飛碟的牽引波成真！？不過是水中版的拉～

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｜Albert Einstein, Leopold Infeld
• 譯者｜王文生

雖然沒有任何實際參與流言散布的人真的在兩個城市間旅行，來自倫敦的小道消息，很快地傳到了愛丁堡。這個過程，涉及兩種截然不同的動作，一種和流言本身有關，從倫敦到愛丁堡；另一種，則要歸咎散播流言的人。一陣風吹過麥田，帶起一道穿過整片田地的麥浪。這一次，我們還是要分清楚波的運動，以及個別植物的運動之間的差異。植物只是稍稍晃動而已。我們曾經看過，把石頭丟進池塘中，水波的圓越來越大，藉此傳播出去。

波的運動方式，和水粒子的運動方式相當不同。水粒子只是上下運動。我們觀察到波的運動，是物質的狀態變化，物質本身並不是波。

從水面上的一顆軟木塞就能清楚地見到這個現象。軟木塞上上下下的動作，和水實際上的運動類似，它的運動不是波造成的。

為了深入了解波的機制，我們再來考慮一項思想實驗。假設在一個足夠大的空間裡，均勻地被水、空氣，或其他種「介質」填滿。空間的中央處有一個球體。實驗開始時，沒有任何運動。突然，球體開始規律地「呼吸」，體積擴張，然後縮小，在此同時維持球狀的外表。介質會發生什麼變化？我們從球體開始擴張的瞬間開始分析。緊鄰球體的粒子被推開，導致周邊一層球殼狀的水，或是空氣的密度上升，高於正常值。經由類似的過程，球體縮小時，緊鄰球體介質的密度下降了（下圖）。組成介質的粒子只是微幅振動，但是，整體的運動卻是一個行進的波。基本上，我們現在正踏入全新的領域，第一次考慮物質以外的運動，也就是經由物質傳遞的能量產生的運動。

以脈衝球體為例，我們可以導入定義波的性質時相當重要的兩項普通物理觀念。首先是速度，描述波的傳遞。它和介質有關，例如，波在水和空氣的傳播速度不同。其次是波長 (Wave Length)。在海上或河流傳遞的波，它的波長是從一個波到另一個波距離，或是一個波峰到另一個波峰的距離。因此，海上的波相較於河裡的波具有較大的波長。至於脈衝球體產生的波，波長是在某個固定時間點，兩個密度最大或最小的相鄰球殼之間的距離。很明顯，這個距離不會只和介質有關，脈衝球體縮放的速度顯然對波長有不小的影響。縮放的速度越快，波長越小；縮放速度越快，波長越大。

波的觀念在物理學取得巨大的成功。

波是力學的觀念，這點無庸置疑。波的現象被簡化為粒子的運動，而且根據動力學理論，粒子由物質組成。因此，所有用到波的觀念的理論，一般來說都能視為力學理論。比方說，聲學現象的解釋，基本上建立在波的觀念。物體的振動，像是聲帶和琴弦，是聲波的來源。聲波在空氣中的傳遞模式，和脈衝球體波相同。如此一來，將所有聲學現象透過波的觀念簡化為力學是可能的。

前面已經強調過，我們得清楚地分辨粒子的運動和波的運動，後者是介質的一種狀態。兩種運動差異不小，但是，在脈衝球體的例子，兩種運動顯然發生在同一條直線上。介質粒子在一條短線段上振盪，隨著振盪運動，介質密度週期性地增加和減少。波傳遞的方向，與振盪發生的直線的方向，兩者相同。這種類型的波，稱為縱波 (Longitudinal wave)。但是，波只有這一種形態嗎？為了接下來的討論，我們必須認知到另一種類型的波存在的可能性，稱為橫波 (Transverse wave)。

我們調整一下先前的例子。現在依然有一個球體，但是它浸在一種膠狀介質裡，不是空氣，也不是水。此外，球體不再是縮放，而是朝一個方向旋轉一個小角度，再轉回來。旋轉的節奏是固定的，轉軸也不變。膠狀介質附著在球體周遭，被迫以相同的方式運動（下圖）。一部分的力作用在稍微遠一點的地方，造成該處產生相同的運動，如此一來，介質中就產生一個波。如果我們留意到介質的運動與波的運動之間的差異，會發現它們並不是發生在同一條直線上。波沿著球體的直徑方向傳播，而介質的運動則和這個方向垂直。以此方式，我們造出一個橫波。

