螢火蟲為什麼發光卻不會發燙？
― 燈泡是「先發熱才能發光」
白熾燈泡點亮一段時間後，會燙得讓人不敢用手直接摸。但螢火蟲就算放在手掌心，也不會感覺到熱。同樣是「發光」，這個差異究竟從哪裡來？答案不在效率好壞，而是發光的方式根本不同。燈泡把熱當成必經的路，螢火蟲則完全繞過了它。
剛點亮的白熾燈泡，不小心碰到差點被燙傷——你可能有過這種經驗。玻璃表面溫度會超過100℃。
為什麼會這麼燙呢？其實是因為不發熱就無法發光。裡面那條細細的金屬絲，靠電力被加熱到2000℃以上。變熱的東西才會發光。這和柴火裡的炭發出紅光是同一個道理。
螢火蟲又是如何呢？就算放在手上，也完全不覺得溫暖。但即使在漆黑的夜路上，牠發出的光依然清晰可見。
從這裡可以得出一個結論：發光和發熱，本來就沒有必然的關係。反而是燈泡多繞了一段沒必要的路。
把熱當成必經的通道。所以會發燙不是失敗，而是必要的一個步驟。而且大部分能量最終都留在熱裡。
不經過熱這一關。分子反應產生的能量，直接就變成了光。所以溫度不會上升。
而且白熾燈泡能轉換成光的，只佔用電量的5%左右，剩下的都變成了熱。接下來依序說明。
發熱的東西，為什麼會發光
先從燈泡這邊來看。物體溫度一旦升高，就會開始發光。暖爐的發熱體看起來是紅的、熔化的鐵會發出刺眼的光，都是同樣的現象。
不過溫度還不夠高的時候，只會發出肉眼看不見的光。人體其實也會發光，只是那是紅外線，看不到。要發出肉眼可見的光，需要非常高的溫度。
白熾燈泡裡的金屬絲，溫度超過2000℃。即使如此，發出的光大部分仍是看不見的紅外線，變成可見光的只是其中一小部分。
所以白熾燈泡並不是「不小心變熱」，而是「不發熱就無法發光」。熱不是副產品，而是過程本身的一個階段。
因為發熱正是它發光的方法。
螢火蟲，跳過了中間那一步
螢火蟲的做法完全不同。牠的體內會讓某種物質和氧氣結合，引發反應。這個反應產生的能量，直接就變成了光。
這裡的關鍵在於，牠使用了能挑選反應對象的工具（酵素）。只讓特定的反應、以特定的速度進行。所以完全不需要「先加熱」這個步驟。
能夠一閃一閃地發光，原因也在這裡。燈泡因為很燙，關掉後不會馬上暗下來。螢火蟲只要停止反應就立刻熄滅，重新啟動反應就立刻發光。據信不同物種會以固定的間隔閃爍，這是牠們尋找同伴的訊號。
顏色也有意義。螢火蟲發出的是黃綠色的光，這正好接近包括人類在內，許多動物眼睛最敏感的顏色範圍。等於是在黑暗中，用最少的能量發出最容易被看見的顏色。
坊間常介紹「螢火蟲發光時，幾乎100%的能量都變成了光」。這個數字最好謹慎看待。
這個說法源自20世紀中葉的測量，88%這個數值長期被引用。但2008年有一項以更謹慎的方法重新測量的研究，結果顯示大約只有41%。
更容易混淆的是，這個「效率」和燈泡的效率所指的並不是同一件事。它表示的是每發生一次反應，會產生幾個光的粒子，而不是「投入的能量有多少百分比變成了光」。兩者不是能放在同一個基準上比較的數字。
即便如此，「不經過熱」這個差異依然是真實的，光靠這一點，就足以說明螢火蟲為什麼不會發燙。數字越有名，越值得確認一下它測的到底是什麼。
這件事，跟電費也有關
白熾燈泡會發熱，代表照明同時也在扮演暖氣的角色。冬天或許還算幫忙，但夏天就麻煩了。
正如冰箱那篇文章提到的，進入房間的熱，最後得靠冷氣搬到外面去。而這個搬運過程，也需要用電。
計算下來，點亮10個60瓦的燈泡，照明本身用掉600瓦，光是要把這些熱排出去，還要再花大約140瓦（詳細計算見文末折疊區塊）。換掉照明之後，連冷氣費都會下降，原因就在這裡。
現在的LED照明，不經過熱這一步，直接把電變成光。就發光方式來說，牠比較接近螢火蟲，而不是燈泡。要達到相同亮度，耗電量大約只要八分之一。
螢火蟲是靠光來尋找同伴的。如果拿強光照牠，這個訊號就會被蓋過去。
- 不要把手電筒或手機螢幕的光對著螢火蟲。照亮腳下時，據說套上紅色玻璃紙可以減少影響
- 不要捕捉牠們。成蟲的壽命大約只有1到2週，牠們得在這段時間內找到同伴
- 棲息地在水邊。在昏暗的地面靠近河川，請留意腳下和同行者的位置
有些地區訂有保育規定。請遵守當地的指引。
在家就能確認的事
- 找出家裡的照明燈具。LED燈泡，還有如果家裡有的話，白熾燈泡或舊式燈具
- 點亮後等待大約5分鐘
- 在距離約20公分的地方把手靠近（不要碰到），比較兩者的熱度
- 白熾燈泡那邊，會明顯感覺到溫熱。LED則幾乎感覺不到
- 比較兩者標示的瓦數和亮度（流明）。計算相同亮度下，耗電量相差幾倍
第5步是這個觀察的重點。「明明亮度相同，耗電量卻差了好幾倍」，可以用自己算出來的數字確認這件事。這個差距，全都變成了熱。白熾燈泡溫度非常高，請絕對不要觸碰。附近也不要放置紙張或布料。就算是LED，燈具根部也會發熱。
總結
螢火蟲不會發燙，與其說是因為效率高，不如說是因為牠沒有把熱當成必經的通道。白熾燈泡的構造是不發熱就無法發光，用掉的電大約有95%變成了熱。發光和發熱，本來就沒有必然的關係。
繞了遠路的，其實是燈泡。
關於光與昆蟲的關係，也歡迎閱讀為什麼昆蟲一到晚上就會聚集在燈光旁邊？，這篇談的是夜晚的人造光，如何打亂昆蟲判斷「上方在哪裡」的感覺。
想知道更多 ― 用語・數值・與教科書的關聯從國中理科到研究中的話題，皆標明屬於哪個程度
- 國中國中理科會學到的範圍
- 高中高中「物理基礎」「生物基礎」會學到的範圍
- 高中＋高中「物理」「化學」，或教科書中屬於延伸、專欄的內容
- 大學高中不會教，屬於大學專業科目（生物物理・光化學）的內容
- 研究中連大學都還不當作「定論」教授、研究者目前仍在調查中的話題
國中用語：跟光有關的詞彙
- 白熾：物體變成高溫後發光的現象。白熾燈泡的名稱就是由此而來。
- 紅外線：肉眼看不見的光，會被感受為熱。白熾燈泡發出的光大部分屬於這一類。
- 生物發光：生物靠化學反應產生光。可見於螢火蟲、部分魚類、菇類等。
- 酵素：只推動特定反應的生物工具。螢火蟲的發光也用到了它。
- 流明：亮度的單位，跟瓦特（耗電量）是不同的東西。要比較亮度，就用流明來比。
高中用公式來確認：燈泡的能量究竟去了哪裡
和冰箱那篇文章一樣，只是在追蹤能量的去向而已。用加減法就能算出來。
用掉的電 ＝ 變成光的部分 ＋ 變成熱的部分
| 用掉的電 | 耗電量［W］ |
| 變成光的部分 | 以可見光形式發出的部分［W］ |
| 變成熱的部分 | 紅外線與燈具本身的發熱［W］ |
能量不會憑空消失，一定會流向其中一邊。白熾燈泡能轉換成光的，大約只有5%。
| 60瓦的白熾燈泡 | 耗電量 60 W |
| 變成光的部分 | 60 × 0.05 ＝ 3 W |
| 變成熱的部分 | 60 − 3 ＝ 57 W |
等於同時開著一台3瓦的照明和一台57瓦的電暖器。與其說是「燈泡」，更像是順便發光的電暖器。
用LED達到相同亮度，大約只需要8瓦。
| 白熾燈泡 | 60 W |
| 相同亮度的LED | 約 8 W |
| 差幾倍 | 60 ÷ 8 ＝ 7.5 倍 |
照明產生的熱，會留在房間裡。如果開著冷氣，把這些熱搬到室外，也要花電。
| 10個60瓦的燈泡 | 60 × 10 ＝ 600 W |
| 其中變成熱的部分 | 600 × 0.95 ＝ 570 W |
| 冷氣排熱所需的電（性能係數4） | 570 ÷ 4 ≒ 143 W |
| 合計 | 600 ＋ 143 ＝ 743 W |
若用LED達到相同亮度，
| 10個8瓦的LED | 8 × 10 ＝ 80 W |
| 變成熱的部分（假設一半） | 80 × 0.5 ＝ 40 W |
| 冷氣排熱所需的電 | 40 ÷ 4 ＝ 10 W |
| 合計 | 80 ＋ 10 ＝ 90 W |
743瓦和90瓦，差了8倍以上。照明本身的差距是7.5倍，但把冷氣的負擔也算進去，差距會更大。
換照明連冷氣費都會下降，就是這種雙重效果造成的。只換了一個裝置，卻連帶減輕了另一個裝置的負擔。追蹤能量的去向，就能看出這種關聯。
※ LED變成熱的比例因產品而異。這裡的計算只是為了掌握效果的大致規模。
這是本文提到的，螢火蟲發光效率的話題。2008年的報告指出，大約是41%。這個數值表示的是反應發生100次時，會產生幾個光的粒子。
| 反應次數 | 100 次 |
| 產生光粒子的次數 | 41 次 |
| 沒有變成光的次數 | 100 − 41 ＝ 59 次 |
剩下的59次，能量流向了熱，或是不發光的其他路徑。並不是「接近100%」。
不過，這裡比較的方式要小心。②算出的燈泡5%，指的是「能量中有多少百分比變成了光」；這裡的41%，指的是「次數中有多少百分比產生了光」。單位不同，不能直接把41和5放在一起比較。
即便如此，這篇文章的結論並不會改變。螢火蟲不會發燙的原因，不在於效率高低，而在於牠沒有把熱當成必經的通道。不管是5%還是41%，這個結論都成立。
數字越有名，越要確認它測的是什麼。然後確認結論是否依賴那個數字。這兩點，我認為隨時都派得上用場。
高中＋靠溫度發光，究竟是怎麼一回事
