哈雷誕辰｜科學史上的今天：11/8

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

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。

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 奈米或 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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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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A 編按：最近的《哥吉拉大戰金剛》用了「地球空心說」，將地心作為泰坦巨獸的故鄉，可你知道嗎？「地球空心說」可是由著名天文學家艾德蒙．哈雷提出的！這個猜想不只有其道理，也帶動人類探索地心的秘密。

《一切都是泛科學的陰謀》專題與你一同挖掘各種陰謀論的脈絡！「地球空心說」並不是陰謀論，但其衍生出的各種說法，卻比陰謀論還要精采，而美國也真的派出過探險隊，試圖找到極地的地心入口。

有科學腦的人，應該很討厭陰謀論吧？有些有趣又無厘頭，有些很認真的讓你皺眉頭並且開始懷疑自己。你可能會問「這些想法為什麼會存在？」但是不管在哪個時代，陰謀論都會存在來挑戰充滿證據的事實，而我們能作的除了不斷的完整事實和理論的樣貌，還能從這些陰謀論反問自己「這背後有什麼道理嗎？」

如果把「地球空心說」放到現代，絕對會被大家嘲笑吧！但是在330年前，就連最偉大的天文學家也對此深信不疑。

過去，人類對於地球的內部構造並沒有定論，各種說法存在於神話、信仰之中。而第一位有憑有據猜測地球內部構造的人，是十七世紀末，大名鼎鼎的英國天文學家艾德蒙．哈雷，大膽提出了「地球其實是空心」的理論。

哈雷的浪漫猜測

哈雷發現地球的磁場其實並沒有想像中的「穩定」，在接近極區的地方，指南針並沒有辦法準確的指向，為了解釋這個現象，他大膽地假設地球的中心是中空的……更詳細一點的描述，其實地球內部是一個大空腔，裡面裝著有 3 個不互相接觸的同心球，由外到內大小分別參考金星、火星、水星，像俄羅斯娃娃一樣套在地球中，哈雷還參考土星環的原理，推斷這些球殼靠著離心力和重力懸空且不會相撞，而就是這些浮空的內部球殼造成地球磁場的變化。

面對這多層的地球，只有最外層有住生物嗎？哈雷大膽地說：「這些內部球殼上還有生命存在，整個地球結構就像上帝創造的多層建築一樣，不同樓層有不一樣的生命。」（事實上怪物宇宙系列電影也是以此為設定，這些地方就是泰坦巨獸的家鄉）

為了完善「地球空心說」，哈雷又提出球殼內部含有「鹽水」，靠著類似玻璃的粒子阻擋來讓地面的海洋不流到底下，又在 1716 年提出影響現代地球空心說的假設，極光就是從兩極地區的大洞下噴出的發光蒸氣。

神奇的地球空心說就此誕生，甚至連哈雷本人都有點難以置信，他在 1692 年的紀錄中寫到：「講出這麼誇張又浪漫的假設，讀者可能會立刻譴責，直到我找到足夠的證據支持這個假說。」

哈雷當時剛剛好和好朋友艾薩克·牛頓撰寫科學名著「自然哲學的數學原理」(Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica)，和「自然哲學的數學原理」這本近代科學研究的基石寶典相比，哈雷在沒有足夠實驗方法下提出的地球空心說，某種程度上也算是近代科學史上第一個預測性質的假說，這稱不上是「陰謀論」，畢竟裡面沒有什麼違反當時認知事實的陰謀，只是一個科學家的大腦洞。

博物學家的瞎掰

但老實說，地球空心說並不是哈雷獨有的想法，例如同一時期在日耳曼地區，一位名叫阿塔納奇歐斯·基爾學（Athansius Kircher）的全才博物學家也出版過一本書叫作 “Mundus Subterraneus“ （姑且翻譯為: 世界之下），內容提到地球中間其實有個大窟窿，可能就像鐘乳石洞般，裡面除了地下湖泊外，還有岩漿和火焰，而北極有一個漩渦將海水吸入地球內部，加熱後從南極噴出。

和哈雷相比，基爾學連支撐他故事的理論都沒有。儘管現在知道哈雷錯得離譜，但是當時的科學認知和技術已經知道轉動的金屬會產生的磁場，所以如果地球磁場會有不同，可能表示地球中間不是堅硬的石頭，而是有會旋轉的岩石、金屬體吧？而且，因為磁力與引力相比影響更大，所以內部的球殼一定要處於一個絕妙的平衡來保持球殼不會崩壞。

