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防曬擦越多越好?研究顯示防曬乳部分成分會由皮膚進入血液

彥寧
・2019/10/03 ・2451字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 495 ・六年級

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一時出遊一時爽,一直出遊一直爽!不過,出門玩的時候,若是待在戶外太久,很容易被刺眼陽光曬傷(啊啊啊是破壞死光啊)。這時候為了不要被曬傷,就應該塗防曬乳,對吧?

但是,你知道其實大部分的防曬乳都沒有經過藥品的安全測試嗎?

又刺又亮的陽光彷彿能讓城市燒起來。圖/GIPHY

等等,你說沒有經過測試是什麼意思!?

在美國,他們將防曬乳視為能防止曬傷和皮膚癌的藥,所以由美國食品藥品監督管理局 (U.S. Food and Drug Administration,縮寫為 FDA) 來管理。

從前,在美國賣藥品是不需要任何數據及資料來支持其效力的;但是,在 1962 年,一款緩解孕吐的鎮靜劑在西歐導致成千上萬的嬰兒出現嚴重的先天性缺陷,所以美國 FDA 修法,要求藥品製造商必須科學地證明藥物不僅安全,而且有效。

然而,修法曠日廢時,當終於完成的時候,已經有超過 10 萬種非處方藥在市面上流通,其中便包括了本文的主角──防曬乳。

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面對這樣的狀況,美國 FDA 的處理方式是:為它們一個一個列出成分表,如果有公開數據證明這些成分通常是安全有效的,就不用再做進一步檢驗。

正因如此,才會導致現今大部分的防曬乳都跳過了藥品安全測試這一關。

大部分的防曬乳其實都沒有經過藥品的安全測試。圖/chezbeate@Pixaby

擦在皮膚上的防曬乳,原來可以滲入血液中

但是在今年 (2019) 五月,美國醫學會雜誌 (Journal of the American Medical Association) 刊登了一篇美國 FDA 對防曬乳的隨機臨床試驗結果。(Matta et al., 2019)

他們讓 24 位受試者每天塗四次,持續四天,三天過後抽取血樣並進行分析。

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結果,這次的分析確定了市售防曬乳中,有四種化學物質會通過皮膚滲入血液,而且滲入的量讓美國 FDA 認為需要進一步的毒理學測試,以確認是否會導致癌症或其他不良缺陷。

這四種化學物質分別是苯甲酮 (Oxybenzone)、阿伏苯宗 (avobenzone)、奧克立林 (Octocrylene) 還有依莰舒 (ecamsule)。

嘿!防曬乳的研究大概比想像難多了

雖然我們可以嘗試藉由臨床測試來了解藥物對人體帶來的影響,但是,在沒有大規模長期研究的情況下,其實多半無法預測它多年後所產生的後續影響。

因此,單憑缺乏負面證據並不能證明防曬乳是安全的

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另一方面,有動物研究結果發現,防曬乳中吸收紫外線的分子 (UV filter),可能會對生殖、發育還有免疫等等多方面產生不利影響,甚至破壞內分泌系統,而前面提到的苯甲酮 (Oxybenzone) 便是其中一員。

苯甲酮 (Oxybenzone) 的化學結構式。圖/wikipedia

等等,所以防曬乳會讓我們不孕不育嗎?別那麼快下結論。

前美國 FDA 專員、杜克大學醫學院教授羅伯特卡利夫博士 (Dr. Robert Califf) 便解釋道:就算 UV filter 可能會在人體中造成類似風險,但目前並沒有證據證明真是如此。另一 方面,大族群中個體之間的微小差異其實很重要,但我們很難發現這些差異。女性無法懷孕、男性無法生育……這些事情每天都在發生,我們不會想到「噢!一定是防曬乳害的」,當然,也可能真的不是防曬乳害的。

這樣聽起來,防曬乳的研究實在是難以進行啊!

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怎麼辦,這樣還要擦防曬乳嗎?

到底是要擦不擦,我真的不知道該怎麼辦啊啊啊!圖/giphy

別緊張別緊張,如果因為這樣就不擦防曬乳的話,毒辣的太陽可是會導致曬傷的!而且,美國 FDA 目前也維持原有立場,認為人們該繼續擦防曬,畢竟,防曬乳能夠防止曬傷及皮膚癌是不爭的事實。

美國 FDA 同時也要求製造商們從事進一步研究,且必須在期限內提供額外的數據及資料,否則將可能將他們製造的防曬乳下架。

還是先給我擦防曬啊!不然曬傷可是很痛苦的!圖/chezbeate@Pixabay

那麼,有沒有更安心的選擇呢?

不過,其實也不是所有防曬乳都含有上述的化學物質喔!防曬乳根據防曬原理及成份可以分為三種:物理性、化學性還有混合性防曬乳。

物理性防曬乳的防曬原理,是藉由防曬乳中的二氧化鈦 (TiO2) 跟氧化鋅 (ZnO) 將紫外線反射、折射或是散射掉,藉此達到防曬的作用;而化學性防曬乳則是由分子吸收紫外線後,將其轉換為熱能或其他能量釋放掉,以達到防曬的效果。如果是物理性防曬乳,就沒有那些會滲入皮膚的化學物質了!

