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為什麼那兩個TEDx演講最好寫成科幻小說?

Gene Ng_96
・2014/07/18 ・5523字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 556 ・八年級

我針對王大師幾篇文章 〈TED死都不想讓你看的兩個演講!〉、〈大演化(生物篇)–《Rupert Sheldrake之型態場域論》〉、〈 大演化(意識篇)〉的兩篇文章〈TED死都不該讓你看的兩個演講?〉和〈為何倡導偽科學是犯賤?〉,在泛科學得到一個很棒的文章〈TED 到底該不該讓你/妳看那兩個演講?〉的回應。先廢言幾句,我個性內向害羞不好戰,可是寫文章加入論戰,最令人欣喜莫過於有人加入把理性的討論提供更高層次的深度。

感謝〈TED 到底該不該讓你/妳看那兩個演講?〉一文釐清了一些我那篇〈TED死都不該讓你看的兩個演講?〉沒說清楚的事,並且也提供了新的思考方向。關於文中提到的「不可共量性」(incommensurability),是孔恩典範說最重要的部分之一,但也是 最具爭議性的。我會說那句「相對論與量子力學的出現,是因為當時已經無法用牛頓力學解釋的現象愈來愈多了,於是就出現了相對論和量子力學」,是因為並非把 孔恩的學說照單全收,那時沒說清楚,就趁現在釐清一下。事實上,我對孔恩的「不可共量性」的概念是抱持一定的保留態度。

先就孔恩的學說來討論,孔恩(Thomas S. Kuhn,1922-1996)在其經典著作《科學革命的結構》(The Structure of Scientific Revolutions) 提出的這個「不可共量性」觀念,推展出來的觀點之一就是,科學理論無法由客觀的方法來評斷真正的好壞優劣,因為各競爭的理論之間沒有共通的專有名詞、定義 和標準等等,簡單來說就是各說各話、毫無交集啦。「不可共量性」並非孔恩學說專有的,另一位著名科學哲學家費若本(Paul Feyerabend, 1924–1994)也早在《科學革命的結構》之前提出這個概念,不過費若本的「Anything goes!」在此先不討論。

這個「不可共量性」的概念,意味著科學理論有其建構的成份,由其在後現代主義的「建構論」下,科學甚至不能說「發現」了什麼,因為「發現」意味著有事物真 實存在,對後現代主義學者而言,科學僅是「建構」了描述自然的系統,而非「發現」了什麼「真相」,一直衍伸下去,就沒有所謂的「偽科學」 (psuedoscience)這回事了!依照孔恩的學說,科學也無所謂的進步,這個科學界當然無法接受,於是科學哲學家拉卡托斯(Imre Lakatos,1922–1974)就提出的「科學研究綱領方法論」(Research programmes),主張能夠解釋較多事實、能夠預測新的事實就是較好的理論,也就會在競爭中保留下來,在拉卡托斯的學說下,科學是能夠有所謂的進步 的。

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我們再回到孔恩的學說,孔恩本身有區別「科學」和「非科學」的差異嗎?答案其實是有,孔恩用天文學和占星學來說明,孔恩以常態科學之進行與否來判斷科學與 非科學,他認為天文學是科學,因為天文學家有從事在典範的指導下進行「解謎」(solving puzzles)活動,可是占星術並沒有在進行解謎的活動,因為當預測失準了,沒有占星家會在占星術的指導下,依建設性的方法來修正占星術的傳統,所以占 星術並非係科學 [1]。如果用孔恩的標準來說,那兩個演講中的理論,是無法被當作當態科學,因為他們並沒有指引出科學社群,哪怕是少數科學家,能夠進行的解謎活動,因為 沒有大家共同可以接受的研究方法,「意識頻寬」、「形態共振」、「形態發生場」、「型態場域」、「場域記憶」如何利用客觀的方法測量?

