科學月刊2019-6月號 594期-拉開元素週期帷幕

跟

科 著《

學

出 月刊》

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2019 貴州「天眼」 深度天地科學之旅

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6 /29-7/6

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第一高橋、世界最大跨徑鋼桁樑斜拉橋 都在貴州，因故有此一說：「世界的橋 在貴州。」

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協辦單位 中華文經發展協會

承辦單位 優質旅行社股份有限公司

Contents

2019 JUNE

594

40

42

48

52

56

I

II

III

IV

V 在追尋純粹的道路上

構築元素版圖背後的女科學家

人們還能享受便利生活多久？

消失中的元素與現代生活

元素從何來？

宇宙元素編年史

門得列夫不是唯一

片解中西方元素週期表

Cover Story 元素旅行

李依庭

林宇軒

陳衍達

張澔 封面說說話 〈動態元素表〉

以元素週期表做跨頁設計，透過從大到小的圓圈形態變化揭示現今元素儲量，紅色代表因人類的過度 使用，將面臨消失，有警戒之意。 設計上利用模糊的視覺效果產生層次的堆疊，帶出遠離、消逝的意像，並與本期封面故事相互呼應。

Vol.50 No. 6

1

Contents-2

填問卷．拿新書

4 顯影

只 要 於 2019 年 6 月 30 日 前 完

非關科學

整回答讀者問卷調查內容請至

8 稍縱即逝的天空霸主—飛船紀元／謝育哲

bit.ly/2LKkldS 填寫，或掃描 QR code，就有機會獲得大是文化的

News Focus

新書《看得到的化學──美麗的

10 2019 年中盤點—帶您一覽今年最夯的科學大事！／倪簡白

元素：最美的第一堂化學課，讓

13 就算只剩半張臉 電腦還是認得你／咖啡飲用過量 心血管疾病悄上門

你反覆翻閱、讚嘆欣賞的化學元

14 生態浩劫—當河流停止流動時／奇才達文西 晚年可能患手部神經病變

素圖鑑》。數量有限，敬請把

15 兵馬俑的武器依舊鋒利 考古發現破解千年之謎／

握！獲獎名單將於 2019 年 7 月

從動物行為觀察 狼似乎比狗更無私 思辨之評

16 有無利益衝突，誰說了算？

5 日前公布在科學月刊臉書與部 落格上。資料煩請詳實填寫，以 便贈書寄送。

從美國醫學研究未揭露利益的爭議談起／甘偵蓉 專 欄

20 數不勝數：無所不在的揉皺噪音／洪在明 24 生生不息：一場如夢似幻的詐術—酸鹼體質／林姵岑、劉嘉怡 28 物換星移：雷達英雄後傳—電波天文學／曾耀寰 32 前瞻未來：以假亂真，虛實難辨—虛擬實境／楊茂村 36 文人墨客：地理課沒上的喀斯特地型秘密檔案／李紅春 精選文章

60 公雞啼叫是否會減損自身聽力？／曾柏諺 66 守護一片清淨藍海—垃圾、大數據與海廢整治／胡介申 追憶年華

72 老調新曲話酸鹼 ／王文竹 Live 科學

76 人類世，是危機或轉機？／李依庭 書 摘

78 《看得到的化學──美麗的元素： 最美的第一堂化學課，讓你反覆翻閱、讚嘆欣賞的化學元素圖鑑。》

2

SCIENCE MONTHLY 2019.6

bit.ly/2LKkldS

台北市科學出版事業基金會

走進編輯室

董事長：劉源俊 董 事：王文竹 周成功 林基興 邱韻如 郝玲妮 高涌泉 曾耀寰 羅時成 秘 書：李金穗 出版者：科學月刊社

承載人類的惡 隸屬馬紹爾群島的比基尼環礁（Pikinni Atoll），由 23 個小島所環繞成的一堡礁， 於 2010 年被列為世界文化遺產，因為其東北方的比基尼島（Bikini Island），曾經 歷一場有如人間煉獄的殘酷試驗。

理事會 理事長：曾耀寰 理 事：曲建仲 邱韻如 林翰佐 紀延平 張敏娟 程一駿 蔡孟利 蔡政修

馬紹爾語意為椰子島的比基尼環礁，在二次大戰結束後被美國接收，成為美軍在 太平洋上重要的軍事據點。接踵而來的美蘇冷戰，也讓當時動盪不安的局勢，增 添一層緊張感。為穩固自身世界強權，美國致力研製能量更強大的核武器——氫 彈。然而，在親眼見識核武威力後，便將念頭動到平坦、開闊的比基尼島。

執行總監：趙軒翎 編輯部

1946 年，美軍進行第一次核彈試爆，並在艦艇上裝載豬、羊和老鼠等動物，以測

總編輯：林翰佐

試核爆對生物的影響。往後 12 年間，總共在島上進行多達 67 次的核爆試驗。其中，

副總編輯：陳妙嫻 趙軒翎 蔡政修

1954 年所引爆的喝彩城堡（Castle Bravo），實際測得當量高達 1500 萬噸的黃色炸

編輯委員：王文竹 王伯昌 曲建仲 江建勳 李武炎 李志昌

藥（trinitrotoluene, TNT），是原先預測的 2.5 倍。

李精益 林秀玉 林宮玄 黃正球 黃相輔 周鑑恆 邱韻如 金升光 金必耀 門立中 紀延平 范賢娟

由於與預期落差甚大，這顆氫彈的落下，也將島上居民打入黑暗深淵，伴隨著他們 的是嚴重輻射症狀。令人髮指的是，美軍將居民當成另一研究目標，做各種檢查與

倪簡白 高啟明 高憲章

測試，藉以記錄人體對輻射的承載量，卻沒有適時給予相應的治療。往後，仍持續

張大釗 張敏娟 陳彥榮

一連串核試驗，不間斷地引爆在這昔日美景不再、只剩滿目瘡痍的小島上。

陳鎮東 景鴻鑫 曾耀寰 程一駿 程樹德 單維彰 楊正澤 葉李華 廖達珊

儘管 1958 年迫於世界輿論的譴責下，美國終止島上的核試驗，18 年後重返並剷除

管永恕 劉宗平 鄭宇君

受汙染的植被、種下椰樹，宣稱已適合人類居住。然而，在經歷長年浩劫後，土

鄭運鴻 蔡兆陽 蔡孟利 蔡振家 蘇逸平 韓德生 嚴如玉 嚴宏洋 編輯顧問：王明蘅 古宏海 朱麗麗 吳明進 吳家誠 周延鑫 周榮泉 洪萬生 洪裕宏

壤中早已充滿肉眼看不見的放射性物質。孕婦流產、胎兒畸形和疾病纏身，讓人 明白，這片土地已不復往昔。多年後，科學家檢測島民身上的銫 137 含量，遠高 於人體所能負荷的 11 倍，輻射指標更超過美國人 30 年積累的劑量。

