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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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人類上太空的夢想會被我們親自摧毀嗎？

隨著火箭成本降低，人人都能把衛星丟上太空，現在，當你晚上抬頭看天空，你看到的星星可能不是星星，而是人造衛星。你看到一閃而過的的流星，可能只是墜入大氣的太空垃圾。

這些多到不行的太空垃圾已經成為隱憂，更可怕的是，這些以超音速飛行的太空垃圾可能摧毀其他衛星，在衛星軌道上製造更多不可預期的致命飛彈。有人擔心，人類終有一天會無法穿過這片垃圾雲，天空永遠被自己封閉。 終於，有人提出清理太空垃圾的方法了，但這些方法真的可行嗎？

現在的太空垃圾有多少？

最大的太空垃圾可能是整節火箭！

所有在繞行地球的軌道上失去功能的東西，都會成為太空垃圾，最大的包含壞掉的衛星、和大量運送衛星上太空的第二節推進火箭，例如 1960 年代太空競賽時大量發射的火箭，有許多至今還在宇宙遊蕩，每一個都像公車一樣大。而小東西，則包含太空人在太空漫步時遺忘的東西，或是太空垃圾互相碰撞後產生的碎片，最小可能只有數毫米，小的像隻蚊子。但不論太空垃圾來自哪裡，只要缺乏妥善的管理和追蹤，就可能成為其他運作中設施和儀器的致命血滴子。

為什麼說太空垃圾真的很危險？

為了不被地心引力拉入大氣，墜向地球，在軌道上繞行地球的物體大多都以非常快的速度在移動，包括現在還在運作的衛星與各種設施。舉例來說國際太空站位於距離地球表面四百公里高的近地軌道（Low Earth Orbit），以大約每秒 7 ~ 8 公里的速度高速移動，是地表音速的 20 倍。也就是說，太空上的車禍可嚴重多了，來自不同方向或不同傾角的物體，可能會以超過每秒 10 公里的相對速度發生碰撞。別說公車大小的太空垃圾了，只要直徑超過 1 公分的碎片就足以對太陽能板或玻璃造成損害。更麻煩的是，大小在 10 公分以下的物體，大多還因為尺寸過小難以追蹤。

那麼，我們的頭上有多少太空垃圾呢？

根據歐洲太空總署 ESA 的資料，目前軌道上有 6800 個運作中的衛星，相對的有超過 3 萬 2千個可追蹤的太空垃圾。但如果估計所有無法追蹤的物體，大於 10 公分的物體可能有超過 3 萬 6 千個，介於 1 公分到 10 公分的則高達一百萬個。

在這些太空垃圾中，大多數大型太空垃圾就是來自發射衛星後，一起留在太空的第二節推進火箭，小型太空垃圾則來自火箭爆炸或各種大大小小碰撞所產生的碎片。

太空上曾發生過嚴重的太空垃圾碰撞事件？

歷史上比較嚴重的一次撞擊事件發生在 2009 年，銥衛星公司運作中的通訊衛星，重量 700 公斤的 iridium 33，和失效、重 900 公斤的蘇聯軍用衛星 kosmos 2251，在 789 公里的高空，兩台衛星以每秒 11.7 公里的相對速度直接撞上，化成了兩團在軌道上繞行的碎片團。

NASA 估計，這單一次的碰撞產生了超過 2000 片可追蹤的碎片，雖然許多碎片受地球引力慢慢墜入大氣燒毀，但直到到 2023 年 2 月的統計，大約還有一半，也就是 1000 片碎片留在軌道上。過往也曾經觀察到碎片從距離國際太空站僅 100 多公尺的位置驚險掠過。

如何解決太空垃圾的問題？

太空垃圾又多又危險，真的有辦法清除嗎？

2023 年三月，NASA 發表一篇研究，整理了關於各種清理太空垃圾的方法與成本，包含從地面或太空發射雷射推動垃圾改變軌道，或是直接物理性撞擊改變軌道，還有透過捕捉垃圾，直接在太空將垃圾循環利用，作為燃料或其他用途的再利用等方法。

