氦的發現｜科學史上的今天：10/26

本文由 高柏科技 合作，泛科學撰文

林唯耕剛回台灣任教時，曾在清華大學的實驗室裡用一立方公分的「氨」做實驗。沒想到氨氣意外洩漏，那股刺鼻的氣味瞬間瀰漫整棟大樓，引來眾多師生抗議。

「從此以後，我再也不敢在實驗室裡用氨了。」他在《思想實驗室》的訪談中，帶著笑意回憶這段往事。

這段插曲聽來像是一則工程師的寓言：在理論模型中，氨是太空熱控系統的理想介質；但在現實的辦公大樓裡，它首先是逼人逃竄的臭味。公式本身沒有錯，但現實世界永遠比公式更複雜——它包含了人、成本、風險，以及必須為後果負責的工程師。

高柏科技技術專家、清華大學榮譽退休教授林唯耕 ，曾任職於美國 OAO 工程部熱流組，深耕電子構裝散熱與熱管技術多年。隨著 AI 浪潮席捲全球，他鑽研一輩子的老問題再次被推向科技產業的核心：當晶片運算速度無止境攀升，那股伴隨而生的熱，究竟該往哪裡去？

熱不會讀新品發表會

科技巨頭在發表會上熱衷於談論大型語言模型、GPU 規格與驚人的算力。這些詞彙在投影片上光鮮亮麗，彷彿進步毫無邊界。然而，每一次數位運算都紮實地發生在實體晶片上。晶片會發熱、材料會疲勞老化，一旦設備過熱，系統便會降頻保護。在物理現實面前，再動聽的發表會敘事也必須低頭。

回顧個人電腦發展早期，晶片幾乎不需專屬散熱元件。隨後，鋁製鰭片、風扇、熱管到均溫板逐一登場。這段歷程常被視為技術升級，其實更像是對空間的極限勒索：晶片功率翻倍，發熱源的面積卻沒變大，機箱空間也不可能無限擴張。

林唯耕指出，散熱設計的核心只有三要素：功率、熱源面積與空間限制。他舉例，在標準的 1U 機箱中，若發熱面積約為三十乘三十毫米，氣冷系統在達到八百瓦時就會面臨瓶頸。這並非固定的物理常數，而是取決於空間、面積與氣流的動態平衡。最現實的代價在於，風扇轉速提升的背後，是噪音、電力損耗與空間占用。

因此，「液冷技術」的興起並非單純為了追求酷炫，而是算力密度提升後的必然選擇。它能更精準地帶走晶片廢熱，卻也將新的挑戰帶入機房：漏液風險、流道堵塞、材料相容性，以及維運時的難度。工程的進步，本質上鮮少是徹底消滅問題，更多時候是選擇一組「比較值得承擔」的新問題。

太空教他的，不是把答案搬回地面

太空熱控工程之所以迷人，是因為它剝奪了地球上最常見的散熱工具。在真空宇宙中，沒有空氣能讓風扇製造對流；受光面溫度破百度，陰影處卻極度嚴寒。工程師必須純粹仰賴熱傳導、熱輻射，以及熱管與環路型熱管（LHP）來搬移熱能。

熱管運作的關鍵在於「相變」——液體蒸發時吸收大量潛熱，冷凝後重回循環。林唯耕比較了銅與水的熱傳導能力：在他設定的特定條件下，實心銅塊約能傳導 120 瓦的熱能；但若每秒有一立方公分的水發生蒸發相變，移熱量可瞬間拉升至 2.4 千瓦（kW）。他強調「每秒」的觀念，因為散熱談的是動態流動速率，而非靜態的冷卻魔法。

儘管如此，太空科技並不能直接套用到地面。太空元件因考量重量、功耗與維修難度，偏好無馬達幫浦的被動式設計；但地面 AI 伺服器面臨更高的熱負載與環境溫度，往往仍需幫浦驅動流量。當年那場「氨氣洩漏」事故正是最好的提醒：技術是否「先進」，與它是否「適合」當下的場景，始終是兩回事。

好論文，為什麼仍可能造不出好產品

學術研究致力於證明「可行性」，而工業現場則要求「可重複性」——不僅要能運作，還得確保每台出廠的設備都不漏水。林唯耕將此定義為「從 0 到 1」與「從 1 到 100」的差別。後者涉及良率、成本、公差與客戶信任。論文中那次最完美的實驗數據，在產線上往往未必管用。

他從不避談失敗。在高柏科技早期與學界合作時，也曾遇過實驗數據無法複製，或研究方向偏離產業需求。這未必是雙方努力不夠，而是彼此對「成功」的標準不同。為了解決這道鴻溝，高柏科技推動「柏苗啟航創新培育計畫」，每年投入逾千萬資金與成大、中山、台科大等校合作，並指派專業人才在過程中持續微調、校正，確保研發貼近產線現實。

他分享了近期一項液冷工質校正專案。團隊使用非侵入式的超音波流量計進行觀測，但由於儀器預設以「水」校正，換成其他化學流體後讀數便出現誤差。最初嘗試用幫浦壓差推算，卻發現缺乏重複性，數據甚至推導出不合理的蒸發率。最後團隊回歸基本面，改用秤重法搭配能量平衡進行交叉驗證，才讓數據成功收斂。

這個故事真正的價值不在於「產學雙贏」的口號，而在於那段不夠優雅的挫折：假設失效、數據混亂、方法砍掉重練。也正是在這種時刻，企業需要的不只是會算數的人才，而是能洞察研究何時「走鐘」，並有權力喊停、要求重來的關鍵決策者。

林唯耕坦言，過去在校園裡總認為「技術第一、成本第二」，進入商界後才驚覺行銷與信任關係往往才是關鍵。這番話雖然不如科技突破那樣動聽，卻是產品能否進入市場的殘酷真相。再卓越的散熱設計，若無法穩定生產或贏得客戶信任，也僅止於一份精美的報告。

AI 會給答案，誰來負責出貨？

訪談尾聲，主持人國威提出了一個時代難題：假設 AI 能在彈指間生成散熱架構、材料配方與流道設計，企業該選擇全面擁抱 AI 的速度，還是保留緩慢但穩定的工程驗證，以規避潛在的失效風險？

林唯耕拒絕落入二選一的框架。他的觀點是：兩者並存。AI 擅長處理資訊、生成草案；但工程師仍須實作原型，進行嚴苛的性能與可靠度測試，最終由人決定是否出貨。這並非盲目崇拜人類直覺，而是基於一項事實：AI 的資料庫裡，通常沒記載下一次「意外洩漏」或「材料疲勞」的細節，且模型永遠無法為量產結果擔負法律與商業責任。

在 AI 時代，最稀缺的未必是熟練下指令（Prompt）的人，而是具備這種能力的人：能預判答案可能在哪裡出錯、能設計實驗將問題「逼」出來，並且願意為最終的量產品質負起責任。

大眾習慣將雲端想像成輕盈、無重量的空間。但現實中，雲端是由龐大的機房架構而成，裡面裝滿了晶片、管線、泵浦與冷卻液。虛擬算力的每一次擴張，都會在實體世界留下發熱的足跡。散熱工程師的價值，就是不讓這筆物理帳單，被埋沒在光鮮亮麗的投影片背後。

1911 年，拉塞福發表劃時代的原子模型，指出原子的內部結構是電子圍繞著體積極小的原子核。問題是，若按照電荷數推算原子核內的質子數量，加總後的質量還是小於原子的質量，相差的質量跑去哪裡？對此，拉塞福提出「中性粒子假說」，主張原子核內還有電中性的粒子，是由電子與質子結合而成；例如氫的原子核就是由兩個質子和一個電子所組成。

雖然 1928 年就有物理學者根據量子力學指出原子核內不應該有電子，但因為量子力學尚未成為主流，加上拉塞福的權威性，仍然沒有取以代之的模型。沒想到，就像拉塞福推翻恩師 J. J. 湯姆森的布丁模型，最後推翻拉塞福的中性粒子假說的人，也是他自己的徒弟查德威克。

查德威克家境清寒，都是靠獎學金才能繼續升學；大學就讀物理系的系主任就是拉塞福。他念完碩士後，於1913年留學德國，隔年第一次世界大戰爆發，他因為是英國人而被拘禁在集中營，直到 1918 年才獲釋。返國後，他繼續跟著拉塞福做研究。

1932 年初，約里奧-居禮夫婦（居里夫人的女兒和女婿）從原子核中轟出了中子，但他們誤以為那只是特殊的 γ 射線。查德威克從他們論文中的實驗數據看出那應該是一種未知的粒子，於是他日以繼夜地展開實驗，兩星期後就獲得初步成果。二月，他先向《自然》期刊投稿一篇快訊《中子存在的可能性》，五月再正式發表論文，題目就改成《中子的存在》了。

查德威克發現了一個新的基本粒子，因而於 1935 年獲得諾貝爾物理獎。確認中子的存在後，科學家發現不帶電的中子更能有效地打入原子核，引發核分裂的連鎖反應。沒多久，美國用於製造原子彈，結束第二次世界大戰；戰後，各國繼續用以發展核子武器與核能發電，人類從此跨入禍福相倚的原子時代。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。

自從德國物理學家克希荷夫（Gustav R. Kirchhoff）與化學家本生於 1859 年共同發明化學元素的光譜分析法，並指出陽光的「夫朗和斐線」就是不同化學元素的光譜後，科學家紛紛透過光譜分析尋找新的元素。