當然在哈雷的版本中，還是有許多無法解決的問題，例如生命都需要的陽光怎麼達到內部？哈雷試著自圓其說，表示地底可能有許多凹面鏡，反射兩極製造出跟太陽一樣耀眼的光芒。

不過哈雷的地球空心說並沒有讓大家為之瘋狂，大部分人的回應是「恩，我知道了，這樣喔」，而哈雷也沒有再針對這個說法提出解釋或補強。但這也不代表他完全放棄了，事實上，他還執筆親手畫出了 3 個地殼的假設圖，成為地球空心說最標誌的圖像之一。

雖然不被廣泛討論或承認，但在缺乏任何證據的情況下，與哈雷類似的地球空心說在 18、19 世紀偶爾會再重新出現一下，並帶著新的推論和假說。

數學大師也瘋狂

在 18 世紀，地球空心說被兩個數學家研究過，他們是大名鼎鼎的李昂哈德·尤拉（Leonhard Euler）和約翰·萊斯利（John Leslie）。

在微積分、幾何學有莫大貢獻的數學大師尤拉，曾假設空心的地球內有一個直徑將近 10000 公里的溫暖球殼，然後上面住著高科技的種族；萊斯利則是相信地底下有兩個同心球殼，內部還有兩顆恆星提供光線，他將這兩顆莫名其妙出現在地球內的恆星取名為 Pluto 和 Proserpine，也就是羅馬神話的冥王和冥后。

推廣地球空心說的辣個男人——希姆斯

19世紀地球空心說最大的推崇者是美國人約翰·克里夫·西姆斯（John Cleves Symmes），在美國紐澤西誕生的他熱愛研讀自然歷史相關書籍，在 1818 年他出版自己的地球空心說：

「我主張地球是空心的，內部有無數同心球殼而且適宜居住，地球在南北極還有成12~16度的開口已獲得陽光。我發誓要證明這件事，也準備好前往地球內部探險，希望世界能夠支持我。」

作為一名多產的作家和演講者，西姆斯非常勤奮地到處宣傳他的假說，包括根據整個理論提出著作 “Symzonia: Voyage of Discovery” （姑且能譯為《西姆斯：發現之旅》），還四處募款，試圖前往兩極探險。他的主張「兩極有空洞，為地心帶來光明」的假說基礎是最廣為人知的空心說版本，也是在極地探險成真之前，眾多對兩極的幻想之一。

一波三折的南極探險計畫

西姆斯的努力吸引了幾位關鍵人物的注意，一位名為詹姆斯．麥可布萊德（James McBride）的俄亥俄州有錢人，他不只寫文章支援這個假說，還遊說肯塔基的議員理查．M．強森（Richard M. Johnson）支持前往南極的探險，沒想到理查還真的說服了當時的美國總統約翰．昆西．亞當斯（John Quincy Adams），但草案卻被國會駁回，直到下一任總統安德魯．傑克森（Andrew Jackson）上任之後，一個截然不同的南極探險計畫在 1836 年才被重新提出，但西姆斯已於 1829 年去世，無緣參與這場南極遠征。

西姆斯死後，地球空心說的代言人由俄亥俄州的一位新聞記者——傑瑞曼亞．雷諾茲（Jeremiah Reynolds）繼承。為了前往南極一探究竟，1829 年雷諾茲加入狩獵船隊，爭取前往南極的機會，但旅途一波三折，不只遭遇叛變，還被同伴流放，經歷了九死一生的冒險才回到美國。隨後 1836 年雷諾茲在國會中演講，大力推崇當時尚未定案的美國南極探險隊，他強調這將會為國家帶來光榮並加強國際事務，但是在籌劃階段他因為不滿進度和內容，所以從計畫中被開除了。

這場探險成功在傑克森總統卸任後 2 年出發，稱為 1838~1842 美國探勘船隊，由查爾斯．威爾克斯（Charles Wilkes）領導，這其實是一次非常正式的探險船隊，目的包括建立海圖、建立航線、收集科學及物種資訊……等，船隊從美國東岸出發繞過南美洲後前進太平洋，並在去程的倒數第二站造訪了南極，但是在希姆斯猜測有大洞的位置什麼都沒找到。

對地球空心說的狂熱並未停止

到此為止地球空心說可以說是正式破解了，但一直以來只要有機會，這個理論就會被丟出來解釋科學發現。例如 1846 年在西伯利亞冰原發現了猛瑪象遺骨，當下就有人懷疑它是不是從北極的大洞內部遊蕩出來、因為找食物而被困在西伯利亞，因為在猛瑪象的肚子內找到未消化的毬果，而死亡又這麼突然。

