好奇心＋不放棄－點亮愛迪生頭腦

你有騎車被擊落的經驗嗎？比馬路更危險的是，水鳥可能在天上飛著飛著，就被巨大的風機送去投胎。

不是，風機蓋那麼大幹嘛？既然核電有小型核電廠，風電應該也要有小型版吧？

事實上除了大型水平軸式風機外，我們還有轉向不同的垂直軸式風機、天上飛的高空風力發電機，甚至靠抖抖抖就能發電的風力發電棒。等等，這真的能發電嗎？

為何需要新的風力發電技術？

從古巴比倫人和古埃及人的時代，「風」就被視為構成世界的元素之一，因此人類也很早就開始研究如何運用風的能量。古希臘時代，有一款叫做 Heron’s Windwheel 的風琴，就是利用風力驅動風車，並帶動幫浦為風琴不間斷送風。在這之後，中國和歐洲相繼出現各種風車來替人們進行農務工作，例如大家熟悉的荷蘭式風車。雖然現在常見的現代風力發電機組個頭大很多，但構造與荷蘭式風車沒有太大差異，都是扇面垂直於地面，並且扇葉轉軸和風向平行的水平軸式風車結構。但這種已經用了幾百年的風車設計，真的是最理想的發電方式嗎？有沒有更新穎的設計構造可以用來捕捉更多風能呢？

先來說說大家熟悉的水平軸式風車，國際間最普遍的風力發電機組是三葉式的水平軸，台灣西海岸的諸多風力發電場採用的也是這類設計。你曾經好奇，為什麼扇葉是三葉的嗎？或是不知不覺就認為，三葉就是最正常的結構？既然推動風車的力量來自於扇葉，不是越多扇葉就能獲得更多能量嗎？而且看看風車，扇葉的面積明明就不大，旁邊都是空隙，這些能量不是浪費了嗎？實際上也確實不是越多扇葉越好，其中牽涉到許多複雜的因素。簡單來說，更多的葉片會帶來更多的風阻，也會降低葉片旋轉的速度，因此從三葉增加到四葉或五葉所帶來的效率成長非常少。也就是你如果有 12 支扇葉，4 座三葉發電機的發電量，會高於 3 座四葉發電機的發電量。因此，在單支風機的建設成本就是億元起跳的情況下，三葉成為最佳選擇。

對了，雖然更多葉的風機較少見，但反過來說，還真的有雙葉片，甚至單葉片的機組設計。畢竟較少的葉片代表較低的建造成本，以及較快的轉速。但是，單一葉片在旋轉時並不穩定，需要在對面方向額外加裝重物來平衡重量，顯得多此一舉。那雙葉呢？它的問題在於扇葉角度在隨風向調整時，容易產生震動而不穩定，對扇葉和機組的強度要求也更高。在綜合因素考量下，現在大多數的風電機組都是採用三個葉片的設計。

有水平軸式風車，就有垂直軸式風車，也就是轉軸與風向平行的風車。在台灣，你可能在某些工廠或是房屋屋頂上能看到它，我不是指工廠的排風球哦，而是看起來由幾根弧形線條構成的裝置。為什麼要設計成垂直的呢？因為比起水平軸發電機有一個特定的面風向。垂直軸的優勢在於不論風來自哪個方向，它都可以發電，不需要特別轉向；此外，它也不需要水平軸式風車長長的扇葉，相對不占空間，甚至能做成各種美感十足的設計。這幾個優點讓它特別適合設置在都會區中，用來捕捉方向不固定的小規模氣流，因此台灣有些地方就可以看到這種以垂直風力供電的路燈。

