鄰近的超級地球—巨蟹座55e可能是顆鑽石行星

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。

• 文 | 貝鳶業如

變質隱喻

變質（「後來形成的」）岩石是岩石世界中少數的多語通曉者，一生至少曾在兩種不同的地質環境中居住過。這些岩石所代表的是多元文化，而非文化熔爐。變質作用與熔融無關，而與固態狀態下的再結晶有關，就跟粉狀的新雪被埋起並變得易碎一樣。因此，變質岩的結構和成分風格各異，是其所棲環境的混合產物，這使變質岩成為所有地質文章中最豐富的一種。

變質沉積岩是其中最易閱讀的一種，因為它們可能尚保有分層、漣漪紋，甚至化石等可見的特徵，於是可以由所形成的變質沉積岩（也就是它們的原岩，意為「第一岩石」）中分辨出此種岩石。這就好像你憑著耳朵上一道疤痕的形狀，而認出一位你自孩提時代後就再沒見過面的老朋友。但即便再結晶作用和變形作用已然抹去這些特徵，變質岩的成分還是記錄著自己的起源身分（雖然外貌變了，你的朋友還是記得很久以前的某個夏天，曾與你一同在海灘消磨時光）。

大理岩是由石灰岩加熱所形成，而這兩種岩石主要也都由方解石礦（碳酸鈣，CaCo）所組成。

大理岩之所以呈半透明狀，單純就是因為再結晶顆粒的平均尺寸較大之故。板岩、千枚岩和片岩是頁岩（泥岩）不斷經由高溫烘烤而成。晦暗無光澤的黏土會依變質作用壓力與溫度條件的不同，而形成閃亮的雲母、耐看的紫色石榴石或天藍色的藍晶石，全都是由原來黏土中本來就有的鋁和矽重組而成。

此類只在相當嚴格的物理條件範圍內才會形成的礦物，稱為指標性礦物，是烙印在岩石生涯旅程各個不同關卡的印記。地質學家研讀指標性礦物，便能夠就特定岩石從其起源一路追溯到最深的掩埋處所，再回到他當初無意間撿起這塊岩石的地表。像鑽石這種主要藉由壓力而形成的礦物，是良好的地壓計，提供了礦物形成之時，岩石所處深度的測量讀數。其他只在特定溫度下才會結晶形成的礦物，則被當成地熱計使用。這些受壓力和溫度影響的礦物即便在旅行前往地表時，依然是其宿主岩石的亞穩成分，這就像大雪堆在氣溫升至冰點上之後，還可以繼續存在一段時間。不過，從熱動力學的角度來看，鑽石不盡然恆久遠。與在地表的情況不同的是，鑽石會慢慢劣化成另一種平凡得多的碳結晶形態——石墨，也就是用來製造鉛筆芯的「鉛」。好在對珠寶商和客戶而言，鑽石劣化要耗去好幾段的地質時間。

指標性礦物是辨識岩石變質時構造環境的關鍵。在地球大陸地殼的洞穴裡，溫度會以每公里攝氏二十度的速率穩定上升。

此種變化在礦坑深處便可直接觀察得到，在礦坑的較深處，溫度之高可能使人熱到無力。有些變質岩所含有的礦物集合與這種地熱梯度一致。也就是說，礦物所記錄下的溫度，正與我們預期中岩石所經歷受的壓力（深度）相當。這種以常見方式發展成熟的岩石所經歷過的，稱為一般性的深埋變質作用。

但許多其他的變質岩石所記錄下的溫度和壓力高峰情況，卻與這種典型的地熱梯度並不一致，亦即就岩石所到達的深度而言，這些岩石成分所暗示的溫度要不是太高，就是太低。

這意味著岩石是在熱混亂的情況下產生變質，而這正是岩漿或構造活動的標記。

若一塊岩石所含的指標性礦物在低壓下記錄到高溫（就像天才兒童過早深入成人世界），那麼這岩石必然曾在接近熱源處產生再結晶，熱源則多半是地底的大塊岩漿。

此種岩石所經歷的，稱為接觸變質作用。相反地，若一塊岩石含有高壓礦物（如石榴石、玉、罕見的鑽石等），卻從未經歷過相應的高溫，那麼這塊岩石位於深處之時，必然有某種東西使之冷卻，或至少將之隔絕開來（就像一個天真的成人過著異乎尋常受保護的生活）。

岩石是效能極低的熱導體，因此一塊岩石（尤其是大塊的岩石）是有可能在被熱得多的岩石包圍的情況下，依然保持著涼爽。

「隱沒帶」是海洋地殼因自身重量的拉扯而下沉（就像厚重棉被掉下床去）回到溫暖地函之處，此處便是此種隔絕現象可能出現的地質場景。海洋地層運動進入地函（對流循環的下降部分）的速率，較其因傳導而升溫的速率快了許多倍（岩石很不容易因傳導而增溫），因此海洋地層在隱沒到地函裡千百萬年後，依然能夠保持異常冰冷的表層，這一點甚至可由地震「觀察」得到，因為穿行地球內部的震波在通過這些較冷地帶時，運動速率會提高一些。

