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時空旅行的夢想家:史蒂芬.霍金

時報出版_96
・2013/11/14 ・6223字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 532 ・七年級

霍金書封修從二十世紀中期直到二○○○年為止,劍橋大學應數暨理論物理學系都位於一棟全無建築特色的汙穢巨型建物裡面。我們只能歸結認定,能在那裡開心工作的人,肯定對周遭環境根本視若無睹,或者是基於其他非美學理由才喜愛那處老舊場所。

建築入口在銀街,走一條窄巷穿越瀝青停車場,從一道紅門進入。建築內部一副官樣格調,樓層平面布局毫不合理。一條通道過了窄小接待區就猛然右轉,經過一台古老的黑色金屬升降梯,繼續直走一段距離會遇到彎道,過去後整個視野頓時寬敞開來,經過信箱區和貼滿演講、研討通知的布告欄,沿路的牆壁滿是猥褻塗鴉,走道接著又突然縮窄,最後終點是一處大型交誼廳。

幾十年來,每天下午四點,應數暨理論物理系都在這處交誼廳茶聚。其他多數時候,那個房間閒置無人且光線黯淡。室內色調搭配偏好萊姆綠,包括環繞幾張矮桌擺放的彷皮扶手椅、木製品,和支撐挑高天花板的梁柱下半段。那裡有一張桌子堆了一落科學刊物,一面牆設有一處「要犯照片張貼區」,掛了當前學生和教職員的小照,另一面牆掛了幾幅前幾任盧卡斯教授講座的肖像。房間最遠側有幾扇巨大的窗戶,可以看見走道對側一堵空白牆面,卻幾乎照不進絲毫光線。

霍金的辦公室和其他幾個房間的入口,都開在這間交誼廳。他的門上貼了一面小牌子:「請安靜,老闆在睡覺。」也許不是真的。多年來,霍金每天都花很長時間在那處舒適的挑高辦公室內工作,裡面有他的電腦、子女照片、幾株植物、門上貼了一幅真人大小的瑪麗蓮夢露圖像,從一九八五年以後,辦公室裡多了照顧他的看護。他唯一一扇超大窗戶俯瞰著停車場。

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霍金從上午十一點開始在那裡工作,祕書會幫他確認當天的行事曆。到了一九八○年代晚期,已經無法按照行事曆做事,不管誰要和霍金見面,都必須保持彈性的時間。

在辦公室裡,不時聽見他的手持式摁壓開關發出按鍵聲響。霍金背靠輪椅,面無表情看著電腦螢幕,選出單詞來和訪客與採訪人員溝通、和同事討論、指導學生、使用電話交談、寫信並回覆信函。有時他用控制桿操縱輪椅,駛過交誼廳和通道,前往其他房間開會或參加研討會,這時你就會聽到輪椅馬達發出聲響,而且會有一位看護隨行。偶爾他會以調校合宜的電腦語音吩咐看護,幫他調整坐姿或抽吸呼吸道中的痰液。

一九八○年代晚期,霍金的看護人數愈來愈多又很稱職,他們的年齡、性別各不相同,但都喜愛霍金,竭力讓他看來很體面,頭髮時時梳理整齊,眼鏡擦得光亮,還幫他擦拭流到下巴的口水,此外就如他們所說,每天「幫他打理門面」許多次。霍金沒有選擇餘地,只能完全仰賴旁人,但不曾表現絲毫無助氣息。事實正好相反,他的精力充沛、堅毅果斷,無疑能掌控自己的生活。霍金的看護表示,由於他的個性強勢,不論幫他工作或與他共處都相當吃力,卻總能得到回報。後來潔恩撰文寫到看護人員之間的不快競爭,這點我倒是沒有聽過。

到了八○年代晚期,霍金的郵件負荷已經過重,他的研究助理、私人助理蘇.馬西(Sue Masey)和一位當時幫忙郵務的看護都無力應付。他們辛苦、周延回覆從世界各地寄來的信件、詩詞和錄影帶,許多人談起感人故事,霍金就有必要親身回覆。不幸的是,必須以明信片禮貌回覆的情況愈來愈多,即便霍金只親自處理小部份信函,都得佔據他所有清醒時刻。

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午後一點,不論晴雨霍金都會駕駛輪椅,連同安在椅子上的攜帶型電腦一道外出,駛上劍橋校園窄路,隨行人員有時只有一名看護,有時是幾位學生,邁步慢跑跟上他的速度。那趟行程穿越劍橋中心區,距離很短,通過國王大道精品商店區、國王學院禮拜堂和評議會大樓,來到岡維爾與凱斯學院和同仁共進午餐。這時看護會拿一條圍兜披上他的雙肩,然後拿湯匙舀食物餵他。進食不影響霍金談話,他的手指繼續在手持式裝置上移動,選擇單詞和身邊的人交談。

