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來自異空間的圖案?-Anamorphosis

邱文凱
・2013/09/08 ・1606字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 527 ・七年級

即使世道扭曲,我們仍可用心中的明鏡,映照出真理。

圖片1(異空間的PanSci可以從這裡下載喔)

文 / K(物理所碩士生)

先來說點歷史。

文藝復興是個科學與藝術一家的時代,當時的藝術家發明出了透視法(遠近法),以點、線、面(幾何學)與光的關係以及光線以什麼線路到達眼睛來作探討,而Anamorphosis就是從這樣的技巧衍伸出來的。

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當年出現如上圖的繪畫工具(亞爾伯提帷幕)。

利用網格座標的概念,將立體的物件藉由投影的方式,投影到以線(或鐵絲)交織成的網格座標上,然後再依樣描繪至畫布上(畫布上也有相對應的格子)。

有名的Leonardo da Vinci是嘗試畫變體藝術(Anamorphosis)的初期畫家之一(如這幅畫)。他認為這種畫很適合用來鍛鍊畫家的繪畫技巧,後來被用來表達對當代君主、政治的反對立場 (歐洲藝術家使用繪畫,中國文人則是用寓言來諷刺)。

註:Anamorphosis出於希臘文,「改變形象」之意。

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從一般的方式觀看,畫中物像呈現扭曲狀;若從特定角度觀看,或用特殊鏡子觀察,畫中物像則回歸正常。

所以在技法上分為兩種,一是從視覺上的不同角度(Perspective),另一種則是從反射鏡像(Mirror)來表現。

不同角度(Perspective)
不同角度(Perspective)
反射鏡像(Mirror)
反射鏡像(Mirror),科學與藝術交融的〝省錢〞蛋糕

 

近代有兩位畫家特別重要,因為他們把這種技法,運用於地景上(像3D圖),一位是曾來高雄演出的Kurt Wenner,另一位則是Julian Beever,他們都是從視覺上的不同角度(perspective)來創作的。

圖片4
出自:More Street Art – 3D Pavement Illusions By Kurt Wenner

總算開始要進入製作了……

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以上取自ART OF ANAMORPHOSIS

簡易製作教學影片(以哆啦A夢做示範,圓柱投影)

https://www.youtube.com/watch?v=JemgRyKN53M

然後圓柱鏡的部分,所需的材料有鋁罐、廚房防塵貼(請買亮銀色、沒花紋的)夥可以用書局賣的日本鋁鉑卡代替。

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圖片5

1. 將防塵貼(或鋁箔卡)以雙面膠環繞貼於鋁罐上,如下圖。

圖片6

2. 再將製作好的圓柱型置於變體藝術圖中的白色圓形中央。(前後左右調整一下,找出最適合的投影位置,即大功告成)

圖片7

個人製作的一些小心得:

Mirror radius我通常會設200—250之間(這樣印出來的圖會差不多符合鋁罐的直徑)

Angular size是調整他轉換後座標的角度大小(不過角度設太大, 圖片會扭曲的越嚴重,投射到鏡面上的圖形失真度也會提高)

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Anamorphosis於生活中的應用

Anamorphosis 的原理說穿了其實就是座標轉換

(從正常的座標轉換成扭曲的座標,如下圖示意)

圖片8

用在生活中,最常見的例子,就是〝地圖〞,因為地球是一個三維的球體,若要將其轉換成二維的平面圖,就必須透過投影的方法。

圖片9
出自大地坐标系
  1. 麥卡托圓柱投影法:將可透光的繪圖成圓筒狀,罩於透明地球儀上,將光源放置於透明地球球心,取其投射出來的圖,但緯度越高,越有圖形因放大而失真的情形。
  2. 蘭伯特圓錐投影法:將可透光的繪圖成圓錐狀,罩於透明地球儀上,將光源置於球心,取其投射出來的圖,使用此法,顯示出的中緯度區較為準確
  3. 方位投影法:將繪圖紙與地球相切,光源置於對面,取其投射出來的圖,也稱切平面投影,可以繪出面積、距離比例正確的地圖。
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邱文凱
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相信著 "以人化物" 器物再美,缺乏人的溫度,終將不完美 而若多一分人性的溫暖,便能包容原先器物的小缺陷 這是設計科學小物的初衷 希望這些東西能充滿著溫暖,無論是手心的亦或是內心的

