眼睛也會『骨質流失』嗎？ 淺談黃斑部的「葉黃素低下」

1894 年，美國物理學家邁克生（Albert Abraham Michelson）作為芝加哥大學物理系的創立者，在為學校的瑞爾森物理實驗室（Ryerson Physical Laboratory）落成典禮致詞時，表示：「雖然無法斷言說，未來的物理學不會比過去那些驚奇更令人驚嘆，但似乎大部分的重要基本原則都已經被穩固地建立了。」

以我們現在的後見之明，這段話聽起來固然錯得離譜，但在當時，從 17、18 到 19 世紀，在伽利略、牛頓、馬克士威等前輩的的貢獻之下，物理學已經達成了非凡的成就。

我們現在稱為古典的物理學，對於整個世界的描述幾乎是面面俱到了，事實上沒有人預料到 20 世紀將出現徹底顛覆世界物理學認知的重要理論，量子力學。

而這最一開始竟只是出自於一件不起眼的研究，關於物體發出的光。

萬物皆輻射

在此我們要先理解一個觀念：所有物體無時無刻不在發出電磁波輻射，包括了你、我、你正使用的螢幕，以及我們生活中的所有物品。

至於為什麼會這樣子呢？其中一個主要原因是，物體都是由原子、分子組成，所以內部充滿了帶電粒子，例如電子。這些帶電粒子隨著溫度，時時刻刻不停地擾動著，在過程中，就會以電磁波的形式放出能量。

除了上述原因之外，物體發出的電磁波輻射，還可能有其他來源，我們就暫時省略不提。無論如何，從小到大我們都學過的，熱的傳遞方式分成傳導、對流、輻射三種，其中的輻射，就是我們現在在談的，物體以電磁波形式發出的能量。

那麼，這些輻射能量有什麼樣的特徵呢？為了搞清楚這件事，我們必須先找個適當的範本來研究。

理想上最好的選擇是，這個範本必須能夠吸收所有外在環境照射在上面的光線，只會發出因自身溫度而產生的電磁輻射。這樣子的話，我們去測量它發出的電磁波，就不會受到反射的電磁波干擾，而能確保電磁波是來自它自己本身。

這樣子的理想物體，稱為黑體；畢竟，黑色物體之所以是黑的，就是因為它能夠吸收外在環境光線，且不太會反射。而在我們日常生活中，最接近理想的黑體，就是一點也不黑、還超亮的太陽！這是因為我們很大程度可以肯定，太陽發出來的光，幾乎都是源於它自身，而非反射自外在環境的光線。

或者我們把一個空腔打洞後，從洞口發出的電磁波，也會近似於黑體輻射，因為所有入射洞口的光都會進入空腔，而不被反射。煉鐵用的鼓風爐，就類似這樣子的結構。

到目前為止，一切聽起來都只是物理學上一個平凡的研究題目。奇怪的是，在對電磁學已經擁有完整瞭解的 19 世紀後半到 20 世紀初，科學家儘管已經藉由實驗得到了觀測數據，但要用以往的物理理論正確推導出黑體的電磁波輻射，卻遇到困難。正是由此開始，古典物理學出現了破口。

黑體輻射

由黑體發出的輻射，以現在理論所知，長得像這個樣子。縱軸代表黑體輻射出來的能量功率，橫軸代表黑體輻射出來的電磁波波長。

在理想狀況下，黑體輻射只跟黑體的溫度有關，而跟黑體的形狀和材質無關。

以溫度分別處在絕對溫標 3000K、4000K 和 5000K 的黑體輻射為例，我們可以看到，隨著黑體的溫度越高，輻射出來的能量功率也越大；同時，輻射功率最高的波段，也朝短波長、高頻率的方向靠近。

為了解釋這個曲線，物理學家們開始運用「當時」畢生所學來找出函數方程式，分成了兩派：

一派是 1896 年，由德國物理學家維因（Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien），由熱力學出發推導出的黑體輻射公式，另一派，在 1900 與 1905 年，英國物理學家瑞立（John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh）和金斯（James Jeans），則是藉由電磁學概念，也推導出了他們的黑體輻射公式，稱為瑞立－金斯定律。

