星星為何散布在宇宙間？──《跟著怪咖物理學家一起跳進黑洞》

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」。

進一步了解商品：https://shop.amway.com.tw/products/2071?navigationType=brand&

在發現的道路上，智慧（intellect）作用不大。意識（consciousness）━你可以稱之為直覺或其它任何你想用的詞━會發生一次飛躍，答案會突然出現在你面前，而你卻不知道它是如何或為什麼出現的。

-愛因斯坦（1879-1955），1921年諾貝爾物理獎

2025 年 10 月 13 日在參加建國中學高三 6 班畢業 66 週年的同學旅遊後，希望能瞭解一下投稿多年、從未謀面之《泛科學》的作業情形及發展計畫等，我決定到「泛科創新股份有限公司」參觀一下：沒想到知識長鄭國威竟然邀請我錄了一集「思想實驗室」。當被問及有關人工智慧（artificial intelligence，AI）的看法時，我突然冒出「因為科學的發現很多都是意外的，因此AI無法像人類一樣具有創造性」。沒想到這句話似乎成為這次訪問的主題，也引起比較熱烈的討論，因此我想在這裡補充一下。

AI（人工智慧）是否能青出於藍、更勝於藍地超越我們？這事實上也是專家爭論最多的話題。我不是專家，雖然知道「我思故我在」，但完全不知人類如何思想、大腦如何運作，更不瞭解上面愛因斯坦所提到之意識（consciousness）如何飛躍！但是已經被國威推上了這個平台，因此只好在這裡野人獻曝，依我所知的科學史提出懷疑。

回歸正題，上面問題的直覺反應答案是：人製造出來的怎麼可能比人聰明呢？但相信很多人都知道：人類所製造出來的圍棋軟體 AlphaGo 已經戰勝了所有的人類！其主人谷歌（Google）謂：它能戰勝人類是因為它利用策略網絡來推薦有希望的走法，並利用價值網絡來評估在給定局面下獲勝的機率，從而大幅縮小搜尋空間，使得它能夠「預想」數百萬步棋，並透過自身的對弈不斷學習，最終超越人類的層次。從這段話看來，我覺得 AlphaGo 能戰勝人類是基於高速地使用人類所設計出來之有路可循、亦有跡可尋的「邏輯策略」！

同樣地，如果我們給 AI 一含所有物質之性質的資料庫，然後告訴它如何尋找「規律」（pattern），相信它會非常勝任地發現許多具有某種特性的「新物質」、「新藥物」、甚或告訴我們如何製造它們（有機合成的資料庫）。但是 AI 雖然知道哈密瓜的所有性質（資料庫），可是它會想到哈密瓜含有能大量分泌青黴素的菌株、即時在第二次世界大戰中拯救了上百萬士兵的生命嗎（見後）？我覺得後者不是邏輯的問題，是沒辦法訓練的，因此 AI 不能「真正創造」不是依靠邏輯的發現。這正是本文所要談的：許多科學大突破都不是靠訓練或邏輯分析的！

視眾人所見視，思眾人所未思

牛頓的傳記《艾薩克·牛頓爵士生平回憶錄》（Memoirs of Sir Isaac Newton’s Life）於1752年出版；作者斯圖克利（William Stukeley）在書中轉述：「晚餐後，天氣溫暖，我們去了花園，在幾棵蘋果樹的樹蔭下喝茶……他（牛頓）告訴我，他當時的處境和以前一樣，剛剛想到萬有引力的概念。當他正沉思時，一個蘋果掉了下來。他心想：『為什麼蘋果總是垂直落到地上，永遠不會向上或向一側掉落呢？……』，這使他得出結論：地球一定具有『引力』，從而發展出他的萬有引力理論。」

早在西元前 4 世紀左右，亞里斯多德（Aristotle）及歐幾里德（Euclid）等希臘哲學家就為自然哲學和邏輯奠定了基礎。樹上的水果都是往地面掉，這是任何小孩都知道的「常識」，但為什麼卻等了 1700 年才引起牛頓的注意？我們不知道為何牛頓會想到這個問題，但 AI 也會注意到這個現象嗎？如果會，它會先想到萬有引力或是直接跳到更精確的愛因斯坦廣義相對論（見後）呢? 

