全球資訊網 World Wide Web 由此誕生！ │ 科學史上的今天：3/12

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

昂貴的粒子物理基礎研究值得嗎？

粒子物理學的基礎研究當然是非常有趣的，但它也是很昂貴的。舉例來說，歐洲核子研究組織（European Organization for Nuclear Research，簡稱為CERN ）大強子對撞機的建造成本（包括人員、儀器研發和建造材料）約為 30 億歐元（約 33 億美元）。超導環場探測器本身的建造費用為 4.55 億歐元（5 億美元）。儘管這個數字看起來很大，但歐洲核子研究組織 8.25 億歐元的年度預算（約 9 億美元）只相當於每個年紀大到可以喝咖啡的歐洲公民喝一杯咖啡加總起來的費用。

但是這筆金額還是很龐大，所以每個人都有權利詢問這筆錢是不是花得值得。

在此，我將解釋投資於研究的經費不僅在經濟上帶來百倍以上的回報，而且可以造福整個社會。由於基礎研究帶來了科技上的突破，醫療技術和通信技術因而有所進步。物理學基礎研究徹底改變了我們的生活方式，而且改變還在持續當中。

以歐洲核子研究組織為例

在本文中，我主要以歐洲核子研究組織作為例子，因為它是目前最大且仍在運轉當中的國際性粒子物理學研究實驗室。

日本的 J-PARC（Japan Proton Accelerator Research Complex） 是一個多用途研究中心，他們也使用質子加速器。其他實驗室，如美國的 SLAC 國家加速器實驗室（SLAC National Accelerator Laboratory） 和費米實驗室（Fermi National Accelerator Laboratory, FNAL）以及德國的 DESY 一直到不久以前都還是非常活躍的粒子物理學研究中心，但他們的加速器目前已經停止運作。費米實驗室的主注入器（Main Injector）則仍在運轉中，為 MINOS、Minerva 和 NOVA實驗供應微中子束。其他實驗則正在等待批准或仍在前置興建階段。還有其他幾個較小的研究中心，例如加拿大薩德伯里的微中子觀測站實驗室（Sudbury Neutrino Observatory Laboratory, SNOLAB），日本的高能加速器研究機構（KEK）和義大利的 Gran Sasso，這些研究中心都是專門研究微中子物理和暗物質搜尋。最近，有參與粒子物理學研究的所有國家決定在大型國際實驗合作計畫中共享資源（例如歐洲核子研究組織正在進行中的實驗合作計畫）。

粒子物理學基礎研究的回報並不必然都是直接的。舉例來說，目前沒有人知道希格斯玻色子將來會不會有實際的用處，很可能不會！我們並不是因為期待希格斯玻色子能夠解決人類的大問題而做這個研究的。相反的，該研究的目的，是為了能更了解我們周遭的物質世界，並將提高我們的知識層次。

所以說，基礎研究實驗室的首要任務是滿足人類對知識的深度渴求。自從人類存在以來，人們一直都想知道自己的起源和命運。但這些實驗室其實還有其他三個主要目標：為科技發展作出貢獻、培養高度專業的人力以及（就國際實驗室而言）透過科學研究促進和平與國際合作。

基礎研究帶來燈光，而不止步於漂亮的蠟燭

不過，我們不該低估任何新發現的潛力。誰能預言一百年前物理學家在電子和電磁波上的研究，會對我們今日的生活產生如此驚人的影響呢？一件軼事（即便它有點爭議）可以用來說明這一點。據說英國財政大臣（即財政部長）曾質問法拉第（Michael Faraday）他的電學研究是否有任何潛在用途時，法拉第顯然回答說他不知道可以做什麼用，但法拉第補充說：「先生，將來有一天你可能可以課它的稅」。

電子和電磁學的研究帶來了電子用品、電信和電腦的發展。過去幾個世紀中，物理學家的研究成果和技術人員和工程師的專業知識相結合，並將發現應用在現實中，進而重塑了我們的日常生活。如果沒有物理學的基礎研究，我們今天就會靠燭光閱讀。正如一位同事向我指出的，我們肯定會有非常漂亮的蠟燭，但就只是蠟燭。基礎研究不僅對我們的生活產生重大影響，而且也啟蒙了我們的精神，使人類擺脫了無知的沉重負荷。

不管在理論還是在實驗，好奇心都引導了基礎研究。基礎研究必須不受到限制，使想像力和創造力得以自由流動。縱使無法保證一定能夠發現什麼，但物理學家必須檢視所有的可能。另一方面，應用研究的目的，在於為具體的問題找出實際的答案，它以基礎研究為本，帶來了科技突破，並有更進一步的發展。物理科學應用於其他學科之中，也在各個工業領域當中扮演了重要的角色。從經濟的角度來看，物理學影響著整個社會，我們在本章中將看到，物理學在各領域、各方面的成績，已在日常生活當中影響我們每一個人。

