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【Gene思書齋】被掩蓋的智慧宮

Gene Ng_96
・2016/01/22 ・3293字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 542 ・八年級

現在的先進國家,大部分是歐美等信仰基督教的西方國家,要不然就是西化很深的亞洲國家如日本、韓國。可是在六七百年前,有長達六七百年的時間,卻非如此。當時歐洲處於黑暗時代的中世紀,但伊斯蘭世界的藝術家、工程師、學者、詩人、哲學家、地理學家及商人輩出,在傳統學術的基礎上保留並促進了藝術、農業、經濟、工業、法律、文學、航海、哲學、科學、社會學、科技各方面的發展,並在基礎之上對這些方面實施改革創新。

要不是透過伊斯蘭世界的阿拉伯文對古希臘、古羅馬文獻的整理和保存,在十字軍東征時的接觸,把阿拉伯世界的數學、工程、航海、地理、醫藥、建築、化學、園藝、金融和文學等等知識傳入歐洲,就幾乎不可能有後來的文藝復興和科學革命。酒精(alcohol)、代數(algebra)和演算法(algorithm)、煉金術(alchemy)等英文名詞,其實就從阿拉伯文而來的。

由於伊斯蘭國(IS)的恐怖攻擊,近來許多朋友開始在臉書轉貼和中東有關的各種文章。台灣人過去對中東的忽視和誤解,是可以理解的,因為一來課本教的頗少、二來媒體素質太糟而沒整理事件發生的脈絡,三來甚少和穆斯林接觸而不熟悉。可是,伊斯蘭教有至少15億人口信仰,約佔全球人口23%,是人數成長最快的宗教。歐洲的穆斯林愈來愈多,中國要搞一帶一路也勢必需要和大量穆斯林打交道,中國的財經知識脫口秀《鴻觀》最近也非常關注中東,那涉及列強盤雜的利益(〈也來談談《鴻觀》〉)。對伊斯蘭世界正確的認識,對未來世界局勢的判斷至關緊要。

可是,西方中世紀時普遍仍認為阿拉伯人是野蠻的異教徒,東方的知識更是異端學說。十字軍東征更是教會灌輸大眾為神對抗異教徒的觀念,將穆斯林全都描繪成落後的蠻夷,以此來號召人們投入戰爭。過了數百年,到今天這樣的觀念卻沒有多大的改變,西方仍普遍瞧不起阿拉伯世界。即便西方的科學是建立在東方成就之上,但西方對此甚少著墨。十字軍東征時所散播的偏見似乎也再現於今日的反恐戰爭上。

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喬納森‧萊昂斯(Jonathan Lyons)的《智慧宮:被掩蓋的阿拉伯知識史》(The House of Wisdom) 卻要來審視真正的歷史,闡述了歐洲人與穆斯林之間的文化交流,以及阿拉伯人如何轉變西方文明,讓我們真正瞭解伊斯蘭對中世紀基督教世界的主要影響。《智慧宮》分為五部分,以伊斯蘭的每日五次禮拜名稱定之,即al-Maghrib(昏禮)、al-Isha’(宵禮)、al-Fajr(晨禮)、al-Zuhr(晌禮)、al-Asr(晡禮)。 萊昂斯長期致力於東西方關係研究,最初關注冷戰雙方,後轉入阿拉伯世界與西方關係的研究。曾任路透社編輯和國際記者達二十餘年,足跡遍及阿拉伯世界。他現任澳洲蒙納許大學(Monash University)全球恐怖主義研究中心研究員和宗教社會學博士候選人。

西羅馬帝國滅亡後,歐洲先去了原本的古典文明,也因阿拉伯人的入侵和拜占庭帝國分隔,歐洲的文明和科技崩壞,搞到無法修道院精確計時,連復活節真正是哪天也愈搞愈不清楚。中世紀時,西方基督教教會勢力壯大,主張神聖的信仰凌駕於理性之上,對地球、星象的探索是對神的褻瀆,因此百般阻撓西方的科學發展。若非已翻譯成阿拉伯文的古希臘羅馬之學術著作再轉譯成拉丁文,進而傳到歐洲內陸,使得歐洲文化得以與古希臘文化銜接,歐洲恐怕仍是落後的大陸。

