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當你模仿黑猩猩時,黑猩猩也在模仿你──2018搞笑諾貝爾人類學獎

Gilver
・2018/10/23 ・3996字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 499 ・六年級

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當瑞典隆德大學 (Lund University) 的湯瑪士.佩爾森 (Tomas Persson) 博士接到來自 2018 年搞笑諾貝爾獎的獲獎通知時,他與研究團隊吃了一驚。

「我們不覺得我們的發現難以置信啊……可能這份研究聽起來有點滑稽 吧。畢竟,我們的確偷偷觀察了遊客們在黑猩猩區會做出什麼事來。」佩爾森說。

今年的搞笑諾貝爾獎 (Ig Nobel Prize) 人類獎得主們之所以會那麼驚訝,是因為這份刊登在《靈長類》 (Primates)上的研究其實是一份不折不扣、內容正經的學術發表。

這份研究選定了瑞典富魯維克動物園 (Furuvik Zoo) 作為觀察場所,暗地紀錄訪客和黑猩猩之間的模仿行為 (imitation action)。研究結果顯示:黑猩猩和人類不但會你學我、我學你,而且互相模仿的比率 (rate) 相近,平均起來是每 10 個動作就會有 1 個是模仿動作;最重要的是,黑猩猩的模仿行為可能還具有社交功能 (social-communication function)。

可是黑猩猩的模仿有什麼值得研究的呢?

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2018 Ig Prize 人類學獎的獲獎研究第一作者佩爾森博士是隆德大學哲學系系主任,主要的研究議題是人類的演化與靈長類的行為,尤其對大型猿類(例如大猩猩、巴布諾猿)表達的能力感興趣。圖/瑞典隆德大學網站

黑猩猩的模仿研究,有什麼重要?

雖然影視作品裡面我們偶爾能看到黑猩猩模仿人類、和人類擁抱或是做出搞笑動作的橋段,但這並不代表牠們天性喜歡模仿。

這張圖的可信度有多少呢?圖/giphy

模仿 (imitation),是人類演化史上關鍵性的發展,它提供了認知 (cognitive) 和社交溝通 (social-communicative) 的功能。透過模仿,我們的學習變得更有效率,讓前人的語言、技藝與發明得以世代傳承;透過模仿,我們得以維持社會互動,能夠互相分享經驗。然而,根據數十年來動物行為學家的實驗觀察結果,黑猩猩的模仿人類幼兒相比似乎差得多。

在我們還小的時候,模仿讓我們學會講話、學會表達和肢體動作,也讓我們和其他人有更多的互動;與之相比,猿類的模仿被認為不具社交功能,因為在模仿學習的任務中,黑猩猩比較重視牠們做了模仿行為之後會有什麼樣的結果,但人類孩童的模仿行為不但不求結果,甚至還會盲目地模仿別人的動作。

佩爾森等人認為過去的研究設計無法充分回答黑猩猩的模仿是否具有社交功能,研究設計必須讓黑猩猩跳脫學習和報酬、讓模仿行為自然發生才行。因此,佩爾森等人將研究場域轉移到動物園的黑猩猩展示區,並透過系統性的觀察遊客和黑猩猩的互動。

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「如果和賞罰和學習無關,黑猩猩還會想要模仿你、跟你互動、甚至樂在其中嗎?」這就是佩爾森等人想知道的事情。

不過,如果要用錄影紀錄過程,被拍的遊客會需要簽同意書,還可能會在被告知錄影的情形下表現得不自然,那就不好了。因此研究團隊決定:所有的觀察紀錄都用人工偷偷來!於是直到發表的那一刻前,遊客們都不知道他們的「猿樣」早被看光光了。

過去的科學家認為黑猩猩的模仿能力比人類嬰兒還差,而且會比較在乎結果,不會單純為了社交互動而模仿。圖/giphy

全員監視中!一場秘密進行的研究

「在尋常的動物園景象中,黑猩猩和遊客用各種方法吸引對方的興趣。而我們就觀察這些互動。」佩爾森在《ScienceDaily》的報導中如此說道。

作為觀察對象的黑猩猩共有 5 隻,分別是 1 隻成年雄性、1 隻成年雌性、2 隻近成年雌性、1 隻少年雌性。牠們的展示區位在戶外,但也包含一部分能讓遊客和黑猩猩透過玻璃近距離互動的室內空間。資料收集期間為 2013 年 6 月到 8 月,紀錄的時間是黑猩猩最多遊客的時段(早上 10 點紀錄到下午 3 點)。

