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英法千年恩仇錄之「海王星」爭霸戰

物理雙月刊_96
・2016/11/22 ・5162字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 515 ・六年級

文/高崇文|中原大學物理系教授

上次提到當年英法兩國為了爭奪海外殖民地,先後蓋起天文台,目的都是為了繪製更精確的航海圖,好讓自己的艦隊能在海上發威。七年戰爭(1756 – 1763)大英帝國大獲全勝,法國在巴黎和約中被迫割讓整個加拿大給英國,並撤出印度,英國搖身一晃,成了海外殖民地的霸主。然而福禍相倚,英國把戰爭的開銷轉嫁在北美殖民州身上,引起了當地居民的不滿。就在七年戰爭之後 13 年,北美十三州就爆發獨立戰爭。法國出人出錢,硬是要讓英國痛失一個重要的殖民地。只是高昂的戰爭費用卻讓法國政府差點破產,狗急跳牆,胖路易把腦筋轉到享有不必繳稅的貴族與僧侶頭上,不料擦槍走火,爆發了大革命!

法國大革命爆發後,英國收容了一堆貴族,更成了法國最死硬的敵人。拿破崙為了扳倒英國這個宿敵,搞出史上極惡的大陸封鎖令,想要對英國進行全面性的經濟封鎖,結果為了懲罰偷偷跟英國眉來眼去的俄羅斯,拿破崙霸氣揮軍俄國,卻遭到毀滅性的打擊。拿破崙雖然一度退位被放逐到厄爾巴島,卻又奇蹟式地溜回巴黎,展開百日天下,最終還是飲恨滑鐵盧,敗在威靈頓指揮的英荷普聯軍之下。

英國跟法國一路從陸地打到海上,後來居然打到天上去了!這是怎麼回事哩?請聽我慢慢道來:

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自從 1781 年天王星被發現後,第一個計算天王星軌道的是芬蘭(當時是瑞典王國的一部份)出身的天文學家萊克塞爾(Anders Johan Lexell),他是大數學家歐拉(Leonhard Euler)的關門弟子。萊克塞爾發現天王星的軌道與牛頓重力理論計算的結果有所出入,當時他猜想似乎天王星是受到太陽系其它更遠方不知名星體的影響。不過當時行星之間的重力效應還無法很精確地被掌握,所以他無法更進一步去探究。

由於計算天王星的軌道,開啟了後續一連串找尋新行星的過程。圖/wiki
由於天王星軌道的計算,開啟了後續一連串找尋新行星的過程。圖/wiki

天體力學在號稱「法蘭西的牛頓」的拉普拉斯(Pierre-Simon marquis de Laplace)手中逐漸臻於完備,四十年後,曾擔任拉普拉斯助手的法國天文學家布瓦(Alexis Bouvard)將天王星軌道的計算結果做成完整的表,加以出版。可是天王星被觀測到的位置與布瓦的計算結果依然不一致。當時布瓦不得不猜想誤差可能來自於天王星受後方某個未被人類發現的新星球吸引的效應。他在隔年成為巴黎天文台的台長,一直到 1843 年他以高齡七十五歲為止,但是他沒有展開搜索新行星的計畫。

他的繼任者阿拉戈(Dominique François Jean Arago)倒是對這個問題深感興趣,所以在 1845 年他鼓勵當時法國最能算的勒維耶(Urbain Jean Joseph Le Verrier)去研究這個問題。勒維耶手腳奇快,十一月就提交一篇論文到法蘭西科學院,到了隔年的六月一日,他提出第一次對「新行星」位置的預測。

勒維耶萬萬沒想到的是,就在一水之隔的英國,有一個他素未謀面的年青科學家也正在研究同一個問題,他就是亞當斯(John Couch Adams)。早在 1843 年他在劍橋就開始思考如何從天王星軌道的異常,來反推「未知新行星」的質量與軌道。記錄顯示當時的劍橋天文台台長查理斯(James Challis)曾向皇家天文學家兼格林威治天文台台長艾里(George Biddell Airy)爵士索取天王星的觀測資料,就是應亞當斯的要求。

