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高壓線會導致兒童白血病嗎?

果殼網_96
・2014/03/25 ・3720字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 499 ・六年級

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credit: CC by kainet@flickr
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文/Albert_JIAO

最近這些年,各地因為供電公司修建高壓線和變電站引發的抗議衝突事件屢見不鮮,在網上隨意一搜索,就是一長串。

高壓線一類的電力設施如此不受歡迎的原因之一是人們擔心高壓電產生的電磁輻射(其實更準確的說法應該是電磁場),那麼科學界真的有研究結果,能證明這種電磁場會對人體健康產生危害嗎?會增加兒童罹患白血病的可能性嗎?

顯示有風險的研究

首先,確實可以找到一些研究結果指出,高壓線產生的磁場可能增加兒童患白血病的風險。很多人對於高壓線輻射的恐懼和擔憂,很大程度上也是來源於這些結果。

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例如,英國研究人員 Gerald Draper [1]曾發表論文認為,高壓電線附近居住的兒童患白血病的可能性會明顯增加。統計結果發現,居住在有高壓電線的電磁輻射下的兒童其白血病發病率為700分之一,比居住在無電磁輻射的兒童發病率(1400分之一)高出一倍。在離高壓線外幾十米的磁場強度可以達到0.4微特斯拉 (µT),研究結論是電磁輻射強度高於該值,兒童將面臨患病風險。

再如,德國 1997 年進行的一項調查,對比了 129 名患白血病的兒童和 328 名健康的兒童,測量了這些兒童臥室內的 24 小時的平均電磁場暴露強度,發現電磁場的強度與白血病的發病之間有一定聯繫。[6]

更多顯示沒有風險的研究

類似的結果還有更多。這些雖然都是真的,但不是故事的全部。高壓線附近居住的兒童罹患白血病的風險會不會增加,其它幾項大型研究卻給出了相反的答案。

比如,1999年12月,一項對於全英國4000名兒童癌症患者的大規模調查,發現暴露在高壓線這類工頻磁場之下,包括白血病在內的各種癌症的患病風險都沒有增加。[4]

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1997年,美國國家癌症研究所的一項歷時8年,對美國1000名兒童的研究顯示,家中測到的磁場強度大,兒童急性淋巴細胞白血病的罹患風險並不會增加。[4]

1997年挪威也有研究針對500名患各種癌症的兒童,測量他們居住的地點附近的電力傳輸線所產生的磁場暴露強度。結果發現包括白血病之內的各種癌症,與高壓線的磁場並沒有關係。[6]

很微弱的風險v.s.沒有風險

類似的研究在過去的幾十年間,世界各地都有進行,結果都不盡相同。有的研究認為,高壓線附近居住的兒童患白血病的風險與其他兒童並沒有什麼差別,有的研究則認為風險會稍微增加,而且認為稍有風險的結果之中,微小的風險具體是多少,數字上也各不相同。

但一般來說,患白血病風險增加 30%、50%,或增加兩倍,對於一般大眾來說是很觸目驚心的數字。在人群中統計出來的這個風險值,相比於某些真的有風險的情況-比如吸菸與肺癌的關係,吸菸者的患病風險可以是不吸菸者的十幾倍。發病率比較低的疾病,增加 1 到 2 倍風險往往都是非常不明顯的。經過粗略計算後會發現,按照這些研究結果所說,所有的高壓線加總只會多增加幾個兒童白血病患者而已。

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不得不承認,「稍有一點點風險」和「完全沒有風險」這兩種情況經常很難區分,各種偶然的因素都會干擾研究結果,研究人員之間也會有不同意見。不過,在有關電磁輻射是否會對人體健康產生影響的研究中,大多數都沒有任何證據顯示有影響。

總的來說,這些支持高壓線可能增加兒童白血病患病風險的研究結果,目前並沒有得到科學界廣泛的採納和認可。制定電磁輻射安全標準的「國際非電離性輻射防護委員會」認為:「電磁場暴露和癌症(包括兒童白血病在內)之間關係的統計結果,在沒有其它實驗研究的支持下,並沒有說服力作為制定標準的科學依據。」目前國際仍以比高壓線附近磁場強度高出很多的100 µT為標準,這個標準可以完全保證不會發生目前可以確認的健康危害。

