科學人(第147期/2014年5月號): SM147

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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。?

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Publisher
遠流出版
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Published on
May 1, 2014
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Pages
116
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Language
Chinese
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Genres
Science / General
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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)

  獨家披露

 

  第一個複製人胚胎

 

  2001年12月,一群美國科學家發表了複製人胚胎的研究成果,在國際間引起了相當大的震撼與熱烈討論。這群科學家強調,複製人胚胎可為醫療複製提供源源不斷的幹細胞;但是,技術上的困難與重重的道德考量,卻是複製熱潮背後值得我們再三深思的議題。

 

  撰文/希貝里(Jose B. Cibelli)、藍札(Robert P. Lanza)、威斯特(Michael D. West)、伊澤爾(Carol Ezzell)

 

  翻譯/黃榮棋

 

  這些胚胎雖然只是如此微小的點點,卻孕育著無限寬廣的希望。經過連月來的嘗試,我們終於在2001年的10月13日,於先進細胞科技公司實驗室的顯微鏡下,目睹我們一直期盼的東西——分裂的細胞小球。這些連肉眼都看不見的細胞球體,看來雖不起眼,卻非常珍貴。因為就我們所知,這還是第一批利用核體移植技術(也就是大家熟知的「複製」)製造出來的人類胚胎。

 

  運氣好的話,我們希望能誘使這些早期胚胎繼續分裂成約100個細胞、狀如中空球體的「囊胚」。我們想從囊胚裡分離出人類幹細胞,當作原始材料,以培養替代用的神經、肌肉以及其他組織,希望有朝一日可用來治療各種疾病。可惜的是,只有一個胚胎發展到六個細胞的階段,其後就不再分裂了。但在另一個類似的實驗,我們卻能讓卵子在未經受精作用下,成功以「孤雌生殖」的方式發育到囊胚期。我們相信,這些研究成果(發表在2001年11月25日的網路期刊《電子生物醫學:再生醫學期刊》)代表著一個醫學新紀元的開始,證明複製療法不再是遙不可及。

 

  醫療複製(複製療法)的目的,是想利用患者自身細胞的遺傳物質來製造例如胰島細胞以治療糖尿病,或製造神經細胞以修復受損的脊髓。這種醫療複製和生殖複製是截然不同的。生殖複製是將複製的胚胎植入母體子宮,並令其產下複製嬰兒。我們相信生殖複製對母體與胎兒都有潛在的危險,現階段並不可行。我們也認為,在安全性與道德問題尚未解決之前,生殖複製應該要受到限制。

 

  令人不安的是,鼓吹生殖複製的那些人(見第44頁〈生殖複製:他們要製造嬰兒〉一文),正利用著「醫療複製」之名,宣稱他們使用複製技術,是為了製造嬰兒給那些用盡各種手段都還無法受孕的夫妻。我們反對這種說詞,並且認為,宣稱這種行為是「醫療」的說法,只會造成混淆。

 

  我們做了什麼?

 

  2001年初,我們開始嘗試複製人類胚胎。第一步是徵求道德諮詢委員會的意見,這個委員會是在1999年籌組成的,成員包括有倫理學者、律師、不孕症專家以及法律顧問,是以常設性質指導我們公司的研究方向。在達特茅斯學院倫理研究所所長葛林的領軍下,道德諮詢委員會仔細討論了五個主要議題之後(見第40頁〈醫療複製的道德考量〉一文),認為我們可以開始進行複製研究。

 

  緊接著我們要徵召願意捐出卵子供複製研究的婦女,同時也要收集願意被複製的人(即捐贈者)的細胞。複製過程看似簡單,成功與否卻有賴許多小因素的配合,其中有些我們也還不是很清楚。這種基本的細胞核移植技術是利用一根非常細微的針管,將成熟卵子裡頭的遺傳物質吸出來,再把捐贈細胞的細胞核(有時會用到整個細胞)注射到去核的卵子裡頭,然後將卵子培養在特定環境下,讓它繼續分裂生長(見下圖「醫療複製:是怎麼做到的?」)。

 

