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埃及莎草紙——紙的緣起與改良│環球科學札記(15)

張之傑_96
・2021/02/24 ・1585字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 511 ・六年級

  • 文/張之傑

和平號通過蘇伊士運河時,不知何時上來兩個埃及小販,在八樓巴伊雅廳門口賣些服飾和藝品。莎草紙畫每三張十塊美金,我已許久不買藝品,但有一張描繪用天平稱取亡魂的紙草畫吸引了我。西方的地獄有類似的天平,中國也有業秤。是心同此理還是互有淵源?這是個值得研究的課題。

五月十七日,上午參觀開羅埃及博物館,時間只有兩小時,導遊只能走馬觀花似的重點解說。在莎草紙畫廳,他介紹的正是那張以天平稱取亡魂善惡的莎草紙畫原件。我們約十一時二十分走出博物館,搭上遊覽車。車行五、六分鐘,來到尼羅河岸邊的一家船上餐廳午餐。吃過午餐,導遊帶我們到一家莎草紙畫店參觀,車程僅約五分鐘。

莎草紙的製作過程

解說員通華語,不停地說些肉麻當有趣的話。對我來說,最大的收穫是看到製作莎草紙的莎草,和看到莎草紙的製作過程。

莎草科和禾本科很像,其差異是:莎草科的莖桿呈三角形,實心;禾本科的莖桿呈圓形,中空。藺草就是常見的一種莎草科植物。然而,埃及紙莎草(Cyperus papyrus)的莖桿特別粗,從沒看過那麼粗大的莎草。

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莎草紙的製法是:將莎草的皮剝掉,取其髓部,剖為薄片,用木槌打薄,然後泡在水裡一週,取出編成蓆狀,再壓榨一週即成。我問解說員,浸泡的水裡要不要加膠水?他把我帶到櫃台,要我買一張,我說我已買了六張,只想長點知識。他才很不耐煩地說,沒加膠水,莎草天然就有黏性。

埃及紙莎草,取其髓部,剖為薄片,編為蓆狀,可製作莎草紙。作者攝

我們的這一車,沒人買那家紀念品店的紙草畫,導遊和解說員都很失望。我將小販昨天上船賣紙草畫的事告訴導遊和解說員。他說,一般小販賣的紙草畫是用香蕉葉做的,放置幾週就會變質。店裡賣的的確較為精緻,說小販賣的是用香蕉葉做的就言過其實了。

走出這家紙草畫店,有位船友問我:「埃及早就有紙了,怎麼說是中國發明的?」我對他說,紙有紙的定義。紙是用煮爛了的植物纖維(紙漿)做的。埃及的莎草紙只是將莎草的髓部壓扁,編成蓆狀,不能算是紙。

紙的緣起與改良

在紙沒發明前,古巴比倫人用泥板書寫,古埃及人用莎草紙書寫,古印度人用一種棕櫚科植物的葉子(貝葉)書寫,古歐洲人用羊皮書寫,古中國人用竹簡或木簡書寫。這些書寫材料不是使用不便,就是所費不貲。以西方人用的羊皮來說,抄寫一部《聖經》要用三百隻羊,一般人哪用得起啊!

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古埃及《亡靈書》以文字及圖像敘說亡靈之去處,以其中以作於公元前1275年的大英博物館中莎草紙藏本最為有名。圖為其插畫〈奧斯里斯對死者審判〉之摹本。作者攝

紙的發明起源很早,但早期的紙並不適於書寫。到了東漢,蔡倫綜合前人的經驗,用樹皮、麻頭、破布和破魚網做原料,將它們剪碎、蒸煮、搗爛,然後「抄」在蓆子上,晾乾就變成紙。用這種方法造的紙又薄又平,很適合寫字。東漢元興元年(105),蔡倫把這項成就報告漢和帝,從此全國各地都開始用這種方法造紙。

