• 趣談電磁波(林一平 教授)
2011-03-24

交通大學資訊工程學系教授、網路通訊國家型科技計畫顧問/林一平

 
        電磁波 (Electromagnetic Wave) 的應用無所不在,如行動電話、微波爐、電視、廣播等。然而社會大眾對於電磁波往往不甚了解,對它是否危害人體健康,也一直存有疑慮,甚至為之恐慌。其實只要有電磁波的基本常識,很多疑慮就會消除。首先,大家應了解不同來源的電磁波有不同的頻率及能量。頻率愈高,個別光子 (Photon) 所擁有的能量愈大。而電磁波的能量 (Energy) 及其電磁場 (Field) 的強度,會對人體產生不同效應。

        1895 年倫勤 (Wilhelm Conrad Röntgen; 1845-1923; 參見圖一)發現 X 光,1900 年維拉德 (Paul Ulrich Villard; 1860-1934; 參見圖二) 發現Gamma射線。這些都是極高頻的電磁波,能量強度可打斷結合細胞分子的鍵結,產生分子的游離,是為「游離輻射」(Ionizing Radiation),具有累積效應。這類電磁波對人體有害,殆無疑義。除非發生骨折這類不幸,非到醫院拍張白骨精的 X光片供醫生參考,否則人人對 X 光是避之唯恐不及。而提到 Gamma射線,就令林某人想起美國作家可里(Edwin Raymond Corley;1931-1981; 參見圖三( 左)1970年的 驚悚小說《上帝因素》(The Jesus Factor)。這本小說以第二次世界大戰時美國曼哈頓計畫 (Manhattan Project) 為藍本,杜撰出原子彈發展過程的陰謀論,敘述美軍在空中拋投原子彈 時,特意產生出物理放射性核種(Radionuclides),導致大量 Gamma射線的輻射。讀起小說,刺激有趣,但倘若發生在現實生活,可是一場浩劫。

        頻率較低的電磁波如可見光、微波 (Microwave)以及瑞特 (Johann Wilhelm Ritter; 1776-1810; 參見圖三 ( 右 )) 於 1801 年發現的紫外線 (Ultraviolet Rays),會產生熱效應。這類電磁波雖然不會產生分子的游離,但可能會加熱細胞、改變其化學反應或感應電流,對人體產生影響 [ 文獻一 ]。這類影響有好有壞,例如曬陽光可幫助人體製造維他命D,是其好處。嬰兒出生時黃膽過多,醫生就會吩咐要多曬太陽。但日光曬過頭,其壞處是可能會造成曬傷,甚至皮膚癌。

       
圖一:倫勤 (Wilhelm Conrad Röntgen; 1845-1923)
          
圖二:維拉德 (Paul Ulrich Villard; 1860-1934) 好像是近視眼,我將他的眼鏡摘下。
       
        行動電話如國內 3G、GSM、PHS 及 WiMAX的射頻 (Radio Frequency) 屬於較低頻的微波,只要不在短期內傳輸太多能量給人體,並不會產生立即性的傷害。數年前剛推出藍芽手機時,林某人將手機貼向臉頰,會有麻麻的感覺,著實擔憂了好一陣子。然而市面上有許多價格很高的天珠(或類似產品),聲稱有磁場電磁波,有益健康,讓消費者趨之若鶩。問題是,如何認定天珠的電磁波是好的,而手機的電磁波就是壞的?說天珠的電磁波屬於中紅外線,是最適合人體的一種波,此說法其實缺乏科學的實驗數據佐證。甚至有業者廣告:天珠「能夠吸取宇宙能量」,幫人改運解厄。這種說法,彷彿是天方夜譚,只能說是心誠則靈的玄學囉。
 

          
圖三:(左) 可里 (Edwin Raymond Corley; 1931-1981);(右) 瑞特 (Johann Wilhelm Ritter; 1776-1810)

