製造第一個人工放射性元素──佛雷德里克·約里奧-居禮誕辰│科學史上的今天：3/19

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

• 作者 / 楊建鄴

一個人在科學探索的道路上，走過彎路，犯過錯誤，並不是壞事，更不是什麼恥辱，要在實踐中勇於承認錯誤和改正錯誤。──愛因斯坦（Albert Einstein，1879−1955）

1914 年，第一次世界大戰爆發，哈恩被徵入伍，改換了身分，於是所有的研究工作都被迫中斷了。哈恩被派到哈伯那兒服役。1905 年，哈伯發明了將空氣中的氮合成氨的方法。我們知道，氨可以用來合成高效化肥，這一發明有極其重大的價值，為德國氮肥工業的興起作出了決定性貢獻。

1915 年年初，哈伯、哈恩與其他一些科學家被政府指令研究毒氣。哈伯是「毒氣計畫」的負責人。哈伯對哈恩說：「我們的任務是建立一支毒氣戰鬥特別部隊，我們要研製新的、殺傷力更大的毒氣。」

哈恩聽了，嚇了一跳，不由倒抽一口涼氣。

接著，哈伯說了一堆大「道理」，這些「道理」在第二次世界大戰發明原子彈時，又被一些科學家再次利用。哈伯在第一次世界大戰期間對德國可說是建立了卓偉功勛，但在第二次世界大戰時，這位無比忠於德國政府的人，因為是猶太人，受到希特勒的迫害，不得不逃離德國，最後暴病身亡。

第一次世界大戰結束後，哈恩和邁特納又在凱薩．威廉物理化學及電化學研究所，繼續已經中斷了四年多的合作研究。很快，他們發現了一種新元素，其原子序數是 91。他們給新元素取名為「鏷」(Pa)。接著，哈恩又做出了許多有價值的工作，因此他被認為是歐洲最權威的分析化學家，尤其在放射化學方面，更有著不同凡響的聲譽。

正在他學術上日見輝煌時，卻捲入了一場學術爭論之中。與他爭論的對手是很有威望的科學家，法國居禮夫人的大女兒伊雷娜–約里奧–居禮 (Irene Joliot-Curie，1897−1956)。

事情的起因和過程，這兒只簡單地介紹一下。義大利物理學家費米用慢中子轟擊 92 號元素鈾時，以為得到了 93 號元素。由於科學家在自然界只見過 92 號元素，從來沒有人見過 92 號之後的元素，所以，如果費米真的得到了 93 號元素，那真是一個非常了不起的發現。

費米開始還比較小心，不敢說自己真的發現了 93 號元素，只是說「有可能發現」新元素。但後來由於沒有人懷疑他的結果，於是費米也開始相信自己是真的發現了 93 號元素。

當時有一位叫伊達．諾達克 (Ida Norddack，1896−1978) 的德國女科學家曾經提出過批評。她在德國《應用化學》雜誌上發表了一封信，對費米提出了批評。在信中她寫道：現在費米還沒有把握說，中子撞擊了鈾以後反應的生成物是什麼，在這種情形下談論什麼「超鈾元素」是不合適的。

諾達克大膽假設，像原子量為 238 的鈾這樣的重原子核，當中子撞擊它時，它有可能分裂成幾大塊碎片，成為幾種比較輕的原子核。

諾達克的批評沒有受到費米和大家的重視，這有三個原因。一是諾達克不是很出名的科學家，刊登她的信的刊物也不是一流刊物。二是她的大膽假設，沒有任何人相信，因為中子的能量很小，「根本不可能」把堅固的原子核撞得分裂開來。舉個例子，一顆手槍子彈最多只能在牆上敲下幾塊碎片；如果說這顆子彈能把這座牆打倒，分裂成兩三大塊，恐怕你也不會相信的。三是哈恩同意了費米的意見，認為費米真的製出了超鈾元素；哈恩是公認的化學權威，這當然使費米相信自己對了。因此，費米拒絕了諾達克的意見。

