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科學怎麼搞:念力讓手指變長?

YTLai_96
・2013/01/03 ・3479字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 470 ・五年級

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念力讓手指變長?

不久前,電視新聞上出現這麼一個報導:

…上百位兩岸大學生齊聚一堂,雙手合十,希望可以用念力把自己的手指頭變長。方法是先將兩隻手的手指頭對齊,再把其中一隻握起來,閉上眼睛心中默唸『手指變長』…高達九成的人都瞬間發現自己的手指頭變長了…這位女同學本來對齊的手指硬是多出了0.7公分,連他自己都嚇了一大跳…但是這有科學根據嗎?受訪的清大動機系學生表示,真的心念可以立即影響我們生理的改變,但這手指變長的科學根據,可能目前還沒有這樣的研究。…

我想,或許有些人看了影片之後,會馬上嗤之以鼻哼哼兩聲說『最好是啦,真有用的話你怎麼不讓!@^%$&#*也變長…』連嘗試都不願意。也可能有些人試了,或許也變長了或也沒變長而感到驚訝或無趣。但,即便新聞最後貌似想走客觀路線地提到了科學根據,也有個苦主受訪說出了一些什麼(而且還可能被移花接木),做過這個念力試驗或看過這個影片的人當中,真的吃飽太閒根據觀察與結果去思考前因後果並且提出假說甚至重複實驗的或許不多。

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那麼,既然沒有這樣的研究,我們就來搞搞這樣的研究,並且推想一下研究結果吧。

首先的首先,如果你還沒看過太極1:從零開始『科學怎麼搞』的楔子,你可以很快的瀏覽一下。如果沒時間看那也沒關係,畢竟『科學怎麼搞』比較接近CSI的單元劇,並不是需要前情提要的連續劇。但是,楔子提到的概念跟態度會一再出現在各文章裡,所以有先看過總是比較容易進入狀況。

首先,針對這個現象,我們可以有兩種不同的實驗方向:一種是重複他的實驗,看看我做出來的結果會不會也一樣;另一種則是直接相信他的結果,然後去拆解所有的變因,弄清楚到底是『怎麼變長的』。

我們先來走第一種路線好了。

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要重複這個實驗的話,看起來好像也不難呴?畢竟,如果套用我們從小學就學過的科學方法,那麼這個科學研究的流程顯然就是這樣的:先觀察到念力似乎可以讓手指變長,然後提出問題『念力真的可以讓手指變長嗎?』。接著,我們的假說可能是『因為念力(心中冥想讓手指變長)的作用,所以手指就真的受影響而變長了』,而後找人來進行實驗,例如另外兩百位兩岸大學生吧,結果發現大多數的人真的都變長了。於是確定假說正確,念力真的可以讓手指變長。

乍看之下好像都對,實際上錯的很。這樣的研究流程只是照本宣科的操作科學方法,卻完全沒有科學原則在其中。如果你忘記包覆在科學方法之外的科學原則跟態度,恐怕什麼結果都可以被實驗證明出來,哪怕是大便都會證明可食(是,我知道對特殊癖好的人來說這其實不用證明…)

首先,在『收集可觀察、可量度、可經驗的證據』這個科學原則上,既然這是個念力能不能讓手指變『長』的實驗,若要收集可觀察量度經驗的證據,依照小學生都懂的邏輯,最最起碼應該要『拿尺來量』。但是,量測的方法並不是如同影片中的『只量已經變長的部分』,而是測量手指長度,這樣才是讓人足以信服的證據。當然,測五隻手指好麻煩,既然根據影片看來中指總是變長最明顯的指頭,所以我們在實驗中就記錄中指長度的變化就好。

