宇宙如何影響我們的文明？星空信仰下的人們——《人類大宇宙》

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

世人接受新觀念分為三個階段：

　　A. 胡說八道

　　B. 早就有人想過了

　　C. 我們一直都是這樣想

──佛萊德．霍伊爾，轉述雷蒙．利托頓（Raymond Lyttleton）說法

滿懷熱情的劍橋叛逆者：佩恩如何走上科學之路

一九二三年春天，二十一歲、身材高䠷的劍橋大學學生塞西莉亞．佩恩（Cecilia Payne）開始對未來感到惶恐。她熱愛天文學研究，夢想能走上研究道路，長期筆記自己成為科學家之後想研究的課題。但在校最後一年，她意識到面前可能是個死胡同。

那時代的英國，如她這般具備聰明才智的女性充其量只是當上女子學校的教師或校長。「彷彿腳下裂開一條深淵，」後來佩恩在自傳這樣比喻：「對我而言，當女教師是『比死亡還糟糕的命運』。」所幸悲慘命運沒有降臨在她身上，儘管面臨種種困難，佩恩仍舊在科學上做出突破，為二十世紀科學的轉捩點奠定基礎：她發現人體所有元素（除了氫）最初如何形成。

佩恩對科學的興趣萌芽於六歲，那年一顆流星給她留下深刻印象。十歲時，她在天主教學校做實驗測試禱告的力量，為一半考試的成績祈禱、另一半則不做祈禱。事後發現成績沒有差別時，她轉而肯定理性的力量，對科學的興趣於此扎根。至於宗教，佩恩後來相信一位論¹⁴。

虔誠女校長對佩恩說學習科學是「糟蹋她的天賦」。學校合唱團指揮古斯塔夫．霍爾斯特（Gustav Holst）雖然當時默默無聞但之後會創作《行星組曲》，他則鼓勵佩恩走音樂這條路。

但佩恩有自己的想法：她拿到劍橋大學獎學金，準備攻讀植物學。然而適逢第一次世界大戰之後物理學風起雲湧的時期，佩恩正好聽了天文學家亞瑟．愛丁頓那場劃時代講座，得知太陽引力場能夠扭曲光線路徑，而且一切符合愛因斯坦的預測。佩恩大受震撼，人生再次拐了個彎。她後來寫道：「我的世界天旋地轉，感覺差點神經休克。」那瞬間她徹底愛上物理學，所以隔天就去「面對校方」，申請從植物學系轉到物理學系。回家以後她幾乎逐字逐句默寫講座內容，為此三天沒怎麼睡。

劍橋卡文迪什實驗室的氣氛像是帶著電。發現電子的湯木生、發明雲室的威爾遜都在這裡，但最耀眼的常駐明星是發現原子核的傳奇人物拉塞福。對佩恩來說美中不足的是拉塞福不喜歡課堂有女性參與。儘管當時年輕女性不再需要年長者時時監護，但仍要求座位與男性分開。因此每次進入講堂，佩恩作為唯一女性必須單獨坐在最前排，而拉塞福更是刻意每堂課都以「各位女士先生」這句話開場。佩恩在自傳中回憶：「男生聽到教授意有所指總是很捧場，歡聲雷動之外還會老派地跺腳，每次上課我都想挖個洞鑽進去。」[38]

星星的祕密：她用光譜解開宇宙的指紋

她很快投靠愛丁頓。愛丁頓理解她的熱忱，也比拉塞福更加包容，允許她參與研究團隊。同時佩恩還接觸到最新領域量子物理學，帶她入門的正是理論發現者之一尼爾斯．波耳（Niels Bohr）。即便如此，在學最後一年她又發現面前是死路，因為劍橋大學根本不允許女性獲得高等學位。（不授予文憑，也無法獲邀參加畢業典禮。）險阻重重，但她堅持不懈、動用一些關係，終於爭取到哈佛天文臺的女性研究員資格，能在臺長哈洛．沙普利指導下工作。