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從奈米微塵到化學氣體, HEPA 與活性碳如何聯手打造純淨空氣?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/17 ・4433字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 Amway 委託,泛科學企劃執行。

很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網
在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢 / 圖片來源:envato

到底怎樣才算是「乾淨」?這不是什麼靈魂拷問,而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞,甚至能成為台積電(TSMC)決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中,雖然不需要生產精密晶片,但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密,卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康,你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此,空氣議題早已超越單純的環保範疇,成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

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很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是同一件看起來平凡無奇的東西:一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信,就憑這層厚度不到幾公分的板子,能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎?

這片大家都聽過的 HEPA 濾網,裡面到底是什麼?

首先,我們必須打破一個直覺上的誤解:HEPA 濾網(High Efficiency Particulate Air filter)在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5,是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物,它們能穿過呼吸道直達肺泡,並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本,在工廠與汽車尾氣中,還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1,甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」(UFP,即 PM0.1)。 UFP 不僅能輕易進入血液,甚至能繞過血腦屏障(BBB),進入大腦與胎盤,其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣,單靠孔目大小來「過濾」粒子,那麼為了攔截奈米微粒,濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡,一般人認為的「乾淨」,在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米3 奈米(相當於頭髮直徑萬分之一)的晶片而言,空氣中一顆微小的塵埃,就是一顆足以毀滅世界的隕石。

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因此,傳統的過濾思維並非治本之道,我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形,最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身,誕生於曼哈頓計畫!

1940 年代,製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而,若將排氣直接排向大氣,會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾(Irving Langmuir),他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」(Absolute Filter),其內部並非有孔的篩網,而是石綿纖維。

有趣的來了,如果把過濾器放到顯微鏡下,你會發現纖維之間的空隙,其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢?這是因為在奈米尺度下,物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時,並非走直線,而是會受到空氣分子撞擊,而產生「布朗運動」(Brownian Motion),像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時,布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動,最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時,靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客,就這樣被永久禁錮迷宮中。

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現在最常見的 HEPA 材料,是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間,它們在濾網內隨機交織,像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後,並非僅僅面對一層薄紙,而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層,微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外,HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵,那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀,中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐,目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒,而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺:過濾不是越快越好嗎?

其實,這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管,如果你捏住出口,水流會變得湍急;若將出口放開並擴大,雖然總出水量不變,但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言,當表面積越大,單位面積所需承載的空氣量就越少,空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久,增加被捕捉的機會。此外,越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」,延長了使用壽命,這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

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然而,即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter),但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ,其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物,去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念?塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子,大小約在 2 至 200 微米;細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米,細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」,大多數的病毒(如流感、新冠病毒)都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說,基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上,它更獲得英國過敏協會(Allergy UK)認證,能有效處理 19 大類、102 種過敏原,濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」 / 圖片授權:Shutterstock

然而,同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中,硼是常見的 P 型摻雜物,用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕,進而釋放出極微量的硼離子,就可能直接污染晶圓,改變其導電特性,導致晶片報廢。

此外,無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA(超低穿透率空氣濾網) 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中,任何多穿透的一顆微塵,都代表著一筆不小的經濟損失。

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為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率,材料學家搬出了塑膠界的王者,PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕,還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維,其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕,但它既昂貴且物理上也很脆弱,安裝時若不小心稍微觸碰,數萬元的濾網就可能報銷。因此,你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此,在空氣濾淨系統中,還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網,就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附?