我有看到一些網友指出,好吧,這些理論不是常態科學,那麼還是可以算是「另類典範」啊,現在的常態科學無法進行研究,不代表未來不會有儀器或方法可以研 究。好的,「另類典範」只是主流科學因為不可共量性無法接受的「典範」,還是這些「另類典範」根本不算是「典範」?什麼是「典範」?孔恩在《科學革命的結構》一 書第一版中,並沒有清楚地說明「典範」是什麼,也沒有對「典範」下一個清楚明確的定義,有學者仔細分析發現「典範」的定義前後變動了不下十次,頗令人詬 病。在後來的版本,他才將典範明確定義為範例(exemplar)和「訓練要素」(disciplinary matrix)(即「科學家在訓練過和中必須學習的構成要素」),前者是教科書明白設計的「實驗範例」,後者是共通的符號通式、形上觀念、價值、方法規 則。由此定義來看,頗難把那兩個演講的理論當作典範來看,因此沒有實驗範例,更難說有所謂的訓練要素。

也有人批評說,主流科學容忍異己的能力有夠差,怎麼因為人家無法檢驗就把他們踢出科學界。通常這麼說的人,大致不是受科學訓練的,或者關注科學的。其實, 在科學界暫時無法驗證的理論,多如牛毛,例如弦論(String Theory)就還無法驗證啊,在生命科學和地球科學等領域,暫時還無法驗證的,或者驗證還不完全的理論更多了。為何我們不把它們視為偽科學呢?道理也不 難,就是因為那些理論在提出時,有考慮到當時所有發現,也定義了適用範圍,而且也指引了驗證的方法,只是等待更先進的儀器出現或量產,或者等待更多的資 料。常態科學其實並沒有局外人想像的那麼封閉。美國化學學會(American Chemical Society)甚至還有「孔恩典範轉移獎」(Thomas Kuhn Paradigm Shift Award)頒給敢於挑戰主流科學的原創點子。

孔恩原本是物理學家,他有次跑錯會場進到經濟學的研討會,發現經濟學家居然還為基本問題吵架,就改行去研究為何自然科學家不會為基本問題吵架。孔恩在《科學革命的結構》提 出的學說,其中一個開創性是孔恩拋棄了維也納學圈(Vienna Circle)和波普(Karl Popper,1902–1994)重視的「邏輯性」,轉而重視「歷史性」的研究。也就是說,孔恩的科學歷史主義研究方法著重科學家實際上是如何進行研究 和看待科學理論的,而非以邏輯指導科學應該是什麼。孔恩的「不可共量性」解釋了一部分科學革命的問題,但也留下了另一些問題。

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在孔恩的學說下,牛頓力學和相對論及量子力學是不可共量的,如果接受相對論,就要摒棄牛頓力學。我用這點去問過了許多念物理的朋友,基本上還沒有找到有人 認同。原因很簡單,因為牛頓力學和相對論還有量子力學在物理學教科書也都有教啊,對許多物理學家而言,它們的差異是在尺度上,是都「正確」的理論。孔恩學說的解釋是,牛頓力學在物理學教科書中仍被教授,不是因為它是「正確」的,而是因為它在數學上比較簡單,對絕大部分我們生活中遇得到的現象,都能取得很好的近似值,不是因為它們是「正確」的,只是因為好用。不過,這問題也來了,大部分物理學家都同時接受牛頓力學、相對論和量子力學啊,只有在古典力學那末期有所謂的「改宗」(coversion),可是革命後牛頓力學仍沒有出現與時間推移有關的淘汰過程。物理學家同時接受「不可共量」的典範,似乎還是和孔恩 所提的有所不同吧?

