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世上最孤獨的鯨魚「52赫茲」,你還獨自在唱寂寞的歌嗎?

Gilver
・2017/01/18 ・5173字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 526 ・七年級

編譯/Gilver

52 赫茲,是一隻鯨魚的名字。牠的歌聲比同伴鳴唱的頻率都來得高、不被同伴們聽見,因此被稱做「世界上最孤獨的鯨魚」。雖然真面目仍然深藏在藍海之下,牠的故事卻令人動容而廣為流傳,甚至成為了歌曲和電影的題材。

在美國,人們發動群募計畫資助紀錄片的拍攝,希望導演和海洋學家能讓人們能夠再次見到牠,知道牠過得好不好。然而經歷二十幾年的追尋,科學家們卻認為這隻鯨魚可能並不如人們想像的如此孤單,所謂 52 赫茲鯨魚的孤獨,可能只是我們內心渴望愛與陪伴的情感投射。

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52 赫茲鯨魚的孤獨,可能只是人們內心渴望愛與陪伴的情感投射。圖/phtorxp@pixabay

「因為我愛,因為我活著,因為孤獨,我探索」——〈52 赫茲〉歌詞

「52 赫茲」首次在太平洋被捕捉到的鳴唱紀錄,距今已有二十年餘。牠還在未知的某處徘徊、唱著沒有同類聽見的歌嗎?還是牠仍然持續著孤獨漫遊,持續著找不到同伴的旅途?

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先別說那個了,假如先將你內心最柔軟細膩的那塊擱置一邊,你一定也很好奇:牠究竟是否真的像我們所想的那般孤單寂寞?或者,更進一步的問一些生物學的問題:牠是男、還是女?牠是隻齒鯨還是鬚鯨,是藍鯨、抹香鯨、長鬚鯨還是大翅鯨?真的都沒有鯨魚聽見牠嗎?

往好處想,也許「52 赫茲」的歌聲只是比較獨特,牠可能其實沒有那麼寂寞?或許,其他鯨魚只當牠是隻怪異的邊緣鯨?或許牠如此歌唱,反而能使牠比較容易被聽見?難道牠這樣唱,只是想讓異性同伴印象深刻?然而,不管是有什麼樣的猜測,如果能夠再次聽見這隻獨特鯨魚的聲音、甚至看見牠的容貌,不僅是能夠讓人們的感情獲得救贖,科學家更能從中得知更多關於鯨魚的知識和他們歌聲的秘密。

目前沒人確定牠是雌是雄,屬於什麼物種,甚至是牠究竟是否仍然活著。牠的聲音最後一次被記錄到是在 2004 年的事情了······

我們那天所聽見的歌聲

「52 赫茲」鯨魚的故事起源於 1989 年,美國海軍建立了別稱為「SOSUS」的水下聲音監測系統(Sound surveillance system),也就是以陣列式的水下麥克風來偵測敵軍潛艦的一套設備。有一天,它收到了一些奇怪的訊號,聽起來像是藍鯨的歌聲,但有個重大的差別:它的頻率為 52 Hz,相較於藍鯨經常鳴唱的 10~40Hz,它的頻率是顯著的太高了些;聽起來也不像長鬚鯨(fin whale),長鬚鯨鳴唱的頻率通常是 50Hz

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52 赫茲鯨魚的歌聲,聽起來是這樣的:

最早查覺到這段錄音獨特之處的人,是麻省的伍茲霍爾海洋研究所(WHOI, Woods Hole Oceanographic Institution)的海洋哺乳類學家瓦特金斯(Bill Alfred Watkins),從此之後他持續追尋這隻以 52 Hz 鳴唱的鯨魚,直到 2004 年辭世、享齡 78 歲。在告別人世的前幾個月,他與研究夥伴把他們在北太平洋中部及東部海域追尋「52赫茲」的研究成果正式發表在學術期刊上,其成果主要指出聲音綿延的範圍很小,軌跡主要都由西向東、主要由北向南。

「即使仔細地年復一年又無所不包的監聽,有這樣特色的聲音卻只有一個,而且每季都只有一個來源。」瓦特金斯等人的研究如此寫道。

於是,這項發現——或者說是它所造就的更多謎團——集結了各種引人入勝的元素:全心投入的卓越科學家,與軍方好幾年的合作研究,加密的聲音檔案,以及這些秘密資料,終於以研究出版的形式在世人眼前解密。