餐後再返回應數暨理論物理系。在那時候,霍金令人膽顫心驚的輪椅駕馭惡名已經傳遍兩大洲,學生會預先前往國王大道和銀街,攔下往來汽車、貨車和腳踏車,但霍金還是依然莽撞硬闖,霸佔路權高速前行,朋友都很擔心他被貨車撞死的機率會高於肌萎縮脊髓側索硬化症。

下午四點,霍金會再次出現在應數暨理論物理系交誼廳門口。茶聚時間是這個系的固定儀式,原本閒置的空盪盪交誼廳,突然間又充斥震耳欲聾的談話聲和杯盤交碰聲響。參加茶聚的物理學家和數學家,多半穿得像個營建工人。曾有人說,霍金的「相對論研究群」看來就像遇上壞日子的搖滾樂團。他們聊的不是閒話家常,話題包括蟲洞、歐氏區間(Euclidean region)、純量場和黑洞。方程式潦草寫在矮桌桌面。霍金以急智巧思為談話內容定基調,不過他從前的學生表示,茶聚時聽他幾句評述的收穫遠超過聽旁人一小時演講。霍金擅長以簡短語句解釋深奧意涵。讀過他的授課筆記你就會明白,他選用的字彙是如何精準說明他的意思。

下午四點半時,交誼廳又像早先迅速擠滿人那般快速清空,室內長型日光燈管除了一盞之外也全都熄滅。這時霍金駛回辦公室,繼續工作到晚間七點。霍金的學生發現,接近傍晚時他比較有空協助他們。

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霍金有時在學院吃晚餐,有時則在特別改裝的廂型車裡吃飯,那是動用一九八八年以色列沃爾夫物理學獎獎金購買的,飯後司機會載他去聽音樂會或去劇院。若是提姆的學校有音樂會,他就會前往聆聽提姆拉大提琴。提姆跟姊姊露西一樣都學習大提琴,而且演奏得很好。

晚上時間霍金大都待在辦公室工作到很晚。一九八九年十二月某晚,我到霍金的辦公室和他討論我第一本寫他的書。我們討論了黑洞,我也唸了一段文字請他確認正確與否。那時我發起牢騷,說自己文筆單調乏味,而編輯又反對在科學書中穿插趣味、幽默,這時霍金說:「應該要很有趣才對啊,告訴他,是我講的!」我很有把握藉此反駁編輯,畢竟霍金的作品賣了好幾百萬冊。這時我看著字詞一個一個掠過螢幕,我嚇了一跳,訊息寫著:「能不能請你幫我扶起來,讓我坐高一點?」糊塗片刻之後我才想通,原來這不是要給我看的,於是我瞥了一眼坐在旁邊的年輕男看護。他回過神,扶起霍金,幫他調整比較好的姿勢。

當晚訪談結束後我們也釐清了寫作計畫,後來霍金指示助理提供童年和家庭照片,並附上他先前撰寫的相關文稿,包括他的童年和殘障等從未發表的內容。同年的五、六月,我完成那本書的科學篇章之後,就和他一道看那些文稿。

轉危為安

當一個人的生活像霍金這般成為萬眾矚目、逢迎的焦點,難免都要展現很不自然的形貌。這時不論一個人多麼穩健、成熟,或者多麼擅長幽默看待自己,你都不容易洞察事情的真相。四分之一個世紀以來,霍金一直勸說旁人別把他當成次等人類。他的勸說成效太好了,他已經讓大家信服,原來他是個超等人類。他從來沒有刻意鼓動這種想法,他說自己只不過是一個普通人,別認為他有任何過人之處或比不上別人。然而評論者認為,其實他根本不排斥超級英雄形象。說句公道話,有誰會拒絕呢?那種形象很有趣,還能賣書。此外,阻止別人給自己冠上任何形象有用嗎?霍金針對此點提出說明:「當旁人稱之為勇氣,總讓我覺得困窘;我不過是因應眼前處境,做了唯一能做的事情。」有人認為這種說詞是假作謙遜,但也有人認為這是英勇事跡。

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此後,霍金比先前更常公開擔負殘障人士的楷模。一九九○年六月,他在南加州大學一場職能科學研討會上發表演說,內容幾乎稱得上激進:「有一點非常重要,我們應該協助殘障孩童和同年齡小孩交融相處,這樣能確立他們的自我形象。一個人若是在早年就被隔離,怎麼可能感到自己是人類族群的一份子?那根本是種族隔離政策。」他說自己很幸運,因為疾病很晚才侵襲他,所以已經和肢體健全的朋友度過童年,也參與了體能競賽。他稱讚科技的進步幫了很大忙,不過:「儘管輪椅和電腦之類的輔具能扮演重要角色,克服肉體缺憾,不過正確的心態更重要。抱怨民眾對殘障人士的態度是沒有用的,殘障者必須靠自己來改變民眾的心態,就如黑人和女性已經改變了眾人的看法。」連批評霍金的人都無法否認,就這一點而言,他走過的路比歷史上任何人都走得更遠。