孔恩的典範說,另一個問題是,孔恩在《科學革命的結構》提出大部分案例,都是物理和化學的,生物學的極少。有學者認為用孔恩的學說來解釋生命科學是有侷限的,因為生命科學是常態科學沒有問題,可是又有點像孔恩說的「革命科學」(revolutionary science),因為理論的更迭在生命科學領域頗為頻繁,教科書常常是幾年一整章一整章地改寫。甚至整本大部分章節在改版時整個改寫的,在一些進展神速 的生命科學領域是家常便飯,導致常常有二手教科書賣不出去的狀況Orz 可是有學者提出,生命科學裡也沒有出現如同《科學革命的結構》的那樣的科學革命 [2],而且生命科學裡頭還有很多等發現了新現象,再來找理論的狀況,如這十幾年快速興起的基因體學、轉錄體學、蛋白質體學、代謝體學等等的「體學」 (-omics)就是先不管理論先狂收資料(data),再來看看有誰能想得出該怎麼找出現象的。所以生命科學要怎麼用孔恩的學說解釋,恐怕要費不少心力。因為不同學科的性質差異不小,有學者認為生命科學恐怕難以完全用孔恩的學說來解釋 [2,3]。

而且生命科學裡頭,尤其是我身處的演化生物學,對一個現象,多個典範並存的狀況也不勝枚舉。當我還是個鮮嫩的大學生時,我們抱著一本本厚如磚頭的教科書去 上課時,有學長就問我們說,怎麼知道一個領域進展比較快呢?就去看那個領域教科書改版時變薄的程度。我們疑惑不是該反過來嗎?進展快的領域因為更多發現, 所以教科書該變厚啊。學長就回我們說,當一個領域有大幅進展後,很多相競爭的理論,就會有其中少數幾個因為有更強的預測力和解釋力而勝出,而落敗的理論就不必在教科書裡詳細解釋了XD

我不敢保證狀況一定如此,可是對同一現象,許多典範共存共榮的情況真的還不少,例如在我的專業裡要解釋為何鳥類有特別漂亮的羽毛,就可以用性擇中挑好幾個 理論來討論,很多理論都有討論的價值因為都有支持的證據,我甚至認為它們只是角度不同,搞不好都有可能是對的。

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有人會以共同發現或再發現來試圖反駁孔恩新理論其實沒有贏的理點,因為如果新理論不是更好,那怎麼會有人能夠不約而同地得出同樣的發現和理論呢?科學史 上,最著名的「共同發現」例子,就有牛頓(Sir Isaac Newton,1643-1727)和萊布尼茲(Gottfried W. Leibniz,1646-1716)共同獨立確立微積分體系(Calculus),還有達爾文(Charles R. Darwin,1809-1882)和華萊士(Alfred Russel Wallace,1823-1913)共同發現物競天擇的演化論;「再發現」最有名的例子是孟德爾(Gregor J. Mendel,1822-1884)的遺傳學在首次於1865年發表後,就被埋沒直到1900年,荷蘭的雨果·德·弗里斯(Hugo de Vries,1848–1935)、德國的卡爾·柯靈斯(Carl Correns,1864–1933)和奧地利的契馬克(Erich von Tschermak,1871–1962)各自獨立研究,再次發現了孟德爾定律。

孔恩學說對共同發現和再發現的解釋是,共同發現和再發現,仍然和科學的進步無關,是因為當科學社群整個「問題意識」都轉換成對哪些現象需要被解釋、哪些事 情值得預測有共識時,因為也進入了一個共同的框架,就會出現英雄所見略同的現象。就以我較熟悉的演化論例子來說,當時博物學家(naturalists) 有共同的目標來解釋物種起源現象以及一堆自然史現象,加上讀了科學社群共同的重要期刊書籍時,他們就會作共同的觀察,導致得出相近的結論等等。