胡進錕 陳文屏 陳章波

2001 年，馬紹爾群島獲得美國給予的 1.5 億美元賠償金，讓這殖民的血淚史宣告

陳國成 曾惠中 孫維新

落幕。不過，直至今日島上仍充斥著各種不安定，因為面對放射性元素，任誰都

張 復 張勝祺 楊玉齡 劉仲康 駱尚廉 魏耀揮

沒有把握這條遙遙無期的修復之路，何時能看到終點。

蘇益仁 蘇振隆 主 編：李依庭

諷刺的是，當年期望創造出類似於比基尼環礁核爆、產生「爆炸性的商業及文化反

編 輯：郭家銘 謝育哲

應」而以此命名的泳裝，往後卻聲名大噪，流傳至今。或許，這些透過核融合與核

美術編輯：黃琳琇

分裂所帶來的巨量破壞，並不是當年那群努力發現新元素科學家的初衷與目的。

業務部 經 理：李金穗

（編輯部）

業務助理：廖本翔

創刊於 1970 年

科學月刊社

製版印刷：赫偉有限公司

本期為第五十卷第六期 第 594 期 發行於 2019 年 6 月

地址：10646 台北市大安區羅斯福路三段 77 號 7 樓

總經銷 : 聯華書報社

中華郵政北台字第 0677 號執照登記為雜誌類交寄

電話：(02)2363-4910 傳真：(02)2363-5999

行政院新聞局版台誌第 0934 號

網址：www.scimonth.com.tw 電郵：scimonth@gmail.com

圖文版權有任何疑慮請洽編輯部，廣告刊登及雜誌訂閱請洽業務部。本刊所刊登文章內容皆為版權所有，非經本刊同意不得作任何形式的轉載或複製。

Vol.50 No. 6

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金天獎

追 ‧ 披星戴月 金天獎（Astro-Photography Award），為一年一度由高 雄市立前鎮高中主辦的天文攝影比賽。起源於 2014 追蹤攝影類

年的校內天文攝影師生聯賽，並自 2017 年起擴大為 全高雄市高中職生攝影競賽，競賽組別分為固定攝影 類和追蹤攝影類，以下為今（2019）年度追蹤攝影類 得獎作品。

金天獎粉絲專頁

追蹤攝影組 一等獎

熾翼 劉芝妘、黃品予 高雄市立前鎮高級中學。

4

SCIENCE MONTHLY 2019.6

Astro-Photography Award

追蹤攝影類

Vol.50 No. 6

5

金天獎

追蹤攝影類

追蹤攝影組 二等獎

浩瀚 劉芝妘／高雄市立前鎮高級中學。

追蹤攝影組 二等獎

月坑坑坑坑坑坑 楊欣霓／高雄市立中山高級中學。

6

SCIENCE MONTHLY 2019.6

Astro-Photography Award

追蹤攝影組 三等獎

追蹤攝影組 三等獎

Bigsunspot

尋星鏡下的月球

楊欣霓／高雄市立中山高級中學。

林月偉／高雄市立前鎮高級中學。

追蹤攝影類

追蹤攝影組 三等獎

獵戶座大星雲 -M42 火鳥星雲 裴才葳／高雄市立文山高級中學。

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7

非關

科學 圖一：20 世紀初期典型的載客用飛船。 （Shutterstock）

科學歷史回頭望 謝育哲

稍縱即逝的天空霸主— 飛船紀元 想坐飛船遨遊四海，然後在上頭睡午覺。喜歡搖滾樂、歷史、

說故事與做白日夢，本刊編輯。

自古以來，翱翔天際一直是人類渴望 已久的夢想。攤開飛行的歷史，從古 希臘、中國與歐洲等地的歷史，都有 人不斷嘗試製造出飛行工具。而到了 18 世紀，熱氣球出現，利用熱空氣密 度小於冷空氣的原理，人類終於可以觸 及那遙遠的天空。20 世紀初，萊特兄 弟（Wright brothers）成功發明飛機。 從此之後，飛行不再是遙不可及、癡 人說夢的事，甚至到了現代，利用客 機穿梭世界各地已是家常便飯。不過， 在載客用飛機普及之前，有一種特別 的飛行器具主宰當時的天空，即飛船 （airship，圖一）。利用一顆巨型的氣 球，加上引擎帶動螺旋槳，成為 20 世 紀初期主流的空中交通運輸工具。

飛船緣起 在熱氣球問世之後，法國飛行員布朗 夏爾（Jean-Pierre Blanchard）便在熱 氣球上安裝螺旋槳作為推進裝置，甚

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SCIENCE MONTHLY 2019.6

至還成功利用這種飛行器穿越了英吉 利海峽。

19 世紀起，越來越多的設計師、工 程師與發明家等相繼改良與研發飛 船。1899 年，德國貴族兼工程師與飛 行員的齊柏林（Ferdinand Graf von Zeppelin），設計出全世界第一艘硬 式飛船，在載客量及性能極佳的情況 下，這款稱為齊柏林飛船（Zeppelin） 的 航 空 器， 成 了 當 代 主 流 的 空 中 載 具。軍事與民用皆可雙管齊下，也正 式開啟 20 世紀初期的飛船霸業。

飛船是怎麼飛的？ 飛船的原理，是利用裝載密度較低的 氣體作為其升力來源，主要以氫氣或 氦氣為主。因為是利用氣體造成飄浮 現象，這就表示飛船比起飛機等其他 航空器需要較少的動力輸出，相對較 於環保，也極具經濟效益。飛船的推 進器的功率也不須太高，同時也有低

噪音與低成本的優點。 不過，飛船的缺點也不少，尤其是速 度方面，與其他的交通工具相比，連 地面上的火車及汽車都跑得比它還 快，唯一比飛船慢的大概只有海上的 船舶。 另外，其裝載的氣體也是一大問題。 1920 年代，德國的飛船大量採用氫氣 作為主要填充氣體，但氫氣具有可燃 性，其安全性堪慮。或許有人會問， 怎麼不用更為安全的氦氣進行填充 呢？其實，當時有能力生產氦氣的只 有美國，對德國而言，氦氣必須透過 進口才能取得，但美國認為氦氣非常 稀有且昂貴，於是禁止出口氦氣。迫 於現實壓力，德國只好繼續使用氫氣 作為飛船的填充氣體。

可怕的軍事武器？ 飛船問世後，將其作為軍事用途的想 法不斷被提出，在第一次世界大戰前，

非關

科學

一場災難也能成就不凡的搖滾天團 搖滾樂史上，有 3 支樂團被奉為重 金屬音樂（Heavy Metal）的始祖，分 別是齊柏林飛船（Led Zeppelin）、 黑色安息日（Black Sabbath）與深紫 色（Deep Purple）。其中，齊柏林飛 船更被視為最偉大的重搖滾樂團。

齊柏林飛船樂團標誌。 （Chris huh, Wikimedia.）

圖 二： 興 登 堡 號 爆 炸 瞬 間。 （ Sam Shere,

1968 年，當時樂團成員在發

Zeppelin-ramp de Hindenburg / Hindenburg zeppelin disaster, Wikimedia ）

想團名時，有人建議以「鉛製 的氣球（Lead Balloon）」作為 這支超級樂團的名稱。而樂團 經紀人建議，為避免混淆，決 定將 Lead 中的 a 拿掉，後續 再 將 Balloon 改 為 Zeppelin， 最終以 Led Zeppelin 定案。有 樂評形容這個團名：「輕與重、 優 雅 與 毀 滅 的 完 美 結 合。」 而樂團的首張同名專輯《Led Zeppelin》，便是以興登堡號 爆炸瞬間作為專輯封面。