天文臺位於麻薩諸塞州劍橋市距離校園大約一英里的小山上，特點是願意僱用女性，因為前任臺長愛德華．皮克林（Edward Pickering）發現她們除了勤奮聰明還能大幅降低預算壓力。在一次史無前例的星體清點作業中，皮克林僱用超過八十位女性處理大量圖片，最終數量高達五十萬份。有些人將這群女性稱為「皮克林的計算機」，但更常見的諢名是「皮克林的後宮」。

一開始沙普利也期望佩恩幫忙利用照片來對星體進行分類和編目，但她才第一個獨立研究就急於解決劍橋教授提出的大哉問。當時人類對宇宙的理解有個顯而易見的盲點：星星是由什麼構成的？

科學家已經掌握部分答案。除了拍攝恆星，哈佛天文學家還會記錄玻璃底片上的光譜。光譜提供線索，可以判斷星星含有何種元素。星體發出的光包含各種顏色，但元素周期表中每個元素會吸收一組特定波長。換句話說，飄浮在星體大氣層的元素原子會在星光到達地球前吸收特定波長的光。天文學家觀察星體光譜的水平面會發現波長缺失部分出現細黑線，從這些黑線就能推測出光線被什麼元素吸收了。可以說感光玻璃板留下了指紋光譜、宇宙條碼，結論是星星含有許多地球上能找到的元素，例如鐵、氧、矽、氫。

隨之而來的問題是光譜模式有異常，想要詮釋並不容易。儘管玻璃底片能告訴科學家星星包含什麼元素，卻無法有效判斷各元素的份量。

星星的祕密：她用光譜解開宇宙的指紋

儘管如此，天文學家卻認為自己已經知道答案是恆星和行星必定由相同物質構成。當時許多人認為行星是另一顆恆星經過時從太陽拉出大團熱氣體之後凝固而成，因此地球與太陽必然成分相近。就連恆星研究龍頭亨利．諾里斯．羅素也信心滿滿，他相信太陽就像地球有個巨大鐵核心，如果將地球地殼加熱到太陽的溫度就會散發出幾乎一模一樣的光譜。

這正是佩恩想研究的問題。她意圖藉由底片確認恆星中各種元素的比例，並提議採納最新的前沿理論：遠在加爾各答的傑出天體物理學家梅納德．薩哈（Meghnad Saha）指出新的量子力學理論中，電子只能在特定軌道圍繞原子核旋轉，能量越高就必須離原子核越遠。據此出發，薩哈認為恆星溫度各有不同，即使原子是相同元素，其中電子也很可能處於不同路徑（若是最高溫的恆星，原子還可能直接失去電子）。這些變化導致相同原子會吸收光線中的不同波長組合，混淆人類對星星光譜的理解。

工程浩大，但佩恩不畏挑戰，將薩哈方程式應用於哈佛的龐大底片館藏。哈佛天文臺也只有她具備足夠的量子理論知識能完成這項工作。[40]

佩恩辦公室位於紅磚大樓三樓，裡頭堆滿了底片。她不舍晝夜努力分析，數萬筆恆星光譜看得人眼花繚亂。底片至今仍保存在同一棟大樓，只是外面護膜泛黃了。曾經接受佩恩指導的天文學家歐文．金杰里奇（Owen Gingerich）拿了一張給我看過，上面的黑色帶狀紋路每條約四分之一英寸寬（約零點六公分），裡頭交織亮度不一的模糊細線，必須拿放大鏡才能判讀。「單純這樣看想必一頭霧水，」金杰里奇解釋：「但其實有一套辨識的系統，只要日復一日觀察就能跟它們變成朋友。」我盯著那些線條直呼不可思議。

天文臺臺長沙普利偶爾在夜裡經過那間辦公室，發現佩恩邊抽菸邊端詳底片，絞盡腦汁在模糊線條裡辨認出模式、與計算結果做對照。她自己也寫下：「我日以繼夜研究，時常處在疲憊崩潰的邊緣。」研究計畫從幾個月延長到將近一年，期間只能以「霧裡看花」形容，但皇天不負苦心人，佩恩運用薩哈方程式之後得到出乎意料的結果。

