再揭冥王星奧秘

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／語星葉，與一隻米克斯黑狗簡單地生活在新竹，正在努力成為天文學家。

在浩瀚的太陽系裡，冥王星一直是個迷人又「謎人」的存在。關於冥王星精彩的故事很多：1930年被鍥而不捨的天文台助理發現、2006年被從行星殿堂「降級」為矮行星、2014年新視野號成功飛掠並帶來無數珍貴的照片與科學資料……如今關於冥王星的新研究又帶來驚喜──或該說是驚嚇？

冥王星與海王星的「雙星共舞」

冥王星是第一顆被人類發現的「海王星外天體（Trans-Neptunian object, TNO）」。如今我們已知海王星軌道外有數百顆這類的天體，並且數量還在增加中。這類天體雖繞行著太陽，但其軌道週期之大，宛如被太陽遺忘在邊疆的散兵。有些 TNO 還長得奇形怪狀，例如妊神星（Haumea）雖然有 1/3 個冥王星的質量，但其外型不是球型，而是一顆橢球，且其長軸比短軸長了一倍！

上圖最左上角是冥王星系統，其中最大的衛星凱倫（Charon）甚至大到使這個雙體系統的重心在冥王星之外，因此也稱冥王星是個雙（矮行）星系統。而妊神星（Haumea）則硬生生長成恐龍蛋形狀，因其自轉一圈只花 4 小時，這樣的高自轉速度使它無法成球體。值得一提的是，已知的 TNO 體積都小於月球。

冥王星本身更是有許多有趣的現象。冥王星的軌道偏心率高，呈橢圓狀，而且軌道平面是傾斜的，跟太陽系盤面差了 17 度角（見下圖）。除此之外，冥王星跟海王星的關係可謂糾葛難分──冥王星的軌道跟海王星有些微交錯，即某些時候冥王星會轉到海王星軌道的內側，此時冥王星比海王星離太陽更近！這樣難道兩顆星不會因為太過靠近，而使彼此的軌道不穩定嗎？天文學家發現，冥王星與海王星的軌道呈和諧的共振關係，兩顆星就像在跳方塊舞，互相受彼此的重力牽連著、卻不會因距離太近而打破軌道的平衡。

這兩顆星的和諧軌道共振有兩個要素：首先，冥王星跟海王星的軌道週期呈現近乎 3：2 的比例，且當冥王星在近日點時，海王星大約在與其軌道長軸呈垂直的位置。更精確地說，冥王星的近日點位置是會浮動的，在天體力學中稱為冥王星近日點的天平動（Libration，指的是天體軌道角度的週期性震盪）。

若由上往下看太陽系盤面，冥王星的近日點天平動會與海王星軌道保持上述的關係，因而不會與海王星太過接近。另一個要素則是軌道傾角方向的天平動。由於先前提到的軌道傾斜，冥王星的近日點能保持在遠高於海王星軌道平面的位置，因此更加確保兩顆星不會相遇。

上圖為冥王星軌道與八大行星軌道對照圖。截圖自The Sky Map | 3D Solar System Simulator 。
有興趣的讀者可以上這個網站，搜尋 Pluto 並勾選 animate ，調整合適的時距，便可以隨心所欲從任意角度觀察冥王星與八大行星的軌道運動。只是 3D 模擬運算量大，網站頗容易當哈哈……

你以為天體運行繞一圈就結束了嗎？讓影片畫給你看

其實天體力學的軌道計算非常的複雜。連結是神人用 Python 寫的開源模擬所繪製的影片。前半段影片顯示的是冥王星與海王星的軌道共振狀態，冥王星以紅色標示，海王星以藍色標示，坐標系則隨著海王星一起公轉；後半段影片展示一個無軌道共振的系統作為對照，冥王星質量的天體以綠色表示。

影片中，左上圖是從上往下看太陽系盤面，可以看見海王星的位置其實有微小的變化，這是因為海王星的軌道並非正圓；而冥王星的軌跡則顯示出上下兩個對稱的弧線，這是近日點的位置，可以發現平均下來近日點跟太陽的連線，的確跟海王星位置跟太陽的連線是垂直的，還可以觀察到近日點天平動的幅度。

而下方兩張圖則是從側面看太陽系（平行於太陽系盤面看過去），可以看出兩側高凸的近日點位置的確遠高出黃道面（z=0）。這個模擬的時長為 2 萬年，冥王星約繞行太陽 80 圈，可以看見其軌跡是有跡可循的；相對的，影片後半沒有軌道共振的對照組，其近日點在這兩萬年內不斷地漂泊，繞行軌跡也相當混亂無序。

上述的模擬只考慮了太陽、海王星與冥王星的三體運動（雖然已經極為複雜了），那麼其他已知的氣體行星，會不會對冥王星軌道造成微小的擾動呢？欸嘿， N-body simulation 出場了！（筆者表示害怕）