物體變成高溫會發光，是因為內部粒子劇烈運動，這種運動以電磁波的形式向外釋放。發出的光的顏色由溫度決定，溫度越高，波長較短的光就越多。
白熾燈泡的極限就在這裡。要大量發出可見光，需要接近太陽表面的溫度（約5500℃）。但金屬在3000℃多度就會熔化。
只能妥協在2000℃多度，而在這個溫度下，發出的光大部分是紅外線。這就是「5%」的真相。不是材料不夠好，而是原理上就達不到。
另一方面，化學發光和LED與溫度無關，會發出能量固定的光。顏色由反應或元件的特性決定，可以只製造出想要的顏色，不需要發出紅外線。
大學「發光」也分好幾種
因為容易混淆的詞彙很多，這裡先整理一下。
| 種類 | 能量來源 | 例子 |
|---|---|---|
| 熱輻射 | 溫度本身 | 白熾燈泡、柴火、太陽 |
| 化學發光 | 化學反應 | 螢火蟲、化學螢光棒 |
| 螢光 | 照射到的光 | 螢光筆、日光燈管內側 |
| 電致發光 | 電流（在半導體中） | LED、有機EL |
這幾種發光方式的共通點是，只有熱輻射需要「溫度」。其他三種都是分子或元件先進入高能量狀態，再從那個狀態掉落時發出光。不需要讓整體變熱。
在螢火蟲的反應中，據信酵素把反應發生的地方隔離在遠離水分子的環境裡，這與效率有關。因為如果能量被周圍的水分子奪走，就不會變成光，而是變成熱。「不讓能量變成熱的巧思」，就內建在酵素的結構本身之中。
研究中還沒有定論的事
- 發光效率的數值本身，還沒有確定下來。正如本文提到的，長期被引用的88%，在2008年的報告中被下修到大約41%。由於測量困難，也依賴測量條件，至今仍有爭議。教科書或解說文章中，有時仍留著舊的數值。
- 不同物種顏色不同的機制，還無法完全解釋。使用的物質明明相同，卻因為酵素上細微的差異，顏色會從綠色變到橙色。哪個部分造成了什麼影響，研究仍在持續。
- 群體同步發光的物種，其機制也只弄清楚了一部分。在東南亞等地，已知有大量螢火蟲同時一齊閃爍的現象。一般認為牠們是靠觀察彼此的光來調整節奏，但詳細的規則因物種而異。
- 就連「為什麼要發光」，也存在好幾種說法。主要的解釋是為了尋找同伴，但幼蟲和蛹也會發光，光靠這個理由並不夠。也有一種說法認為是對掠食者的警告，不同物種可能扮演不同的角色。
此外，與螢火蟲發光相關的酵素，如今已成為全世界實驗室裡使用的工具。用來透過光的強弱，測量細胞內基因是否在運作。研究昆蟲如何發光，最後成為完全不同領域基礎的例子。
與教科書的關聯（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文的哪個部分 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科・能量的轉換 | 電力分成熱和光 |
| 高中 | 物理基礎・能量守恆 | 60 − 3 ＝ 57 的計算 |
| 高中 | 生物基礎・酵素的作用 | 只推動特定反應的工具 |
| 高中＋ | 物理・熱輻射／化學・光與分子 | 溫度與發出光的顏色、2000℃的極限 |
| 大學 | 光化學・生物物理 | 發光的四種分類、酵素隔絕水分的作用 |
| 研究中 | 生物發光（未解決） | 效率的數值、顏色的控制、同步發光 |
| ― | 生活・環境 | 照明與冷氣的關係、賞螢的方式 |
- Ando, Y. et al., Firefly bioluminescence quantum yield and colour change by pH-sensitive green emission, Nature Photonics 2, 2008。
- Seliger, H. H. & McElroy, W. D., 約1960年前後，關於螢火蟲發光效率的一系列報告（88%數值的出處）。
- Shimomura, O., Bioluminescence: Chemical Principles and Methods（生物發光領域的標準參考書籍）。
- 日本資源能源廳（資源エネルギー庁）及照明相關團體，關於光源效率的資料。
- 日本環境省（環境省）及各地方自治體，關於螢火蟲棲息環境保育的資料。
※ 光源的效率、LED的發熱比例，會因產品而有很大差異。本文列出的是一般常被引用的參考數值。
※本文為一般大眾取向的科普解說。白熾燈泡溫度會非常高，使用時請遵照產品說明，並讓易燃物遠離。觀察螢火蟲時，請留意當地的保育規定與水邊的安全。文中列出的數值，僅供理解原理之用。