嘗試找出綠光雷射筆鑑定冒牌橄欖油背後的科學

• 文／邵思齊，現就讀臺大地質科學系，著迷於大自然的鬼斧神工。

現代的人們生活在充滿明亮人造光源的城鎮中，難以想像純粹的夜空是什麼樣子。對宇宙中天體的印象，多半來自各地天文台與太空望遠鏡所捕捉的絢麗星雲、星團、星系。但這些影像中的顏色是真實的嗎？如果我們能夠用肉眼看到這些天體，它們的顏色真能如影像中如此的五彩繽紛嗎？

色彩的起源：為什麼人眼能看到顏色？

電磁波跨越各種尺度的波段，有波長遠小於 1 奈米的伽瑪射線，也有波長數百公里長的無線電波。但人類眼睛中的的感光細胞僅能感測到波長介於 400-700 奈米之間的電磁波，也就是僅有這段電磁波能夠以紅到紫的色彩出現在人類的視野當中，所以我們對外界的認知就受限於這小一段稱為可見光（Visible Light）的視窗。人之所以能夠辨識不同的顏色，靠的是人眼中的視錐細胞。視錐細胞分成 S、M、L 三種，分別代表 short, medium, long，其感測到的不同波長的光，大致可對應到藍色、綠色、紅色。

肉眼可以，那相機呢？

在還沒有電子感光元件的時代，紀錄影像的方法是透過讓底片中的銀離子曝光、沖洗後，變成不透光的金屬銀（負片），但這樣只能呈現出黑白影像。於是，歷經長時間的研究與測試，有著三層感光層的彩色底片誕生了。它的原理是在不同感光層之間加上遮色片，讓三層感光片能夠分別接收到各自顏色的光線。最常使用的遮色片是藍、綠、紅三色。進入數位時代，電子感光元件同樣遇到了只有明暗黑白、無法分辨色彩的問題，但這次，因為感光元件無法透光，不能像底片一樣分層感光，工程師們只好另闢蹊徑。

於是專為相機感光元件量身打造的拜爾濾色鏡（Bayer Filter）誕生了，也就是由紅色、綠色、藍色三種方形濾光片相間排列成的馬賽克狀濾鏡，每一格只會讓一種顏色通過，如此一來，底下的感光元件就只會接收到一種顏色的光。接著，再把相鄰的像素數值相互內插計算，就可以得到一張彩色影像。由於人的視錐細胞對綠色特別敏感，因此拜爾濾色鏡的設計中，綠色濾光片的數量是其他顏色的兩倍。

這種讓各個像素接收不同顏色資訊的做法，雖然方便快速，卻需要好幾個像素才能還原一個區塊的顏色，因此會大幅降低影像解析度。這對寸解析度寸金的天文研究來說，非常划不來，畢竟我們既想得知每個像素接收到的原始顏色，又想獲得以像素為解析單位的最佳畫質，盡可能不要損失任何資訊。

要怎麼讓每個像素都能獨立呈現接收到的光子，而且還能夠完整得到顏色的資訊呢？最好的方法就是在整塊感光元件前加上一塊單色的濾色鏡，然後輪流更換不同的濾色鏡，一次只記錄一種顏色的強度。然後，依照濾鏡的波段賦予影像顏色，進行疊合，得到一張還原真實顏色的照片。如此一來，我們就能用較長的拍攝時間，來換取最完整的資訊量。以天文研究來說，這種做法更加划算。

另外，由於視錐細胞並不是只對單一波長的光敏感，而是能夠接收波長範圍大約數百奈米寬的光，因此若是要還原真實顏色的影像，人們通常會使用寬頻濾鏡（Broadband filter），也就是波段跨足數百奈米的濾鏡進行拍攝。

美麗之外？濾鏡的科學妙用

雖然還原天體的真實顏色是個相當直覺的作法，但既然我們有能力分開不同的顏色，當然就有各式各樣的應用方法。當電子從高能階躍遷回到低能階，就會釋放能量，也就是放出固定波長的電磁波。若是受到激發的元素不同，電子躍遷時放出的電磁波波長也會隨之改變，呈現出不同顏色的光。

如果我們在拍攝時，可以只捕捉這些特定波長的光，那我們拍出的照片，就代表著該元素在宇宙中的分佈位置。對天文學家來說，這是相當重要的資訊。因此，我們也常使用所謂的窄頻濾鏡（Narrowband filter），只接收目標波段周圍數十甚至數個奈米寬的波長範圍。常見的窄頻濾鏡有氫（H）、氦（He）、氮（N）、氧（O）、硫（S）等等。