又,為了符合『客觀』的態度與方法,這個中指長度必須由五位測量者分別測量,再將五位測量者測到的長度平均。照理說,這樣就已經能夠消去相當部分因測量者心態造成的測量誤差(好比說打死不相信念力有用的測量者可能會量的很嚴苛,而打死都相信念力有用的測量者則可能量的寬鬆點),也可以避免測量者一時眼花或想睡造成的測量不精確。但是,更好的方式是讓這五位測量者完全不知道實驗內容,只知道自己的任務是『測量中指長度』而已。這種實驗設計一般是稱為『雙盲』,也就是「來做實驗的人不知道這個實驗的目的到底是什麼,只知道跟著口令動作」,而觀測者(也就是這邊的五位測量者)也不知道這個實驗到底在幹嘛,只知道某些時候要測量或記錄。不過,以這個實驗來說,就算來做實驗的人不知道實驗目的是『測試念力是否能讓手指變長』,跟著口令操作的時候也不會傻到想不出來,所以要做到雙盲設計相當困難,但至少讓測量者『單盲』,對實驗的客觀程度就大有幫助。

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所以,實驗大概會是這樣操作的:找來五位測量員在房間A待命,他們只知道自己等一下要測量受測者的中指長度兩次。另外找來一批又一批的受測者在房間B進行實驗。在實驗之前,請五位測量員到房間A測量每位受測者要實驗的手的中指長度,把五個量到的長度平均就是每個受測者的實驗前中指長度,實驗後再請測量員測量一次並且一樣平均,兩相比較就可以知道到底念力有沒有讓手指變長。這樣的實驗操作,就比原本的實驗更符合了『可觀察量度的證據』和『客觀的態度跟方法』兩項科學原則,而且因為是另外找來兩百位受測者,所以也算符合了『具有重複性』的要求。

(如果要增加實驗的客觀性,還可以要求受測者雙手併攏合十對齊之後,必須把手放在桌面正下方來做實驗,這樣受測者自己就看不到做出來的結果。當然,實驗後的手部長度測量也是由測量員在桌面正下方進行,因此受測者不得穿短裙以免讓測量員分心。)

至於這實驗的結果,我大膽武斷的推測:念力對於手指的長度是一點影響都沒有。

那為什麼影片中的手指看起來變長了?問題到底出在哪裡?

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各位應該很清楚,影片中的實驗流程與上述的實驗流程的最大差別,就在於判別手指有沒有變長的方式。影片中的方法是用雙手合十來比較,而的確,在握拳閉眼冥想之後,重新合十後的手指指尖也真的就超出了另一手的指尖。然而,在這個實驗中其實有個隱而不宣的假定(Assumption),那就是『雙手合十,一手握拳再伸直之後,會回到原先合十的位置』,但是,這個假定是正確的嗎?

當然是有問題的。

如果你仔細觀察這個『合十對齊一手握拳再伸直』的過程,你應該會發現握拳再伸直的手指並沒有回到原本的位置,而是連手掌整個往指尖方向『移動』了一點。你可以再重複一次這個過程,但是這次除了指尖之外,也注意合十的雙手食指的關節折線。你應該會發現,當手握拳伸直之後,本來互相對齊的食指關節折線就對不齊了,而且握拳手的關節折線應該跟指尖一樣向前移動了些。

根據我的觀察,這樣的移動來自於手掌心的彈性,畢竟我們的手掌不是硬梆梆的鐵塊而是有彈性的肌膚,所以就算你在握拳又伸直的過程中非常小心,讓雙手一直保持接觸而且沒有滑動,在伸直的時候也還是難免出了點向前推的力,而另一手的掌心肉也就往前拉動了點,於是伸直的指尖就超出另一手了。

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雙手食指的關節折線在握拳伸直前是對齊的
雙手食指的關節折線在握拳伸直前是對齊的

為了確定我的『掌心肉拉動』假說正確,我其實做了幾個實驗證明。首先,我們可以先在雙手手掌間夾上一張影印紙然後重複整個流程,你應該會發現指尖幾乎沒有任何改變。這是因為握拳手手掌接觸的不再是另一手手掌,而是沒有彈性無法被拉動的影印紙表面,所以握拳手也沒辦法有往前移動的空間。另一個方法是我們依然將雙手併攏,但這次手指不合十而是維持用力伸直張開,將指尖對齊之後一樣一手握拳閉眼冥想手指變長之後再用力伸直張開,你應該也會看到手指指尖沒有絲毫的差異。

