《科學素養練功房：科學驚歎號》

地球上第一個生命

你可能無法想像，地球上的第一個生命是從滾燙的海水裡誕生的。根據科學家的推測，就在四十億年前，第一個生命可能是從海底熱泉的噴發口，也就是俗稱「黑煙囪」的地方誕生。

這個類似細菌的單細胞生命被暱稱為「露卡」，科學家認為它可能就是現今全世界生物共同的老祖宗。

水深火熱的環境

光看黑煙囪咕嚕咕嚕冒出的濃煙，不難想像溫度有多高。黑煙囪就像海洋版的火山口，溫度高達攝氏350度！誰也沒想到，在這麼滾燙的地方竟含有胺基酸，而胺基酸可以組成蛋白質，給露卡的誕生提供了充足的材料。

抱在一起，變成多細胞

露卡出現後，海裡足足安靜了三十多億年，直到六億三千萬年前，才出現多細胞生物。從單細胞演化到多細胞真有那麼困難嗎？到底發生了什麼事？ 「糟糕，有毒氣！」

原來，遠古地球因為藍綠菌製造許多氧氣，對原本的單細胞生物來說，氧氣是有毒的。它們不是死亡，就是被逼得躲到更深、氧氣更稀少的深海裡。當然，也有一些想出了新生存策略。它們集結起來，好幾個抱成一團，組合成多細胞生命的雛型。

事實證明，這種「團結力量大」的策略很有效。大伙兒抱成團後，多半只會損失外圍細胞，內裡的細胞則能度過難關，存活下來。這種「抱團求生」的結構，也就演化成了後來的多細胞生命。

宇宙的誕生宇宙的誕生────大霹靂

「宇」是指上下四方，「宙」代表古往今來，因此「宇宙」不僅包括「空間」，也涵蓋了「時間」。

回到宇宙誕生前一剎那，時間位在零點，空間尚未出現。一股龐大的能量凝聚在極小的點上，即使最先進的電子顯微鏡也捕捉不到它的蹤跡。特別的是，這個小點潛藏的爆炸威力，是億萬顆太陽也無法比擬的。

137億年前的某一瞬間，一個稱為「大霹靂」的事件，能量竟轉變成物質，啟動了時間與空間，創造出我們所知的宇宙。

短短不到0.0000001秒，宇宙膨脹得像葡萄柚那麼大。驚人的是，大霹靂才發生1秒鐘，宇宙的大小已經與太陽系不相上下。

到了第3分鐘，氫與氦的原子核形成。這些數量不多，但更加穩定的物質，讓宇宙平靜了許多，溫度也降到攝氏10億度──還是非常非常滾燙！

吹氣球，膨脹再膨脹

打從大霹靂發生那一刻起，宇宙的時間與空間不斷以驚人的速率擴充、成長。當時間來到10萬年，宇宙的物質變得愈來愈多，逐漸占了優勢。宇宙的空間也像吹氣球似的，膨脹、再膨脹！由於空間膨脹，熱能分散了，因此溫度漸漸冷卻下來。

宇宙膨脹的速率原本已相當驚人，後來又以更驚人的速率不斷膨脹。就在此刻，當你閱讀這一段文字的時候，遠方的星團正飛快遠離我們，「咻──」總共狂飆了160萬公里遠！大霹靂發生50億年後，無數恆星聚成範圍更大的銀河系。隨著空間與時間不斷擴展，宇宙星系成群，組構成難以想像的巨大時空。

《科學素養練功房：科技變魔術》

機器人怎麼學習

「Pepper，明天天氣如何？」

「明天溫度下降，記得多穿點衣服喔！」

現代機器人可以跟人談天說地，還會噓寒問暖，就像人類會做的事。怎麼辦到的呢？聊天第一步：聽懂對方說什麼。

比對聲波，前後連貫

機器人要聽懂人類的語言，從比對聲波開始。方法是：從大量語音檔案自我學習！先輸入很多很多音檔，讓機器自己去找出每個發音的共同特徵。未來當機器接收到陌生語音，就能從特徵去比對，判斷它屬於哪個發音。

不過，每個字都有上下字，每句話還有前後文，機器必須一起考慮，才不會鬧笑話。比方說「我鑰匙掉了」，因為各地口音不同聽起來可能會像「我要死掉了」。究竟是哪一句，機器必須依據前後文來判斷。

