科學寶可夢2 #166 安瓢蟲：星星知我心但不給力

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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世人接受新觀念分為三個階段：

　　A. 胡說八道

　　B. 早就有人想過了

　　C. 我們一直都是這樣想

──佛萊德．霍伊爾，轉述雷蒙．利托頓（Raymond Lyttleton）說法

滿懷熱情的劍橋叛逆者：佩恩如何走上科學之路

一九二三年春天，二十一歲、身材高䠷的劍橋大學學生塞西莉亞．佩恩（Cecilia Payne）開始對未來感到惶恐。她熱愛天文學研究，夢想能走上研究道路，長期筆記自己成為科學家之後想研究的課題。但在校最後一年，她意識到面前可能是個死胡同。

那時代的英國，如她這般具備聰明才智的女性充其量只是當上女子學校的教師或校長。「彷彿腳下裂開一條深淵，」後來佩恩在自傳這樣比喻：「對我而言，當女教師是『比死亡還糟糕的命運』。」所幸悲慘命運沒有降臨在她身上，儘管面臨種種困難，佩恩仍舊在科學上做出突破，為二十世紀科學的轉捩點奠定基礎：她發現人體所有元素（除了氫）最初如何形成。

佩恩對科學的興趣萌芽於六歲，那年一顆流星給她留下深刻印象。十歲時，她在天主教學校做實驗測試禱告的力量，為一半考試的成績祈禱、另一半則不做祈禱。事後發現成績沒有差別時，她轉而肯定理性的力量，對科學的興趣於此扎根。至於宗教，佩恩後來相信一位論¹⁴。

虔誠女校長對佩恩說學習科學是「糟蹋她的天賦」。學校合唱團指揮古斯塔夫．霍爾斯特（Gustav Holst）雖然當時默默無聞但之後會創作《行星組曲》，他則鼓勵佩恩走音樂這條路。

但佩恩有自己的想法：她拿到劍橋大學獎學金，準備攻讀植物學。然而適逢第一次世界大戰之後物理學風起雲湧的時期，佩恩正好聽了天文學家亞瑟．愛丁頓那場劃時代講座，得知太陽引力場能夠扭曲光線路徑，而且一切符合愛因斯坦的預測。佩恩大受震撼，人生再次拐了個彎。她後來寫道：「我的世界天旋地轉，感覺差點神經休克。」那瞬間她徹底愛上物理學，所以隔天就去「面對校方」，申請從植物學系轉到物理學系。回家以後她幾乎逐字逐句默寫講座內容，為此三天沒怎麼睡。

劍橋卡文迪什實驗室的氣氛像是帶著電。發現電子的湯木生、發明雲室的威爾遜都在這裡，但最耀眼的常駐明星是發現原子核的傳奇人物拉塞福。對佩恩來說美中不足的是拉塞福不喜歡課堂有女性參與。儘管當時年輕女性不再需要年長者時時監護，但仍要求座位與男性分開。因此每次進入講堂，佩恩作為唯一女性必須單獨坐在最前排，而拉塞福更是刻意每堂課都以「各位女士先生」這句話開場。佩恩在自傳中回憶：「男生聽到教授意有所指總是很捧場，歡聲雷動之外還會老派地跺腳，每次上課我都想挖個洞鑽進去。」[38]

星星的祕密：她用光譜解開宇宙的指紋

她很快投靠愛丁頓。愛丁頓理解她的熱忱，也比拉塞福更加包容，允許她參與研究團隊。同時佩恩還接觸到最新領域量子物理學，帶她入門的正是理論發現者之一尼爾斯．波耳（Niels Bohr）。即便如此，在學最後一年她又發現面前是死路，因為劍橋大學根本不允許女性獲得高等學位。（不授予文憑，也無法獲邀參加畢業典禮。）險阻重重，但她堅持不懈、動用一些關係，終於爭取到哈佛天文臺的女性研究員資格，能在臺長哈洛．沙普利指導下工作。

