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無遠弗屆、鉅細靡遺全方位的重力波探測 | 2016 年 2 月 11 日美國雷射干涉重力波天文台 (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory,LIGO) 在記者會上，宣佈 LIGO 團隊和 Virgo (義 大利和法國在 Pisa 地區建造的 3 公里臂長重力波天文台) 團隊以 LIGO 兩個相距 3000 公里、臂長 4 公里的重力波干涉儀探測到距離我們約 13 億光年的兩個大約為 30 太陽質量黑洞的互繞及合生所產生的重力波。這次的合生是在 2015 年 9 月 14 日 探測到的，信號持續的時間為 0.2 秒。合生時最大的重力波亮度大於可觀測到宇宙所有恆星亮度的總合。因其合生時的距離，最大的重力波應變達到探測器時的應變為 10-21, 對 4 公里臂長的長度變化為 4am (attometer,atto 為 10-18 之義), 約為鋁原子核的千分之一。本年度的諾貝爾物理獎宣佈頒給 LIGO 重力波天文台 3 位重要的推動者麻省理工學院 (MIT) 的魏斯 (Rainer Weiss) 教授，以及加州理工學院 (Caltech) 的索恩 (Kip Thorne) 教授和巴利許 (Barry Barish) 教授，以茲表彰。LIGO 團隊和 Virgo 團隊在 2 年內已宣佈發現 6 對黑洞的合生引力波。並在 2017 年 8 月 17 日探測到距離我們約 1.3 億光年的雙中子星互繞及合生所產生的重力波，奠定了多信使天 文學的基石，驗證光速和重力波速相差小於 3×10-15 之程度、潘加瑞 (Poincaré) 的想法及廣義相對論的預測。重力波的探測開啟了天文學新的領域，進一步的發展可使靈敏干涉儀探測大部分的宇宙，無需以管窺天，可以說是人類科學發展上的極致。而這極致的達成有賴無遠弗屆鉅細靡遺引力基本物理定律的建立和近代儀器的發展。重力波的探測才剛 開始，其頻段從 0.01 aHz 至 1 THz 以上均有團隊 在實驗探測。波動可簡單分為三種：標量波、向量波與張量波。聲波是密度標量波，可以有單極輻射；其波動方向和傳播方向相同，因之是縱波。電磁波是向量波，沒有單極輻射，可以有二極輻射；其波動方向和傳播方向垂直，是橫波。地震波是應變張量波；其波動方向，一般有垂直於傳播方向的部分和平行於傳播方向的部分。重力波是時空變化的張量波，沒有單極和二極輻射，可以有四極輻射；其波動方向和傳播方向垂直，和電磁波一樣，也是橫波。說起重力波，我們必須簡述一下廣義相對論的發展史。 1859 年，法國天文學家勒維耶 (Urbain Le Verrier) 發現水星近日點的進動 (precession) 超出牛頓萬有引力計算行星擾動所預測的結果，進動的差異每百 年有 38 秒角幅度，這個異常打破了牛頓引力理論，最終引導出廣義相對論。1887 年，美德物理學家邁克生 (Albert Michelson) 和美國化學家莫立 (Edward Morley) 實驗發現光速不因地球運動的方向而變，打破了牛頓動力學的基礎，引出了狹義相對論。愛因斯坦等效原理假設局部物理為狹義相對論物理 (Local physics is special relativistic physics), 宇宙中任何時刻、任何地點在局部慣性系下的物理方程式，均和勞侖茲慣性坐標下的物理方程式相同。此原理應用於計量學與計量標準 (非人造) 上，即為假設其普適性，計量學的普適性成立驗證了愛因斯坦等效原則。讀者也許心中有個問題，如果如此那麼「什麼是引力 (重力) 呢？」答案是重力理論告訴我們這些局部物理是怎麼相接成大域物理的，重力加速度可以用等效原理化為等效的慣性力，真正的重力是一種潮汐力、或稱為引潮力 (如在地球上若無引潮力，我們即難以觀察太陽和月亮的引力)。就好像二維局部歐式空間的不同連接可以構成球面或其它曲面；四維局部閔氏 (勞侖茲) 時空的不同連接可成為帶有重力的彎曲時空。......【更多內容請閱讀科學月刊第 576 期】 | science |
經濟與心理的「不當行為」研究 | 今年 10 月，瑞典皇家科學院宣布，因美國經濟學家塞勒 (Richard H. Thaler) 在行為經濟學領域的貢獻，獲頒 2017 年的諾貝爾經濟學獎。賽勒去年寫了一本書，書名叫《不當行為》(Misbehaving)。這本書的特殊之處在於，它一方面是塞勒的自傳，一方面是行為經濟學的入門介紹。無論在自然科學或社會科學領域，一個人的傳記同時就是一個學門的發展史是一種非常罕見的情況，因此，你也就可以知道塞勒在行為經濟學上的教父地位。故事要從塞勒 1970 年代在羅徹斯特大學讀博士班的時候談起。當時他進行了一項研究，希望能估算出「人命的價值」。塞勒設計了一份問卷，並且提供受訪者兩個情境 。第一個情境是：社會上爆發某種疾病，導致每個人的死亡率都增加 0.1%, 現在有一種解藥吃了可以讓死亡率下降，你願意花多少錢買這種藥？第二個情境是：你好端端地生活在一個沒受疾病感染的地方，但是你的老闆想要派你冒著 0.1% 的死亡風險進入疫區工作，他需要額外付你多少錢，你才願意接受這樣的差事？根據傳統的經濟學理論，兩種情境的答案都代表了 「0.1% 的死亡率」值多少錢，換句話說，就是「千分之一條命」的價值，因此同一個人對於兩種情境的答案應該要大致相同才對。然而，問卷結果卻完全不同。針對第一個情境，大多數受訪者不願意付超過 2000 美元的代價；可是針對第二個情境，卻有許多人認為至少要補償他 50 萬美元才夠。同樣是為人命估價，兩種方法所得到答案竟然南轅北轍！塞勒把這個發現拿去找指導教授討論，指導教授卻叫他別浪費時間在這種事情上。不過塞勒並沒有照辦，反而開始仔細觀察周遭的世界，廣泛蒐集各種主流經濟理論所無法解釋的現象。在塞勒的自傳中，他將這些異狀稱之為「不當行為」。有哪些行為屬於「不當」呢？比方說，史丹利對花粉過敏，可是每個週末卻忍著過敏在自家院子割草，不願意花 10 美元的金額雇一個人來代勞。當史丹利被問到如果鄰居出 20 美元請他割草，是否願意幫忙？他的答案卻是斬釘截鐵的不願意。這裡出現一個很弔詭的問題，如果史丹利不願意花 10 美元請人幫忙割自家的草，似乎表示他的時間成本 (外加忍受花粉過敏的痛苦) 不值 10 美元，另一方面鄰居用 20 美元卻請不動他，表示他的時間成本比 20 美元還貴。究竟為什麼一個人 的時間成本可以同時比 10 元便宜，卻又比 20 元貴？又比方說，在暴風雪天裡，為什麼拿到免費贈票的人會放棄出門去球賽，但是自己花錢買票的人卻執意冒著危險出去，只為了把球票的錢「賺回來」? 經濟學原理不是都教我們，花出去的錢是潑出去的水，已經是「沉沒成本」, 所以如果天候不佳開車太危險，無論是別人送票或自己買票，都不應該出門？此外，開派對的時候，大夥怕先吃零食反而吃不下主菜，所以乾脆把零食收起來，免得吃個不停。這不對呀！經濟學原理說，人的選擇越多越好，因為如果多出來的選擇你不喜歡或認為不應該選，永遠可以不要選。不過，現實似乎不是如此，我們常常會缺乏意志力，吃的永遠太多，存錢永遠不夠，想規律運動卻每天立志從明天再開始吧。在塞勒眼中，各種「不當行為」層出不窮，問題到底出在哪裡？19 世紀著名的經濟思想家馬歇爾 (Alfred Marshall) 曾經在《經濟學原理》(Principles of Economics) 一書中下了一個定義:「經濟學旨在研究人的日常生活，包括他如何賺取財富和使用財富，所以經濟學一方面是在研究財富，一方面是在研究人。」正因如此，經濟學一直都是一門入世的學問，無論是史密斯 (Adam Smith) 或凱因斯 (John Keynes), 都是在透徹觀察真實世界的「人類行為」, 並且藉此形成他們的理論。但是這種狀況在 1930、40 年 代出現改變，經濟理論的建構開始轉向數學模型分析。為了數學分析的需要，經濟學家開始廣泛假設模型裡的「人」永遠會竭盡所能地根據利益最大來做選擇，而這種凡事求最佳化的態度被稱為「理性」。當年困擾著塞勒的問題就是，活生生的人是有感情、有靈魂的個體，他們的行為真的可以用「理性經濟人」的模型來描述、解釋，以及預測嗎？從前面提到的幾個「不當行為」來看，事情似乎不是這樣！其後塞勒認識了康納曼 (Daniel Kahneman, 2002 年諾貝爾經濟學獎得主) 與特維斯基 (Amos Tversky) 等心理學家，從他們的研究中驚訝地發現，活生生的人不但在做決策時會犯錯、有慣性，而且從認知到決策，這些錯誤是有系統、有規律的，可以被分析和預測。這樣的發現帶給塞勒莫大的衝擊，讓他開始思考如何將「人性」納入經濟學的研究方法。在往後的學術生涯裡，他要結合心理學來分析真實世界裡有缺陷、有弱點的人如何進行各種經濟行為，而不是只聚焦在數學模型裡的「理性經濟人」。......【更多內容請閱讀科學月刊第 576 期】 | science |
用低溫捕獲生命原態的原子細節 | 現代化學的核心是關於物質的研究，因此，諾貝爾化學獎不外乎在合成、結構和分析方法 3 個領域來回振盪。今 (2017) 年，化學獎頒給了看似物理學的低溫電子顯微術領域，卻是屬於結構和分析的化學範疇，代表此領域獲獎的是分別在樣品製備 、影像重組和低劑量電子成像 3 個關鍵有卓越突破的杜巴謝 (Jacques Dubochet)、法蘭克 (Joachim Frank) 以及韓德森 (Richard Henderson), 獲獎原因為「發展低溫電子顯微術，可應用於溶液中生物分子的高解析度結構測定」。了解生物分子的結構到底有什麼重要性？細胞是生命的基本單元，細胞的運作是靠著裡面許許多多的蛋白質機器不斷運轉。了解這些分子機器如何運動，使得人類能一窺細胞的奧秘，並通過控制或改造這些生物分子，使人類有機會脫離疾病的束縛。而如何了解這些分子機器如何運動，最直接的方法就是對這些分子機器攝像。這樣的夢想因為英國醫學研究中心的比魯茲 (Max Perutz) 在 1950 年代初解決 X 射線蛋白質晶體繞射圖的相位問題而實現。從 1980~2000 年間，由於同步輻射、大面積相機和結構測定軟體分享網絡的興起，X 射線蛋白質晶體學逐漸成為結構生物學 的主流工具，許多大分子的晶體結構紛紛被解出，最有名的為光合作用中心、ATP 合成酶、鉀離子通道、核醣核酸聚合酶和核醣體的原子結構，囊括了 5 次諾貝爾化學獎，而其中有 3 次是被英國醫學研究中心的研究員或校友抱走。然而，嚴格來說，晶體結構與能表徵生理功能的溶液結構還是不同。如今，通過杜巴謝等人發展的「電子照妖鏡」, 科學家終於能在茲卡病毒 (Zika virus) 甫一出現之際，不需用結晶學就能破解球殼蛋白的原子圖譜，為藥物設計提供精確藍圖。本文將分別對韓德森、杜巴謝和法蘭克的研究做深度報導。韓德森在低溫電顯的關鍵貢獻是引入低劑量欠焦電子成像法。筆者有幸在 1993 年於加州大學柏克萊求學時巧遇韓德森，便先從韓德森談起。時年 48 歲的他，為人謙和卻又風趣健談。通過韓德森的工作，我了解到若要藉電子顯微鏡獲得蛋白質的原子結構，需透過二維結晶提供大量同位相的分子以供平均而提升訊噪比。韓德森於 1975~1990 年發展出一套電子結晶學的標準程序，我的博士論文便是純化一個轉錄複合物並長出一個轉錄複合物的二維晶體，靠著韓德森方法分析出三維結構。為什麼說二維結晶是必要的？其實電子顯微鏡的工藝早在 30 年前已臻完美，是材料科學家用來看見金屬原子的利器，然而，一旦把金屬材料換成蛋白質，影像的清晰度有如飛蚊症患者看到眼球上的半透明小點，這是由於蛋白質對電子束極為敏感，攝像需用極低劑量的電子 (每平方埃 10~20 電子), 造成所得單 一分子的影像中的原子細節盡埋於噪音之中，二維晶體可用來把原子細節的訊號疊加而勝過噪音。在跨入電顯這一行之前，韓德森師事 X 射線晶體繞射大師布洛 (David Blow), 在 1969 年取得博士學位後，旋赴耶魯大學，打算用 X 射線結晶學解決膜蛋白結構。礙於純化膜蛋白和長出其三維晶體在當時屬於超級困難的挑戰，韓德森回到英國加入英國醫學研究中心，由克里克 (Francis Crick,1962 年醫學獎得主) 和克盧格 (Aaron Klug,1982 年化學獎得主) 共同領導的團隊，當時組裡好手如雲，有狄羅基爾 (David DeRosier)、克勞德 (Tony Crowther)、芬區 (John Finch) 和昂溫 (Nigel Unwin)。 狄羅基爾和克勞德長於三維重建，芬區和昂溫則擅長於電子顯微鏡攝像。韓德森基於 1974 年和葛萊瑟 (Glaeser) 與其學生泰勒 (Taylor) 用電子繞射對電子束引起輻射傷害的首度觀察，與昂溫合作開發低劑量電子顯微術，在 1975 年得到紫質蛋白的三維結構 (7Å), 觀察到紫質蛋白的 7 次穿膜，穿膜區的二級結構是 α 螺旋 (alpha helix)。雖然這個工作所獲得的是被保存在糖水中乾燥後的紫質蛋白，可能與生理態有些差異，但總算是人類第一次看到膜蛋白膜中的結構，排除膜蛋白在膜中的二級結構可能是無序的猜測。......【更多內容請閱讀科學月刊第 576 期】 | science |
能適應昏暗環境的深海魚 | 大多數的脊椎動物，包括人類，視網膜中都包含 2 種光感受器，分別為在相對較光亮時負責顏色辨識的視錐細胞 (cone cell) 與在昏暗燈光下或夜晚時才較對光敏感的視桿細胞 (rod cell)。不過，近期昆士蘭大學 (The University of Queensland) 的研究團隊在深海暗光魚 (Maurolicus spp.) 眼睛中發現了一種新型細胞，具有適應黎明、 黃昏或天色較昏暗時的視覺系統。長久以來，科學家認為生活在超過海下 200 公尺的深海魚，因長時間在黑暗中活動，大多數物種已失去視錐細胞，只保留對於光較敏感的視桿細胞。然而，研究團隊卻發現暗光魚與其他深海魚不同之處在於，牠們大多在傍晚或黎明時的活動，且範圍為靠近光照水平中等的海域，因而發展出桿狀錐體細胞 (rodlike cones)。研究人員表示，雖然不盡理想，但人類在天色昏暗的情況下會同時使用 2 種細胞，而暗光魚因長時間都在天色較昏暗的狀況下活動，因此將 2 種細胞結合成一種更有效率的感光受體細胞，調整出適合暗光魚的視覺狀態，以適應外在的環境。Fanny de Busserolles et al., Pushing the limits of photoreception in twilight conditions: The rodlike cone retina of the deep-sea pearlsides, Science Advances, 2017. | science |
2017 諾貝爾生醫獎——晝夜節律 | 為什麼大部分人早上起床總是艱辛困難？為什麼出國工作或是旅遊還要面對讓人全身上下哪裡都不對勁的時差？又為什麼許多急性心臟疾病好發於傍晚？時間，是一個對人類非常有趣而又難以捉摸的概念。許多歷史文明都在早期發展出記錄時間流逝的方法。 然而，直到近 60~70 年內我們才慢慢發現，幾乎每 一個生活在地球的物種，原來在體內都有一個調控一切生理功能的時鐘。在午夜時期，我們的體溫會降至最低，然而凌晨太陽出來前，就算還沒有起床，身體就會先慢慢開始加溫，預備起床後需要較高的體溫進行活動。在太陽下山後數小時，體內的松果體開始釋放褪黑激素，幫助我們身體準備入睡。在晚上的時間，體內的血液幹細胞數量為最大數，並在我們休息時製造出最多的血球，而在此之前的下午時分，血液幹細胞就準備從骨髓中被釋放出來。由此可知，生理時鐘能讓各個生物在一天中不同時間，預先準備相對應的生理功能，用最有效率的方式應付一天下來日夜溫差等環境劇烈的變化。在歷史文獻中，很早就有記載動植物每一天會有一些規律的生理現象。在西元前 400 年，亞歷山大大帝的將軍安德羅斯提尼 (Androsthenes of Thasos) 與艦隊航行時，在日誌中記載了酸豆樹 (羅望子) 的葉片會在白天展開，在晚上關閉。而中醫中的《子午流注》(由黃帝內經整理而成) 也記載了人體氣血的運行隨著一日中的時間而變化，原文一開始即寫到「子午流注者，謂剛柔相配，陰陽相合，氣血循環，時穴開闔也」。 然而，這些記載並沒有明確指出這些現象是因為外在環境所調控或是生物體內有內生性節律，直到過了千年後，在 18 世紀，才有一位天文學家麥蘭 (Jean Jacques d'Ortous de Mairan), 利用實驗方式，來探討生物時鐘的問題。他發現含羞草在白天時葉子會打開朝向太陽，而在晚上會合起。為了證明此現象是由外在日夜週期所誘導或是體內真的有一個生理時鐘，他將含羞草放在暗盒中，發現就算沒有環境日夜週期，在暗盒中含羞草依舊保持每日週而復始的葉片開合循環，證實在生物中有個生理時鐘在控制一天中相對應的生理週期。在 1900 年代，許多科學家投入生理週期的研究，奠定了這個學門的基礎知識以及定義。晝夜節律 (circadian rhythm) 這個英文單字，是由希臘文中 circa (大約) 以 dian (天) 所組成，原始的意思是接近 24 小時的週期性生理現象。而晝夜節律這個單字，也準確的點出生理時鐘所代表的生理意義。我們體內的生物時鐘，並不是準確的以每日 24 小時作為一個循環，大部分的日行性動物，在沒有接受外界日夜訊息時，以每一個週期稍微大於 24 小時進行循環，而大部分夜行性動物則以小於 24 小時為一天作為循環。科學家定義當沒有任何環境因子存在時，依舊能保持接近 24 小時的週期性生 理現象才能稱作晝夜節律，而這樣的情況稱之為自主生理時鐘 (free running)。平均而言，人類的週期一天大約是 24.3 小時，因此，若沒有任何環境訊息，我們每天會越來越晚睡，也越來越晚起床，所以早上爬不起床、晚上睡不著，是體內生理時鐘作祟的其中一個因子。除了自主生理時鐘之外，晝夜節律第二個重要的定義在於環境同步 (entrainment), 也就是生理時鐘可以被外在環境訊息所微調並且與其同步。一般而言，日夜週期是調整生理時鐘最強而有力的環境因子。我們的生理時鐘，在一天中的不同時段，會對於外界的光線有不同的反應，例如在傍晚，光照會讓我們的生理時鐘延後，而清晨光照則會使我們的生理時鐘往前調整。結合這些光照，我們身體內的生理時鐘，才能由每天 24.3 小時左右的自主生理時鐘，每天微調成 24 小時，與地球自轉一周的 24 小時日夜週期同步。也因此，出國調整生理時鐘最好的方式就是要在對的時候照光，前幾年甚至有科學家為此寫了一個行動應用程式 (app) 告訴你在何時照光來加速時差的調整呢！最後一個特點是生理時鐘有著溫度自我調整的能力，一般生化反應會隨著溫度的增加而加速，然而，生理時鐘對於溫度有良好的調整回饋，不論環境溫度的升高或下降，生物在冬天或夏天生理時鐘每一個週期走的速度不會相差太多。要不然，當冬天平均氣溫比夏天下降 10%, 我們的生理時鐘速度也慢了一半的話，那每日週期就要變成雙日週期了。生理週期的發現雖然這些生理時鐘的特點逐一被歸納研究，然而體內為何有內生性的規律週期依舊讓科學家們疑惑。如果生理時鐘由某些細胞內的分子機制所控制，那麼，在某些具有特定突變的個體中，生理時鐘的週期應該會有所不同。而研究這類問題最佳的模式物種，就是奠定近代遺傳學實驗的模式生物 —— 果蠅 (Drosophila melanogaster)。1970 年代對生理時鐘這個研究領域而言非常重要，首先在 1970 初期，本澤 (Seymour Benzer) 以及他的學生科諾普卡 (Ronald Konopka) 發現了生理時鐘特別快、特別慢以及失去日夜節律的 3 種果蠅突變個體 [註一], 他們把這個未知的突變基因命名為 period, 即週期的意思。而在相同的時期，摩爾 (Robert Moore) 以及朱克 (Irving Zucker) 2 個研究團隊也在哺乳動物中發現視交叉上核 (Suprachiasmatic nucleus, SCN), 就是負責生理時鐘的腦部核區。當果蠅 period 突變株出現後，許多研究團隊相繼努力的想要將此基因找出，然而一直要到了 1980 年代，才由今 (2017) 年諾貝爾生理學或醫學獎得主中的 3 位科學家，也就是霍爾 (Jeffrey Hall)、羅斯巴希 (Michael Rosbash) 以及楊恩 (Michael Young) 將 period 基因找到。1980 年代是基因克隆 (clone) 技術成熟的年代，那個時候大家都競爭著要將不同的基因定序，霍爾曾經是本澤的博士後研究員，當他到布蘭代斯大學 (Brandeis University) 後，就跟他的同事羅斯巴希合作；楊恩則在耶魯大學 (Yale University) 進行許多不同基因的定序。兩團隊同時在 1984 年發表論文表示他們成功定序了 period 基因。後來，兩團隊的的研究成果都指出本澤當初發現的這三隻生理時鐘有問題的果蠅，都是因為 period 基因出現突變，只不過突變的位置不同，而造成完全不同的結果。很可惜的是，本澤已在 2007 年過世，要不然今年諾貝爾獎委員應該會為怎麼把獎平分給 4 個人而頭大〔註二〕。當然，利用基因突變來尋找生理時鐘基因並不是果蠅研究者的專利，在之後的 20 多年間，科學家陸續在小鼠、倉鼠、阿拉伯芥、麵包黴菌 (Neurospora) 以及藻類等模式生物中，找到了控制生理時鐘的基因。後來，因為基因以及蛋白質序列的分析，科學家發現大部份與生理時鐘相關的蛋白質，均有一段類似的序列稱為 PAS 區段，而且每個物種雖然隨著演化的過程，變得各自不同，但是大家在控制生理時鐘上，都還是利用相似的系統，日日夜夜計算時間的流逝。分子生物學家和行為遺傳學家本澤。(Wikipedia) 生理時鐘系統的運作所以生理時鐘的系統是如何運作的呢？經過霍爾以及羅斯巴希 2 位科學家的合作，以及羅斯巴希實驗室中一位博士後研究員哈定 (Paul Hardin) 的研究，發現由 period 基因轉譯出來的蛋白質 PER 在一天中均有表現，但是其表現量 (包含 mRNA 和蛋白質) 會在夜晚時變高，而在白天時降至最低。然而，在 PER 蛋白質無法作用的果蠅突變株中，也就是之前研究所發現沒有生理週期的那一個突變株，period 基因反而高度表現。因此，他們大膽的提出生理時鐘是由一個負回饋 (negative feedback) 迴路所調控，period 基因表現後所產生的 PER 蛋白質，可以回頭抑制本身基因的表現量。之後，楊恩找到另一個生理時鐘的基因 ——timeless,timeless 基因製造出來的 TIM 蛋白質與 PER 蛋白質相互結合，進入細胞核後，對 period 基因和 timeless 基因產生抑制作用。當然，僅有一個負回饋路徑是無法形成週而復始的日夜循環的，楊恩又再發現另一個基因 ——doubletime, 這個基因製造出來的蛋白質 DBT 負責為 PER 蛋白質進行磷酸化 (Phosphorylation), 當 PER 蛋白質被些微的磷酸化後，就會被分解掉，直到 TIM 的蛋白質累積足夠量之後，PER 才能夠免於被分解，並且與 TIM 一起進入細胞核。這樣一個基因表現以及蛋白質數量累績出現的延遲，是生理時鐘中，調控週期長短非常重要的因素。試想，若一個可以抑制自己本身產出的物質，在沒有任何時間延遲的狀況下，這個物質是沒有辦法被生產出來的。因此，DBT 負責控制 PER 蛋白質的數量，延緩 PER 蛋白質累積，使其累積速度大約比 period 基因的表現晚了 4~6 小時。如此，一個週期性的負回饋路徑才能一日又一日規律的反覆下去。除了「調控基因表現」的負回饋調控之外，「蛋白質調控」在生理時鐘的運作也扮演非常重要的角色。近年來，更多調控生理時鐘的基因陸陸續續被找到，除了 period 這類負回饋因子之外，還有許多正因子分子生物學家和行為遺傳學家本澤。(Wikipedia) 參與生理時鐘的運轉，這些正因子，包含果蠅中的 clock 和 cycle, 以及哺乳動物的 clock 和 Bmal。以果蠅為例，每日的下午，CLOCK 與 CYCLE 蛋白結合啟動 period 與 timeless 的基因表現，到了傍晚 PER 蛋白質才開始慢慢累積，因為 DBT 會磷酸化 PER 造成其降解。到了午夜，PER 終於累積到足夠的數量，與 TIM 一起進入細胞核中，抑制自己的基因表現。一直到了清晨，period 與 timeless 基因表現下降至最低，因此，白天的時候 PER 蛋白質在細胞質內的數量也因降解而下降，這時，CLOCK 與 CYCLE 蛋白終於解除了被抑制的狀況，在下午的時候再度結合啟動 period 與 timeless 的基因表現。這樣的分子機制，就是由 3 位得獎者的研究所奠下基礎而逐漸發展出來的 (圖一)。到了現在，我們已經知道超過 10 種以上控制生理時鐘的基因，並且組成了像魔術表演一樣，環環相扣的狀態，一個個串在一起，提供一個非常穩定的時鐘。4 下降到細胞質內 PER 與 TIM 表現量極少時，此時週期又進到下午。這時，CLOCK 與 CYCLE 終於解除了被 PER 與 TIM 抑制的狀況，於是再度開啟 period 與 timeless 基因的表現 (回到 1)。1 CLOCK 與 CYCLE 蛋白在下午時活化，啟動 period 與 timeless 的基因表現，由於 DBT 的作用，PER 至傍晚 (4~6 小時) 待 TIM 越來越多後，才逐漸累積 (延遲效應)。2 到了午夜，PER 足夠後，與 TIM 一起進入細胞核中，負回饋抑制 CLOCK 與 CYCLE 蛋白對於 period 和 timeless 基因的啟動，抑制 PER 與 TIM 蛋白的生成。3 清晨，period 與 timeless 基因表現量降至最低。白天的時候 PER 蛋白因 period 基因被抑制沒有新的蛋白質生成，而現存的蛋白質降解，因此在細胞內整體數量下降。圖一：生理時鐘的分子機制示意圖。人類的生理時鐘雖然生理時鐘最主要的是幫助生物預測 24 小時間環境的劇烈變化，以及在一日活動週期中不同時間、最佳化不同的生理功能，那我們自然會關心生理時鐘與人類的健康是否有關連。因此，關於生理時鐘在人類上也有不少的研究，我們知道人類睡眠與清醒週期是被生理時鐘所調控，可能很多人都有經驗，晚上熬夜大約在凌晨 3~4 點的時候最想睡，但是過了這個時間，睡意似乎會消失一點，且身體的反應也會變得比較快，這是因為生理時鐘調控睡眠的力道在凌晨後會慢慢變弱。而近年來，也有許多研究指出，生理時鐘混亂或許對健康真的有些影響，包含代謝疾病、心血管疾病、心理疾病以及癌症。在工業現代化的年代，許多工作需要夜間值班，這類工作時間不定的人比起一般白天上班的人，有更高的機率得到過胖以及糖尿病等代謝疾病，也有較高的機率出現心血管疾病。另外，航空業在長途飛行的航線上，機組人員長年來需要在不同時區間工作，統計分析指出這些人得到癌症的機率也較一般大眾稍微高一些。不過，這比一些遺傳因子所造成的影響，還是小得多，因此，大家不需要太恐慌而不敢出國、到不同時區的地方旅遊。如果從另一個面向來看，癌症研究指出，癌症病人的癌細胞中，除了致癌基因外，也曾發現生理時鐘的基因出現混亂的現象。甚至有些人類基因學的研究指出，許多生理時鐘基因的變異，與心理疾病有關聯性。綜合這些觀點，有一個良好並且與環境同步的作息，讓體內的生理時鐘幫助我們，規律性的調節並且整合生理機能，可以讓我們維持最佳的健康狀態。結語最後，我們也要感謝這三位諾貝爾獎得主科學家的努力，讓我們了解生理時鐘在體內基因層面如何運作，這些成果，開啟了更多近代對於生理時鐘的研究，晝夜節律這個研究領域，相較其他生物學領域，算是較晚起步，因此還有許多未知的問題等待我們去探索，而且當前研究也還大部份著眼在生理時鐘的基礎。或許我們可以期許未來，當我們對生理時鐘有更全面性的理解後，可以讓大家在不同的環境下都有良好的健康，或是對於調整時差有更好更快速的方法。最後，祝福大家都有個健康的生理時鐘，好似《莊子。讓王》所云:「日出而作，日入而息，逍遙於天地之間」。〔 註一〕: 三隻突變果蠅，依據其生理時鐘週期的快慢，特別快的命名為 perS, 特別慢的命名為 perL 以及失去日夜節律的命名為 per0。〔 註二〕: 截至目前為止，諾貝爾獎單一獎項最多分給三個得獎者。 | science |