好不容易將微塵擋在門外時,危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王:AMC(氣態分子污染物)

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒,但面對氣態分子時,就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般,能輕易穿過物理濾網的縫隙,其中包括氮氧化物、二氧化硫,以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物(VOCs)。

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為了對付這些幽靈,我們必須在物理防線之外,加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同,這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理(Impregnation)」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質,在活性碳上添加不同的化學藥劑:

  • 酸鹼中和:對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體,會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑,透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之,如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑,就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
  • 物理吸附與凡德瓦力:對於最麻煩的有機揮發物(VOCs,如甲醛、甲苯),因為它們不具酸鹼性,科學家會精密調控活性碳的孔徑大小,利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力(凡德瓦力),像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。
活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附? / 圖片來源:Amway

空氣濾淨的終極邏輯:物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境,活性碳的運用並非「亂槍打鳥」,而是一場極其精密的對戰策略。

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工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告,像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝,打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區(Photolithography),晶圓最怕的是人體呼出的氨氣,此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和;而在蝕刻區(Etching),若偵測到酸性廢氣,則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯,是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中,雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析,但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯,正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網,更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳,科學界有個關鍵指標:「比表面積(Specific Surface Area)」。活性碳的孔隙越多、表面積越大,其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳,並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理,打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克,但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字,相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積,是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是,它還添加了雙重觸媒技術,能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線,能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體,或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來,成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說,無論是造價百億的半導體無塵室,還是守護家人的空氣清淨機,其背後的科學邏輯如出一轍:「物理濾網攔截微粒,化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作,空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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舌頭、石頭,迸出新滋味?科學家為什麼要舔石頭?——2023 搞笑諾貝爾獎
PanSci_96
・2023/09/30 ・3674字 ・閱讀時間約 7 分鐘

J……J 個是!這顆石頭一接觸到我的舌頭,它就像火一樣燃燒,同時留下苦澀和尿味的味道,在這之後還留下了一點甜味。

圖/Youtube

這,這一顆石頭不一樣,它有酸辣味和硫酸鹽味,卻同時給我一種難以形容的愉悅感!就像在品嘗紅酒的酸味一樣!

圖/Youtube

等等,我並沒有壞掉,我現在做的事是某些地質學家和古生物學家真的會做的事,而且這件事還得了諾貝爾獎!只是是搞笑諾貝爾獎。

搞笑歸搞笑,舔石頭卻真的是再實用不過的方法。因為,舌頭真的是太好用了!

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地質地科系祖傳秘招——舔石大法!

2023 年的搞笑諾貝爾獎的化學與地質獎頒給了地質學家揚.扎拉謝維奇,得獎的原因不是因為特定研究,而是它整理了地質學家和古生物學家「品嘗」岩石和化石的「研究史」。

有在跟我們直播的泛糰肯定知道,在今年搞笑諾貝爾獎頒發的隔週,上個月的 9 月 18 日,我們在 YouTube 官方舉辦的 2023 YouTube Festival 活動中,辦了一個實體見面會。在見面會中我們介紹了今年其中三個搞笑諾貝爾獎,其中就包含這則「地質學家為什麼要舔石頭」。另外兩個獎項分別是操縱死靈蜘蛛,和研究為什麼上課為什麼會令人感到無聊。這場見面會也有同時開直播,連結放在右上角的資訊卡,裡面提到不少有趣的觀點,歡迎去直播存檔複習。

當天,除了就像開場演繹的,不同岩石真的嚐起來味道不一樣以外,有一個地科系的觀眾,現場分享了另一個有趣的觀點。但先說聲抱歉,那時候觀眾手持的麥克風訊號沒有進到我們的混音器,所以在線上收聽的朋友沒有聽到前半段。

我們這邊重新轉述一下,這位觀眾說早在這個獎項頒發前,就知道用舔石頭來辨識種類的這種方法了,因為他的老師就是這麼教他的!沒想到,這竟然是地科與地質系祖傳的秘技嗎!

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舌頭比手指還好用?

