《自然》：2013年你一定得看的13張科學圖片

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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2 月 15 日 OpenAI 發佈 Sora，隔一周後 Stable diffusion 3 隨後推出，以前人家都說有圖有真相，現在眼見不實的時代要來臨了，你說？還有什麼可以相信的？

AI 生成的影像到底有沒有方法可以辨識出來？今天，我們來談談近期關於辨識 AI 生成，找出 AI 生成的破綻！

先說結論，理論上可以！但現實很困難，很容易被破解，這集我們回答三個問題：

1. AI 生成影像有什麼破綻？
2. 還有哪些方法可以辨別 AI 生成的影像？
3. 最後來談談這些辨識方法，在現實中會遇到什麼問題？

回到最基礎的問題眼見不再為憑，接下來只會越來越多，不會越來越少，謠言進化成謠圖跟謠影片，現在還真的沒有其他武器，來辨識 AI 生成的內容，說到底還是得回歸自身的媒體識讀、確認訊息來源！

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知名國際學術期刊《自然》（Nature）在當地時間 12 月 18 日發表 2017 年科學界的十大年度人物，他們涉及的領域橫跨生物、物理、量子通訊、天文、地球科學與環保，有些人身處第一線創造新突破，也有些人是重要的幕後推手。

他們對這一年的科學發展帶來各種「重要」的影響，有的入選理由會讓你拍手叫好，有的則讓人大皺眉頭。快來看看這十位人物是誰，他們又做了什麼事吧！

編輯基因的生物學家劉如謙（David Liu）

基因編輯技術 CRISPR 雖然是當前的主流，但仍無法實現一些較細緻的基因編輯工程，以 CRISPR-Cas9 為例，雖然科學家可以指揮 Cas9 酶去切開特定一段 DNA，但卻只能依靠細胞自身的 DNA 修復機制來修補，因此產生不可預測性。

而劉如謙在美國博得機構（Broad Institute）的實驗團隊使用一種新的酶，解決了過往的問題。團隊在 2016 年發表了他們第一個鹼基編輯器（base editor），讓科學家首次能對活體細胞基因中單一鹼基對進行可預期的修改。接著在今年十月，劉如謙團隊再次突破，打造出比 CRISPR-Cas9  更可靠的新基因編輯工具：能在不切割 DNA 的情況下，把 A-T 鹼基對轉換成 G-C 鹼基對。這種效率更高且幾乎沒有副作用的新技術，將有機會治療許多基因點突變導致的疾病。

促進整合的天文學家 Marica Branchesi

2017 年 10 月 16 日，美國雷射干涉重力波天文台（簡稱 LIGO)、義大利處女座干涉儀（Virgo interferometer）和眾多的天文台團隊聯合召開記者會宣佈：首次直接觀測到兩顆中子星碰撞合併所產生的重力波與電磁波，這一次的重要觀測成果解決了包含「宇宙重元素從哪裡來」等多道天文物理學謎題。

重力波雖然能看到普通望遠鏡無法看到的宇宙的另一面，但在雙中子星融合的案例中，重力波干涉儀只能偵測到最後幾分鐘，而中子星碰撞的其他資訊或過程中產生的元素，卻只有傳統望遠鏡才能獲得。

然而過去觀測天文學與重力波研究雙方人馬一直沒什麼合作，甚至互相不信任，是 Virgo 合作組織的成員 Marica Branchesi 為物理學家與天文學家搭起溝通的橋樑。她一方面鼓勵物理學家發出重力波事件的預報，即使不確定預報準不準確，而另一方面則說服天文學家，物理學家的意見值得一聽。經過 Branchesi  的努力牽線，至今證實這兩個領域的合作是可行的。

啟發新療法的抗癌鬥士 Emily Whitehead

在 6 月的美國食品藥品管理局（FDA）的會議上，12歲的 Whitehead 走向在台上演講的父親，緊握他的手臂。她的父親正試著說服委員會通過「CAR-T 療法」。Whitehead 五歲時罹患白血病，六歲時成為全世界第一位接受這種細胞免疫療法並痊癒的孩子：流程是將病患的白血球從血液中取出，經過基因重組，變得能夠辨識並攻擊癌症細胞後再輸回病患體內。

雖然小 Whitehead 活了下來，但這種治療目前還存在著缺陷，她在注射 CAR-T 後引發嚴重的免疫反應，又稱細胞因子釋放綜合症（cytokine release syndrome，CRS），多虧主治醫生迅速處理，小女孩順利康復並成為活見證。

最終，會議投票通過了這種嶄新的急性淋巴細胞白血病病患治療法。幾個月後，非霍奇金氏淋巴瘤（Non-Hodgkin Lymphoma）病患也被批准進行 CAR-T 療法，這讓 2017 年成為此種癌症療法重要一刻。目前有數十組研究團隊與生技公司正努力讓此種療法變得更安全和可控。

削弱環保政策的美國環保署署長 Scott Pruitt

曾公開懷疑氣候暖化的 Pruitt，如今受美國總統川普任命為美國聯邦環保署（EPA）署長，他在上任前曾是批評美國環保署最激烈的人之一。 今年 2 月就職後，Pruitt 立即終止或廢除十幾條環保法規，其中包含與氣體排放、採礦及有害汙染設置的規定，讓化石燃料與化學業者拍手叫好。

10 月時 Pruitt又宣布，有鑑於「利益衝突」，所有有拿美國環保署補助金的科學家都不准參加該部門的獨立顧問委員會，導致旗下多個科學顧問委員會中超過半數的會員被辭退，而部分職位由當前的業界人士及與業界相關的科學家填補。

川普政府上任後已經提出要削減環保署研發辦公室 40% 的預算，撤掉的職務大多是科學家，讓員工們人心惶惶。根據紐約時報 12 月 22 日報導，自川普 1 月上任至今，美國環保署已有 700 多人離職（包含退休、資遣與請辭），其中有 27% 是科學家，包含 34 位生物與微生物學家、19 名化學家、81 名環境工程與環境科學家、以及時幾位毒理學家、生命科學家與地質學家。

帶量子通訊上太空的物理學家潘建偉

中國科學技術大學教授潘建偉，是世上第一顆量子通訊科學衛星「墨子號」首的席科學家。在中國，有人稱潘建偉為「量子之父」，他帶著中國在遠距離量子通訊研究上持續突破，成為該領域的開拓者之一。

2008 年自歐洲返回中國就職，潘建偉點燃了中國發展量子科技的熱情。7 月，潘建偉與團隊宣布再創量子通訊的里程碑，他們成功將地面上一個光子（photon）的量子狀態，傳輸到距離地表 1400 公里的軌道衛星「墨子號（Mozi）」的另一個光子上。9 月，團隊透過量子衛星發射光子，讓北京和 2100 公里外的維也納進行絕對安全的量子加密視訊會議。因為探測光子會干擾量子狀態，所以駭客無法再不被發現的情況下竊取密鑰。

目前潘健偉的團隊計畫發射第二顆衛星，並在中國天宮二號太空站進行另一次太空量子實驗。

找出論文錯誤的遺傳學家 Jennifer Byrne

白天，任職於雪梨兒童醫院的 Byrne 研究癌症遺傳學；晚上，她用筆電爬梳大量的遺傳學論文，找出其中的錯誤。目前 Byrne 已發現數十篇文獻在 DNA 序列上出錯，有些甚至包含可疑的低畫質圖片、疑似與其他手稿重複的文本，但這些懷疑尚未被證實。至今有九篇論文因為 Byrne 的努力被退回。

考慮到科學界仍有許多錯誤的文獻，她與法國電腦學家 Cyril Labbé 合作，運後後者開發辨識垃圾稿件軟體的經驗，在 2017 年 10 月打造出自動偵測錯誤的網路工具「Seek & Blastn」，並期盼期刊編輯與出版商能在論文刊出前運用這套軟體進行檢查。 Byrne 表示：「當我臨終時回顧自己的一生，會因為曾作過這件事感到非常驕傲。」

為核不擴散奮鬥的地球物理學家 Lassina Zerbo

對全面禁核試爆條約組織（簡稱 CTBTO）執行祕書 Zerbo 與其他倡議核不擴散（non-proliferation）的人來說，2017 年不太順利。北韓領導金正恩與美國總統川普的關係劍拔弩張，在 9 月進行第六次核子試爆，讓全球各地都感到不安。

《全面禁核試爆條》是一個國際條約，目的是終止任何核武器的試爆。雖然已有 183 個國家簽署，但因為部分國家，主要是美國與中國，尚未正式批准，條約還無法生效。

2004 年 Zerbo 加入 CTBTO，負責建立一套系統，把組織在全球約 300 個核子試驗監測站所收集的數據，如地震、聲波、水聲（hydroacoustic）與放射性同位素（hydroacoustic）分享給科學社群使用，協助偵測海嘯及追蹤藍鯨遷徙等科學研究。2013 年 Zerbo 出任執行秘書，除了前往世界各地進行全球監測站的建置外，也努力提倡批准全面禁核試爆條約。

追逐地震的地質學家 Victor Cruz-Atienza

墨西哥國立自治大學（UNAM）地球物理學家 Cruz-Atienza，在 11 歲時經歷了一場驚天動地的大地震（編註，1985 年 9 月 19 日墨西哥沿海發生了 8.0 級地震），自此他投身地震相關的研究，並積極提升民眾對地震的認識。

2016 年 Cruz-Atienza 針對墨西哥城提出理論，描述地震發出的能量將如何在這個古湖泊盆地中迴盪，並根據數據預測哪個區域的搖晃程度會最強且最久。當今年 9 月 19 日墨西哥中部莫雷洛斯州發生 7.1 級強震時，他的預測獲得證實：「由於盆地的地形與軟沉積物的結構，當地地震次數發生越多次，搖晃時間越長。」

Cruz-Atienza 不打算停下腳步，近期他與日本研究團隊合作，在墨西哥西海岸的海床安裝地震感應裝置，希望能預測下一次大地震。他表示：「每場地震都是不同的動物，它們有著各自的故事與記憶。」

爭取學術界性別平等的律師 Ann Olivarius

性騷擾在科學界是一個嚴重的問題，許多大學輕忽了設立防止性騷擾機制的重要性，也沒有相關制度懲處加害人與支持受害者。

十幾年來，Olivarius 處理過不少知名的學術機構性騷擾案件，包含耶魯大學、紐約羅切斯特大學與英國牛津大學。但隨著今年科學界、娛樂界、媒體界到其他產業發生數起位居高位的男性因性騷擾丟了工作的事件，眾多女性積極拿起電話打給她的律師事務所，希望他們幫忙處理性騷擾事件。

Olivarius 表示「我認為現在世人總算注意到這個問題，一旦社會認識到這一點，就有更好的機會改善現狀。」

自 1970 年代 Olivarius 就致力於消除學術機構內性騷擾，當她還在耶魯念大學時，因得知有男教授性騷擾甚至性侵學生感到非常憤怒，於是與其他原告聯合向耶魯大學提出告訴，要求實現性別平等的校園環境。雖然官司本身輸了，但法院承認校園發生性騷擾確實是教育中的性別歧視，此一重要判決為美國校園建立了對抗性騷擾事件的法律框架。

推動中東跨國科學計畫的物理學家 Khaled Toukan

2010 年 5 月，當以色列海軍襲擊了一艘土耳其船隻的消息傳出，中東第一個實驗科學與應用同步加速器（簡稱 SESAME）的規劃會議正在進行。該計畫獲得了包含以色列、土耳其、巴勒斯坦、賽普勒斯、埃及、伊朗、約旦與巴基斯坦等不同立場的國家支持，這種極端事件可能導致合作破裂。

多虧了發起人 Khaled Toukan 努力與各方代表團溝通周旋，最終讓局勢穩定下來。經過 20 多年的籌備，中東第一個同步加速器實驗室在今年終於正式啟用，它也是中東地區第一個主要的國際研究中心，代表著中東被真正列入全球科學版圖。實驗室位於約旦，可用於對分子、人造物和其他無數物體的成像，但對 Toukan 而言，這不只是一個光子源：「這是衝突之海中的一道光明。」他期盼 SESAME 的成功運轉能帶來更多建設，讓更多國家互相合作。

參考資料：

• Nature’s 10 – Ten people who mattered this year. Nature