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地球40億年前也演過行星大遷徙?

臺北天文館_96
・2012/05/07 ・1698字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 536 ・七年級

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多人都說,就像星際大戰「帝國大反擊」裡那個「霍斯星」一樣,地球本來應該是個冰酷的世界,應該要像顆雪球才對。

有什麼根據?按照目前普遍接受的恆星演化論來推估,倒算回45億年前,在太陽的核融合剛開始時,它應該比現在略微昏暗些,光度應該只有目前的70%而已。太陽從那時起,一路不停地持續變亮,並且這種越來越亮越來越熱的趨勢還會一直繼續下去,直到終有一天,地球的海洋都會蒸發掉。而43億年前地球上首度出現海洋時,可能以很快的速度結冰,照在地球上的太陽光大量被反射,之後地球在接下來幾十億年中仍不能解凍(因為缺乏太陽光的照射,地球會一直處在很冷狀態)。

這種理論不是新聞,早在1950年代, Carl Sagan 就曾經倡導過「弱陽弔詭」(Faint Young Sun Theory)一說。天文學家和地質化學家迄今仍持續爭論。

模型顯示,即使將地球大氣層的雲量減少、反射率降低,也沒用,因為甲烷和二氧化碳所形成的溫室效應並不足以讓地球海洋保持不結冰的溫暖程度。部分模擬結果顯示,在甲烷和二氧化碳的聯手下,甚至會產生光化學霧,讓地球溫度不升反降,掉得更厲害!

Purdue 大學的David Minton 最近提出一個半科學半科幻的理論,他認為:搞不好,地球本來的位置更靠近太陽,是後來才逐漸向遠離太陽的方向遷徙,來到今天的位置的?初生時期的地球應該放在哪個位置,才能在一個溫度比今天低了一大截的太陽身邊,保持不冷不熱?經過計算之後發現,那是距離今天地球位置大約970萬公里遠的地方。

Minton說,行星並不喜歡靜止不動,反而是喜歡搬家. 最近發現了成百上千顆太陽系外行星,就是強有力的證據,這些證據是Carl Sagan 時代不存在的新證據。新的證據支持著:行星在恆星之間遷徙,這恐怕不是例外,而是定律。

這就能解釋估計數量可能多達幾十億的熱木行星,為何要不停地把軌道持續往更靠近母恆星的方向移動 – 奮不顧身地程度幾乎已經到了熱木星快被蒸發的距離。

還有,最近也有愈來愈多的發現,看到一些本來顯然是冰球的行星,因為不斷朝母恆星遷徙移動,變成了液體狀態的純水行星。

不過,接下來的問題是,用什麼辦法把行星「從南港區擠到中正區」呢?最有可能的模式是這一種:「重力彈子台:行星對對碰」。

比較麻煩的部份是,達到這個效果大約需要花:20億年。更麻煩的是,這個大風吹的遊戲要玩得起來,還必需要在太陽系內側行星中再多長一顆行星出來才行,而且,太小的行星還不能隨便充數,質量必須像金星或火星一樣大才行。

這顆大小和地球差不多的、多出來的行星,命運註定會不太風光:只有三種終局:被太陽吸進去,被太陽系踢出去,或者撞上一顆個頭大小和它差不多的行星。

研究人員說,太陽系成員根本不知道幾十億年後它們會不會和平共處,所以,以太陽系的混亂程度來說,這假設也不算太扯。為了要讓地球「跨區」成功,最好的模擬條件就是假設,有第三顆行星,質量大約地球3/4,並且在這個「三人行必有一人出局」的「行星版彈子台」遊戲中,這顆犧牲打行星必須和金星相撞,並且這還必須發生在大約20~30億年前,這麼一來,有可能,地球就會被踢到現在的位置了。(複雜條件聽起來似曾相識,有沒有很像2012末日預言的X行星?)。