霍金在世界各地往來奔波演講、接受種種榮譽、舉辦記者招待會並受到民眾奉承,而且愈來愈常由梅森隨行,在此同時,劍橋的朋友則心懷縱容和欣喜,注視他們這位「常駐超級名流」的現況,心中憂慮卻也愈來愈深。他們毫不豔羨他的樂趣,只為他感到憂心。他會不會開始相信「宇宙之魂」那種形象?名流身分會不會排擠他的科學研究?那種地位和他先天頑固的本性結合之後,會不會把他變成一個任性又愛慕虛榮的人?崇高自我形象會不會影響他的家庭?他們歷經艱困逆境的婚姻還能存續嗎?民眾喜歡擁有英雄,但霍金可不可能變回早年的霍金?看來不大可能。

潔恩和喬納森的關係,只有一小群非常謹慎自持的人知道,相關新聞依然不為外界所知,媒體也不知情,這在窄小如劍橋的城鎮和大學社區是一個特例。然而,潔恩卻在一九八九年道出口:「剛開始我非常樂觀,史蒂芬也受了那份樂觀的感染,但現在他的果斷已經超前我,我趕不上他了。我真心相信,他想補償他的處境,卻往往補償過頭,任何事物引起他的注意,他都絕對會動手去做。」那個「任何事物」已經增長到完全不成比例。潔恩覺得,他能住在家裡,生活還相當正常,就是一項了不起的勝利。霍金想要的還要更多。更多門戶為他開啟,種種可能性超出他的夢想,也超出他有指望動手探索的極限,而且做這些事情需要的時間,也超出他有指望的極限。

所有的活動、奉承和獎項都讓他和家人漸行漸遠。羅勃特和露西積極嘗試獨立,脫離他的陰影。潔恩很少陪他遠行,也不再和他一起公開露面,她想擺脫過往,於是投入教學、園藝,閱讀和音樂,她的聲樂表現傑出,成為劍橋頂尖合唱團受器重的團員,還經常擔綱女高音獨唱。除了喬納森之外,還有其他朋友和她有同樣的宗教信仰。她在霍金生活中扮演的角色改變了。她表示,那個角色不再是鼓舞生病的丈夫,「要告訴他,他不是上帝。」二十五年來,霍金和潔恩攜手應付逆境,所有人都認為他們做得十分出色,霍金也一次又一次述說,他們的關係是他生活的唯一依靠,也是他成功之所繫。

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一九八九年的《宇宙之魂》電視特別節目尾聲,播放一張霍金夫妻倆看著他們的孩子提姆沉睡的照片,霍金那時說:「人生夫復何求。」儘管必須面對重重問題,但霍金夫妻的公共形象不斷受到肯定。即使生活在峭壁邊緣,卻十分美好。

一九九○年春,多年來不斷從內部弱化的峭壁最後分崩離析,個中內情鮮少有人料想得到。我在前一年十二月間和霍金談事情時,銀街的運作還十分順暢,但到了一九九○年初夏,我完成科學篇章再次來訪時已變得亂七八糟又不快樂。我待了一週和霍金交談,請他檢查那幾章文稿,不知道何故,我感覺系裡的氣氛不同了,尤其是和霍金特別親近的教職員,以及霍金本人,大家都情緒緊繃,人心惶惶。

後來是一位和潔恩熟識的朋友說出原委。霍金已經告訴潔恩,他要和她分手並與伊蓮結合。即便媒體關注的行徑近似狗仔隊,霍金夫妻仍把他們的祕密保守得非常好,連我這個經常來訪,還寫了一本書談他的人,都很難相信這則新聞。這樣一段在多數人心目中都那麼轟轟烈烈的美好婚姻,竟然就這樣終結,似乎相當令人悲痛。不過在最親近霍金的忠實友人眼中,兩人分手卻不令人意外。他最信賴的幾位護理請辭,不願意面對他的婚姻瓦解帶來的動盪,還有他和伊蓮的新關係。霍金的照料重擔最後都落在馬西的肩上,她艱苦努力、四平八穩的推展著。

霍金夫妻在結婚二十五週年前夕分居。霍金在秋天向新聞界簡短提起,他已經離開妻子,不過也不排除兩人仍有可能復合,除此之外,他和潔恩都沒有發表公開聲明。友人都愛戴、敬重霍金,所以大家都很克制,於是在這處流言像野火般燎原的城鎮,他的新聞反倒傳播得非常緩慢。後來消息傳開,知道的人愈來愈多,劍橋和世界各地熟人圈子議論紛紛,把它看成是一起悲劇。婚姻破滅司空見慣,然而霍金的婚姻卻被認為非常不尋常。起初,輿論對他的決定都很反感,怪他離開那麼支持他的妻子。直到一九九○年代晚期,潔恩發表她的回憶錄之後,真相才隨之浮現,大家才發現那段婚姻出現問題已經許多年了。

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霍金搬出西路住家,和伊蓮一起住在派恩赫斯特區(Pinehurst),那是一處很漂亮的高級住宅區,位置相當隱密,有許多住家和公寓建築,而且就位於相隔不遠的格蘭治路(Grange Road)。一九九○年代早期,伊蓮送兩個兒子上學之後,有時會踩滑板回到那處住家。

霍金放棄他的家庭,而家庭向來是他口中的生活支柱之一。他的另一根支柱:科學研究,是不是同樣面臨崩解危機?