然而,孔恩的學說對孟德爾的「發現」,可以解釋它為何被埋沒,因為當時還未出現科學社群共同要解決的遺傳學問題,可是卻無法解釋孟德爾為何吃飽沒事去做那 些實驗,因為孟德爾的數據並非純觀察而來的,而是精心設計出來的,可是卻和並沒有科學社群共同重視的問題毫無相關,沒有人知道孟德爾真正要解決的問題是 啥,可是他的實驗得出的定律後來卻能被一而再、再而三地反覆驗證。迄今孟德爾為何要進行那些實驗仍是個謎,雖然教科書可能會拗出一兩個。我念遺傳學博士班 時,哲學家和歷史學家也來我們系上參一腳來解釋,可是卻眾說紛紜,沒有一個大家都能接受的解釋。

〈TED 到底該不該讓你/妳看那兩個演講?〉文中指出 「如果我們真的嚴刑峻法地排除任何不符合當前常態科學的觀點,那麼我們很可能因此屏棄具有價值的學說(最好的例子是『中醫』)」,那我先來以中醫為例好 了,中醫和西醫基本上是不可共量的典範,兩者之間幾乎沒有共同的語言可言,用西醫的方法研究中醫,似乎頂多是拿中藥來萃取有效成份測試,或者統計針炙的有 效性等等,對於中醫提到的氣、經絡、穴道等等,迄今仍沒有令人滿意的科學解釋。而中醫以孔恩學說來看,算是常態科學嗎?我想答案應該為否!因為中醫並沒有 進行常態科學的解謎活動,中醫學界根據的就是老祖宗留下的知識體系,千年歷史以上的古書仍可當作教材。可是西醫卻有在進行解謎活動,努力尋找疾病的致病原 因以及研發新的療法。就算大學的中醫系有在做研究,也是利用西方科學的方法,不是用中醫的理論在解謎。

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那中醫到底有存在的價值嗎?我自己的答案是「有」,因為中醫在一定的範圍內,仍有一定的解釋力和預測力,而這樣的解釋力和預測力的確是使用者最在乎的。我 自己小時候體弱多病,尋遍西醫都找不出原因,只好求助中醫,吃了幾個月中藥,身體健康狀況有顯著的大幅改善。因此,我不會說中醫是科學的,可是我認為中醫 是有價值的,不必強行用西醫的那套來包裝,就是為何中醫是迄今少數存活下來的傳統醫學。雖然我不完全贊同,但還是提一下納西姆.尼可拉斯.塔雷伯 (Nassim Nicholas Taleb,نسيم نيقولا نجيب طالب‎)在《反脆弱:脆弱的反義詞不是堅強,是反脆弱》(Antifragile: Things That Gain from Disorder)這本書中,就提出應用性的科技,主要是建立在「試誤」(Try & Error)上的,和科學理論可以無關,沒有牛頓力學的年代,仍然能蓋出巴黎聖母院(Cathédrale Notre-Dame de Paris)啊(請參見〈脆弱的反面不是強固,是反脆弱(Antifragile)〉)。

最後,來探討一下,如果「我們永遠無法知道我們是否絕對正確,也不知道當前的典範可以走得多久多遠,很可能今日的常態科學到了下一個十年、二十年已經不再 常態」,我們需要擔心「如果我們真的嚴刑峻法地排除任何不符合當前常態科學的觀點,那麼我們很可能因此屏棄具有價值的學說」嗎?我想,從孔恩學說的出發點 而言,我們更不需要擔心這點,因為假設十年、廿年、卅年、卌年後,「問題意識」真的都轉換成漢氏和謝氏理論裡的現象需要被解釋、事情值得預測了,那麼漢氏 和謝氏的理論就會被「再發現」,他們該有的功勞也會有。連孟德爾那個資訊不發達的年代,孟德爾定律都能復出了,在這個資訊年代需要擔心什麼?在言論自由和資訊發達的社會裡,他們仍有自己發聲的管道,我們根本完全不需要擔心他們該不該被常態科學摒棄的問題。倒是寫成科幻小說搞不好也是一個保留和傳播他們理論 的好方法呢!

