CGPM 開始更新國際度量衡系統

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

公尺是大家經常使用的長度單位，不過，它到底是多長呢？答案是：光在一秒內行走距離的 299,792,458 分之一。

然而，想準確測量光速可不容易，一般人家裡根本就沒有測光速的實驗設備，為什麼還要選擇這麼不親民的定義呢？原來，這個定義是一直到 1983 年才終於定案的，那麼問題來了：在這之前的人們，是怎麼測量長度的？

法國大革命，度量衡也要大翻新！

在法國大革命之前，法國境內的度量衡直接沿襲了神聖羅馬帝國的規定，各地區間差異頗大，令人頭痛。於是，在大革命剛結束之際，國民公會便指示巴黎科學院定下一個新的長度標準。這麼做不只有利民生及學術發展，也可順便掃除舊政權的老古董制度。

一聲令下後，各路好手紛紛出馬，提出自己覺得夠科學的長度標準。

第一個候選人是「單擺」。因為單擺周期只與擺繩長度有關，所以或許可以用「一秒擺一次的單擺擺長」來作為長度標準。不過，只要經過簡單的實驗就可以發現：由於各地重力強度不同，所以單擺周期會因測量地點改變，而不是只跟擺長有關。用單擺當標準的話，缺乏了各地通用的普適性，因此遭到淘汰。

第二種想法則是利用「地球的大小」。更準確地說，是將子午線從赤道到北極的長度作為標準，以定下常用的公尺長度。這個想法其實沒有什麼物理上的意涵，不過還是被國民公會所採用，於是開始了測量子午線的浩大工程。

雖然子午線就在法國人的腳底下，但要量它的長度可不容易。沒有人能真的從赤道長征到北極。在那個科學技術剛起步的年代，如此大規模的測量是個十分艱鉅的挑戰。

不過，堂堂法國巴黎科學院可是說到做到。他們花了超過六年的時間，實地測量從敦克爾克到巴塞隆納這段子午線的長度。這兩個城市都位於海平面，而且差不多位於整個弧長的中段，是很適合的選擇。利用這次測量的結果，科學家鑄造出一根鉑製的公尺原器，從此，一公尺有多長由它說了算。

在 1840 年左右，新定義的公尺正式成為法國的標準單位。後來，公尺原器經過幾次複製與改良，推廣到全世界，而公尺也成為家喻戶曉的長度單位。

不過時間一久，科學家發現：用一個實體物品去定義單位終究不是個好主意。不論保存措施多麼完善，實體物品終究會出現一些損耗，像是用來定義質量單位的公斤原器，便隨著時間逐漸變胖。這些細微誤差讓龜毛的物理學家難以接受，於是尋找公尺新定義的偉大旅程再次展開啦！

為什麼要「吹毛求疵」？樸實無華的單位追尋之旅

這次的場景在二十世紀。經過眾多物理大師的加持，物理學已經比法國大革命那時完備許多。電磁學、相對論、和量子力學都已經發展成熟，而新的定義也從這幾個領域著手。1960 年，科學家們先是將公尺用氪原子光譜的躍遷波長來定義，後來則因氪元素取得不易，在 1983 年更改為我們現在熟悉的光速定義。

為什麼是光速而不是聲速或其他速度呢？電磁學的推導指出，不論在宇宙的哪個角落，光速都是一樣的（相對論的架構也是建立於這點之上）。因此光速有別於其他物理速度，是個令人信賴的定義標準。

除此之外，這個定義使用的是不變的物理常數，而不是實體物品，因此存在一個完美的「精確值」。隨著測量光速的實驗越來越精準，一公尺只會逐漸趨向精確值；相較之下，原本的公尺原器就相形失色，就算不考慮原器長度會有變化，公尺的定義還是受限於每次測量的誤差。基於同樣的道理，公斤的定義也在幾年前由公斤原器改為物理常數的組合。

從單擺到光速，公尺的定義隨著物理學的發展不斷演進，為的就是去除那零點零幾趴的誤差，得到一個恆常不變的長度單位。物理學家的堅持就是這麼樸實無華且枯燥，實在令人敬佩。

所以說，在可預見的未來中，這些定義應該不會因為準確度的問題而被換掉。（對的，你只要好好記一次就很夠用了！）如果真的有這麼一天，表示目前的宇宙常數和物理定律出了問題，那麼事情可就大條啦。