伊斯蘭政權阿巴斯王朝八世紀末在伊拉克巴格達創立的翻譯與學術中心「智慧宮」(Bayt al-Hikma),位於今日伊拉克的巴格達。「智慧宮」是伊斯蘭黃金年代最璀璨的花朵,在掌權者的支持下,學者專家們從希臘、波斯、印度等古典學問手上,接下科學發展的火炬,用阿拉伯文寫下人類文明盛世。

智慧宮是研習人文科學及科學的中心,包括數學、天文學、醫學、化學、動物學及地理。學者們借鑒波斯、印度及希臘的文獻,包括畢達哥拉斯(Πυθαγόρας,約前580-前500)、蘇格拉底(Σωκράτης,前470-前399)、柏拉圖(Πλάτων,約公元前427-前347)、亞里士多德(Αριστοτέλης,Aristotle,前384-前322)、希波克拉底(Ἱπποκράτης,前460-前370)、歐幾里得(Ευκλειδης,前325—前265)、普羅提諾(Πλωτίνος ,204-270)、阿耶波多(आर्यभट,476-550)及婆羅摩笈多(ब्रह्मगुप्त,598-668)的著作,他們積累了世界上的各種知識,並根據他們的發現再加以擴展。巴格達是當時世上最富庶的城市,並且是學術發展的中心,人口超過百萬人,為當時之冠。代數之父花剌子米(Muḥammad ibn Mūsā al-Khwārizmī,約780-約850)也是智慧宮的學者。

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阿拉伯文取代了希臘文和拉丁文,成為最先進的學術語言,就像現今的英文一樣。雖然拜阿拉伯人對知識的保存、創造和傳播所賜,歐洲才擺脫中世紀封建時期教會控制一切的愚昧。但西方甚少感恩過阿拉伯人,仍一直視他們為該死的異教徒。後來突厥人建立的鄂圖曼土耳其帝國,也是版圖橫跨歐亞非大陸的大帝國,學術和政治也比歐洲先進開明。但歐洲和鄂圖曼帝國也勢不兩立,抵抗後來鄂圖曼帝國入侵的維也納英雄歐根親王(Prinz Eugen von Savoyen,1663 – 1736)塑像,現在就在霍夫堡皇宮前的英雄廣場(Heldenplatz)。

我在奧地利第二大城格拉茨(Graz ),也參觀了一個軍械庫(Landeszeughaus),裡頭的收藏都是和鄂圖曼帝圖打仗時用過的軍械。

當時,維也納的哈布斯堡王朝(Habsburg)以天主教的守護者自居,和強力的鄂圖曼帝國力拚!誓死不讓歐洲落入異教徒手中。所以對西方基督教文明而言,維也納有重要的地位,二戰後維也納原本是蘇聯佔領區,英美法聯軍都要以佔領的東歐其他地區和蘇聯交換維也納。

由此可見基督教世界對伊斯蘭世界的排斥是到何程度。歐洲其實有一部分曾為穆斯林統治過,最有名的是西班牙。西班牙南部迄今仍有大量充滿阿拉伯色彩的精美建築。也因為西班牙曾為阿拉伯人統治,所以有了許多機會讓歐洲人接觸阿拉伯文明。後來西歐伊比利亞半島北部的基督教各國逐漸戰勝南部穆斯林摩爾人政權,史稱收復失地運動(Reconquista),穆斯林被主教和國王強迫改宗,阿拉伯書籍被燒毀,伊斯蘭宗教、服飾、習俗都被禁止。

