《經度法案》開啟航海不迷航的新紀元 │ 科學史上的今天：07/08

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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第一張世界地圖

本書的主題，是現存十六世紀地圖中最教人讚嘆的一張——亦即諾曼製圖師皮耶．迪塞利耶（Pierre Desceliers）為呈獻給法蘭西國王亨利二世（Henry II），而在一五五○年製作的世界地圖。

這張地圖由四張羊皮紙拼成，圖幅驚人，達 135 × 215  公分（4 呎 5 吋× 7 呎 1 吋），以精緻的筆法手繪而成。圖上不僅有城市、君王、異族、動物、船隻與海怪的圖案，還有二十六大段說明文字，內容似乎是專為這張地圖而寫的。這張地圖引人入勝之處，在於其精美，在於其不下於民族誌的插圖，更在於其（一如當時的其他諾曼地圖）對於假設性的巨大南方大陸所做的描繪——有些人認為，圖上的南方大陸透露出歐洲人對澳大利亞的「早期發現」，早於傳統上以威廉．楊頌（Willem Janszoon）在一六○六年發現澳洲的看法。

本書不僅首度以全彩、全幅方式帶來該地圖的複製圖，更是頭一遭以此圖為題所做的系統性研究，探討其繪製圖像的出處、地圖如何製作，同時還提供圖上長篇說明文字的完整謄寫與譯文。我希望，本書的研究不僅能呈現這張一五五○年地圖的細節、該圖與其他十六世紀地圖的關係，更能使我們對皮耶．迪塞利耶的手法、偏好，甚至是他的藏書有所了解，畢竟我們對此人仍知之甚微。

航海圖的起源

迪塞利耶的一五五○年世界地圖，是以實際用於地中海海域與東大西洋的航海圖作為製圖架構。這一類航海圖（又稱港灣關係圖〔portolanchart〕）起源不明，但帕特里克．古提耶．德契（Patrick Gautier Dalché）曾表示雖然現存最早的海圖出自十三世紀晚期，但海圖早在一二○○年便已問世，他的說法也深具說服力。

海圖通常畫在獸皮上，圖中呈現地中海與鄰近地區，西起愛爾蘭，東至聖地耶路撒冷，北起北歐，南至北非。海圖非常著重海岸特色，岸邊的地名以垂直於海岸線的方式書寫，內陸的地理細節則少之又少。圖上畫的不是經、緯度格線，而是方位線構成的網。方位線從節點往基本方位發散出去，各節點則圍繞海圖中心，呈環狀排列。

方位線具備的領航功能並不清楚，很可能是藉由指出羅盤方位，幫助制定航線。製作這類海圖的重鎮，是下列地中海港口城市（以興起的順序排列）：威尼斯、熱那亞、馬約卡的帕爾瑪（Palmade Mallorca）、安科納（Ancona），以及後起之秀墨西拿（Messina）和馬賽。

海圖的各種用途

未經裝飾的海圖是讓人在船上使用的。由於飽經摧殘，這種海圖通常都用不久。但在純粹的海圖之外，製圖師也為顧客提供程度不一的插圖，而這類裝飾性元素若非出於製圖師本人之手，就是由製圖作坊中專司插圖的畫家所繪。可資選購的裝飾圖案包括城市、旗幟（藉此點出控制城鎮的政治勢力）、羅經花，以及山川、樹木、君王、動物和船隻的圖案。顧客還能選添圖說，用來描述圖上各地不同的風土人情。這種海圖更為精緻，因此也更為昂貴——添飾豐富的地圖有可能比實用版的海圖貴上十倍，其用途不在航海，而是供王室與貴族蒐藏、展示之用（見下圖 ）。

到了十四與十五世紀，有人試著拓展海圖體系，將圖上呈現的空間推向已知（或部分已知）世界的邊緣。一三七五年的加泰隆尼亞地圖集（Catalan Atlas）是現存裝飾最精美的航海圖之一，其描繪的不光是東大西洋、歐洲與北非，還畫了中東與整個亞洲，直至亞洲大陸的東端。至於製作時間約為一四六○年的加泰隆尼亞埃斯特地圖（Catalan-Estense map），圖面上除了歐亞兩洲的全貌之外，連整個非洲都畫了進去。

