科學人(第163期/2015年9月號): SM163

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煉丹留住太陽能

  風月無邊是乾隆皇帝對西湖的禮讚,戲題「虫二」立碑於湖心亭。摯友浙江自然博物館的康館長,在碑旁告訴我,他參與西湖申請世界遺產的尷尬趣事。努力了12年,評鑑委員終於來到杭州。實地參訪的前一天,他介紹湖心亭始建於明朝嘉靖皇帝,原名振鷺亭,取《詩經》「振鷺于飛,于彼西雝」。不料委員們興緻盎然,隔天就要來賞鳥。情急下,連夜以白漆偽畫鳥屎,又稱眾鳥已外出覓食,竟然也就矇混過了關。

  賞讀乾隆的楹聯「波湧湖光遠,山催水色深」之後,當然要訪孤山的西泠印社,此乃百年來書畫和金石篆刻的聖地。得特權,上手館藏寶物,包括一方戰國時期的玻璃印章。我看了眼熟,似乎家裡櫃中即有此物,是多年前朋友隨手贈送的一袋出土墓葬品。回新竹後,即淘洗之,赫然是個百寶袋,盡是耀眼的五彩玻璃,百餘顆中有耳璫、管珠、圓珠、蜻蜓眼以及三方印章,顯然是位戰國貴族女子的鍾愛蒐藏。玻璃的發明可回溯至5000年前的古埃及,加熱矽砂,以氧化鈉及氧化鈣為助熔劑,即化為晶瑩透亮的鈉鈣玻璃。而中國的古玻璃始於春秋戰國,以氧化鉛及硫酸鋇為助熔劑,煉成不太透光,但絢麗多彩、溫潤如玉的鉛鋇玻璃。玉是人間至品,不可多得,是崇玉煉丹的道士發明出此獨門配方,東漢王允即述:「道人消爍五石,作五色之玉,比之真玉,光不殊別。」當漢王朝罷黜百家、獨尊儒術後,煉丹在中國沒落,在西方則演變為化學及材料科學,更成了現代生活的基石。

  夏季的西湖早非天堂,儘管湖水仍滿盈,周邊也綠蔭蟬鳴,但持續飆高的酷熱已讓遊客卻步。現代生活難以為繼,根源在溫室氣體的排放。今年6月,美國國會和我們的立法院都通過碳的減排目標。美國是在2050年必須比2005年減少83%,而台灣志氣小一些,我們屆時要減排50%。儘管已立法,但仍可能淪為口號,決心和科技都是關鍵。我們這些年來高喊要非核家園,勢必得更依賴其他綠能,但進展不彰,原因之一是結晶矽的太陽能電池有瓶頸,25%的光電轉換效率難以突破。現代煉丹師提出了新解,〈鈣鈦礦──太陽光電穿新衣〉是個新希望,報導中提及的前沿研發團隊包括日本、韓國、美國、英國、澳洲和中國。台灣也有團隊從事鈣鈦礦研究,可惜轉換效率稍有落後,我們現在是全球矽晶太陽能電池的主要供應者,必須在這新競逐中急起直追。

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Publisher
遠流出版
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Published on
Sep 1, 2015
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116
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Language
Chinese
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Genres
Science / General
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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。

  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)

仰觀實驗物理大師

摸得著、看得見,是我的私欲,也因此酷愛蒐集化石、礦物和動物植物標本。隨時上手把玩,也放進顯微鏡下細看,似乎盡享自然生命奧妙了。然而吃在碗裡,看著碗外,每當想到天文宇宙,時間之前有時間嗎?空間之外又是何物?總感陣陣顫動。王羲之的豪語「仰觀宇宙之大,俯察品類之盛」,我只能親身享受後半段,總是憾事。

今年暑假,吳健雄科學營在溪頭迎來了科學沙皇丁肇中,我興奮又仔細聆聽了兩場大師演講:「我所經歷的實驗物理及我的體會」和「尋找宇宙的起源」。這位實驗物理學家如此霸氣開場:實驗是自然科學的基礎,理論如果沒有實驗的證明,是沒有意義的;當實驗推翻了理論後,才可能創建新的理論,理論不可能推翻實驗。他的諾貝爾桂冠是在眾人嘲諷中找到世界上的第四種夸克,大海撈針的情節是一個 J 粒子藏身於100億個已知粒子中。之後他又發現了原子核內的膠子,也證明電子及夸克均無體積。而過往的20年,他啟動了驚天的宇宙起源探索,集16國、60個大學及研究所,和600位科學家之力,把反物質磁譜儀 (AMS) 送上了國際太空站。要在往後的10來年,攔截來自宇宙邊緣的3000億個宇宙射線訊號。初步的分析顯示了暗物質可能存在的證據,未來期待的是找到由反物質組成的宇宙。

我聽得如痴如醉,下課後立即聯絡我們的編輯部,務必報導此壯舉的前沿成就,這就是資深編輯洪志良撰寫〈天外的線索〉之背景。我也極度欣賞《聯合報》記者陳皓嬿的長文〈萬字解析鋼鐵人物理學家丁肇中〉,傳神詼諧寫實丁大師的演講與課後互動。保證精采!請大家上網享讀。