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辨認防曬乳的方法其實非常簡單,只要看看成份表上面有什麼就好!若是成份只有二氧化鈦 (TiO2) 跟氧化鋅 (ZnO) 的話,就是物理性防曬乳;如果缺少上述兩種成分,而是含有其他化學物質的話,那就是化學性防曬乳。而既有二氧化鈦和氧化鋅,也有其他化學物質的,就是混合性的防曬乳啦!

不過啊,雖然物理性防曬乳並不會有化學物質滲入皮膚的問題,與此同時,它也沒有化學性防曬乳來得清爽,擦起來會比較油膩、厚重,而且比較容易顯白,有較重的粉末感喔!

目前市面上大部分流通的防曬乳其實都是混合型防曬乳,各位如果有特殊偏好,在購買防曬乳時還請注意標示,別買錯囉!

只塗在鼻子是沒有用的喔,會曬到的地方都塗才有保護的效果。圖/chezbeate@Pixabay

最後,雖然一直出遊一直爽,但遇到曬傷可就不太爽啦!所以夏日出門,還是記得要擦防曬喔!否則等到曬傷脫皮時再來懊悔就沒用啦!

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參考資料

  1. The New York Times Magazine : When You Wear Sunscreen, You’re Taking Part in a Safety Study
  2. The New York Times Magazine : How Safe Is Sunscreen?
  3. U.S Food & Drug Administratuion : Kefauver-Harris Amendments Revolutionized Drug Development
  4. 美的好朋友:物理性防曬和化學性防曬到底哪個好?關鍵5點讓你秒懂!防曬全攻略
  5. CASE 報科學:【生活化學】防曬乳科學:是保護還是另一種傷害?
  6. Matta, M. K., Zusterzeel, R., Pilli, N. R., Patel, V., Volpe, D. A., Florian, J., … & Kemp, S. (2019). Effect of sunscreen application under maximal use conditions on plasma concentration of sunscreen active ingredients: a randomized clinical trial. Jama321(21), 2082-2091.
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彥寧
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比起鯛魚燒,我更喜歡章魚燒。

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拆解邊緣AI熱潮:伺服器如何提供穩固的運算基石?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/05/21 ・5071字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文與 研華科技 合作,泛科學企劃執行。

每次 NVIDIA 執行長黃仁勳公開發言,總能牽動整個 AI 產業的神經。然而,我們不妨設想一個更深層的問題——如今的 AI 幾乎都倚賴網路連線,那如果哪天「網路斷了」,會發生什麼事?

想像你正在自駕車打個盹,系統突然警示:「網路連線中斷」,車輛開始偏離路線,而前方竟是萬丈深谷。又或者家庭機器人被駭,開始暴走跳舞,甚至舉起刀具向你走來。

這會是黃仁勳期待的未來嗎?當然不是!也因為如此,「邊緣 AI」成為業界關注重點。不靠雲端,AI 就能在現場即時反應,不只更安全、低延遲,還能讓數據當場變現,不再淪為沉沒成本。

什麼是邊緣 AI ?

邊緣 AI,乍聽之下,好像是「孤單站在角落的人工智慧」,但事實上,它正是我們身邊最可靠、最即時的親密數位夥伴呀。

當前,像是企業、醫院、學校內部的伺服器,個人電腦,甚至手機等裝置,都可以成為「邊緣節點」。當數據在這些邊緣節點進行運算,稱為邊緣運算;而在邊緣節點上運行 AI ,就被稱為邊緣 AI。簡單來說,就是將原本集中在遠端資料中心的運算能力,「搬家」到更靠近數據源頭的地方。

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那麼,為什麼需要這樣做?資料放在雲端,集中管理不是更方便嗎?對,就是不好。

當數據在這些邊緣節點進行運算,稱為邊緣運算;而在邊緣節點上運行 AI ,就被稱為邊緣 AI。/ 圖片來源:MotionArray

第一個不好是物理限制:「延遲」。
即使光速已經非常快,數據從你家旁邊的路口傳到幾千公里外的雲端機房,再把分析結果傳回來,中間還要經過各種網路節點轉來轉去…這樣一來一回,就算只是幾十毫秒的延遲,對於需要「即刻反應」的 AI 應用,比如說工廠裡要精密控制的機械手臂、或者自駕車要判斷路況時,每一毫秒都攸關安全與精度,這點延遲都是無法接受的!這是物理距離與網路架構先天上的限制,無法繞過去。

第二個挑戰,是資訊科學跟工程上的考量:「頻寬」與「成本」。
你可以想像網路頻寬就像水管的粗細。隨著高解析影像與感測器數據不斷來回傳送,湧入的資料數據量就像超級大的水流,一下子就把水管塞爆!要避免流量爆炸,你就要一直擴充水管,也就是擴增頻寬,然而這樣的基礎建設成本是很驚人的。如果能在邊緣就先處理,把重要資訊「濃縮」過後再傳回雲端,是不是就能減輕頻寬負擔,也能節省大量費用呢?

第三個挑戰:系統「可靠性」與「韌性」。
如果所有運算都仰賴遠端的雲端時,一旦網路不穩、甚至斷線,那怎麼辦?很多關鍵應用,像是公共安全監控或是重要設備的預警系統,可不能這樣「看天吃飯」啊!邊緣處理讓系統更獨立,就算暫時斷線,本地的 AI 還是能繼續運作與即時反應,這在工程上是非常重要的考量。

所以你看,邊緣運算不是科學家們沒事找事做,它是順應數據特性和實際應用需求,一個非常合理的科學與工程上的最佳化選擇,是我們想要抓住即時數據價值,非走不可的一條路!

