從「鐘」的演化史看見絕妙的齒輪工藝世界│《電腦簡史》 齒輪時代（十一）

本文與 BRITA 合作，泛科學企劃執行。

你確定你喝的水真的乾淨嗎？

如果你回到兩百年前，試圖喝一口當時世界上最大城市的飲用水，可能會立刻放下杯子——那水的顏色帶點黃褐，氣味刺鼻，甚至還飄著肉眼可見的雜質。十九世紀倫敦泰晤士河的水，被戲稱為「流動的污水」，當時的人們雖然知道水不乾淨，但卻無力改變，導致霍亂和傷寒等疾病肆虐。

幸運的是，現代自來水處理系統已經讓我們喝不到這種「肉眼可見」的污染物，但問題可還沒徹底解決。面對 21 世紀的飲水挑戰，哪些技術真正有效？

濾水技術：從霍亂危機到高效濾芯

19 世紀的歐洲因為城市人口膨脹與工業發展，面臨了前所未有的水污染挑戰。當時多數城市的供水系統仍然依賴河流、湖泊，甚至未經處理的地下水，導致傳染病肆虐。

1854 年，英國醫生約翰·斯諾（John Snow）透過流行病學調查，發現倫敦某口公共水井與霍亂爆發直接相關，這是歷史上首次確立「飲水與疾病傳播的關聯」。這項發現徹底改變了各國政府對供水系統的態度，促使公衛政策改革，加速了濾水與消毒技術的發展。到了 20 世紀初，英國、美國等國開始在自來水中加入氯消毒，成功降低霍亂、傷寒等水媒傳染病的發生率，這一技術迅速普及，成為現代供水安全的基石。    

 19 世紀末的台灣同樣深受傳染病困擾，尤其是鼠疫肆虐。1895 年割讓給日本後，惡劣的衛生條件成為殖民政府最棘手的問題之一。1896 年，後藤新平出任民政長官，他本人曾參與東京自來水與下水道系統的規劃建設，對公共衛生系統有深厚理解。為改善台灣水源與防疫問題，他邀請了曾參與東京水道工程的英籍技師 W.K. 巴爾頓（William Kinnimond Burton） 來台，規劃現代化的供水設施。在雙方合作下，台灣陸續建立起結合過濾、消毒、儲水與送水功能的設施。到 1917 年，全台已有 16 座現代水廠，有效改善公共衛生，為台灣城市化奠定關鍵基礎。

進入 20 世紀，人們已經可以喝到看起來乾淨的水，但問題真的解決了嗎？ 科學家如今發現，水裡仍然可能殘留奈米塑膠、重金屬、農藥、藥物代謝物，甚至微量的內分泌干擾物，這些看不見、嚐不出的隱形污染，正在成為21世紀的飲水挑戰。也因此，濾水技術迎來了一波科技革新，活性碳吸附、離子交換樹脂、微濾、逆滲透（RO）等技術相繼問世，各有其專長：

• 活性碳吸附：去除氯氣、異味與部分有機污染物

• 離子交換樹脂：軟化水質，去除鈣鎂離子，減少水垢

• 微濾技術、逆滲透（RO）技術：攔截細菌與部分微生物，過濾重金屬與污染物等

這些技術相互搭配，能夠大幅提升飲水安全，然而，無論技術如何進步，濾芯始終是濾水設備的核心。一個設計優良的濾芯，決定了水質能否真正被淨化，而現代濾水器的競爭，正是圍繞著「如何打造更高效、更耐用、更智能的濾芯」展開的。於是，最關鍵的問題就在於到底該如何確保濾芯的效能？

濾芯的壽命與更換頻率：濾水效能的關鍵時刻濾芯，雖然是濾水器中看不見的內部構件，卻是決定水質純淨度的核心。以德國濾水品牌 BRITA 為例，其濾芯技術結合椰殼活性碳和離子交換樹脂，能有效去除水中的氯、除草劑、殺蟲劑及藥物殘留等化學物質，並過濾鉛、銅等重金屬，同時軟化水質，提升口感。

