葡萄用微波爐加熱會「發爐」產生電漿？這是怎麼發生的？

• 作者／賴昭正｜前清大化學系教授、系主任、所長；合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒，那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬．霍金（Stephen Hawking）　英國理論物理學家

大約在八十年前，當第一台數位計算機出現時，一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧；但七十年後，還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」（Artificial Intelligent，簡稱 AI）的能力最近十年突然起飛，在許多（所有？）領域的測試中擊敗了人類，正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元（graphic process unit，簡稱 GPU）是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia（英偉達）股票從每股不到 $5，上升到今天（5 月 24 日）每股超過 $1000（註一）的全世界第三大公司，其創辦人（之一）兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳（Jenson Huang）也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人！可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎？到底是時勢造英雄，還是英雄造時勢？

在回答這問題之前，筆者得先聲明筆者不是學電腦的，因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事，不是我們外行人需要了解的；但作為一位現在的知識分子或公民，了解基本原理則是必備的條件：例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析，即可判斷永動機是騙人的；又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上，它們不用往室外排廢熱氣，就可以提供屋內冷氣，讀者買嗎？

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」（central process unit，簡稱 CPU）。CPU 是電腦的「腦」，其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務，如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作；但為了簡單化，我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作（arithmetic and logic unit，簡稱 ALU），如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下，CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時，CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後，CPU 開始顯示心有餘而力不足：例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素（pixel），每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年，英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定／裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」（註二）定位為「世界上第一款 GPU」，「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU，GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作，快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢？因每一時刻只能做一件事，所以其步驟為：

• 計算 7×5；
• 計算 6/3；
• 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢？很多工作便可以同時（平行）進行：

• 同時計算 7×5 及 6/3；
• 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間，但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢？單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間（16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間），而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間（1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間）！

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了，如何將它擺正成右圖呢？ 一句話：「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點（座標 x, y）組成的，所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了：每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算！如果每一運算需要 10^-6 秒，那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉，便需要 6 秒，這豈是電動玩具畫面變化所能接受的？

人類的許多發明都是基於需要的關係，因此電腦硬件設計家便開始思考：這些點轉換都是獨立的，為什麼我們不讓它們同時進行（平行運算，parallel processing）呢？於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 10⁶ 運算，那上圖的轉換只需 10^-6 秒鐘！

GPU 的興起

GPU 可分成兩種：

• 整合式圖形「卡」（integrated graphics）是內建於 CPU 中的 GPU，所以不是插卡，它與 CPU 共享系統記憶體，沒有單獨的記憶體組來儲存圖形／視訊，主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上；早期英特爾（Intel）因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤，在這方面的研發佔領先的地位，約佔 68% 的市場。
• 獨立顯示卡（discrete graphics）有不與 CPU 共享的自己專用內存；由於與處理器晶片分離，它會消耗更多電量並產生大量熱量；然而，也正是因為有自己的記憶體來源和電源，它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年，英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後，科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化，在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效，因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理，不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化，也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬（註三）等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分，正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲，遠遠落在英偉達（80%）及超微半導體公司（Advance Micro Devices Inc.，19%，註四）之後，大約只有 1% 的市場。

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」，而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心（core）單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心，因此其核心功能不如 CPU 核心強大，但它們能同時高速執行大量相同的指令，在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心；GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書，不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等，也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺，它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是：嘴巴在講，腦筋思考已經不知往前跑了多少公里，常常為了追趕而越講越快，將不少學生拋到腦後！這不表示筆者聰明，因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技，因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣（matrix）的讀者應該知道，如果用矩陣和向量（vector）表達，上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的（註五）。而矩陣和向量計算正是機器學習（machine learning）演算法的基礎！也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在！因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石：它們的架構就是充分利用並行處理，來快速執行多個操作，進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」（deep learning）。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂：「下一次工業革命已經開始了：企業界和各國正與英偉達合作，將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升，幫助企業降低成本和提高能源效率，同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子：下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後，讀者是不是認為筆者該退休了？

GPU（圖形處理單元）和 AI（人工智慧）之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力，特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步，使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率，使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐，而且使其更具成本效益，因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展，GPU 的角色可能會變得更加不可或缺，推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標，這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作，使我們能夠執行複雜的任務，例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外，研究表明，與非人類動物相比，人類大腦具有更多平行通路，這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上，一邊聽音樂一邊做飯，或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技，因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵：透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

（註一）當讀者看到此篇文章時，其股票已一股換十股，現在每一股約在 $100 左右。

（註二）組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」（GeForce 256）插卡吧?

