史匹哲太空望遠鏡發現可能比地球小的系外行星

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。

相信許多人小時候都聽過摩西分海的故事，在《出埃及記》中記載到，當摩西率領大批的猶太人準備逃離埃及時，面對前方紅海的阻隔、後方法老王的追兵而進退不得。

正當摩西與猶太人感到絕望時，上天指示摩西一條逃出生天的路，摩西將其拐杖指向紅海的瞬間，紅海一分為二，海水退到兩側，露出一條道路讓摩西與猶太人前行，當摩西眾人順利橫跨紅海後，海水立刻恢復原狀，將在後方追趕的法老王追兵淹沒於茫茫大海中。

雖然我們難以去斷定摩西分海的真相，但可以知道的是，在臺灣的澎湖，竟然也出了如同摩西分海的情境——就在澎湖奎壁山的沙灘與赤嶼島之間！

礫石步道連接著兩邊奎壁山與赤嶼島，當大海被一分為二時，遊客便能踏上神奇的分海道路，前往幾分鐘前還在海的另一側陸地。

究竟什麼時候這條神奇的分海道路會出現呢？以下就讓我們來一探究竟！

摩西分海的秘密，其實你早就知道了！

形成臺版摩西分海的秘密，就是大家在國高中地球科學課一定會聽過的「潮汐現象」！潮汐作用指的為海水進行週期性的升降運動。

其實，造成奎壁山沙灘與赤嶼島會偶爾露出礫石道路的最主要原因，就是當海水逐漸退潮至乾潮時，水面最低，因而露出中間較高的地面，此時，奎壁山沙灘與赤嶼島中間便會露出道路，而當海水逐漸漲潮升起至滿潮時，淹過多數的地面便會形成平常我們所看到的海洋。

然而，為何海面會有週期性的升降運動呢？

關於潮汐現象，大家最常聽聞的成因就是——引潮力，而引潮力與萬有引力、向心力息息相關，我們可以將引潮力寫成一個簡單的公式：

引潮力＝ 萬有引力 — 向心力

讓我們來依序破解向心力、萬有引力！

一開始我們必須先釐清，地球與月球之間的「向心力」。

雖然口語中我們時常以「月球繞著地球公轉」來描述月球公轉的現象，但其實更為準確的說法是：「月球繞著地月共同質心進行公轉」^註1。

舉一個簡單的例子，常見的電影情節中，時常會有男主角拉著女主角的手轉起圈圈，想像一下，當今天男主角是個體型壯碩的帥哥，女主角是位小鳥依人的美女，這個圈圈誰會轉的比較大？一定是女主角嘛！但此刻問題來了，男主角是完全沒有在移動嗎？還是只是移動的不如女主角明顯呢？

相信各位的腦中已經有了答案，男女主角同時都在旋轉，只是旋轉的大小不同，同時也代表著，這是旋轉的質心應該是位在男女主角之間，可能比較靠近男主角，但一定不會在男主角身體的正中心吧！

其實在這個舉例中，男主角就是地球，女主角就是月亮，所以月球也並非繞著地心進行公轉，而是繞著地月共同質心進行公轉，但因為地球的質量遠大於月球，所以地月共同質心的位置位於地球內部，且為靠近地表之處。

回到向心力的概念，當月亮與地球對著共同質心公轉時，所需的向心力都指向了共同質心，因此地球上任一點的向心力都指向了共同質心。（可以參考上方「地、月繞著共同質心旋轉」的圖。）

在影響引潮力的第二個原因「地心引力」中，離月球越近的地點，其受到月球的萬有引力越大，離月球越遠的地點，其受到月球的萬有引力越小。

當萬有引力扣除向心力過後，就形成了我們所知的引潮力。

為什麼我的水杯不會漲潮？

但聽到這裡，大家或許會產生一個疑問：

既然引潮力可以把海水整個拉起來，那為什麼世界上其他的水體、物體並不會每天「漲潮」、「抬升」兩次呢？

在引潮力的解說中，我們很容易誤以為是引潮力將地、月連線的海水「抬升」，產生漲潮，然而這些中學課本學過的潮汐成因，只是「簡化」的說法。

上圖就是地球引潮力的分布圖，我們可以將黑色引潮力再分為兩個分量，分別是綠色的切線分量、紅色的向心分量，而Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ僅有向心方向的引潮力。

倘若你想像海水是被引潮力抬升、下降，那可就不太正確了！事實上，向心引潮力的作用很小、很小、很小，僅僅是地球重力的一千萬分之一，因此我們不可能依靠引潮力將海水吸起來、抬起來，或是向下壓扁，因為向心引潮力早就被地球的重力所抵消了。