「撞金星」的情節,雖然科幻味道重了一點,有其可取之處,因為金星直到25億年前才完全形成,並且也符合為什麼金星的外表從地質學觀點看來很年輕,又多火山。

至於未來的危機分析,模型統計的機率如何呢?模擬2,500個恆星演化系統的模型顯示,有1/2,500的機會,水星這個軌道似穩定(quasi-stable)的行星在50億年以後會被踢到太陽系以外,這將引發一場世界末日行星大碰撞,地球將和金星相撞。火星則被甩到離太陽較遠的地方。

不過別擔心,我們有混沌理論。任何微小的波動,幾十億年後都有可能引發成一場戲劇性的波瀾壯闊,一隻南美洲的蝴蝶輕拍翅膀,最終可能引起太平洋彼端的大海嘯。

太空船借用行星重力向前推進的方式,正和蝴蝶的拍動翅膀,有類似的相同之處(同樣微不足道)。或許今天在水星周圍觀測、借用了行星重力的信使號太空船,正扮演著蝴蝶關鍵任務,在很久很久以後,說不定能避免未來地球上演出行星相撞記。(Lauren譯)

資料來源:中研院天文網, 2012.04.24

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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我們所追尋的「舒適圈」:一場生物與環境氣溫的耐力賽——《跳出溫度舒適圈》
商周出版_96
・2022/10/29 ・4205字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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  • 作者 / 林子平

幾年前,有一則蝴蝶遷徙的新聞,引起了我的興趣。澎湖有位民眾發現住家的花園內有隻蝴蝶,身上被標示了日期和日本地名,原來是一隻從日本富山縣標放的青斑蝶,歷經46天從日本飛行了2,277公里來到台灣。富山縣自然博物館負責人說:「這隻青斑蝶創下了富山縣蝴蝶的最長距離飛行紀錄,飛到翅膀已破裂,令人感到心碎。」

遠渡重洋的蝴蝶。圖/商周出版《跳出溫度舒適圈

創下地表上最長昆蟲遷徙紀錄的是帝王斑蝶。每年會有上億隻帝王斑蝶在接近冬天時,由北美寒冷的洛磯山往南遷徙至溫暖的墨西哥,並在春天來臨時往北飛回洛磯山,但因為不順風,長達4,800公里、歷時四個月的長途遷徙,讓生命週期僅有一個多月的蝴蝶沒辦法在有生之年飛抵目的地,中途還得暫停德州來繁衍下一代,一共要歷經三代接棒才能返回洛磯山。

在台灣新竹苗栗等地山區,多達五十萬隻的紫斑蝶,也會在秋末準備南飛度冬,常落腳在高雄茂林。「氣溫是蝴蝶長程遷徙的一個很重要的因素,溫暖的環境讓蝴蝶能夠生存並產卵,還能讓剛孵化的幼蟲找到豐富的食物。」嘉義大學生物資源學系黃啟鐘教授這麼告訴我,他對昆蟲生態及植物病蟲害都很有研究。

圓翅紫斑蝶(Euploea eunice hobsoni)。 圖/Flickr

「也許是遺傳基因,這裡的氣溫一直刻劃在牠們的記憶之中,驅動著牠們歷代返回。」黃教授說,「雖然蝴蝶一代只有一個多月的生命,但為了下一代,牠們長途遷徙到最適合幼蟲出生的氣溫及生態環境,等到春天清明節前,經數代後剛羽化之成蝶,就開始往北飛,回到牠們此生未曾到過的故鄉。」

紫蝶北返的飛行蝶道。 圖/交通部觀光局

生物為了生存而追尋溫度

昆蟲願意冒這樣的風險長途跋涉,那人類也有這種追求溫度的本能嗎?