引用文獻:

  1. Kuhn, Thomas S., 1974. “Logic of Discovery or Psychology of Research?”, pp. 798–819 in P.A. Schilpp, The Philosophy of Karl Popper, The Library of Living Philosophers, vol xiv, book ii. La Salle: Open Court.
  2. Wilkins, A.S. 1996. “Are there Kuhnian revolutions in biology?”. BioEssays 18: 695–696.
  3. Mayr, E., 2004. “9 – Do Thomas Kuhn’s scientific revolutions take place?” pp. 159-170 on E. Mayr, What Makes Biology Unique?: Considerations on the Autonomy of a Scientific Discipline. Cambridge University Press.

本文原刊登於The Sky of Gene。

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Gene Ng_96
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來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手、Readmoo部落格【GENE思書軒】、關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋。

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不是不會髒,而是更難沾:耐污馬桶的表面科學
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/09/22 ・3364字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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。

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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。
關鍵不是沖水,而是「這些污垢如何抓住表面」

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。

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材料科學的核心:想辦法讓污垢「抓不住」

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)」:

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  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。

阻止細菌、生物膜找不到「落腳點」

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。

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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。
Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶

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。

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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

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被諾貝爾獎遺忘的那個人——赫爾穆特・魯斯卡如何讓病毒第一次被「看見」
顯微觀點_96
・2026/04/10 ・3113字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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電子顯微鏡下的病毒顆粒

1986年的諾貝爾物理學獎頒給了恩斯特‧魯斯卡(Ernst Ruska),以表彰他設計出第一台電子顯微鏡。雖然人們大多關注其理論和技術層面為顯微技術帶來長足的進步,但電子顯微鏡的應用層面,尤其是醫學與生物學的影響,更是為電子顯微鏡實現功能性和商業價值發揮關鍵作用;恩斯特的弟弟赫爾穆特‧魯斯卡(Helmut Ruska)在其中扮演著重要的角色——儘管他並未獲得諾貝爾獎項。

赫爾穆特.魯斯卡(Helmut Ruska,約 1969 年)
赫爾穆特.魯斯卡(Helmut Ruska,約 1969 年)由艾德曼.魯斯卡(Erdman A Ruska)提供。圖片來源:〈Helmut Ruska and the visualisation of viruses〉

人類對微觀世界的探索,最早可以追溯到17世紀。當時,英國博物學家羅伯特‧虎克(Robert Hooke)利用自製顯微鏡觀察軟木塞,觀察到了植物細胞壁,並稱其為「細胞」(cell)。荷蘭的雷文霍克(Antonie van Leeuwenhoek)以精湛的磨鏡技術,進一步製造出放大倍率更高的顯微鏡,在清澈的水中發現了肉眼見不到的「生物」,成為第一個發現細菌、紅血球和精子的人。

隨後的兩百年間,光學顯微鏡雖然不斷進化成為微生物研究的利器,但始終跨不過繞射極限的門檻,受限於光波長的限制,解析度停留在200奈米。任何比這更小的物體,只能呈現出一個模糊的點。因此儘管人們透過過濾、疾病源頭推論等方法,認為有比細菌更小的「病毒」(Virus)存在,卻無法一睹其真面目。直到電子顯微鏡的出現。

兄弟登山「一起探索未知」

恩斯特和赫爾穆特出生於德國知識份子家庭,他們的父親尤利烏斯.魯斯卡(Julius Ruska)是一位學者,專長是東方語言與文化研究,曾在大學任教。恩斯特生於1906年12月25日,是在家中七個孩子裡排行老五;赫爾穆特則於1908年6月7日出生在海德堡,排行第六。

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從小兩兄弟關係就特別親密,也對光學儀器留下了深刻的印象。他們的天文學家馬克斯.沃爾夫(Max Wolf)叔叔便曾多次帶他們參觀他管理的王座山(Königstuhl)天文台的望遠鏡。而他們家裡書房裡,則放著父親的大型蔡司顯微鏡。雖然尤利烏斯有時會展示有趣的事物給孩子們看,但他擔心孩子們笨拙地操作會損壞物鏡或標本,因此嚴令他們禁止觸摸。