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然而,在中東像是黎巴嫩和敍利亞,迄今仍住著不少流傳比歐洲更久遠的基督教的教徒,穆斯林和他們原本和平相處,要不是英法兩國在一戰後瓜分中東,強劃出打破教派和部落勢力的國境,否則也不會戰亂連連(請參見〈為巴黎恐攻換半透明法國國旗頭像祈福,是偽善嗎?〉)。可見基督教文明的包容性其實還可能不如伊斯蘭文明。

《智慧宮》就提到了阿拉伯化的基督徒,在十字軍東征時,來自野蠻歐洲的十字軍攻破耶路撒冷,對城裡的穆斯林、猶太教徒是血洗式大屠殺,連基督徒也完全不放過,把耶路撒冷殺得屍首堆成山。後來,阿尤布王朝的薩拉丁才收復敘利亞和兩河流域的大部分,發動聖戰抵抗十字軍。1187年,他俘虜耶路撒冷國王和聖殿騎士團團長,重新收復聖城耶路撒冷。這情節拍成電影《王者天下》(Kingdom of Heaven)。

今天中東被戰亂摧殘得最兇的伊拉克、敍利亞、黎巴嫩、巴勒斯坦的黎凡特地區(al-Sham, Levant),過去不僅不是落後的地區,還是西方世界在經濟和文明上最繁盛的地方。該處身處歐亞非大塊大陸交界,有各種文化的交流和衝擊,發展出最重要的文明和宗教。但也因為身處兵家必爭之地,征戰和衝突不斷。伊斯蘭世界現今的包容性大不如從前,強弱也天差地遠。從《智慧宮》可見,當一個文明極其包容時,就是最強盛之時。像阿拉伯人也接受古希臘哲學,吸收、聚集、綜合及提升了古代兩河、羅馬、中國、印度、波斯、埃及、北非、希臘及拜占庭文明的知識,就創造出了伊斯蘭黃金時代

西方吸收了博大精深的阿拉伯文明就發展出文藝復興,今天國力的強盛和西化程度也有相關。文明之間的互相影響消長是千年來的常態,沒有必要自負和自卑。盛極而衰乃天道,雖然 學界仍未對伊斯蘭黃金時代的衰落原因達成共識,但一個文明能否興或衰或許還是決定於其包容性吧。


本文原刊於The Sky of Gene

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Gene Ng_96
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來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋

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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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被諾貝爾獎遺忘的那個人——赫爾穆特・魯斯卡如何讓病毒第一次被「看見」
顯微觀點_96
・2026/04/10 ・3113字 ・閱讀時間約 6 分鐘

電子顯微鏡下的病毒顆粒

1986年的諾貝爾物理學獎頒給了恩斯特‧魯斯卡(Ernst Ruska),以表彰他設計出第一台電子顯微鏡。雖然人們大多關注其理論和技術層面為顯微技術帶來長足的進步,但電子顯微鏡的應用層面,尤其是醫學與生物學的影響,更是為電子顯微鏡實現功能性和商業價值發揮關鍵作用;恩斯特的弟弟赫爾穆特‧魯斯卡(Helmut Ruska)在其中扮演著重要的角色——儘管他並未獲得諾貝爾獎項。

赫爾穆特.魯斯卡(Helmut Ruska,約 1969 年)
赫爾穆特.魯斯卡(Helmut Ruska,約 1969 年)由艾德曼.魯斯卡(Erdman A Ruska)提供。圖片來源:〈Helmut Ruska and the visualisation of viruses〉

人類對微觀世界的探索,最早可以追溯到17世紀。當時,英國博物學家羅伯特‧虎克(Robert Hooke)利用自製顯微鏡觀察軟木塞,觀察到了植物細胞壁,並稱其為「細胞」(cell)。荷蘭的雷文霍克(Antonie van Leeuwenhoek)以精湛的磨鏡技術,進一步製造出放大倍率更高的顯微鏡,在清澈的水中發現了肉眼見不到的「生物」,成為第一個發現細菌、紅血球和精子的人。