不過城市內的風畢竟還是有限，為路燈或是小型家電發發電可以，但要能成為支撐整個城市的電力，還不及海上那些水平軸式巨無霸。在外海，不僅可以設置葉片長度超過 100 公尺的巨型風機，外海的風能，就是比內陸強烈且穩定。但這些巨無霸雖然會為我們帶來戰力，也會波及無辜。雖然風機遠離人類居住的地方，但外海還是有其他原始住民的，短暫地把人類的文明，建立在其他物種的痛苦之上　最後還是會害到整體。然而，巨大風機施工和運轉的噪音會干擾到海中生物，扇葉旋轉還會擊落蝙蝠和鳥類。雖然我們在上一集，有提到可以透過驅離或是扇葉塗黑的方式，讓其他生物注意到風機的存在，進而減少誤傷。但我們有沒有全新的設計，可以一勞永逸？

風力發電還能長什麼樣？

面對目前風力發電的困境，有人重新思考風力發電的構造，提出全新的設計。其中一種便是漂浮式的離岸風電機組。

我們為了獲得更多風能，近年來積極發展離岸風電廠，作法非常簡單，就是把原本在陸地上的風電整根插到海床上。這光想起來就是非常浩大的工程曠日廢時，而且成本高，施工過程中產生的水底噪音也會影響到海洋生態。

可是海上的風就是比陸地上強上好幾倍，這麼香的風力來源怎麼能放著不用呢？來自挪威的公司 World Wide Wind 提出了一種浮標式風電機組，省去了海底工程的麻煩。這種風電機組採用垂直軸的設計，這樣機組就不會被海風吹著跑。整個裝置可以靠著海面下的配重平衡地直立在海面上，除了電纜之外不須要任何固定措施。這大大地擴展了離岸風電的發展空間。許多最佳的風場位在離岸較遠的深海區域，我們沒辦法在這些海床上豎立巨大的水平軸風車，這時候就可以透過漂浮式構造來擴張風電的勢力範圍。

不只如此，最特別的是，它是以兩組旋轉方向相反的葉片組成，因此被取名為反轉式直立渦輪（COUNTER-ROTATING VERTICAL TURBINES）。這麼做不只可以讓旋轉時更加穩定，還可以增加發電效率。由於發電用的渦輪是透過兩組扇葉之間的相對旋轉來發電，所以反向旋轉就像是用雙手擰毛巾一樣，等於收集到幾乎兩倍的能量。而且因為上下兩組扇葉所接收的風來自水平方向，所以彼此干擾並不大，展現了垂直軸風電的獨特優勢。一般的水平軸風車可沒有辦法玩這套，因為風在流過第一組葉片之後就會變成速度較慢的亂流。

垂直軸提供了新選擇，但只要有軸，發電機就是會旋轉，還是有機會擊落海面上飛行的生物。如果要不傷及鳥類，看來……只能讓風機不旋轉了嗎？等一下，風機不旋轉還能發電嗎？誒，還真有可能。一家西班牙的新創能源公司 Vortex Bladeless 在幾年前開發出了全新的「渦流」發電技術，就是這根抖動的棒子。

不要懷疑，這個像搖頭娃娃一樣左右震動的棒子是一種完全不需要扇葉的渦流震動發電機。奇怪了，為什麼風吹會造成這種震動呢？原來當有空氣流經過圓柱狀的物體時，會在後方形成不穩定的渦流，讓物體產生左右震動的現象。如果振動頻率剛好和物體的自然頻率接近，便會產生出乎意料的強大共振。1940 年代，有座位在美國的塔科馬海峽吊橋，就是因為氣流共振導致扭曲斷裂，所幸最後無人傷亡。這個威力強大的現象如今也被拿來進行發電。

而這根風力發電棒的尺寸和材質，都經過特別設計來和渦流產生共振。它的上半部可以自由的晃動，位於底部的磁鐵和線圈接著可以將震動轉換為電能。這種設計不只看起來很有趣，產生的噪音也小很多，還能減少對鳥類的威脅。甚至因為沒有快速轉動的葉片，也能設置在靠近人群的都市環境中。目前一根約三公尺高的裝置，在有風的情況下可以產生一百瓦的電力。想像一下，只要把高速公路分隔島上排滿這種震動發電機，就能產生很可觀的電能。對了　這就像一個人訂閱泛科學看似影響不大，但如果每個人都同時按下訂閱泛科學，就能給我們莫大的支持與力量，麻煩各位了，跟我們一起共振吧！

