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1909 年諾貝爾物理獎:只有無線電,沒有距離——《物理雙月刊》

物理雙月刊_96
・2017/08/29 ・1441字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 504 ・六年級

1909 年的諾貝爾物理奬授予一項我們視為理所當然的科技——長距離無線電通訊。得奬者是古列爾莫・馬可尼(Guglielmo Marconi)和卡爾・布勞恩(Karl Braun),兩人平分奬金。

古列爾莫・馬可尼的諾貝爾獎官方照片。圖/By Nobel foundation @ wikimedia commons

無線電能做什麼?赫茲:我也不知道

人類有史以來的 98% 時間都只能進行緩慢近距離通訊,而跨越城市甚至國家的通訊必需花更長時間。即使發明了汽車、飛機、電話等現代科技,即時通訊仍只限於鋪設了電話線的地區。跨越海洋的通訊仍然非常緩慢。

赫茲在 1886 年成功產生電磁波。他在實驗室的一端放置一個傳送器,另一端的課室放置接收器。傳送器和接收器都有一個用來製造火花的縫隙。當縫隙兩邊的電勢差足夠高,電流就可以穿過縫隙並形成火花,產生電磁波。電磁波穿過實驗室到達接收器造成電勢差,接收器的縫隙亦同樣會出現火花。

當時,赫茲並未意識到無線電傳送技術會對後世有非常巨大的影響。他有一次在課堂上示範這個實驗,其中一個學生問他這樣做有什麼用途。赫茲的回答是:「一點用都沒有。」他並不知道在今天,無線電通訊已取代食物,成為現代生物邏輯層最底層的必需品。

面對跨越距離的電報,你準備好了嗎?

義大利工程師馬可尼看到了這一點。他在 1890 年代初開始發展無線電技術,希望能以無線電報作為通訊工具。馬可尼的家人非常支持他的研究,他的父親甚至變賣家財給馬可尼買電線。1895 年,馬可尼尋求義大利政府資助研究,可是義大利政府對無線電通訊技術不感興趣。

馬可尼的第一台無線電報發射器,能夠以摩斯密碼傳送訊息。

然而,有洞察力的英國政府看到無線電通訊的潛力,願意資助馬可尼的研究。1896 年,馬可尼與母親一起到英國,並在兩年間取得了巨大研究進展。1897 年 5 月 13 日,馬可尼成功發送人類首個跨越布里斯托灣(Bristol Channel)的電報。渡過海洋的電報內容是:「Are you ready?」

卡爾・布勞恩的諾貝爾獎官方照片。

另一方面,物理學家布勞恩則從物理原理著手,改良馬可尼的無線電發射和接收器。馬可尼的發射器使用最簡單的方法,把連續的電磁波動發射出去。這樣做的弱點在於電波能量會隨距離快速衰減;根據波動干涉原理,其訊號亦易受其他頻率的無線電波干擾。

布勞恩細心研究馬可尼的設計後,找到方法使發射出去的無線電波能量衰減率減至最小。他亦改良了接收器,令其只對特定頻率的無線電波反應。另外,布勞恩設計的發射和接收器不再需要與天線連接,大大減低了受雷擊的危險。1899 年,布勞恩成功發送電報跨越英倫海峽。1901 年,馬可尼使用布勞恩設計的發射和接收器由英國發送電報至加拿大,完成史上第一次跨大西洋電報通訊,永遠改變人類文明發展。

史上第一次跨大西洋電報通訊圖解,出自馬可尼的諾貝爾奬講座。

經常聽到的一個問題「科學研究有什麼用?」赫茲的答案告訴我們,探研自然世界的源動力是純粹的好奇心。1912 年,鐵達尼號沉沒,一千五百多人葬身大海。然而,存活下來的七百多人能夠及時得救,得歸功於長距離無線電通訊。諾貝爾曾說過:「如果我有一千個構思而其中只有一個行得通,我已經滿意。」誰知道這一個構思,能帶領人類走得多遠?

Are you ready?