研究紀錄的重責大任交給兩位經驗豐富的黑猩猩觀察員。當他們看到任何一名遊客或黑猩猩試圖和對方互動、且對方也有回應,該筆互動的資料就會被記錄下來,當其中一方停止動作時就會終止該組紀錄。此外為了盡量避開餵食的影響,在黑猩猩的放飯時間也不會進行記錄。

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富魯維克動物園的黑猩猩。圖/Udo Schröter@Flickr

就算沒有食物的誘惑,黑猩猩也會想玩模仿遊戲

在經歷共計 52 小時的觀察後,研究人員記錄到 354 組 (episode) 的跨物種互動。在模仿對方的動作比例上,「遊客模仿黑猩猩的動作比例」和「黑猩猩模仿遊客的動作比例」數字相近,都差不多是 10% (分別是 9.37 %、9.41 %);除此之外,人類和黑猩猩之間互相模仿的動作種類也特別集中在某些原本牠們就熟悉的項目,像是拍手 (clapping hands)、以唇貼上玻璃窗 (pressing lips to window)、以手敲玻璃窗 (knocking window with hand) 等等。

「這些人和黑猩猩都模仿的動作既非全新 (novel)、也非原創 (original),顯示模仿並不全都是為了學習。(這些模仿動作的)目標本質似乎就僅是為了社交。」佩爾森說。

那麼,黑猩猩知道自己被模仿嗎?由觀察結果而論,當黑猩猩看到遊客在模仿自己的時候會有反應;但如果模仿的動作是那些黑猩猩的本能行為,例如抓癢、打哈欠,牠們就沒什麼反應。

隔著一道玻璃,黑猩猩還是有可能會回應遊客的模仿。本圖為黑猩猩示意圖,非研究的動物園。圖/yuki_alm_misa@Flickr

在過去的動物園訪客研究中,人類和黑猩猩的互動通常很少──除非人類有食物。人類手中的食物會引起黑猩猩的乞討 (begging),這可能和牠們的扶養史、和人類接觸時間的多寡以及展場設計等因素有關。然而在本研究排除餵食時間的記錄下,黑猩猩在模仿過程中仍展現出有意圖的溝通 (intentional communication),視覺和身體的擺向都會對著遊客,而且做出的並不是乞討的動作。

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模仿行為會延長遊客和黑猩猩互動的時間,有模仿動作的互動回合數會顯著的較多。因此研究團隊推論:簡單肢體動作的模仿,會是與黑猩猩展開聯繫、保持互動持續的好方式

「有幾次我們觀察到互動變長了,變成像是一來一往的模仿遊戲,這讓人想到嬰兒會透過模仿別人的動作來互動。」本文的聯繫作者加布里耶拉-艾琳納·薩烏丘克 (Gabriela-Alina Sauciuc) 博士說。

另外,過去的研究多認為黑猩猩並不享受模仿的樂趣,但在本研究中至少有 1 隻成熟雄性的個體顯現出表情變化。

學得像不像,跟距離可能也有關係

人類和黑猩猩,誰模仿得比較像?答案不是很意外──人類學得比較像。不過研究中黑猩猩和遊客的個體數量相差懸殊,這樣比較不是很公平,而且黑猩猩的日常生活中也不太會出現需要模仿對方、滿足生理需求的時機。

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戶外或室內環境似乎也會影響到模仿的準確度 (precision)。當兩者的距離較近的時候,比較容易出現「部分模仿」 (partial imitation),意思是模仿行為使用了相同的身體部位,但在動作的細節上的特徵上有差異,例如遊客「用打開的手掌壓在玻璃上」時,黑猩猩也「用打開的手掌拍擊玻璃」回應。「準確模仿」(exact imitation) 則幾乎只在比較遠的時候出現。

研究團隊認為有兩種解釋:或許是因為當兩者的距離比較遠的時候,模仿必須比較準確才能傳達;也或許是因為在戶外的模仿動作通常身體幅度比較大、所做的動作也比較涉及全身,相較之下室內的動作就細緻得多,如果要準確模仿的話,就有更多的細節需要互相契合,例如用指關節、或是手掌敲擊玻璃的差異就很微小。

距離比較遠的時候,遊客和黑猩猩模仿的動作會比較準確。本圖為黑猩猩示意圖,非研究的動物園。圖/Eric Savage@Flickr

研究的意義,以及動物園的功能

透過系統性的偷窺紀錄動物園黑猩猩和遊客的模仿互動,佩爾森等人的研究挑戰了過往對於猿類模仿行為不具社交性的說法:即使沒有食物做誘因,黑猩猩也可能會和遊客大玩「模仿遊戲」,但你可能得選那些不那麼「猿樣」的動作──不要是黑猩猩本能就會做的動作,否則黑猩猩可能也不會理你。另外,佩爾森等人認為若是隔著一道玻璃,可能會促進黑猩猩的模仿行為,這可以提供給未來的模仿行為研究參考。

雖然研究結果很有趣,但我們也得正視這份研究本身的限制。因為這個研究是在動物園的開放空間、而不是在實驗室中進行,充滿了不可控制的變因,因此如何讓這份研究的結論更具可重現性和代表性,將是未來可以努力的方向。而且,參與觀察研究的黑猩猩個體數僅有 5 隻,和遊客人數相差懸殊;不同個體的反應差異也不小,例如其中 1 隻近成年雌性很少模仿,但唯一的 1 隻成年雄性對模仿的反應卻很熱烈;不同隻的扶養史也不盡相同,個體分別和飼育員接觸的時間長短和扶養地點也有差異,沒辦法像實驗室的小白鼠那樣批次生產、個體特質一致。

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最後,值得注意的是動物園在這份研究中扮演的角色:動物園在問世之初,只是帝王和貴族炫富、囚禁野生動物、滿足人們獵奇慾望的展示場;但隨著人類對動物生態、福利和保育的觀念逐漸進步,現代動物園的功能已經不只是展示娛樂。它更具有科普教育收容受傷動物、甚至是進行基礎科學研究的功能,讓獸醫和研究人員能夠更好地認識這些動物、提供給無法回到野外的動物更好的生活,這些珍貴的研究成果也將野生動物學家行動的依據與參考。

圖/giphy

原始研究

Tomas Persson, Gabriela-Alina Sauciuc, Elainie Alenkær Madsen. Spontaneous cross-species imitation in interactions between chimpanzees and zoo visitors. Primates, 2017; DOI: 10.1007/s10329-017-0624-9

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畢業於人人唱衰的生科系,但堅信生命會自己找出路,走過的路都是養份,重要的是過程。

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伺服器過熱危機!液冷與 3D VC 技術如何拯救高效運算?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/04/11 ・3194字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文與 高柏科技 合作,泛科學企劃執行。

當我們談論能擊敗輝達(NVIDIA)、Google、微軟,甚至是 Meta 的存在,究竟是什麼?答案或許並非更強大的 AI,也不是更高速的晶片,而是你看不見、卻能瞬間讓伺服器崩潰的「熱」。

 2024 年底至 2025 年初,搭載 Blackwell 晶片的輝達伺服器接連遭遇過熱危機,傳聞 Meta、Google、微軟的訂單也因此受到影響。儘管輝達已經透過調整機櫃設計來解決問題,但這場「科技 vs. 熱」的對決,才剛剛開始。 

不僅僅是輝達,微軟甚至嘗試將伺服器完全埋入海水中,希望藉由洋流降溫;而更激進的做法,則是直接將伺服器浸泡在冷卻液中,來一場「浸沒式冷卻」的實驗。

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但這些方法真的有效嗎?安全嗎?從大型數據中心到你手上的手機,散熱已經成為科技業最棘手的難題。本文將帶各位跟著全球散熱專家 高柏科技,一同看看如何用科學破解這場高溫危機!

運算=發熱?為何電腦必然會發熱?

