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2026年10月6日 星期二

生活科學大哉問

 


大語言模型走入大眾的視野也不過短短二、三年,已經讓許多學生、上班族習以為常地每天和 AI 互動對談。仔細想想人類的適應力真的很強,不論是什麼尖端科技製造而成的產品或服務,在不瞭解背後原理的情況下,人們依舊能運用自如地享受便利性。《生活科學大哉問》一書,便是介紹了許多你我日常生活中已經視為文明社會必需品的科技產物,深入瞭解後會感受到,人們能十指不沾陽春水地過日子,都是受惠於一代代先人日積月累下發明的成果。

像是沖水馬桶利用虹吸原理,不靠電力而善用水位的落差和重力,便有效率地清除排泄物,是造福全人類的偉大發明。微波爐則是運用磁控管來操作電場方向,讓容易受影響的水分子產生震動,進而產生熱能用來加熱食物。在介紹咖啡的文章中,學到咖啡一旦磨成粉就會開始劣化,所以沖泡前再磨才是講究的做法;過細的咖啡粉反而會萃取出雜質,讓咖啡風味變差。雖然看過好幾次解說飛機飛行的原理,但還是不明白機翼形狀如何讓氣流產生足夠的升力讓飛機起飛,據說學術圈也常常講不清楚,只能說飛行器的發明是種實證科學吧。

而白領上班族常看到的文具用品,像是3M便利貼是改變膠水型態成圓球狀,產生好黏又好撕的效果。魔術擦擦筆則是以使用感溫變色墨水,來讓墨水遇熱變成透明;有趣的是,在極低溫下(零下 20 度),擦擦筆的墨水會恢復到有顏色的狀態,這點小知識很有用!全視線眼鏡就是光致變色鏡片,但是如果配戴了無抗紫外線(UV)功能的太陽眼鏡,人眼的瞳孔多了遮蔽、少了刺眼的陽光照射而放大,反而會傷害視網膜,買太陽眼鏡時記得多看一下標籤。摩天大樓的玻璃帷幕,製造方法和鏡子一樣,是在玻璃裡面加上一層金屬用來反射光線;當金屬層薄到恰到好處的厚度,就會隔熱又透出些許的光線。夜間因為室內光線強於室外,所以室內反射光會強於外面,造成我們只會看到自己的倒影,但從外面卻可以清楚地看到屋內。

車輛的前擋風玻璃都是夾層玻璃(膠合玻璃),中間夾著特殊膠膜,即使用擊破器也打不碎,所以也被當作防盜玻璃。而側面的車窗則是安裝強化玻璃,雖然強度比一般玻璃強上 3 到 4 倍,卻可以針對特定一點輕易地敲破。現代人在夏天幾乎離不開的冷氣機,是利用空氣壓縮會變熱、膨脹會變冷的熱泵原理,將冷媒當作導體不斷在室外機和室內循環,讓我們享受舒適的溫度,而電冰箱也是用一樣的技術做出來的。一般認為,水的溫度不會超過 100 度,因為會變成水蒸氣。然而水波爐就是利用過熱水蒸氣的高溫,來達成將食物加熱到 200 到 300 度的高溫,食物的水分會因此蒸發而變得酥脆。我們之所以會認為月亮會一直跟著我們的背後走,其實只是因為它體積相當大,同時又距離我們非常遠,所以不管我們怎麼移動,都能看到它以同樣的大小和方向在那裡,因而誤以為它有在移動尾隨我們。

《生活科學大哉問》是一本充滿著實用科學知識的小書,每個主題的內文都只有四頁,但內容從物理、化學到資訊技術無所不包,很多說明也不是能一看就懂,相當有深度。不過看這樣的讀物,也不用給自己太大的壓力,就挑選自己感興趣的主題翻閱,記得有趣的小知識,以後和朋友談天時當個小聰明,倒也就有所回報了~

Large language models came into the public eye only two or three years ago, but they have already become a daily habit for many students and office workers chatting with AI. When you think about it, human adaptability is truly amazing. No matter what kind of advanced technology creates a product or service, people can easily use it and enjoy its convenience without knowing how it works. The book Everyday Science Secrets introduces many tech inventions that we see as daily necessities in modern society. When you look deeper, you realize that living such a comfortable life is all thanks to the achievements of past generations over time.