有時候，按照原本的顏色疊合一組元素影像並不是那麼妥當，例如 H-alpha（氫原子）和 N II（氮離子）這兩條譜線，同樣都是波長 600 多奈米的紅色光，但如果按照它們原本的波長，在合成影像時都用紅色表示，就很難分辨氫和氮的分布狀態。這時候，天文學家們會按照各個元素之間的相對波長來配製顏色。

以底下的氣泡星雲（Bubble Nebula, NGC7635）為例，波長比較長的 N II 會被調成紅色，相對短一點的 H-alpha 就會調成綠色，而原本是綠色的 O III 氧離子則會被調成藍色。如此一來，我們就可以相對輕鬆地在畫面中分辨各個元素出現的位置。缺點是，如果我們真的用肉眼觀測這些天體，看到的顏色就會跟圖中大不相同。

當然，這種人工配製顏色的方法也可以用來呈現可見光以外的電磁波，例如紅外線、紫外線等。舉哈伯太空望遠鏡的代表作「創生之柱」為例，他們使用了兩個近紅外線波段，比較長波的 F160W 在 1400~1700nm，比較短的 F110W在900~1400nm，分別就被調成了黃色和藍色。星點發出的紅外光穿越了創生之柱的塵埃，與可見光疊合的影像比較，各有各的獨特之處。

望遠鏡接收來自千萬光年外的天體光線，一顆一顆的光子累積成影像上的點點像素，經過科學家們的巧手，成為烙印在人們記憶中的壯麗影像。有些天體按照他們原始的顏色重組，讓我們有如身歷其境，親眼見證它們的存在；有些影像雖然經過調製，並非原汁原味，卻調和了肉眼所不能見的波段，讓我們得以一窺它們背後的故事。

水這種物質看起來再平凡不過。人們每天洗澡、澆花、游泳、沖咖啡，無時無刻不跟水相處在一起。人體中還有地球表面上大部分都是水，事實上，它可是宇宙中第三多的分子。

不過，時至今日還是有許多頂尖的科學家在進行水的前沿研究。你以為他們領了政府與學校的研究經費，是為了探索未知的星系或癌症的解藥，但他們其實在研究無聊的水。這可不是因為他們是薪水小偷，而是水分子雖然十分常見，但它的許多獨特性質在科學上還未有定論。

三態間的未解之謎

你可能會覺得：「水的性質不是國中就都教過了嗎？」。不過就跟所有其他東西一樣，事情並沒有課本寫得這麼簡單。從固態的冰講起，就有十幾二十種結晶型態。就像石墨加壓會變成鑽石，普通冰塊在高壓下也會轉變成其他的結構。另外，關於過冷（低於冰點卻不結冰）這種奇怪的現象，至今也還沒有完全清楚的實驗和理論圖像。

結冰的過程已經這麼捉摸不定，蒸發更是如此。雖然我們知道衣服晾在外面會乾，但對於水蒸發的速率，卻沒有一個精準的描述。水的蒸發是源自分子碰撞時，某些分子被撞出液態的水，因此蒸發速率可以寫成分子碰撞的多寡乘上某個實驗常數。要決定這個實驗常數聽起來像是個簡單的高中科展題目，但以往的許多結果卻時常出現分歧，差距高達三個數量級（也就是一千倍）！

如果想用電腦進行理論模擬則會出現另一個問題，例如我們模擬 18 公克的水如何蒸發（喝水一口都比 18 克還要多），就必須同時計算 6 × 10²³ 個水分子的狀態，以目前的電腦運算力難以負擔。想要解決蒸發的難題，需要一些相當進階的實驗與理論方法，而這也是科學家目前正在努力的方向。

除了轉變至固態與汽態的過程之外，就連最普遍的液態水也有許多捉摸不定的型態。科學家在瞬間結冰的水中發現兩種結構，兩者密度高低不同。由於瞬間凝結的冰沒有時間排列成整齊的固態晶格，所以能夠保留原本液態時的分子排列模式。也就是說，原本的液態水也有分兩種結構。這種結構上的差異被認為與過冷機制密切相關，相關的實驗不久前也剛登上 Nature 期刊 ^[1]。

水分子間的量子效應

要對水的這些奇特性質建立更好的理解，得先了解水分子微觀上的交互作用。水分子是由一顆氧跟兩顆氫組成一個米奇形狀，其中氧帶較多負電，氫帶較多正電，所以相鄰的水分子會感受到來自鄰居的吸引力，也就是所謂的「氫鍵」。靠著分子間的氫鍵，水才能夠組成上面提到的各式結構。