主流媒體稱它為「一隻孤單動物的故事」。2013 年,英國的小報《快報》(the Express)聲稱這隻鯨魚不尋常的鳴唱「使牠難以找到愛情。」於是牠的故事開始被反覆傳頌,逐漸感動了全世界,成了動物界最神秘的明星之一。

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被故事感動的人們,想要見牠一面。想要知道,牠是否仍舊孤獨。

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在海面下悠游的藍鯨,是否就是 52 赫茲的本尊?目前還沒人知道。圖/greatbluemarble

導演為尋鯨啟航,科學家卻提出質疑

2015 年,美國製片人喬許.澤曼(Josh Zeman)和演員安瑞葛雷(Adrian Grenier)在網路上發起群眾募資,計畫製作一部關於 52 赫茲鯨魚的紀錄片。網站上鼓勵捐款的宣傳大力強調:「這隻最孤單的鯨魚需要朋友。」而這些募款將會用於該年秋天的考察隊資金,希望能找到「52 赫茲」並進行拍攝工作。最後,在名演員李奧納多.狄卡皮歐的 5 萬美金大力贊助下,募款目標 30 萬美金終於達標。

但想在整座太平洋尋找一隻鯨魚,是否搞錯了什麼呢?

整部紀錄片最大的挑戰,無疑就是找到對的鯨魚、並且拍攝牠。然而,雖然,縱使一隻鯨魚的歌唱能在水下綿延數百至數千英里,但要在整片太平洋尋找一隻鯨魚,仍然如大海撈針般困難重重。

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不只如此,製片人澤曼還遇到其他問題,有些鯨魚科學家對他的做法提出質疑。其中一個批評來自紐約康乃爾大學的克拉克(Christopher Willes Clark)博士,他在 1993 年記錄了 52 赫茲鯨魚,認為這件事並沒有乍聽之下如此的「超自然」。他認為,過去有許多種類的特殊鯨魚歌聲曾被人們偵測,另外也有些研究認為在特定區域內共同生活的鯨魚會有屬於牠們的方言(dialects)。「考量到這一點,52 赫茲鯨魚就沒那麼獨特了。」克拉克說道。

克拉克和其他人也反對,這隻孤獨的鯨魚「不能被其他唱著尋常低頻的藍鯨們聽見或了解」的看法。

「牠的鳴唱仍然具備了許多典型藍鯨的特質。藍鯨、長鬚鯨和座頭鯨都沒聾掉,都能聽見牠。52 赫茲鯨魚只是很怪。」

對於科學家提出的批評,澤曼雖不感同意,卻也承認這也確實讓人備感掙扎。「我們的確是說得誇張了點。」澤曼說道,「不過如果目的是想知道這隻鯨魚是否孤單──我不認為這個計畫有所偏離。我的目的就是希望科學家真的去思考這個事情。」

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人們看著藍鯨擺盪著尾鰭遁入水中,但對於 52 赫茲鯨魚卻還是滿頭問號。圖/Michiel van Nimwegen @ Flickr

是不甘寂寞,還是順應環境的變遷?

另一個發現又讓整件事更複雜。加州斯克里普斯海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography)的希爾德布蘭(John Hildebrand)博士指出,這隻鯨魚已經好幾年沒有以 52 赫茲鳴唱了。先前瓦特金斯其實也有注意到這點,這隻鯨魚鳴唱的頻率似乎逐漸降低,縱使距離上次紀錄已經好幾年前的事了。

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這並不是鯨魚改變鳴唱頻率的特例。根據希爾德布蘭博士在 2009 年發表的研究,全世界的藍鯨自從 1960 年代起唱歌頻率就逐漸降低,暗示著「52 赫茲」和藍鯨可能存在著某種關係。有趣的是,北大西洋露脊鯨(North Atlantic right whale)則相反,牠們的鳴唱頻率是逐漸變高。