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問題是亞當斯是個害羞、不善交際、而在工作上卻是個吹毛求疵的完美主義者,所以他在什麼時候算到哪個地步,全都沒公開,這個習慣後來讓整樁事件成了一宗「羅生門」。查理斯對尋找新行星似乎不太熱衷,他的看法是這是件吃力卻未必有收獲的苦差事。 而亞當斯與艾里爵士之間的信件也顯示亞當斯並沒有詳述他的計算,艾里爵士想來也是一頭霧水。雖然亞當斯曾在 1845 年 10 月 21 日拜訪艾里爵士,主人不在家,亞當斯只留下一份與天王星軌道相關的手稿就走了。由於手稿寫得語焉不詳,艾里爵士曾經寫信給亞當斯請他解釋清楚他的計算,然而亞當斯卻一直沒有回信。這種奇怪的舉動也許讓艾里爵士對整件事有所保留吧。更何況,身為格林威治天文台台長,他也是忙得不可開交,記錄顯示當時他在處理天文台員工涉入一起亂倫謀殺案,同時迎接他第七個小孩的誕生呢!

亞當斯(John Couch Adams, 1819-1892)圖/By Unknown - http://www.york.ac.uk/depts/maths/histstat/people/adams.gif, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1182441
亞當斯(John Couch Adams, 1819-1892)圖/Public Domain, wikimedia commons.

雖說公私繁忙,艾里爵士在 1846 年 6 月 23 日得知勒維耶的第一個預測後,馬上想起亞當斯的工作,六天後他在格林威治天文台的 Board of Visitors 的會議上提到這件事情。

話說 Board of Visitors 是什麼呢?算是格林威治天文台的一個監督單位,成立於 1710 年,第一任主席是誰呢?就是跟第一任皇家天文學家佛蘭斯蒂德(John Flamsteed)有深仇大恨的牛頓,因為他是當時的皇家學會主席!不過到了艾里爵士的時候,Board of Visitors 比較像是格林威治的一個諮詢單位。7 月 9 日艾里爵士正式要求查理斯尋找新行星。而查理斯在 7 月 29 日終於開始做這件他眼中的苦差事。幸運之神正在朝他猛眨眼,可惜他不解風情,大好機會就這麼隨風而逝……。

巴黎天文台由於缺乏適當的儀器無法配合,所以勒維耶改進他的計算後,在 8 月 31 日提出第二次的預測,便將結果寄去給柏林天文台的天文學家伽勒(Johann Gottfried Galle),勒維耶的信 9 月 17 日從巴黎發出,伽勒在六天後收到,當夜凌晨伽勒跟他的學生德亞瑞(Heinrich Louis d’Arrest)就找到新行星了!位置就在勒維耶預測的位置一度以內!伽勒馬上回信給勒維耶告訴他:「在你算出來的位置上真的有一顆行星!」(the planet whose place you have really exists)。大喜過望的勒維耶馬上寫信給各大天文台,並建議新行星取名為「海王星(Neptune)」,以希臘神話的海神波塞頓(Poseidon)手上的三叉戟 為象徵符號。十月五日他正式向法蘭西科學院宣佈這項成就,舉國為之歡騰。

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觀察到海王星的新伯林天文台 New Berlin Observatory。圖/ Wikimedia Commons
觀察到海王星的新伯林天文台 New Berlin Observatory。圖/ Wikimedia Commons

而聽到這個消息的查理斯這時才發現,自己在 8 月 8 日與 12 日已經看到「新行星」,卻將它視為一般恆星,只能扼腕長嘆。當時艾里爵士正在歐洲度假,等他 10 月 11 日回到英國才發現自己已經身陷風暴,一場爭奪新行星的筆戰已經開打了。