 
        行動電話的射頻,可能改變人體內離子與水分子移動,進而產生加熱效應。但人體正常的溫度調節機制會消除這些熱影響,應不危及人體健康。再者,對行動電話業者而言,電磁波頻率越低,穿透性越強,較不易衰減,通話品質較佳。因此國內電信業者一直希望能使用較低的700MHz 頻譜。但有部分研究認為不易衰減的射頻電磁場可能產生癌症和記憶損失 [ 文獻一 ],然而至今並無任何定論,仍舊爭議不斷。頻率極低的電磁波如高壓電力線,則連熱效應都不會產生。這類極低頻電磁場仍然會感應人體電流,刺激神經和肌肉組織內的細胞。有些研究認為,如果極低頻電磁場的強度太高,仍然可能造成癌症 (尤其是兒童癌症),危害健康。這也是房地產附近若有高壓電塔,往往會變成票房毒藥的原因。近年來電力線也被用來傳送數據(Power Line Communications),其電磁場的影響就更為複雜。不過這些公衛研究並未被動物實驗證實,更無醫學嚴謹依據。
 
        至於行動電話,即使電信業者戟指發誓,說手機電磁波的功率都在「安全」範圍內,仍有疑神疑鬼的用戶不相信。這些用戶若憋不住要講電話,應如何小心使用呢?答案是當手機撥通之瞬間,耳朵最好暫離手機。因為在此時刻,手機可能會發射較強的功率與基地台接通。手機射頻功率係依據收訊強弱,隨時調整。一般而言,打電話時使用耳機是較安全的方法。

 
圖四:(左) 被坦克車壓過的基地台;(右) 偽裝成樹的基地台天線(下面的樹枝都還沒裝上呢)。
 
        美國曾有人抗議行動電話的電磁波,開坦克車連續摧毀七座基地台 ( 參見圖四 (左))。在台灣,行動電話的基地台也是爹娘不親,舅舅不愛的過街老鼠。在國外,為避免民怨而將基地台偽裝的案例亦處處可見 ( 參見圖四(右))。其實國內基地台的發射功率,和 FM 廣播電台及電視公司傳送無線電波的電塔相比,真正是小巫見大巫,微不足道(功率低於數十分之一)。而很多觀眾要看精采的八點檔連續劇,還怕收視訊號不佳,反倒希望電視的無線電波越強越好。

        如果您要求行動電話業者將您家附近的基地台移走,那麼當您使用手機打電話時,手機會發射更強的電磁波,以確保能和更遠的基地台接通,因此對人體的影響更大。還有,當行動電話公司要到您家的大樓架基地台,也不須斬釘截鐵的拒絕。假若電話公司改變主意,將基地台架在隔壁大樓,那您可能會接受到更多電磁波。因為架基地台的大樓本身反而不易接收到訊號-收訊最強的地方是鄰近大樓。

        1990年時,我認識一位貝爾實驗室的電磁波專家John,年高德劭,大壽已達80。有環保人士問他,電磁波對人體是否有負面影響。John說他第二次世界大戰時曾駐守在雷達站。依照規定,在雷達站呆數小時後就應離開,避免接受過多電磁波。但冬天寒冷,雷達設備機殼發熱很溫暖,因此他整天窩在雷達站,捨不得離開,已不知接受多少電磁波。這位80大壽的老先生捻著鬍「你認為電磁波有減短我的壽命子,笑著反問,「你認為電磁波有減短我的壽命嗎?」

        手機或基地台所產生的電磁波是否對人體有害,信者恆信之,不信者則恆不信。而很多在這方面的研究報告,都已有先入為主的成見,同樣的統計數字,可以有完全相反的解讀。環保人士常誤用統計數字,做出誤導大眾的結論。而支持行動電話的人士,也有荒腔走板的表演,曾有「行動電話可以預防腦癌」的結論。這是早期一位John Allen Paulos 先生的研究,將有使用行動電話及不用行動電話的人們分成兩組,所做出來的統計結論。會有如此結果,可能是因為當年能負擔行動電話的人較有錢,其健康狀態較佳,因此較不易生病,和行動電話無關。無論如何,大家都應該用科學態度來了解電磁波的影響,千萬不要捕風捉影的下結論。有公信力的組織如國際非游離輻射防護委員會(International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection) 會嚴謹的規範電磁場強度,避免造成人體傷害。台灣電信產業協會也曾以電磁波的安全為議題,提出一連串公開說帖。2009年起,網路通訊國家型計畫(NCP)亦評估電磁波健康風險,以提供國內政府相關單位參考[文獻二]。而經濟部主導的WiMAX網路建置,也有訊號強度的量測,都遵循國際標準的規範。圖五(左) 是架設在桃園國際機場附近的 WiMAX 基地台。圖五(右) 是量測WiMAX 訊號的工程車,車內有三位工程人員負責訊號強度的量測。
 