清理不同大小的物體，要用的方法跟產生的效益也不同，因此他們評估了針對兩種策略。第一種策略將會優先處理目前最大、最具威脅性的 50 個太空垃圾，例如完整的第二節火箭或是失去功能的完整衛星。第二種策略則是優先移除 1 到 10 公分的十萬個小型垃圾。NASA 分別評估處理這兩種目標帶來的效益，恩，所謂的效益，就是預估能減少多少因為太空垃圾碰撞而產生的損失。

要如何移除太空垃圾呢？

移除大型垃圾主要的方法主要是再入大氣層（re-entry），簡單來說就是讓垃圾落入大氣層燒毀。這個方法預計讓運送任務完成的火箭載具，透過剩餘的推進燃料，順手將其他大型垃圾帶下來。移除這 50 個大型垃圾預計總共會花費 10 億美金，但在移除 30 年後所帶來的效益，將會超過花費的成本，非常划算。

至於小型太空垃圾，主要使用的方法將會是成本較低的雷射。藉由雷射產生的微弱動能來改變垃圾的軌道，將它們送入大氣層或推離常用的軌道。發射雷射的裝置可以設置在地面或是太空中，單純以使用效率來說，設置在太空所需要的能量較低，但是設置在地面維護和管理比較方便。然而這也衍伸了許多爭議，主要圍繞在這個清除垃圾的雷射也可以作為武器使用，例如在戰爭爆發時用雷射攻擊敵國的衛星。不過如果順利設置的話，清除十萬個小型垃圾後大約只要十年就可以達到等同於成本的效益，比移除大型垃圾能更快回收成本。

方法有了，但我們真的能讓太空再次乾淨嗎？

太空垃圾問題有解嗎？

現在的太空有多擁擠？

如果把歷史發射資料整理出來，會發現近五年人類的衛星發射數量幾乎是直線攀升，2012 年一整年全世界也只發射了 200 多顆衛星，到了 2022 年已經成長到一年 2000 多顆衛星。而且絕大部分都是來自於美國的衛星，想當然很大一部份都來自於 SpaceX 的星鏈計畫。而受益於獵鷹九號的高成功率和可回收造就的低廉成本，也能夠發射更多的中小型衛星，像是我們臺灣也發射了不少自主研發的立方衛星上太空，例如 2021 的「飛鼠」和「玉山」以及最近才剛發射的珍珠號立方衛星。

如果所有的衛星與火箭都會變成太空垃圾，我們清理垃圾的速度又不夠快，還有可能發生凱斯勒現象（Kessler syndrome），也就是碰撞產生的碎片引發連鎖反應，造成更多撞擊和更多碎片，讓不可控的太空垃圾快速增加，直到新的火箭與衛星都難以穿越，我們將無法前往太空，被自己的創造出的人造物封鎖在地球。

治標也要治本，我們對於即將發射進太空的人造物能有套管理辦法嗎？

1967 年在聯合國通過並簽署的《關於各國探索和利用包括月球和其他天體的外太空活動所應遵守原則的條約》，簡稱為《外太空條約》。這個條約制定了各國在外太空活動所應該遵守的原則，其中和人造衛星有關的原則主要有三個：

1. 國家責任原則：各國應對其航太活動承擔國際責任，不管這種活動是由政府部門還是由非政府部門進行的
2. 對空間物體的管轄權和控制權原則：射入外空的空間物體登記國對其在外空的物體仍保持管轄權和控制權
3. 外空物體登記原則：凡進行航太活動的國家同意在最大可能和實際可行的範圍內將活動的狀況、地點及結果通知聯合國秘書長

也就是說，雖然各國需要將太空活動回報給聯合國統計，但實際上在制定規範和進行管制的還是各國本身。以美國來說，分別需要和 FAA 聯邦航空總署申報火箭發射和再入大氣層的計畫，以及向 FCC 聯邦通訊委員會申報衛星的通訊規格，至於要如何避免在太空發生碰撞，是發射單位要自己負起責任，公部門只提供有追蹤的物體軌道資料。

不過對於衛星任務結束後的處置，FCC 倒是有相關的規定和罰鍰。因為如果衛星有動力系統，可以在任務結束時就控制墜入大氣層或飛離常用軌道，進到所謂的死亡軌道（Graveyard Orbit），而通常在申請發射衛星時，也需一併提供任務結束後的處置方式。