發現世上第一個抗生素的弗萊明（Alexander Fleming）度假回來後發現培養皿因未加蓋而發霉（見後），一般的研究者大多會將這些被黴菌孢子污染的培養皿丟掉；但弗萊明這次卻心血來潮……。他回憶說：

「基於先前「溶菌酶」的經驗，也像許多細菌學家那樣，我應該會把污染的培養皿丟掉，……某些細菌學家也有可能（早就）注意到我（那時）看到的相似變化，……但是在對天然產生的抗菌物質沒有任何興趣的情況下，都會順手地將培養物丟棄。……但（這次）我沒有找個藉口丟掉受污染的培養液；相反地，我做了進一步的探討。」

如果AI也能做實驗，它會像許多細菌學家那樣「順手地」丟棄培養物嗎？機會總是降臨在那些做好準備的「人」身上。

幸運的靈感/直覺

一位正在自由下落的人不會感覺到自己的重量，那不是等於漂浮在沒有任何重力的外太空空間嗎？如果加速度可以抵消重力，那麼在沒有重力的情況下，加速度本身不是可以模擬重力，產生與真實重力沒有區別的人造重力嗎？愛因斯坦稱上面這一發現為「等效原理」（Equivalence Principle）：我們雖然不知道重力是什麼，但其現象可以用加速度來模擬！這一想法啟動了愛因斯坦嘗試改變牛頓重力論的八年艱苦抗戰，於 1915 年 11 月完成了人類有史以來最美麗的物理理論━「廣義相對論」（General Theory of Relativity）。100 多年後的今天，愛因斯坦這一透過想像力來推測的理論仍然在指引著物理學家們去瞭解宇宙的基本特徵！怪不得愛因斯坦後來大膽地稱它為「我一生中最幸運的靈感」。

德國理論物理學家普朗克 (Max Planck) 謂他是靠「幸運的直覺 (lucky intuition) 」而意外地敲響了量子力學革命之鐘聲！在 1918 年諾貝爾獎頒獎典禮上，普朗克回憶說：

「然而，即使（我推導出來的）輻射公式絕對準確，它仍然只是一個幸運猜測（lucky guess）了正確插值公式的結果，其價值是非常有限的。因為這個原因，從那時起，我就忙著… 想闡明此公式的真實物理特性，這導致我考慮連接熵和概率之間的波茲曼（Boltzmann）關係。在經過我生命中最艱苦的幾個星期之工作後，光明終於驅除了黑暗，一個新的、從未夢想到的的觀點在我面前展開了。」

這普朗克從未夢想到的觀點是什麼呢? 就是「能量量化」的觀念，違反了當時「能量是連續」的共識！因之此後的十幾年，普朗克便一直在努力地想使他的量子觀念能容於古典力學裡；可是每次嘗試的結果，似乎均使自己失望得想收回那革命性的「大膽假設」而已。

錯誤的假設

好吧，就假設 AI 像愛因斯坦一樣也有「最幸運的靈感」，發現了廣義相對論。可是後來物理學家瞭解到了愛因斯坦的「等效定理」事實上不完全正確，是有限制的，也就是說它只是一種近似的基本定律，只適用於一個局部、無限小的時空區域內。哈，如果AI比人類聰明，怎麼會在邏輯上犯下這個錯誤呢？如果不犯這個錯誤，它能發現廣義相對論呢？

又如 1905 年，愛因斯坦在題為「關於運動物體的電動力學」的（狹義相對論）論文引言裡，開宗明義地謂「不要爭辯」光速了：

「我們建議將「相對性原理」這個猜想（conjecture）提升到一個公設（postulate）的地位，並引入另一個表面上與前者不調和（irreconcilable）的公設，即光是在真空中的傳播速率為一與發射體運動狀態無關的定值 c。 這兩個假設足以（讓我們）透過適用於靜止物體（狀態）之馬克斯威（Maxwell）理論，導出一個簡單且不矛盾（consistent）的電動力學理論。」

愛因斯坦真大膽：一個可以用實驗來確定的光速，怎麼可以定為「公設」呢？光速與發射體運動狀態無關不是完全違反了我們日常生活的經驗（如聲速）嗎？愛因斯坦在其時鐘「同步程序」的假想實驗裡魔術般地導入了他的公設：光在任何方向的速度都是一樣的 c 值！完全忽略了當時幾乎所有物理學家都相信光是在「以太」中傳播的理論。