這是因為當我們把手指用力伸直張開的時候,掌心肉也就被拉開繃緊,於是沒有了可以彈性拉動的空間。又或者,我們也可以把一隻手手指併攏貼在桌面牆面上,用這隻手的邊緣在牆面上畫出『另一隻手』,然後重複整個實驗。我幾乎可以斷定,哪怕你再怎麼努力握拳冥想,伸直以後的手指也依然是落在『另一隻手』的範圍內,一點變長的跡象都沒有。

所以,念力到底能不能讓手指變長?答案是不行。但是以影片中的方法,無論你有沒有閉眼冥想手指變長,只要把雙手合十對齊一手握拳再伸直,就是很容易出現『指尖超出另一手』的結果。而之所以會有這樣的現象,是因為另一手的掌心肌膚有彈性,在握拳手伸直的過程中稍微的被往前拉動的結果。如果你把手掌掌心的彈性去除,例如藉著手指用力伸直張開把掌心拉開繃緊,或是在掌心之間夾著一張紙,就幾乎不會出現『指尖超出另一手』的現象了。

恩,不過既然這個指尖突出的程度跟掌心肉的彈性有關,或許可以拿來當成『手掌綿密滑嫩』的指標?

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02242013更新:念力讓手指變長的小實驗解謎影片


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解密離岸風電政策環評:從審查標準到執行成效,一次看懂
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/12/21 ・3546字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文由 環境部 委託,泛科學企劃執行。 

政策環評是什麼,跟一般環評差在哪?

隨著公共建設的規模越來越大,傳統的環境影響評估(EIA),難以應對當今層層疊疊的環境議題。當我們評估一項重大政策時,只看「單一開發案」已經不夠,就像評估一棵樹,卻忽略了整片森林。因此,政策環境影響評估(SEA)應運而生,它看樹,也看森林,從政策的角度進行更全面的考量與評估。

與只專注於「單一開發案」的個案環評不同,政策環評更像是一場全面性的檢視,強調兩個核心重點:「整合評估」與「儘早評估」。簡單來說,這不再是逐案評估的模式,而是要求政府在制定政策時,就先全面分析可能帶來的影響,從單一行為的侷限中跳脫,轉而聚焦在整體影響的視角。無論是環境的整體變化,還是多項行為累計起來的長期影響,政策環評的目的就是讓這些潛在問題能儘早浮現、儘早解決。

除此之外,政策環評還像是一個大型的協商平台,以永續發展為最高指導原則,公開整合來自不同利益團體、民眾與各機關的意見。這裡,決策單位不再只是單純的「評分者」,而是轉為「協調者」或「仲裁者」,協調各方的意見看法在這裡得到整合,讓過程更具包容性。

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政策環評並沒有所謂的「否決權」,而是側重意見的蒐集與整合,讓行政機關在政策推動時,能更全面地掌握各方意見。政策環評旨在建立系統化、彈性的決策評估程序(包含量化、特徵化等評估方式),也廣納社會面或民眾滿意度等影響因子,把正式與非正式的作法一併考量進去。再來,決策程序中能層層檢討、隨時修正,也建立了追蹤機制和成效評估標準(如環境殘餘效應、累積效應等),透過學習來強化決策品質與嚴謹度。就像一場球賽,隨時根據變化、調整策略。

這樣的制度設計,就非常適合離岸風電這類規模大、跨區域、影響層面廣泛的能源政策評估,讓我們可以在政策推動初期就想到整個工程對環境、產業發展與社會的諸多影響,也為後續政策執行奠定更穩固的基礎。

政策環評並沒有否決權,而是重在整合各方意見、量化影響以及建立追蹤與修正機制,這樣的制度設計便適用於離岸風電等大型政策評估。圖/envato

離岸風電為何需要的是政策環評?