為什麼電腦在運算時溫度會升高呢? 圖/unsplash

這並非新問題,1961年物理學家蘭道爾在任職於IBM時,就提出了「蘭道爾原理」(Landauer Principle),他根據熱力學提出,當進行計算或訊息處理時,即便是理論上最有效率的電腦,還是會產生某些形式的能量損耗。因為在計算時只要有訊息流失,系統的熵就會上升,而隨著熵的增加,也會產生熱能。

換句話說,當計算是不可逆的時候,就像產品無法回收再利用,而是進到垃圾場燒掉一樣,會產生許多廢熱。

要解決問題,得用科學方法。在一個系統中,我們通常以「熱設計功耗」(TDP,Thermal Design Power)來衡量電子元件在正常運行條件下產生的熱量。一般來說,TDP 指的是一個處理器或晶片運作時可能會產生的最大熱量,通常以瓦特(W)為單位。也就是說,TDP 應該作為這個系統散熱的最低標準。每個廠商都會公布自家產品的 TDP,例如AMD的CPU 9950X,TDP是170W,GeForce RTX 5090則高達575W,伺服器用的晶片,則可能動輒千瓦以上。

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散熱不僅是AI伺服器的問題,電動車、儲能設備、甚至低軌衛星,都需要高效散熱技術,這正是高柏科技的專長。

「導熱介面材料(TIM)」:提升散熱效率的關鍵角色

在電腦世界裡,散熱的關鍵就是把熱量「交給」導熱效率高的材料,而這個角色通常是金屬散熱片。但散熱並不是簡單地把金屬片貼在晶片上就能搞定。

現實中,晶片表面和散熱片之間並不會完美貼合,表面多少會有細微間隙,而這些縫隙如果藏了空氣,就會變成「隔熱層」,阻礙熱傳導。

為了解決這個問題,需要一種關鍵材料,導熱介面材料(TIM,Thermal Interface Material)。它的任務就是填補這些縫隙,讓熱可以更加順暢傳遞出去。可以把TIM想像成散熱高速公路的「匝道」,即使主線有再多車道,如果匝道堵住了,車流還是無法順利進入高速公路。同樣地,如果 TIM 的導熱效果不好,熱量就會卡在晶片與散熱片之間,導致散熱效率下降。

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那麼,要怎麼提升 TIM 的效能呢?很直覺的做法是增加導熱金屬粉的比例。目前最常見且穩定的選擇是氧化鋅或氧化鋁,若要更高效的散熱材料,則有氮化鋁、六方氮化硼、立方氮化硼等更高級的選項。

典型的 TIM 是由兩個成分組成:高導熱粉末(如金屬或陶瓷粉末)與聚合物基質。大部分散熱膏的特點是流動性好,盡可能地貼合表面、填補縫隙。但也因為太「軟」了,受熱受力後容易向外「溢流」。或是造成基質和熱源過分接觸,高分子在高溫下發生熱裂解。這也是為什麼有些導熱膏使用一段時間後,會出現乾裂或表面變硬。

為了解決這個問題,高柏科技推出了凝膠狀的「導熱凝膠」,說是凝膠,但感覺起來更像黏土。保留了可塑性、但更有彈性、更像固體。因此不容易被擠壓成超薄,比較不會熱裂解、壽命也比較長。

OK,到這裡,「匝道」的問題解決了,接下來的問題是:這條散熱高速公路該怎麼設計?你會選擇氣冷、水冷,還是更先進的浸沒式散熱呢?

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液冷與 3D VC 散熱技術:未來高效散熱方案解析

除了風扇之外,目前還有哪些方法可以幫助電腦快速散熱呢?圖/unsplash

傳統的散熱方式是透過風扇帶動空氣經過散熱片來移除熱量,也就是所謂的「氣冷」。但單純的氣冷已經達到散熱效率的極限,因此現在的散熱技術有兩大發展方向。

其中一個方向是液冷,熱量在經過 TIM 後進入水冷頭,水冷頭內的不斷流動的液體能迅速帶走熱量。這種散熱方式效率好,且增加的體積不大。唯一需要注意的是,萬一元件損壞,可能會因為漏液而損害其他元件,且系統的成本較高。如果你對成本有顧慮,可以考慮另一種方案,「3D VC」。

3D VC 的原理很像是氣冷加液冷的結合。3D VC 顧名思義,就是把均溫板層層疊起來,變成3D結構。雖然均溫板長得也像是一塊金屬板,原理其實跟散熱片不太一樣。如果看英文原文的「Vapor Chamber」,直接翻譯是「蒸氣腔室」。