論文初稿中她大膽宣稱：儘管大家相信恆星與地球成分應該相同，但事實並非如此。恆星中幾乎沒有地球上最常見的元素如鐵、矽、氧、鋁。反之，每顆恆星有百分之九十八是氫和氦，而且太陽的氫比地球多一百萬倍。

太奇怪了，與她在劍橋所學不符，也與老師們對地球形成的理解不一致。「佩恩小姐？你很勇敢」，物理學家艾爾弗雷德．福勒（Alfred Fowler）這樣對她說。沙普利臺長很得意地將佩恩的論文草稿寄給自己以前的指導教授、普林斯頓大學著名天文學家亨利．諾里斯．羅素。

哈佛大學最優秀的人也被迫低頭

羅素回信以高度讚揚夾帶了強烈警語：他認為佩恩的主張，也就是星星幾乎完全由氫和氦組成，「顯然是不可能的」。否定這種說法的理由很充分，其中之一在於他們為何認為太陽中含有大量的鐵。太陽光譜中代表鐵的線條比其他元素更多，而且許多隕石也由鐵構成、地球的核心同樣充滿鐵。在羅素看來，種種現象指向任何天體都含有大量的鐵。

一邊是研究所學生，另一邊在學界已經聲譽卓著，佩恩自然接受了對方觀點，或者應該說她感覺自己不得不從，回憶時提到：「年輕科學家有沒有前途就看對方一句話。」於是她在論文加上一句前提，表示這部分結論「幾乎肯定不真實」。據佩恩的女兒告訴作家唐納文．摩爾（Donovan Moore），她一生都為這個決定感到遺憾，因為不出幾年量子理論進步了、其他人也透過其他方法得出同樣結論，羅素又回頭肯定了佩恩的發現。

後來很長一段時間裡，大家認為她寫出了天文學史上最傑出的博士論文。著名天文學家愛德溫．哈伯稱她為「哈佛大學最優秀的人（man）」。即便如此，佩恩在哈佛大學內部升遷卻花了很長時間，講座有非常多年沒被列入哈佛的課程目錄。原因出在校長勞倫斯．羅威爾（Lawrence Lowell）強烈排斥女性進入教職一事，還發誓有生之年絕不錄用，所以拖到一九五六年，羅威爾去世非常久以後，佩恩才終於當上教授。

她的發現改變人類對恆星運作的理解。確定恆星主要由氫和氦組成，研究人員得以解決另一個長期未解的謎團：星星以什麼作為燃料？他們發現恆星內部壓力極大，單質子的氫原子融合形成雙質子的氦原子時會釋放能量，太陽就以這種方式產生光和熱。也由於佩恩的貢獻與對恆星的新知識，學界終於有機會揭開重元素誕生的祕密，答案就在星星裡。

——本文摘自《你的身體怎麼來的？從大霹靂到昨日晚餐，解密人體原子的故事》，2025 年 01 月，商周出版，未經同意請勿轉載。

在這個充滿光與生命的宇宙中，我們的存在其實與一種看不見的力量密切相關，那就是量子力學。沒有量子力學，太陽將不會發光，地球上的生命將無法誕生，甚至整個宇宙的運行規則都會截然不同。這些微觀層次的奧秘深深影響了我們日常生活的方方面面。

其中，量子穿隧效應是一個看似違背直覺但至關重要的現象，從太陽的核融合反應到基因的突變，這種效應無處不在，甚至還牽動著當今的高科技產業。

什麼是量子穿隧效應？

我們可以將量子穿隧效應比作一個奇妙的穿牆術。想像一下，你身處一個被高牆包圍的城市，牆外是未知的世界。通常，如果你要越過這道牆，需要極大的力量來翻越它，或者用工具打破它。然而，在量子的世界裡，情況並不如此。