相關性v.s.因果性

除了調查統計以外,研究人員還會用小白鼠進行動物實驗,或者取出人體細胞和組織在顯微鏡下觀察暴露於電磁場的情形。比如會把很多小白鼠放到不同強度的電磁場之下,時間從幾天都幾年甚至小白鼠的一生都不等,但是無論怎麼蹂躪小白鼠-即使電磁場強度是普通高壓線下的很多倍,小白鼠癌症發病率沒有任何變化,甚至連非常微弱的關連性也沒有。這就和某些研究顯示電磁波會增加人類罹患風險的結果「唱反調」。

這使得很多研究人員懷疑,高壓線電磁場與兒童白血病研究中可能存在的一個漏洞:只能證明「高壓線附近」和「兒童白血病發病率高」兩件事之間有關聯性,而未必有因果性。什麼意思呢?我們先看一個有趣的故事 [2]。

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美國通用汽車公司曾經收到過一則奇怪的投訴,有顧客發現他們購買的那一款新車存在一個問題——「冰淇淋」恐懼症。車主每天晚飯後要開車去商店購買冰淇淋,有時候他買香草口味,有時候買巧克力口味、水果口味。可是他發現,只要去買的是香草口味,從商店提著冰淇淋返回車裡之後,車就無法啟動;如果是買其它口味,就沒有問題。通用汽車公司的工作人員對於冰淇淋不符合汽車的口味感到離奇,於是派人去調查。

如果這位顧客沒有說謊,是否可以證明出「XX款汽車對於香草味冰淇淋有過敏反應」的結論呢?

汽車公司經過幾天的調查發現,顧客投訴的內容屬實。但是調查人員發現,香草冰淇淋因為受歡迎,所以被擺放到了店面的最前排,去買的人很快就可以付款和取走商品,其他口味的冰淇淋則需要較長的時間。車主買香草冰淇淋的時候,因為花的時間短,汽車發動機還沒有完全冷卻,於是啟動時出了問題;買其他口味冰淇淋所花的時間比較長,發動機可以充分冷卻。真相揭曉,汽車的發動機冷卻系統需要改進,跟冰淇淋的口味完全沒有關係。

這個故事正說明了「冰淇淋口味」和「汽車不能啟動」雖然表面上有相關性,但是不能說汽車不能啟動是冰淇淋的口味造成的。

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高壓線的研究也像冰淇淋的故事一樣受到很多人質疑,因為研究者無法排除電磁輻射以外的其他原因,也可能增加了兒童白血病的罹患風險。比如一個明顯的事實是,高壓線附近的居住區往往不會是富人區,都是些價格低廉的房屋,居住在這些區域裡的兒童往往生活條件較差,各種疾病的發病率會自然高於生活條件比較好的兒童。

高壓線v.s.家用電器

此類研究結果的另外一個常常被吐槽之處是,如果距離高壓線有一段距離,高壓線產生的電磁場強度並沒有很大,即使直接站在高壓線下方,強度最大也不超過20 µT,這仍然只有INCIRP國際標準的五分之一。

隨著距離的增加,高壓線產生的磁場強度會迅速降低,不同電壓的高壓線情況會有所不同。根據美國測量的架空高壓線典型電磁場值 [4],電壓比較高的550千伏的高壓電線,正下方磁場強度可以達8.67 µT,距離 30 米會下降到 1.26 µT、距離 60 米降到 0.32 µT,而距離 90 米只有0.14 µT。

