雀斑為何只在陽光下現形？揭開「太陽之吻」的秘密

唉！好曬呀！前兩集，一些觀眾發現我曬黑了。

在臺灣，一向不缺陽光。市面上，美白、防曬廣告亦隨處可見，不過，為什麼我們會被陽光曬傷呢？卻又好像沒聽過被日光燈曬傷的事情？

事實上，這也跟量子力學有關，而且和我們今天的主題密切連結。

之前我們討論到量子概念在歷史上的起點，接下來，我們會進一步說明，量子概念是如何被發揚光大，以及那個男人的故事。

光電效應

在量子力學發展過程中，光電效應的研究是非常重要的轉捩點。

光電效應指的是，當一定頻率以上的光或電磁波照射在特定材料上，會使得材料發射出電子的現象。

在 19 世紀後期，科學家就已經發現某個奇特的現象：使用光（尤其是紫外線）照射帶負電的金屬板，會使金屬板的負電消失。但當時他們並不清楚背後原理，只猜測周遭氣體可能在紫外線的照射下，輔助帶負電的粒子從金屬板離開。

於是 1899 年，知名的英國物理學家 J. J. 湯姆森將鋅板放置在低壓汞氣之中，並照射紫外線，來研究汞氣如何幫助鋅板釋放負電荷，卻察覺這些電荷的性質，跟他在兩年前（1897 年）從放射線研究中發現的粒子很像。

它們是比氫原子要輕約一千倍、帶負電的微小粒子，也就是我們現在稱呼的電子。

1902 年，德國物理學家萊納德發現，即使是在抽真空的玻璃管內，只要照射一定頻率以上的光，兩極之間便會有電流通過，電流大小跟光的強度成正比，而將光線移除之後，電流也瞬間消失。

到此，我們所熟知的光電效應概念才算完整成型。

這邊聽起來好像沒什麼問題？然而，若不用現在的量子理論，只依靠當時的物理知識，很難完美解釋光電效應。因為根據傳統理論，光的能量多寡應該和光的強度有關，而不是光的頻率。

如果是光線把能量傳給電子，讓電子脫離金屬板，那為什麼需要一定頻率以上的光線才有用呢？比如我們拿同樣強度的紫外線跟紅外線去照射，會發現只有照射紫外線的金屬板才會產生電流。而且，當紫外線的頻率越高，電子的能量就越大。

另一方面，若我們拿很高強度的紅外線去照射金屬板，會發現無論如何都不會產生電流。但如果是紫外線的話，就算強度很低，還是會瞬間就產生電流。

這樣難以理解的光電效應，使得愛因斯坦於 1905 年一舉顛覆了整個物理學界，並建立了量子力學的基礎。

光電效應的解釋

為了解釋光電效應，愛因斯坦假設，電磁波攜帶的能量是以一個個帶有能量的「光量子」的形式輻射出去。並參考先前普朗克的研究成果，認為光量子的能量 E 和該電磁波的頻率 ν 成正比，寫成 E=hν，h 是比例常數，也是我們介紹過的普朗克常數。

在愛因斯坦的詮釋下，電磁波的頻率越高，光子能量就越大，所以只要頻率高到一定程度，就能讓電子獲得足以逃脫金屬板的能量，形成電流；反過來說，如果電磁波的頻率不夠高，電子無法獲得足夠能量，就無法離開金屬板。

這就像是巨石強森一拳 punch 能把我打昏，但如果有個弱雞用巨石強森百分之一的力道打我一百拳，就算加起來總力道一樣，我是不會被打昏，大概也綿綿癢癢的，不覺得受到什麼傷害一樣。