離岸風電是能源轉型的重要策略之一,但這不是只在某塊空地上架幾個風車,而是要在廣闊的大海中進行大規模建設,牽涉的不僅是發電,還涉及海洋保育、航空交通、水下文化資產等議題,更與當地漁民的權益息息相關。

這樣的大型離岸風電工程,因海洋環境的風險和不確定性極高,很容易讓人擔心生態影響。如何在海洋生態保護和綠能發展之間找到平衡點?這就需要政策環評的把關,從多方檢視這些複雜的挑戰,確保政策推行既能穩妥,又能達成發電目標。

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2016 年 3 月,經濟部自願提出「離岸風電區塊開發政策評估說明書」,是臺灣首次針對再生能源政策所進行的政策環評。根據這份評估說明書,政府將採分期公告、逐年檢討的方式,每三年開放 0.5~1 百萬瓩(GW)的電量額度鼓勵業者投入開發。當時環保署(現為環境部)歷經九個月召開 2 次意見徵詢會議,蒐集環評委員、專家學者、相關機關、民眾等意見,最終於同年 12 月的環評委員會作出徵詢意見。這些協商和檢討的過程,讓政策「名正言順」,得以充分顧及各方利益與生態平衡。

共通性環境議題與因應對策

在「離岸風電區塊開發政策評估說明書」中,環評會議盤點了開發過程中共通的環境議題。

首先,對於海洋生態保育的重點,特別是對中華白海豚的保護。環評會要求風機基座必須距離白海豚棲地1公里以上,以減少對其生態的干擾。實際上,這項規範在後續的實務執行中更為嚴格,例如,福海二期示範風場已退縮到 2.5 公里外,臺電二期風場甚至退到 4.2 公里外,顯示政策環評確實發揮了實質作用。此外,針對施工期間的聲音干擾,要求施工需有 30 分鐘以上的打樁緩啟動時間,並限制聲量不得超過 180 分貝等。

針對鳥類保育,政策環評也訂立了具體規範。其中,包括風機之間必須留設 500 公尺以上的鳥類穿行廊道,並在施工期間避開每年 11 月至隔年 3 月的候鳥過境期。同時,為確保這些措施確實生效,工程方也被要求設置「鳥類活動監測系統」,持續追蹤、評估風場對鳥類的影響。

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此外,環評會也確立了「先遠後近」的開發原則,要求優先開發較單純的航道外側區塊,待累積足夠經驗及相關資料後,再進行近岸區域的開發。這項原則考量了近海生態系的複雜性,也顧到養殖漁業的漁民權益,展現出政策環評在平衡發展需求與環境保護上的價值。

新一代的審查機制:達成能源轉型及環境保護雙贏

為提升環評效率並確保審查品質,環境部參考過去離岸風電審查經驗,制定「風力發電離岸系統開發行為環境影響評估初審作業要點」,建立了全新的二階段審查機制。

環境部推動二階段審查機制,提升離岸風電環評效率與審查品質。圖/envato

這套新機制分為兩個階段。第一階段,就像「初步檢查」,由環境部依照檢核表進行初審,並由環評審查委員會執行秘書邀集 2-5 位環評委員進行初審,通過第一階段初審之業者,可取得經濟部遴選資格,其初審結果有效期為兩年,必要時可申請展延一年。接著進入「第二階段」,開發單位檢附目的事業主管機關核配的容量證明文件等資料,提供更詳細的環境影響說明書以進行實質審查。

檢核表明確規範了 15 大項審查事項、112 項檢核項目,涵蓋開發案的全生命週期。

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工程面,包含風機及海上變電站基礎設置、海域電纜路線規劃、陸域設施工程等硬體設施的規範。其中,風機基礎設置必須避開海岸保護區、河口、潮間帶等環境敏感區域,且須進行地震危害度分析。海域電纜部分,除特殊情形外,埋設深度至少須達 1.5 公尺,且不得跨越中華電信海底電纜 1 公里的範圍。

環境保護上,檢核表則對施工噪音管制訂立了明確標準。舉例來說,打樁期間警戒區 750 公尺範圍內的水下噪音不得超過 160 分貝,且必須全程採用最佳噪音防制工法。同時,每個開發案或聯席審查的風場,同一時間內只能進行一支基樁施作,而日落前一小時到日出前也不得啟動新的打樁作業。

環境監測計畫更是檢核表中的重點,分為「施工前、施工期間、營運期間」三階段,每個階段都規定了詳細的監測要求(包括海域底質監測、水下噪音監測、鯨豚目視監測等)。以鯨豚監測為例,每年需執行20趟次,四季中每季至少執行 2 趟次。此外,所有監測數據都必須上傳至環境部「環保專案成果倉儲系統」(https://epaw.moenv.gov.tw/)供各界查閱。

