葉列寧彗星消失了？

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

從遠處看過來，我們的太陽系彷彿空空如也。

如果你用圓球包住太陽系，這圓球大到能容下行星中最外圍的海王星軌道；那麼太陽、所有行星和它們的衛星占住的體積，只比圓球體積的 1 兆分之 1 要多一點點。

不過，太陽系也並不是真的如此空曠，行星之間的空間還有許多岩塊、小圓石、冰球、塵埃、成群的帶電粒子和多艘在遠方飛航的探測船。除此之外，太陽系空間裡，也到處都是強大的重力場和磁場。（太陽系最外圍的行星不再是冥王星了，請接受這個事實。）

多不勝數的固定班底：大大小小的星際碎片

行星際空間其實雜物繁多，所以我們的地球以每秒 30 公里的速率在軌道上行進時，每天都會掃起數百噸的流星體，其中尺寸多半小於沙粒。這些流星體高速衝撞地球大氣產生的熱，會造成它們的表面汽化，於是大部分直接焚毀在地球的高層大氣裡。地球脆弱的物種有賴於這層大氣保護罩，才得以繁衍演化。較大的流星體，除了表面會被燒焦，基本上會相當完整的抵達地球表面。

你或許認為經過了 46 億次的繞行太陽之旅之後，地球應該已經清掉了軌道上的所有碎片，但答案是：還沒有。不過和地球過去的遭遇比起來，現在的情況顯然大有改善。大約在太陽和行星形成 5 億年之後，有多到難以想像的碎片不停掉落到地球上，產生的撞擊熱不斷累積，導至大氣熾熱無比，地殼也完全熔融。

其中一顆非常大的碎片，導致了月亮的形成。在分析阿波羅探月計畫太空人帶回來的樣本後，發現月球的鐵和較重元素的含量意外的少，這表示火星大小的迷途原行星和地球發生擦撞後，那些從地球缺鐵的地殼和地函迸發出去；繞著地球運行的碎片，後來可能聚合成我們低密度的美麗月亮。

除了這個特別重大的事件，嬰孩時期的地球經歷的重轟炸期並不獨特，因為太陽系的其他行星和大型天體也都經歷過。大家也都受到類似的重大破壞，不過只有缺乏大氣的月球和水星，大致保存了這個時期的撞擊紀錄。

太陽系不但受到形成時留下的廢料撞擊，在近行星際空間裡還散布著火星、月亮和地球受到高速撞擊後，從表面彈出的大大小小岩石。流星體撞擊的電腦模擬證明，撞擊區附近的表岩噴飛的速率，高到可以掙脫天體的重力束縛。我們從地球上火星隕石的發現率，可以推斷出每年約有 1 千噸的火星岩石掉到地球上；而每年或許也有大約等量的月岩掉到地球上。回想起來，我們其實用不著特地飛到月球去拿月球岩石，地球上就多得是。只不過，我們沒辦法挑精撿瘦，而且在阿波羅計畫年代，我們也不知道有這回事。

可能會讓物種滅絕的狠角色「小行星」

大部分太陽系的小行星分布在火星與木星間，形狀扁平的小行星主帶上。在傳統上，小行星的發現者有命名權，高興用什麼來命名都可以。通常在畫家描繪的圖示裡，小行星帶是太陽系盤面上一個散布著凌亂崎嶇岩塊的區域。

小行星帶的總質量不到月球質量的 5%，月球的質量則只比地球的 1% 要多一點點而已。雖然小行星的質量不大，但它們的軌道不斷受到擾動，因此形成了一群大約數千顆特別危險的近地小行星，它們的扁平軌道會和地球軌道交錯。簡單的計算指出，它們大部分會在 1 億年內撞上地球。尺寸大於 1 公里的小行星在撞上地球時，產生的能量會高到嚴重破壞地球的生態系統，可能使大部分的陸地物種滅絕。

