看不見的陰極射線，摸得到的幽靈 │ 科學史上的今天：6/17

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。

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《托克馬克反應爐：地球上創造的人造太陽——成功大學電漿所向克強教授專訪》
• 作者 / 科技大觀園特約編輯｜何沁蓉

隨著工業發展，人類對能源的需求日益升高，然而傳統能源多仰賴地殼深處的化石燃料，資源不僅有限還會對環境造成嚴重汙染，為了解決能源危機，數十年來科學家一直在尋找新的替代能源，這種能源必須乾淨、安全，同時還得足以應付人類對能源的需求，但這種終極能源真的存在嗎？

如果你覺得難以想像，不妨抬頭看看天空吧。

恆星內部一直都在持續進行核融合過程，以太陽核心為例，氫原子核在高溫高壓下不斷相互碰撞融合成更重的氦原子，過程中的質量虧損帶來巨大的能量釋放．這些能量也成為太陽能夠持續發光發熱的來源。

自二戰結束以來，模仿恆星核心熱融合作為地球上能量來源的想法一直存在，但如何實現遠比想像中更為困難，光是尋找適合融合反應的材料、理解混沌的熱電漿行為便已耗費數十年，地球上的人造太陽該放在什麼樣的裝置內也是一門大問題，而托克馬克（Tokamak）便是科學家目前找出的最佳解答。

什麼是托克馬克反應爐？

核融合電漿拘限理論專家、成功大學電漿所教授向克強指出，在核融合研究初期，各國科學家曾對約束裝置有許多不同想法，但這些都在蘇聯 1968 年公布托克馬克數據後有所轉變，由於托克馬克得出的結果遠優於當時所有設計近 10 倍，這也使得各國幾乎是在一夕之間拋下原本的設計轉而投入托克馬克懷抱中。

在缺乏恆星內部引力等環境下，實驗室中打造可實用核融合反應爐的溫度需求遠比太陽核心更高，以目前第一代燃料氘（D）和氚（T）為例，需求溫度為 1.5 億°C，約是太陽核心溫度的 10 倍。除了極高的溫度，科學家還必須設法約束、維持電漿的穩定性，創造適當環境讓電漿粒子能產生核融合反應。

這也正是托克馬克所具備的一切。從外觀來看，托克馬克就像一個甜甜圈，環形管道相連與抽氣系統形成真空室，管道外層纏繞著一圈一圈的超導磁鐵，透過環形電漿電流與線圈電流產生磁場約束內部的電漿粒子不會因接觸管道失去能量，去除終端損失來提升能源產生效益。

向克強解釋，核融合研究最主要的目的是證明 Q 值（融合能量增益因子）能大於 1，即輸出核融合反應的能量比維持核融合反應的外加能量更多，才能確認真的能用來作為發電使用。有趣的是，核融合研究的進步速度其實與半導體領域的摩爾定律很相似。大約每隔兩年便會增長一倍，近年最新得出的結果已經相當接近最初 Q=1 的目標。

「如果從 1932 年第一個核融合小實驗算起，人們已經走了將近一個世紀，每幾年邁出一步，如今終於要跨越 1 的目標，一旦能證明 Q 可以大於 1 甚至達到 10，將會是足以得到諾貝爾獎的成就。」

由多國合作參與、鄰近法國南部普羅旺斯的 ITER（國際熱核融合實驗反應爐）正是承載著這樣的希望在準備進行實驗。與傳統發電廠目的不同，ITER 目標並非生產能源提供使用，而是證明核融合發電已經能從電漿物理實驗研究走入實用階段。目前 ITER 已經完成初步建設，預計將於 2025 年展開首次電漿測試、2035 年進行氘氚融合實驗。最終目標是使用維繫設備運作必須的 50 MW 輸入功率產生約 500 MW 的能量，並讓核融合反應至少維持 400 秒，證明 Q 能夠大於等於 10，提供核融合發電商轉可行性的科學證據。

核融合發電與核能發電差異？人造太陽安全嗎？

談到核，許多人第一時間想到的可能是現行的核能發電，然而核能與核融合能可說是完全不同的兩回事。目前的核能發電採用均為核分裂技術，發電核心仰賴使用如鈾般的重元素分裂後形成連鎖反應來釋放能量，儘管能提供大量能源，但也會產生半衰期動輒數萬年的核廢料，長期儲存問題及對環境造成的汙染也是最為人詬病之處。

