探求生命的起源－史丹利・米勒誕辰｜科學史上的今天：3/7

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。

在這個充滿光與生命的宇宙中，我們的存在其實與一種看不見的力量密切相關，那就是量子力學。沒有量子力學，太陽將不會發光，地球上的生命將無法誕生，甚至整個宇宙的運行規則都會截然不同。這些微觀層次的奧秘深深影響了我們日常生活的方方面面。

其中，量子穿隧效應是一個看似違背直覺但至關重要的現象，從太陽的核融合反應到基因的突變，這種效應無處不在，甚至還牽動著當今的高科技產業。

什麼是量子穿隧效應？

我們可以將量子穿隧效應比作一個奇妙的穿牆術。想像一下，你身處一個被高牆包圍的城市，牆外是未知的世界。通常，如果你要越過這道牆，需要極大的力量來翻越它，或者用工具打破它。然而，在量子的世界裡，情況並不如此。

在微觀的量子力學世界中，粒子同時具有波的特性，這意味著它們並不完全受限於傳統物理的規則。當一個微觀粒子遇到能量障礙時，即使它沒有足夠的能量直接穿過障礙，卻仍有一定機率能出現在障礙的另一邊，這就是「量子穿隧效應」。粒子彷彿直接在牆上挖了一條隧道，然後穿越過去。

這聽起來像魔法，但它背後有深刻的物理學道理。這個現象的發生取決於量子粒子的波動性質以及能量障礙的高度和寬度。如果障礙較矮且較窄，粒子穿隧的機率就較高；反之，障礙越高或越寬，穿隧的機率則會降低。

太陽發光：核融合與量子穿隧效應的結合

量子穿隧效應的存在，讓我們能夠理解恆星如何持續發光。以太陽為例，太陽內部的高溫環境為核融合反應提供了所需的能量。在這個過程中，氫原子核（質子）需要克服極大的電磁排斥力，才能彼此靠近，進而融合成為氦原子核。

然而，單靠溫度提供的能量並不足以讓所有質子進行核融合。根據科學家的計算，只有約10的 434 次方個質子中，才有一對具備足夠的能量進行核融合。這是一個極小的機率。如果沒有量子穿隧效應，這種反應幾乎不可能發生。

幸好，量子穿隧效應在這裡發揮了關鍵作用。由於量子粒子具有波動性，即便質子沒有足夠的能量直接跨越能量障礙，它們仍然能透過穿隧效應，以一定機率克服電磁排斥力，完成核融合反應。這就是為什麼太陽內部的核融合能夠源源不斷地發生，並且持續產生光與熱，讓地球成為適合生命生存的家園。

量子穿隧效應與生命的演化

除了恆星的發光之外，量子穿隧效應還對生命的誕生和演化起到了關鍵作用。地球上物種的多樣性，很大一部分源於基因突變，而量子穿隧效應則幫助了這一過程。

DNA 分子是攜帶遺傳訊息的載體，但它的結構並不穩定，容易在外界因素影響下發生變異。然而，即使沒有外界因素的干擾，科學家發現 DNA 仍會自發性地發生「點突變」，這是一種單一核苷酸替換另一種核苷酸的突變形式。

量子穿隧效應讓氫原子隨時可能在 DNA 結構中進行位置轉換，從而導致鹼基對的錯位，這在 DNA 複製過程中，可能會引發突變。這些突變若保留下來，就會傳遞給下一代，最終豐富了基因與物種的多樣性。

半導體技術中的量子穿隧效應

除了在宇宙和生命中發揮作用，量子穿隧效應還影響著我們的日常生活，尤其在現代科技中。隨著半導體技術的發展，電子設備的體積不斷縮小，這也讓電子元件的性能面臨更大的挑戰。

在微小的電子元件中，量子穿隧效應會導致電子穿過元件中的障礙，產生不必要的漏電流。這種現象對電晶體的性能帶來了負面影響，因此設計師們需要找到方法來減少穿隧效應的發生，以確保元件的穩定性。

雖然這是我們不希望見到的量子效應，但它再次證明了量子力學在我們生活中的深遠影響。設計更有效的半導體元件，必須考慮到量子穿隧效應，這讓科學家與工程師們需要不斷創新。

量子力學是我們宇宙的隱藏力量

量子穿隧效應看似深奧難懂，但它對宇宙的運作和生命的誕生至關重要。從太陽的核融合反應到基因突變，甚至現代科技中的半導體設計，量子力學影響著我們生活的方方面面。

在這個充滿未知的微觀世界裡，量子現象帶來的影響是我們難以想像的。正是這些看似不可思議的現象，塑造了我們的宇宙，讓生命得以誕生，科技得以發展。當我們仰望星空時，別忘了，那閃耀的光芒，背後藏著的是量子力學的奇妙力量。

• 作者／前NASA太空任務科學家 李傑信

以目前人類擁有的火星知識推測，如果火星曾經有過生命，種類可能與地球最古老的生命接近。

什麼是地球最古老的生命呢？我們幾乎可以想像地球生命起源時的環境：無氧、地表熾熱、火山活動頻繁、甲烷廣布、硫磺濃湯漫流。如果生命在這種條件下起源，那最古老的細菌，也就是人類和所有地球生物的老祖宗，必得有耐高溫、厭氧、喜硫磺和甲烷等的古怪個性。

