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數不盡的星星@《悖論:破解科學史上最複雜的9大謎團》

PanSci_96
・2013/04/23 ・6051字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 556 ・八年級

source:wikipedia
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如果讀者知道天文學家在多久之前就已經察覺這個悖論的存在,便會明白以下事實多麼令人驚訝:直到一九五○年代,這個悖論才首度由來自德國不萊梅(Bremen)十九世紀的醫生兼業餘天文學家韓瑞契.威漢.奧伯斯(Heinrich Wilhelm Olbers)正式提出,並以他的名字命名。在此之前,對這個問題感興趣的天文學家可說是少之又少。

一九五二年, 著名的澳洲裔英國宇宙學家赫曼.邦迪(Hermann Bondi)出版了一本極具影響力的教科書,書中首度使用「奧伯斯悖論」一詞。不過我們稍後將明白,這本書其實有張冠李戴之嫌。奧伯斯既不是第一個提出此一問題的人,他的解答也不具特別的原創性或啟發性。早他一個世紀的艾德蒙.哈雷(Edmond Halley)已經敘述過,再早一個世紀的約翰尼斯.克卜勒(Johannes Kepler)也在一六一○年提過。甚至連克卜勒都不是第一個寫下這個問題的人。為了了解整件事的始末,我們得回到一五七六年;哥白尼(Copernicus)的鉅著《天體運行論》(De Revolutionibus)發表數十年後,第一個英語譯本在這年終於出現。

任何關於天文史的論述總是從相同的幾個關鍵人物開始。首先登場的是西元二世紀的希臘人托勒密(Ptolemy),雖然身為有史以來最重要的科學教科書之一《天文學大成》(Almagest)的作者,他卻誤以為太陽繞地球公轉。他發展出以地球為中心的宇宙模型,並且被全世界天文學家奉為圭臬達一千多年之久。接下來是十六世紀的波蘭天才哥白尼,他推翻托勒密的「地心」學說,並將太陽與地球的位置對換,被尊為現代天文學的鼻祖。我們也不能遺漏伽利略(Galileo),他是一六○九年史上第一位將望遠鏡指向天空的人,並且透過觀測證實哥白尼「日心」模型的正確性:地球的確繞著太陽公轉,與其他行星一樣。

但是哥白尼的模型並不完全正確。他將地球從宇宙中心這個至高無上的位置移開的做法無誤,卻錯在直接用太陽取而代之,並相信太陽系即是整個宇宙。《天體運行論》被認為是引發科學革命的重要著作之一,書中展示了一幅具有指標意義的太陽系示意圖。該圖正確地將地球置於太陽外圍僅次於水星和金星的第三顆行星位置上,而月亮是天空中唯一繞地球公轉的天體。往外接著是火星、木星和土星。到此為止都正確(土星以外的行星尚未被發現),可是接下來哥白尼做了一件很有趣的事,他將所有的恆星放在最外圍繞太陽公轉的同一個固定軌道上,使得太陽成為整個宇宙而非一個行星系統的中心。

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我們現在當然知道,太陽並不在這個特殊的位置上。太陽事實上位於宇宙某個不起眼角落裡平凡星系中的某個旋臂外側。過去幾個世紀以來,愈來愈詳細精確的天文觀測資料不但協助我們建立現代宇宙論,也讓我們明白宇宙並沒有中心,而且很有可能往四面八方一直延伸出去。然而,在望遠鏡發明之前就已提出日心學說的哥白尼並沒有機會得到這些知識。

下一階段的突破得靠英國的天文學家湯瑪士.迪格斯(Thomas Digges), 他來自英國牛津附近一個沉悶的市集小鎮瓦陵福(Wallingford),算不上赫赫有名。他生於一五四六年,亦即哥白尼逝世後數年。他的父親倫納德.迪格斯(Leonard Digges)也是科學家,被推崇為經緯儀的發明人。經緯儀是現今主要由測量師使

用的一種儀器,用來精確量測水平與垂直角度。湯瑪士在一五七六年出版了由其父所著、廣受歡迎的天文年鑑《永恆的預測》(A Prognostication Everlasting)的修訂版,以附錄的形式將新題材加入書中。這本書最重要的貢獻在於首度將哥白尼的鉅著譯成英文。從現在的觀點來看,一本內容資料並非來自哥白尼的天文書籍,竟然願意將這個理論放在附錄裡,實在相當神奇。雖然湯瑪士.迪格斯出版了這個當時飽受爭議的宇宙模型並加以提倡,但他所做的重要工作不只於此。我認為,他進一步改良這個理論為天文學發展所帶來的貢獻,與哥白尼不相上下,他卻遠不如哥白尼有名。