相較之下，托克馬克採用的是核融合技術，透過設置適當的環境，促使二個輕原子核相互融合產生能量。以目前用來反應的氘氚為例，氘可以從海水中提取，而氚雖然由宇宙射線產生，在自然界中極其稀微，但同樣可以從鋰和中子的反應中產生，融合過程產生的放射性產物半衰期頂多只有 1、200 年．向克強也提及國外最新研究指出，透過重複使用產物，理想中甚至就像醫院的放射性廢棄物一樣處置即可，更別提未來還可能找到更適合的第二代、第三代燃料，廢棄物的放射性還可能更加降低。

在安全性上，由於維持核融合反應需不斷的添加燃料，並不像核分裂會自主產生連鎖反應，一旦系統停止運作內部的融合反應也會立即停止，不會發生如傳統核電廠般爐心熔毀導致輻射外洩等無法控制狀況，建造不需要大片土地，零件製造上也比太陽能製造過程更為環保，加上運作過程沒有任何碳排放且只會產生少量的放射性廢棄物，可以說核融合對環境相對友善之餘又可滿足能源要求，與核能相比，應該是更容易被社會所接受的能源來源。

向克強認為，討論核融合最重要的一點，便是去了解「核融合與非核家園的願景並不衝突」。這不僅是單方面的說詞，許多國家都有著同樣想法，以同樣主張非核家園的德國為例，除了是 經由歐盟參與ITER的主要參與國之一，德國國內更有托克馬克和仿星器 W7X 兩大核融合反應裝置，在核融合研究投資上絲毫不手軟，鄰近台灣的韓國也在國內自力建造被稱為韓國太陽的 KSTAR托克馬克並參與ITER，甚至直接標榜核融合為「綠能」。

終極綠能的未來

由於托克馬克帶來的能源願景十分遠大，除了 ITER 的環形托克馬克形式，目前國際新型態的圓形托克馬克也展現出不同方向的發展潛力，向克強透露，許多先進國家早已有長遠的核融合發展計劃，除了參與 ITER，歐盟、美國、中國、日本、韓國自家的托克馬克研究項目也都在持續進行，「就像所有科學研究一樣，彼此間是合作也是競爭關係，大家都已經開始考慮 ITER 之後該做些什麼。」

所有人都想打造人造太陽來解決國內能源問題，但我們似乎忘記了什麼重要的事情。

目前 ITER 約有多達 35 個國家參與，歐美民間也有一些企業正積極投資，就連泰國、哥斯大黎加也都了解到核融合對未來的重要性．開始投入大筆資源進行核融合研究，許多國家甚至開始規劃在 2050 年前後建造示範性核融合電廠，相較之下，台灣目前僅有極小規模的研究能量，向克強形容，現在的情況就像是國際上有一場關於乾淨能源的盛宴，唯獨台灣沒有參與其中。

事實上作為缺乏天然資源的亞洲國家，理應更迫切期待更好的能源來源出現，向克強指出，過去印度推廣核融合的專家訪台演講時，就曾直接表示印度的生活水準若要提升至與歐美國家相仿，核融合將是為未來「唯一選項」，從國內核電廠造價來看，台灣其實也具備國力發展核融合電廠，現在最重要的是盡早在現有基礎上投入更多先端研究，同時培養相關人才，才能在未來能源變革上與世界接軌，「我們已經落後許多，現今必須竭力趕上。」

回憶起投入核融合研究的契機，向克強笑著表示，他依稀記得 1969 年仍就讀高中時，剛成立不久的徐氏基金會曾舉辦一場科普演講，邀請到剛參訪美國相關機構的大學教授談論核融合，講者在最後說了這樣一段話：也許，根本沒有任何人了解核融合，就是這樣一段話提起他的興趣，往後數十年間一頭栽入核融合能源領域研究中。如今向克強不僅是核融合電漿拘限理論的專家，更是國內托克馬克反應爐理論的少數研究者之一，帶著曾於美國橡樹嶺國家實驗室、韓國、日本核融合研究中心擔任教授或科學家的經歷，目前也持續在成大電漿所投入國內與國際合作研究，協助建立核融合能源及電漿科學研究團隊。

向克強表示，他也是後來才發現 1969 年正好是托克馬克開始被各國重視的年代。「如果當年沒有去參加那場演講，也許我今天就是在其他領域進行研究，只能說人生有很奇妙的對稱性。現在到我這個年紀也開始要為大眾科普貢獻綿薄之力，希望同樣能帶給一些人正面影響。」

50 年過去，人們現在對核融合的理解已經更為深入，掌握了許多當初不清楚的環節，然而核融合發電的研究仍在持續，ITER 的氘氚實驗至 2035 年才開始，發電廠設計還有更長遠的路要走，人才培育需要數十年的時間，如果現在起步，或許這樣的對稱性仍可持續延續下去。

參考文獻

• 科普 |《瓶中的太陽》：核聚變的怪異歷史
• 核融合 – 徹底解決台灣能源問題
• 環保、核安問題與能源危機有解？──談核融合發電
• Mind-boggling magnets could unlock plentiful power
• What is ITER?
• Nuclear Fusion : WNA – World Nuclear Association
• Major next steps for fusion energy based on the spherical tokamak design
• INTERNATIONAL TOKAMAK RESEARCH
• When you wish upon a star: nuclear fusion and the promise of a brighter tomorrow

1871 年起，倫敦一位靈媒屢屢在降靈會中招喚出名為凱蒂的幽靈。剛開始凱蒂只是若隱若現的露出臉孔，到後來直接以實體現身，見過的人都言之鑿鑿。英國科學家克魯克斯（William Crookes, 1832.6.17－1919.4.4）決定邀請靈媒到自己家中舉行降靈會，以驗證真偽；同時他也著手調查其他靈異現象。結果克魯克斯於 1874 年完成調查報告，證實幽靈凱蒂與其它超自然現象都是真的。什麼？！

可不要以為克魯克斯是不入流的科學家，他於 1861 年透過光譜的研究發現新元素鉈，而於二年後獲選為英國皇家學會的院士。1873 年，他發明了「克魯克斯輻射計」，半真空的玻璃球中，正反面一黑一白的四片葉片在光線照射下，自發地不停轉動起來。克魯克斯可沒有將之歸因於神秘的超自然力量，而是合理地推測是推動葉片的力量來自光線施加於葉片上的光壓（註）。

克魯克斯還將二十年前蓋斯勒（Heinrich Geissler）發明的氣體放電管（內含稀薄的稀有氣體，相當於霓虹燈）抽得更接近真空，通電後發現在陽極那端的玻璃管發出光芒，因而於 1878 年發明了「克魯克斯管」，也就是後來的陰極射線管的前身。這項發明在科學史上極為關鍵；克魯克斯於 1879 年率先發現「物質的第四態」──離子化的氣體，也就是電漿；1895 年，侖琴用它發現了 X射線；1897 年，湯姆森用它發現了電子。

可以看出克魯克斯始終以追根究柢的精神與系統化的方法從事科學實驗，那麼，為什麼他竟無法拆穿靈媒的手法，對那些靈異現象深信不疑？或許就是因為他想要相信。

自從他的弟弟於 1867 年，才 21 歲就死於黃熱病後，克魯克斯就急於透過降靈會與他接觸，從此熱衷於靈異現象。加上科學家習慣眼見為憑，更容易對靈媒的詐術照單全收。於是他一生在從事科學的同時，也積極參與靈魂研究社、鬼魂俱樂部等團體。1917 年，克魯克斯摯愛的妻子過世，他如願透過靈媒與她說話，兩年後，克魯克斯也離開人世。當然，沒有人見過他的靈魂現身。

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。

編按：市面上外科口罩數量告急，難以取得的情況下開始有人討論是否能將口罩回收再利用。原本設計一次性使用的口罩進行消毒究竟會發生什麼事？為此，中山醫學大學生物醫學科學系有在 FB 上介紹他們的實驗內容：

而過去的研究文獻針對口罩消毒再使用，又有哪些討論呢？就讓我們往下看吧！

被消毒了，口罩還罩得住嗎？

回收再利用是台灣人的美德，於是在 2008、2017 年出現了兩篇針對口罩消毒再利用的研究（大誤）^1,2。
首先是中國醫藥大學公衛系的林子賢教授團隊，選用了不織布口罩、N95口罩^註1，消毒方式是：

該團隊研究「消毒前後」的防禦力變化。換言之，想了解消毒後，口罩是否還擁有足夠的保護力、能將外來顆粒擋在口罩之外，結果如下圖（僅檢選 3 種）：

就初步數據來看，上述五種方法都會損壞口罩的保護力，但以台灣電鍋乾熱法的損毀性較小，其他方式，如次氯酸鈉、濕熱、酒精等，都會大幅地讓口罩喪失對顆粒的阻擋能力。

酒精與加熱容易破壞 N95口罩

經濟部工業局在 2008 年發表一篇研究，將六款 N95 口罩放在五種消毒方式下，觀測其外觀和口罩捕集效率（阻擋外來顆粒）的變化，滅菌方法如下：

由經濟部的研究可以清楚發現，酒精並不是消毒口罩的好方法，6 款N95 口罩裡，有 4 款的保護能力出現明顯的下降。而高溫高壓、濕熱消毒法也削弱了其中 1 款口罩的保護能力。

同時由外觀可以發現，高溫高壓消毒法中，部分口罩的外觀出現扭曲，可能會降低密合度、出現縫隙讓病毒、細菌趁隙而入。

美國的實驗：微波爐與電漿的效果……

而在美國，擺出來的實驗條件就硬是讓人傻眼。美國國家職業安全衛生研究所（聯邦單位）於 2009 年刊出的研究，其中的五個實驗組分別³：

• 紫外光
• 微波爐
• 0.6% 次氯酸鈉水溶液
• 環氧乙烷 (EO/ETO)（消毒醫療器械常用的氣體）
• STERRAD^®100S H₂O₂ 低溫過氧化氫電漿滅菌系統^註2

而在檢視外觀上，美國團隊發現次氯酸鈉消毒組裡，口罩仍殘留氯氣味道，刺激眼睛、呼吸道，不適合消毒口罩。

而微波爐組別的口罩，全．部．都．熔．化．掉．了，囧 rz ³。研究團隊並沒有進一步修正實驗參數，僅建議後輩們調低功率和時間。

但團隊也給出了研究建議，在五種消毒方式裡，以低溫過氧化氫電漿滅菌可能是最可靠的方式。不僅避免次氯酸鈉殘留氯氣、高溫損壞口罩零件的風險；同時低溫過氧化氫電漿消毒後，所殘留的僅是水蒸氣和氧氣，對人體和醫療器材都無害，是發展潛力最大的方式。

綜上所論，目前現有、民眾容易取得的消毒方式，都會削弱，甚至大幅減少口罩的保護能力；更甚之可能會損毀金屬、塑膠零件，也可能會劣化橡膠的彈性，導致口罩和臉的密合度降低。因此作者們都不建議將拋棄式口罩滅菌後重複使用。

畢竟，經過嚴酷的消毒程序後，不管多高級的口罩，看來都是「罩」不住的了～

註解

• 註 1：林教授團隊尚使用了一種 double-layer electret masks 口罩，但無法查出是何種類型，故在本文不探討。
• 註 2：該系統可能是透過高能的電磁波擊打 H₂O₂ 分子，使其分裂變成高能、活潑分子，達到破壞、殺死微生物的目的。

參考文獻

1. Tzu-Hsien Lin, Chih-Chieh Chen, Sheng-Hsiu Huang, Chung-Wen Kuo, Chane-Yu Lai, Wen-Yinn Lin (2017) Filter quality of electret masks in filtering 14.6–594 nm aerosol particles: Effects of five decontamination methods. PLoS One. DOI: 10.1371/journal.pone.0186217
2. 于台珊，何雨芳，黃盛修，莊啟佑，陳春萬 (2008) 拋棄式防塵口罩滅菌再使用之可行性探討。勞工安全衛生研究季刊。
3. Dennis J. Viscusi, Michael S. Bergman, Benjamin C. Eimer, Ronald E. Shaffer (2009) Evaluation of Five Decontamination Methods for Filtering Facepiece Respirators. The Annals of Occupational Hygiene. DOI: https://doi.org/10.1093/annhyg/mep070
4. 低溫電漿滅菌法。衛生福利部疾病管制署
5. Hydrogen Peroxide Gas Plasma. US Centers for Disease Control and Prevention