重溫盧卡斯講座

儘管有些人擔心霍金的私生活出現劇變會憾動他的科學研究基礎,不過他依然表現出對科學研究是多麼投入,霍金表示:「渴望動手進行。」他有可能實現媒體長久以來的預言,成為一統萬象、彙整擬出萬有理論的那位物理學家嗎?

霍金的研究並不屬於較新的主流派:超弦論。不過,物理學主流會在一夕之間變換,而且心思稍微偏離,說不定還能瞧出個中關聯,循此把幾條支脈匯聚成一個完整的理論。有人低語傳述,依理論物理學標準,霍金早就過了高峰期,重大發現通常都出自年輕人。心思必須清新,還得有熱情、快速的動作,再加上天真態度。霍金肯定具備這些要素,所以將他排除在外會是重大錯誤。

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他能不能活得很久?他的疾病雖然持續加劇,卻非常遲緩。他是不是擔心自己來不及完成工作就死亡?他在一九九○年回答這個問題,他說自己從來不看那麼遠的事。長久以來,他一直在瀕臨死亡的陰影下過日子,如今他已經不怕死了。他從事的研究是一種協同作業,還有許多物理學家能接手進行。他從來不曾表示,必須有他才能找到萬有理論。「不過我也不急著去死,」他補充說道:「有許多事情我希望能先完成。」

一九九○年六月,他的盧卡斯教授就職演說過了十年,我問他,假使他想要重寫那篇講稿,會怎樣改寫。理論物理學是不是真的終點在望?他回答:是的,不過到世紀尾聲還不會終結。最有可能統一四力和粒子的候選理論不再是他當時談的N=8超重力論。上選理論是超弦論,那項理論把宇宙基本物體解釋為一種纖細的振動弦,並主張我們向來所想的種種粒子,其實都是弦的基本迴圈,可能互異振動的方式。他說,超弦需要多一點時間才能構思成形,給它二十或二十五年。

我問他,相不相信他的無邊界構想最後有可能解答「宇宙的邊界條件為何」?他回答,相信。

霍金說明,他認為蟲洞理論對萬有理論具有重大意涵。由於有蟲洞,超弦論或其他任何理論恐怕都沒有辦法預測出宇宙的種種基本量,好比粒子的電荷和質量。

此外,若是真有人找到萬有理論,那接下來呢?依霍金所述,在那之後,從事物理學就會像是征服聖母峰之後的登山活動。然而霍金也曾在《時間簡史》書中談到,對人類整體而言,這不過是個起點,因為儘管萬有理論能告訴我們宇宙是如何運轉、為什麼採這種方式運轉,卻不會告訴我們,宇宙究竟為什麼存在。那只會是一套規則和一組方程式。他曾尋思揣摩:「是什麼事物為方程組吹燃火苗,生成一個可供方程組描述的宇宙?」「宇宙為什麼要這樣煞費苦心生成存在?」他說這些問題都不是以一般科學方法所擬出的數學模型所能解答的。

霍金依然渴望得到答案。「假使我知道那點,就能知道一切重要事項……於是我們就能明白上帝的心意。」他那本書就在這裡結尾,不過他曾告訴一位電視台記者:「我們能不能找出宇宙為什麼存在,就這點而言我並不那麼樂觀。」他心中並不是考量:我們是不是非得找到萬有理論,才能明白上帝的心意,或是否如潔恩所提,除了從科學定律尋覓之外,仍有其他途徑認識上帝。

 

摘自《時空旅行的夢想家:史蒂芬.霍金》,時報出版。

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出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。

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從奈米微塵到化學氣體, HEPA 與活性碳如何聯手打造純淨空氣?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/17 ・4433字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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本文由 Amway 委託,泛科學企劃執行。

很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網
在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢 / 圖片來源:envato

到底怎樣才算是「乾淨」?這不是什麼靈魂拷問,而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞,甚至能成為台積電(TSMC)決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中,雖然不需要生產精密晶片,但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密,卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康,你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此,空氣議題早已超越單純的環保範疇,成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

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很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是同一件看起來平凡無奇的東西:一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信,就憑這層厚度不到幾公分的板子,能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎?

這片大家都聽過的 HEPA 濾網,裡面到底是什麼?