迪格斯修改了哥白尼著名的太陽系示意圖,將原圖中位於最外層的眾多恆星從固定的單一圓形軌道上解放出來,散布到太陽系外廣大無垠的太空中。他因此成為史上第一位提出無限大的宇宙包含無窮多星星的天文學家─不過古希臘哲學家德謨克利特(Democritus)曾經暗示過同一概念。

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迪格斯的突破並非來自猜想。他受到一起發生於一五七二年的天文事件啟發,產生新的宇宙觀。正如當時全世界的其他天文學家一樣,對於天空中突然冒出的明亮新星他也目瞪口呆。現今的我們知道這種偶發事件是超新星爆發:當恆星來到生命終點,用盡所有核燃料之後,自身重力使星體急遽坍縮;這個過程引發衝擊波並向外傳遞,導致星體外層物質被猛烈炸向外太空,同時伴隨最後一次極為劇烈的能量釋放。事實上,爆發時所釋出的能量之高,其亮度甚至會短暫地超越整個星系。這些天體物理學的概念在十六世紀時尚未明朗。當時普遍認為,月亮軌道之外的宇宙結構是穩定而恆常不變的,如果夜空中突然短暫出現明亮星體,隨即再度變暗,它一定非常接近地球,而且必然在月球軌道以內。

迪格斯是當時少數算出一五七二年超新星勢必出現在距離地球極遠處的天文學家之一,其他還包括大名鼎鼎的第谷.布拉赫(Tycho Brahe)。由於超新星的位置相對於其他恆星並未逐日改變(也就是所謂的「視差」現象),天文學家被迫推論,它必定比月亮或其他行星更為遙遠。局勢變得十分令人費解─天空中突然出現一顆新天體,而我們卻搞不清楚它打從何處來。這個被稱為「新星」的出現令迪格斯得到一個結論:恆星與我們之間的距離不見得都相同;也許(雖然現今顯而易見)較亮的星離我們較近,較暗的星較遠。(譯按:因此超新星亮度的變化便可解釋為,該星體與我們之間的距離改變。)這在當時是一個革命性的想法。

當迪格斯看著無垠太空中數不盡的星星思索時,無可避免地想到以下的重大問題:為什麼夜晚的天空是暗的?對他來說,這算不上什麼悖論。他直接假設由於遙遠的星星過於昏暗,對於夜空的亮度並沒有任何貢獻。

迪格斯並沒有考慮到某個至關重要的數學計算,該計算足以揭露他對於黑暗夜空的錯誤推論,不過這一點的釐清已經是更後來的事了。克卜勒在一六一○年重新檢視這個問題,並認為夜晚之所以變暗,是因為宇宙的大小有限。星星之間的黑暗區域其實是包圍著宇宙的外圍幽暗空間。克卜勒之後一百年,另一位英國天文學家哈雷再度思索這個問題,他得到的結論支持迪格斯的解答:宇宙無窮大,但是遙遠的星體太暗,以至於我們看不到。

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數年後, 一位名為尚.菲利浦.迪薛索(Jean-Philippe de Chéseaux)的瑞士天文學家指出,迪格斯和哈雷的論點對於解開這個悖論毫無幫助。他透過簡潔的幾何計算證明:若以地球為中心,將周遭的太空依不同半徑向外劃分為若干同心球殼,像一層層的洋蔥直到無窮遠處,並且假設宇宙各處的星星亮度[註]平均而言相去不遠(我們當然知道這與真實狀況不盡相符,不過為了簡化問題,這是個可接受的假設),那麼雖然位於最內層球殼的星星看起來最亮,但由於較外層球殼面積較大,含有較多星星,總視覺亮度其實與內側任何殼層相同。換句話說,為數較多但較遠較暗的星星所貢獻的亮度,與為數較少但較近較亮的星星一樣。看來我們又回到問題的原點,克卜勒的觀點似乎成為唯一的合理解釋:宇宙並非無窮大,否則夜晚的天空就不會是暗的