 

 

本文摘自《物理雙月刊》39 卷 8 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站

文章難易度
物理雙月刊_96
54 篇文章 ・ 6 位粉絲
《物理雙月刊》為中華民國物理學會旗下之免費物理科普電子雜誌。透過國內物理各領域專家、學者的筆,為我們的讀者帶來許多有趣、重要以及貼近生活的物理知識,並帶領讀者一探這些物理知識的來龍去脈。透過文字、圖片、影片的呈現帶領讀者走進物理的世界,探尋物理之美。《物理雙月刊》努力的首要目標為吸引台灣群眾的閱讀興趣,進而邁向國際化,成為華人世界中重要的物理科普雜誌。

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可發展 6G 無線通訊,還能超感知透視!科技新星「太赫茲技術」到底是什麽?
科技大觀園_96
・2021/08/03 ・5035字 ・閱讀時間約 10 分鐘

「太赫茲」是物理單位,英文為 Terahertz(THz),字首「Tera-」是 1012 的意思,所以太赫茲就是 1012 赫茲,也就是每秒 1012 次的意思,亦可翻譯為「兆赫茲」。目前常聽到的「太赫茲」,其實是指太赫茲波段,就是電磁波的一組特定波段,頻率範圍是 0.1 THz~10 THz,對應電磁波波長為 3 mm~30 µm,介於微波和可見光之間,因此也稱為毫米波和次毫米波。

研究太赫茲技術的清華大學電機系助理教授楊尚樺認為,對一般人來說,「太赫茲」依然是陌生名詞,因此就像之前的「奈米」和「量子」一樣,被許多廠商拿來當成行銷用語。 

橘色區間為太赫茲波段。圖/沈佩泠繪

太赫茲波段有什麼特別的?

楊尚樺強調,太赫茲波有三個特點:辨識化學分子、透視和不破壞生物體。不同波段的電磁波和物質都有很特殊的交互作用,比如說可見光就和人眼細胞有互動(註 1),柱狀和錐狀細胞可以感知可見光波段。相對地,太赫茲波可以辨識出特定的化學分子,得知物質成份,可應用在分析藥品、毒品或蛋白質的種類等。 

另外,太赫茲波可以做到「透視」,人眼看不到的東西,太赫茲波可以穿透表層到達內部。以行李箱為例,太赫茲波可以偵測行李箱裡面是什麼,可應用於機場安檢與毒品檢測。而且太赫茲波不僅可以檢測固體,還可以檢測液體和氣體。 

太赫茲波影像檢測的特點。圖/沈佩泠繪

 太赫茲波的「透視」有別於 X 光檢測。人體的生物分子(如 DNA、RNA)照射 X 光會受損,因為光子能量太強,容易把分子裡的電子打出來,成為游離電子;而失去電子的分子變得不穩定,會引發人體罕見與不正常的化學反應。反之,太赫茲波的光子能量很小,無法破壞生物分子,更無法將分子內的電子游離出來,因此太赫茲波對生物體是安全的。 

太赫茲波可以做到非破壞性的偵測,很適合工業製造與品質管控的應用,例如半導體廠在晶片封裝之後,檢查內部有無斷線,或是評估 3D 晶片封裝是否完好;藥廠則可以檢查膠囊成品內部有無破損等。

太赫茲技術前景看好

提到當初為什麼想要研究太赫茲技術,楊尚樺笑著說:「其實是有點誤打誤撞。」2011 年楊尚樺申請密西根大學博士班面試時,未來的指導教授Prof. Mona Jarrahi 提到實驗室是做太赫茲技術,這是他首次聽聞這個名詞。當時臺灣僅有少數團隊研究太赫茲科學與技術,多為物理系或應用物理的學者,太赫茲相關元件(發射器或接收器等)也很難取得。 

跟隨著 Mona Jarrahi,楊尚樺從太赫茲最重要的元件「太赫茲發射源」(terahertz emitter)開始接觸,博士班念到第 4 年和第 5 年時,他開始懷疑這項技術是否在 10 年內真的有出口。「因為遇到的困難比你成功要多很多,幾乎都是困難的,看不到出口的,出口的光相當微弱」,楊尚樺說道。 

甚至後期和指導教授 Mona 討論未來任教是否繼續研究太赫茲技術時,楊尚樺坦白和 Mona 說不會。當時專注在工程技術的楊尚樺認為,在許多人類所需的工程應用上,太赫茲很難和其他相對成熟的領域競爭,前景相當限縮。Mona自然不這麼認為,卻也沒有多說什麼。 

