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發現天文之美──目睹星體誕生、前進太空世界的24次航程

絢爛的星空裡藏著多少秘密?無垠的宇宙正展現著哪些令人嘆為觀止的美景?其他的星球是什麼模樣?跟地球一樣有生命存在嗎?身為擁有無窮好奇心的渺小人類,該如何探索如此美麗又神秘的天文學?就從這本特輯開始吧!

精采單元:

深入星空天文奇景星際奇航探索之眼

導讀

國立自然科學博物館館長 孫維新 專文導讀

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在星空下盡情探索,在荊棘中蹣跚前進

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《科學人》將2002年創刊以來的精采天文文章編纂成集《發現天文之美》,嘉惠學子大眾,功德無量!

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自古以來,在靜靜的星空下仰觀天象,就是一件令人著迷的事情,這是為何我們常說:「天文學,是離我們最遠的一門科學,卻也是離我們最近的一門學科。」最遠,是因為我們研究的星星銀河,都在萬千光年之外;最近,是因為我們抬頭就看得到!

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回首科學發展的滄桑過程,就是一部「自然」、「科學」,和「人」之間的互動史。「自然」深刻影響「人」的生活,而「人」藉著辛苦發展出來的「科學」,去了解「自然」背後的道理,這個三方互動的過程,在天文學的發展中尤其明顯。隨著科學的發展,今日天文學的研究已經不再受到政治和民粹的干擾,而能讓科學工作者單純地根據所觀測到的現象探討其背後的道理,也逐漸發展出了「欣賞-探索-認知-珍惜」四階段的心理歷程,使得天文研究最終走上了科學的道路。然而即使如此,天文科學的研究路途也不是一馬平川的康莊大道,天文學家一直在不斷認錯的荊棘叢中蹣跚前進,究其原因,天文研究中「直觀的現象」和「真正的本質」常常天差地遠,需要付出時間精力和創意思索的代價,才能接觸天文現象的真正本質。

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遠者如托勒密的「地心說」和哥白尼的「日心說」之爭,已經頻繁地見諸史冊及教科書,我們不再贅言;近者如20世紀三大有關「距離」的爭辯,卻值得我們參考深思!

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遙遠天體的「距離」測量,一直是天文學家的心頭之痛,因為「有距離才有

真相」!在清楚知道一個天體的實際距離之後,天文學家才能精確地算出它的「光度」,也就是每秒鐘這個天體實際放出的能量,也才能開始計算具有真實物理意義的天體參數。

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20世紀第一個有關「距離」的大辯論,發生在1920年4月26日的晚上,來自威爾遜山天文台的夏普里(Harlow Shapley)和來自里克天文台的柯蒂斯(Heber Curtis),在美國華盛頓D.C.的國家科學院中,就「星雲」的本質和「宇宙」的尺度,各自表述,總共用了1小時又15分鐘,時間雖短,影響深遠,這場遇合後來被天文史家稱為「大辯論」(TheGreat Debate)。但究其內容,夏普里使用了一連串正確的推導,卻得到了錯誤的結論(大多數星雲是「近」處的雲氣);柯蒂斯使用了一連串錯誤的推導,卻得到了正確的結論(大多數星雲是「遠」處的星系)!不過文人嘴上相爭,從來不會有具體勝負,直到哈伯在1923年10月5日和6日晚上,使用新啟用的威爾遜山2.5米望遠鏡,拍了M31仙女座大「星雲」,找到了第一顆M31中的造父變星,計算出我們到M31之間的距離,終於清楚知道M31絕對是一個獨立於我們銀河之外的星系!從此以後,就如同許多其他「星雲」一樣,M31被更名為「仙女座大星系」,也終結了20世紀第一場關於「距離」的辯論。

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有趣的是哈伯對M31的距離估算其實誤差極大!今天我們知道M31的距離為254萬光年,誤差正負6萬光年,但是當年哈伯因為不知道造父變星有兩種,用了錯誤的定標公式,得到了30萬光年的數值,但無巧不巧,當年對我們銀河大小的估計也是錯得離譜,今天我們知道銀河直徑為10 ~ 12萬光年左右,但當年以為銀河只有3萬光年大小!哈伯就是如此幸運,這兩個錯誤的方向一致,所以哈伯仍然可以做出正確結論:M31是在我們銀河之外!

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第二個距離辯論出現在1960年代,當施密特(Maarten Schmidt)發現「類星體」(quasar)光譜中的奇怪譜線其實就是紅移之後的正常氫原子譜線之後,天文學家先是驚訝於這些類似恆星的天體竟然「遠」在宇宙邊緣,但接著又驚訝於這些天體竟然能放出極大的能量,讓我們在地球上都能偵測得到!也正因為物理上看似荒謬,就有人站出來反對這個說法,認為類星體其實是「近」處星系的核心噴發出來的物體,因為噴出的速度極快,所以產生了很高的紅移,讓大家以為這些天體很遠。這個學說的代表人物以柏比奇(Geoffrey R. Burbidge)及阿爾普(Halton C. Arp)為主,他們在幾個例證圖像中,觀察到類星體(高紅移)和鄰近星系(低紅移)之間似乎有著物質關聯,但是這個學說的最大敗筆,是無法解釋類星體被噴出來的方向都是「背向地球」,只有「紅移」而無「藍移」!雖然這兩位學者的學說幾乎已經被近年來的觀測淘汰,但是直到我念研究所當博士後時,每有國際會議,仍會看到兩位老先生上台重述他們的理念和「新的」觀測證據,大家在底下面面相覷悶不吭聲以示尊重,科學家的堅持有些時候真的令人難以想像。

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第三個距離辯論出現在1995年4月,一方面為了紀念第一個大辯論的75週年,另一方面有關「γ射線爆發」(gamma-ray burst, GRB)的距離爭議方興未艾,這類天體在1970年代被美國空軍發現,原先以為是邪惡帝國的太空核爆,後來才知道是宇宙中隨機出現的爆發性天體,它雖然在高能波段光芒萬丈,但是一閃即逝,偵測距離極端困難,所以才會導致第三場大辯論。當時「民心」所向多半都認為這類天體很近,不過是銀河周邊的「高速中子星」,只因為它們的光變尺度和高能譜線似乎都和中子星的性質有關。這場辯論由藍姆(Donald Q. Lamb)對上巴辛斯基(Bodhan Paczynski),前者贊成中子星理論,說這類天體「近」得很;後者獨排眾議,說這類天體其實「遠」在宇宙邊緣,能量極大。辯論過了沒有多久,地面的快速反應光學望遠鏡和軌道中的γ射線望遠鏡聯手,偵測到了剛剛爆發天體的光學影像,得到光譜之後,發現又是一個「遠」字!

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即使在賭場中擲骰子開寶賭大小,也很難連續開出三個「遠」來!但是20世紀的三場辯論,卻結結實實地給我們上了一課震撼教育,宇宙似乎隨著人類知識的越來越豐富,反而變得越高越遠!

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各位喜愛天文的朋友們,不要因為押寶不中而懷憂喪志,今日的我們,在力學上懂得比牛頓多,在電磁學上懂得比馬克士威多,在相對論上懂得更比愛因斯坦多!這些進展其實一一反映在連篇累牘的天文科普文章之中,我真的很高興也很慶幸,《科學人》雜誌能將過去這些年的天文文章彙整出版,回饋廣大的天文愛好者!

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這本精選集將會帶著我們看「太陽發火」、欣賞「行星創世紀」、參與「恆星嘉年華」、「深入星空」探尋「星系傳奇」,在「多麼希臘的星空下」「向哈伯致敬」,致敬之後再「超越哈伯」? .。這是一本讓所有的天文愛好者都會著迷的天文合輯,只希望大家在欣賞之餘,也能多做推介,讓更多人走出戶外、仰觀宇宙。畢竟,星空是大家的!?

導讀者簡介

孫維新

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台灣大學物理系暨天文物理研究所教授,並擔任國立自然科學博物館館長。主要研究活躍星系核、類星體、星際物質,以及參與國際合作計畫研究星系的交互作用:長期致力於天文科學的研究與教育推廣,主持墾丁天文台,並推動興建青康藏高原天文台,完成後可由台灣遠距遙控。著有《孫維新談天》。

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推薦

【推薦文一】

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從眼前花蕊的排列,到遙遠星系的螺旋結構,大自然的美麗無以言喻。觀測儀器與技術日新月異,我們的知識地平不斷擴展,矮行星、系外行星、棕矮星、不同種類的黑洞,俯拾皆是疑問。能以簡單的數學、物理原理提供答案,令人折服;能以簡單文句理解穹蒼奧秘,讓人覺得幸福。感謝《科學人》收集,幸福就在這些字裡行間。

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-- 中央大學天文研究所教授 陳文屏

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【推薦文二】

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科學人雜誌這本天文特輯,的確精彩。四個單元由近而遠,從太陽系的行星、衛星,一路看向無垠的宇宙大尺度結構,並兼顧天文的歷史與未來,十分全面。所有選文,都出自名家手筆,生動活潑,深入淺出。令我最感驕傲的是國內專家特地為《科學人》所撰寫的文章,篇篇都有國際水準。因為原文即以中文撰寫,更顯流暢。其他選自Scientific American的文章,也多由國內名家翻譯,信雅達兼備,可讀性極高。對天文有興趣的,不論是青年學子或是社會大眾,這都是一本很理想的入門書。

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-- 台灣大學講座教授兼梁次震宇宙學與粒子天文物理學研究中心主任 陳丕燊

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【推薦文三】

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古人形容有學問是「上通天文、下達地理」,現在則是愈通達天文、地理的學者愈不敢數說自己的學問,因為,學的愈多,會知道「未知」才是更多,以至於所知卻是相對愈少!人類的科學之路曾經徬徨蹣跚,曾經篳路藍縷,曾經躊躇滿志,現在終於學會了謙卑。在「天何言哉」的簡單、完美、奇妙、無盡想像力的大自然面前,誰又能夠不謙卑呢﹖莫言「知識就是權力」,那樣太功利﹔期待您在本特輯中,得到尋求知識的喜悅,體會在大自然面前的謙卑。

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--中央研究院 地球科學研究所 研究員 趙丰

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【推薦文四】

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零下2度,我在武嶺之巔,摘星。幾位夜衝的大學生,在我近旁閃耀著青春。「好冷哦?」「好美哦?」我靜靜聽他們興奮呼喊了好一陣子,他們也發現了我這位正在拍照的怪叔叔。攀談了幾句,我透過相機背面的顯示螢幕,分享了剛剛摘得的星空。「X?我不要當演員了,我要當天文學家!」

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在閃閃凍人的星空下,很開心又有幾位年輕人,領受天文的感動。想一窺天文堂奧,我推薦《科學人》的《發現天文之美》精采特輯,其所收錄的24篇報導,緊貼著十年來天文與太空領域的新近發現,精美的圖繪表格,以及洗鍊的文字說明,相當適合在欣賞星空之餘,作為更進一步學習的敲門磚。

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--「用教育 捍衛地球!」部落客謝隆欽
★《全觀奈米新世界》特輯 小尺度的大事業 撰文∕高涌泉

  奈米研究是最近幾年席捲全球科學與工程領域的一場風暴,各個科技先進國家都競相投入資源在奈米科技這個主題上。以美國為例,設立於各大學的奈米科技研究中心就有數十個,來自政府的研究經費合計每一年都有好幾億美元,民間的投資還更多。除美國之外,其他國家花費在奈米科技的經費總額每年將近10億美元。

  在台灣,國科會也很快地把奈米科技列為應加強補助的國家級重點研究計畫。這股熱潮引發了一般人對於奈米研究的興趣,大家都頗好奇奈米到底是什麼新鮮玩意兒。其實這問題還不容易回答,因為奈米和常見的基因、夸克等科學名詞不同,它不是具體的物質,只是一個長度單位(十億分之一米),大約是10個氫原子並排起來的長度。顧名思義,奈米科技要處理的對象就是奈米尺度大小的物體(更恰當一點地講,這些物體或系統起碼有一個維度的尺寸在0.1~100奈米之間)。如果是這樣,奈米科技必然是跨領域的研究,因為奈米尺度本來就是凝態物理、化學、材料、電子、生化、醫學等領域都會碰觸到的,所以奈米科技並不是任何一個傳統科技學門的專利;相反地,很多學門都可以宣稱他們其實早就在從事奈米研究。

  那麼這一波奈米新熱潮究竟新在哪裡?答案在於當今我們遠比從前更能夠掌控奈米尺度結構的物理與化學性質,甚至有時可以依據需求,而將它們組合成更大的結構。如此一來,我們就可能建構出有更佳化學、力學、光學、或電學性能的材料──這正是奈米科技的長遠目標:隨心所欲地,在自然定律的範圍內,將原子或分子組合成符合需要的系統。

  第一個公開談論這個目標的人正是傳奇物理學家費曼,他在1959年一次著名的演講中舉例說,沒有什麼道理我們不能將整套《大英百科全書》寫在針頭上,或是做出極小的馬達。今天奈米科技蔚為風潮,原因就在大家體認到費曼的夢想不全然是天方夜譚。

  為了讓大家進一步認識奈米科技,《科學人》特別出版這一冊《奈米特刊》,其中主要內容如下:第一部份是「台灣篇」,相信這是讀者最關心的部份──台灣奈米科技發展有什麼樣的願景?目前台灣產業發展的現況如何?有什麼樣的前景?為了追求奈米科學和產業的目標,台灣在教育上又做了什麼努力?此外,中央研究院院士鄭天佐長期研究奈米科學,也特別為《科學人》的讀者全面介紹了奈米的科學和技術。

  第二部份是國際篇,主要取材自2001年9月號Scientific American的「奈米科技專輯」,以及過去兩年來有關奈米科技的文章。這些文章內容非常廣泛、深入,包括物理、結構、電子學、資訊學、醫學、機器人學、甚至科幻小說……除了Scientific American的文章以外,我們另加一篇很有意思的書評,作者是名物理學家/作家戴森,所評的書是暢銷作家克萊頓的新著《奈米獵殺》。從這篇書評大家可以了解為什麼有人要杞人憂天地認定奈米科技可能對人類構成威脅。最後,我們附上「奈米科技之父」費曼1959年那篇歷史性的經典演講稿──〈這下面空間還大得很呢!〉。
科學人(第147期/2014年5月號)

封面故事

Brain世紀大解密

32 人腦螢光圖譜?文╱尤斯特(Rafael Yuste)、邱契(George Church)?

世界上最複雜的機器:人類大腦,是如何產生思想與情緒?大型的腦科學研究正積極研發各種創新技術,希望闡明這個世紀之謎。

40 大腦基因地圖?文╱雷恩(Ed Lein)、霍瑞里茲(Mike Hawrykycz)?

我們常以動物來進行腦科學實驗,但是從基因在大腦中的活動分佈地圖,可以明顯看出人腦和鼠腦存在著巨大的差異!世人深信已久的大腦皮質功能理論,受到了挑戰。

48 中央研究院院士曾志朗:智慧從何而來??整理╱鄭靜琪?

腦科學研究真正應該要探究的是人腦不同部位間的功能性連結,進而了解人類的智慧。台灣可以做小規模但具特殊地方性的研究,把自己的平台準備好,未來就可以與國際平台整合。

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50 中央研究院院士蒲慕明:應從社會急需著手?整理╱陳品妤?

如果要對人類有貢獻,腦科學研究應該從腦疾病著手,整合各界的資源進行早期診斷與治療,並針對腦退化疾病與精神疾病開發新藥,這才是社會急需的!

52 清華大學腦科學研究中心主任江安世:先期收穫,單點突破?整理╱龐中培?

許多國家最近都展開了大型的腦研究計畫,台灣應該用獨特的創意做出貢獻,並與既有的電子產業結合,使得研究成果能很快得到應用。?

