整個宇宙，都像是科學家的廣播電台！進化版的光波收音機

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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• 文／玄冥
  曾經做過 Radio Astronomy，現在叛逃去 Structure Formation 了，但也許有天會再回去。喜歡的動物是樹懶。

1946 年 2 月的某個清晨，澳洲東海岸的一群無線電科學家嚴陣以待，將電波接收器對向海的彼岸。如果是幾年前，他們會膽顫心驚地觀察日軍戰機的動向，但是今天不一樣，他們滿懷期待地等著日出。因為科學家們知道，他們正將原本用於國家間內鬥的利器 —— 電波干涉術（Radio Interferometry），用於人類探索太空的共同嚮往。

電波干涉術原先是二戰時用來提高電波觀測準確度的技術，如果說大家對電波干涉術不熟悉的話，那麼對人類拍攝的第一張黑洞影像應該記憶猶新（圖一）。這張黑洞影像的成像原理便是電波干涉術，拍攝這張照片的電波干涉儀則是遍佈全球的「事件視界望遠鏡（EHT）」（圖二）。

大家聽到「電波干涉儀」時，腦海中浮出的想像，可能都是如圖二中的碟狀接收器。然而實際上，電波干涉儀最初的樣貌是非常簡單的（圖三），以下這篇文章會分別介紹電波和干涉術，再介紹兩者結合的原理，一步步帶大家了解電波干涉儀的原型機是如何被設計出來的。

什麼是無線電波？

無線電波（Radio wave，簡稱電波）是一種電磁波，它充斥於我們現代生活的各個角落。例如手機產生的信號、衛星轉播，以及藍牙、WIFI 等等。電波與可見光是唯二能在地球大氣中自由穿行的電磁波波段，因此大多數地面望遠鏡都以觀測可見光跟電波為主。重要的是，相對於可見光波，電波波長更長（約 1 mm 以上），較容易穿過障礙物，讓它更便於觀測藏在宇宙塵埃後的物體（如原恆星）。然而，能穿透障礙物的代價是，在相同的望遠鏡口徑下，電波望遠鏡的「角解析度（Angular resolution）」比較低。

角解析度（或稱角分辨率）是探知物體細微移動或分辨兩個鄰近物體的能力，白話的說就是它能看得多「清楚」。角解析度正比於望遠鏡的直徑，但反比於所觀測的電磁波波長。做一個誇張的比喻，如果我們的眼睛能看到的是波長較長的電波而不是可見光的話，我們需要有一顆直徑約一棟樓高的眼睛，才能看得跟現實中一樣清楚。有限的角解析度，是電波天文台在 1930 年代剛出現時所面臨的主要困境之一。這個問題一直到二戰時期才得到解方 —— 干涉技術。

光的干涉，相信大家在高中的物理實驗中都見過。在實驗中，我們將光源對準布幕，並將切有兩條平行狹縫的一塊紙板隔在光源與布幕之間。此時通過兩條狹縫的光，便會在布幕上產生黑白相間的干涉條紋。這些條紋，源自光通過不同狹縫抵達布幕所需的距離不同，因此不同狹縫發出的光波到達布幕時的震動方向會有所不同。如果兩道光波震動方向相反，會造成相消干涉而形成暗紋；若抵達布幕時震動方向相同，則造成相長干涉而形成亮紋。

利用動畫可能更好理解一些（見圖四、五）。從實驗設備的上方俯視，藍色的點代表光源，紅色的點則是紙板上的狹縫位置，圖片底端是布幕，白色與黑色的部分即為光波的亮紋和暗紋。從圖四我們發現，當狹縫間距越遠，布幕上亮紋就越細緻，而從圖五則可以看見，當光源橫向移動時，布幕上的亮紋及暗紋亦會大幅移動。結合這兩張圖可以看出，越細緻的亮紋對光源的移動就越敏感，電波作為一種波亦有相同的特性。

軍隊如何利用電波干涉偵測敵軍？

讓我們將焦點拉回二戰時期。當時的英國軍隊為了能預警敵機，通常會將電波接收器對準海平面，隨時觀察敵機的位置。圖六和圖七是電波接收器（紅點）跟敵機（藍點）以及海面（黑色區域）的相對位置圖，此時敵機發出的電波會從兩條不同路徑抵達電波接收器，其中較短的電波是從敵機直達接收器，而較長的則是經海面反射後抵達接收器，這兩條路徑的電波會互相干涉並形成明暗相間的條紋。