諾達克與哈恩相識，哈恩也曾經關心過諾達克的研究。因此，在 1936 年一次見面時，諾達克向哈恩建議說：

「哈恩教授，您是否可以在您講課中，或者在著作中，提到我對費米的批評？」

哈恩嚴肅地拒絕了，並且說：

「我不想使您成為人們的笑柄！您認為鈾核會分成幾塊大碎片，依我看，純粹是謬論！」

但過了兩年之後，哈恩自己卻證明了這個「謬論」是真理；而且在 8 年之後，哈恩還因為這個發現得了諾貝爾化學獎！世界上有一些事情就這麼奇怪！

正當哈恩否定了諾達克意見之後，法國著名的化學家伊雷娜卻指出，諾達克的意見很可能是對的。伊雷娜在實驗中發現，用中子撞擊鈾以後，在反應產物中找到了比鈾輕得多的產物，其原子量只有鈾的一半。如果伊雷娜的實驗是真的，那鈾原子核就真的被中子撞成兩大塊了！

哈恩實驗室的工作人員都不相信伊雷娜的實驗結果，一些人嘲笑伊雷娜：

「伊雷娜還指望利用從她光榮的母親那兒學到一點化學知識，其實這早已經過時了。」

哈恩訓斥了說諷刺話的人，但他也不同意伊雷娜的意見。因此他以私人名義寫了一封信給伊雷娜，建議她更細緻地重做一次實驗。哈恩認為自己夠客氣的了，否則他會在刊物上提出批評，那伊雷娜就會出大醜了！

但是伊雷娜一點也不領哈恩的情，她在前一篇文章的基礎上，又發表了第二篇文章，進一步肯定了第一篇文章的結果。哈恩生氣了，覺得伊雷娜太不自量，竟然完全不聽一下他的善意勸告，一意孤行。他氣惱地對助手斯特拉斯曼（Fritz Strassman，1902−1980）說：

「我不會再讀這位法國太太的文章！」

繼續閱讀：原子彈的發明原理，從一個被說荒謬的假設開始（下）

• 作者／史坦利．萊斯 (Stanley A. Rice)；譯者／李延輝

月亮上，全部都是黑色和白色。晚上是晚上，白天是白天，沒有灰色地帶。但在地球上，因為大氣層分散了日光，所以會出現晨光與暮光的灰色陰影。地球具有多樣性，科學也在研究多樣性，上述只是幾乎無數種呈現方式中的第一種。

但人類心靈並不是一直輕易就接受多樣性。人類心靈有二元偏見，我們看待事物非黑即白，但科學必須抗拒這種偏見，就像抗拒其他許多偏見一樣。

即使人類心靈並未以二元的方式看待世界，也會以分類的方式看待：即使現實往往包含連續體而非各自獨立的類別，我們仍喜歡將所有事物分類。二元思考是分類思考的兩類別子集合。想知道一些分類和連續思考的例子嗎？這就是本章涵蓋的內容。

分類思考就是只能分兩類？

或許人類偏向分類思考是因為我們是兩兩對稱的生物。我們有左右手、腳和很多其他東西，也有上和下、前和後。相較之下，水母就是放射對稱，它有前和後，但除此之外其他部分都從中心點放射而出對稱。假如水母可以思考，它可能會將世界看成充滿各種可能性，而不只是「這個」相對於「那個」。

動物和人類祖先必須迅速決定是否該採取行動，例如是否要逃離老虎，是否要吃某種食物，這可能是我們演化出二元思考的原因。生死交關的決定往往是二元對立的，甚至對水母來說也是如此。

一方面，人類往往會將世界視為非黑即白，不是這個就是那個，非左即右，不是這裡就是那裡，非上即下，不是我們就是他們。另一方面（延續我二元對立的隱喻），我們也承認有許多多樣性無法納入分類思考的框架中。（世界上有兩種人：會將事物分類的人和不會將事物分類的人。）人類常常努力在分類思考和連續思考間取得平衡，但這是假設我們能將所有思考分類為分類或連續思考。