（註三）筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時，就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士（fellow）」Enrico Clementi 的團隊：因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層，我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦（非 IBM 品牌！）與一大型電腦連接來做平行運算，進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

（註四）補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商：英偉達及 ATI（Array Technology Inc.）。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立，2006 年被超微半導體公司收購，品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐（Lisa Tzwu-Fang Su）博士為執行長後，股票從每股 $4 左右，上升到今天每股超過 $160，其市值已經是英特爾的兩倍，完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色，正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題：超微半導體公司現任總裁（兼 AI 策略負責人）為出生於台北的彭明博（Victor Peng）；與黃仁勳及蘇姿豐一樣，也是小時候就隨父母親移居到美國。

（註五）或。

延伸閱讀

• 「熱力學與能源利用」，《科學月刊》，1982 年 3 月號；收集於《我愛科學》（華騰文化有限公司，2017 年 12 月出版），轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
• 「網路安全技術與比特幣」，《科學月刊》，2020 年 11 月號；轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。

俄羅斯西伯利亞的科學家，於 2023 年 1 月的《科學報告》（Scientific Reports）期刊上，發表了一些看似能防止烤雞的外皮過焦，同時確保內部肉質鮮美多汁的技巧。比方說，一般作法「由外部加溫很危險，不是每次都能得到正向的結果…」。若改用微波，則「所需的溫度相對不高」，但要力求整體均衡，「不能只有外層受熱」。遺憾他們說了半天，卻跟食物無關，其實是在介紹如何安全又有效地，用特製的微波裝置，治療凍傷患者的四肢。^[1]

微波的對象與裝置

就像料理烤雞，得先弄來雞隻和烘烤的設備；進行這項研究前，需要滿足兩個條件：

1. 招募凍傷的人：在氣候冷冽的西伯利亞，要造成凍傷，難度並不高。不過，根據《赫爾辛基宣言》（Declaration of Helsinki），人體試驗應該符合倫理，將志願者可能受到的傷害降至最低。^[2]不能隨便把人往雪地扔的研究團隊，在當地 Tomsk 市的 2 家醫院守株待兔，期望意外凍傷的人自己找上門。2018 至 2021 年間，每年的冬季他們都耐心等候，總共蒐集到 14 名超過 20 歲的男性，簽署受試同意書。^[1]
2. 製作微波裝置：研究團隊精心打造的裝置（下圖），簡單來說，就是一台方便手腳伸進去加熱的微波爐。前面的圓形入口，包覆著具隔絕效果的金屬材質，以保護傷患與研究人員，免於非必要的輻射暴露。此裝置的微波頻率為 2.45 吉赫（GHz）；而功率可達 200 瓦特（watts；簡寫 W），即每秒產生200 焦耳（joule；縮寫 J）的熱能。^[1]換句話說，頻率與家用微波爐無異，功率卻低了數倍。^[3]

由於研究團隊只想幫傷患加溫，沒有要煮熟他們的意圖，便設定開到 60 瓦特。再加上操作時，會喪失些許熱能，最後傷患實際接收到的，大約僅有 30 至 40 瓦特。每個患部加熱 1 至 3 次，每次 30 分鐘。雖然感覺微溫，但不至於難受。9 名傷患接受上述治療；另外 4 個嘗試了不同的功率；還有 1 人則是時間長度減半。^[1]

加溫的原理

平均而言，當人體組織的溫度低於攝氏 15 度左右，血液和淋巴循環會停止。身體各部位略有差異，手指的下限是 19 度；而腳趾為 15 度。為凍傷患者回溫時，目標溫度大約是 20 到 25 度上下，要觸及整個患部，而非僅有表層。讓身體恢復運作，才能透過循環，順利輸送藥物。以往從外部加溫的作法，會舒張表層血管，卻容易在深層血管收縮的情況下，導致壞死和截肢等問題。相對地，低功率的微波可以穿透到組織深層，逐漸舒張血管，促進血液與淋巴的循環，不會有上述副作用。^[1]

凍傷的等級

凍傷依照程度，可以分為 4 個等級：^[4]