天體力學下的平衡

美國亞利桑那大學的天文學家 Malhotra 與日本國立天文台的 Ito 研究員，在他們的模擬中考慮了太陽以及所有氣體巨行星──木星、土星、天王星與海王星──對冥王星的重力作用，並且把模擬時長拉長到50億年（上述 Python 模擬的 16 萬倍），也就是預期太陽剩餘的壽命。他們想嘗試回答，在太陽穩定照亮世間的漫漫時光裡，像冥王星這樣軌道如此精巧的天體，究竟是否能長久和海王星跳著方塊舞呢？

在模擬中，他們分別測試了不同的行星組合，以判斷各巨行星對冥王星軌道的影響。一如過去所知，模擬結果顯示了海王星的重力主導了冥王星近日點在平行太陽系盤面方向的天平動，也就是保持著 3/2 的和諧共振。然而，對於軌道傾角方向的天平動，海王星並未握有太大實權。拉長時間來看，冥王星近日點的天平動無論在平行盤面、軌道傾角兩個方向上，對巨行星們的一舉一動都頗為敏感。巨行星們的重力作用會使冥王星軌道產生微擾（Perturbation），使冥王星軌道產生天平動，只要天平動限縮在穩定的範圍內，就不用擔心冥王星會被耍得團團轉。

令人驚訝的是，根據模擬結果，他們發現在平行盤面的方向上，天王星竟在破壞冥王星的軌道穩定！不過別擔心，這個軌道穩定破壞者正被木星和土星給鎮壓著──在不含天王星的模型中，冥王星平行盤面的天平動和實際情況相去不遠，然而在移除木星和土星、只考慮天王星及海王星的模型裡，冥王星軌道只能在千萬年之內保持穩定。然而在軌道傾角方向上，天王星又有其貢獻，因為只有在考慮所有巨行星的模型裡，此方向的天平動才是與現實相符且長久穩定的。

因此，在維護冥王星精密的軌道平衡上，四大行星可謂缺一不可。更令人驚奇的是，在漫長的 50 億年模擬中，冥王星的天平動雖被限縮在一個安全穩定的範圍內，但這個穩定範圍其實非常的狹窄！若冥王星稍有不慎，掉到了安全範圍之外，其軌道將變得無序而渾沌，便不再跟海王星跳著和諧的方塊舞了。

太陽系就是個大舞池

看到這裡，你是否震撼於冥王星的軌道之精密，簡直像是被刻意調整過的呢？就如同生物演化的優勝劣汰，過去太陽系也曾盛大進行著重力之舞淘汰賽，只要一有天體踏出重力穩定帶，便可能被逐出舞池、或者惹上其他天體的麻煩。

今日現存的太陽系成員都是重力之舞的佼佼者，它們因緣際會來到為數不多的重力穩定帶，尋得屬於自己的舞步，悠然繞旋至今。然而在過去，它們可都曾有過波瀾壯闊的瞬間──或許是與其他天體擦身而過、或許是被逼到穩定帶的邊陲……透過精細演算太陽系天體的移動，天文學家得以窺探這場重力之舞淘汰賽的精彩回顧，甚至可能發現被淘汰天體所遺留的蛛絲馬跡。

如今在太陽系這浩瀚的舞台上，行星、衛星、彗星、 TNO 等天體組成舞團，相互配合著對方的舞步，漫遊於其中。它們已是訓練有素的舞者，所演出的每一支舞都令人為之震撼，值得反覆品味、研究，就連遠在五十億公里外的冥王星，都使天文學家為之神往。究竟從冥王星複雜而精美的舞步中，還能挖掘出什麼有趣的新發現呢？讓我們拭目以待！

註：關於冥王星的故事，非常推薦閱讀精采的《冥王星任務》（時報出版）一書，由新視野號主持人共同執筆寫下，高潮迭起、充滿笑與淚，會讓你一看就停不下來！

參考資料：

paper本體https://www.pnas.org/doi/epdf/10.1073/pnas.2118692119

科普新聞 https://www.space.com/pluto-orbit-influences-from-giant-planets

冥王星軌道開源模擬 https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2515-5172/ac3086, https://github.com/renumalhotra/2021-Pluto-Neptune-Resonant-Dynamics-Visualized-in-4D

關鍵時刻，意外發生

二○一五年七月四日，星期六的下午，航太總署的「新視野號」冥王星任務負責人艾倫．史登人在距離新視野號計畫任務控制中心不遠處的辦公室裡。他星期六也沒休息，但工作到一半，電話鈴聲突然響起。他不會不知道這天美國國慶放假，但對他來講，這天真正的意義是「飛掠冥王星前十天」。新視野號，這個他投入了前後十四年的飛行器任務，如今只剩十天就要達成目標，將要與人類探索過最遙遠的系內行星面對面。

