無所不能的傅立葉轉換：傅立葉誕辰│科學史上的今天：3/21

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！

全球暖化陰謀論？人們稱它「氣候門」

科學從懷疑開始。

所以我們首先試著對常識提出質疑吧！地球正在暖化是現在普遍的說法，但這是真的嗎？全球暖化真的正在發生嗎？

實際上，科學家之中，也有人對全球暖化提出質疑。

綜觀地球的歷史，冰河覆蓋整個地球的寒冷時代，與溫暖的時代一直交替出現。考慮到這樣的循環，認為地球今後不可能持續暖化，總有一天必定會進入寒冷的時期。這就是暖化懷疑論。

但專家已經對懷疑論提出反駁，認為地球在不久的將來進入冰河期的機率極低，很難認為暖化懷疑論是個具有說服力的論點。但現在依然有許多人對全球暖化抱持質疑的態度，起因是二○○九年的「氣候門事件」——這起事件讓人聯想到迫使美國尼克森總統辭職的「水門事件」，因此稱為「氣候門」。 當時英國溫室效應研究者之間的電子郵件往來遭到駭客入侵，公開在網路上。郵件內容包含「捏造」證明溫室效應的數據、對批評溫室效應的研究者所寫的論文施壓等等，這些內容也被當成醜聞報導出來。

「我就說吧！」這起事件助長了懷疑論者的氣焰，據說歐美質疑全球暖化者的比例也一口氣提高。媒體還報導，美國「近半數的國民都開始對全球暖化抱持著懷疑的看法」。

都是政治惹的禍：研究掛勾利害關係？

這起事件在溫室效應專家之間也成為嚴重的問題，於是展開了各式各樣的調查，最後發現：

暖化正在發生的結論並沒有改變，爭議姑且算是塵埃落定。

但是懷疑論者對全球暖化研究的質疑依然根深柢固。理由之一，就是連一般人也很容易就能推測出，全球暖化的研究背後，有許許多多的利害關係。

舉例來說，有人以懷疑的眼光看待主張「暖化正在發生」的研究者，認為他們之所以這麼說，目的是為了爭取研究預算。或者是只要以「暖化正在發生」為由，嚴格限制二氧化碳的排放量，就能減少煤炭與石油等化石燃料的使用，推動核能發電。因此也有人懷疑，這是否代表擁核派與研究者彼此勾結呢？

隨著暖化的推進，政治上與經濟上也都會採取各種措施，這表示不論科學上的實證性如何，溫室效應的研究原本就容易遭到懷疑，也容易成為政治鬥爭的工具。

但否定暖化的人不也一樣嗎？

舉例來說，以美國總統川普為首，共和黨議員大多主張「全球暖化並未發生」。美國有個針對政治人物發言進行驗證的網站「政治真相（ PolitiFact.com）」，根據該網站二○一四年的資料顯示，二七八名共和黨議員中，只有八名承認人為引發的全球暖化，這些議員多半從石油產業與煤炭產業收受高額的政治獻金。因此不禁令人懷疑，他們或許就是因為這樣，才無法說出「暖化正在發生」。

由傅立葉奠基的溫室效應概念

懷疑雖然重要，但基於政治上的疑慮而懷疑全球暖化的態度並不科學。

接下來就讓我們翻開科學的歷史，來看看科學家對全球暖化進行了那些研究。 現代的我們已經知道全球暖化是由「溫室效應」引起的，但科學家到底是如何發現溫室效應的呢？

法國物理學家傅立葉在一八二七年的論文中，提出了日後發展成「溫室效應」的最初概念。

他首先提出了這樣的疑問：地球在接受太陽光能量的同時，也會以紅外線的形式朝著宇宙釋放能量。如果兩者的能量相等，地球的溫度理論上應該更低，但現實的氣溫卻比理論值高。這是為什麼呢？

為了解答這個疑問，傅立葉建立了兩個假說。

第一個假說是，地球也接收了來自宇宙的其他能量。

宇宙中還有其他和太陽一樣，能靠自己燃燒而發光發熱的恆星。地球是否也接收了這些恆星發出的能量？

第二個假說是，地球的大氣是否儲存了這些原本應該往外釋放的能量。

而這個假說就是發展成溫室效應的想法。

兩個假說中，第一個假說已因為理論上的瑕疵而遭到否定，使得第二個假說變得有力。但傅立葉並未發展到實證階段，後來由愛爾蘭的物理學家廷得耳透過實驗證實他的理論。

溫室氣體：會吸熱的不只是二氧化碳

廷得耳認為，地球的大氣中說不定存在著能吸收紅外線的物質，因此他進行了以下實驗：

首先，廷得耳準備了幾只長筒，在各筒裝入構成大氣的氣體，並以紅外線照射其中一端，另一端則裝置能感測紅外線量的偵測器。如此一來，應該就能知道哪種氣體會吸收紅外線了吧？

