《科學人》隨身包:腦科學

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。

大腦,人類的器官中最複雜、神秘的組織,也是深受廣大讀者喜好的科學議題之一。〈大腦排毒系統〉敘述大腦擁有一套精密的運輸網絡以執行排毒工作,更提醒我們睡眠的重要性。

〈培養皿上長大腦〉開頭引用美國物理學家費曼的一段話:「我無法製造的,表示我不了解。」一語道破在實驗室中複製人腦的困難,藉由培養「類器官」,科學家渴望擺脫動物實驗,為突破醫療限制打開另一扇門。

男生和女生的腦有何不同?這是一個現代男女常問的問題,〈大腦不分男女〉這篇文章帶你從另一個角度看待這項備受爭議的題目!
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Publisher
遠流出版
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Published on
Sep 1, 2018
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Pages
22
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Language
Chinese
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Genres
Health & Fitness / Diseases / Nervous System (incl. Brain)
Science / General
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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)

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?

貝殼之戀 劈、削、鑽、鑿,索羅門群島的這位工藝師以純手工刻出了碗盤雛形。接著他切割沙灘上撿來的鸚鵡螺殼,雕成花樣後,以螺鈿細工嵌入木器,打磨再打磨,完成了這精緻的花梨木法螺沙拉盤。我愛不釋手,配上彩色陸蝸殼,置之案頭,隨時滿足自己對貝殼的迷戀。 現生的軟體動物約有10萬種,是海洋動物中最豐富的類群。牠們多數有個碳酸鈣的外殼,形狀奇巧又豔麗,既是分類的重要依據,也是蒐藏者的珍寶。除了昆蟲和鳥羽,再無自然標本能有如此不褪色的繽紛了。切開貝殼或以X光透視來觀察其成長過程,是我的愛貝之道,這個學門叫做「形態發生」(morphogenesis),在貝殼身上演練這技術後,我將之應用在了解單細胞的矽藻如何造矽殼,也得心應手。 但知道過程,並不等於明白原理,生物學的形態發生似乎僅止於描述,說不出更折服人的深層道理。這期《科學人》的封面故事〈物理形塑貝殼之美〉,提供了跨界的新觀點,確實可喜。但別以為有了終極答案,看看綴殼螺就知道了。牠們長在幾不見光的大陸棚海底,螺旋貝體緊緊綴上周圍撿來的死貝殼或石片,如此長相當然不能只用物理解析。 服役時,我在左營海軍海洋測量局任少尉測量官,常搭九華號研究船出海。這艘6000噸大軍艦原該有11.5海浬的時速,但只能以近半速龜行,主因是水下船殼表面長了多層厚厚的造殼生物,加重又失了流線。我向海軍總部申請了研究計畫,要了解何以美國軍艦的船殼光亮,了無累贅。這是個自航海業之始即難克服的挑戰,船一入水,細菌就附生形成黏膜,接著招來了矽藻、貝類、管蟲和藤壺。最有效的防治法是用毒漆來抑制細菌層生成,漆料裡加進有機錫,能有約一年半的效期。當時我們的海軍應該是偷工減料,用了幾無效用的偽漆。有機錫風光了半世紀,但在2001年全球禁用了!原來它竟是生態殺手,極低濃度就會讓軟體動物的性別失衡、族群快速下降,吸附到沉積物後還會持續釋出30年。 細菌無所不在,侵入人體後也會形成黏膜,既避開免疫攻擊,抗生素藥物也傷不了它們,對健康的威脅不亞於癌症。人菌之戰早已由海洋擴展到自身肉體,〈攻破細菌黏膜〉是最新戰況報導。
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!

  愛因斯坦專輯

 

  華人觀點:愛因斯坦與電子產品

 

  從數位照相機到雷射印表機,愛因斯坦對電子產品的貢獻真不小!

