阿基米德的小發明，是螺絲界的一大步！——《轉動世界的小發明：螺絲釘與螺絲起子演化的故事》

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

根據教育部編《國語辭典》，這成語的解釋是：「比喻人或事物，隨著憑藉者的地位提升而升高。」你覺得拗口是不是？其實這成語是說，水位高了，水裡的船跟著升高，造兩個句你就更明白了。

油價一漲，民生用品水漲船高，人們的生活開支就增加了。

最近老師教得認真，結果水漲船高，段考成績普遍提高了。

如果水位變低了呢？水裡的船當然跟著降低。當水位低於船隻沒入水中的部份（稱為吃水），船隻就會擱淺。談到這裡，就得談談浮力原理了。

這原理的發現還有個小故事呢！相傳某希臘國王，做了一頂純金王冠。有人密報，金冠攙假。然而秤一下重量，又和當初交給金匠的純金一樣重。國王還是不放心，就請科學家阿基米德鑑定。

阿基米德苦思多日，想不出辦法。一天，他在家裡洗澡，當他進入澡盆時，看見水往外溢，突然悟出：「可以用測定固體在水中排水量的辦法，來確定金冠的比重啊！」他興奮地跳出澡盆，大聲喊著：「尤里卡，尤里卡！」（尤里卡，就是「發現了」的意思）。

阿基米德把王冠和同等重量的純金，放在兩個容量相同、盛滿水的盆子裡，發現放王冠的盆子，溢出的水比另一盆多些。說明王冠的體積，比相同重量的純金的體積大，證明了王冠並非純金製的，揭露了金匠欺君之罪。

阿基米德因此發現了浮力原理（又稱阿基米德原理）：物體在水（液體）中所獲得的浮力，等於物體所排出（開）液體的重量。根據浮力原理，只要水夠深，幾萬噸的船都能浮在水上，因為它排開的水，比船還要重啊！

章老師曾搭乘郵輪經過蘇伊士運河。這條運河寬 205-225 公尺，深 23-24 公尺，所以只要船隻吃水的部份不超過 20 公尺，保證可以通行。章老師搭乘的是艘中小型郵輪，只有 3.5 萬噸，加上 1000 名乘客和 400 位工作人員，吃水可能不到 10 公尺。走在我們前面的，是艘 10 萬噸級的貨輪，也行駛得十分順當。查一下資料，這條運河可以浮起 24 萬噸的船呢！

那麼 2021 年 3 月間怎會發生蘇伊士運河事件？發生事故的長賜號，總噸位 220,940 噸，寬 58.8 公尺，都在安全值之下。可是運河水深 23-24 公尺，是指中央的航道，靠近岸邊就沒那麼深了。長賜號被強風吹離航道，在岸邊擱淺。這還不說，長賜號全長 399.94 公尺，擱淺時斜著卡在運河中，把整條運河堵住了。

• 文／賴昭正｜前清大化學系教授、系主任、所長；合創科學月刊

西方科學的發展基於兩大成就：希臘哲學家發明了形式邏輯系統（歐幾里得幾何），以及發現了通過系統實驗找出因果關係的可能性（文藝復興時期）。 在我看來，中國的先賢們沒有邁出這一步，也就不足為奇；令人驚訝的是這些發現出現了！——愛因斯坦，1921 年諾貝爾物理獎

在「思考別人沒有想到的東西—誰發現量子力學？」一文之意見裡，有些讀者認為應該用「發明」，而不是「發現」：

• 量子力學該是發明而非發現的。量子現象是物理學家發現的，因此發明了一套理論來解釋——管用但非常不直覺。
• 科學被認為一種發現，然而「詮釋」與「解釋」則似乎更像是一種「創造」或「發明」。
• 所說「發明了一套理論來解釋」不夠清楚。應該說發明了一條方程式——薛丁格的波方程式。之後推演出一整套原子軌域只是數學上的發現必然如此，而且經實驗驗證，大自然確實如此運作。
• 在概念上個人是以德布洛伊所「發明」的物質波為一個界線…… 對於本文所探討的誰發現量子力學？可以存在著另一個見解為薛丁格「發現」且「找到」或「猜測」出了量子波動方程；波爾、海森堡、波恩等人「發明」了量子力學。