你看，若是同時擺上這兩個推導公式，會發現他們都各自對了一半？

維因近似 Wien approximation 只在高頻率的波段才精確。而瑞立－金斯定律只對低頻率波段比較精確，更預測輻射的強度會隨著電磁波頻率的提升而趨近無限大，等等，無限大？――這顯然不合理，因為現實中的黑體並不會放出無限大的能量。

顯然這兩個解釋都不夠精確。

就這樣，在 1894 年邁克生才說，物理學可能沒有更令人驚嘆的東西了，結果沒幾年，古典物理學築起的輝煌成就，被黑體輻射遮掩了部分光芒，而且沒人知道，這是怎麼一回事。

普朗克的黑體輻射公式

就在古典物理學面臨進退維谷局面的時候，那個男人出現了——德國物理學家普朗克（Max Planck）。

普朗克於 1900 年就推導出了他的黑體輻射公式，比上述瑞立和金斯最終在 1905 年提出的結果要更早，史稱普朗克定律（Planck’s law）。普朗克假想，在黑體中，存在許多帶電且不斷振盪、稱為「振子」的虛擬單元，並假設它們的能量只能是某個基本單位能量的整數倍。

這個基本單位能量寫成 E=hν，和電磁輻射的頻率 ν 成正比，比例常數 h 則稱為普朗克常數。換言之，黑體輻射出來的能量，以hν為基本單位、是一個個可數的「量」加起來的，也就是能量被「量子化」了。

根據以上假設，再加上不同能量的「振子」像是遵循熱力學中的粒子分佈，普朗克成功推導出吻合黑體輻射實驗觀測的公式。

普朗克的方程式，同時包含了維因近似和瑞立－金斯定律的優點，不管在低頻率還是高頻率的波段，都非常精確。如果我們比較在地球大氣層頂端觀測到的太陽輻射光譜，可以發現觀測數據和普朗克的公式吻合得非常好。

其實有趣的是普朗克根本不認為這是物理現象，他認為，他假設的能量量子化，只是數學上用來推導的手段，而沒有察覺他在物理上的深遠涵意。但無論如何，普朗克成功解決了黑體輻射的難題，並得到符合觀測的方程式。直到現在，我們依然使用著普朗克的方程式來描述黑體輻射。不只如此，在現實生活中，有許多的應用，都由此而來。

正因為不同溫度的物體，會發出不同特徵的電磁波，反過來想，藉由測量物體發出的電磁波，我們就能得知該物體的溫度。在疫情期間，我們可以看到某些場合會放置螢幕，上面呈現類似這樣子的畫面。

事實上，這些儀器測量的，是特定波長的紅外線。紅外線屬於不可見光，也是室溫物體所發出的電磁輻射中，功率最大的波段。只要分析我們身體發出的紅外線，就能在一定程度上判斷我們的體溫。當然，一來我們都不是完美的黑體，二來環境因素也可能產生干擾，所以還是會有些許誤差。

藉由黑體輻射的研究，我們還可以將黑體的溫度與發出的可見光顏色標準化。

在畫面中，有彩虹背景的部分，代表可見光的範圍，當黑體的溫度越高，發出的電磁輻射，在可見光部分越偏冷色系。當我們在購買燈泡的時候，會在包裝上看到色溫標示，就是由此而來。所以，如果你想要溫暖一點的光線，就要購買色溫較低，約兩、三千 K 左右的燈泡。

結語

事實上，在黑體輻射研究最蓬勃發展的 19 世紀後半，正值第二次工業革命，當時鋼鐵的鍛冶技術出現許多重大進步。

德國鐵血宰相俾斯麥曾經說，當代的重大問題要用鐵和血來解決。

就傳統而言，煉鋼要靠工匠用肉眼，從鋼鐵的顏色來判斷溫度，但若能更精確地判斷溫度，無疑會有很大幫助。

德國作為鋼鐵業發達國家，在黑體輻射的研究上，曾做出許多貢獻，這一方面固然可能是學術的求知慾使然，但另一方面，也可以說跟社會的需求與脈動是完全吻合的。
總而言之，普朗克藉由引進能量量子化的概念，成功用數學式描述了黑體輻射；這件事成為後來量子力學發展的起點。儘管普朗克本人沒有察覺能量量子化背後的深意，但有另一位勇者在數年後繼承了普朗克的想法，並做出意味深長的詮釋，那就是下一個故事的主角――愛因斯坦的事了。