  我們在波士頓地區的刊物上刊登廣告,找到了願意以匿名方式捐出卵子供我們作研究的女性。我們只接受來自年齡24~32歲,且至少生過一個小孩的女性的卵子。有意思的是,對我們的構想表示有興趣的女性,不同於那些願意提供卵子給不孕夫妻做人工受精的人。回應我們廣告的這些女性,之所以願意提供卵子是因為它的研究用途,許多人不願意卵子用來製造她們永遠也見不到面的小孩。(捐卵者的招募以及卵子的收集工作,是由麻州索麥維的鄧肯荷理生物醫學公司的季斯林古柏團隊負責。季斯林古柏本人也參與卵子捐贈等相關道德問題的研究。)

 

  為確認捐卵者的健康狀態,以及確保捐卵過程不會傷害到她們,我們要求可能的捐卵者通過心理與生理檢查,包括傳染病的篩檢。最後我們找到12位不錯的捐卵人選。我們同時還從其他數位匿名者身上取得皮膚的活組織,從中分離出稱為「纖維母細胞」的細胞,以供複製之用。這些提供纖維母細胞的捐贈者,有來自不同年齡層的健康人士,也有些是糖尿病或脊髓受損的病患——可能就是會因醫療複製而受惠的人。

 

  2001年7月,我們做了第一次的複製實驗。時間點的選擇全視捐卵者的月經週期而定,捐卵者必須接受數天的賀爾蒙注射,使她們一次可以排卵十顆左右,而不是平常的一兩顆。

 

  我們終於在第三次實驗見到成功的曙光,因為注入卵子的纖維母細胞的細胞核似乎有分裂的跡象,但最終還是沒有分裂成兩個完整細胞。所以在下一次的實驗裡,我們決定利用若山照彥及其同事曾經使用過的方法。(這些科學家在1998年創造了第一隻複製小白鼠。當時若山照彥任職於夏威夷大學,現在則在先進細胞科技公司。)我們雖如往常一樣,把皮膚的纖維母細胞的細胞核注入卵子,但我們同時也選用了另一批卵子,改而注入稱為「卵丘細胞」的卵巢細胞。這些卵丘細胞在卵巢裡,通常會提供養分給發育中的卵子,在卵子排出後有時還會黏在卵子表面。因為卵丘細胞很小,所以可以整顆注入卵子。終於在七位志願者共捐贈了71顆卵子之後,我們複製成第一個早期胚胎。在注入卵丘細胞的八顆卵子當中,有兩顆分裂成胚胎初期的四個細胞,有一顆甚至分裂到至少有六個細胞才停止生長。

 

  孤雌生殖

 

  我們也想知道,卵子是否可以無需精子的受精作用,或不必去核再注入其他細胞核,就可以直接分裂成早期胚胎。在正常的狀況下,為了避免受精後胚胎含有雙份基因,成熟的卵子和精子各攜帶體細胞一半的遺傳物質,但是卵子只有在快要成熟的時候才會減半其遺傳物質。如果卵子在這個階段之前就被活化的話,還是會擁有完整的一套基因。

 

  以這種孤雌生殖方式活化病患的卵子,其分裂細胞中衍生出來的幹細胞,應該不會在移植後遭到排斥才對,因為這些細胞與病患本身的細胞十分相似,而且也不至於製造太多自身免疫系統不熟悉的化學分子。(不過,因為卵子與精子形成過程中必然會發生的基因洗牌效應,所以這些細胞也不可能與病患本身的完全一樣。)比起那些取自複製的早期胚胎之幹細胞,這類細胞對某些人而言也許比較不會引發道德爭議。

 

  想想下面的情節,一位患有心臟病的女子,也許可以收集自己的卵子,讓它在實驗室裡活化並分裂成囊胚。之後科學家就可以利用各種生長因子,將分離自囊胚的幹細胞誘變成心肌細胞,並養在實驗室的培養皿裡,將來可以用來彌補這位女子心臟缺損的部位。但若想使用類似的「孤雄生殖」技術製造幹細胞來治療男人的話,可就要麻煩得多,可能需要將男人的兩個精子注入去核的卵子當中。

 

  有研究曾經報導過,若將小白鼠或兔子的卵子暴露於化學藥劑,或接受例如電擊等物理刺激的話,就可以誘使卵子分裂成胚胎。早在1983年時,羅伯森(現在任職於哈佛大學)便已證實,自小白鼠的孤雌胚胎分離出來的幹細胞,可以分化成包括神經與肌肉在內的各類組織細胞。

 

  在我們的孤雌生殖實驗當中,我們把22顆卵子養在可改變細胞內離子濃度的化學藥劑裡。經過五天的培養,其中有六顆卵子發育成形似囊胚的東西,只不過沒有任何一個含有可產生幹細胞的所謂「內細胞群」。

 

  為何而做?

