自尊、自主、自信：台灣首位女性核子物理學家──《林清凉回憶錄》

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

• 作者／歐柏昇
  原載國立臺灣大學物理學系《時空》雜誌34期「物理人如『核』面對社會議題？」

• 編者／陳丕燊

正當我們苦惱著核能議題的訪問對象時，忽然靈光一閃，想到近在咫尺之處，系館四樓的會客室旁，就有一位核物理專家。那就是經常深夜還在系館工作的退休教授林清凉。

教授聽到我要訪問關於核能的問題時，即大呼我問對人了。環視教授的辦公室，整齊堆放的書籍、手寫的字帖之間，牆上則張貼著一幅原子衰變圖，保存著二十世紀物理光輝的風範。

身為核物理學家，林清凉教授對於核能的社會議題感觸相當深刻，說得慷慨激昂。當外界眾人議論紛紛的時候，教授很清楚地告訴我們：「物理系學生應該瞭解什麼是核能！」教授不斷強調，我們學物理的，具有一些關於原子核、E = mc² 的基本知識，並懂得理性判斷，講話不要盲目跟著別人。

核物理與核能技術的發展背景

林清凉教授向我們介紹，量子力學在1928年就差不多定案了，開始應用到各個領域。以原子核物理來說，在1935年到1938年完成核分裂的理論。從1938 年到現在，技術已經發展得很成熟，而且可以控制得很好。關於詳細的發展史，可參考林清凉教授著作的《近代物理II》。

所謂的「核分裂」，是原子核 (nucleus) 的分裂。新聞中經常寫錯為核子 (nucleon) 的分裂，但事實上核子是不會分裂的。核分裂最令人擔心的是放射 (emission) ，尤其是屬於強子、不帶電的中子 (neutron) ，碰到東西就會把它的「質」改變。（教授補充說明，放射帶有靜止質量，不同於「輻射」。）

【核能發電】根據林清凉教授的著作，原子能的利用，要符合兩項條件：「能連續地產生能量」、「能依所需而有效地取出能量」。要達到以上條件，必須能有效控制核分裂的連鎖反應。由於入射中子能En 與捕獲中子的截面積 \( \sigma \)有此關係式：

\begin{equation} \sigma =\frac{1}{\sqrt{En}}\end{equation}

且截面積愈大則核分裂概率愈高，所以把快速中子減速為熱中子是重要的課題。一般原子爐的冷卻系統使用水，一面減速中子，一面吸收熱能拿去發電。此外，為維持穩定的連鎖反應，利用棒狀的鎘吸收多餘的中子。因此原子爐有兩大機能：「有控制中子數能力」、「能迅速運走核反應時產生的龐大能量」。核能發電裝置的冷卻系統將熱能運到爐外來旋轉發電機渦輪。

核能的非和平與和平用途

林清凉教授要我們釐清核能的用途。目前使用的核分裂，如果用在非和平用途，拿來打仗，就是製作原子彈。二次大戰之後，愛因斯坦為首的一些物理學家，呼籲將核能轉為和平用途。

針對核能的和平與否，教授批判美國的立場：「你不准別人製造原子彈，怎麼會指使日本人這麼做？」她質疑日本三一一大地震核災的實情：「你大概沒有注意到日本大地震之後，美國軍艦馬上送來重水，我是研究原子核的，看到這個馬上就疑問—這是在製造原子炸彈嗎？」她說，果然有一本書提到這件事。

核能的和平用途則造福了人類的生活，那就是核能發電。因為能量是守恆的，可將核分裂的能量轉為電能。它很便宜，現在也可以控制得很好，所以很多國家都在使用。核能發電最厲害的是法國，法國有75%的電力都來自核能，「那他們國家為什麼老百姓不會吵？也沒有發生核能發電廠引起的害？」

核能發電完善運作的三個要點

林清凉教授認為，一個國家核能發電的完善運作，必須有三件事情配合：

• 第一，按照專業方法來蓋核電廠。核能發電廠的技術相當成熟，而關鍵在於人們是否按照這些規範去做。
• 第二，選擇安全的地點。選的地點是不是好的地帶、地震地帶？就算在地震帶附近，有沒有比較好的地方？沒有斷層經過的地方？
• 第三，給予專業人才充分的待遇。必須給他們足夠高的薪水，讓他們沒有後顧之憂，保障他們生活沒有顧慮，他們才能專心守護我們的核電廠。

——本文摘自《不廢江河萬古流：林清凉回憶錄》，2022 年 4 月，天下文化。

• 作者／林清凉、戴念祖 原載《物理學基礎教程》緒論
• 編者／陳丕燊

什麼是物理學？

「物理學」一詞源於希臘文 φυσική，該詞本意是探討自然界和自然現象。古希臘學者 Aristóteles（亞里斯多德）創造了這一詞並用它做為他的一本著作題名，其意思為《自然哲學》或《自然論》（中譯本多為《形而上學》）。該書的中世紀拉丁文譯本題為 Physica，由此產生了 Physics（物理學）一詞。Aristóteles 本人對物理現象的研究並不足取。但他創造的這一詞卻有深遠影響，以致經典物理學最偉大的奠基人之一 Newton（牛頓）將自己劃時代的著作題為「Philosophiae Naturlis Principia Mathematica」，也即「Mathematical Principles of Natural Philosophy」。