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• 作者／照護線上編輯部
• 本文轉載自 Care Online 照護線上《長輩與糖友視線變形、有暗影恐釀失明？！濕性年齡相關性黃斑部退化病變（NAMD）、糖尿病黃斑部水腫（DME）的症狀與治療，眼科醫師圖文解說》，歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持 Care Online 喔
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「醫師，我的右眼看電線桿好像會變形。」60 多歲的陳女士說。

「經過檢查確認是黃斑部病變症狀，建議要透過眼內注射控制。」醫師問。

「眼內注射？！醫生我不敢！想到一兩個月就要施打一次我真的頭皮發麻！」陳女士驚恐表示。

「別擔心！今日濕性年齡相關性黃斑部退化病變（nAMD）與糖尿病黃斑部水腫（DME）已經有多元的治療選擇，可以雙管齊下抑制血管不正常的增生，快速減少視網膜積液、血液滲漏，達到『速乾』的成效，有望將療程頻率拉長至 16 週、也就是近 4 個月一次。」

新光吳火獅紀念醫院眼科王元聖醫師指出，黃斑部是視網膜中敏感的感光區域，是讓人感受到色彩的重要關鍵。隨著黃斑部功能衰退，我們的靈魂之窗可能會變得暗淡無色。造成原因可能和濕性年齡相關性黃斑部退化病變（Neovascular Age-related Macular Degeneration, nAMD ）與糖尿病黃斑部水腫（Diabetic Macular Edema, DME ）有關。

前者致病原因與年齡增長有關，源於脈絡膜不正常的增生血管，這些生長不全的血管，因為細胞間不夠緊密，水分、血液容易從血管中滲漏出，造成水腫、出血，引起濕性年齡相關性黃斑部退化病變（nAMD）。後者與糖尿病有關，源於血糖過高造成視網膜病變，進而導致糖尿病黃斑部水腫（DME），根據統計，每十位糖友約有一位發生糖尿病黃斑部水腫（DME）^[1]，是糖尿病患者不容忽視的併發症。

王元聖醫師說，濕性年齡相關性黃斑部退化病變（nAMD）與糖尿病黃斑部水腫（DME）初期病程進展緩慢，且未必兩眼同時出問題，症狀不明顯，容易延誤就醫。提醒長輩與糖尿病患者，可以透過阿姆斯勒方格表（Amsler grid）自我檢測工具，初步判斷自身是否出現濕性年齡相關性黃斑部退化病變（nAMD）與糖尿病黃斑部水腫（DME）症狀。

先遮住單隻眼睛，再注視表格中心的圓點，若左眼或右眼觀看方格中的線條，發現有所扭曲、變形、暗影，那可能就是濕性年齡相關性黃斑部退化病變（nAMD）與糖尿病黃斑部水腫（DME）的症狀，建議盡快至眼科檢查。

「50 歲以上民眾^[2]、糖尿病患者、有黃斑部病變的家族病史等高風險族群，都要記得定期檢測，才能及早發現濕性年齡相關性黃斑部退化病變（nAMD）與糖尿病黃斑部水腫（DME）症狀」，王元聖醫師強調，「黃斑部病變會損害視力，拖越久、治療效果越差。若等到黃斑部已經萎縮、結痂，便難以恢復視力，對生活造成很大的衝擊。」    

及早治療濕性年齡相關性黃斑部退化病變（nAMD）與糖尿病黃斑部水腫（DME），才有機會挽救惡視力

過去對於黃斑部病變缺乏有效的治療方式，患者可能漸漸失明。王元聖醫師說，漸漸有研究發現，我們可以利用雷射去處理那些不正常的血管，控制出血與滲液。但是雷射治療本身有破壞性，所以患者的視力不太會進步，甚至可能會退步。