法國天文學家讓森（Pierre Janssen, 1824－1907）特地於 1868 年 8 月 18 日這一天跑到印度的 Guntur，因為此地才能看到日全食。日全食時，黑色太陽邊緣的日珥清晰可見，讓森就能用光譜儀觀測這太陽表面噴發出的強烈火舌，分析其中所含的元素。結果他在光譜中發現了一條特殊的的黃色亮線，他想再觀測確認，但日食已過，讓森情急之下，想出在光譜儀中加上剛好遮住太陽的小圓盤，如此就能製造日食的效果。他改造好光譜儀之後再次觀測日珥，確認是新的光譜線後，將觀測結果寄交法國科學院。

10 月 23 日，就在讓森的報告抵達法國科學院這一天，英國天文學家洛克耶（Norman Lockyer, 1836－1920）也在英國皇家學會報告同樣的發現。不過洛克耶是於 8 月 20 日在倫敦做的觀測；他沒有千里迢迢地跑到印度，因為他也想到了讓森想到的原理。英國皇家學會的秘書於 10 月 26 日向法國科學院告知洛克耶的發現，因此不用再做驗證了，當天法國科學院就對外宣布讓森與洛克耶兩人共同發現太陽新的光譜線 D3。

不過此時兩人都還沒想到這新的光譜線可能代表新的元素，是洛克耶繼續仔細比對現有已知元素的光譜線，發現都不符合後，才於十一月宣布那是地球尚未發現的元素；他將它命名為「氦」（helium），取自太陽的希臘文 helios。

氦是惰性氣體，又無色無味，難怪這宇宙第二豐富的元素在此之前竟從未被發現。1882 年，義大利物理學家帕密里（Luigi Palmieri）才在觀測維蘇威火山的岩漿時，首次在地球上發現 D3 光譜線，證實地球也存在氦元素。氦在自然界主要存在於天然氣與放射性礦物中。放射性礦物輻射出的 α 粒子就是氦原子核，拉塞福於 1907 年將 α 粒子打入真空管，放電後觀察管內新氣體發出的光譜，才確認 α 粒子就是氦原子核。沒錯，用的還是當年讓森與洛克耶所用的光譜分析法。

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「看在上帝的份上，不要叫它『蛻變』（transmutation）吧！他們會把我們當成煉金術士砍頭的。」1901 年，當拉塞福（Ernest Rutherford）聽見索迪興奮地前來報告：具放射性的釷會自發「蛻變」為鐳時，趕忙叮嚀他注意用詞。

當時距貝克勒（Henri Becquerel）無意發現放射性才不過五年，放射性仍是一種相當新奇且神秘的現象；拉塞福本人雖然在 1899 年發現 α 與 β 兩種放射線，卻也不知其性質。索迪（Frederick Soddy, 1877－1956）於 1900 年從英國來到加拿大跟著拉塞福做研究後，有了擅長化學的索迪幫忙，兩人才很快發現釷、鐳、錒等放射性元素都會產生類似惰性氣體的氣體，而且之後檢查這些元素，竟會發現另一種元素。

拉塞福與索迪因此發現放射線是元素的原子裂解，蛻變成另一種元素的過程中的產物。然而當時普遍認為既是基本元素，就不可能再分裂，尤其元素蛻變更是煉金術才有的想法，所以拉塞福才要索迪用詞謹慎。果然他們發表論文後，招來不小質疑，所幸經過其他化學家的實驗證實，他們的發現才獲得認可，拉塞福也因此獲得 1908 年的諾貝爾化學獎；可惜貢獻卓著的索迪被當成只是執行的助手，無緣獲獎。

索迪於 1903 年即回到英國，與倫敦大學的拉姆西（William Ramsay）一起研究。他們先用光譜分析確認鐳產生的惰性氣體就是氦氣，拉塞福再於 1907 年進一步確認這氦氣是由鐳放射出來的 α 粒子形成，證明 α 粒子就是氦原子核。

1910 年，索迪宣稱放射性會造成元素有不同變種，雖然仍是化學與物理性質都沒變的同一元素，但原子量卻不一樣。這個主張再次引來質疑與批評，因為問世已四十年的門得列夫週期表就是以原子量來排列，除了一些元素略有不符需作調整，基本上大家已認定原子量決定一切，怎麼可能同一個元素會有不同原子量還有相同化學性質？！

1913 年成為關鍵的一年。這一年，拉塞福的年輕門生莫斯利（Henry Moseley）發現化學性質取決於原子核的電荷數，而不是原子量，修正了門得列夫的週期表。索迪因此得以發表「位移法則」──元素釋出一個 α 粒子，會在週期表上向左平移兩個位置；釋出一個 β 粒子則會向右移一個位置。他並發明「同位素」（isotope）一詞來稱呼不同原子量的同一元素。更重要的，這一年亞斯頓（Francis Aston）在氣體放電管發現了氖的同位素蹤跡，才會進而在 1919 年用質譜儀證明同位素的存在。

索迪終於在 1921 年獲頒諾貝爾化學獎；亞斯頓也緊接著得到 1922 年的諾貝爾化學獎。巧的是，兩人同年出生，生日只差一天，在月曆上就像週期表上緊鄰的元素。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。