天文臺位於麻薩諸塞州劍橋市距離校園大約一英里的小山上，特點是願意僱用女性，因為前任臺長愛德華．皮克林（Edward Pickering）發現她們除了勤奮聰明還能大幅降低預算壓力。在一次史無前例的星體清點作業中，皮克林僱用超過八十位女性處理大量圖片，最終數量高達五十萬份。有些人將這群女性稱為「皮克林的計算機」，但更常見的諢名是「皮克林的後宮」。

一開始沙普利也期望佩恩幫忙利用照片來對星體進行分類和編目，但她才第一個獨立研究就急於解決劍橋教授提出的大哉問。當時人類對宇宙的理解有個顯而易見的盲點：星星是由什麼構成的？

科學家已經掌握部分答案。除了拍攝恆星，哈佛天文學家還會記錄玻璃底片上的光譜。光譜提供線索，可以判斷星星含有何種元素。星體發出的光包含各種顏色，但元素周期表中每個元素會吸收一組特定波長。換句話說，飄浮在星體大氣層的元素原子會在星光到達地球前吸收特定波長的光。天文學家觀察星體光譜的水平面會發現波長缺失部分出現細黑線，從這些黑線就能推測出光線被什麼元素吸收了。可以說感光玻璃板留下了指紋光譜、宇宙條碼，結論是星星含有許多地球上能找到的元素，例如鐵、氧、矽、氫。

隨之而來的問題是光譜模式有異常，想要詮釋並不容易。儘管玻璃底片能告訴科學家星星包含什麼元素，卻無法有效判斷各元素的份量。

星星的祕密：她用光譜解開宇宙的指紋

儘管如此，天文學家卻認為自己已經知道答案是恆星和行星必定由相同物質構成。當時許多人認為行星是另一顆恆星經過時從太陽拉出大團熱氣體之後凝固而成，因此地球與太陽必然成分相近。就連恆星研究龍頭亨利．諾里斯．羅素也信心滿滿，他相信太陽就像地球有個巨大鐵核心，如果將地球地殼加熱到太陽的溫度就會散發出幾乎一模一樣的光譜。

這正是佩恩想研究的問題。她意圖藉由底片確認恆星中各種元素的比例，並提議採納最新的前沿理論：遠在加爾各答的傑出天體物理學家梅納德．薩哈（Meghnad Saha）指出新的量子力學理論中，電子只能在特定軌道圍繞原子核旋轉，能量越高就必須離原子核越遠。據此出發，薩哈認為恆星溫度各有不同，即使原子是相同元素，其中電子也很可能處於不同路徑（若是最高溫的恆星，原子還可能直接失去電子）。這些變化導致相同原子會吸收光線中的不同波長組合，混淆人類對星星光譜的理解。

工程浩大，但佩恩不畏挑戰，將薩哈方程式應用於哈佛的龐大底片館藏。哈佛天文臺也只有她具備足夠的量子理論知識能完成這項工作。[40]

佩恩辦公室位於紅磚大樓三樓，裡頭堆滿了底片。她不舍晝夜努力分析，數萬筆恆星光譜看得人眼花繚亂。底片至今仍保存在同一棟大樓，只是外面護膜泛黃了。曾經接受佩恩指導的天文學家歐文．金杰里奇（Owen Gingerich）拿了一張給我看過，上面的黑色帶狀紋路每條約四分之一英寸寬（約零點六公分），裡頭交織亮度不一的模糊細線，必須拿放大鏡才能判讀。「單純這樣看想必一頭霧水，」金杰里奇解釋：「但其實有一套辨識的系統，只要日復一日觀察就能跟它們變成朋友。」我盯著那些線條直呼不可思議。

天文臺臺長沙普利偶爾在夜裡經過那間辦公室，發現佩恩邊抽菸邊端詳底片，絞盡腦汁在模糊線條裡辨認出模式、與計算結果做對照。她自己也寫下：「我日以繼夜研究，時常處在疲憊崩潰的邊緣。」研究計畫從幾個月延長到將近一年，期間只能以「霧裡看花」形容，但皇天不負苦心人，佩恩運用薩哈方程式之後得到出乎意料的結果。