這當然是糟透了。

小行星並不是唯一會危害地球生物的外太空天體。在海王星之外的柯伊伯帶（Kuiper Belt），帶寬大約和海王星與太陽的距離相當，其中成員包括了冥王星，是一個滿布彗星的環形區域。遠在六十多年前，荷蘭裔美國天文學家柯伊伯（Gerard Kuiper）就指出，在海王星軌道外頭的寒冷深空裡，藏著從太陽系形成時期殘存下來的冰質天體。由於這附近沒有大質量行星來吸收這些彗星，於是大部分彗星就靜靜的繞太陽運行了數十億年。

就如同小行星帶一樣，部分柯伊伯帶天體的軌道極扁平，並會和其他行星軌道相交。例如冥王星和同軌道的那群冥族小天體，它們較靠近太陽時軌道區會和海王星軌道交錯。另外還有一些柯伊伯帶天體的軌道會深入太陽內圍，放肆的穿過許多行星軌道；在這群天體中，最著名的是哈雷彗星。

在柯伊伯帶後方很遠的地方，大約在前往最鄰近恆星的半途上，有一個稱為歐特雲的彗星儲存庫，它呈現球形分布，名字來自首先推斷出它存在的荷蘭天文物理學家歐特（Jan Oort）。

歐特雲（Oort Clude）是長週期彗星的源頭，這類彗星的軌道週期比人類生命還要長。與柯伊伯帶彗星有別的是，歐特雲彗星可以從任何方向，以任何軌道傾角進入太陽系內圍。1990 年代最明亮的海爾─波普彗星（Comet Hale-Bopp）及百武彗星（Comet Hyakutake），都是源自歐特雲，而且在短時間內都不會再度回歸。

有大氣層真好：太陽風極光

太陽表面每秒會散失超過 1 百萬噸的質量，而形成的物質流稱為太陽風，太陽風主要的成分是帶電的高能粒子。太陽風粒子時速最高可達 1 千公里，粒子以這種高速向外泛流成群穿過太空，只有遇到行星磁場時才會轉向。

太陽風的部分粒子以螺旋軌跡掉向行星的磁北極和磁南極時，會撞擊氣體分子，激發大氣發出多彩多姿的極光。哈伯太空望遠鏡已在土星及木星的極區發現極光，而出現在地球上的北極光及南極光，時不時的提醒我們：有大氣層的保護真好。

我們通常說，地球的大氣層從地球表面向上延伸數十公里。而低軌道上的衛星，在 100 公里到 400 公里高的軌道上，大約 90 分鐘會繞地球一圈。

你雖然無法在這種高度呼吸，不過這個區域仍有不少大氣分子存在，摩擦力已足以讓衛星慢慢失去軌道能量而下墜。為了要對抗這種阻力，低軌道的衛星偶爾要重新提升軌道高度，免得掉回地球，焚毀在大氣中。

大氣層邊界的另一種定義為：「地球氣體分子的壓力」和「行星際氣體分子壓力」相等之處。根據這種定義，地球大氣層的範圍有數千公里。在這個高度上方的 36,800 公里處（大約是地球與月亮距離的 1/10），是通訊衛星的國度。在這個特殊的高度，地球大氣的影響無關緊要，衛星的速率也很低，並且恰好和地球的自轉速率相同，所以衛星每天剛好繞地球一圈。相對於地面，這種衛星看似一直飄浮在正上空，是理想的訊號中繼站，能為地表不同的區域轉傳訊號。

謝謝「重力盾牌」木星，為地球擋下危險

牛頓重力定律指出，雖然你若距離行星愈遠，受到行星重力的影響也愈弱，但這個影響並不會降到零。木星用它強大的重力場，把很多原先會在太陽系內圍造成重大破壞的彗星趕開。所以對地球而言，木星就像重力盾牌，也像在保護地球的粗壯大哥，讓地球享有長達億年，相對平安和寧靜的時期。如果沒有木星提供的保護，地球生命除了很難演化成更有趣的複雜生命，也會活在可能受到致命撞擊而滅絕的危險環境中。