無論你居住在高壓電線附近,或者離很遠,每天都會接觸電腦和各種家用電器,這些電器都會產生和高壓線同一類型的極低頻電磁場。比如距離電爐 30 釐米處,磁場強度有0.15 – 0.5 µT,洗衣機 0.15 – 3 µT,洗碗機 0.6 – 3 µT,日光燈 0.5 – 2 µT(根據德國輻射安全聯邦辦公室的數據 [5])。根據統計,遠離高壓線居住的人,每天從其它來源接觸到的電磁場強度平均也可以有0.1 µT甚至更高。所以,當離高壓線有一小段距離時,高壓線產生的電磁場已經可能比身邊家用電器的電磁場小很多了。

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生活中更常見的較低電壓的高壓線-比如二十幾萬伏特,甚至幾十千伏特的高壓線,往往在距離幾十米的時候,產生的電磁場強度已經下降到「沾醬油」的程度了。

與這些數據形成鮮明對比的是,新聞中看到的抗議居家附近的高壓電,都距離數公尺甚至遠在 1 公里外。可以想像這樣的高壓線產生的電磁場,對自己的影響有多小了。

以上所說的還只是空中的高壓線,很多城市中的高壓電線並不是架設在空中,而是掩埋在地下。同樣電壓的高壓線,掩埋在地下所產生的電磁場強度又要比空中的低上一大截。另外,很多時候大家比較擔心的不是高壓線,而是其它的電力設施-像變電站。變電站的外觀看起來是龐然大物,上面擺放著各種警告標誌,貌似會產生可怕的輻射。事實上由於變電站外殼保護作用和種種因素,變電站本身散出的輻射非常小。根據英國健康保護局的數據,在距離變電站 5 到 10 米的位置,產生磁場強度只有0.02 µT到0.05 µT [3],這個數值相比於大多數家中電器的輻射甚至不值得一提。事實上,變電站產生的電磁場,主要也是來源於變電站外面連接的高壓電線。

結論

高壓線產生的電磁場對人體健康是否有害?以最嚴謹的方式回答就是:在高壓線電壓比較高,距離又很近(包括以最近距離站在高壓線的正下方)的地點,電磁場仍在國際安全標準以內。大多數研究結果顯示,此種強度下電磁場不會對人體健康產生影響;少數研究認為可能與個別的疾病(如兒童白血病)有微弱的關連,但是結果沒有被廣泛的採納和認可,而且這種關連非常微弱又不顯著。

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如果高壓線電壓不是很高,有一定距離(比如幾十米到一二百米),或者有其他因素(比如深埋在地下的高壓線,有外殼保護的變電站),高壓線產生的電磁場強度甚至可以小到忽略不計;甚至比家中各種家用電器的產生電磁場強度還要小,與不住在高壓線附近的居民受到的電磁場暴露量沒什麼明顯區別。電力設備產生的電磁場並沒有大家想的那麼恐怖。

參考資料

  1. Childhood cancer in relation to distance from high voltage power lines in England and Wales: a case-control study, Gerald Draper
  2. 破解神蹟——從對香草冰激凌敏感的汽車談起,雲無心
  3. Substations and Electromagnetic Fields
  4. National Institute of Environmental Health Sciences,USA; EMF: Electric and Magnetic Fields Associated with the Use of Electric Power
  5. What are electromagnetic fields? W.H.O.
  6. INCIRP Guidelines for Limiting Exposure to Time-Varying Electric, Magnetic, and Electromagnetic Fields (up to 300 GHz). Health Physics 74 (4): 494-522; 1998.

 

轉載自果殼網

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果殼傳媒是一家致力於面向公眾倡導科技理念、傳播科技內容的企業。2010年11月,公司推出果殼網(Guokr.com) 。在創始人兼CEO姬十三帶領的專業團隊努力下,果殼傳媒已成為中國領先的科技傳媒機構,還致力於為企業量身打造面向公眾的科技品牌傳播方案。

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如何找到肺癌對應基因?臨床實驗幫助病友翻轉病情!
careonline_96
・2024/04/24 ・2515字 ・閱讀時間約 5 分鐘

給 每一位剛踏上抗癌路上的鬥士與戰友

確診晚期肺癌的病友,在治療初期若是能與醫師密切配合,就有機會可以找到很好的治療方式,讓病情翻轉。進入治療前,首先會透過基因檢測,找出關鍵的基因突變,若是未發現常見基因突變,也可利用次世代基因定序,找出罕見基因。肺癌的治療已像慢性病一樣,只要妥善運用基因檢測與接續治療策略,就有機會延長病友的存活期,無論是帶有 EGFR、ALK、ROS1、BRAF、HER2、RET、MET、KRAS、NTRK 等基因突變,目前也都已經有很好的標靶藥物可治療,病友只要了解自己的疾病概況,與醫師充分溝通,一起把握每一次治療的機會!