天文與數學 | 現在家庭中所觀賞的大多是有線電視居多，系統台直接將電視節目透過纜線，送到用戶的電視。有些用戶使用數位機上盒，透過天線接收無線節目訊號，更早期的收視方式，是透過天線接收類比訊號的電視節目，當接收頻道不對的時候，電視會出現一片混亂的雜訊，沒有任何有用的訊號，可以說沒有任何規律，相當乏味。是的，沒有規律是令人乏味，從古自今皆是如此，人類好似天生對規律現象特別在意、特別注意，並且嘗試從中找到更 深入的意義，巨石陣 (Stonehenge) 就是一個例子。英格蘭威爾特郡的巨石陣是一座史前建築遺跡，數十個巨石圍成一個圓圈狀，有些巨石高達 6 公尺。這個令人嘆為觀止的巨石陣座落在英格蘭已有數千年的歷史，歷經過培根、牛頓、卡文迪西、法拉第、馬克士威和達爾文等偉大的科學家，甚至是第一次和第二次世界大戰，直到最近才有人發現當中的奧秘。1955 年，英國工程學家湯姆 (Alexander Thom) 發表論文表示巨石陣是一個史前的天文測量儀器。湯姆認為當時建造者在放置各個巨石的時候，並不是隨意為之，他們確保從某些巨石看出去，會和特定日子、特定時候的太陽或月亮一致 (圖一), 例如在夏至的時候，沿著某顆巨石看過去，是太陽升起或落下的方向。也就是說透過巨石的擺設，可以標示一年當中的特定日子，可算是史前時代的年曆。說到巨石陣與年曆相關，代表早期人類已經看出大自然的規律，太陽在天空的運行不僅只是一天的規律，還有一年的規律。在夏天的某日正午 (夏至), 太陽在天空達到最高點，之後向南方移，高度逐漸下降；到了冬天的某日 (冬至) 達到最低點，然後再向北移，高度逐漸上升，直到下一個最高點，完成一個循環、周年復始，就是一個規律。在古埃及也有一個和農業生產有關的規律。西元前 3000 多年，古埃及人發現每年 6 月尼羅河會氾濫，蔓延四處的河水帶來豐沛的營養，非常適合農耕。但沒有日曆的預測，農夫沒辦法預作準備，不過古埃及人發現每年尼羅河氾濫的時間，正好和天狼星的偕日升 (heliacal rising) 一致。天狼星是夜空中最亮的恆星，視星等為 - 1.46, 但它在天空的位置非常接近太陽，有太陽的時候，在埃及是看不到天狼星的，唯有在每年 6 月的偕日升，太陽和天狼星都從地平面升起，天狼星這時便可以清楚辨識，這是一種規律。這種星象的規律不僅有助於對農耕，對地中海地區的早期人類航海也有幫助。在中國，懂天象規律的人會被召至皇帝身邊為皇家服務，而中國皇帝又稱天子、天之皇子。過去中國人認為上天會透過天象顯示天機，例如熒惑守心。這是熒惑 (火星) 在心宿位置出現逆行的現象，根據以往的經驗，必有大凶，例如西漢成帝的天官發現了熒惑守心，過幾天，漢成帝暴斃，王莽稱帝。因此中國古天文學家的主要工作就是長期觀測和記錄天象，從中找到特殊天象出現的規律，以期預測下一次的到來。記錄現象、找出當中的規律，並用數學預測下一次天文現象，這就是早期的天文學，非常實用。早期天文學不僅運用數字系統，還用到幾何學，這對天體在天空的位置和運動很重要。在西元前 200 多年前，希臘人埃拉脫斯特尼 (Eratosthenes) 就能運用幾何學算出地球的圓周長。埃拉脫斯特尼發現每年夏至正午時份，在亞歷山大城立竿會有較短的影子，在相同時間，距離 5000 希臘里 (stade, 古希臘長度單位，約 185 公尺) 的賽尼 (Syene), 正午的太陽可以直照到井底，也就是在賽尼立竿看不到影子。埃拉脫斯特尼根據幾何關係可以知道 2 座城市與地心的夾角大約是 7.2 度 (約圓周角的 1/50), 因此推論地球圓周長是 5000 希臘里的 50 倍 (如圖二)。姑且不論準確度，古希臘人運用圓周曲面，以及平行太陽光的概念，得到地球周長，這是不容易的成就。阿基米德曾說：給他一根棍子，他可以撼動地球，埃拉脫斯特尼則是用一個棍子量出地球的周長。......【更多內容請閱讀科學月刊第 576 期】 | science |
穿越時空的科學檢閱──考古學與化學分析 | 考古學是透過出土文物或生態遺留了解過去人類社會與生活環境的一門學科，近幾十年來，越來越多考古學研究開始使用科學分析技術，嘗試取得更多資訊，而化學分析便是其中之一；若要了解化學分析在考古學中的應用，必須先從考古文物的生命歷程談起。一件物品的生命歷程包含製造、交易、使用、丟棄、沉積掩埋以及發掘出土等過程 (圖一)。在這些過程中，不論是人類的行為或周遭環境，都可能影響我們最終所觀察到的文物化學成份。不同地區或年代的製作傳統對於器物原料的採集來源、搭配以及淘洗、篩選等製作過程可能有不同的偏好，所以器物化學組成的差異，可以讓我們判斷他們的製作地區或原料配方是否不同。若是器物的製作需要經過燒製，燒製的環境中，燃料灰與器物的接觸等因素，也可能使得器物表面的化學成份產生變化。器物製作完成後，使用過程也會影響化學成份，例如做為烹煮或儲存食物的陶器，可能有遺留在陶器內部的食物殘渣；不同食物的有機化學組成不同，考古學家藉由分析這些殘渣，可以推測當時人們的生計與飲食習慣。有些器物製作完成後，可能會透過交易行為，輾轉進入不同地區，這時候器物的化學成份便可能提供考古學家線索，以判斷這些物品是否為當地製作，或是由外地引入的舶來品。一件器物在歷經使用、丟棄、再使用的過程後，最終被完全遺棄，隨著歲月的痕跡逐漸沉積掩埋在地層之中，而部分的器物可能在千百年後被考古學家發掘出土，再度出現在我們面前。在掩埋過程，埋藏環境使得器物產生風化或腐蝕，往往也會造成化學成份的轉變，例如考古出土的青銅器表面，因為在埋藏環境中長期與周圍環境的物質產生作用，生成不同結構與成份組成的鏽蝕物，透過分析這些鏽蝕物的生成機制，可以幫助我們了解青銅文物的保存與修復。下面我們用埃及彩陶 (Egyptian faience) 以及埃及、 美索不達米亞與地中海一帶的玻璃交易當範例，告訴大家化學分析所能得到的資訊。埃及彩陶的發展，大約起源於西元前 4000 年，是目前所知年代最久遠的上釉工藝品，包含珠子、手環、護符、雕像、碗等文物，文物表面通常覆上一層天青色的釉色。19 世紀的考古學家在埃及發掘時，使用「彩陶 (faience)」 稱呼這類上釉的器物。然而，「彩陶」一詞其實是指稱在約西元 14 世紀時發展自義大利的陶器，也就是我們現在常聽到的「馬約利卡陶器 (majolica)」, 這類陶器主要以白色的錫釉為底，並在釉上繪製各種彩色的圖案。在所謂的「埃及彩陶」出土後，科學家對於這類器物的製作過程感到好奇且進行分析，才發現「埃及彩陶」與義大利的彩陶，無論是原料或製作過程都不屬於同一類的工藝品。一般的釉陶是以陶土做為坯體，捏塑出器物的形狀並經過素燒、再進行上釉等裝飾的程序。但是，科學家進行化學分析後，發現埃及彩陶的坯體並不是一般的陶土 (含有氧化矽、氧化鋁、氧化鐵等主要成份), 而是幾乎由純石英砂 (氧化矽) 所組成，石英砂之間藉由細微玻璃相的存在彼此連接；埃及彩陶的釉的化學成份，也與傳統義大利彩陶的錫釉不同，主要的化學組成是氧化矽、氧化鈉、氧化鉀、氧化鈣與氧化銅。更有趣的是，科學家同時也發現當埃及人在製作這些器物時，器物的捏塑與上釉一氣呵成，並不像現在的製陶技術有多道程序。......【更多內容請閱讀科學月刊第 576 期】 | science |
一連串的意外驚喜──臺灣松露的發現與期許 | 松露，是一群地下真菌的統稱。這群真菌除了生長在地表下外，另一個重要特徵就是失去主動傳播孢子的能力。由於失去主動散佈孢子的能力，其子實體除靠自身溶解、就地傳播外，另一個傳播的方式就是藉著特殊的氣味來吸引動物取食，藉由取食動物進行遠距離傳播。符合這兩種特徵的真菌即是松露，以真菌分類學的角度來看，松露其實包含了三類群的真菌，分別是屬於擔子菌門的假松露、子囊菌門的真松露及結合菌門的豆松露。而經濟價值最高的松露就是真松露中素有「廚房中鑽石」稱號的塊菌 (Tuber spp.)。在臺灣，我們習慣將塊菌稱為松露，其實塊菌僅是松露這群真菌的其中一個部分。這種特殊的氣味除了吸引野生動物外，也吸引許多人的關注及喜愛，造就了松露非凡的經濟價值。最先開始是歐美民眾的最愛，但是隨著世界經濟的發展逐漸讓全世界的人開始認識松露並願意花高額代價來享受其美味。但是這類真菌除了滿足民眾的嗅覺及味蕾外，還附有高度的營養價值。另外，在生態角色上松露有其重要的功能，常常會和宿主樹木根系形成互利共生的菌根 (圖一、圖二)。宿主樹木提供松露生長所需要的營養物質，而松露菌絲則協助樹木根系的水分及礦物質養分的吸收，同時提供根系的保護，避免一些病原微生物的入侵，進而增加樹木對環境逆境及病害的抵抗力。這樣的能力對於生長在環境優渥的樹木而言可能助益不大，例如農地造林。但是，對於生長在惡劣地形或是土壤貧瘠環境的樹木來說，外生菌根對其生長及存活的幫助就非常大了。我們團隊對於松露的研究起源於科技計畫 ——「松露產業化的研究」, 所賦予的任務。計畫進行之初，我們試圖 在 1989 年由臺灣大學森林系胡弘道教授在臺大實驗林建置完成、亞洲第一個塊菌的人工造林基地內進行本土塊菌的採集工作。此塊造林地是利用石灰進行林地土壤的改良工作，並種植人工接種臺灣塊菌 (Tuber formosanum Hu) 之青剛櫟菌根苗，塊菌人工造林地設置完成後，持續進行造林撫育 8 年，包含一般的造林撫育工作及持續地添加石灰進行土壤改良。在 1996 年 12 月開始有少量的臺灣塊菌子實體被採收，1997 年 1 月在該造林地內 30 棵青剛櫟塊菌菌根化的樹下採集到 10 公斤的塊菌子實體。 陸陸續續這幾年還可以在該人工造林地內採集到塊菌子實體。可惜後來沒有進行經營管理，加上多年來掠奪式的根圈土壤刨挖採集，已很難挖掘到臺灣塊菌。此外，這塊造林地也是臺灣另一種黑塊菌 —— 屑塊菌 (T. furfuraceum Hu & Wang) 的發現地，推測可能是當年收集到用來製 造孢子懸浮液的臺灣塊菌子實體夾雜著屑塊菌的子實體，以至於這世界新種的屑塊菌可以在該人工造林地中被意外採集到，2009 年被正式命名發表。由於數次的調查並未採集到臺灣塊菌的標本，我們透過祈偉廉教授代為訓練的塊菌偵測犬進行偵測，2015 年該區造林地除了事先埋入塊菌的區域外，其他地區並無塊菌的反應。在沒有尋獲臺灣原產塊菌的情形下，我們很好奇並努力去追溯臺灣最早發現塊菌的地點、發現者及臺灣塊菌被發現的原因，發覺原來臺灣塊菌的發現是源自於一場意外。1987 年 10 月，當時任職於林業試驗所的周文能先生前往東埔地區，進入八通關古道進行 松茸的調查及研究，於當年 10 月 30 日返途，在東埔八 通關古道旁吃完中餐後，福至心靈地走到前面一棵青剛櫟前方，用他挖掘松茸的工具在樹下試探性地挖一挖，就挖出臺灣第一顆黑塊菌，也就是後來被命名為臺灣塊菌的黑松露。於是我們請周文能先生帶領我們前往他第一次無意間挖掘到黑塊菌的位置，很幸運的，經歷 30 年的時間，我們在周文能先生第一次挖掘出臺灣塊菌的地方再次挖出 2 顆成熟的臺灣塊菌子實體。......【更多內容請閱讀科學月刊第 576 期】 | science |
難以捉摸的馬約拉納費米子 | 於今 (2017) 年 7 月底時，多家媒體大幅報導，以華裔科學家領導的團隊發現了被稱為「天使粒子」之馬約拉納費米子 (Majorana Fermion) 存在的證據，這項工作發表在 7 月份的 Science 期刊，聲稱解決了困擾物理學界整整 80 年的難題。這個被稱為「天使粒子」的馬約拉納費米過去一直被認為是個令人難以捉摸、偵測不到的神秘粒子。要了解發現它 的重要性則必須從量子力學奠定者之一的狄拉克 (Paul Dirac) 在 1928 年所提出奠定相對性量子力學之基礎開始說起。為了將相對論效應引入描述電子的量子行為，狄拉克成功的寫下描述電子的對論性波動方程式──狄拉克方程式，此方程式很自然的解釋了電子的自旋。但由於在相對論中，正能量與負能量一定同時出現，為了解決負能量的問題，不讓電子躍遷到負能量造成物質的崩潰，狄拉克假設真空中的負能量狀態完全填滿 (稱為狄拉克之海), 並且詮釋填滿電子的真空中若有空缺，可視為一帶正電的粒子，當它與電子結合時，正如在一般原子中電子可由高能階躍遷到低能階發出光子一樣，電子可躍遷回到負能量的空缺，整體的結果相當於電子與此帶正電的粒子 互相消滅產生 γ 射線，如圖一所示。正電子於 1932 年由安德森 (Carl Anderson) 在宇宙射線中觀察到而證實，而被稱為電子的反粒子。狄拉克之海的解釋在觀念上有許多困難，特別是電子帶負電，填滿電子的真空帶著無限大的電荷與事實不合。雖然之後經過現代的量子場論中，以量子多質點系統的角度做了正確的詮釋，但狄拉克預測電子的反粒子──正電子──的存在仍是正確的，且具有深遠的影響，成為基本粒子的一個基本性質，即任何基本粒子都有其反粒子，粒子與反粒子結合可放出光子。我們所熟悉的古典波動方程式則與量子力學波函數不同，都是實數方程式，例如，描述電磁波的馬克威爾方程式即是描述電場與磁場的實數方程式，而描述重力波的方程式也是實數，這類用以傳遞交互作用的波動方程式，在量子化後所對應到的粒子 (如光子、引力子), 具有整數的自旋且自己即為自己的反粒子。而另外一方面，對自旋半整數的粒子 (如電子), 波函數是複數似乎是不可避免的，這包括非相對性的薛丁格方程式與狄拉克所方程式，因此，這些方程式所描述的粒子有不同於自己的反粒子。這個認知在 7 年後，即 80 年前 (1937 年), 因義大利理論物理學家馬約拉納 (Ettore Majorana) 發表一篇論文而改變。在這篇論文中，馬約拉納對於自旋 1/2 的粒子的反粒子是否一定不同於自己，提出了他的看法，他指出只要對狄拉克方程式做簡單的修改就可以得到一個實數方程式，可以描述中性 (不帶電荷) 自旋 1/2 粒子，而滿足這一方程的粒子即為自身的反粒子。因此馬約拉納的研究說明了自旋 1/2 的粒子為自己的反粒子，並不違背量子力學及相對論的一般原理，而為了推崇馬約拉納費的貢獻，之後這個假想粒子就被稱為「馬約拉納費米子」。雖然馬約拉納費米子的存在並不違背量子力學及相對論的一般原理，然而到底有無真實的基本粒子是馬約拉納費米子呢？這個問題在過去反覆地被討論與找尋，一直沒有明確的答案，因此，馬約拉納費米子又常常被稱為難以捉摸的馬約拉納費米子 (elusive Majorana Fermion)。在基本粒子中，馬約拉納當時認為微中子是可能的候選粒子，但當時微中子本身也是個假想粒子，實驗上還未被發現，所以無法確定，直到 1956 年微中子被發現後，陸陸續續才發現它的性質似乎不符合馬約拉納費米子的要求。明確來說，過去的實驗上發現有三代輕子：電子與電子微中子 (e- 與 νe)......【更多內容請閱讀科學月刊第 576 期】 | science |
凱撒密碼的約會 | 小康按捺著七上八下的心緒坐定在書桌前，再次確定室友們不在，才鼓起勇氣拆開手上的信封。他很清楚是誰寄來的，這是他給安安邀請函時附上的回郵信封。新生茶會中小康就注意到安安了，同班 2 年下來兩人就像兩條平行線，一個安靜規矩、上課謹守學生本分；一個好動不受約束，能不坐在教室內絕不委屈自己。要不是畢業在即，小康不會主動出擊。他甚至因為安安而選修了門不是很營養的課，而且難得翹課。打開雪白的信紙，內容讓人宛如二丈金剛摸不著頭腦。這是什麼？一個 8x8 的方格，上面寫滿不撘嘎的英文字母 (圖一)。盯著方格，腦中浮出安安教室中安靜的身影以及望向教室前方堅定的眼神，一個模糊的影像彷若浮水印般出現在這個畫面中。「我看過這個方格，在教室中，那⋯⋯一定是上課的時候，我們一起修的課⋯⋯」突然佩服起自己的推理能力，小康點進學校的教學平台，下載這門課老師提供的教材。哇！有好幾個檔案。不知道這個方格出現在哪裡？只好從頭開始。人類歷史數千年來，不論是一國之君或軍隊的將領，都需要一套有效率的通訊方法來治理國家或是指揮軍隊。當然，他們也知道當我方的信息落入敵國或是反對陣營時，將會導致嚴重的後果。為了保護這些秘密信息，他們都會成立一個專門的部門，設計特殊的密碼系統來確保通訊安全。相對的，也用以破解敵方的秘密信息，偷取敵方機密。綜觀密碼學的歷史，可說是場歷時千年的編碼者與解碼者的戰爭，這些戰爭是一場場影響著歷史的知識競賽。在相互攻防的拉鋸戰中，雙方都廣泛援引各門學科的知識與技術，從語言學到數學，從資訊理論到量子論。而他們的工作也刺激並加速了新科技的發展。所謂密碼學 (Cryptography), 研究的是如何隱匿祕密訊息 (編碼) 與破解刺探敵方信息 (解碼) 的學問。密碼學中編碼者與解碼者為對立的兩造，有人將之對比成病毒與疫苗間的關係。新的密碼系統 (病毒) 會不斷受到解碼者 (疫苗) 的攻擊，一旦密碼系統被破解，這類系統 (病毒) 就失去其作用。然而，病毒被消滅了，疫苗也就沒有了存在的價值，直到新的病毒 (密碼系統) 產生，自然開始有人研發新的疫苗 (解碼方法)。這兩造間就這樣對立、交纏了數千年。為隱匿「祕密訊息本身的意義」, 而不隱藏「傳送的動作」, 所發展出的方法簡稱做密碼法。大致分成「位移法」與「替代法」兩大類。......【更多內容請閱讀科學月刊第 576 期】 | science |
重力波獨白落幕 多角觀測閃亮登場 | 一如許多人事前的預期，重力波研究毫無懸念的拿下了今年的諾貝爾物理獎 (參閱《科學月刊》本期諾貝爾物理獎介紹)。然而，要讓大多數圈外人相信這些臂長 3、4 公里的雷射干涉儀可以分辨出信號振幅只有質子大小千分之一，而且還是來自十幾億光年的外太空、連天文學家都未能預見的大型星球質量雙黑洞碰撞，其實是有些難度。得獎恭賀之聲尚未稍歇，美國國家科學基金會 (National Science Foundation, NSF) 10 月 16 日在華府與重力波研究團隊，包含美國的 LIGO 計畫和 8 月初才加入聯合觀測的歐洲 Virgo 干涉儀，以及代表全球 70 多個天文台的科學家們大陣仗的召開記者會，宣布了第 5 個重力波 事件 GW170817 同時也是伽瑪射線爆 GRB 170817A 的相關研究。這是人類首度透過各個電磁波段確認重力波來源，並詳細觀測爆發後的餘暉 (afterglow), 推斷是來自長蛇座方向距離我們 1.3 億光年 NGC 4993 星系內兩顆中子星相互碰撞的結果。碰撞不僅實際上使全球振動，也讓許多地面和軌道上的大望遠鏡轉向同樣的目標。這原因當然不只是為了再次驗證愛因斯坦相對論的成功而已。伽瑪射線爆 (gamma-ray burst, GRB) 是冷戰時期美國衛星為了監測前蘇聯的核子試爆活動意外發現的。這類天體的高能輻射爆發時間只有幾秒鐘，每年可偵測到上百次，遍布全天空，幾乎不重覆發生且無法預測，研究困難進展 緩慢。部份的 GRB 爆發後在波長較長的電磁波段可以觀測到餘暉，亮度衰減幾小時或幾天之後就很難看見。GRB 爆發時的光度比超新星還亮，是人類肉眼可能看到的最遙遠的天體 (例如 GRB 080319B)。不過，一般認為這瞬間的高能輻射應該像燈塔一樣，只集中在特定的方向。統計發現，依照爆發時間長短和伽瑪射線頻譜分布可以將 GRB 分成長、短兩種。透過其他間接的證據，天文學家長久以來就懷疑雙中子星合併是某些短 GRB (short GRB) 的前身，一夜之間得到證實。雙中子星系統經由重力波輻射損失能量，和脈衝雙星的軌道衰減觀測吻合，不僅是重力波存在的間接證據 (1993 年諾貝爾物理獎), 也是 LIGO 計畫最初就鎖定的觀測目標之一。雖然雙中子星質量較小，GW170817 卻是 5 次事件中信號 (信噪比) 最強的，合併前 100 秒內的周期變化清晰可辨；它和我們的距離不到前幾次雙黑洞系統的十分之一，同時也是少數已測得距離的短 GRB 中最近的一個。GRB 的餘暉和爆發後的產物或周遭的星際介質有關。科 學家並不預期雙黑洞合併會放出強烈的電磁波。9 月底才 剛發布了第 4 次重力波事件 GW170814 的研究結果，眾多大小望遠鏡搜尋仍一無所獲。但是中子星不同，它比較像是一個如臺北市般大小，質量卻比太陽稍大的巨大原子核。每立方公分的中子星物質比全人類體重加起來還多。當中子星碰撞合併，無可避免的會有些物質被釋放或噴發出來，這過程比單純的雙黑洞合併還要複雜。一般人很少在意周期表上各種元素的含量和起源。當代科學認為，宇宙誕生不到半小時就產生了大部分的氫和氦，接著透過恆星內部的核融合反應生成碳、氮、氧等元素。也就是說，你、我、乃至身邊草木玩物的每一顆原子都曾經是漂浮在銀河星際的星塵！比鐵重的原子核融合會吸收能量，需要經由一些特別的核子反應才有可能，容易克服原子核靜電斥力的中子扮演著重要角色。重原子核 (例如鐵) 以快慢不同的速率吸收中子，經過系列衰變後會產生 原子序更高的特定穩定核種。自由中子的半衰期不到 15 分鐘，不穩定的核種也依照長短不同的速率衰變。就像核子反應爐的燃料棒加熱爐心周遭，隨著超新星或中子星碰撞噴發物逐漸消散，透過模擬與計算可以預估、比對爆發後幾天或幾周從紫外光到紅外光的光度變化。超新星的研究歷史較久，對應中子星系統的「巨新星 (macronova)」或「千新星 (kilonova)」不僅理論變數多，觀測樣本也少。千新星之名意謂著預期光度是典型新星的千倍。新星是密近雙星系統中緻密天體 (通常是白矮星) 吸積物質而產生星球表面的熱核爆炸，瞬間光度約為太陽的 10 萬倍左右；超新星則是整顆星球爆炸，最亮時可和全星系千億顆恆星相匹敵。兩者顯然有些差距。這次事件，重力波觀測隱含了質量、自旋與軌道角動量以及可能存在的潮汐形變等資訊，加上光學望遠鏡觀測放射性物質的衰變、運動、輻射傳輸等特性，讓我們瞥見如黃金和鑭系、錒系元素的誕生。婚禮上新人穿戴的飾品背後，很可能有段轟轟烈烈的故事啊！中子星表面及外層的結構可以透過核子物理來理解，但是核心處於極端物理條件下的那團夸克膠子電漿卻無法在實驗室驗證。忽略磁場和對流，中學生可以用理想氣體定律來建造一個簡單的太陽模型。這定律就是一組狀態方程式 (equation of state), 由物質的基本特性來決定諸如溫度、壓力、體積等狀態變數之間的關係。不同的關係求出的中子星質量、大小、形變也有差異。中子星大小有所不同，但是狀態方程式和物理基礎應該相同。預期未來更多中子星系統的精密分析，或可解決這重要的問題。重力波訊號隨著距離衰減，就像遙遠的標準燭光，是一把新的量天尺，一口氣跨到 1 億光年之外。配合望遠鏡同時觀測到的遙遠星系，可以測量宇宙膨脹。近年宇宙論學者希望能將哈柏常數的精確度推進到 1%, 不同方法得到的數字卻有些出入，不難預見更多的重力波同步偵測將會提供另一種獨立的觀點。另一方面，謎樣的暗物質與暗能量和其他重力理論的關係也再次受到嚴格檢視。在中子星合併的重力波訊號 1.7 秒之後，衛星才接收到伽瑪射線 (和距離 1.3 億光年相對比，精確度高過 10-15)。雖然伽瑪射線的發射機制仍有待釐清，這時間差本身的意義也有待更多的類似事件來說明，任何嘗試修正的重力理論都必須正視這樣的精確結果。重力波與各電磁波波段的多角觀測，一如預期的開啟了多元訊息天文學 (multi-messenger astronomy) 的新時代。除了順風耳和千里眼，微中子和宇宙線偵測也可望在不久的將來讓我們「聞到」來自外太空的不同風味。NSF 資助重力波研究 40 多年，連同早年的干涉儀原型，總耗費將近 11 億美元，LIGO 計畫一路走來不能算是一帆風順。然而，在確立計畫走向正確的科學目標、雷射等相關技術工藝的成熟、釐清良好有效的計畫管理、滿足目標願景的經費規畫，重力波計畫在科學上的成功，使得一切風風雨雨都只能算是大歷史的花邊新聞。GW170817 不只為天文物理研究新添上一塊里程碑，它是解答許多問題的羅塞塔石碑，而我們只看到了冰山的一角，新的時代才剛剛開始呢！延伸閱讀 1. Abbott, B. P. et al., GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral, Phys. Rev. Lett., 119, 161101, 2017.2. Metzger, B. D., Kilonovae, Living Rev. Relativ, 20, 3, 2017.3.National Research Council., Setting Priorities for Large Research Facility Projects Supported by the National Science Foundation, Washington, DC: The National Academies Press, 2004. | science |
出生季節、相對環境與疾病風險 | 影響人體健康與否的因素有許多種，科學家透過越來越多的研究顯示，在母親懷孕與幼兒時期所接觸到的環境，會影響成年之後的健康。哥倫比亞大學醫學中心研究團隊透過分析健康紀錄，發現在某些季節或環境出生的嬰兒，在未來的人生中可能與某些疾病風險有所關聯。2015 年，賓夕法尼亞大學 (University of Pennsylvania) 的研究團隊分析了紐約 170 萬名患者的健康紀錄，嘗試尋找出生月份與疾病風險的關係，發現在 7 月和 10 出生的嬰兒患哮喘的風險最高。不過，這項研究沒有表明是什麼因素造成後代患病的風險。因此，這項新研究涵蓋美國、臺灣與韓國，共 1050 萬人的健康紀錄，希望透過不同的氣候與季節性來找出關聯性。研究結果發現，在 12~3 月期間出生的嬰兒，因陽光最為稀少，未來患第二型糖尿病的風險增加。若在懷孕初期 (前 3 個月) 遇上空氣中的微粒增加，像是夏季時空汙嚴重的紐約，則會增加異常心律的風險；而同樣是懷孕初期接受到較高劑量的一氧化碳，則抑鬱或焦慮的風險會增加。研究人員表示，藉由找出之間關聯性，未來就有可能找到預防疾病的方法。Mary Regina Boland et al., Uncovering exposures responsible for birth season—disease effects: a global study, Journal of the American Medical Informatics Association, 2017. | science |