許多人認為飛船可以成為有效的轟炸 武器，並作為震懾敵人的軍事展現。 當時甚至有人認為，飛船的出現將打 破當代的軍事版圖，並徹底改變世界。 實際投入戰場使用後，飛船固然有懾 人的效果，但緩慢的飛行速度，容易 成為敵人高射炮的標靶，加上飛船也 無法精準將炸彈投擲到目標，其軍事 價值似乎過譽了。而後期轟炸機的出 現，也取代飛船作為轟炸載具的地位。

齊柏林飛船表演現場。 （Shutterstock）

戲劇性的結局——興登堡號空難 在科學或科技史上，大部分發明與產 品的消失都是漸進式地被取代，很少 如同飛船的戲劇性案例，一夜之間消 失在歷史舞台。一場驚天動地的空難 意外讓飛船時代就此終結，這場災難 也完整地被記錄下來。

1937年5月6日，興登堡號（Hindenburg） 飛船從德國法蘭克福一路橫跨大西 洋，直飛美國紐澤西。當天晚上 7 點 左右，興登堡號已抵達位於紐澤西州 的雷克霍斯特海軍航空站，就在離地 約 300 公尺準備降落之際，興登堡號 瞬間起火燃燒（圖二），這團火球在短 短 30 秒內直墜地面，飛船上的所有 人員中，有 13 名乘客及 36 名工作人 員當場喪命，另外也造成 1 名地面工 作人員罹難。 興登堡號的爆炸起因眾說紛紜，但其 中最可信的說法，是由美國國家運輸

安全委員會（National Transportation Safety Board）的調查團隊提出，他們 認為當時的船長為了讓飛船急轉，造 成鋼索斷裂打破氫氣囊，同時為了趕 時間，在雷雨中強行降落，而雷雨區 內的靜電造成的火花引燃了洩漏的氫 氣，造成這場一發不可收拾的悲劇。

常適合。而飛船在某方面也回歸到軍 事用途之中，畢竟不需要使用跑道升 空，滯空的方式也無須耗費太多資源， 飛船作為偵查的器材也不失為一好方 法。另外，也有企業利用飛船作為運 輸貨品的媒介，比起飛機，飛船的碳 排放量相對較小，是更環保的選擇。

這起空難並非飛船首次失事，也不是 最為嚴重的一場，但因為災難發生的 當下被媒體全程記錄，並放送至全世 界，後續民眾對於飛船失去信心，其 作為商用載客載具的時代就此落幕。

雖然飛船做為商用載客的時代早已結 束，但在瞬息萬變的 21 世紀，或許 在某天，飛船又再度成為天空霸主也 說不定呢！

飛船的現在與未來 今日，飛船則已成為廣告商的宣傳工 具，巨大的體積，並且能輕易漂浮於 空中，用來作為大型廣告看板似乎非

延伸閱讀

1. 飛船，https://reurl.cc/8bEaX。 2. How the Hindenburg killed an entire industry, https://reurl.cc/4bKz2。

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NEWS FOCUS

2019 年中盤點

帶您一覽今年最夯的科學大事！ 倪簡白

地磁狀態正快速變動

中央大學物理

系，從事與天空物理的 研究。

地磁是地球生物的保護傘。來自太陽的輻射或稱太陽風帶有大量的帶電粒子可以被地磁 逆轉或阻絕，如果地球失去地磁保護，恐會造成 20％人口死亡。近年發現，地磁確實在

快速變動，從圖中可以看到 2000~2020 年間，地磁北極有近 10 緯度的遷移趨勢，其位置

2019 年已走過了一半，在科學領域 也帶來許多新進展。回顧上半年，

Nature 期刊列舉了幾個具有重大影 響的科學活動。筆者也收集其他資

已接近地理北極。 此外，地磁也有減弱的趨勢。地心是一堆融鐵，它的運動決定地磁大小方向。歷史上地 磁南北逆轉平均每 20~30 萬年發生一次，每次歷時 200 年，但並無一定週期。當地磁逆 轉時，磁場是由正（北）轉到負（南）且必經過零磁場，將是一件危險的事！目前，地球 物理學家正設法了解地心的活動，以了解目前地磁變動的問題。

料補充未來一年的科學事件與期待。

嫦娥與玉兔深入月球 嫦娥、玉兔和鵲橋都是中國家喻戶曉的 民間故事。隨著中國科學的進展，如今 的嫦娥已成升天衛星。今（2019）年初， 嫦娥四號衛星首先登陸布滿隕石坑的月 球背面；這次的行動別具意義，因為嫦 娥四號登陸處為著名的馮卡曼坑（Von

Karman crater）。

而「玉兔二號」是嫦娥四號所攜帶的登 月車，包含許多科學儀器以及幾項國際 合作項目，如瑞典的中性原子探測器和

地磁北極 100 年來的變動。

荷蘭的低頻宇宙探測儀。另外還有一個 由重慶大學設計 3 公斤生物實驗室，內

有馬鈴薯、種子及蠶卵，今年 1 月中， 已有綠葉生出，可惜最後未能存活。

由於月球背面無法以電波信號與地球相

花費 12 億人民幣、直徑 500 米的世界最

大電波望遠鏡「天眼（Five-hundred-

地球；至於這次月面的實驗結果，將由

meter Aperture Spherical radio Telescop, FAST）」已於 2016 年開始 運轉，迄今已看到超過 50 各種類星 體（pulsar）及許多中子星。今年， FAST 將全速運轉並對於探測宇宙邊

下一個衛星嫦娥五號負責帶回。一般評

緣的訊息將提供重要訊息，而美國

論都認為嫦娥探月是一項重大成就，將

也已開始討論在夏威夷建立 30 公尺

貴州的 500 米口徑電波望遠鏡「觀天巨眼（FAST）」。

對未來中國人登月的行動鋪路。

的光學望遠鏡，唯前途未卜。

（Wikimapia）

聯繫，所以需要一個中繼衛星，這就有 賴於「鵲橋」。該衛星預先於去（2018）

年 5 月發射到位於地月間距地球 40 萬公 里的軌道，玉兔的資料可經過它再傳回

10

天文與宇宙研究近況

SCIENCE MONTHLY 2019.6

NEWS FOCUS

極地冰川與冰層探測

修理持續惡化的天氣

由於地球暖化，世界各地的冰川皆大量縮減，北極的冰層已逐漸消失。美英兩國探測隊

由於二氧化碳持續增加，地球溫度未來

今（2019）年將針對南極的一座大型冰川思韋茨（Thwaites

Glacier）進行 70 年來的首次

可能持續暖化。針對此問題，除了減少

行動。這個五年計畫目的是了解這座巨型冰川是否將在未來崩解。思韋茨冰川位於南極

其排放外，也有人建議開發所謂「地球

西南部，面積約兩個臺灣大且正加速退化，自 2000 年以來，該冰川每年向內陸退 10 公

工程（Geoengineering）」，例如：在平

里並變薄 40 公分，正慢慢地消逝著。

流層噴灑硫酸滴，形成平流層氣膠。

另一南極的研究與埋藏於南極深處的冰塊有關。由於現今各種氣候模式對全球暖化的預

一般認為，氣膠粒子能將陽光散射回太

測有很大不確定性，所以考古氣候學非常重要。過去的冰芯紀錄顯示，地球每 10 萬年就

空，進而冷卻地表溫度，此概念在多年

的變動，因此造成太陽輻射的變化。天體力學不是溫度變化的唯一因素，大氣中二氧化

（2019）年，平流層控制條件下的干擾實

有一次冰河期，這是由於地球軌道自轉軸的進動偏移（precession），有如陀螺的旋轉軸

碳的變化（人為及火山噴發造成）也很重要。 目前最久的氣候紀錄來自南極一名為「C 圓頂（Dome C）」的冰芯，它可提供 80 萬年的溫

度記錄。2019 下半年，歐洲科學團隊打算對 C 圓頂附近另一名為小圓頂（Little Dome C） 的冰層進行鑽探，如果成功，將能找出 150 萬年的氣候紀錄。