1924 年，一位名不見經傳，任教於東巴基斯坦的講師波思 (Styendra Bose) 在一篇 1500 字的論文裡做了一個誤打誤撞、連他自己本人都不知道、在整篇論文中隻字未提的重要及創新性假設：光量子是不可分辨的！在當時，所有的物理學家都認為光量子像銅板一樣是可以分辨的（我們可以分辨哪個是 A 銅板、哪個是 B 銅板、…），因此兩個銅板出現「一正及一反」的或然率是 2/4；但如果它們不能分辨呢？則出現「一正及一反」的或然率將變成 1/3。沒想到這一「錯誤」的假設後來竟成為打開量子統計力學的鑰匙！超強邏輯的AI會犯這種錯誤嗎？

愛因斯坦1915年完成他的廣義相對論後，發現他的方程式所預測的宇宙只能膨脹或收縮，與當時大部分科學家所認為的靜態宇宙觀相衝突！沒想到推翻了深植物理學家心中達兩百多年之牛頓時空觀念的革命壯士，竟然在這裡屈服了：為了符合當時的想法，愛因斯坦於1917年強行地於其廣義相對論導出之宇宙觀中加入一「常數」來平衡萬有引力，使他的宇宙能保持靜態！沒想到1929年後，新數據顯示宇宙不是靜態，而是在膨脹中；愛因斯坦因而後悔當初為何不相信自己的推論，稱那強行加入人為常數━「宇宙論常數」（cosmological constant）━為他一生中所犯之「最大錯誤」。AI會犯這種錯誤嗎？

只有萬有引力的宇宙膨脹速率在一段時間後應該慢慢減小；但90年代末期，新的發現顯示現在宇宙膨脹速率不是隨時間減小、而是在加大！沒想到那錯誤的「宇宙論常數」現在竟然成為提供瞭解釋膨脹速率加快所需之排斥力來源─雖然我們還不知道那是啥！當然，我們也不知道愛因斯坦在天之靈是否還認為「宇宙論常數」是他一生中所犯的最大錯誤？而AI如果當初未犯那「最大錯誤」，現在是否反而會後悔呢？

老天的幫忙

硝化甘油為液體，非常不穩定，一不小心就爆炸；因此諾貝爾 (Alfred Nobel)一直在尋找取代物，但久而不得。傳說有一天儲存的硝化甘油意外泄漏，與用來包裝儲存鐵桶之板狀矽藻土混合但未爆炸，使他想到了試用此板狀矽藻土。經實驗後，他發現兩者相混之固體不但安全可靠，而且還可保持原有之爆炸威力─這不正是他夢寐以求、研究甚久而未能找到的「穩定炸藥」嗎？他因此發了大財，設定了今日大家所知道的諾貝爾獎。

在「發現能治療糖尿病的胰島素—胰島素與生技產業的誕生（上）」一文裡，我提到了「….將狗的胰臟割除，發現這隻可憐狗整天口渴及隨地小便。數日後，一位助手覺得實驗室內的蒼蠅好像突然多了起來，尤其是在狗小便過的地板。分析狗尿及其血液後，梅倫（Joseph von Mering）及明考斯基（Oskar Minkowski）很驚奇地發現裡面充滿了糖份。」顯然地，胰腺具有調解體內糖代謝的功能，它一旦受損將導致糖尿病。就這樣，法國兩位外科手術醫生無意中發現了「困擾」人類三千多年之糖尿病的病源━胰臟分泌物「胰島素」失調！這不是透過邏輯分析得到的結果，AI能做到嗎？ 

前面所提到之蘇格蘭醫生兼微生物學家弗萊明是一位粗心的實驗室技術員。1928 年夏在研究葡萄球菌的某一天，他忘了將含有葡萄球菌培養物的培養皿放在培養箱中，留在實驗室工作台上就匆匆忙忙地離開實驗室去度假。命運就是這樣作弄人：那時室內的溫度及濕度均適合霉菌（mold，或譯「黴菌」）的生長；因此兩個禮拜回來後，弗萊明發現在敞開窗戶旁的培養皿因未加蓋而發霉。經細心觀察及研究後，弗萊明發現抑制或預防細菌生長的不是黴菌本身，而是黴菌產生的「黴汁」。就這樣，弗萊明發現了世上第一個抗生素「盤尼西林」（Penicillin，又稱為「青黴素」）！被《時代》雜誌評選為20世紀的100位最重要人物！