在他人還在歐洲的時候,赫歇爾(John Herschel,天王星發現者 William Herschel 的兒子,本身也是傑出的天文學家,同是也是格林威治天文台的 Board of Visitors 的成員)在期刊 Athenaeum 登出一篇文章,不僅提到柏林天文台發現新行星的消息,還提到亞當斯的計算以及查理斯的搜尋。文中暗示勒維耶與亞當斯的工作是平行的。所以當艾里爵士向勒維耶恭賀時,卻收到勒維耶怒氣沖沖的回信,他表示自己對亞當斯的工作一無所悉,而且他質疑為何亞當斯為何從來不曾發表任何相關的著作。

其實不止是赫歇爾,連查理斯與格林威治天文台的格萊舍(James Glaisher)也都對外投書陳述類似的內容。這讓法蘭西的學界相當不開心,甚至連「英國佬要偷咱們的新行星」這種話都出來了。當時英法的報紙還出現諷刺畫,一場尋找新行星的科學壯舉變成兩個世仇的口誅筆伐,稱之為「海王爭霸戰」毫不為過。

查理斯在 10 月 15 日在期刊 Athenaeum 投書,他承認在亞當斯給他的預測範圍內(亞當斯給的範圍有二十度之多)他的確在 8 月 4 日與 12 日都看到了新行星,但他疏於比較星表,沒有在當時了解到,看到的是行星而非恆星。所以他認為英國還是第一個「發現」新行星的國家,所以有資格為新行星命名,他還建議把新行星命名為 Oceanus。

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其實早在 10 月 5 日法蘭西科學院開會時,巴黎天文台台長阿拉戈甚至主張把行星命名為「Le Verrier」!而當事人勒維耶雖然之前建議採用 Neptune,似乎也心中竊喜,想來變為一顆星是難以推辭的殊榮吧。再加上原先真正的發現者伽勒主張的 Janus(羅馬的雙面門神,因為「新行星」守在太陽系的門口),一共有四個名字了!最後在巴黎的經度局(Bureau des Longitudes)決定採用 Neptune,而英國皇家學會也把該年度的 Copley 獎章頒給勒維耶, 完全沒提到 Adams。看來英國佬認輸了。

嘿嘿,妙就妙在隔了兩年亞當斯還是得了 Copley 獎章,理由呢?海王星!而原本表示勒維耶是新行星發現者無可置疑的艾里爵士,也改口在 11 月皇家天文學會上公然將勒維耶與亞當斯兩人的成就相提並論。英國人果然不容易低頭認輸呀。

Urbain Le Verrier (1811-1877).圖/ Wikimedia Commons
Urbain Le Verrier (1811-1877)圖/ Wikimedia Commons
Johann Gottfried Galle (1812-1910)圖/Wikimedia Commons
Johann Gottfried Galle (1812-1910)圖/Wikimedia Commons

這場爭霸戰後最大的輸家首推查理斯,英國大眾指責他蹣頇無能,把大好機會白白讓給法國人。而艾里爵士也是滿臉全豆花,被批評是目光短淺,官僚心態,(話說發現新行星的確不是格林威治天文台的業務)。年輕的亞當斯對這兩位長者以及勒維耶倒是都不曾口出惡言。而經過這場海王爭霸戰之後,他的聲名鵲起成為家喻戶曉的名人。算是這場紛爭的贏家。而勒維耶與伽勒原本開心地成就一樁大事,半路卻殺出程咬金,硬生生要搶去半個功勞,真是無妄之災。伽勒為人謙遜,總是將新行星的頭銜推給勒維耶,後來他得享高壽九十八,想來是他好人有好報吧!