在水的表面傳遞的波是橫波。漂浮的軟木塞上下浮動，水波則沿著水平面傳遞。另一方面，聲波則是我們最熟悉的縱波範例。

還有一點：脈衝的球體和震動的球體，在同質的均勻介質中製造的是球形波。這是因為在任意時間點，任何圍繞著球體的球殼上的任何一點，行為都是相同的。讓我們考慮位在波源遠處，以波源為球心的球殼上的一個小塊。我們考慮的小塊越小，距離波源越遠，它就越接近一個平面。若不做太嚴謹的考慮，可以說半徑夠大的球殼上的一小部分，和平面其實沒有什麼差距。我們常常把遠離波源的球形波上的一小部分，稱為平面波。如果把下圖著色的區域再向遠離球心的方向移動，兩條半徑中間的夾角就會越來越小，更接近平面波。平面波的觀念和某些物理觀念很類似，它們是虛構的，無法以完美的精確度製造出來。然而，平面波依然是相當有用的物理觀念，不一會就能派上用場。

你還記得科幻電影裡，當飛碟要接收物質或人員時，會直接從空中打下一道牽引光束來將目標吸上去嗎？（想想Star trek或是魔神英雄傳的龍王號）而現在，科學家真的做出了一台類似牽引光束的機器，不過是水波的版本～

讓我們先試著思考一下，當波由波源發射，一個在其路徑上的物體會往那裡跑呢？最直覺的想法，通常是物體會順著波前進的方向跟著移動，就像是沙子會被海浪沖上岸，或是衝浪者會順著海浪往岸邊靠一樣；但科幻電影中的牽引光束卻與這樣的想法完全相反，當牽引光束由飛碟發射，被照到的物體反而會像是被吸引般，朝著波源的方向移動。這真的有可能做到嗎？澳洲國立大學（Australian National University, ANU）的Michael Shats團隊設計了一套水波發射裝置，可以實現上面所述，直覺上看似不可能的牽引效果。

在實驗中，他們以乒乓球作為漂浮物，利用簡單的起波器，透過調整頻率和振幅來製造出特殊的波形，進而控制球的漂移方向：

「我們發現，這些複雜的、三維的波，會在水的表面構成特殊的波形。除了可以達到牽引的功能，也可以控制乒乓球往其他方向移動」Michael Shats說道。

目前對於這樣的水波形態研究，尚沒有成熟的數學模型來描述，這點不論對於該研究作者，或是對於筆者來說，都是一件十分驚訝的事。期望在不久的未來可以針對這樣的系統，與其波形移動造成的運動模型，有更加深入詳盡的分析。當我們可以深入了解背後的「為什麼」，才能有效調整其程式設計，創造出各式各樣能讓物質運動的波，進一步應用在，像是收集海上浮油等用途上。

延伸閱讀：

• 物理學家雙人組利用二道 Bessel 射束創造出牽引光束
• 星艦迷航紀之牽引光束!

參考資料：Generation and reversal of surface flows by propagating waves, Nature Physics, DOI: 10.1038/nphys3041

資料來源：Physicists create water tractor beam [PHYS.ORG, August 10, 2014]

「誒誒誒！音速小子，快點停，你再衝就要掉下懸崖了啊！！」，在懸崖邊的你緊張的說。

「蛤蛤蛤～～～什麼～～～我聽不清楚你在講什麼！！我的耳膜快破啦！！」，你聽到音速小子在一個他最擅長的360度旋轉的最高點說出這句話，伴隨著巨大的聲響，然後迅速的往下俯衝，略過你……

接著就像迪士尼動畫會有的橋段，他在懸崖外騰空了整整一秒鐘，一聲不響地，華麗退場。

事實上，這是你最後一次聽到他的聲音、見到他的身影。在悲傷的同時，你也想著：「為什麼他不聽我的話呢，為什麼！！！！還有他最後那句話是什麼意思？」

或許，就怪他被稱作「音速」小子吧。

（故事為劇情需要，純屬虛構）

音速小子到底怎麼了？

當然有很多可能導致上面這個故事發生。首先，音速小子可能像很多人一樣習慣邊跑步邊聽音樂，又剛好你叫住他的那一刻因為他放的音樂太大聲讓他耳膜快破了，所以也沒聽到你的聲音，造成悲劇的發生。

但是根據你的說法：那一刻，你聽見了巨大的聲響，大到應該不會是耳機發出來的。那麼我會推斷是因為音速小子正經歷因為超音速所帶來的「音爆」現象。

要了解音爆，我們先來看看超音速的歷史吧。1903年萊特兄弟成功完成了第一次人類的動力飛行，在那一次飛行中，他們用12秒的時間飛行了36.5公尺，時速是每小時10.9公里，這雖然是一個小學生跑步都能追上的速度，但這可是劃時代的重要事件。接著我們把時間快轉到二戰，戰爭的危急狀態讓人類的飛行技術突飛猛進。到戰爭末期，最優良的飛機甚至可以達到時速700公里以上！根據紀錄：當時就有飛行員在俯衝，接近音速飛行時，感受到不穩定的搖晃，甚至也有因此操作失當而機毀人亡的紀錄。