看電影學回話

當人說：「你好嗎？」

機器回答；「我很好。」

這是怎麼辦到的呢？過去科學家使用舊方法，大海撈話─把人類所有可能的對話組合輸入機器。但只要機器沒聽過的對話，它就無法應對。

後來科學家換了一種方式，請機器人「看電影」，自主學習！當輸入的對話數量達到百萬等級，機器就可以學會語言的文法。更厲害的是：即使機器沒有聽過的對話，一樣能對答如流。

比方說：「蔡依林是誰？」，機器如果還沒學過這句，該怎麼辦？一旦機器聽過的對話夠多，它應該接受過「周杰倫舉辦演唱會」以及「蔡依林舉辦演唱會」這類句子，因此把兩人歸為同一類名詞。如果它又聽過「周杰倫是歌星」，就能舉一反三，組合出：「蔡依林是歌星」。舉一反三，這是不是和人類的學習很類似呢？

看表情、聽聲音

「真高興我週末必須在家看書、趕作業。」

咦，這個人真的愛讀書？還是反諷功課太多？單看字面很難分辨，必須進一步了解他的表情和口氣。

未來的機器能聽、能說之餘，還要能感受人類的情緒，做出正確又貼心的回應。意思是要「善解人意」，看懂臉色、聽懂口氣。

人的臉色會出賣他的心─尤其瞬息萬變的「微表情」。比方說：微笑和假笑差別很微小，意義卻大不同。現代機器已經從百萬筆人臉學會「看臉色」，知道不同情緒的表情特徵。

閉上眼睛，仔細聽人說話，你會發現人的聲音也充滿了「表情」。高興時，講話速度快、音調上揚；心情低落時，音量小、速度緩。現代機器可以從大量「有情緒」的聲音檔，找出不同情緒下的聲音特徵。

創作，也能學嗎？

「機器人這麼厲害，那它會創作藝術嗎？」當然。每種畫派、樂派、詩歌類型，一定具有某些特徵。現代機器有能力找出這些特徵，創造出真假難辨的藝術品，讓人分不清創作者是機器，還是人類大師。

「大師？怎麼可能？機器只是模仿，怎麼會是大師創作呢？」

機器創作藝術的方法很有趣，它的內在彷彿分成兩個大腦，一個是創作腦：沒有看過任何藝術品，完全是原創；一個是鑑賞腦：大量學習不同風格的藝術作品，掌握藝術特徵。

當創作腦完成作品，鑑賞腦會反覆執行：

1. 判斷這個作品是否太偏離過去的藝術？如果是，鑑賞腦會提點一下：「太怪異了，觀眾很難接受。」並要求創作腦重新再來。

2. 判斷這個作品是不是很容易歸類為某種風格？如果是，創新就失敗了，鑑賞腦也會要求創作腦重來。

想不到吧？看似冷冰冰的機器，也會像人類一樣，藉由不斷自我質疑、自我修正，探索人類的藝術疆界！

塗層好厲害

同樣是紙，許多書籍的封面光亮滑溜，與內頁大不相同，這是塗層的效果。再說紙杯，明明是紙做的，竟能裝水不漏，和其他紙餐具一樣，這也是塗層的功勞。

還有，不沾鍋、乳液、眼鏡、液晶螢幕⋯⋯等，許多生活日用品全都運用了塗層！

選用孤僻材料，做成不沾鍋

塗層，就是把某種材料塗在物體表面，讓物體的性質功能改變。比方說，鐵鍋導熱快，可是煎魚、煎蛋容易黏鍋。「黏鍋」的意思是鐵鍋和食材起作用了！

解決方法可以利用塗層：找一種「孤僻」的材料，把它塗在鐵鍋表面，讓鐵鍋變得孤僻，不喜歡和食材作用，這樣一來，煎肉煎蛋就不沾鍋了。鐵氟龍就是一種孤僻材料，碰到誰都不搭理，獨來獨往，不沾不黏。不過有個問題，如何讓孤僻的鐵氟龍願意和鐵鍋「在一起」，塗布在鐵鍋上？

科學家想到一個絕妙好招！「好，就趁它尚未變成鐵弗龍、還能跟別人打交道之前最後一刻，強迫它和鐵鍋在一起！」科學家把握最後一道步驟，把鐵氟龍的「前身」放在鐵鍋上，讓它和鐵鍋表面起化學反應。