在均溫板中,會放入容易汽化的工作流體,當流體在熱源處吸收熱量後就會汽化,當熱量被帶走,汽化的流體會被冷卻成液體並回流。這種利用液體、氣體兩種不同狀態進行熱交換的方法,最大的特點是:導熱速度甚至比金屬的熱傳導還要更快、熱量的分配也更均勻,不會有熱都聚集在入口(熱源處)的情況,能更有效降溫。

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整個 3DVC 的設計,是包含垂直的熱導管和水平均溫板的 3D 結構。熱導管和均溫板都是採用氣、液兩向轉換的方式傳遞熱量。導熱管是電梯,能快速把散熱工作帶到每一層。均溫板再接手將所有熱量消化掉。最後當空氣通過 3DVC,就能用最高的效率帶走熱量。3DVC 跟水冷最大的差異是,工作流體移動的過程經過設計,因此不用插電,成本僅有水冷的十分之一。但相對的,因為是被動式散熱,其散熱模組的體積相對水冷會更大。

從 TIM 到 3D VC,高柏科技一直致力於不斷創新,並多次獲得國際專利。為了進一步提升 3D VC 的散熱效率並縮小模組體積,高柏科技開發了6項專利技術,涵蓋系統設計、材料改良及結構技術等方面。經過設計強化後,均溫板不僅保有高導熱性,還增強了結構強度,顯著提升均溫速度及耐用性。

隨著散熱技術不斷進步,有人提出將整個晶片組或伺服器浸泡在冷卻液中的「浸沒式冷卻」技術,將主機板和零件完全泡在不導電的特殊液體中,許多冷卻液會選擇沸點較低的物質,因此就像均溫板一樣,可以透過汽化來吸收掉大量的熱,形成泡泡向上浮,達到快速散熱的效果。

然而,因為水會導電,因此替代方案之一是氟化物。雖然效率差了一些,但至少可以用。然而氟化物的生產或廢棄時,很容易產生全氟/多氟烷基物質 PFAS,這是一種永久污染物,會對環境產生長時間影響。目前各家廠商都還在試驗新的冷卻液,例如礦物油、其他油品,又或是在既有的液體中添加奈米碳管等特殊材質。

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另外,把整個主機都泡在液體裡面的散熱邏輯也與原本的方式大相逕庭。如何重新設計液體對流的路線、如何讓氣泡可以順利上浮、甚至是研究氣泡的出現會不會影響元件壽命等等,都還需要時間來驗證。

高柏科技目前已將自家產品提供給各大廠商進行相容性驗證,相信很快就能推出更強大的散熱模組。

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一年有幾週?背後竟隱藏著宗教、政治與天文觀測的紛爭?為何決定一年有幾週如此大費周章?
F 編_96
・2025/01/06 ・3256字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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F 編按:本文編譯自 Live Science

每到歲末或年初時,大家常會打開新的行事曆,做新一年的計畫。從直覺來看,我們常以「一年有 365 天」或「閏年 366 天」的概念衡量時間。如果將 365 天除以 7(每週 7 天),得到的答案約是 52 週又 1 天;若遇到閏年(366 天),則是 52 週又 2 天。換句話說,無論是一般年還是閏年,一年都不可能整除,剛好 52 週,總要多出 1 或 2 天。

對多數人而言,這種「約 52 週加 1 天」似乎是再自然不過的事。然而,實際上人類在訂定「一年幾天」與「多久閏一次」的規則上,一路走來經歷了漫長探索與爭議。自古以來,不同文明先後採用依太陽或月亮運行週期為基準的曆法;儘管最終各國大多轉而採行以太陽週期為主的格里高利曆(Gregorian calendar),但並非一蹴可幾,而是一段包含宗教、政治、天文觀測的故事。

一年感覺很長,其實也就 52 週(+1 或 +2 天)。 圖/unsplash

從洪荒到曆法:人類如何決定時間單位

追溯人類對時間的測量,可遠至一萬多年前:考古發現顯示,澳洲原住民或新石器時代的部落,便會根據太陽、星象的移動,來推算季節變遷與祭典進行。後來,隨著農業興起,區分一年四季並掌握耕作節氣成了首要需求,日曆的概念亦逐漸成型。