話說回來，這種振動發電的轉換效率終究是比渦輪旋轉發電低，能夠捕獲的風量也較少。它的競爭優勢則在於較低的建造和維護成本，或許適合和太陽能互補為住家和都市地區提供電能。此技術已經在多年前證明可行，但目前在設計與量產方面仍處於開發階段，還須要更多的時間和資金才有辦法進入大規模生產。

講完了海上與陸地上的風機，最後，既然要靠風發電，那麼風能最豐沛的高空，能不能也來發電一下呢？

高空的發電量會更高嗎？

最早在 2014 年就有 Altaeros Energies 這家公司嘗試這個做法。他們將風電機組裝在氦氣的飛船中央，放到離地表三百到六百公尺的高空。在這高度的風速比地表快上兩倍左右，由於風能正比於風速的三次方，所以風能是地面的八倍。這些風能會在高空就轉為電能，之後透過纜線傳回地上。除了電纜以外，也會有幾條固定纜線可讓地面人員控制氣球的高度與方向。

除了用氦氣球搭載發電機外，也有一些設計是透過風箏來將小型風電機組放到空中，形成隨到隨用的風力發電裝置。不過可以想像的是，雖然高空發電可以節省地面空間，還能取得豐沛的風能。但不論是汽球還是風箏，在維護上肯定需要投入更多的成本。如果要大規模設置，對於鳥類或是飛安的影響又是另外一個問題。目前，這些浮空風電裝置最大的優勢是它們絕佳的機動性，可以為遠離電網的偏遠地區，或是臨時性的研究站提供電力。又或是如果在大型演唱會的上空放一顆風力發電氣球來為活動供電，那好像也是挺浪漫的。

雖然今天講到那麼多有創意的設計，但大多數的新創能源公司，都會因為現實上的競爭力不足而永遠停留在模型階段，還無法進入商業化生產。短期內的風力能源，還是得靠興建更多岸上和離岸的大型風電機組來扛起。不過，未來再生能源的需求只會持續地增加，我們確實需要有更多新想法、新設計，尤其是能廣泛設置，同時對環境影響低的新型態發電方式。而隨著材料科學的進步，當這些新設計的成本下降，我們就有機會在生活周遭看到它。

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北風和太陽，你賭誰贏？

台灣為了發展綠能卯足全力，風力與太陽能是最受關注的兩大巨頭。這幾年太陽能就像開了加速器，建置量扶搖直上，產生的討論與爭議當然也不少。但在風光併行的策略中，風機的關注度似乎就沒有那麼高。

最主要的原因，大概就是太陽能板近年大量設置，甚至出現在我們的周圍，因此產生更多對於環境影響的討論。

然而風機不比太陽能，單一支風機隨便就超過 20 層樓高，十分巨大。不僅建設成本較高，也需要蓋在遠離人群的地方。

但是，為何風機一定要如此巨大，甚至跑到外海去蓋呢？那麼巨大的風機，對環境生態會造成多少衝擊？

到海上去蓋風機有什麼好處呢？

蓋在海上，遠離陸地的風車我們稱為離岸風機。雖然風電的新聞版面不如光電，但其實一直有持續在進展。例如今年 6 月，台中外海的渢妙風場，就才剛遞交行政契約簽署文件，該地的最大裝置容量預計有 1800MW。