自潔塗層：自動分解髒汙

汽車的門把材料是塑膠，看起來像金屬，因為塗層改變了表面光澤，薄薄一層，具有裝飾效果。鍍金或鍍銀也是運用塗層來展現金銀的特質。另外，建築物或家具塗了油漆，清洗髒汙時就怕掉漆，或者有些地方清洗不到。

為了解決問題，科學家把二氧化鈦做成奈米顆粒，塗布在油漆分子的表面，製造出「自潔塗層」，能自動分解髒汙，自己清潔自己。

塗層是專門用來解決問題的，想要吸水或防水、導電或不導電，需要什麼功能就選擇什麼材料，然後想辦法塗上去，道理簡單，成效卻很驚人！

《科學素養練功房：工程打造酷世界》



直竄天際的摩天大樓

你能想像一棟「像山一樣高」的房子嗎？杜拜的哈里發塔，足足有163層，高度超過 800 公尺，比一座小山還高。從大樓底下往上看，高聳入雲的氣勢，令人震懾。

摩天大樓之所以能夠興建，多虧了「鋼材」這種革命性建材。比起傳統的鐵、石塊或磚，鋼材更加堅固，卻又更輕盈，得以支撐龐然大物，而且不會沉重得上層壓垮下層。

另一個關鍵性發明，則是電梯。想想看， 如果你住在五十樓，出門上下樓只能一步步走樓梯，住摩天大樓宛如住在高山上。這樣的摩天大樓即使再豪華氣派，恐怕也沒有人要住。光有電梯還不夠，電梯的速度、數量和配置也很重要。

紓解人潮有一套

一棟百層的摩天大樓，每天可能有成千上萬人出入。要應付這麼多人上下樓，不可能只有一部電梯。台北101就裝設了44部電梯；美國帝國大廈的電梯則多達 73 部，如此才能紓解人潮。

另外，電梯的停靠也要精算，不能每層樓都停。否則，從一樓搭到一百樓可能得花半小時以上。實際的做法是這樣：電梯分組運作，不同組的電梯停靠不同樓層。當然，電梯升降速度也要加快，例如時速超過 60 公里時，從一樓到九十樓只需 39 秒！

地震和強風

居高臨下的摩天大樓會遇到兩大問題：強風和地震。高處的風勢強勁，讓建築經常處於輕微搖晃的狀態。因此，摩天大樓的窗戶通常都設計成無法開啟，避免強風吹入，把室內的東西吹得亂七八糟。

為了降低強風襲擊大樓的巨大壓力，有些大樓的表面會設計成圓形或弧形，或是在建築中間開一個大洞，讓風能夠輕易通過。

至於「地震」這個摧毀房屋的頭號敵人，摩天大樓也有策略，是採用「以柔克剛」的柔性構造。儘管地震時，建築本身會緩慢而明顯的搖動，但地震的能量會在搖晃過程中被吸收，讓建築物不致因強大的力量而毀壞。

垂直的城市

目前世界最高的摩天大樓，是位於杜拜的哈里發塔，未來應該還會出現更高的。

其實，樓高數十層的摩天大樓已經不是一棟建築，而是一座小型的「垂直城市」。大樓裡面不只有住宅，還規劃了商場、電影院、餐廳、健身房等各種生活所需的設施，甚至還有休閒散步的空中花園，以及直升機停機坪。

未來，摩天大樓可能會成為城市的主流嗎？讓我們拭目以待。

會吸水的海綿城市

一會兒淹水、一會兒缺水，受到地球暖化影響，原本極端的氣候漸漸變成了常態。許多地方要不就是久久不下雨，鬧起旱災，一旦下雨竟是嘩啦嘩啦豪雨成災。城市究竟該如何解決缺水、淹水問題呢？

過去，我們把能夠蓄水的土壤、天然沼澤和水塘，變成不透水的柏油路和建築物。難怪一遇上豪雨，城市容易淹水成災。

「找個地方蓄接雨水吧！」現代化的城市，道路地面要能透水，讓雨水滲進地下留存，就像超大的蓄水池。

吸水、保水的「水銀行」

再看公園、停車場和運動休閒場所，地面刻意設計得微凹，像個淺淺的碗，大雨來時能幫忙蓄水，避免附近淹水。

另外，城市還會規劃水溝、池塘、溼地和人工湖，好讓水有地方可去。河川兩邊的土地也必須設計得寬敞些，使雨水漫流，目的除了避免淹水，更是設法讓雨水在地上停留得久一點，供我們使用，例如拿來澆花、清洗。