八年之後亞當斯又掀起另一場英法之爭。之前在阿文開講第一集曾提過,當年為了解釋月球的長期加速,拉普拉斯曾有過重力傳播速率是有限的想法。但是在 1786 年他發現月球繞地軌道的離心率會因攝動而改變,進而使月球的切線速度增加。他的計算解釋了整體的效應,似乎解決了這個難題。然而,亞當斯在 1854 年重新檢查拉普拉斯的計算,竟然發現其中有誤:拉普拉斯以地球軌道離心率的變化為基礎的說法只能夠解釋約一半的月球加速。這發現引起英法天文學家持續數年的尖銳爭議,像勒維耶馬上反對亞當斯的做法。可是最終包括德勞奈(Charles-Eugène Delaunay)等專家最後都接受了亞當斯的結論。

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那麼另一半的月球加速是怎麼回事?後來德勞奈與費雷爾(William Ferrel)各自獨立提出解答。原來地球自轉由於潮汐作用而逐漸趨緩,而月球的運行速度的歷史紀錄是以地球自轉一周的日為單位來記錄,所以造成所謂的「月球加速」。亞當斯因為這項成就獲頒皇家天文學會金質獎章,而兩年後勒維耶也得到同一個獎章,而頒獎人呢?呵呵!正是時任皇家天文學會主席的亞當斯!真是有緣,不是嗎?

地球自轉由於潮汐作用而逐漸趨緩,而月球的運行速度的歷史紀錄是以地球自轉一周的日為單位來記錄,所以造成所謂的「月球加速」。圖/wiki
地球自轉由於潮汐作用而逐漸趨緩,而月球的運行速度的歷史紀錄是以地球自轉一周的日為單位來記錄,所以造成所謂的「月球加速」。圖/wiki

勒維耶後來嘗試以水星進動的異常為理由主張有一顆更靠近太陽的行星,連名字都取好了叫 Vulcan 星!(星艦迷航記的編劇八成是學天文的!) 水星進動異常後來被廣義相對論漂亮地解釋了。所謂 Vulcan 星自然成了明日黃花。勒維耶在 1854 年接替阿拉戈成為巴黎天文台台長,但是他人緣奇差,1870 年台長一職改由德勞奈接手,但是兩年後德勞奈不幸在一場船難中罹難,所以他又回鍋當上台長,直到 1877 年過世為止。他真是個幸運兒!

這場海王爭霸戰似乎就此收場,然而在 1998 年在智利有一位天文學家艾根(Olin Jeuck Eggen)過世後,在他的遺物中居然出現失蹤的「海王星檔案」。這些檔案據信是艾根任職格林威治天文台時順手牽羊、據為己有。經研究後,英國記者科勒斯特姆(Nicholas Kollerstrom)宣稱當年亞當斯的計算,根本不足以讓查理斯找到新行星。是耶?非耶?尚待澄清。

科勒斯特姆由於否認納粹大屠殺,在英國早已聲名狼藉,所以也許需要有人做更持平的研究。諷刺的是後人發現,不但赫歇爾(John Herschel)早在 1830 年就看到海王星,甚至連伽利略在 1612 年的記錄都可以找到海王星的蹤跡!只是無人識得這顆八星等的黯淡小星,居然是咱們太陽系的手足。1989 年,美國太空總署發射的旅行家二號飛越海王星,我們才第一次近距離看到這顆外觀是藍色的美麗星球,相較於世間無謂的喧囂爭吵,海王星要美麗許多,您說是嗎?

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旅行家二號,第一艘造訪天王星跟海王星的太空飛行器。圖/Wikimedia Commons
旅行家二號,第一艘造訪天王星跟海王星的太空飛行器。圖/Wikimedia Commons
旅行家二號所拍攝到的海王星照片。圖/Wikimedia Commons
旅行家二號所拍攝到的海王星照片。圖/Wikimedia Commons

38卷10月號封面

 

本文轉載自物理雙月刊》 38 卷 2016 年 10 月號,更多文章請見物理雙月刊網站

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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

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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從戰國時代到漢朝,宇宙論的先進與式微
劉律辰
・2023/03/22 ・3538字 ・閱讀時間約 7 分鐘

中國是四大古文明之一,有著一段輝煌的天文觀測史,帶來精密的曆法、博大的哲學與玄妙的星象文化。其中,戰國至漢代為中國宇宙論發展最為迅猛的時期,部份觀念甚能先進於中、近古的西洋。當我們回首這些朝代的興衰遞嬗,不僅補苴思想史與科學史的罅漏,更能以此反思漢代以後國人精神世界何以飽和、枯竭。