論文初稿中她大膽宣稱：儘管大家相信恆星與地球成分應該相同，但事實並非如此。恆星中幾乎沒有地球上最常見的元素如鐵、矽、氧、鋁。反之，每顆恆星有百分之九十八是氫和氦，而且太陽的氫比地球多一百萬倍。

太奇怪了，與她在劍橋所學不符，也與老師們對地球形成的理解不一致。「佩恩小姐？你很勇敢」，物理學家艾爾弗雷德．福勒（Alfred Fowler）這樣對她說。沙普利臺長很得意地將佩恩的論文草稿寄給自己以前的指導教授、普林斯頓大學著名天文學家亨利．諾里斯．羅素。

哈佛大學最優秀的人也被迫低頭

羅素回信以高度讚揚夾帶了強烈警語：他認為佩恩的主張，也就是星星幾乎完全由氫和氦組成，「顯然是不可能的」。否定這種說法的理由很充分，其中之一在於他們為何認為太陽中含有大量的鐵。太陽光譜中代表鐵的線條比其他元素更多，而且許多隕石也由鐵構成、地球的核心同樣充滿鐵。在羅素看來，種種現象指向任何天體都含有大量的鐵。

一邊是研究所學生，另一邊在學界已經聲譽卓著，佩恩自然接受了對方觀點，或者應該說她感覺自己不得不從，回憶時提到：「年輕科學家有沒有前途就看對方一句話。」於是她在論文加上一句前提，表示這部分結論「幾乎肯定不真實」。據佩恩的女兒告訴作家唐納文．摩爾（Donovan Moore），她一生都為這個決定感到遺憾，因為不出幾年量子理論進步了、其他人也透過其他方法得出同樣結論，羅素又回頭肯定了佩恩的發現。

後來很長一段時間裡，大家認為她寫出了天文學史上最傑出的博士論文。著名天文學家愛德溫．哈伯稱她為「哈佛大學最優秀的人（man）」。即便如此，佩恩在哈佛大學內部升遷卻花了很長時間，講座有非常多年沒被列入哈佛的課程目錄。原因出在校長勞倫斯．羅威爾（Lawrence Lowell）強烈排斥女性進入教職一事，還發誓有生之年絕不錄用，所以拖到一九五六年，羅威爾去世非常久以後，佩恩才終於當上教授。

她的發現改變人類對恆星運作的理解。確定恆星主要由氫和氦組成，研究人員得以解決另一個長期未解的謎團：星星以什麼作為燃料？他們發現恆星內部壓力極大，單質子的氫原子融合形成雙質子的氦原子時會釋放能量，太陽就以這種方式產生光和熱。也由於佩恩的貢獻與對恆星的新知識，學界終於有機會揭開重元素誕生的祕密，答案就在星星裡。

——本文摘自《你的身體怎麼來的？從大霹靂到昨日晚餐，解密人體原子的故事》，2025 年 01 月，商周出版，未經同意請勿轉載。

身為一名訓練師，你真的了解你的寶貝們嗎？寶可夢圖鑑讀熟了沒？

其實圖鑑告訴你的比想像中的還多喔！每個星期周末跟著 R 編一起來上一門訓練師的科學課吧！來跟大家分析這些寶可夢們是如何使用科學力來戰鬥的。

在Y編的百般詢問之下（其實是我自我放逐~~~），R編決定來繼續「科學寶可夢」這個專題。（y編按：已經富奸太久了！！！！！！）儘管寶可夢有點退燒了，但這充滿空想、奇幻又可以用科學來驗證、討論的世界，對我們科學青年科宅根本是個遊樂場~ 不是嗎？

為什麼偏偏挑星光 #166 安瓢蟲

放出火焰、噴出水槍、超級怪力、跑的很快……從第一篇文章以來，這些寶可夢的招式強大，但這些詭異技能的能量來源卻一直成謎；要嘛也是我腦補而已，但這裏我們看到了可能是第一隻白紙黑字跟你說牠靠什麼過活的寶可夢！