我們得從現代人類的起源「智人」(Homo sapiens)的發展談起。科學家普遍認為,在二十萬年前智人起源於非洲。直到了四萬年前,智人已經遍布歐亞大陸。科學家一直在探索,究竟是什麼原因造成我們這個物種「遠離非洲」。

亞利桑那大學地球科學系Jessica Tierney教授透過氣候重建資料,並比對化石及石器的狀況,推論八萬年前非洲東北部溫暖且溼潤,適合居住。然而,在七萬年前,氣候開始變得寒冷而乾燥,艱難的氣候條件,使人類在六萬年前走出非洲進行大遷徙,這才讓歐亞大陸有人類出現。

智人(紅)與直立人(黃)遷徙路徑。圖/wikipedia

無獨有偶,德國科隆大學Frank Schäbitz教授等人則是透過衣索比亞湖岩芯來重建氣候,同樣也發現,在距今六萬到一萬四千年間非洲氣候的極度乾燥達到頂峰,使智人最終在距今五萬到四萬年間抵達歐洲。

除了因為溫度而遷徙之外,比智人更早,比「露西」(Lucy)[註1]更晚的「直立人」(Homo erectus),大概在一百萬年前開始會用火來獲取他們想要的溫度。除了用來烹煮食物,火還可以使身體溫暖來度過寒冬,得以生存。

今日,我們為了舒適追求溫度

以前的人類,就像會遷徙的蝴蝶及候鳥一樣,追求溫度是為了活命,是最基礎的生理需求 [註2] 。然而,時至今日,人們追求溫度的目的已經不同。

經濟學家西托夫斯基(Tibor Scitovsky)認為,近代人類的第一個需求,就是「舒適」[註3]

近代的人們會為了追求更舒適的氣溫而遷徙。對英國君主來說,白金漢宮是他們的冬季宮殿,溫莎城堡則是夏日宮殿,讓他們在不同的季節中得以維持長時間舒適的居住環境。另外則是觀光旅遊,近代西歐人(如德、法、荷)冬天移動至地中海旁溫暖的國家西班牙、希臘旅遊,或是更遠的東南亞國家,以求得數日的舒適氣溫。

然而,人們逐漸覺得為了追求舒適而頻繁地遷徙和移動有點麻煩,因此反過來想要讓日常生活居住的空間及場域能配合人的需要,常保舒適,於是開始思考如何打造一個四季都舒適的居住空間。在寒冷的國家,增加牆面的厚度,提高隔熱性,來達到保溫的效果,或在屋頂做一個閣樓,能阻擋大雪的低溫直接傳到室內。而在炎熱的國家,則利用室內通風、窗戶遮陽,來確保室內維持舒適,並透過選用適合的植栽、設置水域來調節戶外氣溫,讓人們在戶外行走或活動時都感到舒適。

對人來說,打造一個舒適的居住空間很重要。 圖/envato.elements

溫度控制全面強力介入

這些使居住環境舒適的方法,其實都不需要耗用能源及資源,我們稱為被動式設計(passive design,或稱誘導式設計)。它雖然能讓冬天暖一點,夏天涼一點,但是沒辦法維持在一個恆定的氣溫。

早期的人類為了生存而追尋溫度,現代的人類為了舒適而追求溫度。圖/商周出版《跳出溫度舒適圈

因此,人們又想更進一步控制生活及居住環境的溫度,我們開始利用能源及資源來介入控制。一開始是耗費較少電力及資源的手段,例如溫帶國家燒柴的暖爐,熱帶國家使用的電風扇,而後一些更耗能源的設備出現了,如冷氣或暖氣的設備及系統,這些都屬於主動式控制(active control)。以冷氣或暖氣來改變氣溫,讓我們不必大老遠遷徙及移動,可以四季都維持在恆溫舒適的狀況。

而在生活環境中,我們也開始控制各種溫度。例如控制液體的溫度,把冬天冰冷的水加熱,洗澡才舒服;或是使用電冰箱讓飲料涼一些,使用電熱水瓶來保持最適合入口的水溫。

人類當然不會滿足於基本的溫度,我們對於溫度的控制只會愈加精確及全面。我們希望冷暖氣控制的溫度是恆定的,最好一年四季,一天二十四小時,都能維持相同的溫度。我們還希望冬天冰冷的廁所能溫暖些,所以現在廁所的馬桶座不但可以加熱,甚至還可以整晚持續保溫,讓你隨時都能享受剛剛好的溫度。