在 1864 年，還有一位大人物也出手了，也就是現代科幻小說之父凡爾納，他的作品之一《地心歷險記》就是描述一群人從冰島火山進入地心的世界探險，地心中還有大海和古生物。

1869 年一位美國煉金術士賽勒斯．提德（Cyrus Reed Teed）可以說是地球空心說的狂人，而且非常特別，在他的著作 “The Cellular Cosmogony, or The Earth, A Concave Sphere” 中，大膽的假設我們所居住的世界其實是地球的內凹面，我們頭上的天空其實是地球中心，而在我們地殼對面住著一支文明，但是因為濃霧的關係無法發現它們存在，而我們看到的月亮其實是另一個地球內部球殼。

提德還改了姓名、創立了名為 Koreshanity 的宗教，並發行雜誌來吸引信徒，為了證明我們所居住的地球面是向內凹，還使用儀器丈量地表！最後，他在佛羅里達還擁有一塊 300 英畝的土地，他和將近 250 名信徒一同活在那裡直到 1940 年。

1873 年，一位神祕學家愛德華．鮑沃爾—利頓（Edward Bulwer-Lytton）完成了 “The Coming Race”，內容有關一群住在地球內部的文明，因為發現神秘的能量來源而科技發達。

1906年，作家威廉．里德（William Reed）出版了一書 “The Phantom of the Poles”，表示其實可以搭船從地球外面到達地球內部，因為重力的作用讓他們在經過反轉時完全無感，而且很多水手其實去過了只是沒有發現。

就算是在 1913 年，此時人類已經成功到達並記錄了北極點，一位叫作馬歇爾·佳德爾（Marshall Gardner）的作家還是出版的一本叫作 “A Journey to the Earth’s Interior, or Have the Poles Really Been Discovered?” 的書質疑這件事，書中表示許多已經滅絕的生物其實都住在地球內部，因為地球誕生時，離心力形成了最外層的地殼，但是內部還有一個較重的殼，並持續接收地心的熱度。

但是隨著我們對地球越來越瞭解，我們知道這些假說真的都是空穴來風，而在事實確認之下，已經是陰謀論的等級了。

終結地球空心說的女科學家——英厄．萊曼

20 世紀中期，第一位飛行橫跨南北極的人：理查德．伯德(Richard E. Byrd)在他的飛行紀錄回報中完全沒有提到任何大洞；1959 年一艘美國潛水艇從北極圈冰山下鑽過然後在北極地區重新出現，表示沒有大洞；儘管到今天我們在兩極都有觀測站了，還是沒有大洞存在。

1929 年，丹麥的地科學家英厄．雷曼（Inge Lehmann）藉由測量地震產生各種不同的波，推斷地球內有較靠近外部的液態構造和最裡面的固體核心，而這些液態物質的攪動、流動造成了磁場和變化，之後經過無數的實驗和驗證我們總算可以斷定……地球內部不是空的，但是某種程度上哈雷講的也沒有錯，因為我們的地球內部的結構的確有很多不同的層，包括地殼、地函、地心……等。

儘管錯得離譜，哈雷的地球空心說讓大家發現了一個可能從來沒問過的問題，激起了後來科學家們研究這件事的興趣，作為啟蒙時代的起步者，這可以說是一個有益於後代進步的有趣陰謀論，科學有趣的地方在於它的反覆驗證、質疑並且修正的特性，我們可以從錯誤的主張，逐漸導出正確的路。

參考資料：

• Fantastically Wrong: The Legendary Scientist Who Swore Our Planet Is Hollow
• Lockhaven.edu: Turning the Universe Inside-Out.
• encyclopedia.com-philosophy and religion-hollow earth
• The Origin of the Hollow Earth Theory

十八世紀，歐洲正值啟蒙運動（Enlightenment），崇尚理性，強調勇於求知、挑戰權威；當時的思想家普遍認為，理性的發展可以為人類帶來福祉、改善社會與生活——這樣的信念其來有自：從哥白尼創立日心說、1543年出版《天體運行論》開始，到1632年伽利略的《關於托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話》為哥白尼辯護，再到牛頓於1687年發表《自然哲學的數學原理》（Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica，簡稱Principia），闡述三大運動定律和萬有引力定律，人類對世界的理解，產生翻天覆地的變化；同時，不只物理學，包括數學、化學、生物學等等，都出現突破性進展。