下一位登場的人物是奧伯斯。在他一八二三年發表的一篇論文裡,夜空為何黑暗的問題再度被提出。他知道根據迪薛索的計算,距離造成星光變暗並非正解。他另行提出假說指出,太空中可能充滿星際塵與氣體,擋住來自遙遠星體(如今已知是星系)的光芒。不過他沒考慮到,如果時間夠長,這些物質會不斷吸收來自遠處的星光,它們會慢慢被加熱,到最後也會開始發光,而且亮度會與它們所遮住的星體(或星系)相同。

不論如何,當時幾乎沒有其他天文學家注意到奧伯斯提出的問題及解答,直到十九世紀末為止。我們可以原諒奧伯斯所犯的錯誤。各位讀者想想,當時天文學家不但不清楚宇宙的範圍有多大,他們手上甚至沒有明確的證據顯示恆星聚集成星系,而我們的銀河系只是廣大宇宙中數十億個星系之一。這種情況將會在二十世紀的頭十年改變,因為有一位科學家對時間與空間的本質提出嶄新的科學觀點。

原註:當我們考慮的範圍大過某個距離之後,自然會超出銀河系。這時我們所討論的就是星系的亮度,而非恆星。

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不斷擴張的宇宙

愛因斯坦在一九一五年發表他偉大的研究成果,但不是他著名的方程式E=mc2,也不是為他帶來諾貝爾獎榮耀、關於光的本質研究。這個理論被稱為「廣義相對論」(General Theory of Relativity),描述重力如何影響時間與空間。我們在中學時期學過牛頓的重力理論:重力是某種物體之間互相吸引卻不可見的力。這種敘述當然沒錯,我們的確生活在一個受地球重力主宰的世界裡,重力將我們拉向地球表面。牛頓的萬有引力定律也可以解釋月亮為什麼會繞著地球公轉,其引力如何影響地球的潮汐;它同時解釋地球如何繞太陽公轉,並且確認哥白尼以太陽為中心的太陽系模型。美國航空太空總署(NASA)的阿波羅計畫將太空人送上月球時,根據的就是牛頓萬有引力所做的預測。這個學說毫無疑問是正確的,但它並非完全精確。

愛因斯坦的廣義相對論用一種截然不同卻遠為精準的方式來描述重力。它指出,重力並不全然是一種普通的「力」,也就是說它不是一條將兩個物體拉近的隱形橡皮筋,而是一切帶有質量的物體周遭空間形狀的某種度量。寫到這裡,我相信除非讀者本身具有物理背景,否則這些解釋還是像天書一樣難以理解。不過別擔心,當愛因斯坦剛發表他的理論時,據說全世界只有另外兩位科學家能夠理解。時至今日,在經過各種實驗的嚴格測試之後,我們已經確認廣義相對論的正確性。

既然我們的宇宙是充滿物質的空間,而且所有物質基本上都受重力主宰,愛因斯坦及其他同僚馬上想到,也許廣義相對論可以用來描述整個宇宙的特性。然而,愛因斯坦隨即碰到一個棘手的難題。假設宇宙中所有星系在某個時刻相對於彼此是靜止的,而且如果宇宙的大小有限,引力將會使彼此逐漸靠近對方,最終導致整個宇宙的坍縮。當時普遍公認的宇宙觀認為,宇宙在星系的尺度以上是恆常不變的;一個隨著時間演變的動態宇宙,不但與主流想法脫節,也顯得多餘。因此當愛因斯坦發現廣義相對論的方程式得出宇宙必將收縮的結論時,他決定設法補救這個漏洞,而非構思出另一個石破天驚的解答。他假設,為了平衡向內拉的引力,宇宙中必須有另一個作用方向相反的反重力,稱為宇宙斥力。這個宇宙斥力恰好能夠與各種物質之間的萬有引力達成平衡,使得星系不會彼此撞在一起,並且使得宇宙維持在恆定狀態。愛因斯坦想出的上述辦法說穿了是一種數學技巧,讓他的廣義相對論能妥協於「已知」的穩態宇宙模型。

接著,令人意想不到的進展出現了。一九二二年,一位俄國宇宙學家亞力山卓.傅里德曼(Aleksandr Friedmann)想出不同的解答。有沒有可能愛因斯坦弄錯了,其實並沒有協助宇宙保持穩態平衡的反重力?他了解到,如果真的如此,宇宙並不見得會因重力作用而坍縮,其實也有可能在擴張。不過這怎麼可能呢?沒有宇宙斥力的話,宇宙不是應該要縮小而非擴張嗎?請看以下的說明。