沒人知道鯨魚如此改變牠們的鳴唱頻率是為了什麼。在 2009 年,希爾德布蘭博士和他的同事麥克唐納德(Mark McDonald)認為藍鯨降低牠們的歌唱頻率,能使得牠們的聲音在海上船隻造成的噪音中顯得突出,而不會被蓋過。但這個想法後來似乎又是錯誤的。「這些鯨魚降低歌唱的頻率,實際上卻是牠們正轉移到一個噪音不減反增的地方。」希爾德布蘭博士說道。

康乃爾大學的克拉克表示,鯨魚對人造噪音會產生的反應難以預期。他曾經實際觀察到石化燃料探勘船投下爆裂物探索海床的同時,也接觸到正在歌唱的鯨魚,有時候鯨魚的反應會相當劇烈。「有許多次鯨魚會全然改變他們的行為,」克拉克說道,「雄性鯨魚停止歌唱,整個聲幕寂靜下來。牠們會離開現場,但不總是這樣。有時候這並不會造成什麼改變。」

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圖/Oregon State University @ Flickr

難道從未現身的「52 赫茲」是隻混種鯨魚?

或許鯨魚是因為全然不同的理由,而改變了牠們的鳴唱。希爾德布蘭博士認為藍鯨正在跟彼此競爭,每過一季就變得更加低沉。「如果你隔壁的傢伙聲音比你更低沉一些,你最好配合他調整。」他說。「我們觀察到了。牠們每季都會聆聽彼此、調整牠們的歌聲,以求協調。」

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這又引發了另一個問題。如果鯨魚傾向都唱相似的歌曲,會是什麼原因,驅使牠們其中的一隻唱起和同伴完全不同的曲調?其中一個主流的假說是:52 赫茲鯨魚是隻由兩種不同鯨魚雜交生下的混種(hybrid)。若是如此,這樣的鯨魚可能就會有一副與眾鯨不同的軀體,進而可能去影響到它的鳴唱。

非營利研究機構卡斯卡迪亞研究團隊(Cascadia Research)的成員之一卡蘭布基迪斯(John Calambokidis)表示,藍鯨和長鬚鯨的混種有詳實的記錄,遇到了也能夠分辨得出來,舉例來說,牠們的體型通常比較接近長鬚鯨,但吻部和鰭狀肢則更大,比較像藍鯨。西雅圖華盛頓大學史塔福(Kate Stafford)也認為,或許「52 赫茲」表現得比較像隻藍鯨。

「牠確實有藍鯨的季節性,而且如果你觀察瓦特金斯等人發現的遷徙模式,其實和藍鯨是一樣的。所以我很有信心牠至少有部分是隻藍鯨。」

但是,即使是曾經貼身記錄過混種鯨魚的卡蘭布基迪斯,也無法肯定這樣的說法,因為沒有人記錄過一隻混種鯨魚的叫聲,而牠們的鳴唱紀錄是非常關鍵的證據。他正在積極改進研究技術,其中一個急需解決的問題是:如何找出是哪隻鯨魚正在唱歌。

技術力發威,誓言找回「52 赫茲」

科學家經常在鯨魚身上安裝麥克風,好記錄牠們的鳴唱,但這種方法有時候也會記錄到其他鄰近鯨魚的聲音。因此, 卡蘭布基迪斯和他的同事們為麥克風增裝了加速計(accelerometers),跟手機感測使用者如何運動的原理一樣。「當牠正在鳴唱時,牠的身軀也會隨之震盪,加速計就會抓住那個訊號。」同為研究團隊成員之一,英國聖安德魯大學的泰克(Peter Tyack)說道,「這是目前最好掌握到一群動物之中誰正在鳴唱的方法。」在一份 2014 年發表的研究之中,他們已經能夠即刻掌握到歌聲是來自哪一隻被標記的鯨魚了。

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而在伍茲霍爾海洋研究所,海洋生物學家鮑格納(Mark Baumgartner)也著手開發一套監聽系統:透過繫泊在麻州海岸的浮標和無所不聽的水下麥克風,它將能夠即時自動分析鯨豚的叫聲、透過衛星傳遞到研究所的電腦,利用鮑格納撰寫的程式將記錄到的聲音分門別類,然後將這些聲音即時發布到網路上。理論上,如果鯨豚發出的聲響夠突顯,這個偵測方法就能用來鎖定特定的動物,用來尋找「52 赫茲」的本尊。不過,照理來說這套系統應該要裝設在「52 赫茲」過去曾經出現過的地方,比如說美國西海岸外圍。

找到了,我們就能知道「52 赫茲」是否真的寂寞嗎?