隨後的兩百年間,光學顯微鏡雖然不斷進化成為微生物研究的利器,但始終跨不過繞射極限的門檻,受限於光波長的限制,解析度停留在200奈米。任何比這更小的物體,只能呈現出一個模糊的點。因此儘管人們透過過濾、疾病源頭推論等方法,認為有比細菌更小的「病毒」(Virus)存在,卻無法一睹其真面目。直到電子顯微鏡的出現。

兄弟登山「一起探索未知」

恩斯特和赫爾穆特出生於德國知識份子家庭,他們的父親尤利烏斯.魯斯卡(Julius Ruska)是一位學者,專長是東方語言與文化研究,曾在大學任教。恩斯特生於1906年12月25日,是在家中七個孩子裡排行老五;赫爾穆特則於1908年6月7日出生在海德堡,排行第六。

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從小兩兄弟關係就特別親密,也對光學儀器留下了深刻的印象。他們的天文學家馬克斯.沃爾夫(Max Wolf)叔叔便曾多次帶他們參觀他管理的王座山(Königstuhl)天文台的望遠鏡。而他們家裡書房裡,則放著父親的大型蔡司顯微鏡。雖然尤利烏斯有時會展示有趣的事物給孩子們看,但他擔心孩子們笨拙地操作會損壞物鏡或標本,因此嚴令他們禁止觸摸。

隨著恩斯特對於工程學的興趣赴慕尼黑工業大學和柏林工業大學學習電子學;赫爾穆特則於1927年開始學習醫學,先後在柏林、茵斯布魯克(Innsbruck)及海德堡大學就讀。在海德堡,赫爾穆特的學術重心集中在臨床醫學與生物化學,直到1932年完成醫學學位、開始臨床醫學專業生涯。

對新技術的可能性深具信心

如果這些目標得以實現,那麼疾病成因研究的進展對醫生來說將具有直接的實際意義,這一點幾乎無需贅述。它將深刻影響到日益重要的臨床疾病實際問題,進一步對公共衛生產生重大影響。

理查.西貝克

1929年,恩斯特在研究論文中證明,使用短線圈可以獲得電子束照射孔徑的清晰放大影像,並在1931年4月獲得確鑿的證據,證明電子束可以像光學顯微鏡一樣經由二次放大成像。儘管該裝置的總放大倍率非常有限,但如今仍被公認為第一台電子顯微鏡。

但當時恩斯特提出的顯微技術並沒有被認真看待,大多數專家認為這只是癡人說夢。但已快完成醫學學業的赫爾穆特堅信,一旦恩斯特提出的顯微技術成功,臨床醫學、生物這些學科將有長足的進步。因此他鼓勵哥哥繼續克服困難,包括樣品被電子束燒毀的問題。

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他們仍然花了三年時間才透過赫爾穆特的前臨床老師、柏林夏里特醫院第一內科主任理查.西貝克(Richard Siebeck)教授的專業評估及推薦,成功獲得資助。這些專業的建議讓柏林的西門子和耶拿的卡爾.蔡司留下深刻的印象,他們都準備進一步發展工業電子顯微鏡。

由穆勒使用電子顯微鏡拍攝的家蠅翅膀表面
由穆勒使用電子顯微鏡(U = 60 kV,Me1 = 2200)拍攝的家蠅翅膀表面。圖片來源:恩斯特演講全文
1938年在西門子實驗室研發的電子顯微鏡
1938年在西門子實驗室研發的電子顯微鏡。圖片來源:〈Helmut Ruska and the visualisation of viruses〉

病毒,終於被看見

1937年西門子在柏林斯潘道(Spandau)成立了超微科學實驗室,魯斯卡兄弟與馮.博里斯共同開發原型儀器。赫爾穆特憑藉醫學專長專注於電子顯微鏡的生物學應用,並在1938年完成了兩台原型機,最大放大倍率為30000倍。1940年,西門子更設立了一個由赫爾穆特領導的客座實驗室,配備了四台電子顯微鏡,供來訪科學家使用;赫爾穆特同年也首次展示了噬菌體的影像。