首先,我們必須打破一個直覺上的誤解:HEPA 濾網(High Efficiency Particulate Air filter)在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5,是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物,它們能穿過呼吸道直達肺泡,並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本,在工廠與汽車尾氣中,還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1,甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」(UFP,即 PM0.1)。 UFP 不僅能輕易進入血液,甚至能繞過血腦屏障(BBB),進入大腦與胎盤,其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣,單靠孔目大小來「過濾」粒子,那麼為了攔截奈米微粒,濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡,一般人認為的「乾淨」,在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米3 奈米(相當於頭髮直徑萬分之一)的晶片而言,空氣中一顆微小的塵埃,就是一顆足以毀滅世界的隕石。

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因此,傳統的過濾思維並非治本之道,我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形,最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身,誕生於曼哈頓計畫!

1940 年代,製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而,若將排氣直接排向大氣,會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾(Irving Langmuir),他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」(Absolute Filter),其內部並非有孔的篩網,而是石綿纖維。

有趣的來了,如果把過濾器放到顯微鏡下,你會發現纖維之間的空隙,其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢?這是因為在奈米尺度下,物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時,並非走直線,而是會受到空氣分子撞擊,而產生「布朗運動」(Brownian Motion),像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時,布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動,最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時,靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客,就這樣被永久禁錮迷宮中。

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現在最常見的 HEPA 材料,是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間,它們在濾網內隨機交織,像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後,並非僅僅面對一層薄紙,而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層,微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外,HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵,那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀,中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐,目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒,而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺:過濾不是越快越好嗎?

其實,這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管,如果你捏住出口,水流會變得湍急;若將出口放開並擴大,雖然總出水量不變,但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言,當表面積越大,單位面積所需承載的空氣量就越少,空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久,增加被捕捉的機會。此外,越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」,延長了使用壽命,這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

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然而,即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter),但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ,其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物,去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念?塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子,大小約在 2 至 200 微米;細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米,細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」,大多數的病毒(如流感、新冠病毒)都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說,基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上,它更獲得英國過敏協會(Allergy UK)認證,能有效處理 19 大類、102 種過敏原,濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」 / 圖片授權:Shutterstock

然而,同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中,硼是常見的 P 型摻雜物,用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕,進而釋放出極微量的硼離子,就可能直接污染晶圓,改變其導電特性,導致晶片報廢。

此外,無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA(超低穿透率空氣濾網) 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中,任何多穿透的一顆微塵,都代表著一筆不小的經濟損失。

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為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率,材料學家搬出了塑膠界的王者,PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕,還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維,其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕,但它既昂貴且物理上也很脆弱,安裝時若不小心稍微觸碰,數萬元的濾網就可能報銷。因此,你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此,在空氣濾淨系統中,還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網,就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附?

好不容易將微塵擋在門外時,危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王:AMC(氣態分子污染物)

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒,但面對氣態分子時,就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般,能輕易穿過物理濾網的縫隙,其中包括氮氧化物、二氧化硫,以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物(VOCs)。

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為了對付這些幽靈,我們必須在物理防線之外,加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同,這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理(Impregnation)」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質,在活性碳上添加不同的化學藥劑:

  • 酸鹼中和:對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體,會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑,透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之,如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑,就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
  • 物理吸附與凡德瓦力:對於最麻煩的有機揮發物(VOCs,如甲醛、甲苯),因為它們不具酸鹼性,科學家會精密調控活性碳的孔徑大小,利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力(凡德瓦力),像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。
活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附? / 圖片來源:Amway

空氣濾淨的終極邏輯:物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境,活性碳的運用並非「亂槍打鳥」,而是一場極其精密的對戰策略。

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工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告,像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝,打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區(Photolithography),晶圓最怕的是人體呼出的氨氣,此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和;而在蝕刻區(Etching),若偵測到酸性廢氣,則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯,是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中,雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析,但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯,正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網,更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳,科學界有個關鍵指標:「比表面積(Specific Surface Area)」。活性碳的孔隙越多、表面積越大,其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳,並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理,打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克,但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字,相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積,是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是,它還添加了雙重觸媒技術,能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線,能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體,或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來,成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說,無論是造價百億的半導體無塵室,還是守護家人的空氣清淨機,其背後的科學邏輯如出一轍:「物理濾網攔截微粒,化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作,空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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從太陽發光到生命突變,一切都歸功於量子穿隧效應?
PanSci_96
・2024/10/19 ・1962字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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在這個充滿光與生命的宇宙中,我們的存在其實與一種看不見的力量密切相關,那就是量子力學。沒有量子力學,太陽將不會發光,地球上的生命將無法誕生,甚至整個宇宙的運行規則都會截然不同。這些微觀層次的奧秘深深影響了我們日常生活的方方面面。

其中,量子穿隧效應是一個看似違背直覺但至關重要的現象,從太陽的核融合反應到基因的突變,這種效應無處不在,甚至還牽動著當今的高科技產業。

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什麼是量子穿隧效應?