但即便如此，我們還是能感受到風力發電的開發比光電吃力許多。其中原因是，要將風力發電廠從陸上搬到海上，要付出的代價可不小。根據經濟部的資料，如果用年發電量一百萬瓦來算，設置離岸風電的裝置成本約 1 億 5 千～1 億 7 千萬元，幾乎是陸域風電廠的三倍。此外，離岸風電開發流程也比陸域長，經過前期的選址調查與評估後，還要另外花 1～2 年安裝水下基礎，才能建置風力發電裝置。既然如此，在討論離岸風電之前，我們應該先問問，跑去海上找風電有什麼優勢呢？

最常聽到的理由是噪音的影響。風力發電運轉過程持續發出低頻噪音，對周圍環境帶來噪音污染，引起居民反彈。環保署原本規定，風機與最近建築物距離 250 公尺以下就必須做環評，不過由於近年來仍爭議不斷，今年初更修法將門檻提高到 500 公尺。

而且台灣的陸域風機已經發展了二十幾年，優良風場飽和後，接下來如何權衡容量擴張和環境影響成為一大課題。因此往海上發展便成為重要的選項。

不過除了沒地可用這個原因之外，從發展的角度來看，更吸引人的因素其實是海上更加豐沛的風電資源。之前我們在介紹「宇宙太陽能」那集的時候，有提到科學家考慮將太陽能板送到遠離地表的太空中，好避開夜晚與雲層的影響，能不分天氣接收直接日照。

建置離岸風電也是一樣的道理，遠離陸地的平坦海面可以讓氣流暢行無阻。相較之下，陸地上的建築物，植物，地形等等都會顯著地拖慢地表附近的風速。更進一步，越往上空，風速被地表建物影響的幅度就越小。因此風機一支比一支高大，原因除了受風面積增加之外，在於高處的風能也更加豐沛。

最重要的是，風能和風速的三次方成正比，也就是說，風速只要快兩倍，風力發電的功率就會直接翻八倍。因此風速幾乎可以說是頭號考量因子，而高風速的外海也成為了最佳的選擇。

平常站在海邊，海風就已經常讓人站不穩了，但其實從平均風速資料可以看到，台灣海峽附近離海岸線十公里以外的海上風速更是快上許多。尤其台灣海峽北半部相較其他鄰近海域，蘊含的風能可說是相當驚人。這是因為台灣海峽位在中央山脈和中國的武夷山脈中間，兩座山脈形成天然管道，而且方向剛好與盛行的東北季風與西南季風方向一致，每當季風流過山脈中間時，就會加速通過形成強勁的風場，就像兩座高樓大廈中間總是吹著強風一樣。

說到這裡，台灣要發展離岸風電，可說是需求與資源兼備。從 2012 年 7 月，經濟部公告「風力發電離岸系統示範獎勵辦法」開始，台灣的離岸風電已經發展超過十年。不過，離岸風電近期進度有待追趕。根據 109 年經濟部能源轉型白皮書台灣風力發電推動方案，2025 年離岸風力發電累計設置容量的目標是 5.7 GW。但統計到今年五月，離岸風力發電裝置容量只有 1.15 GW，雖然預估到年底達 2 GW，但還是不夠快，這也讓經濟部原本預計 2025 年達成的再生能源佔比 20% 目標，延至 2026 年 10 月才可能達標。。在政府與企業積極向海借地來蓋風力發電廠時，遇到了什麼問題呢？

離岸風電對環境有影響嗎？

儘管我們剛剛提到，離岸風電對岸上居民影響較小，但是對於海上的居民就不是這麼一回事了。舉例來說，首當其衝的就是空中飛的鳥與蝙蝠。風力發電機組的葉片高速旋轉，時常讓空中的鳥類與蝙蝠閃避不及而撞擊死亡。一篇 2013 年的研究估計，北美洲的風電扇葉每年殺死的鳥隻數量約介於 14 萬到 32 萬之間，雖然這是針對北美陸域的調查，但由於台灣海峽也是許多鳥類跟蝙蝠的遷徙路線，豎立在台灣海峽的風力發電機必然會成為不少生物的絕命終結站。

