《科學人》隨身包:演化

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。


1859年達爾文出版《物種起源》並非只是開頭,事實上自生命萌芽的那一剎那,所有物種都在演化的舞台上持續塑造歷史。


肥胖是21世紀以來許多人的生活課題,但可不是運動的越多就能越瘦,先讀完〈運動未必減重 演化告訴你〉再來對抗地心引力吧!


杭丁頓氏症是一種目前仍無解的遺傳疾病,但研究卻顯示這可能是人類神經系統演化過程的副產物,怎麼回事?跟著〈第36次重複-弔詭的杭丁頓基因〉來一窺究竟!


在水中優雅游泳、在洞穴匍匐前行-牠們為何捨棄四肢?〈蛇,為什麼為蛇?〉訴說的是蛇類如何經歷牠們奇特的演化過程。

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Publisher
遠流出版
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Published on
Sep 1, 2018
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Pages
24
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Language
Chinese
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Genres
Science / General
Science / Life Sciences / Evolution
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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)

 ◆暢銷書《都是大腦搞的鬼》作者、腦科學家謝伯讓,紮實生動科普最新力作。

◆特別收錄:頂尖期刊《Nature》所刊登的最古老化石照片,以及作者走訪各地所攝珍稀化石照。

◆出版界首創:周偉航、黃貞祥、劉敬文(妖西)、顏聖紘和陳穎青,各界重要意見領袖大肆批判!!!


第一顆大腦如何誕生?

為什麼我們會有大腦?

大腦的自由意志是否受限於基因?


大腦如何演化而成?

所有物種的元祖都是一個單細胞生物,然而這個單細胞生物如何存在?存在之後,為何會發展出多細胞生命體乃至有中樞神經組織的物種呢?謝伯讓以親切詼諧的擬人觀點,從40億年前的第一個細胞開始,抽絲剝繭,帶領你見證演化長河之下,生物體為了存活的種種挑戰與策略;作者將大腦的形成比喻成一場身體資源競逐的戰役,神經細胞為了抵抗外在的艱困環境,不斷的拉幫結派、結黨營私,到奮力突破演化上的各種生死關卡之後,最終形成了大腦……


出版界首創,演化生物學、哲學、社運各界意見領袖大肆批判!


作者並提出對於大腦與基因之爭的個人見解,認為人類的大腦已超脫基因的掌控!由於科學界以及哲學界對此見解尚無定論,因此,本書力請多位意見領袖,請他們站在自己的專業背景,針對書中提出的見解進行深度批判,最後收錄了以下幾篇精采評論:


周偉航〈正在猜拳的倫理學與腦科學〉

黃貞祥〈究竟什麼是真正的自由?〉

劉敬文〈擺脫天擇與人擇,「心擇」的時代來臨!?〉

顏聖紘〈只要有「深深的執念」就可以擺脫演化的掌控嗎?〉

陳穎青〈大腦對抗基因論〉


周偉航老師在文章中認為,作者可能掉入將演化的原因朝自己設想的方式去解讀的謬誤;黃貞祥老師則明確指出,天擇並不會挑選思想、文明與信仰;劉敬文老師主張,應該從多層次演化的理論架構來看待大腦;而顏聖紘老師則在文章中以四大提文來反思整個議題;陳穎青老師也提出了意識是否真能脫離物質的根本質疑。這些意見讓本書廣納多家之言,將帶領您一起思索大腦演化的更多可能性。


大腦對抗基因論之推創者謝伯讓,

這次將用生動的故事,綜覽最新科學研究,

從第一顆細胞的誕生、大腦之形成到與基因的抗衡,

外加演化生物學到倫理學界重要意見領袖大批判,

讓您了解大腦如何形成,以及思考大腦的更多可能。


【學界專業推薦】 (按姓氏筆畫序)


王道還/生物人類學者

周偉航/人渣文本、輔仁大學哲學系助理教授

胡台麗/中研院民族學研究所研究員

洪裕宏/陽明大學心智哲學研究所教授

徐百川/中研院生物醫學研究所研究員

高閬仙/陽明大學副校長兼生命科學系暨基因體研究所教授

黃貞祥/清華大學生命科學系助理教授

陳穎青(老貓)/資深出版人

曾志朗/中研院院士

焦傳金/清華大學系統神經科學研究所所長

劉敬文(妖西)/英國倫敦國王學院哲學博士候選人

顏聖紘/中山大學生物系副教授


【好評推薦】


「謝伯讓的一家之言,猶如穿透渾沌的一道光,讓一些重要的事實與思路現形,認真的大腦解謎者非面對不可。」

──王道還


出版社 貓頭鷹出版社 (城邦)

讓科學光芒普照


絕美杉林溪,今年8月中旬第21屆吳健雄科學營在此展開。150位高中生學員分別來自台灣、香港、馬來西亞和中國大陸,再加上12位教授、37位高中教師以及35位輔導助理,圍繞著四位講座大師,共享國際上少見的六天科學盛宴。我有幸自首屆即參與,年年受益。