1943年的某一天，在伊利諾州皮奧里亞 (Peoria) 的農業部北部區域研究實驗室 (NRRL) 工作的亨特 (Mary Hunt) ，無意中在一雜貨店裡發現了一顆表皮長滿漂亮及金色青黴的哈密瓜。將它帶回實驗室，篩選出能大量分泌青黴素的菌株後，她發現該菌株產生的青黴素數量是notatum的200倍━她因之贏得「發霉瑪麗 (Moldy Mary)」的綽號。在許多研究團隊紛紛加入菌種及製造方法的改良後，青黴素產量由1943年只能醫治不到1000人，一下子跳到1944年時，已有足夠的青黴素來治療每位需要的士兵，為第二次世界大戰提供了功不可沒的貢獻！也啓動了尋找其它抗生素的研究，開創了醫學的新紀元。

結論

上面我們提到科學家意外地發現了穩定的炸藥、控制血糖的胰島素、及治療特定細菌感染的抗生素。這些化合物都已經存在自然界中，但絕對不是邏輯分析可以發現其功能的，因此如果不是「老天的幫忙」，我實在很難理解AI怎麼會想到？事實上靠「老天幫忙」所發現的化學物是非常之多的。不需要靠老天幫忙的理論物理呢？

在討論牛頓「思眾人所未思」地發現萬有引力、開創了古典物理後，我們其它的討論都是針對全面改變我們日常生活之近代物理━量子力學及相對論━的發現史。希望讀完本文後，讀者能體會到科學進步不但鮮少一帆風順，相反地是一條充滿了意想不到之彎路和迷茫時刻的曲折蜿蜒旅程：這正是我在訪談中所提到的要多看「課外書」，鑑古知今瞭解理論背後歷史有助於瞭解理論本身。也希望讀完本文後，讀者能感受到科學上的突破幾乎全不是源自邏輯分析，而是出自無法捕捉的「靈感」、「直覺」、「錯誤假設」，「老天幫忙」、以及挑戰既有認知的「勇氣」。AI具有這些人性「缺點」嗎？

最後讓我們在此以公認為最偉大之兩位物理學家的話來結束。牛頓說：「沒有大膽的猜測，就沒有偉大的發現」；愛因斯坦謂：「我從未通過理性思考的過程取得任何發現」。

致謝

謹在此感謝《泛科學》鄭國威、曹盛威、謝富丞、廖儀瑄、王喆宣等同仁的招待及讓我有機會當了一次近代科技 Podcast 的明星。Podcast 的出現造就了許多不需要經過好萊塢的影視明星以及網紅，是我首次接觸到之近代日常生活典範的另一個重大轉變，真是活到老學到老。

延伸閱讀

• 《我愛科學》，華騰文化有限公司，2017年12月出版（內含我2018年前出版之所有科普文章）。
• 愛因斯坦的光速魔術 《泛科學》，2024/10/05。
• 愛因斯坦的最大錯誤？ — 宇宙論常數 《泛科學》，2011/12/11（原載於《科學月刊》，2011年12月；此一轉載讓我與《泛科學》結了不了之緣）。
• 忘了收培養皿就去度假，回來後發現世上第一個抗生素！《泛科學》，2020/12/23。
• 愛因斯坦是第一個發現狹義相對論的物理學家嗎？《泛科學》，2022/10/21。 
• 思考別人沒有想到的東西──誰發現量子力學？《泛科學》，2022/06/01。
• 發現能治療糖尿病的胰島素－胰島素與生物科技產業的誕生（上） 《泛科學》，2017/02/15。
• 黑體輻射光譜與量子革命 《科學月刊》，2022年7月號。
• 愛因斯坦一生中最幸運的靈感-廣義相對論的助產士 《科學月刊》，2021年6月號。
• 歐氏幾何學的啟示《泛科學》，20253/12/9。
• 日常生活範式的轉變：從紙筆到 AI《泛科學》，2023/3/8。

• 作者／賴昭正 前清大化學系教授、系主任、所長；合創科學月刊

起初神創造了天地。大地空虛混沌； 深淵的表面一片黑暗；神的靈運行在水面上。神說，「讓它有光」，於是就有了光。 神看見光是好的；神將光明與黑暗分開。 -創世紀 1:3

1905 年愛因斯坦在題為「關於運動物體的電動力學」（On the Electrodynamics of Moving Bodies）的論文引言裡謂：

我們建議將「相對性原理」這個猜想（conjecture）提升到一個公設（postulate）的地位，並引入另一個表面上與它不調和（irreconcilable）的公設，即光在真空中的傳播速率為一與發射體運動狀態無關的定值 c。這兩個假設足以（讓我們）透過適用於靜止物體（狀態）之馬克斯威（James Maxwell）理論，導出一個簡單且不矛盾（consistent）的電動力學理論。