隨著恩斯特對於工程學的興趣赴慕尼黑工業大學和柏林工業大學學習電子學;赫爾穆特則於1927年開始學習醫學,先後在柏林、茵斯布魯克(Innsbruck)及海德堡大學就讀。在海德堡,赫爾穆特的學術重心集中在臨床醫學與生物化學,直到1932年完成醫學學位、開始臨床醫學專業生涯。

對新技術的可能性深具信心

如果這些目標得以實現,那麼疾病成因研究的進展對醫生來說將具有直接的實際意義,這一點幾乎無需贅述。它將深刻影響到日益重要的臨床疾病實際問題,進一步對公共衛生產生重大影響。

理查.西貝克

1929年,恩斯特在研究論文中證明,使用短線圈可以獲得電子束照射孔徑的清晰放大影像,並在1931年4月獲得確鑿的證據,證明電子束可以像光學顯微鏡一樣經由二次放大成像。儘管該裝置的總放大倍率非常有限,但如今仍被公認為第一台電子顯微鏡。

但當時恩斯特提出的顯微技術並沒有被認真看待,大多數專家認為這只是癡人說夢。但已快完成醫學學業的赫爾穆特堅信,一旦恩斯特提出的顯微技術成功,臨床醫學、生物這些學科將有長足的進步。因此他鼓勵哥哥繼續克服困難,包括樣品被電子束燒毀的問題。

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他們仍然花了三年時間才透過赫爾穆特的前臨床老師、柏林夏里特醫院第一內科主任理查.西貝克(Richard Siebeck)教授的專業評估及推薦,成功獲得資助。這些專業的建議讓柏林的西門子和耶拿的卡爾.蔡司留下深刻的印象,他們都準備進一步發展工業電子顯微鏡。

由穆勒使用電子顯微鏡拍攝的家蠅翅膀表面
由穆勒使用電子顯微鏡(U = 60 kV,Me1 = 2200)拍攝的家蠅翅膀表面。圖片來源:恩斯特演講全文
1938年在西門子實驗室研發的電子顯微鏡
1938年在西門子實驗室研發的電子顯微鏡。圖片來源:〈Helmut Ruska and the visualisation of viruses〉

病毒,終於被看見

1937年西門子在柏林斯潘道(Spandau)成立了超微科學實驗室,魯斯卡兄弟與馮.博里斯共同開發原型儀器。赫爾穆特憑藉醫學專長專注於電子顯微鏡的生物學應用,並在1938年完成了兩台原型機,最大放大倍率為30000倍。1940年,西門子更設立了一個由赫爾穆特領導的客座實驗室,配備了四台電子顯微鏡,供來訪科學家使用;赫爾穆特同年也首次展示了噬菌體的影像。

1940年代初,赫爾穆特已發表了約20篇關於細菌、寄生蟲和不同病毒超顯微結構的報告,這些出版物標誌著首次利用電子顯微鏡對病毒進行視覺化。包括1939年他與考舍(Gustav A. Kausche)和普凡庫赫(Edgar Pfankuch)合著的《超顯微鏡下植物病毒的影像》,展示了菸草花葉病毒的桿狀結構,首次揭示病毒的亞微觀顆粒。

赫爾穆特使用電子顯微鏡拍攝的嗜菌體
赫爾穆特使用電子顯微鏡拍攝的嗜菌體。圖片來源:恩斯特演講全文

赫爾穆特也研發了電子顯微鏡的樣品製備技術,利用鋨燻蒸法,將乾燥樣本暴露於鋨蒸氣中,選擇性地使細胞染黑,且不會過度改變標本以增強對比度。1943年他發表論文〈病毒類型分類的嘗試〉,基於電子顯微鏡的觀察提出病毒形態分類,例如依形狀(球形、桿狀)及大小分類,影響後來的病毒分類系統。