結果，氧氣與氮氣完全不會吸收紅外線，但水蒸氣、二氧化碳，以及氮氧化物都會吸收紅外線，並儲存熱量。透過這個實驗，廷得耳找出了能吸收地球朝宇宙放射的紅外線的氣體。

經過現代科學的計算，如果地球朝宇宙放射的能量完全不受阻擋，地球的平均氣溫將在負十八度到十九度左右。但實際上，地球整體的平均氣溫約有十四度到十五度。兩者之間的溫度差異，明顯來自水蒸氣、二氧化碳、氮氧化物吸收紅外線所儲存的熱量。帶來溫室效應的氣體就此發現。

大家提到全球暖化的原因時，往往只會把注意力擺在二氧化碳，然而從廷得耳的實驗中我們知道，水蒸氣與氮氧化物同樣能吸收紅外線。所以，未來海水若因全球暖化持續蒸發，暖化的速度也將會加快。

此外，西伯利亞的永凍土中冰封著大量甲烷，若永凍土融化，冰凍的甲烷將以氣體形式釋放出來。甲烷的帶來的溫室效應遠高於二氧化碳，科學家預測，這也會加速全球暖化。

《卜多力的一生》：文學家宮澤賢治筆下樂觀的暖化現象

廷得耳透過實驗發現溫室氣體，是一八六一年的事情。三十五年後的一八九六年，瑞典學者阿瑞尼斯證明了大氣中的二氧化碳濃度增加，將使氣溫產生變化。雖然廷得耳已經發現二氧化碳能儲存熱量，但真正證明二氧化碳含量增加，將會加速暖化的，其實是阿瑞尼斯。

不過阿瑞尼斯對於溫室效應的看法卻很樂觀。他認為二氧化碳增加得越多，人類就越能擁有溫和舒適的氣候；穀物的產量會因此提高，人類也將從糧食不足中獲得解放，並使得全球的人口急速成長。

在這裡，我們要請一位大家意想不到的人物登場──日本文學家宮澤賢治。

宮澤賢治在一九三二年寫了一部小說《卜多力的一生》。小說採用傳記體，描述卜多力這名虛構人物的一生。 宮澤賢治生長的時代，東北總是受寒害所苦；主角卜多力居住的地方，也因為日漸寒冷而完全採收不到農作物。想要解決這個問題的卜多力注意到二氧化碳，並與博士之間有了如下的對話：

「老師，如果大氣層裡的二氧化碳增加，地球就會變溫暖嗎？」
「應該會吧。甚至有人說，地球形成至今的氣溫，大致上取決於空氣中的二氧化碳量呢。」
「如果現在卡爾波納度火山島爆發，會噴出足以改變氣候的二氧化碳嗎？」
「這個我也計算過了，如果火山現在爆發，氣體應該就會立刻與大循環上層的風混合，包覆整個地球。如此一來，就能防止下層的空氣與地表的熱發散，我想地球整體的平均氣溫大約可以上升五度左右。」

本書的觀點與阿瑞尼斯一樣，將暖化視為能夠拯救寒害的現象。雖然沒有確切證據，但宮澤賢治曾就讀於盛岡高等農林學校（現在的岩手大學農學院），因此或許讀過阿瑞尼斯論文的英譯本。

只不過，在宮澤賢治生長的時代，尚未把暖化當成危機。

來看看碳十四吧！以放射性定年法佐證二氧化碳變化

阿瑞尼斯雖然證明了二氧化碳增加會使氣溫升高，卻沒有證明與過去相比，二氧化碳實際上增加了多少。

至於這一點，要等到第二次世界大戰結束後的一九五五年，才透過美國物理學家漢斯．蘇斯的研究確認。當時他使用的方法，就是「放射性碳定年法」。

蘇斯首先調查周邊的樹木中，含有多少放射性物質碳十四。放射性物質有半衰期，含量將隨著時間減少，因此越老的樹木，碳十四的濃度應該越少才合理。但調查結果卻相反。老樹的碳十四濃度，竟然比年輕的樹還要多。

這到底是怎麼回事呢？他根據調查結果，建立了驚人的假說：

老樹總有一天會埋入地底成為煤炭，但碳十四仍會持續衰減。因此，燃燒煤炭所排放出來的二氧化碳中，碳十四的含量極少，甚至沒有，並不影響定年結果。

蘇斯認為，年輕的樹木在進行光合作用時，或許就吸收了燃燒煤炭所產生（沒有碳十四）的二氧化碳，使得年輕樹木中的碳十四濃度降低。

當時是一九五五年，正是大量使用化石燃料的時候，地球上的二氧化碳也因燃燒煤炭而逐漸增加。年輕的樹木吸收了這些二氧化碳，使得碳十四的濃度被稀釋；換句話說，蘇斯得到的結論就是，地球因人類持續燃燒煤炭，充滿大量的二氧化碳。