面對這類的鳥擊事件，許多較新的風力發電機組開始引進新型態的防鳥設計。像是在機組周圍裝設音波偵測器、熱感應器，藉此來監控鳥類與蝙蝠活動，並依據監測結果停機降載。此外，還有一份 2020 年的研究將風電機組的其中一個扇葉塗黑，並發現該機組的鳥擊事件數量降低 70%。研究人員表示這是因為單一的黑色扇葉可以減少高速旋轉的動態模糊，讓鳥類看得更清楚。不過比起這些預防措施，最根本的做法是從謹慎的選址做起，讓風場遠離鳥類的聚居地，例如候鳥遷徙路徑上的濕地或是過境棲地，降低風機和鳥類接觸的機會。

當然，鳥擊的威脅是陸域和離岸風電都會有的難題。而離岸風電雖然遠離我們居住的陸地，不會對我們產生噪音危害。但建造和運轉期間所帶來的「水下噪音」，卻對當地，也就是海洋生態帶來不可忽略的影響，也因此成為離岸風場環評的一大關注重點。

在建造離岸風電機組時，需要先在海床上打樁作為固定的基礎，才能繼續往上建造風力發電機組。打樁的過程就等於將一根超大的釘子打入海床中，會產生極大的撞擊聲，雖然打樁的噪音是短期的，蓋好之後就不會再有了，但在運轉期間，離岸風場也會和陸上機組一樣發出低頻的嗡嗡聲。不論是打樁還是運轉的噪音，都會在海水中傳遞，影響到海中生物的生存。

由於聲音在水中傳遞速度快，損耗低，加上海水中光線不足，能見度較低。魚類跟海洋哺乳類等生物的聽覺自然演化得比視覺靈敏，讓他們有了非常廣闊的聽覺「領域」。因此從生態保育的觀點來看，海底噪音跟地上的噪音一樣，需要嚴密的監控和管制，否則會對海洋生物的感知與溝通能力帶來極大的影響。

環保署在 2022 年的二月將海事工程打樁噪音的規範訂為單一次打樁不能超過 190 分貝、打樁超過 160 分貝的次數不能超過總打樁次數的 5%。國內研究也建議打樁開始前 30 分鐘，必須確認沒有鯨豚在方圓 750 公尺內；並以緩啟動模式開始打樁，讓附近鯨豚可以及時迴避。畢竟，瀕臨絕種的中華白海豚就棲息在台灣西岸中段的沿海區域，和最有開發潛力的風場地區高度重疊，因此在設立風場時需要格外地謹慎。

離岸風電可能帶來的環境負擔，需要在建造前以及運轉期間持續監控。但目前台灣發展離岸風電遇到的最大瓶頸，其實並不是環評與選址等環境問題，而是其他供應面的限制。

離岸風機的施工問題

前幾年在 COVID-19 疫情的籠罩下，各項工程與供應運輸時程難免延宕，國內離岸風電的建置進度大幅落後。此外，政府政策、國外廠商的商業決策、以及資金流動等等現實問題，都影響到台灣離岸風電的發展。

離岸風機的建設，不是選址選好了就萬事解決，這些巨型建築的架設也是一大挑戰。要知道，過去 3MW 的陸域風機，葉片的長度就可能超過 30 公尺。建設在外海，裝置容量超過 10MW 的離岸風機，葉片的長度會超過 100 公尺，整支風機的高度更可能來到 260 公尺，蓋一座風機就像是在蓋一座摩天大樓。

要在海面上搭建如此龐大的建物十分具有挑戰性，各個大型組件需要先在陸地上做好，運到港口，再由工程船隻載到海上進行組裝。

而能攜帶並安裝這些部件的「安裝船」是台灣目前最欠缺的。而且不只台灣，近年來為了趕上對再生能源的需求，從歐盟到中國等國家的離岸工程開發案不斷成長，相關船隻的需求和價格也水漲船高。這使得台灣開發商想要租到合適的工程船變的越來越困難，已經做好的組件只能放在港口等待安裝。