再者，二元對立也符合我們的公平感。記者就有強烈的偏見要「平衡雙方報導」，即使有兩方以上或其中一方顯然行事荒唐也是如此。

微世界中的多樣性

在科學家研究的物理、化學、生物和人類世界中，少有事物在分類上是絕對的。極少數二元對立的事物之一就是原子粒子的電荷。電子具有負電荷，而質子具有正電荷。但連電荷都是一種夸克的衍生特性，而夸克就構成了電子和質子粒子。其他事物無論是可分類或連續的，都以許多不同可能性的形式存在。

元素符號都一樣，中子、電子數目不一樣

以原子為例，「原子」一詞代表不可分割的事物。原子會分裂，但一旦發生分裂，原子就會喪失其特性，所以「它們」不可能分裂但仍維持原樣。

我們可能會認為所有的碳原子都很類似，全都屬於一種類別。但並不是這樣。它們的原子核都有六個質子。大多數也會有六個中子（使它們成為 ¹²C 或碳-12）。但少數碳原子多了一個中子，重量更重（¹³C 或碳-13）。再更少數的碳原子多了兩個中子，原子核變得不穩定，因此具有放射性（¹⁴C 或碳-14）。不同元素的同位素具有相同數目的質子，但中子的數目不同。

同樣地，純粹的鐵原子具有 26 個質子和 26 個電子。但許多鐵原子已經失去了它們的電子。亞鐵離子失去了兩個電子，而三價鐵離子則失去了三個。這讓它們具有不同的電荷。同一元素的不同離子具有相同數目的質子，但電子數目則不同。因此，每一種元素組成的類型都不同。

拉著電子不放的氧，讓水分子也「黏」在一起

我們可能會想，在這些類別中，原子都很相似。但連這也不是完全正確，因為原子絕對不會獨立存在。

舉例來說，思考一下兩個氫原子和一個氧原子組成了水分子（H₂O）。分子內的原子都自由分享它們的電子，但也不能說完全自由。氧分子就是出了名的渴求電子。在水分子內，自由移動的電子時間大多花在氧原子上，而較少花在出了名軟弱的氫原子上。

水分子具有一個中性電荷，電荷中共有 18 個質子和 18 個電子，但它有三極：兩個正氫極和一個負氧極。一個水分子的正極會吸引其他水分子的負極，讓水分子稍微黏在一起。

水分子的黏性是造成冰會漂浮的重要特性，也會使液態水最後煮沸前保留許多熱度，並在蒸散作用時透過植物將水往上拉，還有其他許多事物，少了這些事物，生命就不可能存在。

這些「氫鍵」也將 DNA 的股鏈結合在一起，強韌到足以保存分子完整性，但又寬鬆到足以讓各股鏈分解再重新聚集。（DNA 是細胞內儲存遺傳訊息的分子。為了讓這些資訊可以供細胞使用或是傳給下一代，股鏈必須能夠彼此分離，顯示出其隱藏的訊息。）因此，一個原子的特性取決於哪個或哪些其他的原子與其結合。

壁虎不貼牆也能爬牆，也是原子搞的鬼？

一個原子或分子可以互相改變，甚至不必結合也可以做到。用個隱喻來說，一個分子的電子可以嚇跑其他鄰近分子的電子，造成電荷差異，讓分子可以互相吸引。

這種「凡得瓦力」（Van der Waals forces）也讓壁虎不用真的黏在牆上就可以爬上牆。2014 年，國防高等研究計畫局（Defense Advanced Research Projects Administration, DARPA）宣布要發展壁虎裝，使用這樣的力量讓軍人可以爬牆，就算不像壁虎一樣輕而易舉，也可以勝過其他軍人。在每個原子的離子或同位素類別中，有一整個可能特性的連續體，這取決於其他可能與其結合的原子，甚至是那些恰好接近它的原子。

向左旋，向右旋，性質大不同！

許多分子可以以一種以上的構造存在，例如就像彼此的鏡像一樣。（這種分子只有兩種可能的鏡像，這可能是宇宙中除了電荷外，少數二元對立的性質之一。）這會造成很大的差異。

「左旋」的胺基酸組成的蛋白質讓我們維持生命，「右旋」的蛋白質則常有毒。左旋和右旋的胺基酸混合起來造成不穩定的蛋白質。因此，自然淘汰已經排除任何結合左旋和右旋型態的蛋白質。地球上的生命恰好是以左旋胺基酸開始，右旋胺基酸只好扮演壞人的角色。在火星的生命非線性死亡之前，火星上如果有蛋白質，或許就是由右旋胺基酸組成。