但除了味道外,觀眾還分享了一個這次搞諾沒有提到的原因,就是舌頭的觸覺可能比手還靈敏。某些岩石例如砂岩跟頁岩,可能用手摸不出差別;用舌頭舔,竟然就能分別出差別。

什麼,舌頭真的這麼厲害嗎?想想好像也是,我們吃東西的時候會用舌頭去感受食物的形狀,這些觸感甚至也是我們品嘗食物時,了解食物的重要一環。除此之外,我們還可以找出食物中的魚刺,或是卡在牙縫中的菜渣,有些人還能幫櫻桃梗打結呢。

圖/Giphy

但好像從來沒有人拿舌頭和手去做比較,因為只要講到觸覺,我們第一時間就會認為手指更加靈敏。

其實,還真的找到有人研究過,一群俄亥俄州立大學食品科技系的實驗團隊,就研究了這個問題。他們準備了幾個形狀極為相似的樣品,樣品的長度、厚度、缺口的大小都一樣,只有缺口處的傾角不同。

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傾角從 45 度到 90 度都有,每塊的角度以 5 度為間隔。受試者必須拿起兩塊樣品,並在蒙眼的情況下,分別用摸或舔的方式來分辨出兩者分別為哪一塊。其中一塊始終是 90 度,另一塊則是從 65 度開始角度遞增。

這次的實驗有 30 位受試者,結果表明,使用手指來分辨兩塊樣品,平均要兩塊的角度差超過 19.81 度時,才能分辨出差異。如果用舌頭舔呢?只要兩者的角度差超過 12.75 度,就能分辨出差異!比用手摸的角度差小了許多,也就是舌頭真的比較靈敏。

實驗結果數據,JND(Just Noticeable Difference)表受試者在樣品相差幾度時能感受到差異。圖/Comparison of The Tactile Sensitivity of Tongue and Fingertip Using a Pure-Tactile Task

當然,這個實驗還有兩個方向值得討論,一是這只針對物體邊緣形狀的靈敏作分析,但觸覺有許多不同感受,例如紋理、粗糙程度等,所以可能每種觸覺做出來的實驗結果會不同。這個實驗看起來不難做,各位可以準備一些能放入嘴的材料,例如請朋友直接將比較硬的芭樂切成不同形狀來舔舔看差別,就能簡單復刻這個實驗甚至更改參數,有實際測試的觀眾也不要忘記留言告訴我們。我們這邊也同步徵求花京院來協助我們實驗。

而另一點是,關於舌頭為什麼有跟手指同等,甚至更強觸覺的生理機制,本篇研究僅止於現象探討,還未有深入研究。

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圖/Giphy

濕濕的石頭更好觀察?

除了味覺和觸覺外,舔石頭還有另一個重要的原因,就是濕潤的石頭紋理更清楚,更方便研究。

這應該大家都有經驗,在學校的大理石地板拖地,或是海邊的鵝卵石,沾到水之後,石頭的紋理都更加清楚,看起來也更漂亮。但這又是為什麼呢?

影響的原因有很多,但影響最大的,就是濕潤的表面讓石頭更「平」,產生類似拋光的效果。但為什麼磨平拋光,顏色就更好看呢?

我們知道光線照到鏡子會產生反射,但鏡子很平整,如果現在照射到的是一個凹凸不平的表面,光線就會往四處反射,這種現象稱為漫反射。當我們只想看石頭上的其中一點時,旁邊的光卻會雜亂的跑進我們的眼睛,影響到對比度。並且各種顏色的色光聚在一起會形成白光,因此這些漫反射而來的光線,就會以白光的形式被我們看到。白話文就是,物體的對比下降了,但是整體的亮度提高,變成我們常看到灰白色的石頭表面。

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直到石頭被拋光,或是因為濕潤產生拋光的效果,這些漫反射就會減少,石頭整體變得比較暗沉,但是斑紋之間的對比度提高了。這就是為什麼粗糙的石頭顯得灰白,浸濕之後卻呈現深沉而圖樣明顯的原因。

還沒完,薄薄一層水還會造成更多影響。例如,這層折射率介於空氣與石頭之間的介質,可以幫助光線稍微穿透岩石的表層後再反射出來,提供視覺上更多的紋理細節。如果將水換成木工中常使用的亮光漆,除了反射與折射外,亮光漆中的分子,還足以讓光線產生散射,讓你在上不同厚度的亮光漆時,能產生不同的顏色變化。