面對這樣的困境，國內造船產業也有所回應。在今年六月，台灣國際造船宣布，亞洲最大的海事工作船「環海翡翠輪」已經完成交船。全長 216.5 公尺、寬 49 公尺，甲板面積有相當於 1.3 座足球場的超大面積，足以提供進行離岸風電水下基礎及大型風機的運輸與安裝作業。目前環海翡翠輪已經行程滿檔，工程已排程至 2025 年。

結語

雖然目前進度落後，但根據政策的規劃，台灣還是會持續興建離岸風場，往能源轉型的目標前進。

但除了劃更多區域、建造更大型的風機，風力發電還有別的玩法嗎？除了常見的水平軸三葉式風車之外，我們還有沒有其他的選擇？在拚發電量以外，有沒有對生態影響更低的風力發電方式？如果你也對其他型態的風力發電有所好奇，就請使出超級感謝，或加入會員來敲碗吧！如果你看不過癮，也可以看我們與 taiwan keywords 合作的這一集，看我如何挑戰爬上 23 層樓高的風機。

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參考資料

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• https://www.gvm.com.tw/article/103961

• 文／賴昭正｜前清大化學系教授、系主任、所長；合創科學月刊

西方科學的發展基於兩大成就：希臘哲學家發明了形式邏輯系統（歐幾里得幾何），以及發現了通過系統實驗找出因果關係的可能性（文藝復興時期）。 在我看來，中國的先賢們沒有邁出這一步，也就不足為奇；令人驚訝的是這些發現出現了！——愛因斯坦，1921 年諾貝爾物理獎

在「思考別人沒有想到的東西—誰發現量子力學？」一文之意見裡，有些讀者認為應該用「發明」，而不是「發現」：

• 量子力學該是發明而非發現的。量子現象是物理學家發現的，因此發明了一套理論來解釋——管用但非常不直覺。
• 科學被認為一種發現，然而「詮釋」與「解釋」則似乎更像是一種「創造」或「發明」。
• 所說「發明了一套理論來解釋」不夠清楚。應該說發明了一條方程式——薛丁格的波方程式。之後推演出一整套原子軌域只是數學上的發現必然如此，而且經實驗驗證，大自然確實如此運作。
• 在概念上個人是以德布洛伊所「發明」的物質波為一個界線…… 對於本文所探討的誰發現量子力學？可以存在著另一個見解為薛丁格「發現」且「找到」或「猜測」出了量子波動方程；波爾、海森堡、波恩等人「發明」了量子力學。

筆者不甚苟同，因此想在這裡拋磚引玉，談一談筆者的看法。

在中文或英文裡，發現（discovery）與發明（invention）均顯然有非常不同的意義。

我們說哥倫布發現新大陸；因為新大陸早就存在自然界，所以我們不會說哥倫布發明新大陸。造紙術、指南針、火藥、及印刷術並不存在於自然界中，所以我們說這是中國古代的四大發明，而不是四大發現。從這裡我們可以看出在日常用語中，發現與發明的分別主要在於該「東西」是不是已經存在於自然界中。

「存在」的物理意義

可是什麼是「存在」於自然界中的呢？相信大部分的人都持與馬赫（Enerst Mach, 1838-1916，奧地利物理學家、哲學家）一樣的看法：只五官的感覺是真實的、是「存在」的。馬赫的一句名言是：「我不相信原子的存在！」

因此儘管道爾頓（John Dalton）在 19 世紀初就提出原子論，19 世紀中期後化學家成功地將它應用於解釋化合物的組成及化學反應現象，但大部分的物理學家到 20 世紀初還是不相信原子的存在！