邊緣 AI 的實戰魅力:從工廠到倉儲,再到你的工作桌

知道要把 AI 算力搬到邊緣了,接下來的問題就是─邊緣 AI 究竟強在哪裡呢?它強就強在能夠做到「深度感知(Deep Perception)」!

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所謂深度感知,並非僅僅是對數據進行簡單的加加減減,而是透過如深度神經網路這類複雜的 AI 模型,從原始數據裡面,去「理解」出更高層次、更具意義的資訊。

研華科技為例,旗下已有多項邊緣 AI 的實戰應用。以工業瑕疵檢測為例,利用物件偵測模型,快速將工業產品中的瑕疵挑出來,而且由於 AI 模型可以使用同一套參數去檢測,因此品管上能達到一致性,減少人為疏漏。尤其在高產能工廠中,檢測速度必須快、狠、準。研華這套 AI 系統每分鐘最高可處理 8,000 件產品,替工廠節省大量人力,同時確保品質穩定。這樣的效能來自於一台僅有膠囊咖啡機大小的邊緣設備—IPC-240。

這樣的效能來自於一台僅有膠囊咖啡機大小的邊緣設備—IPC-240。/ 圖片提供:研華科技

此外,在智慧倉儲場域,研華與威剛合作,研華與威剛聯手合作,在 MIC-732AO 伺服器上搭載輝達的 Nova Orin 開發平台,打造倉儲系統的 AMR(Autonomous Mobile Robot) 自走車。這跟過去在倉儲系統中使用的自動導引車 AGV 技術不一樣,AMR 不需要事先規劃好路線,靠著感測器偵測,就能輕鬆避開障礙物,識別路線,並且將貨物載到指定地點存放。

當然,還有語言模型的應用。例如結合檢索增強生成 ( RAG ) 跟上下文學習 ( in-context learning ),除了可以做備忘錄跟排程規劃以外,還能將實務上碰到的問題記錄下來,等到之後碰到類似的問題時,就能詢問 AI 並得到解答。

你或許會問,那為什麼不直接使用 ChatGPT 就好了?其實,對許多企業來說,內部資料往往具有高度機密性與商業價值,有些場域甚至連手機都禁止員工帶入,自然無法將資料上傳雲端。對於重視資安,又希望運用 AI 提升效率的企業與工廠而言,自行部署大型語言模型(self-hosted LLM)才是理想選擇。而這樣的應用,並不需要龐大的設備。研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,體積僅如後背包大小,卻能輕鬆支援語言模型的運作,實現高效又安全的 AI 解決方案。

但問題也接著浮現:要在這麼小的設備上跑大型 AI 模型,會不會太吃資源?這正是目前 AI 領域最前沿、最火熱的研究方向之一:如何幫 AI 模型進行「科學瘦身」,又不減智慧。接下來,我們就來看看科學家是怎麼幫 AI 減重的。

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語言模型瘦身術之一:量化(Quantization)—用更精簡的數位方式來表示知識

當硬體資源有限,大模型卻越來越龐大,「幫模型減肥」就成了邊緣 AI 的重要課題。這其實跟圖片壓縮有點像:有些畫面細節我們肉眼根本看不出來,刪掉也不影響整體感覺,卻能大幅減少檔案大小。

模型量化的原理也是如此,只不過對象是模型裡面的參數。這些參數原先通常都是以「浮點數」表示,什麼是浮點數?其實就是你我都熟知的小數。舉例來說,圓周率是個無窮不循環小數,唸下去就會是3.141592653…但實際運算時,我們常常用 3.14 或甚至直接用 3,也能得到夠用的結果。降低模型參數中浮點數的精度就是這個意思! 

然而,量化並不是那麼容易的事情。而且實際上,降低精度多少還是會影響到模型表現的。因此在設計時,工程師會精密調整,確保效能在可接受範圍內,達成「瘦身不減智」的目標。

當硬體資源有限,大模型卻越來越龐大,「幫模型減肥」就成了邊緣 AI 的重要課題。/ 圖片來源:MotionArray

模型剪枝(Model Pruning)—基於重要性的結構精簡

建立一個 AI 模型,其實就是在搭建一整套類神經網路系統,並訓練類神經元中彼此關聯的參數。然而,在這麼多參數中,總會有一些參數明明佔了一個位置,卻對整體模型沒有貢獻。既然如此,不如果斷將這些「冗餘」移除。

這就像種植作物的時候,總會雜草叢生,但這些雜草並不是我們想要的作物,這時候我們就會動手清理雜草。在語言模型中也會有這樣的雜草存在,而動手去清理這些不需要的連結參數或神經元的技術,就稱為 AI 模型的模型剪枝(Model Pruning)。

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模型剪枝的效果,大概能把100變成70這樣的程度,說多也不是太多。雖然這樣的縮減對於提升效率已具幫助,但若我們要的是一個更小幾個數量級的模型,僅靠剪枝仍不足以應對。最後還是需要從源頭著手,採取更治本的方法:一開始就打造一個很小的模型,並讓它去學習大模型的知識。這項技術被稱為「知識蒸餾」,是目前 AI 模型壓縮領域中最具潛力的方法之一。