• 延伸閱讀：科學寶可夢特輯

「據說安瓢蟲會大量居住在空氣清新，可以看到很多星星的地方。之所以這樣做是為了要把星光轉化為能量。」– 紅綠藍寶石、終極紅寶石、始源藍寶石

「將星光轉化成能量。夜空中星星的數量增多時，背上的斑點也會變大。」– 鑽石、珍珠、白金、黑、白、太陽

把星星的光當作能源啊（注1）……如果你覺得靠曬太陽來獲得能源現階段還不是很實用的話，那用星光可能會讓你更絕望。

說要把光當作能源，首當其衝就是想到太陽能，而夜空中閃閃發光的星星中，也有很大一部分都是恆星，比太陽強的比太陽弱的都有，但問題就是這些星星都離我們太遠了，所以有時候亮度甚至比不上一些地球的鄰居例如木星、火星……等等，但不管怎樣這些光傳到地球上通常都已經變非常微弱了。

多弱呢？如果我們先只看照度（勒克斯 Lux），也就是每單位面積接受到的光通量的話，白天的時候，就算太陽不用直射在我們頭上最少都有10000 lux；相較之下到了晚上，就算白月高高掛照度也只有0.2 lux而已，如果把月亮拿掉，完全只算星光的話，這個數字只剩下可憐的0.0003 lux，是太陽的3000萬分之1。（注2）

但這樣下去會沒完沒了，因為宇宙中有無數的星星，地球永遠還是會接收到不知道哪裡的星體發出來的輻射，只是這些輻射剛好不在可見光的波段而已。到這裡還真想不透為什麼安瓢蟲偏偏要挑星光呢？難不成這有比較特別嗎？但據我所知在光學頻譜上不管是遠紅外線、紫外光、無線電、微波，太陽光一樣都不缺，還是安瓢蟲覺得好幾百光年外的深空輻射比較對味呢？

所以我們只能大膽做個假設，就是安瓢蟲只接收可見光，但又因為某些特殊需求無法接受太陽光，這包括反射太陽光才能發亮的月球在內。（注3）

這能量，連手錶都跑不動

但接下來又會面臨到另一個問題，因為就算是可見光，各種生物、感光物質也會有不同的喜好。例如對人類眼睛而言最敏感的光是波長 555 奈米的黃綠光，而植物的葉綠素則是不喜歡吸收綠光，所以才會反射出來給你看；但是沒一個寶可夢博士把「安瓢蟲喜歡吸收什麼樣的光」給記錄下來，所以我們這裡又要進行一個很有可能會錯的一塌糊塗的假設，就是安瓢蟲不管它是用什麼吸收光，還是跟人的眼睛相似，以吸收 555 奈米的光為主。（注4）

這樣的話我們會需要幾個數字來決定安瓢蟲到底能接收到多少能量，除了我們已經有的星光的照度 0.003 lux 之外，還有一個很重要的是牠用多少面積吸收光和牠的吸收效率。

安瓢蟲的身形很明顯，就是一隻瓢蟲，這實在太棒了～ 因為我們可能再也找不到比瓢蟲更圓、更好計算面積的昆蟲了，所以這裡就當牠背上的甲殼整片都能吸收光好了。圖鑑說安瓢蟲的身高是 1.4 公尺，儘管比例上牠的頭看起來有夠大，還是假設牠的甲殼是一個半徑 0.5 公尺的圓形，如此牠吸收光的面積就能多達 0.78 平方公尺。

至於吸收效率的話，我們現在實驗室中的太陽能板光吸收效率可以達到45%，豈能用我們凡人的科技來對比寶可夢的世界呢？我們就大方的假設安瓢蟲的吸收效率能高達 90% 好了。

把 0.0003 lx 代入我很常用的網路計算機Unit Converstion，我們得到每平方公尺 4.4 x 10^-7 瓦特，也就是說如果這照度全部轉換成波長 555 奈米的光，牠的效率大概是如此。我們再乘上安瓢蟲的接收面積和轉換效率，我們可以得到安瓢蟲的星光能源產生效率為 3.1x 10^-7 瓦特，也就是說每秒鐘的星光可以為牠產生 3.1x 10^-7 焦耳的能源。