去年，衛星電視業者 Dish Network 沒有按照它在 2012 年所制定的衛星處置計畫，將衛星從離地 36000 公里的地球同步軌道再往外推 300 公里。這顆衛星在移動的半途中就燃料耗盡失去了動力，只離開原本的軌道 120 公里，FCC 因此對衛星電視業者開罰了 15 萬美元。這起首次針對太空垃圾的開罰，對於太空垃圾的管制具有重大的意義，代表著對太空垃圾危害性的重視，也代表著清理太空垃圾的商機正在逐漸成長。

清除太空垃圾能有商業價值？

隨著商業化的太空活動逐漸熱絡，如何讓清理太空垃圾不只是空談也成了一個重要的問題。如果軌道上的垃圾減少，受益的會是所有使用軌道的衛星。就與現存的回收與垃圾處理方式一樣，我們可以規定所有衛星的生產者都必須繳交「太空垃圾處理費」，如果在發射的過程中產生額外的太空垃圾，則必須提高費率。相對的，如果一家公司提供清理太空垃圾的服務，則可以獲得這些「太空垃圾權」並換成對應的金額。

另外，雖然目前對於在軌道上進行捕捉再回收的直接經濟效益並不突出，但如果未來在太空可以建立起專門的處理設施，或許可以作為一個長期的太空垃圾處理機制，沒想到吧，人類要成為跨行星文明的第一步，竟然是得先成立太空垃圾清潔隊。

不過話說回來，要讓各國政府願意砸大錢在太空垃圾回收產業可能還需要一點時間。畢竟相較於直接影響到生活的全球暖化，太空垃圾的危害並不那麼可怕，大型垃圾的撞擊也可以預測並提前避開，因此短時間內也還不會有明顯的感受，但如果你是需要觀測的天文學家，可能就覺得垃圾好礙眼了。

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參考資料

• https://platform.leolabs.space/visual…
• https://www.esa.int/Space_Safety/Spac…
• https://fas.org/publication/taking-ou…
• https://www.digitalinformationworld.c…
• https://fas.org/publication/how-do-yo…
• https://fas.org/publication/taking-ou…
• https://ourworldindata.org/grapher/ye…
• https://www.theverge.com/2023/10/3/23…

• 作者／賴昭正｜前清大化學系教授、系主任、所長；合創科學月刊

我們生活在一個高度依賴科學與技術的社會，但幾乎所有的人對科學與技術都一無所知。

——Carl Sagan（1934-1966）美國天文學家、科普作家

在「日常生活範式的轉變：從紙筆到 AI」一文裡，筆者談到 50 年來的科技發展完全改變了我們自己日常生活的方式，如筆者已經不再用紙筆寫文章、不在圖書館裡找資料、旅行不需要攜帶地圖、在家逛街購物、買股票不需要透過券商下單、與親友及科學月刊通訊都是瞬間達成、⋯⋯等等。最近人工智能的正式登場更可能讓人人成為寫文章高手，讓讀者懷疑這篇文章是不是筆者自己寫的。

除了這些有形的日常生活方式的改變外,事實上還有一些無形、沒有改變我們生活方式的科技正在我們家中發生的。其中最明顯的就是電視, 我們看電視的方法還是一樣, 但年輕的讀者可能不知道不管從軟體或硬體來看, 電視機已經完全不再是 1970 年代的電視機了。我們在這裡就來談談這些偷偷摸摸進入我們家庭生活的三大無形改變吧，免得被名科幻小說及科普作家薩根（Carl Sagan）嘲笑：我們生活在一個高度依賴科學與技術的社會，但幾乎所有的人對科學與技術都一無所知。

電視機

早期的電視機是由真空管及陰極射線管（CRT）組成的，體積膨大。1940 年代，半導體器件的發明使得生產固態電子器件成為可能，它比熱真空管更小、更高效、更可靠、更耐用、更安全、更涼爽、更經濟。從 1960 年代中期開始，熱電子管可以說完全被晶體管取代。然而直到 21 世紀初，陰極射線管（也是一種真空管）仍然是電視監視器和示波器的基礎。

1982 年，愛普生（Seiko Epson）發布了第一台用液晶（liquid crystal）當平面顯示器（display）的液晶電視（LCD TV）；1984 年，愛普生又發布了第一台全彩袖珍液晶電視。夏普（Sharp）於 1988 年推出第一台商用液晶電視；第一台電漿（plasma）電視於 1997 年出現。電漿電視畫面是透過顯示器上面畫素（Pixel）點發光，不是像液晶電視機在畫面後面照光，因此在畫質方面比液晶顯示器強多了，但因在價格上沒辦法競爭，早已被淘汰掉了，最近被類似的有機發光二極體（organic light emitting diode, LED）電視機取代。