蔡倫改進造紙技術成功以後,造紙業迅速發展,所用的原料也愈來愈廣,從樹皮、竹子到麥桿、稻桿,凡是有纖維的東西幾乎都可以造紙。到了晉代,紙已取代了竹、木簡,成為人們最普遍使用的書寫材料。

八世紀時,中國人發明的造紙術開始西傳。唐玄宗天寶十年(751),中國和大食(阿拉伯帝國)在怛羅斯(今哈薩克、吉爾吉斯境內)打了一仗,中國戰敗,許多官兵被俘虜過去,這些被俘官兵中有不少造紙工人,於是造紙術就傳到大食。

公元一一五○年,阿拉伯人在西班牙設立紙廠(從八世紀初,西班牙就被阿拉伯人佔領),造紙術開始傳入歐洲。這時,距離蔡倫改進造紙術成功,已經有一千年了!

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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【成語科學】洛陽紙貴:從絲綿到用樹皮,古代的造紙簡史
張之傑_96
・2023/06/21 ・1079字 ・閱讀時間約 2 分鐘

東漢以後就是三國和西晉。西晉文學家左思,親自走訪三國的國都——吳都建康(今南京)、魏都洛陽、蜀都成都,耗時 10 年,寫成 1 萬多字的《三都賦》。

這篇賦寫得好極了,大家紛紛買紙來抄,一時供不應求,把洛陽的紙價都哄抬貴了。

這就是成語「洛陽紙貴」的由來。讓我們試著造個句吧。

  • 張愛玲的第一本小說集《傳奇》推出後,同一個月就再版了,受歡迎的程度當真可以用洛陽紙貴來形容。
  • 英國推理小說作家克莉絲蒂,每部小說都洛陽紙貴,其著作已譯成 100 多種語文,總銷量超過 20 億冊。

西元 291 年,左思寫成《三都賦》。上推 186 年(西元 105 年),蔡倫改良造紙術成功。左思的《三都賦》造成洛陽紙貴,可見這時的上層社會,紙已取代了竹簡。

《天工開物》中記載古代造紙術的流程。圖/維基百科

紙是中國的四大發明之一。最早的紙是絲綿紙,是古人無意中發明的。原來我們的祖先早就會製造絲綿了,方法是將蠶繭煮過,攤在竹蓆上,浸在水中打爛。當製好的絲綿從竹蓆上取下來時,蓆子上往往還殘留著一層絲綿。等竹蓆乾了,這層絲綿就變成一張薄薄的絲綿片。

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這一無意中的發現,帶給人們莫大的啟發,於是有人從水中將一層薄薄的絲綿「抄」(撈出來)在竹蓆上,晾乾後就成為絲綿紙。

絲綿紙用蠶絲做原料,價格太高,不可能大量生產,但它的製法卻具有啟發作用:既然可以用蠶絲來製紙,那麼可不可以用廉價的植物纖維代替?到了西漢,人們開始用大麻和苧麻製紙,所用的方法和絲綿紙完全相同;但當時的麻紙又粗又厚,不適合寫字。到了東漢,經過蔡倫的改良,才算有了成效。

蔡倫從小就到皇宮當太監。他曾經管理過宮廷用品,發現當時的書寫材料都有缺點:竹簡過於笨重,帛(絲織的布)和絲綿紙又太貴;於是決心改進造紙方法,希望能找到一種又便宜又實用的書寫材料。

西元 105 年,蔡倫成功改良造紙術。圖/維基百科

蔡倫綜合前人造紙的經驗,用樹皮、麻頭、破布和破魚網做原料,將它們剪碎、蒸煮、搗爛,然後「抄」在蓆子上,晾乾就變成紙了。用這種方法造出來的紙,又薄又平,很適合寫字。蔡倫把這項成就報告漢和帝,從此全國各地都開始用這種方法造紙。

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8 世紀時,中國人發明的造紙術傳到阿拉伯。12 世紀傳入歐洲。距離蔡倫改良紙術成功,已經有一千年了!