愛因斯坦真大膽：一個可以用實驗來確定的光速，怎麼可以定為「公設」呢?光速與發射體運動狀態無關不是完全違反了我們日常生活的經驗（如聲速）嗎？

更令人難以相信的是：當時的物理與天文學家因為馬克斯威方程式（Maxwell Equation）的成功，都認為空間充滿了絕對靜止的「以太」，「光速為定值」僅是相對於這一固定的「以太」而言；而愛因斯坦竟初生之犢不畏虎，開宗明義地謂不要爭辯了，我們將光在真空中的速度「公訂」為與發射體運動狀態無關的定值 c！幸運地，在「立即引起了我的熱烈關注」下，當時歐洲受人尊敬的理論物理學大師普朗克（Max Planck）立即在柏林大學開始講授相對論，並公開為愛因斯坦的抽象概念理論辯護！由於普朗克的影響，這篇愛因斯坦根本沒想到是「革命性的」、完全改變牛頓之時空觀念的論文終於與量子力學一起開創了近代物理學。

當然，我們現在知道實驗上已經證明了這一「公設」的正確性；愛因斯坦怎麼那麼「神」呢？

隨「光」逐流

第二次世界大戰結束後不久，愛因斯坦受邀在「在世哲學家圖書館」（Library of Living Philosophers）撰寫一篇知識分子自傳（註一）。在該《自傳筆記》（Autobiographical Notes）裡，愛因斯坦開張寫道：「我坐在這裡是為了在 67 歲時寫一些類似於我自己之訃文的東西」，然後以無與倫比的溫暖和清晰解釋了他的思想路徑：從年輕時對幾何的興趣，轉向馬克斯威、馬赫（Ernst Mach）、和波爾（Niels Bohr)等哲學、科學家對他自己之理論發展的影響。此書是愛因斯坦留給我們的唯一個人自傳筆記，為科學史上的一部經典著作。

在講述導致狹義相對論的發展時，愛因斯坦在《自傳筆記》中回憶道：

…..我在十六歲時就已經遇到了一個悖論：如果我以速度c（真空中的光速）追逐上一束光，我應該觀察到其電磁場將是靜止不前進，只是在空間上振盪而已。然而，無論是根據經驗，還是根據馬克斯威方程組，這現象似乎不存在。（因此）從一開始，我就直覺地清楚看到，從這樣一個觀察者的角度來看，一切都必須按照與相對於地球靜止的觀察者相同的定律發生。第一個觀察者如何知道或能夠確定他處於一快速、等速的運動狀態？從這個悖論中可以看出，狹義相對論的種子已經包含在內。

愛因斯坦如何解決這悖論呢?

一場風暴

愛因斯坦在瑞士專利局任職時，經常與「奧林匹亞學院」(Olympia Academy)的成員討論光速之謎。1905 年 5 月中旬，他突然想到光速之謎的答案就隱藏在用於測量時間的程序中，他回憶說：「我的腦海中掀起了一場風暴」。隔天一大早碰到一位工程師同事就迫不及待地告訴說：「我已經徹底解決了這個問題。對時間概念的分析是我的解決方案：時間不能是絕對的，時間和訊號速度之間存在著密不可分的關係。」

在風暴中，愛因斯坦匆匆忙忙地在數週內完成了那革命性的狹義相對論論文。在此讓我們看看為什麼他認為「時間和訊號速度之間存在著密不可分的關係」。

愛因斯坦同步程序

要測量光速，必須讓光訊號在已知距離內從一個位置跑到另一個位置，然後透過起點和終點的時鐘讀數之差異來確定傳播時間。因此用於測量傳播時間的時鐘必須同步，否則它們之讀數差異將毫無意義。可是我們卻需要利用光速來同步化兩個不同地方之時鐘，這顯然是「雞生蛋、蛋生雞」的循環邏輯問題。

愛因斯坦的風暴就是他終於想出了可以避免循環邏輯的同步化假想實驗：在 t_A 時從 A 發出一道光線，當它在 t_B 到達 B 時立刻讓它反射回去，於 t’_A 時到達 A；如果

則我們稱 A、B 兩地的時鐘精確地同步化了。例如 A 在 1:00 發出光信號，1:10 收到反射回來的光信號，如果 B 收到光信號的時刻是 1:05（或者將它調到 1:05），那麼 A、B 兩地的時鐘便是同步。今天的物理學家將此方法稱為「愛因斯坦同步程序」( Einstein Synchronization Procedure )。

