科學人(第39期/2005年5月號): SM039

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  地球物理

 

  地球是個發電機--真實與虛擬共舞

 

  地球磁場的起源與磁極方向的反覆改變,一直是難解的謎團。藉由NASA華人科學家的介紹,了解如何透過電腦模擬與實驗獲得解答。

 

  撰文 趙丰(Benjamin Fong Chao)

 

  宇宙間看似空空,實際上物質、能量、力,這些我們描述為「場」的,卻是無所不在地充斥在整個宇宙空間裡。以我們的太陽系為例吧,所有物質的行徑,大至太陽本身、行星、衛星,小至塵埃、粒子,都受到萬有引力(重力)的擺佈,這是眾所周知的。然而,所有的帶電粒子,包括宇宙射線、太陽風,行星周遭的電漿層、電離層,卻額外還受到磁場的限制約束。

 

  照牛頓的說法,重力是所有具質量的物質都有的通性;而根據愛因斯坦的廣義相對論,重力則是指物質「扭曲」了周遭時空的結果。那麼,磁場又是打哪兒來的呢?讓我們來看看地球的例子。

 

  中國人是最早發現磁針會指向北方這個現象,並且利用它來確定方位。而對於地球磁場的現代科學研究,則是起始於16世紀時英國吉伯特(William Gilbert)的永久磁鐵假說:敢情地球內部有個巨大的永久磁鐵,而使磁針總是順著指向北方?

 

  而在另一方面,在19世紀西方電磁學發展以後,人們終於了解到什麼是磁場,以及產生磁場的過程與方法。要產生電磁場,一個有效的方法是利用將機械動能轉化成電磁能。這樣的機器裝置,在日常生活中通稱為「發電機」(dynamo)。我們一般家用的電就是如此來的,汽車裡的也是。不過,這樣的裝置必須是在永久磁鐵所產生的磁場中才行。

 

  如果地球內部有一種類似的裝置,其伴生的磁場可以替代永久磁場,循環自生而不滅,那麼就有可能解釋地球的磁場。這就是地球發電機(geodynamo)理論。然而,地球有可能是這樣一個大發電機嗎?

 

  受限於人們對地球內部的所知有限,這兩種說法就一直擱置著。再說,磁性物質如何具有永久磁性,硬是等到了20世紀,原子論與量子論出現以後,才得到解釋。

 

  就在時序進入20世紀中葉,隨著對於地球的了解逐漸增加,永久磁鐵這個選項竟然很輕易的就被拋棄了。因為永久磁鐵有所謂居里溫度(Curie temperature)的限制,超過這個溫度時,磁鐵的永久磁性就會自動消失。居里溫度通常約在攝氏數百度左右,但是地球內部的溫度,除了表層以外,只要深度達到約100公里(地球半徑的1~2%),溫度就已經超過攝氏1000度了!

 

  既然不是永久磁鐵,那麼地球是個大發電機了?逐漸,科學家開始認真考慮這個選項,而且是「越看越有趣」。大自然在此展現了無比奇妙的想像力,把地球這樣的行星,塑造成一個如假包換的發電機。讓我們來看看,它必須具備哪些條件。

 

  首先,地球內部必須要有大團的導體物質。它要能夠流動;還要有足夠的動力和能量來驅動、並且長期維持這樣的流動。而這些基本條件,地球居然同時都具備了!

 

  這得追溯自宇宙形成過程中的許多現象。行星是聚合了星體爆炸後的遺物而形成,而宇宙中的這些遺物,有許多的成份是鐵。這是因為鐵是原子核位能最低的元素,因此是恆星核融合反應最後的主要產物。在這些遺物聚合之後,內部的分層過程使比重較大的鐵聚集在球體核心。而聚合的過程中,巨大的重力位能轉換成熱能,使溫度不斷提升,鐵核心因而熔融成液態。地球內部可能存在的核衰變反應,產生放射性核能而提供額外的熱能,再加上地球外層逐漸冷卻,在冷熱差異的情形下,液態的鐵心便產生對流。

 

  地球的體積要夠大、而且鐵核心的對流要夠強,加上地球自轉的推波助瀾,最後才能成為自發性、永續的發電機,進而產生磁場。證諸其他行星與衛星,其中有許多均帶有磁場。沒有磁場的,包括了火星、月球(主要原因是質量太小、已經冷卻)與金星(自轉太慢而不利於磁場的自生)。