匯集各方證據，二氧化碳真的在上升

蘇斯證明了他的假說之後，科學家也開始使用各式各樣的方法觀測二氧化碳。譬如從南極的冰層，也能觀測到二氧化碳濃度的變化。

南極從很久以前就開始結冰積雪。這些雪越堆越高，使得下方的雪積壓成冰。由於空氣被冰封起來，所以只要調查堆積的冰層，就能得知各個年代的大氣成分。

透過這樣的分析發現，二氧化碳從工業革命後開始急速增加。南極雖然距離英國很遠，但由於大氣循環的緣故，就算是南極，二氧化碳含量也同樣越來越高。

此外，科學家也從一九五八年開始，持續在夏威夷茂納羅亞火山的山頂附近觀測二氧化碳的變化。結果發現，從開始觀測後，二氧化碳的量就不斷增加。

這堂課開頭曾試著提出「全球暖化是真的嗎」的質疑。但既然有這麼多的科學根據，我們應該承認，至少在目前，「地球正因為二氧化碳增加而暖化」的假說是事實吧？

本文摘自《讓人生從此改變的科學思考》，2018 年 9 月，究竟出版。

「以古為鏡，可以知興替。」如果能在過去、現在兩點拉出一條直線的話，未來的趨勢也有機會在我們掌握之中；當我們遇到困難時可以透過過往的經驗，幫助我們下判斷。這就是歷史的重要性！同樣的，歷史的脈絡可以幫助我們學習科學，而且還有機會發現科學家並不是我們想像中的神聖不可侵。2015 年 12 月 22 日在胖地台北，泛科學的專欄作者張瑞棋帶著《科學史上的今天》，和我們分享科學家背後鮮為人知的小故事。

「從小到大，科學家在我們心中非常偉大，無論是哥白尼的日心說，或者證明地心引力作用一樣的伽利略。這些科學家閃耀著光芒，直到越讀越多書後才發現，光芒的背後其實存在著陰影。這些科學家們的陰影來自信仰、權威以及性別。」

信仰

普遍認為哥白尼的日心說之所以不被認可，是因為宗教的打壓。然而另一種觀點是由於哥白尼認為上帝創造的宇宙應該存在著完美對稱的幾何關係，也就是軌道應該是圓形的！但這會和他觀察到的天文現象不吻合，因此與其說日心說的發表示因為教會的壓力，其實哥白尼本身的執迷才是造成學說延宕的原因。又比如提出滅絕說的居唯葉，他認為物種會因為某些災難而滅絕，另一方面在創世後仍物種繼續被創造。由於他深信聖經的創世論，甚至抨擊達爾文的演化論，導致演化論的發展備受阻礙。

權威

除了信仰外，有時候科學家利用自身權威、堅持己見，抑制別派學說，亦會影響科學的發展。你能想像西元十六世紀，醫生們拿著的解剖經典是出自於西元二世紀的蓋倫，且內容漏洞百出嗎？蓋倫是根據其動物解剖的經驗來推斷人體的內部構造，當然和人體的構造有很大的出入。但許多人不改抵抗權威，使得錯誤流傳千年。直到維薩留斯的出現，人體的結構才終於被了解。維薩留斯憑藉著大量的人體解剖經驗，推翻了多年來的理論，加上他有美術的長才，得以將知識快速的更新、傳播。

另一個為人所知的例子是牛頓及萊布尼茲。在微積分發展上，英國推崇地位較高的牛頓提出的流數，而非萊布尼茲的微積分，這導致英國的數學研究落後其他歐陸國家。最後一個權威造成的悲劇，讓許多產婦賠上了性命。十九世紀，醫生塞默維斯發現由醫院接生的產婦死亡率遠遠高出了由助產士接生的。他推測原因是醫學系的學生在解剖完大體後沒有清潔，而將細菌帶給產婦。然而其他高傲的醫生們認為：醫生怎麼可能害人呢？而摒棄了塞默維斯的想法。

性別

女性在科學界受到的打壓也不少：在代數領域有傑出成就的埃米諾特，竟因其性別而無法擔任大學教授；華生看了羅莎琳．佛蘭克林的 DNA  X 光繞射圖片，終於發現了 DNA 的雙螺旋結構，並以此得到了諾貝爾獎。雖然華生得獎的時候佛蘭克林已過世，然而我們可以想像，在當時的社會氛圍下，即便她在世，女性科學家的得獎機率仍然很低；發現脈衝星的喬瑟琳貝爾其成就在天文界有目共睹，然而諾貝爾物理獎的獎座是被指導教授赫維許拿走；吳健雄透過實驗證實宇稱不守恆，但最後是理論學家楊振寧及李政道是拿到了諾貝爾物理獎。

有些時候科學家對抗的不是來自外界的輿論、權威，反對的力量反而是來自科學界：牛頓打壓虎克及萊布尼茲；愛迪生堅持使用直流電系統，並利用交流電椅製造世人對交流電的恐懼，藉此反對特斯拉的交流電系統；發明氫彈的泰勒對前主管歐本海默落井下石，聲稱歐本海默對美國不忠……

我想呈現的不只是科學家的榮耀，還有其與常人無異的一面

跟著《科學史上的今天》的腳步，我們可以發現科學家或許只在智力上比一般人高超，但其品性仍和常人一樣：他們也會忌妒、也會排擠別人、也會為了得到權力耍手段。如果大家能用平等的角度認識科學家，去了解理論後的時代背景，那學科學就不再只是背公式和定理，而是和一段段生命故事相遇的奇幻旅程。