傷口癒合速度 白天晚上大不同 | 生物除了大腦可控制其生理時鐘外，各器官也有自己的生理時鐘。由英國劍橋大學醫學研究委員會分子生物學實驗室生物學家奧尼爾 (John O'Neill) 領導的研究團隊，研究具有獨立生理時鐘的纖維母細胞 (fibroblast, 傷口癒合所需的細胞), 意外發現白天造成的傷口癒合速度比晚上所造成的要快。研究人員首先在培養皿中觀察細胞復原速 度，發現白天造成的傷口明顯較夜晚傷口癒合的要快。研究人員進一步利用小鼠實 驗，傷口癒合的速度，亦與培養皿中實驗相同，在小鼠清醒時受傷的傷口癒合得比比休息時間癒合快的多。奧尼爾為了確認在人體上是否也有到此現象，他們分析國際燒傷數據庫 (International Burn Injury Database) 內的資料，發現夜晚灼傷的傷口平均比白天灼傷的傷口，癒合時間長了 11 天。研究團隊推測，因生物在清醒時需四處活動，受傷機率較大，這也許是演化適應的結果。奧尼爾表示，需進一步進行臨床實驗確認此效應，若為真實存在現象，未來將能協助人們安排手術時間，幫助病人手術傷口更快速恢復。Nathaniel P. H. et al., Circadian actin dynamics drive rhythmic fibroblast mobilization during wound healing, Science Translational Medicine, Vol. 9, 2017. | science |
土衛六泰坦南極的有毒冰雲 | 美國航太總署 (NASA) 分析 2015 年卡西尼太空船上的紅外線光譜儀 (Composite Infrared Spectrometer, CIRS) 蒐集的資料後，於土衛六泰坦 (Titan) 南極上空束狀雲中找到有毒冰雲 (noxious ice cloud) 存在的證據，這項發現將供予科學家深入研究泰坦大氣中複雜的化學反應。NASA 戈達德太空飛行中心 (Goddard Space Flight Center) 的研究人員安德森 (Carrie Anderson) 表示，這顆雲位於距泰坦表面 160~210 公里的高空，且其覆蓋範圍為南緯 75~85 度，其中由兩種分子濃縮氣混合而成。由於光譜無法使這顆雲與任何單一化學分子匹配，研究團隊進一步模擬泰坦環境、凝結氣體後，認為氣體成分為氰化氫 (hydrogen cyanide) 與苯的可能性最高，而苯本身不具有獨特遠紅外線指紋 (far-infrared fingerprint), 但研究團隊表示當其與氰化氫共同凝結 (co-condense) 時，出現的遠紅外線指紋與卡西尼號蒐集到的資料相匹配。因泰坦全球環流模式，兩極夏冬輪替，處於夏季的極區，會送一股暖流到另一冬季極區，因此只要位於冬季的極區，即會有雲層堆積現象。而安德森與其合作研究團隊過去曾利用 2005 年卡西尼太空船上的紅外線光譜儀蒐集的資料，於北極區發現類似的雲塊，高度低於 150 公里。因不同類型的氣體，會在不同高度凝結成冰 雲，當時安德森確認該雲是由氰化氫與氰乙炔 (cyanoacetylene) 組成。安德森推測兩次觀察到雲的差異 (高度與組成物) 主要歸結於南北極氣候變化，因 2005 年北極發現的雲是在北半球冬至之後，而這次的觀察則是在南半球冬至之前，可能由 於溫度變化導致雲的狀態不同，然研究團隊亦推測也有可能是因為混合氣體不同導致，或兩種原因皆是，關於泰坦複雜氣候系統還需更深入的研究。NASA, NASA Team Finds Noxious Ice Cloud on Saturn’s Moon Titan, 2017/10/19. | science |
美國政府准許「殺手蚊」 出關征戰、抵禦病媒蚊 | 美國環境保護局 (The Us Environmental Protection Agency, EPA) 日前准許以常見細菌剷除帶有如登革熱、黃熱病與茲卡等病毒的病媒蚊。新創生技公司「抗蚊者 (MosquitoMate)」藉帶沃爾巴氏菌 (Wolbachia pipientis) 的實驗蚊抵禦白線斑蚊，馬里蘭大學 (the University of Maryland) 昆蟲學家柏克塔 (David O’Brochta) 也指出，整個過程不使用化學製劑。起初 EPA 認為肯塔基、紐約與加利福尼亞等地有著相似的溫度與降雨情形，且其產品功效亦受到檢驗，然美國東南部的蚊蟲聚集地並未受過測試，故限制其產品 ZAP males 於美國 20 州與華盛頓特區發佈。抗蚊者自此以列克星敦為中心，將蚊蟲擴至鄰近城市，並與當地屋主、高爾夫球場、旅館等地合作部屬戰線。此舉剿滅病媒蚊的機制是什麼？抗蚊者於實驗室豢養受沃爾巴氏菌感染的白線斑蚊，在成蛹階段從中按大小獨立出不咬人的雄蚊並使其與野生雌蚊交配、誕下染色體異常而無法孵化的幼卵。抗蚊者創辦人道普森 (Stephen Dobson) 表示，隨時間推移、白線斑蚊的蟲害減少，而其他蚊種並未受到影響。類似的方法近年也在巴西被使用，由英國歐希鐵公司 (Oxitec) 開發基改埃及斑蚊，以對抗帶有可造成小頭症 (microcephaly) 等出生缺陷病毒的白線斑蚊，爾後歐希鐵欲於美國測試其基改蚊功效，因佛羅里達群島社群反對受阻。另方面，抗蚊者於佛州群島、弗蘭斯諾與加州等地低調測試其實驗蚊，EPA 雖收到幾則評論，然大部分都是正向回饋，而道普森也希望未來能向 EPA 申請許可、將這些「戰士」們送往世界各地，殲滅病蟲害。US government approves 'killer' mosquitoes to fight disease, Nature News, 2017. | science |
凝視指紋 另一種遺傳特徵的表現 | 小嬰兒初步探索世界時，因其尚未能爬行或伸手取物，視覺的角色便相對重要。 印第安那大學心理與腦科學系助理教授甘迺迪 (Daniel P. Kennedy) 表示，過往主流研究範疇多為驅動注意力的眼球動作特徵，本次研究則欲瞭解個體間的差異、以及遺傳上的影響。另一位該系教授多諾弗里歐 (Brian M. D’Onofrio) 偕同甘迺迪，以不同的觀點切入神經發展 (neurodevelopmental) 問題，將個體行為評估與基因及環境對性狀影響的實驗方法作對比。其研究對象包含 119 對同卵及 114 對異 卵雙胞胎，且年介 9~14 歲。研究者向孩童展示日常生活快照，其中一半是有人像的，並以眼球動作追蹤器捕捉孩童觀看的時空順序、進而分析其觀看的趨勢，如：只鎖定一兩個目標來看。研究結果發現，同卵雙胞胎的凝視模式 (gaze pattern) 具很大的相似性，不僅會注意相同的事、且觀看順序也一樣；異卵雙胞胎這方面的連結雖稍弱，卻仍具顯著關聯。這表示個體對環境的視覺探索方式有其遺傳組成，據此更可藉相似的凝視模式在毫不相干的一群人裡找出其手足，彷彿凝視也有「指紋」。甘迺迪表示人類的眼球以約每秒 3 次的頻率運動，而人們也總在搜尋新資訊、積極與外在環境互動，最終其注視內容將影響未來發展。研究亦表明兒童早期視覺訊息的即時選擇，可使個體創造環境、型塑視覺體驗，而基因的微觀影響如是。多諾弗里歐也提到，這不僅是一個統計結果，更是人們看待影像的一種「基因診斷」。Daniel P. Kennedy et al., Genetic Influence on Eye Movements to Complex Scenes at Short Timescales, Current Biology, 2017. | science |
旱後母親 復育矮松的微型氣候區 | 微型氣候 (microclimate) 是一種於大型氣候內發現的局部氣候特徵，與周遭氣候環境有所差異；但這些差異有時卻扶持植物生長，矮松 (pinyon pine tree) 就是一例。矮松通常扮演控制水量與能量波動的角色，甚至長期產出可製作香蒜的松果，然近年美國西南方旱災造成無數矮松死亡。科羅拉多大學助理教授雷德蒙 (Miranda Redmond) 與他的團隊研究於 2002~2004 年災後矮松下一代的復甦情形，這些矮松 復原能力差異大、研究推論矮松需佐以特 定條件，才能促進幼苗與小樹生長。研究團隊於科羅拉多、新墨西哥與亞利桑那州栽植總量約 5000 平方英里的矮松，根據其生根之海拔與土壤梯度、採樣，找出加總超過 5 萬平方英里區域內最適合生長的地方。團隊最終彙整幾個對矮松最有利的生長條件，包括濕冷氣候、高水土容積、樹棚 (canopy) 遮蔽、具從旱災倖存的年輕小樹與含大量種子的成樹且數量充足，其中最關鍵的就是樹木的「蔽蔭」, 因其可降低土壤溫度、並維持環境的濕度，然而在災害過後，大量較高大的矮松死亡、也造成這種遮蔽的區域大幅減少。研究亦發現，樹棚會使向陽植被與杜松 (juniper) 將其觸角延伸至矮松復育的地點，這些植物比矮松更能適應乾熱環境，將不利於矮松生長，然現存的微型氣候仍能協助矮松克服這些困難、擊退勁敵。近年旱災只是暖化氣候對松木生態系統砍下的第一刀，隨時間流逝、團隊仍難以預測這些復育區是否會再次縮減。雷德蒙表示，這波暖化的潮流亦可能減少矮松賴以為生的微型氣候區，使得美國西南方的生態系統將被迫面臨嚴重的植被轉移，而旱後復育的「基地」也會蕩然無存。Miranda D. Redmond et al., Woodland resilience to regional drought: Dominant controls on tree regeneration following overstorey mortality,Journal of Ecology, 2017. | science |
「不得安寧」的世界 人類、昆蟲、塑膠都一樣? | 評論物理》(Physical Review Letters) 近期發佈了第一個有關動力學實踐的實驗。埃默里大學 (Emory University) 物理系助理教授波頓 (Justin Burton) 發現，最簡單的物理系統在穩定環境中也能有持續改變的「行為」, 而起初他們並未預期到這種複雜的特質出現。波頓以極小的塑膠顆粒為素材，研究更複雜的系統，並將其封存於電離氬氣 (ionized argon gas) 裡，透過氣壓改變、 研究粒子在這個穩定空間中興奮與自在流動的現象。而如今的發現始於波頓學生哥奇亞 (Guram Guga Gogia) 的一次實驗，他將粒子「浸潤」在電漿 (plasma) 中並震盪擺動，試圖降低真空室裡電漿的氣壓，好讓粒子優遊自在地移動，然而卻發現粒子的移動有些奇怪。當時間過去 10~60 秒，各處粒子便會在剛性結構 (rigid structure) 與氣體狀態間來回轉換。研究者這樣形容：想像室溫下一盤冰塊隨時間慢慢融化，這很稀鬆平常；然而隨時間過去，冰塊又開始結冰、 融化，然後結冰，這就有點令人驚訝了。波頓也發現，單一粒子無法恣意在固液體間隨意轉換，然聚集一定數量 (至少 40 個) 後便開始不一樣了。系統內的轉換現象恐怕比我們想得都要廣大，無論什麼樣的存在、好像都會有這種特性。波頓認為在某部分的物質世界裡，這種轉換的「開關」是常態，無論天氣變化、或是人類的腦神經，沒有什麼可以好好靜下來，接下來就必須瞭解系統開關是怎麼運作的。Guram Gogia and Justin C. Burton, Emergent Bistability and Switching in a Nonequilibrium Crystal, Physical Review Letters, Vol.119 :17, 2017. | science |
漫步紫色藥庫──薰衣草的暖心撫觸 | 古法文中的「lavandre」普遍被認為是薰衣草 (lavender) 英文的由來，而究其根源其實來自拉丁文中的「lavare」, 這個字有「清洗」的意思。紫色是薰衣草的花色，在七脈輪 (chakras) 中與代表著高遠目標及精神連通的頂輪 (crown chakra) 相連結，這也與薰衣草的治癒特性相吻。各國的薰衣草花語也不出純潔、寧靜與忠誠等詞彙，甚至在科學研究中、其藥用潛能更使其頭銜更顯名副其實...... 筆者憶及國小一二年級，當時正值 8、90 年代交界，各式手搖飲、果汁店大肆席捲 全台，走在市場裡無不人手一杯。除了老掉牙的紅綠茶、奶茶等基本款，也開始出現一些新奇的菜色，「薰衣草奶茶」即是其中一種。第一次喝到這個新奇的飲料，我其實面露難色 (想必化學味是真的很重啊......), 那時並未真正認識薰衣草，只覺一股苦澀又令人頭暈目眩的力量卡在喉頭、直衝腦門，好不噁心。大概如苦瓜、 茄子等輩，它們所散發的「特別」到了長大以後才逐漸為我適應、喜愛。開始對薰衣草有所研究，是在大四那年修了別系開設的「芳香治療」, 初聞真正薰衣草 (Lanvandula angustifolia) 精油時內心之瘋狂:「這個味道雖然『音階』 很高，卻好像曬後的暖被般，有一種被輕輕擁抱的感覺。」而那時對薰衣草的深刻印象也來自老師引介的芳香治療 (Aromatherapy) 演進史，在 1920 年代、 法國粧品科學家賈特佛榭 (René-Maurice Gattefossé) 在一次實驗中意外灼傷他的手，情急之下便將雙手浸潤於薰衣草精油中、發現疼痛消除之餘、其後也未留下瘡疤，並於往後幾年正式提出芳香治療的概念，而我也開始對這種「療癒系」 的植物越發著迷。真正接觸薰衣草本人是在大五那年，有天騎經一家園藝店、突然想起老師曾說過薰衣草的氣味可以拿來驅蚊，便走進去探詢一番。老闆說店裡只有西班牙薰衣草 (Lavandula stoechas), 並表示這在臺灣也是常見的品種。西班牙薰衣草是小型 的芳香常綠灌木 (evergreen shrub), 其飛羽般的窄葉穗然交雜其中，而它的開花 季節約在春夏末之際，喜乾爽且排水良好的土壤環境、加諸微微日光淋浴，通常是可以長得不錯的。除了西班牙薰衣草外，臺灣常見的品種亦有甜薰衣草、齒葉薰衣草 (Lavandula dentata) 與羽葉薰衣草 (Lavandula pinnata) 等，而薰衣草按其葉片特徵，又可粗略分為安神鎮靜的「窄葉」及提振精神的「寬葉」, 其中前者的作用較廣為人知。坊間多提倡薰衣草精油的舒緩、幫助傷口結痂、安眠與驅逐蚊蟲等功效，近年亦有研究表示其具有陣痛與減緩發炎等治癒潛力，甚至有報告指出薰衣草精油在亞油酸模型 (linoleic acid model system) 中展現抗氧化活性，以及對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌等鼻炎相關細菌有良好的抗菌效果。如此的歷史脈絡與臨床實證，都讓薰衣草成了花團錦簇中的治癒仙子，搭配溫煦又迷幻的花色以及特殊的花形，是兼具藥用與觀賞價值的植物。有機會不妨親身體驗一下薰衣草本人的魅力，它們跟賣場架上的芳香劑可是完全不一樣的存在啊！延伸閱讀 1. Gabriela L. Da Silva et al., Antioxidant, analgesic and anti-inflammatory effects of lavender essential oil, Anais da Academia Brasileira de Ciências, 87 (2 Suppl.): 1397-1408, 2015.2. Lu Hui et al.,Chemical composition of lavender essential oil and its antioxidant activity and inhibition against rhinitisrelated bacteria, African Journal of Microbiology Research, Vol. 4 (4): 309-313, 2010. | science |
科學之後是核平,還是和平? | 1945 年，2 顆原子彈無情的落下，不只換來軸心國的降服，同樣也震懾同盟國。而隨著時代的演變與科技的進步，使得更多國家擁有能力去建造出更多的核武器。不過，因著歷史的借鏡，讓縱使製造出核武的各國，不敢貿然躁進的使用，世界還尚存一息和平。然而，近期在國際間卻瀰漫著一絲火藥味，逐一蔓延開來。北韓在今 (2017) 年 9 月 3 日又再一次進行核試驗後，隨即進行一連串的導彈發射，並多次橫越鄰國日本北海道，使得日本政府緊急對多縣市發布防空警報，人民無不人心惶惶，國際也對於北韓的行為表示譴責。也因著核武、導彈等事件，讓美國總統川普 (Donald Trump) 與北韓領導人金正恩的衝突不斷，相互的隔空放話更是讓國際間緊張情勢逐漸升高。另一方面，2015 年伊朗與六國 (英國、德國、法國、 中國、俄羅斯、美國) 所簽訂的核武協議，也因中東間衝突不斷、讓美國主張伊朗政府為支持恐怖主義的幕後推手之下，此協議在今年也搖搖欲墜、充滿著不確定性。此起彼落的國際間大小衝突，每一步都可能成為核武戰爭的導火線。因此，每年 10 月份所頒發的諾貝爾獎，在陸續表揚各領域傑出的科學家後，今年，委員會對於和平獎的人選，最終選擇了一個非政府機構的全球公民社會聯盟 —— 國際廢除核武器運動 (International Campaign to Abolish Nuclear Weapons, ICAN)。即使擁有大部分核武的國家在 1968 年共同簽訂《核武禁擴條約》(Treaty on the Non-Proliferation of Nuclear Weapons, NPT), 承諾不再擴大核武的製造與開發，卻吝於放棄手上握有的核武。10 年前，背負著無核家園的夢想與任務，在少數私人資金的贊助下，此聯盟應運而生。ICAN 成立於澳洲的墨爾本，目前的總部則位在瑞士的日內瓦，多年來致力於反核運動，並嘗試說服各國放棄核武的使用並與多國簽訂《禁止核武器條約》 (Treaty on the Prohibition of Nuclear Weapons), 協議不論在任何情況下，為了人民的福祉，不發展、測試、製造 或持有核武器。目前已有 122 個國家共同簽訂，為核武的廢止不遺餘力。和平獎的頒發，旨在「為促進民族國家團結友好、取消或裁減軍備以及為和平會議的組織和宣傳盡到最大努力或作出最大貢獻的人」,ICAN 的獲獎也鼓舞著全世界廢核活動的推行。但，未來能否順利讓已擁著核武的國家簽訂條約進而放棄核武？世界各國陸續簽訂條約之後，在此消彼長中是否因而破壞國際間的平衡？人們對和平的期盼又該何去何從？延伸閱讀 國際廢除核武器運動:https://goo.gl/2MqjPC。 | science |
成大團隊研究綠能發展與生態保育之間的平衡榮獲國家地理學會肯定 | 【本刊訊】國家地理學會 (National Geographic Society), 為美國在 1988 年所創立的非營利科學與教育組織，除了為人所熟知的國家地理雜誌與國家地理頻道外，也積極對於國際性地理環境相關議題進行探討，更舉辦 National Geographic Explorers Global Grants, 期望能引領探討與解決全球面臨的關鍵議題。而近期，由成功大學水利與海洋工程學系王筱雯副教授所帶領的研究團隊，在綠能開發與環境永續發展之間的平衡中，提出能夠雙贏的可能性，而榮獲國家地理學會 2017 年 National Geographic Explorers Global Grants 得主之一。近年來全球皆積極發展綠色能源，因此臺灣政府也希望提高再生能源的利用，期望將廢曬鹽灘發展成地面型太陽光電的廠址，並鎖定臺南、嘉義地區約 770 公頃面積。不過，這項決定與環境保育產生衝突，許多人因而擔心會破壞生態環境並影響候鳥 (如黑面琵鷺) 的棲息地。有鑑於此，研究團隊提出一些替代場址的想法，包括鼓勵住家或工廠善用屋頂面積發展太陽光電；於水域設置漂浮式太陽能板；與加州柏克萊大學 (UC Berkeley) 共同提議創建太陽能光電塔，將原本平面的太陽能板立體化，架設在魚塭或農田。另外，該研究團隊也考慮運用臺鐵、高鐵沿線的上方空間，將其發展成為太陽光電的場址，希望能在不破壞棲地的前提下也能同時發展綠色能源。目前，研究團隊已設立一套集結政府、社區、學術三方共同參與的研究計畫。在政府方面，研究團隊不斷與政府部門溝通並協助瞭解將廢曬鹽灘地列為發展地面型太陽光電場址，對於濕地生態所帶來的衝擊。除此之外，也讓當地居民瞭解濕地的在地價值 (保育生態、發展特有產業提振經濟等); 並同時透過現地調查與實驗、數值模式應用、量化論述等客觀資料，與社區建立信賴關係。研究團隊強調濕地保育與開發不會是衝突與對立，在生態環境可承載的情況下，該環境可同時被開發。以現今的科技技術，是有機會讓地面型太陽光電場址的設置對水患防範、生態資源等的影響降到最低。而在獲得此項殊榮後，研究團隊未來 更馬不停蹄的持續至少 18 個月的相關影 像、文字紀錄，預定於 2018 年 7 月將完整 報告提交至國家地理學會。而這些資料將成為國家地理雜誌或國家地理頻道的報導素材，讓國際社會看見臺灣對於保護生態環境與發展綠色能源之間的經驗與努力。 | science |
埋下不設限的種子—蔡沛學專訪 | 在一個毛毛雨已漸歇、烏雲漸散的早晨，走在臺大的校園中，到處散落著此起彼落的吆喝聲，學長姐精神抖擻的為坐在台階上、那一個個懵懂又略顯緊張的神情展現出無比的熱情。不難得出今日是大學開學的第一天，迎新、團康，都是為了讓這群生澀的新鮮人能揮別高壓的高中生活，無縫接軌的適應新環境、新生活。走進獸醫一館，按圖索驥來到 3 樓的辦公室前，敲敲門後，前來應門的人，是往後 2 個小時中的訪談對象 —— 蔡沛學。走進蔡沛學辦公室，映入眼簾的是一面與此空間極為衝突的亮橘色牆，搶眼的佇立在辦公桌身後。帶上門後，眼睛卻隨即被門上的塗鴉所吸引，一顆精子在游泳，直接、卻也簡潔的讓人明瞭身處繁殖生理與細胞生物學實驗室。進到辦公室中，蔡沛學隨即熱情地招呼，從他臉上看不出剛去東京大學進行暑期客座教授一個月的疲憊，取而代之的是專業與自信的神情。寒暄過後，蔡沛學先是啜了一口咖啡後說:「我常覺得身為老師，這個身份除了做研究外，還有一個很重要的角色，就是你怎麼去影響你身邊的學生們，發表論文、做研究固然重要，不過對於學生而言，那些離他們都太遙遠，但透過不斷地交談，能讓很多事物與想法變得不一樣。」笑容滿溢的眼神中不難看出對教育的堅定。對於獸醫系，蔡沛學更是有深切的感觸與想法，「尤其在獸醫領域中，學生畢業後大多只想要開業，這是很可惜的事情，我覺得研究並不是每個人都可以做，需要有其天分，而那些有天份的學生，就在這個校園中；開業救的是眼前這隻動物，而研究影響的是整個系統，可能讓某一個疾病從此消失，造就一個更大的趨勢，這也是我不斷嘗試著從我所看到的角度，去影響學生的觀念，do something with great impact, rather than great incoming!(做一些對他人帶來好的影響的事勝過於有好的收入！)」大學畢業後出國念書、做研究，是蔡沛學進入中興獸醫系就讀後就打從心裡不變的初衷，縱使一開始是單純以賺取工讀金為由進入實驗室清掃狗舍。但待在實驗室的閒暇時刻，觀看學長姐所做的各種研究，都讓蔡沛學覺得有趣且新奇，也讓他一頭栽入獸醫的研究領域中。畢業後的他，即踏上前往荷蘭烏特列支大學 (Utrecht University) 的路程；而流行病學與經濟學碩士課程，是蔡沛學不願增加家裡負擔、評估過後的選擇。「荷蘭的碩士課程跟臺灣不太一樣，在臺灣是考上之後直接找有興趣的老師，以老師的實驗方向為主；在荷蘭是選擇不同類型的課程，像獸醫方面，可能有病理課程、實驗動物課程或流行病學與經濟課程等，碩士 期間有 80% 在上課，其餘 20% 的時 間是自由的，是否進實驗室則為額外的選擇。」......【更多內容請閱讀科學月刊第 577 期】 | science |