而當電磁波的強度越強，代表光子的數目越多，於是脫離金屬板的電子自然變多，電流就越大。就如同我們挨了巨石強森很多拳，受傷自然比只挨一拳要來得重。

雖然愛因斯坦對光電效應的解釋看似完美，但是光量子的觀點實在太過激進，難以被當時的科學家接受，就連普朗克本人對此都不太高興。

對普朗克來說，基本單位能量 hν，是由虛擬的「振子」發出的；但就愛因斯坦而言，電磁波本身的能量就是一個個光量子，或現在所謂的「光子」。

然而，電磁波屬於波動，直觀來說，波是綿延不絕地擴散到空間中，怎麼會是一個個攜帶最小基本單位能量的能量包呢？

美國物理學家密立根就堅信愛因斯坦的理論是錯的，並花費多年時間進行光電效應的實驗研究。

到了 1914 年，密立根發表了世界首次的普朗克常數實驗值，跟現在公認的標準數值 h=6.626×10^-34 Js（焦耳乘秒）相距不遠。

在論文中，密立根更捶心肝（tuî-sim-kuann）表示，實驗結果令人驚訝地與愛因斯坦那九年前早就被人拋棄的量子理論吻合得相當好。

這下子，就算學界不願相信愛因斯坦也不行了。愛因斯坦也因為在光電效應的貢獻，獲得 1921 年的諾貝爾物理獎。

光電效應的應用

在現代，光電效應的用途廣泛。我們日常生活中常見的太陽能發電板，利用的就是光電效應的一種，稱為光生伏打效應，材料內部的電子在吸收了光子的能量後，不是放射到周遭空間，而是在材料內部移動，形成正負兩極，產生電流。

而會不會曬傷也跟光子的能量有關。

曬傷是皮膚受到頻率夠高的太陽光，也就是紫外線裡的 UVB 輻射造成的損傷。這些光子打到皮膚，會讓 DNA 分子裡構成鍵結的電子逃逸，引起皮膚細胞中 DNA 的異常變化，導致細胞損傷和免疫反應，這就是為什麼曬傷後皮膚會出現紅腫、疼痛和發炎的原因。

而頻率較低的光線，因為光子能量偏低，所以就不太會造成傷害，這也是為什麼我們沒聽過被日光燈曬傷這種事。

結語

從 17 世紀後半，惠更斯和牛頓各自提出光的波動說和微粒說開始，人們就聚焦於光到底是波動還是粒子的大哉問；19 世紀初，湯瑪士．楊用雙狹縫干涉實驗顯示了光的波動性，而到 19 世紀中後期，光屬於電磁波的結論終於被馬克士威和赫茲分別從理論和實驗兩方面確立。

經過約莫兩百年的研究發展，世人才明白，光是一種波動。

怎知，沒過幾年，愛因斯坦就跳出來主張光的能量由一個個的光量子攜帶，還通過實驗的檢驗——光又成為粒子了。

物理學家不得不承認，光具有波動和粒子兩種性質，而會呈現哪一種特性則依情況而定，稱為光的波粒二象性。

愛因斯坦於 1905 年提出的光量子概念，顛覆了傳統認為波動和粒子截然二分的觀點，將光能量量子化的詮釋也被實驗印證，在那之後，除了光的能量之外，還有其他物理量被發現是「量子化」的，像是電荷。

我們現在知道，電荷也有個基本單位，就是單一電子攜帶的電荷大小。

儘管之後又發現組成原子核的夸克，具有 -1/3 和 +2/3 單位的基本電荷，但並沒有改變電荷大小是不連續的這件事，並不是要多少的電量都可以。

如果你覺得很奇怪，不妨想想，我們用肉眼看會覺得身體的每一個部位都是連續的，但其實在微觀尺度，身體也是由一個個很小的原子和分子組成，只是我們根本看不出來，才覺得是連續的。

光子的能量和電荷的大小，其實也是像這樣子，細分下去就會發現具有最基本的單位，不是連續的。

事實上，量子力學在誕生之後，一直不斷地為人們帶來驚喜，簡直就是物理學界突然闖進一隻捉摸不定的貓。我們下一個故事，就要來聊量子力學發展過程中，打破世間常識的某個破天荒假說，而假說的提出者，是大學原本主修歷史和法律，擁有歷史學士學位，但後來改念物理，並憑藉博士論文用 5 年時間就拿到諾貝爾物理學獎的德布羅意。

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紫外光燈是應用非常廣的環境消毒工具，廣泛應用在手術室、圖書館、游泳池等公共場所，由於疫情的關係，又再次受到注意。但紫外光燈真的適用於家中進行消毒嗎？使用上又有什麼需要注意的地方呢？

紫外光有分三種：UVA、UVB、UVC

紫外光可以依照波長分為三大類：分別是 UVA（波長介於320~400nm）、UVB（波長介於 280~320nm）以及 UVC（波長介於100~280nm）。

其中 UVA 的穿透力最強，抵達地球的陽光中，就有許多 UVA；UVA 可穿透大氣層、車窗、玻璃進入室內及車內，甚至抵達皮膚下的真皮層，使之生成黑色素、曬黑皮膚。