日本的重力波探測器 日本的重力波探測器 KAGRA 正在神岡建設中，其地下通道已於 2014 年完工。神岡地下 礦坑是日本微中子探測器的所在，由於它對微中子震盪效應的發現，也讓物理學家梶田

前的幾次火山爆發事件已得到印證。今 驗（Stratospheric Controlled Perturbation Experiment）將開始著手，計畫準備用氣 球攜帶設備將 0.1~1 公斤粉末散布在高 度 20 公里的大氣，造成幾公里寬、直徑 100 公尺的一層顆粒。 此外，氣球上也有探測平流層溫度、氣 膠和臭氧等的儀器，然而懷疑論者擔心 人工介入的物質將對大氣產生不可逆負 面效應，因此實驗還需通過評估。

登章等人於 2015 年獲得諾貝爾獎。KARGRA 計畫於今（2019）年開始運作，這座耗資近

1.5 億美元的設施，將與世界其他有三座重力波儀同步觀測，而臺灣的中央大學也有參與 KARGRA 實驗。

（Flickr-Oregon State University, https:// flic.kr/p/X9MB1p）

國際線性對撞機複審 日本物理學家早先計畫建立新的超高能 加速器──國際線性對撞機（International Linear Collider, ILC）， 預 計 耗 資 70 億 美 元。雖說該案已有近 10 年的討論，但並 未通過去年的初審。ILC 由兩條 31 公里 的直線加速器將 500 Gev 電子與正子對 撞，盼能對希格斯粒子（Higgs boson） 做詳細研究。今年該案將進行複審，如 果通過，將會是未來高能物理的一項生 日本神岡 KAGRA 重力波探測器。（By Christopher Berry - CC BY-SA 4.0, Wikimedia）

力軍。

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專欄文章

無所不在的 揉皺噪音

洪在明 主持清學大學物理系 510 的揉皺實驗室，研究對象 是軟物質和非線性物理。

Take Home Message 在電影院裡，摸黑從紙袋或塑膠袋中取出食物，要動作越快還是放 慢，才能讓發出的聲響最小，不遭旁人側目？生活中隨手一揉的紙 團所發出的噪音，在科學研究中又蘊藏哪些有趣的性質或定律？

隨手取一張 A4 紙，如果左右、前後交替的折疊，即使換

揉皺噪音

成和停機坪一樣大的布且用壓土機來疊，仍然很難超過 7

揉皺，如此平常的動作，附帶著許多至目前還在研究的

摺，這結論與薄膜材質和厚度大致無關。如果那張紙是

有趣性質，例如上電影院或演藝廳最討厭遇到的即是旁

封求職拒絕信或分手信，那恐怕沒有耐心完成這個實驗，

邊觀眾或聽眾伸手到紙袋中取食物、打開糖果的塑膠紙

只想粗暴地將它揉爛丟掉。一般人或許不知道揉皺的紙

時所發出的沙沙聲。不知道讀者是否思考過在做這些動

團具有一樣神奇的抗力，只是紙團揉得像石頭堅實，自

作時，到底要加快或放慢動作，可以最不為人知、製造

然顯得硬邦邦，這有什麼奇怪？

最少的噪音？結論是差不多。

意外的是，這紙團一點都不「堅實」，若將紙張換成鋁

另一個和噪音相關的性質，是不同聲量 E 的脈衝（pulse）

箔，再用力揉一次、丟到水中，會驚奇地發現雖然金屬

出現次數 N(E) 。一般來說，最常見的是小噪音，會讓整

比重遠大於水，但是超過一半高度的鋁箔團竟會浮出水

排觀眾都聽見的超級大噪音極少出現。嚴格統計下來，據

面！懂得阿基米德浮力的高中生，不難藉此公式推算出

說最早是地震學家發現它們竟然滿足和地震同樣的「古登

鋁箔團內部只有少於 25 ％的空間被鋁箔佔據，其餘都是

堡 – 芮克特定律（Gutenberg-Richter law）」，即

空的。然而，反應快的人可能會質疑是否像柯南中的密 室殺人，抵抗不讓紙團再陷下去的力氣其實來自空洞中

20

N(E)

1

Eβ

…………

（1）

被密封的空氣？其實並不然，即使將紙張戳多個小洞，

這代表揉皺紙團這個簡易且單純的系統，竟然具備和地

實驗結果還是不變。

震類似的噪音行為。

SCIENCE MONTHLY 2019.6

數不勝數

為什麼揉皺噪音會滿足（1）這個被稱 為冪次關係（power law）的規律方程 式？若從網路上查資料，會很驚訝地發 現不單是噪音，自然界和人為系統，例 如股市漲落、城市人口和論文引用次數 等， 有 超 過 100 多 個 滿 足 冪 次 關 係 的 例子，比號稱「常態分布」的高斯分布 （Gaussian distribution）更普及。 這篇文章的主題是揉皺噪音，因此這裡 將多講述和它相關的性質。首先，為方 便比較和歸納，先將類似觀察集合：

1. 揉皺紙張的冪次和揉皺鋁箔或塑膠不 同，也就是說噪音的冪次分布會隨材 料硬軟和塑性多寡而有所改變。

2. 揉 皺 兩 種 不 同 材 料， 按 理 說， 既 然 它們分開揉皺時會有不同冪次 β，合 在一起最可能出現雙冪次（double

power law）。不過，出人意表地， 即使採用赤池信息量準則（Akaike

information criterion, AIC） 統 計

圖一：鋁箔紙和 A4 紙被同時用手揉皺，A 是揉皺初期，來自兩種材料的噪音各自獨立；B 為 到後期，兩種材料已經「你泥中有我，我泥中有你」，交互作用強到使它們的噪音表現得像

學方法檢視，會發現方程式（1）的 是來自「單一」的複合材料。C 和 D 是橫剝面，顯示這兩種材料糾結的程度。（清大物理系 簡單冪次關係還是最佳的擬合函數。 510 實驗室） 用物理的術語描述，這兩種材料彼此的作用導致它們