事實是,人們常傾向想像動物如同我們一樣,會經歷和人類相同的情緒。鯨魚是複雜且充滿謎團的生物,或許鯨魚跟人類一樣會感到孤單的想法,讓這隻動物看起來與我們更親近了。但在有憑有據之前,它仍然只是個幻想,唯有再次找到 52 赫茲鯨魚才能更向前邁進一步。

52 赫茲鯨魚聲蹤再現,卻不再孤單

就在 2010 年,加州沿海岸線的感測器找到了和瓦特金斯的紀錄相同模式的鯨魚鳴唱。

這段錄音是被一位實習生所發現,感測器的位置就位在希爾德布蘭博士辦公室距離不到 6 英里的地方。然而,感測紀錄卻顯示——現在已不只有一隻鯨魚正唱著不尋常的高頻歌曲!兩個分隔相當遠的感測器上同時出現這樣的訊號,顯示來源這可能不是來自單一隻鯨魚,而是多隻。

可想見希爾德布蘭博士等人找到了一群鳴唱著相同而特殊頻率的鯨魚。「52 赫茲」可能是這群鯨魚的一份子,只不過偶爾會獨自會遊蕩、離開鯨群。如果屬實,那這就是一個好的故事結局:這隻鯨魚一點都不孤單。

52 赫茲鯨魚們,與科學家未完的故事

從 1989 年發現「52 赫茲」的聲音開始,瓦特金斯展開了長達 12 年探尋「52 赫茲」蹤跡的研究,於此同時這份研究被媒體的想像力撰寫成故事,一隻想像的孤單鯨魚隨著浪漫傳說的口耳相傳,游進了全世界所有孤獨的人心中,促成了群眾募資的紀錄片開拍計畫。這份計劃後來又與科學家追根究柢的精神彼此衝擊,繼而產生更多想法:這樣鳴唱究竟是適應環境還是配合同類?牠是不是隻由藍鯨和長鬚鯨所誕下的混種鯨魚?然後,科學家們也加入了改進尋蹤科技的行列,最後終於在加州海岸聽見了多隻「52 赫茲」同時鳴唱的聲音。

能夠找到確鑿的證據,真的不容易。雖然目前尚不能算是鐵證確鑿,但對於關心這隻鯨魚是否孤獨的普羅大眾,或許已經可以相信當年那隻「52 赫茲」其實並不孤單。而對於這隻引燃火苗的鯨魚,科學家們熊熊燃起的好奇心可不會就此罷休,還得找出更多的證據才能回答他們心中的問題。

直至今日,所有人都還正在尋找著「52 赫茲」的身影。那或許是海面之下人們內心孤獨的倒影,也或許是科學家渴望見其貌而聞其聲的混種鯨魚。無論如何,想要探索 52 赫茲鯨魚的真實樣貌,我們只能等待——並且仔細的聆聽。

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52 赫茲鯨魚的全貌,仍然還在深水之下。圖/Gwenn Seemel @ Flickr

資料來源

原始研究

  • Watkins, W. A., Daher, M. A., George, J. E., & Rodriguez, D. (2004). Twelve years of tracking 52-Hz whale calls from a unique source in the North Pacific. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 51(12), 1889-1901.
  • McDonald, M. A., Hildebrand, J. A., & Mesnick, S. (2009). Worldwide decline in tonal frequencies of blue whale songs. Endangered Species Research, 9(1), 13-21.
  • Shamir, L., Yerby, C., Simpson, R., von Benda-Beckmann, A. M., Tyack, P., Samarra, F., … & Wallin, J. (2014). Classification of large acoustic datasets using machine learning and crowdsourcing: Application to whale calls. The Journal of the Acoustical Society of America, 135(2), 953-962.
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Gilver
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畢業於人人唱衰的生科系,但堅信生命會自己找出路,走過的路都是養份,重要的是過程。

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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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腦中那首歌停不下來?可能是「耳蟲」找上你!
雅文兒童聽語文教基金會_96
・2025/08/20 ・3373字 ・閱讀時間約 7 分鐘