知識蒸餾(Knowledge Distillation)—讓小模型學習大師的「精髓」

想像一下,一位經驗豐富、見多識廣的老師傅,就是那個龐大而強悍的 AI 模型。現在,他要培養一位年輕學徒—小型 AI 模型。與其只是告訴小型模型正確答案,老師傅 (大模型) 會更直接傳授他做判斷時的「思考過程」跟「眉角」,例如「為什麼我會這樣想?」、「其他選項的可能性有多少?」。這樣一來,小小的學徒模型,用它有限的「腦容量」,也能學到老師傅的「智慧精髓」,表現就能大幅提升!這是一種很高級的訓練技巧,跟遷移學習有關。

舉個例子,當大型語言模型在收到「晚餐:鳳梨」這組輸入時,它下一個會接的詞語跟機率分別為「炒飯:50%,蝦球:30%,披薩:15%,汁:5%」。在知識蒸餾的過程中,它可以把這套機率表一起教給小語言模型,讓小語言模型不必透過自己訓練,也能輕鬆得到這個推理過程。如今,許多高效的小型語言模型正是透過這項技術訓練而成,讓我們得以在資源有限的邊緣設備上,也能部署愈來愈強大的小模型 AI。

但是!即使模型經過了這些科學方法的優化,變得比較「苗條」了,要真正在邊緣環境中處理如潮水般湧現的資料,並且高速、即時、穩定地運作,仍然需要一個夠強的「引擎」來驅動它們。也就是說,要把這些經過科學千錘百鍊、但依然需要大量計算的 AI 模型,真正放到邊緣的現場去發揮作用,就需要一個強大的「硬體平台」來承載。

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邊緣 AI 的強心臟:SKY-602E3 的三大關鍵

像研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,就是扮演「邊緣 AI 引擎」的關鍵角色!那麼,它到底厲害在哪?

一、核心算力
它最多可安裝 4 張雙寬度 GPU 顯示卡。為什麼 GPU 這麼重要?因為 GPU 的設計,天生就擅長做「平行計算」,這正好就是 AI 模型裡面那種海量數學運算最需要的!

你想想看,那麼多數據要同時處理,就像要請一大堆人同時算數學一樣,GPU 就是那個最有效率的工具人!而且,有多張 GPU,代表可以同時跑更多不同的 AI 任務,或者處理更大流量的數據。這是確保那些科學研究成果,在邊緣能真正「跑起來」、「跑得快」、而且「能同時做更多事」的物理基礎!

二、工程適應性——塔式設計。
邊緣環境通常不是那種恆溫恆濕的標準機房,有時是在工廠角落、辦公室一隅、或某個研究實驗室。這種塔式的機箱設計,體積相對緊湊,散熱空間也比較好(這對高功耗的 GPU 很重要!),部署起來比傳統機架式伺服器更有彈性。這就是把高性能計算,進行「工程化」,讓它能適應台灣多樣化的邊緣應用場景。

三、可靠性
SKY-602E3 用的是伺服器等級的主機板、ECC 糾錯記憶體、還有備援電源供應器等等。這些聽起來很硬的規格,背後代表的是嚴謹的工程可靠性設計。畢竟在邊緣現場,系統穩定壓倒一切!你總不希望 AI 分析跑到一半就掛掉吧?這些設計確保了部署在現場的 AI 系統,能夠長時間、穩定地運作,把實驗室裡的科學成果,可靠地轉化成實際的應用價值。

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研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,體積僅如後背包大小,卻能輕鬆支援語言模型的運作,實現高效又安全的 AI 解決方案。/ 圖片提供:研華科技

台灣製造 × 在地智慧:打造專屬的邊緣 AI 解決方案

研華科技攜手八維智能,能幫助企業或機構提供客製化的AI解決方案。他們的技術能力涵蓋了自然語言處理、電腦視覺、預測性大數據分析、全端軟體開發與部署,及AI軟硬體整合。

無論是大小型語言模型的微調、工業瑕疵檢測的模型訓練、大數據分析,還是其他 AI 相關的服務,都能交給研華與八維智能來協助完成。他們甚至提供 GPU 與伺服器的租借服務,讓企業在啟動 AI 專案前,大幅降低前期投入門檻,靈活又實用。

台灣有著獨特的產業結構,從精密製造、城市交通管理,到因應高齡化社會的智慧醫療與公共安全,都是邊緣 AI 的理想應用場域。更重要的是,這些情境中許多關鍵資訊都具有高度的「時效性」。像是產線上的一處異常、道路上的突發狀況、醫療設備的即刻警示,這些都需要分秒必爭的即時回應。

如果我們還需要將數據送上雲端分析、再等待回傳結果,往往已經錯失最佳反應時機。這也是為什麼邊緣 AI,不只是一項技術創新,更是一條把尖端 AI 科學落地、真正發揮產業生產力與社會價值的關鍵路徑。讓數據在生成的那一刻、在事件發生的現場,就能被有效的「理解」與「利用」,是將數據垃圾變成數據黃金的賢者之石!

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為什麼會被陽光曬傷?光有能量的話,為什麼照日光燈沒事?
PanSci_96
・2024/05/05 ・3185字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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唉!好曬呀!前兩集,一些觀眾發現我曬黑了。

在臺灣,一向不缺陽光。市面上,美白、防曬廣告亦隨處可見,不過,為什麼我們會被陽光曬傷呢?卻又好像沒聽過被日光燈曬傷的事情?