雖然不清楚這些作用造成的效應如何導致「複合材料

整體行為偏離各自行為的簡單相加，微觀上這些作用

的揉皺噪音，有點像非線性系統或是討論相變時的

可以指產生噪音的切面邊緣被固定的力氣改變；材料

穩定吸子（attractor），永遠會朝冪次分布的行為演

A 和 B 互磨或靠在一起，導致原本各自的「鼓面」發

化」，但是作用力的程度是連續、逐漸加乘，剛開始

出不同的聲音；複合材料在揉皺時的力學反應肯定和

揉皺兩張異質薄膜時，作用力還很弱，應該和左右手

原本單純 1 種材料時不同，例如：塑膠比鋁箔好揉，

分開揉皺不同薄膜一樣，因此決定將噪音的數據按時

壓力和半徑的冪次關係也的確會隨材料而異，因此紙

間順序分成幾個階段擬合。結果發現早期的噪音比較

團內部的結構和附帶影響的不同鼓面，其大小和數量，

像雙冪次，隨著作用力增強，才轉換成冪次分布。這

也會改變（圖一）。

個經驗提醒人們，有時候可以根據物理直覺把數據分

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專欄文章

以假亂真，虛實難辨— 虛擬實境 Take Home Message

楊茂村 美國賓州州立大學電腦科學 博士，東華大學資訊工程系

虛擬實境（virtual reality, VR）近年來在各領域成為熱門話題， 本文將介紹虛擬實境的歷史演進過程，從大型機台、3D 眼鏡

教授，研究領域為電腦視覺、 擴增實境及學習科技。

一路到裸視 3D 等技術，各種產品的出現、運作方式與該技術 的未來展望。

什麼是虛擬實境？

也是最困難的味覺，最新研究發現，透過微弱的電流刺激

虛擬實境是由電腦產生三度空間的虛擬世界，讓使用者

舌頭的不同部位，可模擬出酸、甜、苦、鹹和甘等味覺。

有身歷其境的感受，並能自由遊走與操作虛擬物件；簡 單來說就是以人工的方法來刺激感官，讓使用者誤以為

除了滿足感官刺激，還需要人與電腦間雙向的互動。電腦

身處不同的環境在做不同的動作。VR 有 3 個必要條件：

也有 5 種感官：首先是視覺，電腦的眼睛就是攝影機，

第 一 是 沉 浸 性（immersiveness）， 夠 逼 真 的 內 容 才 能

目前很多筆電可以透過人臉辨識取代開機的密碼；第二是

讓使用者身歷其境；第二是互動性（interaction），使

聽覺，麥克風即電腦的耳朵，手機上的語音助理，可以與

用者能自由地探索，並且操作虛擬物件；第三是想像力

使用者對話並完成簡單的指令；第三種是觸覺，例如觸控

（imagination），愛因斯坦曾說：「想像力比知識更重要。」

螢幕支援多種手勢，指紋偵測器辨識使用者身分；第四是

人們必須發揮想像力才能把 VR 運用到全新的領域。

嗅覺，舉例而言，不同的疾病會散發出獨特的氣味，未來 智慧裝置有可能透過氣味感測器，偵測到使用者已經感冒

VR 要能滿足人類的 5 種感官。首先是視覺，現在的 3D

了；最後也是最困難的，電腦可能擁有味覺嗎？其實，電

顯示技術，可以讓物件從畫面裡竄出浮現空中；其次是聽

腦上最像嘴巴的部位就是光碟機，當使用者餵電腦吃不同

覺，3D 立體聲技術已經可以讓使用者聽音辨位，在玩射

的光碟片，就可以播放不同的音樂。至於這個算不算電腦

擊遊戲時，可以透過聽到敵人的腳步聲，辨別他是從哪個

的味覺呢？由讀者自己判斷。

方向靠近；第三是觸覺，透過細微的振動模擬不同材質的

32

觸感，例如在賽車遊戲裡的方向盤振動，讓使用者感覺到

另外，相對於 VR，擴增實境（augmented reality, AR）

車子是在柏油路或泥土路上；第四是嗅覺，要讓使用者聞

則可進一步將虛擬物件在真實的三維空間中定位，虛實結

到花草的香味、海水的鹹味，甚至是爆炸的火藥味；最後

合並同時呈現，讓使用者難辨真偽，真的有可能其實是假

SCIENCE MONTHLY 2019.6

前瞻未來

墨水可將壓力轉換為電流的變化，偵測每個手指的彎曲程 度，但由於當時支援的遊戲很少，市場反應冷淡。

1992 年 美 國 伊 利 諾 大 學（University of Illinois） 開 發 了 CAVE 系 統（ 圖 三 ）， 這 個 小 房 間 的 四 面 牆 壁 再 加 上天花板與地板都是投影螢幕，使用者可以完全沉浸在 圖一：VR 的始祖── Sensorama。

虛擬的世界，而且可以多人同時體驗。1995 年任天堂

（ Minecraftpsyco, CC BY-SA 4.0,

推出的 Virtual Boy（圖二右）遊戲機，它同時也是一

Wikipedia）

個頭戴式顯示器，玩家透過紅藍的濾光鏡可以看到單色

的，假的看起來要像是真的。透過 VR∕AR 的演進，真

的 3D 畫面，解析度很低，支援的遊戲也不多，所以又

假的界線日漸模糊，愛因斯坦曾說過一句令人玩味的話：

是一個創意滿分但是商業上失敗的產品。2000 年以後

「我們所說的真實其實只是幻覺，唯一的差別是它持續的

3D 技術逐漸成熟，很多經典的 3D 遊戲也陸續出現。

時間比較長 !」有沒有可能，我們所熟知的世界猶如電影

到了 2006 年遊樂器市場已經三分天下，任天堂推出的

《駭客任務》（The Matrix）中的母體電腦所模擬出來

Wii、微軟（Microsoft）的 Xbox 360、索尼（SONY）

的呢？這樣的議題涉及哲學，就留給讀者思考了。

期下的 PlayStation 3，體感互動開始普及。2010 年以 後 VR 頭戴式顯示器的技術逐漸成熟，2 項主流的產品分

虛擬實境與擴增實境的演進

別是 2013 年推出的 Oculus Rift 與 2015 年推出的 HTC

VR 的始祖是 1962 年的 Sensorama（圖一），它是一個

Vive，兩者的技術規格非常接近，最大的差別在於追蹤的

賽車模擬器，坐在上面可以觀看風景，呈現 3D 的彩色

技術不同，Rift 是從頭戴式顯示器射出紅外線，以外部的

影片，聽到的是立體音效，此外還配有一個風扇模擬風

2 個感測器進行影像式的追蹤；Vive 則相反，它是由外

吹的感覺，而震動的座椅可以感覺路面的起伏，最厲害

部的 2 個光盒射出紅外線，再由頭戴式顯示器上的感測器

的是當經過餐廳還可以聞到食物的香味；人的 5 種感官

根據時間差來進行追蹤，從結果來看，Vive 的追蹤效果

Sensorama 已經滿足了 4 種，只差味覺沒有滿足，即使

比較準確且穩定。

以現今的標準來說，Sensorama 是一個很完整的 VR 模 擬。1989 年任天堂（Nintendo）推出的威力手套（Power

Glove，圖二左），玩家戴上這個手套，可以更直覺地用 手勢來做互動，超音波感測器可以偵測手腕的角度，導電

圖二：任天堂的威力手套（左）與 Virtual Boy（右）。（Evan-Amos,

Public Domain, Wikimedia）

圖三：伊利諾大學的 CAVE。（Davepape, Public Domain,

Wikimedia）

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元素旅行

數以萬千的元素， 自宇宙大霹靂後誕生， 坐落並駐足在地球上。 於地核、岩石和大氣存在， 成就人類的文明生活。 人造元素的合成， 更開啟化學世界的新大門。

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SCIENCE MONTHLY 2019.6

C ove r Stor y

然而， 這些長年積攢而成的元素， 卻因人類過度使用， 出現了生存危機， 正逐漸消失……

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封面故事

元素從何來？ Take Home Message

宇宙元素編年史 生命的起源是許多基礎的分子在高能量反應下的產 物，分子由各種元素組成。元素的生成可藉由核反 應達成，如氫可以變成氘（deuterium, D）再變成 氦－ 3（helium-3, He），不同的元素可以從不同的 起始物以及不同類型的核反應生成。不過，最早的 元素又是從何而來呢？

陳衍達 污毒鴨鴨，害怕與人打交道卻又 放不下社會中的不公不義，熱愛 環境和生物的化學系叛逃者。

這陣激情持續十幾分鐘後，由於密度及溫度的降低，宇 宙無法進行更高階的核反應。而且這一等就是 1 億年左 右，直到第一代的恆星形成 ......