 

  這樣強大的「發電機」,想要在實驗室裡複製出來,可說是難上加難;但是在強大的電腦裡,卻能以數據來模擬。這牽涉到磁流體動力學(magneto-hydrodynamics),在重力場和旋轉的三維空間中,極其繁複的非線性數學計算。類似這樣的電腦數學模擬計算不勝枚舉,有幾個較為淺顯的例子,例如:用電腦來預報天氣的變化與颱風的行徑,或是模擬原子彈試爆的影響、飛機在氣流中的飛行、星系的演化以及城市的交通等。

 

  大約在10年前,終於首度成功在電腦裡,模擬出地球磁場的產生(也就是所謂地球發電機模型)的是本期〈地球磁場即將反轉?〉一文的作者格拉茲麥爾(Gary Glatzmaier)和其合作者羅伯茲(Paul Roberts)。更加有趣的是,他們的這項模型不但模擬出地球發電機,而且還模擬出大自然的另一件傑作──地球磁場的自發反轉現象。這是非線性數學裡混沌(chaos)現象的一項體現,在該篇文章中述之甚詳。

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Publisher
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Published on
May 1, 2005
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Pages
118
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Language
Chinese
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Genres
Science / General
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男腦女腦真不同

 

 

兩性的腦子,無論結構與反應,都頗為不同。

 

撰文╱卡希爾(Larry Cahill)

 

翻譯/王道還

 

 

今年1月14日,天色陰沉,美國哈佛大學校長桑默斯在一場會議中發表演說,針對女性在科學界人數比男性少的議題,提出了看法。他認為,因素之一也許是兩性的腦子在結構上有天生的差異。他的言論重新點燃悶燒了一世紀的辯論。19世紀末,就有科學家拿兩性在腦容量上的差異當證據,主張女性在智力上比男性低劣,因為科學家測量兩性的腦子,主要的發現就是女性的腦子往往比較小。

 

直到現在,沒有人發現過任何證據,顯示兩性腦子的解剖學差異,可能是女性無法在數學、物理或工程等學科表現傑出的因素。學者反而發現,兩性的腦子在許多方面都非常相似。儘管如此,過去10年科學家在兩性的腦子裡發現了許多差異,結構的、化學的、功能的都有,令人驚訝。

 

這些差異不只是有趣的性別特徵,例如可以解釋為什麼男性比女性更喜歡喜劇影集「三活寶」(Three Stooges)。這些發現還讓人想到,許多神經心理問題,包括抑鬱、藥物上癮、精神分裂與創傷後壓力失調,也許有必要針對不同性別研發不同的治療方式。此外,既然兩性的腦子有差異,研究腦子結構與功能的科學家分析實驗資料時,必須考慮受試者的性別,而且在未來的實驗中,兩性受試者都得招募,不然結果就會讓人誤入歧途。

 

雕塑腦子

 

不久以前,神經科學家還相信腦子的性差(sex difference)主要出現在與交配行為有關的區域。1966年Scientific Amercian刊出〈腦子的性差〉,作者是美國史丹佛大學醫學院的列文(Seymour Levine)。根據他的描述,大鼠的交配行為受到性荷爾蒙的引導:雄鼠做出騎乘的動作,雌鼠則凹背提臀,以吸引追求者。列文在他的文章裡,只提到了一個大腦區域,就是下視丘。下視丘是個很小的構造,位於大腦底部,調節荷爾蒙的生產,控制食色等基本行為。一個世代的神經科學家都在養成教育中學習這個事實,相信「腦子的性差」主要涉及交配行為、性荷爾蒙與下視丘。

 

不過,那個觀點現在已經過時了,因為最近湧現了大量證據,顯示性別在許多認知與行為領域裡,都是有意義的變項,包括記憶、情緒、視覺、聽覺、顏面資訊的處理模式,和腦子對壓力荷爾蒙的反應。過去五年到十年間,越來越多研究利用先進的非侵入式造影技術,如正子斷層掃描(PET)、功能性磁共振造影(fMRI),觀察活人的腦子,因而加速了性差知識的進步。

  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)

暫時停止生命

 

──以人工冬眠換取急救時間

 

 

暫時停止人體功能的運作,可以保護重傷患者,或延長待移植器官的壽命。在動物的試驗已經有初步成果,人工冬眠將可期待。

 