已進入隱沒帶的岩石有時候又會再度回到地表，但我們對這種地球消化不良的現象所知極少。這些岩石含有高壓低溫礦物的特徵，很容易被辨識出來。這些岩石稱為藍片岩，因為其中一種富含鈉、稱為「藍閃石」的礦石呈牛仔布色而得名。藍閃石非常罕見，但科學期刊討論它們的篇幅卻很多，因為它們明確地訴說進入隱沒帶的旅程，使我們全都能夠免於走這一遭。再說一次：你得找到對的岩石提問才行。

與隱沒有關的變質岩無疑為地球所獨有。月球、水星、火星和金星上沒有將岩石從地表推回地底深處的構造循環作用，因此應該沒有變質岩的存在（除非你要把因隕石撞擊而受創，發生驚嚇變質的岩石也算進去）。

火星和金星上大規模的火山作用可能使較老的岩石被覆蓋住，因而經歷了深埋變質作用，但由於缺乏有效侵蝕媒介的存在，這些岩石就一直無聲地停留在難以企及的深處，無法到地表來訴說它們的故事。

耶魯大學天文學家Nikku Madhusudhan等人表示：他們發現一顆直徑約為地球兩倍的岩質行星，可能是顆鑽石行星。這是天文學家首度發現基本化學組成和地球不同的岩質行星，這顆行星可能覆滿所謂石墨，在石墨之下則是很厚的一層鑽石，而非一般岩質行星常見的水和花崗岩。

這顆鑽石行星編號為巨蟹座55e（55 Cancri e），直徑約為地球的2倍，質量則約為地球的8倍，故被歸類為所謂的「超級地球（super-Earth）」。它是在巨蟹座55星旁發現的第4顆行星；而巨蟹座55星本身距離地球僅約40光年，以天文尺度而言，就像是在太陽系的後院一樣近，以肉眼就可見到其光點。

巨蟹座55e以超高速繞著它的母恆星跑，環繞其母星一周僅需18小時，相較於地球繞太陽一圈需要365天而言，簡直就是火箭和蝸牛的強烈對比。由於這顆行星距離其母恆星非常近，因此表面相當酷熱，溫度高達攝氏2150度，完全不適合居住。

這顆行星是在去年首度經由凌日的方式偵測到；利用凌日法，天文學家得以精確測量這顆行星的半徑。這個新獲得的訊息，再與最近所估算出的質量加以結合之後，可讓Madhusudhan等人經由電腦模擬方式，推測出有哪些化學組成符合他們所觀測到的特徵。

天文學家先前曾報告過巨蟹座55星的碳元素含量比氧還多，Madhusudhan等人確定這顆行星精確的碳、碳化矽（silicon carbide，即俗稱的金剛砂）和幾乎可忽略的水冰含量，這些組成成分都是可在行星形成階段形成的元素或分子。

而先前天文學家也曾認為：如果巨蟹座55e的化學組成與地球類似的話，那麼應會含有大量過熱水（super-heated water）；但Madhusudhan等人的最新研究卻顯示這顆行星完全不含水，卻是有著大量的碳，而且是以石墨和鑽石型式出現的碳，此外還有鐵、碳化矽，另外或許還有少量的矽酸鹽類；其中，這顆行星總質量的1/3以上（約相當於3倍地球質量）可能都是鑽石，與地球內部富含氧、但極度缺乏碳的情形迥異；地球內部的碳含量，不到地球質量的1/1000。Madhusudhan等人之後將繼續追蹤觀測並研究巨蟹座55e的大氣層以及其母恆星的化學組成，落實有關這顆行星化學組成的發現。

確認這顆是富碳的超級地球後，意味著遙遠的岩質行星們的化學組成、內部結構、大氣層或生物等不再弒必得與地球類似。這項發現同時為地球級系外行星的地球化學與地球物理研究領域開啟一扇新窗，因為含碳豐富的狀況必定會影響這些行星的熱能演化和板塊構造，例如行星上的火山作用、地震活動和造山運動等都可能會有所不同。

恆星本身是很單純，只要給定恆星質量和年齡，就可以得出恆星的基本結構和歷史。可是行星就複雜的多了，這顆富含鑽石的超級地球可能只是這類發現的其中一個範例，未來天文學家們必定會在鄰近其他恆星周圍發現更多特別的行星。

資料來源：Nearby super-Earth likely a diamond planet. Yale News [October 11, 2012]

轉載自 網路天文館

「鑽石恆久遠，一顆永流傳」是大家耳熟能詳的廣告詞。

鑽石是自然礦物當中最堅硬的，所以被用來象徵愛情的堅定。鑽石的形成相當不容易，要在地心承受熱力及壓力，經過幾千萬年，才能把碳化物轉化成鑽石，還要等待時機，藉由火山爆發或其他自然地心變動，才能將它由地心帶上地表，因此非常稀有。