對各國的經濟回報

已有幾份研究試著評估基礎研究對經濟所帶來的影響。經濟與商業研究中心（the Centre for Economics and Business Research, CEBR）為歐洲物理學會（European Physical Society）所做的研究很具啟發性。這份研究是從科技和科學的角度評估基礎研究對歐洲物理學的產業所造成的影響。因此，它涵蓋了所有仰賴電機工程、機械和土木工程、能源、計算、通信、設計製造、運輸、醫學和航空的經濟活動。

2010 年的統計指出，仰賴物理學的產業共為歐盟的 27 個國家、瑞士和挪威創造了 3 兆 8000 億歐元的收入（上圖），相當於這些國家總收入的 15％ 左右，超越了零售業的總額。總共有 1 千 5 百 40 萬人在這個產業工作，也就是歐洲總勞動人口的 13％。

促成跨時代的科技發展

正如我們在整本書中所看到的，當今粒子物理學的研究需要高度精密複雜的工具才得以進行。通常在設計階段，大型實驗所需的技術並不存在，這些技術必須在過程當中被開發出來，特別是像大強子對撞機這樣二十年前就開始籌備規畫的超大型計畫。大強子對撞機的建造工程，使得若干技術超越當時的疆界，過去從不曾有任何儀器會用到如此強大的超導磁鐵，更不用提這整個計畫的規模，超導、極度真空和極度低溫相關的技術都因此而有很大的進展。

大型實驗合作計畫的所有測量設備也是如此，大強子對撞機所使用的偵測器都需要更高的抗輻射能力以及更高性能的電子模組，在承受極端輻射水平的同時，還要能夠高速與大量採集數據。這個需求提供了建造網格（Grid）的動力，網格是一個龐大的計算機網絡，串聯了成千上萬台遍布在世界各地的電腦，提供了大強子對撞機實驗所需的計算能力。

技術方面的進步已化為現實，並應用在各式各樣的產業中。簡單舉幾個例子，這些應用包括了配有光纖的濕度感測器、使用永久磁鐵之引擎的隔膜系統、設計印刷電路板的開放原始碼軟體，以及 3D列印的附加處理技術。

全球資訊網──來自歐洲核子研究組織的最好的禮物

某些發現也對大部分地球居民的日常生活有直接影響。例如歐洲核子研究組織最成功的結果：全球資訊網（World Wide Web）。全球資訊網深遠地改變了我們取得訊息和知識的方式（包括新興國家），從而影響到地球上數十億人的日常生活。

到目前為止，歐洲核子研究組織對人類最大的影響並不是發現了希格斯玻色子，而是發明了全球資訊網（World Wide Web，簡稱WWW）。全球資訊網是由提姆．伯納斯─李（Tim Berners-Lee）和他的團隊於 1989 年開發出來，當時他在歐洲核子研究組織工作，而當初開發的目的是為了要解決一個影響到歐洲核子研究組織成千上萬名研究人員的問題。科學家們需要一個能有效交換訊息的通訊方式，大多數這些物理學家經常在他們自己的研究機構和實驗室之間穿梭，以參與各種研究活動。為了讓這些物理學家可以彼此交換訊息而不需在行李箱中拖著幾公斤列印出來的文件，全球資訊網於焉而生。

如果說伯納斯─李是一位有遠見的人，那麼我們也可以說歐洲核子研究組織具有非常前瞻的想法，決定將全球資訊網開放給全人類使用，而不要求任何版權收入。由於歐洲核子研究組織的研究是受到公共資金資助，因此我們也希望全球資訊網能使每一個人都受益。網路使得資訊可以在世界上任何地方流通和取得，誰能忽視這個溝通工具對我們的生活所產生的影響呢？

粒子物理學界有愈來愈多人認同「開源」（open-source）的觀念，例如像是知識可以自由、免費地共享，並且透過網路傳播開來。歐洲核子研究組織的實驗結果已經不再只發表在昂貴的專業期刊上，現今所有的資訊都可以在「開源」社群媒體中取得。不僅在科學出版方面是如此，有些軟體也是以合作和共享的精神和其他的機構、業界或社會共享。這樣可以確保來自新興國家的大學和機構不至於處於劣勢。

本文摘自泛科學2018年2月選書《到世界頂尖實驗室 CERN 上粒子物理課》，臉譜出版。

1968 年，英格巴特（Douglas C. Engelbart）在如今稱為「所有演示之母」的會場上演示了滑鼠、視窗、網路與超文本（Hypertext），但那畢竟只是描繪未來的「概念機」。必須再等二十年，英國電腦科學家柏納-李（Tim Berners-Lee, 1955－）才真正實現了這個「未來」。

柏納-李於 1980 年承接了 CERN（歐洲核子研究組織）的軟體外包專案。此時學者們已經可以透過網路互相傳遞郵件與檔案，不過要在電腦內的大量資料中找到關聯性的資料仍是件苦差事。他在半年內開發了一套以超文本技術為基礎的搜尋程式，讓科學家可以輕易地從文件中的一個章節跳到另一個章節，或是跳到同一個資料庫內的另一個檔案。