簡單來說,不論是水還是漆,這薄薄的一層介質,能像相機的鏡片一樣,透過光學調校,將更清楚、細節更多的影像送進相機的感光元件,也就是我們的眼睛上。而替換不同的鏡片,就能改變我們看到的樣子。

有介質存在於空氣與觀測物間時,光會產生折射,造成不同視覺效果。圖/askamathematician.com

這個看似玩笑的舔石頭研究,確實好像又有幾分認真的道理,我們自己在研究的時候,最開始也覺得超ㄎㄧㄤ,後來又發現能學到不少冷知識。

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最後也想調查一下,除了舔石頭以外,大家還對哪一則搞笑諾貝爾獎有興趣,希望我們也來講講呢?

  1. 帶電的筷子,能讓食物更好吃?
  2. 哪些人有倒著說話的特殊能力?
  3. 要多少人抬頭看天空,才會吸引路人跟著抬頭?

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參考資料

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情緒有它存在的必要嗎?「心情」可以幫助我們更快做決定——《情緒的三把鑰匙》
大塊文化_96
・2022/09/30 ・4096字 ・閱讀時間約 8 分鐘

現代科學對「情緒有其必要」的看法並不一致,也有人認為情緒比反射行為好不到哪兒去。

事實上,不到半個世紀以前,認知心理學家艾倫.紐厄爾(Allen Newell)和諾貝爾獎經濟學家司馬賀(Herbert Simon,但他並非以這個題目獲獎)等學者仍堅信人類思考乃是以反射為基礎。一九七二年,紐厄爾和司馬賀讓受試者回答一系列邏輯、西洋棋與代數謎題,要求他們一邊解答、一邊交代自己的思考過程。[1]

紐厄爾和司馬賀讓受試者回答一系列邏輯、西洋棋與代數謎題,要求他們一邊解答、一邊交代自己的思考過程。圖/Pixabay

「思考」的過程,其實只是一種反射動作?

兩人把受試者解謎的過程錄下來,煞費苦心地一段段分析,試圖找出規律性。他們的目標是找出並描述每一位受試者的思考法則及特徵,藉此建立人類思考的數學模型,期望利用這套模型深入了解人類心智,找出發明「智慧型」電腦程式和超越邏輯線性極限的方法。

紐厄爾和司馬賀認為,人類的理智行動——也就是「思考」——其實就是比較複雜的反射系統罷了

說得更精確一點,兩位學者相信思考可以用「生產規則系統」(production rule system)這套模型來解釋:意即思考是一套邏輯嚴謹的「條件陳述式」(if-then)規則集合,而「思考」這種反射就是執行這套規則所得到的結果。

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譬如西洋棋有一條規則是:如果對方將了你的國王,你得立刻移走國王。生產規則系統讓我們在面對抉擇時更容易做出選擇,繼而影響行動(比如我們或多或少會不經意採用「如果有人向我乞討,直接忽略即可」這條法則)。

西洋棋有一條規則是:如果對方將了你的國王,你得立刻移走國王。圖/Pixabay

假如人類思考當真只是一套大型生產規則系統,那麼我們跟那些成天跑大數據的電腦應該沒什麼不同。不過,紐厄爾和司馬賀的想法並不正確,兩人的努力自然付諸東流。

若能了解兩位學者假設失敗的原因,或許就能更明白情緒系統的目的和功能。

用例題試想「生產規則系統」為何失敗

一組生產規則指令如何產出可應用於簡單系統的完整行動策略?假設屋外氣溫不到零度,而你想寫一套恆溫程式,讓室溫維持在一定範圍內——就設定在攝氏二十一到二十二度之間好了,那麼只要利用以下兩條規則就能辦到:

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  • 規則一:若室外氣溫低於攝氏二十一度,啟動暖氣。
  • 規則二:若室外氣溫高於攝氏二十二度,關閉暖氣。