1940年代初,赫爾穆特已發表了約20篇關於細菌、寄生蟲和不同病毒超顯微結構的報告,這些出版物標誌著首次利用電子顯微鏡對病毒進行視覺化。包括1939年他與考舍(Gustav A. Kausche)和普凡庫赫(Edgar Pfankuch)合著的《超顯微鏡下植物病毒的影像》,展示了菸草花葉病毒的桿狀結構,首次揭示病毒的亞微觀顆粒。

赫爾穆特使用電子顯微鏡拍攝的嗜菌體
赫爾穆特使用電子顯微鏡拍攝的嗜菌體。圖片來源:恩斯特演講全文

赫爾穆特也研發了電子顯微鏡的樣品製備技術,利用鋨燻蒸法,將乾燥樣本暴露於鋨蒸氣中,選擇性地使細胞染黑,且不會過度改變標本以增強對比度。1943年他發表論文〈病毒類型分類的嘗試〉,基於電子顯微鏡的觀察提出病毒形態分類,例如依形狀(球形、桿狀)及大小分類,影響後來的病毒分類系統。

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被戰爭淹沒的科學貢獻

1965年美國CDC實驗室人員坐在新型透射電子顯微鏡前
電子顯微鏡成為疾病判斷和公衛防治的利器。圖為1965年美國疾病管制與預防中心(CDC)的實驗室人員坐在當時一台新型透射電子顯微鏡(TEM)前。圖片來源:Public Health Image Library (PHIL)

赫爾穆特的研究並不局限於病毒,他還參與了糖原結構和血液凝固過程的研究,甚至昆蟲肌肉的精細結構、蚯蚓的虹彩皮膚以及植物葉綠素也都是他曾經研究的主題。

二戰後,赫爾穆特成為柏林大學(後更名為洪堡大學)的教授,並擔任柏林-布赫德國科學院微觀形態學部門的負責人。1952年至1958年,他至美國擔任紐約州衛生部微觀形態學部門負責人,之後出任德國杜賽道夫大學生物物理與電子顯微鏡研究所長。

可惜的是,儘管赫爾穆特在電子顯微鏡的生物應用領域具有開創性貢獻,但他在科學史上的地位卻被嚴重低估。由於赫爾穆特論文大多發表在德國期刊上,加上納粹和二戰時期德國處於孤立狀態,他的研究成果並未廣為人知。赫爾穆特1973年8月30日在杜賽道夫去世,也因此錯失了與哥哥恩斯特·魯斯卡共同分享諾貝爾獎的機會,後者在1986年才獲得遲來的認可。

但赫爾穆特無疑是推動電子顯微鏡跨出實驗室成為商用顯微鏡,並進入生物醫學研究應用的關鍵人物。而他也培養無數後代研究人員,奠定了電子顯微鏡在生物醫學研究中的重要角色。

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參考資料:

  • Kruger, D. H., Schneck, P., & Gelderblom, H. R. (2000). Helmut Ruska and the visualisation of viruses. Lancet, 355(9216), 1713–1717.
  • Ruska, E. (1986, December 8). The development of the electron microscope and of electron microscopy [Nobel Lecture]. Nobel Foundation.
  • Helmut Ruska
  • Grokipedia: Helmut Ruska

延伸閱讀:

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顯微觀點_96
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破除歐洲殖民之前的非洲沒有科學發展史的迷思!非洲原來也有豐富的科學傳統?——《被蒙蔽的視野》
時報出版_96
・2023/06/14 ・3003字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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1577 年 11 月,廷布克圖(編按:城市名)上空出現了一陣壯麗的流星雨,那座城市就位於現今的馬利(Mali)(編按:位於西部非洲的國家)境內。有關西非天文現象的報告,在整個十六和十七世紀期間都不斷出現。十七世紀早期一位西非編年史家阿卜杜.薩迪(Abd al-Sadi)便曾記載道:

一顆彗星出現在眼前。它在黎明時分從地平線升起,接著一點一點上升,並在日落和黑夜之間達到正上空。最後它消失不見。

西非皇廷裡的天文學家

我們在本章已經見到,在這段時期,伊斯蘭世界各地,從撒馬爾罕到伊斯坦堡的統治者,對天文學是抱持著多麼濃厚的興趣。撒哈拉以南非洲地區也有這相同的情況。許多文學家受聘在桑海帝國(Songhay Empire)統治者阿斯基亞.穆罕默德(Askia Muhammad)的皇廷工作。桑海帝國是個伊斯蘭蘇丹國,16 世紀期間控制了西非大半地區。這些天文學家協助編制年曆並提供宗教指引,對桑海帝國統治做出貢獻。

海桑帝國在十五世紀的領土範圍。約在今日的西非撒哈拉沙漠和沙漠以南的區域。圖/wikipedia

阿斯基亞.穆罕默德本人是個虔誠的穆斯林,支付他的天文學家豐厚的俸祿,要他們協助計算禮拜時間和齋戒月日期。另有些人則奉命判定麥加的方向。

十六世紀廷布克圖出現了天文學家的身影,見證了撒哈拉以南非洲地區在現代科學史上所扮演的重要地位。這個地方比其他任何地帶都更被人排除在科學革命歷史之外。然而就連在認可更廣闊世界之重要性的科學史料當中,撒哈拉以南非洲地區,依然是令人起疑地完全缺席。

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然而,歐洲殖民時期之前的非洲並沒有科學的想法是個迷思,而且急需更正。就像世界其他地區,非洲也擁有豐富的科學傳統,而且在十五和十六世紀時,還隨著宗教和貿易網絡的擴張而經歷了重大轉變。

因此,與其將撒哈拉以南非洲地區看成與世界其他範圍區隔開來的地帶,我們必須把它看成我們在本章所深入探究的這同一段故事——全球文化交流的故事——的一個環節。

與世界各地聯繫 貿易網絡的擴張和伊斯蘭教的傳入

廷布克圖在十二世紀建城,接著在十五和十六世紀期間經歷了大幅擴張,特別是在桑海帝國興起之後。桑海帝國在一四六八年掌控了那座城市。這次擴張主要是跨撒哈拉地區的貿易勃興所驅動,商旅隊伍絡繹於途,從廷布克圖運送黃金、鹽和奴隸到埃及以及其他地方,並藉由絲路把西非與亞洲連接起來。

在這同一時期,其他非洲王國也開始在沿岸地區與歐洲人進行貿易。這標誌了跨大西洋奴隸貿易的開端,所造成的衝擊,我們在接下來兩章就會更詳細深入探究。

廷布克圖很快富裕起來,也讓桑海帝國的統治者得以支撐起「一所富麗堂皇,內裝豪華的宮廷」還加上了「眾多醫師、法官、學者、和祭司」。

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除了貿易、宗教之外,還有個關鍵因素讓非洲和更寬廣世界連繫起來。穆斯林在公元七世紀征服北非之後,從十世紀開始,伊斯蘭教便擴散跨越撒哈拉傳入西非。接著從十四世紀開始,伊斯蘭教就愈來愈廣泛散播開來,特別在鄉村地帶。就在這段期間,除了進口手抄本之外,西非伊斯蘭學者也開始在各地方著述愈來愈多原創手抄本,這些地點包括廷布克圖等都市。非洲統治者早就體認到,伊斯蘭教對於鞏固政權的重要性。阿斯基亞.穆罕默德甚至還曾於一四九六年,在廷布克圖許多學者陪同下,完成了一趟麥加朝聖之旅。

天文學知識的傳入 進一步引發科學發展

隨著貿易和朝聖而來的是知識。阿斯基亞.穆罕默德從麥加返國時,帶回了好幾百部阿拉伯手抄本,內容詳細記載了從天文學新觀點到伊斯蘭教法原則等一切事項。商人從撒哈拉各地回到西非時,也帶來了在伊斯坦堡和開羅購買的一批批阿拉伯手抄本。