人類除了舒適,還要刺激

然而,有時人對溫度需求的還不只是為了舒適。追求「刺激」,則是西托夫斯基提出的人類第二個需求—人們追求溫度,有時只是想要有不一樣的體驗。

就像長年低溫的寒帶國家中,一旦有個難得的溫暖晴天,人們就會傾巢而出到公園做日光浴。同樣的,像台灣一樣位處於熱溼氣候區的人們,偶有山區下雪的機會,許多人會不畏寒冷地上山賞雪,這就是本於氣候刺激造成的新鮮感。

不過,如果是為了刺激而想要控制環境,就可能造成不必要的能源浪費。冬天時,人們湧入滾燙的三溫暖或烤箱,這麼高的溫度絕對算不上是舒適吧,但人們希望透過這樣的生理刺激來滿足心理的需求。

又比如說在寒帶地區滑雪是常態,但位在熱帶國家興建一個室內滑雪場,甚至是單純造雪讓人們遊玩,就是要讓人們能感受到溫帶國家寒冷的天氣能帶來的體驗。

你追求的是什麼呢?

你或許有過這樣的經驗:當你滑著手機上的社群、新聞、影片,你點擊的每個按鈕,停留的每段時間,都在告訴媒體你喜歡的是什麼;不久之後,頁面上跳出的內容你都喜歡極了,不順眼的內容都消失了,這一切彷彿為你量身打造,你就這麼瀏覽下去。回過神才發現時間已過了大半,你接受了不重要(甚至錯誤)的資訊,買了你不需要的東西。

讓我們從虛擬環境切換到實體空間。當我們進入一個室內空間,你直覺地按下空調開關,它也許就記憶著你上次設定的溫度。先進的系統還能觀察現在室內有多少人、你是靜止或移動的、你以前喜歡什麼樣的溫度,就幫你調得好好的。太冷的時候,你也許會選擇穿上外套,而不是起身去調整溫度設定,或是反映給管理者知道。

這就是舒適圈,為你量身打造客製化的體驗。舒適的感受可能掠奪你的專注力,讓你忘了你真實的需求。

從智人遠離非洲到歐亞大陸,到近代人類移動到舒適的地點、建立舒適的住居,都是有意識地了解需求,因為,這都有風險,也需要付出代價。

然而,當空間內的氣溫控制變成輕鬆自在的生活常態,卻可能導致我們不認真去思考我們的需求。我們得自問:「為什麼要設定在這個溫度呢?」是為了舒適,還是為了刺激,還是只是習慣性地延續你昨天的設定,或是直接由人工智慧幫你決定?

現代人習慣活在舒適的溫度中。圖/envato.elements

一個根本的問題是,舒適究竟是怎麼一回事?是生理的需求,還是心理的滿足?每個人對舒適需求的差異,又是怎麼產生的?是體質的差異,過去的經驗,還是個人的喜好?

唯有理解舒適的起源,我們才能客觀地檢視我們的觀點及行為,並做出適當的調整與改變。下一節,就讓我們從一盤蛋炒飯,來談談什麼是舒適吧。

消暑涼方03:動物和原始人只為生存而追尋溫度,但現代人卻是為了舒適而改變溫度。嘿,享受舒適的同時,也為地球上其它生物想想吧!

註釋

  • 註1: 露西是在衣索比亞發現的南方古猿標本。也就是由盧貝松執導且在台北取景的《露西》片中,那位將人腦用到100%且具有超能力的主角,在片尾回到遠古時期時見到的人類祖先。
  • 註2: 馬斯洛需求理論(Maslow’s hierarchy of needs),是由亞伯拉罕.馬斯洛(Abraham Harold Maslow)於1943年提倡的理論,他劃分出五種等級的需求:自我實現、尊重、社會、安全、生理。生理屬於為基礎的需求,如食物、呼吸、基本維生環境等—溫度就是屬於最基礎的生理需求。
  • 註3: 西托夫斯基認為人有舒適和刺激兩種需求,舒適又分為個人舒適(personal comforts)及社會舒適(social comforts)兩種。