不論你家的暖氣是快要散架的老東西、抑或聰明的現代系統,這兩條規則都是溫控的基礎原則。

假設屋外氣溫不到零度,而你想寫一套恆溫程式,讓室溫維持在一定範圍內。圖/Pixabay

早期的生產規則系統就是靠這類條件式指令建構出來的,複雜程度更高的任務也可以利用規模更大的指令集合來完成。譬如小學生學的減法,包括「減數數字若大於被減數的數字,要從被減數左方借一位來計算」在內的運算法則少說十來條。

某些複雜的應用軟體甚至需要數千條規則指令。電腦科學家運用這些規則指令打造出所謂的「專家系統」expert system)——專為特殊用途設計(譬如醫療診斷、抵押承保等),可模擬人類決策的程式系統。生產規則系統應用在這些領域勉強還算成功,但成果有限,且不適合作為模擬人類思考的基本模型。

紐厄爾和司馬賀的根本錯誤在於,他們忽視人類生活的豐富程度。大腸桿菌這類構造簡單的生物確實能靠幾條反射規則過活,但生活條件更複雜的物種根本辦不到。

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生活中看似簡單的任務也沒辦法系統化

就拿「如何避開腐敗或有毒食物」這種看似簡單的任務做例子吧。

這類食物有的能靠氣味辨別出來,但「不好聞」的氣味實在多不勝數;其他時候或可利用外觀、味道或觸感作為「不可食」的信號,但這類特質也同樣能以多種形式呈現(譬如酸掉的牛奶和發霉的麵包不論外觀或氣味皆截然不同)。

酸掉的牛奶和發霉的麵包不論外觀或氣味皆截然不同。圖/Pixabay

此外,這類判斷指標的「程度」也很重要:如果眼前有一道看起來可疑、聞起來還算可以的餐點,各位可能會依找到其他食物的挑戰程度和可能性,選擇接受或不接受這份餐點。

又或者,就算味道聞起來完全沒問題,各位仍舊可能會因為食物外觀太詭異而選擇放棄;再不然就是你無論如何都會吃掉它,因為你餓壞了,你的身體需要養分。若要將這套非黑即白、定義狹隘的死板規則套用在各種可能的「情境—反應」組合上,大腦肯定會燒掉,因此我們需要另一套辦法。

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另一套辦法就是情緒

在反射架構下,特定誘因——譬如「牛奶聞起來有點酸,但我已經好幾天沒吃東西,附近大概也找不到其他食物和飲水了」——會自動產生一個專門處理這種狀況的反應(譬如「喝掉牛奶」)。

但情緒完全不是這樣運作的。引發情緒的誘因大多模稜兩可(牛奶看起來/聞起來怪怪的),且誘發的直接產物並非「動作」,而是某種程度的情緒(隱約感到噁心)。

這時,大腦會琢磨這股情緒,一併考量其他因素(我好幾天沒吃了,而且附近可能沒有其他食物),然後計算如何反應——此舉免除了動用「誘因—反應」制式規則此一浩大工程,並且納入更多彈性:我們可能會想出許許多多、各式各樣的做法(「不為所動」也算),然後做出深思熟慮的決定。

人可能會因為好幾天沒進食,而且附近可能沒有其他食物,而選擇吃下壞掉的食物。圖/Pixabay

在決定透過哪種反應回應情緒時,大腦考量的因素很多,就前述例子來說即是「飢餓程度」、「是否願意冒險、繼續尋找其他食物」及其他情境條件。

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情緒會影響我們的行為模式

這時理智就來湊一腳了:一旦情緒被挑起,心智就會根據事實、目標、原因理由和情緒等幾項元素進行計算,產生行為。若情況複雜,這種結合情緒和理智的反應路徑能更有效率地提供可行解方。

高等動物的情緒還有另一個重要角色:延長反應時間。在情緒被事件挑起之後,這段空檔能讓理性思維介入,策略性地緩和或延遲我們對該事件的直覺反應,等待更適當的反應時機。

比方說,假設你的身體需要營養,而你剛好看見一袋玉米片;若是反射主導,你一定會不假思索、抓來就吃。但演化在這道反射程序中多加了一道關卡,故即使身體需要營養,你也不會想都不想、看到什麼吃什麼——你會餓。