最初也最熱門的反應：質子－質子鏈 漫長的等待中，雖然物質組成單調，但它們並沒有閒著。 瀰漫於虛空中的部份氫和氦元素受重力吸引逐漸聚集成 雲團，並收縮成星體。在收縮的過程中，重力位能一部

元素的起源

分以輻射形式散失掉，另一部份轉為熱能讓星體的溫度

物質的變化自古以來便吸引著人們，在元素概念尚未啟

大幅上升。最先被點燃的是氫，此時氫在先前的升溫中

蒙的年代，人們看到物質型態的改變獲得啟發，並嘗

已游離成質子，接著經過一系列核融合反應形成氘、氦－

試將常見的物質轉變成貴金屬或丹藥等，是為煉金術

3 與氦－4。爾後，在反應溫度夠高的狀況下，氦－3 和氦－

（alchemy）。後續原子說與元素週期表等概念被提出後，

4 進一步透過反應形成少量的鋰－ 7 及非穩定態的鈹－ 7

化學（chemistry）漸漸自煉金術中獨立出來；而不同元

（beryllium-7, Be）、 鈹－ 8 和 硼－ 8（boron-8, B），

素間的轉變則要至 20 世紀，人們開始有能力執行核反應

最後裂解為氦－ 4，絕大部分穩定的鋰、鈹和硼元素，最

後才化為可能。核反應分成核融合（nuclear fusion）與

主要是碳－ 12 被帶有高能質子的宇宙射線撞擊生成。這

核分裂（nuclear fission），儘管兩者人類都已經做得到，

一系列反應由於最早由質子啟動，稱為「質子－質子鏈

但目前只有核分裂能穩定地使用在核電廠、核子動力潛

（Proton-proton chain reaction，圖一）」。由於氦的每

艇的電力∕動力設備及醫療用途等。

個 核 子 平 均 結 合 能（Binding energy per nucleon） 為

7.07 百萬電子伏特（MeV），所以質子－質子鏈透過將 起點：大霹靂

氫融合成氦－ 4 的淨反應會產生大量的能量；除了能啟動

把目光轉向宇宙，星體間進行核融合的歷史已超過 100

更多核融合反應，也是讓大部分恆星持續發光的主因。

億年，幾乎等於宇宙歷史，而這一切都得從宇宙的起源

48

──大霹靂（Big Bang）說起。在大爆炸發生的瞬間，極

核融合形成更重的元素

高的能量密度讓宇宙迅速膨脹，過程中產生物質及反物

除了上述的質子－質子鏈，宇宙中大部份的恆星因為內

質，不過，此時元素的基本單位──原子尚未誕生。經過

部含有先代恆星所產生的其他較重元素，例如碳、氧和

幾分鐘，基本粒子（夸克、膠子等）生成後才有質子（電

氮等，可以透過多個複雜的質子捕捉過程，最後吐出一

離的氫原子）和中子，然後是約占 25％的氦及一點點氘，

個氦－ 4 變回原狀，而放出能量。由於反應中，碳、氧和

外加很微量的鋰（lithium, Li）。

氮就如同催化劑重複參與反應，稱為碳氧氮循環（CNO

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02

C over S to r y

圖二：各元素的核子平均結合能。（C. E. Rolfs and W. S. Rodney,

1988） 序在鎳－ 56（會迅速衰變成鐵－ 56）以前的元素。

圖一：質子 - 質子鏈反應。首先由 2 個氫原子核融合為氘，1 個質

核融合的極限

子釋放出 1 個正電子和一個微中子成為中子，氘再和另一個氫原子

前面提到的融合大多是放熱反應，不過需要相當高的溫

合成氦同位素氦 -3，最後再與另一氦 -3 形成氦同位素氦 -4。

度方能啟動，以致每個階段在發動前都會有一陣「前一 階段末期的無力感」，並發生重力塌陷，如果位能釋放出

cycle），當中除了將氫變成氦的淨反應可以產生大量的

的能量足夠便能爆炸，並啟動下一階段再度燃燒。而以釋

能量，也會產生如氟等其他少量元素。

放的能量比起來，從氫融合成氦是能釋放最多能量的核 融合反應，後續元素彼此的核子平均結合能大多只是小幅

在氦元素形成後，因為氫燃料的耗盡，恆星經過一段收

提升，尤其氖－ 20 之後的元素到結合能最高的鐵－ 56，

縮及升溫過程而啟動氦融合反應，儘管 2 個氦－ 4 融合

其最高到最低差距不到 1 MeV。由於鐵的核子平均結合

成不穩定的鈹－ 8，但仍有一定的機率在鈹－ 8 裂解之

能最高，所以再往上進行核融合會變成吸熱而非放熱反

前多捕捉幾個氦－ 4 形成碳－ 12，並進一步形成氧－

應（圖二）。因此，當大質量恆星（約大於 10 倍太陽

16 甚至氖－ 20（Neon-20, Ne），即氦融合（helium

質量）中心的核融合反應停止後，這時因為恆星產生的

fusion）反應。

能量不夠撐住自身的重力，會再度引起重力塌陷，進而 發生恆星塌縮型超新星爆炸（core-collapse supernova

至此，元素週期表的前兩列已大致上構築完畢。而頂上太

explosion）。超新星爆炸除了能將前面產生的一部份

陽每天在做的事便是以上提到的氫融合形成氦－ 4 的反

元素們釋放至宇宙中，也會在爆炸本身過程中，經由爆

應序列，並且預期會在未來有氦融合反應的產生，其他

炸導致的極高溫度，透過爆炸核融合反應（explosive

反應則由更大的恆星才有機會進行。首先是「碳融合」、

nucleosynthesis），產生各種包含鉻、鐵、鎳和鋅等及

「氖融合」、「氖鈉循環」及「鎂鋁循環」產生鈉、鎂及鋁，

其他少量更重的元素。這類型超新星爆炸和另一類熱核爆

接著是「氧融合」產生矽、磷和硫，最後是一系列矽與 α

炸型超新星（thermonuclear supernova），也就是 1A

射線（即氦原子核）的「矽融合」和幾個循環產生原子

型超新星（Type Ia supernova）及其他各類型的超新星，

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封面故事

我們還能享受便利生活多久？

消失中的元素與現代生活 林宇軒 從學術象牙塔逃離的化學系畢業生，樂 於分享科學，在科學傳播的世界練功， 希望和大家一起領略科學的力與美。

Take Home Message 大眾對回收塑膠垃圾相當重視，但多數人卻不知道許 多元素也很需要回收再利用。不論是手上的智慧型手 機或浪漫的七彩飄浮氣球，其實當中所包含的稀土及 氦元素等並非取之不盡，甚至處於用罄的危機中。於 是，稀有的元素如何開源節流成為棘手的議題，回收 的行動更是刻不容緩。