然而，隨著市場需求的增長，非原廠濾芯也悄然湧現，這不僅影響濾水效果，更可能帶來健康風險。據消費者反映，同一網路賣場內便可輕易購得真假 BRITA 濾芯，顯示問題日益嚴重。為確保飲水安全，建議消費者僅在實體官方授權通路或網路官方直營旗艦店購買濾芯，避免誤用來路不明的濾芯產品讓自己的身體當過濾器。

辨識濾芯其實並不難——正品 BRITA 濾芯的紙盒下方應有「台灣碧然德」的進口商貼紙，正面則可看到 BRITA 商標，以及「4週換放芯喝」的標誌。塑膠袋外包裝上同樣印有 BRITA 商標。濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣，並且沒有拉環設計，底部則標示著創新科技過濾結構。購買時仔細留意這些細節，才能確保濾芯發揮最佳過濾效果，讓每一口水都能保證潔淨安全。

不過，即便是正品濾芯，其效能也非永久不變。隨著使用時間增加，濾芯的孔隙會逐漸被污染物堵塞，導致過濾效果減弱，濾水速度也可能變慢。而且，濾芯在拆封後便接觸到空氣，潮濕的環境可能會成為細菌滋生的溫床。如果長期不更換濾芯，不僅會影響過濾效能，還可能讓積累的微小污染物反過來影響水質，形成「過濾器悖論」（Filter Paradox）：本應淨化水質的裝置，反而成為污染源。為此，BRITA 建議每四週更換一次濾芯，以維持穩定的濾水效果。

為了解決使用者容易忽略更換時機的問題，BRITA 推出了三大智慧提醒機制，確保濾芯不會因過期使用而影響水質：

1. Memo 或 LED 智慧濾芯指示燈：即時監測濾芯狀況，顯示剩餘效能，讓使用者掌握最佳更換時間。

2. QR Code 掃碼電子日曆提醒：掃描包裝外盒上的 QR Code 記錄濾芯的使用時間，自動提醒何時該更換，減少遺漏。

3. LINE 官方帳號自動通知：透過 LINE 推送更換提醒，確保用戶不會因忙碌而錯過更換時機。

在濾水技術日新月異的今天，濾芯已不僅僅是過濾裝置，更是智慧監控的一部分。如何挑選最適合自己需求的濾水設備，成為了健康生活的關鍵。

濾水技術：不僅是進步，更是守護未來

人類對潔淨飲用水的追求，從未停止。19世紀，隨著城市化與工業化發展，水污染問題加劇並引發霍亂等疾病，促使濾水技術迅速發展。20世紀，氯消毒技術普及，進一步保障了水質安全。隨著科技進步，現代濾水技術透過活性碳、離子交換等技術，去除水中的污染物，讓每一口水更加潔淨與安全。

今天，消費者不再單純依賴公共供水系統，而是能根據自身需求選擇適合的濾水設備。例如，BRITA 提供的「純淨全效型濾芯」與「去水垢專家濾芯」可針對不同需求，從去除餘氯、過濾重金屬到改善水質硬度等問題，去水垢專家濾芯的去水垢能力較純淨全效型濾芯提升50%，並通過 SGS 檢測，通過國家標準水質檢測「可生飲」，讓消費者能安心直飲。

然而，隨著環境污染問題的加劇，真正的挑戰在於如何減少水污染，並確保每個人都能擁有乾淨水源。科技不僅是解決問題的工具，更應該成為守護未來的承諾。濾水器不僅是家用設備，它象徵著人類與自然的對話，提醒我們水的純淨不僅是技術的勝利，更是社會的責任和對未來世代的承諾。

*符合濾(淨)水器飲用水水質檢測技術規範所列9項「金屬元素」及15項「揮發性有機物」測試
*僅限使用合格自來水源，且住宅之儲水設備至少每6-12個月標準清洗且無受汙染之虞

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。

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。

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。

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。

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」。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。