聽聲音(四)：聲音的「光譜」

本文由 國立臺灣師範大學 委託，泛科學企劃執行。 

先前我們介紹了多位為通信科技發展做出貢獻的科學家。現在，我們要深入探討無線通信的技術層面。

無線通信，顧名思義不像傳統的電話或電報那樣需要一條實體的線路來傳遞信號。但這些信號並非憑空傳遞，它們依賴的正是電磁波。

電磁波在現代社會無處不在，從微波爐、手機到基地台，這些設備都會發射電磁波。但其實即使沒有這些科技裝置，電磁波依然存在於我們周圍。什麼意思呢？答案就是：當我們白天走到戶外，看到的光，它其實也是電磁波的一種。

希望大家掌握了這些電磁波、頻帶、頻寬等基礎知識後，未來在閱讀相關的電信新聞時更加了解他們提到的術語，以及各種縮寫。以後無論是科技發展的動態還是市場新技術，都能更有概念地理解。

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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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• 文／賴郁婷 | 雅文基金會聽語科學研究中心　助理研究員

「咔滋咔滋、咔滋咔滋」——聽到吃東西的聲音是不是讓人忍不住食指大動、唾液快速分泌呢？夜半時刻肚子感到空虛，美食又還在外送途中，一時半會兒吃不到宵夜該怎麼辦呢？先看看吃播也是能夠過過癮的，也因此一部分的影音創作者就抓住人們對於食物的關注，搭配 ASMR，強調食物在唇齒間的咀嚼聲，將大啖美食的畫面及聲音製作成影音大飽觀眾耳福。然而真的所有人都對 ASMR 放大的聲音感到愉悅或療癒嗎？ 

對聲音過敏？

您是否有這樣的經驗？在忙碌、deadline 逼近感到焦慮時，或是一個人走在暗巷中緊張、害怕時，任何風吹草動的聲音都會被放大或形成干擾。從空調的運轉聲、時鐘的滴答聲到進出門的開關聲等，都像是背後有隻怪獸正朝我們撲過來，若長期維持聽覺過度敏感化（Auditory Hypersensitivity / Oversensitivity）的狀況，則可能會導致注意力不集中、坐立不安、頭痛、噁心的感覺，甚至要到身心科尋求幫助；而原本有慢性耳鳴問題的人，也有可能會增加耳鳴發作的頻率 ^[1]。

這類對外界聲音過度敏感的狀態，最早是由美國聽力學家 Johnson 在 1990 年代將其定義為選擇性聲音敏感綜合症（Selective Sound Sensitivity Syndrome, 4S），然而與聽覺過度敏感化不同的是，4S 患者主要是對特定的「觸發聲音」（trigger sound）出現時，才會出現明顯的不耐受性（intolerance），有些患者甚至連相關的視覺或嗅覺刺激也可能引發恐音反應 ^[2]。2001 年時，恐音症（misophonia）一詞被提出，其字義為：對聲音的憎恨 ^[3]，被用來描述當面對特定、重複的觸發刺激時（例如：咀嚼聲、呼吸聲），會出現憤怒、厭惡的衝動反應。

容易對聲音感到焦慮、不舒服，就是有恐音症嗎？

人類因聲音感到困擾、對聲音耐受性較低的狀況，主要可分為以下三種類型 ^[4]：

1. 噪音敏感（Noise sensitivity）：指無論噪音大小（響度）如何，人們對噪音的生理及心理反應都變得敏感的狀態，因此他們通常在安靜的環境中感到最舒適。此症狀在經歷過重大腦外傷的人是很普遍的，在自閉症患者中也很常見。
2. 聽覺過敏（Hyperacusis）：指當聲音大小（響度）是在大多數人可以忍受的範圍時，聽覺過敏者則會感到生理上的不適或疼痛。研究指出，一般人對聲音響度的容忍度可以達到 100 分貝，甚至更高 ^[5]，而聽覺過敏患者只能容忍 60 至 70 分貝的聲音大小，大約是一般人說話的音量，即會造成其不適。
3. 聲音恐懼症（Phonophobia）：與上述兩者不同，聲音恐懼症所造成的不適並非由物理聲音引起，而是患者對聲音的預期恐懼，他們「害怕」可能出現的聲音，這樣的害怕情緒會導致焦慮，且可能加劇已有的聽覺問題（聽力損失、耳鳴）。