這些干涉條紋如同雙狹縫干涉所產生的條紋一樣，對波源的移動非常敏感（圖六），因此可以非常準確的判斷出敵機的位置；而如圖七所示，當電波接收器與海平面之間的高度差愈大，干涉條紋愈細緻，這表示電波接收器的海拔高度正比於其角解析度。實際上，如果將電波接收器放在濱海的峭壁上，其影像的清晰度約為一台口徑為兩倍峭壁高度的電波接收器，這便是「電波干涉儀」最初的樣子——也就是圖三那一台在峭壁上的電波接收器。

隨著二戰結束，許多軍事科技被轉為民用或科研用途，電波干涉儀也不例外。對於研究太陽黑子的天文學家們來說，電波干涉儀在這一年轉為民用更是生逢其時，因為隔年恰好迎來了百年內規模最大的太陽極大期。

太陽活動通常以 9~14 年為週期。在太陽活動最旺盛的時候，往往會伴隨著許多太陽黑子的出現、以及被磁場束縛住的日冕物質所迸發的強電波。然而過去受限於電波觀測的低角解析度，人們只知道電波的強度與太陽黑子數量呈正相關，卻並不知道電波具體源自太陽的何處。隨著電波干涉儀的出現，天文學家得以精確地觀測出電波強度的分佈，其範圍比太陽小、且位置與太陽黑子高度重疊，這為此後的太陽黑子研究以及電波通訊應用提供了不少幫助。^(1)(2)(3)

使用電波干涉儀探索宇宙吧！

銀河系和太陽，是天空中兩個最亮的電波源，因此是天文學家最先望向的目標。但天文學家們也注意到，較弱的電波源其實散佈於天空各個角落。這些電波源在沒有干涉儀的時代，因低角解析度以及來自銀河系的電波干擾而遲遲無法精確定位，而這一情況在電波干涉儀出現後得到改善。

二戰後，澳洲海軍負責雷達設備的軍官 John Bolton 以及他的助手，在澳洲沿海各處搭建了電波干涉儀，以觀測來自天鵝座的電波。他們將該電波源的位置精確度，由先前透過一般電波望遠鏡量測的五度推進至七角分（約 1/10 度），也得知這個天體的大小在八角分以下。

然而弔詭的是，如果量測到的電波源自於這八角分不到的天體，這個天體所蘊含的能量密度將遠超出任何已知的天體！更令人驚訝的是，該天體並沒有對應到任何可見光影像中的恆星，於是他們將這個只出現在電波影像的天體稱為天鵝座 A⁽⁴⁾ 。隨後他們用電波干涉儀掃瞄了南方的天空，陸續發現了許多類似天鵝座 A 的天體。

在後續技術發展下，天文學家終於找出這些電波天體在可見光的真身 —— 電波星系⁽⁵⁾（圖八、九）。電波星系在可見光波段的影像如同一般星系，然而在電波望遠鏡下，時常能看見噴流從電波星系中心噴湧而出，噴流的痕跡可達星系本體的數倍。現在我們知道，噴流是在星系中心大質量黑洞進食（吸積）時所噴出的強烈電漿流，其中的帶電粒子在噴流磁場的加速下會發出強電波，從而被電波干涉儀接收。

這些噴流能夠改變星系的氣體與能量分佈，因此對星系演化有著至關重要的影響，今日人們也在透過更先進的電波望遠鏡了解這些星系。

時過境遷，如今的電波干涉儀，已經能夠將遍布全球各地多個電波接收器收到的電波進行干涉，不再是依託於大海的孤立接收器；干涉儀技術的改良，立基於全世界探索宇宙深空的好奇與嚮往，而非國家間互相對抗的戰火。

回首過往，人們在戰爭中其實並未忘記對宇宙的嚮往，因此當硝煙散去，人們便互相合作，將戰時的科技化作探索太空的利器，揭開宇宙奧秘、滿足人類的好奇。如今，我們擁有更強大的科技，希望人們能夠繼承這份嚮往，一同探索更多宇宙的未知。

延伸閱讀

1. 毀滅與新生：超大質量黑洞觸發的恆星形成- PanSci 泛科學
2. 黑洞甜甜圈之後：宇宙噴火槍3C 279 黑洞噴流影像現蹤跡！——《科學月刊》 – PanSci 泛科學
3. 黑洞攝影怎麼拍？七個問答來解謎——《黑洞捕手》 – PanSci 泛科學
4. 仰望宇宙的好據點，大國爭相來插旗：「白山」毛納基亞——《黑洞捕手》
5. 太陽升起前，把握最後的永夜！與時間賽跑的組裝任務——《黑洞捕手》 – PanSci 泛科學
6. 人類史上首張黑洞近照：這張動員全球、沖洗兩年的照片是怎麼來的？ – PanSci 泛科學