1905 年，當愛因斯坦還是瑞士專利局的一位小職員時，發表一篇論文謂液體中看不到的原子會轟擊懸浮粒子，導致可以在顯微鏡下直接觀察到布朗運動（Brownian Motion）。1908 年 5 月，愛因斯坦發表了第二篇關於布朗運動的論文，提供了細節，及可透過實驗檢驗他的理論的方法。

同年，法國物理學家佩蘭（Jean Perrin）進行了一系列實驗後，寫道：「（我的結果）毫無疑問嚴格且準確地證實了愛因斯坦的（預測）公式」。佩蘭的實驗不但說服了許多物理學家相信原子的存在，他也因之獲得了 1926 年諾貝爾物理獎。

可是有人「看」過原子嗎？1955 年，美國賓夕法尼亞州立大學的穆勒（Erwin Muller）和巴哈杜爾（Kanwar Bahadur）終於透過場離子顯微鏡（field ion microscope）在尖銳的鎢樣品尖端觀察到單個鎢原子，可是這並不是肉眼直接看到的，而是透過理論「解釋」所觀察到的。像前面提到之一些讀者的意見一樣，馬赫認為科學理論是用來描述與歸納觀感，它存在於感觀之外，與現實無關；但大部分的物理學家都認為這是哲學的問題，他們是「看到」了原子！物理理論是存在於宇宙中的，等待我們去發現。

在「微中子的故事」一文裡，筆者提到了 1930 年包立（Wolfgan Pauli）為了解救能量不滅定律免於破壞，在「非常絕望下」下提出了一個後來被稱為「微中子」（neutrino）的觀念。當時「微中子」根本不存在宇宙中，我們不知道包立是否認為這是一種發明；但1995年諾貝爾物理獎發給「……通過實驗證明……微中子的存在」之物理學家來內士（Frederick Reines）。

老實說，筆者想破大腦都不知道這一個在基本粒子標準模型裡不帶電、沒有質量、不是電磁波、沒有人直接觀感過、只有能量的「東西」會是什麼「東西」？更令筆者難以相信及理解的是：它竟然還有兩位兄弟姐妹！

「發現」還是「發明」？

我們現在就用上面那些觀點來探討，到底牛頓是發現還是發明萬有引力？萬有引力是抽象的、不是「東西」，牛頓當然不可能用眼睛發現；牛頓發現的只是蘋果往地上掉及宇宙中星球之有規律的運動（現象），從中推論出萬有引力（解釋）。因此對牛頓而言，他或許認為萬有引力不存在於自然界中，是他的創造出來的，所以要說是一種發明，好像也沒什麼反對的理由。

可是萬有引力真的不存在於宇宙中嗎？1798 年，英國科學家卡文迪許（Henry Cavendish）在實驗室中不但測出兩個物體間的引力，也準確地量得萬有引力常數！所以眼睛看不到的「東西」並不代表不存在於宇宙中——牛頓顯然是發現、而不是發明萬有引力定律！

同樣的道理，普朗克根本沒發現什麼量子「現象」，他只是看到了黑體輻射的光譜分佈，便提出能量量化的觀念，在當時顯然是一種發明，但後來的發展（如原子的光譜）不是證明了「能量量化」存在於宇宙中嗎？量子力學成功地解釋和預測了這些現象，因此也被認為是存在於宇宙中的。

當然，我們知道物理理論或定律是可能被推翻或修正的，但這只代表我們的發現錯了。哥倫布不是以為他到了印度群島嗎？

德布洛伊（Louis de Broglie）「發明」物質波嗎？1927 年貝爾實驗室的戴維森（Clinton Davisson）和格默（Lester Germer）在實驗室中，發現被鎳金屬晶體表面散射的電子顯示出干擾圖案後，大部分的科學家都相信物質波的存在，因此諾貝爾獎委員「敢」將 1929 年物理獎頒發給德布洛伊，1937 年物理獎頒發給戴維森和格默了。