事實上,這也跟量子力學有關,而且和我們今天的主題密切連結。

之前我們討論到量子概念在歷史上的起點,接下來,我們會進一步說明,量子概念是如何被發揚光大,以及那個男人的故事。

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光電效應

在量子力學發展過程中,光電效應的研究是非常重要的轉捩點。

光電效應指的是,當一定頻率以上的光或電磁波照射在特定材料上,會使得材料發射出電子的現象。

在 19 世紀後期,科學家就已經發現某個奇特的現象:使用光(尤其是紫外線)照射帶負電的金屬板,會使金屬板的負電消失。但當時他們並不清楚背後原理,只猜測周遭氣體可能在紫外線的照射下,輔助帶負電的粒子從金屬板離開。

光電效應示意圖。圖/wikimedia

於是 1899 年,知名的英國物理學家 J. J. 湯姆森將鋅板放置在低壓汞氣之中,並照射紫外線,來研究汞氣如何幫助鋅板釋放負電荷,卻察覺這些電荷的性質,跟他在兩年前(1897 年)從放射線研究中發現的粒子很像。

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它們是比氫原子要輕約一千倍、帶負電的微小粒子,也就是我們現在稱呼的電子。

1902 年,德國物理學家萊納德發現,即使是在抽真空的玻璃管內,只要照射一定頻率以上的光,兩極之間便會有電流通過,電流大小跟光的強度成正比,而將光線移除之後,電流也瞬間消失。

到此,我們所熟知的光電效應概念才算完整成型。

這邊聽起來好像沒什麼問題?然而,若不用現在的量子理論,只依靠當時的物理知識,很難完美解釋光電效應。因為根據傳統理論,光的能量多寡應該和光的強度有關,而不是光的頻率。

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如果是光線把能量傳給電子,讓電子脫離金屬板,那為什麼需要一定頻率以上的光線才有用呢?比如我們拿同樣強度的紫外線跟紅外線去照射,會發現只有照射紫外線的金屬板才會產生電流。而且,當紫外線的頻率越高,電子的能量就越大。

另一方面,若我們拿很高強度的紅外線去照射金屬板,會發現無論如何都不會產生電流。但如果是紫外線的話,就算強度很低,還是會瞬間就產生電流。

這樣難以理解的光電效應,使得愛因斯坦於 1905 年一舉顛覆了整個物理學界,並建立了量子力學的基礎。

光電效應的解釋

為了解釋光電效應,愛因斯坦假設,電磁波攜帶的能量是以一個個帶有能量的「光量子」的形式輻射出去。並參考先前普朗克的研究成果,認為光量子的能量 E 和該電磁波的頻率 ν 成正比,寫成 E=hν,h 是比例常數,也是我們介紹過的普朗克常數。

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在愛因斯坦的詮釋下,電磁波的頻率越高,光子能量就越大,所以只要頻率高到一定程度,就能讓電子獲得足以逃脫金屬板的能量,形成電流;反過來說,如果電磁波的頻率不夠高,電子無法獲得足夠能量,就無法離開金屬板。

這就像是巨石強森一拳 punch 能把我打昏,但如果有個弱雞用巨石強森百分之一的力道打我一百拳,就算加起來總力道一樣,我是不會被打昏,大概也綿綿癢癢的,不覺得受到什麼傷害一樣。

而當電磁波的強度越強,代表光子的數目越多,於是脫離金屬板的電子自然變多,電流就越大。就如同我們挨了巨石強森很多拳,受傷自然比只挨一拳要來得重。

雖然愛因斯坦對光電效應的解釋看似完美,但是光量子的觀點實在太過激進,難以被當時的科學家接受,就連普朗克本人對此都不太高興。

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對普朗克來說,基本單位能量 hν,是由虛擬的「振子」發出的;但就愛因斯坦而言,電磁波本身的能量就是一個個光量子,或現在所謂的「光子」。

然而,電磁波屬於波動,直觀來說,波是綿延不絕地擴散到空間中,怎麼會是一個個攜帶最小基本單位能量的能量包呢?

美國物理學家密立根就堅信愛因斯坦的理論是錯的,並花費多年時間進行光電效應的實驗研究。

到了 1914 年,密立根發表了世界首次的普朗克常數實驗值,跟現在公認的標準數值 h=6.626×10-34 Js(焦耳乘秒)相距不遠。

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在論文中,密立根更捶心肝(tuî-sim-kuann)表示,實驗結果令人驚訝地與愛因斯坦那九年前早就被人拋棄的量子理論吻合得相當好。

這下子,就算學界不願相信愛因斯坦也不行了。愛因斯坦也因為在光電效應的貢獻,獲得 1921 年的諾貝爾物理獎。

1921 年,愛因斯坦獲得諾貝爾物理學獎之後的官方肖像。圖/wikimedia

光電效應的應用

在現代,光電效應的用途廣泛。我們日常生活中常見的太陽能發電板,利用的就是光電效應的一種,稱為光生伏打效應,材料內部的電子在吸收了光子的能量後,不是放射到周遭空間,而是在材料內部移動,形成正負兩極,產生電流。