同時，UVA 可再細分為 UVA-2（320~340nm）與 UVA-1（340~400nm）。UVA-1 穿透力最強，即使在非夏季、比較感受不到「熱」的時候，UVA-1 仍然存在；此時如果長時間照射太陽或是坐在靠玻璃帷幕的辦公室，一樣有可能會造成皮膚的傷害。 UVA-1也會用在礦石鑑定、舞台裝飾、驗鈔或是吸引昆蟲時使用。

透過陽光抵達地球的，還有UVB，只不過日光中多數的 UVB（波長介於 280~320nm），在前往地球的途中會被臭氧層吸收，只有約 2% 的 UVB 能到達地表。UVB 的能量非常高，能促進「體內礦物質代謝」和「形成維生素Ｄ」，但長期或過量照射除了會曬黑皮膚之外，甚至可能灼傷皮膚。

生活中，UVB 一般用於植物生長燈，調節植物的生長。

最後，UVC 是波長最短，因此能量也最密集的紫外光。多數紫外光滅菌燈就是利用 UVC 波長。UVC 能夠破壞細菌、病毒等病原體中遺傳物質（DNA／RNA）的化學鍵，讓病原體因為無法正常製造蛋白質，而立即死亡或喪失繁殖能力，達到消毒效果。目前 UVC 已被證實能夠消滅細菌、病毒、黴菌等常見病原。

但紫外光燈也不是開著就能夠有效消毒，而是要根據不同的微生物，設定不同的照射劑量。

紫外線如何「有效」殺菌？

紫外線的殺菌量劑單位是 J/m2 ，一般來說，強度高但照射時間短，與強度低但照射時間長的效果相同。

不過，考量到微生物自我修復的機制，如果紫外線照射強度低於 40μW / cm2 ，就算持續延長照射時間，也無法有效消毒；所以待消毒的物體表面照射的強度必須大於 70μW / cm2 以上，並且離紫外光燈一定距離內，才能達到９成以上的殺菌力。

另外，UVC 的穿透力很差，在許多狀況下，UVC 都可能無法有效殺菌。

例如含有雜質的液體（例如葡萄酒或牛奶），UVC 穿透的深度大約只有 0.5 – 2.5 mm，而大部分的透明玻璃、塑膠甚至是厚紙箱，都能輕易阻擋 UVC，所以遇到過大、過厚的包裝，就無法用 UVC 有效對內容物進行殺菌。

紫外光具的殺菌力也容易受到灰塵、油漬的影響穿透力；相反地，對沒有照射到紫外光的家具背面與死角、衣物內面等，不但沒有殺菌效果，甚至還可能會加速家具、染料、藝術品、牆面表面褪色。

雖然多數的商用紫外光燈具，都會搭配藍紫色的光，讓我們可以看見它的照射範圍，但由於最主要的紫外光是不可見光，所以不應該完全依賴肉眼所見；而長時間例行使用的設備，每三到六個月，也應定期檢查燈管的照射強度。

用紫外光殺菌，也要小心別傷到自己！

雖然使用紫外光消毒看起來非常方便，不過既然紫外光對各種病原體都有殺傷力，對人體的傷害也不容小覷。

最常見的，就是因為直視紫光燈管，導致眼睛出現「強光性角結膜炎」​；長期照射紫外光，也可能會造成皮膚灼傷、皮膚癌、黑色素瘤等傷害。此外，2011 年 4 月 13 日，世界衛生組織也已經將所有類別的紫外光輻射歸類為「一級致癌物質」。

如果真的想用紫外光燈消毒環境時，建議使用能夠設定時間啟動的固定式設備，等人離開環境了之後，再開始進行消毒，並保持空間通風，才是正確的使用方式。

參考文獻

1. UV Lights and Lamps: Ultraviolet-C Radiation, Disinfection, and Coronavirus
2. Ultraviolet (UV) Radiation

• 作者／茹絲．卡辛吉；譯者／鄧子衿

想回到 37 億年前，你可能需要先準備好「氧氣裝備」！

想像你自己來到三十七億年前的地球，在地球從宇宙塵埃聚集成行星之後，已經過了約七億五千萬年。

你站在一座岩石火山島上，往四面八方望去，只見富含鐵質的綠色海水延伸到地平線那端。你所在的這座島嶼上沒有植物，也沒有可供植物生長的土壤。因為土壤中含有植物被分解之後產生的有機成分，然而在三十億年前，地球上還沒有植物。