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設想某種原因(例如初始時期的爆發)讓宇宙一開始就處於擴張的狀態。物質之間互相吸引的重力會讓擴張減緩。因此,如果用來抵消引力的宇宙斥力不存在,宇宙又一開始就在擴張,現在的宇宙應該不是在擴張就是在收縮。唯一不可能出現的是穩態宇宙,也就是在擴張與收縮之間取得平衡;宇宙的狀態是不穩定的。

以下的範例足以說明為何如此。想想看光滑斜坡上的球是怎麼滾動的:如果將一顆球直接放到斜坡上,它必定會往下滾。然而,如果我們觀賞一段球在斜坡上滾動的影片,當球滾到斜坡中間時將影片暫停,然後請第三者預測影片恢復播放後球的滾動方向。如果他們經過仔細思考,就會回答球可能往斜坡上滾(對應於擴張中的宇宙),也可能往下滾(收縮中的宇宙),但不會停在斜坡上靜止不動。要讓球往上滾的唯一辦法,當然要有人在一開始時踢它一腳。在這種情況下,球向上滾的速度會逐漸減慢,最終會停下來並開始往下滾。

沒有人打算相信傅里德曼的理論,包括愛因斯坦本人─直到發現觀測上的證據。幾年後證據就出現了。艾德溫.哈伯(Edwin Hubble)是第一位證明銀河系外還有其他星系存在的天文學家。在此之前,一般認為望遠鏡中所見許多一小抹的微弱光暈是銀河系內的星際塵埃,稱為星雲。透過強力望遠鏡,哈伯發現這些星雲根本離地球太遠,不可能是銀河系的一部分,因此他們本身必然就是其他星系。更引人注目的是,他的觀測顯示遙遠的星系正在遠離地球,而且遠離速率與距離地球的遠近相關。不論望遠鏡朝向天空的哪個方向,都能觀測到此一現象。他的發現證明了傅里德曼關於宇宙正在擴張的想法是正確的。

哈伯更進一步準確地指出,既然宇宙在擴張,那麼過去的宇宙必然較現在為小。如果將時間回溯到夠久以前,我們將會回到某個所有星系彼此重疊的時刻,當時的宇宙擁擠不堪。繼續回溯到更早的時間,所有物質將會愈靠愈近,直到我們回到宇宙創生的那一刻,也就是現今稱為「大霹靂」的宇宙大爆發。(天體物理學家佛列德.霍伊爾於一九五○年代首度使用「大霹靂」一詞。)

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在此必須特別說明,一般人常誤以為宇宙擴張是指所有其他星系都在遠離我們而去;這是錯誤觀念。真正擴張的其實是星系之間虛無的空間。另一件值得說明的有趣事實是,我們隔鄰的仙女座星系正朝著我們撞過來!根據目前所估計的宇宙擴張率,它應該以每秒五十公里的速率遠離我們。反之它卻以每秒三百公里的速率接近我們!之所以產生這種矛盾,是因為星系在宇宙中並非均勻分布,就像星星不是均勻分布在星系中一樣。在哈伯所觀測到的現象裡,離我們而去的是極為遙遠的星系,而非我們所在的本星系群的組成星系。

銀河系與仙女座星系彼此接近的速率相當於兩分鐘內繞地球一圈,或是在一週內從地球航行到太陽的距離。事實上,這兩個星系正在進行碰撞的程序,按照目前的進行速度估計,兩個星系需要耗時數十億年才會完全疊在一起。

關於宇宙擴張要說明的最後一點是,宇宙擴張速率正在逐漸增加。似乎有某種比重力還強的作用力將星系彼此推開,使擴張逐漸加速,與預期中重力會使擴張減慢的結果大不相同。這似乎是來自某種神祕的反重力作用,由於尚未找到更恰當的名稱,我們暫且稱它為「暗能量」。愛因斯坦關於宇宙斥力的想法看來終究不算太瘋狂,只是它似乎正在將宇宙撕裂,而不是維持恆定。

