氦的發現｜科學史上的今天：10/26

本文與 威力暘電子 合作，泛科學企劃執行。

想像一下，當你每天啟動汽車時，啟動的不再只是一台車，而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機，後果會有多嚴重？方向盤可能瞬間失靈，安全氣囊無法啟動，整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情，而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天，我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟，汽車的「大腦」—電子控制單元（ECU），是如何從單一功能，暴增至上百個獨立系統？而全球頂尖的工程師們，又為何正傾盡全力，試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化？

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代，當時的汽車工程師們面臨一項重要任務：如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力？「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現，關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間：火星塞的點火時機，也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內，這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一！引擎效率就能提升整整一成！這不僅意味著車子開起來更順暢，還能直接省下一成的油耗。那麼，要如何跨過這道門檻？答案就是：「電腦」的加入！

工程師們引入了「微控制器」（Microcontroller），你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法，在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內，精準計算出最佳的點火角度，並立刻執行。

從此，引擎的性能表現大躍進，油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元（ECU）的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」（Engine Control Unit）。

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功，在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像：「這 ECU 這麼好用，其他地方是不是也能用？」於是，ECU 的應用範圍不再僅限於點火，燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車，甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而，問題來了：這麼多「小電腦」，它們之間該如何有效溝通？

為了解決這個問題，1986 年，德國的博世（Bosch）公司推出了一項劃時代的發明：控制器區域網路（CAN Bus）。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上，就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是，CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如，煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息，絕對能搶先通過，避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題，但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線，並連接各種感測器和致動器。結果就是，一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里，總重量更高達 50 到 60 公斤，等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面，大量的 ECU 與錯綜複雜的線路，也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束，簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障，無疑讓人一個頭兩個大。

汽車電子革命：從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代，汽車電子架構迎來一場大改革，「分區架構（Zonal Architecture）」搭配「中央高效能運算（HPC）」逐漸成為主流。簡單來說，這就像在車內建立「地方政府＋中央政府」的管理系統。

可以想像，整輛車被劃分為幾個大型區域，像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙，就像數個「大都會」。每個區域控制單元（ZCU）就像「市政府」，負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合，並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理，就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台（HPC）擔任，統籌負責更複雜的運算任務，例如先進駕駛輔助系統（ADAS）所需的環境感知、物體辨識，或是車載娛樂系統、導航功能，甚至是未來自動駕駛的決策，通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中， 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子，便精準地切入了這個趨勢，致力於開發整合 ECU 與區域控制器（Domain Controller）功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢，威力暘提供的解決方案，就像是將好幾個「分區管理員」的職責，甚至一部分「超級大腦」的功能，都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力，可同時支援 ADAS 與車載娛樂，還能兼容多種通訊協定，大幅簡化車內網路架構。如此一來，車廠在追求輕量化和高效率的同時，也能顧及穩定性與安全性。

萬無一失的「汽車大腦」：威力暘的四大策略

然而，「做出來」與「做好」之間，還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯？具體來說，威力暘電子憑藉以下四大策略，築起其產品的可靠性與安全性：

1. AUTOSAR ： 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層（RTE）和基礎軟體層（BSW）。就像在玩「樂高積木」，ECU 開發者能靈活組合模組，專注在核心功能開發，從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
   
2. V-Model 開發流程：這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般，左側從上而下逐步執行，右側則由下而上層層檢驗，確保每個階段的安全要求都確實落實。
   
3. 基於模型的設計 MBD（Model-Based Design）： 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具，把整個 ECU 要控制的系統(如煞車)，用數學模型搭建起來，然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前，就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷，，並驗證安全機制是否有效。
   
4. Automotive SPICE (ASPICE) ： ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」，它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性，而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」，也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化，並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作，其能否正常運作，自然被視為最優先項目。為此，威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準：ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統（特別是 ECU）的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」，從概念、設計、測試到生產和報廢，都詳細規範了每個安全要求和驗證方法，唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略，威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準，才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而，ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡，「大腦」變得更集中、更強大後，汽車產業又迎來了新一波革命：「軟體定義汽車」（Software-Defined Vehicle, SDV）。

軟體定義汽車 SDV：你的愛車也能「升級」！

未來的汽車，會越來越像你手中的智慧型手機。過去，車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」，想升級？多半只能換車。但在軟體定義汽車（SDV）時代，汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」，能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA（Over-the-Air）技術，車廠能像推送 App 更新一樣，遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過，這種美好願景也將帶來全新的挑戰：資安風險。當汽車連上網路，就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭，輕則個資外洩，重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV，業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略，確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程，到安全認證，這些努力，讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新，也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力，威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota，以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈，更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴，以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈，並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產，驗證其流程與品質。

毫無疑問，未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷，交由電腦判斷，比交由人類駕駛還要安全的那一天，離我們不遠了。而人類的角色，將從操作者轉為監督者，負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全，人類甘願當一個「最弱兵器」，其實也不錯！

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。

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。

「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。

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。

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。