除了硬體外，電視影像訊息的傳播編碼（coding）也大異於前：早期使用類比訊號（analog signal）編碼，現在則使用數字（digital）。後者在其開發時就立即被認為是自 1950 年代彩色電視出現以來，電視技術上之一項創新進步的重大變革。類比廣播到數字廣播的轉變始於 2000 年左右；經過多次及多年的拖延，美國終於於 2009 年 6 月 12 日正式取消無線類比電視廣播，台灣也已於 2012 年 7 月全面廢除無線類比電視廣播,改用數位電視。詳情請參見高畫質數位電視。

電燈泡

我們一般都將發明燈泡的功勞歸於愛迪生（Thomas Edison），事實上早在他 1879 年申請專利之前，英國發明家就已經知道用弧光燈當燈泡。但愛迪生不但將白熾燈泡商業化，並發明了將電力帶入住家所需的整個系統——發電機、電線、保險絲、燈的開關。1904 年出現了取代碳絲燈泡之更亮的新型鎢絲燈泡，1913 年發現在燈泡內放入氮氣等惰性氣體可以提高壽命，沿用至今。 

電燈照明的原理是因為任何溫度不為絕對零度的物體，總是不停地對外放出各種頻率的輻射能（見「科學家如何找到黑體輻射光譜，引發 20 世紀初的量子革命？」）。不幸的是：這些不同頻率的輻射能中只有非常少的一部分是可見光，因此利用鎢絲加熱來照明的電燈效率非常低（見「電燈的效率」）。

筆者在「太陽能與光電效應」裡探討了「二極體」（diode）的物理，其用途甚廣（如整流器及控制器等）。它可以透過光來發電製造太陽面板；它也可以透過電來發光——「發光二極體」（light emitting diode, LED）——製造上面提到之有機發光二極體電視機及二極體燈泡。因我們可以用不同材料來控制發出來之輻射在可見光範圍，所以二極體燈泡效率比傳統鎢絲燈泡高得非常多：例如前者只需 18 瓦特就可達到後者 100 瓦特（W）的亮度。加上它不使用高溫，壽命也因之比較長；但因其製造成本高，所以直到最近美國才宣布禁售傳統鎢絲燈泡，強迫使用二極體燈泡¹。

發光二極體需要在直流電下運作，一般家用二極體燈泡設計在低電壓 1.2－3.6V 之間。然而，為了變壓方便及減少輸送過程中的能量浪費（見「高壓危險」），全世界電力公司都用高電壓的交流電輸送電力，到住宅區附近的變電所後再減壓到 120-240V，因此二極體燈泡的設計非常不同於傳統燈泡：它的首要任務是將高電壓交流電降壓整流為低壓的直流電。除此之外，因固態線路特性，它也必須考慮電壓及電流的穩定、散熱等問題，因此在設計上比鎢絲燈泡複雜多了，成本也貴得多。

家庭電話

與電視機及燈泡相比，家庭電話可以說是改變最少的；事實上自從行動電話普及後，許多家庭已不再使用固定的家用電話，改變了我們日常生活的方式。但仍有不少像筆者一樣頑固的長者保留家用電話的，他們將發現：雖然現在的電話機比以前的加了很多功能，如來電顯示、留言、無線分機等,但其基本結構還是保留在 1962 年世界博覽會上首次以商品名「按鍵音（Touch-Tone）」推出的按鈕撥號（也就是說 1970 年代的電話現在還是可以用的，也還可以在市面上買到）。

傳統電話系統通話依賴於兩個節點間的直接物理連接，在通話中這條線是不能斷的。為了覆蓋廣泛的地區，任何兩點間都直接連線當然是不可能的，因此出現了稱為「電路交換」（circuit switching）的呼叫切換技術。早期的呼叫切換是由電話接線員來完成的，但隨著電話覆蓋範圍的擴大，美國電話及電報公司（AT&T）開始推出機械交換系統，人們可以從家裡手動撥打其它號碼，不再需要人工操作員接通。到 1978 年左右，完全自動化終於消滅了電話接線員這一職業。