參考資料

1. Some Highlights of Interferometry in early Radio Astronomy, Woodruff T. Sullivan III (2016)
2. Pawsey, J. L., Payne-Soott, R., & McCready, L. L. (1946). Radio-frequency energy from the Sun. Nature, 157(3980), 158-159.
3. McCready, L. L., Pawsey, J. L., & Payne-Scott, R. (1947). Solar radiation at radio frequencies and its relation to sunspots. Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences, 190(1022), 357-375.
4. Bolton, J. G., & Stanley, G. J. (1948). Variable source of radio frequency radiation in the constellation of Cygnus. Nature, 161(4087), 312-313.
5. Bolton, J. G., Stanley, G. J., & Slee, O. B. (1949). Positions of three discrete sources of galactic radio-frequency radiation. In Classics in Radio Astronomy (pp. 239-241). Springer, Dordrecht.

國中、國小自然課做實驗常用的石蕊試紙，大家應該都很熟悉，也知道石蕊試紙碰到酸性物質時會變成紅色，碰到鹼性物質時會變成藍色。不過，你知道石蕊試紙變色的原理是什麼嗎？

「石蕊」是什麼？

編按：作者於 2022 年 3 月 27 日進行勘誤。

石蕊試紙當中會變色的原料，是由地衣提煉出來的。

地衣是真菌和藻類的共生體：真菌形成外殼，提供藻類保護；藻類行光合作用，提供真菌養分。雖然長得有點像苔蘚，不過它們並不是植物。由於地衣對空氣中的化學成分很敏感，常被當作空氣汙染的指標。除此之外，地衣的生命力強韌，它們通常都是一片荒蕪的環境中的先驅，在植物長出來之前，地衣就會先一步到達，把岩石分解成土壤，為之後的生態系打下基礎。在嚴寒的極地，地衣也是馴鹿等野生動物度冬重要的食物來源。

而其中，「石蕊」就是石蕊科（Cladoniaceae）、石蕊屬（Cladonia）的地衣。它們生長在中高海拔向陽的岩石上，屬於枝狀地衣，形狀就像一支支直立起來的粉綠色小喇叭。有些種類的石蕊邊上會長出鮮紅色的繁殖構造子囊果（ascocarp），就像戴著紅色帽子的英國士兵，因此又稱為「英國士兵地衣（British Soldier Lichen）」。雖然石蕊試紙是稱為石蕊試紙，但其實許多類群的地衣都可以作為石蕊試紙的原料，反倒是石蕊本人較不常被作為石蕊試紙使用。

延伸閱讀：十種常見的地衣

那麼，石蕊試紙變色的原理是什麼呢？要解答這個問題，我們必須先了解「顏色」和「酸鹼」的本質。

「顏色」是什麼？

為什麼我們看到紅色的東西，會覺得它是紅色；而看到藍色的東西，會覺得它是藍色呢？

這是因為，不同的物體會吸收、反射不同波長的光，當光照到物體上，沒有被吸收、而是被物體反射的光波，傳到我們的眼睛裡面，就會被大腦解讀為顏色。

例如，假如一個物體反射紅光，吸收其他波長的光，那個物體我們在白光下看起來就會是紅色的。另外，如果一個物體吸收所有光的波長，那個物體我們在白光下看起來就會是黑色的；反之，如果那個物體反射所有光的波長，那個物體我們在白光下看起來就會是白色的。

那麼，為什麼不同物體會吸收、反射不同波長的光？這是因為它們的化學結構長得不一樣。換句話說，一個物體的化學結構若是改變了，吸收、反射的光波長也會跟著改變，外顯的顏色也就會變得不一樣了。

「酸鹼」是什麼？

知道了「顏色」本質上的差別是什麼，現在，我們要來談談什麼是「酸鹼」？溶液中，如果含有氫離子（H⁺），那這個溶液就會呈現酸性，溶液中的氫離子越多，pH 值就越小、越偏酸性；而溶液中如果含有氫氧根（OH^–），那個溶液就會呈現鹼性，氫氧根越多，pH值就越大、也就越偏鹼性。