現今的宇宙學家相信,儘管宇宙從一百四十億年前誕生到現在一直在擴張,但是由於它所包含物質的重力作用,前七十億年間擴張速率是逐漸減慢的。後七十億年之中,由於星系分布過於稀疏,使得引力的效應轉弱。此時暗能量開始取得優勢,導致空間擴張愈來愈快。這意謂宇宙永遠不會再度坍縮,也就是宇宙不會毀於「大崩墜」(直到一九九八年發現宇宙加速擴張之前,大崩墜被認為是宇宙可能的最終命運之一);相反地,所有物質因為遠離彼此而永遠被孤立,導致宇宙終將死於「熱寂」(heat death)。這個想法令人意志消沉;不過,我們的壽命不會長到需要去煩惱這些問題。

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節錄至 PanSci 2013 四月選書《悖論:破解科學史上最複雜的9大謎團》(由三采文化出版)

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從奈米微塵到化學氣體, HEPA 與活性碳如何聯手打造純淨空氣?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/17 ・4433字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 Amway 委託,泛科學企劃執行。

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,而是一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網
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 / 圖片來源:envato

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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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)」 / 圖片授權:Shutterstock

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。

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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)。

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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。
活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附? / 圖片來源:Amway

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。

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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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邏輯駭客!霍金成功寄出穿越時空的邀請函,為何沒人赴約?
劉馨香_96
・2019/01/08 ・1540字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 528 ・七年級

史蒂芬·霍金 (Stephen Hawking) 是全球知名的理論物理學家、宇宙學家,在近代物理學上做出許多重大貢獻。

他曾預測黑洞會發出輻射(現稱霍金輻射)、提出了結合廣義相對論和量子力學的宇宙論等等,其講述宇宙、空間與時間本質的科普著作《時間簡史》更是暢銷多年。

縱使身體因為漸凍症而愈來愈不方便,霍金的內心仍是自由奔放的,大膽思索著宇宙奧秘、翱翔於無盡空間。

史蒂芬·霍金 (Stephen Hawking) 是全球知名的理論物理學家、宇宙學家。
圖/wikipedia

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霍金舉辦派對竟無一人赴約?

對於時間旅行概念感到癡迷的他,有一回為了驗證時間旅行的可能性,更是決定直接邀請時間旅行者來場特別的約會,事先做好一切準備,就等著時間旅者上門。

霍金仔細地寫好:「誠摯地邀請您參加時空旅行者派對」的戰帖邀請函,除了基本的時間、地點資訊,甚至連準確的經緯度都一併附上,就是要讓時空旅者沒有迷路的藉口。

然而,要怎麼把邀請函送到時間旅行者手上呢?答案其實很簡單:不要送就對了!

這封邀請函,霍金按著不表,打算等派對結束後直接昭告天下、讓它流傳百世,如此一來就不會有現在的人跑來湊熱鬧,未來的人們也都能看到了。

2009 年 6 月 28 日中午 12 點,原定的派對時間到了。霍金在劍橋大學的岡維爾與凱斯學院舉辦盛大派對,桌上擺滿了美食和一杯杯斟好的香檳,柱子也綁上一簇簇的紅、白、藍色氣球,看起來歡樂又溫馨。然而,時間滴答滴答過去了,等了又等、等了又等,最後卻一個人都沒有來。

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霍金心裡苦,霍金不說。圖/泛科動畫截圖

就這樣,派對結束了,只是從頭到尾都只有霍金一人。(年度最邊緣蓋章認證)看來,未來人即便看到了邀請函,也沒有能力穿越時空來參加派對呀!(絕對不是不喜歡霍金)

時空旅行沒有想像中容易!時空旅行的悖論

其實,霍金對時空旅行已經有一套看法了。他認為我們頂多前往未來,但不可能回到過去

自從愛因斯坦提出相對論,我們知道了物質的質量愈大或速度愈快,時間流動的速度就會愈慢。所以只要將太空船靠近一個超大質量黑洞,或者以接近光速的速度來旅行,那麼船上的人可能才過了一年,地球上的人們卻已經過了十年,這時太空船再回到地球,相當於他們前往了十年後的未來。

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至於要回到過去,科幻作家最喜歡使用「蟲洞」假說,指的是將兩個不同地點之間連結起來的時空隧道,然而蟲洞比分子、原子還細小,即使真的掌握到一個蟲洞,也不可能讓你全身穿過,還得放大個數億倍並保持蟲洞的穩定才行,實在難以執行。

許多科幻作家喜歡使用「蟲洞」假說作為時空旅行的實現方法。圖/flickr

然而,回到過去最關鍵的問題在於:會產生悖論。

最簡單的例子就是:你回到了過去殺了你自己,那麼你在被殺當下就死了,又是誰穿越時空殺了你呢?這樣因果錯亂、邏輯不通的情況,宇宙會陷入混亂啊啊啊!