For example, flush toilets use the "siphon principle." They don't need electricity and simply use water level differences and gravity to clean away waste efficiently, making it a great invention for humanity. Microwaves use magnetrons to control electric fields. This makes water molecules vibrate and generate heat to warm up food. In the part about coffee, I learned that coffee beans start to lose quality as soon as they are ground into powder. That is why grinding right before brewing is the best way. Coffee ground too fine will extract unwanted flavors and ruin the taste. Also, although I have seen explanations of how airplanes fly many times, I still don't understand how wing shapes create enough lift for a plane to take off. It is said that even experts struggle to explain it clearly, so maybe airplane invention is just a kind of "practical science."

Common stationery items for office workers also have cool science behind them. For instance, 3M Post-it notes use glue shaped into tiny spheres, making them easy to stick and peel off. Frixion erasable pens use heat-sensitive ink that turns clear when heated. Interestingly, at super cold temperatures (minus 20 degrees Celsius), the ink color comes back. This fun fact is very useful! Transitions lenses are photochromic lenses. However, if you wear sunglasses without UV protection, your pupils will dilate because of the darker view. This can actually damage your retina, so always check the label when buying sunglasses. The glass curtain walls of skyscrapers are made like mirrors by adding a thin metal layer inside the glass to reflect light. When the metal layer is just the right thickness, it blocks heat while letting a little light through. At night, indoor light is brighter than outdoor light, so the reflection inside is stronger. As a result, we can only see our own reflection, but people outside can see inside clearly.

Car windshields are made of laminated glass with a special plastic layer in the middle. They won't break easily even with a hammer, so they are also used as anti-theft glass. On the other hand, side windows use tempered glass. Although it is 3 to 4 times stronger than regular glass, it can easily shatter if you hit a specific corner. Air conditioners, which are essential in summer, use the "heat pump" principle—air gets hot when compressed and cold when expanded. They use refrigerant to move heat between indoor and outdoor units to keep us comfortable. Refrigerators are made using the same technology. People usually think water temperature cannot go over 100 degrees Celsius because it turns into steam. However, superheated steam ovens use high-temperature steam to heat food up to 200 to 300 degrees, evaporating moisture to make food crispy. Finally, we feel like the moon is following us simply because it is huge and extremely far away. No matter how we move, we see it at the same size and direction, so we mistakenly think it is following behind us.

Everyday Science Secrets is a small book full of practical science knowledge. Each topic is only four pages long, but it covers everything from physics and chemistry to IT. Many explanations take time to understand and have real depth. However, you don't need to feel stressed when reading it. Just pick topics you find interesting, remember a few fun facts, and share them with friends later to sound smart—that is already a great reward!


2024年9月4日 星期三

如果這樣,會怎樣?2:千奇百怪的問題 嚴肅精確的回答

 


如果有朋友身為父母,相信總免不了面對熊孩子們提出的五花八門的問題,除了少部份能正確回覆外,其它多半是晦澀艱難的謎題。這本如果這樣,會怎樣的作者蘭德爾.門羅卻有著過人意志,正面迎戰總多小朋友提出的疑問,運用堅實豐富的物理學知識,精確而具體地回答64個天馬行空的提問。

除了筆調逗趣的文字外,穿插的段落中的火柴人漫畫更是此書的一大特點,插圖用打破第四道牆的口吻,以典型的美式幽默替讀者整理段落的重點觀念或是來個吐槽。這些搔到癢處圖畫,恰似日本科普叢書空想科學讀本般讓人不禁認為書籍的本體是插畫~。外國小孩的想像力真的是腦洞大開,尤其對外太空展現出強烈的好奇心,最終的結論很多都是得用廣義相對論與黑洞理論來結尾。像「用湯灌滿太陽系」、「開車到宇宙的盡頭」、「縮小到房間尺寸的木星」。

64個問題中,有些問題的解答恰好也推翻了你我曾經見過的空想/假設,而且不少是漫威英雄電影裡描寫的橋段與人物。像是「用手吊在直升機葉片上」讓人聯想到美國隊長健美的二頭肌;「站在絕對零度的旁邊會如何」則是否定了變種人冰人的超能力;「飛鴿椅」讓聖鬥士星矢的白銀烏鴉座成為了笑柄;「空手接子彈」讓大多數的科幻英雄電影挨了一巴掌。其它也有不少能幫大人們解惑的問題,像是「十億層建築物」說明了為何太空電梯是個空想;「薜西弗斯式冰箱」描述出開空調為何會使溫室效應惡化。而許多和數量級有關的提問,最終總是得到世界末日的結果。