那天下午，一如往常埋首公務的艾倫，正忙著籌畫飛越冥王星的各項事務。進入任務的最後衝刺階段，他已經習慣睡少工作多，但那天他又特別比平常更早起，半夜就進到了任務指揮中心。他趕這麼早，是為了把大量的電腦指示上傳給飛行器，這些都是新視野號即將飛掠冥王星時不可或缺的導航資料。這一大包待傳的指令資料，代表的是近十年的努力心血。而那天早晨，已經以無線電波送出這些指令，現正以光速在追趕新視野號。至於冥王星，新視野號不斷接近當中。

看了一眼響著的手機，艾倫對來電的人是葛倫．方騰（Glen Fountain）有點吃驚。葛倫長年擔任新視野號任務的計畫經理。艾倫對葛倫此時來電，心生一股寒意，因為他知道住附近的葛倫今天休假在家。葛倫不是應該為了即將到來的重頭戲養精蓄銳嗎？他這時打電話是所為何來？

無論如何，艾倫先接起了電話。「葛倫，怎麼了嗎？」

「我們跟太空船失聯了。」

艾倫回說：「我跟你約任務指揮中心，五分鐘後見。」說完艾倫掛上電話，在辦公桌前坐了幾秒鐘，驚魂未定的他搖了搖頭，直覺不可置信。計畫以外的失聯，是所有飛行器的大忌，對整整九年的航行都沒失聯過的新視野號來說，更是大忌中的大忌。眼看十天後就要飛抵冥王星，現在失聯會不會太要人命？

他抓起隨身的東西，把頭伸進走廊盡頭、他原本要主持的會議中交代說：「我們跟太空船失聯了。」聽他這麼說，同仁們震撼地望著他。「我現在去任務指揮中心一趟，去多久很難講，但今天大概不會回來了。」他頂著馬里蘭州的酷暑步行去取車，然後在約翰霍普金斯大學應用物理實驗室（Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory）的校園裡開了半英里（約一點六公里），來到了新視野號的指揮重地。這裡，是馬里蘭州的勞瑞爾市。

最漫長的一段車程

這短短幾分鐘的車程，不啻是艾倫一輩子感覺最漫長的幾分鐘。他對團隊處理危機有絕對的信心：他們演習過不知道多少種突發狀況，這個危機或許別人無法處理，但新視野號團隊絕對沒有問題。但話說回來，他還是不免擔心起自己最不樂見的情形。

他不免想起了航太總署那命運多舛的火星觀察者號（Mars Observer）。一九九二年發射的火星觀察者號，也曾在它要抵達火星的三天前失聯。地球上使盡渾身解數想要重建通訊，但都沒有成功。航太總署後來判斷火星觀察者號的燃料艙破裂，進而導致整艘太空船陷入無法挽回的災難。用白話說就是，船在太空中炸了。

艾倫心想：「萬一真的失去新視野號，這個橫跨十四年的計畫，超過兩千五百位同仁的心血付出，就付諸流水了。我們對冥王星的了解絲毫沒有增進，而新視野號則會成為夢想破滅的代名詞。日後凡提到某件事功虧一簣，新視野號的形象就會浮現眾人眼前。」

嘗試連線

艾倫一抵達偌大、幾乎沒有對外窗的辦公大樓，也就是任務指揮中心的所在地，他首先停好車，把負面的念頭統統轟出腦袋，然後便進門開始幹活。新視野號的任務指揮中心，完全符合一般人對於太空飛行器控制中心的想像。只要你看過《阿波羅十三號》或其他的太空電影，你就知道那是一幅什麼樣的光景：發著光的巨型投影銀幕牆，是室內最搶眼的陳設，至於橫在銀幕牆前的控制台，則是一排接著一排、正常大小的電腦螢幕。

在前往過去曾是太陽系第九顆行星的漫漫九年裡，新視野號的無線電是一種生命線般的存在。因為有了這條連結，團隊才得以聯繫飛船、控制飛船，另外要讀取飛船的狀態、接收飛船得到的觀測數據，也都得經由這條連線。隨著新視野號朝太陽系的外圍愈飛愈遠，通訊的時間延誤也愈來愈久。到了這最後關頭，地球與新視野的通聯已經要九小時才能一來一回，這是用光速行進需要的時間。

為了保持與地球的聯繫，新視野號跟所有長程無人太空船一樣，都倚賴一種幾乎不為人所知、當然也得不到稱頌的行星探險神器：航太總署的「深空網路」（Deep Space Network）。這是一個由三組巨型碟型天線集成、三位一體的無線電網，三處天線集成分別位於美國加州金石、西班牙馬德里，以及南半球澳洲的坎培拉。這三處的碟型天線完美無瑕地進行接力，擔下與飛船通訊的重責大任。因為地球會每二十四小時自轉一周，因此這三處選址才刻意散布在世界三大洲。不論飛船位於深邃太空的任何角落，總有一處天線可以對準訊號的來源。

但如今……深空網路聯繫不上他們極其珍貴的資產，新視野號。

• 本文接續下一篇：分秒必爭！目標是重新鎖定新視野號——《冥王星任務》引言（下）

——本文摘自《冥王星任務：NASA新視野號與太陽系盡頭之旅》，2019 年 4 月，時報出版。