大林慈濟醫院副院長賴俊良醫師

次世代基因定序助攻!揪出罕見肺癌改善病友預後

一名確診晚期肺癌的 50 多歲男性,在進行一般的基因檢測時並沒有找到突變基因,病程也加速惡化,且伴隨糖尿病、高血壓、腎功能衰退,全身嚴重浮腫。所幸,再接受次世代基因定序檢測後,很幸運地發現他是較罕見的 MET 基因。賴俊良醫師說,MET 基因分為不同的突變型,而該名病友屬於較少見的擴增型,後續在使用相對應的標靶藥物治療後,全身浮腫的狀況逐漸改善,病情也受到控制,且恢復到原本的工作與生活。

標靶藥物各有專攻 找到對應基因才能發揮效果

台灣的肺腺癌以 EGFR 基因突變為主,其他基因突變相對稀少,包含 ALK、KRAS、BRAF、ROS1、RET、NTRK 等。賴俊良醫師說,由於國人常見的致癌基因約佔一半以上,因此,通常會先檢測這些突變基因,若是找不到突變基因,則是會採取更先進的檢測方法找出突變基因,而次世代基因定序是目前肺癌精準治療的重要工具,可以更準確地找到驅動關鍵基因,醫師也可以從而制定精準的治療策略,進而大幅改變病友的預後。

晚期肺癌的治療藥物已有相當大的突破與進展,在過去不知道有這些基因突變時,部分病友的預後較差,但現在針對主要的驅動基因,幾乎都有相對應的藥物可以治療,賴俊良醫師說,有些病友知道標靶藥物治療成效佳,堅持只接受標靶治療,其實概念上並沒有這麼簡單,不同的驅動基因要使用不同的標靶藥物,才有辦法發揮治療效果。

臨床試驗安全性高 為病友帶來新契機

一般人聽到臨床試驗,常直覺是白老鼠,賴俊良醫師說,這樣的錯誤觀念仍有待匡正,其實所有藥物都必須先經過動物實驗,確認有明顯的治療成效,才會進到人體試驗,且第一期、二期、三期分別有不同的條件與目的,只有在第一期和第二期執行成果中,顯示其具有前景的試驗,才會進入第三期,在臺灣進行的臨床試驗都已具有相當完善的規範,也會在保護受試者的情況下進行。病友若是治療遇到瓶頸時或是可能需要自費或是參加臨床試驗,賴俊良醫師建議,若符合可以參加臨床試驗的條件,病友及家屬可以進一步與主治醫師討論了解,也有機會可以找到新契機,讓病情翻轉。

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他的故事 談面對恐懼

罹癌就像暴風雨 家人陪我度過每個關卡

曾經聽人家說「罹癌是上天給的禮物」,這個天上掉下來的禮物很痛苦、很折磨,也狠狠把我 K 醒!才 53 歲的我,去(2023)年 3 月起連續兩個月咳個不停,確診為肺腺癌第四期,我的腦子一團亂,醫師開始為我化療,治療期間我吃不下、甚至沒辦法走路,家人擔心再化療下去可能連命都沒了。

就像落水的人,拼命想抓住救生圈,經過不斷打聽,朋友介紹到大林慈濟賴副院長的門診。第一次住院待了 33 天,治療期間,好像一個人漂浮在汪洋中,害怕上不了岸,擔心得連呼吸都困難;沒想到最後可以出院,體力還變好,原本沒辦法行走,後來能夠走出醫院,過了這個坎,好像就沒有什麼好怕的了。