在微觀的量子力學世界中，粒子同時具有波的特性，這意味著它們並不完全受限於傳統物理的規則。當一個微觀粒子遇到能量障礙時，即使它沒有足夠的能量直接穿過障礙，卻仍有一定機率能出現在障礙的另一邊，這就是「量子穿隧效應」。粒子彷彿直接在牆上挖了一條隧道，然後穿越過去。

這聽起來像魔法，但它背後有深刻的物理學道理。這個現象的發生取決於量子粒子的波動性質以及能量障礙的高度和寬度。如果障礙較矮且較窄，粒子穿隧的機率就較高；反之，障礙越高或越寬，穿隧的機率則會降低。

太陽發光：核融合與量子穿隧效應的結合

量子穿隧效應的存在，讓我們能夠理解恆星如何持續發光。以太陽為例，太陽內部的高溫環境為核融合反應提供了所需的能量。在這個過程中，氫原子核（質子）需要克服極大的電磁排斥力，才能彼此靠近，進而融合成為氦原子核。

然而，單靠溫度提供的能量並不足以讓所有質子進行核融合。根據科學家的計算，只有約10的 434 次方個質子中，才有一對具備足夠的能量進行核融合。這是一個極小的機率。如果沒有量子穿隧效應，這種反應幾乎不可能發生。

幸好，量子穿隧效應在這裡發揮了關鍵作用。由於量子粒子具有波動性，即便質子沒有足夠的能量直接跨越能量障礙，它們仍然能透過穿隧效應，以一定機率克服電磁排斥力，完成核融合反應。這就是為什麼太陽內部的核融合能夠源源不斷地發生，並且持續產生光與熱，讓地球成為適合生命生存的家園。

量子穿隧效應與生命的演化

除了恆星的發光之外，量子穿隧效應還對生命的誕生和演化起到了關鍵作用。地球上物種的多樣性，很大一部分源於基因突變，而量子穿隧效應則幫助了這一過程。

DNA 分子是攜帶遺傳訊息的載體，但它的結構並不穩定，容易在外界因素影響下發生變異。然而，即使沒有外界因素的干擾，科學家發現 DNA 仍會自發性地發生「點突變」，這是一種單一核苷酸替換另一種核苷酸的突變形式。

量子穿隧效應讓氫原子隨時可能在 DNA 結構中進行位置轉換，從而導致鹼基對的錯位，這在 DNA 複製過程中，可能會引發突變。這些突變若保留下來，就會傳遞給下一代，最終豐富了基因與物種的多樣性。

半導體技術中的量子穿隧效應

除了在宇宙和生命中發揮作用，量子穿隧效應還影響著我們的日常生活，尤其在現代科技中。隨著半導體技術的發展，電子設備的體積不斷縮小，這也讓電子元件的性能面臨更大的挑戰。

在微小的電子元件中，量子穿隧效應會導致電子穿過元件中的障礙，產生不必要的漏電流。這種現象對電晶體的性能帶來了負面影響，因此設計師們需要找到方法來減少穿隧效應的發生，以確保元件的穩定性。

雖然這是我們不希望見到的量子效應，但它再次證明了量子力學在我們生活中的深遠影響。設計更有效的半導體元件，必須考慮到量子穿隧效應，這讓科學家與工程師們需要不斷創新。

量子力學是我們宇宙的隱藏力量

量子穿隧效應看似深奧難懂，但它對宇宙的運作和生命的誕生至關重要。從太陽的核融合反應到基因突變，甚至現代科技中的半導體設計，量子力學影響著我們生活的方方面面。

在這個充滿未知的微觀世界裡，量子現象帶來的影響是我們難以想像的。正是這些看似不可思議的現象，塑造了我們的宇宙，讓生命得以誕生，科技得以發展。當我們仰望星空時，別忘了，那閃耀的光芒，背後藏著的是量子力學的奇妙力量。