我們可以將量子穿隧效應比作一個奇妙的穿牆術。想像一下,你身處一個被高牆包圍的城市,牆外是未知的世界。通常,如果你要越過這道牆,需要極大的力量來翻越它,或者用工具打破它。然而,在量子的世界裡,情況並不如此。

在微觀的量子力學世界中,粒子同時具有波的特性,這意味著它們並不完全受限於傳統物理的規則。當一個微觀粒子遇到能量障礙時,即使它沒有足夠的能量直接穿過障礙,卻仍有一定機率能出現在障礙的另一邊,這就是「量子穿隧效應」。粒子彷彿直接在牆上挖了一條隧道,然後穿越過去。

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這聽起來像魔法,但它背後有深刻的物理學道理。這個現象的發生取決於量子粒子的波動性質以及能量障礙的高度和寬度。如果障礙較矮且較窄,粒子穿隧的機率就較高;反之,障礙越高或越寬,穿隧的機率則會降低。

太陽發光:核融合與量子穿隧效應的結合

量子穿隧效應的存在,讓我們能夠理解恆星如何持續發光。以太陽為例,太陽內部的高溫環境為核融合反應提供了所需的能量。在這個過程中,氫原子核(質子)需要克服極大的電磁排斥力,才能彼此靠近,進而融合成為氦原子核。

然而,單靠溫度提供的能量並不足以讓所有質子進行核融合。根據科學家的計算,只有約10的 434 次方個質子中,才有一對具備足夠的能量進行核融合。這是一個極小的機率。如果沒有量子穿隧效應,這種反應幾乎不可能發生。

幸好,量子穿隧效應在這裡發揮了關鍵作用。由於量子粒子具有波動性,即便質子沒有足夠的能量直接跨越能量障礙,它們仍然能透過穿隧效應,以一定機率克服電磁排斥力,完成核融合反應。這就是為什麼太陽內部的核融合能夠源源不斷地發生,並且持續產生光與熱,讓地球成為適合生命生存的家園。

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量子穿隧效應與生命的演化

除了恆星的發光之外,量子穿隧效應還對生命的誕生和演化起到了關鍵作用。地球上物種的多樣性,很大一部分源於基因突變,而量子穿隧效應則幫助了這一過程。

DNA 分子是攜帶遺傳訊息的載體,但它的結構並不穩定,容易在外界因素影響下發生變異。然而,即使沒有外界因素的干擾,科學家發現 DNA 仍會自發性地發生「點突變」,這是一種單一核苷酸替換另一種核苷酸的突變形式。

量子穿隧效應讓氫原子隨時可能在 DNA 結構中進行位置轉換,從而導致鹼基對的錯位,這在 DNA 複製過程中,可能會引發突變。這些突變若保留下來,就會傳遞給下一代,最終豐富了基因與物種的多樣性。

量子穿隧幫助促進 DNA 突變,協助生命的演化與物種多樣性。圖/envato

半導體技術中的量子穿隧效應

除了在宇宙和生命中發揮作用,量子穿隧效應還影響著我們的日常生活,尤其在現代科技中。隨著半導體技術的發展,電子設備的體積不斷縮小,這也讓電子元件的性能面臨更大的挑戰。

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在微小的電子元件中,量子穿隧效應會導致電子穿過元件中的障礙,產生不必要的漏電流。這種現象對電晶體的性能帶來了負面影響,因此設計師們需要找到方法來減少穿隧效應的發生,以確保元件的穩定性。

雖然這是我們不希望見到的量子效應,但它再次證明了量子力學在我們生活中的深遠影響。設計更有效的半導體元件,必須考慮到量子穿隧效應,這讓科學家與工程師們需要不斷創新。

量子力學是我們宇宙的隱藏力量

量子穿隧效應看似深奧難懂,但它對宇宙的運作和生命的誕生至關重要。從太陽的核融合反應到基因突變,甚至現代科技中的半導體設計,量子力學影響著我們生活的方方面面。

在這個充滿未知的微觀世界裡,量子現象帶來的影響是我們難以想像的。正是這些看似不可思議的現象,塑造了我們的宇宙,讓生命得以誕生,科技得以發展。當我們仰望星空時,別忘了,那閃耀的光芒,背後藏著的是量子力學的奇妙力量。

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藝術與科學的詩性相遇:《匯聚:從自然到社會的藝術探索》國際交流展
PanSci_96
・2024/06/04 ・3873字 ・閱讀時間約 8 分鐘

本文由策展人紀柏豪提供

想享受一場同時兼具科技與藝術的饗宴嗎?來《匯聚:從自然到社會的藝術探索》國際交流展看看吧!