不過，用來解釋氫鍵的質子與電子，都是量子力學適用的尺度，而氫原子的嬌小身材，讓其中牽涉到的量子效應變的特別顯著。有許多人認為，如果將量子效應納入水分子結構理論模型，或許就能解釋水展現出的諸多特性。近期，史丹佛直線加速器中心（SLAC）的實驗團隊首次對水分子氫鍵的振動進行直接觀測，從實驗上踏出了重要的一步。

發生在皮秒間的氫鍵震盪

這次實驗首先得射出一道比頭髮細一千倍的迷你水柱，作為探測的樣本。在這麼細的水柱中，每個截面可能只有幾萬個水分子。水柱中的分子間氫鍵被外加的雷射刺激並進行振動，實驗團隊接著便能用高能量的電子束作為「探測槍」，利用電子束散射的結果，分析水分子每個瞬間的分子結構。

這種觀測方法可以達到分子等級的解析度，而這次實驗直接聚焦在三顆水分子之間的拉動牽扯。受到雷射刺激時，氫原子會先將鄰近的氧原子拉近，再拉開距離，一切都在幾皮秒(10^-12 秒）內發生。針對氫鍵長度的這種收縮震盪，研究團隊進行了一系列的探索。

透過電腦模擬，他們發現氫鍵拉扯的幅度比較符合加入量子力學的模型，為水分子結構的量子效應提供初步的證據。

拉開水分子量子性質的研究大門

以往研究分子結構需要仰賴光譜學的間接轉換，而以皮秒為單位在進行震盪的微小氫鍵，在實驗觀測上是一大挑戰。這次的裝置首次對液態水的氫鍵距離震盪做出直接的測量，也為科學家開啟更多的機會，去檢驗氫鍵的量子性質對於水的結晶和蒸發等過程有什麼影響。

關於水，我們還有許多不知道的事。也因為如此，網路上常常能看到「小分子團水」，「能量水」等等的健康廣告，讓大家看得不知是真是假。隨著目前研究持續進行，或許很快就要有「量子水」上市了。

參考資料：

1. https://pansci.asia/archives/194118
2. Yang, J., Dettori, R., Nunes, J.P.F. et al. Direct observation of ultrafast hydrogen bond strengthening in liquid water. Nature 596, 531–535 (2021).
3. https://www.sciencedaily.com/releases/2021/08/210825113614.htm
4. https://nautil.us/issue/25/water/five-things-we-still-dont-know-about-water

每天煩惱三餐要吃什麽、出門要怎麽穿、回家後有沒有舒適的被窩可以鑽，應該是我們大部分人的日常。然而，在社會的某些角落，「貧窮」卻可能讓人連基本生理需求都難以滿足。

要消除貧窮，免不了增加資源消耗，但全球暖化危機當前，人類又不得不展開節能減碳的行動。面對「對抗貧窮和調適氣候變遷，兩者是否相互衝突」的疑問，科學家們提出了一個直指核心的問題：我們需要多少能量，才能讓所有人過上體面的生活？

打造放諸四海皆準的人類基本福祉指標！

為了解答這個大哉問，來自國際應用系統分析研究所（IIASA）的研究者們，提出了一個新的指標——「體面生活標準」（Decent Living Standards，DLS ）。它源自於基本人權與公平正義的普世理念，定義為任何人都應享有的一系列基礎物質與社會滿足要件；不論你出身何處、對好的生活有何想法，或擁有什麽訴求。

這些基礎條件，可以分為五大面向：營養（Nutrient）、庇護所（Shelter）、健康（Health）、社會互動（Socialization）及可移動性（Mobility）。在食衣住行方面，除了三餐溫飽及空間大小充裕的住處外，DLS 更貼心地考慮生活的細緻之處，例如乾淨的衛浴、可以烹飪、保存食物的基礎家電，以及高緯度地區在冬、夏兩季不可或缺的溫控設備等等。DLS 也不止步於基本物質需求，更涵括一個健全生活的人應享有的醫療服務、義務教育，使用基本通訊和交通設施，以及進行社交聯繫和政治參與的權利。

逐項列出統一化的 DLS 各面向的要求後，研究者們會根據不同國情，例如氣候、都市化程度、文化及科技經濟結構的程度，去計算各國達成這些基準的閾值能量。除了國與國的差異，在計算上，也會納入在地的城鄉差距。