中國古代主要的宇宙論有三家:「蓋天」、「宣夜」與「渾天」。以現代觀點而言,宣夜描述宇宙本質,渾天解釋繁星運行,蓋天與渾天可參照西方地心說(天動說)。

蓋天說 穹頂下的大地

蓋天說」是中國最早的宇宙模型,認為「方屬地,圓屬天,天圓地方」註 1,即「天圓地方」、穹廬狀的天覆蓋方形的地

到了戰國時代,蓋天說開始受到質疑,如《大戴禮記》中就記載,曾子曾提到:

天之所生上首,地之所生下首,上首謂之圓,下首謂之方,如誠天圓而地方,則是四角之不揜也。註 2

意思是「圓天」與「方地」的形狀無法契合。

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到了戰國晚期,蓋天說被修正為「天似蓋笠,地法覆槃」註 3,即天與地為平行的拱面;另種說法是天與地是平行的平面,由八根「天柱」支撐。傳說中的水神共工,就是在與顓頊爭奪王位失敗以後怒撞了天柱之一的不周山,導致「天」傾斜,也就有了「女媧補天」的故事。

然而,無論「地」是什麼形狀,星體將永遠處在人類能看見的範圍,並不符合天體東升西落的觀測結果,「漢賦四大家」之一的揚雄寫的《難蓋天八事》就否定了蓋天的說法。儘管到了西晉時期,仍有虞聳的「穹天說」來繼承蓋天理論,但在愈發廣大而精確的觀測數據面前,蓋天說已是落日餘暉。

蓋天說的代表作《周髀算經》。圖/wiki

宣夜說 由「氣」推動的無邊宇宙

「宣夜說」,則認為宇宙無邊無際,而「氣」推動宇宙的運行。這樣的想法受道家宋鈃、尹文的影響,即「氣」為萬物本源。《莊子.逍遙遊》中寫道:

天之蒼蒼其正色邪?其遠而無所至極邪?

其中便隱含宣夜的概念。

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如今的我們認為宇宙雖非無限大,卻沒有邊界與固定形狀,這點與宣夜說相同,儘管這樣的理論在觀測實用上不如蓋天說與渾天說。

宣夜說對於天體生成的理論,也與今日意外巧合。《列子.天篇》就提到:

日月星宿亦積氣中之有光耀者。

而在現今的天文學概念中,恆星確實是由氣體聚集、壓縮而成。

現今的天文學認為,宇宙中充斥著塵埃和氣體。圖/envato

神秘的宣夜說在戰國以後逐漸失傳,到了東漢時只剩郄萌一家。還有西晉楊泉《物理論》寫道:

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發而升,精華上浮,宛轉隨流,名之曰「天河」,一曰「雲漢」,眾星出焉。

也繼承宣夜說。至於「氣」與宇宙論的建構工作,就由渾天說繼續發展。

渾天說 最接近真實宇宙面貌的一刻

「渾天說」主張宇宙是個完整的「球體」,而非蓋天說的「半球體」,而地球處於這個球體之中,這個說法較接近現代的天文學理論。同樣受道家的影響,渾天說的宇宙組成裡,「」與「」是重要的概念。

這個概念最早可見於戰國楚地竹書《太一生水》與《恆先》註 4、註 5,同期的魏人石申與齊人甘德也依渾天之說,設計出最早估算天象的「渾儀」。

漢武帝的年號「太初」顯然受到渾天說的影響,也正是於此前後,渾天說逐漸取代了蓋天說的地位。此後,仍有不少關於「氣」的零星論述,如西漢末年的《易緯》、東漢王充的《論衡》、《白虎通》。

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東漢科學家、「漢賦四大家」的張衡集渾天說之大成。他設計了以水為動力、並加入地平圈和子午線的「渾天儀」,其著作《渾天儀》與《靈憲》分別繼承了「水」與「氣」的學說。可惜《渾天儀》如今已失傳,只能從人的《渾天儀注》中略窺一二。