  • 宗教推力:古埃及與蘇美等文明常需要在特定時刻進行祭祀或儀式,故對晝夜長短、月相週期乃至每年太陽位置頗為講究。
  • 日月曆法之爭:有些文明依月亮週期(約 29.5 天)為月數基礎,稱「陰曆」;也有採納太陽年度(約 365 日)稱「陽曆」,或折衷稱「陰陽合曆」。

就週數而言,古人或許更關注「每個月有幾天」與「一年有幾個月」,而非「一年到底可以分成幾週」。然而,週的概念在很多宗教與文化裡同樣重要,如猶太教及後來的基督宗教都強調「七天」一週之體系,用於安息日或祈禱輪替。因此,當今的一年分成「52 週多幾天」,也綜合了宗教傳統與太陽年的計算。

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朱利安曆失準?教宗格里高利的關鍵校正

現行國際普及的格里高利曆,最早源自於古羅馬朱利安曆(Julian calendar)。公元前 46 年,凱撒大帝(Julius Caesar)在天文學家蘇西根尼斯(Sosigenes)建議下,設定一年 365.25 天,並每四年加一天作閏年。看似精妙,但實際上太陽年長度約是 365.2422 天,每年多出的 0.0078 天、也就是大約 11 分鐘,雖然聽來微乎其微,卻在一段世紀之後累積成巨大的誤差。

對天主教而言,耶穌受難與復活日期影響了整年眾多教會節日。若曆法逐漸偏移,像復活節等慶典便逐年脫節了季節原意。至 16 世紀末時,朱利安曆已誤差累積多達 10 天。教宗格里高利十三世遂在 1582 年宣佈大刀闊斧改革:10 月 4 日的次日直接跳到 10 月 15 日,並規定「百年年份如若非 400 整除,則不列為閏年」。如此,將一年的平均時長微調至更貼近 365.2422 天。

一些國家如法國、西班牙和義大利等迅速採納「新曆」,但英國則因宗教立場等因素拖延至 1752 年才肯切換。中國雖在 1912 年起算是「正式認可」,但廣泛實施延至 1929 年。這樣因曆制修整所產生的「失落日子」,在各國各時期都曾引發不小民眾抗議與混亂,但如今我們所熟知的「一年 365(或 366)天、每週 7 天」全球大體一致,正是拜此改革所賜。

教宗格里高利十三世的改革,成了日後我們熟知的「一年 365(或 366)天、每週 7 天」。圖/unsplash

一年是 52 週又幾天?

回到主題:基於現在格里高利曆的「年」長度,一般年 365 天,閏年 366 天。因此只要把 365 ÷ 7 = 52 餘 1,或 366 ÷ 7 = 52 餘 2。這樣看來,52 週是某種近似值,再加上 1 或 2 天則填補了週數的縫隙。有趣的是,人們日常生活中往往不深究這些「多一天」會落在哪裡,反而透過各國法定假期、節日分布或企業排班,來靈活因應。

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不管日曆如何安排,七天一週與太陽一年的 365.2422 天本質上不會整除。因而實際執行層面,才衍生「一月有 4 週多幾天」或「一年 52 週多幾天」。而根據格里高利曆規範,每 4 年遇到 2、6 結尾者時通常加閏日;再以百年刪除閏日,唯獨 400 年倍數的百年不刪。如此 400 年中有 97 個閏年,非 100 次,年均值約 365.2425 天,與真實太陽年極為貼近。

再度修正:米蘭科維奇曆與東正教的調整

與此同時,一些東正教教會或科學家,仍曾嘗試做更精準的校調。例如 1923 年出現的「米蘭科維奇曆」,由塞爾維亞天文學家米蘭科維奇(Milutin Milanković)提出:

  • 改進閏年規則:如果該年不是 100 的倍數,則正常計算;若是 100 的倍數,就得看除以 900 所餘下的數是否為 200 或 600,若是,則跳過閏年。
  • 應用範圍:此一方案被視為更貼近天文年,但只有部分東正教教會接納實施,對全球世俗時間並未產生重大影響。

有趣的是,若米蘭科維奇曆被大規模推廣,平均一年長度會更符合真實太陽年,但世界各國基礎已扎根於格里高利曆,也不太可能再冒然重新改革。畢竟,每次曆改都會使官方紀錄、民間活動和宗教節慶產生協調難題,且大眾的社會慣性早已落實在現行制度裡。

時間計算背後宗教、政治與科學的糾纏

我們眼中的「一年 52 週又 1~2 天」其實是長期政治、宗教、科學交互影響的產物。數世紀以來,不同文明為祭祀、政令或貿易往來而反覆調整曆制;伴隨天文觀測與數學演算的精進,人們才一步步從古老的朱利安曆轉到格里高利曆,避免每年多出一些看似微不足道的分鐘數量,卻逐漸累積成整天的時差。在這些爭論、改革中,週數雖非爭議焦點,但它一同被帶入今日世界,最終定型為「一年 = 52 週 +1(或 2)天」。

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儘管目前的曆法存在些許時差,但已是目前全球通用的計日方式。圖/unsplash

另一方面,有些文化或地區在現代仍維持傳統的陰曆、陰陽曆搭配格里高利曆,如中國農曆可見節氣和月相紀錄;穆斯林世界則使用純陰曆,並以其方法計算齋戒月、開齋節等。全球一體化雖使格里高利曆成為主流,但不代表其他紀年方式就此消失。在各種曆法交錯下,「一週幾天,一年多少週」或許並非普世絕對,卻是人類根植於宗教、科學與經濟行為下逐漸形成的共識。

踏入 21 世紀,隨著全球高度互聯與商業活動頻繁,幾乎所有國際公約、金融市場、交通規劃都以格里高利曆為基準。此種高度一致有利經貿往來與跨國協作,但究其根源,私底下仍有一種「不完美但通用」的妥協性質。時至今日,要再度大規模推行新的曆制(比如米蘭科維奇曆)的機率微乎其微。

也許未來某天?

不管你是否每天翻開行事曆查看日期,或是習慣智慧型手機提醒,在全球主流價值裡,「一年 52 週又 1 或 2 天」已成幾乎不容置疑的常識。

也許未來仍有理論家建議以更精準的曆法取代格里高利曆,讓一年日數更貼合天文常數。然而,歷史經驗告訴我們,此種改革勢必付出巨大社會成本,還要面對全球龐雜的政治協調。最終,我們大概仍會安於現在這個略有瑕疵卻普及度最高的制度,繼續說著「一年有 52 週」,並在每年最後那 1 或 2 天裡,慶祝跨年、增添慶典。

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不論如何,時間的運行永不止息;地球仍舊繞著太陽旋轉,帶給我們四季遞嬗與新的挑戰。或許最重要的並非究竟一年「整除」了多少週,而是我們如何在這既定框架下規劃生活,在有限的時間裡,拓展出新的生活軌跡。

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從門得列夫到 118 種元素:元素週期表是怎麼出現的?
F 編_96
・2025/01/04 ・2302字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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F 編按:本文編譯自 Live Science

「氫鋰鈉鉀銣銫砝、铍鎂鈣鍶鋇镭…」相信很多人離開高中很多年,都還朗朗上口。

列著 118 種已知化學元素的「元素週期表」(Periodic Table),雖然唸起來像咒文,但有了它之後便能夠快速查詢原子序(proton number)、價電子(valence electrons)數量,以及元素可能的化學性質,成為各領域科學家與工程師設計實驗、預測物質反應必不可少的工具。

有趣的是,元素週期表並非一蹴可及。縱觀歷史,化學家們歷經數世紀的摸索、爭論與資料整理,才在 19 世紀後半葉逐漸確立。

我們現在看到的元素週期表,是在 19 世紀後半才逐漸確定。 圖/unsplash

週期表之父:門得列夫的突破

19 世紀中葉,已知的化學元素約有 63 種,許多化學家嘗試找出元素間的共同點,卻苦無系統性整理。當時能區分「金屬」與「非金屬」,或利用價電子概念將一些元素歸類,但要涵蓋大多數元素仍顯不足。俄國化學家門得列夫在撰寫《化學原理》教科書時,因接觸各元素的資料而產生新思路。他索性把已知元素各種性質寫在紙卡上,再一一比對它們的原子量(類似當今的原子量或原子序概念)與化學性質。

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確切的靈光乍現時刻,如今已無從完全重現,但我們知道門得列夫最後觀察到:「如果按照原子量(或後來的原子序)由小到大排列,某些化學性質就會呈週期性重複。」進一步來看,元素的價電子數量通常也會對應到表格的「欄位」或「族群」。於是,在 1869 年,他將研究結果發表,提出了第一版週期表的雛形,更大膽預言了尚未被發現的元素「eka-aluminium」(後來證實即鎵 gallium)及其他四種元素的性質。