圖五:(左)WiMAX基地台;(右)量測WiMAX訊號的工程車。
   
圖六:(左)B-17;(右)黑蝙蝠隊徽(圖案中黑蝙蝠下方為北斗七星,三小四大,代表三十四中隊的編號)

        嚴謹專業的基地台訊號量測是很辛苦的。圖五的 WiMAX 基地台架設於便利商店屋頂。箱型工程車一直繞著便利商店的大馬路來回行駛,反覆量測訊號。路人莫不剎為奇事,甚至有人報警,以為這群箱型車怪客是超商搶匪,正在來回探路呢。

        電磁波另一項重要應用是定位導航。最早的導航系統應該是 LORAN (LOng RAnge Navigation),是美國在第二次世界大戰期間發展出唯一的一套長距離雷達系統。前述貝爾實驗室的專家 John在第二次世界大戰時到麻省理工學院的輻射實驗室 (Radiation Laboratory),參與雷達系統 LORAN的研製。John 如數家珍的回憶,LORAN 曾經影響到臺海兩岸的歷史。1953 年韓戰結束後,美國中央情報局在臺灣組織「西方公司」,由美方將B-17 飛機改裝為偵察機 (參見圖六(左)),配置先進電子偵測設備,運來臺灣新竹組裝。臺灣則訓練空軍菁英飛行員,操作 B-17 偵察機,深入中國大陸,執行夜間低空偵測任務。這部隊編號三十四中隊,又稱「黑蝙蝠」,其隊徽請參見圖六(右)。

        「黑蝙蝠」飛機承載約十四人,負責飛行、電子、領航等工作[文獻三]。由於機組人員過多,電子設備又太過笨重,超出 B-17 原來的設計甚多,因此偵察機必須拆卸原有的防彈裝甲及防衛性武裝。換言之這架飛機只要被中共的米格機盯上,就毫無還手之力,只能挨打。John參與飛機改裝工程,負責LORAN系統。「這種改裝飛機,美國的飛行員是不太敢飛的。 John 回憶道,「臺灣的飛行員則視死如歸的駕駛這改裝的偵察機。」

        三十四中隊通常單機出勤,利用夜幕掩護,進入大陸空域,且採超低空飛行,以躲避米格機的追蹤。三十四中隊被稱為「黑蝙蝠」,是因為B-17 偵察機黑夜低空飛行,猶如蝙蝠。蝙蝠不靠眼睛飛行,而是依賴耳朵迴聲定位來辨別方向。B-17偵察機所依賴的「迴聲系統」就是LORAN。不同之處是蝙蝠利用聲帶產生超音波 (Ultrasound Wave) 迴聲定方位,而LORAN則是利用低頻發射器的陸地無線電波,通過接收多個不同發射站之間的時間差來定位。黑蝙蝠隊徽很清楚說明其運作原理。古人靠北斗七星定方位,而黑蝙蝠的北斗七星就是LORAN。中共飛行員黑夜追趕低飛的黑蝙蝠,只能靠目視,米格機往往撞山壁而毀。1950年代末期,中共積極引進俄製新式雷達與空戰武器,不再目視追蹤,使得黑蝙蝠犧牲慘重。海峽兩岸的空戰悲劇,令人感慨。而利用電磁波所發展的 LORAN,則扮演鮮為人知的角色。

        LORAN是英國的發明,再由美國麻省理工學院的輻射實驗室改進。主要的推手是美國大富豪羅密斯(Alfred Lee Loomis;1887-1975;參見圖七(左 )),因此早期這套系統的命名是Loomis Radio Navigation(LRN)。LORAN發展演進,有LORAN-A及LORAN-C系統,通常被用於航海和航空導航。後來更有加強型的E-LORAN系統,其精確度可達8公尺,比未加強的全球衛星定位系統(Global Positioning System; 簡稱GPS)信號更準確。LORAN成本很高,自然被 GPS取代 (LORAN-C到了2010年已幾乎壽終正寢)。不過一旦衛星被毀,GPS就全無作用。因此近年來美國持續建置E-LORAN系統,當作GPS定位的備用系統。