今（2019）年《蘋果日報》的調查報導指出，大量的資 源回收物被當一般垃圾掩埋在偏鄉或郊區，引起輿論大 力譴責無良回收商。從該事件可以看出大眾對資源回收 重視的程度，不過，比起多數人關心塑膠垃圾是否回收 減量，其實，提煉自礦物的元素資源是否能永續利用， 可能才是更迫切需要大眾關注的議題。這些元素並非取 之不盡、用之不竭，如果處理不當，只會更加稀少，甚 至有用完的一天。 歐洲化學學會（European Chemical Society）在今年初 製作了一張扭曲週期表（圖一）昭告大眾，其實有很多 的元素都已經瀕臨耗盡邊緣，如果不節約或回收，未來

圖一：歐洲化學學會在 2019 年公布的扭曲元素週期表，以各元素

要取得這些元素所需要的成本就會提高，更糟的是，當

所占面積呈現含量，顏色越偏紅，代表元素缺乏風險程度越高。

有一天地球上再也找不到這些元素，那問題可就麻煩了。

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SCIENCE MONTHLY 2019.6

（European Chemical Society）

03

C over S to r y

扭曲週期表和即將耗盡的元素

為了說明到底哪些元素很稀有，扭曲週期表利用各元素

也許讀者會好奇，這些元素消失，對人類生活的影響有

所佔有的面積大小呈現元素的稀缺程度，面積越大塊就

多嚴重？看看桌上的手機、平板和電腦，這些生活中離

代表含量越豐富，而顏色越偏紅，就代表在元素缺乏的

不開的電子產品，晶片裡的半導體元件就是由多種稀缺

危機越大。另外，稀缺元素大多數集中在右下角區域，

元素製作而成。也就是說，失去了稀缺元素，3C 產品可

包含許多過度元素及 13~16 族（又稱 3A、4A、5A、

能完全做不出來。你能想像一個沒有手機、平板和電腦

6A 族）第四到六週期的元素。或許讀者對這些元素不熟，

的世界嗎？

甚至連聽都沒聽過，但前面提到的各種電子產品當中， 就必須使用不少稀缺元素進行製造。

舉例來說，如果缺乏第 13 族第四週期 的鎵元素，半導體產業可能會一個頭 兩個大，因為砷化鎵（GaAs）是製造 半導體的重要原料，包括手機、電腦 裡面的積體電路與紅光 LED，還有以 半導體製成的雷射，也都使用包含鎵 的化合物。如果缺乏鎵，相關產品的 價格勢必會提高，現今已貴到嚇死人 的 iPhone 不知道又要漲多少錢。但棘 手的是，想要獲取鎵，並沒有「鎵礦」 可以開採，只能從煉鋁、煉鋅工業的 製程副產物中進一步提煉出來，也因 此限制其產量。

手機除了晶片之外，觸控面板也是很 重要的一個部分，與鎵同一族的銦， 就是製造觸控面板的重要元素。除此 之外，銦也大量用於 LCD 液晶螢幕 中。其來源與鎵類似，主要從煉鋅工 業殘渣中提煉而來。如果銦用罄，不 只是觸控螢幕、LCD 液晶螢幕會做不 出來，就連部分的半導體、太陽能電 池及太陽能板的生產也都會出問題。 想像一下在缺乏銦的世界，那大概會 是 個 觸 控 手 機 超 級 貴 的 時 代， 或 許

Nokia 3310 的輝煌時代又要回來了！

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精選 文章

公雞啼叫是否會減損自身聽力？ Take Home Message 公雞報曉，是一項長久以來人們已知的物種生理特性。而在公雞拉長 脖子「引吭高歌」的同時，耳朵的特殊構造與保護機制能讓牠免於被 自身所發出的啼叫聲干擾或影響其聽力。