讀懂週期表:原子序、符號與原子量

今日的週期表之所以能快速讓人獲得豐富資訊,關鍵在於三個核心欄位:

  1. 原子序(Atomic Number)
    代表該元素核內所含質子數。如果一原子核有 6 顆質子,就必定是碳(C),無論其他中子或電子數如何。此序號由上而下、由左而右遞增,貫穿整張表格。
  2. 元素符號(Atomic Symbol)
    多為一至兩字母縮寫,如碳(C)、氫(H)、氧(O)。但也有如鎢(W,因「Wolfram」得名)或金(Au,取自拉丁文「Aurum」)等較不直覺的符號。
  3. 原子量(Atomic Mass)
    表示該元素在自然界中各同位素的加權平均值,故通常是帶小數的數字。對合成元素則標示最常見或最穩定同位素的質量,但由於這些元素壽命極短,數值往往會被不斷修正。

舉例來說,硒(Se)在週期表中顯示原子序 34,屬於第 4 週期、第 6A 族,表示它有四層電子軌域,其中最外層(價電子層)有 6 顆電子。有了這些資訊,科學家可快速判斷硒的化學傾向、可形成何種化合物,乃至於在生物或工業應用中可能扮演的角色。

週期表的內部結構:週期、族與軌域

門得列夫最初按照原子量遞增排列元素,現代則依靠原子序(即質子數)來分類。橫向稱為「週期」(Period),從第 1 週期到第 7 週期;縱向稱為「族」(Group),目前總共有 18 組。週期數量在於顯示該元素電子軌域有幾層;而同一族則代表外層價電子數相同,故有相似化學性質。

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例如,第 18 族常被稱作「貴氣體」或「惰性氣體」,如氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)等皆不易與其他元素起反應。另一個顯著群體是位於第一族的鹼金屬(Alkali Metals),如鋰(Li)、鈉(Na)等,因外層只有 1 顆電子,極容易失去該電子而形成帶 +1 價的陽離子,故與水猛烈反應。

此外,在表格中央有一塊「過渡元素」(Transition Metals)區域,包括鐵(Fe)、銅(Cu)、鎳(Ni)、金(Au)、銀(Ag)等。它們具有部分填充的 d 軌域,使得該區域的元素呈現多樣性質,例如具有金屬光澤、可塑性或導電性等,被廣泛應用於工業及工程領域。

同一族的外層價電子數相同,因此大多有著相似化學性質。圖/unsplash

再進化:從 63 種到 118 種

當門得列夫在 1869 年發表週期表時,已知元素只有 63 種,表格中甚至留有空白以預留「未來或存在尚未發現的元素」。他果然預測到了鎵(Ga)以及日後證實的日耳曼ium(Ge)等新元素性質,贏得舉世矚目。隨後,有越來越多元素透過科學發展,尤其是光譜分析與放射性研究而被發現,例如鐳(Ra)和氡(Rn)等。

到 20 世紀後期,隨著粒子加速器的誕生,人類可以合成更重的超鈾元素(Atomic Number > 92)。這些人工合成元素往往極度不穩定,壽命僅能以毫秒或微秒計,但仍證實存在、並填補週期表後段空白。如今,週期表已收錄到第 118 號元素「鿆(Og,Oganesson)」,但科學家預測或許還能繼續向上延伸;只要能合成更重、更穩定的原子核,我們就能拓展週期表的新邊境。

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一般認為,隨原子序遞增,原子核內部的質子數目激增,原子愈趨不穩,往往在極短時間內衰變成較輕元素。然而,一些理論物理學家提出「島狀穩定性」(Island of Stability)的概念:也許在某特定質子與中子數量組合下,能出現意外長壽的「穩定」重元素。

是否真能在表格上方再增添「第八週期」甚至更高週期的列,仍有待更多實驗來驗證。但無法否認的是,週期表一直是科學家檢驗自然規律的試驗場,也見證了人類探索未知的無盡熱情。

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F 編_96
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一個不小心闖入霍格華茲(科普)的麻瓜(文組).原泛科學編輯.現任家庭小精靈,至今仍潛伏在魔法世界中💃