在當代社會中,藝術的角色正持續演進——它創造了一種新的美學,與社會、科學以及技術變革緊密相連。當社會面臨的挑戰因其複雜性而難以僅靠單一學科解決時,藝術研究因其跨越、融合不同知識領域的能力而具有新的意義。今日,許多創作者和機構採用跨學科方法,將藝術與自然、科學與感性、想像力與現實結合,創造嶄新的經驗、知識和美學。

在藝術與科學這兩個看似迥異的領域中,存在著一個共通的追求——深入理解我們所處的世界。這一追求不僅體現了人類對知識渴望的本能,也反映了我們對於更高層次的自我認知和宇宙認識的探索。藝術家透過創作,探索人類經驗的多樣性和情感的複雜性,用畫筆、雕塑、數位媒介來表達對世界的主觀理解。這種理解可能源於個人感受,也可能反映了廣泛的社會和文化現象。

藝術提供了一種通過感知和情感來接觸和理解世界的方式,使我們能夠透過個別經驗來抵達普遍的真理。科學則通過觀察、實驗和分析來探究自然界的法則和現象,尋求對世界的客觀理解。科學方法使我們能夠系統地收集資料、建立理論並驗證假設,從而深化對物理世界的認識。不僅解答了關於自然界的問題,也幫助我們理解了人類自身在這個宇宙中的位置和作用。

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儘管藝術和科學在方法和目的上有所不同,但它們都反映了人類對於更加全面和深刻理解世界的共同願望。藝術讓我們透過感受和想像來擴展對世界的認識,而科學則通過理性和證據來揭示秩序和結構。由國科會指導、國家實驗研究院主辦的《匯聚:從自然到社會的藝術探索》國際交流展,邀請觀眾一同探索藝術與科學的交會,體驗它們如何共同塑造我們對世界的認識和感知,並反思這一過程如何豐富我們的文化與知識視野。

展覽單元介紹

宇宙共生 —— 科技與宇宙的多維依存

當你仰望星空,有沒有想過我們與宇宙的關係?「宇宙共生」單元展示了科技如何將人類感性延伸至浩瀚的宇宙空間。麻省理工學院媒體實驗室的太空探索倡議小組(MIT Media Lab Space Exploration Initiative)帶來了在極端環境下的實地太空模擬,研究生存策略和科技應用。與之並置的《與細菌混了三千年》(3000 Years Among Microbes)則從微生物的角度重新審視太空探索中的殖民語言,帶來全新的太空想像。藝術家利用極端地貌與顯微影像並置,模糊人與微生物的分野,探討共生體概念在星際生態系中的應用。

感官賦能 ——透過科技重塑環境感知

「感官賦能」單元探索藝術家如何通過科技媒介重塑我們對環境的感知。兩位智利藝術家妮可·拉希利耶(Nicole L’Huillier)與派翠西亞·多明格斯(Patricia Domínguez)的《全像乳糜》(Leche Holográfica)是一場冥想式祈願,透過與不同元素的共鳴和諧,讓我們得以在螺旋時空中構想未來。

值得一提的是,藝術家妮可·拉希利耶與派翠西亞·多明格斯曾透過智利與歐盟的合作,在歐洲核子研究組織(CERN)進行藝術駐村計畫,並在那裡發展她們的作品。CERN 以其在粒子物理學上的重大科研成果而聞名,但即使是最前沿的科學研究,也需要藝術家的啟發。這樣的跨域合作不僅揭示了科學現象的美麗與複雜,更為科學研究注入了新的靈感和視角。藝術家的創意與想像力,能夠以不同於科學的方法來詮釋數據與實驗結果,從而開拓更廣泛的理解和應用。

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拉脫維亞藝術家羅莎‧史密特(Rasa Smite)和萊提斯‧史密茨(Raitis Smits)的《深度感知》(Deep Sensing),通過拉脫維亞伊爾本(Irbene) RT-32電波望遠鏡的歷史敘事,象徵性地橋接了技術的過去與現在,探問「為何擁有地球還不足以滿足人類?」該望遠鏡被前蘇聯遺棄,而藝術家們重返此地,探索這個巨大天線在當代的價值。虛擬點雲天線追蹤從太陽到地球的宇宙粒子流動,創造出沉浸式的視覺和聲音景觀,讓觀眾更易於理解氣候變遷的影響。

羅莎‧史密特和萊提斯‧史密茨是里加RIXC新媒體文化中心的共同創辦人,他們的作品結合科學數據、聲音化和視覺化、人工智慧和擴增實境技術,創造出前瞻性的網絡藝術。他們的作品曾在威尼斯建築雙年展、拉脫維亞國家藝術博物館等地展出,並獲得多項國際獎項。

網絡交織 —— 科技與社會的複雜關係

「網絡交織」單元深入探討科技如何影響我們的社會結構和人際關係。瑪麗莎·莫蘭·賈恩(Marisa Morán Jahn)的《銅色景觀》(Copperscapes)展示了銅在全球化勞動中的角色,揭示了這一自然元素如何影響我們的日常生活。她的作品以銅色眼睛作為見證,表現出礦區社區所承受的「身體負擔」,並在影片《銅的私處史》中探討礦物經濟的複雜性,突顯採礦活動對身體及地球主權的影響。

瑪麗莎·莫蘭·賈恩是具有厄瓜多和中國血統的藝術家,其作品致力於重新分配權力,展示藝術作為社會實踐的可能性。她的作品曾在歐巴馬時期的白宮、威尼斯建築雙年展、古根漢美術館等地展出,並獲得聖丹斯電影節和創意資本等獎項。