「這裡有從巴巴里(Barbary)(編按:北非地名)帶來的手抄本書籍,比其他任何商品獲利都更豐厚,」十六世紀的著名旅行家利奧.阿非利加努斯(Leo Africanus)在他前往廷布克圖時便曾這樣寫道。

另有些手抄本則是隨著許多伊斯蘭學者抵達,他們是在天主教征服穆斯林西班牙時逃來此處,那次戰役最終便導致格拉納達酋長國(Emirate of Granada)在十五世紀末敗亡。稍後我們就會見到,阿拉伯手抄本在西非的散播,最終便導入了科學的轉型,這段故事與文藝復興時期的歐洲有驚人的相似之處。

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廷布克圖手抄本的其中一頁,內容是關於數學與天文學,並以阿拉伯文記載。這些收抄本也象徵著阿拉伯地區的知識傳入,對西非地區的科學發展史有重要的影響。圖/wikipedia

在伊斯蘭教傳播之前,非洲民眾就仰觀天象。古馬利多貢人(Dogon)為所有不同星辰命名,而南非的科薩人(Xhosa)則在夜間使用木星來引路。中世紀貝南王國(Kingdom of Benin,位於當今的現代奈及利亞)的統治者甚至還聘僱了很特別的一群天文學家來追蹤太陽、月球和星辰在全年期間的運行。這群專家稱為伊沃烏基(Iwo-Uki),也就是「月升協會」(Society of the Rising Moon)

這對於規劃農曆尤其重要。貝南王國首都的中世紀天文學家,密切監看獵戶座腰帶的推移並宣告「當這顆星從天空消失,民眾就知道,該種植山藥了」。伊費王國(Kingdom of Ife,也是位於現今奈及利亞境內)的中世紀統治者,同樣體認到天文學對於城內農業和宗教生活的重要性。伊費城是約魯巴文化(Yoruba culture)的一處核心,城內有許多神殿。國王在這附近建造了一批大型花崗岩柱,用來追蹤太陽運行,並判定宗教節日時間以及年度收成時節。

從十五世紀起,這些現存的天文學傳統經歷了重大變遷。就像在歐洲,非洲學者也開始藉由阿拉伯文譯本來研讀(諸如亞里士多德和托勒密等)古希臘思想家的著作。夜間,成群學生齊聚營火周圍,看著星辰流逝,並拿他們測定的結果來與見於種種阿拉伯手抄本的星曆表做個比較。

其中一部手抄本很可能在十六世紀的廷布克圖被用來教導天文學,書名稱為「星辰運動的知識」(Knowledge of the Movement of the Stars)。它一開始先解釋古希臘和羅馬作者的天文學理論,隨後轉向較為晚近的伊斯蘭思想家,好比海什木,他在十一世紀針對托勒密的天文學寫出一部影響深遠的批評著述。那部手抄本接著還解釋,如何判定特定星辰的位置,還有它們在占星上的重要意義。

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還有一部手抄本是廷布克圖一位名叫穆罕默德.巴哈約戈(Muhammad Baghayogho)的學者寫的,內容解釋了如何計算出白天(使用日晷)和夜晚(使用月球位置)的禮拜時間。巴哈約戈在十六世紀早期完成了一趟麥加朝聖,而且他擁有十分豐富的阿拉伯手抄本藏書,在廷布克圖首屈一指,他還針對十六世紀鄂圖曼一位名叫穆罕默德.塔朱里(Muhammed al-Tajuri)的天文學家所著作品撰寫了一部評註。沒錯,你在廷布克圖找得到的手抄本,不只是以阿拉伯文寫成的,還包括鄂圖曼土耳其文的內容,這就顯示在這段時期,鄂圖曼和西非的科學發展,有很密切的關係。

——本文摘自《被蒙蔽的視野:科學全球發展史的真貌》,2023 年 5 月,時報出版,未經同意請勿轉載。

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