這套標準化的審查機制不僅解決了「同一風場可能有多家廠商重複調查或審查」的資源浪費,也透過明確的檢核項目,讓開發單位在規劃階段就能掌握更具體的環境保護要求。不僅如此,該機制亦確保了環境保護標準前後一致,避免不同案件之間標準不一。

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結語

透過新的審查機制,環境部正積極推動再生能源開發案的環評審查作業,在提升行政效率之餘,也確保環境影響評估的品質,支持臺灣的離岸風電開發及國家能源轉型政策,也做好把關。藉由標準化檢核表和二階段審查制度,期待能在推動能源轉型的同時落實環境保護。

為確保制度能持續精進,環境部每半年至一年會進行制度檢討,並持續公開所有環評書件於「環評書件查詢系統」(https://eiadoc.moenv.gov.tw/eiaweb/)。此外,環評會議召開前一週,也必須在指定網站公布開會訊息,讓民眾能申請列席旁聽或發表意見。透明化措施一方面展現了政府推動永續發展的決心,另一方面也確保全民能共同參與監督離岸風電的發展過程。未來,這套制度將在各界的檢視與建議中持續完善,為臺灣的永續發展貢獻心力,發揮環評作業的最大效益。

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上網也要有「技術」!從言論、隱私到國安,你我都該懂的界線
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/12/18 ・2366字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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本文由 國家通訊傳播委員會 委託,泛科學企劃執行。 

以為鍵盤俠天下無敵?小心一個不留神就觸法!人們常忽略「網路並非法外之地」這個重要事實。不只現實生活中的法律同樣適用於網路空間,隨著科技發展,更多應網路特性而生的法律規範也相繼出現。從基本的言論自由到隱私權保護,從智慧財產權到國家安全,法律體系正全面性地回應數位時代的種種挑戰。

在臺灣,網路上的言論自由權利源自《憲法》第 11 條的明確規定:「人民有言論、講學、著作及出版之自由。」釋字第 509 號則指出,「國家應給予最大限度之維護,俾其實現自我、溝通意見、追求真理及監督各種政治或社會活動之功能得以發揮。」網路快速傳播的特性放大了言論的影響力,而大法官的解釋將言論自由的邊際刻畫得更明確,這在數位時代裡顯得格外重要。

網路與社群媒體的快速傳播,放大了言論的影響力。圖/unsplash

網路上的性、暴力與未成年保護

顯然言論自由並非是毫無限制,2023 年 11 月的一起案件就展現其中一種界線的樣貌。當時,一名 36 歲男子將他和網友在網咖的性愛影片上傳至推特,還寫下「《網咖包廂實戰計 1》我跟某公司 OL 戰鬥」等文字。這段影片一經發布,當事女子立即採取法律行動。最終,法院依其以網際網路「供人觀覽猥褻影像」的罪名,判處該名男子拘役 30 日,得易科罰金。這個判決清楚說明了,即便在虛擬空間,散布猥褻影像仍須承擔實質的法律責任。

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特別是在保護未成年人方面,法律的規範更加嚴格。《刑法》第 235 條明文禁止散布、播送或販賣猥褻物品,無論形式是圖文、聲音還是影像。而《兒童及少年性剝削防制條例》第 36 條更進一步禁止任何形式的兒童色情製品被製造、散布和持有。2019年彰化縣曾層發生過這樣一起案件:一名陳姓中年男子將9歲女童帶往居所,不僅強迫她觀看色情影片,還對她進行猥褻行為,甚至將過程上傳至 Google 雲端。儘管他後來試圖以資助女童就學表達悔意,法院仍以加重強制猥褻等罪,判處他 4 年 4 個月有期徒刑。

不實言論的散布同樣可能觸犯法律。2021 年 9 月爆發的「台大狼師案」就是一個警示。一名女大生在網路上指控教師誘騙她發生關係並傳染性病,幾個月後又指控對方對她進行強制性行為。當她提出告訴時,檢方卻查無性侵事實,加上她反覆的說詞,不僅性侵告訴失敗,還因誹謗罪反被加重判刑。