雖然這些對聲音耐受性的相關症狀各有不同，但這些病症不一定都是單獨出現的，聽覺過敏者有很高的比例會伴隨著嚴重耳鳴 ^[6]、聲音恐懼症的患者也可能因有聽覺過敏而更容易對聲音感到焦慮、害怕。

恐音症到底是什麼？

在恐音症還未被正式定義前，經常被歸類為聽覺過敏或是強迫症，對其應該被歸類為精神疾病或是聽覺的相關障礙，各界學者們也都有不同看法，究竟恐音症有什麼特殊之處，讓我們來揭露它的廬山真面目。

對恐音症的診斷標準最早由荷蘭的阿姆斯特丹大學醫學中心在 2013 年首先提出。而後，Jager 等人 ^[7] 歷時五年對近 600 位恐音症患者進行研究，並於 2020 年提出修訂版的恐音症診斷標準。對於恐音症的診斷標準建立及更新，都可以看出學者們對於恐音症的重視與關注，然而恐音症至今仍未被列入在《精神疾病診斷與統計手冊》（DSM）及《國際疾病分類》（ICD）當中。

由於，恐音症在研究的早期階段定義及描述並不統一，診斷的方法和評估的標準也不相同，在如何定義和評估恐音症上尚無一致性，而這也促成了 Swedo 等人 ^[8] 透過與各界學者的討論與對話，逐漸對恐音症的概念達成共識，其項目包含：

1. 症狀描述：對特定聲音刺激（觸發因素）的耐受性降低，且觸發因素通常是重複的、由人的身體產生的，會造成患者過度的情緒、生理和行為反應。
2. 觸發因素：最常見的觸發因素是聽覺上的，包含口腔的聲音（咀嚼、進食、咂嘴、吸食、咳嗽、清喉嚨和吞嚥等）、鼻音（呼吸和嗅聞等）、人為製造出的聲音（按原子筆、敲鍵盤、輕敲手腳和拖長腳步），以及物體發出的聲音（例如：時鐘滴答聲）或動物發出的聲音。同時也有機率對視覺上的觸發因素（折手指、抖腳、晃腿或看他人進食）有強烈反應。
3. 觸發反應：在情緒方面，憤怒、惱怒、厭惡和焦慮是最常見的；生理上則會引起自主神經興奮，使肌肉緊繃、心率加快和出汗；行為反應上可能會對觸發因素進行攻擊，或以迴避、阻止、模仿的方式減低觸發因素所帶來的不適反應。
4. 與其他疾病的關係：恐音症的症狀無法用同時發生的其他疾病做更好的解釋。恐音症可能出現在聽力正常或聽力損失的人身上，單獨或和耳鳴、聽覺過敏等病症一起發生都是可能的。同時，精神疾病也可能與恐音症共病，包含焦慮症、情緒障礙、人格障礙、自閉症、注意力不足過動症等。
5. 對生活的影響：患者在職場及求學階段都可能因注意力無法集中，而無法執行工作任務、達到目標。在社會上，也會因無法如常與人互動、建立關係，最終與人群疏離。於家庭關係上，患者可能因家庭成員的行為或聲音觸發患者的不適反應，導致關係緊張和衝突。

神燈精靈請幫幫他們吧！

雖然目前恐音症的盛行率、發生率、好發年齡及患病原因尚無定論，但患者們無法與其他人正常社交、共餐甚至可能連大眾交通工具都無法搭乘，真的很辛苦！所幸，應對恐音症，專家們還是有點辦法的。目前主要治療、減緩恐音症症狀的方法主要有三項：

1. 物理隔絕：使用能降低因觸發因素引起心理或生理反應的用品，如：耳罩、耳塞、降噪／隔音耳機、白噪音機等用具，阻擋聲音或降低對觸發因素的反應。
2. 治療法：主要為耳鳴再訓練療法（Tinnitus retraining therapy, TRT）與認知行為療法（Cognitive behavioral therapy, CBT）。兩項療法皆協助患者在遇到觸發因素時，對產生的情緒及行為進行控制，需透過專業人員制定計畫與課程，搭配患者逐步練習、適應觸發因素，最終回歸日常生活中。
3. 藥物：用於恐音症的藥物尚在研究當中，目前有研究顯示使用抗憂鬱藥物（如：舍曲林、氟西汀），能使患者獲得不錯的治療效果 ^{[9, 10]}，近期也發現類固醇可以減緩恐音症者的不適症狀 ^[11]。

另外，因應科技化的時代，恐音症治療協會也提供 app 及操作說明影片 ^[12]，透過應用程式錄下觸發聲音，並設定觸發因素的音量、持續時間、播放頻率，這些設定會在使用者聽音樂、看影片等放鬆時段運作；使用者可以透過慢慢增加觸發因素的持續時間，逐漸適應觸發因素的出現、降低對觸發因素的敏感反應。

所以，真的所有人都對 ASMR 放大的聲音感到療癒與愉悅嗎？相信大家心中已經有了答案。也因為恐音症的發展歷史相對較短，大眾對於恐音症的了解尚未普及，因此對聲音耐受性低的相關疾病已有所熟悉的你，若是發現身邊親朋好友對於聲音感到敏感或是對重複動作所造成的聲音感到嚴重不適，請協助就醫尋求幫助、釐清病因。最後，若真的遇見「專屬」的觸發因素，當下除了要求對方 Freeze & mute 之外，相信我們已經知道還有哪些方法及資源可以應對這樣的狀況了！

1. 簡婉曦（2021 年 1 月 27 日）。【焦慮腦學】有一種恐懼，害怕聲音可能存在。醫療心空間。https://vocus.cc/article/6011126efd89780001410d53
2. Ferrer-Torres, A., & Giménez-Llort, L. (2022). Misophonia: A Systematic Review of Current and Future Trends in This Emerging Clinical Field. International journal of environmental research and public health, 19(11), 6790. https://doi.org/10.3390/ijerph19116790
3. Jastrebo, M. M., and Jastrebo, P. J. (2001). Components of decreased sound tolerance: hyperacusis, misophonia, phonophobia. ITHS News Lett 2, 1–5.
4. Henry, J. A., Theodoroff, S. M., Edmonds, C., Martinez, I., Myers, P. J., Zaugg, T. L., & Goodworth, M. C. (2022). Sound Tolerance Conditions (Hyperacusis, Misophonia, Noise Sensitivity, and Phonophobia): Definitions and Clinical Management. American journal of audiology, 31(3), 513–527. https://doi.org/10.1044/2022_AJA-22-00035
5. Jastreboff, M. M., & jastreboff, P. J. (2001, June 18). Hyperacusis. Audiologyonline. https://www.audiologyonline.com/articles/hyperacusis-1223
6. Cederroth, C. R., Lugo, A., Edvall, N. K., Lazar, A., Lopez-Escamez, J. A., Bulla, J., Uhlen, I., Hoare, D. J., Baguley, D. M., Canlon, B., & Gallus, S. (2020). Association between hyperacusis and tinnitus. Journal of Clinical Medicine, 9(8), 2412. https://doi.org/10.3390/jcm9082412
7. Jager, I., de Koning, P., Bost, T., Denys, D., & Vulink, N. (2020). Misophonia: Phenomenology, comorbidity and demographics in a large sample. PloS one, 15(4), e0231390. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0231390
8. Swedo, S. E., Baguley, D. M., Denys, D., Dixon, L. J., Erfanian, M., Fioretti, A., Jastreboff, P. J., Kumar, S., Rosenthal, M. Z., Rouw, R., Schiller, D., Simner, J., Storch, E. A., Taylor, S., Werff, K. R. V., Altimus, C. M., & Raver, S. M. (2022). Consensus Definition of Misophonia: A Delphi Study. Frontiers in neuroscience, 16, 841816. https://doi.org/10.3389/fnins.2022.841816
9. Zuschlag, Z. D., & Leventhal, K. C. (2021). Rapid and Sustained Resolution of Misophonia-Type Hyperacusis With the Selective Serotonin Reuptake Inhibitor Sertraline. The primary care companion for CNS disorders, 23(3), 20l02731. https://doi.org/10.4088/PCC.20l02731
10. Sarigedik, E., & Yurteri, N. (2021). Misophonia Successfully Treated of With Fluoxetine: A Case Report. Clinical neuropharmacology, 44(5), 191–192. https://doi.org/10.1097/WNF.0000000000000465
11. Webb, J., & Williamson, A. (2024). Steroids for the Treatment of Misophonia and Misokinesia. Case reports in psychiatry, 2024, 3976837. https://doi.org/10.1155/2024/3976837
12. Dozier, T. (2016). Misophonia Trigger Apps. Misophonia Treatment Institute. https://misophoniatreatment.com/misophonia-apps/