史稱科學革命的這段時期，大大加深了人們對理性求取知識的信心。

然而，每當有新的科學理論出現，社會不見得能馬上接受，或要經歷觀點的衝突與思想的轉化；隨著證據越來越多，最後才獲得大多數人認同。牛頓在發表他的理論之初，同樣面臨其他學說的競爭；其之所以能夠廣為人知、最終成為學界主流，某位女性居功厥偉──她參與了十八世紀學派間的論戰，也是史上第一位深刻理解牛頓學說的女性；她將牛頓以拉丁文寫成、內容艱澀的《自然哲學的數學原理》翻譯成法文，並鉅細靡遺地加上自己的解說和註釋。法國當時是歐洲最強盛的國家，《自然哲學的數學原理》法文版的出現，對牛頓思想的普及帶來很大幫助，也間接促進其地位的確立。奈何她的婚外情人名聲太過響亮，使其推廣科學的成就往往被後人忽略。

她，就是埃米莉．沙特萊（Émilie du Châtelet）。

良好的家世與顯赫的婚姻

加布里埃勒．埃米莉．勒托內利耶．德布勒特伊（Gabrielle Émilie Le Tonnelier de Breteuil）出生於1706年12月17日的巴黎。她的父親是服務法國路易十四朝廷的高級官員，也是文學愛好者，常定期邀請文人至其寓所聚會。因著良好家世，埃米莉從小就接受多元的教育，學習外語、馬術、體能、戲劇、舞蹈和音樂等等，甚至也被鼓勵發展科學和數學上的興趣（這對當時的女性來說是可遇不可求的），還認識許多知名學者與作家。年僅十二歲，埃米莉便能說流利的拉丁文、義大利文、希臘文與德文；到了十六歲，更被父親引介至凡爾賽宮，與其他王公貴族交遊。在當時的法國，很難有比這更優渥的童年了。

只不過，就算擁有再顯赫的出身與再高的學識，埃米莉都無法決定自己的終身大事。十九歲的時候，她接受家裡安排，嫁給大她十歲的軍官──沙特萊－羅蒙侯爵（Marquis du Châtelet-Lomont）。成為夫妻的兩人，卻一絲共同點都沒有：她聰明、機智、喜歡接觸新知，沙特萊－羅蒙卻很遲鈍、沒有智識上的興趣；她喜歡巴黎以及宮廷的社交生活，丈夫卻因職務之故長期不在巴黎，社交圈也僅止於軍中同袍。對埃米莉而言，這段婚姻完全沒有任何激情成份，只是盡義務罷了。然而，這樁婚事倒也不是沒有好處──埃米莉得到了更高的社經地位，甚至擁有在皇后面前坐凳子的特權，旅行時還能有自己的隨扈。而伴隨婚姻而來的，是豐富的物質生活，與填補不了的感情空虛。

沙特萊－羅蒙侯爵作為邊境地帶的領主，常需要參與戰事。丈夫遠行時，埃米莉就回到巴黎，參加凡爾賽宮的社交活動，包括賭博，更是皇后牌桌上的常客。結婚之後數年，他們的子女相繼出生，年僅二十多歲的埃米莉，已是三個孩子的媽。當時的貴族家庭，父母並不親自照顧小孩，孩子出生後便給奶媽帶大；她就跟當時其他的貴族女性一樣，不用負擔子女的照料和家事，生活奢華、喜歡華貴的衣服和鞋子、穿戴價格高昂的首飾。

這時候的埃米莉，還很難讓人想像，有朝一日將成為十八世紀屈指可數的女性科學家。

與伏爾泰的相遇，成了邁向科學的契機

1733年，就在埃米莉放縱於巴黎的紙醉金迷時，能夠幫助她展現才華的人出現了──長她十二歲的阿魯埃（François-Marie Arouet），筆名伏爾泰（Voltaire）。

伏爾泰是優秀的思想家和哲學家／作家，也是啟蒙運動的代表人物；他常年批評時政與羅馬教廷，宣揚公民權、宗教自由以及政教分離；因為曾在英格蘭住過，伏爾泰對牛頓及其他英國學者的思想很是熟悉。雖然兩人早在多年前就打過照面，年輕的他們並沒有發展出長期的友誼關係；而這次相會，機智風趣的伏爾泰，馬上就和埃米莉成為很好的朋友，一起參加歌劇、戲劇、出入凡爾賽宮。

在那個年代，自然科學尚未獨立成為學門，只被歸類為哲學的一個分支──自然哲學；因為埃米莉對自然哲學很有興趣，伏爾泰於是引介巴黎最熟悉牛頓理論的科學家莫佩爾蒂[1]（Pierre-Louis Moreau de Maupertuis），給她上科學和數學課。