——本文摘自《跳出溫度舒適圈》,2022 年 9 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

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商周出版_96
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閱讀商周,一手掌握趨勢,感受愜意生活!商業出版為專業的商業書籍出版公司,期望為社會推動基礎商業知識和教育。

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八爪博士 4ni!?《蜘蛛人》裡的人造太陽或將問世?(下)
科學大抖宅_96
・2022/04/14 ・3339字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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說明:此篇文章原本乃為泛科學 Youtube 影片所寫,經簡化之後,拍攝成〈缺電、輻射、核廢料有解嗎?「核融合發電」有可能嗎?〉和〈最受期待的核融合發電在哪裡?能源數據誰在膨風?〉兩部作品。又,本文並不針對核融合的技術性問題多做解釋,而是想用最少的字數,讓讀者瞭解核融合發展的全貌與大致進程。同時,此文主題也跟「世界是否應該採用核能發電」、「臺灣是否該使用核能發電」、「台灣是否該重啟核四」無關;這是三個完全不同的問題,核融合發電跟現有的核能發電技術也有所不同,無法一概而論。

核融合發電的最低要求

現實中,不管使用什麼方法進行核融合,都需要消耗大量的能量。如果產生的能量比消耗的能量還少、或者只大一點,那麼就沒有商業發電的價值。在討論核融合發電時,我們需要知道「融合能量增益因子」(Fusion energy gain factor)這個詞彙;它常用符號 Q 來表示,代表的是核融合反應爐產出的能量,和為讓反應爐運作所輸入能量的比值:

Q=Pfus/Pheat= 核融合反應爐產出的能量/為讓反應爐運作所輸入的能量

換句話說,如果 Q=1,表示核融合反應產出的能量,和輸入反應爐的能量相等,稱為損益平衡(breakeven)——當然,在這種狀況下,沒有多餘的能量能夠拿來發電。而且,再考慮到核融合反應產出的能量,並不可能全部都被收集並拿來維持反應爐的運作,一般認為,Q 的最低限度也要大於 5,才有機會收入與支出平衡。對核融合發電來說,Q 是越高越好,代表有更多比例的產出能量可作為發電之用,也是所有研究單位努力的目標。

核融合發電的現實

就 2022 年的現在來說,實際上還未有 Q 大於 1 的核融合反應爐出現。但我們確實會在科技新聞中,看到一些聲稱做出重大突破、輸出能量大於輸入能量的研究出現,這是怎麼回事呢?

2014年權威期刊Nature上的新聞提及,有研究團隊成功在核融合過程中產生多於輸入的能量。圖/截圖自 Nature

原因之一是,有些單位在設計實驗的時候,因為許多考量,僅使用氘做燃料,而非目前主流核融合發電使用的氘氚混合燃料;而根據僅使用氘的實驗結果,就可以在理論上推估,若使用氘氚混合燃料可以達到的 Q 值。這樣子推估出來的數字,目前最高記錄是日本的 JT-60 實驗,得到 Q=1.25。

另外一種情形,則是對輸入能量的定義有所不同。舉例來說,2013 年,BBC 刊載報導,表示位於美國加州的國家點火設施,達到「核融合反應的里程碑」,「透過核融合反應所釋出的總能量超過由燃料所吸收的總能量——這是在世上所有的核融合設施中,第一次辦到。」然而,在該實驗中,雷射對裝有核融合燃料膠囊的金屬空腔標靶(稱為「環空器」,hohlraum),輸入了 1 百 80 萬焦耳的能量,最後僅產出約 1 萬 4 千焦耳的核融合能量;換算起來,Q 值為 0.0077。但是,根據計算,雷射輸入的能量當中,只有1萬焦耳真正在燃料膠囊的核心起作用,促成了核融合發生——從這個角度來說,也是一種「核融合反應所釋出的總能量超過由燃料所吸收的總能量」,但總有作弊之嫌。