 

  撰文╱石明豐

 

  當你出國玩,看到美麗的風景或全然不同的風土民情,於是你拿出數位照相機拍照,之後你將影像輸入電腦,透過網際網路越過大洋,傳回國內給你的親朋好友,讓他們分享你所看到的奇山異水和其他民族的文化;當你回國後,你可以將此行的所見所聞,以雷射印表機把鮮活的照片印出來,又或者以CD或DVD燒錄機,將這些照片的檔案,燒製於CD或DVD片中,做為這次旅行永久保存的紀念品。上面描述的每一個過程中所使用的電子產品或設備,之所以能夠完成它的功能,都要感謝愛因斯坦近一個世紀前在物理學上的發現。

 

  解剖數位相機

 

  我們先從數位照相機說起,數位照相機的心臟就是它內部的電荷耦合器件(CCD)感光元件,所以又稱為CCD照相機。當按下數位照相機快門的一瞬間,你所要攝取的影像以光的形式穿過鏡頭,在CCD感光元件上重現。CCD感光元件上,有數十萬至數百萬個四方形的小單元(稱為像素),整個影像就是成像在這些像素上,每一個像素會將曝光在其面積上的光強度轉換成電訊號。從光的訊號轉換成電的訊號,靠的就是愛因斯坦在1905年時提出的光電效應。他指出,光具有波動和粒子兩種性質,如果把光視為粒子時(稱為光子),每一個光子所具有的能量就是光的頻率和普朗克常數(h)的乘積,光線越強代表光子數目越多。當光照在某種材料時,如果材料上的電子獲得一個光子的能量,恰可擺脫材料的束縛,那麼這材料就會吸收一個光子而放出一個電子。

 

  在CCD感光元件上,電子經由光電效應釋放出來後,會被CCD感光元件上的不導電層所阻擋,而無法逃脫,所以這些電子就會累積在光線所照的位置上。直到照相機的快門關上前,光子不斷進來,電子就會持續累積在CCD感光元件的像素上,累積的電子數目,和進來的光子數目成正比,也就是和光強度成正比。當快門關上時,再以數位照相機上的微處理器計算每個像素上所累積的電子數目,也就是對應到這個像素的光強度,當CCD感光元件上所有像素的光強度都依序獲得後,就能建立起整體的影像。

 

  你在地球上每個角落仍能隨時將訊息傳回台灣,所使用的網際網路,則是靠著越洋光纖通訊系統連結在一起。雖然光纖通訊系統能夠發展到今天的地步,是由許許多多的科學家和工程師共同的努力才達成的,但遠距光纖通訊能夠實現,沒有雷射是無法達成的。而雷射的出現,是源自於1917年愛因斯坦所提出的「受激輻射」概念,但是直到1954年才真正被設計出來。

 

  雷射小兵立大功

 

  雷射光源和一般的光源所發出的光有什麼不同呢?主要的差別在於一般的光源因為其發光機制是自發輻射,每個光子的方向、頻率等都不一致,所以一般光源沒有指向性,所發出的光會往四面八方散去,且光的頻率分佈得很廣。而雷射光源則因其所發出的光子方向完全相同,所以這樣的光源有很好的指向性(雷射光束的指向性只受限於繞射極限,這取決於光的波動性質),也可以發出單一頻率的光。此外,雷射光的光子因為有相同的相位,因此會有很好的同調性。

 

  所以在應用上,凡是需要具有很好的指向性、精確單一頻率,或者需要有良好同調性的光源時,雷射光源就成了唯一的選擇。也因為雷射光源有這些好的特質,所以遠距光纖通訊會以雷射光做為其光源,讓雷射發光或不發光代表1或0,將光子經由光纖傳至遠方,再由遠方的光偵測器,以光電效應將光的訊號轉變回0或1的電子訊號,而將訊息傳達過去。

 

  至於CD或DVD燒錄機,是利用較高強度的雷射光,精確聚焦,照射在CD或DVD片的某一層特殊材料上,經由雷射光和材料的交互作用,可以使其由透明變成不透明,以透明或不透明來代表寫入的是0或1。因為雷射可以很精確地照射在很小的面積上,所以一片小小的碟片上可以儲存非常大量的訊息;而讀取器則是利用較弱的雷射光,聚焦照射在同一塊小面積,以光線是否能穿透,來讀取0或1的資訊。

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