  • 文 / 雅文基金會聽語科學研究中心 林旻萱 助理研究員

在你的日常生活中,是否也有過這樣的經驗呢?四周一片寂靜,你坐在書桌前,試圖專心準備即將到來的考試,卻發現怎麼樣都無法靜下心來,因為腦袋裡正不受控制地播放同一首歌,甚至有時候還會不自覺的哼唱起旋律。那也許是你在商店裡無意間聽到的廣告歌曲,也或許是喜歡的歌手發的新歌,無論你有沒有刻意去回想,它都會佔據你的腦海,像是腦中的背景音樂,不斷重播。

像這樣被一首歌「洗腦」的狀況,到底為什麼會發生呢?

為什麼我們會被歌曲洗腦?原來是耳蟲搞的鬼

事實上,上述的這種現象稱為不自主音樂意象(Involuntary Musical Imagery, INMI),也稱為卡歌症候群(Stuck Song Syndrome, SSS),在口語上常被稱為耳蟲(earworm),是指一段旋律在大腦中自發浮現,並不斷重播的現象 [1][2]。耳蟲這個詞是從德文的詞彙 “ohrwurm” 而來 [3],”ohr” 是指耳朵,而 “wurm” 則是小蟲子的意思,用以形容像小蟲子爬進耳朵一般,在腦中揮之不去的音樂。根據研究,耳蟲最早的文學來源,或許可以追溯到 19 世紀 [3]。在 1845 年美國出版的一部短篇小說《悖理的惡魔》中,故事的角色就遭遇了「腦中自發響起旋律而無法擺脫」的困擾,這與現代常被提起的耳蟲現象極為相似。這顯示出,即使當時尚未明確定義耳蟲現象,人們也早已在日常生活中有過這種音樂入侵大腦的經驗,甚至為此感到困擾。

心理學教授 Philip Beaman 指出,2008 年就曾有研究針對芬蘭約 12000 名網路使用者進行大規模的問卷調查,結果顯示,有 33% 的受試者表示耳蟲會每天出現,且有超過 90% 的受試者表示至少每週會發生一次耳蟲現象 [2][4],由此可見,耳蟲現象其實相當普遍。那麼,究竟是什麼原因導致耳蟲現象呢?

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旋律在腦袋裡重播,讓人也忍不住地哼唱起來。 圖 / AI創建

常見的耳蟲現象,與大腦構造息息相關

為了探討大腦結構與耳蟲現象之間的關聯,Farrugia 等人於 2015 年進行了一項研究 [1],他們調查了 44 名受試者接觸音樂的經驗,並透過問卷了解受試者對耳蟲現象的看法,包括耳蟲的出現頻率及其對生活的影響等等。結果顯示,曾學習音樂或經常接觸音樂的人,更容易出現耳蟲現象,而且這些音樂片段可能對他們產生更強烈的情緒與心理影響。

另一方面,研究也透過磁振造影(Magnetic Resonance Imaging, MRI)對受試者進行腦部掃描,分析大腦的灰質體積與皮質厚度。結果發現,耳蟲現象的頻率可能與某些特定腦區的結構有關。大腦右側的額下回(Inferior Frontal Gyrus, IFG)不僅與音高記憶有關 [1][5-7],也負責抑制機制,當右側 IFG 的皮質厚度降低,抑制能力便會減弱 [1]。研究者發現,耳蟲現象發生時,IFG 的活動或許能夠抑制耳蟲出現 [1][8-9]。此外,耳蟲出現的頻率與大腦的前扣帶迴皮質(Anterior Cingulate Cortex, ACC) 厚度也有顯著的關聯,當耳蟲出現得越頻繁,ACC 的皮質厚度越薄 [1]。ACC 位置所在的大腦網絡區域,即使是大腦處於「非任務狀態」時,仍在進行各種思維活動 [1][10]。也就是說,在人們處於放空、發呆,甚至沉浸在白日夢中的時候,ACC 並不會休息停滯,反而呈現高度活躍的狀態。一項研究顯示,ACC 的皮質厚度與非任務狀態的思維活動比例有關 [11]。若將耳蟲視為一種非刻意但可感受到的意識活動,則 ACC 在耳蟲現象的神經機制中,可能扮演重要的角色。