雖然這本書看似在回答小朋友的童言童語,但全書內文提及的許多物理學原理與科學理論,我想對普通讀者來說已經超載,更別想行有餘力找出作者論述中的盲點。換言之就是作者說怎樣就是怎麼,單純地照單全收,你我都無從驗證起。別太嚴肅看待,把它當成一本閒暇無事來閱讀的趣味科普讀物來看,是相當稱職。


2023年12月14日 星期四

空想科學讀本:大咖對決誰比較厲害


對熱愛日本動漫的六、七年級生而言,從兒時的無敵鐵金鋼到近期的進擊的巨人,都帶給我們度過無數個歡樂與感動的時光。在看過怎麼多作品與上天下地的角色後,相信你我都曾跟玩伴與同好爭論過誰誰誰比較強這類天馬行空的問題。這本空想科學讀本:大咖對決誰比較厲害,就是將這個議論發揚光大,用科學(物理)的數據分析與歸納不同作品的角色,來進行跨界比拼。

空想科學讀本是相當長青的科普叢書,作者柳田理科雄每每運用扎實、深厚的物理知識,計算出動漫場景中各種腦洞大開的場景,其所代表的驚人實情。搭配上每篇穿插,別有一番風味的解說插圖,欣賞到二創版的動漫知名角色,讓讀者在文字閱讀外多增添莞爾一笑的心情,真是妙不可言。不論是神劍闖江湖的劍心真劍對決銀魂的阿銀,還是刃牙裡的勇次郎比拼北斗神拳裡的拳四郎。更別說是鋼彈的白色惡魔大戰新世紀福音戰士裡的初號機,每場設定都是動漫迷引頸期盼的世紀對決。

雖然在多數篇章中,動漫裡不足為提小小的絕招(必殺技),若要在現實世界中重現,都會是足以毀天滅地的物理現象。這樣的結論像是潑了長青動漫迷們一頭冷水,但作者願意認真看待動漫裡天馬行空的設定搭配實事求是的求知精神,讓讀者得以用另一種角度剖析和回顧這些精典的動漫作品。最終如同柳田理科雄一開始的期待,他帶給讀者們一段愉快的閱讀時光。

2021年9月20日 星期一

拯救或毀滅世界的十種新創科技

 

從小就耳聞「核融合」這神秘的黑科技是解決人類能源問題的聖杯,動心起念找到這本內容有介紹核融合的科普書「拯救或毀滅世界的十種新創科技」。它從巨觀到微觀講解了十項先進、能深遠影響文明發展的高科技。

好萊塢電影常有令人目眩神迷的科幻埸面,在娛樂觀眾的同時,也扮演預言者的角色,展示許多未來可能成真的高科技,其中不少是書中有提及的項目。十項新創科技議題如下:

1.太空旅行可以更便宜嗎?
這章介紹數種可省下火箭發射成本的技術,像是SpaceX採用的「可重複使用火箭」已經順利達成商用化。而「用太空飛機運送火箭」的想法,牽涉到開發與整合不同類型的發動機技術(渦扇發動機/後燃器/衝壓噴射發動機/超音速燃燒衝壓噴射發動機),目前還是乏人問津。很有卡通味的「巨無霸太空槍砲」點子,則是太像軍事武器,容易起引爭議。維珍銀河是使用「在高空啟動火箭」的做法,讓飛行器搭載火箭,從高空中直接發射。最後是曾在動畫鋼彈OO中出現過的「太空電梯與太空纜索」,不過此方法得先發明出高強度的合成纖維,克服地球自轉產生的拉力。

2.小行星採礦
太空中有些小行星完全由金屬組成,上面的金屬含量是人類在地球上開採金屬總量的30倍,聽起來有利可圖是吧?另外小行星採礦,不用像在地球上採礦般深入地層,只要在表層就能開採,真的是「寸土寸金」。不過依照目前的航太科技,要把每0.45公斤的東西送上太空,得先花費10,000美元。因此即便能無止盡地獲取大量金屬礦產,也無法彌補前期運送採礦機具上太空的投資費用。更別說如何把大量金屬運回地球販售,那可是一筆天價的運費。