有機廢棄物再利用及快速處理技術之發展 | 農業、畜牧業、食品加工業、釀酒工廠等產出之廢棄物量甚鉅，若未採取適當處理常會造成環境的危害，如臭味、土壤及地下水的污染等，及對人畜安全的威脅。有機廢棄物含水量相對較高，若以焚化或掩埋方式處理，需土地和資金的大量投入且效果不彰，更可能因而降低焚化爐及掩埋場之壽命。現今原物料高漲，全球暖化威脅日益嚴重，故將有機廢棄物予以資源化是當今解決環保問題的重要對策。有機廢棄物，顧名思義即為含有機質的廢棄物，包括禽畜糞、廢矽藻土、食品加工污泥、釀酒污泥、農業污泥、動物性殘渣及植物性殘渣等。以臺灣而言，主要以畜牧廢棄物、農業廢棄物、食品廢棄物為大宗。1. 畜牧廢棄物：包括動物排泄物、動物屍體、剩餘飼料和墊料。一般而言，禽畜糞若未經適當處理而直接施用，其所含之病原菌及無機鹽類可能會對作物造成危害，同時也會產生含硫化合物及氨等 氣體，其臭味亦會污染環境。2. 農業廢棄物：(1) 農產廢棄物：如穀類廢棄物，特用作物廢棄物如 蔗渣、蔗葉等；蔬果廢棄物，食品工廠廢棄物如農產、水產及禽畜加工之廢棄物等；菇類培殖廢棄包及樹皮、庭園及行道樹等廢棄物。(2) 農業資材廢棄物：主要為用過之肥料袋、育苗袋 (盤)、 廢農藥廢容器及一些被覆資材如 PE 膜、PVC 膜、遮蔭網等，除部份為玻璃產品外，大多為不易腐爛及分解者。一般而言，農業資材廢棄物不得作為有機質肥料之原料。以往農民將這些不可食部份或副產品的 農業廢棄物作為飼養家禽、家畜之飼料，或直接施用或經堆肥化後施用於農地，以供來年作物養分之用。由於部份廢棄物物質之水分含量太高，且易腐敗，需適當處理方不致造成環境的污染。3. 食品廢棄物：包含食品工廠的食品廢棄物、市集每日產生的食品廢棄物、學校及餐廳衍生的廚餘及家庭廚餘，其中又以家庭廚餘為最大宗。一般食品廢棄物含水率較高及熱值低，不適用焚化處理；又因廚餘易腐壞、產生臭味及滲出水污染問題，亦不適用於掩埋處理，製成堆肥或加熱後作為飼料為最常見的處理方式。以禽畜糞為例，依飼養之家禽及家畜的種類不同，飼料中所含之氮約 70~80%, 所含磷酐 (P2O5) 約 60~85% 和約 80~90% 的氧化鉀 (K2O) 會隨糞 便排出體外，故禽畜糞含作物生長所需的氮、磷、鉀、其他養分要素及有機質，所以可作為有機質肥料的原料。許多無害之農畜及食品廢棄物均具作為有機質肥料之原料的潛力，若能回收利用，除可增進土壤生產力，且可避免其環境所產生之衝擊。部分農畜廢棄物雖可直接施用於田間，但因易造成土壤局部缺氧、釋出有毒物質、滋生病蟲害等不良影響。依據農糧署之肥料品目規定，允許使用之廢棄物可分為不需經堆肥化處理，但需經其他方式 (如加熱，蒸煑，粉碎或混合) 處理者；及需經堆肥化 (醱酵) 處理者。1. 直接利用之有機質肥料 (1) 植物渣粕肥料以一種或一種以上經壓榨或萃取油分後之植物渣粕 (如大豆、花生、亞麻仁、米糠、菜籽等), 經混合調配而製成。(2) 副產植物質肥料以植物質為原料之食品製造、飲料製造或中藥製造業等副產物或事業廢棄物、經混合調配而製成。(3) 魚廢渣肥料下雜魚、魚內臟或其他魚廢渣，以泥炭、動物質原料 (如蝦殼、蟹殼等) 或植物質原料 (如豆粉、花生殼等) 吸著，經混合調配而製成。(4) 動物廢渣肥料以動物廢渣 (如魚渣、肉渣、獸肉骨、羽毛、羊毛等) 為原料，經煮沸、蒸煮、壓榨、乾燥、粉碎等程序，經混合調配而製成。(5) 副產動物質肥料動物質為原料之食品製造、塑膠業等副產物或事業廢棄物，經混合調配而製成。(6) 乾燥菌體肥料食品及飲料業、酒業釀造配製業及啤酒製造業、農牧業，在廢水二級生物處理過程生產之生物性污泥，以及製糖業在製糖過程產生的濾泥，經加熱、醱酵腐熟、乾燥等程序，混合調配而製成。(7) 氮質海鳥糞肥料天然採集之海鳥糞。(8) 混合有機質肥料植物渣粕肥料、副產植物質肥料、魚廢渣肥料、動物廢渣肥料、副產動物質肥料等二種或二種以上有機質肥料或有機質材料，經混合調配而製成。2. 傳統堆肥農畜及食品廢棄物的最佳利用方式，乃是與其他農業廢棄物以適當的比例混合，並經過堆肥化作用 (composting), 製成良好的堆肥，再回歸土地。堆肥 (compost) 指有機物質經堆積醱酵，使微生物在其中增殖、分解代謝，而將有機物質 (澱粉、蛋白質、脂肪、纖維素、木質素等) 轉化成安定的似腐質土的物品；其中包括菌體、二次代謝產物及未分解轉化之物質，而上述轉化過程則稱為堆肥化作用。(1) 堆肥的製程堆肥之優質與否與其製程之適當與否有密切的相關。一般而言，堆肥的製程可分為前處理，堆積醱酵及後處理三個過程 (圖一)。◆ 前處理禽畜糞一般具有水分高及臭味等問題，一旦運送至堆肥場時，宜在有頂棚的堆積場舍立即與選定的調整材 (如木屑、米糠、蔗渣、稻殼、菇類養殖廢包內容物等) 予以混合，以調整水分含量約為 60%, 碳氮比 (C/N) 約為 30, 且避免在露天混合及堆置。◆ 堆肥化過程在整個堆肥化過程中，是利用不同分解特性的微生物接替擔負分解的工作。堆肥化的初期，堆層溫度約為 15~45°C, 由中溫和嗜溫性微生物 (真菌、細菌和放射菌) 主司其職，主要以易分解的醣類和澱粉類作為基質。當溫度超過 45°C, 此時嗜溫菌已受到抑制或死亡，取而代之的為嗜熱性微生物，其負責分解堆肥中殘留 (半纖維素，纖維素，蛋白質，木質素等) 和新形成的可溶性有機物，待溫度升至 70°C 以上，大多數嗜熱菌已不再適應，因而進入死亡或休眠。高溫階段後，剩下的部分為較難分解的有機物和新形成的腐植質，此時微生物活性已下降，故發熱量減少，致堆肥溫度下降，嗜溫性微生物再佔優勢，對殘餘較難分解的有機物再進行分解，此時，腐植質不斷增加而達穩定狀態，亦即趨向腐熟階段。為使整體堆肥資材均能腐熟且達均質化，故在堆肥化期間必須進行數次翻堆及攪動，直至溫度不再上升為止 (通常為 30~40 °C)。圖二為堆肥化過程之溫度變化圖。◆ 後處理依堆肥品目標準規定，袋裝之禽畜糞堆肥成品水分含量需低於 35%, 而「一般堆肥」和「雜項堆肥」則需低於 40%, 且優質堆肥的品相宜佳 (不可有目識之殘料), 故通常需有風乾、篩選、粉碎、造粒、裝袋的後處理。一般可採自然風乾、通氣風乾或在透明網室內利用日照以加強蒸發等方式以降低堆肥的水分含量。另以過篩的方式，將殘料篩除，而可用的殘料可再置入醱酵設施中以進行再次的醱酵。(2) 最佳堆肥化的條件◆ C/N 比：主原料 (如禽畜糞) 和調整材混合後，最佳的堆肥化起始 C /N 比為 25~30 °C/N 比若太高，微生物分解作用會因缺 N 而使有機物分解較慢，故堆肥化所需時間會較長；若 C/N 比太低，則易造成氮的逸失及臭味的產出。◆ 溫度：堆肥化過程中，微生物新陳代謝所產生的熱不斷累積，在正常情形下初期堆肥溫度將升高達 70°C, 甚至 80°C 以上，此高溫維持一段時間，不但可促進微生物反應，縮短腐熟時間，且可殺死病原菌，雜草種子及蟲卵，若溫度持續下降則需翻堆，而使微生物繼續進行好氣醱酵作用，直至翻堆後溫度不再上升為止，此時可稱為腐熟完成 (圖二) 。◆ 水分：一般堆肥化起始的水分含量約為 50~60%; 當堆積物的水分含量低於 40% 下時，堆肥醱酵分解速率會因微生物活性降低而減緩，而當堆積物水分含量高於 60% 則因水分含量過高及氧氣不足而呈厭氣醱酵，致醱酵減慢。◆ 通氣：為促進堆肥化作用，宜保持在好氣狀態，以利好氣微生物進行好氣分解。由於好氣微生物的分解速率為厭氣微生物的 10 倍以上，故堆肥化過程中應使氧氣 (O2) 含量連續維持在約 8~18% 內，而定期翻堆和通氣為提供氧氣的兩大策略 (圖三、圖四)。一旦低於 8%,O2 就會成為好氣堆肥中微生物的限制因素，還會產生惡臭。3. 蚓糞堆肥目前蚯蚓已被廣泛應用於處理都市、工業及農業廢棄物，並證實蚯蚓可消化大量有機廢棄物。蚓糞堆肥化作用是藉由蚯蚓及微生物兩者共同作用，以生物降解方式及經腸胃內酵素的混合分解作用，而轉化成蚓糞堆肥 (vermicompost)。蚯蚓在蚓糞堆肥化過程中，所產生的反應可分為物理及生物化學作用，物理作用為蚯蚓掘穴活動而具攪拌及混合的效果，並可增加通氣性，進而促進微生物活性，故蚯蚓堆肥化作用可加速微生物對有機廢棄物的分解速度，而生物化學作用則受微生物及蚯蚓腸道所含酵素對有機物質之分解作用所影響。適於製成蚓糞堆肥之蚯蚓屬枯枝落葉下棲息型 (Epigeic Worms) 者，如艾氏肥土蚓 (Eisenia fetida)。(1) 蚓糞堆肥化條件蚯蚓為雜食性動物，喜好溫、濕、安靜但怕光、鹽之動物，特別喜食蛋白質、糖分高之腐爛性食物。工、農業所產生有機廢棄物均可做為其食物來源。食物來源的優劣，會直接影響蚯蚓的生質量及蚓糞堆肥之成分特性。◆ 水分：分解有機物的蚯蚓的適當水分範圍為 50~90%, 因基料於分解過程中及蚯蚓之活動容易產生水，為避免水分含量過多，建議剛開始調配基料之水分約為 70 ~ 80%。通常以基料飼養蚯蚓一段時間後，底部水分較多，可以打開蓋子使水分蒸散、傾斜飼料箱移出水分，或再添加一些乾的基料，以防止蚯蚓因為基料過濕，造成通氣不良、逐漸萎縮、逃跑或死亡。◆ 通氣：蚯蚓主要靠皮膚呼吸，若水分過高及氧氣不足，將使蚯蚓不易產卵，幼蚯蚓發育受阻且不利蚯蚓生長，故通氣是飼養蚯蚓的重要因子。以通氣方式可增進飼養箱內的氧氣濃度，若未配用打氣，則一般蚯蚓飼養的基質厚度不宜超過 50 公分。◆ 溫度：蚯蚓適合生長的基料溫度約為 5~30°C, 若溫度太低或溫度高於 35°C, 均將不利蚯蚓生長及生殖，且堆肥化效果將不佳。氮含量較高的基料，如雞糞，在分解過程易產生氨氣及高溫，將不利蚯蚓的生長，故可先採用預堆方式，待基料溫度低於 30°C 後，再置入蚯蚓以進行蚓糞堆肥化。(2) 蚓糞堆肥的製造方式 1. 室外：靜堆行式、連續上方餵食式、連續擠入式。2. 室內：箱式、床式。目前國內仍以飼養床或飼養箱式養殖蚯蚓，大都以菇類廢棄物、泥炭土、腐熟木屑、草料為生長基料，再投以米糠、落葉或廚餘為飼料來養殖蚯蚓。結論無害的有機廢棄物的資源回收再利用，可降低廢棄物處理的龐大負荷，且減輕對環境的衝擊。資源回收再利用中所產出之農業可利用的資材，亦具有促進作物生長及增進土壤肥力的功效。堆肥化作用可產出對環境較友善，效果更永續的有機質肥料。延伸閱讀 1. 楊秋忠等人，《臺灣有機廢棄物的再利用：有機質肥料的生產及應用研究》, 財團法人中正農業科技社會公益基金會，2011 年。2. 陳仁炫，〈有機廢棄物堆肥化之品質及特性〉, 教育部 97 年度「生物及醫學科技人才培育先導型計劃」, 有機產業生物科技講座：第 9-23 頁，國立中興大學農資院，2008 年。3. 陳仁炫，〈蚓糞堆肥之生產技術與應用〉, 肥料生產技術與應用講習班講義，第 22-57 頁。中華肥料協會編印，2013。 | science |
科學聲學 為什麼指甲刮黑板的聲音令人畏縮? | 生活中充斥相當多的聲音，有些聲音聽起來療癒、舒服，而有些聲音聽起來讓人害怕、畏縮，最常見即指甲刮黑板的聲音，甚至光是用想的就令人毛骨悚然。科學家對於此現象相當好奇，1986 年，美國布蘭迪斯大學暨西北大學海爾 (D. Lynn Halpern)、范德堡大學暨西北大學布萊克 (Randolph Blake) 與西密西根大學暨西北大學希倫布蘭德 (James Hillenbrand) 三人針對令人不悅的聲音進行實驗，也因這項實驗讓三人在 2006 年獲得搞笑諾貝爾 (Ig Nobel Prizes) 聲學獎。他們利用盤帶錄製這些聲音，首先讓受試者聽 16 種不同聲音，其中除人讓人不悅 的聲音外，亦播放讓人愉悅的聲音，包含水流聲、鐘聲、拖曳金屬抽屜、刮金屬、刮木頭、拖凳子等，讓受試者針對不舒適的程度評分。而這項實驗受試者評分最令人不適的聲音為刮玻璃表面的聲音，第二名則是兩個保麗龍互相摩擦的聲音。第二項實驗是尋找這些令人不悅的聲音中，哪個頻段為引起人類不良反應的主要原因。研究人員針對第一項實驗中令人不悅的音樂加上濾波器，共有 11 種模式，其中包含 6 種低通濾波器頻段、5 種高通濾波器頻段，隨機處理這些聲音，讓受試者評分。結果顯示，令人不悅的重要訊息存在於音檔聲音頻率的中間頻段，與實驗者預期不同 (原先預期不悅的原因存在於高頻與低頻)。接下來研究人員好奇音量是否會影響人體感受，而這項實驗發現音量與人體不悅程度並沒有太大關聯。研究人員在結論推論，此聲音與獼猴發出警告聲相似，可能是從遠古時代靈長類捕食活動留下的反射動作。 而在 2008 年由考克斯 (Trevor J.Cox) 提出的論文，針對靈長類生存本能演化說提出反對意見。在他的實驗中，邀請了不同 年齡、性別、生長地點的受試者進行實驗，受試者聆聽 34 種令人不悅的聲音後，受試者普遍認為有人在嘔吐的聲音較刮黑板的聲音 (像獼猴警告聲音) 來的令人厭而在 2008 年由考克斯 (Trevor J.Cox) 提出的論文，針對靈長類生存本能演化說提出反對意見。在他的實驗中，邀請了不同 年齡、性別、生長地點的受試者進行實驗，受試者聆聽 34 種令人不悅的聲音後，受試者普遍認為有人在嘔吐的聲音較刮黑板的聲音 (像獼猴警告聲音) 來的令人厭惡。而在這項研究之前，亦有人提出此現象與音頻與觸覺相互作用有關，考克斯亦在這項報告中反駁。他認為，文化禮節與禮儀因素是個比較重要的因素。到了 2012 年，英國與德國合作研究團隊，揭示了人腦對於令人不悅聲音反映神經元活動模式，他們利用功能性磁振造影 (fMRI) 發現，當人們聽這些令人不悅的聲音時會刺激腦中杏仁核 (amygdala) 以及聽覺皮質 (auditory cortex), 引起人體對聲音的厭惡反應。延伸閱讀 1. D. Lynn Halpern, Randolph Blake and James Hillenbrand, Psychoacoustics of a chilling sound, Perception & Psychophysics, Vol. 39: 77-80, 1986.2. Trevor J.Cox, Scraping sounds and disgusting noises, Applied Acoustics, Vol. 69: 1195-1204, 2008.3. Sukhbinder Kumar et al., Features versus Feelings: Dissociable Representations of the Acoustic Features and Valence of Aversive Sounds, Journal of Neuroscience, Vol. 32, 2012. | science |
聖嬰現象專家:加州大學余進義教授專訪 | 傳統聖嬰現象為東太平洋在隔幾年海水異常升溫的現象，早在數百年前南美洲祕魯地區漁民就已發現此現象。他們發現，在正常時期，會因海底深層湧升流上升，其中富含大量營養鹽，帶來大量漁獲；而在每隔 2~5 年，會有某一年因海水升溫，導致漁獲量大減。而到了 1960 年代，加州大學洛杉磯分校 (University of California, Los Angeles, UCLA) 氣象學家畢雅克尼斯 (Jacob Bjerknes) 在大量氣象與海洋資料中，觀察出聖嬰現象為大氣與海洋交互作用，不單只是海洋現象。科學家開始深入對聖嬰現象有興趣，而從對於聖嬰現象一無所知，到研究出整套物理理論、並能將物理理論以電腦模擬，共花了 2、30 年的時間。自 21 世紀起，科學家發現太平洋上聖嬰現象的模式有些改變，過去海水從東太平洋開始升溫的現象，自 1990 年代出現了從中太平洋、國際換日線附近開始升溫的聖嬰現象。美國加州大學爾灣分校 (University of California, Irvine) 教授余進義與其研究團隊在 2009 年提出此種中 太平洋海水溫度異常上升的特殊氣候變化，稱之為「中太平洋聖嬰現象 (Central-Pacific El Niño)」, 又稱為「非典型聖嬰現象」。《科學月刊》本月專訪全球聖嬰現象研究具領先地位的余進義教授，請他分享非典型聖嬰現象研究心得與過程。相對非典型聖嬰，20 世紀的傳統聖嬰現象又稱為「東太平洋聖嬰現象」, 或稱「典型聖嬰現象」。「這兩種聖嬰都是聖嬰，都是自然界本來就存在的，只是我們 20 世紀不知道聖嬰現象有兩種，直到 21 世紀我們才觀察到。」余進義說。「到了 21 世紀，發現我們的聖嬰預報沒有以前準了。我們發現聖嬰改變了，不是我們 20 世紀所認識的傳統聖嬰。」余進義說。21 世紀發現新型聖嬰現象後，開啟了科學家對聖嬰研究的新章節。氣候學家了解聖嬰現象具多種樣子後，著手進行研究，並討論為什麼地球上有如此多的聖嬰現象，探討每種聖嬰現象背後形成的原因，以及不同聖嬰現象對全球 (包含臺灣) 氣候有什麼影響。「最近聖嬰現象相關研究主要針對聖嬰多樣性的動力原因，以及不同聖嬰在全球影響的研究。」余進義說。對於 21 世紀中太平洋聖嬰現象出現的原因，科學家提出了三種不同的解釋方式。第一種最普遍的解釋方式為「全球暖化」, 因全球暖化導致地球大氣環流模式改變。熱帶地區溫度較熱，熱空氣會上升，而極區冷空氣會下降，冷空氣會往熱帶地區移動，熱空氣會往極區移動，這就是是地球的大氣環流。「就像一輛在開動的車子，把熱空氣往北運、冷空氣往南運。但全球暖化改變了南北氣溫的分佈，大氣循環就必須改變，像汽車換檔一樣，改變車子的速度，進而改變了全球氣候狀態，以應付全球暖化。」余進義用汽車換檔做比喻全球暖化對大氣環流的影響。當環流改變了，所伴隨的大氣–海洋交互作用也跟著改變，就產生了新的非典型聖嬰。而第二種解釋方式是由余進義與合作科學家共同提出，太平洋上的聖嬰現象之所以改變是因為大西洋變暖，與太平洋形成交互作用，影響太平洋聖嬰現象發生形式，稱為「跨洋盆交互作用」。......【更多內容請閱讀科學月刊第 577 期】 | science |
用電腦做天氣預報是什麼碗糕? 淺談數值天氣預報 | 經驗上我們總是可以歸納出「現在是過去的累積，未來當然也和現在有關」。宗教上也有類似的說法:「若知前世因，今生受者是；欲知來世果，今生做者是」。人類科學發展的過程中類似的想法俯拾即是，如萊布尼茲 (Gottfried Leibniz,1646~1716) 曾說過「Everything proceeds mathematically......if someone could have a sufficient insight into the inner parts of things, and in addition had remembrance and intelligence enough to consider all the circumstances and take them into account, he would be a prophet and see the future in the present as in a mirror.」, 意思大意是說，萬事皆遵循數學的原則，如果我們有足夠記憶能記住過去的一切，或有夠深的智慧能理解一切事物發生的道理，那我們可以知道，未來就是現在的投影。著名的物理學家拉普拉斯 (Pierre-Simon Laplace,1749~1827) 也說過:「We may regard the present state of the universe as the effect of its past and the cause of its future. ... if intellect were vast enough to submit the data to analysis, the future just like the past would be present before its eyes.」, 意思類似，但說得更直接：宇宙的現在就是過去的果，也將是導致未來的因。萊布尼茲和拉普拉斯都是人類史上非常偉大的科學家，他們有著相同的理念，即「以數學和物理定律『鑒往知來』」, 而天氣預報正是具體實踐此一理念的科學之一。只是，要從科學的角度來實現天氣預報上「鑒往知來」的理念，卻不是一件容易的事。行星上大氣的成分是氣體，既然是氣體，則大氣是會流動的。描述大氣在當下的狀態，舉凡溫度、氣壓、濕度和風速等，並推估這些狀態在未來時間的時、空分佈，這就是天氣預報。那，我們如何「推估」這些大氣狀態在未來的時空分佈呢？我們可以憑經驗，例如用去年同一天的天氣來推估；也可以用今天的天氣推估明天的天氣；當然，我們可以參考更多的資料，經由有效的訓練與經驗累積，甚或從大量的過去資料中，運用人工智慧努力提升天氣預報的準確度。自 1950 年代開始我們就理解到，雖然水和空氣具有截然 不同的特性：一個是液體、一個是氣體，但是兩者也有著共同的基本特徵：他們都沒有一定的形狀，而且具有流動性，我們可以統稱為「流體」。從地球的尺度來看，科學家發現大氣和水的流動特性非常類似，也就是說水和空氣「流動」的道理基本上是相通的。因此，科學家就把流體力學 —— 原本專門用來討論水的流動的科學，應用到探討大氣的運動，並且獲得了相當的成功。累積過去數百年來從觀察、水工實驗、統計學的應用，甚至運用複雜的數學系統，我們可以建立起一套知識系統，也就是流體力學，用來描述、理解以及探討水流動的道理。由於大氣和水的運動原理相似，因此我們可以用描述水流動的流體力學原理，來描述大氣的流動，並透過流體力學控制方程式得到大氣中溫度、風向、風速、氣壓、濕度等參數在未來某個時間的變化情形；如果我們可以計算出流體方程式的解，那麼就能由目前的大氣條件推衍出未來的天氣狀況來作「天氣預報」。實際的大氣運動非常複雜，我們無法直接利用數學方程式求得解答，只能透過數值分析 (Numerical Analysis) 的方法獲得趨近解，這種建立在流體力學方程式的基礎，利用數值方法求得流體力學方程式的解，並據以進行天氣預報的方式，就稱為「數值天氣預報」, 而此一數值化的數學系統則稱為數值模式，用以預測地球大氣系統的運動行為。因此，數值天氣預報是一門結合大氣科學、數學與數值方法的科學，這是全世界各國氣象局進行天氣預報最主要的參考指引。現今的天氣預報作業早已超越經驗掛帥的年代，並積極採用科學方法，也就是運用數值天氣預報技術，提供全球定時、定點、定量，當下、數小時至七日的逐時天氣預報，甚至能基於海水表面溫度可預報度之存在，進而提昇至季節乃至年際變化的預報，如預報「聖嬰現象」的成功經驗 以及 3 至 6 個月的短期氣候預報等。更甚者，針對未來數百年、數萬年的氣候變遷，乃至宇宙其他行星的大氣預報等，無不有賴於數值天氣預報技術的發展。我們對大氣行為瞭解得越透徹，就更能精確掌握大氣過程，然而，想要涵蓋更完整的大氣過程，往往需要更複雜的數學系統來描述大氣現象，使得我們要在數學上求得正確解答的挑戰日益艱鉅。於此同時，我們需要更精確的數值方法來求解流體力學方程式，以得到我們對未來大氣行為的描述。如此週而循環，我們所賴以進行數值天氣預報的數值模式也就更接近真實大氣，其所求得的解同時也更接近實際大氣的運作，天氣預報自然變得更準了。為求得精確的數值解，電腦成為必要工具，用來協助我們計算出大氣的未來狀態。一般來說，流體力學方程式是建立在微積分的基礎，描述的是連續流體的流動特性，但是運用數值方法在電腦中求解流體力學方程式時，則必須將連續的方程式網格化，此時網格系統的空間解析度，會影響數值模式的精確度。圖一顯示分別使用 5 公里和 45 公里水平解析度下所看到的臺灣地形，想當然爾，要使用 45 公里水平解析度的網格來描述颱風環流受臺灣地形的影響，無異是緣木求魚。圖一：5 公里 (圖一 A) 和 45 公里 (圖一 B) 水平網格解析度下的臺灣地形高度。(颱風洪水研究中心提供) 反過來說，如果網格空間解析度越高，那麼就越有機會描述更精細的大氣過程，預報的精確度也可能相對提高。因應目的不同，數值模式大致可分為全球模式與區域模式：以中央氣象局全球模式為例，由於必須考慮對整個地球的大氣進行預報，因此網格解析度大約 20 公里。而區域模式則分析與預測部分區域的天氣，不需考慮全球的大氣條件。舉例來說，目前中央氣象局數值模式最高水平解析度是 2 公里，換言之，數值模式只能解析 2 公里以上的天氣現象。這樣的解析能力，如果要進行臺灣地區的鄉鎮預報，或許是夠用的，但如果要進行村里預報 (當然，有些村很大，那是另當別論的喔), 就巧婦難為無米之炊了。既然如此，我們把水平網格解析度提升到 100 公尺，不就皆大歡喜了嗎？問題是，在實務上，我們希望預報的空間範圍越大 (例如數千里), 解析度更高 (100 公尺), 模式的大氣過程越複雜 (涵蓋海洋、陸地、大氣和生態系統的交互作用), 而且要在 2 個小時的時間內完成未來 10~15 天的預報，那我們就必須利用更大的高速電腦、更多的記憶體和儲存空間，這使得對高速電腦的需求近於苛求，甚至是達到現今電腦科技無法企及的地步，是故，資訊 (電腦) 技術的進步在數值天氣預報的應用發展上有極關鍵的地位，各作業中心預報能力和其高速電腦的運算能力有直接的關係，幾乎在任一時期數值天氣預報系統都使用當代最快速的電腦，也唯有如此才能展現其突出的預報應用價值。目前世界各先進氣象作業中心，仍採購最高價位的高速電腦以滿足高水準數值天氣預報的作業需求，所以數值天氣預報一向是全世界高速電腦市場最大的客戶之一。中央氣象局的數值天氣預報系統自 1987 年開始上線作業，當初使用的是美國 CDC cyber 205, 歷經 5 個世代的演進 (圖二), 目前使用的高速運算電腦是日本富士通所開發的超級電腦「京」, 擁有超過 5 萬個運算核心，運算速度達到 1.2 PFLOPS, 為臺灣數值天氣預報作業的運算需求提供最大的後援。瞭解當下：觀測資料的重要性跟所有的數學問題一樣，對於一個包含時間、空間維度的數學系統求解，我們必須先提供這個數學系統一個初始場，這個初始場即反映出當下地球大氣的特性，包括溫度、壓力、風和濕度等。初始場的精確度決定了數值解的精確度，也就是天氣預報的準確度，對中短期數值天氣預報而言更是如此。這個數學系統所需的初始場有賴各種觀測系統對地球大氣的觀測，例如傳統氣象探空所提供大氣三度空間的溫度、濕度和風場的觀測，此仍是目前最準確可靠的氣象資料來源之一。但是並非所有國家都有能力也有興趣支持此項觀測業務，例如非洲與南美的觀測仍較為匱乏。再者，探空觀測有賴於人力作業，因此廣大洋面的資料仍相當稀少。相對於傳統定時定點的氣象觀測，新近增加所謂非傳統氣象觀測，如我國福衛 3 號和福衛 7 號衛星提供之獨一無二的掩星觀測 (圖三), 其他衛星的遙測、飛機氣象報告及地面的雷達、剖風儀等，這些都是新一代的觀測系統。如何將這些不同屬性的觀測資料揉合在一起，並提供給數值模式做為初始場之用，其過程就稱為資料同化，是整個數值預報過程中最重要的環節之一。圖三：以低軌道衛星 (LEO) 接收全球 24 顆 GPS 衛星訊號的大氣無線電掩星觀測計畫 (Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate,COSMIC), 可取得 3 度空間的全球大氣分佈資料。(美國大學大氣研究聯盟，University Corporation for Atmospheric Research,UCAR) 隨氣象資訊在防災領域的深入應用，中央氣象局發展出將雷達觀測的降水回波和風場資料同化至模式的技術，可大幅改善模式對短期劇烈天氣系統的預報能力，這種技術可以每小時同化一次觀測資料，每一次提供未來 12 小時滾動式更新的預報，這是目前國際上最為先進的資料同化技術之一。傳統上我們習慣倚賴單一模式預報所提供的指引，作為對外來天氣預報的參考依據。單一模式就好比使用狙擊槍，我們希望槍槍準確命中目標。但是，即便再訓練有素的槍手也不可能百發百中，從扳機扣下到子彈飛出槍口，最終到目標物之間，包括槍手的生理、心理素質、槍枝的狀態和大氣的條件等，在在都影響到命中靶心的機率。同樣地，單一的模式預報，特別是定量降水預報，也受到諸多限制而往往力有未逮。我們一直努力改善單一模式的預報能力，但是大氣過程的複雜性與不確定性，在在使得單一模式所提供的定量降水預報無法盡如人意，這是一個科學上的限制。既然狙擊槍有命中率的問題，那麼我們可不可以一次用 100 支槍同時射擊？或是使用散彈槍取代狙擊槍，務求「一網打盡」? 當然可以！只要能命中目標，沒有人規定一定要用什麼槍。同理一個模式報不準，那一次用 100 個模式進行預報，這總是可以有幫助吧 (圖四)? 是的，這當然是一個合理的想法，而這個運用「多模式預報」的概念就稱之為「系集預報」, 相對的單一模式所提供的預報就稱之為「決定性預報」。多模式系集預報除了可以增進數值模式的預報能力外，更可以對未來提供不同的預報結果，以期充分涵蓋模式預報的不確定性，並據以進一步產製機率預報的產品，此一特性正好貼切地回應了預報作業與防災操作上對「不確定性」與「風險控管」的需求。圖四：將系集預報系統各成員之定量降水預報繪製在一起，稱之為「郵票圖」。(中央氣象局提供) 中央氣象局系集預報系統每天進行 4 次預報，每次預報共 20 組模式成員，提供未來 3 天的預報。相較於單一模式，系集預報系統無論就科學研發、預報流程控管、硬體資源之妥善應用等都需要各部門通力協作方能竟其功。此一系集預報系統在同一時間內可產製大量的預報資料，再藉由大數據 (big data) 分析或人工智慧技術，往往可以從中獲得非常大的預報價值，改進預報的準確度和多元的應用面向。數值天氣預報於 50 年代開始發展，到 80 年代便成為中短期天氣預報不可或缺的參考基準。數值天氣預報的成功因素包括足夠與準確的氣象觀測資料配合有效的資料同化技術、合理精確的數值天氣預報模式、及具高速運算能力的電腦資源等，因此，我們可以說數值天氣預報是大氣科學的總其成者。而隨數值天氣預報技術的提升，如何拓展數值天氣預報產品的應用，包括天氣與氣候預報、飛航、環境品質預測、水文與水資源管理、坡地災害乃至火山爆發、沙塵暴、核子污染傳送等，甚至結合所謂大數據的資料探勘技術，以挖掘大量資料背後所蘊藏珍貴資訊，乃至創造人類的知識，這都是值得進一步被探討與研究發展的議題。延伸閱讀 1. Emst Cassirer, Determinism and indeterminism in modern physics: historical and systematic studies of the problem of causality, Yale University Press, 1956.2. Laplace, Pierre Simon, A Philosophical Essay on Probabilities, Dover Publications, 1951. | science |