事實上，人類史上第一次的超音速飛行是在1947年10月14日完成的，24歲的查克·葉格（Charles Elwood Yeager）成為第一個飛得比聲音快的人，他在12800公尺的高空，使飛行速度達到每小時1078公里，相當於1.015馬赫[註二][註三]。在當時要突破音速，有許多地方有待當時的科學家突破，其中一項就是音爆的問題。

究竟什麼是音爆呢？簡單來說，音爆就是：當物體的速度，超過它所發出聲音的速度時，周圍的空氣會產生一個壓力非常大的錐狀區域（被稱為馬赫錐），造成氣流的不穩定，然後巨大的壓力差會產生巨大的聲響，就像上圖及左圖的示意圖這樣。順帶一提，子彈飛行產生的聲響也是音爆的例子之一。

哎呀，只不過老實說，超音速飛機與我們的日常生活確實有點遠，可能有點難想像，但其實這個現象在日常生活中也不難觀察到。

從湖面看音速小子的悲劇

大家都有在湖邊玩耍、看看大自然的經驗吧，看著湖面上自由自在悠游的水上動物們，恨不得自己也長了個蹼，能夠跳下去跟著他們一起游泳，把心理的壓力一掃而光。

讓我們觀察一下那隻鴨子身後的水波，事實上，因為鴨子的行進速度比水波的波速還要快，所以在它的後面會有三角狀的水波紋產生。

對應超音速飛機音爆的例子：因為飛機的行進速度比聲波的波速還要快，所以在機身後面會有錐（因為聲波是向四面八方傳遞）狀的衝擊波產生。

有沒有覺得兩句話很像呢？確實，以上所說的兩個現象基本上是源於同一個物理概念。

知道了音爆 那你知道還有光爆嗎

光爆聽起來……怎麼那麼……像什麼會把人燒掉的恐怖武器啊！

別亂想。光爆其實就是上面兩個現象的延伸，只不過這次不是發生在聲音，也不是發生在湖面，而是光！

光爆這個現象是由1934年由蘇聯物理學家契忍可夫（Pavel Alekseyevich Cherenkov）發現的，正式的名稱叫做：契忍可夫輻射（Cherenkov radiation），有的人會稱呼他為光爆，這種輻射的特點就是：很美的藍色輝光！

聰明、好奇的你想了一下，說：「你別騙人了，愛因斯坦的狹義相對論告訴我們：一個物體的速度不可能比他所發出來的光還要快！」

事實上，這個現象的確沒有違反愛因斯坦偉大的狹義相對論。只不過他們用了一個小技巧：這個實驗不會是在真空或者是空氣中這些光行進很快的地方進行， 他們把整個實驗放到一些光跑得比較慢的地方（例如在生活中常見的水中，光的行進速度只剩下原本的大約四分之三），如此一來，科學家們就可以利用加速器，把粒子加速到比他自己發出的光還要快的速度，接著才能順利觀察到這個現象。

在金屬表面產生的光爆

2014年，哈佛大學的研究團隊又有了新的突破，他們成功製造出跟光爆類似的現象，只不過這次的波是行進在金屬表面，以一種被稱為表面電漿子（Surface plasmons）傳遞，他們把這個現象叫作”Cherenkov surface plasmon wakes”。

這個實驗室的教授，費德里科·卡帕索（Federico Capasso）說：「傳統的光學研究成果讓我們製造出全像圖、Google Glass、 LED燈等等的科技產品；但在未來，奈米光學（Nanophotonics）將會是奈米科技的一項重要領域。這次研究成果讓我們更有能力能控制奈米尺度下的光。」

在裡面的研究生，同時也是這篇論文的第一作者丹尼爾（Daniel Wintz）說：「要能夠在比光的波長還小的尺度下控制光是一件非常困難的事情。重要的是我們不但成功製造、觀測到這個現象，更找到了幾個不同的方法來控制它。」

不只是產生這個現象難，就連要觀察也很難，因為事實上，表面電漿子是看不到的，研究團隊必須想辦法把表面電光子從金屬表面“抽”出來，然後經過光纖，才能紀錄到影像。

所以說，其實從水波、聲波一直到光波以及以表面電漿子傳遞的波，這些不同樣貌的現象其實都是同一個物理現象所主導，只是我們平常沒有發現其中的關聯性而已！

備註

1. 見維基百科-萊特兄弟。
2. 1馬赫為一倍的音速，詳見維基百科-馬赫
3. 這個紀錄有些許爭議，見維基百科-查克·葉格，但不管如何，葉格無庸置疑是第一個在有計劃性、嚴密監控的情況下，靠著飛機自身的動力而實際且確實地突破音障的人類。

參考文獻

1. Surfing a wake of light: Researchers observe and control light wakes for the first time
2. Controlled steering of Cherenkov surface plasmon wakes with a one-dimensional metamaterial Nature Nanotechnology [2015]