3.核融合能源
「核融合」是利用自然界中最普遍的氫元素當燃料形成的純淨能量,當兩個氫原子(不同中子量的氫同位素)融合在一起時,會變成氦原子並釋放出巨大的能量。原子融合時,多出來的中子會帶著高熱以高速脫離新原子,這時就能利用來加熱水,帶動蒸氣渦輪機發電。不論是核分裂還是核融合,原子能發電的強項在於只要極少量的燃量就能產生天文數字般的能源。半浴缸水的「氘」(用來核融合的氫同位素),可以產生等同40噸燃煤的能量。實現核融合最大的障礙是原子間的排斥力(庫侖障壁),需要巨大的外力(作用力)來壓制才能強迫兩原子「結合」。太陽的能量正是來自於核融合,而太陽中心強大的重力壓,是提供不間斷的氫原子融合最理想的環境。然而在地球無法具備此自然條件,人們只好另尋他路。目前最簡單的做法是利用「核分裂」產生的能量,來促成「核融合」,這也是「氫彈」的原理。但當目標是「追求潔淨能量」時,用核爆來製作「純淨能量」真的令人啼笑皆非。小規模的可行作法是利用強大電場中的正電(相斥)與負電(相吸)來引導氘(氫的同位素)互撞,像其它各種核融合裝置一樣,裝置需要的輸入能量(用來產生電場)遠比輸出能量(核融合成功後產生的能量)多,目前只是個「耗能設備」。進行中的大型實作包括了「磁化內櫬慣性核融合」和「國際熱核合實驗反應爐」也都尚未達成能量的收支平衡,而在電影「天使與魔鬼」中的核融合裝置正是「歐洲聯合環狀反應爐」,是最接近成功的專案,目前已達成60~70%的能量收支平衡。

4.可程式化物質
簡單說就是動畫「大英雄天團」裡的神奇黑色金屬,或是「魔鬼終結者2」中的T2000殺手機器人。目前遇到的難題是如何做出超小型的電池來趨動機器人,特別是目標為打造奈米機器人時。另外由於現實世界中的不同東西,會需要不同的物質特性,像軟、硬、黏、韌。因此在發明出萬用的合成材料之前,神奇的黑色金屬可能只能變出堅硬的物體。

5.用機器人蓋房子
機器化建築工人,雖然效率是人類的三倍(紅色有角三倍速?),但目前只能專注做一件事(例如半自動化石匠,砌磚牆),從經濟報酬率上看無法商業化。相對地可以精確地製造出各式木工、石雕的機器人,因為大幅降低特殊建材的成本,有很高的商業價值。而「巨型3D列印機」用混凝土直接印出房子,能在24小時內蓋好一間55坪的房屋,這將能大幅改善難民與貧民的居住問題。本章中額外提及「3D列印食品」,真的是一堆化學填加物鞣製成的「可食用」黏土,有機會「千萬別試」。

6.擴增實境
在人工智慧(AI)的炒作風潮漸息後,IT圈又在找尋下個Buzzword,而「量子電腦」離真正能實用還有好大一段路,此時便把焦點放到擴增實境(AR)。有別於早前虛擬實境(VR)會造成動暈症而未能普及,擴增實境(AR)巧妙地結合GPS(未來可能使用光學電達)、網際網路、大數據以及智慧手機,搭著精靈寶可夢GO的火紅,消費大眾已張開雙手擁抱擴增實境。除了視覺外,擴增實境在嗅覺和觸覺上的成果很少,因為打造互動式的嗅覺和觸覺裝置相當困難。在電腦視覺的應用,不論是「健身魔鏡」或是FB和雷朋聯名推出的「智慧眼鏡」應該都會朝向擴增實境演進,它未來在醫療、教育領域的應用也將會更多樣化、平價化。

7.合成生物學
托新冠疫苗議題紛紛擾擾的福,對於這章的主軸DNA、RNA等字眼,相信讀者們都已略知一二。去氧核糖核酸(DNA)是多細胞生物的設計圖,可以讓核糖體利用胺基酸來製造構成生物運作的各種蛋白質。核糖核酸(RNA)則是扮演複寫紙的角色,從DNA身上抄錄要生成的目標蛋白質結構,再告知核糖體負責生產。雖然基因改造作物已經相當成熟,但針對人體上的基因改造還是困難重重,因為大自然經由演化而生的基因圖譜十分複雜,A基因和B基因的交互關係可能影響C、D基因,牽一髮動全身,形成千百種變化。另外也是因為對人類進行基因改造有「道德風險」,讓相關研究裹足不前。「合成生物學」在基改植物的廣泛應用(特別在藥品)和人造器官的生物合成,都是能蓬勃發展的領域。