回到石蕊試紙

現在回到石蕊試紙上面。石蕊中含有一種化學物質「 7-羥基吩噁嗪酮」（7-hydroxyphenoxazone，以下以 C₁₂H₇NO₃ 代稱。），是石蕊試紙變色的關鍵。C₁₂H₇NO₃ 是由三個環狀結構所組成的，帶有一個羥基（下圖中的HO-）。

還記得前面說到的，酸性溶液含有氫離子，鹼性溶液含有氫氧根嗎？

當 C₁₂H₇NO₃ 碰到酸性溶液時，溶液中的氫離子會鍵結到環狀結構的氮（上圖中的 N）上面，造成結構改變；而當 C₁₂H₇NO₃ 碰到鹼性溶液時，羥基上的氫則會被溶液中的氫氧根（OH^–）搶走，造成結構改變。這兩種結構的改變如下圖所示。

正如前面所說的，不同結構的化學物質，會吸收、反射不同波長的光，因此看起來顏色就會不同。得到一個氫離子的 C₁₂H₇NO₃，會反射紅光，吸收其他的光；失去一個氫離子的 C₁₂H₇NO₃，則會反射藍光，吸收其他的光。

因此，石蕊試紙會變色的原因就是：酸鹼溶液會改變 C₁₂H₇NO₃ 的結構，當石蕊試紙中的 C₁₂H₇NO₃ 結構改變了，會吸收、反射的光波長也改變了，顏色也因此看起來不一樣了。

現在大家都了解石蕊試紙變色的原理了，下回使用石蕊試紙時，就知道它為什麼會變色囉！

參考資料

1. Wikipedia. (2022). Litmus. Wikipedia.
2. Yee, Thomas. (2018). Why do acids turn litmus paper red? Quora. 
3. Warzecha, Klaus-Dieter. (2017). Can the colour change in litmus paper be explained by conjugated systems? Acid base.

• 文／ 蔡乃玉、游雨婕│ 臺灣大學物理學系學生

即使是目前發現最靠近地球的黑洞，也距離我們遠達上千光年，更別說那些上萬、上億光年的遙遠天體了，面對如此遙不可及的距離，你是否有想過，科學家究竟是得到來自它們的訊息呢？現今人類到底運用了什麼樣的科技，竟然可以獲得億萬光年之外的宇宙訊息？

無線電波，就是科學家的好工具！

整個宇宙，都像是科學家的廣播電台！

所謂的無線電波（Radio Wave），通常是指波長在 100000 公里（10⁸ 公尺）到 0.1 毫米（10^-4 公尺）之間，頻率為 3 Hz～3000 GHz（3 THz）的電磁波段，一般通訊使用的頻段大約落在 3 kHz ~ 30 GHz，30~300 GHz 的頻段又因波長大小，稱為「毫米波」，是未來 5G 通訊使用的頻段。

（2021 / 4 / 1）編按：更正頻率與波長對應的錯誤，無線電波的定義以國際電信聯盟（ITU）的無線電頻譜為準，毫米波的頻段跟微波重疊，而 3 THz 也已經接近遠紅外線（FIR）的頻段。

事實上，無線電波不只可以拿來接收宇宙資訊，在我們的日常生活中，其實早就有很多使用無線電的裝置，像是廣播、無線電對講機、雷達、Wi-Fi 與藍芽都是透過無線電波來傳訊的唷！

大家在聆聽廣播時，多多少少都有聽過「AM、FM」這兩個字彙，你知道它們分別代表的意思是什麼嗎？

AM、FM 是兩種傳遞信號的技術，也是我們生活中最容易接觸到的傳訊技術之二，它們可以讓「電磁波的振幅」隨著不同的因素而變化，同樣的，我們也可以讓無線電透過這兩種方法來傳遞訊號。

首先，AM，是振幅調變 (amplitude modulation) 的簡寫，它會讓電磁波的振幅隨著聲波的「振幅」而改變，當聲波的振幅變大、電磁波的振幅也變大，早期無線電大多使用這種技術，它可以讓訊號傳遞到比較廣的地方，但缺點是噪音很多。

FM 即為調頻 (frequency modulation) ，它會讓電磁波的振幅隨著聲波的「頻率」而改變，雖然 FM 沒有辦法像 AM 傳遞到那麼遠，但 FM 的優點是噪音比較少。