後來,在申請教職的期間,楊尚樺從更全面的角度看待太赫茲技術,不只看業界技術和資金來源,更看向 10 年後和 20 年後的研究發展。他認為如果太赫茲元件能夠量產,且 6G 無線通訊帶來大量市場需求,應可克服許多困難。再來,太赫茲研究對於學界是有挑戰性的問題,不僅符合臺灣半導體、電子、光電通訊產業的脈絡,又有很多題目,可以做長期的研究,很有發展前景。

檢測晶片內部破損、超感知透視藝術文物

現在楊尚樺實驗室的研究核心是太赫茲裝置(Terahertz Device),可分為主動元件和被動元件。主動元件包括最重要的太赫茲發射源或是太赫茲探測器被動元件則有太赫茲透鏡或太赫茲的訊號與空間調變器等。有了這些元件,就可以做出想要的太赫茲系統。 

楊尚樺目前已做出一套影像系統,用於工業破損檢測時,可以看出晶片內部的破損,或是看太陽能板裡面的隱裂位置和大小。這套影像系統還可以用來觀察植物,例如豆莢內部的豆子長得如何,以及水分子輸送的情況。生醫用途上,也可以從混和物中準確辨識出血糖、胺基酸和蔗糖的成份與比例。以上,是屬於太赫茲光譜學(Terahertz Spectroscopy)的應用。 

與影像系統有關的,還有超感知(Super sensing)的研究,例如太赫茲波可以直接看透一本書,在不碰觸到書的情況下,把每一頁的訊息解析出來。而且太赫茲波段不會破壞物質分子,也相當適合用來解析故宮文物,讓文物修復更順利。楊尚樺笑著說,如果有機會的話,真的非常想看看裡面藏有什麼祕密。 

楊尚樺指出,2013 年國外太赫茲團隊曾經發表過一項有趣的研究。知名的西班牙畫家 Goya,平常在作品上一定都會簽名,但是有一幅畫作「Sacrifice to Vesta」很特別,從整體風格來看,大家都認為是 Goya 畫的,卻看不到簽名。 

因此 C. Seco-Martorell 等人就用太赫茲影像系統解析了這幅畫,才發現原來 Goya 把自己的簽名簽在畫作底下,被上層的顏料蓋住了,他們將結果發表在光學期刊《Optics Express》(參考資料 1)。  

畫作「Sacrifice to Vesta」不同透明度的影像。(a)是原始畫作,(b)是可見光與太赫茲成像各占一半的情況,(c)則是 100% 太赫茲的成像情況,可以看到原作底下隱約有一位頭部朝左的女人。圖/參考資料 1
將畫作「Sacrifice to Vesta」的太赫茲成像加以放大,團隊終於在右下角找到 Goya 的簽名痕跡。(a)是原始畫作的太赫茲成像,(b)是畫家Goya的簽名對照組,(c)(d)(e)則代表 Goya 隱藏簽名在不同振幅強度的太赫茲成像,(c)是最大振幅,簽名圖像最為清楚。圖/參考資料 1

從影像系統邁向 6G 應用

除了影像系統外,楊尚樺團隊也努力將太赫茲技術應用在 6G 無線通訊的產業鏈之中。目前的工作主要是將 5G 的通訊系統頻率範圍轉移到太赫茲頻率範圍(0.1 THz~10 THz),同時要把很高速的訊號加載在太赫茲的載波頻段(註2)上,目標是做到每秒可傳輸 1012 位元,也就是在一秒要加載 1012 個 0 或 1。 

現在相關研究遇到了一些困難,與太赫茲元件有關。雖然從 5G 到 6G(太赫茲頻段)的頻寬擴大許多,但是系統的發射端和接收端是否能夠運作?如果太赫茲發射源能量很低,訊號很難到達接收端。如果太赫茲接收器不夠靈敏,也很難獲取資料,並且也要確保龐大的資料量得以順利解碼。 

為了評估通訊系統是否夠好,也可以從訊噪比(訊號和雜訊的比例,Signal-to-noise ratio)來看,如果訊號和雜訊的比例愈高,訊號就愈乾淨,也更容易成功解碼。因此,提升訊噪比也是將來改善的重點。

仍有重重困難有待突破

太赫茲系統為什麼難以量產?相關元件非常昂貴,市面上買不到整套消費級的太赫茲系統,一套系統造價約數萬到數十萬美元,公尺級別的大尺寸也相當占空間。 

楊尚樺表示,目前技術的最大問題在於「太赫茲發射源」,大家還不知道如何做出完善、實用、微小又可在室溫環境操作的太赫茲發射器,只能先借助過去的知識幫忙。太赫茲波段落在微波和可見光之間,是電學領域和光學領域的交集地,微波那端研究電學的人,會想要把頻率做高,靠近太赫茲波段;但是元件頻率愈高,電容影響愈大,輻射功率會急速下降。 

另一方面,電磁波段高頻那端研究光學的人,會從材料著手,通常會選用不同能隙(energy gap)大小的材料測試,比如說藍光 LED 的氮化鎵(GaN),能隙大,輻射出的光子頻率較高。如果要將輻射頻率降低,靠近太赫茲波段,能隙要夠小,但自然界找不到可以直接輻射出太赫茲波的窄能隙材料,必須要用特殊的技術才有辦法達成。 

即便達成了上述的窄能隙條件,例如輻射出頻率 1 THz 的光子,對應的能隙能量是 4 meV(milli-electron volts,能量單位),這個能量已經小於室溫下電子熱擾動的動能(幾十個 meV),所以很難控制每個電子從能隙掉下來的時機,以便讓材料發出一致的同調光。必須要在極低溫,例如低於 -196.15 °C(77 K)的液態氮環境下,才有辦法達成。 

楊尚樺強調,不論是電或光的方式,都很難在太赫茲波段輻射出足夠的功率,也就難以做出好的太赫茲發射源。發射源就像一支手電筒,如果不亮(功率不足),就無法探測周圍的環境,更不用說還要傳遞什麼訊號了。 

「太赫茲發射源」目前還沒有找到完美的解決方案,不過楊尚樺團隊已經可以做到足夠亮的發射源,下一步要往可量產、輕巧化的太赫茲發射源邁進。為了搭配臺灣在半導體製程的專業,除了主流的 III – V 族光電元件之外,更開發 IV 族光電元件,目前實驗室已可獨立實現這兩類的主/被動元件。 

楊尚樺團隊的 10 年研究目標是將整個太赫茲系統微縮到晶片大小(毫米等級,mm),這樣才有辦法讓太赫茲技術進入一般民眾的生活。

年輕學者如何在教學與研究中取得平衡?

在清大做研究的負擔很重,而楊尚樺也熱衷於教學,所以兩邊都忙,「我也不知道我有沒有取得平衡。」楊尚樺笑著說。他認為一般人都會直觀認為教學就是在課堂上教學生,但其實研究同時也是教學,因為必須讓本來習慣在課本做習題的學生,轉換成可以實作的初階研究者,這本身就要花很多心力教導。同時,行政角色上的導生,又或是其他系的學生,如果對太赫茲研究題目有興趣,他也會予以指點。 

「總之,做就對了!」他說道。在授課的同時,自己本身也會感受到某方面知識不足,會特別去學習。還有,因為在教學時強烈感受到每一屆學生思考模式都不同,所以楊尚樺認為不可能用同一套教學方法教 3 年,必須要想新招。每次看到學生學會知識有所成長,心中就很有成就感。

楊尚樺勉勵大學生要做自己有熱情的事。圖/簡克志攝)

要做自己有熱情的工作

楊尚樺認為,從他帶過專題的清大大學部學生和研究生來看,絕大多數都很積極,有很多東西想學。甚至有的學生不只在他這邊做研究,也同時要求自己在臺灣大學或是中央研究院做其他領域研究。通常多工的研究路線會需要儲備更多的專業知識,以及分散研究力道,導致多方都做不好的情況。而這些學生卻產出了不錯的成果,讓他感到相當驚訝。

不過,楊尚樺也提到,就他在學校的觀察,清大表現不錯的學生,普遍也都非常焦慮。即便在課業上、研究上、綜合表現上的成果在他看來已經相當出色了,但學生依然覺得想要再多做一些事情補強。這種好學和堅毅的態度,楊尚樺打從心裡給予高度肯定。然而,讓他覺得不好的原因在於:學生無法專注做好一件重要的事。若伴隨著患得患失的心態,卻沒有發展適合自己的主要路線,即便真的做了更多的事,表現往往也不會更好。換句話說,學東西不是因為想要學多而去做,而是自己本身有強烈的動機想要專注學習。 

楊尚樺看過一些很厲害的學生,他們並沒有一個好的目標,而且做事時會很快去計算短期之內能夠看到什麼樣的效益。沒有看到可能的效益,就很有可能會轉向。這些學生不怕做事情,怕的是沒有看到短期內的回饋,這其實不是好的學習態度,因為有些工作的效益,是不能只看短期的。 

最後,楊尚樺也勉勵清大的學弟妹,要做自己有熱情又喜歡的事。因為如果你在做「別人」認為不錯的事情時,若這件事和你的興趣並不相符,當過程中遇到挫折時,就很容易考慮要不要往另一個方向走,而沒有辦法堅持下去。 

但是,如果你是做自己有熱情的事情時,不管遇到什麼困難,你會廢寢忘食地不斷破關,獲得很多技能,當解決一個難題之後,你還會願意挑戰下一個關卡。看到的危機多了、功夫下得深了,你就比別人有更好的危機處理能力。堅持的道路上走得會比別人長、比別人久,你的獨特性就出來了,就比較容易出類拔萃。 

注釋

  • 註 1:不只人眼細胞,許多地球上的生物都和可見光有互動
  • 註 2:載波頻段(Carrier frequency band):用以乘載資料的電磁波頻率區間。 

參考資料

1. Seco-Martorell, C., López-Domínguez, V., Arauz-Garofalo, G., Redo-Sanchez, A., Palacios, J., & Tejada, J. (2013). Goya’s artwork imaging with Terahertz waves. Optics Express, 21(15), 17800. https://doi.org/10.1364/oe.21.017800

科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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達文西教你一起動手玩能量!——《天才達文西的科學教室:像科學家一樣,發明、創造和製作STEAM科展作品》
快樂文化
・2021/01/28 ・1234字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 452 ・五年級

無所不在的能量

彩虹、跳繩與藍天,這些都是開始了解能量的好主題。首先要知道,能量可以改變形式。舉例來說,能量可能先以風能的形式出現,然後變成了電能。能量無法消失毀滅,也無法增補重生;能量只能轉換形式。現今宇宙所有的能量,也是未來能量的總和。

達文西曉得空氣(風)的能量和水波的能量有關,兩者又都與太陽的能量有關。波動可以在水裡、陸上與空中傳播,他對此深深著迷:「水波從生成點快速遠離,但是水並沒有改變位置,就像五月清風拂過麥田一樣。你看到麥浪經過,但是麥穗還是在原本的位置。」

波動與水流讓達文西著迷,此畫作完成於1510年左右。圖/天才達文西的科學教室

用跳繩舞動能量、興風作浪!

讓繩子以波動舞動起來,是解釋電磁波光譜的好範例,就先從跳繩開始吧!電磁波,也是彩虹與藍天的起源。接下來,你要縱身跳入一起動手玩的實驗中,體驗能量守恆

電磁波以波浪的形式傳播,如同跳繩產生的波浪一樣。圖/天才達文西的科學教室

雙手抓緊跳繩的一端,手臂上下擺動,讓繩子跳起波浪舞。不管你身在何處,現在就被無所不在的能量波動撞擊著,而跳舞的繩子就是能量波動的絕佳模型。這些能量波動就是電磁波——真的是透過磁場與電場的緊密關係產生的。打開電燈開關、收看電視、收聽收音機、使用微波爐、以手機互相溝通等,利用的能量都是電磁波。電磁波以波浪的方式傳播,如同跳繩產生的波浪一樣。