曾柏諺

喜歡生物反差萌的碩班

菜 鳥，當兵休假都 在看論文 被當 成奇怪的人……

許多國家的文化裡，都曾有一段時期

大約是 110 分貝、嬰幼兒的哭聲也大

細 胞 損 傷， 當 然 這 並 不 是 說 較 低 的

仰賴其他生物的生理時鐘輔助人們判

約 介 在 100~120 分 貝 左 右， 而 130

音量如 110、100 分貝便安全無恙，

斷時間，而其中最為人熟悉的非「雞」

分貝就相當於在演唱會最前排的搖滾

只不過較低的音量要造成聽力受損

莫屬了。細數起來，雞還真是集多項

區所感受到的音量，若家中有嬰兒，

所 需 要 花 費 的 時 間 較 長。 而 在 這 幾

功能於一身，不僅肉能食用、卵能入

或許可以回家試試將大哭中的嬰兒放

十 年 來， 科 學 家 透 過 解 剖、 生 理 實

菜，更搭配一副鐵嗓，能夠在破曉時

在耳朵旁邊體驗一下？

驗與近代的電腦斷層掃描等儀器，發

勝任鬧鐘的角色，不過話雖如此，不

現公雞至少有三大絕招可以保護聽力

知道讀者是否會好奇雞鳴聲到底有多

儘管聲音在空氣中傳播能量隨著距離

不受高音量的危害，分別是鐙骨肌反

嘹亮呢？

增加耗散得非常快，但科學家不免替

射（stapedius reflex）、 頭 骨 運 動

公雞焦急：「公雞會不會被自己吵到

（cranial kinesis）與耳道（auditory

根 據 科 學 家 的 檢 測， 家 雞（Gallus

重聽呢？」畢竟，距離自己最近的就

canal）關閉。

gallus domesticus）嗓門的宏亮最高

是公雞自身，而耳朵可謂是幾乎貼在

可達 130 分貝（dB）。130 分貝是一

嘴邊，當牠開始拉開嗓門大啼特蹄的

鐙骨肌反射

個什麼樣的概念呢？舉例來說，一般

時候，會不會因此有損其聽力呢？

從圖一可發現，雞的中耳結構由外而

人們聊天時的音量大約是 60 分貝，而

60

內是由鼓膜貼著耳柱骨（columella），

在聲音的換算上，每增加 10 分貝意味

怕吵？那就把聲音的插頭拔掉

耳柱骨再向內抵在內耳的卵圓窗（oval

著增強 10 倍，換言之 80 分貝便是 60

要探討這個問題，就得從耳朵構造開

window） 上， 聲 音 便 是 經 由 鼓 膜

分貝的 10 倍再 10 倍，也就是 100 倍。

始說起。鳥類與哺乳類相同，當音量

（tympanic membrane）、耳柱骨

在生活中，馬路上車水馬龍的喇叭聲

超過 120 分貝時 便可在瞬間 造成毛

（columella）、 卵 圓 窗 的 途 徑 傳 播

SCIENCE MONTHLY 2019.6

精選 文章

到內耳（inner ear）去；而這根連結

動作，協助他們吞下遠比頭部來得大

鼓膜與卵圓窗的耳柱骨在解剖學上便

的獵物，這些都是頭骨運動的表現。

相當於人類的鐙骨（stapes），在耳

話題回到鳥類，嘴喙（beak）、翼骨

柱骨上有一條耳柱骨肌 (columellar

（pterygoid）與方骨間的互動除了

muscle)，它的功能和人類的耳柱骨

有助於增加靈活度方便攝食外，在啄

肌 類 似。 當 環 境 中 出 現 較 大 的 音 量

木鳥身上也有助於緩衝撞擊震動。那

時， 顏 面 神 經 會 調 控 耳 柱 骨 肌， 將

麼 在 公 雞 身 上 呢？ 在 家 雞 身 上， 嘴

耳柱骨往後稍微拉離卵圓窗。當環境

喙的開闔是由肌肉拉動方骨，方骨

中出現較大的音量時，顏面神經會調

於 方 鱗 關 節（quadrato-

控鐙骨肌將耳柱骨往後稍稍拉離卵圓

squamosal joint）上

窗，除了阻斷傳遞路徑降低聲音導入

旋轉，連動接在

內耳的能量，也讓外側的鼓膜張力降

方骨上的顴骨

低， 使 外 來 聲 音 不 容 易 引 起 鼓 膜 震 動，進一步降低聲音能量輸入。

頭骨運動 除了耳柱骨肌之外，公雞的第二絕招 是透過頭骨運動來放鬆鼓膜，一如耳 柱骨舒緩鼓膜張力這般，在源頭便減 緩傳遞入耳的能量。那麼，頭骨運動 是如何運動呢？

這個運動對於身為哺乳類的人類可能 不太熟悉，頭骨運動指的是整顆頭骨

圖一：雞耳的結構。

各分部骨頭間的相對運動，其中當然 也包含上顎（maxilla）與顱骨（brain

case）之間的活動。由於哺乳類的頭 骨除了下顎（mandible）之外，彼此 間大多固定的相當嚴密，因此除了口 部之外的頭骨運動較為罕見。不過以 硬骨魚類而言，牠們則能夠把嘴突然 向前張大，將獵物連同水流一起吸入； 而在爬蟲類身上，也有像蛇這樣的例 子，藉由上下顎、鱗骨（squamosal） 與方骨（quadrate）間的關節及韌帶

圖二：鳥類頭骨結構。

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追憶年華 1970 年代，在美的臺灣留學生，將對學術知識的渴求，轉化成自身熟 悉的文體撰寫。在一顆顆緊密排列的鑄字背後，轉印成一本本的《科 學月刊》，記錄著當年珍稀的新知。50 年後的今日，印刷技術不再是 制式的活版印刷，更遑論細數這 18000 多個日子裡，科學的容貌也已 悄然發生變化…… 圖一：《科學月刊》

（Flickr-xinem, https://flic.kr/p/8pJBfz）

第 6 期封面。

老調新曲話酸鹼 提起化學，大多數人都會想到奪目色彩變化的酸鹼反 應。現代化學的酸鹼觀念，開始於拉瓦節確立氧氣是 燃燒的條件，生成酸的主因，迄今己有 250 年了，但 王文竹 淡江大學化學系教授。

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SCIENCE MONTHLY 2019.6

是酸鹼性質的老調，仍然新曲倍出、各擅勝場。

從傳統酸鹼理論說起

勞酸鹼理論（Brønsted–Lowry acid–base theory）。凡

1777 年 9 月 5 日，法國化學家拉瓦節（A-L. de Lavoisier）

是能給出氫離子的物質都是酸，凡能接受質子的物質都是

在法蘭西科學院發表論文，總結他數年的研究，提出一

鹼，而能給出質子也能接受質子的物質稱為兩性物質。酸

套酸鹼理論。他認為氧是酸中不可或缺的成分，將氧氣

和鹼通過質子交換，形成共軛酸鹼對（conjugate pairs）。

定義為酸生成要素（le principe oxygine，希臘文中 oxy 意為酸，gen 意為產生）。1789 年，《化學綱要》（Traité

1938 年，美國化學家路易斯（G. N. Lewis）提出一個

Élémentaire de Chimie）出版，奠定現代化學的基礎。

更為寬廣的酸鹼理論，依其定義：酸是電子對（electron

不幸，1794 年拉瓦節被送上斷頭臺，也斷送了巴黎世界

pair）的接受者，鹼是電子對的供給者，酸鹼反應就是

化學中心的地位，誠如拉格朗日（J-L. Lagrange）所說

電 子 對 的 轉 移。 依 此 定 義， 甲 硼 烷（BH3） 為 路 易 斯

的「100 年都未必生得出那樣的腦袋」。

酸，氨（NH3）為路易斯鹼，共用一對電子形成 [H3B：

NH3]，稱為加成物（adduct）。 李比希（J. von Liepig）自幼立志當「化學家」，當時沒 有這個稱謂，更引起全班鬨堂大笑。他到法國師從給呂

楊武晃先生於《科學月刊》第 1 卷第 6 期的大作〈酸與

薩克（J. L. Gay-Lussac）教授進行研究，1824 年李比希

鹼〉，對上述酸鹼理論及應用都有詳細的論述，今日讀

回國，在德國小鎮吉森（Giessen）建立實驗室，並且開

來仍屬佳作，可供中學生、大學生參考，作者是東海大

創了「研究教學並行」的制度，是現代研究所的濫觴，

學化學系二年級的學生，有這麼好的作品，實屬難得。

培養出上萬名學生，成為世界化學研究的中心。他研究

本文僅就一些科學史及軼事，略事補充。但是，50 年來

了許多有機酸的組成後，於 1838 年左右提出一套酸鹼理

化學已經更上層樓，新的研究成果及新的酸鹼理論甚多，

論，認為酸是含氫元素的物質，其中的氫也可以被金屬

有必要較詳細的說明，以供參考。

原子取代。

超強酸及魔術酸

1903 年諾貝爾化學獎得主阿瑞尼士（S. A. Arrhenius）

超強酸（super acid）是哈佛大學化學教授科南（J. B.

在瑞典烏普薩拉大學（Uppsala Universitet）攻讀博士

Conant）於 1927 年提出，用於表示比 100 ％硫酸更強

時，1883 年 5 月 17 日， 他 徹 夜 思 考 後 創 立 電 離 理 論

的酸。但因科南隨即轉任哈佛校長及外交工作，真正將

（electrolytic dissociation），隔天一早衝向指導教授報

其發揚光大的是另一位化學家歐拉（G. A. Olah），也因

告：「我有個電導性新理論…」，老師卻回以：「有意

在超強酸和碳正離子（carbocation）方面的開創性研究，

思」，然後大聲的說：「再見」就打發了他。後來的博士

榮獲 1994 年諾貝爾化學獎。

論文也只得到「通過，無嘉獎。（non sine laude）」的 成績，因此很難謀得教職。幸好得到德國奧士華（F. W.

想要比純硫酸酸性更強，就必須引入電負度比氧更高的

Ostwald，1909 年諾貝爾化學獎）的賞識接納，兩人共

氟，例如：簡單的超強酸氟代硫酸（HSO3F）和三氟甲

+

同開創溶液化學的離子理論，提出氫離子（H ）是酸的

磺酸（CF3FSO3H），它們的酸性都是硫酸的千倍，這兩

酸鹼理論，目前仍然被廣泛用於理解酸鹼反應的概念。

個例子都是單質子酸，屬於布忍斯特酸。此外，超強酸也 可以由路易斯酸，五氟化銻（SbF5）、五氟化砷（AsF5）、

1923 年，布忍斯特（J. N. Brønsted，丹麥人）及勞瑞（T.

五氟化鉍（BiF5）、五氟化鈮（NbF5）、五氟化鉭（TaF5）

M. Lowry，英國人）分別提出酸鹼質子理論，稱為布—

等化合物組成。大多數的情況下，超強酸不是單一純化合

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