過去從事餐飲業,每天至少一包菸,加上廚房的油煙,破壞身體免疫力。以前認為跟家人除夕吃團圓飯很平常,罹癌住院 33 天的經驗,讓我知道這個「平常」代表「幸福」。治療中,太太、兒女一路陪我度過每個關卡,從身體不舒服的第一天,到住院、標靶藥物和門診追蹤,可靠又溫暖的陪在身旁。

我有十幾年糖尿病的歷史,罹癌後發現血壓、腎臟指數飆高,全身浮腫,醫院安排做次世代基因定序檢測,醫師說,我是 MET 基因中第二類比較少見的擴增型,從去年 5 月開始服用標靶藥物治療,全身浮腫的狀況改善了,病情也控制住,除了容易累,體力比較差,沒有影響到生活,我想老天爺在給我機會。

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癌症就像一場暴風雨,考驗自己的內心,生活變得很慌亂,遇到事情就去面對它、解決它,慢慢把腳步站穩後,暴風雨過去了,接下來的每一天都要好好過,或許癌症真的是一個生命的禮物,敦促著我們找回人生最重要的事,也提醒正在看這封信的學弟妹們,醫療這麼發達,穩定用藥就可以擁有好的生活品質,不要放棄;開心是一天,不開心也是一天未來每一天,我選擇開心地過。

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癌症治療方法有哪些?臨床試驗有哪些評估面向?
careonline_96
・2024/04/19 ・2447字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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給 每一位剛踏上抗癌路上的鬥士與戰友

醫學中心的臨床試驗機會多,病友們也存在一些錯誤的迷思,我們需要了解,臨床試驗是依據現今最標準的治療方式進行,參加臨床試驗的對照組,也有機會可以使用到健保沒有給付的藥物。不過,現有的臨床試驗不一定都適合每一位病友,病友們一定要與主治醫師充分討論自己的治療計劃,即使是晚期肺癌,只要隨時掌握疾病的狀況,找到合適的治療方式,便能穩定控制,與癌共存!

台大醫院胸腔科廖唯昱醫師

臨床試驗增加用藥可近性 為病友延長生命

一名年約 82 歲女士,手術後確定是肺癌第三期,後續接受輔助性的化學治療,在追蹤一段時間後復發,由於當時沒有很好的基因檢測與標靶藥物,僅能接受放射線治療、化學治療控制。廖唯昱醫師說,病友面對治療仍相當樂觀,治療一至兩年後,幸運地找到適合的臨床試驗,便開始使用標靶藥物,其中有兩到三年的時間,只需單純使用標靶藥物即可控制病情,病友也因此延長生命到近 90 歲。

臨床試驗是醫療機構依據醫學的理論,於人體施行新的醫療技術、新的藥品或新的醫材。廖唯昱醫師說,最主要的目的是希望找到一個新的、更有效的治療方式,讓病友可以延長生命,甚至達到治癒。對於晚期肺癌病友而言,最佳的治療方式可能是標靶治療、免疫治療,或是化學治療,若是健保有給付,我們會選擇用健保的方式進行第一線治療;若是對病友最有利的治療方式健保未給付,我們即會想辦法協助病友尋找適合的臨床試驗。

罕見基因治療武器有限 先確定驅動基因再找合適的臨床試驗

面對臨床試驗,可以從兩個方面評估,廖唯昱醫師說,若是新發現的基因突變與新研發的藥物,病友可以先觀察第一期臨床試驗中,新藥物可以達到的治療效果,以及可能出現的副作用,等到狀況較成熟後再加入;假如已通過第一期、第二期臨床試驗,並且清楚知道新藥物的成效,即可考慮加入第三期,無論抽到實驗組或對照組,其實對整個治療都有一定的幫助。

