《科學人》隨身包:黑洞

遠流出版
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本電子特刊由《科學人》行銷部特別編製,讓廣大讀者獲取CP值最高的科學知識。


黑洞,浩瀚太空中數一數二的神秘存在,科學家對它的所知仍很有限,其未知的性質也引發了人們心裡深處的想像。


〈黑洞火牆〉旨在討論黑洞外圍是否存在著一堵「看不見」的高能量火牆,其中與廣義相對論和量子力學的矛盾又該何解。


〈千里黑洞共纏結〉將量子力學中「纏結」的概念引入,是否在兩個黑洞間,有我們觀察不到的空間維度,將彼此相連?


〈時間起點的黑洞〉則是探討「太初黑洞」,也就是宇宙第一代黑洞的存在問題。現在就跟著我們從各個角度一窺黑洞的神秘面紗!

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Publisher
遠流出版
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Published on
Aug 10, 2018
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Pages
24
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Best For
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Language
Chinese
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Genres
Science / Space Science
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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)

一則基於科學事實的寓言

比科幻更離奇壯闊 

所有讓你瞠目結舌的宇宙奇景,

所有推動劇情的天文物理理論,

解開劇情設計與時空旅行之謎!

 

◎世界頂尖物理學家寫給大家的天文學通識課!

◎電影幕後,科學家的「裡」設定大公開!

從太空船的航速,到看似簡單順暢的降落行星之舉,

從教授寫滿方程式的黑板,到毫不起眼的文件資料,

其實無處不經過科學家之手,無一不經過精密計算,

完全符合科學精神與理論!

沒看過本書,別說你懂《星際效應》的成就!

 

◎中央研究院天文及天文物理研究所研究副技師、《科學月刊》總編輯曾耀寰◎審訂

◎學界聯合推薦

中央研究院物理研究所

余海禮研究員,李世昌研究員,王子敬研究員

中央研究院天文所

林峻哲科學家,卜宏毅博士後研究

國立中央大學天文研究所

黃崇源教授,陳文屏特聘教授,周翊副教授

國立中央大學物理系

蔣正偉特聘教授

國立清華大學天文研究所

江國興特聘教授

國立臺灣大學物理學系暨天文物理所

吳俊輝教授

國立臺灣大學物理學系

高涌泉教授

國立自然科學博物館

孫維新館長

 

◎媒體好評推薦

《BBC知識國際中文版》辜雅穗總編輯

《PanSci泛科學》鄭國威總編輯

《科學人雜誌》李家維總編輯

《探索頻道雜誌》陳豫弘總編輯 

 

《星際效應》導演──克里斯多福.諾蘭:

本書繽紛展現了基普生氣蓬勃的想像力,以及他想提高科學親和性的不懈努力,讓我們這群不具備他那般高強智慧或淵博學識的普通人,也都能親近科學。

 

《星際效應》科學顧問──基普.索恩:

電影一開始就根植於現實科學:位於人類知識的最前端,或稍微超前一些的科學……這是部從導演、編劇到製片,所有人都尊重科學的電影,而且整個劇情徹頭徹尾從科學擷取靈感,將之編織融入電影的素材中……帶領觀眾稍事領會物理定律可以與可能在我們的宇宙創造出哪些奇妙現象……

 

美國加州理工學院知名天文物理學家基普.索恩 ╳ 好萊塢大導演克里斯多福.諾蘭

動員眾多科學家+好萊塢頂尖電影人,打造世上第一部忠實呈現宇宙間各種天體現象的電影

從校園到會議室,從網路到小酒館,掀起全世界前所未有的物理學討論熱潮

在《星際效應》之前,這些只是天文物理宅鑽研的專有名詞:

重力導致的時空與時間扭曲效應;黑洞的吸積盤、奇異點、事件視界、

重力透鏡、潮汐重力、重力波、重力彈弓;超弦理論與其他超空間推論……

 

在《星際效應》之後,全世界都在問:

蟲洞竟然不是洞,而是呈一個球體?

為什麼黑洞不黑,上下圍繞著一圈「光環」?

米勒的星球如此靠近「巨人」黑洞,為什麼不會被它吞噬?

「巨人」的潮汐重力如何能在米勒的星球上激起四千公尺的巨浪?

在米勒的星球上「一小時等於地球上七年」,是怎麼成立的?

超立方體如何傳送三次元的庫柏穿越五次元的「體」(bulk)?

為什麼庫柏撥動牆上那一堆細線,就可以傳遞重力波去影響指針動作?

 

●最簡明清晰的時間與空間理論入門讀本

本書中,原本艱澀的天文物理知識,在索恩以淺白易懂的文字下依著電影劇情的推展娓娓道來,一一破解劇中所有設定之謎,還為讀者就內容的真實性將書中的科學知識大致分為三種:嚴謹科學、有根據的推測、想像臆測,並在各章節前標示出該章或該節的內容屬於何者,使本書成為最簡明清晰的太空科學入門讀本!

 

●科學理論與電影工藝完美結合

索恩是當今世上研究重力、宇宙學、廣義相對論的權威,為《星際效應》架構科學基礎,也在本書中竭力以最鮮明的手法生動解釋電影中涉及的科學,並揭露所有相關人士如何經過多少努力,使科學理論與電影工藝完美結合,令事實的呈現比虛構與幻想更令人覺得離奇與驚豔。

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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