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天有多大?古埃及人用「駱駝」推算地球周長——天文學中的距離(一)
ntucase_96
・2021/10/01 ・2946字 ・閱讀時間約 6 分鐘

  • 撰文|許世穎

本文轉載自 CASE 科學報天有多大?天文學中的距離(1)—從地球到太陽

天文學中要怎麼量測長度或距離呢?地球上常用的直尺、捲尺、雷射測距儀等恐怕不是那麼適合。比較近的天體還有辦法直接量測,遠距離的只好仰賴一些間接的推斷。我們先從古埃及利用井、尖塔、駱駝推算出地球的周長出發,進而介紹利用雷達天文學等方法量測太陽系中月球、行星距離的方法。

地球周長:井、尖塔、駱駝

平常我們怎麼量測長度或距離呢?如果是桌上的小東西,我們可以用直尺;如果稍微遠一些,可以利用捲尺;再更遠一點的話可以利用雷射測距儀。這些都是地球上常見、常使用的距離量測工具。那當距離更遠的時候要怎麼辦呢?我們該怎麼量測地球的周長呢?月球、太陽有多遠呢?更遙遠的天體該怎麼辦呢?

我們不能一步登天。要先從比較近的開始直接量測,接著再想辦法間接推敲出遙遠天體的距離。就讓我們先從最近的「地球周長」開始吧!其實早在古希臘,畢達哥拉斯就已經提出了地球是「球」的想法。埃及學者埃拉托斯特尼(Eratosthenes)在公元前 240 年,就估計出一個地球周長的數值。這個算法很有趣,讓我們搭配圖 1 一起來看看。

圖1:埃拉托斯特尼的地球周長量測方法。來源/Eratosthenes | Biography, Discoveries, Sieve, & Facts | Britannica [2]

首先,他知道在夏至那天,可以從埃及城市「賽伊尼(Syene,即現在的Aswan)」的一座井中,看到太陽從正上方來的倒影。也就是說,夏至這一天太陽光會剛好直曬賽伊尼。他進一步量測,在夏至這一天,亞歷山大城(Alexandria)方尖石塔的影子長度。從這個影子長度和方尖石塔的高度,可以計算出太陽的天頂角 α。而因為三角形相似形的關係,這個天頂角 α 同時也會是賽伊尼與亞歷山大城在地球上的夾角。這個天頂角 α  約為 7.2°,因為7.2°佔了整個圓 360° 的 50 分之 1,所以將距離乘以 50,就是地球的圓周長。

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也就是說,只要找到賽伊尼與亞歷山大城之間的距離,再乘上 50,就是地球的圓周長…但是兩座城市之間的距離要怎麼知道呢?他從商隊那裏問到,這兩座城市要讓駱駝走 50 天,在經過一些計算即換算後,他得到地球的圓周長大約是 252000「stadia」(當時埃及的距離單位)。雖然他所用的單位「stadia」與現代長度單位的換算已經無法考證,但現代科學家認為他所量測出的這個數字約為 39,690 公里到 46,620 公里之間,與現代的公認值差異只有 1%-15% 左右而已![3]

月球距離:月食、雷射、反射鏡

有了地球的大小以後,再來讓我們來量月球吧!先從量測月球地球距離開始,其中一個方法是利用「月食」。這個方法可以追溯至希臘天文學家阿里斯塔克斯(Aristarkhos,310-230 B.C.)。他其實是紀載中最早提出日心說的人,可惜並沒有受到非常廣泛的認可。月食就是月亮進入了地球的影子。將地球影子的大小除上月食發生的時間就是月球移動的速度。而將月球移動的速度乘上月球繞一圈的時間(28 天左右),就可以得到月球繞地球的圓周長、半徑。

較為現代、更為直接的方法就是「雷射測距」,原理就跟雷射測距儀差不多。從地球上發射雷射光到月球上,藉由量測反射光,可以知道光來回所需要的時間,再乘上光速,就可以得到月球的距離囉。這個時間約為 2.5 秒,換算後的月地距離約為 38 萬公里。