 
圖七:(左)羅密斯(Alfred Lee Loomis;1887-1975);(右)GPS手機導覽系統(Polstar Technologies提供)
        GPS也是電磁波的應用,其原理早為人知,是經由衛星發射經緯度及時間等其他資訊的訊號,而交通工具(如飛機、船艇、及車輛等)則接收GPS訊號來定位。而將之實現的主要人物之一是葛提(Ivan Alexander Getting; 1912-2003; 參見《行動導航與迷路》一文)。今日的導航系統幾乎都是GPS產品,大部分在臺灣製造,國際有名(如圖七 (右)所示)。台灣運輸業往往使用GPS系統來掌控貨車位置,以利調度。國內曾有一宗貨車和摩托車擦撞的意外事件。摩托車車主指控貨車撞倒摩托車後即加速逃逸。而調閱 GPS 位置紀錄證明,車禍後貨車在現場並未移動,貨車司機因此勝訴。這是電磁波幫忙打贏官司的例子。

        我們一方面很恐慌的想降低電磁波的強度,另一方面卻又想盡辦法想放大微弱電磁波的訊號。提到無線電波的接收放大,老一輩的人都會想到「八木宇田天線」。日本東北帝國大學的講師宇田太郎 (Shintaro Uda; 1896-1976) 在八木秀次 (やぎ ひでつ ぐ ; Hidetsugu Yagi; 1886-1976; 參 見圖八)教授的幫助下,設計並測試了一種「定向天線」,或稱為「寄生天線」。1926年宇田將這篇論文投到日本的無線電雜誌,但沒啥反應。1928年八木秀次訪問美國時,將宇田的論文翻譯成了英文,並在無線電工程師學會(IEEE的前身)發表,受到歐美學者矚目。因為該篇英文論文八木署名在前,所以大家都稱「八木宇田天線」(YAGI-UDA Antenna),甚至幹掉「宇田」,直接叫「八木天線」。

圖八:八木秀次 ( や ぎ ひ で つ ぐ ; Hidetsugu
Yagi; 1886-1976) 和八木宇田天線
 

圖九:「毀滅者」轟炸機(Messerschmitt Bf 110)的機頭雷達裝上八木天線,猶如飛蛾。

        日本在 1932 年後將八木宇田天線投入商業應用,在飛島(Tobishima)與山形縣酒田市(Sakata) 之間建立距離約 40公里的官方無線電電話系統。而歐洲也將八木宇田天線和雷達併用,發展無線電著陸導航技術。二次世界大戰時,八木宇田天線被廣泛的應用於戰爭無線電技術,包括夜間戰鬥機使用的雷達。然而在日本國內,八木宇田天線並未得到應有的重視,直到日軍佔領新加坡時發現了英軍雷達技術人員關於八木宇田天線的記載,他們才意識到其價值。這本手冊,名為「紐曼筆記」,當中繪出八木宇田天線在軍事雷達上的應用。當時看過這本冊子的日軍,無不個個愕然,嘖嘖稱奇。德國將八木宇田天線放在「毀滅者轟炸機(Messerschmitt Bf 110; 參見圖九) 的機頭雷達,使該轟炸機成為德國空軍的夜戰部隊王牌主力。二次大戰後美國審判日本戰犯時,曾很有趣的下了註記:「在聽證會中,八木教授是第一個很驕傲的承認所作所為(八木宇田天線的研究)的日本人,其他的日本人都否認其作為。」(Professor Hidetsugu Yagi was the first Japanese to speak proudly of his work instead of denying it all.)

        八木秀次取得八木宇田天線專利權,並把這項專利讓渡給「美國無線電公司」(RCA),這使戰後發展出來的電視科技,普遍使用八木宇田天線做為電視接收天線。而這種天線也可以用來做手機信號的放大器。
 
        本文提到的麻省理工學院輻射實驗室在第二次世界大戰時期將電磁波的研究發揮得淋漓盡致,對於雷達的發展有不可磨滅的貢獻,也產生出多位諾貝爾獎得主,包括拉比(Isidor Isaac Rabi;1898-1988; 參見圖十)、薄賽爾(Edward Purcell;1912-1997; 參見圖十一)、阿瓦雷茲 (L.W. Alvarez;1911-1988; 參見圖十二) 及冉濟 (Norman F.Ramsey; b.1915; 參見圖十三)[文獻四]。
 