溫度也來參一咖

變化越來越多了。想一下有一堆同樣種類的分子，電荷和左右旋都沒有差異。分子集合在一起會具有特定溫度。溫度來自於移動的能量，或分子的動能。但沒有任何兩個分子具有一模一樣的動能。每個分子都有自已獨特的能量狀態，有些移動得多，有些移動得少。你可以把溫度想成是分子的平均動能，但這不是嚴格數學定義下的平均。

水一煮沸，平均動能就足以造成分子在液體中不再彼此黏合，自由地以氣態移動飛散。但早在水煮沸之前，許多水分子就已有足夠的能量可以蒸發。連冰都有一些水分子，可以進入氣態，以美麗的科學術語來說，這種過程稱為昇華，但這種例子很罕見。所以甚至連一杯水裡的水分子也有多樣性，而且是連續的多樣性。分子並不是屬於動能的類別。

可能存在的分子種類數目理論上是無窮無盡。在真實世界中，這並非無窮無盡，但當然也超越人類心靈所能理解的範圍，至少我無法理解。1976 年，我在有機化學拿了 C，後來每況愈下。

所以這就是多樣性、多樣性、多樣性，且常是連續而非可分類——而且我們還只是在講分子而已。

——本文摘自泛科學 2020 年 5 月選書《像科學家一樣思考》，2020 年 4 月，商周出版。

1935 年的諾貝爾獎頒獎典禮上，約里奧-居禮夫婦等著頒發給他們兩人的化學獎。佛雷德里克微笑望著妻子伊蓮娜 (Irène Joliot-Curie)，心中感慨萬千。十年以前他還是居禮夫人的研究助理，姓氏仍是約里奧，而伊蓮娜──居禮夫人的長女──的姓氏仍是居禮。志趣相投也好，近水樓臺也罷，他們倆很快墜入愛河，並於第二年結婚，一起將姓氏改為約里奧-居禮。此舉更引來嘲笑他是攀龍附鳳的「駙馬」。而今獲得諾貝爾化學獎的肯定，應該可以讓那些人閉嘴了！

他們是在 1934 年用具有強烈放射性的釙所產生的 α 粒子轟擊一片鋁箔，結果產生具有放射性的同位素磷，也就是說他們製造了一個人工放射性元素！以往要作放射線研究，只能利用鈾、釙、鐳等困難取得的天然放射性元素，如今可以自己依不同需求隨時備製不同的放射性同位素，不但核子研究將會更迅速發展，在醫療用途上也會降低成本而造福更多人。此一「人工放射性」的價值普受肯定，因此他們才會這麼快在第二年就應邀來到瑞典。

司儀正在介紹諾貝爾物理獎的得主查德威克 (James Chadwick)，佛雷德里克立即回過神來。唉，他們夫婦倆在 1932 年的實驗中轟出中子，卻誤以為是一種特殊的 γ 射線，查德威克聽了他們的報告後不以為然，進一步實驗後確認是中子才因而獲獎。他們就這麼眼睜睜的失去「中子發現者」的桂冠。

事實上，他們失之交臂的不只這一樁。早在安德森（Carl Anderson）於 1932 年公佈他在宇宙射線中發現正電子之前，他們夫婦倆就已經拍到正電子的軌跡，卻只當它是同樣帶正電的質子而未加留意。佛雷德里克打量周遭，揣測安德森何時會因為這項發現也來這裡領獎（結果安德森隔年 1936 年就得獎）。

不過，這些遺憾都比不上他的良師與岳母居禮夫人就在去年病逝，來不及見到他與伊蓮娜得獎。她如果天上有知，一定會感到欣慰與光榮的。佛雷德里克再次轉頭迎向伊蓮娜的目光，從她的微笑知道他們倆想的是同一件事⋯⋯。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。