?從達爾文到愛因斯坦,即便是最穎異的心智也會犯下嚴重的錯誤。

然而,正因為這些錯,才讓後繼者知道什麼是「對」


「最令人驚異的頭腦也並非不會犯錯,他們只是幫人類更高層次的理解先行鋪路罷了。」

——馬里歐.李維歐


人類歷史就是充滿一連串的錯誤與試誤的過程,不論在哪種領域,從聖經、希臘神話、哲學……一直到軍事領域的典籍都是如此。李維歐在本書中討論了五個偉大科學家的嚴重錯誤,包括達爾文、化學家萊納斯.鮑林(Linus Pauling)、物理學家開爾文男爵(Lord Kelvin;William Thomson);英國著名的天文物理學家和宇宙學家弗雷德.霍伊爾(Fred Hoyle)以及愛因斯坦;他們在其所建構的偉大理論中所犯下的錯誤及其細節;還有這些細節所引發的意想不到的結果。


李家維(科學人雜誌總編輯)推薦


◎達爾文對於遺傳學的理解完全錯誤:在他的時代,遺傳學幾乎是一門還不存在的學科,而對於這方面的無知也使得他最著名的天擇(Natural Selection)理論幾乎失去了解釋力。

◎英國首屈一指的科學家卡爾文爵士算錯了地球的年紀,地球的實際年紀要比他所計算出來的「老」上五十倍。因為他認為地球的核心是固態的,而且會以同樣的速率傳遞熱能。

◎鮑林(曾獲得諾貝爾化學獎)提出了DNA的模型,然而他對DNA股數(stands)數目的理解卻是錯的。

◎偉大的天體物理學家霍伊爾痛斥大爆炸理論。他認為,宇宙會永久保持不變,新的物質會讓宇宙不斷的增生。

◎愛因斯坦的名字幾乎就是天才的同義字,不過他在他的方程式中加上了「宇宙常數」,以確保宇宙在自身的重量之下不至崩塌,之後他拿掉了這個部分,但這兩種解釋方式在實際上都是錯誤的。

他們所犯下的這些錯誤,都和「演化」的脈絡有關:包括了生命、地球、星辰和整個宇宙。

透過書信與個人歷史的耙梳,李維歐勾勒出這些科學家的錯誤,解釋他們究竟是如何犯下這些錯誤的。同時他試著分析這些失誤的可能原因,並且盡可能的揭露這些失誤與這些偉大心智的特徵與限制之間的神祕關係。

《從達爾文到愛因斯坦:科學理論的美麗錯誤與演進》是一本關於科學家及其成就的著作,也是一場迷人的心智揭密。


出版社 商周出版(城邦)

走過演化──驗證達爾文理論、重建物種起源的26步驟

演化是生命科學的核心問題。天擇理論的內容與驗證的試驗,物種形成的原因和過程,都可以在本書中找到答案。而從演化角度,人類和其他生物間的界線並不明顯,雖然我們現在已經有能力改變環境,但是人類演化的腳步卻不曾停止。

精采單元:

透視演化論物種的起源動物演化之路人類演化史身而為人

導讀

清華大學生命科學院教授 李家維專文導讀

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從演化歷史看生命未來

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坐在寒武紀開端的岩石上,有無比神聖的感覺,陳均遠細細教我如何辨別碎石塊裡的指標化石。這些被統稱為小殼化石的生物遺骸必然是動物軀體,牠們活在5億4000萬年前,被界定為現今動物的始祖。每個灰黑色的管子可能就是個小動物體,也可能是隻渾身長刺的較大動物死後抖落的一小根。

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16年前我初遇陳均遠,他應國立自然科學博物館之邀來台講學並舉辦「寒武紀大爆發」的展覽。接風席上相見如故,這位來自中國科學院南京古生物研究所的地質學者學問可真好,令我非常傾心,當即決定辭去科博館的館長工作,重回清華大學轉行學習。一個月後,我們在雲南澄江縣見面了,開始約10年的合作研究,這段時光真是美好,想來都是滿心笑意。

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澄江的地層裡埋藏著5 億2000萬年前的大量海洋生物化石,是古生物學的聖地,代表動物的體形與體制突然放大和複雜化,這被稱為寒武紀大爆發的演化之謎,曾被列為上個世紀的10大科學疑題。我們常租輛馬車,往返化石露頭地,白天在野地敲化石,頂著陽光又一身灰,晚上在小館子吃炸馬蜂蛹、抗浪魚和苦蕎麵餅,隨時討論這寒武紀之謎,什麼原因使牠們如此快速演化?什麼原因使牠們如此完整被保存?

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有一天夜裡,我們仰脖大喝香醇的仙湖春,開懷大笑,因為當天一鋤頭敲出了七條罕見的雲南蟲,牠們背上有根脊索,是脊椎動物的始祖。然而隔天我們被跟監了,最後所有的化石都被沒收,罪名是非法採集,我離境時還遭搜身。原因是中央與地方之爭,中國科學院在澄江的研究揚名國際,而雲南的本地學者沾不上邊,就爆發了這場化石資源戰,驚動北京,隔年我被聘為雲南省的科學顧問,和解了事。

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在情勢緊繃之際,陳均遠和我轉移陣地,改到貴州瓮安縣,研究5 億8000萬年前的前寒武紀生命世界,找到了已知最早的動物化石群。之後再回雲南澄江,發現了有頭、腦、眼和脊索的海口蟲。因之獲美國航太總署的支助,擴大成國際團隊,建立工作站,也利用高解析的同步輻射X光源來探討化石內部的顯微立體結構。六年前,陳均遠轉行研究免疫系統的演化,我則投身熱帶植物保育,談起過去的革命情誼,確實回味不已。生命演化史橫跨30餘億年,粗略架構已知,但仍處處是未知的精采環節。我初嚐動物早期演化之甜頭,還看著碗外羨慕,因此常找藉口參與其他團隊的研究,例如到河北薊縣的18億年前的地層,了解多細胞藻類的起源,到東北的遼西看1億2000萬年前的多樣帶毛恐龍,另外也參與了聯合國科教文組織的考古團隊,到過澳洲的不毛內陸、俄國的極區白海和非洲的納米比亞沙漠,增長了見識,結交各國學者,也聽聞這行業的眾多甘苦事,更重要的是我認識了地層裡物種的興衰節奏。

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自寒武紀以來,地球生命曾遭受五次大滅絕事件,那指的是在短的地質時間內,超過75%的物種滅絕,可想像這是99%個體死亡的慘況。災難本是地球的宿命,每次大小滅絕似乎都隨機性的左右了生物的演化方向,但災難間的承平時代也有物種的演替,地層記錄顯示每個物種平均存活約100萬年。

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然而人類正在推動第六次生命大滅絕,物種以100 ~ 1000倍的速度在消失中。這個數字範圍確有所本,容我舉例說明:現生的鳥類約有一萬種,若平均存活100萬年,那麼我們應預期每100年有一種鳥消失,但回顧過去的百年,鳥類的滅絕超過了100種,也就是能趨吉避凶的鳥類以100倍的速度在消失中;台灣的淡水魚記錄約有110種,原該預期每一萬年滅絕一種,但現在有10種僅見於博物館的標本瓶中,表示台灣淡水魚正以1000倍的速度在消失,台灣並非特例,舉世的淡水魚皆面臨同樣命運。這樣的認識,是我再轉行積極推動現生物種保育的背景。

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生命演化並非只是過去式的考古,它是現在進行式,也是更該關注的未來式。這麼重要的一門學問,在現今台灣各大學卻鮮少有相關課程。這本《走過演化》特輯精選了《科學人》10年來的精采演化文章,既是自修者的範本教材,也是尊重自然和經營未來的基礎知識。?

導讀者簡介

李家維

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《科學人》雜誌總編輯、清華大學生命科學系教授,生物礦化與古生物演化專家。曾任國立自然科學博物館館長,在科學普及與科學文化的傳播別具個人風格; 熱愛蒐集,目前已是辜嚴倬雲植物保種中心的執行長。

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推薦

【推薦文一】

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全球暖化、能源危機、糧食問題、生物多樣性的快速消失,21世紀的我們正面臨?前所未有的挑戰。此時,《科學人》一本推動科普教育的重責,將過去刊登過的數十篇演化生物學的文章,集結為《走過演化》特輯。這些文章分為五大單元,循序漸進將演化生物學介紹給全世界的華文讀者。這樣的章節編排,引導我們了解生物演化的重要理論、探索人類及其他生物的演化史,並深思我們的現況與未來。《走過演化》特輯將生物演化的概念在華文世界扎根,我也推薦將此特輯列為所有大學新鮮人必讀的科普書。

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-- 台灣大學生命科學系、動物學研究所副教授 丁照棣

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【推薦文二】

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科普教育是博物館展示與民眾教育中很重要的一環,《科學人》精選出版的《走過演化》將因通俗的表達方式與豐富的內容,而惠及普羅大眾;我也期許《科學人》在科學說中文的路上,更加精益求精。

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這本《走過演化》,藉由「透視演化論」、「物種的起源」、「動物演化之路」、「人類演化史」與「生而為人」五單元,整個演化的機制、人類的演化過程與人類在基因上的特殊性(一如所收錄的〈人為何生而為人〉這篇文章),都清楚呈現在這本特輯當中,其所蘊涵的內容,方便讀者形成一個概括而完整的知識架構。

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-- 台灣史前文化博物館助理研究員 林秀嫚

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【推薦文三】

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《科學人》將與演化有關的文章集結為冊,圖文並茂,深入淺出,讓您一卷在手,就可神遊在億萬年的時空,一窺萬物生生滅滅的奧秘。從恐龍與鳥的瓜葛到人類智慧的起源,從兩側對稱動物在寒武紀的開始到家貓在千萬家庭中的受寵,從分子生物的細膩機轉到物種演化的宏觀原則……篇篇精彩,引人入勝,在輕鬆閱讀中,體會演化真諦。舉一反三,由見山是山, 到見山不是山,又復見山是山; 對大自然生命的蓬勃生機,已然有不同層次的領悟。

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-- 中央研究院院士、美國南加州大學病理系教授 鍾正明

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【推薦文四】

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剔去了演化的生命大戲,是沒有脈絡的零碎片段;不探究演化意涵的生物課本,只是充斥細節的無味文本。演化於萬物的美麗,就如同數學於宇宙,是一個乾淨的邏輯,一個適用於各個階層的簡單機制。

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200年前,物種起源還是謎中之謎,達爾文提出了演化論的核心,代代科學家將細節描繪得更清楚。不只要說得通的理論,還要看到站得住腳的證據。盡力客觀演繹證據、趨近真實的過程,呈現了科學作為一種信仰的美麗。《走過演化》集結了從分子生物到物種、從兩側對稱到生理的演化等各階層及各方面的研究歷程,讀者必定能抓住脈絡,看一齣有骨有肉的精彩大戲!

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-- 竹東高中生物科教師 韓中梅
?現今,感染症接連不斷地爆發。除了最近在韓國流行的MERS;2002年至2003年時造成37位國人死亡、346人感染的SARS;幾乎每年都會引起恐慌,專家都不敢掉以輕心的禽流感、豬流感…等。此外還有在非洲蔓延許久、死亡人數已突破1萬人,因病毒凶猛,以致全球都在警戒的伊波拉病毒;和大家耳熟能詳、已導致全球超過2,500萬人死亡、南非成人有25%感染的愛滋病…等。


究竟是什麼樣的原因,讓病毒感染症大幅度地侵襲人類?作者身為醫學領域的研究學者,從與大眾站在同一陣線上的角度,讓一般人建立對此議題的全面了解。本書的架構簡明扼要,以輕鬆幽默的方式說明病毒的身世;近年來各種大流行的感染症,如SARS、HIV、C型肝炎、諾羅病毒、流行性感冒、口蹄疫,隨著作者的分析,能一目了然目前人類所處的情境,與醫學防疫上的對策、以及困窘不足之處。此外,作者還以生動活潑的比喻,描述人體的免疫系統機制。最後一章則是討論了環境破壞與病毒大幅肆虐人類的關係。


透過這本書,就算非專業領域的讀者,也能輕鬆地理解關於許多病毒的基礎知識,更進一步帶給讀者反思環境破壞與病毒傳染的關係。


【本書特色】

1.科學變得輕鬆有趣。深入淺出地將專業的學術內容,搭配圖解、圖片,理解吸收上最輕鬆。

2.全面觀點。意在了解問題的全貌,從病毒角度(寄宿環境被人類破壞)、人類角度(破壞生態後遭受反撲)、兩者棘手的交會、病毒威力的特徵、人體防疫系統特徵,交錯呈現此一議題,引發思考。

3.適合對象廣泛。孩童學生可建立整體知識系統;大人可透析內涵、強化智慧思考。


出版社 易博士(城邦)

天才不必天生?意外造成的腦傷害,也可能讓人獲得特殊的智力或能力,例如突然變得很會畫圖、作曲,或展現過人的記憶力、可理解艱深的數學、修復複雜的機械......

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科學家搜尋古今病例,發現這樣的後天天才還真不少,有人是遭遇雷擊、棒球打昏、子彈穿腦,更出乎意料的是,有幾位額顳葉退化失智的老人家,也表現出天才般的藝術或音樂才能。仔細研究這些人受損的腦區與神經元活動,科學家歸納出「動員-重組-釋放」的三階段:受傷的通常是左腦,正常的右腦神經元活動增強了,建立新的神經連結後,這些腦區活動就會增強,便釋放潛藏的天賦!

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問題是,有誰會為了當〈意外的天才〉,甘願去冒受傷或失智的風險?一些腦科學技術或許有類似效果!實驗證實,接受跨顱直流電刺激(tDCS)的受試者,解開「九點謎」的表現確實比較好;有「思想帽」之稱的反覆跨顱磁性刺激(rTMS),則可增強空間處理與計量能力。為了治病,醫生可以〈量身微調你的大腦〉,但用於智力升級,合乎倫理嗎??

白蟻丘、織布鳥巢、蜜蜂窩充滿著大自然的智慧,這是動物本身的智慧嗎?藉由田鼠雜交與鯛魚的基因分析,科學家發現這些〈動物建築大師〉巧奪天工,竟也脫不了遺傳與演化的控制!開放、互相尊重包容的學術環境,有助於提升科研創造力,而更基本的、也是如今「全球科研趨勢」,是從提升成員的多元性開始!更多精闢見解,盡在2015年2月號《科學人》雜誌!?

如果你想更認識歷代物理大師,你非得讀這一本書!

「天地之大美而達萬物之理」,從觀察、懷疑、想像到實驗,牛頓、伽利略、馬克士威、愛因斯坦、費曼……,這些響噹噹的人物如何思考物理問題?

如果你想了解物理現象背後的意義,你也得讀這一本書!

天空為什麼是藍的?夜空又為什麼是黑的?時間的方向性竟然與溫度有關?物理不是只有知識與方程式,還有更多你意想不到的驚奇與驚喜!

如果你很不喜歡上物理課,你更得讀這一本書!

學物理一定得用上數學?然而有些自然現象,就是沒有辦法說清楚!科學是什麼?物理該如何教?教育應該怎麼走?

精采選輯:

天地有大美而不言物理不思議教育可以不一樣

自序

這本文集收錄的是過去七年我在《科學人》「形上集」專欄所發表的文章。這些文章的旨意和之前我兩本書《另一種鼓聲-科學筆記》與《武士與旅人-續科學筆記》中的文章是一樣的:將一些我覺得有趣的科學人物、故事及概念與讀者分享。事實上,本文集中部份文章已經收錄於五年前出版的《武士與旅人-續科學筆記》裡,但是為了完整性與方便查閱起見,我還是將全部「形上集」文章都收錄在這裡。不過與之前兩本書相比,本書中解說物理概念與知識的文章的比重大幅增加了,我將這一類文章收入書中「輯二:物理不思議」,而主題在於一般性科學論述或人物的文章則收於「輯一:天地有大美而不言」,至於「輯三:教育可以不一樣」則收錄與科學教育相關的文章。這麼一來,書中文章的順序就不見得與它們最初發表於《科學人》的順序相同。當然,這裡的分類是武斷的,因為許多文章其實很難被明確地歸類,它既談論人物也觸及科學概念與教育,但為了讀者的方便,我們還是做了上述大致的分類。由於每篇文章在發表之時都是獨立成篇的專欄文章,現在結集成書,整體來看,難免出現不必要的重複之處,這一點還請讀者見諒。

 

不久前我無意在書店看到村上春樹於其新書《村上收音機2》中有一篇隨筆,其題目為〈右或左〉,這恰與本書中〈左與右〉一系列五篇文章的題目相似,當然引我很大好奇,讀了村上這篇有趣的短文後,感到文章真是「得失寸心知」。我在《武士與旅人-續科學筆記》的序中最後寫到:「我希望本書所講的故事……為讀者帶來一點異文化的趣味。」我對於《非物理不可》依舊有類似的期盼-希望這本書能為讀者帶來起碼異於村上的趣味。

推薦

高涌泉老師的文章我幾乎全數讀過,從來不曾「下次有空時再讀吧」地放過。文章短是一個因素,真正的原因是閱讀它們是種享受。嚴格說,這些文章不屬於科普讀物,更像為物理所寫的散文,藉由真人其事,引領讀者分析、思考事件的背後,往往再帶出更深入、沒有答案的問題。文字精簡,邏輯流暢,內容看似信手拈來,實則舉重若輕,處處看出「讀萬卷書」後的省思。物理本身就美,高老師的詮釋,令它更美。 趙丰(中央研究院地球科學研究所所長)

 

 

宋儒朱熹的名言「問渠哪得清如許?為有源頭活水來」為人朗朗上口,也為閱讀教育做最好的註解。我是高中物理教師,從《科學人》雜誌發行後,我幾乎期期閱讀。雖然不能精讀每篇文章,但一定閱讀高涌泉教授的「形上集」,這個專欄提供我教學「積學儲寶」的源頭活水,儲備不少教學素材,增強我在課堂上說故事的能力。欣聞高教授將此專欄文章集結成冊,可說是高中物理教師及中學生的福音,古人云:「黃金非寶書為寶。」今人則說:「書就像降落傘,打開才有用。」閱讀令人喜悅,閱讀高教授的《非物理不可》更能感受思考的愉悅,體悟開卷有益的真諦。 簡麗賢(北一女物理教師)

 

不少大師?過,美國這麼多國家實驗室,雖然沒有達到原本設定的目標,卻像哥倫布發現新大陸,得到更多令人驚喜的成果。近年來,基礎科學的發展也像科幻小?一樣神奇又迷人,越來越能引發大眾的好奇心。這些故事需要有能力善用科普語言的科學家,為我們做深度導覽,讓大家既能看熱鬧,又能看門道。高涌泉這一系列科普文選,正是科普讀者的福音。作者為人風趣幽默,是個有使命感的實力派學者。〈有所不為之後〉這篇文章,正像是一個拓荒者的心路寫真。台灣的科普教育方興未艾,實在需要更多像他一樣的科學家同心協力,才能帶給大家更多正向的福音。 高文芳(交通大學物理所所長)

 

我永遠都記得自己初次接觸科學史和科學哲學這兩門課時所帶來的震撼,這些科學家的故事和科學概念發展的過程,在我唸書時代課本上是看不到的,更不用提哲學思維與科學之間的關連,在我求學時代也從來沒有機會去涉獵,而這卻是物理讓我領悟最深的地方。我認為這兩門課若能融入高中課程和老師的教學中,將會有助於學生建立科學的完整輪廓,體悟我所體悟的,但和好幾位老師討論過後,大家一致認為如何引導是相當關鍵的技術問題,而資料蒐集則是我們很大的困擾。很高興高教授的作品集結成冊,讓我們有更多物理學的資料可以運用,也讓學生可以透過閱讀,引發不同層次的思維!

 

在教學中,我認為對科學的熱情是最難傳授的。但透過了解科學家的想法、經歷過的事件和他們努力傳達的概念,卻能讓人深刻感受科學之美。例如,從達爾文、波茲曼、薛丁格到華生克里克,科學家的一脈相傳讓人感受他們的惺惺相惜和學習的全面性。從卡諾循環到熱力學定律的發展,你可以了解物理如何與實際應用結合。看到黑體輻射和光量子的提出,你可以看到不流血的科學革命是如何大膽進行,但又如何窒礙難行必須經過重重檢驗。對科學發展進程的理解越多,就越會同意科學是一門最有創意的學問,而物理真是不可思議的奇妙! 凌美璦(台中一中物理教師)
主編的話

抗生素無敵的時代已經遠去了,愛滋病等重大疾病的疫苗發展卻停滯不前。人類對抗病原體的戰爭,距離落幕還遠:狂牛病依然讓人捉摸不定,瘧疾每年帶走數百萬條人命,抗藥性細菌在各大醫院中肆虐,新興疾病與基因不斷重組的流感病毒,從各種動物竄向人類傳播。在《尖端醫學》特輯中,站在最前線的科學家,執筆寫下與病原鬥智鬥力的過程、在各戰役中的貢獻,以及對未來醫學的看法,帶給我們警惕,同時也帶來希望。

除了藥物,許多新技術不但能夠對抗疾病,還能搶救因休克而瀕死的病人。原本是毒素的肉毒桿菌毒素,已廣泛使用於醫學美容,還能緩減頭痛。科學家結合了幹細胞與組織工程的技術,做出人造肌肉、在試管中培養牙齒,人工器官也已在望。電子科技讓患者在虛擬世界中減緩真實的疼痛,讓膠囊大小的無線內視鏡仔細檢查人體內部。這些醫學技術上的最新發展,都在《尖端醫學》特輯裡從頭細說。

導讀

百年來細菌與病毒帶給人類的啟示 蘇益仁

雖然人類與微生物在自然界相處,可上溯自人類初始,但微生物被發現與人類疾病息息相關,也不過是一百多年前的事。法國的巴斯德與德國的柯霍在19世紀末與20世紀初期,揭開了微生物引發人類傳染病過程的序幕。繼而病毒在電子顯微鏡下的真面目也為科學家所觀察到,微生物在自然界的生態及對人類的威脅也逐漸明瞭。到了21世紀,科學的發展已能經由監測工作及分子基因診斷而發現早期的疫情,並開發藥物及疫苗來預防。2003年的SARS及2009年的豬流感pH1N1(p代表豬),幾乎都在疫情發生的幾個月內就受到控制,免除全球性災難的發生,這在19世紀之前是不可思議的事。

然而「道高一尺,魔高一丈」,在20世紀末人與微生物的戰爭中,科學家發現,對於微生物的控制,不如20世紀初抗生素如盤尼西林剛被發現時的樂觀,細菌及病毒自有一套生存之道,就如俗語所說「一枝草、一點露」,這些病原體在抗生素及抗病毒藥物的攻擊下,衍生出一系列的防衛做法,得以茍活殘存。細菌而後演變成金剛不壞的「超級細菌」,病毒則發展出對抗藥物的機制,這都令科學家及醫藥界傷透腦筋、疲於奔命。人類會不會面臨到無藥可用、被微生物反噬的地步,正是目前醫學界面臨的課題。人與微生物間如何共存,其實是科學家必須好好思考及研究的主題。

本特輯中的五個單元其實勾勒出科學界在過去一百多年間,從人與微生物互動的經驗中所獲得的寶貴知識。在第一單元「防治傳染病」中,指出自然界生態的改變及破壞,是人類傳染病大流行發生的根源。自然界環境中,生物的互動經歷長久的演化,已達成共生平衡的狀態,人類只不過是這個生態系統中的成員而已。但隨著人類的戰爭、遷徙、對資源的採取與利用,使得原始的生態環境中的平衡遭受破壞,原本只存在動物間的微生物開始傳染到人類,形成人畜共通(zoonotic)感染。

人畜共通感染幾乎是20世紀及21世紀以來人類全球疫情的主要來源。狂牛症、瘧疾、水患而來的血吸蟲病及鉤端螺旋菌、鼠疫、愛滋病、SARS、禽流感等引起大疫情的疾病,其病原體幾乎都和環境及動物間的傳播有關。因此,監測環境中生物的病原,也成了世界衛生組織及各國疾病管制局最重要的任務。2003年引發恐慌的SARS,最後被證明其原始病毒本來存在於野生的蝙蝠,之後傳到市場的果子狸,最後再傳給人類。在這一連串的人畜傳播過程中,病毒為適應不同宿主的免疫攻擊,不斷演化,終至造成危害人類的傳染病。

與人畜共通病毒傳染的演變類似的是細菌的演變。第二單元的「細菌戰爭」其實也代表著抗生素發明以來醫學的勝利與困境。如上所述,細菌在抗生素的攻擊下,衍生出一系列針對細胞壁、蛋白質、核?酸等不同藥物的突變及抗藥性。現在金黃色葡萄球菌、腸球菌、結核分枝桿菌等許多病菌,都已出現這樣的情況,構成嚴重的威脅。目前在醫院中,尤其是加護病房,都存在著這些超級細菌,有5~20%的病人因住院而感染這些抗藥菌株,而必須以最後一線且昂貴的抗生素治療,但依然有很多人死於這些細菌造成的疾病。

在第三單元的「疫苗妙用」中,代表人類發現抗生素後另一項對抗微生物的法寶,即疫苗的開發。在人類醫學史上很多疫病的消失或控制,都有賴疫苗的發展,這是人類科學的勝利,天花、小兒麻痺等的絕跡或控制,都與疫苗的應用有關。對愛滋病及瘧疾的疫苗開發,並不成功,乃因病原體的突變過快,所開發出的疫苗無法應付這些狡猾的病原。人類的免疫系統雖然健全及完整,但整體免疫系統的弱點也在這些病原的攻擊下呈現出來。科學家正竭盡全力研究如何增強人體的免疫系統,例如以新佐劑去增強原始免疫系統中的樹突細胞(dendritic cell),以便活化T細胞,配合抗體的產生,聯合夾攻病毒,或對病毒引起的癌細胞提供免疫治療。

21世紀初繼人類基因組計畫完成之後,美國國家衛生研究院另外開啟微生物基因組的研究,其中最重要的成就,是發現人類腸道菌與益生菌之間的精采互動,也許可以為人類與微生物的互動提供發展應對方向及策略。醫學界開始利用對人體有益的細菌以對抗病原菌,或應用細菌毒素(例如肉毒桿菌毒素),來增進人類幸福。這也是本書第四單元「公衛焦點」與第五單元「五花八門新醫技」中,所嘗試要探討的主題,這些內容是21世紀生物科技的全新發展方向。

醫學的發展中,新創造的原理其實並不多,主要的還是去探討已存在的生物奧妙,進而提出良方去治療疾病。所有的發展都必須根植於細微的觀察、好奇心的驅使、科學能力的養成以及跨領域科技的應用方能成功。過去一百多年來的科學發展已告訴大家,匯集全人類的智慧是可以一步步解決微生物禍害,更進而藉由新科技去發現對人體有益的微生物及其產物,最終造福人類。

作者為國家衛生研究院感染症與疫苗研究所所長


推薦

這本特輯收集25篇與醫學發展有關的文章,從防治疾病到飲水加氟及人造器官、試管牙齒等與健康息息相關的知識,非常?得閱讀。《科學人》的文章一向圖文並茂,不但內容精采、深入淺出,生動易懂的插圖更讓一般民眾可以很容易了解先進的科學知識,甚至對在這些領域的專家也很有啟發性。這本書雖然是集結這幾年的文章,但我查閱最近有關的論文,並沒有發現更新的觀念或進展,它仍然提供了這些領域最好、最正確的知識,對年輕學子的學習特別重要。我建議中學及社區的圖書館都應購置它,來提昇我國的科學教育。──徐明達(陽明大學特聘講座、生化暨分子生物研究所教授)

《科學人》雜誌發行的《尖端醫學》特輯,集結了2003至2010年間,很多位國際知名學者的精采醫學科普文章,他們以流暢易懂的文筆、精緻豐富的圖解,深入淺出地介紹最新的醫藥新知。本書內容涵蓋傳染病防治、細菌戰爭、疫苗妙用、公衛焦點、創新醫技等,不僅讓一般讀者興趣盎然而獲益良多,也讓醫藥領域的讀者溫故知新而見賢思齊。近年來,台灣的醫藥科技研發蓬勃發展,給世人帶來平均壽命的延長和生活品質的提升,希望未來能看到台灣傑出科學家所撰寫的尖端醫學科普文章。──  陳建仁(中央究院副院長、基因體研究中心特聘研究員)

《科學人》雜誌結合科學趨勢與前瞻思維,有此科學與人文對話的平台實為廣大讀者的福氣。不同於其他科普期刊,《科學人》由編輯與各領域具代表性之專家合作,運用深入淺出的文字闡述科學新視野。10歲時它就已是我最喜愛的科普期刊。個人與《科學人》淵源深遠,1988年我為其寫了篇封面故事,分享免疫系統中的殺手細胞如何辨識與殺死目標,之後幾乎每10年我就為它寫篇文章,發表最新研究。很高興獲知《尖端醫學》特輯即將發行,其內容結合尖端技術與實用議題,相信必能為讀者開啟科學新思維。──楊定一(長庚大學奈米材料實驗室主持人、長庚生技董事長)

在人類歷史中,死於傳染病的人數不遜於死於戰爭的人數,而醫學對人類最大的貢獻就是抗生素的發現及疫苗的研發,終使人類脫離瘟疫的威脅,所剩下的就是一些難纏的細菌、寄生蟲、不斷出現的新病毒及抗藥細菌,尚待科學家持續與之搏鬥。《科學人》雜誌在過去10年介紹了許多有關傳染病的新知識,以及幹細胞、生醫材料等新醫學科技的進展,這些文章集結成為《尖端醫學》特輯。它淺顯易懂,引人入勝,讓我們更加了解對付傳染病的新武器,同時也是現代人了解現代醫學必讀的書。──賴明詔(中央研究院分子生物研究所特聘講座 )
科學人(第154期/2014年12月號)

不論西方、東方,不管是瑜珈、打禪,以往充滿神祕色彩的靜坐冥想如今成為一種流行:有人想要更專心、更有創造力,也有人為了紓壓抗憂鬱、追求身心靈的平衡。靜坐冥想真的這麼神奇嗎??科學界關注靜坐冥想已久,拜實驗方法發展、腦造影儀器精進,最近15年更進行了許多大規模的腦科學實驗:有超過100位長期靜坐冥想的僧侶或在家修行者,讓功能性磁共振造影(fMRI)或腦電圖儀(EEG)監測他們冥想中的大腦,並參與多項認知測驗。結果發現,他們大腦某些腦區的體積和一般人不一樣,神經纖維束連結也有些許不同,他們反應較快、也較不容易受壓力影響!

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透過放鬆的姿勢、集中注意力或感官全開,長期練習靜坐冥想也會影響許多生理機制,對健康可能有益。靜坐冥想的正面效應還有多少?〈大腦靜定 冥想的科學〉還在持續探究中。

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20世紀最受歡迎的數學科普作家葛登能(Martin Gardner)人稱「葛老爹」,他提出的「皇后問題」至今無人能完全解答。本期〈棋盤上的皇后問題〉抽絲剝繭、步步引導你可能的擺法。羅塞塔號與新視野兩艘太空船歷經10年旅程,〈登上彗星 再探庫伯帶〉能否解開太陽系形成的奧秘?就怕個人資料、行為記錄受到政府、廠商濫用,資訊科學家站出來呼籲〈挺住巨量資料 護隱私〉!

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更多精采內容,請見2014年12月號《科學人》雜誌。
「生命」是科技發展的原點、二十一世紀最吸引人投入的研究領域 生命科學是所有理科中最切身可感、令人驚嘆的一門學問。用實證的科學方法打開生命之門,既大跨距探究數千萬年來的生命起源、演化,涉足無數的生物與生態系,又窮極細微地推敲個別細胞、胞器、分子等生命運作原理和遺傳訊息。其研究結果又往往呼應著人文精神,傳達出各種生物獨特的生命之美與不可或缺的重要性,而成為現代科技發展的基礎和指標。 自從人類解開DNA分子結構後,生物學也從過去探尋生命起源、生理運作機制、生物分類及生態觀察等,透過分子進入了另一個了解生命奧祕、甚至改變生命的領域,成為一門「生命科學」,囊括了一切攸關生命的研究。 生命科學不只是要了解生命,還希望提升總體生命的價值,例如,共存於地球的所有生物實際上相互依賴,永續發展的前提必須尊重生命、維持生物多樣性;目前人類以犧牲環境換得文明進步,但若利用廢棄物製成生質能源,就能降低對環境的傷害;透過基因改造,像是將胡蘿蔔素A置入稻米中、或是在農作物中殖入抗旱基因使其具有抗旱特性等,藉以提升營養成分、解決糧食短缺的問題;又如透過儲存臍帶血來儲備幹細胞,以利在必要時供做醫藥治療之用…等,這些都讓生命科學不僅是一門實用科學,更標舉著生命才是發展科技的根本原則。 《圖解生命科學》一書涵蓋了各項生命研究領域,從認識生命的基本單位細胞、個體生理結構、機制,遺傳DNA如何延續生命特質、演化如何形成、改變了什麼,以及生物互為供需的生態觀、和生物科技帶出的驚人成果等,以言簡意賅的流暢敘述和生動有趣的圖解,呈現出生命的種種不思議。
推薦

【推薦文一】

◎陽明大學醫學系教授兼系主任、台北榮民總醫院神經醫學中心副主任 王署君

生命科學的發展日新月異,人類和微生物之間的關係也產生了微妙的變化,從早期的「必欲除之而後快」,已經轉變為近年來的「天生我材必有用」,「肉毒桿菌素」就是一個最好的例子,不僅在許多神經系統的疾病上有特殊療效(例如偏頭痛),最近更因為醫學美容上的用途讓人趨之若鶩。《科學人》向以出版優質的科普書籍著稱,《疾病解密》特輯深入淺出,圖文並茂,值得細細品味,必能對許多近年來生物醫學的重要新知多一番認識。



【推薦文二】

◎ 中央研究院院士、國家衛生研究院特聘研究員 吳成文

疾病,是人類健康的天敵,百千年來,無論在西方、東方,無論是現代醫學、傳統醫學,莫不希望讓罹病者免除疾病的痛苦,進一步治癒疾病。過去,認識疾病似乎只是醫者的責任,卻忽略了主角的自己也需要具備相對的認知,來更了解自己的身體。《疾病解密》特輯就是一本幫助「自己」了解影響自己健康疾病的書,書中以科學的進程,結合臨床醫學的發展,精細地剖析疾病的成因、來源以及積極的解決之道,在科學的架構下,面對疾病、解開對疾病的迷思。



【推薦文三】

◎台北榮民總醫院院長 林芳郁

「沒有比贊助科學和文學更值得我們去做的事。對每一個國家而言,知識是保障民眾幸福最可靠的基石。」這是美國第一任總統華盛頓在國會演講提出的建國理念之一,我們可以從中得知何以美國在建國百年後就成為世界強國。《科學人》是國內近十年來最受歡迎的科普雜誌,許多從事科研的人,包括我自己,常常從《科學人》吸取各領域發展的現況。這本《疾病解密》特輯,包括了麻醉與疼痛的奧秘、心臟血管的新手術、失智症和精神分裂症的新知識與癌症治療的進展等,我有幸得以先窺一二,確實有可觀者焉。我對此特輯極力推薦,尤其對醫學有興趣的好友們,肯定會讀之不忍釋手。



【推薦文四】

◎ 台灣大學醫學院名譽教授、財團法人肝病防治學術基金會董事長 許金川

我多年來從事肝病防治推廣工作,最大感觸是:為何國人健康知識如此匱乏?甚至有些知識份子的健康常識也是一知半解,甚至充滿誤解?要改善國人健康,必須從提升健康知識做起。《科學人》創刊以來,致力於推廣科普,即著眼從閱讀、培養正確醫學知識做起。《疾病解密》特輯收集了近年來《科學人》所刊載關於疾病的知識,篇篇來自大師手筆,其見識、觀點有其高度,卻又能深入淺出,帶領讀者深入生命堂奧,體會健康、疾病、生命的科學與人文面向,讀來雋永、有趣。要改變國人的醫學知識和健康行為,《科學人》給了新的嘗試與體會。內容簡介

人的一生似乎難以擺脫種種疾病,偏頭痛、心臟病、阿茲海默症、癌症等,總有一些會找上我們,造成傷痛與死亡。21世紀的醫學發展,讓我們對許多以往束手無策的疾病有了深入的了解。這些站在醫學研究最前沿的科學家,對於自身研究領域的第一手介紹,就收錄在這本《疾病解密》中。

精采單元:解除疼痛‧重建心血管‧支援腦神經‧窮究癌症‧戰勝癌症

單元一:解除疼痛

惱人慢性疼痛、來去無蹤的偏頭痛等,各種疼痛有不同的成因。對於這些惱人的疼痛,科學家提出新的見解,並且也致力研發新的藥物與療法。

單元二:重建心血管

心血管疾病是現代文明中的殺手,而對於衰竭的心臟、宛如定時炸彈的動脈瘤,都有各種不同的應對方式,幹細胞與組織工程的進展更對修復心臟大有幫助。

單元三:支援腦神經

影響許多人的腦部退化疾病:阿茲海默症與帕金森氏真的讓人束手無策嗎?我們目前還有哪些對應方式還在進行中呢?