此外,《晉書.天文志》中寫到:

宣夜絕無師承,周髀多所違失,惟渾天得近其情。

而唐代的方炯也寫了《渾天論》來駁斥蓋天和宣夜的理論。由於哲學理論與文人的支持,渾天說力壓其他兩者,逐漸成為中國宇宙觀的主流。

天球儀(又名渾天儀、渾象),用以表現恆星和星座位置,並能演示天體的周日運動。圖/wiki

雖然未有數學化的觀念,但中國宇宙論卻如此接近事實。然而,為何在漢代以後就再也沒有巨大斬獲、進而造就西方那般的天文革命呢?

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農民曆的出現與天文觀測的式微

明代的顧炎武在《日知錄》中提到:

三代以上,人人皆知天文。「七月流火」,農夫之辭也;「三星在戶」,婦人之語也;「月離於畢」,戍卒之作也;「龍尾伏辰」,兒童之謠也。

此處的「三代」指的應該就是堯、舜、禹,其中不難見到:由於農耕需求,上古時代的天文學經驗迅速積累,如被認為可能是堯都平陽的山西陶寺遺址,就有著中國最古老的觀象臺(約建於西元前 2100 年)。

《尚書.堯典》也說道:

(堯)乃命羲和,欽若昊天,歷象日月星辰,敬授人時。

日中,星鳥,以殷仲春。

日永,星火,以正仲夏。

宵中,星虛,以殷仲秋。

日短,星昴,以正仲冬。

這些都可以看出,上古的四季是由「星宿」來定義;大火星(心宿二)也十分重要,用以判斷入秋的時間,《史記》就記載了堯曾封商人始祖契於商丘,任「火正」,負責觀測、祭祀大火星。

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由此可知,古代人由於生產勞動的需要,人們「時間」和「季節」的掌控非常重要,因此必須研究天文和曆法。然而,自從夏后氏制定《夏小正》開始,農民曆的出現,大大減少了觀星的必要。

此外,受到文化變遷的影響,漢代以後的天文學更開始攙入「讖緯之學註 6」,「宜」、「忌」觀念深植人心,造成西周的人文精神與東周的理性精神逐漸喪失。雖然漢代天文學仍有極高成就,但究其根本,仍是奠基於戰國天文哲學的實際觀測結果,宇宙論體系的成長已相對趨緩。

然而,這是中國宇宙學或天文觀測沒落的主因嗎?

知識份子的胸懷

事實上,王充的《論衡.譏日篇》批判了當時的迷信氛圍,就是理性精神未被「讖緯」的飛沙走石淹沒的中流砥柱。一種學說,或者一種學術風氣的興衰下,最重要的還是知識分子的胸懷,縱使國家學術風氣有了些許問題,只要那些文人持續發聲,那麼企圖尋求真知的風尚就能成為銅山鐵壁,所有挑戰相形之下悉如熒光單薄,被穆穆的清風飄颻殆盡。

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不幸的是,隨著朝代的遞嬗,「儒學」逐漸成為讀書人的唯一;唐代科舉猶有「明算」科,元、明以後的四書五經則已佔據了一切,清代更把僅存的儒學凍結為僵化的「樸學」。於是,讀書人的視野預漸狹隘,那片遙遠的星河漸行漸遠,把滋養科學革命的后土,拱手讓給了西洋。

註解

  1. 出自《周髀算經》卷上之五。
  2. 出自《大戴禮記》《曾子天圓》之一
  3. 出自《晉書》《志第一 天文上》之八。
  4. 張佑任(2021),郭店楚簡〈太一生水〉之宇宙論。《哲學論集》,53(p33 – 53)。
  5. 丁四新(2018),楚竹书《恒先》的三重宇宙生成论与气论思想。《中国哲学》,2018 年 01 期。
  6. 讖緯之學:一種政治預言。「讖」是假藉上天的預言來達到政治目的,通常會加上圖作配合,稱為「圖讖」。 「緯」則是假藉孔子的言論所偽造出來的典籍,是真正記載孔子言論的「經」相對,所以也稱為「緯書」。 「讖緯」是一種用來凸顯帝王政權合理化的工具,盛行於西漢末年。