風雨將臨—從多重時空尺度的天氣預報到即時天氣預報 | 羅倫茲的蝴蝶在超級電腦中翩翩揮動著數值天氣預報之舞，預報員在多重的時空中描繪著關於即時、今明、周、旬、月、季、年復一年氣象預報的故事。精密的天氣觀測系統是所有天氣預報的基礎，氣象局除了傳統的人工觀測氣象站以外，近年來於全臺各地不斷增設自動雨量站與氣象測站，目前涵蓋全臺的自動氣象站已超過 300 個，自動雨量站則超過 500 個，若包含其他單位通過檢核的雨量站則達 800 個以上，氣象站間的平均距離小於 10 公里。雖然臺灣有這麼高密度且精確的氣象站，但仍不足以應付各式各樣的防災需求。因此另外設置了以五分山、花蓮、墾丁及七股為主的 4 個雷達氣象站，並整合其他雷達的觀測網。雷達觀測的原理是由主動發射的電磁波偵測空氣中的雲滴或水滴粒子產生的回波，利用回波與降雨的關係則可估計可能的降雨量，其優點是空間涵蓋密度高，且範圍較廣、時間的解析度也高，尤其雷達觀測的目標就是與劇烈天氣最相關的降雨，若利用都卜勒觀測原理也可以估計天氣系統中的風場結構，但缺點是由雷達回波換算成的雨量仍存在不小的誤差，精確度有待提升。除此之外，氣象預報上使用的資料還有衛星、閃電、探空氣球及飛機觀測等，關於氣象觀測的設置及原理，可以參考《科學月刊》第 556 期的觀測專刊、第 569 期的衛星觀測。有了大量的天氣觀測之後，傳統的天氣分析會將這些觀測資料填在天氣圖上，預報員就可以畫出等壓、等溫或氣流線等，再依據這些分析知道現在大氣的狀態。早期的天氣學有一部分就是由觀測天氣並記錄，而後產生天氣圖的過程中，逐漸歸納出天氣運行的原理，甚至推估天氣可能的演變，而進行最初步的預報。因此氣象預報員的第一個工作通常是在天氣圖上分析這些觀測資料，再依據經驗、統計或天氣學的原理逐漸學習大氣運作的方式。二次世界大戰之後高速計算機開始產生革命性的快速發展，與此同時，氣象科學家試著將描繪空氣動力的原始方程式編譯成為電腦的程式語言，經由高速電腦進行運算，便可以進行時間積分，預測天氣未來的演變，這個過程就是「數值天氣預報」。數值天氣預報發展經歷了非常長久的時間，超過半世紀的不斷改進並加速運算之 下，現在已經可以精細到數公里的解析能力。在 21 世紀以前，由於數值天氣預報的準確度不足，且對其後處理的標準過程未能妥善建立，因此有很長的一段時間，天氣預報是由預報員詳細分析這些數值天氣預報，再經由長期累積的經驗來主觀預報天氣。嚴格來講，這個時期的大部分天氣預報仍是屬於經驗科學，數值天氣預報還不足以精確到成為正式的預報產品，因此需要經由預報員解讀數值天氣預報圖，再依據其長期累積及訓練的經驗，進行全臺 20 個以上的縣市分區的天氣預報。這樣的過程難進行以高效率且精密的預報。更重要的是，傳統的預報方式受個別預報員經驗及有限的預報時間限制，難以擴展到非常精細的預報，因此無法有效應用於鄉鎮或更小區域的天氣預報中。21 世紀以來，隨著超級電腦的運算速度不斷提升，數值天氣預報不斷改良有了爆發性的成長。而另一方面，行動裝置普及化後，資訊量及流通的速度也不斷增加，當然對於氣象預報的需求也不斷增長。因此依據縣市為基礎的天氣預報已不敷需求，需要細緻到鄉鎮、甚至更小區域的天氣預報。氣象局於是在 2012 年引入了數位化的圖形預報，導致了臺灣地區天氣預報的革命。傳統上由預報員以純主觀方式分析並轉換成縣市預報的概念被徹底翻轉，在天氣預報的流程中，大量導入數值天氣預報及新的客觀科學方法，再經過一系列的分析與訂正，預報員透過科學化、系統化的訓練，每天詳細分析大量天氣預報數據，以近期的預報校驗及長期的統計分析產生最佳的客觀預報產品，預報員依據長期累積的經驗，主觀進行預報的選擇或調整，產生基於圖形化，具有非常高時間、空間密度的數位資料，再由智慧型的文字產生器發布鄉鎮天氣預報。臺灣的天氣預報在這個過程中，由傳統上不易檢驗的經驗科學，正式進入可檢驗的數位天氣預報的時代。從自動觀測資料、雷達觀測氣象網整合，到數值天氣預報產生的大數據產品，現代化的天氣預報背後需要非常強大的科學團隊發展天氣預報技術，他們將數值天氣預報產品，經由觀測、統計甚至是預報員的經驗科學進行系統性的量化，產生在臺灣地圖上高時空密度的數位預報。這是氣象預報時代的轉淚點，天氣預報由單純看圖推論及說故事的經驗科學時代，進入高科技的現代化天氣預報。......【更多內容請閱讀科學月刊第 577 期】 | science |
天氣預報的延伸—短期氣候展望 | 說起氣象預報，就得談到氣象預報的始祖，理查遜 (Lewis Fry Richardson)。理查遜是個多才多藝的英國學者，他不僅專長於數學、物理、氣象學、心理學，同時也是個和平主義者。理查遜在 1922 年完成的《數值天氣預報》 (Weather Prediction by Numerical Process), 是現代氣象預報的最基礎原理。理查遜利用一套富含物理原理的數學方程式來解析大氣的運動，並認為只要充足的計算資源，未來的氣象變化將是可能「預測」的。因此，他構想一個計算球形大廳，這個大廳類似於地球 (圖一), 將全球地圖繪製在大廳內，天花板代表北極，中層對應赤道，最底層象徵南極，每個座位皆有其代表的世界座標，座位上的計算員將最近的觀測資料代入方程式中，求出未來的氣象變化；在大廳的中央，是負責資料傳遞及協調的指揮官，類似樂團指揮的角色。理查遜對於氣象預報的想法非常具有前瞻性，但在他提出時的當下是無法實現的夢想；因為，他認為要有 64000 人才能完成這個構想中的任務，那是非常龐大的人力資源！理查遜的氣象預報夢想，要到 1950 年才得已實現，由當時一個稱為電子數值積分計算機 (Electronic Numerical Integrator And Computer, ENIAC) 替代龐大人力計算，花了接近 24 小時做出 24 小時的氣象預報。得知這個消息的理查遜，當然非常欣慰他的理論能有被實現的一天。若以預報時間來區分氣象預報，大致可分為三類：天氣預報、短期氣候展望和氣候情境推估 (圖二)。其中，天氣預報是報章媒體最常見的氣象預報，如明天會不會下雨、 接下來幾天氣溫會變冷或變熱，主要是一週或 10 天內的 天氣變化預測。氣候情境推估是超長期的預測，如 2013 年公布的「政府間氣候變遷專門委員會氣候變遷第五次評估報告 (Intergovernmental Panel on Climate Change Fifth Assessment Report, IPCC AR5)」中闡明，在各種溫室氣體排放的假設情境下，21 世紀末全球平均氣溫可能上升攝氏 1.0~3.7 度，上下限為攝氏 0.3~4.8 度。天氣預報、氣候情境推估不是本小節要談論的重點，而是要跟讀者簡要介紹「短期氣候展望」。惟受限於作者的知識及篇幅，本文只能帶您大致了解短期氣候展望的基本概念。在介紹短期氣候展望之前，先說明氣候和天氣的差別。「天氣」是指定點和定時的大氣狀態，譬如臺北現在是晴天還是下雨，氣溫是攝氏幾度。......【更多內容請閱讀科學月刊第 577 期】 | science |
才不是擲杯算出來的呢! 精緻化的現代氣象預報 | 在「看天吃飯」的眾多行業裡，氣象工作者大概是最名符其實的一個。這份工作有些原罪 —— 永遠不可能百分之百準確，也永遠要背負報不準的罵名。儘管已經進入 21 世 紀很久了，時至今日還是有不少人會說，「我家路口種田的阿伯看天氣都比氣象預報準，就連我用擲杯的都會對一半！看氣象預報要幹嘛？」雖然預報員總是日復一日地在批評聲浪中自我質疑、找尋這個身分的定位和價值，但風雲萬千的魅惑和挑戰性，還是吸引氣象愛好者願意繼續投身，努力在無法百分百完美的預報裡尋求突破的契機。氣象預報是門年輕的科學。雖自人類有文明以來，就有氣象預測的需求，然而在過去人類漫長的歷史中，大多只能觀物識天、靠著經驗法則猜測天氣變化，想當然爾，被老天打臉的機率自然不低。身為現代預報員可幸運多了，隨著觀測儀器和電腦運算技術的進步，我們終於可以用科學的方式來分析和推測老天爺的臉色。氣象預報的基礎科學理論在 20 世紀初期被提出，但當時僅靠人腦計算的速度，遠遠趕不上預報的需求；而現代的天氣預報技術，也就是「數值天氣預報」, 是直到 20 世紀後期，跟著計算機技術的突飛猛進才開始發展的。臺灣 開始引進這套技術預報天氣的歷史，距今大約只有 30 年的時間，比臺灣有電視台的時間還短得多呢！關於數值天氣預報的介紹，本專輯的另一文章中有更詳細的說明，在此不多贅述。俗話說，事出必有因，所有晴雨冷熱的變化，背後肯定有其影響機制，因此預報天氣前，要先有「診斷」天氣的能力，就像醫生看病一樣，必須先找出現象發生的成因，才能推敲下一步將如何變化。由於大氣是立體的，一個專業預報員必需分析每個氣象參數在時空裡的變化，最重要的包括各個場量在空間裡水平與垂直的三維分布、這些分布隨時間的演進、以及過去不同時刻的預報資料「隨時間調整的趨勢」。每個預報員一到班，面對的便是排山倒海而來、且不斷持續更新的大量資料，這些資料大致上分成兩部分：一種是實際的觀測、其二為電腦模式的預報。目前我們常使用的觀測資料，包括各個氣象站所量測諸如溫度、雨量、風場、天氣現象之類的參數，還有衛星、雷達等遙測資料，以及用來解析大氣垂直結構的探空等，讓我們可以得知天氣系統實際的強度、位置和影響情形，了解天氣系統的過去和現況，亦可藉以修正預報資訊。而電腦模式的預報資料則像是神奇的水晶球，奠基在科學原理上，讓我們能預知、望見未來天氣變化的圖像。目前氣象局常使用美國、歐洲及臺灣本身發展的模式資料，由預報員綜合評估各家預測內容，整合出可能的預報看法。我們也會回頭用觀測資料，來比對過去模式對這個時間點的預報到底準不準確，藉以分析該模式可信度有多高、未來的預報是否能信任參考，這是預報流程中，很重要的「校驗」工作。分析完各式各樣的資料後，不同預報員出現不同看法，是常有的事，因此必須開會討論，經過一番唇槍舌戰、交換意見達成共識，才能給定一個官方的結論，也才能開始進入下一步 —— 製作預報產品。對現代人來說，打開手機或電腦點幾下，就能隨時查詢到各個地點最新、最當地的天氣，這是個再簡單不過的動作。但過去的人要知道明天天氣，得靠電視新聞、廣播或 報紙才能了解個大概，而且最多只能看到 22 個以縣市為 主、半天一筆的粗略預報資訊 —— 這聽起來彷彿像是上個世紀的事了。當年的預報員，是將天氣、溫度等預報結論，用手動的方式一格一格打進白紙黑字的表格內，製作出預報單的。然而這個「當年」其實並沒有很久，這些聽起來很傳統的作法，不過是才 6 年前的事而已！民國 101 年的元旦，是臺灣氣象預報邁向新里程的一個轉捩點。氣象預報從 22 個縣市分區瞬間進化成 368 個鄉鎮，並迅速演進至上千個指定點位，以服務各種使用者需求，像是登山、海釣、遊樂區、單車活動、客庄聚落、原鄉部落等，每個地點都提供 48 小時內每三小時一筆、及未來一週的氣象數據。資料量瞬間爆炸性地膨發，當然成千上萬筆的資料再也不可能用人工的方式一筆一筆手動輸入。這樣革命性的轉型，背後必定有個截然不同的預報作業系統在支持 —— 那就是從美國引進的「圖形化預報資料編輯系統 (Graphic Forecast Editor, GFE)」(圖二), 今日氣象局網站提供的 許多預報產品，很大一部分是由這套 GFE 系統所產出。顧名思義，使用「圖形化預報資料編輯系統」的最大變革，就是讓預報自此從文字變成圖像。......【更多內容請閱讀科學月刊第 577 期】 | science |
跨年夜的捷運影響地球磁場?大眾捷運系統造成地球磁場觀測的擾動 | 位於陽明山國家公園的地磁觀測站是為了監測臺灣北部地區火山活動，但長期在特定時間記錄到明顯的擾動訊號，干擾幅度約為 3~5 nT (奈特斯拉，nano-tesla)。經研究發現，地磁觀測站長期受到擾動是臺北捷運系統的供電和回流電流不平衡造成。在求學階段，大家都做過「磁鐵吸鐵屑」實驗 (圖一), 鐵屑會沿著磁力線排列，磁力線越密集的地方代表磁場強度較強。其實，因為地球磁場的緣故，在我們的周遭空間分布著不同密度的磁力線，磁力線的疏密就如磁鐵吸鐵屑實驗一樣，意謂著周遭磁場強度有所不同。戰國時期人類已經發現了磁石能吸引鐵的現象。偶然間發現條狀的天然磁石竟然都會固定指向南北方向 (向南與向北), 因此就應用磁石磨成指南針，並藉它來辨別方向。但當時還不知道為什麼指南針會一直指著南北方向？其實這就表示地球有磁場存在的證據。雖然對於地球磁場的起源，至今仍未找到一個令人滿意的答案，但科學家們根據長期對地球磁場的觀測資料，已基本掌握了地球磁場的分布與變化規律。地球的磁場分布如圖二所示，它阻擋絕大部分高速太陽風所造成的輻射能，為地球提供了一個無形的屏障。地球磁場強度因地點不同而有所差異，地球磁場最強是位在加拿大東北部的「地磁南極」, 其強度可達 66000 nT; 最弱則是在南美洲的 24000 nT, 臺北的地磁場強度約為 45000 nT。地球磁場強度亦會隨時間而變化，大家最熟悉地球磁場短期且顯著的變化就是「磁暴」現象。當磁暴發生時，太陽風中的帶電粒子會順著地磁場的磁力線方向運動，與大氣中氣體分子碰撞放電，在極區或較高緯度地區引發瑰麗、且瞬息萬變的「極光」。其他如大地震、隕石雨、甚至海洋波動等，都會造成地磁場微弱的擾動情形。至於都會區大眾運輸系統營運會引起地球磁場的擾動，我們則是在無意間被發現的。大屯火山群位於臺北盆地正北方，主要由七星山、紗帽 山及磺嘴山等 20 餘座火山組成，一般認為是因菲律賓海 板塊往北隱沒作用所造成。根據最新研究發現，在大屯火山群下方地殼深部有岩漿庫的存在；另由火山灰研究 指出大屯山之最後一次噴發可能在 5000~6000 年前，所以將大屯火山群歸類為「休眠的活火山」。為了即時監測大屯火山活動，在陽明山國家公園菁山自然中心成立「大屯火山觀測站」, 該觀測站在大屯火山群及其周邊設置多項即時火山監測儀器，其中於「大屯火山觀測站」下方安裝一套三分量地磁觀測設備，稱為陽明山地磁觀測站 (YMM, 圖三)。我們檢視該地磁觀測站的資料時，無意間看到 2013 年元旦清晨 1 點 30 分到 4 點 30 分的地磁資料，與平常同時段所記錄的地磁資料有異。......【更多內容請閱讀科學月刊第 577 期】 | science |
一體兩面的健康調撥—你所不知道的生酮飲食 | 過去用來與藥物配合治療癲癇的生酮飲食 (Ketogenic Diet) 近期卻常與體重調控及糖尿病血糖濃度調節等名詞 一同出現在各種媒體上，許多模糊不清的說法及錯誤的飲食方針造成大眾誤會，也讓錯誤的知識不斷的流傳。因此希望透過本篇文章的介紹讓大眾可以了解何謂生酮飲食。早在公元前那個認為癲癇是天譴的時代，醫學之父希波克拉 底 (Ἱπποκράτης) 就知道禁食可用以控制發病的癲癇病患，當時治療癲癇的方式與現今營養科學發展出的方法不謀而合。1911 年果爾巴 (Guillaume Guelpa) 及瑪喜 (Auguste Marie) 首次發表了有關利用禁食方式治療癲癇之相關文獻。 1921 年內分泌科醫師伍德亞特 (Rollin Turner Woodyatt) 發現長期飢餓狀態下或採低碳水化合物高脂肪飲食的人體內 會有 β- 羥丁酸 (β-hydroxybutyrate) 及丙酮 (acetone) 產生，兩者均為酮體 (ketone body, KB) 家族的成員。同年 威爾德 (Russell Morse Wilder) 醫師認為利用禁食治療 癲癇是無法長久進行的，於是發展出生酮飲食，讓癲癇病人體內的酮體可以維持一定的濃度。到了 1925 年彼特曼 (Mynie Gustav Peterman) 醫師才首次於美國醫學會雜誌 (The Journal of the American Medical Association,JAMA) 發表以生酮飲食成功控制兒童癲癇發作的文獻，而當時的飲食方針是：給予孩童每日 1 克∕公斤體重的蛋 白質與每日 10~15 克∕公斤體重的碳水化合物，剩下的熱量由脂肪補充。酮體的生成主要與醣類及脂肪的生化代謝有關，當醣類攝取不足或利用率不佳時肝臟就會利用脂肪產生酮體，以供應腦、心臟、腎臟皮質及骨骼肌作能量使用。因此，健康的人體在特定狀態下，如長時間飢餓或長時間高強度運動後體內會有低濃度的酮體產生以因應能量之不足。然而在抗癲癇的藥物被發明後生酮飲食的使用逐漸減少，直到 1994 年，一位患有癲癇的男童對藥物反應不佳且承受藥物帶來的副作用，男童母親翻閱文獻、發現過去生酮飲食對控制癲癇發作效果良好，在嘗試給予男童生酮飲食後發現反應不錯，生酮飲食才再度被重視，此段故事也被拍攝成由梅莉史翠普 (Meryl Louise Streep) 主演的感人影集《不要傷害我小孩》(First Do Not Harm), 爾後生酮飲食成了藥物治療癲癇效果不彰時的另一種選擇。酮體控制癲癇發作的機轉尚不清楚，目前認為癲癇症狀發作的主因為神經傳導物質分泌過多，導致病人抽蓄、驚厥 (convulsion) 甚至昏厥，而酮體可抑制神經傳導物質過度分泌、進而減少神經的衝動達到控制癲癇發作的效果。此外，另有研究發現酮體可促使具穩定性的神經傳導物質 ── γ- 胺基丁酸 (γ-aminobutyric acid, GABA) 生成，其可改善癲癇病患神經過度興奮及不安的問題，而兒童腦部對酮體的吸收利用率較成人好，也因此生酮飲食對癲癇兒童病情控制較有效。以下將針對酮體產生的機轉、對生 理的影響及何謂正確的生酮飲食做詳盡的介紹。酮體主要於肝臟細胞中的粒腺體進行合成，一般正常生理下葡萄糖進入粒腺體中進行糖解作用 (glycolysis) 產生丙 酮酸 (pyruvate), 丙酮酸再經由丙酮酸脫氫酶 (pyruvate dehydrogenase) 作用後產生乙醯輔酶 A (acetyl CoA), 另一方面丙酮酸亦可被丙酮酸羧化酶 (pyruvate carboxylase) 代謝產生草醋酸 (oxaloacetate, OAA), 草醋酸與乙醯輔酶 A 結合後則進入檸檬酸循環 (citric acid cycle) 產生能量。當醣類攝取不足時，體內會利用脂肪當作能量來源，脂肪經分解後產生脂肪酸 (fatty acid, FA), 脂肪酸進到粒腺體後進行 β- 氧化 (β-oxidation) 產生乙醯輔酶 A, 此時由於醣類攝取不足體內會有較少的草醋酸形成，其二過多的乙醯輔酶 A 無法進入檸檬酸循環，於是 2 個乙醯輔酶 A 經 β–酮硫解酶 (β-ketothiolase) 作用後相結合產生乙醯乙醯輔酶 A (acetoacetyl CoA), 乙醯乙醯輔酶 A 經過 羥甲基戊二酸單醯輔酶 A 合成酶 (3-hydroxy-3-methyl- glutaryl-coenzyme A synthase, HMG-CoA synthase) 作用後產生羥甲基戊二酸單醯輔酶 A (HMG-CoA), 而 HMG-CoA 經過 HMG-CoA 分解酶作用後產生乙醯乙酸 (acetoacetate), 乙醯乙酸經脫氫酶作用產生 β–羥丁酸，亦可經脫羧轉變為丙酮，此三種物質就是酮體 (圖一)。由於丙酮會藉由呼吸及排泄排出體外，故血液中存在的酮體主要指的是乙醯乙酸及 β–羥丁酸，此兩種酮體則主要藉由尿液排出體外。另外在其他生理狀態如：體內胰島素分泌量不足、低碳水化合物高油脂飲食時 HMG-CoA 合 成酶活性會增加，進而產生較多的 HMG-CoA, 此現象亦會促進酮體產生。......【更多內容請閱讀科學月刊第 577 期】 | science |
認識受脅物種紅皮書名錄 | 你是否經常在生態保育相關的報章、雜誌或新聞影片中，看到地球上某生物被「紅皮書」列為瀕危生物，或提及物種正面臨著滅絕的風險。但你是否曾想過，裡面提及列在紅皮書中、瀕危的物種，是怎麼一回事嗎？此文字描述是否有科學性理論的論證和資料的支持？以下，我們將透過簡單的介紹說明將某生物列入紅皮書的過程，或許你會發現在科學上，想要將「滅絕風險」以量化的方式呈現，比想像中還要更困難。紅皮書最早是由史卡特爵士 (Sir Peter Scott) 在 1963 年所提出，一份包含威脅程度定義的受威脅野生物清單 (a register of threatened wildlife that includes definitions of degrees of threat), 此定義完整闡述紅皮書評估系統的精神與價值。根據此定義，不少國家都有發展出各自的物種威脅程度評估方式或系統，例如：美國、澳洲、紐西蘭或日本等，不過這其中最知名，也最廣泛為人使 用的就是國際自然保育聯盟 (International Union for Conservation of Nature, IUCN) 的紅皮書系統。國際自然保育聯盟，在 1964 年完成世界最早的第一份《紅皮書名錄》(Red List of reatened Plants) 後，不遺餘 力地在全世界推廣紅皮書評估與協助出版工作，迄今已經發展超過 50 年。2012 年，已有超過 113 個國家及 45 個地區完成以此系統的評估工作與出版，成果斐然，包括我們這次的評估也使用此套方法。此評估系統之所以被廣為接受，是因為其科學性且一致性的評估標準。所謂科學性，是指評估本身是基於量化的科學結果呈現，依照個別物種所對應數量級的不同而歸類；一致性則是指無論哪個類群，都是用同一套基準來做評估和歸類。為此，IUCN 的評估系統使用 5 個主要標準 (criteria) 及個別的次標準 (sub-criteria), 作為物種是否被列入紅皮 書類別中受脅類別 (threatened category) 的判斷依據 (圖一), 包含極危 (Critically Endangered, CR)、瀕危 (Endangered, EN)、易危 (Vulnerable, VU) 三項類別。由於受脅類別具有滅絕的風險，是一般大眾或科學家比較關切的類別。從字義上很容易可以判斷出極危最危急，而瀕危較易危危急，受脅類別越高的生物可以被視為更容易滅絕的意思，但有多危急呢？乍看以為是描述性的 文字其實是可以實際推估出來背後的滅絕率。IUCN 評估標準中，即有一個是滅絕機率的估計。也有論文透過計算且平均各指標後認為極危相對於瀕危的滅絕機率高出 10 倍，瀕危相對於易危也高出 10 倍，所以，極危相較於易危的滅絕風險則高出 100 倍。其次是一致性，IUCN 所發展的這 5 個標準是可以適用於所有物種，包含快速族群下降 (rapid population reduction); 分布侷限、碎裂化，同時存在族群下降或嚴重波動 (small range and fragmented, declining, or extreme fluctuations); 小族群且持續下降 (small population and declining); 非常小的族群 (very small population) 以及量化分析 (quantitative analysis)。評斷標準所需的資料包含物種的分布、生活史、數量及其變動狀況，涵蓋十分全面，幾乎將一個物種研究的所有資料都納入使用。所以，在 IUCN 的資料庫裡無論是體型大如鯨魚、小如螞蟻，或壽命長達百年的象龜、短則幾天的蜉蝣，這些看似天差地遠的類群與種類，都有被用這樣的系統來評估過。看到這樣的資料需求，即使是專家也會嚇一跳，要這樣廣泛和深入的資料才能作紅皮書評估，那恐怕所有種類都要被歸類在「資料缺乏 (Data Deficient, DD)」了。事實上，因為各種類群與生物所能獲得的資料可能差異很大，例如分布範圍橫亙大洋的鯨魚，如果單純只看分布範圍的時候，可能會被認為是沒有受到威脅的，但如果透過檢視歷年實際捕獲的漁獲資料，可能會發現族群數量其實已經 下降超過 90%; 或是以為數量很多的螞蟻，透過博物館有系統採集的資料，可能發現其分布範圍其實已經大幅縮減。因此，個別物種可能會因為其生物特性或是資料取得是否容易，而必須有不同的討論。IUCN 評估系統使用所謂複合式標準 (multiple criteria) 的評估方式，亦即前述 5 個標準是分別獨立評估的，個別評估完畢後選擇最嚴重威脅類別，並列出評估標準與次標準，以作為該種生物的最後評估結果。......【更多內容請閱讀科學月刊第 577 期】 | science |
世界的形狀—宇宙的故事 | 數千年前，沒有電視、沒有網絡。夜幕低垂，人類抬頭仰望星空，也許會問：世界到底是什麼形狀的？從前，我們認為「世界」就是我們居住的地球。直到今天，「世界」這個詞的意思仍多指「地球」, 與科學認知的整個「宇宙」意思不同。那麼，世界...... 噢不，那麼宇宙究竟是什麼形狀的？宇宙的邊緣在哪裡？宇宙有多老？宇宙有終結的一天嗎？這些人類史上從古至今的宇宙大哉問，其實全是最前沿的科學研究題目。讓我們首先來看看從前人們是如何看這個地球的吧！幾千年前，人類就認識到地球不是平的。古希臘人發現能看見遠方帆船的帆但卻看不見船身，發現地球表面是彎曲的。另一個證據就是月食，很早的時候，古希臘人就已經發現月食形成的原因，是因地球影子投影於月球之上所形成。他們發現月食時的陰影永遠都是正圓形的，而只有當地球是球狀三維立體時，投下的影子才會出現這個情況。不過在那時候，仍然有很多人認為地球是平的。一部分原因是直觀的日常感覺，我們看不出地表有曲率。另一方面，由於當時科學只是屬於有錢人的玩意，一般百姓很難獲得最新的知識，導致科學資訊不流通。(畢竟當時可沒有臉書和谷哥大神啊！) 人類是好奇心很強的生物，我們渴望知道、害怕不知道。有時候，我們甚至不惜虛構出神話故事去填補心靈上的空虛。其中一個耳熟能詳的古代「宇宙模型」, 即地球是一塊平的陸地，放在一隻巨大的象或烏龜的背上。而為什麼要放在動物的背上？原來原因也非常科學，因為古人要解釋海浪和地震！對比現代的地平論者，古代的地平說可算是非常有科學精神的啊。然而，埃拉托色尼 (Eratosthenes of Cyrene, 西元前 276~ 前 195/194) 知道並理解地球不是平的。他認為地球是個 正球狀的立體，而且做了一個美麗的實驗 —— 測量地球圓周，而且是在西元前 200 多年！雖然埃拉托色尼的著作《測量地球》今已佚失，我們仍能夠從其他學者的著述得知埃拉托色尼測量地球圓周的方法。由於地球自轉軸並非垂直於公轉平面，因此位於北回歸線及南回歸線之間的所有地點，太陽每年都會在其中一天的正午運行到天頂。換句話說，當天正午時，位於該地的所有東西都是沒有影子的。埃拉托色尼發現在夏至當天，在埃及古城賽恩城 (Syene) 的井裡可以看見太陽的倒影，即太陽剛好運行至賽恩城的天頂。......【更多內容請閱讀科學月刊第 577 期】 | science |
談電腦輔助證明 | 這個月的專欄來談談電腦輔助證明，我們來看看幾個例子。先回憶一下前 (2016) 年 4 月份的本專欄文章〈拼滿平面的五邊形〉, 數學家對用全等的凸多邊形能否週期性地拼滿整個平面非常感興趣。因為用任意三角形一定可以鋪滿平面，要判斷四邊形是否能鋪滿平面也不難，六邊形以上因為內角和的關係不可能，所以，只剩下五邊形。那篇專欄中，說明了這 100 年間，一路下來只找到 15 種 五邊形可以鋪滿平面，而且第 15 種還是在 2015 年才找到的 (圖一)。因為長度和角度都是「漂亮的」, 這個形狀也成為 2016 年大學學測的題目。而其實，第 15 種是用電腦搜尋出來的，是否只有 15 種？還是一個有名的未解問題，至少在去年我寫專欄的時候還是一個未解問題。今年 7 月，法國國家科學研究中心 (Centre national de la recherche scientifique, CNRS) 的研究員拉奧 (Michaël Rao) 宣稱終結了這個問題。他的結果是拼滿平面的五邊形就只有這 15 種。拉奧的證明用到了電腦輔助證明。 他先透過數學方式把整個問題分成 371 類，然後再用電腦進行大量的計算處理。目前論文已經投稿，還在接受同儕的審查中，所以此證明是否能證明真的只有這 15 種可能還要再等一陣子才知道。但，目前數學界類似這種 「證明中的一大部分是電腦完成」的證明，真的是愈來愈多了。往前回溯，來看看著名的四色定理。這是第一個用電腦輔助證明出來的大定理。四色定理是說任何一個地圖只要用四個顏色，就可以讓相鄰區域不同色。這並不顯然，如圖二，讀者可以試試看能不能用 4 個顏色就讓相鄰區域不同色。(相當不容易！) 四色定理的第一個證明在 1976 年由數學家阿佩爾 (Kenneth Appel) 與哈肯 (Wolfgang Haken) 發表。經過數百頁的紙筆證明，他們把問題化為只要考慮 1936 個特殊的圖形。經過電腦連續計算 1200 個小時 (50 天) 後，得到這 1936 個圖形都是不可約的 (irreducible) 構形，從而證明了四色定理。......【更多內容請閱讀科學月刊第 577 期】 | science |