這種現代化城市就像海綿一樣，能吸水、保水，如同「水銀行」。國家有了許多水銀行，水資源就會顯得充裕。

哇，沙漠變綠洲！

海綿城市還有另一個好處：調節當地氣候。

夏天站在湖邊，是不是感覺涼爽？這是因為湖水能吸收熱氣，使水蒸發，空氣中因此充滿水汽。如果環境有水，不僅吸收熱氣，水汽聚集時，也容易降雨，當地的水循環是暢通、健康的，環境因此舒適宜人。除了吸水、保水，水的循環再使用也很重要。不管家庭廢水或工業廢水，都可以透過淨化，變成乾淨水，拿來清潔、沖洗，或者引進池塘、溼地，當作生態用水。過去的城市有如「水泥沙漠」，雨水留不住，城市又乾又渴。現在則要創造「海綿綠洲」，讓整個城市有水、有綠意。

《科學素養練功房：想不到的數學》

中國紫禁城的大面積

紫禁城是皇帝的居所。它的規模：南北長約961公尺，東西寬約753公尺，面積約為723600平方公尺左右，四面有12公尺高的城牆，還有52公尺寬的護城河，氣勢磅礡、格局宏偉。

我們來思考一個非常有趣的問題：如果當初建城時，築牆的材料是固定的，也就是說，如果最後完成的圍牆長度是固定的，那麼要讓整座城的占地面積最大時，長、寬各應是多少公尺？

如何創造最大面積？

在平面上，周長相同時，面積最大的是圓形。因此，若用長度固定的繩子圍出完整周長的形狀，能圍出最大面積的就是圓形；如果只能選擇圍成四邊形，那麼四邊邊長愈接近，面積就愈大，所以，四邊形中又以正方形面積最大。而當四邊形的長、寬差距愈大時，面積就愈小。

再回到前面紫禁城的問題，紫禁城的長、寬分別是961公尺和753公尺，並不是正方形。如果城牆總周長不變，將形狀改成正方形的話，邊長就是（961＋753）÷ 2 = 857公尺，這樣一來，整座城的面積變成857×857≒734400平方公尺，比現有面積大了10000平方公尺以上。

懂得這個訣竅之後，往後若要以固定周長來圈圍面積，只要記住：愈接近圓形，面積愈大，也就是說：圓形＞正八邊形＞正六邊形＞正方形＞長方形，是不是很容易掌握呢？

西班牙奔牛節多快被追上？

每年七月六日到十四日，無數遊客為了一年一度的奔牛節從世界各國蜂擁而來，擠滿了西班牙東北方的小城潘普隆納。

舉行奔牛活動的街道是一條狹窄的石板路，全長848公尺。參加奔牛的群眾穿著白色衣褲、圍著紅色領巾和腰帶，成千上萬的人擠滿了街道。重約500公斤的公牛從牛棚衝出後，在短短4分鐘裡，以超過20公里的時速在混亂的人群中狂奔，直到被引進鬥牛場為止。整個過程緊張刺激，險象環生。

奔牛的追趕問題

西班牙奔牛節有一個有趣的數學問題：如果有一個人在牛隻放出柵欄之前先起跑，經過1分鐘後，牛衝出柵欄並全速狂奔，請問多久之後，牛會追上先起跑的人？

我們先舉個類似的例子來思考：阿維和爸爸比賽吃水餃，阿維1分鐘吃3個，爸爸1分鐘吃5個，如果阿維吃了4分鐘之後，爸爸才開始吃，幾分鐘之後，兩人吃的量一樣多？

阿維先吃，所以爸爸開動時，阿維已經吃了3（個）× 4（分鐘）＝ 12（個）。題目問的就是爸爸要花多久時間，才可以趕上這個差距？

爸爸每分鐘比阿維多吃2個，也就是說，即使阿維已經先吃了若干個，這個領先的差距也會以每分鐘2個的速度減少。答案呼之欲出了：阿維先吃了12個，爸爸每分鐘趕上2個，12÷2＝6，只要6分鐘，爸爸就和阿維吃的一樣多！