鑽石的組成引起科學家的興趣。西元 1796 年，英國化學家譚能特 (Smithson Tennant, 1761-1815) 發現等重量的木炭與鑽石經過燃燒會產生等體積的二氧化碳氣體，因而證明鑽石與木炭同樣是碳元素的組成物，只是兩者外型不同而已。這項實驗結果發表後震驚學術界，吸引了不少科學家爭相投入研究並且合成鑽石，但此後的 150 年內並沒有任何一位科學家成功合成鑽石。

我想把石墨變成鑽石！可行嗎？

鑽石與石墨（常見用途為鉛筆筆心）兩者均是由碳原子組成，特性卻有天壤之別，其主要差異來自於原子排列方式不同。即使相同的元素組成，只要排列方式不同，特性就不同。

換句話說，如果能夠將石墨進行重新排列，就能夠將低價的石墨變成閃閃發亮的鑽石，這可能會比找到失落的寶藏更令人振奮。

首先我們來看看石墨與鑽石在結構排列上的差異：

如圖中 (A)、(B) 所示，石墨的結構為平面的層狀排列，而鑽石則為三維度的立體排列。

另外，在上圖中可以看到，石墨上的每一個碳原子周圍有三個碳原子相接鄰（專業的說法稱為「配位」），也就是三配位；而在鑽石當中，則是每一個碳原子為四配位。

換句話說，如果要將石墨轉化成鑽石，最主要的部分就是碳原子配位數的改變。而這樣的改變涉及結構的重組，需要很大的能量。

來打造一顆鑽石吧！

那麼有沒有辦法把廉價的石墨轉化成昂貴稀有的鑽石呢？我們先來了解鑽石在自然界中是如何形成的：

鑽石在地球深處約 5 萬大氣壓力和攝氏 1,200 度以上的條件生成後，經由火山噴出，快速冷卻；但若冷卻緩慢、停留時間夠長，鑽石就有可能轉化成石墨。

所以如果要製造鑽石，就要在實驗室想辦法創造在地殼內形成的這些條件。

高壓高溫法

在 1954 年聖誕節前，美國通用電器公司以高壓高溫法 (High Pressure and High Temperature, HPHT) 在 70,000 大氣壓及攝氏 1,600 度的環境之下將石墨轉化為鑽石，合成出第一顆人造鑽石。但這顆鑽石很小，只有 0.15 mm ，距離量產還相當遙遠。

在此合成的過程中，將石墨置於熔融狀態的鐵、鈷、鎳當中，使石墨也處於熔融狀態，可以進行重排並且催化反應的進行。這樣的環境提供了石墨轉化為鑽石所需要的能量。在此情形之下，層狀石墨（如下圖 (a)）。仍然為三配位，漸漸地有少數碳與其他層間的石墨形成四配位，局部破壞了原有的石墨結構。當反應繼續進行下去，有愈來愈多的碳形成四配位的碳（如下圖 (d)），最後形成了鑽石的結構。

化學氣相沉積法

前述高壓高溫法這樣製造鑽石方式過程太過緩慢，無法滿足商業需求。於是到了 1960 年代，又發展出化學氣相沉積法 (Chemical Vapor Deposition, CVD)。

經過改良且適合用於量產的化學氣相沉積法，是先將一顆小小的鑽石「核心」放入真空環境去除雜質，然後科學家往裡注入溫度高達攝氏 3,000 度的甲烷和氫氣，這些高溫氣體會裂解生成帶電荷離子體，而從甲烷裂解物中釋放出碳原子。碳離子會沉積在「核心」表面，並且複製原來放進去的天然小鑽石核心的結構繼續成長，以每小時 0.006 公厘的速度生長，一顆 1 克拉鑽石可以在幾天內生長完成（如下圖所示）。

目前生產人造鑽石的公司 Diamond Foundry ，則是將高壓高溫法 (HPHT) 與化學氣相沉積法 (CVD) 兩者混合使用，但實際製造方法因具有高度商業價值所以極為保密。

人造鑽石再也不是夢

在實驗室長出來的人造鑽石跟天然鑽石的化學結構完全相同，它們有相同的物理特性，甚至鑽石鑑別專家僅憑肉眼也無法分辨。也因為沒有開採的昂貴成本，這些人造鑽石的市場售價能比天然鑽石低 20% 到 40% 不等。

所以當你看到人造鑽石的時候，千萬不要說它是假的，因為它可能比天然鑽石更純、雜質更少。

參考文獻 ：

1. H. Tracy Hall, 88, Created Man-Made Diamonds 
2. Xie, H., Yin, F., Yu, T., Wang, J., & Liang, C. (2014, August 4). Mechanism for direct graphite-to-diamond phase transition. Scientific Reports. 
3. Get YOUR wedding ring 20% cheaper! Scientists GROW diamonds in a lab that are almost indistinguishable from natural stones 

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