長期處於情感匱乏狀態的埃米莉，見到年紀相近、又是科學家的青年才俊莫佩爾蒂，瞬間墜入情網。她顧不得自身已婚，宛如少女情竇初開那般，將愛慕轉化為綿綿不絕的情書。然而，莫佩爾蒂或許對埃米莉過於濃烈的愛意感到負擔，轉而請另一位學者克萊羅[2]（Alexis-Claude Clairaut）代替自己教導她。比埃米莉小七歲的克萊羅，是天份洋溢的數學家，聞名歐洲；他不但和埃米莉成為一生的朋友，也是其日後科學工作的夥伴。

或許可以說，埃米莉能在科學路上有所成就，除了靠自身天份與努力外，也多虧這三位益友在途中的幫助。

遠離塵囂

1735年，伏爾泰因為出版的新書觸怒法國政府，被迫離開巴黎；埃米莉提供位於法國東部的上馬恩省（Haute-Marne）、距巴黎275公里的西雷莊園（Château de Cirey）給伏爾泰避難。過了幾個月，埃米莉也搬到西雷莊園與伏爾泰同住。此時的兩人，已成為熱戀中的情侶；沙特萊－羅蒙侯爵，也就是埃米莉的丈夫，對妻子另結新歡抱持默許的態度──畢竟他們的婚姻早就名存實亡。

西雷莊園成為兩人哲學／科學工作的中心，房間擺滿書籍和科學儀器，藏書量甚至媲美大學圖書館。和學術圈保持密切聯繫的同時，他們也邀請學者／朋友到莊園拜訪或長住。兩人遠離了巴黎社交圈，也遠離閒言閒語；白天研讀科學，晚上和朋友開宴會同歡。這時候的埃米莉，生活有好一部份重心都轉移到數學和科學上，即使短暫回巴黎也不忘記學習；她更將西雷莊園稱為「哲學與理性之地」。

在科學圈的初試啼聲

1737年，法國皇家科學院（現為法國科學院）的年度論文競賽，主題是火的本質與傳播。埃米莉寫了139頁的論文，嘗試整理所有已知的火焰性質並做出論述。雖然沒有提出新的實驗發現或理論，但她在論文裡提到：「太陽的光線呈現黃色，所以相較於其他顏色的光，太陽在本質上必然投射出較多的黃光。⋯⋯很有可能在其他的（恆星）系統，有的太陽會投射出更多紅色、或綠色等等的光線⋯⋯」這段推測與目前的科學認知，在概念上非常接近。

後來，論文獎項由瑞士出身的數學家歐拉[3]（Leonhard Euler）和另外兩位學者奪得；這讓埃米莉、以及也有參加競賽的伏爾泰傷心極了，埃米莉甚至寫信，向評審之一的老朋友莫佩爾蒂抱怨。此時的她並不知道，贏得殊榮的歐拉將成為有史以來最偉大的數學家之一，輸給歐拉一點都不是什麼可恥的事。無論如何，1738年，法國皇家科學院將參與競賽的優秀論文彙整出版，其中便包括埃米莉和伏爾泰的論文。

《物理學教程》的出版

1740年，鑑於當時的法文物理學教科書都已過時，沒有納入近幾十年的物理學發展，在朋友勸說下，埃米莉將她教導兒子的物理學基礎內容整理成冊，匿名出版《物理學教程》（Institutions de Physique）。事實上，埃米莉對出書並不陌生：兩年前，伏爾泰出版著名的《牛頓哲學要素》（Éléments de la philosophie de Newton），嘗試為牛頓哲學提供清楚易懂的解釋；一般相信埃米莉對這本書的內容貢獻良多，只是沒有被列為作者。

《物理學教程》主要在介紹當時（尤其是牛頓）的物理學理論，但同時也採用知名數學家萊布尼茲[4]（Gottfried Wilhelm Leibniz）的觀點，討論當時最前沿的物理學爭議──活力（vis viva，意為活著的力）。早在十七世紀，聲名遠播的哲學家笛卡兒[5]（René Descartes）及其追隨者便提出，在力學系統內，若把每個物體的「質量」[6]和其「速率」相乘，再加總起來，會是守恆的。過了幾十年，萊布尼茲卻聲稱，真正守恆的量，是把每個物體的「質量」和其「速率的平方」相乘，再加總──他把這個物理量稱為活力。同時，牛頓也參了一腳：他指出，在某些特定系統裡（例如兩個軟物體互撞），萊布尼茲的說法顯然有誤。

十八世紀的學界，對動量、力、功、能量、質量這些我們現今熟知的概念並不清楚。活力的爭議會延續這麼多年，一方面是因對詞彙的運用與定義不清，另一方面學界也找不到所有狀況都適用的原則。