8.精準醫學
大數據與人工智慧的興起與成功案例,讓各行各業有為者亦若是,特別在醫療產業上,相關的期待與發想更是無邊無際。最初的構想是如果能徹底收集每個人的生物訊號做長期追蹤,便可以讓全民在疾病預防上產生莫大助益。進一步還能用來量身訂製的藥物,讓每個病人接受個人化的治療,這將會重新定義人們口中的「對症下藥」。在實現面上,要完整收集每個人的基因體、微生物群與代謝體等資料很不容易,中間涉及許多數不清的檢測儀器、驗測藥物以及生物數據解讀,更別說在法津上有侵犯個人隱私的疑慮。

9.生物列印
本章和第7章相互呼應,討論生物列印(生物合成的子類)中的「人體器官列印」。以目前的生物科技,生成單一細胞很簡單,但是要橫空出世地生出一個可運作的人體器官卻有許多挑戰。器官是由眾多不同類型的組織結合而成,因此3D器官列印機要能快速射出細胞、蛋白質、化學物質與加工材料,以完美的結構排列出來,這樣才能「製作」出可供移植的人體器官,目前的科技還差的遠。退一步來說,如果只考慮器官在人體中所提供的功能特性,未來的「人工內臟」不見得要和真正的器官相似,或許這是一個能歪打正著的替代方案,讓人工器官技術大幅邁進。

10.腦機介面
要踏出用意念來操作電腦的第一步,首先要瞭解大腦的運作方法。而讀取大腦方法有兩種,讀取電訊號或讀取代謝訊號。在非侵入的方法中主要有「電腦波圖(EGG)」和「磁共振造影(MRI)」,侵入式的讀腦則有「腦皮質電圖(ECoG)」,它是將電極黏在大腦的表面,目前已經可以有效的讀取大腦操作手臂在三維空間中運作的訊號。最後是超級侵入式的讀腦方法「皮質內神經記錄」,就是用感應探針插入大腦中收集訊號,雖然能精確地讀取大腦的運作資訊,但也會造成腦部病變(受傷、發炎)。而且隨著時間,探針的偵測品質將會迅速降低,原因是探針會因為大腦的免疫反應產生異物,被神輕組織所包覆。

近20年來由於網際網路的興起和普及,讓資通產業的商務應用大爆發,資訊科技確實在各個層面改變了每個人的社交與生活模式。也因此受到國家、媒體和群眾的注目,投入大量資源並期待獲得數倍的回報。然而相較於上述10項真正的「高科技」,網路技術與建基其上的商業創新真的只是「軟科技」,如同書名「拯救或毀滅世界的十種新創科技」,真正「硬科技」所具備的影響力,是有擁有拯救或毀滅世界的潛力。


2018年7月29日 星期日

然後你就死了:被隕石擊中、被鯨魚吃掉、被磁鐵吸住等45種離奇死法的科學詳解


書名很有無釐頭風格,但是十足地名符其實。作者用一篇篇有趣的各種死因命題,慢慢帶出各式各樣的科學知識。我一樣是被一篇「睡不著會怎樣?」的網路文章所吸引,發現這本幽默感滿點卻又讓人學到不少有用人體小知識的書。

在各式各樣的死因文章中,可以發現作者對外太空死法比較有偏好。書中出現過數次以上的人體電漿化(笑) 。雖然那些情境百分百不可能發生在你我身上,但也令人欽佩作者居然能找到這麼多推論用的科學立論來描述這些胡思亂想。從書中看到的人體組織結構的小常識,或多或少能解答一些我們曾經困惑但沒去用心找解答的問題。

像是小朋友為何跌倒不會怎麼樣,但大人跌倒卻會出人命。(參考:踩到香蕉皮滑倒會怎樣?)在掉落的電梯中觸地的最後一刻跳起來,能不能避免受傷。(參考:電梯纜線斷了會怎樣?)常見的人體排毒說法,真的確有其事嗎?毒素又是從何而來?(參考:睡不著會怎樣?)上述只是舉一兩個有趣的案例,整本書中充斥著相當有用的生物學知識,當然是覆蓋在作者略帶黑色幽默的文筆之下。

總得來說,這本書的風格非常像是「空想科學讀本」。但卻不會有「空想系列」後期太多數字描述令人感覺疲勞的敗筆。另外「空想系列」畢竟是著重於動畫卡通的科學知識討論,在實用性上也差了此書一節。推薦給每天有個幾分鐘空閒,想要閱讀風趣文字但又能學到新知的人。