單元四:窮究癌症

面對排名第一的死亡殺手癌症,科學家從不同的角度切入:幹細胞、基因體錯亂、演化論、發炎等,希望能夠澈底了解這種複雜的疾病。

單元五:戰勝癌症

標靶藥物與奈米醫療等最尖端的技術,也在癌症治療上發揮作用。在了解癌症的成因之後,就是要釜底抽薪,讓癌症成為可以治癒的疾病。
◆本書為《MMS記憶管理》改版書! ◆IBM培訓員工使用的記憶法。 ◆臺灣大學、中山大學、東吳大學、台北市政府、IBM等30多家企業團體暨學校聯合使用。 一場正在席捲全球的學習革命,教你學會瞬間記憶,過目不忘。 你有記性不好的煩惱嗎? 你有讀書老是背不起來的困擾嗎? 如果你工作效率低落、課業表現不佳,生活秩序雜亂無章,一定要參考這本「大腦使用說明書」;本書不但能教你在59個小時內熟記2000個英文單字 同時讓你變成學習中、工作上、生活裡的「天生好記性」,建立絕對自信! 【本書特色】 ◎「好記性」可以訓練,本書教你在59個小時內熟記2000個英文單字。 ◎活化你的腦力,鍛鍊你的文字與數字記憶,讓你過目不忘,記憶力變得超強。 ◎訓練聯想力,利用心智圖法系統歸納與整合資料,幫助你思考有創意,考試得高分。 ◎內容以圖解方式呈現,快速吸收本書精華。 「記憶」是人腦與生俱來的功能,但是說某某人「天生好記性」則是誤解,因為這與生俱來的記憶能力必須經過開發,才能有效發揮其功能。想要擁有高人一等的記憶力,絕對需要經過專業的引導、特殊的訓練,以及不斷的練習。 如果你自認記憶力不好,不是因為你的大腦天生比人差,也不是因為年紀大記憶力減退,而是你沒有正確掌握記憶之鑰,不懂得如何操縱你的大腦。只要了解大腦運作的原理,你會發現,我們幾乎可以記下所有接觸到的訊息。 如果你能徹底藉由本書改變過去的學習習慣,有系統地吸收本書中所教授之「學習如何學習」的精髓,必能從學習面和實用面全面活化記憶能力,讓學習效果突飛猛進。這個蛻變過程,不但幫助你擺脫舊有的思維模式,你更會發現:提升記憶力是如此簡單!
科學人(第149期/2014年7月號)

再修一次微積分!??

不可否認,「微積分」堪稱數學課堂裡的大魔王。但如果你因為學生時代的夢魘而錯過這一期《科學人》,就太可惜了!?

我們所知道的微積分,是牛頓與萊布尼茲發展出來的數學工具,概念是把物體(或線)切成無窮多的小等分,再加總起來,便可求得體積、面積。但什麼是「無窮」?早在古希臘時代,畢達哥拉斯學派就開始思索這個問題,卻越想越迷糊;後來阿基米德利用槓桿原理找到解答的方向,再利用歸謬法完成了證明。?

17世紀初,義大利數學家卡瓦列里(Bonaventura Cavalieri)提出「不可分量法」,宣稱平面是由無窮多的平行線構成、立體則由無窮多的平面組成,卻遭到瑞士數學家古爾丁(Paul Guldin)大力攻擊。數學是為了規範這個世界的秩序而存在,古爾丁認為,「無窮」的概念卻可能造成一場大混亂!真的是這樣嗎?了解這段秘史,你將會以不同的眼光看待微積分,讓籠罩你心頭的「微積分鬼魂」、「無法馴服的無窮小」就此煙消雲散!?

植物人看來沒有意識,但經由功能性磁共振造影(fMRI)發現,他們的大腦對外來刺激有反應!科學家已經證明,某些植物人可透過想像某件事而與外界溝通,不僅為植物人的照護與康復帶來一絲絲希望,也將逐漸解開意識的本質之謎。?

炎炎夏日已至,許多地方都面臨乾旱,古老的人工增雨技術能搾出更多雨水嗎?珊瑚存亡危機,棘冠海星是罪魁禍首?更多的精采內容,請見《科學人》雜誌2014年7月號。

改變,正在進行

新的科技諸如各式造影技術和實驗方法,提供了新的科學證據;新證據聚合成新觀點,讓我們對人類心智有更多新的認識,以往視為神秘境地的「心」與「腦」也因而連結成為美麗新世界。

人類從有文明以來,就在追尋「存在」的意義──我從哪裡來,要往哪裡去?所以,我們想了解行為的遠因(ultimate cause,為什麼會有某個功能)、近因(proximate cause,某個機制如何運作)、近果(developmental origin,個體發展)以及遠果(evolutionary,何時演化出什麼結果)。

這一連串「窺探心智」的過程,就像是拼圖或解謎。科學家在過程中提出了很多重要問題,也進行嚴謹的實證研究,試圖揭開人類心智的奧秘。

訓練與控制

幾十年來新知識不斷累積,我們逐步對人類複雜的心智運作有所了解。舉例來說,我們是如何養成「習慣」?在本書《窺探心智》的〈從腦養成好習慣〉一文中提到,大腦會把高度重複而可能成癮的行為變成「自動化歷程」,好處是節省大腦資源、反應快速,壞處是難以改變;〈積習可改〉告訴我們如何養成好習慣,以及如何調整並改變對個體不利的自動化歷程。

習慣化也可以解釋盲點。〈高手盲點〉提到,大腦傾向於用熟悉的方法來解決問題,使我們對更好的做法視而不見,這就是「定勢效應」(einstellung effect)。這也可以解釋「確認偏誤」(confirmation bias),亦即傾向尋求支持自己信念的證據而忽略反例,例如神經科學的先驅布羅卡(Paul Broca)比較人的腦容量時發現法國人平均比德國人小,他解釋這是因為法國人體型比德國人小,但當發現女性腦比男性小就不以體型來解釋,因為他本就認為女性智力不如男性。〈高手盲點〉的作者認為沒有人能不受確認偏誤的影響,但是他提出妙方,要避免類似錯誤,可以效法博物學家達爾文:只要看到與自己想法相左的資料,立刻記錄下來。

心智能力也可以訓練與控制。〈鍛鍊你的心智肌肉〉提到過去認為「自尊」(self-esteem)高的人、成就也高,現在認為「自我控制」才是關鍵,「如果你征服了自己,就能征服世界」。文中也提到著名的棉花糖實驗,給受試小朋友選擇立即或晚一點拿糖,長期追蹤後發現,自我控制能力高的人較有成就。

〈運動場上的心理學:如何成為頂尖選手?〉提到,除了先天的生理條件,很多運動好手也具有獨特的心理特質,在巨大壓力下得以展現過人的專注力和意志力。此外,教練的領導風格也是影響選手表現的關鍵。

日本旅美職業棒球選手鈴木一朗以43歲的高齡,在競爭激烈的美國職棒大聯盟敲出了3068支安打,至今打擊率仍然在三成以上。他接受訪問時表示,自己隨時處於恐懼不安及壓力之下,若只想愉快打球,無法存活於職棒世界。其實他也討厭重複一成不變的練習內容,但因為有目標,當努力有了成果就很開心。

美麗與神秘

科學家不只著重理性思維,也關注對美感的解釋。美,不只是抽象的表述,也有生理學上的基礎。〈審美的生物基礎〉寫道,所有的知覺經驗都是「具身的」(embodied),「我們把所有的知覺訊息都穿到身上,把身體當做一個經驗或知識的模擬中心,試試那感覺,從而獲得最終的經驗內涵。」〈設計背後的思維〉說明人類在美感上有共同喜好,而「熟悉度」是影響的關鍵,因為熟悉帶來安全感,並且越熟悉的物件越容易被辨識出。此外,一般而言,我們偏好大而圓、對稱、複雜的圖形,這在神經科學或認知心理學中都有所解釋與佐證;例如相較圓滑形狀,尖銳形狀會強烈活化腦中恐懼中心杏仁體(amygdala)的神經元,或許是因為尖銳物品往往代表危險。

那麼音樂呢?〈大腦怎麼聽音樂?〉提到,三萬年前人類就開始會吹奏骨笛、打擊樂器,然而,大腦並沒有專門處理音樂的區域;在知覺層次上,內耳有3500個毛細胞,眼睛則多達一億個感光細胞,聽覺和視覺卻同樣豐富。還有,音樂家聆聽鋼琴演奏時,比起非音樂家,左腦活化的區域多了25%;一般來說,左腦較擅長處理訊息的結構,左腦越活化,代表除了旋律之外,我們還能更深入欣賞節奏之美。

對美學和音樂的感受

或許抽象,另一個議題則更顯神秘且令人著迷,那就是意識。〈潛意識,左右人心的潛在力量〉以及〈行為也能改變潛意識〉剖析潛意識如何影響行為、行為同樣也可以影響意識。

執行簡單的「推拉實驗」就對戒酒、降低社會焦慮有意想不到的幫助。近年重症醫學越來越受重視,〈植物人還有意識嗎?〉討論植物人腦中是否有「隱藏意識」,研究發現,處於麻醉狀態的健康受試者,大腦語言區的活化程度與清醒時不相上下;在病人身上也有類似發現,這讓我們需要重新思考植物人的意識狀態。

〈在睡眠中修剪記憶〉的研究發現,睡眠時很多神經線路的神經元會自發放電,這會弱化清醒時建立的突觸反應,節省神經元能量,並降低神經元受到的壓力,讓神經元的活性回到基準線。睡眠時藉由「下調選擇」機制,使我們的大腦不至於超載,在此,「少就是多」。〈剝奪睡眠,也剝奪注意力〉指出,17小時沒睡,注意力表現相當於血液酒精濃度0.05%,24小時沒睡相當於0.1%,令人驚訝。

〈該睡覺了!〉討論到缺乏睡眠會致命:實驗中,老鼠一個月沒睡,全數死亡;在人類身上,失眠對人體免疫力也有嚴重影響。此外,30年前就有致死性家族性失眠症(fatal familial insomnia)這個遺傳疾病的案例,病人先是連續失眠、最終死亡,病理解剖發現他們的視丘(thalamus)有大量神經細胞消失。睡眠的重要性不在話下,沒有優質睡眠就沒有好心情、良好的記憶力和學習能力。

理解與應用

心智研究還是新興的學科,無論在解讀資料或實際應用上都必須特別小心。例如〈心智演化的爭議〉討論到,通俗演化心理學主張人類是「現代的頭顱裡裝了個石器時代的腦」,但是在考古和演化資料闕如的情況下,這可能會犯下嚴重的推論謬誤;因為既然生理可以改變,為什麼心理演化不會發生?

而談到演化,〈人獸有別,在於心智〉點出人類和黑猩猩有99%相同的基因,也擁有許多相同的工具使用和認知能力,關鍵差別在於「造成大不同的小差異」,例如人類具有高度的社交能力(即社會腦)、能夠察知他人在想些什麼從而促成合作、會把知識傳遞給他人並進一步改良。

大腦運作講究平衡,例如睡眠與清醒有一定的比例;壓力與放鬆都是重要的任務;你可以運用意志力、努力不懈,也需要喊停稍作休息以「保存」耗損的意志力,心理學、腦科學及相關的研究結果都強調平衡運作。在台灣,這一點尤其重要。孩子不需要在才藝班和補習班之間團團轉,畢竟,行為是在個體發展的過程中受到先天和環境因素影響慢慢形成的。先天我們無法改變,而環境因素,其實無論成人或孩童,想要培養有益身心的行為例如欣賞音樂、培養美感、訓練體能,從「習慣化」(變成自動化歷程)做起,一旦養成,就能對個體有長遠影響。反之,對於有害的行為例如藥物或網路成癮,檢視有哪些維持這些行為的因素,逐漸改變或以好的習慣取代,相信也有修正的一天。

大腦是適應能力強大的器官,面對新的環境、新的挑戰、新的適應,改變,正在進行。

史蒂芬.霍金或許是這個時代最聰明的宇宙學家。 

他以一系列的暢銷科普著作讓全球讀者驚嘆不已, 
一步步揭開宇宙的奧妙。 
現在,霍金首度將目光轉向自己, 
向世人揭露他的人生與思考演進。

閱讀專屬網頁:http://goo.gl/bEYAfJ

《我的人生簡史》訴說史蒂芬.霍金不可思議的生命之旅,首度由霍金本人現身說法,從二次世界大戰後倫敦的童年生活講起,一直到他成為舉世聞名的科學家。本書搭配大量珍貴罕見的照片,是一本簡潔明快、妙語如珠,又坦白直爽的科學家成長故事,可讓讀者一窺霍金前所未見的生活面貌:小時候的霍金,是個好奇愛發問的學童,同學間給他的綽號是「愛因斯坦」。因為作業凌亂,字跡很醜,還有同學用糖果打賭他這輩子大概成不了大事……霍金是一位愛開玩笑的幽默科學家,曾經以一年份的《閣樓》雜誌和同行打賭黑洞是否真的存在;他也是一位年輕的丈夫和父親,歷經兩次婚姻,努力突破身體的障礙,在物理學和宇宙學的領域掙得立足之地。 

霍金以獨樹一幟的幽默詼諧和真情至性,暢談二十一歲被診斷患有漸凍人症之後所面臨的人生挑戰。最早,他剛出現漸凍症病徵,行動變笨拙,曾經因為爬樓梯摔跤,醫生竟然只是告誡他:「少喝點啤酒吧!」回首成爲舉世最知名的科學家的歷程,他談到如何因為認知到可能將不久於人世,進而推動他奮力向前,不斷獲得知識上的大突破。本書也談到他那本全球知名,而且也是二十世紀最具代表性的時代科普經典巨作《時間簡史》的戲劇化誕生過程。本書更首度披露因為氣切手術喪失說話能力,霍金必須透過輪椅上的個人電腦和語音合成器,以一分鐘拼出三個字的速度,完成七本科普著作以及許多學術及公眾演講的艱苦過程…… 

《我的人生簡史》清明透徹、交心剖析又睿智雋永,為世人打開一扇窗戶,窺進霍金個人的宇宙。 

科學人(第157期/2015年3月號)主編的話

尼安德塔人?

那是一個熟悉的名詞、一個陌生的人種,乍看與我無關,卻可能隱身在你的體內--他,就是尼安德塔人!?

因為額頭寬大、體格粗壯,這群歐洲古人類被視為呆笨一族,因為鬥不過從來自非洲的智人,他們滅絕了!可別慶幸自己和尼安德塔人無關,智人和他們曾於歐洲共存數千年,除了戰爭,難道不會發生其他浪漫的事??

越來越多的出土遺物證明,尼安德塔人懂得裝飾、使用精細工具,可能有某種程度的文明。他們慣用右手,可能使用符號,那麼他們會說話嗎?這一次,科學家從大腦與基因看起:他們的腦容量不輸智人,翻模顯示前額葉和智人幾乎相同;和語言有關的FOXP2基因,尼安德塔人的版本和我們非常相近。把尼安德塔人的基因序列與智人比對,竟然發現:我們身體裡大約有1.5~2.1%的DNA片段和尼安德塔人相同!?

至於前幾年才出土的丹尼索瓦人、黑水溝撈起的澎湖原人,和我們有何關係?要如何利用放射性同位素判定古人類年代?2015年3月號《科學人》有完整而深入的報導。

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日本311大地震四年了,海嘯退去,福島災民仍無法重回受到核能輻射污染的故鄉。〈福島的燕子有沒有春天?〉一起來關注放射線劑量對健康的影響。台灣最年輕的大學生論文登上《科學》,〈兩個水分子才夠!〉細說克里奇中間體的研究理路。

★《無線生活無限動力》了解無線科技,享受無線生活 撰文∕《科學人》編輯部

  隨著無線科技的發展,坐在大樹下無線上網,已不再稀奇。自英特爾在2003年3月推出迅馳(Centrino)行動運算技術以來,低功率免執照頻段的無線區域網路(WLAN)快速成長,光是台灣已經有近千個通過驗證無線熱點(hotspot),全球已超過三萬個經英特爾驗證的無線熱點。我們可以預見,可以無線上網的場所將會愈來愈多、無線上網的應用也會愈來愈廣。另一方面,手機通訊的發展不容忽視。除了強調提供視訊和數據服務(data service)的3G之外,整合手機通訊網和無線區域網路,發展雙網手機更是趨勢。未來,手機勢必不會只是個講話的工具而已,各種學習、娛樂、商務……通通都會整合在這個輕巧的裝置上。

  我們察覺到無線區域網路和手機通訊的發展,已經開始慢慢改變我們的生活。再加上RFID、GPS等技術,未來人類的生活型態將會很不一樣。我們關注這個發展,為了未來洞察先機,深入了解無線科技應用的趨勢,我們決定製作這本「無線生活」特刊。我們的關注當然從台灣本身做起,台灣政府有什麼樣的無線發展計畫?台灣的產業界又有什麼發展策略?企業如何利用無線科技提升競爭力?無線科技又如何運用數位家庭娛樂與我們的生活上?慣於將無線網路融入生活之中的的人是怎樣的族群?他們有怎麼樣的特性與想法?請看我們的報導。

  除了台灣本土的報導之外,我們報導了如香港、韓國、倫敦等地的無線科技發展概況。此外,為了讓大家更了解與無線通訊科技相關的知識,我們亦集結了幾篇美國SA關於無線科技發展的文章,像是談利用雷射光通訊的〈光通訊的最後一哩路〉、談RFID的〈未來生活的隱形僕人〉、談GPS的〈GPS:讓路痴不再迷路〉,以及談智慧型天線的〈天線變聰明了〉等等,希望這本特刊能作為了解無線科技,享受無線生活的起點。
登革熱防疫有「道」!

睽違20年,竟然再相逢於西非外海的聖多美島國,驚喜敘舊,蚊子博士連日清當然是為了撲殺瘧蚊而來。我則是覬覦此地豐富多樣的熱帶植物,在國際合作發展基金會的安排下,預勘即將展開的聖多美植物保種計畫。

初識連日清,是看了他感人的電視專輯紀錄片,即將退休的他,遺憾畢生採集的蚊子標本無處安置。當時我任職於國立自然科學博物館,戀物成癡,以大力擴充標本蒐藏為己任,立刻登門拜訪。在預防醫學研究所,連日清領著我參觀,奇異景象,我至今歷歷在目。他先說開飯了!接著就把肚子拔了毛的雞和兔子,分別放到養著大量蚊子的缸子口,瞬間肚皮就罩上了黑壓壓一片蚊子雲。途中,他指著另一缸蚊子,說牠們挑嘴,只嗜食人血,說著竟然把手伸了進去,自己成了祭品。我認真提問,他開心作答,愉快了一下午。臨走,他又加碼把精采的大量蜻蜓標本送給科博館。

聖多美人常年受瘧疾所苦,真是貧病交加。上個世紀末,國際組織在此推動「擊退瘧疾行動」,成效不彰未能根除。接著,有了抗藥性的瘧蚊反撲,造成更大疫情,第一夫人都罹難了,於是正式向台灣求援。當時台灣已杜絕瘧疾35年,是熱帶地區的模範,功臣連日清就此轉戰聖多美,三個月就讓爆滿病患的醫院門可羅雀了。之後他仍年年來此鞏固戰果,這就是我們再相逢的背景。那個星期,每天在早餐時聚會,我持續好問。最後一天,他談起了對台灣登革熱疫情的擔心。那是兩年前的事了,但他的預言竟成真。

登革熱和瘧疾都是典型的熱帶疾病,皆以蚊子為媒。台灣免疫於瘧疾已半世紀,然而登革熱的危害去年創了72年來的新高峰,今年6月底的統計更甚於去年同期。台灣並非特例,泛熱帶地區皆然,隨著全球增溫,來年的凶險可期。

瘧原蟲是複雜的單細胞生物,強悍到目前無疫苗可對付。而登革熱病毒多樣,更難以製備安全的疫苗來預防。因此全面撲殺蚊子,就成了目前的唯一選項。連日清的聖多美行動,是在戶外廣灑殺蟲劑、水裡投以昆蟲生育調節劑、屋內牆上噴極長效的除蟲菊精。堅壁清野,效果彰顯,但我聽了,卻不禁為島上的眾多昆蟲叫屈,牠們也無以倖免啊!南台灣的除蚊行動雖然沒這麼戲劇性,但在疫情數字下,漫天的殺蟲煙霧中,也少聞誰為無辜遭殃的昆蟲界悲憫。我們該期待的是符合生態道德的專一滅蚊法,〈細菌終結登革熱〉就是新希望。?

愛因斯坦100年

在科學家開始領悟到愛因斯坦1905年五篇論文的重要性之前,Scientific American就已經收錄愛因斯坦的理論以及對其理論的詮釋與迴響。讀些我們的報導吧,其中有些還是由當時引領風騷的物理學家寫的呢!

撰文∕施萊諾夫(Daniel C. Schlenoff)

翻譯∕周忠憲

Scientific American以及主流物理學家,花了好幾年才開始仔細思考愛因斯坦在1905年所詳述的革命性提案。他拋棄了以直觀的方式來理解宇宙,是很難令人接受的:

在1905年,一位瑞士籍物理教授愛因斯坦提出了一篇看起來不矯揉造作、枯燥乏味的論文〈關於運動物體的電動力學〉,造就了一個根本的以及劃時代(就如同未來的歷史學家可能會說的)的貢獻。它發表在《物理年報》上,一本類似美國《哲學雜誌》的德國出版品。在當時它並沒有引起任何的迴響,很難被注意到。但是在當前這個時代,你很難在翻開一本物理學期刊時,找不到關於愛因斯坦的相對性原理的文獻,而且還越來越多。──傅尼葉

Scientific American Supplement

1911年11月11日

但是,相對性原理正確嗎?那必須由實驗來判定。它的基本假定目前正被無情的數學邏輯所檢測,而它們成立與否需視實驗證據與理論推導是否相符。截至目前為止,相對性原理對數學家來說,似乎有不可抗拒的魅力。但是對許多物理學家來說,卻也同樣的令人憎惡,因為除了空間會彎曲,他們很難設想時間會是速度的函數,或是想像第四個維度的樣子。

Scientific American

1912年6月8日

Scientific American持續追蹤愛因斯坦為推廣相對論所做的努力,並且對他那1916年的學術論文做了以下的回應:

相對性原理嚴格來說已經是通過實驗驗證的。如果它長期看來令人困惑,而且目前對部份物理學家而言仍是如此,那是因為它似乎與馬克士威和勞侖茲的電動力學理論無法取得一致。尤其是理論所導致的光速恆定似乎令人難以接受。現在還有一個根本重要性的範疇,是我們以經驗為主的知識所難以提供的,即使加上相對性原理(它是一般理論的堅固基礎),也是一樣。所以,這個基礎必須由物理假設來使其完備。而這個範疇就是重力。

Scientific American Supplement

1917年9月19日

不管以太的本質是什麼,它缺少了那些能使其成為一個空間中參考座標的物質特性。或許我們最好把以太想像成為一個均勻充滿在閔考斯基時空連續體中的四維流體,而不是三維的物質流體,佔據了獨立的空間和時間。我們目前所達到的,就是我們稱之為相對性原理的東西。就一個物理理論而言,它似乎被大量的實驗結果所證實(除了與重力相關的之外)。──艾丁頓

Scientific American Supplement

1918年7月6日

在1916年論文中提出來的理論缺乏實驗證據。幾位天文學家(包括艾丁頓爵士,當時負責劍橋大學天文台)利用1919年5月29日的一次日食當做驗證理論預測的機會。理論預測:從星球發出的光,在行經太陽的重力場附近時會偏折。當此預測被證實為正確時,愛因斯坦受到科學社群所喝采,並在一般大眾的心中幾乎被尊奉為神:

在5月29日,日全食所得的結果,最後於11月6日在倫敦皇家學會以及皇家天文學會的聯合會議上發表。由放置在巴西北部索布拉爾的四英寸透鏡所得到的結果最令人滿意。星體的影像清晰可辨,而且它們在食盤與檢驗盤上的特徵一樣。在星體邊緣的偏移結果是1.98弧秒,加上0.12弧秒的可能誤差。我們將會看到這個結果相當接近愛因斯坦的預測值1.75弧秒。在此次會議中,一般公認這項吻合加上水星近日點運動的解釋,確認了他的理論是一個客觀真理。當時的會議主席湯姆森爵士,宣稱這是個劃時代的證明。──克洛梅林

Scientific American Supplement

1919年12月6日

但是現在一般大眾足以了解這個複雜的理論嗎?Scientific American為了尋求一個簡明扼要的解釋而辦了一場徵文競賽,第一名將可得到總計高達5000美元的獎金(折合今日的幣值超過五萬美元)。有報導指出愛因斯坦曾說,「我是我那群朋友中唯一沒有參加的……我不相信我能做到。」大眾對此有著熱切的興趣:

我們目前有個具卓越重要性的新興科學主題,它在一般出版品及大眾心中所佔據的位置,是以往晦澀難懂的科學教條所難以望其項背的。在此我們以最愉悅的心情宣佈,希金斯先生,他是一位定居在巴黎的美國人,也是本雜誌的多年好友,願意藉由Scientific American提供5000美元給能解說愛因斯坦假說的最佳短文。

Scientific American

1920年7月10日

為了這5000美元獎金,許多潛在競爭者紛紛來信,幾乎直截了當的問我們,他們在哪裡可以找到關於愛因斯坦理論的題材。對於這些必須問這種問題的人,我們可以想見他們對於相對論的知識和興趣,是最近才被引起的,我們對他們能贏得希金斯先生提供獎金的可能性,並不抱多大期望。

Scientific American

1920年8月28日

獲勝論文的作者波頓先生,雖然他是該領域中的傑出專業人士,但我們可以公平的說,他在科學上幾乎沒沒無聞。他是英國專利局的職員,這讓人想起了愛因斯坦自己也曾在瑞士專利局工作了幾年。
台灣生物多樣性之源

古老又年輕的島嶼

冰河時期,台灣海峽多乾陸,生物一波波地湧入台灣。

自此年輕的土地上卻湧現古老的生命,

形成一個又老又年輕的島嶼。


一提到生物多樣性、世界上生物種類最多的地方,大家馬上就會聯想到熱帶雨林。全世界有三大熱帶雨林,即南美洲的亞馬遜河、東南亞地區北起菲律賓南至澳洲東北角一帶,以及非洲的西海岸。不過,如回溯二億年前地球的外貌,世界各大洲之分佈與今天大不相同,當時地球只有兩大陸塊,一為北方大陸塊(Laurasia),約等於今日的北半球,包含歐亞大陸和北美洲大陸;另一為南方大陸塊(Gondwana),包含現在大家所熟悉的非洲、南美洲、印度、澳洲及南極洲。而今生長著熱帶雨林的三塊土地,二億年前即位於南方大陸塊,所以在1980年代,世界的生物學者逐漸了解:所謂生物最多樣性的熱帶雨林,其實是二億年來南方大陸塊所遺留的精華地區之一。當時,生物學者也提出另一個議題:北方的生物精華區如今在哪呢?

北半球各地區的生物多樣性在200萬年前至1萬多年前,受冰河期影響甚鉅,尤其是高緯度地區。其中,歐洲地區因為中部有一座東西向的阿爾卑斯山,當冰河來臨時,許多往南逃命的生物無法越過高聳的山脈,因而造成歐洲是全世界生物多樣性最低的地方。反觀今天北美洲的生物多樣性高於歐洲,最主要的原因正是北美洲的山脈都是南北向,當冰原由北往南移動,生物還可經由南北向的峽谷往南遷徙。不過,在最寒冷的冰河期,生物必須南遷至緯度與台灣一樣的墨西哥北部,才有存活的機會,只是北美洲南部較寬廣,中美洲北部卻極為狹窄,地形上的限制使得進入墨西哥北部的古老生物數量有限,但仍然在冰河退卻之後,為北美洲保留某些程度的古老血緣。

冰河帶來古老生物

在第四紀冰河期之際,全北半最不受冰河影響的地方就是東亞,一來沒有東西向橫貫高山之限制,二來不受地形變化的影響,所以東亞也是當今樹木演化歧異度極高的地方,此一區塊包含了今之喜馬拉雅山東部、台灣、日本的三角形地帶。1990年代,世界的生物學者才逐漸了解,原來東亞的三角地帶是二億年來北方大陸塊的生物精華區。

台灣這座島嶼出生的時間約在600萬年前至200萬年前,出生後不久便遭逢地質史上最嚴苛的冰河期,當時高緯度冰原面積越來越大,海水減少海平面下降,造成台灣海峽多乾陸,因此生物一波一波地湧入台灣。自此年輕的土地上卻湧現古老的生物,形成一個又老又年輕的島嶼。在最寒冷的冰河時期,台灣的低海拔出現如今天阿里山或合歡山的低溫,因此許多原本生存在高緯度的生物遷移至此,等到間冰期氣溫回暖,第一波進入台灣的老生物一方面隨著冰原北退向北遷移,另一方面則往高山尋找出路,而台灣的高山也剛好夠高到讓這些移入的生物各自找到棲息的空間。當全球的氣溫又變低時,承受不了酷寒的生物,便再次南遷或下降到低海拔。如此往覆至一萬多年前最後一次冰河退卻,台灣海拔較高的地區,陸續在不同時期移入許多寒帶生物,如北方針葉林。

目前生長在台灣的針葉林,由高海拔至低海拔依序有:屬於亞寒帶的「冷杉林」,亦即所謂的北方針葉林或黑森林;冷溫帶的「鐵杉林」,其優勢植物──台灣鐵杉只分佈在中國西南及台灣;涼溫帶的「檜木林」,全世界只有北美東西岸、日本及台灣有檜木,這種「東亞-北美」間斷分佈的特殊類型,顯示其祖先在北方大陸塊尚未分離時即已存在,後因板塊移動才形成現在的分佈情形。台灣的檜木林面積大,巨木多,是全世界非常難得的景象,而且檜木林中亦不乏珍貴樹種,例如紅豆杉、台灣杉、昆欄樹等。

隔離機制產生特有種

冰河來臨時,古老的生物藉由陸橋進入台灣,不過在間冰期,海平面上升,台灣海峽再度形成,同一種生物便被隔離成兩個族群,而「隔離機制」正是生物演化成新種的重要關鍵,如果隔離的時間、空間等條件足夠,無法與其他族群交換遺傳物質,就有機會演化成新的物種或亞種。試想在酷寒的冰河期,適應寒冷氣候的生物當時可能生活在台灣的低海拔,隨後氣候較為溫暖時,這些生物便遷往高海拔,或許受限於氣溫,或許播遷能力較弱,自此其中一部份可能永遠被隔離在台灣的山區,雖然往後的冰河期台灣與大陸仍然數度相連,它們卻已經無法再跟大陸地區的近親交流。況且台灣超過3000公尺的高山林立,生活在高山上的生物如果不會飛行,如果播遷能力有限,不就像待在海洋中的孤島!不同的生態帶代表著不同的環境,而差異大的生態環境是生物難以跨越的鴻溝,所以台灣地方雖小,但長期與其他陸地隔絕,加上高山阻擋,造就了豐富多樣的物種。

啟動長壽基因

  有一群特別的基因,在生物體處於艱困的時期,會協助身體的防衛,這群基因能夠增進個體的健康和壽命。如果想要延年益壽、減少老年病痛,關鍵就在於解開這群基因作用的奧秘。

  善用長壽基因的力量,可以改變人類典型的生命曲線。人們不一定會隨年歲的增加而停止成長和失去活力,即使已經70歲、90歲或甚至超過100歲,仍然可以感覺像是只有50歲。

  從一輛車的里程表和車型,你大略可猜出這輛車的車況,歲月風霜和經常駕駛,難免會造成磨損。表面上看,這個比喻似乎也可用於人類的老化過程,不過機器與生物卻有一個重要的差別:生物能夠因應環境變化,利用能量來保護和修復自己,因此生物系統的衰老並非不可動搖。

  科學家一度認為老化不只是身體的磨損,基因程式也會加以驅動:一旦個體成熟了,「老化基因」就會開始帶動身體走向墳墓。不過這個觀念已給推翻了,現在舊智慧再度受到重視,老化其實只是身體正常維修機制漸漸衰弱,最後身體磨損的結果。邏輯是這樣的:演化天擇沒有理由留下已超過繁殖年齡的生物體。

  然而我們和其他研究人員卻發現,有一群基因與個體應付環境壓力(像是酷熱天氣,或食物、飲水稀少時)有關。它們可以維持個體天然保護和修復活性,不論年齡。這些基因強化了生物的生存功能,使得個體度過危機的機會增加;當這些基因長期保持活性,也能大幅增進個體的健康和延長壽命。簡而言之,它們恰好是老化基因的相反面:它們代表了長壽基因。

  我們大約在15年前開始探討長壽基因的概念。我們的想法是,演化應該會偏向使用一個共通的調節系統,來調節生物體對壓力的反應。如果我們能找到一個或一些主導的基因(因此也主控了生物體的壽命),或許就能將它們轉化成對抗疾病和衰老的武器。

  最近科學家發現了許多基因,取的名字像是密碼一般:daf-2、pit-1、amp-1、clk-1和p66Shc,它們會影響實驗動物的抗壓能力和壽命,顯示可能與生物體在逆境下生存的基本機制有關(參見第28頁〈延年益壽的基因作用途徑〉)。但我們實驗室將研究焦點集中在名為SIR2的基因,在所有測試過的生物體內,從酵母菌到人類,都有SIR2基因的各式版本。而且我們將酵母菌、線蟲和果蠅等各種生物體內加入額外的SIR2基因後,牠們的壽命都增長了。我們的實驗室正在測試這個基因對較大動物(像是小鼠),是否也有類似的效應。

  在首先鑑定出來的長壽基因中,SIR2研究得最詳盡,因此在這裡我們將著眼於它的作用機制。它顯示了基因調控的生存機制是如何延長壽命、促進健康,而且有越來越多的證據顯示,SIR2可能就是這套機制的中樞調控者。

聚焦物理世界──認識時空、物質、宇宙與量子力學的24堂進階課

你一定好奇:時間是如何流動的?重力從哪來?為什麼有質量?然而課本裡卻沒有答案。本特輯除了解答上述基本問題之外,還要告訴你:粒子物理與宇宙學怎會搭上關係,以及自己也可以動手做的量子實驗!

精采單元:

時間之謎從粒子到物質無垠宇宙量子樂園尖端應用

導讀

讓大師領你踏進物理之門──台灣大學物理系教授 高涌泉

《科學人》這份著名科普雜誌進入台灣社會已近10年,這本特輯即是《科學人》這些年來所刊載物理類文章的精華選集。現今科學發展迅速,已經沒有人得以理解一切科學新知,即便單以物理這一學科而論,也不可能有人可以全面掌握各物理領域的進展。《科學人》的主旨在以深入淺出的方式,介紹科學上重要的新進展,所以如果我們想要大致了解物理學在過去10年間有何重要發現,這本特輯是最好的起點。

我們可以從這本特輯的文章分類得知,物理學在過去10年中,所關注的對象仍舊是在「量子」與「時空」這兩個歷久彌新的主題,而粒子物理、凝態物理、原子物理、量子電腦與宇宙學也還是當今物理學中火紅的領域。

更具體一點講,這本特輯觸及的物理題材包括:為人預期能夠找到希格斯粒子的大型強子對撞機(LHC)、有奇特性質的石墨烯、能產生超短脈衝的光頻梳、新型超導體、出人意料之外的宇宙加速膨脹與暗能量、全像宇宙、黑洞等。以上每項題材都已引出上千篇研究論文,有些已受諾貝爾獎肯定(石墨烯與光頻梳),有些可以預期未來會得到諾貝爾獎(從大型強子對撞機得到的發現)。這些廣泛的題材如果沒有行家帶領,很難自行摸索、一窺究竟。我可以想像一位物理教授指導其正要進入實驗室開始研究石墨烯性質的研究生,先閱讀〈一枝鉛筆畫出奈米碳網〉一文,在知道一點石墨烯的大概之後,再去鑽研專業性論文。

《科學人》主篇文章都是在作者與編輯一起句句琢磨之後,才得以與讀者見面,而作者本人(或作者群)也多是文章所介紹科學發現的當事者或是名筆,我要在此特別點出這本特輯中的幾位作者:〈度量時間,以光為尺〉的作者之一霍爾是2005年諾貝爾物理獎得主;〈一枝鉛筆畫出奈米碳網〉的作者之一蓋姆是2010年物理諾貝爾獎得主,此文另一作者金也被某些內行人認為應該與蓋姆一起分享此獎;〈重力是一種幻覺嗎?〉作者馬多西納在文中解說自己的全像重力論,是當今最受矚目的理論物理學者;〈粒子物理革命即將來臨〉的作者奎格是知名粒子現象學者,曾領導美國費米加速器實驗室理論部門10年;〈宇宙的起源〉作者特納是整合粒子物理、天文物理與宇宙學的先驅,以及「暗能量」一詞的命名者;〈奇妙的量子棋步〉作者尼爾森是第一本也是最暢銷的量子計算教科書的兩位作者之一;〈時間是雙向的嗎?〉作者卡洛爾出版過暢銷相對論教科書與科普書;〈神秘的時間流〉作者戴維斯也是多本暢銷科普讀物的作者。

在介紹新知之外,《科學人》偶爾也會刊出以科學哲學、科學史、微妙科學概念的解說、科學人物等為主題的文章。例如,這本特輯中〈粒子宇宙學開創史〉的作者凱薩是美國麻省理工學院物理學家兼科學史家,他在文中介紹了粒子宇宙學這門新興學問誕生的歷史,又例如〈艾弗雷特的異想世界〉一文介紹了艾弗雷特這位只活了51歲的物理界非主流人物,如何在1950年代於美國普林斯頓大學發展出現今為科哲專家重視的「量子力學的多重宇宙詮釋」的故事。而〈你也誤會了大霹靂?〉一文目的在於破除有關宇宙膨脹的一些誤解,這些誤會是連一般物理學家都可能不知不覺的。這類文章的教育意義比起新知介紹的文章,有過之而無不及。

由於本書內容的多樣性,無論你有多少科學背景,是高中生、大學生、研究生、業餘科學愛好者,甚或是物理專家,都可以從本書學到一些東西。?

導讀者簡介

高涌泉

台灣大學物理系教授、《科學人》編譯委員會召集人。研究專長為量子場論,亦致力於科學教育與科普寫作,著有《另一種鼓聲》、《武士與旅人》等科學散文集,長期為《科學人》撰寫專欄「形上集」。

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推薦

【推薦文一】?

小時候,往往在跑遍圖書館和書局後,仍苦惱地找不著像是「宇宙有多老」這類問題的可靠答案;在今日,網路資訊過度發達,卻也不免讓人迷失於知識爆炸的洪流中--到底哪個版本才是對的?《科學人》長是此症的良藥,而本特輯不但性屬特效,更是十全大補。在此難得當下,謹題一詩共勉:?

科技日新奇

學思無止息?

人間天地事?

笑問科學迷?

--吳俊輝(台灣大學物理系暨天文物理所教授)?

【推薦文二】?

無論馬上、桌上、枕上,每回翻開《科學人》,就是另一次無法放手的開始。我自身較為熟悉的領域在物理和天文,自然更為眷顧相關文章,這次《科學人》精采100特輯《聚焦物理世界》將過去10年之間精采紛呈的物理文章重新整理,輯為特刊,內容涵蓋尖端物理的各個方向,以饗對物理發展抱持高度興趣的讀者,委實功德無量。?

--孫維新(台灣大學物理系教授、國立自然科學博物館館長)?

【推薦文三】?

Scientific American的作者往往是極負盛名的科學家,所以一些國內教授也樂於予以翻譯,引介最新潮的知識。《聚焦物理世界》涵蓋了時空本質、量子計算、宇宙學的進展等,主要著重在基礎物理,其他領域的文章雖不多,但也有最熱門的鐵基超導體、石墨烯,以及光頻梳技術等三篇,後兩篇的作者裡都有諾貝爾獎得主。我相信讀者一定可以從這些高品質的文章中獲益良多!?

--張明哲(台灣師範大學物理系教授)?

【推薦文四】?

還記得小時候對生活周遭的各種現象充滿好奇,不停地追問為什麼的日子嗎?然而甚麼時候開始「長大」的我們不再好奇?直到有一天聽見人們談論宇宙的起源、時光旅行的可能、量子力學的最新科技等等時,似乎有那麼一點點好奇心重心被燃起,卻又不敢再向前。如果有一天,對知識的需求單單只是為了滿足我們的好奇心,不用被考試所束縛,是否可以不再害怕而單純享受知的喜悅?《科學人》再科普推廣的深耕是有目共睹的,這一次將之前的精彩文章編為特輯,一次滿足我們對知識的渴望,期待與您分享這場饗宴。?

--張清俊 (北一女中物理科教師)

科學人(第158期/2015年4月號)

■ 總編輯的話

清晨望著窗外,溪頭又是個豔陽天,我滿心沉重,把全球雲霧林植物保種計畫設在這裡,是個好抉擇嗎?

八年前,我們開始了全球熱帶植物保種行動,欣喜於蜂擁而來的奇花異卉之餘,有部份植物竟凋萎於盛夏。細究即知它們是來自熱帶高山區的雲霧林,那裡終年涼爽又雲霧繚繞,當然耐不了強光和高溫。蒐藏養不活的物種是個罪惡,因此我們很快就決定暫時避開這些嬌客,心中卻懸念不已。

雲霧林孕育了豐富的生物多樣性,特有種的比例又高,然而這類生境極稀,僅佔全球林地的1%。當熱帶平地開發殆盡後,鏈鋸及火舌已深入山區,各地的雲霧林快速轉變為茶園及咖啡園,成了最告急的脆弱生態系,孤聳的山頭讓其中的獨特成員更是逃生無門。近20年來全球氣候變遷加劇,暖化也奪走了濕氣,殘存的雲霧林開始乾涸,不幸的是,國際保育界的主流既未見此危急,更無力著手拯救。要在植物園裡設座雲霧溫室是昂貴的挑戰,難以應對的是能源消耗及黴菌病害。唯一成功的案例是新加坡在兩年前耗資10億新幣(約台幣230億元)推出的濱海灣花園(Garden by the Bay),主體溫室之一是個絕對令人讚歎的雲霧植物天堂,可惜的是觀光展示為其本意,尚不及於物種保育。

從念大學起我就常遁入台灣的山林,深知在寶島的中高海拔山區設個雲霧林保種基地的可行性。先看上的是高雄六龜的扇平,但在洽談之初,那裡竟毀於2009年的莫拉克颱風。失望之際卻得到台灣大學梅峰山地農場的支持,借用既有的溫室開始蒐藏雲霧林物種,然而去年初的連番極度寒流,迫使我另覓場所。這回溪頭成了首選,台大實驗林管理處又願積極合作,於是我們改建兩座溫室,農曆年後快速進駐了千種植物。鴻圖正要大展,台灣卻陷入60年來的大旱,溪頭也未倖免,地被植物已現乾萎,我確實擔心。

中午過後,溪頭雲霧再起,用吊索攀上巨樹,半空中我憂心未減,濕氣不夠啊!葉梢滴水不足,樹皮仍是乾的。這已不是警訊,而是現實的全球難關,美國加州正面臨40年未見的旱象,巴西更是破了80年的紀錄,〈缺水、缺電、缺糧食,有解嗎?〉是這期《科學人》的沉痛報告,而氣候變遷竟也危及當年取代雲霧林原生物種的咖啡樹,〈咖啡危機〉是個反諷。

■ 黑洞電梯

我們能不能建造一部太空電梯,

在宇宙資源耗盡的那一天,

從黑洞擷取能量,拯救人類文明?

■?熱門話題:豐富咖啡基因庫 ?對抗?蚽f浩劫

■?五臟六腑各有生理時鐘

■?記憶運算 ?學人腦思考

■?缺水、缺電、缺糧食,有解嗎?

變遷中的環境──面對全球暖化、生態與資源浩劫的29個真相

你還不了解全球暖化嗎?二氧化碳越來越多、冰川一塊塊崩裂,人類與全球物種正在一同面臨存亡危機。

除了節能減碳,我們還可以做些什麼?又應該做什麼?而經濟成長與保育環境資源,有辦法併行嗎?

精采單元:

全球暖化生態與資源浩劫拯救環境行動減碳愛地球

導讀

追求環境與人類的永續 ──台灣大學大氣科學系教授 柳中明?

全球氣候到底是不是在改變?這個命題,讓全球許多科學家、政治家、環保人士、詭辯者,費盡了心思。個人乃以「人間氣候」稱之,即是氣候的變與不變,是人類由人的角度觀察而定之。?

大自然的氣候,由地球形成以來,就一直在改變。但是,現在全球人口即將到達70億,2050年時可能是90億。若果全球氣候無法維持穩定,或是所謂的風調雨順,則許多人可能將會因為缺水斷糧而渴死餓死,更且可能不用等到那種絕望時刻,就會為了搶水搶糧,發生全球大暴動與頻繁的地區性戰爭。?

所以要思考變遷中的氣候,關鍵就是過去百年與未來百年,是否氣候正在往會衝擊人類生存安全的變動方向前進。特別是:是否是因為人類本身的行為所造成?也即大家所熟知的:大量溫室氣體的排放,是否正促成全球暖化,並會持續上升??

氣溫儀器與氣候模式等,當然都已提供了許多氣候暖化的證據。但是,最直接的,還是看到全球的冰山、冰原等,正逐漸在融解。譬如喜馬拉雅山的冰河,此乃是南亞、東南亞、南中國的重要水源,若真有一日,冰河全部消失,這些地區的民眾將會面臨難以想像的災難。至於北極海冰的融解,雖不會造成海水位上升,卻是最明確的氣溫上升指標;而且,因此下降的地表反照率,將會讓更多太陽輻射進入北極地區,使得當地的冰融現象更加速,並擴及格陵蘭島上的冰原。而冰原的大量融解,則一定會讓全球海水位上升,所以這必須同時監看南極冰原的變動(請見第一單元〈全球暖化〉)。?

除了人類擔憂氣候暖化,受衝擊最大的就是生態。因此,全球許多科學家都在觀察生態系統變化,特別是尋找與氣溫變化之間的關聯。譬如台灣玉山國家公園內,國內生態學者就提出低海拔地區的鳥類,正向3000公尺以上的高海拔地區遷移。但是,國內生態監測的研究與資訊並不長久,所以仍需多參考國外的研究發現。其中,英國自然學者老菲特先生47年的植物手寫記錄,最是珍貴,其所觀察到385種植物的開花日期平均提早4.5日,甚至還有14日的,充份證明:生態系確實已受到氣候暖化影響。不過,改變最大的,還是在北極地區。其中,北極苔原正逐漸北退,而灌木群則突擊入高緯度地區。但是,雲杉等寒帶樹木卻因為熱浪、乾旱、火災、蟲害等,反出現領域縮減現象。顯然,氣候暖化對於生態系的影響,是非常多元的。?

陸域生態系中植物是無法走動的,所以變動緩慢,需要長期觀察。動物卻是可以走動的,譬如海冰持續融解,北極熊能遷移的區域越來越小,衝擊極大。至於海洋生態系中如珊瑚礁,會因為海溫持續上升而出現白化面積擴大;另外,各地魚群則已出現北移的現象。再者,海洋吸收大氣的二氧化碳量越來越多,則會出現海水酸化現象,其對浮游動植物的生存衝擊,會進而影響食物鏈下游的魚群、海鳥等,進而影響及人類的食物來源,非常值得關心(請見第二單元〈生態與資源浩劫〉)。?

自1962年美國卡森女士發表《寂靜的春天》以來,世界各地均越來越重視拯救生態系的生存環境。相關的行動,如訂定「瀕臨絕種野生動植物國際貿易公約」等,使得許多強制性的生態保育工作,在各地發芽生根。其中,如何保護水域中的生命,是最具挑戰的工作。原因無他,人會搶水,更會污染水,而最豐富的生命群,都聚集在水域內。?

由於各地氣候變化越來越顯著,同時人口持續成長,再加上有系統地大量灌溉或工業用水等,全球各地的內陸湖泊都面臨水位下降與面積縮減的困擾。至於人工興建的水庫、攔水壩等,則隨著淤泥持續累積,及蓄水量不足等,也面臨著拆除及是否興建新水庫取代的紛爭。人為改變的地形地貌,正在反撲衝擊人們的生存安全,並滅絕數以萬計的生態物種。改變已是必要,問題則是由何開始??

許多人以為節能減碳是在救地球,其實是在挽救人類免於滅絕。對於地球而言,人類不過是長期演進史中,現今主宰生態系生存安危的重要物種。但是,若果全球的生態系(包括人類自身)因為人類無法停止的破壞而滅絕,地球本身並不會因此停止演進,不過就是重新開始另一個新的生態體系的演進。因此,現今談永續發展,課題就是:如何拯救人類免於人類本身的威脅,而得以讓人類永續(請見第三單元〈拯救環境行動〉)。?

現今人口持續增加,而且識字、受教育且具備高知識與高智慧的人數持續增加。其趨勢是:人人都知道要追求經濟成長、改善生活品質,也都知道如何最有效改善自我的未來,期以追求自我的夢想。結果是近70億人口都在追求成長,無論是追求溫飽,需要大量糧食與衣著;或是追求財富與舒適生活,需要更多物品生產。這些都需要耗能、耗資源,甚至伐林、興建鋼筋水泥建築等,如此全球性的環境破壞與污染,以及溫室氣體持續排放入大氣等,基本上是無法停止的(請見第四單元〈減碳愛地球〉)。?

1970年代,羅馬俱樂部提出《成長的極限》,可是現今各國仍多認為成長是無極限的,所以每位掌權者都在追求經濟成長,並期望降低失業率。顯然,短期內要想改變如此趨勢,應是不可能的。但是若不改變此趨勢,地球又如何能供應無窮的資源,讓人類揮霍?所以,「21世紀議程」、「氣候變遷綱要公約」、「森林原則」等許多不具強制約束力,但具期望改善未來人類生存環境的行動,正逐漸開展。其中,當以「氣候變遷綱要公約」最為重要,其所推動成功的「京都議定書」與未來新的議定書,將或能減緩全球暖化速率,讓下一代人類不受氣候變遷威脅,生態也才得以永續。

導讀者簡介

柳中明

台灣大學大氣科學系教授,曾任台灣大學全球變遷研究中心主任,現任中華民國低碳環境學會理事長。研究專長為氣候變遷與永續發展,並長期呼籲大眾正視全球暖化可能帶來的災害,曾經為《科學人》撰寫專欄「變遷中的氣候」。

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推薦

【推薦文一】

很多地球環境變遷的知識,是以前我在學校受教育時未曾學過的,因此唯有積極自我學習,才能回應許多優秀高中生提出的各式問題和看法。幸好有《科學人》雜誌!《變遷中的環境》特輯精選了各期中不同科學家有關環境的文章,更方便我們比較他們所提出的論證,也能讓我們對相關知識的建構更完整。

--李文禮 (台北市立建國中學地球科學教師)?

【推薦文二】?

環境變遷牽涉的議題多元又豐富,大氣與海洋各有複雜且相互影響的系統,人類究竟了解多少、掌握多少?《變遷中的環境》特輯從幾個重要的角度切入詳述,集結當代的研究成果,剖析現象背後的科學解釋,更進一步提出因應變遷的策略與方案,帶領讀者一窺環境變遷的科學堂奧。?

--吳俊傑 (台灣大學大氣科學系教授、系主任)?

【推薦文三】?

近期面對環境快速變遷的考驗,源自內心的好奇,驅動人們跨越時空探索環境改變帶來的衝擊,然而已解開的謎總是揭露出更多的未知,未來的世界我們能夠預想多少?《變遷中的環境》特輯整合了相關領域活躍的前沿知識,引領我們體認永續發展的倫理,共同來經營地球成一個精神終極愉悅的環境堡壘。?

--吳育雅 (北一女中地球科學退休教師)?

【推薦文四】?

氣候變遷所導致的災害,已獲得各界的正視,但過度捕撈、棲地破壞、污染及入侵種等人為因素所造成的衝擊,卻反而被輕忽,成為另一不願面對的真相。要改變唯有靠科學教育。很高興《科學人》雜誌能把過去所刊載的文章彙編成輯,讓關心環境與生態的朋友能更方便閱讀,善盡其科學教育的社會責任。?

--邵廣昭 (中央研究院生物多樣性研究中心研究員、執行長)?

【推薦文五】?

當大家因為環境巨大變遷而驚慌的時候,如果我們能夠積極找出一些建設性方案,似乎對地球和生態比較有意義。然而過去我們對於生物學和生態學的研究非常缺乏,難以提出什麼建設性構想,這才是主政者應該省思的問題,以及科學家應該努力的方向。而《變遷中的環境》特輯提供了我們更全面的思考!?

--曾晴賢 (清華大學生命科學系教授、系主任)

科學人(第150期/2014年8月號)習慣成自然?積習不難改!

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每天回家坐上沙發,你會順手打開電視機?走進捷運車廂,你就不自覺滑起手機?說你有「資訊焦慮症」、「網路上癮」可能太嚴重,但很明顯,這些行為已經成為一種習慣,在大腦未經思索的情況下就自然而然完成。

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可不就是「習慣成自然」嗎?如今這句話有了神經科學的解釋:科學家在大腦皮質與紋狀體之間找到多條連結的神經迴路,讓有意識的重複行為〈從腦養成好習慣〉。習慣的神經迴路有什麼好處呢?原來大腦可以騰出精力與時間,把資源用在其他更重要的事情上,卻也因此忽略了這些行為所造成的後續影響——特別是壞習慣。

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更進一步,科學家已經可以利用光學遺傳學,操控實驗老鼠走迷宮的習慣。想要戒除壞習慣,以往臨床心理學家就有不少方法可以幫助你,如今再佐以這些神經生理學的知識與證據,我們一起實踐〈積習可改〉!

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金融危機一爆接一爆、股票詐騙案層出不窮,許多像「老鼠會」一樣的金融騙局充斥於我們生活周遭,這類詐騙手法歷史悠久,你只要找得到「下線」,「上線」就能夠獲利。股市越早進場獲利越多?各種社會保險只是債留子孫?〈揭發龐茲騙局〉告訴你各式龐茲騙局的伎倆,〈誰是最後的笨蛋?〉教你判斷龐茲騙局的兩大要件。

還有更多不及介紹的精采內容,請見《科學人》雜誌2014年8月號。?

透視生命奧妙了解基因與細胞運作、最新生物科技的22個必修學分

地球上的生命是如何出現而又演化成現在的樣子?細胞為何能從事許多令人驚嘆不已的工作?最新的生命科學發現是怎麼應用到日常生活中?未來的人可能會享有哪些先進的醫療?生命科學最前緣的研究內容,盡在本特輯中。精采單元:

生命的根源細胞的奧秘你我的生命學議題生物科技最前線萬物皆靈

導讀

就算無法定義生命,也不減探索的樂趣!──長庚大學生理科副教授黃榮棋專文導讀?

薛丁格的《生命是什麼?》一書在1944年問世,至今已過了67個年頭,這個問題依舊沒有令人滿意的答案,如同世人對生命的定義始終沒有共識一般。但若要找一個最接近生命定義的,代謝應是首選。由於代謝,生物體可以不違背熱力學第二定律,利用能量來建立生命所需的分子秩序。生命或許就是源自能量驅動的小分子化學反應網絡,最終發展出複製能力,並以達爾文演化機制來適應環境。?

果真如此,病毒這種無法獨立自營生活、必須仰賴其他生命才能代謝的個體,又該如何歸類?就這個問題而言,病毒與暫時停止代謝活動的休眠種子一樣,似乎超越世人的生命概念。無論如何,病毒攸關人類健康,並賦予人類與細菌共有的基因,在生物演化上扮演舉足輕重的角色,或許就像諾貝爾獎得主勞夫所言:「病毒就是病毒!」第一單元〈生命的根源〉,將引領你深思這些帶點哲學味道的問題。?

想更具體了解生命如何運作,第二單元〈細胞的奧秘〉會給你完全不同於以往的視野。生命的基本單位是細胞,同一個體的細胞都含有一樣的基因組。雖然如此,基因表現卻非一成不變,而是會受到調節。例如有一群特殊的基因,可以在生物處於逆境之時,協助防衛身體,增進個體的健康並延長壽命。研究證實,限制熱量的攝取可以活化這些基因,延長小鼠、大鼠與狗(甚至靈長類)的壽命。了解這些「長壽基因」的調控,人類長命百歲就不再是夢想。?

細胞也可以藉由所謂的自噬作用,利用細胞內的微小「自噬體」來清除廢物以及入侵的病毒和細菌。這種自噬作用似乎對神經細胞特別重要,像阿茲海默症與老化,就可能與腦神經元自噬功能的衰退有關。知道如何抑制或促進自噬作用,將有助於疾病的治療,甚至也一樣可以延緩老化。?

基因表現通常是透過特殊蛋白質結合到基因的調節區,來促進或抑制mRNA的轉錄。近10年來科學家卻在各種生物細胞,發現到一種類似糾察隊的「RNA干擾」(RNAi)系統,可在細胞出現有害的基因表現時,適時攔截該基因的mRNA。RNAi這種「消音」功能只會針對特定的mRNA,而不會影響其他基因的訊息。科學家若能找出誘導RNAi的方法,應該可用來抑制與癌症、病毒感染與其他疾病相關的基因表現。?

基因組雖攜帶製造蛋白質的訊息,但蛋白質才是細胞功能的執行者。一個個體中的細胞雖有著相同的基因組,卻因為表現出不同的蛋白質,而能執行不同功能,以符合生理之需。因此,若能明白特定細胞的蛋白組以及蛋白質之間的功能互動,就更能充份掌握這些細胞的特性。例如癌細胞表現的特定蛋白質,或可用來做為檢驗與治療的標的。?

但因為不同細胞會表現不同的蛋白質,而且一個基因還可以不同的剪輯方式製造多種蛋白質,蛋白組學遠比基因組學複雜困難得多。蛋白組學已廣泛應用在臨床醫學與生命科學研究,也創造了蛋白組學儀器與耗材的無限商機。可以預見,蛋白質當家的時代已經來臨,蛋白組學將繼續提供寶貴的生命科學知識。?

另外一些熱門而切身的話題,包括幹細胞與維生素D等,則在第三單元〈你我的生命科學議題〉中有所討論。幹細胞是一種未分化的細胞,具有分化成各種不同功能細胞的能力,因此可用來移植以修復組織與器官。幹細胞研究雖具爭議,尤其是利用胚胎幹細胞所引發的倫理道德議題,但依舊是目前許多無法醫治疾病的一線希望。?

流行病學與生理學證據指出,演化造就了人類膚色在地球上的分佈狀況,這是因為攸關生殖成就的葉酸與維生素D,都會受紫外光輻射影響的緣故。此外,維生素D還具有強大的抗癌作用,對免疫系統的調節也很重要。最近的證據指出,維生素D會與細胞核內的受體結合,並影響基因的表現,因此具有廣泛的作用:起碼會對全身12種不同的組織、調節1000種以上的基因。這或可說明現代文明生活下,日曬普遍不足所產生的諸多問題。?

生物科技的進展已經趕上科幻小說,可以讓狗兒「冬眠」一小時,並在甦醒後安然無恙。同樣技術若能成功應用在人體,不僅可以保護重傷患者,還可以延長移植器官的時效。結合遺傳工程學與光學來研究特定細胞類型的新領域:光學遺傳學,已讓神經科學家可以準確地描繪,甚至控制腦內的神經線路,這對於研究神經線路與功能有重大的貢獻。?

利用遺傳工程技術來改造細胞、重新組裝生命,可以協助製造化學成份和抗癌藥物,甚至處理核廢料與生化武器。隨著生物科技的進步,或許不久的將來,DNA定序科技的普及,讓你只要花上三萬元就可以快速取得個人的基因序列。第四單元〈生物科技最前線〉帶你搶鮮體驗未來可能的醫療科技!?

生命世界的多采多姿,在動物生理與行為上也充份展現,你絕不能錯過第五單元〈萬物皆靈〉。有些動物雖然智力不如人類,但是感官上卻有過「人」之處,例如昆蟲和鳥類能夠察覺到紫外光,而鯊魚有特殊的器官,能夠感知周遭的電場變化,這是超越五感之外的另一種感覺能力。?

為何有些動物特別聰明?大象、海豚、鸚鵡、烏鴉以及大猿等社會化的動物,似乎都能展現非凡的智能。但透過對紅毛猩猩的研究,「文化提升智能」這個理論或許最能解釋智能的演化。行為經濟學的研究指出,卡布欽猴、黑猩猩與人一樣,都會分享食物。這種共享的心理可是致力合作生活的靈長類特有的演化產物。?

這本《透視生命奧妙》特輯廣泛涵蓋了生命科學領域的眾多重要議題,諸如生命起源、細胞生物學、生物科技以及行為演化等,也收錄了病毒學與肢體再生等有趣題材。想一窺生命玄機的讀者,絕不會失望。

導讀者簡介

黃榮棋?

長庚大學醫學院生理暨藥理學科副教授、神經生理實驗室主持人,《科學人》雜誌編譯委員。研究主題為生物時鐘的機制與細胞離子通道的表現,長期協助《科學人》雜誌生命科學、神經生理學以及生物科技等領域文章的編譯。

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推薦

【推薦文一】?

現代科學不僅帶給我們豐盛的物質享受,同時也影響了對自己和外在世界的認知。但面對排山倒海而來的科學衝擊,大部份學生在填塞了課本上的知識以應付考試後,多半從此就不再碰及科學。要大家有興趣持續認識科學,第一個需要克服的難題就是怎麼讓「科學說中文」!「科學人」將過去的文章,依類別結集成冊是一個新的嘗試。在此先預祝它成功!未來如果每篇文章後面能有更淺顯而周延的解說,那就更理想了。?

--周成功 (長庚大學生物醫學系教授)?

【推薦文二】?

我喜歡「科學人」。?

我喜歡「科學人」翻譯的「科學美國人」文章。?

我也喜歡「科學人」裡頭「科學台灣人」自己撰寫的文章。?

翻譯的也好,本土的也好,都一樣高水準。?

現在,「科學人」精選了近年來生命科學方面具有趣味性和教育性的精彩文章,收集成冊出版。這本特輯不但惠及一般讀者,也是很好的課堂教材及討論會讀物。?

期待「科學人」將繼續在其他領域出版這樣的專集。?

--陳文盛 (國立陽明大學生命科學系及基因體科學研究所教授)?

【推薦文三】?

科普文章一直是科學教育中重要且有效的一環!《科學人》的各期文章不但文筆順暢容易閱讀,又涵蓋了眾多的科學領域,不但幫助讀者掌握科學新知,也討論了許多科技發展所產生的社會議題,實屬珍貴的教育資源。將《科學人》的精彩文章依主題整理分類,方便讀者能一窺完整的知識架構,全方位討論科技的應用與衝擊,亦是讀者的一大福音。?

--蔡任圃 (台北市中山女高生物科教師)?

【推薦文四】?

形成生命的基本單元是什麼?基因?細胞?這些單元又如何形成複雜的個體?生命的機制雖是眼不能見,但每天發生在我們的周遭,叫人無可推諉。而要維持生命,生物就必須能和環境互動,趨吉避凶,這是個更引人入勝的問題。在人類基因體計劃完成後,生命科學在基因與細胞研究的基礎上快速的進展到系統生物的層次,最新的技術已能藉由改變神經細胞活性而遙控動物行為。「科學人」集結出版了近幾年討論相關議題的文章,好讓讀者能感受最新生命科學研究的脈動,這是值得推薦的智慧典藏。?

--江安世 (國立清華大學生命科學講座教授)

?美國百萬暢銷書,《念力的祕密》作者首部國際暢銷作品

從科學角度研究心靈領域的經典之作, 精彩好讀如科學偵探小說,絕對顛覆你對宇宙萬物的看法! 思想是由什麼組成的? 人類的意識也施力形塑了現實世界? 為何人類單憑「期望」,就足以影響事件? 自古相傳的聖域真具有特殊的氣場? 心靈治療能改善重症患者的身心健康? 超覺靜坐能夠降低犯罪率,促進世界和平? 一群來自世界各地、勇於挑戰的前衛科學家要告訴你, 人類的求知和溝通能力遠比我們所了解的更為深奧、浩瀚。 我們其實遠比自己所想的更有本事, 不僅可以自我療癒,更可以療癒世界。 【本書重點】 科學不只是冷硬的數據,實驗證明,整個宇宙都瀰漫著一種所謂「生命力」,也有人稱之為集體意識。幾十年來,各種領域的科學家與專家就多種專精領域,在世界各地精心設計、執行各式實驗。他們發現,從基本原理來看,所有生物全都是一股能量場裡的能量組合,這種脈動能量場像是動力機,啟動我們本質和意識的核心。在最根本存在層次裡,所有人彼此都有連帶關係,而且和世界也有牽連,也就是,我們正和我們的世界共振。 他們以科學的觀點,通盤解釋人類在過去幾百年來堅信不移、卻苦無確鑿證據或無法圓滿解釋的各種信念,好比另類醫學、靈力治療、超感官知覺和集體潛意識等。而所謂的異能──預感、追朔「前世」、千里眼影像、心靈治療天賦──其實非屬異常,也非罕見,而是所有人都有的本領。如果我們能夠依循科學途徑來認識這種潛能,那麼說不定就能學會如何條理運用這類本領。 我們的力量遠超過自身所知,有能力療癒自己、親友,甚至我們的社群。每個人都有這種本領,並能凝聚成更強大的集體力量,來改善我們此生的命運。就所有層面來講,我們的生活都掌握在自己手中。 本書是以科學角度研究心靈領域的代表作品之一,試圖整理分歧研究,統合構成完整體系;也針對於宗教、祕術、另類醫學或新時代思維等領域,採科學方法來驗證虛實。

出版商名稱?商周出版

科學人(第153期/2014年11月號)

今年3月下旬,「發現重力波」的新聞震驚科學界,並躍上各大媒體頭條。因為如果確實找到大霹靂後瞬間重力波存在的證據,不僅證明愛因斯坦100年前的預言、驗證物理學家古斯的宇宙暴脹理論,也將把廣義相對論與量子理論連結起來,成為「萬有理論」。這項發現可能顛覆人類對於宇宙、物理本質的認知,科學家不得不小心驗證,且看〈重力波 照亮量子重力之路〉細說緣由!?

重力波的證據藏在宇宙微波背景輻射的偏振現象,要讀到微弱B模態偏振的訊號,BICEP2偵測器的設計精巧不在話下。然而重力透鏡效應與星際塵埃也可能引發偏振現象,凱克陣列、普朗克衛星的觀測數據能否提供佐證?BICEP2偵測器的設計者美國史丹佛大學郭兆林教授接受《科學人》雜誌專訪,暢談研究的理路、進展與未來計畫。?

翻轉教育風靡全球,這種創新的教學方式似乎更符合學習的心理歷程?科技日新月異,教學方法確實需要與時俱進,當然〈教學應該更科學!〉;但教學現場與教育的科學研究該如何相輔相成?每位家長都不想讓自己的孩子成為教育實驗的白老鼠,〈教與學,細思量〉請您一起來想一想。?

食品工業化讓問題層出不窮?端看我們如何使用科技。例如透過DNA分析、不需基因改造,就能〈用天然標記選育美味蔬果〉。

更多精采內容,請見2014年11月號《科學人》雜誌。

?◆最適合全球華人使用的心智圖法專書


◎ 華人心智圖法大師孫易新教學近二十年的集大成之作

◎ 探討心智圖法各項操作定義,解說原則、技巧與步驟,並提出更精進靈活的技巧


哈佛大學與劍橋大學師生、日本管理大師神田昌典、經濟評論家勝間和代推薦的思考利器

新加坡、韓國、台灣、中國納入學校教學,超過2000家跨國企業採用

工研院、資誠聯合會計師事務所、聯華電子、中華電信、HP惠普科技、鴻海、廣達電腦、宏?砦q腦、台新銀行、富邦金控等在台企業員工熱門課程


心智圖法已幫助無數莘莘學子與考生順利考取理想學校系所、通過國家考試與甄試,並能幫助職場工作者處理專案,提高工作績效。一書在手,可抵千百本學習參考書!


心智圖是由東尼.博贊於1971年產生的構想,經過數十年來實際教學與驗證,心智圖法廣受學習者歡迎,證實確能激發大腦潛力、引發創意、提升問題解決能力與記憶力,讓筆記變得生動又有趣。


孫易新老師是全球華人第一位博贊心智圖法認證講師,將心智圖法正式引進華人世界的第一人。他集結了20多年來實際運用心智圖法與豐富的教學經驗,不僅提出更精進靈活的實用技巧,更闡述心智圖法能增進心智思考模式的背景知識。書內豐富詳盡的圖片解說,與扎實的文字敘述相輔相成,讀者可從各項操作定義中,逐一瞭解實務運用的原則、技巧與步驟。無論是學習還是工作,心智圖法能幫助你發揮學習潛能、提升能力、擁有自信!


出版社 商周出版(城邦)

天文學家表示,迄今發現最接近“另一個地球”的系外行星名稱為Kepler 452b。這是至今為止發現的最接近地球的“孿生星球”,有可能擁有大氣層和流動水。目前沒有證據證明開普勒452b上面有生命,因為開普勒望遠鏡只負責照相,沒有辦法近距離觀測行星,這需要後期技術手段跟進,可能需要把工具送入軌道內。

這顆行星距離地球1400光年,位於天鵝座。人類想要到達前幾天剛露出正臉的冥王星就需要9年時間,而想到達開普勒452b則需要5億多年。

2014年和今年年初美國宇航局也曾公佈過類似“最接近另一個地球”的消息,但那些系外行星圍繞運行的�甯P都是品質很小,溫度也比較低的紅矮星,而這次Kepler-452圍繞運行的是一顆與太陽相似的�甯P,所以成為到目前為止最接近“另一個地球”的系外行星。NASA表示,Kepler-452被稱為地球2.0。

Kepler-452b的直徑比地球大60%,它的�甯P比太陽大10%,公轉一圈是385天,岩石星球的可能性高於以往。NASA說這個星球上可能有活火山,有存在生命的可能性,行星應該有60億年歷史,地球為45億年。

NASA表示,由於缺乏關鍵資料,現在不能說開普勒452b究竟是不是“另外一個地球”,只能說它是“迄今最接近另外一個地球”的系外行星。

此外,這次一同發佈的還有11顆同樣是直徑小於地球2倍,均為運行于宜居帶內的疑似目標,還需要進一步後續確認。

開普勒接下來的任務將在2017年正式展開,會在我們附近的�甯P周圍找到適合居住的行星。

這個奇妙的宇宙如同一個魔法寶盒,不斷拋出一幅幅精彩的畫面,讓我們目不暇接——

你想知道這顆剛被發現的”第二個地球”相關知識嗎?本書詳細為你解曉!
擁抱科技.禮讚先知

掌聲雷動,全體起立,2000人恭迎星雲大師進場,這是我上個週末在佛光山的震撼體驗。英國牛津大學的麥爾荀伯格(Viktor Mayer-Sch?nberger)為這場「科技與宗教的對話」揭開序幕。他說理明晰,帥氣活潑,暢談近20年來巨量資料之湧現,對比過去2000年人類知識之緩慢積累,期勉年輕人該在這大數據時代聰明創業及創新。聽他說明Google的工程師在2009年利用大數據分析,比美國疾病管制局更早預測並掌握流感疫情,我立即想到今年7月號《科學人》的〈細菌終結登革熱〉以及正肆虐台南的登革熱。顯然我們既未取經前例、疏忽警訊,又再度採用原始的藥劑滅蚊法,現在不僅南部漫天殺蟲煙霧,各縣市也跟進了,可以想像昆蟲都即將絕跡於城市及鄉野。剛接到通知,水木清華的百公頃校園,除了蝴蝶園,已全面殺蟲。人與自然的衝突,莫此為甚。

「科學發展大趨勢:對人類的禍與福」是我被指定的講題。一如往例,我由講古開場,談20萬年前現代智人崛起於非洲,走過石器、青銅及鐵器時代。中國歷朝因無力抗天,承氣候變遷而起的災荒及戰亂,人口曾14次悲慘劇降。是工業、綠色及醫藥革命把人的壽命大幅延長,人的消費也超越了環境承載力;是剪接基因的生物科技讓糧食增產,但也開啟了可能脫韁的組裝生命時代,這門新學問當然也奠基於處理大數據的生物資訊學。

智者高希均憂心台灣民粹當道、政府無能、國會失控,我們曾有傑出成就,但可能就要迷失於新時代的浪潮。他呼籲視野不再盯住本土、心思不再鎖在家園、格局不再限於島內,唯有自信地開放台灣,我們才有希望。

星雲大師為這一天的論壇做了智慧結語:科學是探索心外世界,求真與求知,有宏觀與微觀。而宗教是探索內心世界,求善與悟道,有靜觀與定觀。治心與科研皆難,他勉勵大家要不斷自我修持。

網際網路的巨量資料源自於知識與記憶的數位化,而這是先知愛因斯坦眾多理論的實踐之一。事實上,我們在這現代化的光電生活中,已是「天天遇見愛因斯坦」。為了紀念他在1905年發表照亮人類的五篇重要論文,聯合國認定2005年為「世界物理年」,當時《科學人》出版了特刊《愛因斯坦影響100年》。今年又適逢他提出廣義相對論100年,《科學人》以10月號整本專輯來禮讚。

科學人(第151期/2014年9月號)

當今最火紅、堪稱台灣資訊產業下一個浪頭的「物聯網」,可不只是把健康手環、google眼鏡、智慧冰箱等設備自顧自地連上網路。把資料送上雲端給醫生、讓你遙控家裡的冷氣,那又怎樣?但如果連上網路的,不只有家電設備,而是更加無所不在的各式感測器?而如果這些感測器得到的數據,可以全部整合、互通有無呢??

美國知名電腦與通訊科學專家魏瑟(Mark Weiser)23年前即在Scientific American預言了「遍存計算」(ubiquitous computing)的時代,如今麻省理工學院(MIT)媒體實驗室的團隊更利用遊戲引擎,把這些資料影像化,讓你可以隨時看到遠方某處的真實情況。這套設備與軟體顛覆了「親臨現場」的意義,一旦這些感測訊息直接連上大腦或神經系統,〈物聯網上身 你我都有超能力〉可一點都不唬人!而結合虛擬實鏡與擴增實境的初階版,〈虛實聯網 延伸你的感官〉早已悄悄發生在我們生活、教育與娛樂之中!?

伊波拉病毒持續肆虐,人體實驗中的單株抗體藥物Zmapp效用尚未確認,新藥研發刻不容緩。生物科技界一致看好〈RNA未來醫療新勢力〉,科學家利用短小干擾RNA(siRNA)已經治癒了實驗室中感染伊波拉病毒的恆河猴!羅賓.威廉斯因憂鬱症自殺,舉世同弔。讓我們認識〈自殺背後的憂鬱推手〉,從大腦迴路一起防止悲劇。?

更多精采內容,請見《科學人》雜誌2014年9月號。

◆本書為商周出版的《認識DNA:下一波的醫療革命》改版書! ◆美國Walter Reed Army Medical Center分子診斷與病毒疾病部門主持人 洪火樹 博士?審訂 基因體是一本歷史,記錄著人類時光旅行的故事;它是一本工作手冊,以數位的方式記載人體每一個細胞的製造藍圖與操作的秘密。研究基因體可以回溯人類的演化進程,可以看到祖先與疾病搏鬥的記錄,也可以察覺基因體的主人是不是比較容易罹患癌症、心臟病、中風、憂鬱症……,甚至可以從DNA端粒的長度一窺壽命的天機。 自從人類基因體計畫在2000年完成草稿以後,DNA的新時代已經來臨,疾病的本質完全改觀,DNA為疾病提供了新的解釋、新的診斷、新的療法,以及新的預防策略;如今醫學文獻幾乎不能不用DNA觀點審視研究的設計與解釋。在此之前,人類的基因幾乎是一個未知的謎團,我們即將成為破解這個謎團的第一個世代。我們有必要重新深入認識DNA、基因、基因體這些基本詞彙所代表的意義,以及它們的構造與功能,才有能力回顧這些年來DNA科學的主要進展,並進一步了解什麼是「生物技術」,以及一探DNA科學終極目標之一的「基因療法」現況。 有人說,現代人不會上網、不會收發電子郵件,就算是一種文盲。同樣的,學習自然科學的人如果不能了解近年來DNA科學的發展,也會落入看不懂醫學、生物學最重要文獻的窘境。這就是本書出版的原因和目的。我們著重介紹基因體的基本知識,並補充近年來DNA科學最新的發現和研究,期許能為讀者做一次DNA新樂園的導覽。 【好評推薦】 國立台灣大學流行病研究所教授 陳為堅、國立台灣大學職業醫學與工業衛生研究所所長 詹長權、中央研究院海研究站研究員,國家實驗研究院海洋科技研究中心生物海洋組長 嚴宏洋
科學人(第148期/2014年6月號)

封面故事?

28 醣分子開啟製藥新時代

「 醣」是生物體內三大重要分子之一,現今21世紀的科學家已經可以任意操作遺傳物質、創造新奇蛋白質,甚至合成生物、列印器官,但是對於合成醣類的知識還相當淺薄。中央研究院院長翁啟惠首創的「自動化一鍋合成法」,已經突破困境,即將開啟生技製藥新時代。?

34 冷門領域遇上好奇心靈

2014年6月,有「諾貝爾獎前哨站」之稱的國際科學界大獎「沃爾夫獎」(Wolf Prize),把化學獎頒給了中央研究院院長翁啟惠。沉潛研究30年的翁啟惠,如何以好奇與熱情支持自己在這條艱難的道路上前行??

38 勇於失敗,才有機會創新!——專訪中央研究院院長翁啟惠?

創新的背後,是一連串的試驗、嘗試與冒險。企業、學校甚至社會,都應該鼓勵創新的精神,不要害怕失敗,而要鼓勵人們禁得起失敗和挫折!?

氣候變遷?

40 全球暖化假性暫停??

過去10年全球氣溫的上升速度減緩,但並不代表暖化效應就此打住,氣候危機依然在不久的將來等著我們。?

資訊科學?

48 論文抄襲記??

一套原本用來協助研讀論文的文本分析軟體,卻意外揭露某些科學家剽竊論文與重複申請研究資助計畫的違反倫理行為。?

52 抄襲與反抄襲的戰爭?

Google的語意向量和IBM華生電腦的搶答技術,把文字處理提升到語意層次,可防止文章剽竊及改善寫作表達,以達反抄襲之效。?

物理學?

56 超對稱玩完了???

數十年來,物理學家一直醉心於超對稱這個美麗的理論。但是在未來幾年內,若無法證明超對稱是正確的,就得面對劃時代的典範轉移。?

醫 學?

64 召喚免疫軍團來抗癌!?

研究人員正嘗試卸除免疫系統中的煞車器,以發展新一代對抗惡性腫瘤的強效療法。?

工程學?

70 變形機械妙用多?

利用材料與生俱來的撓性,製造出多變的單件式機械。它們耐用並且效率更高,將能取代多零件、缺乏效率的傳統機械。?

心理學?

78 高手盲點??

是「老狗變不出新把戲」,或是「舊愛還是最美」?原來是大腦對熟悉方法的偏執,讓我們看不見其他可能的選擇。?

古生物學?

84 化石GPS?

發現重要化石的過程大多像中樂透,運氣是關鍵因素之一。新的研究模型能夠預測何處可能有化石,如同定位化石遺址的GPS。?

數 學?

90 破解天才的手稿??

英年早逝的印度數學天才拉曼努真,留下了許多只有結論而沒有計算過程的手稿,其中隱藏著神蹟般的數學智慧。?

科學人觀點?

8 一見鍾情,佳偶怨偶,但看基因?╱曾志朗?

總編輯的話?

10 醣分子:癌症疫苗新焦點╱李家維?

12 讀者論壇?

科學人新聞?

14 看見暴脹宇宙?

火山舒緩全球暖化?

大麻治癲癇!?

永遠的王室之鷹?

3D長髮物理學?

螞蟻自組挪亞方舟?

克卜勒太空望遠鏡未死?

手機拍照篩檢口腔癌?

數位相片上的隱形簽名?

先人漫步在海邊?

鹿鳴把妹術?

火星上的新月圖騰?

歐洲醫師搶救數百萬非洲病人?

普恩蛋白攸關記憶?

形上集?

22 中學物理課本沒有明講的事╱高涌泉?

網路不打烊?

23 網路媒體的致命誘惑╱陳穎青?

不可勝數?

24 艾雪藝術的啟示╱李國偉?

專家看新聞?

25 重複驗證大不易╱凱莫(Veronique Kiermer)?

健康與科學?

26 電子菸安全嗎?╱馬隆(Dina Fine Maron)?

科學人書摘?

96 超乎你想像的數學問題╱摘自《和牛津˙劍橋新鮮人一起思考》?

資訊世界?

100 畏懼科技非壞事╱波哥(David Pogue)?

真真假假?

101 人之初,性好義╱薛莫(Michael Shermer)?

反重力思考?

102 別說不可能╱米爾斯基(Steve Mirsky)?

生物手記?

104 稀有蝙蝠現身馬祖?

—灰伏翼╱鄭錫奇、張簡琳玟、方引平?

在家玩科學?

106 以摩擦對抗滑動?

圖表會說話?

108 夏日蚊蟲大作戰╱菲謝蒂(Mark Fischetti)

  ★【腦專輯】來一顆更棒的腦吧!

 

  我們雖已對腦部運作方式有初步的了解,但還有一大片領域,是我們未曾碰觸的……

 

  撰文╱斯蒂克斯(Gary Stix),Scientific American專案編輯。

 

  翻譯/姚若潔,台灣大學昆蟲系碩士

 

  「腦的十年」悄悄地來,靜靜地去。對於構思並發起運動來喚起大眾注意、吸引研究經費的人來說,時間只能用日、週、月來計算,難得可用年來計算,更不可能超過十年。如果時間更長的話,就會超過潛在聽眾與贊助者的生命週期,譬如:腎臟病省思的世紀?精神分裂症的百年?

 

  1990年代,「腦的十年」的主持人為破解世界上最複雜的機器,立下了一連串相對樸質的挑戰目標。「腦研究計畫達納聯盟」就設了一系列研究目標,一位聯盟代表指出,達成設定目標的總體成績還不錯:鑑定出家族性阿茲海默症與杭丁頓氏症的缺陷基因,發展了多發性硬化症及癲癇的新療法等等。

 

  但還有一大片未被碰觸到的領域,是科學上最大的挑戰之一,其等級相當於宇宙學家想要找出統合所有基本物理力的夢想:我們距離了解意識本質的日子,仍非常遙遠。這可能還需花上一個世紀,而有些神經科學家與哲學家相信,要了解到底是什麼使你成為「你」,是永遠不可能的。大腦灰質背景上大量的黃、橘色塊,是你移動手指、感到難過或計算2+2時,腦部「燈泡」亮起來的影像,它們顯示了腦內何處有較高的含氧血流量。儘管它們自命為當代顱相學,但仍留下抽象過程未解,從腦到心的橋樑還不完整。

 

  神經科學試圖推演腦部如何運作,已經成功解開在記憶、運動與情緒上重要的電化學路徑。但把聽約翰科川的爵士樂或看夏威夷日落美景的色彩化約成一連串軸突、神經傳遞物和樹突之間的互動,仍然無法捕捉事件的精髓。或許這就是為什麼神經科學沒有吸引到它該有的注目,可能也是「腦的十年」少有引起注意的原因。現在要對付這些真正的大問題,實在太早了!你知道現在「行為的十年」已過一半了嗎?不知道?正常。

 

  即使「腦的十年」來得太早,無法產生真正的重大答案,但1990年代世界各地對神經構成物的密集研究,的確為腦科學帶來了新的視野,並為加強腦功能帶來新的工具。即使尚不了解細節,製藥者已知道某種藥品可以有效對付疾病。神經科學家所發掘的知識,不只來自「腦的十年」,還有之前百年累積的知識,足以讓我們能夠開始為神經退化疾病設計療法。但最後的結局,可能遠超一顆讓阿茲海默症患者記住自己名字的藥丸。本期《科學人》「腦專輯」報導的新洞見,不只關於腦病變的治療,還包括神經科學如何尋找使腦變得更好的方法。

 

  「腦的十年」最重要的發現,是這個器官比我們原先想像的更有變化能力。腦的某些部份即使在成熟後也可以自我更新,這個事實大大違背過去一個世紀以來神經科學家的教條。成人腦部的某些區域可以產生新細胞,對藥品研發與臨床醫學都很重要。謹慎地活化這些促使神經新生的分子,也許能彌補因阿茲海默症與帕金森氏症而死亡的神經細胞。

 

  對於這些現象知道得越多,越有助於了解如何治療某些型式的精神疾病。研究者持續測試假說,百憂解與其他選擇性血清張力素重吸收抑制劑,可能因啟動了神經新生而影響到情緒。了解這些過程與腦細胞間的重新連結,可能會找到更有效的抗抑鬱方法。

 

  除了產生新的神經細胞之外,腦也會因應經驗而重新連結。對所謂「神經可塑性」的深入了解,可以揭示物理治療能做到什麼程度;不僅是腦部的修復,還延伸至軀體的中樞神經系統,也就是脊髓。克里斯多夫李維雖沒有如他所願在50歲生日時站起來,但是神經科學家依然大為驚訝,因為這位「超人」演員在脊椎傷害而長期癱瘓後,史無前例地恢復到肢體末端能夠運動。

 

  1990年代,技術上的里程碑是磁共振造影(MRI)。它能夠捕捉腦部從事各種工作時的詳細影像,從做算術到聽莫札特皆可。功能性磁共振造影可能無法直達「意識我」的本質,但它所建立的基礎能夠設計比多項描記器更可靠的測謊技術,甚至是初步的「讀心術」。更重要的是,這個技術若與基因檢測結合,將創造出診斷腦部病變的更有效基準;目前的方法則只能仰賴症狀明細表而已。了解參與長期記憶的複雜過程,包括神經傳遞物、「二級傳訊分子」、轉錄因子、基因與其他五花八門的分子,最後引導我們研發的新藥物,不只有助於受到阿茲海默症或其他失智症問題困擾的年邁患者而已。醫生很有可能會寫下處方籤,讓參加期末考的學生加強記憶,或幫助執行長為年度股東大會的演講做準備。

 

  提升腦功能的前景是真確的。隨之而來的,是到底誰可以得到這些好處的倫理議題。「聰明落差」到底會不會把菁英與其他人區分開來﹖菁英有能力自己製造出記憶丸,而社會上的其他人只能挑燈夜戰、死記硬背?神經科學可能比其他任何生物學門更迫使我們面對平等的問題。「腦的十年」也許過得不夠輝煌,但我們現在所握有的初步知識(譬如成年人也可產生新的腦細胞),已經開始為臨床醫學提供強而有力的洞見。【轉載自2003年10月號「終極自我改良」一文。】

2014年轉眼即過,各大媒體不免選出年度N條重大新聞、風雲人物,以為回顧。《科學人》雜誌則是前瞻未來,要猜猜哪些科學創意可能有所應用?哪些創新科技值得投資??

首先關注的是〈基因剪輯魔術師CRISPR〉。不認識這縮寫沒關係,它「只是」利用了細菌的某段基因序列、一個萬用酵素Cas9,再搭配一段RNA當引子……是當今最新穎、最快速精準的基因轉殖「套組」。想想PCR還沒普及之時,做一段基因定序可以出一篇碩士論文,如今個人全基因組定序只要1000美元、幾天就可以拿到報告。CRISPR的無窮潛力,已經應用在隨時客製化的實驗動物,治療病毒感染、遺傳疾病也不無可能。難怪創投資金紛紛湧進,儼然一個新興產業!?

以石墨烯獲2010年諾貝爾物理獎的蓋姆(Andre K. Geim)也有新點子。他以〈原子樂高〉的概念重新組合氧化物超導體,可製造出更能導電、更有彈性的全新材料。人類能否因此從矽時代邁進下一個未知?本期還有好幾個〈改變世界的妙點子〉,請您10年之後再來回顧了。?

美國直升機學會有25萬美元獎金一直發不出去,兩名年輕工程師如何改造腳踏車,〈挑戰不可能的飛行〉?癌症療法千奇百怪,最新卻也最不創新的辦法,竟是〈病毒爆破癌細胞〉!還沒搞懂3D列印,又要迎接〈4D列印新時代〉?前瞻未來,「近」在2015年1月號的《科學人》雜誌。

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