此外,對於一些罕見基因型的肺癌,由於治療武器較有限,病友常期望可以加入臨床試驗,廖唯昱醫師說,在加入臨床試驗前,需要先確定肺癌的驅動基因突變,再去尋找適合的臨床試驗。然而,臨床試驗通常會設定一些條件,如藥物可能有已知的副作用,在臨床試驗開始前,便會需要作詳細檢查,確認病友的所有狀況符合條件後,才有機會加入。

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近年來,肺癌治療有大幅進展,標靶治療、免疫治療、化學治療都持續進步。廖唯昱醫師說,即使是晚期肺癌,只要隨時掌握疾病的狀況,找到合適的治療方式,便能穩定控制病情,而且在接受治療的同時,病友可以回復正常的生活,甚至恢復工作,也能保有良好的生活品質。

他的故事 談生活品質

踩穩自己的節奏 癌後體會慢下來哲學

村上春樹的小說《舞舞舞》,不論世界如何紛亂,你要踩穩自己的舞步和節奏。我在 70 歲確診第四期肺癌,剛開始是肋骨痛,那時剛巧有人推壞我的門,花了些時間把門拆下來再裝回去,第二天睡醒,肋骨開始痛,一直誤以為是修門太費力導致疼痛,就近在診所拿止痛藥,吃了七個月,也耽誤了黃金治療期。

我從事鐘錶業,累積非常多客戶,都是靠著口碑、耳傳而來,客戶群裡有很多醫師。那時有四、五位醫師朋友提醒檢查身體,台大醫院廖唯昱醫師是我 20 年的好友,要我去他的門診掛號,我一直推拖,隔了一年多才就醫。或許是身體在抗議,過去熬夜修錶、抽菸是生活的常態,也不太吃東西,一天大概吃一餐,工作與生活都失序。

加入臨床試驗,接受免疫治療兩年與服用標靶藥物四年,目前病況獲得穩定控制。我很幸運,藥物耐受力不錯,除了體重掉 10 公斤,沒有出現副作用,就是容易累,以前可以連續工作 12 小時等結案再離開桌子;現在工作兩個半小時就需要休息,等體力恢復後才能繼續,以前閒不下來,生病後把休息排到行程表中,做個慢下來的人。

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我過去是海陸步兵,曾經四個月背 30 公斤裝備行軍,磨了三年,十年沒有感冒過,因為有練過,體力一直很好,從來不覺得癌症這件事會找上我。客戶常來找我聊天,分享生活及心裡的感受,一個朋友後來也罹肺癌,他把我當模範,看到我不會埋怨也不會負面思考,讓他覺得安心也可以樂觀面對。

工作之餘,我會帶著狗兒子到公園玩,一拿出牽繩,狗狗就興奮得狂跳,台灣土狗體力好、運動量大,常常拉著我跑,增強健康也減少肌肉衰退。選擇適合自己的運動很重要,起床和睡前我會練啞鈴,各 20 分鐘,讓我維持好手力,現在還有 700 隻錶等著我,很多客戶勸我不要再收錶了,其實,「專注心之所向」可以釋放壓力及擁有成就感,反而能好好過生活。

生命自會找到出路!提醒學弟妹,接受已發生的事實,調整生活節奏,緩下腳步了解身體的需要,也不妨把罹癌當成一件事去鍛煉它、面對它,把生活重心放在自己喜歡的事物上,就不會被情緒左右。

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量子力學可以幫你判斷物體溫度?從古典物理過渡到近代的一大推手——黑體輻射
PanSci_96
・2024/03/24 ・3634字 ・閱讀時間約 7 分鐘

1894 年,美國物理學家邁克生(Albert Abraham Michelson)作為芝加哥大學物理系的創立者,在為學校的瑞爾森物理實驗室(Ryerson Physical Laboratory)落成典禮致詞時,表示:「雖然無法斷言說,未來的物理學不會比過去那些驚奇更令人驚嘆,但似乎大部分的重要基本原則都已經被穩固地建立了。」

以我們現在的後見之明,這段話聽起來固然錯得離譜,但在當時,從 17、18 到 19 世紀,在伽利略、牛頓、馬克士威等前輩的的貢獻之下,物理學已經達成了非凡的成就。