光速定值的「公設」

愛因斯坦接著說：「另外，根據經驗，我們進一步要求

為普適常數（真空中的光速）。」這是根據經驗計算光在兩點間之平均速度的方法，毫不起眼，但卻隱藏著一個非常不尋常的「陰謀」？

邏輯告訴我們：如果我們用另一毫不起眼的 t_B 定義去測單方向的光速（A 到 B或 B 到 A），其值一定是 c ( 註二 )！因此愛因斯坦說：「…我們根據定義確定，光從 A 傳播到 B 所需的時間等於光從 B 傳播到 A 所需的時間。」也就是說愛因斯坦在這裡從「平均速度」及「愛因斯坦同步程序」的定義，魔術般地導入了他的公設：光在任何方向的速度都是一樣的 c 值！

為什麼這是個「陰謀」呢？在愛因斯坦的假想實驗中，我們既然不需要知道光的速度，為什麼不用聲音呢？答案很簡單：因為我們知道聲速會受到 A、B 兩點與空氣之相對速度的影響；如果風從 A 吹到 B，那麼 B 收到聲音的時間將比愛因斯坦之 t_B 早！ 可是那時候幾乎所有的物理學家都相信光是在「乙太」中傳播的（見後），愛因斯坦怎麼知道光速不會受到 A、B 兩點與「乙太」之相對速度的影響？

歷史上最「失敗」的實驗

在「近代物理的先驅：馬克斯威」裡，筆者提到曾被評選為有史以來第三大物理學家馬克斯威用簡潔數學方程式━「馬克斯威方程式」━闡釋了當時已知的電磁現象。1865 年，馬克斯威透過其方程式導出電磁波的存在，並證明光事實上就是一種電磁波！光既然是一種波動，那像水波及聲波一樣應該有傳播的媒體(介質)，物理學家開始尋找這一稱為「乙太」的媒體，並測試地球在這一媒體中的運動狀態。

這些實驗中最有名的是後來被稱為歷史上最「失敗」的實驗：1887 年，邁克爾森（Albert Michelson）與莫利（Edward Morley）用光干涉儀測量地球與乙太的相對運動速率。邁克爾遜和莫利預計會發現：分道揚鑣的兩道光束在不同時間回到探測器，從而可以計算出地球在乙太中的運動速度。但他們非常失望地發現：無論光向哪個方向傳播，它總是以相同的速度移動，因此下結論説：如果乙太存在，地球與乙太的相對運動速率為零！他們認為這有兩種可能的解釋：(1) 在地球表面之乙太被地球拖著走；或 (2) 根本沒有乙太（參見「乙太存在與否的爭辯」）。但更簡單的解釋應該就是愛因斯坦的不要爭辯「公設」；可是誰敢提出這種違反常識的論調呢？或許只有當時還是默默無聞的瑞士專利局小職員吧？

可是愛因斯坦回憶說：「在我自己的發展中，邁克爾遜的結果並沒有(對我)產生很大的影響。我甚至不記得當我寫第一篇關於這個主題的論文時（1905 年），我是否知道它。」然而愛因斯坦也在許多場合中曾經反覆使用「可忽略不計」、「間接」、「非決定性」等詞彙來形容邁克爾遜實驗對他思想的影響…。看來「愛因斯坦當時是否知道邁克爾遜實驗結果」這個問題將永遠是個懸案。但可以肯定的似乎是：即使愛因斯坦知道邁克爾遜的結果，它對愛因斯坦理論的起源貢獻應該是非常小和間接的，絕對不是他發現相對論的主要推動因素。

事實上前面提到：愛因斯坦根本可以不需要知道，因為在他的時鐘同步程序下，光速一定是定值，與實驗結果或「乙太」是否存在無關。相反地，如果愛因斯坦清楚不用時鐘同步化的邁克爾遜-莫利實驗，那風暴可能就不會產生了！

時鐘同步化與光速無關

測量單方向光速實際上並不需要同步化的兩個時鐘（即沒有循環論證的問題）。例如 A、B 兩地皆在赤道上，A 在 1:00 發出光信號，B 在收到光信號後等 12 小時再發射回去，如果 A 在收到 B 光信號的時間是 13:04，那麼因為地球 24 小時自轉一次的關係，AB 距離除以 0.02 便是光單方向（相對於宇宙）的速度。在這一個實驗中，A、B 兩地的時鐘根本不必要同步化，只要它們的精確度是一樣就可以了。