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宇宙如何影響我們的文明?星空信仰下的人們——《人類大宇宙》
遠流出版_96
・2022/10/17 ・3016字 ・閱讀時間約 6 分鐘

  • 作者 / 喬.馬錢特博士(Dr. Jo Marchant)
  • 譯者 / 徐立妍

宇宙最初的光芒

將近一百四十億年前,一切自虛無中霹靂而生,我們的宇宙從一個熾熱、壓縮又微小到無法想像的小點中迸發誕生,接著幾乎是在一瞬間便往外膨脹,形成太空的這個空間以超過光速的程度急速擴張,一直到所有存在的物體大約成為一顆葡萄柚的大小。

然後,宇宙持續擴張、冷卻,接著形成了最初的物質,就在那第一秒內,中子、質子、電子、光子、中微子等各種粒子組成的高密度團相互推擠,形成一股驚人而熾灼的熱,散發出有如霧般的光。宇宙生成大約三十八萬年後,這顆泡泡已經擴張到幾千萬光年以外的地方,並且冷卻到了幾千度左右,這樣的溫度足以讓原子組合在一起,宇宙第一次透出了光。

一開始只是一閃即逝的光,然後黑暗再度籠罩,還要再過幾千萬年,重力才能夠吸引住稍有密度的各種物質,粗暴地將一團團氣體碰撞在一起,形成最早的星星及星系,就這樣,天空的燈光一個個亮了起來。

大霹靂(Big Bang)。圖/envato.elements

大多數的宇宙學入門大概都會以自己的方式描述這一連串事件,但謎團仍未解開:大霹靂(Big Bang)真的是一切的開端嗎?或者我們的宇宙只是在另一個更大的多重宇宙中一顆不斷膨脹的泡泡?宇宙會永遠擴張下去嗎?或者到最後會在一次大擠壓中再次崩塌?不過,眾人都能同意宇宙的普遍性質及宇宙是怎麼回事,目前已經揭露的事實是,這是一台龐大且精細的機器,由物理粒子組成,並且其中的作用力也依循著數學方程式及法則。

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仰望星辰的人類歷史

這本書要說的是不同的故事。宇宙的科學解釋是我們現代文明的巔峰,如此擲地有聲的見解足以消弭其他所有不同看法。研究宇宙的宇宙學曾一度被形容為在哲學及精神層面上的廣泛追尋,要找出人類存在的意義,要問我們是誰、我們在哪裡、我們為何在此地,如今卻是數學天文學的一個分支。那麼,那些大哉問怎麼了呢?我們對於宇宙已經沒有其他什麼需要知道的嗎?

這本書並不是要詳細描述最新的天文學進展,是要介紹長久以來,人們從星辰收集到的知識歷史,是關於人們的宇宙觀如何讓他們認識了現實的本質及生命的意義;關於我們已經捨棄的那些神祇與靈魂、神話與神獸、宮殿與天體;關於科學觀點如何成為主流,而這段路程又是如何形塑今日的我們。這是一段關於人的故事,講述了祭司、女神、探險家、革命家和君王,故事並非由大霹靂開始,甚至也不是由科學的誕生開始,而是由最早抬頭望向星星的人類開始,以及他們在天空中找到的答案。