這些地圖顯然有著混和的特質：圖上有些區域的地理資訊出自航海圖傳統，而該處的海岸就會有密密麻麻的地名；但在其他區域，也就是地理資訊採自馬可．波羅（Marco Polo）等人的旅行記述、海岸線乃出於推測之處，海岸地區就不會有大量的地名。此類進階版的十四、十五世紀海圖少有實例——它們是權貴的珍玩，想當然耳也少有人製作。

地圖再進階：加入經緯度

大約在十五世紀中葉，製圖師開始作實驗，將當時新的地理發現與另一種製圖素材——克勞狄烏斯．托勒密（Claudius Ptolemy）的《地理學指南》（Geography）融為一爐。西元二世紀，亞歷山卓學者托勒密寫了這本《地理學指南》，根據經緯度來劃分空間；拜占庭學者馬克西莫斯．普蘭努德斯在一三○○年前後重新找到這部著作，旋即在十四世紀初將之譯為拉丁文。

有些十五世紀中葉的《地理學指南》手稿不僅收錄了托勒密的地圖，還加入當代的地圖，更新托勒密一書的資訊；某些手稿中的地圖甚至涵蓋了托勒密當時不曉得的地區，但也仍然沿用托勒密的經緯度體系。一四九一年前後，人在佛羅倫斯就業的日耳曼製圖師恩里克斯．馬爾特盧斯（Henricus Martellus），便將當時有關非洲南部與亞洲東部的新知識，
與建立在托勒密架構的地圖合而為一。馬爾特盧斯根據托勒密體系繪製的掛牆地圖有複本傳世，大小為 122 × 201 公分（4 呎× 6 呎 7 吋）。

一五○七年，日耳曼製圖師馬丁．瓦爾特澤穆勒（Martin Waldseemüller）遵循馬爾特盧斯的模式，把更廣大的地表納入托勒密架構——包括新大陸，並且將地圖印在十二大張的紙上，拼合後達 128 × 233 公分（4 呎 2 吋× 7 呎 8吋）。

正當此時，其他的製圖師則將新的地理發現加入「進階版」的海圖；事實證明，這種作法在十六世紀大受歡迎。一五○○年，西班牙航海家兼製圖師胡安．德．拉．科薩（Juan de la Cosa，他曾在哥倫布首度橫渡大西洋時與之同行）創造了這麼一種海圖——圖上畫了當時仍流於推測的新大陸輪廓，南向延伸涵蓋了整個非洲，並向東推進，只差亞洲東海岸沒畫。這張手繪地圖相當精緻，大小為 93 × 183 公分（3 呎 1 吋× 6呎）。

圖中所繪的地表遠比傳統海圖遼闊，製圖師還加上一點托勒密經緯度體系的元素——赤道與北回歸線，好方便觀者領會地圖上畫的土地位於地球的哪個位置。到了一五○二年，費拉拉公爵埃爾科萊．埃斯特（Ercole d’Este, Duke of Ferrara）手下的間諜阿爾貝爾托．坎蒂諾（AlbertoCantino）將一張手繪世界地圖從葡萄牙偷渡到義大利，地圖的範圍東起
新大陸東海岸，直至亞洲東海岸，圖上的南方海洋也比胡安．德．拉．科薩的地圖更為廣大。

該圖長寬為 105 × 220 公分（3 呎 5 吋× 7 呎 3 吋），提供的內陸地理細節不多（不僅漏掉了非洲的尼羅河，亞洲大部分地區也留白），美術裝飾水準中下，但緯度資訊多於胡安．德．拉．科薩的地圖，畫出了赤道、北回歸線、南回歸線與北極圈。

• 本文接續下一篇：一切都從海圖開始！大型手繪地圖的演變與商機——《獻給國王的世界》下

——本文摘自《獻給國王的世界：十六世紀製圖師眼中的地理大發現》，2019 年 2 月，麥田出版。

「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。