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被戰爭淹沒的科學貢獻

1965年美國CDC實驗室人員坐在新型透射電子顯微鏡前
電子顯微鏡成為疾病判斷和公衛防治的利器。圖為1965年美國疾病管制與預防中心(CDC)的實驗室人員坐在當時一台新型透射電子顯微鏡(TEM)前。圖片來源:Public Health Image Library (PHIL)

赫爾穆特的研究並不局限於病毒,他還參與了糖原結構和血液凝固過程的研究,甚至昆蟲肌肉的精細結構、蚯蚓的虹彩皮膚以及植物葉綠素也都是他曾經研究的主題。

二戰後,赫爾穆特成為柏林大學(後更名為洪堡大學)的教授,並擔任柏林-布赫德國科學院微觀形態學部門的負責人。1952年至1958年,他至美國擔任紐約州衛生部微觀形態學部門負責人,之後出任德國杜賽道夫大學生物物理與電子顯微鏡研究所長。

可惜的是,儘管赫爾穆特在電子顯微鏡的生物應用領域具有開創性貢獻,但他在科學史上的地位卻被嚴重低估。由於赫爾穆特論文大多發表在德國期刊上,加上納粹和二戰時期德國處於孤立狀態,他的研究成果並未廣為人知。赫爾穆特1973年8月30日在杜賽道夫去世,也因此錯失了與哥哥恩斯特·魯斯卡共同分享諾貝爾獎的機會,後者在1986年才獲得遲來的認可。

但赫爾穆特無疑是推動電子顯微鏡跨出實驗室成為商用顯微鏡,並進入生物醫學研究應用的關鍵人物。而他也培養無數後代研究人員,奠定了電子顯微鏡在生物醫學研究中的重要角色。

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參考資料:

  • Kruger, D. H., Schneck, P., & Gelderblom, H. R. (2000). Helmut Ruska and the visualisation of viruses. Lancet, 355(9216), 1713–1717.
  • Ruska, E. (1986, December 8). The development of the electron microscope and of electron microscopy [Nobel Lecture]. Nobel Foundation.
  • Helmut Ruska
  • Grokipedia: Helmut Ruska

延伸閱讀:

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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。

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今天的星座運勢是……不宜相信占星術?——《數盲、詐騙與偽科學》
大牌出版.出版大牌_96
・2024/01/07 ・2000字 ・閱讀時間約 4 分鐘

占星術的背後

占星術是極普遍的偽科學,書店架上塞滿了談占星的書,而且幾乎每一份報紙都會發布每日星座運勢。蓋洛普(Gallup)1986 年發布的一項調查報告指出,52% 的美國青少年相信星座,而各行各業中,認同占星學中某些亙古流傳說法的人,也多到讓人難過。我說讓人難過,是因為如果那些人相信占星師和占星術,當你進一步思考他們還可能相信哪些人事物,會讓人不寒而慄。一旦那些人手握大權(比方說雷根總統)、卻根據這類信念行事,特別可怕。

占星術主張,人出生那一刻的各星球牽引力,會影響一個人的個性。但這個論點很難讓人接受,理由有二:(一)占星學完全沒有提到這種牽引(或是其他)力道,到底要透過哪一種生理或神經生理機制運作,更別說解釋了;(二)負責接生的產科醫師施加的牽引力,遠高於各個星球。請記住,一件物體對於身體(比方說,新生兒)施加的牽引力,和物體的質量成正比,但和物體與身體的距離平方成反比。這是否代表比較胖的產科醫師接生的寶寶,會有一組人格特質;比較瘦的產科醫師接生的寶寶,會有另一種不同的人格特質?