撰文╱羅斯(Mark B. Roth)、尼斯圖爾(Todd Nystul)

 

翻譯/黃榮棋

 

 

以暫停生命(suspended animation,休眠)來延長人類生命的可能性,長久來一直讓科幻小說作家著迷。在虛構故事中,這種技術讓書中人物能夠「睡」過幾世紀的星際旅行或地球災難,醒來時不帶有歲月留下的痕跡。這些故事很有趣,但從生物角度而言,連影子都還沒看見。事實上,人類似乎沒有能力可以改變生命的進程速率。我們無法暫停細胞忙碌的活動,就像我們無法停止呼吸超過幾分鐘,否則,重要的器官將受到嚴重的傷害。

 

然而,自然界有許多的生物,能夠也確實讓自身的基本生命過程暫時停止,有些生物甚至可以一次停好多年。科學家用不同詞語來描述這種現象,像是靜止(quiescence)、休眠(torpor)與冬眠(hibernation)。這些辭彙都代表不同程度的暫停生命現象,也就是大幅減緩能量的製造(代謝)與消耗(細胞活性)。更甚者,處在這種狀態的生物,在面對極端溫度、缺氧等環境壓力,或甚至是身體的傷害時,都表現出超強的抗壓力。

 

撇開科幻小說的情節,要是能夠讓人體處於這種狀態,光是醫療而言,意義就可能十分重大。例如,有些準備用來移植的器官,像是心臟與肺臟,只能在體外存活六個小時。其他像是胰臟與腎臟,則無法超過一天。因此,器官移植能否成功,取決於速度。也就是說,只因為沒有足夠時間在器官損壞之前送達,就必須放棄某些可能的配對。美國每年雖然有數萬次成功的器官移植手術,但因為時間緊迫有時會造成失誤,要是時間充裕的話,或許就可以避免。

 

如果能夠讓這些寶貴的器官進入休眠狀態,或許就可以保存幾天甚至幾個星期。急救團隊也可以利用這項技術,為受重傷的患者爭取時間。讓這些患者進入休眠狀態,醫師處理傷害時,也能夠避免患者組織的衰敗。

 

最近我們在美國西雅圖哈欽森癌症研究院的實驗室,以及其他研究人員所做的成果指出,在天生不冬眠的動物身上,可以誘發出類似冬眠的狀態。而且,當這些動物處在這種休眠的狀態下,似乎就不會受像缺氧這種失血常見的結果所影響。這些實驗結果令人興奮,因為人體或許也可能進入休眠狀態。的確,我們團隊用來誘發實驗動物與人體組織休眠的方法,暗指許多生物體內,或許還潛藏著這種源自地球原始微生物的能力。
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
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。

  佛洛伊德重出江湖

 

  越來越多科學家,想將神經科學與精神病學整合成統一的理論。

 

  撰文╱索姆斯(Mark Solms)

 

  翻譯/黃榮棋

 

  20世紀上半葉,佛洛伊德的觀點是解釋人類心智運作最主要的理論。佛洛伊德的基本主張指出:人類的動機大都隱藏在無意識的心智,而且還備受壓抑,而無法進入意識。執行心智的機器(自我,ego),會排斥任何可能激起不符合自身有關文明人所應有行為的無意識驅力(本我,id)。這種壓抑是必要的,因為驅力會以脫韁的熱情、幼稚的幻想,以及性慾與攻擊慾的方式表現出來。

 

  佛洛伊德在1939年去世以前,一直都認為精神病源自壓抑的失敗。恐懼症、恐慌症以及強迫症都是因為潛藏的驅力侵入意識行為造成的結果。因此心理療法的目的,就是希望從神經性的症狀追溯出無意識源頭,讓這些源頭接受成熟理性的批判,藉此消弭其強迫性力量。

 

  1950年代開始,心智與腦的研究日趨成熟,讓專家了解到,佛洛伊德提供驗證自己理論的證據相當薄弱。佛洛伊德最主要的研究方法,不是透過控制下的實驗,而只是單純對臨床病患的觀察,其中還交雜著理論推斷。藥物治療有了進展,而精神病的生物研究取向漸漸超越了精神分析。如果佛洛伊德還活著,他還可能樂見這種轉變。在他的年代,佛洛伊德是位備受推崇的神經科學家,他常會說像這樣的話:「如果我們已經能利用生理學及化學的名詞來取代心理學名詞,那麼我們在敘述上的缺陷可能就會消失了。」但佛洛伊德卻沒有這種知識與科技,可得知正常人或神經機能障礙人格患者的大腦結構。