AMS偵測的是帶電的宇宙射線,只宜在太空中捕捉,而謎樣的直線橫行微中子,則是中性的宇宙射線,就可直接在地球上攔截了。想像你我的身上,每秒都有數千億個微中子穿透,接著它們又暢行無阻穿過地球揚長而去,多奇妙啊!〈緝捕超高能微中子〉是在南極冰層中進行的極限實驗,已有54個落網,其中有些還明確來自遙遠的銀河系外。

今年的諾貝爾獎再度頒給了微中子的狩獵者,〈怪盜變身,微中子大振盪〉是洪志良為這深奧學問改寫的易懂科普版。

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
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 )
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
  根據流行的科學史,英國人亞當斯與法國人勒威耶幾乎同時預測了海王星的存在。

 

  可是在當年,亞當斯的角色就引起過爭議,有些科學史家也懷疑亞當斯的功績,現在,相關檔案重見天日。

 

  我們終於能夠判斷─

 

  撰文/西恩(William Sheehan)寇勒史崇(Nicholas Kollerstrom)瓦夫(Craig B. Waff)

 

  翻譯/王道還

 

  「星圖上沒有那顆星!」

 

  1846年9月23日夜裡,天文學學生達赫斯特(Heinrich Louis d'Arrest)的這句話響徹柏林天文台的圓頂;此後一直在各地天文學機構中反覆傳誦。

 

  達赫斯特站在桌前,桌上攤著一張星圖,正在協助天文台裡的天文學家加勒(Johann Gottfried Galle)驗證法國數學家勒威耶(Urbain Jean Joseph Le Verrier)所做的一個特別預測。那時天王星是已知太陽系最外側的行星,勒威耶假定在天王星之外還有一顆行星,天文學家還沒有觀測到;而天王星受那顆行星的重力拉扯,運行軌道的觀測值才與預測值不符。五天前,勒威耶寫信給加勒道:「閣下,您會發現,我證明了只有假定另有一顆未知行星存在(只是還沒人觀測到),才能解釋天王星的觀測記錄;值得注意的是,那顆製造擾動的行星,只能存在於黃道上的一個特定位置。」

 

  加勒開始觀測後,不到半小時,就在距預測位置不到一度的地方發現了一個藍色小圓盤。第二天夜裡他又看見了那個天體,它稍微移動了一點—證明它不是恆星。他立即回信給勒威耶,「你預測的那顆行星果真存在!」

 

  那顆行星就是海王星。勒威耶以數學偵探它的存在,加勒以望遠鏡搜尋它的蹤跡,是天文學史上最膾炙人口的故事。加勒宣佈發現海王星的消息之後,立即引發了爭論,也是大家熟悉的故事。原來英國有位年輕又沒名氣的數學家,獨力研究過同樣的問題,得到了與勒威耶大致相同的結論,而且比勒威耶還早。他就是亞當斯(John Couch Adams)。

 

  法國天文學界對亞當斯在發現海王星這事上也有份的說法抱以懷疑,但是他的歷史地位卻有一份官方文件背書—1846年11月13日英國皇家天文學家艾瑞(George Biddell Airy)在英國皇家天文學會(RAS)宣讀的一份報告。艾瑞證實,他在1845年秋天收到亞當斯預測的位置,1846年夏天就著手搜尋,只是沒公開罷了。艾瑞的報告使學界形成了共識:亞當斯與勒威耶在發現海王星這事上,有同樣的功勞。

 

  大部份重述這個著名故事的作品,不過是剪貼艾瑞的報告而已。故事裡的主角,包括勒威耶、亞當斯、艾瑞、查理斯(James Challis,英國負責搜尋海王星的劍橋大學天文學家),都成了樣板人物。亞當斯是靦腆、不強出頭的英雄,他過世後,RAS學報的贊辭裡將他描述為英國「最偉大的數學天文學家……除了牛頓,無出其右者。」據說他與勒威耶超越了國際競爭格局,終生是好友。另一方面,查理斯給描繪成搞砸了搜尋工作的懶人。艾瑞則是不折不扣的官僚,根據艾西莫夫(Isaac Asimov)1976年的描述,他「自負、見不得人好又小心眼,像個小暴君似地管理格林威治天文台,以察為明,不識大體……亞當斯設法連絡的,就是這個教人討厭的人。」

 

  行星「門」

 

  這些年來,有些歷史學者對這個大家都接受的故事提出過質疑。半個世紀前,英國天文學家斯馬特(William M. Smart)繼承了一批亞當斯的科學手稿,他研究了之後,首先發難。1980年代晚期,牛津大學的查普曼(Allan Chapman)與當時在美國約翰霍普金斯大學任教的史密斯(Robert W. Smith)找到了更多相關文件。此外,住在美國巴爾的摩的獨立分析家羅林斯(Dennis Rawlins),在1960年代晚期就下了更極端的結論,認為19世紀的英國天文學家刻意偽造了有關文件,至少在真實文件上動過手腳。

 

  要是歷史學家能夠調出艾瑞引用的文件進行考證,這些懷疑也許早就釐清了。偏偏從1960年代中期,向格林威治天文台(RGO)調閱檔案的歷史學家,得到的答覆都是:檔案「找不到」。而檔案下落構成了幾乎與海王星探案一樣引人入勝的偵探故事。發現海王星是天文學家最輝煌、最重要的成就之一,為什麼相關文件居然會失蹤呢?