現在回到奔牛的問題。如果先起跑的人每分鐘跑150公尺，牛隻每分鐘跑400公尺，人先跑了1分鐘150公尺，但牛隻每分鐘比人多跑400 － 150 ＝ 250公尺，所以這領先的150公尺只要150 ÷ 250 ＝ 0.6（分鐘） ＝ 36（秒）就被趕上了。

珍奶換季大降價

天氣愈來愈冷，學校對面的飲料店生意變差了，各家紛紛推出「珍奶換季大降價」！我們放學經過，都忍不住想買上一杯。

這裡有三家飲料店，三家珍奶原本的價錢一樣，但是現在打的折扣不一樣。哪一家最便宜呢？

第一家 85折

第二家 買3杯送1杯

第三家 加量20%不加價

算了老半天，怎麼也搞不清楚哪家最便宜。

忽然，小英說：「我看，還是選擇第二家：買三送一！」 「為什麼？」

「你們一人買一杯，送的那一杯就……給我啦！」

小英開心的說：「這樣對我最『便宜』！」

我們當然沒便宜了小英。最後，大家都在第一家店買珍奶，但還是不知道這家是不是最划算。「比價」到底有什麼訣竅？

現在，我們就來公開私房省錢大絕招！不管促銷花招是什麼，打折也好，買幾送一都好，想成為「超級比價王」，最簡單的方法就是找出「單位價格」。

舉例來說，木瓜促銷方案一：3 顆 100 元；方案二：5 顆 150 元。哪一種方案比較便宜呢？只要利用除法，算出單位價格，就能清楚了！

方案一 木瓜的單位價格：1顆木瓜的價錢＝ 120 50＝33.3 元（貴！）

方案二 木瓜的單位價格：1顆木瓜的價錢＝ 120 50 ＝30 元（便宜！）

觀察上面的算式，你發現了嗎？計算單位價格，只要把「總金額」除以「總數量」就好了！

回到珍奶大降價的問題，同理可證，如果能算出每家珍奶打折後的單位價格，就知道誰最便宜了……以第二家店來說，買 3 杯送 1 杯，等於用 3 杯的原價買到 4 杯，因此：

每一杯打折後的價格＝3 杯的原價÷4 杯＝0.75 杯的原價

換句話說，一次買 4 杯時，每一杯可以打到 75 折。計算後就清楚了！第二家店一次買 4 杯，竟然可以打到 75 折，比第一家店的 85 折便宜多了！

《科學素養練功房：科學驚歎號》

地球上第一個生命

你可能無法想像，地球上的第一個生命是從滾燙的海水裡誕生的。根據科學家的推測，就在四十億年前，第一個生命可能是從海底熱泉的噴發口，也就是俗稱「黑煙囪」的地方誕生。

這個類似細菌的單細胞生命被暱稱為「露卡」，科學家認為它可能就是現今全世界生物共同的老祖宗。

水深火熱的環境

光看黑煙囪咕嚕咕嚕冒出的濃煙，不難想像溫度有多高。黑煙囪就像海洋版的火山口，溫度高達攝氏350度！誰也沒想到，在這麼滾燙的地方竟含有胺基酸，而胺基酸可以組成蛋白質，給露卡的誕生提供了充...

《科學素養練功房：科學驚歎號》
一、揭開生命奧祕
地球上第一個
生命，合作讓生命更進化
寒武紀神奇寶貝大爆發
STEM廣場
細胞立大功
會走迷宮的黏菌
STEM廣場
生命密碼DNA
STEM廣場
看見演化的力量
STEM廣場
二、解讀自然生態
海洋是生命的搖籃
山阻隔了什麼？
STEM廣場
樹的王國高手多
森林是個大公寓
STEM廣場
河中世界繽紛熱鬧
溼地處處是奇蹟
STEM廣場
生機蓬勃的極地
STEM廣場
三、探究地球家園
海水從哪裡來？
藍色水星球
STEM廣場
發現潮汐與洋流
山是怎麼誕生的？
沖、切、鑿、蝕
岩石三兄弟
STEM廣場
氣候真的變了！
STEM廣場
四、造訪宇宙太空
宇宙的誕生─大霹靂
宇宙無限大？
太空中的巨型光劍─脈衝星
開天闢地，太陽誕生
STEM廣場
有月球，地球才有生命
穿越時空，行不行？
STEM廣場