物理學的分野：用不同角度探討世界本源

一般地說，按照所研究物件的運動形態將物理學分為許多門類。研究物體的機械運動與其相互作用為主的，稱為力學。因為它以 Newton 三大運動定律和萬有引力定律為基礎，故又稱為經典力學或 Newton 力學。其中，以流體（液體和氣體的總稱）為主要對象的，稱為流體力學；若僅以材料及其某些物理特性（如彎曲、斷裂和彈性等）為主，就稱為彈性力學；或者僅僅研究機械運動中的振動形態及其在空間中的傳播現象，它既屬於力學範疇，又是聲學的基礎。但在當代科學中，聲學已發展成一門獨立的學科。以研究熱現象為主的稱為熱學。若考慮一般熱系統而不追究微觀成分的運動細節，則稱為熱力學；深入研究熱現象本質、研究大量分子組成的宏觀物體的熱性質和行為的統計規律，就形成了統計力學。後者不涉及某個分子在某時刻的狀態，而是以統計系統的方法研究大量分子的平均行為或概率。

研究電和磁的關係和帶電粒子間的相互作用稱為電磁學。由電、磁或帶電粒子作用所及（所影響）的空間稱為電磁場，而電磁交互作用是通過場的傳遞能量方式傳播，所以又叫電磁波。光是可見的電磁輻射，是電磁波頻譜範圍內一小部分，因此，光學可以看作是電磁學的一部分。將光學分為幾何光學和物理光學只是研究範疇的區分：前者研究光的傳播，如反射、折射等，但它是一切光學儀器的設計基礎；後者研究光的本性，以及光和物質的相互作用。

以上各學科在 1900 年以前已發展到充分完備的形式，而且都適用於宏觀世界和運動速度遠小於光速的物理現象。人們統稱它們為經典物理學。

1900 年：經典物理學的尾聲，近代物理學的伊始

隨著物理學本身的發展，從二十世紀初開始，又誕生了許多新物理學分支學科。例如，原子物理學，研究原子結構及其運動、變化的規律。各種元素的原子輻射都具有特徵光譜，通過原子光譜研究其結構是初期原子物理學的重要手段；原子核物理學是研究核結構及其力學等問題。核分裂和聚變是物理學家曾經最感興趣的課題。粒子物理學是研究基本粒子包括壽命極短（10−25 秒級）的共振態的種類、分合變化及其性質等。經典力學和經典電磁學無法解決這些新分支學科的問題，只有通過量子力學和相對論力學才能較正確理解它們的本質。

量子力學是研究微觀世界的基礎理論。微觀世界的基本特性是波粒二象性，描述這種物理狀態一般使用複函數，其動力學量由算符表示，在這裡所能得到的是統計規律。量子力學的最大特點是物理量值的不連續性和內稟（intrinsic）不確定性。這與經典力學取連續變化的實數值和因果聯繫的物理量是根本不同的。相對論力學是研究接近光速運動的高速物體的現象。它包括狹義相對論（special theory of relativity）和廣義相對論（general theory of relativity）。

狹義相對論提出了一種新的時空觀。在相對性原理（the principle of relativity）和光速不變原理兩個基本假設下，得到時空是密切相關的結論。也就是說，它獲得了經典力學無法理解的諸如空間收縮、時間膨脹，同時性的相對性、質能關係，以及光速是一切粒子的速度上限等結論。廣義相對論把描述運動的參照系從慣性系推廣到加速系統中，以等效原理為基礎，將引力現象幾何化並把它納入時−空結構中。簡言之，將引力現象看作是時−空彎曲的表現，從而導出了一些重要結論。

量子力學和相對論是近代物理學的兩大理論基礎。近代物理學以研究微觀、介觀世界，運動速度接近光速的物理現象為主要內容。除上述之外，近代物理學還包括量子場論、固態物理、磁性、半導體、超導、高分子物理、凝聚態物理（condensed matter physics）、等離子體物理（plasma，又稱為「電漿物理」）、生物物理等等。

經典物理與近代物理之間並不存在一條不可逾越的鴻溝。相對論力學所以比 Newton 力學深入，是因為它不僅能解釋 Newton 力學所能解釋的現象，而且能解釋 Newton 力學所不能解釋的許多新發現和新現象；它作出了在 Newton 力學看來是根本不可能的一些科學預言，並且得到天文觀察或實驗的證實。另一方面，僅在低速運動的物理世界中，經典力學仍然是極好的描述物理現象的科學；當物體的速度遠小於光速時，狹義相對論力學定律趨近於經典力學定律。在引力較強大、空−時彎曲結構較大的情況下，經典力學失去效用，而廣義相對論發揮威力；相反，在引力不強、空−時彎曲極小的情況下，廣義相對論的預言就與 Newton 運動定律和萬有引力定律的預言趨於一致。

——本文摘自《不廢江河萬古流：林清凉回憶錄》，2022 年 4 月，天下文化。