有些人會對耳蟲感到困擾,而有些人則會擁有正向的情緒。 圖 / AI創建

對某些人而言,耳蟲能喚起愉快回憶,帶來正面影響;但對另一些人來說,強烈情緒反而可能使耳蟲成為困擾。先前已有研究指出,聆聽音樂時較容易產生正向情緒的人,其海馬旁迴(Parahippocampal Cortex, PHC)體積通常較大 [1][12], Farrugia 等人也進一步發現,認為耳蟲對自己有幫助的人,其 PHC 的灰質體積也相對較大。他們推測,PHC 灰質體積較大可能喚起與耳蟲相關的記憶,激發情緒,讓耳蟲產生較正向的作用。此外,右側顳極(Temporal Pole, TP)則被認為與情感處理相關 [1][13],若 TP 灰質體積較大,個體對情緒的刺激反應可能更為敏感,而這一類的人也較難抑制耳蟲經驗所連結到的負向情緒反應。這些結果顯示,大腦結構與功能互相影響,使每個人對於耳蟲的感受都有所不同。

那些「洗腦神曲」是怎麼來的?這些特徵是關鍵!

除了大腦結構與自身情感機制會使得耳蟲現象發生之外,歌曲本身的特徵也扮演了重要角色。根據研究,歌曲若具備某些特徵,會更容易引發耳蟲現象 [14],如下所示:

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  1. 節奏較快:INMI 歌曲的節奏通常比非 INMI 歌曲快,輕快的節奏更容易吸引注意力並留下記憶。
  2. 旋律輪廓常見:若旋律的起伏模式符合人們熟悉的音樂結構,更容易在腦中重播。
  3. 特殊旋律轉折:即使旋律不常見,只要具有獨特且引人注意的起伏變化,也可能成為耳蟲。
  4. 近期曝光與流行程度:最近聽過或正在流行的歌曲,更容易成為耳蟲。
經常聽的流行音樂,更容易引起耳蟲現象。圖 / freepik 

重複的旋律,能夠促進兒童語言發展嗎?

根據研究,使用兒歌作為教學素材,能有效提升 4 至 5 歲兒童的詞彙量,且兒童在理解與運用新詞彙方面皆有明顯進步 [15]。兒歌是兒童日常生活中最常接觸的音樂形式之一,而且具備了引來耳蟲的特性:旋律輕快、有節奏感,常見且具記憶點。若兒歌能透過耳蟲現象在兒童腦中自發性地重現,利用這種「非刻意但頻繁回想」的特性,或許能在自然語境中提供兒童額外的語言練習機會,使語言學習不僅僅是限於教學情境中,甚至能夠延伸至日常生活的潛意識層面。

研究也指出,透過兒歌進行學習,不僅能提升幼兒的詞彙量,亦能增強其語言學習的自信心,自我表達也會更為積極 [15]。因此,若能善用兒歌作為語言學習的媒介,並考量耳蟲現象可能帶來的記憶強化效果,也許有助於促進兒童在語言學習上的發展。

耳蟲現象,其實有跡可循

總而言之,當你腦中突然浮現一段旋律,反覆播放、揮之不去時,其實不必感到意外。這正是大腦運作與音樂特性交互作用的結果,是一種相當普遍且自然的現象。即使你沒有刻意記住某首歌,它仍可能在潛意識中悄悄留下痕跡。

所以下次當某首歌又悄悄佔據你的思緒時,不妨放鬆心情,靜靜欣賞它的旋律與節奏。你之所以忍不住想哼唱,並不是因為分心,而是因為這段旋律剛好觸發了大腦中的某個開關,也許還會勾起某些情緒或回憶呢!