 

  到了1980年代,甚至在某些精神分析圈子,自我與本我的觀念也被認為是無望的古董觀念。佛洛伊德終於走入歷史。在新心理學的時代,比較合乎時代潮流的想法是,受抑壓的人們之所以不幸,並不是嬰兒時期發生了不愉快的經驗,而是他們腦部的化學物質不平衡。然而,精神病藥物學並沒有提出另一個宏觀理論,來解釋人格、情緒以及動機等,這些「人之所以為人」的概念。缺乏這樣的理論模式,神經科學家便專注於狹隘的研究工作,而不再理會大格局。

 

  現在,這樣的理論又成了焦點,而令人驚訝的是,這個理論與一個世紀前佛洛伊德所勾勒出來的,並沒有太大的不同。現在談共識雖然還嫌太早,但越來越多不同領域的神經科學家,卻都得到與2000年諾貝爾生醫獎得主、美國哥倫比亞大學的坎德爾(Eric R. Kandel)同樣的結論:精神分析「依舊是最一致、最令人滿意的心智理論」。

 

  佛洛伊德重出江湖了,而且不只是理論而已。現在世界上幾乎每一個大城市,都有跨領域的研究團隊,想要整合曾經分裂、且還經常敵對的神經科學與精神分析。這些組織後來聚集了起來,成立了國際神經精神分析協會,籌組一年一度的集會,並出版了一份成功的《神經精神分析》期刊。佛洛伊德理論的再度受到重視,可由該期刊的編輯顧問得到見證,裡面盡是當代行為神經科學界的名人,包括達馬吉歐(Antonio R. Damasio)、坎德爾、拉度(Joseph E. LeDoux)、利貝特(Benjamin Libet)、潘克沙普(Jaak Panksepp)、拉瑪錢德朗(Vilayanur S. Ramachandran)、夏克特(Daniel L. Schacter)以及辛格爾(Wolf Singer)。

 

  這些研究人員正在打造坎德爾所說的「精神病學的新知識架構」。在這個架構之下,佛洛伊德大格局的心智結構,似乎註定要扮演類似達爾文演化論對分子遺傳學的角色。佛洛伊德理論可以做為模板,使新發現的各項細節安置得有條不紊。同時,神經科學家也正為佛洛伊德的一些理論找尋證據,並將他描述的心智過程找出機制。

 神秘的時間流

 

  從不變的過去到真實的現在乃至不確定的未來,時間好似無情地一直流動流動流動流動流動流動……

 

  但在物理的地圖裡,時間卻是一幅盡收眼底的風景畫。沒有任何東西消逝成為過去,也沒有任何東西從未來向你逼近;川流不息的時間流,其實,只是幻象。

 

  撰文/戴維斯(Paul Davies)

 

  翻譯/高湧泉

 

  "Gather ye rosebuds while ye may,/ Old Time is still a-flying."

 

  「采采薔薇,及其未萎;日月其邁,韶華如飛。」

 

  17世紀英國詩人赫里克(Robert Herrick)的這句詩正講出了舉世皆然的老生常談:時光飛逝。有誰會懷疑這一點嗎?時間的流動可能是人類知覺中最基本的面向,因為在我們內心最深處對於時間流逝的體會,其感受之深,程度遠超過對於空間或質量之類的體驗。時間的流動常被比擬成飛箭或不舍晝夜的流川,它冷酷地把我們從過去帶往未來。這就是為何莎士比亞會寫到「時運的變遷」,而他的同胞馬維爾(Andrew Marvell)則要說「時間的飛輪急促地逼近」了。

 

  儘管這些影像如此鮮明,它們卻和一個深奧且令人震撼的弔詭相互衝突:在已知的物理知識中,找不到時間流動這個概念。物理學家堅持,時間根本就不會流動,時間就只是時間而已;而某些哲學家則主張,時間流動這個概念根本沒有意義,所謂的時間之河或是時間之流,純然是基於錯誤的觀念。我們在物理世界中那麼基本、那麼實在的體驗,怎麼可能是建立在錯誤的認知上呢?或者,時間還有什麼重要的性質,是科學家尚未發現的?