參考資料

• 國家度量衡標準實驗室
• Wikipedia: History of the metre
• 精確的力量：從工業革命到奈米科技，追求完美的人類改變了世界

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• 作者／李開周
• 編按：本文中的單位換算，是中世紀歐洲的計算方式，現代的計算方式已和過去不同，一起來看看那時的單位計算有多野蠻吧！

蕭邦之所以姓「蕭邦」，來自於「一瓶紅酒」

弗雷德里克．蕭邦（Frédéric François Chopin） ，波蘭鋼琴家、作曲家，十九世紀歐洲浪漫主義音樂的代表人物，弗雷德里克是名字，蕭邦是姓氏。

蕭邦為什麼姓蕭邦呢？因為他父親姓蕭邦。他父親為什麼姓蕭邦呢？因為他父親的父親的父親的父親，也就是蕭邦的祖宗，在法國賣過紅酒。

幾百年前的法國，單瓶紅酒的標準容量是一超品（Chopin）。當時法國人說到紅酒，就會想起超品；而說到超品，就能想起紅酒。蕭邦的祖宗既然賣紅酒，所以就把「超品」當作家族的姓氏。

後人再把這個姓氏譯成漢語，就成了「蕭邦」。實際上，按照現代漢語讀音，把 Chopin 譯成「超品」並不恰當，譯成「蕭邦」才比較接近。

現在我們知道了，蕭邦的姓氏和度量衡有關，是法國傳統容量單位超品的另一種譯法。那麼這個容量單位到底有多大呢？折算成現在國際通用的毫升，到底有多少毫升呢？算一下就知道了。

• 一法國超品等於 1.5 英制品脫，一英制品脫又等於 0.125 英制加侖，所以一法國超品等於 0.1875 英制加侖。
• 一英制加侖是多少呢？大約是 4546 毫升。所以，一法國超品就相當於 852.375 毫升，約等於 850 毫升。

現在市面上的法國紅酒，單瓶容量通常是 750 毫升或 700 毫升。也就是說，蕭邦的祖上售賣的紅酒，比現在的紅酒要實惠，酒瓶更大，裝得更多。

但我們必須說明的是，將一超品折算成 850 毫升，完全是根據現代英制加侖與毫升的換算關係來計算。而在幾百年前，並沒有「毫升」這個概念，一加侖的實際大小是不確定的，可能比 4546 毫升略大，也可能比 4546 毫升略小，所以一超品的實際大小並不能十分確定。

這些容量單的換算關係如下：

• 一蒲式耳＝二坎寧
• 一坎寧＝二配克
• 一配克＝二加侖
• 一加侖＝二波特爾
• 一波特爾＝二夸脫
• 一夸脫＝二品脫
• 一品脫＝二大杯
• 一大杯＝二及耳
• 一及耳＝二傑克
• 一傑克＝二小杯
• 一小杯＝二口

做為容量單位，超品已經退出歷史舞臺，現代法國人不再使用，英國人、德國人和美國人也不再使用。事實上，英國人從來就沒用過超品，他們過去常用的容量單位，是品脫（Pint） 、夸脫（Quart） 、波特爾（Pottle） 、加侖（Gallon） 。

此外還有更大的容量單位，例如配克（Peck） 、坎寧（Kenning） 、蒲式耳（Bushel）；以及更小的容量單位，例如大杯（Cup）、及耳（Gill） 、傑克（Jack） 、小杯（Pony）。

根據以上換算關係，我們可以瞧出兩點端倪：

1. 傳統英制容量單位之間都是倍數關係，典型的二進制；
2. 所有英制容量單位都是建立在「口」之上的。

「口」：喝下去、吐出來，單位跑出來

什麼是「口」？就是一小口。喝一小口紅酒，再吐到量杯裡，這個容量就是一口。

不停地喝，不停地吐，一口一口地累加，吐 2 口是一小杯，吐 4 口是一傑克，吐 8 口是一及耳，吐 16 口是一大杯，吐 32 口是一品脫，吐 64 口是一夸脫，吐 128 口是一波特爾，吐 256 口是一加侖，吐 512 口是一配克，吐 1024 口是一坎寧，吐 2048 口是一蒲式耳。