以非破壞性方式窺見胡夫金字塔內部 | 古埃及人建造金字塔，相傳是過世的法老 (國王) 陵墓。金字塔陵墓基座為正方形，四面由四個相等的三角形構成。金字塔既然主要用途是為了讓法老可以安心往生，其象徵的宗教意義也相對強烈。有座相當有名、位於埃及吉薩市的胡夫金字塔 (Great Pyramid of Giza, 又稱「大金字塔」、「奇歐普斯金字塔」), 相傳是胡夫法老王死後安放墳墓的地方。目前該金字塔，是全球觀光客的愛好景點、號稱古代世界七大奇蹟之一，同時也是唯一一個依然存在於現代的奇蹟。這座胡夫金字塔由約 230 萬塊巨石所建成，高度約 140 公尺、底邊長約 230 公尺。科學家們相當好奇這座金字塔是怎麼蓋起來的？以現在一層樓高 3 公尺來粗估，這座金 字塔約 47 層樓高，實在驚人，到底 4500 年前的埃及人 是怎樣做到的？若是以現代文獻推估，這座金字塔是利用 20 年的時間建造而成，230 萬塊巨石除以 20 年，平均每小時需將 13 塊巨石安裝到位，且必須日夜不休。更驚人的是，古埃及學家皮特里 (Flinders Petrie) 於 1880~1882 年對金字塔進行了第一次精確的測量，他的報告指出金字塔外部的石壁與內部墓室的石材都被高度精準地組合在一 起，石塊與石塊之間的空隙平均只有 0.5 公分。這 230 萬塊巨石，約用了 550 萬噸石灰石、800 噸花崗岩和 50 萬噸的灰泥，當作石材。外包石塊則用打磨過的 白色石灰石包起來，然後經過仔細切割。依照石材的材料，推估工人需要從採石場挖掘、再透過尼羅河運送到金字塔地點。古埃及學家提出，工人們應該是利用關鍵路徑法運送石塊。運送這些石塊時，因為沒有發現古埃及工人使用滑輪、輪子或鐵器，很可能是直接用人力慢慢移動石塊重心，以左右搖擺的前傾姿態，用人力以接力賽的方式拉過去金字塔建造地。早期有學者提出金字塔是由大量的奴隸建造的，然近代則藉由找到建造金字塔工人的生活用品，改而認為建造者是一群優秀的工匠，而且過著不錯的生活與擁有不錯的社會地位。畢竟需要聰明的頭腦與精準計算過的設計圖，不太可能是受到日夜虐待的血汗奴隸做的，反倒是過著不錯生活的快樂工匠才比較有可能做到。回到胡夫金字塔的內部結構，早期考古學家透過各種方式，找到了入口、王后墓室、大走廊和國王墓室等，也發現了盜墓者挖掘的通道。由於擔心古蹟倒塌，科學家盡量減少使用破壞性方式去尋找新通道。最新的一篇發表文章，於 2017 年 11 月初發表在 Nature 期刊，是粒子物理學家們使用渺子 (muon) 偵測器發現了胡夫金字塔內一個從來沒有被發現過的、跟自由女神像差不多高的超大空間。粒子物理學家們知道大氣中、由宇宙而來的大量宇宙射線中，含有渺子。而渺子可以穿透石頭。渺子是基本粒子標準模型中的輕子，與電子 (electron) 具有類似特性，但與電子不同的是，渺子質量約為 105 MeV/c2, 約是電子質量的 200 倍。渺子帶負電，穿越物質的軌跡訊號，可以藉由渺子偵測器獲得。只要將渺子偵測器放在金字塔周圍，等待夠長的時間，就能得知由宇宙射線而來的渺子，通過金字塔後，在哪些位置的渺子數量訊號較多、哪些較少，藉此推估出金字塔的內部結構。渺子偵測器在加速器實驗早已廣泛被使用，但是粒子物理學與考古學結合的跨領域，倒是非常特別。這個渺子偵測器放在王后墓室的位置，可以偵測其上方空間的渺子數量。這個計畫開始於 2015 年 10 月，粒子物理學家必須設計一種渺子偵測器，只能使用電池作為長期偵測，因為偵測器放在金字塔裡面。這個研究的目的是想利用渺子偵測器替金字塔照相，照出內部結構透視圖，類似用 X 光替人類拍出骨骼、牙齒的技術。能利用渺子偵測器替胡夫金字塔拍攝內部結構照，讓很多粒子物理學家感到很羨慕 (好吧，至少我很羨慕)。渺子偵測器裡面有閃爍體，閃爍體會在接收到帶電粒子之後，產生光。光訊號透過光電倍增管轉換成電訊號，搜集電訊號就能得知渺子的通過數量，代替人眼，看見渺子訊號。這個被渺子偵測器透過非破壞性的方式偵測出來的超大空間，考古學家們對其存在的位置相當感興趣。這個超大空間的位置，在法老墓室走廊通道的正上方，這是為了防止金字塔過重、當作金字塔的減壓室嗎？這麼長的走廊和挑高的空間，是為了放藝術品給法老靈魂觀賞用的嗎？是讓法老靈魂升到天國的通風井嗎？種種的疑惑，在發現了這件事之後，引發諸多研究聯想。延伸閱讀 Kunihiro Morishima, Mitsuaki Kuno and Mehdi Tayoubi, Discovery of a big void in Khufu’s Pyramid by observation of cosmic-ray muons, Nature, 2017. | science |
地球自轉與地震活動─人們預防震災的作為,應受地震頻率影響嗎? | 去 (2017) 年的 10 月至 11 月初，Science 和《英國衛報》(The Guardian), 皆刊登一則 2017 年美國地震學會 (GSA) 的科學演講《近五年全球地震危險預測》(A five year forecast for increased global seismic hazard), 內容大致提到全球強震數量變化和地球自轉的相關性，並以此進一步研究分析，得到未來一年地震將更頻繁的結論。其研究團隊的地質學家，主要為科羅拉多大學地質學家比爾漢姆 (Roger Bilham) 和蒙大拿大學地質學家本迪克 (Rebecca Bendick), 他們統計了 1900 年至今全球地震的活動趨勢，除了強震的時間上有些規律外，其規律亦可對應自 4 年前起地球自轉速度開始減慢的情況，故根據此統計趨勢，有可能明年開始，大地震將會更頻繁，且頻率將會從過去每年約 15 次，提升至 20~30 次，尤以熱帶 地區 (研究標定為 10°N~30°S 的 區間) 的地震數量變化更為顯著。 的確，綜觀全球歷史強震 (規模 7.0 以上) 的逐年變化統計，可發現某些年分區間地震確實較為密集，如圖一為 1900~1989 年發生規模 7.0 以上地震的統計圖，圖中顯示平均每年約有 17 個規模大於 7.0 的地震，而其分佈的 位置大略顯示其有某種週期關係。與地球地震活動的時間尺度相比，統計時間還是相當短，難以論斷週期性行為，而筆者進一步將地震的分析統計推衍至 2017 年，如圖二，可見此規律到了近期趨勢似乎稍有變化，故筆者認為相關文章描述的地震活動與地球自轉變化之關係，從直觀的數據來看尚難以論斷，或許需以更精確的方式分析。本研究者受訪時也指出，造成地球自轉速度變化的原因，或許是自轉變化與地震活動的影響機制，有待後續研究。不過，比起許多漫無目的與缺乏科學方法的地震預測而言，此篇研究立基於科學觀測與推論，不失為創新的研究方向。往例也告訴我們，如 1894 年日本地震學者大森房吉提出餘震衰減關係的大森法則 (Omori's law), 亦是統計地震後的餘震個數所建立，因此透過地震觀測試圖找出規律的地震學研究，並非沒有前例，而此研究最大的挑戰為其觀測及推論能否符合理論模型，無論預測成功與否，都是帶動科學前進的動力，對於結合地震觀測及理論的發展與議題討論都別具意義。 在地球自轉的變化裡，這則報導中所謂的「地球自轉速度變化」改變十分微小，一年僅累積數毫秒 (1 毫秒 = 0.001 秒) 的變化，儘管如此、隨著時間累積，或許這些微小變化會讓板塊運動的速率產生些微增減。然相較於每年移動數公分的板塊，兩種運動的尺度相比，自轉速度的微小變化在板塊運動上的貢獻程度似乎很小；換個度思考，是不是只要有這麼微小的變化，就能撼動某些位於臨界點上的孕震構造？當然，此想法目前仍難以證明。另外，目前科學家也已經發現，大規模地震確實也會影響地球自轉的速率，並且讓自轉軸偏移，以最近一次 2011 年日本 311 地震為例，震後「加速」了自轉，讓一天的長度減慢了 1.6 微秒 (1 微秒 = 0.001 毫秒)。雖從數值可見其影響之小，然一旦考量經年累月的地震活動，會讓事情變得複雜：或許地震行為可能受地球自轉影響，又或許地震還可能影響地球自轉的行為。只是，想探討的問題在空間、時間尺度上極大，且需測量的變動又相當細微，以目前的科學和科技，在測量上有所限制，要回答此機制問題還有一些挑戰。即便如此，其所延伸的科學議題──以地球的動力模式分析地球自轉速率變化，對板塊相對運動導致的應力變化分佈，是值得深究的。如此文針對觀測之現象學上的分析，若以更嚴謹的科學角度評斷，或許也應保守看待，畢竟統計資料僅能告訴我們相關性，無法告訴我們因果關係。除了需要更多的物理機制解釋，也需要更多的「證明」, 也就是實際上得等到明年過了、地震次數統計揭曉，才能了解這個研究的推論是否真能禁得起驗證，進而達到長期預測全球強震數量變化的成就。如前述大森法則，可以經過修正後持續使用至今，並非是當時研究本身特別突出，而是由於它能經過百年來的觀測重複驗證。關於地震研究的實質意義地震本身就是對人類生命威脅甚大的自然現象，正所謂人命關天、這項研究的目的也並非要指出未來地震的確切位置，而是告訴我們，若依研究者的觀察與理論，明年的強震在某些地方將可能變得更頻繁。就如相關地震預測的研究，以科學角度來看，此相關議題皆值得持續分析研究。但我們真正面臨的挑戰不是地震預測、而是應對方式，因為就算成功預測地震，若無相關的防災意識、地震還是會帶來災害。因此，地震防災研究與推廣是比地震預測更迫切且實際的一項工作，像是如何將科學數據，轉換成應用的成果。若地震預測無法具有效性，筆者認為以相關數據分析短、中、長期地震活動機率及其衝擊，會是更有效且重要的作法。試想，假如沒有這個研究報導，我們就不用擔心地震了嗎？實際上地震的風險時時刻刻都存在。秉持趨吉避凶的人性本能，既然地震威脅一直存在，無論這項研究結果是否真能被驗證、抑或提出 2018 年的地震之多寡，仍須有防災作為！那何處最需要地震防災？那當然就是地震的好發處。將長期觀測到的大地震紀錄畫在世界地圖上，大多數孕震帶集中在板塊邊界附近，其中也有少部分強震位於某些特定陸塊的構造帶上 (圖三), 這些地帶都是未來可能發生大規模地震的區域。對居住在這些地區附近的人們來說，地震防災是極其重要的公民素養，而所謂防災素養並非僅指個人的地震包、居家防護等，許多基礎建設、救災體系甚至災後重建的經費規畫，都屬防災的一部分。圖三：世界地震活動分布圖，圖中圓點為呈現 2000~2008 年規模 5.0 以上的地震震央。(資料來源：美國國家教育基金會，U.S National Education Foundation) 災害防治與評估位處環太平洋地震帶上的臺灣，自然也需與時俱進地提升防災作為，但要用什麼方式、運用什麼科學資訊才有助於地震防災？筆者將舉例輔助說明。雖然科學上還無法預測各地發生地震的時機點，但如前所述，現今的地震危害度分析，可以藉由過去的地震活動及孕震構造「評估」不同地區未來將遇上的震度情形。臺灣地震模型組織利用地震及地質資料，以機率式地震危害度分析技術，將未來強地動發生之可能性量化，進而提供政府主管機關對重要場址 (如：核電廠及學校校舍等) 之安全評估 (圖四)。也就是說，我們可以藉由科學資料作出評估，在合理的情況下提升建築耐震度，並依不同地區的風險分配資源。(《科學月刊》第 562 期有相關報導提及此概念，可作為延伸) 圖四：臺灣未來 50 年，最大地表加速度值達到 0.23g (相對於氣象局震度 5 級) 及 0.33g (相對於氣象局震度 6 級) 以上的發生機率，而機率則代表各地遇到該震度搖晃的「風險」。(資料來源：臺灣地震模型，Taiwan Earthquake Model) 此外，透過震源參數拆解分析，科學家可標定造成地震危害的主要震源。根據該震源特性，利用前項所說的地震波模擬技術，考量地震波傳遞過程的物理特性，估算該震源可能造成鄰近或目標地區的震度。若我們已經知道部分孕震構造發生時必然有嚴重結果，就能依據情境、事先預先投入一定資源，除了可在減災防震中有所作為，也能在預演或是救災規畫上有所本，而不至在實際發生時慌亂無章。 地震難以確知何時到來，但它必然會來。研究指出明年可能會有更頻繁的地震而需要加強準備的提醒，對提升大眾防災意識而言固然很好，然我們更加期盼的防災觀念是平時能有多一些對地震災害的警惕、並落實於生活中。為推廣地震科學及相關知識，筆者成立了「震識：那些你想知道的震識」部落格提供相關普及知識，並持續關注地震話題，也希望藉此讓大眾正視地震災害帶來的衝擊、瞭解其所在區域的風險。 | science |
可探測新的物質相位與特性的量子模擬器 | 電腦的程序設計需花時間編碼 (code)、 偵錯、測試與建檔以確保其正常運作。哈佛大學物理學院實驗室教授路金 (Mikhail Lukin) 等人與麻省理工學院教授弗雷提克 (Vladan Vuletic) 率其研究員透過雷射光捕捉超冷銣原子 (super-cooled rubidium atoms), 並將其以特殊的方法排列，使 量子力學可進行必要的計算，進而研發出 一種量子模擬器 (quantum stimulator)。 透過量子力學與物質特性、檢視新的物質相位 (phase), 望能藉此揭開一系列複雜的量子過程。路金表示，所有的過程都在原子濃度近乎 為零的真空室裡進行，聚焦近百束雷射光 經過真空室時，其可抓住 0~1 個原子，但有趣的是無法抓到 2 個。研究協同作者歐姆蘭 (Ahmed Omran) 表示，團隊以可操控的方式組裝它們。系統的量子本質從能源開啟的那一刻起由原子作用生成，透過雷射光激發系統，其將能自我組織 (self organized)。雷射光束並非只能捕捉 0~1 個原子，此結果僅為研究團隊在原子進行計算時得到的數據。為何不直接用電腦模擬某些粒子的交互作用？凱士林 (Alexander Keesling) 表示，這些作用本質上是量子力學，若嘗試以電腦模擬這些系統，會受制於非常小的系統規模，且參數相當有限；倘若讓系統更大些，一般電腦的記憶體與計算能力將消耗殆盡。解決之道是在系統模擬時，找出遵循相同規則的粒子之問題，這也說明其作為模擬器的原因。路金研究室的博士後研究員伯尼恩 (Hannes Bernien) 指出，相干量子態 (coherent quantum state) 使系統針對複雜量子現象提出新見解，進而成就有效的計算，使研究員能得到量子相位不同型態的轉換，揭開物質存在的新形式。一般所說的物質相位 (phase of matter) 為平衡態 (equilibrium), 然實驗發現一個相關的非平衡狀態，並且維持長時間的穩定。專家認為量子演算法有超越現行計算機的可 能，雖尚無法做測試，但在未來幾年、量子電腦將有機會用以研究物質的非平衡狀態、甚至解決複雜的優化問題。Hannes Bernien et al., Probing many-body dynamics on a 51-atom quantum simulator, Nature, Vol. 551 (7682): 579, 2017. | science |
木衛二表面也有「板塊」隱沒帶? | 有部分科學家認為地球的板塊運動創造了多樣的環境，讓生物得以複雜多樣，也有人認為板塊運動可以誘發生命誕生 (但目前無法斷定是否為生命誕生必要條件)。目前地球為太陽系中唯一確認擁有板塊運動的行星，地球上的板塊運動包含大陸板塊的隱沒擠壓、中洋脊擴張形成新的海底地殼等。木衛二歐羅巴 (Europa) 表面深色裂縫 看似與地球海底中洋脊相似，因此科學 家推測木衛二的冰殼也有類似隱沒帶的構造，但對相關機制並不清楚。而布朗大學 (Brown University) 研究團隊最新的研究，利用電腦模擬計算後，算出在木衛二歐羅巴表面冰殼隱沒帶存在機率極高。研究團隊負責人強森 (Brandon Johnson) 表示，歐羅巴的冰殼有兩層，外層的冰很薄，位於一層較溫暖的對流冰層上，當溫度改變，冰的密度亦改變，造成冰互相擠壓。另外鹽分含量也決定 冰殼是否隱沒，當兩層冰層存在不同量 的鹽，則可提供冰殼隱沒必要的密度差異。研究團隊還表示，過去曾觀察到木衛二地下海洋噴發至冰殼表面的證據，在冰殼中留下大量鹽分，能支持他們對於鹽分造成冰殼板塊運動的說法。Brandon C. J. et al., Porosity and salt content determine if subduction can occur in Europa's ice shell, Journal of Geophysical Research: Planets, 2017. | science |
眼神接觸有助親子腦波同步 | 劍橋大學嬰幼兒人際神經溝通學習實驗室 (Baby-LINC Lab), 日前就成人與嬰兒互動時腦波同步的可能性進行研究，發現眼神接觸的形式影響顯著，研究結果刊登於近期的《美國國家科學院院刊》(PNAS)。腦部各區資訊傳遞所仰賴的腦波，是由數以萬計的神經元活動產生。過去研究顯示，一組成人傳遞訊息時，兩者的腦波在同步 (synchrony) 的狀態下會達到不錯的溝通效果，然而成人與嬰兒間是否存在這個關係，先前尚不清楚。實驗主要分成兩大組。在實驗一裡，嬰兒觀看一個成人唱著童謠的影片，而影片中的成人注視嬰兒的目光又分成三種：直接注視 (向前看)、間接注視 (頭部和眼睛偏離前方 20°) 和直接斜視 (頭部扭轉，但眼睛朝前); 實驗二則與實驗一無太大差異，只是將影片裡的人代換成一個真正的人。前後兩次實驗中，研究團隊會以雙重的腦電圖 (electroencephalography, EEG) 評估注視形式與成人 - 嬰兒間的神經耦合 (neural coupling) 程度。實驗一裡，成人直接注視或斜視嬰兒的眼睛時，嬰兒的腦波會較間接注視時來得接近成人，根據 ScienceDaily 報導，研究人員認為，嬰兒可能在過程中得到成人欲與其溝通的強烈訊息。而在實驗二當中，直接注視讓嬰兒更頻繁地發出聲音，且發聲時間較長的嬰兒也會引起了成人神經訊號強烈同步。這些結果顯示，直接注視在交流過程中，會增強成人 - 嬰兒雙方神經的連通性。或許，腦波同步化的成因不單只是受試者看到對方的臉或有趣的事物，還有彼此共享的那份溝通意圖！研究作者之一里昂 (Victoria Leong) 博士表示，兩者相視時對彼此釋出「可交流」 與「欲求溝通」的訊號，當彼此對注視的動作有所回應，腦波也將更同步，這個機制也許可以使孩子的學習更有效率。然而，眼神接觸與發聲等行為，究竟如何帶來這些同步腦波，需再進一步研究。新聞來源 Leong V. et al., Speaker gaze increases information coupling between infant and adult brains, PNAS, 2017. | science |
掠食者獨特的面孔具相對應的行為特徵 | 許多哺乳類掠食者都擁有獨特的面孔、或在胸口有特殊的圖樣，如眼鏡熊 (spectacled bear) 眼睛周圍滾出的大一塊黑色圓圈、或是非洲果子狸 (african civet) 脖子上那條明暗交錯的「項鍊」。 這些動物的獵物通常會長出能與環境融合的斑點或條紋作防備，許多掠食動物也都 有，但無論掠食者是否具備環境偽裝，都能在他們的臉上或胸口找到沒有混在一起的標誌。加州大學生物學家卡羅 (Tim Caro) 與其團隊蒐集了 164 張陸生掠食動物照片，這些動物包含犬科 (canids)、貓科 (felids)、熊科 (ursids)、貂科 (mustelids)、靈貓科 (viverrids) 與獴科 (herpestids) 等六種動物科，針對每一個種 (Species) 的光影分析其色彩組成、陰影與對比狀況。該動物 的臉部或胸部若擁有高對比與色調，則給予高複雜分數 (complexity score), 反之則得分較低。研究人員媒合這些分數與動物行為發現，擁有複雜圖樣的犬科，如胸前有白色條紋並披有對比強烈的黃褐毛色的衣索匹亞狼 (Canis simensis), 其在獵食時較具社會性，此時的特徵使牠們能辨識彼此。靈貓科的果子狸 (Civettictis civetta) 身上的條紋與斑駁的面孔具警示性，多會對其他掠食者進行反擊，亦能在追捕獵物時作為偽裝、降低獵物的警覺。熊科之間則有較多重疊的特徵，複雜的臉孔使其能輕易辨識相同的種類，避免與其他物種交配。擁有複雜的臉部陰影、隸屬貂科的巽他臭獾 (Mydaus javanensis) 與非洲艾虎 (Ictonyx striatus) 其肛腺會分泌有毒液體，用以驅離掠食者。而貓科動物由於其圖樣並未與任何特質顯著媒合，因此尚無定論。體色的演化驅力在這份研究裡展露無遺，在阿拉巴馬大學攻讀動物體色的生物學家希爾 (Geoffrey Hill) 表示，未來的研究可納入更多元素，如日行性與夜行性、動物的棲地等。此外，卡羅正鑽研演化史上與我們相近的哺乳類動物，發現許多猩猩與猴子亦在臉部及胸部有複雜體色，至於為何演變至此，尚待研究。Tim Caro, et al., The evolution of anterior coloration in carnivorans, Behavioral Ecology and Sociobiology, Vol 71:177, 2017. | science |
分解塑膠碎片的海洋生物 | 據估計，全世界每年會製造出 1.2 億噸以上的塑膠製品，像是手提袋、塑料瓶等，而這些產出，都是塑料污染的主要來源。 最近，科學家發現一個塑膠提袋會被海洋生物分解成約 175 萬個微小碎片，造成潛在的環境破壞與物種危害。英國的普利茅斯大學 (University of Plymouth) 研究團隊藉由觀察一種棲息在北歐和西歐沿海地區的端足類動物 (Orchestia gammarellus), 發現此種節肢動物會將海洋中的塑膠垃圾撕成微小碎片，且在糞便中觀察到許多塑膠碎片。研究也發現影響其降解速度不在於塑膠的類型，若隨時間的積累使塑膠外裹上一層有機材料 (生物膜), 則會使降解速度增加 4 倍。研究人員表示這與先前海鳥攝食的研究相似，海洋生物會被富含生物膜或散發特殊化合物氣味的塑膠吸引，當成食物，造成塑膠碎片的擴散。研究人員進一步表示，綜觀目前的研究顯示，已有超過 700 種海洋生物會攝入塑膠碎片，並對個體造成直接的危害。D.J. Hodgson, A.L. Bréchon and R.C. Thompson, Ingestion and fragmentation of plastic carrier bags by the amphipod Orchestia gammarellus Effects of plastic type and fouling load, Marine Pollution Bulletin, 2018. | science |
應用在AI、5G的先進製程技術鰭式場效電晶體(Fin Fet) | 在去 (2017) 年 9 月底，中央通訊社報導，台積電宣佈 3 奈米新廠落腳臺南，並且比原先預估的時程提早約一年量產，這等於宣告台積電技術領先，對競爭者如三星、英特爾產生震懾作用，更可以給予大客戶信心。台積電不但技術領先，更將技術結合人工智慧 (Artificial Intelligence, AI)、第五代行動通訊 (fifth generation, 5G)、雲端應用 (cloud application), 對臺灣產業發展是絕佳助力。有關 3 奈米新廠建廠時間 表與投資總金額，台積電表示，目前仍未定，初步規劃強效版 7 奈米製程將於 2019 年量產、5 奈米製程預 計 2020 年量產、3 奈米製程預計在 2022 年量產。目前半導體製程技術已推進到 10 奈米，根據台積電董事長張忠謀的預估，3 奈米技術會成功實現，但是 2 奈米則有不確定性，換句話說 3 奈米有可能是半導體終極先進技術，主要是因為目前使用的紫外光雷射光源與光罩曝光系統已經利用到了極限，台積電 3 奈米技術已經研發 2~3 年，對於成功量產很有把握，但是 2 奈米是否能夠成功則要再努力幾年才會知道，而 2 奈米以下已經到了紫外光的物理極限，因此就很困難了！Apple 新推出的手機從第六代 (iPhone 6s) 開始內的 A9 應用處理器，就已經開始使用新的「鰭式場效電晶體 (FinFET)」, 代表 FinFET 開始全面攻佔手機處理器，基本上 10 奈米以下的電晶體都必須使用這種新型的結構，到底什麼是「場效電晶體 (FET)」? 什麼又是「鰭式場效電晶體」呢？FET 的全名是「場效電晶體 (Field Effect Transistor, FET)」, 先從大家較耳熟能詳的「MOS」來說明。MOS 的全名是「金屬–氧化物–半導體場效電晶體 (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET)」, 構造如圖一所示，左邊灰色的區域 (矽) 叫做「源極 (source)」, 右邊灰色的區域 (矽) 叫做「汲極 (drain)」, 中間有塊金屬 (紅色) 突出來叫做「閘極 (gate)」, 閘極下方有一層厚度很薄的氧化物 (黃色), 因為中間由上而下依序為金屬 (metal)、氧化物 (oxide)、半導體 (semiconductor), 因此稱為「MOS」。MOSFET 的工作原理很簡單，電子由 左邊的源極流入，經過閘極下方的電子通道，再由右邊的汲極流出，中間的閘極則可以決定是否讓電子由下方通過，有點像是水龍頭的開關一樣，因此稱為「閘」; 電子是由源極流入，也就是電子的來源，因此稱為「源」; 電子是由汲極流出，看看說文解字裡的介紹：汲者，引水于井也，也就是由這裡取出電子，因此稱為「汲」。當閘極不加電壓，電子無法導通，代表這個元件處於「關 (OFF)」的狀態，我們可以想像成這個位元 (bit) 是 0, 如圖一 (a) 所示；當閘極加正電壓，電子可以導通，代表這個元件處於「開 (ON)」的狀態，我們可以想像成這個位元是 1, 如圖一 (b) 所示。MOSFET 是目前半導體產業最常使用的一種場效電晶體，科學家將它製作在矽晶圓上，是數位訊號的最小單 位，我們可以想像一個 MOSFET 代表一個 0 或一個 1, 就是電腦裡的一個「位元」。電腦是以 0 與 1 兩種數 位訊號來運算；我們可以想像在矽晶 片上有數十億個 MOSFET, 就代表數十億個 0 與 1, 再用金屬導線將這數十億個 MOSFET 的源極、汲極、閘極連結起來，電子訊號在這數十億個 0 與 1 之間流通就可以交互運算，最後得到使用者想要的加、減、乘、除運算結果，這就是電子計算機 (電腦) 的基本工作原理。晶圓廠像台積電、聯電，就是在矽晶圓上製作數十億個 MOSFET 的工廠。......【更多內容請閱讀科學月刊第 577 期】 | science |