光看那小數點就知道不妙了，光是驅動一支石英或機械表需要的功率已經是 10^-6 瓦特了，也就是說如果你打造一個安瓢蟲星光發電機來推動機械錶，牠每秒產出的能源完全不足以把秒針向前推一格，牠每 3 秒只能前進 1 秒，你手錶過 1 天別人已經過 3 天啦！！

如果維持這這個效率持續一整個晚上，就算我們給安瓢蟲 12 小時好了，牠產生出來的能源只有 0.0134 焦耳。連從一公尺高的地方自由落體的硬幣掉在地上產生的能量都有 0.1 焦耳了，用這個能量來打人根本不痛不癢吧……

但沒辦法，寶可夢世界中安瓢蟲還是得去戰鬥，這樣牠該怎麼發招啊？

從圖鑑上看來，剛出生的安瓢蟲一定會的攻擊絕招，是「衝撞」，威力 40，如果假設這個絕招差不多是被一台1噸重的車以時速 30 公里撞上的話，那這動能差不多是 4166 焦耳（注5）。如果安瓢蟲要使用這一招，而且只使用一次的話，牠需要連續曬 311081 天的星光，也就是 850 年後牠才累積了足夠的能量可以放招，然後要下一次用又要等 850 年……

當然更別論其他雜七雜八的招式例如「高速星星」、「音速拳」、「高速移動」了～安瓢蟲如果你真的想在這強者如林的寶可夢世界活下來，就不能挑光啊（注6）～ 要不然就要把自己打造成那種幾百年才做點事的神獸才有看頭。

編注：

1. 其他的敘述還有「夜空中星光閃爍時，牠會一邊灑著閃亮的粉末，一邊翩翩飛過」、「把身體包裹在巨大的葉子裡，美美地睡覺」、「用４隻手臂揮拳戰鬥。一拳的威力並不怎麼樣，但依靠出拳數取勝」……這些敘述是很夢幻啦，說不定安瓢蟲的功能真的只剩放著好看而已。還有最後那個……寫完文章之後我覺得應該出拳數應該不是唯一的問題了。
2. 為了寫這篇文章，R 編還特地寫了封信去給NASA，想要知道一些更詳（ㄊㄡ）細（ㄌㄢˇ）的資料，因為我相信他們一定有研究，但在交稿之際他們都還沒回信，而且真的在 google 上找「星光的能量」之類的資料，通常都會得到「對地球而言，星光產出能能源太少，所以忽略」之類的資料。
3. 雖然我這樣說，但之後計算的時候還是把木星、火星算進去了。但是說實在的，如果把這幾顆星星也拿掉的話，我們的星空產生的光就又更少了。我原本有要把宇宙背景輻射考慮進去的，但是第一：背景輻射連早上也在；第二：背景輻射產生的能量可能比之後的計算結果還多，所以就算了……
4. 我們現在的太陽能板能接收的波長其實已經超出可見光很多了，從 250~2500 奈米都在範圍內，而且昆蟲好像對紫外光比較有反應，所以這有可能會大錯特錯，但如果是結果的話還是沒差多少。為什麼照這樣來假設有一點是因為這樣才有線上的工具可以幫我轉換成接下來的單位，不然我還要自己東查西查~~~
5. R 編原本像用另外一個方法計算衝撞的威力，就是用普通屬性最強、威力 250 的招式「大爆炸」並取其 1/6 來計算衝撞的威力，因為我覺得大爆炸的威力只要找幾個炸藥當量就能代表了，快又方便，但這樣的話衝撞的標準會提高好幾百倍，所以就算了。
6. 說實在話我很好奇寶可夢博士們做實驗的方式。他們是把安瓢蟲放在太陽光和夜晚中相比，發現前者產生能量不及後者所以下這定論嗎？這樣的話不會覺得是習性的問題嗎？而且安瓢蟲還說可以改變花紋形狀來接收星光，但這樣只會讓接收的光更少而已，所以難不成牠體內有什麼能量放大機制之類的？