你可能要像是水肺潛水者那樣攜帶氧氣裝備，因為那個時候的地球上沒有氧氣。事實上，你周圍的大氣是由一氧化碳、二氧化碳和甲烷混合而成，其中可能還有氫氣、氮氣和二氧化硫，或許會致人於死，不過至少溫度是宜人的。

雖然當時太陽的亮度只有現在的七成，但是有二氧化碳和甲烷為地球表面保溫。當時地球自轉的速度是現在的兩倍，所以日出之後六小時就日落，這可能會讓你驚慌失措。

那時候月球和地球的距離是現在的十分之一，讓月球看起來有十倍大，在天空中非常明亮。由於距離地球很近，月球造成的重力效應也很強，海面漲落潮差超過數百呎。你或許可以看到月球上的隕石坑，不過可能得看日子。

當時地球上的火山活動比現在活躍，經常會噴出火山灰和硫酸到大氣中。在清晨與落日時分，天空會呈現黃色和橘紅色。

37 億年前的地球沒有臭氧層，那還有生命存在嗎？

當時地球上的海水量是現在的兩倍，但是水分子一個個消失了，因為大氣中沒有氧氣，也就沒有臭氧層。

在沒有臭氧層的狀況下，來自太陽的大批紫外線能毫不受阻攔地轟炸水，讓水分子分解成氫和氧。比較輕的氫原子很快地逸散到太空中，氧原子則馬上和水中的礦物質結合。在沒有臭氧層的狀況下，地球會朝著毫無生機的狀況進展。金星的命運便是如此，曾經有水的金星，現在乾燥無比。

不過這時候的地球有海洋，海洋中棲息著單細胞細菌，以及類似細菌的單細胞生物—古菌（archaea）。這些微生物和其他所有生物一樣，都需要能量才能運作，以及製造更多細胞的組成成分，以便分裂複製。

它們的細胞壁堅硬，因此不可能經由掠食其他同類來得到能量。不過它們可以把細胞壁外的硫化氫吸收到細胞內，經由化學反應讓硫化氫的電子釋放出來，再利用這些電子合成暫時儲存能量的分子 ATP（三磷酸腺苷）。細胞利用 ATP 和溶解在水中的二氧化碳合成有機化合物，包括生長和生殖所需要的胺基酸、蛋白質、脂質和醣類。

現在地球上依然有許多這類化學自營生物（chemoautotroph），它們生活在海底熱泉，或是黃石國家公園充滿硫的熱泉等這些極端的環境中。但是差不多在你拜訪古代地球的時候（或是前後一兩億年），一種新的細菌在太陽下演化出來了。

這種細菌漂浮在海面下附近，因為含有葉綠素和其他色素而呈現藍綠色。這些色素能吸收含有太陽能量的光子。藍綠菌用這些能量把水分解成氫和氧，產生電子，製造 ATP。然後它們就和化學自營生物一樣，利用 ATP 合成有機化合物，這個過程稱為光合作用。藍綠菌把氧氣當成廢棄物排出， 因此這過程稱為產氧型光合作用（oxygenic photosynthesis）。這是非常複雜的過程，就連今日的科學家依然還沒有解開這個機制的細節。

藍綠菌具備的功能讓它們繁榮昌盛。古菌和其他細菌只是到處飄盪，企盼能遇到它們各自喜愛的化學食物，但是這種新出現的生物並不是分解水中偶然才能遇到的成分，而是分解無所不在的水分子。藍綠菌只要在有陽光的狀況下就能進食，因此繁殖的速度非常快，而且持續產出氧氣。（在二十億年中）這些氧氣飄到大氣中，形成具有保護作用的臭氧層，讓我們的藍色行星免於籠罩於沉沉死氣之中。¹

藍綠菌和閃電竟然也有共通之處？！

如果這還不夠厲害，有些藍綠菌種類還有比舞動它們的藍綠色身段更厲害的技術。

地球上的生物需要氮，DNA、ATP、蛋白質和其他生物所必須的化合物中都含有氮原子。地球大氣中一直有很多氮氣，但是氮氣（N2）中的氮原子彼此結合得很緊密，生物無法直接運用。而閃電的電壓高達一億伏特，這等或是更高的能量能夠打破氮氣分子，讓個別的氮原子和氫或氧結合，形成氨、銨鹽（ammonium）或硝酸鹽等把氮固定起來的分子。