海報褪色的秘密 | 海報褪色的原因有很多，紫外線、溫度、 濕度等等都是可能的因素。不過，大家是否有注意過，公佈欄上張貼許久的海報，常常呈現如圖一的樣子嗎？為什麼褪色之後，色調會偏藍、綠色呢？原因在於印刷油墨的比重。油墨是由顏 料、連接料、填料、附加料等組成，所有組成物會均勻地分散在連接料中，是 一種具有一定黏性的流體物質。顏料是色彩的來源，由各種天然成分中萃取出來 (如：植物、昆蟲等), 再經由化學合成，為粉狀物質；連接料俗稱調墨油，讓油墨有適當的粘性和流動性；填料為白色粉狀，可以調節油墨整體的濃稠程度；附加料是當以上 3 種配方仍無法滿足印刷需求時才予以添加。一般印刷為四色印刷，指的是色料三原色 —— 青色 (cyan)、洋紅色 (magenta)、黃色 (yellow), 再加上黑色 (black) 這四色油墨，由四種油墨依比例調出所需顏色。油墨調製時，由於各種成分添加比例上的差異，不同顏色會有不同的比重 (密度), 其比重大小為：洋紅色 <黃色 < 青色≒黑色。印刷完成後，洋紅色的油墨會因為比重的關係稍微往上浮。去過印刷廠的讀者，也許會發現，油墨已經乾燥的印刷品會較剛印刷好的色調偏紅一些，膚色尤其明顯。所以，當海報或印刷品放置一段時間之後，會從洋紅色開始褪色，其次是黃色。最終我們看到年代久遠的彩色海報，就是紙張泛黃以及海報上剩下尚未完全褪色的油墨所呈現的色彩了 (圖二)。 | science |
前往萊頓的奇幻旅程—劉維民專訪 | 走在輔仁大學極寬走廊，找著劉維民老師的辦公室，就在樓梯間遇到劉老師，第一眼就能看到老師的微笑，老師客氣地邀請我們到辦公室。「在一開始，我還沒有出國的打算，但在唸碩士班的時候，同學都在準備出國唸書，看到同學都出國讀書，我在想是不是也可以一起出國增加人生見識，因此燃起出國讀書的想法。但我比較叛逆，不想要跟別人一樣，因此選了歐洲地區學校。」坐定後，進入正式訪問，劉維民老師說起他出國讀書的機緣。選擇前往荷蘭荷蘭在當時算是較少學生前往唸書的國家，且當時的臺灣除了幾所歐洲鼎鼎有名的學校外，對於其他歐洲國家學校所知甚少。「當時會去荷蘭是一個巧合，我那時候已經考上臺大博士班，在想著是不是能到更好的學校就讀，也因為當時臺灣對於歐洲 學校資料較少，因此找了《QS 世界大學排名》(QS World University Rankings), 當時臺大的排名是第 107 名，因此我選了幾所 QS 排名較高且較注重理工方面的瑞士、荷蘭、德國等歐洲學校。而最後選擇萊頓大學 (Universiteit Leiden) 是因為他 們給了我工作簽證，不用花錢就能讀書，甚至還能領到薪水。」「選定學校之後，我花了很多時間研究每個學校、每個系、每位老師的專長領域。」劉維民在找到與自己期望吻合的老師後，準備了一封強烈的「動機信」, 對老師表示想前往唸書 的決心。「有些老師很忙，Email 可 能沒有空讀，或是會被忽略，建議可以寄完 Email 後再寄一封紙本。我當時在寄完後兩週到一個月，會再寄 Email 給老師，確認是否有收到。」拿工作簽證讀博士不像在美國，學生拿的是學生簽證。在歐洲，學生讀博士是拿工作簽證 (申請博班需要有碩士學位), 而相較於理科的學生，文科的學生大部分所拿的是不支薪的工作簽證。「雖然荷蘭扣稅扣很重，那時候我們是扣 42%, 但稅後、付完健康保險後一個月還是有 1700 歐元左右。」劉維民說。通常前往美國、英國讀書都需先通過雅思、托福等語言測試，但劉維民當時前往荷蘭攻讀博士班時，並沒有語文門檻相關規定。「基本上通過老闆面試，老闆覺得可以溝通，且專長符合，就沒有什麼問題。而拿了薪水，我們就有許多需完成的責任，像是需帶大學部的實驗課，學生會分成三組，其中兩組是說荷文的，另外給我們國際學生帶的組別，就會以英文溝通。」劉維民另外表示，若是要前往荷蘭就讀大學部，就需要荷蘭文語文能力，就讀碩士班的話，則就須要英文能力證明。隻身在異鄉劉維民與指導老師是利用市內長途電話面試，當時談到最後，指導老師問了劉維民：你確定你可以來荷蘭讀書嗎？「當時我沒有多想什麼，欣然地回答『可以啊』, 在這時，指導老師提到『你想像一下，你到荷蘭你沒有熟悉的朋友，父母也不在身邊，一個人孤獨地在國外，沒有人可以幫助你。』我那時候想說應該可以吧，但在去了之後，感覺真的和在臺灣不一樣。在臺灣時間會被朋友、被一些很熟悉的事情填滿。但到荷蘭，因為語言的關係，就連電影都看不懂。」「荷蘭人對於同事、朋友劃分相當清楚，因人生地不熟，一開始僅會認識同事，以致於很多事情必須自主獨立，不過也很謝謝當時組上的秘書跟博士後研究員，他們幫了我許多忙。但現在留學生、交換生越來越多，可以先試著聯絡那邊的臺灣人或是駐外單位，像我們萊頓有臺灣同學會，在比利時首都布魯塞爾也有教育部外交單位辦事人員，可以先知道他們的資訊。在各方面及生活打理上會比較容易一些。」......【更多內容請閱讀科學月刊第 578 期】 | science |
阿茲海默症的過去、現在與未來 | 1901 年，51 歲的迪特 (Auguste Deter, 圖一) 進入阿茲海默 (Alois Alzheimer, 圖二) 醫生的診間，當醫生問她的名字，她回答:「奧古斯特」, 醫生問她的姓，她還是回答:「奧古斯特」, 當醫生問她先生的名字時，迪特太太遲疑了一陣，然後回答:「我相信是...... 奧古斯特。」接著，醫生繼續問她其它的問題，迪特越來越緊張，而且答非所問，她無法說出她住在哪兒或是現在正在哪裡。當天的午餐她吃了豬肉和花椰菜，但是當醫生問她午餐吃了什麼時，她一邊嚼著肉，一邊卻回答:「菠菜」; 當醫生請她寫下「5」這個數字時，迪特太太寫的是「一個女人」。從當時阿茲海默醫生與迪特的醫療對話記錄，我們可以發現病患無法聽懂問題，會回答完全無關的話，但是病患知道自己不太對勁。1906 年，迪特過世，阿茲海默醫生檢驗她的腦，發現她的腦嚴重萎縮，而從顯微鏡下觀察到，銀染色後的腦組織切片，在其神經細胞外有粒狀斑塊，且神經細胞中有糾結的纖維。後來，科學家們發現這些粒狀斑塊是由 Aβ 胜肽 (Aβ-peptide) 聚集所形成的，因為這些斑塊被染色後有類似澱粉染色後的光學性質，因此也被稱為「澱粉樣斑塊 (amyloid plaques)」, 而神經細胞中糾結的 纖維是由高度磷酸化的 tau 蛋白 (tau protein) 聚集所形成的。「Aβ 澱粉樣斑塊 (amyloid-beta plaques)」 及「tau 蛋白神經纖維糾結 (tau neurofibrillary tangles)」, 這兩個病理特徵的觀察是後來被命名為 「阿茲海默症 (Alzheimer's disease, AD)」的重要判斷依據。2014 年，有一部電影《我想念我自己》(Still Alice), 改編自潔諾娃 (Lisa Genova) 寫的同名小說，小 說中充分描寫早發性阿茲海默症患者的困境、掙扎、無助，及家人在親情與現實之間的抉擇。故事的主人翁是一位語言學教授艾莉斯 (Alice Howland), 某一天她在日常的散步中開始發現自己有些不對勁，居然會找不到回家的路，在上課時會忽然想起來自己要說的話，她積極的求醫，結果發現自己罹患了早發性阿茲海默症。因為她是高級知識份子，所以開始積極的閱讀文獻，參加臨床實驗，她以是否還記得自己家的住址及孩子們的個人資料判斷自己惡化的程度，甚至為自己準備好了自殺的方法，她留言提醒自己 —— 當智能惡化到某一程度時要打開電腦中的某個檔案，檔案中安排如何找到她事先預備好的自殺用的藥片。然而，令人唏噓不已的是，當那天到來時，艾莉斯找到藥片，正準備行動，不知道是幸運或悲哀，她的先生正好跟她說話，在被人打岔後...... 她忘了她正要做的事。早發性阿茲海默症的發生與基因有關，患者的基因帶有可加速 Aβ 胜肽產生的突變，或是產生更容易聚集的 Aβ 突變胜肽。顧名思義，早發性阿 茲海默症的發病時間較早，大約 4、50 歲，患者的病程惡化也比晚發性的快，這些致病的基因突變如果在家族間傳遞，又稱之為家族性阿茲海默症。也因為這些突變是跟 Aβ 胜肽有 關，所以很多阿茲海默症的治療藥物的研發都與 Aβ 胜肽有關。......【更多內容請閱讀科學月刊第 578 期】 | science |
解構自然,論證選擇—— 演化是否隨機發生? | 自然選擇 (natural selection) 這個演化的機制可拆成 3 個步驟來進行 —— 複製 (replication)、 變異 (variation) 與選擇 (selection), 想知道演化是否隨機的話，就等於要問 3 個問題:「複製是否隨機？」、「變異是隨機的嗎？」和「選擇是不是隨機的？」如果這三部曲當中有一個不是隨機的，演化就不是隨機的了。首先，來看複製是否隨機的。事實上複製只不過是一個 SOP (standard operating procedure; 標準作業程 序), 倘若物種要演化，就一定要有一個能夠將逐步累積下來的改變傳承給下一代的作業程序，因此，複製這個程序談不上是否隨機。所以，複製是否隨機的答案是:「說不上來，因為這一步跟隨不隨機並無關連。」那變異是否為隨機的呢？雖然變異的確有非隨機的一面，如突變的機率可以因外力 (紫外線、宇宙射線、游離 幅射、X 光、化學物質、放射性物質等) 而增加，且染色體上的基因會因為位置不同而出現不一樣的突變率，但對於演化來說，提供給自然選擇揀選的變異並非有系統地出現，也沒有具體方向性，更不會主動地傾向適應改良的效果，反而像擲骰子或轉輪盤般無法預料。那麼，變異是否隨機的答案，基本上可以說:「是的，變異是隨機地出現。」最後，我們來檢視一下選擇是否為隨機。自然選擇的意義在於：個體憑藉某些變異，使自己比其他個體更能生存與繁殖，因此這些帶著變異的個體在族群中的數量就可以一代又一代地增加。換句話說，自然選擇會依據變異對環境的適應度，透過存活率 (survival rate) 及生殖成就 (reproductive success) 來改變牠 們在群體中的數量。顯然，選擇是否隨機的答案肯定是:「不！」。現在我們得到答案了，在達爾文 (Charles R. Darwin) 所主張的演 化機制裡，變異這種「演化上的『材料』」是隨機產生的，但「演化上的『改變』」則是由自然選擇來判定，一點都不隨意 (圖一), 所以演化不是隨機的。有鑑於演化的機制 —— 自然選擇 —— 包含隨機變異和非隨機篩選，動物行為學家道金斯 (Richard Dawkins) 將自然選擇形容成「隨機差異性的非隨機存活」。而生物學家高登諾 (Ursula Goodenough) 也說得妙: 「突變當然是完全隨機的，選擇卻非常挑剔。」自然選擇正是由偶然的機運 (變異) 與必然的力量 (篩選) 相互作用而成，這恰好應驗了古希臘哲人德謨克里特 (Democritus) 說過的: 「宇宙萬物皆是偶然與必然的結果。」 | science |
人工智慧與區塊鏈運算利器:處理器的種類與應用 | 處理器 (processor) 是電子資訊產品 的心臟，要了解電子資訊產品，就必須先認識處理器，而要認識處理器，就必須先了解處理器的軟體與硬體架構，以及軟體指令與硬體指令的意義，所有電子資訊產品所使用的處理器都有軟體與硬體架構，個人電腦、智慧型手機的比較複雜，而電視、音響的相對比較簡單。處理器是由數千萬個電晶體 (complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS) 排列組合而成，那麼要如何 利用程式去指揮控制 CMOS 替我們運算呢？我們以個人電腦的軟體與硬體架構為例，如圖一所示，由下到上依序包括：1. 中央處理器 (central processing unit, CPU): 由 CMOS 排列組合而成。2. 硬體指令：驅動 CMOS 運算的指令，例如：ADD、PUSH、POP 等。3. 軟體指令：控制硬體指令來驅動 CMOS 運算的指令，例如：C 語言所使用的指令 For、While、If else、Print 等，作業系統是由軟體指令撰寫而成。4. 作業系統 (operating system, OS): 管理個人電腦所有硬體與軟體的核心程式稱為作業系統，例如：DOS、 Windows、Linux 等。5. 應用程式 (application program, APP): 在作業系統管理之下，具有某種特定功能的軟體稱為應用程式，例如：Word、PowerPoint、IE、 RealPlayer 等。6. 使用者介面 (user interface, UI): 使用者實際與個人電腦溝通的介面，早期使用 DOS 輸入指令，DOS 的「C:\>」 就是使用者介面，使用者可以經由這個介面與電腦溝通；目前已經進步到只需要使用滑鼠點選桌面上的圖形即可與電腦溝通，這些圖形稱為「圖形使用者介 面 (graphic user interface, GUI)」。智慧型手機的軟體與硬體架構與個人電腦極為相似，如圖二所示，最多只是把中央處理器改為「微處理器 (micro processing unit, MPU)」, 另外作業系統改為 Android、iOS, 而應用程式當然就是大家熟悉的 Chrome、 Google Maps、Safari 囉！基本上，智慧型手機根本就是一台小電腦了！人類是經由下達指令的方式與處理器溝通，指令可以分為下列 2 種：1. 軟體指令 (software instruction): 指的像是 DOS、Windows、Linux 等作業系統所使用的指令，例如: Copy、Delete、Rename 等；或像是程式語言 (例如：C 語言、BASIC 等) 所使用的指令，例如：For、 While、Print 等。我們可以在作業系統或程式開發工具直接使用指令，而且可以經由修改軟體 (例如：修改 Windows、Linux 作業系統的原始 程式碼) 而改變這些指令的功能。2. 硬體指令 (hardware instruction): 指處理器所使用的指令，例如：ADD、PUSH、POP 等，硬體指令 是處理器製作的時候就已經固定了，因此無法修改。不同的公司設計的處理器，例如：英特爾 (Intel) 的中央處理器與 TI 的數位訊號處理器 (digital signal processor, DSP), 其硬體指令並不相同。軟體指令都是由「數個硬體指令」組合而成，換句話說，當使用者在作業系統中執行「複製 (copy)」這個軟體指令，則處理器會進行 ADD、PUSH、POP 等數個硬體指令來達成複製的動作。處理器可以認得的所有硬體指令稱為指令集 (instruction set), 處理器依照不同的指令特性與運算特性，大約可以分為下列 2 大類：1. 複雜指令集處理器 (complex instruction set computer, CISC): 複雜指令集處理器可以使用較少的指令來完成複雜的運算工作，雖然 CISC 的指令功能較多，但指令較複雜，相關的電路設計也較為困難，使用到的電晶體數目較多，成本較高。......【更多內容請閱讀科學月刊第 578 期】 | science |
探測宇宙科學原理-重力波偵測器的概念與技術 | 重力波研究在相對論誕生的 100 年後戲劇性的成為世人矚目的焦點。接二連三超乎預期的黑洞雙星碰撞事件拿下 2017 年諾貝爾物理獎；中子星碰撞事件與全球觀測網同步更開啟了多元訊息天文學 (multi-messenger astronomy) 的新時代。美國雷射干涉儀重力波天文台 (Laser Interferometer GravitationalWave Observatory, LIGO) 義大利與法國合作的室女座 Virgo 干涉儀在完成了歷史性的任務後，依照原訂計畫在 2017 年 8 月底停機，進行升級更新，預定 2018 年秋天再次上線觀測。另一方面，在不同頻率波段偵測重力波的努力也採用了一些和 LIGO 相近或相異的概念或技術，可以探測星系核心超大質量黑洞等系統，像是運作 中的波霎定時網 (pulsar timing array, PTA) 以及預計 2030 年代中期發射的雷射干涉儀太空天線 (Laser Interferometer Space Antenna, LISA)。 這些精密測量時空的實驗本身就涵蓋了許多有趣的物理或天文概念，大多和相對論無關，還可能應用在高科技或日常生活中。本文將著重在 LIGO 雷射干涉儀的特點，特別介紹其中熱雜訊與量子雜訊相關的一些基礎觀念。LISA 太空實驗的特色和波霎定時的技術關鍵也會概略提及。關於重力波和干涉儀的基本概念和若干細節請參閱《科學月刊》548 期 (2015 年 8 月) 林俊鈺與游輝樟以及 576 期 (2017 年 12 月) 倪維斗、潘皇緯的文章。相對論認為，我們在體重計上的重量和車輛瞬間起步煞車時所感受到的力並無區別。自由落體好像感覺不到重力，但若是自由下落的場景換成了星球質量大小的黑洞附近，上下左右的重力差 (潮汐力) 肯定會讓人有感。加速度產生的力可以透過坐標變換消除，潮汐力卻不行，這才是相對論關注的重力。聲波透過空氣或其他介質的振動來傳遞，薄膜或是早年話筒中的碳粉盒將接收到的空氣密度振動轉換成電的訊號、麥克風或電話就是聲波的偵測器。電磁波不需要介質，電場與磁場交互振動傳播，遇到天線產生感應電流或電壓傳到接收機放大，這天線和接收機就是電波的偵測器。重力波是時空的漣漪，也不需要介質。原則上，潮汐力的振動可以用上下左右兩把尺的長度相對變化來測量，條件是這兩把尺組成的天線方向正確，而且振動的信號可以從雜訊中分辨出來。雜訊是重力波偵測的關鍵。以 LIGO 干涉儀為例，雷射光經由分束鏡 (或分光鏡，beam splitter) 進入干涉儀的兩臂，被鏡子反射回分束鏡後產生干涉 (圖一)。這兩臂就是互相垂直的兩把尺，當兩把尺的相對長度有變化，干涉結果也會改變。反過來說，任何改變反射鏡距離、兩臂相對長度或影響干涉光的因素都是雜訊可能的來源。地面傳來的振動可能來自地震或是實驗室附近的人類活動、機械振動。......【更多內容請閱讀科學月刊第 578 期】 | science |
從愛因斯坦方程式到超級電腦黑洞模擬-數値相對論發展歷史 | 就在廣義相對論 (General Relativity, 1915) 及重力波的預測 (1916) 之後的百年，重力波物理儼然進入另一個階段：在美國的兩座雷射干涉儀重力波天文台 (LIGO) 於 2015 年 9 月首次觀測到雙黑洞碰撞事件；以及 2017 年 8 月，歐洲 Virgo 重力波天文台加入觀測網當月，首次觀測到雙中子星碰撞事件。未來偵測到重力波事件的頻率將愈來愈高，並且伴隨著電磁波段、微中子的觀測，將提供天文學更多資訊，開啟以重力波資訊解讀宇宙的新領域。目前，公里等級的地面重力波干涉儀，被設計來偵測重力波造成的干涉臂微小長度變化。高靈敏度是它的強項，卻也是最大的罩門，會受到各種來自如地震、熱擾動、光壓、量子起伏等...... 的干擾，造成反射鏡的震動與干涉臂長度變化。因此科學家應用各種精密工藝，測量真正的重力波效應。座落在地表的干涉儀，號稱與太空站一般地平靜穩定。即使如此，未處理過的重力波訊號還是深埋在各種已知或未知雜訊中。因此，若能夠事先知道重力波波形，就能較容易地以所謂的「模板匹配」技術，從原始訊號中辨識出來。這需要精確地求解愛因斯坦方程式，了解不同重力波波源所造成的微小時空彎曲，也就是描述時空局部長度「度規」的變化，並計算相應的干涉臂長度改變時間序列。雙黑洞碰撞，也是主要的重力波來源之一。雖然單一黑洞是相當單純的球對稱物體，在廣義相對論發表的次年就有的精確解：史瓦西黑洞。但擴展到雙黑洞，並計 算它們從旋進互繞 (inspiral)、碰撞融合 (plunge and merge) 到鈴震 (ringdown) 並逐漸靜默成單一黑洞三階段的完整波形，卻也花費了近百年，直到 2005 年才有第一個整段的數值波形。除了因為碰撞瞬間難以用理論解析求解外，愛因斯坦方程式的非線性特徵，也讓初始的雙黑洞重力場並非簡單地個別黑洞疊加。除非相距足夠遠，牛頓重力足以合理地近似，但這又會讓後續的數值模擬花費太久時間在互繞旋進階段，這就是數值相對論所遇到的兩難。長時間的模擬有其觀測上需求。因為，模板匹配其實就是做「已知波形與不同時刻觀測的乘積」的積分 (即所謂的卷積), 得出最大的相關性。因此模板波形週期愈多，得到的信噪比愈高。數值上的第一個難題來自於廣義相對論是四維協變的理論，亦即不同四維座標選取都會給出相同的方程式，看不太出「時間演化」的概念。單單將廣義相對論表示成三維空間動力學方程式的想法，即所謂 的 3+1 空間與時間分解，就 花了近半世紀。最後由阿諾威特 (Richard Arnowitt)、 戴瑟 (Stanley Deser) 及米斯納 (Charles Misner) 三位在 1962 年實現，表達成「ADM 公式」。......【更多內容請閱讀科學月刊第 578 期】 | science |
就是那道光-找尋重力波的可見光源 | 2017 年可說是重力波天文學界難以忘懷的一年。在這一年，設計建造重力波偵測器 LIGO 的三位先驅魏斯 (Rainer Weiss)、 索恩 (Kip Thorn) 和巴利許 (Barry Barish) 獲得了諾貝爾物理學獎。建造 LIGO 的想法在 1970 年代已萌芽，並在 1980~1990 年代開始建造和運作。但一直到了 2015 年 LIGO 才第一次偵測到重力波，並命名為 GW150914。第一次的重力波事件是由兩個質量相當大的黑洞所合併而成 (大約 30~35 個太陽質量), 所以不預期會有伴隨而來的電磁波。到了 2017 年，LIGO (以及和後來加入的 VIRGO 偵測器) 一共偵測到了五次的重力波事件 (還有一次因為訊號不夠強而未被列入), 其中前四次的重力波事件都是由兩個黑洞合併而成。但第五次在 2017 年偵測到的重力波事件 ── GW170817 ──卻不一樣 (圖一)。 這次事件是由兩個中子星所合併而成，也是人類歷史上首次同時偵測到重力波和電磁波的事件，GW170817 事件在天文和物理學界重要性與震撼性可在相關的論文數量一窺究竟。到了 2017 年 11 月初，GW150914 相關的學術論文大約有 300 篇，亦即每年大約 150 篇。而 GW170817 在 8 月 17 日發現後不到三個月的時間相關的學術論文卻已接近 100 篇。GW170817 事件為何如此重要？或更正確的說，同時偵測到重力波和電磁波為何如此重要？天體發射而來的電磁波可以無聲電影比喻：我們只看得到影像但沒有聲音 (可見光是電磁波的一種)。 而重力波卻更像聲波：我們只能偵測到大概來的方向和振幅的大小，卻無法確知是從那個天體來，所以重力波就像是只有聲音而沒有影像的電影，只有同時偵測到重力波和電磁波，就像同時有影像和聲音而完整的一部電影。以科學術語來說結合重力波和電磁波所帶來的資訊能讓科學家對於了解重力波源 (如中子星合併) 的物理性質，機制和來源能夠有更完整的論述。基於篇幅，本文只談關於重力波可見光源的尋找，而至 於 LIGO 如何偵測重力波或 在可見光以外的電磁波源的尋找，在網路上可找到相關的文章參考。第一個重力波源 LIGO 有兩個偵測站，一個在美國 西北角的漢福德區 (Hanford), 而另一個在美國東南角的利文斯頓 (Livingston)。 LIGO 需要至少兩個偵測站的原因是當重力波的訊號到達第一個偵測站時，第二個偵測站因距離較遠而會讓重力波的訊號延遲到達。這延遲的時間和重力波訊號來源的角度有關，並在天空「畫」出一道「環形」, 但因偵測器的靈敏度以及其他原因，這環不會是一個完整的環，此外也會在天空覆蓋相當大的面積。而重力波源將可能會是來自於這大面積內的任何一個天體。圖二顯示了第一個重力波源 GW150914 所對應的天區，大約有 600 平方度 (可 塞大約 2800 個滿月)。相比之下，獵戶座的面積大約是 594 平方度，而在鹿林天文台的一米望遠鏡只有大約 0.03 平方度的視野。當 LIGO 在 2015 年 9 月 14 日 第一次偵測到重力波時，LIGO 團隊花了兩天來證實重力波訊號的真實性，並在 16 日通知天文學家，讓天文學家們能夠用望遠鏡去尋找對應的可見光 (或電磁波) 源。但當時 LIGO 團隊沒告知這次的重力波事件是由黑洞還是中子星合併，所以天文學家就在相對應的天區內尋找新出現，有可能是對應可見光源的瞬變天體。因為所對應的天區相當大，大部分天文團隊的都用超廣角的望遠鏡和 CCD 相機來尋找 GW150914 的可見光源，這其中包括了 iPTF 團隊 (視野 7.3 平方度，圖三)、PanSTARRS1 團隊 (視野 7 平方度) 和 DES 團隊 (視野 3 平方度)。 但在接下來的一個月內，各個天文團隊除了一般的超新星爆發外，都沒找到 GW150914 相對應的可見光源。一直到 10 月 3 日，在經過詳細分析後，LIGO 才宣布 GW150914 事件是由兩個黑洞合併而成。因為是黑洞合併，所以就不預期會有對應的可見光源。而天文學家沒找到 GW150914 的可見光源也間接證實了這次的重力波事件的卻是由黑洞合併而成。......【更多內容請閱讀科學月刊第 578 期】 | science |
機器學習與天文學:無人大型巡天計畫 | 提到機器學習在天文領域的應用，大家第一個想到的便是星體分類。這是因為現代的大型巡天計畫已累積了相當可觀的巨量資料。而在計畫的主要科學課題之外，這些資料還蘊藏無限可能，只可惜通常計畫成員已無法兼顧其他課題。與其他學科不同的是，天文學家們知道蒼穹之大，非一己之力所能參透，與其將資料鎖著不見天日，不如開放給全世界 (包括普羅大眾) 一同使用。恆星演化、伽瑪射線爆、以 及重力透鏡的先驅波登。波蘭天文學家普欽斯基 (Bohdan Paczyński) 就曾說過這麼一句話:「只有將資料公開，與 對手共享，才能讓我們的觀測數據發揮最大的效益。」但是原始資料整理起來相當繁瑣又曠日廢時，於是天文學家想到利用機器學習來分析，一方面可以減少投入的人力，另一方面也能建立起不同的目錄，讓有興趣的天文學家自行取用。舉例來說，像是「全天自動巡天計畫 (All Sky Automated Survey, ASAS)」, 利用兩具口徑 15 公分的望遠鏡，分別從夏威夷以及智利觀測全天。這個計 畫自 1997 年開始、平均每兩天巡天一次，時至今日仍在進行，對超過 2 千萬顆亮星留下長時間的觀測資料，可供變星分析使用。然而巨大的資料量，加上變星種類繁多，要一一目視分類實屬不易。加州大學柏克萊分校的理查斯 (Joseph Richards) 等人因此想到使用機器學習的方法來分析這巨量的資料，透過擷取光變曲線的特徵，來依此分類不同的變星 (圖一)。機器學習同時也可以運用在星系分類上，並依此取得星系的基本性質。舉例來說，由史隆基金會所贊助的史隆數位巡天計畫 (Sloan Digital Sky Survey,SDSS, 臺灣中研院天文所亦參與其中) 利用位於美國新墨西哥州的一架口徑 2.5 米的望遠鏡，對北半球的天空進行可見光多波段 (grizy 濾鏡) 的巡天，留下了深且廣的大範圍北半球天 區影像，可供天文學家們研究星系在不同環境、不同宇宙年齡時的性質，讓我們進一步了解星系的演化。但在使用這筆資料時，首要之務便是要能對數以萬計的影像分類。可是即使是星系專家們，要看完所有的影像也是需要許多時間。比利時根特大學的帝勒曼 (Sander Dieleman) 等人因此想到使用類神經網路的方式分類星系。除了史隆數位巡天計畫資料裡的星系 —— 即最基本橢圓星系與螺旋星系外，更進一步細分螺旋星系是否有棒狀結構，以及螺旋星系是屬於正視 (face-on) 亦或是側視 (edge-on) 等。而在星系分類好後，便需決定星系的距離，這是因為距離我們越遠的星系越古老，因此根據不同的距離，我們可以推測星系在宇宙不同年齡時的演化性質。一般來說，要測定星系的距離，最準確的方法是透過拍攝星系的光譜。因為宇宙膨脹的關係，當星系離我們越遠，它遠離我們的速度也越快。根據都卜勒效應，當一個物體高速遠離我們的時候，它所發出的波頻率會變低、波長會變長。一個最好的例子就是當鳴著笛的救護車高速遠離駛去時，它的聲波頻率就變低了，同樣的原理在觀測遙遠的星系也適用。因為高速離我們遠去，所以在觀察它們的光譜時，會發現光譜往長波長 (也就是偏向紅光) 的方向移去，這個現象在天文學中稱之為紅移。透過紅移的程度，我們便可以測定星系的距離。但是光譜觀測需要耗費相當多的望遠鏡時間，因此天文學家們便想到使用光度的方式來測紅移。主要的原理是建立不同星系在不同紅移值的光度模板，然後將觀測所測得的光度與模板擬合，藉此標定光度紅移。但是過去的研究顯示，不同的模板所測出的光度紅移存在相當程度的系統誤差。為了減少誤差，天文學家們想到使用機器學習法來量測光度紅移。在單純地對天體進行分類之餘，機器學習在巡天計畫裡，尤其是後續觀測上，更扮演了重要的關鍵角色。......【更多內容請閱讀科學月刊第 578 期】 | science |