能量的原理讓彩虹變成你的畫筆

實驗材料:小型LED手電筒紅色藍色與紫色各一個、夜光紙或銀色布膠帶擇一,貼在厚卡紙上 (12.7公分 × 17.7公分)、筆、普通的手電筒、筆記本

只需紅藍紫色小型LED手電筒,加上貼上夜光紙或銀色布膠帶的厚卡紙,就能用可見光書寫啦!
圖/天才達文西的科學教室
  1. 打開紅色LED手電筒,把手電筒當成筆,投射在夜光紙上,會產生怎樣的效果?
  2. 你看到什麼?每種色光和夜光紙之間,交互作用有什麼不同?
  3. 接著以藍色光做測試,再以紫色光做測試。
  4. 最後,以普通的手電筒照射夜光紙,光產生的反應又是什麼?
——本文摘自《天才達文西的科學教室:像科學家一樣,發明、創造和製作STEAM科展作品》,2020 年 10 月,快樂文化

快樂文化
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手機會增加罹癌的風險?小心!你可能已經掉入邏輯的陷阱!——《反智》
天下文化_96
・2020/09/22 ・3230字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 591 ・九年級

立即填寫問卷,預約【課程開賣早鳥優惠】與送你【問卷專屬折扣碼】!

  • 作者/古倫姆斯 (David Robert Grimes) ;譯者/楊玉齡

矛盾非常寶貴,因為它們警示我們有些事情不準確了。不過,我們在「忽略矛盾對我們造成的損傷」方面,老練得驚人。

這是一個充滿電磁波的世界

想想看,我們被一整群看不見的光線所包圍的這件事實。我們的眼睛只能感知極少量的電磁波譜,但是電磁波譜概括了我們所有知道的顏色、以及所有我們能看見的景象。

電磁輻射瀰漫在一切事物上,從照亮我們世界的可見光,到廣播媒體賴以傳播全世界的無線電波,到革新解剖影像和癌症治療的 X 光。

現今我們的生活離不開電磁波。圖/Pexels

在這個無線通信時代,我們的電話和路由器都借助微波輻射之便,以驚人的快速度,將差不多是整個人類知識的寶庫,傳送到我們指尖。

但是,在一個行動電話與 Wi-Fi 愈來愈無所不在的世界,我們是否有理由擔心自己的身體健康?

Wi-Fi 會危害我們的健康嗎?

上網快速掃描一下,可能讓人覺得確實如此。很多網站活靈活現的表示,手機會大大增加罹患腦癌的風險。另外一些人則堅稱我們的手機和路由器正在把我們「煮熟」。

某些健康諮詢機構強調 Wi-Fi 的危險,提供了套裝產品,以降低看不見、摸不著的輻射暴露,當然他們為此而收取了看得見、摸得著的鈔票。

另外還有一些人斷言,射頻(無線電頻率)輻射的危險被電信巨頭和手機製造商給隱瞞了,有個人在 2017 年成功控訴加州衛生局,強制他們發布行動電話輻射暴露的指導方針。

讓人不安的電磁波評估報告

但是這類聲明最普遍的來源是《電磁波風險評估報告》(BioInitiative Report),它最早是在 2007 年於網路上發表,引起媒體界大轟動,後來在 2012 年更新。

這份報告號稱是由一群研究人員及公共衛生專家所做的研究,它直白的結論毫無模糊空間:射頻輻射正造成無數健康方面的影響,包括大量增加的癌症風險。

手機和路由器的電磁波真的會危害我們的健康嗎?圖/Pikist

拋掉手機之前,修但幾勒!

不過,先別急著甩掉手機和拔下牆角的路由器電纜,《電磁波風險評估報告》的說法與現有大量科學數據明顯相反。

世界衛生組織宣稱:「因使用手機而對人體造成的不良影響,尚無證明。」英國癌症研究中心指出,到目前為止,證據「顯示手機不太可能會增加腦瘤或其他種類癌症的風險」。

如果手機會造成癌症,我們應該會看到癌症病例驟增,以回應過去這二十年來的手機用量大增。但是根據大型流行病學研究,這個現象並沒有出現。

到目前為止的證據,明顯有違「使用手機導致罹癌風險增加」的假說,那麼這些混淆是從何而來呢?

輻射不等於放射性!