不過隨著 CERN 的規模日益擴大，研究員、電腦與檔案的數量也愈來愈多，當初柏納-李開發的程式只能在同一個資料庫內搜尋，如今來自世界各國的科學家要尋找置於它處的資料，或彼此交換實驗數據都非常麻煩又曠日廢時。柏納-李於 1984 年以正式員工的身分重返 CERN 之後，就一直思索解決之道，後來他注意到逐漸興起的網路或許就是答案！

1989 年 3 月，他終於提出初步構想：以他開發的搜尋程式為基礎，結合傳輸控制協定（TCP）、網域名稱系統（DNS）等現成的網路標準，就可以在所有連上網路的電腦間快速搜尋並傳遞資料。這就是全球資訊網WWW（World Wide Web）的藍圖。

在得到主管的支持後，柏納-李開始著手製作所需的要件。隔年他寫出傳輸網頁的語言 HTTP 與描述網頁內容的語言 HTML、定義 URI 網址結構（日後他承認雙斜線實無必要），並且示範製作了世上第一個網頁瀏覽器與第一台網頁伺服器。

1992年 CERN 同意柏納-李的請求，將 WWW 相關的智慧財產權當成一般公共財對外公布，讓世人都可免費使用，無須支付任何權利金；而這正是 internet 可以迅速普及、蓬勃發展的關鍵。當網路上的資訊從純文字擴充為圖文並茂的豐富內容，當這一切都免費垂手可得，internet 才真正開始加速成長，深入滲透到社會各個層面，成為現代人生活不可或缺的一部份。而這都要歸功於柏納-李的發明與慷慨。

對照後來多少人因為網路成為鉅富，更顯得柏納-李放棄專利的難能可貴。他獲得無數表彰，但始終拒絕各種商業利益的誘惑。目前柏納-李仍在許多非營利組織但任要職，為 internet 的獨立性與普及化而努力。

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。

編按：全球資訊網(World Wide Web)的誕生源自於英國電腦科學家柏納-李（Tim Berners-Lee, 1955－）在歐洲核子研究組織 ( European Organization for Nuclear Research, CERN )發展的資訊分散式傳輸協定，當時這套系統只是為了要供應高能物理研究室之間使用。
然後，他便逐步改變了世界。讓在全球資訊網發明30週年的現在，一起來看看他是怎麼誕生的吧！

1968 年，英格巴特（Douglas C. Engelbart）在如今稱為「所有演示之母」的會場上演示了滑鼠、視窗、網路與超文本（Hypertext），但那畢竟只是描繪未來的「概念機」。必須再等二十年，英國電腦科學家柏納-李（Tim Berners-Lee, 1955－）才真正實現了這個「未來」。

柏納-李於 1980 年承接了歐洲核子研究組織 ( European Organization for Nuclear Research, CERN )的軟體外包專案。此時學者們已經可以透過網路互相傳遞郵件與檔案，不過要在電腦內的大量資料中找到關聯性的資料仍是件苦差事。他在半年內開發了一套以超文本技術為基礎的搜尋程式，讓科學家可以輕易地從文件中的一個章節跳到另一個章節，或是跳到同一個資料庫內的另一個檔案。

不過隨著 CERN 的規模日益擴大，研究員、電腦與檔案的數量也愈來愈多，當初柏納-李開發的程式只能在同一個資料庫內搜尋，如今來自世界各國的科學家要尋找置於它處的資料，或彼此交換實驗數據都非常麻煩又曠日廢時。柏納-李於 1984 年以正式員工的身分重返 CERN 之後，就一直思索解決之道，後來他注意到逐漸興起的網路或許就是答案！

1989 年 3 月12日，他終於提出初步構想：以他開發的搜尋程式為基礎，結合傳輸控制協定（TCP）、網域名稱系統（DNS）等現成的網路標準，就可以在所有連上網路的電腦間快速搜尋並傳遞資料。這就是全球資訊網WWW（World Wide Web）的藍圖。

在得到主管的支持後，柏納-李開始著手製作所需的要件。隔年他寫出傳輸網頁的語言 HTTP 與描述網頁內容的語言 HTML、定義 URI 網址結構（日後他承認雙斜線實無必要），並且示範製作了世上第一個網頁瀏覽器與第一台網頁伺服器。

1992年 CERN 同意柏納-李的請求，將 WWW 相關的智慧財產權當成一般公共財對外公布，讓世人都可免費使用，無須支付任何權利金；而這正是 internet 可以迅速普及、蓬勃發展的關鍵。當網路上的資訊從純文字擴充為圖文並茂的豐富內容，當這一切都免費垂手可得，internet 才真正開始加速成長，深入滲透到社會各個層面，成為現代人生活不可或缺的一部份。而這都要歸功於柏納-李的發明與慷慨。

對照後來多少人因為網路成為鉅富，更顯得柏納-李放棄專利的難能可貴。他獲得無數表彰，但始終拒絕各種商業利益的誘惑。目前柏納-李仍在許多非營利組織但任要職，為 internet 的獨立性與普及化而努力。

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》，原文為「全球資訊網從此誕生──柏納-李生日 │ 科學史上的今天：06/08」，由究竟出版社出版。