我們現在稱為古典的物理學,對於整個世界的描述幾乎是面面俱到了,事實上沒有人預料到 20 世紀將出現徹底顛覆世界物理學認知的重要理論,量子力學。

而這最一開始竟只是出自於一件不起眼的研究,關於物體發出的光。

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萬物皆輻射

在此我們要先理解一個觀念:所有物體無時無刻不在發出電磁波輻射,包括了你、我、你正使用的螢幕,以及我們生活中的所有物品。

至於為什麼會這樣子呢?其中一個主要原因是,物體都是由原子、分子組成,所以內部充滿了帶電粒子,例如電子。這些帶電粒子隨著溫度,時時刻刻不停地擾動著,在過程中,就會以電磁波的形式放出能量。

除了上述原因之外,物體發出的電磁波輻射,還可能有其他來源,我們就暫時省略不提。無論如何,從小到大我們都學過的,熱的傳遞方式分成傳導、對流、輻射三種,其中的輻射,就是我們現在在談的,物體以電磁波形式發出的能量。

那麼,這些輻射能量有什麼樣的特徵呢?為了搞清楚這件事,我們必須先找個適當的範本來研究。

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理想上最好的選擇是,這個範本必須能夠吸收所有外在環境照射在上面的光線,只會發出因自身溫度而產生的電磁輻射。這樣子的話,我們去測量它發出的電磁波,就不會受到反射的電磁波干擾,而能確保電磁波是來自它自己本身。

這樣子的理想物體,稱為黑體;畢竟,黑色物體之所以是黑的,就是因為它能夠吸收外在環境光線,且不太會反射。而在我們日常生活中,最接近理想的黑體,就是一點也不黑、還超亮的太陽!這是因為我們很大程度可以肯定,太陽發出來的光,幾乎都是源於它自身,而非反射自外在環境的光線。

或者我們把一個空腔打洞後,從洞口發出的電磁波,也會近似於黑體輻射,因為所有入射洞口的光都會進入空腔,而不被反射。煉鐵用的鼓風爐,就類似這樣子的結構。

到目前為止,一切聽起來都只是物理學上一個平凡的研究題目。奇怪的是,在對電磁學已經擁有完整瞭解的 19 世紀後半到 20 世紀初,科學家儘管已經藉由實驗得到了觀測數據,但要用以往的物理理論正確推導出黑體的電磁波輻射,卻遇到困難。正是由此開始,古典物理學出現了破口。

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黑體輻射

由黑體發出的輻射,以現在理論所知,長得像這個樣子。縱軸代表黑體輻射出來的能量功率,橫軸代表黑體輻射出來的電磁波波長。

在理想狀況下,黑體輻射只跟黑體的溫度有關,而跟黑體的形狀和材質無關。

以溫度分別處在絕對溫標 3000K、4000K 和 5000K 的黑體輻射為例,我們可以看到,隨著黑體的溫度越高,輻射出來的能量功率也越大;同時,輻射功率最高的波段,也朝短波長、高頻率的方向靠近。

為了解釋這個曲線,物理學家們開始運用「當時」畢生所學來找出函數方程式,分成了兩派:

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一派是 1896 年,由德國物理學家維因(Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien),由熱力學出發推導出的黑體輻射公式,另一派,在 1900 與 1905 年,英國物理學家瑞立(John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh)和金斯(James Jeans),則是藉由電磁學概念,也推導出了他們的黑體輻射公式,稱為瑞立-金斯定律。

你看,若是同時擺上這兩個推導公式,會發現他們都各自對了一半?