當駭客、間諜都轉戰網路戰場

2013 年,一名退役空軍上校赴陸經商時被情治單位吸收,返台後透過人脈網絡發展組織、刺探軍事機密,並以空殼公司掩護非法報酬,這個情報網持續運作了 8 年之久。

在涉及國家安全的議題上,法律的態度更是嚴厲。根據《國家安全法》第 2 條的規定,任何人都不得為境外敵對勢力及其控制的組織、機構進行資助、主持、操縱、指揮或發展組織,更不能洩漏、交付或傳遞公務機密,違反者將面臨嚴厲的刑事處罰。《刑法》規定,意圖破壞國體、竊據國土,或以非法方法變更國憲、顛覆政府者,處7年以上有期徒刑,首謀更要判處無期徒刑。

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抄襲與轉貼的邊界在哪裡?

在智慧財產權的保護上,臺灣也經歷了數位時代的轉變。台灣第一個網路著作權相關判決,就發生在傳統出版與數位平台的碰撞之中。南方社區文化網路負責人陳豐偉等三人在中山大學 BBS 上發表的文章,未經同意就被《光碟月刊》收錄在隨刊光碟中發行。三人向台北地檢署提告後,《光碟月刊》發行人兼總經理黃俊義被判處七個月有期徒刑,緩刑三年。這個判決為數位時代的著作權保護樹立了重要典範。

臺灣首例網路著作權案判決,為數位時代智慧財產權保護樹立典範。圖/envato

近年來,影音平台的著作權爭議更趨複雜。2022 年,知名 YouTube 頻道「觸電網」就因為片商車庫娛樂檢舉七十多支未經授權的影片,導致經營 12 年的頻道被迫下架。車庫娛樂透過律師聲明,這是針對「未經合法授權影音內容」的標準處理,並表明將追究民事與刑事責任。

受害了怎麼辦?申訴管道報你知

當我們在網路上的權利受到侵害時,可以根據侵害類型尋求不同的救濟管道。最基本的言論自由權利受到侵犯時,可以先向社群平台提出檢舉。若遇到更嚴重的情況,如散布猥褻影像、非法性私密影片等,除了平台檢舉外,還可以向警方提告,或是尋求衛福部「性影像處理中心」的協助。

在面對網路霸凌、不實言論時,可以向台灣事實查核中心、MyGoPen 等組織求助,協助澄清真相。若發現有害兒少身心健康的不當內容,則可以向 iWIN 網路內容防護機構提出申訴。這個由國家通訊傳播委員會支持的組織,會在受理後進行查核、轉介業者改善或依法處理。

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智慧財產權的侵害在網路時代極為常見,就像「觸電網」遭片商檢舉下架的案例。這類情況可以透過平台既有的著作權保護機制處理,情節嚴重者也可以提起民事訴訟要求賠償。若發現可疑的廣告或不公平交易行為,則可以向公平交易委員會檢舉;若是特定領域的違規內容,則應該向各該主管機關反映,例如藥品廣告歸衛福部管轄、證券期貨廣告則由金管會負責。

網路時代的法律規範正不斷演進,從個人隱私到國家安全,從言論自由到智慧財產權,每個面向都在尋求數位環境下的最佳平衡點。作為網路使用者,我們必須理解並遵守這些法律界線,同時也要懂得運用各種救濟管道保護自身權益。唯有每個人都清楚了解並遵守這些規範,才能共同營造一個更安全、更有序的網路環境。

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從門得列夫到 118 種元素:元素週期表是怎麼出現的?
F 編_96
・2025/01/04 ・2302字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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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。

我們現在看到的元素週期表,是在 19 世紀後半才逐漸確定。 圖/unsplash

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。

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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。

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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。

同一族的外層價電子數相同,因此大多有著相似化學性質。圖/unsplash

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。

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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。

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F 編_96
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一個不小心闖入霍格華茲(科普)的麻瓜(文組).原泛科學編輯.現任家庭小精靈,至今仍潛伏在魔法世界中💃