圖2:阿波羅 14 號所放置的反射鏡。來源/NASA [4]

為了擁有更好的雷射光反射效果,人類還在月球上擺放了 5 個反射器,分別在 5 次人類登陸月球的任務中放置(3 次美國、2 次蘇聯,見圖 2)。這些反射器讓月地距離的精密度提升到了毫米等級。美國著名生活喜劇影集《The Big Bang Theory》裡面就有進行這個實驗的片段,讀者不妨去看看:Learn English with The Big Bang Theory: Blowing up the Moon(有字幕、英文教學版本)。

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精確的月地距離量測也帶給我們有趣的發現。比方說發現或量測出:月球每年以 3.8 公分的速率離地球愈來愈遠;月球內部可能有著月球半徑 5 分之 1 大小的液態核心;月球除了原先的運動以外,還有著額外的晃動,稱為「天平動(libration)」…等 [5]

行星距離:雷達

量測行星距離的方法類似量測月球距離的方法,只是行星的距離通常太過遙遠,使用一般的雷射光的話效果不好,必須改使用微波的波段,這個學門稱為「雷達天文學(radar astronomy)」。雷達天文學所使用的設備必須要能夠向宇宙發射高功率的微波,過去常用的天文台包含「阿雷西博天文台」(Arecibo Observatory)與「戈德斯通天文台(Goldstone Observatory,見圖 3)」

(延伸閱讀:再見了:阿雷西博天文台!

圖 3:戈德斯通天文台(Goldstone Observatory)。來源/JPL [6]

雷達天文學被運用太陽系內天體的研究,畢竟再更遠的話反射的訊號會太弱。在過去,雷達天文學除了幫助我們量測行星的距離,還可以拿來觀測天體的表面狀況 [7]

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太陽的距離:金星凌日

地球與太陽的平均距離稱為 1 個「天文單位(Astronomical Unit,簡稱 AU 或 au)」。要量測日地距離的話,總沒辦法用雷射測距了,太陽自己的光線太強、也沒辦法反射雷射光或微波,更不可能讓人上去裝設反射鏡。那該怎麼辦呢?我們可以利用「金星凌日」來幫忙!

圖 4:金星凌日。後面的黃色大球是太陽,黑色的小球則是金星,每隔一段時間拍攝一張相片疊在一起的結果。來源/NASA/SDO, HMI [8]

金星凌日是指從地球上看出去,金星從太陽前面經過的現象(圖 4)」。而這也是太陽、金星、地球接近一直線的時候。就好像是我們用手遮住陽光時,太陽、手、我們的眼睛會排列成一直線一樣。

根據克卜勒定律,我們可以計算出金星的軌道半徑為 0.72 天文單位。地球軌道半徑則是 1 天文單位。當太陽、金星、地球排成一直線時,可以得到金星與地球的距離是 0.28 天文單位。這時候只要量測出金星的距離,就可以換算出 1 天文單位的大小!

然而這個狀態下,在金星後面的太陽會嚴重干擾訊號,因此無法使用雷達來量測金星的距離。得靠別的方法來找出距離,這個方法稱為「視差(parallax)」。至於視差要怎麼使用,又怎麼讓丹麥天文學家、第谷使用正確的數據、正確的儀器、正確的推論、得到完全錯誤的結果,則是另一段故事了。

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(待續)

參考資料

  1. Free Images / Bedouin watching a caravan passing by near the pyramids of Giza
  2. Eratosthenes | Biography, Discoveries, Sieve, & Facts | Britannica
  3. wiki / Eratosthenes
  4. The New York Times / How Do You Solve a Moon Mystery? Fire a Laser at It
  5. wiki / Lunar Laser Ranging experiment
  6. wiki / Goldstone Deep Space Communications Complex
  7. wiki / Radar astronomy
  8. SPACE / Venus Crosses the Sun for Last Time Until 2117, Skywatchers Rejoice


本系列其它文章
天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽
天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星
天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」
天有多大?宇宙中的距離(4)—造父變星

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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。