在美國加州大學柏克萊分校教了50多年書的沈元壤院士,先由柏克萊校訓"Let there be light"(讓光芒普照)談起人類對光的認知歷史。2000多年前柏拉圖和歐幾里得竟不約而同認為我們之所以能視物,是源自眼睛中射出的火光!牛頓主張光是粒子,馬克士威則認為光是波動。沈元壤以簡明的方程式逐步帶領大家由光的二象性、量子紀元到雷射的興起及應用。雷射創下了地球上的最大壓力、最高溫及最低溫,也依之偵測到宇宙的重力波。


剛滿50歲的葉軍院士是沈元壤讚不絕口的光學大師,他細述如何以雷射創造超冷原子,並製作出世上最精確的原子鐘,精密度可達10-19。也就是以之度量地球的46億年歷史,誤差將小於一秒!結合精密計量及量子物理,我們既可探究複雜的量子系統,也能檢驗自然界的基本定律,並探索新物理及發展意想不到的新應用。


去年7月,我初訪位於中國深圳的華大基因公司,這家公司是全球基因定序的龍頭,在那裡我看到前所未見的宏偉生物產業。楊煥明院士是華大基因的創辦人及理事長,他以溫州腔吟詩似地歌頌〈美好基因,美好生活〉。他認為定序技術的發展,使生命變成序列化和數位化,為21世紀的生物學及醫學帶來革命性的進展。中國及美國都已啟動百萬人的全基因組定序計畫,也雄心宣示要為全球所有生物物種進行基因定序。合成新生命已是必然,但是伴隨的倫理考量尚待規範。


深陷官司已兩年半,仍被限制出境的翁啟惠院士當然是科學營的焦點。他深居簡出多時,我衷心讚佩吳健雄基金會有此勇氣與榮幸,邀請他來啟迪年輕學子,精闢的演講贏得多次滿堂彩。翁啟惠是醣分子的宗師,他發展的分子探針及醣晶片,可判別正常與疾病細胞表面的醣分子差異,並以之設計針對傳染病與癌症的廣效疫苗及新治療藥物。聽著演講,我也想著這期《科學人》的專題企劃〈全球迎戰傳染病新威脅〉,台灣社會仍要繼續禁錮可能是人類健康救星的翁啟惠嗎?

總編輯的話:我的珊瑚情緣

玻片標本盒裡,有一件我珍愛的蒐藏,那是來自六億年前中國貴州瓮安的磷礦切片。這岩石薄片被磨成30微米厚,光可穿透,在顯微鏡下能觀察到珊瑚群體的化石。這是世間已知最古老的珊瑚標本,也是最袖珍的。我把標本移到干涉光顯微鏡下,五彩繽紛的呈色,顯示牠們死後被礦物取代並填充的情形,也確認牠們是古老的床板珊瑚類群,和圓錐狀的四射珊瑚同是古生代海洋的造礁主角。

20多年前,我在美國洛杉磯路過一間奇石店,見到一塊來自廣西、約三億年前的床板珊瑚化石,保存極佳,六角形的柱狀體和細密橫紋都栩栩如生。儘管重達25公斤,我還是興奮地搬回家。我手邊有另一塊四億年前的四射珊瑚,珊瑚間隙被紅岩填充,這麼漂亮,就被4000年前的齊家人看上,雕成一只紅蟾蜍,是少見的珍稀古文物。這種珊瑚化石只產於陝西秦嶺的寧強縣,而齊家人住在甘肅和青海,如此看來,自古距離從不是玩物者的障礙。

2億5000萬年前,西伯利亞火山群大爆發,引起的全球增溫滅絕了95%的陸地與海洋物種。那是個屍橫遍野的時代,床板珊瑚和四射珊瑚都澈底罹難了,取而代之的是存活至今的六射及八射珊瑚。

我對自然的迷戀始自珊瑚,在澎湖海邊長大,記憶的核心就是那炫目多樣的珊瑚礁生態。當時澎湖最流行的建材是硓𥑮石,採自隆起的珊瑚礁岩,亦即老珊瑚的遺骸。外婆家的房子和圍牆全由硓𥑮石堆疊而成,從牆裡挖出貝殼是我的童年尋寶樂。喜讀這期《科學人》的〈珊瑚金字塔——大洋洲的古文明〉,由定年專家沈川洲訴說太平洋小島上的神秘遺蹟。原來科斯雷古帝國人也與澎湖人有同好,但若他們果真是採活珊瑚來建塔,就不環保了。

全球現生的珊瑚有難!近年來漁船已難再採到深海的貴重紅珊瑚活枝,而岸邊的珊瑚礁區更是滿目瘡痍。今年2月國際學者發起「珊瑚礁50」(50 Reefs)的行動計畫,他們指出過去30年因氣候變遷、污染及人為破壞,全球已損失50%的珊瑚礁,悲觀預言即使各國遵行2015年巴黎氣候峰會的協議,到2050年時,全球最多也只剩10%的珊瑚礁區,海洋生態將隨之崩解。他們認為只能集中力量,保住50處慎選的珊瑚礁區,做為將來復興海洋的保種基地。台灣的蘭嶼可能獲選,但我們只能等待國際組織來保住自己的珍寶嗎?自己的珊瑚礁該自己救!

  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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