埃米莉本身雖然是牛頓學說的支持者，但在《物理學教程》中，進一步發展萊布尼茲的觀點，並採用當時另一位科學家的實驗觀測，論證活力應該要正比於「速率的平方」才對。沒想到，這本書關於活力的討論，後來卻引起軒然大波。

接踵而來的人際糾紛、歧視與批評

埃米莉在撰寫《物理學教程》的時候，曾就萊布尼茲的理論向某位學者請教。然而，這位學者後來卻散布謠言，聲稱埃米莉正在寫的書抄襲他的著作；埃米莉自然是一概否認。換個角度想，既然埃米莉曾向其諮詢，那麼書中針對萊布尼茲學說的介紹，有一定程度受到對方的觀點影響，或許也不是那麼奇怪。無論如何，這件事後來不了了之，《物理學教程》也順利出版。世人無從得知兩人之間究竟發生什麼事，只懷疑是跟金錢糾紛有關。

福無雙至禍不單行，在《物理學教程》出版後不久，法國皇家科學院的秘書德邁蘭（Jean-Jacques d’Ortous de Mairan）發表公開信，質疑書中內容。原來，埃米莉在《物理學教程》裡，除了採用萊布尼茲的觀點之外，還評論了德邁蘭支持笛卡兒／牛頓一派的論文；德邁蘭作為堂堂學者，又是皇家科學院的秘書，實在無法忍受被學界名不見經傳的女人批評。在公開信中，德邁蘭質疑女人善變、埃米莉腦袋有問題，並堅持埃米莉錯誤詮釋他的科學工作、對數學的理解也不完全。

埃米莉無法忍受德邁蘭的無稽之談；她即時針對信中批評，以體面、整潔的語調逐一反駁，並將回應寄給皇家科學院眾多成員。埃米莉一戰成名，也讓眾人看到她確實學有專精。為此，在1742年《物理學教程》再版裡，埃米莉除了就部份內容做修改之外，也把自己和德邁蘭隔空交火的信件附上，讓讀者自行判斷孰是孰非。這次她不但不再隱去姓名，還加上自己的畫像。一般而言，人們大多認為埃米莉在這次爭論中贏了德邁蘭。

從科學發展史的角度來看，埃米莉的《物理學教程》，是一本嘗試向法語國家推銷英國學說，卻又努力不傷害國家民族感情的著作──大自然畢竟不分國界。她特地旁徵博引許多法文參考資料，以作為論述的佐證；像是，莫佩爾蒂和克萊羅於1736年率領法國遠征隊，到芬蘭的拉普蘭（Lapland）測量子午線長度，最終證實地球為扁圓形──跟莫佩爾蒂和克萊羅基於牛頓理論的研究結果吻合。這本書將牛頓學說的基本概念，包括物體的運動以及萬有引力，介紹給一般大眾。可以說，《物理學教程》的撰寫，以及引發的一系列討論，都讓埃米莉更有能力面對她畢生最大的成就──翻譯牛頓的《自然哲學的數學原理》。

埋首新計畫：《自然哲學的數學原理》的翻譯工作

好些年來，伏爾泰和埃米莉在西雷莊園過著只羨鴛鴦不羨仙的生活，然而再親密的伴侶終究還是得面對時間的考驗。1743年以後，兩人的互動充滿緊張與爭吵；伏爾泰出外旅行時，寄給埃米莉的信不但越來越少，內容也不再情話綿綿。他們的關係，就在伏爾泰出軌後嘎然而止──儘管如此，兩人可能過於習慣彼此，分手後還是一起旅行、一起生活。

失去了感情上的寄託，埃米莉埋首書堆，專注於牛頓哲學的研究。1745年，她展開新計畫，打算將牛頓的科學鉅作《自然哲學的數學原理》由拉丁文翻譯成法文。當時牛頓已去世18年，《自然哲學的數學原理》也已問世58年，卻一直沒有完整的法文譯本。這本書充滿了複雜難解的數學，沒有兩把刷子是翻譯不來的。對埃米莉而言，這個工作不但可以讓自己的學識被眾人肯認，二來她也希望能夠增加眾人對牛頓學說的接受度──基本上，當時牛頓的理論只在英國廣為流傳，並不被歐洲大陸多數學者認同。

1745年末到1746年初，待法國政府和出版社的同意都下來之後，埃米莉終於能夠著手進行這將讓她聲名遠播的計畫。因為書中許多地方都需要用數學重新驗證並做解釋，她於是找了克萊羅協助處理數學的部份。《自然哲學的數學原理》是大部頭著作，共分三本；前兩本講述物體的運動，第三本則談論牛頓的世界體系，尤其是萬有引力在天文學（包括太陽系）上的應用。埃米莉花了兩年多，還沒能將翻譯完成。