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李紫彤與孫詠怡的《岔經濟》(Forkonomy)利用區塊鏈技術,重新構想財產與國家之間的連結,探討擁有權背後的政治意義。這個藝術與社會運動計畫,通過工作坊和數位契約,探討如何購買或擁有一毫升的南海,並質疑現有的性別勞動分工和所有權制度。

李紫彤是台灣的藝術家兼策展人,作品結合人類學研究與政治行動,曾在國內外多個知名展覽中展出。孫詠怡是出生於香港的藝術家和程式撰寫者,專注於數位基礎設施的文化意義及廣泛權力的不對等問題,作品曾獲得林茲電子藝術節金尼卡獎等多項國際獎項。

印度藝術家艾蒂·桑德爾(Aarti Sunder)的《深海節點故事》(Nodal Narratives of the Deep Sea)將海底電纜這一隱藏基礎設施帶入視野,探討其與現代化項目、資本主義擴張及殖民主義的關聯。她的作品通過繪畫、物件和影片,展示了數據傳輸的路徑及其對生態系統的影響。

艾蒂·桑德爾的創作涉及影像、寫作與繪畫,專注於探討科技政治和基礎設施相關議題。她的作品曾在柏林藝術學院、新加坡雙年展、世界文化之家等國際場所展出。

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科藝匯聚 —— 跨學科的創新邊界

「科藝匯聚」單元彰顯了藝術與科學共同探索未知領域的力量。國家太空中心的《來自遙遠的訊息》管絃樂曲選粹、麻省理工學院前衛視覺研究中心(CAVS)的歷史檔案,以及臺灣共演化研究隊的「邊界測繪學」年度計畫成果,展示了藝術家與科學家跨域合作的豐富成果和未來潛能。

跨域交流與活動

在展覽期間,策展團隊與台灣致力於促進科學家與藝術家合作的「共演化研究隊」規劃了一系列精彩的跨域交流活動,讓大家能近距離與藝術家、科學家們交流,體驗科技與藝術如何共同作用於當代社會。

活動包括圓桌論壇、藝術家講座和放映會,涵蓋了多個有趣且深入的主題。例如,在「宇宙共生」週末,觀眾可以參與討論極地科學與藝術實踐的圓桌論壇,聆聽來自麻省理工學院媒體實驗室「太空探索倡議」的成員分享他們在極端地貌探索的經驗。另一活動是國家太空中心委託製作的管弦樂曲《來自遙遠的訊息》放映會,由作曲家趙菁文進行演前導聆,帶領觀眾進入一場視覺與聽覺的雙重盛宴。

在「網絡交織」週末,藝術家李紫彤與孫詠怡將帶來一場關於區塊鏈技術應用於南海議題的討論,這場圓桌論壇將探討技術如何影響社會結構和資源分配。印度藝術家艾蒂·桑德爾則會在線上分享她對於海洋及網路基礎設施的研究與創作,揭示隱藏在我們日常生活背後的複雜科技網絡。

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「感官賦能」週末將邀請拉脫維亞藝術家羅莎‧史密特和萊提斯‧史密茨現場分享他們的作品《深度感知》,並探討電波望遠鏡的技術敘事,展示如何通過藝術手段使抽象的科學數據變得可以感知。這不僅讓觀眾更易於理解氣候變遷的影響,也體現了藝術在科學溝通中的重要角色。他們將分享長期研究「自然廣播」的概念,以及每年舉辦「藝術科學節」的經驗。

在「科藝匯聚」週末,觀眾可以參與科學家與藝術家的提案室,直接感受跨領域合作的火花。這些活動將展示跨學科合作如何激發創新,促進我們對世界更深層次的理解。此外,拍攝麻省理工學院前衛視覺研究中心創始人故事的紀錄片將在台灣首映,導演並將與觀眾進行映後座談,分享創作背後的故事和啟發。

藝術與科學的相互啟發,不僅僅是知識和美學的結合,更是對創新與理解的共同追求。在這個亟需跨學科解決方案的時代,這樣的合作顯得尤為重要,為我們探索未知領域提供了無限可能。這次展覽通過多樣的跨域交流活動,讓觀眾能夠親身體驗並參與其中,進一步體會到藝術與科學融合所帶來的豐富成果和未來潛力。

展覽資訊

  • 展覽名稱:《匯聚:從自然到社會的藝術探索 | 國際交流展》
  • 日期:2024/5/10 至 2024/8/10
  • 時間:週一至週五 09:00-18:00(國定假日休)
  • 地點:科技大樓一樓大廳(臺北市大安區和平東路二段106號)
  • 指導單位:國家科學及技術委員會
  • 主辦單位:國家實驗研究院
  • 策展人:紀柏豪
  • 執行單位:融聲創意
  • 協力單位:共演化研究隊
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