 

  我們渴望有這麼一天,可以利用複製療法或孤雌生殖的細胞療法來治療病人。現在我們把心力投注於神經與心血管系統方面的疾病,以及糖尿病、自體免疫疾病,還有與血液、骨髓相關的疾病。

 

  一旦我們可以從複製胚胎得到神經細胞,我們希望不只可以用來修補受損的脊髓,還可以治療如帕金森氏症這種腦疾。帕金森氏症是因為製造多巴胺這種化學物質的腦細胞壞死,因而造成無法控制的顫抖與癱瘓。阿耳茲海默氏症(老人癡呆症)、中風以及癲癇等,也都有可能會利用到這種治療方法。

 

幹細胞除了可以生成胰島細胞,用以製造胰島素來治療糖尿病之外,幹細胞也可以誘生成為心肌細胞,用來治療充血性心臟衰竭、心律不整、以及心臟病發作後受損的心肌組織。

 

  還有一種應用可能更為有趣,這或許和誘導複製幹細胞分化成血球與骨髓細胞有關。自體免疫疾病的產生,像是多發性硬化症或風濕性關節炎,是因為源自骨髓的免疫系統的白血球攻擊了自己體內的組織。初步研究已經顯示,因接受高劑量化療而導致骨髓受損的自體免疫疾病癌症病患,在接受骨髓移植之後,其自體免疫疾病的症狀有減輕的現象。注入可以製造血球細胞的複製幹細胞,或許可以「重新啟動」自體免疫疾病患者的免疫系統。

 

  然而,複製的細胞(或以孤雌生殖方式產生的細胞)正常嗎?只有臨床試驗才能真正告訴我們,這些細胞是否安全到可以應用到病人身上,但我們的複製動物實驗顯示,這些複製出來的動物都很健康。我們在2001年11月30日的《科學》雜誌中報導我們複製牛的成功經驗。在30隻複製牛當中,有6隻出生後不久就死亡,其餘的體檢結果一切正常,而且免疫系統的檢驗結果也與一般牛隻沒有兩樣。其中兩隻母牛後來甚至還產下健康的小牛。

 

  複製過程似乎也會重新設定複製細胞的「老化時鐘」,所以這些複製的細胞,在某些方面似乎比原來的細胞要來得年輕。2000年時我們曾報導過,複製小牛的染色體端粒(染色體兩端的帽蓋),與一般小牛的長度是一樣的。染色體端粒的長度,一般會隨著生物體年齡的增加而變短或受損。因此複製療法也許可以提供「年輕」細胞給年老人口。

 

  2001年7月,麻州劍橋懷海德生物醫學研究所的傑尼西及其同事,發表了一篇備受重視的報告。他們發現複製小白鼠身上會有所謂的「胎跡缺陷」現象。胎跡是發生在哺乳動物許多基因上的一種印記,會因基因遺傳自父方或母方,而對基因的開啟與否有不同的影響。胎跡程式一般在胚胎發育過程中會「重新設定」。

 

  雖然胎跡對小白鼠好像很重要,卻沒有人知道這種現象對人類是否有任何意義。除此之外,傑尼西及其同事並沒有研究從成鼠身上的細胞(例如纖維母細胞或是卵丘細胞)複製出來的小白鼠。他們的小白鼠都是從胚胎細胞複製而成的,因此變異性可能也會比較大。有些研究顯示,複製自成鼠細胞的小白鼠有正常的基因胎跡。這些結果已經被學術期刊接受,預料近期就會刊出。

 

  另一方面,我們也會繼續進行我們的醫療複製實驗,製造可產生幹細胞的複製人胚胎或孤雌人胚胎。總而言之,科學家才剛輕扣這個寶庫的大門呢!

 

  黃榮棋,長庚大學生理科副教授,本刊編譯委員。

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。

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
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