmonices Mundi、Johannes Kepler、Musica universalis

• 文／郭君逸 │國立台灣師範大學數學系副教授、魔術方塊收藏家
• 本文轉載自 UniMath《為什麼紙吸管總是插不進去，但塑膠吸管可以？》

近幾年國內環保意識抬頭，因為塑膠吸管不能回收，造成大量的垃圾，所以環保署在 2019 年 7 月起禁用一次性塑膠吸管，不少飲料店紛紛改用成本高出許多的紙吸管，咖啡廳、餐廳則改用可重複清洗使用的金屬吸管，金屬吸管通常都是內用，直接放入杯中，不用插，所以還好……

但紙吸管就常常讓人覺得非常難用，插到爛掉還插不進去，為什麼呢？

讓我們從這些年吸管的演變開始說起。

台灣的街頭常常人手一杯手搖飲，珍珠奶茶更是紅遍全球。在二十幾年前，很多手搖飲料店的飲料杯就像現在麥當勞裝可樂的杯子一樣，是紙杯蓋上塑膠蓋，然後插「圓柱狀」的吸管。

直到葉益芳先生發明了封口機後，手搖飲逐漸換成如今常見的封口杯，隨意放置飲料也不會流出來，非常方便。全面換成封口杯之後，有一樣東西也跟著產生微妙變化，那就是「吸管」。

吸管的一端必須變尖，方便直接插穿杯子的封口膜。

筆者前幾天買了一杯珍奶，結果吸管都插爛了還插不進去，加上天氣炎熱，火氣一上來索性就不喝了，滿腦子一直在想「為什麼吸管越來越難插」，直到我發現原因寫完這篇文章，珍奶就這樣放在研究室的桌上還沒喝，應該已經壞了……

高中的時候大家可能都學過二次曲線，雖然課程內容著重在代數上的運算，大部份老師或多或少還是會提一下古典幾何中的圓錐截痕，或稱圓錐曲線，例如下圖展示平面在雙圓錐上產生的各種截痕。

當雙圓錐退化成圓柱，此時的截痕就會變成這樣，看起來有點像一根吸管被切了一刀。

但是，你手中的吸管真的長這樣嗎？

這裡先考考大家，吸管從側面看過去，長相會是下列哪一個圖？

答案是 D！

什麼！！！怎麼跟圓錐截痕不一樣？！

因為…吸管就不是圓錐截痕啊！吸管就不是圓錐截痕啊！吸管就不是圓錐截痕啊！

答案違背我們直覺的原因在於，吸管用剪刀剪或用裁刀裁切時，吸管會先被刀壓扁，然後才直直剪過去，最後吸管的彈性，會再讓它彈回來形成空心柱體。

用數學來看吸管 

剪裁前的吸管本身是圓柱（設半徑為 1 ），將之直立於 xy-平面利用參數式來描述吸管截痕曲線的話，它會是

r(t) = <cos t, sin t, z(t)>

這種形式，t 是繞圓的角度，觀察重點在於高度 z 是多少了。若是圓柱截痕，截平面 45 度切下去的話，即是用平面 z=x 來切，此時 r(t) = <cos t, sin t, cost>。調整 t 的範圍，可以畫出下面的 3D 圖。

但問題在於剪吸管時，吸管會先被剪刀壓扁，再沿 z=x 剪過去，也就是 z 隨著 x 等比例增加，然後吸管再彈回，此時就好像將這張壓扁的紙貼在圓柱上，換句話說在固定一個高度 z 時吸管回復至圓形的狀態，亦即圓參數式中的角度隨著 z(t) = t 做變化，所以截面曲線就是 r(t) = <cos t, sin t, t>，畫出來的3D 吸管如下圖。

從吸管的側面看過去，相當於投影在 xz-平面，即為 z=cos^-1 x 的圖形。吸管橫擺也可以說成 z=cos x 或 z=sin x 週期函數中的一部分。

你知道大多數吸管並不是切 45 度嗎？

因為這樣切最後會剩太多飲料吸不起來，造成浪費。一般會介於 25 度至 40 度之間較恰當。例如下圖中吸管大約是切 37 度左右。若將吸管直著擺，尖端從側面看，斜率最大，所以插吸管時，應該要垂直插最省力。

很多人將原因歸咎於紙製吸管比較軟，然而真相恐怕並非如此。紙浸了水後的確會變軟，但還沒插進杯裡的紙吸管其實是硬的，甚至比塑膠吸管硬多了。

最主要的原因還是在於形狀，紙吸管的切面是橢圓，而不像塑膠吸管一樣有個尖尾。

為什麼紙吸管的切面是橢圓形呢？

相較於塑膠，紙的彈性沒那麼大，被裁刀重重一壓就扁了，回復不了圓柱狀，除了造型不好看，恐怕壓扁的吸管也不好用。因此，紙吸管的生產過程是在不變形的情況下鋸斷，或是使用雷射切割，故其截面接近我們課本所說的橢圓。因為沒有「尖端」，所以非常難插。

所以紙吸管到底要怎麼用才好？

在此有個小建議，讀者以後拿到紙吸管，先不要急著插，先用剪刀剪一下，就會好插很多；而使用紙吸管的飲料店，也可以在櫃枱準備把剪刀和方格紙，平時沒事剪剪吸管順便畫三角函數，要衛生一點的話就讓顧客自己剪，方便、省錢、環保還可以學數學，可說是一舉數得啊！

• 本文轉載自 UniMath《為什麼紙吸管總是插不進去，但塑膠吸管可以？》