參考資料：

1. 維基百科：照度、光通量、光視效能、地球能量收支、能量效率級數
2. 科技新報：可吸收太陽光全部波長，最有效率的太陽能電池可望出爐
3. 2017年天文年鑑
4. Can Earth powered by Moon？

唉！好曬呀！前兩集，一些觀眾發現我曬黑了。

在臺灣，一向不缺陽光。市面上，美白、防曬廣告亦隨處可見，不過，為什麼我們會被陽光曬傷呢？卻又好像沒聽過被日光燈曬傷的事情？

事實上，這也跟量子力學有關，而且和我們今天的主題密切連結。

之前我們討論到量子概念在歷史上的起點，接下來，我們會進一步說明，量子概念是如何被發揚光大，以及那個男人的故事。

光電效應

在量子力學發展過程中，光電效應的研究是非常重要的轉捩點。

光電效應指的是，當一定頻率以上的光或電磁波照射在特定材料上，會使得材料發射出電子的現象。

在 19 世紀後期，科學家就已經發現某個奇特的現象：使用光（尤其是紫外線）照射帶負電的金屬板，會使金屬板的負電消失。但當時他們並不清楚背後原理，只猜測周遭氣體可能在紫外線的照射下，輔助帶負電的粒子從金屬板離開。

於是 1899 年，知名的英國物理學家 J. J. 湯姆森將鋅板放置在低壓汞氣之中，並照射紫外線，來研究汞氣如何幫助鋅板釋放負電荷，卻察覺這些電荷的性質，跟他在兩年前（1897 年）從放射線研究中發現的粒子很像。

它們是比氫原子要輕約一千倍、帶負電的微小粒子，也就是我們現在稱呼的電子。

1902 年，德國物理學家萊納德發現，即使是在抽真空的玻璃管內，只要照射一定頻率以上的光，兩極之間便會有電流通過，電流大小跟光的強度成正比，而將光線移除之後，電流也瞬間消失。

到此，我們所熟知的光電效應概念才算完整成型。

這邊聽起來好像沒什麼問題？然而，若不用現在的量子理論，只依靠當時的物理知識，很難完美解釋光電效應。因為根據傳統理論，光的能量多寡應該和光的強度有關，而不是光的頻率。

如果是光線把能量傳給電子，讓電子脫離金屬板，那為什麼需要一定頻率以上的光線才有用呢？比如我們拿同樣強度的紫外線跟紅外線去照射，會發現只有照射紫外線的金屬板才會產生電流。而且，當紫外線的頻率越高，電子的能量就越大。

另一方面，若我們拿很高強度的紅外線去照射金屬板，會發現無論如何都不會產生電流。但如果是紫外線的話，就算強度很低，還是會瞬間就產生電流。

這樣難以理解的光電效應，使得愛因斯坦於 1905 年一舉顛覆了整個物理學界，並建立了量子力學的基礎。

光電效應的解釋

為了解釋光電效應，愛因斯坦假設，電磁波攜帶的能量是以一個個帶有能量的「光量子」的形式輻射出去。並參考先前普朗克的研究成果，認為光量子的能量 E 和該電磁波的頻率 ν 成正比，寫成 E=hν，h 是比例常數，也是我們介紹過的普朗克常數。

在愛因斯坦的詮釋下，電磁波的頻率越高，光子能量就越大，所以只要頻率高到一定程度，就能讓電子獲得足以逃脫金屬板的能量，形成電流；反過來說，如果電磁波的頻率不夠高，電子無法獲得足夠能量，就無法離開金屬板。

這就像是巨石強森一拳 punch 能把我打昏，但如果有個弱雞用巨石強森百分之一的力道打我一百拳，就算加起來總力道一樣，我是不會被打昏，大概也綿綿癢癢的，不覺得受到什麼傷害一樣。