人類早在 18 世紀初就已經知道如何製造相當精確及穩定的時鐘：哈里森（John Harrison）是英國的一名木匠，自學了鐘錶製作；在 1720 年代中期，他設計了一系列卓越的精密長殼時鐘，其精確度已經高達一個月僅差一秒（註三）。我們可以將兩個 Harrison-IV 時鐘在 A 處校正，然後慢慢（原則上無限地慢）將其中一個移到它處，不但可以用它來同步化這些地點的時鐘，還可以用來直接測量單方向的光速。

還有，首次確鑿證明地球在動的布拉德利（James Bradley）早在 1729 年就已經透過「星光像差」（stellar aberration）測得高達 0.4% 精確度的光速；而發明「傅科擺」（Foucault pendulum）來證明地球在自轉的傅科（Léon Foucault）則在1862年透過旋轉鏡與單鐘測得 0.6% 精確度的光速。

馬克斯威方程式也告訴我們，不需要使用任何時鐘，透過測量自由空間的磁導率和介電常數即可間接計算光速，完全避開愛因斯坦的循環論證邏輯。事實上馬克斯威 1865 年就是用這兩個實驗數據計算出電磁波的傳播速度為每秒鐘 310740000 公尺，接近當時光速的（傅科）實驗值。馬克斯威認為這不會是巧合，謂：「我們幾乎無法避免這樣的結論：光存在於同一介質的橫向波動中，這是電和磁現象的原因」，因此他預測光是一種電磁波。

上面這些說明了 20 世紀黎明前，科學家就已經知道了：時間（校時）和訊號速度之間並不存在著密不可分的關係。事實上愛因斯坦更應該知道，因為當他被問到是否站在牛頓的肩膀上時，他回答說：「不，是站在馬克斯威的肩膀上！」所以不知道愛因斯坦是否故意沒想到這些，以便透過陰謀來創造相對論？在今天，愛因斯坦那篇沒有任何參考資料的相對論論文是不可能被接受發表的！

愛因斯坦的規定

在愛因斯坦同步程序下，無論光的實際速度是多少，光速測量起來總是定值 c。難道愛因斯坦不知道這「魔術」充滿了漏洞嗎？一個可能的解釋是 19 世紀末電報線和鐵路將整個歐洲連接成一個巨大的網絡，為了以確保訊息、乘客、和貨物的順利流動，同步時鐘是非常實際的考慮；愛因斯坦是專利局電訊操作設備的技術專家，負責審查時鐘同步的網路電磁設備之專利申請，因此他一定在思考時鐘同步問題，加上經年累月地為光速所困，似乎很自然地便往這牛角尖裡鑽。

我們知道魔術是騙人耳目與大腦的，不能用在科學上。光速是可以量的，怎麼可以根據定義確定（光從 A 傳播到 B 所需的時間等於光從 B 傳播到 A 所需的時間）？因此在其 1916 年之科普《相對論：狹義理論與廣義理論》一書中，愛因斯坦辯說：「（假設 M 在 A、B 兩處之正中間）實際上光需要相同的時間穿過路徑 AM 和穿過路徑 BM，這既不是關於光之物理性質的假設（supposition）、也不是假說（hypothesis，註四），而是我可以根據自己的自由意志做出的規定（stipulation），以便得出同時性的定義（註五）」。換句話說，愛因斯坦認為光速恆定是一種「規定」，與物理無關，無需解釋其真偽（註六）。且聽「創相對論紀 1:3」道來：

19 世紀中旬馬克斯威創造了馬克斯威方程式。大地充滿了乙太；深淵的裡面測不出地球的運動；愛因斯坦的靈運行在其中。愛因斯坦說，「讓光速為定值」，於是光就依定值傳播。愛因斯坦看見定速是好的；愛因斯坦將定速與乙太分開。