而會不會曬傷也跟光子的能量有關。

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曬傷是皮膚受到頻率夠高的太陽光,也就是紫外線裡的 UVB 輻射造成的損傷。這些光子打到皮膚,會讓 DNA 分子裡構成鍵結的電子逃逸,引起皮膚細胞中 DNA 的異常變化,導致細胞損傷和免疫反應,這就是為什麼曬傷後皮膚會出現紅腫、疼痛和發炎的原因。

而頻率較低的光線,因為光子能量偏低,所以就不太會造成傷害,這也是為什麼我們沒聽過被日光燈曬傷這種事。

結語

從 17 世紀後半,惠更斯和牛頓各自提出光的波動說和微粒說開始,人們就聚焦於光到底是波動還是粒子的大哉問;19 世紀初,湯瑪士.楊用雙狹縫干涉實驗顯示了光的波動性,而到 19 世紀中後期,光屬於電磁波的結論終於被馬克士威和赫茲分別從理論和實驗兩方面確立。

經過約莫兩百年的研究發展,世人才明白,光是一種波動。

怎知,沒過幾年,愛因斯坦就跳出來主張光的能量由一個個的光量子攜帶,還通過實驗的檢驗——光又成為粒子了。

物理學家不得不承認,光具有波動和粒子兩種性質,而會呈現哪一種特性則依情況而定,稱為光的波粒二象性。

愛因斯坦於 1905 年提出的光量子概念,顛覆了傳統認為波動和粒子截然二分的觀點,將光能量量子化的詮釋也被實驗印證,在那之後,除了光的能量之外,還有其他物理量被發現是「量子化」的,像是電荷。

我們現在知道,電荷也有個基本單位,就是單一電子攜帶的電荷大小。

儘管之後又發現組成原子核的夸克,具有 -1/3 和 +2/3 單位的基本電荷,但並沒有改變電荷大小是不連續的這件事,並不是要多少的電量都可以。

如果你覺得很奇怪,不妨想想,我們用肉眼看會覺得身體的每一個部位都是連續的,但其實在微觀尺度,身體也是由一個個很小的原子和分子組成,只是我們根本看不出來,才覺得是連續的。

光子的能量和電荷的大小,其實也是像這樣子,細分下去就會發現具有最基本的單位,不是連續的。

事實上,量子力學在誕生之後,一直不斷地為人們帶來驚喜,簡直就是物理學界突然闖進一隻捉摸不定的貓。我們下一個故事,就要來聊量子力學發展過程中,打破世間常識的某個破天荒假說,而假說的提出者,是大學原本主修歷史和法律,擁有歷史學士學位,但後來改念物理,並憑藉博士論文用 5 年時間就拿到諾貝爾物理學獎的德布羅意。

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爲什麼代糖這麼多,卻沒聽過「代油」呢?
羅紹桀
・2023/07/31 ・5420字 ・閱讀時間約 11 分鐘

本文節錄自原作者個人網站:無熱量零卡食用油-蔗糖聚酯(Olestra):副作用、爭議和相關研究,您亦可閱讀其英文原文:Olestra(Olean): Side Effects, Controversies & Researches. How can Cooking Oil be Zero Calorie? How Can Potato Chips Fat Free?

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這個時代幾乎所有的你能想到的食品都有一個零熱量的版本,比如零卡可樂、零卡義大利麵和零卡果凍,食品製造商宣稱這些食物能有與一般的食物相似的風味,卻沒有卡路里。

可是你有沒有想過,在這個到處都是代糖的時代,為什麼沒有看到脂肪替代品或零熱量食用油呢?

其實,還真的有由寶僑公司(P&G)開發的蔗糖聚酯(Olestra),又稱 Olean。

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這時問題來了,既然有沒有熱量的油這麼好的東西存在,為什麼寶僑公司沒有大肆宣傳大賣特賣呢?

答案是寶僑公司當然有試圖大賣蔗糖聚酯,但 FDA(編按:美國食品藥物管理局) 因為其潛在的風險對其設了諸多限制,因為蔗糖聚酯作為油脂還不能被人體吸收,造成嚴重的油便現象(因為沒被吸收只好被排出來呀),同時還會帶走脂溶性維他命或處方藥物,造稱諸多健康問題。

其實當時 FDA 通過蔗糖聚酯作為洋芋片添加品時,就已經爭議不斷了,前 FDA 食品諮詢委員會和科學委員會 Marion Nestle 就在她 2002 年出版的書 Food Politics: How the Food Industry Influences Nutrition & Health 中,寫了一整個章節在討論蔗糖聚酯的爭議。

本文將解釋什麼是蔗糖聚酯。我們將介紹它是什麼,為什麼它不像代糖那樣受歡迎,以及相關的爭議。

什麼是蔗糖聚酯 Olestra——零卡路里脂肪?

蔗糖聚酯(Olestra,也稱為 Olean)是一種不含卡路里的脂肪替代品。 它被用來降低或消除薯片等食物中的脂肪含量和卡路里,這些食物中如果使用一般油脂製作的話脂肪含量通常會很高。

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可是食用油怎麼可能不含脂肪甚至不含卡路里呢?