此外,一旦蟲洞擴張,就可以讓輻射進入,引發「回授」現象,也就是來自未來時空的輻射通過蟲洞增加了過去時空的輻射,到了未來就又有更多輻射通過蟲洞增加過去的輻射,如此循環往復、正向回饋,蟲洞就爆掉啦!碰!

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霍金雖然也想要回到過去看看瑪麗蓮夢露、拜訪伽利略,然而經過科學性的思考便知道這是不可能的。唉,這麼可惜的事情不能只有我知道,辦個時空旅行派對讓大家一起認清現實吧(邪笑)。

想知道各種神祕的時空悖論是怎麼回事?快來看看這部影片吧:

參考資料:

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劉馨香_96
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生科系畢業,喜歡腦、神經與心智。

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硬碟掉入黑洞,D槽裡的電影還會在嗎?
活躍星系核_96
・2015/04/14 ・981字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 528 ・七年級

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編譯 / 許瑞福(台大電機系雙主修哲學,人文與科學的兩棲類)

困擾物理學界近四十年的問題-黑洞中的「資訊遺失悖論」-很可能根本不存在!

將文件切碎,你還是可以想辦法拼回來。把書燒掉,理論上你也可以辦到同樣的事。但如果把資訊傳入黑洞中,就永遠找不回來了?這是物理學家爭論已久的問題,黑洞是否如同一座終極金庫,把資訊吸入並永久蒸發,不留下任何蛛絲馬跡。最新的研究顯示這個觀點很可能是錯的!

水牛城大學(University at Buffalo)物理學家Dejan Stojkovic博士說:「根據我們的研究,資訊並不會因進入黑洞就遺失。」

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Stojkovic於《物理評論》(Phsical Review Letters)上,與他的博士生Anshul Saini共同發表了〈從崩塌物體的輻射具明顯的資訊守恆〉(Radiation from a Collapsing Object is Manifestly Unitary)。

這份論文簡述黑洞輻射粒子的交互作用,揭示不少關於構成黑洞的物體的特性,甚至透露了關於內部的物質與能量的資訊。

Stojkovic認為這是一項重大的發現,因為即便是深信資訊不會在黑洞中遺失的物理學家,也很難使用數學描述這個現象,但他的論文卻能清清楚楚地計算出資訊是如何被保留。

從霍金(Stephen Hawking)提出黑洞輻射的概念已經超過四十年的問題-「資訊遺失悖論」(information loss paradox),這份研究可說是一大進展!資訊遺失悖論一直是物理研究上的一大問題,如果黑洞中的資訊跟著黑洞一同消失,將破壞量子力學中的資訊守恆的原則。

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粒子交互作用背後的隱藏資訊

在1970年代,霍金提出黑洞能夠輻射粒子,而失去的能量將造成黑洞縮小甚至於消失。霍金甚至說輻射的粒子,並不會透露黑洞內部的任何線索;這意味著隨著黑洞的變化,其中的資訊將永遠消失。

霍金隨後修正他的說法,認為資訊是否無法逃離黑洞,或是從黑洞中找回資訊的可能性仍有待商榷,而Stojkovic和Saini的新研究正好幫助我們更加了解真相。

除了觀察黑洞本身的輻射粒子外,這份研究也考慮了粒子間的微弱互動。如此一來,黑洞外的觀察者就有可能找出黑洞中的資訊。

粒子間的互動包含重力或是中介物的交換(例如光子)。這樣的對應關係早就被發現,但過去的科學家們並不太重視。

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Stojkovic說:「由於被認為過於微小而無法造成影響,這些對應關係在相關的計算時常被忽略。我們的計算發現雖然這樣的對應關係一開始非常微小,隨著時間的會逐漸變大而改變結果。」

資料來源:

研究文獻:

  • Saini, A., & Stojkovic, D. (2015). Radiation from a collapsing object is manifestly unitary. Physical review letters, 114(11), 111301.
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活躍星系核_96
776 篇文章 ・ 130 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia