【深造物理】電磁輻射：從陽光到 Wi‑Fi 的一體化科學

清晨的陽光、八達通「嘟」的一聲、手機連上 Wi‑Fi、微波爐叮一叮把早餐加熱——這些看似無關的日常細節，其實同屬一個大主題：電磁輻射（electromagnetic radiation）。它既是我們眼中的光，也是無線通訊的「看不見的橋」。理解電磁輻射，不單能幫你解讀生活科技，亦能把你與整個宇宙的運作連結起來。

什麼是電磁輻射？波與粒子的雙重面貌

電磁輻射是電場（electric field）與磁場（magnetic field）相互交織、在空間中傳播的擾動。電場變動會生成磁場，磁場變動又會生成電場，這種「你追我趕」的動態由麥士維（Maxwell）方程組描述。這個自我維持的波，以光速 c 在真空中傳播，c 約為 3×10^8 m/s。波的頻率 f 與波長 λ 之間滿足 c = fλ；頻率愈高，波長愈短。

量子物理告訴我們，電磁輻射同時具有粒子性：它可以視作由一粒粒光子（photon）組成。每個光子的能量 E = h f（h 為普朗克常數），頻率愈高，單個光子的能量愈大。光子亦帶動量 p = h/λ。這個雙重性（wave–particle duality）讓我們能同時用波動直覺處理干涉與繞射，也用粒子直覺解釋光電效應與康普頓散射。

電磁波還有「偏振」（polarization）：電場振盪的方向。線偏振、圓偏振等，在太陽眼鏡、液晶顯示（LCD）、通訊天線設計和雷達極化成像中都有應用。對我們的感官而言，可見光只是電磁波譜中的一小段，更多「看不見的光」在我們身邊默默工作。

電磁波譜：從低頻到高能

頻段	典型頻率 / 波長	主要來源 / 用途	能量與風險
無線電波（Radio）	kHz–GHz；波長公里至厘米	廣播、手機、Wi‑Fi、藍牙、GPS、天文電波	非電離（non‑ionizing），主要熱效應
微波（Microwave）	約 1–300 GHz；波長米至毫米	微波爐、雷達、5G（含毫米波）、衛星通訊	非電離；高功率可致加熱
紅外線（IR）	約 0.7–1000 μm	熱影像、遙控器、光纖通訊（近紅外）、夜視	非電離；熱輻射主角
可見光（Visible）	約 400–700 nm	人眼視覺、照明、相機、光伏	非電離；強光可傷眼
紫外線（UV）	約 10–400 nm（UVA/UVB/UVC）	日曬、殺菌燈、化學反應驅動	UVB/UVC 可致 DNA 損傷；需防護
X 光（X‑ray）	約 0.01–10 nm	醫學影像、安檢、材料分析	電離（ionizing），需控制劑量
伽瑪射線（Gamma）		核反應、放射性衰變、宇宙高能事件	高度電離，穿透力強

重要的是分辨「電離」與「非電離」：當光子能量高到足以把原子或分子電離，就屬電離輻射（如 X 光、伽瑪射線、部分高能 UV）。電離輻射能打斷化學鍵，增加生物風險。相反，無線電、微波、紅外與可見光主要引起加熱或光化學效應，不會直接電離。

電磁輻射如何與物質互動？

吸收與發射（absorption/emission）：原子與分子的能級（energy levels）是量子化的。當光子能量匹配能級差，就會吸收或放出光子，形成「譜線」。分子旋轉（微波）、振動（紅外）、電子躍遷（可見/紫外）各有其「專屬頻段」。
熱輻射（thermal radiation）：任何溫度高於絕對零度的物體都會放出黑體輻射（blackbody radiation）。太陽表面約 5800 K，峰值在可見光；地球表面約 300 K，峰值在中紅外。這解釋了為何熱像儀看的是紅外線，而非「看穿牆」的奇幻能力。
反射與折射（reflection/refraction）：光進入不同介質，因電磁性質（介電常數、磁導率）不同而改變速度，產生折射（斯涅耳定律，Snell’s law）。折射率 n = c / v（v 是介質中的相速度）；玻璃纖維以全反射把光束導引至數十公里外。
色散（dispersion）：不同頻率的光在介質中速度不同，造成白光經稜鏡分色。通訊工程要管理色散，避免訊號「拉長」互相重疊。
散射（scattering）：小於波長的顆粒主導瑞利散射（Rayleigh scattering），藍光較易被散射，故天空呈藍色；空氣中較大的微粒（如霧霾、海鹽）引發米氏散射（Mie scattering），讓遠景泛白、日落偏紅。
繞射與干涉（diffraction/interference）：波前繞過障礙及多路徑相疊會形成亮暗條紋。無線網絡覆蓋常見多徑干涉；光學上，繞射極限決定顯微鏡解析度，超解析技術（如 STED、PALM）以巧妙方式突破限制。
光電效應（photoelectric effect）與康普頓散射（Compton scattering）：需要粒子觀點理解高能光子如何逐一把電子擊出或改變光子的波長。

能量與安全：從加熱到電離

非電離輻射：包括無線電、微波、紅外、可見光。主要效應是加熱或引發低能量的光化學過程。手機與 Wi‑Fi 的暴露重點指標是比吸收率 SAR（W/kg），國際指引（如 ICNIRP）規範上限。功率密度隨距離平方衰減（inverse‑square law），因此與訊號源保持距離是最簡單的降低暴露方式。
電離輻射：包含 X 光、伽瑪及部分短波長 UV。單個光子能量足以打斷化學鍵與電離原子，長期或高劑量暴露增加風險。醫學影像嚴格控制劑量，權衡診斷效益與風險。MRI 主要使用強磁場與射頻（RF）脈衝，屬非電離。
紫外線：UVA（315–400 nm）能穿透皮膚較深，導致光老化；UVB（280–315 nm）更易引發曬傷及 DNA 損傷；UVC（
微波爐與 5G：微波爐在 2.45 GHz，功率高且為密閉腔體，門上金屬網孔比波長細很多，能量不易外洩。5G 使用子 6 GHz 與毫米波頻段，屬非電離；基地台輸出功率分配給眾多用戶、且受監管，環境實測一般低於指引限值。
感覺與事實：感覺到「熱」不等於「危險電離」。反之，紫外與 X 光即使不「熱」，也可能造成分子層面的損傷。理解能量尺度，比感覺更可靠。

香港日常的電磁輻射地圖

八達通／NFC：工作在 13.56 MHz 的近場通訊（NFC），屬近場耦合（near‑field coupling），能量在幾厘米內高效交換，離開線圈範圍便迅速衰減。
Wi‑Fi 與藍牙：常見於 2.4 GHz、5 GHz，近年亦有 6 GHz（Wi‑Fi 6E/7）在部分地區開放。家中路由器功率低、覆蓋短，穿牆會衰減。
5G／4G：子 6 GHz 的 3.x GHz 與毫米波（如 26/28 GHz）並存。毫米波容量大但穿透力低，易被牆與雨滴衰減，因此需更密集的基站或室內小型站點。
地面數碼電視：使用 UHF 頻段，波長較長，繞射能力強，適合城市覆蓋。
香港天文台氣象雷達：利用微波探測降雨回波，估測降雨強度與移動；閃電探測亦依賴電磁訊號分析定位。
LED 招牌與照明：可見光發光二極體（LED）透過電致發光（electroluminescence）直接把電能轉為光，不涉及電離。
紅外與感測：自動門、遙控器用紅外；手機的前置感測器、安防熱像儀，都是在「看不見的光」裡工作。
感應爐與無線充電：多屬近場磁感應，頻率低、距離短，重在磁通耦合，不是把「微波」發射到空間。

更深入一點：從黑體到量子電動力學

黑體輻射（blackbody radiation）：普朗克提出能量量子化解釋黑體光譜，奠定量子論。維恩位移定律（Wien’s law）把溫度與峰值波長連起來，解釋太陽峰在可見而地球在紅外。
受激與自發發射（stimulated vs spontaneous emission）：受激發射讓雷射（laser）得以產生相干（coherent）、單色性強的光束。雷射從條碼掃描到光纖主幹、醫療手術與光刻都扮演關鍵角色。
光伏效應（photovoltaic effect）：當光子能量超過材料禁帶寬度（bandgap），即可激發電子—電洞對，被內建電場分離成電流。這就是太陽能板的核心原理。
量子電動力學（QED）：把電磁場視為量子場，光子是其量子激發。電子之間的電磁力可被理解為「交換虛光子（virtual photons）」的結果。這個理論在精確度上是人類最成功的物理理論之一。
天文觀測：宇宙微波背景（CMB）是 2.7 K 的近完美黑體輻射，記錄了早期宇宙的「遺光」。不同波段的天文望遠鏡（射電、紅外、X 射線、伽瑪）揭示恆星形成、星際介質到高能爆發事件。這些都是電磁輻射的宇宙篇章。

測量與單位：如何「看見」看不見的光？

頻率與波長：Hz（赫茲）與 m（米）是基本單位；常用的還有 GHz、MHz、nm（奈米）、μm（微米）。
能量：J（焦耳）與 eV（電子伏特）常用於單光子或譜線能量。
強度：照度（illumination，lux，對可見光）、輻照度（irradiance，W/m^2）、輻亮度（radiance，W·sr⁻¹·m⁻²）。通訊常用 dBm（相對 1 mW 的對數功率）描述信號強弱，天線增益以 dBi 表示。
SAR（比吸收率）：W/kg，量度在生物體內的吸收速度，手機與可穿戴裝置須符合法規限值。
儀器：
- 光學：分光儀（spectrometer）、光電二極體（photodiode）、CCD/CMOS 相機、波片與偏振片。
- 紅外/微波：熱電堆、輻射計（radiometer）、微波功率計、波導（waveguide）。
- 射電：頻譜分析儀（spectrum analyzer）、網路分析儀（VNA）、各式天線（偶極、貼片、拋物面）。
- 纖維與通訊：光功率計、OTDR（光時域反射儀）評估纖維損耗與故障位置。

常見迷思與快問快答

5G 會致癌嗎？現時的流行病學與生物機制研究未有一致證據顯示日常 5G 暴露會致癌。通訊裝置受嚴格功率與暴露指引規範。減少暴露的基本方法是拉開距離與縮短不必要使用時間。
微波爐會令食物「帶輻射」嗎？不會。微波只是讓水分子等偶極旋轉、摩擦生熱；關機即無任何殘留「輻射」。門上金屬網孔以法拉第籠原理阻擋微波外洩。
藍光對眼睛一定有害？藍光能影響晝夜節律，睡前建議減少強藍光暴露；但日間適度藍光是自然光的一部分。選擇合規的屏幕亮度與適當休息更實際。
戴偏光太陽眼鏡只是潮？偏光鏡能削弱路面與水面的反射眩光，提高對比，減輕眼睛負擔；但在看某些 LCD 顯示時可能出現顏色或亮度不均。
基站在屋頂更危險？反而因為距離遠、波束向外，地面實測場強通常較低。把手機貼近頭部通話時，局部暴露可能高於你在街上經過基站。
雲雨會擋信號？毫米波特別容易被雨滴與牆面吸收或散射，因此高頻通訊需要更密的覆蓋與波束賦形（beamforming）。較低頻率繞射能力強，穿牆較好。