大概在 20 年前，抗血管新生藥物被用來治療濕性年齡相關性黃斑部退化病變（nAMD）與糖尿病黃斑部水腫（DME），王元聖醫師解釋，眼內注射抗血管新生藥物能夠抑制新生血管的生長，幫助患者視力維持穩定，甚至有部分患者的視力可以獲得進步，所以成為主流的治療方式。針對濕性年齡相關性黃斑部退化病變（nAMD）與糖尿病黃斑部水腫（DME），都會建議使用這項治療。

因為要將藥物注入眼球，必須在無菌的環境下進行，利用很細的針從眼白注射藥物。王元聖醫師說，雖然過程很快，但是過往需要每一、兩個月注射一次，濕性年齡相關性黃斑部退化病變（nAMD）與糖尿病黃斑部水腫（DME）的患者，仍有一定壓力，所以新開發的藥物都希望能夠拉長治療的間隔。

王元聖醫師鼓勵，濕性年齡相關性黃斑部退化病變（nAMD）與糖尿病黃斑部水腫（DME）的治療選擇日益多元，不僅有 1 至 2 個月施打一次的傳統藥物，可以抑制血管增生；也有新型藥物，可雙管齊下抑制血管增生再加上穩定血管，快速減少視網膜內積液、血液，治療很快就會見效。

穩定控制後，最長可約 4 個月注射一次，可減少濕性年齡相關性黃斑部退化病變（nAMD）與糖尿病黃斑部水腫（DME）患者回診的次數，不僅接受眼內注射的壓力減少了，患者與其照護者，也不需要密集往返醫院，大大減少了交通的時間、金錢成本。患者可以依據自身對治療的想法，主動與醫師討論，以利打造個人化療程，只要治療更加穩定，患者的治療成效也有機會增加。

貼心小提醒

王元聖醫師說，濕性年齡相關性黃斑部退化病變（nAMD）與糖尿病黃斑部水腫（DME）會嚴重損害視力，甚至造成失明，患者一定要及早察覺濕性年齡相關性黃斑部退化病變（nAMD）與糖尿病黃斑部水腫（DME）症狀，掌握治療先機。也鼓勵民眾主動與醫師討論治療的選擇，針對濕性年齡相關性黃斑部退化病變（nAMD）與糖尿病黃斑部水腫（DME）的治療，已有可以雙管齊下抑制血管增生並提升眼內血管穩定度的治療選擇，幫助維持視力。

且濕性年齡相關性黃斑部退化病變（nAMD）與糖尿病黃斑部水腫（DME）新型藥物有機會延長治療的間隔，最長約4個月注射一次，能夠減輕接受治療的壓力。定期檢查、及早治療，才能避免惡視力！

#羅氏公益夥伴

參考資料

1. 衛生福利部台灣病人安全資訊網 2022/6/17 《我有糖尿病黃斑部水腫病變，該接受何種治療？》
2. American Academy of Ophthalmology 2023/4/6 《What Is Macular Degeneration？》

最近，韋伯太空望遠鏡發布首批科學影像，終於看到敲碗好久的結果——韋伯拍到了人類從未見過的許多東西！有人說，韋伯是哈伯的繼任者，但不知道大家是否好奇過，哈伯和韋伯到底誰比較強？

這個問題有點難回答，因為兩部望遠鏡都是當代科技的結晶。哈伯是 1990 年升空的王者，韋伯是 30 年後科技進步下的產物，我試著用客觀的方式來比較這兩部太空望遠鏡。

哈伯觀測可見光，韋伯觀測紅外光

哈伯的主鏡直徑是 2.4 公尺，韋伯則是 6.5 公尺，韋伯的主鏡直徑比哈伯大 2.7 倍，這也是大家最常比較的部分。可是，如果主鏡大就比較厲害，那麼夏威夷大島上的凱克 10 公尺望遠鏡，不就比哈伯和韋伯更強？