 

  時間不是本質

 

  在日常生活中,我們一向會把時間分成過去、現在、未來三個部分,而某些語言的文法時態就是奠基於這項基本區分。「事實」所牽涉到的,就是現在這一個時刻,而過去已不復存在,未來則更為模糊——其細節都還沒有形成。在這樣的圖像裡,知覺中的「現在」正穩定地向前滑行,把尚未成形的未來事件落實為現在的事實;而這些事實稍縱即逝,一下子就歸屬於「過去」了。

 

  無論這樣的描述看起來有多麼合理,它與近代物理卻有嚴重牴觸。愛因斯坦在給朋友的信中,有這麼一句著名的話:「過去、現在、未來的區分只不過是幻象而已,雖然這的確是很頑強的幻象。」這個令人驚訝的結論,正來自愛因斯坦自己的相對論。在理論中,「現在」並不是絕對的,沒有任何普遍性的意義,而所謂的「同時」其實是相對的。從某個參考坐標系來看,同時發生的兩個事件,對於另一坐標系而言,可能就發生於不同的時刻。

 

  「火星上現在正發生什麼事?」似乎是個非常單純的問題,但它其實並沒有明確的答案。關鍵就在於地球與火星相距甚遠,以光速前進就要花上約20分鐘。因為訊息不會走得比光更快,地球上的觀察者便無從得知火星當下的情況。只有在事件發生過後,觀察者才能從火星傳到地球的光線推論出答案,而這些事件的答案還會隨著觀察者的速度有所改變。

 

  譬如說,在未來的一次火星探險任務中,地球上的任務管制人員也許會問:「不知道α基地的瓊絲指揮官正在做什麼?」地球上的時鐘顯示,火星這時正是中午12點,所以瓊絲應該在吃午餐。但是對於另外一位正以近乎光速通過地球的太空人來說,依據他前進的方向,他身上的時鐘會顯示火星上此刻要比中午12點更早或更晚。所以對於這個問題,正通過地球的太空人的答案就會是「正在煮飯」或「正在洗碗」(參見47頁〈一切都是相對的〉)。所以任何想賦予「現在」特殊地位的企圖,註定會徒勞無功,因為我們得先弄清楚指的是誰的「現在」?假設你和我有相對運動,那麼,對我而言未來尚未發生的事件,對你來說可能已經在過去確定的某一時刻出現了。

 

  因此最直截了當的結論,就是過去與未來其實都是已經確定的。也因為這樣,物理學家喜歡將時間整個鋪展開來,把所有過去與未來的事件都放在一幅時間圖裡,就好像風景畫一樣。這樣的看法有時稱為「時間塊」(block time)。在描述自然界的時候,我們從來沒有在時間的風景畫中挑出某一特定時段來作為「現在」,而且也沒有任何過程可以將未來的事件有系統地轉變為現在,繼而轉變為過去事件。換言之,物理學家的時間是不會流動的。

 

  時光如何不飛逝?

 

  從古到今,有不少哲學家在仔細斟酌了一般人所認知的時間流動之後,也獲得同樣的結論。他們認為這個概念有內在矛盾:畢竟,流動這觀念所指涉的是運動,所以談論真實物體的運動是合理的。如果我們拿物體實際運動的例子來解釋就會更加明白了,例如飛箭穿越過空間時,我們便可測量飛箭的位置如何隨時間變化;但我們能對時間本身的運動賦予什麼意義呢?它是相對於什麼在動呢?其他類型的運動會將不同的物理過程連接起來,但設想中的時間流只是讓時間與自身發生關聯。我們只要簡單一問:「時間流得有多快?」就可以暴露出這想法的荒謬,因為「每秒流過一秒」這個淺顯的答案一點意義也沒有。
   全球50大科學人

 

農業

 

  研究領袖

 

  史諾(Allison A. Snow),俄亥俄州立大學演化、生態與有機體生物學教授。

 

  洞見:基因改造作物將性狀傳遞給雜草的潛在能力,必須要了解。

 

  利用先進的分子生物學技術,科學家可以為現代農作物引入基因,以添加某些具有優勢的性狀,例如耐旱性與抗蟲性。不幸的是,正如史諾已經證實的,這些基因轉植作物有時也會與農田周圍的近親雜草(同一屬的植物)雜交,使得這些雜草也獲得強健的性狀。這樣的轉移,可能會創造出更難以控制的超級雜草。