占星理論中有很多缺陷,但數盲視而不見。他們不太關心運作的機制,也不太想去比較數值大小。話說回來,即使沒有清晰明瞭的理論基礎,但如果占星術有用、有實務證據撐腰,還是應該獲得尊重。只可惜,一個人的出生日期,與標準人格測驗的得分之間,沒有任何相關性。

圖/envato

一直以來,都有人找占星師做相關的實驗(最近是加州大學的蕭恩.卡爾森﹝Shawn Carlson﹞)。研究人員會給占星師看三個匿名的人格特質側寫,其中一個是當事人的。當事人提供所有占星要用到的數據(透過問卷,而非面對面),占星師必須從人格特質側寫中挑出哪一份是當事人。實驗中總共有 116 位當事人,而負責檢驗的是歐洲與美國 30 位最頂尖(由同業判定)的占星師。實驗結果如下:占星師約有三分之一的機率,可以挑出正確的當事人人格特質側寫,也就是說,和隨機猜測沒什麼區別。

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凱斯西儲大學(Case Western Reserve Univer sity)物理學家約翰.馬蓋文(John McGervey)檢視《美國科學名人錄》(American Men of Science)上,超過 1 萬 6,000 位科學家,以及《美國政治名人錄》(Who’s Who in American Politics)上,超過 6,000 位政治人物的出生日期,發現他們的星座是隨機且均勻分布在十二個月中。密西根州立大學(Mi chi gan State University)的伯納德.西弗曼(Bernard Silver-man)取得密西根州 3,000 對夫婦的紀錄,發現他們的星座和占星師預測相配的星座之間,沒有相關性。

那麼,為何這麼多人相信占星之說?一個明顯的理由是:在通常語焉不詳的占星預言中,人們會去讀他們想讀到的一切,然後為預言添加根本不存在的真實性。他們也比較可能記得有成真的「預言」,過度看重巧合,忽略其他。其他理由還包括,占星術的歷史悠久(當然,人祭﹝ritual murder﹞和獻祭也同樣古老)。或是因為,它原理很簡單、但操作起來有一定的複雜度,會讓人感到安心。或者是,堅稱這個月能不能墜入愛河和天上的浩瀚星海有關,很能寬慰人心。

圖/envato

我猜,此外還有最後一個理由,那就是在一對一諮詢期間,占星師會從臉部表情、儀態、肢體語言等等,尋找和人格特質有關的線索。我們來看看知名的案例:聰明的漢斯(Clever Hans)。漢斯看來是一匹會算數的馬,牠的訓練師會擲骰子,問牠骰子上面的點數是多少。而漢斯會用馬蹄踏出正確答案,然後停住,旁觀者都大為驚異。但人們看不出來的是,訓練師原先都站定不動,等到馬兒敲到正確的次數,會有意無意地動了一下,就是這樣的反應讓漢斯停了下來。所以,不是這匹馬知道答案,牠只是反映了訓練師知道答案。人常無意間在占星師面前扮演訓練師的角色,占星師就像漢斯一樣,反映出客戶的需求。

美國天文學家卡爾.薩根(Carl Sagan)就說過,要破解占星術以及更廣義的偽科學,最好的辦法就是真正的科學。真正科學的奇妙之處也同樣神奇,不過多了一項優點:這些奇妙之處很可能是真有其事。說到底,偽科學之所以成為偽科學,並不是因為得出的結論稀奇古怪。畢竟,運氣好猜中、機緣巧合、奇特的假說,甚至是一開始的誤信,都在科學上扮演過一定角色。偽科學失當,是因為其結論經不起檢驗,以及無法和其他經過檢驗的主張之間,建立起一致的關係。我很難想像,像演員莎莉.麥克琳(Shirley MacLaine,按:麥克琳是推動新時代運動的先驅)這些人會因為證據不足、或有更好的替代解釋,就去否定通靈等超自然現象。

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——本書摘自《數盲、詐騙與偽科學》,2023 年 11 月,大牌出版,未經同意請勿轉載。

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大牌出版.出版大牌_96
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