轟轟烈烈地去愛

1748年，埃米莉和伏爾泰到呂內維爾[7]（Lunéville）旅行，拜訪他們的朋友、也是當時法國皇后的父親──前波蘭國王萊什琴斯基（Stanisław Leszczyński），史稱斯坦尼斯瓦夫一世。在那裡，埃米莉認識了聖－蘭伯特（Jean-François de Saint-Lambert），一個平凡乏味、在學識上也不如她的詩人。

愛情或許真的沒什麼道理可言，埃米莉愛上了聖－蘭伯特。在呂內維爾的日子，她瘋狂得不顧一切：不顧對方才學平庸、不顧自己的地位、不顧親人和朋友的看法、捨棄了翻譯工作，一心只想著情人；她經常寫情書給聖－蘭伯特，來回穿梭於兩人的房間。這是埃米莉最後一次轟轟烈烈的戀愛，愛上一個在各方面完全都不如她的人。

一開始，伏爾泰對兩人的曖昧裝作不知情，但事情演變到後來，就算再遲鈍的人都看得出來他們關係匪淺。儘管伏爾泰和埃米莉已經分手，也曾有過爭吵、衝突，但他和埃米莉之間的感情非常深刻，兩人十多年來一直是生活和學識上的好夥伴──伏爾泰再也不能坐視不管了！

伏爾泰半強迫地把埃米莉帶回巴黎，卻發現一切都已太遲──埃米莉懷孕了。在現代，與婚外情人有孩子雖然並不少見，但在多數人眼裡也不是什麼光榮的事；考量到當時的年代，以及埃米莉的貴族身份，想必不是打哈哈就能過去的。

沒辦法之下，埃米莉只得和伏爾泰商談，如何把懷孕的消息告知她的丈夫，沙特萊－羅蒙侯爵。就在某一天，兩人找了聖－蘭伯特和沙特萊－羅蒙，齊聚西雷莊園，打算把事情交待清楚。出乎意料地，沙特萊－羅蒙侯爵最終接受了這個事實。

鞠躬盡瘁，死而後已

解決懷孕的事情後，埃米莉在巴黎繼續翻譯工作，克萊羅每天也都會來幫忙她。直到1749年6月，已經六個月身孕的埃米莉，才和伏爾泰啟程前往呂內維爾待產。

儘管是高齡產婦，埃米莉仍然不眠不休地工作，希望趕在第四個孩子出生前，將翻譯工作做完。完成書稿的最後一個月，她常常每天工作十七個小時，到凌晨五點才休息；當睡魔來襲，她就把雙臂浸到冰水裡，以恢復專注。《自然哲學的數學原理》翻譯，埃米莉在臨盆前幾天才大功告成。

1749年9月4日，埃米莉生下一個小女嬰；過程看似順利，之後她卻開始發燒，病情每況愈下。到了9月10日晚上，在丈夫、以及前後任情人伏爾泰和聖－蘭伯特的環繞下，埃米莉撒手人寰。她的小孩在活了一些時日後，也跟隨母親的腳步而去。

伏爾泰對埃米莉的死悲痛不已；在給普魯士國王腓特烈二世（Frederick II）的信中，他寫到：「我失去了一個認識二十五年的朋友、缺點是身為女人的偉大男人──全巴黎都尊崇與為之哀悼。」雖然從現代性別平等的角度來看，這句話很有問題，卻是十八世紀的伏爾泰，所能給予女性的最高讚美。

回想埃米莉最後的日子，她簡直就像是早已預知自己的死亡，才趕在臨盆前把翻譯完成。但話又說回來，如果她不要那麼拼命，把身體狀況調整好，是否可能捱過難產、並在日後繼續完成翻譯工作呢？永遠都沒有人知道了⋯⋯

《自然哲學的數學原理》的出版

埃米莉去世十年後，克萊羅將她的《自然哲學的數學原理》法文譯本出版，由伏爾泰撰寫前言。翻譯分成兩冊：第一冊包含原《自然哲學的數學原理》前兩本內容，埃米莉在後面也加上目錄，解釋書內物理概念和詞彙的定義，並標註書中位置；第二冊即原《自然哲學的數學原理》第三本──考慮到大多數人可能無法理解箇中深奧，埃米莉還附上自己長達286頁的譯註，以及關於數學的附錄。