為何要在乎過去對天上的信仰?考古學家和歷史學家通常不會如此。我們知道,科學是立基於試圖理解天堂的念頭,不過學者要更全面追溯人類歷史進展時就鮮少以此為焦點,我認為此舉對於我們要理解自己從何而來造成了巨大的盲點。事實上,人們在天空中所看到的模式一直都主宰著人們在地上生活的方式,形塑了對於時間與空間、權力與事實、生與死等概念。
我們在古老的過往中便看見這一點:執著於日食的巴比倫人;建造金字塔以引導靈魂前往星星所在之處的埃及法老;在太陽旗幟下奮戰的羅馬皇帝。對宇宙的概念也形塑了現代世界,即使我們忘記這些影響力的根源,卻也已經深植在社會當中,存在我們的國會、教堂、藝廊、時鐘與地圖裡。從基督教的誕生,乃至歐洲的探險及主宰星球,其中核心的影響力正是對太陽、月亮、星星的信仰,他們指引著不羈的立法人員創建了民主與人權原則、引導經濟學家建立資本主義所仰賴的框架,甚至指示畫家畫出了第一幅抽象畫。

捷克布拉格舊市政廳天文鐘。圖/envato.elements

今日光害籠罩著我們的星球,星星幾乎消失了,過去在黑暗的夜空中能看見上千顆星星,但今日在城市裡的我們只能看見幾十顆。天文學家擔心,就連這些很快也會遠遠不敵人造衛星的數量,在美國和歐洲的大多數人根本再也看不見銀河。看著自然遺產這樣逐漸消蝕實在是災難一場,我們與銀河系及浩瀚宇宙之間的連結也會就此消逝。沒有人為此群起大聲疾呼,大多數人只是聳聳肩,依舊盯著自己的手機,絲毫不擔心即將失去這片在歷史上其他每一種人類文化都視為必要的景象。

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宇宙的本質與生命的追尋

但是,我們仍然努力想弄清楚我們在宇宙中的位置,科學在這方面的進展十分成功:今天一個五歲小孩比起幾千年前的古早文化更清楚物理宇宙的歷史、組成及本質,但是科學也將這些文化在生命中發現的意義拆解了大半,將個人經驗屏除在我們對現實的理解之外,取而代之的是時空概念抽象而數學化的網格。

地球從存在的中心被踢到了邊緣,生命被重塑成隨機意外的結果,而且也完全不管神明了,現在一切都能以物理法則來解釋。我們在宇宙秩序中完全不是什麼有意義的角色,而是如物理學家史蒂芬.霍金(Stephen Hawking)所言,我們只是「化學渣滓」,存在於一個中等大小的星球表面,繞著一個沒什麼重要性的星球運行。

幾百年來不斷有人批評反對這樣冰冷機械式地解釋人性,過程中經常全盤否決科學的見解,一直到不久之前仍屬於禁忌話題,但現在即使是受人敬重的科學家也對此表達擔憂,他們認為或許物理物質並非宇宙全貌、並非我們的全貌;或許,科學只看見了全貌的一半。我們可以解釋星體與星系,但心智呢?意識本身呢?這些論戰逐漸形成一場世紀之戰,可能會改變整個西方的世界觀。

畫下戰線之後,我想我們必須換個角度思考,提出概述,因此這是一本關於宇宙的書,不是科學指南,是從人性出發。我不長篇大論地講述,而是選擇了十二個時刻,你或許也可以稱之為墊腳石,讓我們理解歷史上的人們是如何看待天空,尤其是這十二篇故事依循著西方物質宇宙觀點的崛起,爬梳這套宇宙模型如何主導我們的生活。這些故事從人類最早透過洞穴壁畫及巨石陣來表達人性開始追溯,途中講述了基督教、民主及科學等重要傳統的誕生,最後進行到追尋外星生命以及近來飛入真正的且虛擬的太空之旅。

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這趟旅程能夠解釋今日的我們是誰,或許還能指引出未來的航道。所謂當局者迷,我們很難看見其極限,因此我希望拉遠距離去檢視人類宇宙信仰的深度歷史,或許有助於我們探索世界觀的界線,還可能看得更遠。我們是如何成為無意義的宇宙中被動的機械?這些信念如何影響我們生活的方式?而我們由此又能前往何方?

———本書摘自《人類大宇宙》,2022年 9 月,遠流出版。

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