人類對地球生命的認識和分類，經過好幾個重要階段。18 世紀時，人類把生命分成動物和植物兩大類。這種分類法顯然過於粗糙，有些擁有葉綠體的單細胞生物，能蠕動或用鞭毛游動，它們究竟是動物還是植物？而真菌類一向被歸入植物類，但它卻無葉綠素。於是有一陣子，地球生命就被分成動物、植物、原生生物三大類。直到 20 世紀初，細菌分類學有了長足的發展，才將有核細胞生物（真核生物，包括動物、植物、真菌、原生生物）和無核細胞生物（原核生物）的細菌分開。

細菌雖然一般以形狀分類，如桿菌、球菌和螺旋菌等，但這種分類無法建立起它們之間的親緣關係，在當代是一件頭痛而無法解決的問題。一直到 20 世紀 60 年代，基因工程技術出籠，生物物理學家渥易斯(Carl Woese, 1928～2012)認為，核糖體核糖核酸（ribosomal ribonucleic acid, rRNA）排列順序保存了久遠的生物演化紀錄，並且這種排列順序變化緩慢，容易追尋親緣關係。他以這種排列順序為準，決定出各類細菌間的親疏遠近，發現總稱的細菌中含兩類截然不同的細菌，他分別命名為細菌和古菌兩大類。加上動物、植物、真菌、眼蟲、微孢蟲等所屬的真核生物，終於完成目前完整的生物三界說的生命親緣樹（universal phylogenic tree，圖9-1）。

渥易斯在 1977 年底發表的古菌域發現，是一項劃時代的成就。當作者第一次看到古菌所涵蓋的各類細菌時，的確被震撼了一下。古菌類皆厭氧，含甲烷嗜熱菌（methanothermus）、甲烷球菌（methanococcus）、嗜熱纖維菌 （thermofilum）、熱網菌（pyrodictium）、硫還原球菌（desulfurococcus）、硫球菌（sulfolobus）等，幾乎就是想像中伊甸園裡該有的生命。另外，生命樹根的所在，雖然還沒有完全確定，一般認為應在古菌樹幹的下面。

地球最原始的生命似乎是厭氧嗜熱菌，生活在攝氏 90 度以上的環境，使用硫、氫、二氧化碳等地質化學能量生長繁殖。如果溫度低於攝氏 80 度，則生長停止。所以，地球所有生物的祖宗，應是依賴化學合成能量、居住在熱泉裡的古菌。生命一旦開始，就能適應外界逐漸變化的環境。環境如果變得實在無法忍受，有的古菌就停止一切生命機能，進入亙古冬眠，等待佳機復甦。1992 年，美國國家研究委員會（National Research Council, NRC）報告，一個嗜鹽古菌（halophiles）冬眠 2 億年，經實驗室培養後，恢復生命活力^[註1]。南柯一夢數億年，生命頑強力可見端倪。

古菌域的發現，使人類對生命的看法煥然一新。生命原來可以適應那麼多種極端的自然環境，只要給予一線生機，生命就能蓬勃發展。我們對生命重新樹立起了更崇高的敬意。

地球古菌類的發現，照亮了人類探測火星生命的道路。地球古菌類的生活習性，能告訴人類它們起源時的生命環境。那種環境可能與火星 35億～38 億年前時相差不遠。火星那時也有水、火山活動及熱泉，地球能發展出生命，為什麼火星不能？

註解

• 註 1：“Biological Contamination of Mars,” National Research Council, National Academy Press, Washington, 1992.

——本文摘自《穿越4.7億公里的拜訪：追尋跟著水走的火星生命》，2021 年 7 月，三民。

相較於其它荒涼死寂的星球，生機盎然的地球顯得獨一無二。但地球最初是如何孕育出生命的？宇宙創生時的大霹靂至少還留下宇宙背景輻射的足跡可以印證，然而化石留下的卻是已經成為生物的遺跡，無法透露生命起源的秘密。

那麼，如果模擬地球幾十億年前的環境，能重現生命誕生的事件嗎？當然，演化所需的時間甚於海枯石爛，無須妄想，但，至少或許有可能出現構成生命的有機分子，那也意義重大了。這正是當時仍是研究生的米勒想作的實驗，印證一下 1920 年代幾位科學家提出的假說：早期地球的大氣與海洋成分經由化學反應可以自然產生有機化合物，因而孕育出生命。

當米勒於 1952 年向教授尤瑞 (Harold C. Urey) 提出想法時，並未得到贊同，畢竟很有可能白忙一場以致無法準時畢業。但米勒仍執意想做此實驗，於是在尤瑞的指導下，他們在裝有電極的燒瓶中灌入水、甲烷、氨、氫氣與一氧化碳，以模擬原始大氣。再以管子連結到一個水是半滿的燒瓶；當然設備與水都經過殺菌處理才密封起來。然後米勒加熱裝著水的燒瓶以模擬產生水蒸氣的海洋，再對裝著氣體的燒瓶通電產生火花以模擬閃電。過了一個星期，果真就在水溶液裏發現有機化合物，包括胺基酸與醣類、脂質，而這些正是組成生物物質的必備材料。

1953 年，他們發表論文，轟動全世界。他們的實驗內容簡單明瞭，別人很容易就可以複製驗證，因此很快就獲得認可。這個後來稱為「米勒─尤瑞」的實驗成為歷史上的經典實驗之一，列入教科書內容，所有關於生命起源與演化的書籍也必定都會提及此實驗。

當然，這並不代表地球的生命起源一定就是如此，畢竟他們模擬的實驗條件不見得與地球當初的環境一樣。但他們至少證明了組成生物的有機分子可以由簡單的無機化學分子自行形成，地球可以自行孕育出生命，無須托予隕石、外星人或上帝等外力。至於生命大河的幽遠源頭究竟在何處，就有待科學家繼續探訪了。

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。