是這樣的:脂肪的化學結構是三酸甘油酯,通常一個脂肪分子由兩種部分組成:一個甘油骨架三條脂肪酸。其中甘油的分子比較簡單,而脂肪酸的種類和長短卻不相同,包括飽和脂肪酸單不飽和脂肪酸多不飽和脂肪酸。甘油是一個有機小分子,含有三個羥基(OH),而一個脂肪酸是一條碳氫長鏈和一個羰基相連。

三酸甘油酯的的一個例子。左側部分為甘油,右側部分從上到下分別為三種不同的酸。圖/wikipedia

人體要吸收油脂,通常需要脂酶(Lipase)的幫助。脂酶是一種在腸道中發現的酶,它可以分解食物油脂中的三酸甘油酯,將其轉化為單酸甘油酯脂肪酸,截短分子,使分子小到足以穿過腸壁。

然而,在蔗糖聚酯的結構中,甘油分子的部分被蔗糖分子(Sucrose)取代,蔗糖分子有八個羥基(OH),可以連接八個脂肪酸分子,使得脂肪酶無法作用在這麼大的分子上,因此蔗糖聚酯 Olestra 可以毫髮無損地通過腸道而不被人體吸收。 因此蔗糖聚酯雖然嘗起來像脂肪,但實際上不含可用卡路里。

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蔗糖聚酯(Olestra)的結構。Olestra 因為結合蔗糖分子,導致結構巨大且更緊密,脂酶無法進入結構中進行切割。圖/wikipedia

在 1996 年,美國食品藥品監督管理局(FDA)批准 olestra 可以用於即食零食 ,並裁定這樣的使用「符合食品添加劑的安全標準,合理認定其為無害」。 然而,這個結論極具爭議性,我們將在本文後面討論。

蔗糖聚酯的商業化和爭議性

蔗糖聚酯是在 1968 年被寶僑公司偶然發現的。當時寶僑公司(P&G)的研究人員 F. Mattson 和 R. Volpenhein 希望通過改變脂肪的結構,研發出更容易能被早產兒消化的脂肪。


然而,在實驗過程中,他們創造了一種脂肪分子,這個分子巨大且複雜,無法被人體消化系統中的脂酶分解,也就是本文的主角:蔗糖聚酯。

寶僑隨後於 1971 年與美國食品和藥物管理局(FDA) 開始著手討論了將蔗糖聚酯作為食品添加物所需的測試項目。

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寶僑(Procter & Gamble,簡稱 P&G),為源自美國的跨國消費日用品公司,也是目前全球最大的日用品生產商之一。圖/wikipedia
位於辛辛那提的寶僑總部。圖/wikipedia

寶僑在隨後的測試中發現,如果使用蔗糖聚酯替代天然膳食脂肪,能讓血液中的膽固醇水平下降。發現這個潛在的盈利機會之後, 寶潔公司 1975 年向 FDA 申請批准該物質作為降膽固醇藥物。然而,隨後的人體試驗顯示,蔗糖聚酯無法充分降低膽​​固醇水平,因此該應用於 1988 年被放棄。

大約在同一時間,寶僑又向 FDA 申請批准蔗糖聚酯作為食品添加劑,以替代酥油、食用油和零食用油等等。根據 FDA 的說法,寶僑在兩年後修改了申請訴求,將蔗糖聚酯的使用侷限於於包裝零食的添加物。

1984 年,FDA 允許家樂氏(Kellogg)公開聲稱他們的高纖維早餐麥片有助於降低癌症發病率。這個宣稱食品療效的批准案例,被寶僑看在了眼裡,促使寶僑公司立即開始了一項為期三年的測試,試圖證明 Olestra 也具有某種療效,這樣他們就可以在產品宣傳上聲稱相關的療效,藉以大賺一筆。完成這些測試後,寶僑立即試圖申請批准蔗糖聚酯作為一種「家庭烹飪中可替代高達 35% 的脂肪,在商業用途中替代高達 75%」的食品添加劑。

FDA 對蔗糖聚酯的主要擔憂之一,是它可能會因此導致人們在吃油炸物時有不該有的安全感,養成習慣開始食用更多「金字塔頂端」的食物(也就是脂肪、油和糖)。另外,批准蔗糖聚酯作為一種食品添加成分也可能會導致人們習慣食用含有高劑量人工添加劑的食品,這些添加劑通常由於現有研究不足,對健康的長期影響未知。

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因此,除了發現蔗糖聚酯可能導致腹瀉等副作用,以及影響人體吸收脂溶性維生素以外,FDA 對批准該產品的使用限制猶豫不決。

1990 年 8 月,寶僑申請蔗糖聚酯作為「鹹味零食」——例如薯片和玉米片等產品的食品添加劑。當時原專利定於 1995 年到期。1993 年 12 月,寶僑成功申請專利延期,同時在寶僑對 FDA 的瘋狂施壓下,於 1996 年 1 月 24 日,FDA 終於批准 Olestra 作為食品添加成分。

FDA 在 1996 年的裁決中判定:

含有蔗糖聚酯的食品需要帶有明確標示,以告知消費者蔗糖聚酯對胃腸系統可能產生的影響。標示中還必須聲明:本產品添加的維生素,是為了補償蔗糖聚酯造成的維生素流失,而不是提供更高的營養價值。

FDA 後來撤回了該判定,聲稱它具有誤導性,因為 FDA 與寶僑公司認為,「相關標示可能具有誤導性,並導致消費者將嚴重問題歸因於蔗糖聚酯,而這『不太可能』是這種情況」。然而許多證據都顯示,相關問題的確是由蔗糖聚酯的食用行為造成的。

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食用蔗糖聚酯有什麼可能的副作用?