埃米莉的譯註，完全可以當作是《自然哲學的數學原理》閱讀手冊；她用清晰的文字補充說明內容，並旁徵博引，引述牛頓及其他科學家的話、提及當代學者的研究成果，以作為牛頓理論的印證；除此之外，埃米莉也述說天文學歷史上的重要發現，像是哥白尼太陽系模型、克卜勒行星運動定律等等。

埃米莉的《自然哲學的數學原理》翻譯，是至今為止唯一一本完整法文譯本，也是公認的標準版本。她的翻譯促進牛頓學說在歐洲的擴散與研究、幫助同時代的人理解牛頓的物理理論，也象徵了十八世紀女性在科學與數學上的最高成就。若沒有對數學的專精知識，與對牛頓哲學的深入理解，絕對無法適切翻譯這本科學史上最重要的論著──光憑這一點，當時的許多男性學者都不可能做到。

奔放不羈的科學傳播者

埃米莉生前不但被選為義大利波隆那科學院（Academy of Sciences of the Institute of Bologna）的成員，也是十八世紀極少數的女性科學家。她不到四十三歲便去世，不只是歐洲科學界的損失，也是全體人類的損失。

埃米莉長得高挑、漂亮，海洋般的綠色眼珠搭配較深的膚色，聰明高雅又熱情，多才多藝，在科學、歌劇、戲劇上都有所長，毫無疑問會是社交場合目光的焦點、討人喜愛。另一方面，她率情、率性、奔放不羈又自負，喜歡穿著裝飾華麗的禮服、展露身上昂貴的鑽石，生活花費龐大，常因為債務而必須跟伏爾泰借錢。她不是溫柔婉約的女性，當時的貴族文化更讓她不會犧牲奉獻當什麼慈母；其一生最大的成就，是在被男性佔據的科學界爭得一席之地。即使到現在，也很少科學界的女性像埃米莉那樣，生活充滿了鮮明對比。

埃米莉沒有開創新的科學理論，但是促進了科學的發展；她生來為愛、為被愛、願意為愛犧牲一切，而她最後確實也為喜愛的科學，工作到最後一刻，並在她的愛人陪伴下離開世界。時至今日，我們仍然可以在呂內維爾的聖－雅克教堂（The Church Saint-Jacques）入口旁，看到她的灰色大理石墓碑，寫著：加布里埃勒．埃米莉．勒托內利耶．德布勒特伊，沙特萊侯爵夫人⋯⋯科學與哲學的女性。

參考資料

• Rachel Swaby (2015), Headstrong: 52 Women Who Changed Science-and the World, Broadway Books.
• Sarah Hutton, Emilie du Châtelet’s Institutions de physique as a document in the history of French Newtonianism, Stud. Hist. Phil. Sci. 35, 515 (2004).
• Katherine Brading (2018), Émilie Du Châtelet and the Foundations of Physical Science, Routledge.
• Dora E. Musielak, The Marquise du Châtelet: A Controversial Woman of Science, arXiv:1406.7401 [math.HO].
• Robyn Arianrhod (2012), Seduced by Logic: Émilie Du Châtelet, Mary Somerville and the Newtonian Revolution, Oxford University Press.
• Ian Davidson (2012), Voltaire: A Life, Pegasus Books.
• George E. Smith, The vis viva dispute: A controversy at the dawn of dynamics, Physics Today 59, 10, 31 (2006).

註釋

• [1] 皮埃爾．路易．莫佩爾蒂（Pierre Louis Moreau de Maupertuis，1698-1759）是法國數學家和哲學家，最知名的成就為提出物理學的最小作用量原理。
• [2] 亞歷克西斯．克勞德．克萊羅（Alexis Claude Clairault，1713-1765）是法國的數學家和地球物理學家，最知名的成就為其關於地球幾何形狀的數學定理。
• [3] 李昂哈德．歐拉（Leonhard Euler，1707-1783）是出生於瑞士的數學家，近代數學的先驅，在諸多數學和物理領域都有傑出貢獻。
• [4] 哥特佛萊德．威廉．萊布尼茲（Gottfried Wilhelm Leibniz，1646-1716），德國數學家與科學家，最知名的工作為發展出微積分概念。
• [5] 勒內．笛卡兒（René Descartes，1596-1650），法國哲學家與科學家，也是首位強調運用理性發展自然科學的思想家，留有名言「我思故我在」，對數學的解析幾何做出重要貢獻。
• [6] 事實上，當時還沒有「質量」的完整概念。笛卡兒本人用的詞彙是物體的「大小」。
• [7] 呂內維爾（Lunéville）位於法國東部，是默爾特－摩澤爾省（Meurthe-et-Moselle  department）的一個市鎮。