而當電磁波的強度越強，代表光子的數目越多，於是脫離金屬板的電子自然變多，電流就越大。就如同我們挨了巨石強森很多拳，受傷自然比只挨一拳要來得重。

雖然愛因斯坦對光電效應的解釋看似完美，但是光量子的觀點實在太過激進，難以被當時的科學家接受，就連普朗克本人對此都不太高興。

對普朗克來說，基本單位能量 hν，是由虛擬的「振子」發出的；但就愛因斯坦而言，電磁波本身的能量就是一個個光量子，或現在所謂的「光子」。

然而，電磁波屬於波動，直觀來說，波是綿延不絕地擴散到空間中，怎麼會是一個個攜帶最小基本單位能量的能量包呢？

美國物理學家密立根就堅信愛因斯坦的理論是錯的，並花費多年時間進行光電效應的實驗研究。

到了 1914 年，密立根發表了世界首次的普朗克常數實驗值，跟現在公認的標準數值 h=6.626×10^-34 Js（焦耳乘秒）相距不遠。

在論文中，密立根更捶心肝（tuî-sim-kuann）表示，實驗結果令人驚訝地與愛因斯坦那九年前早就被人拋棄的量子理論吻合得相當好。

這下子，就算學界不願相信愛因斯坦也不行了。愛因斯坦也因為在光電效應的貢獻，獲得 1921 年的諾貝爾物理獎。

光電效應的應用

在現代，光電效應的用途廣泛。我們日常生活中常見的太陽能發電板，利用的就是光電效應的一種，稱為光生伏打效應，材料內部的電子在吸收了光子的能量後，不是放射到周遭空間，而是在材料內部移動，形成正負兩極，產生電流。

而會不會曬傷也跟光子的能量有關。

曬傷是皮膚受到頻率夠高的太陽光，也就是紫外線裡的 UVB 輻射造成的損傷。這些光子打到皮膚，會讓 DNA 分子裡構成鍵結的電子逃逸，引起皮膚細胞中 DNA 的異常變化，導致細胞損傷和免疫反應，這就是為什麼曬傷後皮膚會出現紅腫、疼痛和發炎的原因。

而頻率較低的光線，因為光子能量偏低，所以就不太會造成傷害，這也是為什麼我們沒聽過被日光燈曬傷這種事。

結語

從 17 世紀後半，惠更斯和牛頓各自提出光的波動說和微粒說開始，人們就聚焦於光到底是波動還是粒子的大哉問；19 世紀初，湯瑪士．楊用雙狹縫干涉實驗顯示了光的波動性，而到 19 世紀中後期，光屬於電磁波的結論終於被馬克士威和赫茲分別從理論和實驗兩方面確立。

經過約莫兩百年的研究發展，世人才明白，光是一種波動。

怎知，沒過幾年，愛因斯坦就跳出來主張光的能量由一個個的光量子攜帶，還通過實驗的檢驗——光又成為粒子了。

物理學家不得不承認，光具有波動和粒子兩種性質，而會呈現哪一種特性則依情況而定，稱為光的波粒二象性。

愛因斯坦於 1905 年提出的光量子概念，顛覆了傳統認為波動和粒子截然二分的觀點，將光能量量子化的詮釋也被實驗印證，在那之後，除了光的能量之外，還有其他物理量被發現是「量子化」的，像是電荷。

我們現在知道，電荷也有個基本單位，就是單一電子攜帶的電荷大小。

儘管之後又發現組成原子核的夸克，具有 -1/3 和 +2/3 單位的基本電荷，但並沒有改變電荷大小是不連續的這件事，並不是要多少的電量都可以。

如果你覺得很奇怪，不妨想想，我們用肉眼看會覺得身體的每一個部位都是連續的，但其實在微觀尺度，身體也是由一個個很小的原子和分子組成，只是我們根本看不出來，才覺得是連續的。

光子的能量和電荷的大小，其實也是像這樣子，細分下去就會發現具有最基本的單位，不是連續的。

事實上，量子力學在誕生之後，一直不斷地為人們帶來驚喜，簡直就是物理學界突然闖進一隻捉摸不定的貓。我們下一個故事，就要來聊量子力學發展過程中，打破世間常識的某個破天荒假說，而假說的提出者，是大學原本主修歷史和法律，擁有歷史學士學位，但後來改念物理，並憑藉博士論文用 5 年時間就拿到諾貝爾物理學獎的德布羅意。

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