碳14測定法│科學史上的今天：5/30

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。

科幻作品中，導致世界毀滅原因的榜單上，總少不了「地磁逆轉」。這樣的情節並不只是科幻的危言聳聽，地球磁場就像地球的 AT 力場，可以阻擋來自太空的高能量粒子長驅直入，保護地球上的生靈。

地層中有些礦物可以記錄地磁方向，過去科學家由此得知地球誕生的這 45 億年以來，早已發生過好幾百次的地磁方向南北倒轉。雖然人類沒有紀錄、世界也沒有因此毀滅，但地磁逆轉對當時的生物而言，依然是一場可怕的大浩劫。

最近一次的地磁逆轉，發生在 42000 年前，新的研究告訴我們，當時還有太陽活動的改變，在這樣的共同影響下，引發一連串如末日電影情節的災難性事件：臭氧層被破壞、雷暴肆虐熱帶地區、太陽風產生壯觀的極光、北極冷空氣吹掃北美、冰蓋與冰川蔓延，造成氣候劇烈變化。

搖擺不定的地球磁極

雖然人類以指南針指引南北，但指南針指向的地磁北極，並非乖乖不變的一個定點。因地核運動的緣故，地磁北極會在地理北極——即地球自轉的軸心附近來回搖擺。地球磁極有時會發生更劇烈的變動，即前面所提的「地磁逆轉」，箇中原因科學家未有定論。  

人類首次發現地磁逆轉，就是前述發生在 42000 年前的「拉尚事件」（Laschamps event），也是被研究得最透徹的地磁逆轉。拉尚事件存在的證據散佈世界各地，最新來自澳洲塔斯馬尼亞一個天然冰河湖的沉積物岩芯。但地磁逆轉的發生，究竟會對地球的氣候與生態造成多大程度的影響，一直是科學上待釐清的疑問。來自澳洲新南威爾斯大學 (University of New South Wales) 與南澳博物館 (South Australian Museum) 的科學團隊最新的研究發現，地磁逆轉對地球帶來的衝擊比過去所想象的來得大，其影響範圍遍佈全球。 

解密地磁逆轉的羅塞塔石碑——紐西蘭貝殼杉

 世界上的最好木材之一、可以生長逾千年的紐西蘭貝殼杉（Agathis australis），又名考裏松（毛利語稱為 Kauri），在紐西蘭北部的泥潭沼澤中沉睡超過四萬年也不會腐朽，成為研究拉尚地磁逆轉事件最佳的實驗材料。

研究人員利用碳 14 定年法，分析紐西蘭貝殼杉年輪中的碳 14 比值，重現過去地球大氣層變化的高解析度時間軸。地球上所有的碳 14，都是大氣層中的氮原子，被宇宙輻射中的中子束撞擊後的產物。地球磁場會使宇宙輻射發生偏折，減少來到大氣層的宇宙輻射。因此磁場減弱時，更多的碳 14 就會誕生。結果顯示，過去研究中磁場强度的最低點、地磁逆轉之時，正好與貝殼杉記錄到的大氣層碳 14 高峰相吻合。這一發現幫助科學家建立更精準的新時間軸，突破過去待確定的疑問。

「紐西蘭貝殼杉就像羅塞塔石碑[註]，幫助我們將世界各地其他洞穴、冰芯和沼澤地所留存的環境變化記錄，連接起來。」領導這項研究計劃的 Alan Cooper 博士如此説道。

貝殼杉碳 14 的記錄，成為一個很好的校正基準，確定各個關鍵事件的時間點。地球發生的許多重大變化，如熱帶輻合帶（Intertropical Convergence Zone）和盛行西風帶（South Hemisphere Westerlies）在地磁逆轉時，突然同時改向兩極移動，為部分地區如澳洲帶來乾旱，導致一波古代巨獸的滅絕潮。而在北方，廣袤的勞倫斯冰蓋席捲如今的美國西部和加拿大地區，而歐洲的尼安德塔人也走向滅亡。

建構氣候模型，還原末日時刻

為探究大大弱化的地球磁場，對大氣的電離作用、化學與動態變化之影響，研究團隊也建構了全球尺度的化學與氣候變化關係之模型，同時調查太陽能量的改變。

當時地球磁場的强度減弱到今天的 6% 以下，是羅盤也會找不着北的程度。因此近乎失去磁場的地球，就像在充滿危險高能量粒子的太空中衣不蔽體，宇宙輻射可直接到達大氣層。而與此同時，太陽正經歷好幾次的太陽活動極小期（Grand Solar Minimum），儘管總體而言這時期的太陽活動較不頻繁，但也更不穩定，常常噴發巨大的太陽耀斑，使更强大的宇宙射線襲向地球。模型顯示，更禍不單行的是來自太空和太陽耀斑的宇宙射線，穿透大氣層上層使空氣中的分子帶電，造成一系列的化學反應，讓平流層的臭氧也流失慘重。此時期的地球表面，磁場與臭氧層的保護同時被削弱，對生物有害的宇宙輻射與紫外光比以往更強烈。

向宇宙神秘數字 42 致敬的亞當斯事件

模型所模擬的結果，與在各地觀察到自然氣候與環境改變的歷史記錄一致。氣候劇變下的末日，生物曝露在高强度的紫外線中，尼安德塔人和巨獸被無情淘汰，人類的祖先智人則躲入洞穴中。這也能解釋史前洞穴壁畫，為什麼會在四萬年前突然蓬勃出現。

地磁逆轉造成的極端氣候變遷，與太陽活動極小期，都剛好在 42000 年前同時發生。為紀念和宇宙神秘數字 42 的巧合，研究團隊將這段時間稱為「亞當斯事件」（Adams Event），以向提出這個數字的經典科幻作品《銀河便車指南》作者道格拉斯·亞當斯（Douglas Adams）致敬。數字 42 被喻為指向生命、宇宙和一切的終極答案。這真的是巧合嗎？沒有人知道。

註解

羅塞塔石碑：製作於公元前 196 年，由於刻有古埃及法老王詔書內容的三種不同語言版本（古埃及象形文、埃及草書、古希臘文），讓考古學家得以有機會解讀出失傳千年的埃及象形文字，因此也被喻為破解謎題的關鍵。

參考資料

1. Earth’s magnetic field broke down 42,000 years ago and caused massive sudden climate change
2. Cooper, A., Turney, C. S., Palmer, J., Hogg, A., McGlone, M., Wilmshurst, J., … & Zech, R. (2021). A global environmental crisis 42,000 years ago. Science, 371(6531), 811-818.
3. Radiocarbon dating considerations

延伸閲讀

1. 地球磁場即將反轉？
2. 跨年夜的捷運改變了地球磁場？那真是比萬磁王還要狂啊！
3. 地球磁場倒轉到底多快？洞穴石筍古地磁紀錄大解密
4.  地磁逆轉與太陽閃焰殺手

（本報訊）2011 年底於馬祖亮島島尾I遺址出土的人骨，經碳14 年代測定為距今 8,200 年的人骨遺骸，並命名為「亮島人」1 號。2012 年 7 月間又在同地點發現「亮島人」2 號，測定為距今 7,590 至 7,530 年。

是的，我們常看到考古學家用碳14 測定法判斷出土骨骸或文物的年代。事實上，除了考古學，包括地質學、生物學，乃至鑑定藝術品真偽都可能用到碳14 測定法。這項神通廣大的工具乃起源於美國化學家李比（Willard F. Libby, 1908－1980）於 1947 年 5 月 30 日在《科學》雜誌上所發表的論文〈來自宇宙輻射的放射性碳〉。

一般我們所稱的碳元素有 6 個質子與 6 個中子，又稱碳 12；而碳 14 則多了 2 個中子，但它可不是由碳 12 變來的。事實上，地球上所有的碳 14 都是來自於宇宙射線中的中子束與大氣層中的氮原子撞擊後的產物。碳14產生後很快就與大氣中的氧原子結合成二氧化碳，因此大氣中的二氧化碳所含的碳原子除了碳 12，還有少量是由碳 14 組成。

碳12 是極為穩定的原子，但碳14 是種放射性元素，它會自動衰變回氮原子。每個碳14 原子衰變的時間都不一定，但一大堆碳14的平均衰變時間就很固定了；這就像學校裡每個學生的跑步速度都不一樣，但是每一班的平均速度都差不多。平均而言，過了 5,730 年碳14 原子就會有一半衰變成氮原子，這 5,730 年就是碳14 的半衰期。而科學家發現碳14 生成與衰變的速率差不多，所以亙古以來，地球上的碳14 與碳12 都維持一定的比例，大約是 1.3 兆分之一沒有改變。

二氧化碳被植物吸收，其中的碳原子經食物鏈進入動物體內後也是維持這樣的比例不變，直到這生物死亡為止。生物死亡之後，體內的碳12 數量維持不變，但碳14 卻會逐漸衰變而越來越少，因此只要測出骨骸中這兩者的比例，就能反推計算出此生物已經死了多少年。這就是李比提出的碳14 測定法，他也因此獲得 1960 年的諾貝爾化學獎。

不過碳14 測定法也有其侷限。如前面所說，碳14 的正常比例只有 1.3兆分之一，經過十次半衰期就只剩一千三百兆分之一，這大約就是現代測量儀器的極限了。因此年份在六萬年以下的生物或物體才適用碳14 測定法，超過六萬年以上的就得利用其它半衰期更長的放射性元素了。所以下次你如果看到電視或電影中說某物品經碳14 測定有數十萬年歷史，就可以好好嘲笑它了。

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。

• 文／吉川彰浩

廢棄物問題將延續 50 年以上

放射性物質是危險的東西，這是眾所皆知的事，而我們選擇遠離那裡，可以的話，完全不想有任何牽扯，因此對於放射性廢棄物的處理，亦即廢爐一事，只有消極負面的印象而已，這是目前大家都有的感覺吧？

相信也有很多人是因為核電廠事故才這麼想，但若追溯歷史，其實這並不是今天才開始的事。

日本第一座核能發電廠是建於一九六三年十月二十六日、茨城縣東海村的 JPDR（Japan Power Demonstration Reactor）。在這座核電廠開始運轉的同時，如何處理放射性廢棄物的問題也就隨之展開，這可以說是從五十多年前就應該開始思考的問題。

我們經常聽到放射性廢棄物無法進行任何處理的說法。

放射性物質的性質，就是依照種類的不同，只要經過一段時間（= 半衰期）後，量就會剩下一半，變成不會釋出幅射的穩定狀態，達到「無害化」的結果。

雖說放射性物質具有放著不管就會「無害化」的性質，但有一點需要知道的是，半衰期長短依種類不同而有所差異。舉例而言，碘 131 的半衰期約為 8 天， 銫 137 約為 30 年， 鈽 239 約為 2.41 萬年，鈾 238 約為 45 億年。要等到鈽或鈾完全無害，需要極長的時間。核燃料之所以被說成最麻煩的廢棄物，也是因為它是由半衰期長的鈽與鈾所構成。

若從無害化是需要時間的角度來看，「高階放射性廢棄物無法進行任何處理」的說法可以說是正確的。不過，「雖然很難達到真正的無害化，但可以設法在盡量接近無害的狀態下進行保管」，而且「正因為是難以處理的東西，所以更要採取避免繼續增加的對策」，這就是目前核電廠在廢棄物處理上的原則。

無害化狀態下的保管技術已經確立

青森縣六所村有高階放射性廢棄物管理中心與低階放射性廢棄物管理中心這兩個放射性廢棄物的最終處置場。

前者有可以穩定保管用過核燃料的設備，是一種叫玻璃固化體的容器，可於穩定狀態下長時間保管高階輻射廢棄物，貯存量可達二八八〇支玻璃固化體。後者則是將高階放射性廢棄物以外的東西放入大型鋼桶裡保管，貯存量為四十萬個兩百公升的鋼桶，未來預計增加到六十萬個。

或許有人會想，既然已經有最終處置場，技術上又能夠保管，那不就沒有問題了嗎？但是最大的瓶頸是「這邊可以代為貯存，但請先處理成可以被接受的狀態再帶過來」。

各位也是自己做垃圾分類，然後裝到袋子裡拿去丟的吧？這是丟垃圾的人被要求遵守的規定；同理，核電廠也有丟棄放射性廢棄物的規定。如果是用過核燃料的話，就裝在一種叫護箱的容器裡，其他則必須裝在鋼桶裡才能拿去丟棄。

簡單講是裝在鋼桶裡送過去，實際上並沒有這麼單純。因為是放射性物質，所以必須在穩定的狀態下運送才行，例如運送高濃度污水時，要分成水與放射性物質，放射性物質還要經過乾燥處理以減少體積（減容化），粉狀物要用水泥或塑膠等固著成穩定的狀態（固化），才能裝入鋼桶裡運送，必須經過這樣的加工處理才行。

此處的問題是加工的難度，當中也有輻射強度高到人類不宜靠近、沒辦法輕易運送的高階放射性廢棄物。因此才會稍微轉換思考方式，採取暫時保管在發電廠內的作法。

1F 廢爐作業所產生的放射性廢棄物之所以一直保管在廠區內，主要原因就是無法加工到得以安全運出廠外。目前也持續在討論廢棄物適合運輸的狀態為何、該帶到哪，又該如何進行保管。

雖然可能有人會認為，那不是東京電力或核電業界的問題嗎？但考量到半衰期等因素，放射性廢棄物確實也是一個會遺留給下一代的問題。

思考大家都能接受的處理方式

在國外核能相關設施的廢爐用語中，有一個字叫「legacy」，就是「遺產」之意。

正如本文一開始所述，這是一個約從五十年前就開始的問題，令人不禁感嘆我們究竟留下多麼棘手的東西啊，而我們的下一代應該也會有同感吧。

另外，前文也介紹到青森縣六所村的最終處置場，但六所村的居民們是否樂意在當地見到這些設施呢？

在核電廠事故後展開的除污事業中，除污廢棄物的輻射強度雖然大幅低於福島第一核電廠的廢棄物，但包含最終保管方式在內，也引起眾多討論。若將廢爐定位在放射性廢棄物的處理，並將處分方法也納入考量範圍的話，那對我們而言是「切身相關的問題」。然而，明明是切身相關的問題，我們卻始終避之唯恐不及，同時我們也與廢爐現場保持距離。

解決這個問題所需要的並不是技術，真正需要的應該是由投身廢爐工作的人、生活在周圍的我們、地方政府機構、核能相關管制當局等，所有人共同討論並確立一套大家都能夠接受的處理方法。「大家」一起思考並執行有關廢爐的方法，是我們必須留下的遺產。

本文摘自《福島第一核電廠廢爐全紀錄》，臉譜出版，2018 年 9 月出版。