結論

從上面的分析看來，愛因斯坦這「光速為定值的規定」似乎是建基於錯誤的認知上，所以顯然愛因斯坦其實沒有那麼神！

開玩笑的，事實上愛因斯坦是筆者佩服的極少數科學家之一！在「思考別人沒有想到的東西──誰發現量子力學？」一文裡，筆者指出：當普朗克還一直在努力地想讓他的量子解釋能容於古典力學時，愛因斯坦已認識到量子不連續性是普朗克黑體輻射理論的重要組成部分！也只有愛因斯坦能看出波思（Satyendra Bose）一篇被英國名物理雜誌退稿、題為「普朗克定律及光量子的假設」的重要性，開創了量子統計力學！更奇怪的是：他被證明是錯的「EPR 悖論（EPR Paradox）」竟推動了許多如量子密碼學、量子計算機、量子資訊理論、量子遠程傳送等的研究；而他自認是一生中最大錯誤的「宇宙論常數」則成為研究近代宇宙的主要工具。……因此筆者總覺得愛因斯坦雖然像常人一樣犯錯，但對物理卻具有一般人所沒有的第六感！或許愛因斯坦心裡早就預感光速應該是定值（註七），其同步程序只是設計出來「證明」光速恆定的妙計？

雖然以卓越教學而備受讚賞的慕尼黑大學理論物理學教授薩默費爾德 ( Arnold Summerfeld ) 曾於 1907 年對愛因斯坦的公設提出「微辭」，但現在物理學家從未公開批評該相對論公設，只是默默地屏棄此一公設，改採將光速恆定作為可以實驗驗證的物理定律（經驗基礎）：光速恆定不是規定，而是根基於實驗的自然界基本定律。

如果光相對於愛因斯坦的速度永遠為c, 那麼他將永遠無法隨「光」逐流看到光駐波，愛因斯坦不但終於解決了他16歲時所迷惑的悖論，還開創了相對論！

註釋

（註一）《世哲學家圖書館》系列的第七卷（Paul Arthur Schilpp編輯，美國紐約市 MJF Books 出版，2001 年元月一日重印版）。單行本：《阿爾伯特·愛因斯坦：哲學家-科學家》（Albert Einstein: Philosopher-Scientist；Open Court，3rd edition，December 30, 1998）。

（註二）筆者讀過多次愛因斯坦同步程序，從沒想到被騙；視而不思，真是書呆子一個！

（註三）2023 年初可攜帶型的商業原子鐘精確度高達 10^-11%。

（註四）大英百科全書：科學假設是對自然界中觀察到的現像或一組狹窄現象提出初步解釋的想法。

（註五）參見『不用數學就可以解釋──相對論的著名想像實驗「雙胞胎悖論」』。

（註六）這種不顧物理的隨心所欲「規定」使筆者想到了波爾於 1913 年提出的：「電子雖然如行星繞日，但它的軌道卻不能隨便，而必須適合一個新的條件，即量子條件（quantum condition）。在這種軌道條件下的電子是穩定的，它可不服從電磁理論，因此也就不須放射出電磁波。」波爾輕而易舉地用「規定」的方法解決了拉塞福 ( Rutherford ) 原子模型與電磁理論的衝突（參見「原子的構造」）。當然，波爾原子模型的成就不只解決這衝突而已，它事實上解釋了當時存在的部份光譜問題，推動了新力學的迅速發展。同樣地，愛因斯坦的規定不只提出了「同時」是相對的觀念，還開創出一個新的力學。

（註七）用兩個簡單的公設就可推導出當時已知的洛倫茲轉換方程式（Lorentz transformation）、時間膨脹（time dilation）、洛倫茲—傅玆久拉空間收縮（Lorentz－FitzGerald contraction ）等公式，這絕對不可能是一個巧合。

延伸閱讀

• 「愛因斯坦是第一個發現狹義相對論的物理學家嗎？」《泛科學》,2022年10月21日。
• 「近代物理的先驅：馬克斯威」《科學月刊》，2019年4月。
• 『不用數學就可以解釋──相對論的著名想像實驗「雙胞胎悖論」』,《泛科學》,2022年8月26日。
• 「思考別人沒有想到的東西──誰發現量子力學？」，《泛科學》,2022年6月1日。
• 「量子糾纏態的物理」，《泛科學》,2024年4月24日。
• 「大家都知道地球在動，但你怎麼知道？」，《泛科學》,2023年6月19日。
• 《我愛科學》（華騰文化有限公司，2017年12月出版）：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。內含本文談到之「原子的構造」（科學月刊1971年6月）、「量子統計的先鋒－波思」（科學月刊1971年4月號）、「愛因斯坦的最大錯誤——宇宙論常數」(科學月刊2011年12月號)、「愛因斯坦其實沒那麼神？」（泛科學2016年3月16日）、「愛因斯坦的最後一搏—EPR悖論」」（科學月刊2016年5月）、「乙太存在與否的爭辯 」（科學月刊2017年5月）。