 

  2001年,史諾與同事在美國密西根大學的生物站進行一連串實驗,得到了上述發現。研究材料是兩種蘿蔔:食用蘿蔔,及其野生的雜草近親。在一般狀況下,這個雜草近親是兩個物種中的優勢者,可輕易戰勝對方、佔領農田。史諾的研究小組將兩者雜交、產生雜交種,就如同農田中作物與近親雜草可能發生的狀況。然後他們以大型的田間試驗,比較原先的雜草與雜交種雜草的生產力。

 

  實驗結果破除了一個迷信:基因改造作物是安全的。原先認為雜交植物的繁殖能力低,終將絕跡,所以如果某個性狀從基因改造作物轉移到鄰近的雜草近親,所產生的雜交後代並不會存活太久。然而史諾觀察到,她的雜交種野生蘿蔔不僅成長,而且繁殖了六個世代。更危險的是,第二個世代的生殖能力還超過第一代。還有,過了兩、三代之後,食用蘿蔔的一些性狀(包括花的顏色),開始在雜交種上表現出來,這表示控制顏色的基因開始表現得更為強烈。如果食用蘿蔔花的顏色可以傳遞到雜草近親身上,其他的性狀也就可能傳遞,包括經由遺傳工程加入的性狀。

 

  雜交的超級雜草可能為農人帶來大麻煩。在生殖能力上勝出的近親雜草蘿蔔,如果從染色體改造過的作物上得到威力強大的新性狀,即可能變得更具侵略性。許多作物都可能面臨類似的挑戰:胡蘿蔔、油菜、稻米、高粱、南瓜、葵花,以及其他必須與自然雜草近親競爭的作物。雜交種雜草可能會變得更加強大,即使目前在田間用來遏制雜草侵犯的除草劑,也很可能變得缺乏控制力。而且可能很快就會發生。一如史諾的辛勤研究所顯示的,這些雜交種可以在一個耕作季中出現,並迅速演化成更強勢的入侵者。

 

  史諾

 

  企業領袖

 

  博瑞爾(G. Steven Burrill),博瑞爾公司執行長。

 

  洞見︰農業生物技術是有前景的,值得審慎投資。

 

  博瑞爾在兩家投資基金「農業–生物技術資本基金」I與II掌管的金額高於一億美元。但是他身為生命科學與科技產業發言人的聲望,才是他的見解受到投資業界高度重視的原因。他的基金投資在少數幾家公司,例如安萬特作物科學公司與拜耳,都是從事不具爭議性的基因改造。博瑞爾也與農業上創造強健動物品種的公司進行交易。2002年5月,博瑞爾讓美國的羅盤座基因組公司與加拿大基因組研究公司締結1750萬美元的合作,研究家禽家畜傳染病的遺傳學。羅盤座基因組公司使用DNA晶片鑑別遺傳上優勢的動物,用來飼育可抵抗食物媒介疾病的品種,或飼育其他想要的性狀。為了讓投資者與經營者都獲得最新訊息,他也召集多次會議,包括「生命科學聯盟會」,又編寫年度報告,最近的一本是Bio 2002,被譽為生物科技的聖經。

 

  博瑞爾

 

  標竿企業

 

  普羅迪基因公司

 

  洞見:基因轉植玉米可以當作生產蛋白質的化學工廠,用來製造口服愛滋病疫苗及其他藥物。

 

  普羅迪基因公司於2002年在美國德州發表了他們的基因改造玉米,這種玉米可生產出可能可以當做愛滋疫苗的蛋白質。此玉米生產一種名為gp120的蛋白質,這是一種位於人類免疫不全病毒(HIV)表面的蛋白質。研究者希望藉由口服少量此種蛋白質,可以啟動對抗HIV之抗體的製造,協助擊潰病毒、抵禦未來任何可能的HIV感染。目前普羅迪基因公司正在試驗,當動物吞食這種蛋白質後,是否能夠啟動有效的免疫反應。這種基因轉植玉米大量製造的gp120,也可以當做研究HIV的材料。普羅迪基因公司生產的gp120與其他蛋白質,將會是首批工業生產的基因轉植植物產品,未來可發展為藥物或工業用蛋白質。
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