提出科學「典範轉移」：孔恩誕辰 │ 科學史上的今天：07/18

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

醫學論文造假事件

去年醫學論文造假事件鬧到最鬧烘烘時，很多圈內的朋友也都不約而同做了很多相同的夢，內容非常真實又刺激，曲折離奇到說出夢境都絕對要發表不自殺聲明。

毫不例外的，現實當然也要比很多影視作品還更變態，狗血狂灑到編劇都嚇到吃手手，不信看看從造假後一路走來，台灣高等教育和學術圈在面對愈來愈嚴峻的國際競爭壓力下，各種明爭暗鬥、扯後腿、落井下石，真是令人眼花撩亂，難怪台灣書市的大眾小說幾乎全都變小眾了，因為讀報紙就比大眾小說精彩。

醫學論文造假事件後，除了造成有學校沒有校長，很多新同事和助理、學生要去上所謂的學術倫理課，以及信箱不時收到誠信電子報，在制度和體制上幾乎沒有任何改變。相信再來一次，同樣的戲碼又不會不再重演一遍，然後更多無辜的人要逼得寫作文，或小說。

讓科學界莘莘學子重新點燃希望

這是一個很難讓人樂觀的年代，不過在這個現實虛構顛三倒四的惡質現狀下，慶幸的是有部優異的作品橫空出世了！在紛紛擾擾的環境中，這本小說卻很瘋刺的比讀報紙才知道的事情還來得更像是真實的！

在一系列造假事件中，學術圈內異常的安靜，就連我夢中在醫院裡工作的線民，都回報說醫院內所有人上班時都完全不像聽說任何事一樣，在茶餘飯後都完全沒人想要提到這件事，一整個河蟹到可怕，據說膽敢要說八卦的話，都要作夢跑離院外好幾公里外才行，果然比台日版的《白色巨塔》（白い巨塔）還變態，還好是作夢夢到的。學術圈內的大佬也沒人敢出來批評什麼，只有個位數學者敢在媒體上大量投書。

就在那幾位膽敢大量投書媒體的人物中，最突出的就是國立宜蘭大學生物機電工程學系特聘教授 ──《科學月刊》、《科技報導》前總編輯蔡孟利老師，以專業證據、實際訪談為基礎，提出強力的質疑，是極少數的正義之聲。據說他母校已有很多師生及校友感到 ⋯⋯ 因此，台灣就平添了一位優異的小說家！

龍困淺灘，不死也傷！

科學的價值、教育的價值、大學的價值，在純粹的名利追逐下，無形中崩壞！有人還敢說在學者和官員的這些作為下，能帶給社會正面的力量，以及給予莘莘學子追求和現實夢想的勇氣嗎？！難怪人才加速流失。好棒棒，沒有關係，很可以，我們還有小說《死了一個研究生以後》。

在「死了一個研究生以後」 ……

在細胞培養室裡無預警地開了一氧化碳自殺，然後她就死掉了。讓一個宅男在十幾天中步向人生中，比做實驗追求知識更真實的探索之旅，探索學姐的死因、探索人生中的其他面向、探索愛情。科學研究，原本就是要犧牲一個人很多很多青春和精力的，可是換來的不是高尚的理念，而是成了追名逐利下被吃掉也不痛不癢的小棋子，都不知大人要怎麼教小孩了。

原本以為，《死了一個研究生以後》只是一本人物對白簡單的爆料驚悚小說，可是沒想到這卻是一本文學性頗強的小說，甚至讓人忘了真實世界中的論文造假事件，即使真實的世界的夢境中，真的死了人。

我相信，沒讀過《死了一個研究生以後》的朋友遠超過讀過的，因為讀過的朋友見面時都不約而同問對方讀過了沒，即使不是生科人，也讀得津津有味。很難想像理工宅的處女作，就交織出複雜的劇情、深厚的感情、合理的線索，讓讀者跟著一位宅男抽絲剝繭，並且在宅了很多年的象牙塔脫困後在現實世界中遭遇各種逃避過的衝撞，簡直就是本宅男的異想世界，宅得很精彩！

《死了一個研究生以後》中的命案把一自以為投身科學研究的宅男搞得七葷八素，現實中更多阿宅的故事只恐怕更杯具。《死了一個研究生以後》把一個宅男的生活和心理刻畫得入木三分，包括對正妹們的諸多性幻想。我雖然一點也不宅，但看看周遭的宅男們，也感到好親切和熟悉。