蔗糖聚酯的缺點、副作用和危險性是它可能導致稀便脹氣腹部絞痛。此外,它可能會阻止身體吸收類蘿蔔素等可以降低罹患癌症的風險的營養素。Olestra 還可能阻礙身體吸收維生素 A、D、E 和 K

根據 1998年發表在 Journal of the American Dietetic Association 的文章 FDA 食品諮詢委員會於 1996 年 1 月 24 日做出了一個有爭議的決定,允許將蔗糖聚酯用於鹹味零食(例如,薯片、玉米片等鹹味零食)。由於蔗糖聚酯與含有維生素 A、D、E 或 K 的膳食一起服用時,可能會干擾維生素 A、D、E 或 K 的吸收,因此 FDA 要求按照以下指定的方式,將損失的脂溶性維生素重新添加到含有蔗糖聚酯的產品中:

每克蔗糖聚酯需添加 170 IU 維生素 A、12 IU 維生素 D、2.8 IU 維生素 E、8 微克維生素 K。

總部位於華盛頓特區的非營利性監督機構和消費者權益倡導組織、倡導更安全、更健康食品的公共利益科學中心(CSPI)鑑於蔗糖聚酯的副作用(包括脹氣、腹部絞痛、腹瀉和稀便)有時候可能會很嚴重,因此在其網站上將蔗糖聚酯評為 「避免食用」。

CSPI 認為,雖然製造商可以使用蔗糖聚酯替代油酯製造油膩的低脂零食,但如果要節省卡路里,烘焙食品是更安全的替代品。而且由於蔗糖聚酯技術上來說還是含有大量「無法消化的脂肪」,使用蔗糖聚酯製成的產品不應宣稱其產品是「無脂肪」產品。

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蔗糖聚酯和真的油脂有多類似?

美國時代公司於 1980 年 10 月創辦的美國科學雜誌 Discover Magazine(自 2010 年起歸 Kalmbach Publishing 所有) 的一篇文章 The Chemistry of . . . Fat Substitutes,討論了這個問題。

蔗糖聚酯嘗起來像脂肪,但實際上不含可用卡路里,兩項由寶僑公司資助的研究表明,食用它對高膽固醇或心髒病患者有幫助。其中一項研究表明,食用蔗糖聚酯的人可以將膽固醇水平降低 10% 以上;另一項研究發現,在剛吃過含有蔗糖聚酯的香蕉鬆餅的人中,流向心臟的血流量增加了 10% 以上。

在這裡我想讓你注意兩點,第一,這篇文章提到這項研究發表於 2001 年,所以它們是相當舊的研究,但目前都還沒有太多其他研究支持相同的療效。

其次,這些研究是由寶潔贊助的,而寶潔正是試圖將蔗糖聚酯商業化販賣的公司,所以我會對這些研究結果持保留態度。

人類可以消化蔗糖聚酯嗎?

根據加拿大國家百科全書《The Canadian Encyclopedia》發表的題為〈Olestra Controversy〉的文章,以及另一篇題為《Olestra Eaters, Beware》、由 WebMD 發表的文章,蔗糖聚酯可能會阻礙必需的維生素和營養素的吸收。它也可能導致腸胃脹氣和腹瀉,因為如果脂肪不能被身體吸收,它最終必須「去某個地方」。

但在 1996 年,儘管營養學家和消費者權益倡導者強烈反對,美國 FDA 仍批准將蔗糖聚酯用於鹹味零食和餅乾——前提是包裝上必須有警告消費者「該相關食品可能導致消化不良」的標示。

​​在 2000 年 2 月 15 日出版的《內科醫學年鑑》(Annals of Internal Medicine)上,由醫學博士 Ranga Balasekaran 領導的研究小組還發現,經常食用含有蔗糖聚酯的薯片,可能會被檢測出偽陽性的脂肪瀉,因為蔗糖聚酯獨特的化學成分很可能讓他們的糞便中含有大量脂肪,導致昂貴和不必要的醫學測試。

含有蔗糖聚酯的產品還在市面上流通嗎?

根據 Insider 於 2017 年發表的一篇題為「在美國合法但在其他國家禁止的 6 種食品」的文章,由於蔗糖聚酯的食用行為與兒童胃腸道疾病成人嚴重腹瀉有關,並且還被發現會增加食慾,完全抵消了(宣稱的)潛在益處,因此在加拿大和歐洲國家被禁止。但你有可能在美國的食品中找到蔗糖聚酯,有時還會以其品牌名稱「Olean」代稱。

蔗糖聚酯真的不含脂肪嗎?

根據公共利益科學中心(CSPI) ,一家總部位於華盛頓特區的非營利性監督機構和消費者權益倡導組織,雖然製造商可以銷售帶有蔗糖聚酯的油膩低脂零食,但他們建議還是使用「以烘烤代替油炸」等傳統卡路里管控策略更為安全,而且由於技術上含有大量不易消化的脂肪,因此 CSPI 的立場是使用 蔗糖聚酯製成的產品不應標榜為「無脂肪產品」。

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羅紹桀
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目前在美國一家數位行銷公司當SEO分析師,特別愛Google的What People Also Ask功能所以還特地開了一個Youtube頻道專門分享各種關鍵字會觸發什麼PAA。 影片皆有中文字幕歡迎訂閱:https://www.youtube.com/channel/UClgRDretD9XNp3ydod8TIlA/videos