筆者不甚苟同，因此想在這裡拋磚引玉，談一談筆者的看法。

在中文或英文裡，發現（discovery）與發明（invention）均顯然有非常不同的意義。

我們說哥倫布發現新大陸；因為新大陸早就存在自然界，所以我們不會說哥倫布發明新大陸。造紙術、指南針、火藥、及印刷術並不存在於自然界中，所以我們說這是中國古代的四大發明，而不是四大發現。從這裡我們可以看出在日常用語中，發現與發明的分別主要在於該「東西」是不是已經存在於自然界中。

「存在」的物理意義

可是什麼是「存在」於自然界中的呢？相信大部分的人都持與馬赫（Enerst Mach, 1838-1916，奧地利物理學家、哲學家）一樣的看法：只五官的感覺是真實的、是「存在」的。馬赫的一句名言是：「我不相信原子的存在！」

因此儘管道爾頓（John Dalton）在 19 世紀初就提出原子論，19 世紀中期後化學家成功地將它應用於解釋化合物的組成及化學反應現象，但大部分的物理學家到 20 世紀初還是不相信原子的存在！

1905 年，當愛因斯坦還是瑞士專利局的一位小職員時，發表一篇論文謂液體中看不到的原子會轟擊懸浮粒子，導致可以在顯微鏡下直接觀察到布朗運動（Brownian Motion）。1908 年 5 月，愛因斯坦發表了第二篇關於布朗運動的論文，提供了細節，及可透過實驗檢驗他的理論的方法。

同年，法國物理學家佩蘭（Jean Perrin）進行了一系列實驗後，寫道：「（我的結果）毫無疑問嚴格且準確地證實了愛因斯坦的（預測）公式」。佩蘭的實驗不但說服了許多物理學家相信原子的存在，他也因之獲得了 1926 年諾貝爾物理獎。

可是有人「看」過原子嗎？1955 年，美國賓夕法尼亞州立大學的穆勒（Erwin Muller）和巴哈杜爾（Kanwar Bahadur）終於透過場離子顯微鏡（field ion microscope）在尖銳的鎢樣品尖端觀察到單個鎢原子，可是這並不是肉眼直接看到的，而是透過理論「解釋」所觀察到的。像前面提到之一些讀者的意見一樣，馬赫認為科學理論是用來描述與歸納觀感，它存在於感觀之外，與現實無關；但大部分的物理學家都認為這是哲學的問題，他們是「看到」了原子！物理理論是存在於宇宙中的，等待我們去發現。

在「微中子的故事」一文裡，筆者提到了 1930 年包立（Wolfgan Pauli）為了解救能量不滅定律免於破壞，在「非常絕望下」下提出了一個後來被稱為「微中子」（neutrino）的觀念。當時「微中子」根本不存在宇宙中，我們不知道包立是否認為這是一種發明；但1995年諾貝爾物理獎發給「……通過實驗證明……微中子的存在」之物理學家來內士（Frederick Reines）。

老實說，筆者想破大腦都不知道這一個在基本粒子標準模型裡不帶電、沒有質量、不是電磁波、沒有人直接觀感過、只有能量的「東西」會是什麼「東西」？更令筆者難以相信及理解的是：它竟然還有兩位兄弟姐妹！

「發現」還是「發明」？

我們現在就用上面那些觀點來探討，到底牛頓是發現還是發明萬有引力？萬有引力是抽象的、不是「東西」，牛頓當然不可能用眼睛發現；牛頓發現的只是蘋果往地上掉及宇宙中星球之有規律的運動（現象），從中推論出萬有引力（解釋）。因此對牛頓而言，他或許認為萬有引力不存在於自然界中，是他的創造出來的，所以要說是一種發明，好像也沒什麼反對的理由。

可是萬有引力真的不存在於宇宙中嗎？1798 年，英國科學家卡文迪許（Henry Cavendish）在實驗室中不但測出兩個物體間的引力，也準確地量得萬有引力常數！所以眼睛看不到的「東西」並不代表不存在於宇宙中——牛頓顯然是發現、而不是發明萬有引力定律！

同樣的道理，普朗克根本沒發現什麼量子「現象」，他只是看到了黑體輻射的光譜分佈，便提出能量量化的觀念，在當時顯然是一種發明，但後來的發展（如原子的光譜）不是證明了「能量量化」存在於宇宙中嗎？量子力學成功地解釋和預測了這些現象，因此也被認為是存在於宇宙中的。