哈伯與韋伯觀測的波段不同，用途也不一樣。哈伯主要觀測的波段在可見光，可見光是指人類眼睛可以看見的光或顏色範圍，也就是紅、橙、黃、綠、藍、靛和紫。從紅光到紫光，光的波長由長到短，紅光的波長大約是 0.62–0.74 微米（1 微米＝0.001 公釐），紫光的範圍則是 0.38–0.45 微米。

紅外光是指比紅光波長更長的光，也就是波長比 0.7 微米更長，這是韋伯望遠鏡主要觀測宇宙的波段。

哈伯和韋伯太空望遠鏡觀測的波段，一個在可見光，另一個在紅外光，所以在功用上本來就不一樣，如果要比較的話就要小心，不然就像拿橘子跟蘋果相比，拿不同的東西做比較顯得很突兀。

誰看得比較清楚？來比一比解析度吧！

哈伯與韋伯可以拿來做比較的是解析度，解析度的值（角秒）愈低，表示能看到天體愈細微的部分，解析度跟主鏡直徑和觀測的波長有關。望遠鏡主鏡愈大，解析度愈好；另外也跟觀測的波長成正比。

以下兩張影像分別是史匹哲太空望遠鏡（Spitzer Space Telescope）和韋伯拍的天空中同一區域紅外光影像，拍攝的紅外波長也差不多（史匹哲：8 微米，韋伯 7.7 微米），不過兩幅影像的解析度卻差很多，韋伯的影像中可以看到更多的細節，史匹哲則好像糊成一團。

當觀測的波長一樣時，解析度跟觀測望遠鏡的主鏡直徑成反比。史匹哲的主鏡是 0.85 公尺，所以韋伯的解析力是史匹哲的 6.5/0.85=7.8 倍！主鏡的大小直接反應在解析度上，韋伯與史匹哲在解析度上高下立判！

解析度除了跟主鏡的直徑成反比，也跟觀測的波長成正比。所以同一面主鏡觀測天體，用愈短的波長觀測解析度愈好。下圖是史匹哲望遠鏡觀測 M81 星系的結果，同樣 0.85 公尺的主鏡觀測，隨著觀測波長的增加，解析度變差。

答案揭曉——哈伯的解析度略勝一籌！

前面提到解析度跟主鏡直徑與觀測波長的關係有一個重要前提，主鏡必須研磨到完美、光滑，也就是主鏡上不能出現高低起伏。如果主鏡不完美，像遊樂場裡的哈哈鏡，不能聚焦成像，解析度自然不好。

波長愈短對鏡面的要求愈高。哈伯太空望遠鏡的鏡面對 0.5 微米波長更長的光是完美的，比 0.5 微米波長更短的光波則呈現不完美，韋伯望遠鏡的主鏡則是對 2 微米更長的波長是光滑的。（光學上，物理學家的說法是哈伯和韋伯分別在 0.5 和 2 微米達到繞射極限。）

哈伯和韋伯望遠鏡最佳解析度分別在 0.5 微米和 2 微米，根據前面的解析度公式，哈伯在 0.5 微米的解析度是 0.05 角秒，而韋伯在 2 微米的解析度是 0.08 角秒，結論是哈伯的解析度比韋伯稍微好一點！也就是哈伯老當益壯，一點也不比韋伯差。

從哈伯到韋伯，有如長江後浪推前浪

天文學家從 1990 年開始，透過哈伯望遠鏡研究宇宙，這三十年來科學家已經把哈伯的功能發揮到極致，我們對宇宙的了解很多都來自哈伯的觀測。不過這三十年的努力也讓天文學家發現哈伯不足的地方，科學家知道關鍵在紅外線觀測能力。前一代的紅外望遠鏡史匹哲無法達到需求，天文學家只能殷殷期盼韋伯。

韋伯首批公布的影像中，幾乎都是哈伯曾經拍過的天體，從科學上來說，比較可見光和紅外影像資料可以對目標天體更多了解，不過我認為這應該是韋伯對哈伯致敬的方式，感謝哈伯三十多年的貢獻！

韋伯站在巨人的肩膀上，必定能看得更暗、更遠！