飢餓會使你想進食[註],但你對這個情境的反應不再是不假思索、自動發生。你會評估狀況,然後決定放棄玉米片,這樣才有肚子容納晚上要吃的雙層培根起司堡。

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又或者,你打給電信公司詢問某項服務,但對方有夠愛理不理的。如果人類完全靠反射行事,這時你大概會直接抓狂、飆出「去死啦! 你這白癡」這種話;但事實上,對方的態度只會引發你憤怒或挫折的情緒。

如果人類完全靠反射行事,生氣時你大概會直接抓狂、飆出「去死啦! 你這白癡」這種話。圖/Pixabay

情緒會影響大腦消化處境的方式,也讓你的理智得以發聲。所以你說不定還是會抓狂,但至少不會氣到腦筋一片空白;你或許會漠視抓狂的衝動,深呼吸,然後告訴對方:「我明白你們的規定,不過請容我告訴你為什麼我的狀況可能不適用這條規定。」

情緒也適用在其他動物身上

情緒在非人動物身上也有同樣的功能,其中又以靈長類最明顯——譬如行為學家法蘭斯.德瓦爾的《黑猩猩政治學:如何競逐權與色?》(Frans De Waal, Chimpanzee Politics: Power and Sex Among Apes)。假如你是黑猩猩,肯定邊讀邊冒冷汗。

書中描述,年輕的公黑猩猩若是被某一頭母黑猩猩給撩到了,牠會等待時機,在母黑猩猩配合下避開大頭目耳目,偷偷與之相好(理由是牠可能因此受懲罰)。[2]

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另一方面,大頭目一個一個幫小弟們理毛時,如果遭到某年輕公黑猩猩挑戰,當下牠可能置之不理,然後在隔天發動報復攻擊。還有,如果黑猩猩媽媽的小寶寶被另一隻年輕母黑猩猩搶走,牠會躡手躡腳欺近,在不傷到孩子的前提下伺機搶回來。

情緒在非人動物身上也有同樣的功能。圖/Pixabay

任教於加州理工學院、同時也是美國國家科學院院士的大衛.安德森教授(David Anderson)這麼說:「『反射』是由非常特別的刺激所引發的特定反應,而且這個反應是立即的。如果我們一輩子就只會遇到這些刺激、只需要這類反應,那沒問題;然而在演化的某個節骨眼上,生物體需要更多彈性來應付環境刺激,因此才發展出形形色色的『情緒』積木,補足這一塊。」 [3]

註解

近代的研究將飢餓、口渴和疼痛歸類為「原始」或「穩態」情緒(primordial / homeostatic emotion),負責維持生理平衡。

參考資料

  1. Richard M. Young, “Production Systems in Cognitive Psychology,” in International Encyclopedia of the Social and Behavioral Sciences (New York: Elsevier, 2001).
  2. F. B. M. de Waal, Chimpanzee Politics: Power and Sex Among Apes (Baltimore: Johns Hopkins University Press, 1982).
  3. 2018 年 6 月 13 日安德森訪談紀錄。

——本文摘自《情緒的三把鑰匙:情緒的面貌、情緒的力量、情緒的管理-情緒如何影響思考決策?》,2022 年 8 月,網路與書出版,未經同意請勿轉載。

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大塊文化_96
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由郝明義先生創辦於1996年,旗下擁有大辣出版、網路與書、image3 等品牌。出版領域除了涵括文學(fiction)與非文學(non-fiction)多重領域,尤其在圖像語言的領域長期耕耘不同類別出版品,不但出版幾米、蔡志忠、鄭問、李瑾倫、小莊、張妙如、徐玫怡等作品豐富的作品,得到讀者熱切的回應,更把這些作家的出版品推廣到國際市場,以及銷售影視版權、周邊產品的能力與經驗。