舉例來説，訂定了擁有足夠空間和熱舒適的房屋通用標準後，研究者會把它換算成各地所用的不同建材，及建設與維持各類民生服務的基礎設施（如水電廠、運輸系統等）所需耗費的能量。有了 DLS 的理想標竿值，再與每個國家目前用於實現 DLS 的能源進行比較，就可估算出填補 DLS 缺口所需的能源需求。

為什麼要以「能量」衡量生活標準？

過去，我們總是以滿足生活標準的最低收入，來制定貧窮線的水平。但 DLS 作為最低限度理想生活的基準，採用的是計算能源消耗量（energy consumption）常用的單位，即千兆焦耳（Gigajoule，GJ）或十萬億焦耳（Exajoule，EJ）。一般國家的能源消耗量，都與基礎建設有關，大部分來自化學燃料的燃燒，以及水力發電、核電、風力發電、太陽能發電等。

值得注意的是，DLS 分析結果顯示，無法過上體面生活的人，數量遠比處在貧窮線底下的人來得多！這說明：現有衡量貧富的指標，跟實際情況是脫節的。以金錢收入作為生活水平的衡量單位，是預設個人能透過消費，去換取相應的生活品質。但現實中，有一大部分的人，即使收入高於貧窮門檻，現今社會所投入建設的能源，卻未必足以讓他們過上體面的生活。

因此比起以金錢為單位，DLS 由下而上（bottom-up）去推算建設和維持基本物質需求所耗費能量的模式，也許更適合作為反映人類生活品質的指標。以消耗能量為單位的 DLS 不只有物質條件，也納入社會層面的需求，因此可以為政策制定者在思考資源規劃時，提供更直接、全面的參考。

世界並不公平，尤其在所需耗費的能量上

搭配各國戶口統計調查、世界銀行（World Bank）發展指標等數據，研究者推算出世界各國在不同面向上與 DLS 的差距。結果顯示，北半球的北美與歐洲，大部分人民都過著與 DLS 相距不遠的生活。然而，南方卻呈現截然不同的境況。

在撒哈拉以南的非洲國家，有超過 60% 的人口在居家、溫控、衛浴與飲用水設施上，都相當匱乏。部分南亞與太平洋地區也面臨類似困境，尤其缺少乾淨的保暖與烹飪設施。這與他們使用的傳統生質能源帶來的不良健康影響有關。此外，部分亞洲、中東、拉丁美洲地區，也存在不便取得飲用水和保暖設施等等的缺口。

那麽，要投入資源做新建設，弭平當今與未來人口與 DLS 之間的距離，我們還需要多少能量呢？研究者設定情境估算，在 2040 年前，我們總共需要 290 EJ 的累積能量——大概是如今全世界每年所消耗能量的四分之三！是的，當今世界平均所消耗的能量，其實早已超過滿足每個人 DLS 的額度。在提升生活標準的耗能中，有大半會是拿來打造適宜的居所，四分之一用以建設以公共交通為主的交通設施，而改善健康營養所需的能量，會比推動社會互動來得少。

如果我們能成功在 2040 年時，讓所有人都達到 DLS，那在 2050 年時達到體面生活，最終需要年均 156 EJ 的能量，其中 108 EJ 會是供南方世界所用。到時候，人類生活的耗能大抵都會用在移動、通勤上，其次是維持健康及居住品質，而投入在維持社會互動所需的能量所占比例最低。

另一個研究的重要發現是，由於各地的氣候、文化和交通管道不同，即使在同一套 DLS 下，有些地區就是會比其他地區耗費更多能量，才能達到相同的基準，這個能量差異甚至可達 4 倍！例如，高緯度國家會需要耗費更多能量，來維持相同舒適的室内溫度；同樣的通勤距離，公共交通覆蓋率高的國家不需太多能量就能完成，但在個人擁車率高的地區，就會產生更多耗能。

結論：消除貧窮與對抗氣候變遷不衝突

總體而言，DLS 的研究結果，在貧富懸殊與氣候正義議題上提供了新的視野，告訴我們：投入消除貧窮的能量，並不會對調適氣候變遷的行動產生威脅。現今人類社會所產生的能量，其實大都挹注在讓原本就充裕的生活更好，而非幫助仍在體面生活基準下的人。因此，各國如何在經濟成長與耗能規劃上取捨，找出更公正、有效率的資源重分配方式，才是關鍵解決之道。

參考資料

1. Decent living gaps and energy needs around the world
2. Decent Living Standards: Material Prerequisites for Human Wellbeing
3. Energy requirements for decent living in India, Brazil and South Africa
4. 让全球老百姓过上体面生活不会拖累气候减排目标
5. How much energy do we need to achieve a decent life for all?
6. 維基百科：貧窮門檻