當然，我們知道物理理論或定律是可能被推翻或修正的，但這只代表我們的發現錯了。哥倫布不是以為他到了印度群島嗎？

德布洛伊（Louis de Broglie）「發明」物質波嗎？1927 年貝爾實驗室的戴維森（Clinton Davisson）和格默（Lester Germer）在實驗室中，發現被鎳金屬晶體表面散射的電子顯示出干擾圖案後，大部分的科學家都相信物質波的存在，因此諾貝爾獎委員「敢」將 1929 年物理獎頒發給德布洛伊，1937 年物理獎頒發給戴維森和格默了。

「是不是已經存在於自然界中」事實上也正是中外專利局判斷是否頒發「發明專利」的基礎；台灣專利法謂：「發明專利是指利用自然界法則之技術思想的創作，對於欲解決之問題，使用適宜的技術手段，產生其功效，達成所預期的發明目的。

發明專利必須具有技術性，不具技術性之發明，例如單純的發現、科學原理、單純之美術創作等，都不符合發明的定義。」在這一法規下，萬有引力、相對論、量子力學…… 等等科學原理都是發現，不能申請發明專利。

量化或量子化

既然在這裡談到科學用詞，我們不妨也來談談「能量量化」的意義。

在「天才愛因斯坦曾和諾貝爾獎擦身而過？ 相對論也不曾得過諾貝爾獎」的泛科學影片裡，有聽眾建議將「普朗克提出能量量化的觀念」中之「能量量化（quantization）」改為「能量量子（quanta）化」。

筆者認為「能量量子化」中的「子」字有「微粒子」的意義在內；但普朗克在他那篇「開創量子力學」的文章中，只認為空心黑色球體內任一頻率（n）輻射能量均不是連續的，而是由 hn 單位組成的，輻射的發射和吸收必須以hn進行，從沒提過「能量量化」的觀點，更甭說具有「微粒子」之意的「能量量子化」了。因此我們只能從以後的發展來判斷。

在古典力學裡，氫原子中的電子可能具有的能量應該是連續的；但後來發現只能存在某些能階上才可以解釋光譜——這應該說是一種「能量量化」的現象，而不是「能量量子化」的現象！讓我們在這裡用一個日常生活的例子或許更能說明其間的差異：實數是連續的（質），但我們用它來數人頭時，卻發現它只能存在於整數的「數階」上（量）。讀者覺得用實數被「量化」了、或是被「量子化」了比較適合？

結論

愛因斯坦謂「西方科學的發展基於兩大成就：希臘哲學家發明了形式邏輯系統，以及發現了通過系統實驗找出因果關係的可能性」。

從這名言裡，我們可以看出愛因斯坦顯然認為因果是存在於宇宙中的，將它們連在一起的形式邏輯系統（formal logical system）才是一種發明；所以我們可以說薛丁格發明了「波動量子力學」；海森堡（Werner Heisenberg）、伯恩（Max Born）和喬丹（Pascual Jordan）發明了「矩陣量子力學」；狄拉克（Paul Dirac）發明了希爾伯特（Hilbert）空間上的「算子（operator）量子力學」——他們以不同的數學形式表達了物理學家所發現的量子物理（理論）。

在「不用數學就可以解釋—相對論的著名想像實驗「雙胞胎悖論」一文裡，筆者提到了時間及空間是人類製造出來便利溝通的語言。為了解釋觀察到的現像，不同運動者對時間便必須有不同的認知，否則就會發生像「雙胞胎悖論」（twin paradox）一樣的矛盾。

同樣地，作家在寫一篇文章時，也必須假設讀者對主題具有某些程度的了解與認知。如果假設不對，那便像內人讀筆者的文章一樣，不管筆者是用發明或發現，對她來說都是「不知所云」！而如果能在讀者心中起了共鳴呢？則不管筆者是用發明或發現，相信讀者都能心領筆者事實上是在有意或無意中表達了對某一物理觀念的看法。

延伸閱讀

• 「微中子的故事」（科學月刊2016年11月號）或《我愛科學》（華騰文化有限公司，2017年12月出版）。
• 「思考別人沒有想到的東西—誰發現量子力學？」（泛科學，2022/06/01）。
• 「不用數學就可以解釋—相對論的著名想像實驗雙胞胎悖論」（泛科學，2022/08/26）。
• 「天才愛因斯坦曾和諾貝爾獎擦身而過？ 相對論也不曾得過諾貝爾獎」（泛科學YouTube影片，2022/10/01）。
• 基本粒子的標準模型 （泛科學，2018/10/09）。