比起朝向地心的引潮力，更嚴重影響海水升降的因素是「水平分量」的力，這些切線方向的力會把海水推向Ｂ、Ｄ的方向，造成海水相對隆起。

切線引潮力的作用遠大於向心引潮力，其原因有二：

1. 海水主要分布在地球表面，其水平衍伸遠大於其垂直的延伸
2. 垂直引潮力會與地球引力相互抗衡（而且引潮力遠小於地球引力），但水平引潮力不須和引力抗衡。

許多海洋科學的專書都指出，水平分量的引潮力才為推動海水、造成潮汐現象的真正原因。

過去所學的潮汐成因只簡單描述垂直引潮力產生潮汐，但其實垂直引潮力的作用遠小於水平引潮力的作用，科學的知識總是一環牽著一環，重要的往往不是背誦知識的結果，而是在理解過程中產生問題後，不斷反思形成的能力才是研究科學的精神！

不只引潮力，地形也有關係！

除卻上述講解的潮汐作用外，奎壁山沙灘與赤嶼中間的礫石道路，也是造成摩西分海其中一大原因。

澎湖赤嶼其實是一座與陸地相連的島嶼，因此在地形學中我們會將赤嶼視為「陸連島」，而連結奎壁山沙灘與赤嶼中間的道路即稱為「連島礫灘」。

因島嶼與陸地相連，海浪作用力相對減弱，更容易在連島礫灘產生堆積作用，當海浪逐漸接近岸邊時，同時受到海底地形與赤嶼島地形所產生的偏折現象，海浪帶來的砂石不斷在奎壁山與赤嶼島中間碰撞堆積，而逐漸堆積形成礫石道路。

一起踏上宛若摩西分海的神祕之旅吧！

最後一點提醒大家，適合前往赤嶼島的時間，並不是在水位最低的時候，畢竟水位最低的乾潮過後，便代表要開始漲潮了！

如果要欣賞摩西分海的現象，建議大家查詢中央氣象局網站，網站上會公布每天的滿乾潮時間，澎湖知識服務平台也有寫下前往赤嶼島步道開放的時間，只要動手 google 一下，便可以挑選到最適合的時間前往赤嶼唷！

備註

1. 雖作者以簡單舉例敘述地球、月球繞皆繞著地月共同質心旋轉，但實際上地球繞著地月質心旋轉時是進行圓形的平移運動，並非過往我們所理解的地球自轉現象。

參考文獻

1. 李名揚 (2009) 。潮起潮落，引力何來。科學人，116-118。
2. 余海峯 (2020) 。https://hfdavidyu.com/2020/12/28/explanation-of-tides/
3. 郭鴻基。《海洋潮汐力》。臺灣：國立臺灣大學大氣科學系 http://kelvin.as.ntu.edu.tw/Kuo_files/Sci/doc/Tide.pdf
4. Chiu-king Ng。海洋潮汐成因

十七世紀末，牛頓提出的萬有引力理論象徵現代天體力學的開始；人們利用物理原理來描述天體運行，並藉由天文觀測逐步修正理論或計算方法的缺失。以天王星的發現為契機，科學家開啟了一連串對行星軌道的研究；這些事件不但成為天體力學發展史的重要標誌，最終竟促成重力理論的演進，甚至延續到現今，反應在我們對黑洞的觀察上。

這一切，都要從 1781 年，英國天文學家赫雪爾（William Herschel，1738-1822）在自家庭院，從望遠鏡中看到一顆彗星說起……

天王星的詭異行徑

在赫雪爾將發現回報給皇家學會後，其他科學家也紛紛對這顆彗星進行調查。很顯然的，它似乎沒有彗星尾巴，而且運行軌跡較接近圓形，不像其他彗星以非常扁的橢圓軌道繞行太陽；與其說是彗星，它更像是在土星軌道之外環繞太陽的行星──這就是天王星的發現。

儘管已驗明正身，天王星仍然困惑著接下來數十年的天文學者：它的實際軌道和牛頓萬有引力理論的預測並不相同。這是牛頓理論的失敗嗎？還是觀測錯誤了呢？1846 年，法國天文學家勒維耶（Urbain Le Verrier，1811-1877）利用數學計算提出預測：存在某個未知星體影響了天王星的運行，造成理論和觀測的差異；他也指出該星體的軌道、質量和位置大約為何。

一陣子之後，柏林天文台收到勒維耶的報告，便馬上著手進行未知星體的搜尋工作；只花不到一個小時，海王星就被找到，與勒維耶預測的位置相差不到一度──史上第一次，單純憑藉數學計算發現新行星[1]。

水星的運行軌道也存在異常

隨著海王星的發現，牛頓萬有引力理論可說獲得空前勝利。然而，天文學家拿重力理論來推估行星運行的嘗試並未到此為止。1859年，勒維耶再度出擊，聲明水星軌道的進動也跟牛頓萬有引力理論的計算有所出入。