很不幸,部分來自於「輻射」(radiation)這個字眼的含糊。這個遭到深深誤解的概念,令人產生陰森的「放射性」(radioactivity)聯想。

這樣的結合很不幸,因為輻射不過是指「能量在某種媒介或空間中的傳送」。就電磁輻射來說,是指一批電磁波以光速移動。電磁波譜是所有可能存在的電磁輻射頻率的範圍,而能量則與頻率成正比。

雖然我們只能看見電磁波譜裡以「可見光」形式存在的一小部分,但是我們可以把電磁波譜想成一系列具有不同能量的光粒子(光子)。

水能載舟,亦能煮粥的「游離輻射」

其中某些光子的能量非常充足,可以把原子裡的電子轟出去,打破化學鍵。這使得它們有能力導致 DNA 受損,而 DNA 受損通常是癌症的一個先決條件。能量大到足以解放電子的光,稱為「游離輻射」(ionising radiation),而且確實有害我們的健康。

游離輻射能夠損害DNA,但也可以運用在醫療上。圖/Pixabay

但是就算高能量電磁輻射這項看似負面的特性,也具有正面的結果,可以用來增進我們的福祉,例如 X 光在放射療法中可以殺死癌細胞。

不過,單單這項事實,就足以令人們不安,想到一個滿合理的問題:如果 X 光這種電磁輻射可以用來摧毀細胞,大量使用無線通訊是否會引發 DNA 受損,並最終導致癌症?

所以說,手機也是游離輻射嗎?

這種擔憂是可以理解的,但這主要是因為不瞭解電磁波譜究竟大得多麼不可思議。現代通訊工具諸如 Wi-Fi 和手機網路,都是完全位於微波端的範圍,頻率介於300兆赫到300千兆赫之間,因此屬於低能量光子

我們不妨做一個通盤比較,鑑於能量最低的可見光的光子(波長約 700 奈米,而 1 奈米等於十億分之一公尺)攜帶的能量,大約為最高能量的微波光子(波長 0.1 公分)的一千四百三十倍。

Wi-Fi和手機網路都屬於低能量光子。圖/Pexels

手機和路由器的微波輻射顯然是非游離的,完全無法造成 DNA 損傷。也因此,我們沒有看到癌症發生率隨著微波輻射而增加,其實一點都不令人驚訝,因為微波輻射根本不夠強大,比可見光(燈光、日光)還弱,無法造成癌症必需的細胞損傷。

這些危言聳聽從哪裏來?

就最基本的條件來說,《電磁波風險評估報告》犯了一個極為根本的邏輯錯誤

為了要支撐他們的危言聳聽,他們選擇已知的高頻游離輻射的有害衝擊,然後表達成彷彿這些衝擊也適用於非游離射頻電磁輻射。他們辯稱:

  • 前提一:所有射頻輻射都屬於電磁輻射
  • 前提二:某些電磁輻射可能導致癌症
  • 結 論:因此,射頻輻射會導致癌症

這是「中詞不周延謬誤」(fallacy of the undistributed middle)的典型範例,當三段論裡的「中詞」(也就是在兩個前提中都有出現,但是沒有出現在結論中的名詞)沒有被賦予「明確分布」時,像是「全部」或「全無」,就會出現這種形式謬誤。

在這裡,我們曉得「某些」電磁輻射可能造成癌症,但那不是一種明確分布。從這個邏輯中得出的結論,自然就是無效的。

有心人利用中詞不周延謬誤造成認知上的混淆。圖/giphy

電磁風暴一波未平,一波又起

2017 年,一篇發表在很有名望的期刊上的論文宣稱,射頻電磁輻射不只和癌症有關,也和自閉症有關。這篇論文落到了我桌上,也落到了心理學家畢夏普(Dorothy Bishop)的桌上。

畢夏普除了是寫作高手之外,也是英國皇家學會院士,她的學術專業主要在於發展性語言障礙。這篇論文所宣稱的自閉症關聯,令她驚呆了,而我對論文裡的生理學主張的看法也是如此。這些悲慘的想像究竟源自何處?當然是《電磁波風險評估報告》啦。

被混淆及誤導的不僅是社會大眾,甚至是科學家。圖/giphy

事實上,這篇令人厭惡的論文的首席作者,正是那篇報告的共同主編賽吉(Cindy Sage)。賽吉並不具備學術相關背景,但是她經營了一家專門「致力於減少射頻暴露」的顧問公司。耐人尋味的是,這項事實並未載明於利益衝突聲明中。

——本文摘自泛科學2020年9月選書《反智:不願說理的人是偏執》,2020 年 7月 月,天下文化

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