目前,融合能量增益因子的最高紀錄,是由美國國家點火設施所創下,於 2021 年達到的 0.7,由 1 百 90 萬焦耳的雷射能量,獲得1百35萬焦耳的核融合能量。只是,這樣的計算方式仍然有個問題:若要產生具有 1 百 90 萬焦耳能量的雷射,我們事實上必須使用到遠超其上的能量——如果要拿來發電,這個能量消耗也是必須考慮進去的。

目前最受期待的核融合設施

在近未來之內,最接近商業發電的核融合設施,應屬位在法國南部的國際熱核融合實驗反應爐(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)。它是跨國出資、合作的核融合設施,成員包括歐盟、印度、日本、中華人民共和國、俄羅斯、韓國和美國,目前仍在建造中,預計於 2025 年開始進行初步電漿測試,並於 2035 年進行氘和氚的核融合實驗。

2020年ITER空照。圖/wikipedia

根據一般說法,ITER 產出能量的功率會達到 5 億瓦特,但只需要五千萬瓦特的能量輸入功率,亦即,融合能量增益因子 Q 會高達 10。這聽起來很不錯,似乎可以作為商業發電之用,或者至少很接近商業發電的目標了。是這樣嗎?

But,人生最重要就是這個 But,5 億瓦特的能量輸出功率,是指核融合反應釋出的能量,而非實際上能夠獲得的電力;有很大一部份比例的能量,都會在轉換成電力時漏失。同時,五千萬瓦特的能量輸入功率,也只是整間電廠營運需求的一部份——根據 ITER 的報告,運作整間電廠約需要 4 億 4 千萬瓦特的能量功率。換言之,儘管 ITER 應該會是近未來 Q 值最高、最成功的核融合設施,但距離商業發電,仍然有一段差距。這也是目前全球的科學家在努力克服的問題。

自己在家做出核融合反應爐?

儘管核融合發電於現實中仍存在許多問題。但是,我們卻也偶爾會看到,媒體大肆渲染,某某青少年在自家做出小型核融合反應爐的新聞,難道全球科學家都被不世出的天才青少年打臉了嗎?

媒體上對青少年自製核融合反應爐的報導。圖/截圖自ETtoday

這類所謂自製的核融合反應爐,大體來說,就是將氘氣引入真空容器內,再利用高電壓使其互撞,並在過程中藉由測得中子,推論核融合反應存在。然而,雖然核融合反應會產生中子,但測到中子並不表示就一定是核融合反應。高速的氘原子互撞,就算沒有成功融合,仍然可能經由其他作用產生中子

另一方面,就算真的有零星的核融合反應出現,其能量產出效率必定極低,輸入的能量遠大於輸出的能量。我們可以說,要人工地讓核融合反應發生,在現代並不是問題;如何讓輸出大於輸入,且持續穩定運作,才是主要的問題。

科學的進步與成功,事實上仰賴許多前人的鋪路,後人才能在前人的基礎上順利抵達終點。如果沒有知識的累積,就期待一蹴可及、出現某個天才打臉所有人,完成前無古人的成果,雖然很有戲劇性,但幾乎是不可能的事情,現代科學研究尤其更是如此。

我們是否將見證歷史性的一刻?

核融合作為未來可能的能源選項之一,無疑是值得研究的課題。過程中花費的金錢與人力縱然可觀,但天下沒有不勞而獲的事,總是要嘗試了,才會知道結果怎麼樣。人類的科學文明,就是這樣不斷地在諸多失敗和成功下,累積成現在的成果。

核融合研究,多年下來有著長足的進步,距離商業發電的目標越來越近。儘管目前看起來,核融合發電距離實用化,還有一段距離,而還要多久才能克服這最後一哩路,也很難說。但搞不好,或許數十年之內,我們就有機會目睹人類能源的歷史性突破。

美國能源部科學家最近發表的統計。橫軸為年代,縱軸則是核融合裝置的效率指標。最上面的黑色和棕色水平線條,則是商業發電需要達到的目標。在數十年來,由不同顏色實線代表的核融合裝置,已有了長足的進步。圖/Progress toward fusion energy breakeven and gain as measured against the Lawson criterion

參考資料

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科學大抖宅_96
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在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/