我們一直在利用行星的重力場為太空探測船提供能量。就以前往探索土星的卡西尼號探測船為例，它受到許多行星的重力協航，其中金星兩次、地球（由金星返回時）和木星各一次。探測船在多顆行星間輾轉飛航，以酷似撞球檯上撞球的路徑行進，是很常見的操作方式。如果不這樣，火箭提供的飛行速率和能量，不足以讓我們的小探測船前往目的地。

眾多命名不盡的小行星

我現在對太陽系的行星際碎片有些許責任了。2000 年 11 月，由李維（David Levy）和舒梅克（Carolyn Shoemaker）發現的主帶小行星 1994KA，後來命名為「13123– 泰森（13123 Tyson）」來向我致敬。我雖然享有這個殊榮，但其實也沒有什麼好自大的，因為還有許多類似的小行星，以喬笛、哈洛特和湯瑪斯等常見的名字命名。還有一些小行星的名字叫梅林、龐德和聖誕老人。

目前發現的小行星，數量已將近數十萬顆，可能很快就會對我們命名的能力產生挑戰。不管這種時日是否會來臨，我覺得相當欣慰的是，以我命名的那個宇宙碎片在行星間遊蕩時，並非孤苦無依，而是有一大堆以真人和虛構人物為名的其他天體為伴。

此刻讓我更高興的是，我的小行星並沒有直衝地球而來。

本文摘錄自《宇宙必修課：給大忙人的天文物理學入門攻略》，天下文化出版。

• 文／陳英同｜中研院天文所博士後研究員

肉眼、望遠鏡、推理：這就是整個太陽系了嗎？

遠古以來，人類在深夜裏仰望天穹， 結合神話故事，想像出一百多個星座。就在這樣充滿故事但是顯少改變的夜空中，有幾個星點被古代天文學家發現了規律的週期運動，這就是我們現在所知道的太陽系行星，並且以最有名的幾個希臘神來命名，例如：阿波羅（Apollo）－太陽、維那斯（Venus）－金星、朱比特（Jupiter）－木星等等。

不過畢竟肉眼的能力有限，頂多只能看到視星等五等多的天王星（不過天王星不是肉眼發現的，是利用望遠鏡偶然發現的）。在中古世紀，人們覺得這七顆行星應該就是太陽系中所有的行星了（不過確定他們是繞著地球還是太陽轉，又是另一個很長的故事了）。

在1846年，數學及天文望遠鏡發展了一段很長時間後，天文觀測精確度以及計算能力都剛好滿足時，天文學家發現最外圍的天王星似乎在天空中有著不規則的運動，而且剛好可以假設一顆還未發現行星的重力擾動來解釋，也因此而發現了海王星。

有了這個成功的例子，天文學家開始利用相同的方法去找尋是否海王星外是否還有未發現的行星。在1930年終於發現了冥王星，這也是唯一美國人發現的行星（雖然我們現在知道冥王星被降級成「矮行星」，再也不是太陽系的行星了······）。

在這之後，人們「又開始覺得」這應該就是整個太陽系的模樣了，但是理論天文學家就不這麼覺得了。荷蘭天文學家揚．歐特（Jan Oort）首先在 1932 年左右首先提出長週期彗星的來源，應該是一個距離 20000 au （天文單位，地球到太陽的距離）的球狀雲團 ，也就是歐特雲。

庫柏（Gerard Peter Kuiper）跟艾吉沃斯（Kenneth E Edgeworth）在 1950年代時，提出了海王星外應該有個太陽系形成時，所殘留下來的原始行星盤的假說。費南德茲（Julio Fernández）與中央大學的葉永烜老師在 1987 年進一步用數值計算模擬推論出位於 35 到 50 au 應該要存在一個彗星帶或是行星盤，才能解釋短週期彗星的成因。有了這些理論的基礎，1992 年麻省理工學院的朱維特（David Jewitt）終於找到在發現冥王星 60 多年之後的第二顆庫柏帶天體1992QB1，並且開啟了海王星外天體的大航海時代。