自從互聯網（Internet）及一種可用寬頻連線進行語音通話的互聯網協定語音（voice over internet protocol, VoIP）出現後，網路語音（VoIP）電話開始慢慢侵食傳統的家庭電話。不像電視機及燈泡，事實上傳統的家庭固定電話是有其優點，如不受斷電及不穩定網路的影響等，但因網路語音電話成本較低及較高彈性，美國聯邦通訊委員早在 2022 年 8 月就宣布不再要求美國電信公司提供銅線固定電話服務，因此相信傳統的電話系統不久將在美國消失了²。

電路交換技術的一大缺點是：兩點一旦連接在一起，別人便不能再使用那整條電路³，浪費了有限的資源。現在網路語音電話的交換網絡依賴於「分組交換」（packet switching）技術。分組交換概念是波蘭裔美國工程師巴蘭（Paul Baran）於 1960 年代初提出，首先使用於美國國防部的阿帕網（ARPANET）。使用者透過網路傳送檔案時，先將檔案分割為較小的數位「資料包」（packet）形式來進行傳輸。每個資料包都有一個包括來源位址、目標位址、資料包數量和序號等的資料包頭，因此它們可以各走其獨立路線(網路節點負責指揮交通)，發送者和接收者之間沒有必要（也從未）直接連接在一起，可以充分且更有效率地利用傳輸媒體。數位資料包到達目的地後，經組合再透過數據機（modem）將數位數據轉回電話線的類比訊號，傳到傳統的電話上。

以前傳統電話因為要用實體電線接到區域交換總機，所以可以從區域號碼知道這支電話的所在地；網路語音電話只要連接到任何一個網路節點就可以，所以家用電話號碼可以隨搬家移動到別的區域（例如台北的 02 區域電話號碼可以在阿里山出現），因此區域號碼已經失去其區域的意義。

結論

這些悄悄來的家庭科技中，改變最多的是電視：在軟體（數位訊號傳輸）及硬體方面（平面顯示器）都完全擺脫了舊科技，以全新的面貌在家庭中出現；接觸過舊電視的讀者，應該不難發現影像的改進不可同日而語。燈泡則只改變硬體（二極體燈泡），網路語音電話只改變軟體（分組交換訊號傳輸）。

筆者雖然喜歡新科技，但因一則較貴，再則可能不穩定，而不願做新技術的天竺鼠（實驗對象），對新技術的接受總是很遲的；即使如此，筆者的家庭也已經全面「現代化」了。但是內人除了發現電視機不同及燈泡比以前更接近太陽光⁴外，根本不知道老公花了多少心血將狗窩現代化。

註解

1. 事實上美國早在 2007 年就頒布白熾燈泡禁令，但被川普政府撤銷，該規則於今年（2023 年）8 月 1 日才又生效。台灣經濟部宣佈 2011 年底全面禁售白熾燈，五年內全面更換成二極體燈泡。
2. 但在台灣還不流行。根據名市場研究公司 Future Market Insights 分析：全球住宅網路語音服務市場規模預計將從 2023 年的 221 億美元增至 2033 年的 678 億美元；在預測期內（2023 年至 2033 年），全球住宅網路語音服務需求預計將以 11.9% 的複合年增長率增長。
3. 只要電話不掛斷（如找資料暫停通話），電路就不會、也不能斷；因此原則上如果夠多人在同時用電話，將會將所有的電路線都佔罄了。
4. 太陽表面的溫度約在 6000^°C，鎢絲燈泡大都在 3000^°C 左右操作以增加壽命。

延伸閱讀

• 《我愛科學》（華騰文化有限公司，2017 年 12 月出版）。本書收集筆者自 1970 年元月至 2017 年 8 月在科學月刊及少數其它雜誌所發表之文章，包括本文中所提到之高壓危險（科學月刊，1976 年 5 月）、電燈的效率（科學月刊，1979 年 4 月）、太陽能與光電效應（科學月刊，2013 年 4 月）、高畫質數位電視（科學月刊，2013 年 11 月）等。
• 「科學家如何找到黑體輻射光譜，引發 20 世紀初的量子革命？」，科學月刊，2022 年 7 月號。
• 「日常生活範式的轉變：從紙筆到 AI」，泛科學，2023 年 3 月 8 日。