在理想狀況下，依據牛頓萬有引力理論，水星環繞太陽的運行軌道應該要固定不變；然而在實際上，因為受到其他行星的重力拉扯（和另外一些次要因素），水星軌道的近日點（以及軌道本身）會緩慢產生變化──這稱為水星的近日點進動。

勒維耶分析了從 1697 年到 1848 年的水星觀測資料，發現水星的近日點進動，與用牛頓萬有引力理論考慮其他行星的影響所算出來的進動數值，每世紀差了三千六百分之三十八（38/3600）度[2]──這是多麼微小的數值，卻又真實存在！

因為之前海王星的成功經驗，勒維耶猜想：介於太陽和水星軌道之間，可能存在未曾發現過的星體，影響了水星的運行；他將其命名為瓦肯星（Vulcan）[3]。

無奈地，這一次任憑天文學家花費幾十年尋找，甚至勒維耶也已去世良久，瓦肯星始終不見蹤影；而水星近日點進動問題便懸而未決，延續到二十世紀。在 1915 年，愛因斯坦才利用廣義相對論成功將此問題劃上句點。

根據我們目前所知，水星的近日點每世紀會移動約 574/3600 度，其中牛頓萬有引力效應佔了 532/3600 度，而廣義相對論造成的效應幾乎剛好就是兩者之差。廣義相對論針對牛頓萬有引力定律所描述的重力，做出了細緻的修正──這個修正在大多數狀況下，微小到可以忽略；只有在水星近日點進動這樣的例子，差異才會顯現出來。可以說，水星近日點進動問題的解決，是幫助廣義相對論得到世人認可的重要原因之一。

廣義相對論的黑洞測試

科學家拿星體運行來測試重力理論的故事就到此為止了嗎？非也。既然原本得到廣泛驗證的牛頓萬有引力定律，因水星近日點進動現象而被找到缺陷，那麼現在大獲全勝的廣義相對論，自然也有可能在某種特殊環境下暴露弱點──科學家於是把腦筋動到了黑洞頭上。

黑洞堪稱宇宙裡數一數二極端的天體，龐大的重力吞噬一切，無疑是測試重力理論的理想選擇。就像水星繞行太陽會產生進動，是否，繞行黑洞的星體，其軌道也會有進動現象呢？又是否完全可以用廣義相對論來解釋？

針對廣義相對論的正確性問題，一群科學家團隊花了二十七年，觀測環繞無線電波源人馬座A*（Sagittarius A*）運行的恆星S2，並於今年（2020）四月，在《Astronomy & Astrophysics》期刊發表最新成果。

人馬座A*位於銀河系中心，距離地球約兩萬六千光年，質量估計為四百多萬倍太陽質量，據信極可能是超大質量黑洞；環繞於外的 S2 具有十多倍太陽質量，與人馬座A*的最近距離是十七光時（海王星到太陽距離的四倍），軌道週期為 16 年（海王星軌道週期是 165 年）。研究發現，S2近心點（pericenter，最靠近重力中心的點）的進動約為每軌道週期 12/60 度，與廣義相對論的預測相符──即使在重力如此強大的環境，廣義相對論依舊通過試煉。

本次研究的意義

儘管沒有發現廣義相對論的破口，這次的成果仍然別具意義：它是人類第一次確認以黑洞為中心的進動現象；再者，若人馬座A*附近存在某些看不見的物質（如暗物質，或其他小型黑洞等等），科學家也能依據數據給出嚴格的質量上限。可以肯定的是，隨著觀測技術的發展，我們對於宇宙、或者黑洞的理解，將持續進步；說不定哪天，還真能發現廣義相對論的問題呢。

參考資料

• Classical Dynamics of Particles and Systems, Marion and Thornton, 4^th edition, 1995, Harcourt Brace & Company
• Dance around the heart of our Milky Way
• Urbain Jean Joseph Le Verrier
• A star orbiting the Milky Way’s giant black hole confirms Einstein was right
• Wikipedia: Discovery of Neptune
• Wikipedia: Tests of general relativity
• Wikipedia: Vulcan
• Wikipedia: S2 (star)

註釋

• [1] 實際上，勒維耶計算出的海王星軌道，與真正的海王星軌道仍有一些差距。但這並無礙於發現海王星的偉大成就。
• [2] 多年後，其他科學家重新評估牛頓萬有引力理論和實際觀測的差距，得出每世紀三千六百分之四十三（43/3600）度的數值，跟現代觀測吻合。
• [3] 就跟《星際爭霸戰》（Star Trek）裡的瓦肯星同名。不過可以確定勒維耶並不是因為看了《星際爭霸戰》才這麼命名的。