在 2006 年，任職於加州理工學院的布朗（Michael Brown），利用第一代的大視場天文數位相機，發現了絕大部分的比較亮或是比較大的庫柏帶天體，包含表面有水冰光譜的妊神星（Haumea）家族、推測是內歐特雲的賽德娜（Sedna, 小行星 90377），以及跟冥王星大小差不多的鬩神星（Eris）。鬩神星的發現也間接了否定了冥王星行星的定位，西方媒體也戲稱布朗是冥王星殺手。

在接下來的十年中，觀測天文學家利用更大的望遠鏡、更新更廣的電子相機，找到了超過二千個庫柏帶天體。由於離太陽越遠，太陽系原始物質的空間密度會越來越低，在近二十年的觀測裡，也並沒有發現其他會影響庫柏帶天體的天體。這時，大家又開始覺得，真正的太陽系應該就是這樣了：庫柏帶跟歐特雲中間應該沒有什麼大東西存在了。

第九行星，下一個就是你：但是你在哪裡？

自從賽德娜發現後十年，行星動力學一直無法很好的解釋它的來源與存在。由於它離海王星實在非常的遠，離海王星軌道最近的距離比海王星軌道還多一倍 （76 au v.s. 30 au），動力學模擬的結果也證明在46億年內（太陽系的年齡） 它都不會改變它的軌道，那它是如何跑到到那個位置的呢？

一般相信這個與世獨立的存在需要一些外力，例如漂流的恆星通過太陽系外、或是太陽形生成於星團中，而後才離開星團。但這些理論大多只能說是假設，缺少觀測上的支持。但是在這十年間，天文學家陸續找到數顆與賽德納很像的天體，並且發現這些天體的軌道傾角與近日點的位置有特別的趨勢（見圖1、2），但由於數量過少，這個領域的研究方向一直還未確定。就在去年的二月，加州理工學院的巴特金（Konstantin Batygin）與布朗敲響了第九行星理論的第一聲響，發表了一顆十倍地球質量行星位於 250 au 的理論模型。而這個模型剛好可以適當的解釋遠近日點的天體為何都偏向同一邊（見圖）以及傾角分佈，以及他們如何生成的。

行星科學界最重要的定期會議之一是美國天文學會下的 DPS （Division for Planetary Sciences）會議，在裡面接受報告的論文都是最新、最有影響力的研究結果，許多科學媒體也會參與會議，然後立即發出新聞稿。在這個會議中，巴特金受邀發表大會演講，接在他之後的數個論文報告，也都提出一些觀測上跟理論上的一些支持的論點，包含：

1. 雪柏（Scott Sheppard）又找到數顆遠近日點的天體
2. 太陽自轉軸的偏差能用第九行星來解釋
3. 這些遠近日點的天體剛好在這顆推論行星的軌道共振點上。

當然，除了正方的結果，也出現了不少反方的研究，其中最重要的二個結果就是：

(1) 這顆行星的存在將會把現在所見的庫柏帶外的結構摧毀，

(2) 銀河盤面並沒有巡天資料，所以觀測上有明顯的偏差。

現在這個狀況，舉一個眾所皆知的例子，就像UFO到底是外星人太空船，亦或只是地球上的飛行器或者各種光影的組成而已？先不討論照片合成或是誤認，正方反方都能提出不少「說法」或是「間接證據」，但是現況就是我們並沒有確切的證據來證明UFO是外星飛船。

觀測天文學家與理論天文家存在一種微妙的關係：既競爭又合作。理論天文學家可以利用一些假設來預測現在技術看不到的東西或現象，觀測天文學家則是不斷用最新的科學技術去發現、或是證明假設是否正確。一但當科學技術進步到能觀測到應該要觀測的天體時，眾多理論在這時就是大審判的時候了。

目前許多國際研究團隊包含卡內基天文台、加州理工學院及日本國立天文台，都如火如荼地進行尋找第九行星的觀測工作，尤其是位於夏威夷的 Subaru 望遠鏡，由於它是目前口徑最大（八公尺）的大視場望遠鏡，所以擔任起許多重要的觀測工作。所以第九行星到底存不存在？相信這個問題在不久的將來就會真相大白了。

本文摘自《物理雙月刊》39 卷 8 月號 ，更多文章請見物理雙月刊網站。