維因近似 Wien approximation 只在高頻率的波段才精確。而瑞立-金斯定律只對低頻率波段比較精確,更預測輻射的強度會隨著電磁波頻率的提升而趨近無限大,等等,無限大?――這顯然不合理,因為現實中的黑體並不會放出無限大的能量。

顯然這兩個解釋都不夠精確。

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就這樣,在 1894 年邁克生才說,物理學可能沒有更令人驚嘆的東西了,結果沒幾年,古典物理學築起的輝煌成就,被黑體輻射遮掩了部分光芒,而且沒人知道,這是怎麼一回事。

普朗克的黑體輻射公式

就在古典物理學面臨進退維谷局面的時候,那個男人出現了——德國物理學家普朗克(Max Planck)。

1878年學生時代的普朗克。圖/wikimedia

普朗克於 1900 年就推導出了他的黑體輻射公式,比上述瑞立和金斯最終在 1905 年提出的結果要更早,史稱普朗克定律(Planck’s law)。普朗克假想,在黑體中,存在許多帶電且不斷振盪、稱為「振子」的虛擬單元,並假設它們的能量只能是某個基本單位能量的整數倍。

這個基本單位能量寫成 E=hν,和電磁輻射的頻率 ν 成正比,比例常數 h 則稱為普朗克常數。換言之,黑體輻射出來的能量,以hν為基本單位、是一個個可數的「量」加起來的,也就是能量被「量子化」了。

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根據以上假設,再加上不同能量的「振子」像是遵循熱力學中的粒子分佈,普朗克成功推導出吻合黑體輻射實驗觀測的公式。

普朗克的方程式,同時包含了維因近似和瑞立-金斯定律的優點,不管在低頻率還是高頻率的波段,都非常精確。如果我們比較在地球大氣層頂端觀測到的太陽輻射光譜,可以發現觀測數據和普朗克的公式吻合得非常好。

其實有趣的是普朗克根本不認為這是物理現象,他認為,他假設的能量量子化,只是數學上用來推導的手段,而沒有察覺他在物理上的深遠涵意。但無論如何,普朗克成功解決了黑體輻射的難題,並得到符合觀測的方程式。直到現在,我們依然使用著普朗克的方程式來描述黑體輻射。不只如此,在現實生活中,有許多的應用,都由此而來。

正因為不同溫度的物體,會發出不同特徵的電磁波,反過來想,藉由測量物體發出的電磁波,我們就能得知該物體的溫度。在疫情期間,我們可以看到某些場合會放置螢幕,上面呈現類似這樣子的畫面。

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事實上,這些儀器測量的,是特定波長的紅外線。紅外線屬於不可見光,也是室溫物體所發出的電磁輻射中,功率最大的波段。只要分析我們身體發出的紅外線,就能在一定程度上判斷我們的體溫。當然,一來我們都不是完美的黑體,二來環境因素也可能產生干擾,所以還是會有些許誤差。

藉由黑體輻射的研究,我們還可以將黑體的溫度與發出的可見光顏色標準化。

在畫面中,有彩虹背景的部分,代表可見光的範圍,當黑體的溫度越高,發出的電磁輻射,在可見光部分越偏冷色系。當我們在購買燈泡的時候,會在包裝上看到色溫標示,就是由此而來。所以,如果你想要溫暖一點的光線,就要購買色溫較低,約兩、三千 K 左右的燈泡。

結語

事實上,在黑體輻射研究最蓬勃發展的 19 世紀後半,正值第二次工業革命,當時鋼鐵的鍛冶技術出現許多重大進步。

德國鐵血宰相俾斯麥曾經說,當代的重大問題要用鐵和血來解決。

就傳統而言,煉鋼要靠工匠用肉眼,從鋼鐵的顏色來判斷溫度,但若能更精確地判斷溫度,無疑會有很大幫助。

德國作為鋼鐵業發達國家,在黑體輻射的研究上,曾做出許多貢獻,這一方面固然可能是學術的求知慾使然,但另一方面,也可以說跟社會的需求與脈動是完全吻合的。
總而言之,普朗克藉由引進能量量子化的概念,成功用數學式描述了黑體輻射;這件事成為後來量子力學發展的起點。儘管普朗克本人沒有察覺能量量子化背後的深意,但有另一位勇者在數年後繼承了普朗克的想法,並做出意味深長的詮釋,那就是下一個故事的主角――愛因斯坦的事了。

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