作為一部傳說中的推理小說，《死了一個研究生以後》是有些不足，就是壞人實在太善良了，果然學界大佬都還是吃素的，讓結尾對照整本小說而言顯然不夠緊張刺激。連邪惡的老闆也只能拿科學哲學大師孔恩 (Thomas S. Kuhn，1922－1996)《科學革命的結構》(The Structure of Scientific Revolutions) 的典範論來打打嘴炮，讓我真想巴他兩下，用力打臉說他怎麼知道他的典範不會被轉移掉，造個屁假啦。然而，瑕不掩瑜，近年台灣已少有這麼優異的小說問世了！

泛科學現在推了個泛科幻獎，徵求短篇和中短篇科幻小說。我已想好兩部科幻推理小說的題目了：《死了一個大學校長以後》，以及其續集《死了一個教育部長以後》，請大家拭目以待，期待都能在夢中讀到這兩部劃時代的巨著！

最後，本人在此特地聲明：

本人樂觀開朗，身體健康，無任何使我困擾之慢性病或心理疾病，故絕不可能做出任何看似自殺之行為。

本人從無睡眠困擾，故不需服用安眠藥。

本人不酗酒亦不吸毒，也絕不會接近下列地點：
1. 開放性水域
2. 無救生員之游泳池
3. 有高壓、危險氣體，或密閉式未經抽氣處理之地下室、蓄水池、水桶等
4. 無安全護欄之任何高處
5. 任何施工地點（拆政府除外），包括製作消波塊之工地
6. 任何以上未提及但為一般人正常不會前往之地點

本人恪遵下列事項：
1. 車輛上路前會檢查煞車部件、油門線等，並會在加油前關閉車輛電源與行動電話。
2. 絕不擅搶黃燈、闖紅燈。
3. 乘坐任何軌道類交通工具一定退到警戒線後一步以上，直到車輛停妥。
4. 騎乘機車必戴安全帽；乘車必繫安全帶。
5. 絕不接近任何會放射對人體有立即危害的輻射之場所（如核電廠）或設備。
6. 颱風天不登山、不觀浪。

本人將盡可能注意電器、瓦斯、火源之使用。

本人居住之房屋均使用符合法規之電路電線，絕無電線走火之可能；也絕未在家中放置過量可燃性氣體或液體。浴室中除該有之照明外，不放置任何電器用品，並在睡覺前關閉除電燈、冰箱、電扇外之所有電器開關。

本人絕不會與隨機的不明人士起衝突，並盡可能保護自我人身安全。

所以若網友在看完此聲明之後，近期或將來發現此帳號不再上線，請幫我討回公道，謝謝。

本文原刊登於 The Sky of Gene。

大家都覺得很重要，但希格斯玻色子到底是什麼？

2012 年粒子物理學家正式宣佈發現希格斯玻色子，這件事馬上變成國際頭條，《紐約時報》寫道「希格斯玻色子的發現，代表科學的進步，能對現代文明提供最好的解決方案。」每個人都像發現大秘寶一樣興奮，不過清楚知道自己在興奮什麼的人應該不多……不信的話我們先來做個小測驗好了！

希格斯小測驗

一、在「希格斯玻色子」這個名字用來命名粒子之前，它最為人所知的是：

1. 兒童最愛的電視小丑
2. 中情局最危險的間諜代碼
3. 在「星際大戰」中，天行者路克的兒時玩伴
4. 你朋友在「龍與地下城」中的角色

二、對或錯：如果直接吞下去，希格斯玻色子比超火辣口味「奇多」更容易上癮。

三、對或錯：希格斯玻色子是希格斯和玻色這兩位理論家所預測的粒子。

看完文章後在附註中核對你的答案，看看你知道多少：）^註1

認真來說，找到希格斯玻色子是科學的一大勝利。它給了我們一個最佳展現，那就是：尋找模式是了解宇宙的良好方針。

希格斯玻色子可能存在的想法，來自於研究傳遞作用力的粒子模式，以及關於它們質量的問題，這些粒子是光子、W玻色子和 Z玻色子。物理學家問：「為什麼它們其中的光子沒有質量，但是其他粒子（W及Z）的質量非常大？」就一個我們稱為質量的標籤來說，這種有些力場粒子質量是零，但有些不是零的特殊情況，實在是太奇怪、太莫名其妙了。

希格斯和其他幾位粒子物理學家關注了這個問題一段時間，就決定這樣找出答案：把質量做出來吧。

真的，他們就是這樣做的！如果你再添加一個粒子（希格斯玻色子）和它的場（希格斯場）到方程式裡，那麼把質量視為粒子標籤（以及某些粒子為何有更多質量）的想法，就開始有了意義。

大致說來，這個理論可以如此陳述：

希格斯場可以想像成一個瀰漫整個宇宙的場。它可以做其他場不能做的事：既非吸引力也非排斥力，而是讓粒子寸步難行或是速度減緩。希格斯場能讓粒子達到與擁有慣性質量般的相同效果。

希格斯場與粒子之間的交互作用愈多，粒子看起來擁有的慣性（或是質量）就愈大。這進一步暗示，粒子與希格斯場交互作用所產生的慣性，就是粒子的質量。這就是粒子「擁有質量」的定義。

一些粒子非常強烈的感覺到希格斯場，代表它們需要很大的力量來加速或減速：這些粒子有很大的質量。其他粒子幾乎感覺不到希格斯場，所以它們只需要很小的力量來加速或減速：這些粒子幾乎沒有質量。

讓我們花點時間思考一下。希格斯場的發明，是一個典範轉移的見解，同時也是一個明顯無趣的聲明。

希格斯場是一個典範轉移， 因為它給了你對於「質量是什麼？」這個問題，一個全新的思考方式，這是不得了的成就。但是，希格斯場的論述也是沒什麼大用的，一旦你接受了粒子質量不過是神祕的量子標籤，而不是粒子的內含物。

事實上， 它沒有解決最重要的問題：「為什麼粒子有不同的質量？」 所有的理論都是把一個問題變成另一個不同的問題：「為什麼所有物質粒子對希格斯場的感覺都不一樣？」

根據希格斯理論，物質粒子的質量大小並沒有特別的理由。質量大小就好像是隨機選擇一樣，也可以有完全不同的數值。即使你改變質量，也不會打破任何理論，現有的物理定律仍然照樣運行。

希格斯理論確實解釋了為什麼作用力粒子（光子、W 和 Z）具有現有的質量，但是不能通盤解釋物質粒子為什麼具有不同質量（為什麼有些與希格斯場交互作用多，而有些卻很少）。質量大小可能有種模式，但是到目前為止，最好的宇宙理論只將物質粒子的質量列為任意數目。

重力質量

我們來到了有關質量奧祕的最後一片拼圖。

當我們之前思考如何測量某物的質量時，你很可能也想到了一個不同於發泡膠子彈玩具槍的精確方法：何不用磅秤！

磅秤能測量物體的重量，也就是測量地球對物體施加的重力拉力。這與質量密切相關，因為擁有更多的質量，受到地球的拉力愈大。在一個粒子的情況下，你也可以把重力質量看成「重力荷」。當兩個粒子有電荷時，它們彼此感覺到電力，電力與電荷成正比。以同樣的方式，當兩個粒子具有質量時，它們感受到與自身質量成比例的重力吸引力。

兩種質量是一樣的嗎？

重力質量與我們前幾頁談論的慣性質量相同嗎？可以說是，也可以說不是。

說它不是，因為我們所謂的「重力質量」，似乎決定了施加在物體上的重力，而且我們使用不同於慣性質量的技術（磅秤）來測量它^註2。

說它是，因為我們可以用兩種方式來測量質量，到目前為止，我們從未觀察到物體的重力質量和慣性質量之間的差異。

這多麼令人匪夷所思。沒有真正的直觀原因有說明，兩種質量應該一樣。它們其中一個（慣性質量）是描述如何抵抗運動，另一個（重力質量）是描述有多想被重力拉動。

以我們現在的物理學架構來看，我們不知道為何如此。我們只是假設兩種質量是一樣的，而這個等效性假設，是愛因斯坦廣義相對論的核心。廣義相對論用非常不同的方式看待重力。它不是把重力視為：作用於附著在粒子和能量背後的任意「荷」，而是把重力描繪為質量和能量周圍時空的彎曲或扭曲。

所以，愛因斯坦的理論讓兩種質量的聯繫更加自然，不過它還是沒有告訴我們「為什麼是這樣」。除了相對論之外，我們的粒子物理學理論把重力質量和慣性質量視為不同的概念，但實驗上我們看到，它們是一樣的。這非常強烈的表明，兩種質量有極深刻的聯結。

• 註1：如果你真的試圖回答任何一個問題，代表你應該有好好閱讀這一章，但還是一頭霧水，對吧？這就是作者想要表達的感覺ＸＤ
• 註2：這是牛頓的重力觀。往後，我們會學到廣義相對論的版本，在廣義相對論裡，重力不是作用力，把重力視為質量造成的時空扭曲會更加合理。

本文摘自《這世界難捉摸：霍金也想懂的95%未知宇宙》，遠見天下文化出版。