 

  羅林斯與RGO圖書館館員都相信檔案在艾根(Olin J. Eggen)手裡。艾根是天文學家,1960年代初在RGO擔任皇家天文學家的首席助理。他為了撰寫艾瑞與查理斯的小傳,曾借過檔案,是最後一位查閱過檔案的人。後來艾根去了澳洲,然後到智利,但是他否認帶走了檔案。RGO圖書館館員不願逼他太甚,因為檔案要是真的在他手裡,逼急了說不定他會為了湮滅證據而毀掉檔案。

 

  到了1998年10月,檔案已失蹤30多年了,案子還是懸著。10月2日,艾根過世,智利天文學研究所的同事清理他的寓所,發現了失蹤的檔案,還有許多本從RGO圖書館借出的無價書籍。他們將超過100公斤的檔案、書籍裝入兩個茶葉箱,送回英國劍橋大學圖書館—現在RGO檔案都藏在那兒。館員立刻製作了複本。那份檔案能找回來,真是邀天之幸。那些文件以及從其他檔案找到的相關文件,使我們得以用新的視角重新研究發現海王星的過程。

 

  微擾

 

  水、金、火、木、土五大行星,肉眼很容易看見,自古人類就很熟悉。第一顆以望遠鏡發現的行星是天王星。1781年(清乾隆46年)3月13日夜裡,日耳曼出生的風琴師赫雪爾(William Herschel)在英格蘭家裡以自製的六英吋反射式望遠鏡掃描夜空,系統地觀察夜空上的星星。在雙子座,他立刻認出了一個微小的黃綠色圓盤,過去沒見過,說不定是顆彗星。不過,後來其他天文學家的觀測與計算,證明業餘天文學家赫雪爾觀察到的物事不是彗星。要是彗星的話,軌道會是個離心率很高的橢圓。它是顆不折不扣的行星,繞著太陽運行,軌道穩定、接近圓形,與太陽的距離大約是土星軌道半徑的兩倍。

 

  我們太陽系居然窩藏著過去沒有人知道的行星!這個發現令天文學家著迷。他們開始搜尋過去觀星者的記錄,結果發現:這顆由日耳曼天文學家波德(Johann Elert Bode)命名為天王星的行星,其實在1781年之前給人看見過20次,只是當做恆星登錄罷了,最早的一次是1690年。1821年,法國天文學家布瓦(Alexis Bouvard)將所有觀測記錄彙整在一起,遇上了一個大問題。布瓦發現,就算把木星、土星這兩顆巨行星的引力都考慮進去,他還是沒法以牛頓運動定律與萬有引力定律解釋天王星的觀測記錄。牛頓定律錯了嗎?還是空間裡充塞了一種有阻力的介質,拖住了行星的運動?或者,天王星受到另一顆未知行星的影響?這是19世紀的「暗物質」問題;現在「暗物質」仍然教天文學家困惑,可是現在的「暗物質」不像行星那麼具體。

 

  偉大的日耳曼天文學家貝索(Friedrich Wilhelm Bessel)打算研究這個問題,但是還沒做出什麼就過世了。第一份完整的研究報告是勒威耶完成的,刊登在1846年6月1日出版的《法國國家科學院學報》。勒威耶認為天王星之外還有一顆行星,並算出1847年1月1日可以發現它的黃經座標(325度),也就是這顆行星在黃道帶的位置(見47頁圖示)。這一期學報在1846年6月下旬寄達倫敦,艾瑞讀了之後立即想起他去年秋天看過同樣的預測,寫在一張毫不起眼的紙片上,是劍橋大學聖約翰學院一位研究員到他家所留下的。

 

  不食人間煙火

 

  那位研究員是亞當斯。他的生平在幾個方面都與牛頓相似。他們都在英格蘭鄉間長大,牛頓的父親是蘭卡夏郡的自耕農,不識字;亞當斯的父親則是康瓦耳郡的佃農。兩人從小就對數學與自然現象的規律感興趣;他們或在牆上釘樁,或在窗櫺刻痕,記錄太陽的季節運動。他們獨特的性格也一樣:穩重、耐煩、具有嚴謹的宗教信仰。認得他們的人都認為他們不通世務、古怪、心不在焉。今天,牛頓與亞當斯可能都會給當做亞斯伯格症候群患者(Asperger's syndrome,有時又叫做「高智商自閉症」)。

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