「是不是已經存在於自然界中」事實上也正是中外專利局判斷是否頒發「發明專利」的基礎；台灣專利法謂：「發明專利是指利用自然界法則之技術思想的創作，對於欲解決之問題，使用適宜的技術手段，產生其功效，達成所預期的發明目的。

發明專利必須具有技術性，不具技術性之發明，例如單純的發現、科學原理、單純之美術創作等，都不符合發明的定義。」在這一法規下，萬有引力、相對論、量子力學…… 等等科學原理都是發現，不能申請發明專利。

量化或量子化

既然在這裡談到科學用詞，我們不妨也來談談「能量量化」的意義。

在「天才愛因斯坦曾和諾貝爾獎擦身而過？ 相對論也不曾得過諾貝爾獎」的泛科學影片裡，有聽眾建議將「普朗克提出能量量化的觀念」中之「能量量化（quantization）」改為「能量量子（quanta）化」。

筆者認為「能量量子化」中的「子」字有「微粒子」的意義在內；但普朗克在他那篇「開創量子力學」的文章中，只認為空心黑色球體內任一頻率（n）輻射能量均不是連續的，而是由 hn 單位組成的，輻射的發射和吸收必須以hn進行，從沒提過「能量量化」的觀點，更甭說具有「微粒子」之意的「能量量子化」了。因此我們只能從以後的發展來判斷。

在古典力學裡，氫原子中的電子可能具有的能量應該是連續的；但後來發現只能存在某些能階上才可以解釋光譜——這應該說是一種「能量量化」的現象，而不是「能量量子化」的現象！讓我們在這裡用一個日常生活的例子或許更能說明其間的差異：實數是連續的（質），但我們用它來數人頭時，卻發現它只能存在於整數的「數階」上（量）。讀者覺得用實數被「量化」了、或是被「量子化」了比較適合？

結論

愛因斯坦謂「西方科學的發展基於兩大成就：希臘哲學家發明了形式邏輯系統，以及發現了通過系統實驗找出因果關係的可能性」。

從這名言裡，我們可以看出愛因斯坦顯然認為因果是存在於宇宙中的，將它們連在一起的形式邏輯系統（formal logical system）才是一種發明；所以我們可以說薛丁格發明了「波動量子力學」；海森堡（Werner Heisenberg）、伯恩（Max Born）和喬丹（Pascual Jordan）發明了「矩陣量子力學」；狄拉克（Paul Dirac）發明了希爾伯特（Hilbert）空間上的「算子（operator）量子力學」——他們以不同的數學形式表達了物理學家所發現的量子物理（理論）。

在「不用數學就可以解釋—相對論的著名想像實驗「雙胞胎悖論」一文裡，筆者提到了時間及空間是人類製造出來便利溝通的語言。為了解釋觀察到的現像，不同運動者對時間便必須有不同的認知，否則就會發生像「雙胞胎悖論」（twin paradox）一樣的矛盾。

同樣地，作家在寫一篇文章時，也必須假設讀者對主題具有某些程度的了解與認知。如果假設不對，那便像內人讀筆者的文章一樣，不管筆者是用發明或發現，對她來說都是「不知所云」！而如果能在讀者心中起了共鳴呢？則不管筆者是用發明或發現，相信讀者都能心領筆者事實上是在有意或無意中表達了對某一物理觀念的看法。

延伸閱讀

• 「微中子的故事」（科學月刊2016年11月號）或《我愛科學》（華騰文化有限公司，2017年12月出版）。
• 「思考別人沒有想到的東西—誰發現量子力學？」（泛科學，2022/06/01）。
• 「不用數學就可以解釋—相對論的著名想像實驗雙胞胎悖論」（泛科學，2022/08/26）。
• 「天才愛因斯坦曾和諾貝爾獎擦身而過？ 相對論也不曾得過諾貝爾獎」（泛科學YouTube影片，2022/10/01）。
• 基本粒子的標準模型 （泛科學，2018/10/09）。