1. 第一級：麻木、脫屑、感覺異常、中央蒼白，以及周圍水腫或紅腫。^[4]
2. 第二級：起水泡，周圍紅腫或水腫。^[4]
3. 第三級：失去整層皮膚組織，還長了出血性水泡。^[4]
4. 第四級：不僅皮膚，連深層組織都喪失了。^[4]

微波的療效

此研究受試者的凍傷程度涵蓋上述四級，治療時除了微波，也採用標準療程的消毒與藥物，並視情況選擇是否手術。整體來說，科學家對微波相當滿意，覺得能降低截肢的機率。此外，雖然第一、二級的傷勢輕微，效果比較不明顯；但是他們認為無論初步評估的凍傷程度，每個傷患最好都要接受微波。因為診斷難免失準，若因此錯過治療時機，實在得不償失。^[1]

既然如此，未來遇到凍傷患者，是不是都該抓來微波一下？儘管研究證明了科學家的假設似乎可行，目前的受試者就區區幾名男性，不足以建立一套完善的操作指南。臨床上不同體型、年紀或性別的傷患，或許適合不同功率或時間長度的微波治療。這些都有待將來進一步試驗，才能推廣運用。^[1]

參考資料

1. Dunaevskiy G, Gavrilin E, Pomytkin A, et al. (2023) ‘Reduction of amputations of frostbitten limbs by treatment using microwave rewarming’. Scientific Reports, 13, 1362.
2. ‘WMA Declaration of Helsinki – Ethical Principles for Medical Research Involving Human Subjects’. (06 SEP 2022) World Medical Association.
3. ‘Radiation: Microwave ovens’. (01 JUN 2005) World Health Organization.
4. Basit H, Wallen TJ, Dudley C. (27 JUN 2022) ‘Frostbite’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.

• 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

世界上有兩件極為深奧的事：第一，為什麼一顆葡萄剖一半只留一點皮相連，在微波爐中加熱竟會迸出火花「發爐」？在 Youtube 裡就有一堆這樣的影片。第二，我和他都天天掛在YouTube上，怎麼我搞得論文寫不出來，但他能從中找到靈感還登在頂級科學期刊上？

加拿大特倫特大學（Trent University）天文物理系的 Dr. Aaron Slepkov 年輕時在網路上看到這個葡萄發爐的「小把戲」感到非常好奇，後來擔任教職後還在閒暇之餘與大學部學生一同研究，想不到花了五年時間和幾代的學生竟然真的找出原因，把結果發表在PNAS上，第一作者今年大四。
假如你不知道我在說什麼，看了下面的影片，也可以自己到 YouTube 搜尋 “microwave grape” 就知道了。

微波爐是用 2.45 GHz 的微波加熱，在空氣中波長約 12.2 公分，但微波在葡萄中的折射率約是 10，所以波長約是空氣中的 1/10，正好是葡萄的大小，結果微波就容易在葡萄中產生共振而累積能量，測量顯示因為駐波的關係葡萄的中心特別熱。

但是當兩半的葡萄接觸，電場就集中在接觸點，把葡萄裡豐富的鉀打成發光的電漿，就是影片裡看到的火花（並不是真的火）。圖中的三張照片從左到右：切兩半的葡萄、兩顆完整葡萄、兩顆泡鹽水的水膠球，都會爆出電漿。下面的圖是電漿裡的質譜分析，可以推斷葡萄的電漿是由裡面的鉀離子導致的，與鋁箔在微波爐裡產生的電漿成分截然不同。在泡鹽水的水膠球中，鉀離子的角色則由鈉離子取代。

切兩半的葡萄和兩顆接觸的完整葡萄都可以產生電漿。切兩半帶皮的葡萄成功率較大，因為它不易滾動又能確保連結。

葡萄電漿不但是個很酷的 party trick，而且它告訴我們可以利用電磁波在球體中的共振，把能量集中於比波長更小的尺度裡，比如~應用在光刻上，或可把半導體元件做得遠比紫外線波長更小……。

我知道你的下個問題是什麼：這可不可以在家試？

回答這個問題有點困難，要看你捅出婁子會不會吿我們。只好套 Dr. Slepkov 在接受記者訪問時的話：他的學校在他受訪前建議他不要回答這問題，但他的確在自己的家裡玩過。

參考資料

• Hamza K. Khattak, Pablo Bianucci, and Aaron D. Slepkov, “Linking plasma formation in grapes to microwave resonances of aqueous dimers“, PNAS 2019
• Why Do Grapes Spark In The Microwave? 

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