然而，即使 FM 的噪音已經減少了很多，FM 的噪音仍然很難、很難完全去除，相信大家聆聽 FM 廣播電台時，也有這樣的困擾。對於科學家來說，這可是不能默默忍受的缺點！因此，科學家也不斷努力研發出降低、去除無線電噪音的技術。

無線電波不夠讚，把它變成「光」吧！

光學纖維（俗稱光纖）是一種使用石英玻璃或塑膠製成的纖維，會用「光」進行資料傳輸，比起剛剛所提到的 FM 和 AM ，光纖不僅速度更快、噪音也更少！

由此可知，「光」也是非常棒的傳訊技術，若我們可以將無線電波轉為光波，就可以像光纖一樣，更有效的降低噪音！目前已經有很多種方式能夠將這兩種電磁波進行轉換，在市面上，我們也早就可以很簡單的買到光電轉換器囉！

為了讓光波傳訊的品質更上一層樓，科學家們研發出光學相位調變 (optical phase modulation) 技術，偵測光的「相位」變化來使得精密度提高，可以有效降低無線電噪音，進而提高訊息的完整度。

以 T.Bagci 和 A.Simonsen 曾發表在 Nature 的論文為例，該研究團隊使用了奈米薄膜為材料，而奈米薄膜可以結合「無線電波頻率共振電路 」和 「薄膜表面反射的光」，使得這些無線電頻率訊號能夠透過光學的相位變化的形式被觀測到，也就是將無線電波轉換成了光波，以光波的形式傳遞。

以這種方式傳遞訊息的話，連極小的尺度都能被觀測，非常靈敏。

用數據來比較的話，噪音的單位 V/ √Hz （伏特／√赫茲），現在市面上的光電轉換器能將噪音降低到 nV 尺度（奈米級，10^-9），而對這一項技術電路本身的噪音為 800pV/√Hz（飛米級，10^-12），轉換成光波後最低可降至 5pV/√Hz！

5pV/√Hz 的噪音有多低呢？論文指出，對 MRI 而言，對噪音的要求只要低於200pV/Hz 就足夠了！噪音被大幅降低後，不但可以讓訊號不失真，也可以讓弱小的訊號更容易被偵測到。

光、電怎麼變身？就像大鼓變芝麻（X）

以下將簡述這個裝置的原理，以及轉換的進行過程。

實驗中使用了鍍了鋁的氮化矽的奈米薄膜，當輸入無線電訊號進去時，奈米薄膜就會像鼓面受到震動一樣，當輸入的訊號不同，鼓面震動的幅度也會不同。

此時，將雷射光照到薄膜上時，就像灑一把芝麻到鼓面上，隨著鼓面著震動，芝麻會跑到不同的地方去，而我們只要藉由觀察芝麻的反應，也就是反射光的變化，就可以得知輸入的訊號了。

科學家們就是透過這樣的方法，順利將無線電訊號以低噪音的方式轉換成光波。

如同前文所提到的數據，在這個實驗進行時，電路本身還是會有些許噪音，大約800pV/√Hz 左右，主要來源為熱擾動，科學家們為了更進一步地減少噪音，除了光學相位調變技術之外，也搭配並採取了降低溫度、施加電壓以抵銷噪音頻率等等措施，成功讓無線電的噪音被降到極低的尺度。

當我們可以聽到更細膩的聲音後…？

這項技術將可以將無線電波轉換成低噪的光波，因此可以用已經建立好的測量模型來觀測這些信號，讓人類得以研究這些微小的電波，使我們可以得到比以前更精準的訊號，觀測到以前所無法得到的宇宙訊息，或是讓核磁共振圖像更精準，是電子學在訊號傳遞上的一大突破！

未來，隨著通訊技術日新月異，你覺得我們可以在宇宙之間得到讓人意想不到的訊息嗎？也許…來自外星生物的打招呼訊息？讓我們一起解開更多來自外太空的秘密吧！

致謝

本文源自於臺灣大學物理學系電子學的課程報告，感謝朱士維教授與程暐瀅助教的協助。

參考資料:

1. Bagci, T. et al. Optical detection of radio waves through a nanomechanical transducer. Nature 507, 81–85 (2014).
2. A. Horneff; B. Schlecker; M. Häberle; E. Hell; J. Ulrici; V. Rasche; J. Anders. “A New CMOS Broadband, High Impedance LNA for MRI Achieving an Input Referred Voltage Noise Spectral Density of 200pV/Hz√” IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), 2019.
3. 無線電（Radio Waves）