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耳蟲,是音樂在我們腦海中留下的溫柔印記,時刻提醒著我們:大腦與音樂之間,總有著令人著迷的互動。

參考資料:

  1. Farrugia, N., Jakubowski, K., Cusack, R., & Stewart, L. (2015). Tunes stuck in your brain: The frequency and affective evaluation of involuntary musical imagery correlate with cortical structure. Consciousness and cognition35, 66-77.
  2. Liikkanen, L. A. (2008). Music in everymind: commonality of involuntary musical imagery. In 10th International Conference of Music Perception and Cognition. Sapporo, Japan, August 2008 (pp. 1-5).
  3. Beaman, C. P. (2018). The literary and recent scientific history of the earworm: A review and theoretical framework. Auditory Perception & Cognition1(1-2), 42-65.
  4. Beaman, C. P., & Williams, T. I. (2010). Earworms (stuck song syndrome): Towards a natural history of intrusive thoughts. British Journal of Psychology101(4), 637-653.
  5. Albouy, P., Mattout, J., Bouet, R., Maby, E., Sanchez, G., Aguera, P. E., … & Tillmann, B. (2013). Impaired pitch perception and memory in congenital amusia: the deficit starts in the auditory cortex. Brain136(5), 1639-1661.
  6. Hyde, K. L., & Peretz, I. (2004). Brains that are out of tune but in time. Psychological science15(5), 356-360.
  7. Hyde, K. L., Lerch, J. P., Zatorre, R. J., Griffiths, T. D., Evans, A. C., & Peretz, I. (2007). Cortical thickness in congenital amusia: when less is better than more. Journal of Neuroscience27(47), 13028-13032.
  8. Aron, A. R., Robbins, T. W., & Poldrack, R. A. (2004). Inhibition and the right inferior frontal cortex. Trends in cognitive sciences8(4), 170-177.
  9. Aron, A. R., Robbins, T. W., & Poldrack, R. A. (2014). Inhibition and the right inferior frontal cortex: one decade on. Trends in cognitive sciences18(4), 177-185.
  10. 廖泊喬。(2024/3/13)。DMN腦神經科學研究:好好躺平有助潛能發展。觀點同不同。取自:https://issues.ptsplus.tv/articles/7927/
  11. Bernhardt, B. C., Smallwood, J., Tusche, A., Ruby, F. J., Engen, H. G., Steinbeis, N., & Singer, T. (2014). Medial prefrontal and anterior cingulate cortical thickness predicts shared individual differences in self-generated thought and temporal discounting. Neuroimage, 90, 290-297.
  12. Koelsch, S., Skouras, S., & Jentschke, S. (2013). Neural correlates of emotional personality: A structural and functional magnetic resonance imaging study. PLoS One8(11), e77196.
  13. Royet, J. P., Zald, D., Versace, R., Costes, N., Lavenne, F., Koenig, O., & Gervais, R. (2000). Emotional responses to pleasant and unpleasant olfactory, visual, and auditory stimuli: a positron emission tomography study. Journal of Neuroscience20(20), 7752-7759.
  14. Jakubowski, K., Finkel, S., Stewart, L., & Müllensiefen, D. (2017). Dissecting an earworm: Melodic features and song popularity predict involuntary musical imagery. Psychology of Aesthetics, Creativity, and the Arts11(2), 122.
  15. Christina, Y., & Pujiarto, P. (2023). The Effectiveness of Nursery Rhymes Media to Improve English Vocabulary and Confidence of Children (4-5 Years) in Tutor Time Kindergarten. Journal of Education Research, 4(3), 1326-1333.
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雅文兒童聽語文教基金會_96
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電磁波全揭秘:了解頻帶、頻寬、頻率和通信技術的基礎知識
數感實驗室_96
・2024/06/13 ・672字 ・閱讀時間約 1 分鐘

本文由 國立臺灣師範大學 委託,泛科學企劃執行。 

先前我們介紹了多位為通信科技發展做出貢獻的科學家。現在,我們要深入探討無線通信的技術層面。

無線通信,顧名思義不像傳統的電話或電報那樣需要一條實體的線路來傳遞信號。但這些信號並非憑空傳遞,它們依賴的正是電磁波。

電磁波在現代社會無處不在,從微波爐、手機到基地台,這些設備都會發射電磁波。但其實即使沒有這些科技裝置,電磁波依然存在於我們周圍。什麼意思呢?答案就是:當我們白天走到戶外,看到的光,它其實也是電磁波的一種。

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希望大家掌握了這些電磁波、頻帶、頻寬等基礎知識後,未來在閱讀相關的電信新聞時更加了解他們提到的術語,以及各種縮寫。以後無論是科技發展的動態還是市場新技術,都能更有概念地理解。

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參考資料

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數感實驗室_96
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