 
圖十:拉比(Isidor Isaac Rabi; 1898-1988) 在1937年確實驗證原子核的角動量,而在1944年獲頒諾貝爾物理獎。拉比並創造了「核磁共振」這個名詞。
   
圖十一:薄賽爾(Edward Purcell; 1912-1997)[文獻五] 與布洛赫 (Felix Bloch; 1905-1983) 因發現在外加磁場下,所有物質只要是有奇數個質子或中子皆可以形成共振現象,能發射特定射頻信號,而在 1952 年榮獲諾貝爾物理獎。這項發現早期應用在化學物質的檢測上。薄賽爾得諾貝爾獎時好像只有發表六篇論文。
 
圖十二:阿瓦雷茲 (L.W. Alvarez; 1911-1988) 因製成第一部質子直線加速器,以及對基本粒子研究發展的貢獻,而榮獲諾貝爾物理獎。
 
圖十三:冉濟 (Norman F. Ramsey; b.1915) 發展出
分離的震盪場方法及其在氫邁射和其他原子鐘上
的應用。

        電磁波的研究在戰爭時期發展出雷達(Radar),讓德軍喪膽。戰後雷達有多項民生應用。例如微波爐(所謂的「雷達烤箱」)深受家庭主婦喜愛。而雷達測速器則成為汽車超速者的剋星。雷達的主要發明者沃森瓦爵士 (Sr. Robert Watson-Watt; 1892-1973; 參見圖十四) 就曾被雷達測速器抓到罰錢,對於自己這項發明的應用,反讓他自食惡果,啼笑皆非。

        2010年 9月11日我參加張進福政務委員的「台灣雲端運算產業聯盟參訪團」,至加州訪問Google及Intel總部。大概時差勞累,撐到傍晚就腰痛頸酸,掛倒在旅館房間床上,沒和其他團員吃飯。過了三小時,同房的陳信宏教授帶中華電信董事長呂學錦來看我。呂董事長叫我端坐在椅子上,放鬆身軀。接著他兩手離我約20公分,繞著我的身子運功。他好似基地台一樣,向我發射電磁波。大約 20 分鐘後,我整個人完全清醒,腰頸的酸痛完全不見。接下來兩天,我感覺清爽,也不太會疲倦,實在太神奇了。次日參訪團由加州飛往西雅圖,目的是訪問在雷蒙(Redmond)的Microsoft總部。在飛機上我正好坐在呂董事長旁邊。飛機起飛一段時間後,呂董若有所思的左看看右看看,告訴我這裡的電磁場很強。我聞言大駭,莫非呂董的神力驚人,竟然能感測到電磁波強度。脫口問他如何知道。他微微一笑,拿出iPhone,按了一下指南針功能。結果iPhone 的指南針功能失效,銀幕出現「指南針干擾:請遠離「干擾源」(參見圖十五)。這代表飛機上的電磁波遠遠強過行動基地台的發射。
 
圖十四:沃森瓦(Sr. Robert Watson-Watt; 1892-1973)年輕(左圖)及年長(右圖) [文獻六]
 
圖十五:(左) 呂學錦董事長在飛機上開啟iPhone的指南針功能;(右) iPhone 顯示指南針的功能失效。

        今日電磁波造就許多便利的服務,卻也引起危及人體健康的恐慌。具爭議性的電磁波,無所不在的影響著人類。行政院科顧組林基興先生有著作宣導電磁正確知識,讀者諸君可參考[文獻七]。
 

[後記]感謝蘇育德教授提供意見。本文由白師瑜及羅鈺婷小姐校稿。


[文獻一]
物理特性與對生物系統的效應 . 行政院環保署 (http://ivy1.epa.gov.tw/nonionized_net/)

[文獻二]
蔡志宏 . 基地台管制與電磁波的迷思 .電信國家型科技計畫簡訊 ,104, April, 2008.

[文獻三]
翁台生 . CIA 在台活動秘辛 -- 西方公司的故事 , 聯經出版公司 , 1991.

[文獻四]
Robert Buderi. The Invention that Changed the World (天下文化翻譯:雷達英雄傳)

[文獻七]
林基興 . 電磁恐慌 , 台大出版社 , 2008.