《科學素養練功房：科技變魔術》
一、人工智慧
口袋裡的小電腦─智慧型手機
列印你的酷點子─3D印表機
STEM廣場
智慧衣，聰明有智慧
VR，跟真的一樣！
AR，讓真實更豐富
STEM廣場
駭客，怎麼駭？
超級機器人來了！
機器人怎麼學習？
STEM廣場
二、材料科技
塗層好厲害
STEM廣場
用鐵打造新世界
科技催生新策略─碳交易
塑膠是大惡魔！？
STEM廣場
百變精靈─玻璃
STEM廣場
科技陶瓷，你身上有嗎？
地底煮出來的黃金
這裡那裡，到處都有鋁
STEM廣場
三、資訊科技
傳得更快更遠的通訊大革命
STEM廣場
不可思議的情報科技
會說預言的大數據
大數據與AI，物流好幫手
STEM廣場
四、生物科技
基因工程，挑戰生物法則
基因夢工廠，讓生活更美好
得諾貝爾獎的基因編輯新技術
STEM廣場
奈米醫學，超科幻！
STEM廣場

《科學素養練功房：工程打造酷世界》
一 、土木工程酷世界
把砂石攔下來
到山裡蓋水庫
造橋，真是不簡單
各式各樣的橋
STEM 廣場
直竄天際的摩天大樓
STEM 廣場

二、環境工程與能源
下水道工程，把汙水變乾淨
地底下的管線世界
STEM 廣場
會吸水的海綿城市
STEM 廣
場搶救山坡地
STEM 廣場
綠建築─用創意愛地球
STEM 廣場
各式各樣的能源
STEM 廣場

三、機械與應用工程
快速又便利的汽車
在鋼軌上奔馳
STEM 廣場
掃地機器人
微波爐噹一下
聲音機器，如雷貫耳
STEM 廣場
照亮人間的燈
STEM 廣場
奇幻繽紛的高空煙火
STEM 廣場
有聲有色的電影
STEM 廣場

四、航太工程
國際太空站
STEM 廣場
繞著地球轉的太空垃圾
搭電梯上太空
未來的超炫火箭

《科學素養練功房：想不到的數學》
一、環遊世界玩數學
埃及金字塔有多高？
紐約自由女神的完美比例
伊朗波斯地毯的對稱圖像
STEM廣場
中國紫禁城的大面積
中國萬里長城堆了多少磚？
STEM廣場
俄羅斯西伯利亞鐵路的平行線
荷蘭風車畫出的圓弧
STEM廣場
西班牙奔牛節多快被追上？
加拿大的北極熊為何這麼大？
義大利披薩能切幾塊？
STEM廣場

二、數字大驚奇
消失的一萬元
珍奶換季大降價
STEM廣場
究竟漲了多少？
遇到幾輛車？
一共要比幾場？
STEM廣場
法國農夫的九九乘法
計算，比你想得重要
有道理，又好算的數
質數的祕密
STEM廣場

三、形狀有玄機
藏在雪花裡的神祕圖形
圓圓的，有什麼道理
消失的面積
STEM廣場
馬克杯、甜甜圈，哪裡一樣？
永遠有一個圈
一口氣走遍七座橋不重複？
神奇的莫比烏斯環
STEM廣場
數學可以做什麼？

《科學素養練功房：科學驚歎號》
一、揭開生命奧祕
地球上第一個
生命，合作讓生命更進化
寒武紀神奇寶貝大爆發
STEM廣場
細胞立大功
會走迷宮的黏菌
STEM廣場
生命密碼DNA
STEM廣場
看見演化的力量
STEM廣場
二、解讀自然生態
海洋是生命的搖籃
山阻隔了什麼？
STEM廣場
樹的王國高手多
森林是個大公寓
STEM廣場
河中世界繽紛熱鬧
溼地處處是奇蹟
STEM廣場
生機蓬勃的極地
STEM廣場
三、探究地球家園
海水從哪裡來？
藍色水星球
STEM廣場
發現潮汐與洋流
山是怎麼誕生的？
沖、切、鑿、蝕
岩石三兄弟
S...