說到這兒，您會覺得噁心——那麼多、那麼高大上的容量單位，竟然要一口一口去量，多不衛生啊！

是的，確實不衛生。不衛生倒也罷了，最可怕的是不精準。

您想啊，人的嘴有大有小，小芳櫻桃小口，一口能吐 5 毫升；小強血盆大口，一口能吐 50 毫升。都是一口，差了十倍。即使是同一個人，每一口也不一樣大：喝清爽啤酒，一口能灌半斤；喝燒刀子，一口最多半兩。還是一口，又差了十倍。

《淮南子》有云：「寸而度之，至丈必差；銖而稱之，至石必過。」一寸一寸地累積，累積到一丈，微小的誤差會變成巨大的誤差；一銖一銖地累積，累積到一石，微小誤差會變成更加巨大的誤差。

寸和丈是古代中國的長度單位，十寸為一尺，十尺為一丈。從寸到丈，要累積一百次，假如每寸有一公釐誤差，那麼每丈就能差出 100 公釐，差不多和您的手機一樣長了。

銖是古代中國的重量單位，24 銖為一兩，16 兩為一斤，120 斤為一石（這裡的「石」是「禾石」簡稱，讀ㄕˊ；如果做為容量單位，則讀ㄉㄢˋ）。從銖到石，要累積 46080 次，假如每銖有一克誤差，每石就能差出 46080 克，也就是 46.08 公斤，差不多和極致瘦身的女模特兒一樣重了。

古代英國人把各種容量單位建立在「口」的基礎上，假如每一口只有一毫升誤差，當累積到品脫的時候，誤差 32 毫升；累積到加侖，誤差高達 256 毫升；如果累積到蒲式耳，誤差將是 2048 毫升。朋友們，二千多毫升，那是什麼概念？相當於三瓶紅酒啊！

設想一下，蕭邦的祖宗用一口一口吐酒的方式替您稱量，您受得了嗎？當然，人家也不可能用這種笨法子，應該是用標準量器去量。問題在於，當時所謂的標準量器，都是建立在「口」之上的，怎麼可能做到「標準」呢？

商家拿出來一只量杯，標的是一超品；顧客怕吃虧，也從懷裡摸出來一只量杯，標注也是一超品。兩只量杯一比較，顧客的量杯比蕭邦祖宗的量杯大得多，那怎麼辦？用誰的量杯？您堅持用您的，蕭邦祖宗堅持用他的，於是就爭執起來，紅酒沒有買成，買到一肚子氣。

用嘴測度容量，女王覺得母湯

1559 年，伊麗莎白一世登上英國女王的寶座，她發現了容量單位既不標準也不衛生的弊端，於是下令廢除用口稱量的野蠻傳統，並讓容量與重量相結合，重新定義英國的容量單位。

伊麗莎白一世是這樣做的：她保留了品脫、夸脫、加侖等傳統單位，但她讓這些容量與「口」脫鈎，與「盎司」結合起來。她規定，一品脫等於 20 盎司，一夸脫等於 40 盎司，一加侖等於 160 盎司。

盎司本來是重量單位，一盎司等於 360 顆大麥加起來的重量。伊麗莎白一世讓人用天平稱重，在一個托盤裡放入 360 顆成熟、飽滿、晒到乾透的大麥，在另一個托盤裡注入同等重量的清水，再把托盤裡的清水倒進玻璃杯，玻璃杯裡的清水有多少，做為容量單位的一盎司就有多少。

也就是說，一盎司既是 360 顆大麥的重量，又是與 360 顆大麥等重的一杯水的容量。

盎司確定了，品脫、夸脫、加侖也就確定了。稍做計算就能知道，一品脫的水與 7200 顆大麥等重，一夸脫的水與 14400 顆大麥等重；一加侖的水與 57600 顆大麥等重。大麥有大有小，但是將幾百顆、幾千顆、幾萬顆大麥混在一起稱重，得到的會是平均重量，可以抵消顆粒之間的一些誤差。

伊麗莎白一世用上述方法改革英國容量單位，至少有以下三種好處：

1. 新的容量單位不再需要用嘴測度，更衛生、更精準；
2. 讓容量與重量掛鈎，為進一步統一度量衡奠定了基礎；
3. 大麥是當時歐洲最常見的穀物，是最天然、最公平的容量測定標準，當交易雙方在量度上有分歧時，不用找標準容器，不用找政府裁決，隨隨便便抓一把大麥，找一架天平，簡簡單單測量一下，就能消除分歧，這對促進市場交易非常有幫助。

——本文摘自《從奈米到光年：有趣的度量衡簡史》，2020 年 2 月，時報出版