但是棘手的地方在於閃電雖然壯觀，卻無法大量產生這類分子。如果生命只能依靠閃電，就永遠無法登上陸地。正當此時，藍綠菌登場了。它們能做到和閃電一模一樣的事，只不過是在微生物的尺度下。

藍綠菌成為地球上主要的固氮生物（diazotroph）。幸好藍綠菌樂於分享，它所固定下來的氮有一半會排入水中，可以被細菌和古菌吸收。如果沒有具備固氮能力的藍綠菌，海洋中的生物形式將會非常簡單，而且數量也不多，只因固定下來的氮不足。

有創意的藍綠菌，讓自己在固氮時，不被氧氣擊倒

不論在過去或現代，藍綠菌固氮都相當不容易。首先它們要能夠製造固氮酶（nitrogenase），這種酵素含有鐵和鉬，能催化固氮反應。除此之外，它們還要防範一個由自己製造的問題：氧氣。

這個問題是這樣的：氧原子的最外層有六個電子，因此它還要再抓住兩個電子，才能讓最外層有八個電子，形成穩定的狀態。早期的海水溶滿了鐵，而鐵原子在最外層有兩個電子，所以你可以想見會發生什麼事──藍綠菌拋棄的氧很快就會抓住鐵，如此一來，藍綠菌就沒有能用來製造固氮酶的鐵原子了。

藍綠菌得要有創意才行。有些藍綠菌在固氮的時候停止光合作用（這樣就不會釋放氧氣了），有些藍綠菌只在晚上不進行光合作用時行固氮作用（但如果沒有陽光照射就會發生混亂）。有些則和同種的其他個體合作，細胞彼此連接成細微的絲狀結構，就像是一串珠鍊。約有十分之一的珠子會停止光合作用，並且讓細胞壁變得更厚，以阻擋氧氣進入。這些特殊的細胞稱為異型細胞（heterocyst），專門固氮，會把含氮分子分享給左右細胞，換來糖類以維持生存。現在能固氮的藍綠菌依然採用這些方法。

藍綠菌要讓自己繁榮昌盛，真的不容易！

藍綠菌要散播到全世界，不只必須解決固氮的問題。它們還面臨兩難的困境：它們需要靠近海洋表面，但是又要避免紫外線破壞 DNA。

為此它們演化出一層細胞外的多醣類（由糖分子連接而的長鏈），稱為黏質（mucilage），它可能是世界上最早的防曬成分，也是它讓藍綠菌具有那典型的黏滑表面。最後，所有的藍綠菌都因為有黏質而變得黏黏滑滑。

總加起來，藍綠菌確實具有各種讓它自己繁榮昌盛的能力。大部分的藍綠菌每七到十二小時可以複製一次，換算下來，一平方呎的藍綠菌可以在兩天之內覆滿一間小辦公室的地板。有些種類的藍綠菌每兩個小時便複製一次，於是同樣的大小在兩天之內就可以蓋滿六座足球場。

不論是哪一種，最早的藍綠菌在數億年中複製的幅度，遠遠超過我們的想像。這段其間，它們也演化出許多不同大小和形狀的種類：球狀、卵狀、桿狀、螺旋狀或絲狀（數量最多的是圓形原綠球藻〔Prochlorococcus〕，它們在 1986 年才被發現，也是最小的藍綠菌，一茶匙的海水有四十萬個原綠球藻）。

藍綠菌如果漂浮在水面上，並且經由黏質黏在一起，就會形成綠色的團塊。這些團塊會吸收當時在水中漂蕩的各種成分，包括碳酸鈣和碳酸鎂之類的礦物質，以及其他死亡的微生物而變得愈來愈稠密。自始至終，這些活生生的藍綠菌能夠藉由黏質滑動，往有陽光的海面移動，並持續增殖。

註解：

1. 最早進行光合作用的生物並不會造氧氣，它們以紫色的色素吸收近紅外線，從含硫化合物中取得電子，把細小的純硫顆粒當成廢棄物排出。它們沒有如同近親藍綠菌那般昌盛，但是依然能夠在現在無氧的水中續存。

——本文摘自泛科學 2020 年 1 月選書《藻的祕密：誰讓氧氣出現？誰在海邊下毒？誰緩解了飢荒？從生物學、飲食文化、新興工業到環保議題，揭開藻類對人類的影響、傷害與拯救》，2019 年 12 月，臉譜出版