穿戴裝置的未來新能源—可撓式熱電晶片 | 當世界各國積極開發再生能源時，其中有一種再生能源熱 電晶片 (Thermoelectric Module, TEM), 除了體積小、 使用壽命長、無噪音外，還能將熱能與電能相互轉換，並回收廢熱轉換為生活用電。然而傳統熱電晶片目前遭遇相當大的瓶頸，例如：單價高、晶片易碎，所以一直難以在生活中的室溫環境下商業化。近年來可撓裝置與穿戴式裝置的興起，將熱電晶片改良為可撓式晶片應用在裝置中，為熱電晶片的應用帶來新的發展。熱電晶片是利用具有可逆反應的熱電材料，當通過一電流時晶片內部熱電接腳的一端即產生熱，另一端則產生冷，此現象為「帕爾帖效應 (Peltier effect)」, 其產物則為市面上通稱的制冷晶片 (Thermoelectric Cooler, TEC)。相反的，若給晶片兩端溫差，晶片將產生電能，此現象即為「席貝克效應 (Seebeck effect)」, 即市面上通稱的熱電發電晶片 (Thermoelectric Generator, TEG)。若想了解一個熱電晶片或材料性能的優劣，判讀熱電優值 (ZT) 是最快的方法，熱電優值越高表示熱電效應越好。 熱電優值的定義為：ZT=(S2×σ×T)∕κ, 其中 S 為席貝克係數、σ 為導電率、T 為絕對溫度、κ 為熱導率，熱導率 κ 又可以表示為 κ=κp+κe,κp 為聲子熱傳導，κe 為電子熱傳導。由於熱電效應與溫度高度相關，在不同溫度區段裡，不同溫差下有不同代表性的幾種熱電材料，如常見的低溫高性能材料鉍化銻合金 (Bi2Te3), 溫度區段為凱氏溫度 0~300 度；中溫高性能材料鉛化銻合金 (PbTe), 溫度區段為凱氏溫度 300~600 度；高溫高性能材料半休氏勒合金 (Half-Heusler), 溫度區段為凱氏溫度 600 度以上。儘管上述半導體材料已具有不錯的熱電優質，但由於電導率和熱導率高度相關的比例常數羅倫茲常數 (Lorentz number), 因此還是有不少研究以摻雜原子 (doping) 的技術改變電子能帶結構 (electron band structure), 進而改良電導率或是熱導率，亦能開發具有相變 (phase change) 的材料，如二氧化釩 (VO2), 以達成科學家們對熱電材料的理想。一般傳統熱電晶片的構造類似「三明治」, 由上到下依序為：陶瓷 片→上銅電極→熱電材料→下銅電 極→陶瓷片，內部結構以串聯方式組成，因此有著體積小、使用壽命長、無噪音等優點。即便有著良好優勢，然因其單價高，且在凹凸不平的表片無法完整吸收熱能導致輸出過低，甚至因基板材料為陶瓷基板，所以很容易摔破。上述原因成了熱電晶片的致命傷，這也是為何熱電除了應用到工廠的鍋爐廢熱回收系統外，很難應用到室溫環境的主因之一。當然，科學家們也試圖以晶片微小化，薄型化為目標，但使用昂貴的製程如濺鍍 (sputter)、熱蒸鍍 (thermal deposition), 甚至得使用高價的基板材料如薄型氧化鋁藍寶石 (Aluminum Oxide, Sapphire), 相對更不符合成本，且也做不到 100% 在不平的表面上貼附，反而降低熱電晶片應用的可能性。......【更多內容請閱讀科學月刊第 578 期】 | science |
真正的救命仙丹—胰島素發明史 | 每年科學界最大的盛事，莫過於一年一度，在瑞典首都斯德哥爾摩所舉辨的諾貝爾獎頒獎典禮，科學家們也莫不將獲得諾貝爾獎視為最高榮譽。諾貝爾獎的產生方式，是由一群數以千計的學者所組成的委員會，對當代的科學研究加以提名、投票表決。而研究者得獎通常是研究有成之後數年乃至十幾年的事，例如大名鼎鼎的愛因斯坦，因為 「光電效應」理論，於西元 1921 年得到諾貝爾獎，不過他的論文早在得獎的 16 年前就已提出。難怪，有一個關於諾貝爾獎的笑話這樣說，「如果你想要得到諾貝爾獎，除了你的研究夠突出外，還要活得夠長！」話雖如此，回到我們今天的主題，胰島素的發明以及其相關研究，則先後產生了三屆諾貝爾生理醫學獎得主！其中又以加拿大的班廷 (Frederick Banting)、貝斯特 (Charles Best) 及麥克勞德 (John Macleod) 的故事最為人所津津樂道，因為，最早成功萃取出胰島素的就是這一群研究者，而他們也破天荒的在隔年 (西元 1923 年) 就獲得諾貝爾獎，代表了這樣的研究在當年具有劃時代的意義，無怪乎委員們一下子就同意把這個獎頒給他們。糖尿病是一個歷史悠久的疾病。早在 3000 多年前的埃及，就有類似糖尿病症狀的記載。而距今 2000 多年前的希臘醫書，也描述了第一型糖尿病 (diabetes mellitus type 1) 病人的症狀：多尿、消瘦，而且很快就死亡。其實，所謂的第一型糖尿病，也就是胰島素依賴型糖尿病的病人，因身體無法製造足夠的胰島素而產生嚴重的代謝異常。在胰島素發現以前，控制病情的唯一辦法就是禁食。在每日不到 1000 大卡的熱量、不含碳水化合物 (聽起來很像「生酮飲食」的治療) 的嚴格飲食下，病人的體重可能餓到只有 2、30 公斤，再加上嚴重的脫水，病人可能連下床的力氣都沒有。而這些患者最後大多是死於糖尿病酮酸中毒 (Diabetic Ketoacidosis, DKA), 是一種因體內缺乏胰島素而產生大量酮體代謝產物的疾病。總而言之，一但發病之後，在 1、2 年內必死無疑，又無藥可醫，其可怕程度，比起當今的世紀黑死病 ——「愛滋病」, 可說是有過之而無不及。雖然人類早就認識到糖尿病的存在，但千年以來醫師對第一型糖尿病可說是束手無策，而對於更常見的第二型糖尿病 (diabetes mellitus type 2), 也只能採取一些效果不佳的草藥治療，併發症的發生只是時間上早晚的問題。醫學發展直到 19 世紀末，科學家才知道人體的胰臟可以「分泌某種物質」來降低血糖。可是這些物質到底是什麼，由哪種細胞分泌，仍然一無所知。為我們跨出糖尿病治療重要的一步，是馮梅林 (Baron Joseph Von Mering) 和明可夫斯基 (Oskar Minkowski) 2 位科學家。西元 1889 年時，馮梅林和明可夫斯基在斯特拉斯堡 (目前屬於法國，在當時則因 1870 年的普法戰爭而割讓給德國) 研究內臟消化器官。當年對於位在胃及十二指腸之間的長型器官 —— 胰臟，其明確的生理作用還不是很了解，所以，明可夫斯基打算將狗的胰臟摘除，然後觀察會發生怎麼樣的「消化不良」。沒想到幾天之後，他發現胰臟摘除後的狗，小便竟然多到不行，就算是不停的打掃地板，過不久之後還是會被狗尿所淹沒！明可夫斯基進一步測量狗尿的成分，發現尿中含有大量的糖份。因此，他們很快明白，原來胰臟摘除會使狗得到糖尿病，也就是說，降血糖的物質存在於胰臟內。......【更多內容請閱讀科學月刊第 578 期】 | science |
量子電腦—量子科技時代的來臨 | 相對於人工智能，自從 AlphaGo 打敗一大群世界圍棋冠軍無敵手，而 AlphaGo Zero 又通過自主學習輕鬆打敗 AlphaGo, 你即使不太懂人工智能的工作機制，似乎也可以似懂非懂地講講人工智能的偉大遠景。然而，對於量子電腦，雖然時不時看到量子電腦的最新進展報導，特別是 Google 與 IBM 兩大科技公司在量子電腦研發上的白熱化競爭，使人們對量子電腦充滿了好奇，但如果你對「量子」了解不夠深入的話，大概無法給量子電腦說出個所以然。而事實上，對於人工智能，它的基礎研究還處在非常初級的階段，像神經網路與機器深度學習，電腦視覺與自然語言處理等技術發展遠超越相應的科學理論發展。相反地，量子電腦是以 20 世紀初建立起來的量子物理為其科學基礎。描述微觀世界 (原子尺度) 的量子物理及描述高速運動 (接近光速) 的相對論是過去一個世紀物理科學發展的基石，但量子理論至今仍然是人類對大自然現象所知道的最神奇又最詭異的科學理論。量子不是原子、分子等構成我們自然界各種物質那樣的粒子，但它卻是揭開自然界所有已知基本粒子之神秘面紗的天使。量子物理詭異的觀測隨機性，讓提出量子概念的先驅者之一愛因斯坦為之大動肝火:「上帝不擲骰子」; 也讓量子學說的創立者、奧地利物理學家薛丁格 (Erwin Schrödinger) 曾對別人說:「我為對於量子力學的研究感到抱歉。」其實，量子是一種概念，而不是一種東西，量子力學是描述自然界物質狀態的一個方式。自然界一切物體的運動分為粒子運動 (如地球繞太陽的轉動) 及波動 (如傳遞訊息的電磁波)。量子物理告訴我們，一切物體及各種運動都同時具有粒子與波動二種特性，而當物體很大時，波動的特性不容易觀察到，因此人們用牛頓力學來描述粒子的運動。但當考慮的對象很微小時，像物體中單顆電子的運動，電子的波動是它的主要特性。這樣，束縛在物體內的電子，它的動量及能量會被量子化。薛丁格因此提出了描述物質的波動方程，建立了量子力學。正是這樣的量子物理告訴我們，物質除導電與不導電外。還有「半導電 (半導體)」, 從而產生了半導體工業革命，改變了人類文明的生活模式。也正是愛因斯坦，用量子的概念發現光電效應，人們由此開發的光電商品，從搖控器、數位相機、雷射到太陽能電池等。而奇妙的量子穿隧效應使人們發展出掃描穿隧顯微鏡 (STM) 及原子力顯微鏡 (AFM), 探物質表面的原子結構，開創奈米尺度的科技時代。更神奇的是薛丁格從原子及分子的觀念思考生命的起源：What is life, 啟發了華生 (James Dewey Watson) 和克里克 (Francis Crick) 發現 DNA 結構，為生命遺傳機制打開了探索之門。然而，近代科技的發展只用到量子的一些非常普通的物理性質，即量子能級、光電效應、量子穿隧效應等。這些物理性質大部分的中學生可能從近代物理中已學到。目前正在開發的量子電腦及量子通訊將利用量子世界中最神奇也是最怪異的物理性質，即量子疊加原理 (quantum superposition) 及量子糾纏特性 (quantum entanglement), 前者導致了物質波的概率描述，後者產生了遠距的瞬間量子關聯。事實上，量子疊加原理產生量子相干性才是量子世界的本質。物質材料是由各種元素 (原子) 構成的，在原子尺度上，物質顯示波動的特性。因此原子或電子的不同狀態是各種不同的波及其疊加的空間分布，可呈現波的相干性。但當人們量測電子的狀態時，又只看到整顆電子在某一確定的位置，而不是波的分布形態及干擾現象，並且每次量測電子位置的結果都會不一樣 (量子測不準關係), 所以物質波是概率波，與我們所熟知的電磁波 (含大量光子)、水波等現象不同。薛丁格曾用貓設計一個描述量子疊加態及概率的實驗：將一隻貓關在一個封閉無窗的盒子里，盒子里有放射性物質及一瓶毒氣，如果放射性物質發生衰變，會觸動機關打破毒氣瓶，則貓被毒死；如衰變沒發生，則貓可活下來。常識告訴我們這隻貓不是死了就是活著，量子疊加原理告訴我們這隻貓是又死又活，生死疊加。瓦恩蘭 (David Wineland) 和阿羅什 (Serge Haroche)(兩位為 2012 年諾貝爾物理學獎得主) 實驗上證明「這只薛丁格貓可以不活又不死」, 此現象戲弄了物理學家及哲學家近一個世紀，這是量子物理較為怪異的現象之一。......【更多內容請閱讀科學月刊第 578 期】 | science |
酒精、DNA損害與癌症風險 | 在人類發展文明的歷史中，酒，扮演著 一個不可抹煞的角色。不過，最近劍橋 MRC 分子生物實驗室 (MRC Laboratory of Molecular Biology) 團隊透過小鼠試驗找出酒精如何破壞細胞中的 DNA 並增加罹患癌症的風險。研究人員先給予小鼠稀釋過的酒精，再利 用染色體分析和 DNA 定序，檢查體內中 當酒精被分解時會產生的有害物質 — — 乙 醛 (ethanal), 所引起的遺傳損害。研究發現乙醛會破壞血液幹細胞內的 DNA, 使染色體重新排列且永久性的改變細胞 DNA 序列。另外，研究也發現在亞洲人中較常出現基因缺失或錯誤，導致體內乙醛無法代謝，進而引起臉紅或不適的醛脫氫酶 (aldehyde dehydrogenases, ALDH), 在缺乏 ALDH2 的小鼠細胞中，DNA 所受的損傷為功能正常小鼠的 4 倍。研究人員表示，縱使 DNA 有修復系統，但不代表每次都能完美的進行修復，即使是體內防禦系統較好的人，酒精仍然會以不同的方式導致癌症的產生。Juan I. Garaycoechea et al., Alcohol and endogenous aldehydes damage chromosomes and mutate stem cells, Nature, 2018. | science |
氣候變遷影響海龜性別 | 海龜的性別依卵孵化時沙子的溫度而定，當溫度越高、雌性越多，溫度越低、雄性越多。一項由美國與澳洲研究人員共同合作的研究顯示，因全球暖化、氣溫上升，導致澳洲大堡礁北部海龜巢穴，在這 20 年幾乎沒有產出雄龜，而整體雄性海龜數量急速降低。過去研究人員僅能於海灘上利用解剖的方式，確認海龜幼體的性別，其缺點為研究範圍較小。而這項新研究結合內分泌學與遺傳學的創新方法，來分析大範圍海灘上 海龜幼體的性別。研究團隊利用新的方法分析大堡礁北部與南部巢穴性別比例，結果顯示：在較涼爽的南部海灘，雌性海龜比例約為 65~69%; 在較溫暖的北部海灘雌性成年海龜比例為 86.8%、接近成年的海龜雌性比例為 99.8%, 而幼龜雌性比例為 99.1%。研究團隊表示，這項研究也顯示氣候變遷已影響了大堡礁的生態系。M. P. Jensen et al., Environmental Warming and Feminization of One of the Largest Sea Turtle Populations in the World, Current Biology, Vol. 28: 154-159, 2018. | science |
環境噪音影響雛鳥發育 | 西藍鴝 (western bluebirds) 容易被吵雜的聲音吸引，並會在環境嘈雜處築巢，一直以來科學家認為這種鳥類有抗噪能力。科羅拉多大學波德分校 (University of Colorado at Boulder) 研究發現，石油與天然氣工廠每日不斷的噪音，影響該鳥類的生長，並發現雛鳥有生長遲緩的狀況，另外在某些案例中也發現卵孵化的數量減少許多。在多項綜合研究中，研究人員發現環境 噪音嚴重影響牠們的壓力賀爾蒙 (stress hormone, 又稱皮質酮，由腎上腺的皮質 產生) 以及適應性。論文第一作者克萊斯 (Nathan Kleist) 表示:「這項研究結果令人驚訝，這種環境噪音對於公認噪音忍受度最高的物種竟有如此負面影響。」研究人員在新墨西哥州追蹤 3 種鳥類的活動狀態，每個種類分成 2 組，分別在自然公園與靠近工業區的地方孵卵。連續觀察 3 個繁殖季節，並採集母鳥與雛鳥的血液樣本，亦評估孵化成功率、雛鳥體型與羽毛長度。研究結果發現，在極度安靜與吵鬧環境下 生長的雛鳥體型與羽毛生長都較平均值 低，研究人員推論，在安靜地區，成鳥較 容易被掠食者發現，必須提高警覺，照顧 雛鳥的比例降低。而在吵鬧的地方，機器 聲音掩蓋了來自其他鳥類對於掠食者警告的呼叫，也讓母鳥與雛鳥暴露於危險中。除了機器噪音遮蓋鳥類呼叫的警示聲外，也影響了該鳥類壓力賀爾蒙分泌。克萊 斯表示，這堪比一個人若長期在震耳欲聾的派對中，想與朋友、家人談話，他 將感到疲憊不堪，同理鳥類也一樣。Nathan J. Kleist et al., Chronic anthropogenic noise disrupts glucocorticoid signaling and has multiple effects on fitness in an avian community, PNAS, 2017. | science |
鏡像神經元能預測人們在道德困境中的決定 | 加州大學神經適應實驗室主任亞哥伯尼 (Marco Iacobni) 與其團隊日前於《整合神經科學前沿》(Frontiers in Integrative Neuroscience) 發佈研究，顯示當受試者觀看他人經歷痛苦時，科學家透過預測大腦反應，發現在面對道德困境 (morality dilemma) 時，人們會傾向避免直接造成他人傷害。透過鏡像神經元 (mirror neurons) 分析，當受試者觀看他人動作或行為時、腦內會有相同反應。鏡像神經元對人類的模仿學習與同理心相當重要，在觀看他人經歷 痛苦時，便會使人產生神經共鳴 (neural resonance) 現象。研究團隊欲知曉神經共鳴是否在解決複雜問題時發揮作用，因此招募 19 名自願者觀賞 2 部內容分別為手部皮下注射以及另一隻手被棉花棒輕柔碰觸的影片，過程中科學家使用功能性核磁共振 (fMRI) 監測受試者腦部。接著，研究員便詢問在幾個道德困境中，受試者的反應。結果顯示，下額葉皮質 (inferior frontal cortex) 有強烈的活動，其為同理與模仿中樞，且使人不願直接傷害他人。然研究亦發現，大腦活動與為謀得更好的利益傷害他人之意願沒有任何關聯，這可能牽扯更多的認知與協商過程，如研究中所模擬的道德情境議題:「是否願意使嬰兒保持沉默，以在戰爭中拯救更多人？」在評判道德困境時，對他人的痛苦予以關心起了因果作用，當一個人拒絕迫使嬰兒不發出聲音，不是因為不喜歡這個舉止，而是因為他在乎孩子的感受。亞哥伯尼表示，盼能更進一步了解過往研究中，腦內各區是否能左右關於道德議題的決定，並協助精神疾患度過人際溝通障礙。Leonardo Christov-Moore, Paul Conway, Marco Iacoboni. Deontological Dilemma Response Tendencies and Sensorimotor Representations of Harm to Others, Frontiers in Integrative Neuroscience, 2017. | science |
肥胖症與糖尿病的新興療法 | 作為全球主要健康議題之一，肥胖的症狀幾乎在所有年齡層都有影響，且會提高罹患許多嚴重疾病的風險，其中包括心血管疾病、第 2 型糖尿病與癌症，即便我們擁有這些基礎常識，現今仍缺乏有效治療肥胖症與相關代謝疾病的藥物。在脂肪組織中，白色脂肪組織 (white adipose tissue) 構成人類大多數的脂肪並儲存補給能量，而棕色脂肪組織 (brown adipose tissue) 則藉消耗能量的過程產生熱。科學家以此二組織進行 實驗研究，發現解決潛在肥胖問題的方法：刺激部分白色脂肪轉為棕色脂肪，此研究近期於《醫學實驗》(Journal of Experimental Medicine) 中發佈。卡羅林斯卡研究所 (Karolinska Institute) 教授曹義海 (Yihai Cao) 與青島大學等校研究團隊，阻斷肥胖實驗鼠體內的 VEGFR1 生長因子，以刺激白色脂肪組織內的血管生成，其中一組利用藥物、另外一組則使用基因修飾以達目的。結果顯示，老鼠體內的脂肪由白轉棕後，在降低肥胖症狀之餘亦提高對胰島素的敏感度，曹教授表示此結果將有助於發展治療肥胖症與糖尿病的新型藥物。Takahiro Seki et al., Ablation of endothelial VEGFR1 improves metabolic dysfunction by inducing adipose tissue browning, The Journal of Experimental Medicine, 2018. | science |
詮釋味道的第六種可能——嚐嚐鈣的味道 | 你感覺得到「鈣」嗎？舌頭接受器可以區辨主要的 5 種味道，分別是甜、酸、 鹹、苦與鮮味，人們不僅能嚐出味道、還能描述這個味道是什麼樣子。加州大學與韓國研究團隊日前發佈最新研究，果蠅能夠感受鈣的「味道」, 更發現其具備特殊的味覺受體神經元 (gustatory receptor neurons, GRNs)。即便鈣對果蠅而言是延續生命的必要條件，然而濃度過高的鈣亦會使果蠅敬而遠之。來自加州大學分子細胞發展生物學與神經科學所的研究作者蒙泰爾 (Craig Montell) 表示，團隊欲了解果蠅對食物中的鈣有何感知機轉，不僅是找出味覺神經、還要進 一步探索感受鈣的 3 個關鍵受體蛋白。研究員將果糖 (fructose) 置於培養皿一側，另一側則沾上糖與高濃度鈣的混合物，一般果蠅會拒絕混合物僅食用純粹的果糖，而被移除任一味覺受體神經元的突變果蠅則無法分辨兩者的差別，在食用過量的鈣後便逐一死去。結果顯示，果蠅對低鈣毫無感覺，卻有辦法分辨鈣濃度過高的環境。蒙泰爾進而指出，果蠅對鈣的趨避來自活化特殊的味覺受體神經元，與苦味不同的是這些味道會在活化的同時、啟動停止進食的訊號，除此之外，鈣亦能抑制被糖活 化的味覺受體神經元。在人體中，高濃度的鈣與許多疾病的威脅息息相關，研究人員希望此篇研究有朝一日能將鈣的味覺延伸應用、以偵測鈣所帶來的威脅。Youngseok Lee et al., Calcium Taste Avoidance in Drosophila, Neuron, 2018. | science |
古木乃伊的DNA分析 最終翻轉流行病歷史 | 即便對 B 型肝炎病毒 (hepatitis B virus) 的演化史與來源所知甚少，然其在幾個 世紀來已感染過無數人。最新研究對象 為義大利那不勒斯一大教堂內埋葬的兒童木乃伊，16 世紀的科學分析顯示此孩童染上天花病毒 (variola virus), 事實 上這是中世紀存在最古老的天花遺體證 據，但其中並不包含 DNA 測試結果。利用新穎的定序技術，研究員表示該孩 童並非染上天花，而是 B 型肝炎病毒，這使孩童產生如小兒丘疹性肢端皮膚炎 (Gianotti Crosti syndrome) 般的面部皮疹 (facial rash), 在過去這個症狀很容易造 成誤判。麥瑪斯特古基因中心 (McMaster Ancient DNA Centre) 演化基因學家波以 那 (Hendrik Poinar) 表示，數據中強調的 分子方法，過去曾協助科學家區辨關鍵 病原體，並更有效地控制感染的時間。透過肌膚與骨頭的組織採樣，科學家能 將 DNA 的細小片段梳理出來，進而組 裝、黏合基因資訊。病毒通常進化地相 當快速，幾乎不消數日便產生變化，研 究員指出，過去 450 年來該病毒已演化 成相當複雜的樣貌。即便科學家已發現 古代與現代 B 型肝炎之間的關聯，仍缺 乏具時間結構的證據。根據估計，現今有逾 3.5 億人感染慢性 B 型肝炎，全球近 1/3 人會在他們生命的某一刻與其相遇。波以那對此表示，只 要對過去造成大流行的疾病了解越多，就能更知曉當代病原體的運作與傳播，還能從中研究出控制病毒的方法。Zoe Patterson Ross et al., The paradox of HBV evolution as revealed from a 16th century mummy, PLOS Pathogens, 2018. | science |
不一樣的模仿遊戲 | 2014 年的歷史劇情電影《模仿遊戲》(The Imitation Game), 將英國數學家、電腦科學家涂靈 (Alan Mathison Turing, 圖一) 幫助盟軍破譯納粹密碼的傳奇故事搬上大螢幕。除了破解密碼外，涂靈還有很多不同的貢獻，像片名《模仿遊戲》, 就是涂靈提出用來探討機器是否能思考的方法，出自 1950 年發表的論文「計算機器與智能」。 與其問「機器是否能思考」這個較為空泛、模糊的問題，涂靈認為不如用「機器是否能通過模仿遊戲」這個較為明確的測試來取代。這是人工智慧哲學的一個重要概念，現在常稱為是「涂靈測試 (Turing test, 圖二)」。模仿遊戲 模仿遊戲是如何進行的呢？在一般的版本中，A 是電腦，B 和 C 是人類。C 無法看到 A 或 B, 只能藉由 文字溝通交談。C 的任務是判斷跟他交談的對象是人類還是電腦。而 A 則是要想辦法模仿人類的行為，讓 C 分不清到底誰是電腦。能模仿人類行為，是否就稱得上有智慧？這件事情有不少爭議和不同看法。但我們應該能同意，設計一個能模仿人類的機械，是一個非常值得挑戰的問題。更有趣的是，在現代的密碼學及機器學習一些看似不相關的地方，也可以找到模仿遊戲的蛛絲馬跡。我們先從模仿遊戲的一些簡單的變化玩法開始。試想，如果是人類反過來學機器人講話如何？想要學機器人講話，首先得要知道機器人是如何講話的。早期的對話機器人，可能更符合我們刻板印象中的機器人，比方 1960 年代由 MIT 人工智慧實驗室發展出的著名電腦對話機器人 Eliza。 Eliza 使用模式匹配、句型樣板和一些腳本規則來模仿人類的對話。其中一個腳本 DOCTOR 用來模仿心理治療師和患者對談。下面是一段 (英文 翻譯後) 典型的對話：女子：男人都一樣。Eliza: 怎麼說？女子：他們總是為了某些特定或者其他事情來煩我們。Eliza: 你能想一個具體的例子嗎？女子：我的男朋友要我來這裡。Eliza: 你的男朋友要你來到這裡？女子：他說我常常很憂鬱。Eliza: 我很抱歉聽到你很憂鬱。女子：真的，我不開心。Eliza: 你認為來這裡能幫你擺脫不開心嗎？女子：我需要一些幫助，我想是這樣的。Eliza: 得到幫助對你來說意味著什麼？女子：也許我可以學會如何和媽媽相處。Eliza: 告訴我更多關於你的家人。女子：我母親照顧我。Eliza: 還有哪些家人也照顧你？女子：我父親。Eliza: 你父親。女子：你在某些方面就像我父親。Eliza: 你看到什麼相似之處？女子：你不是很積極，但我覺得你不想讓我發現這點。Eliza: 什麼讓你覺得我不是很積極？女子：你不跟我爭辯。Eliza: 你為什麼認為我不和你爭辯？女子：你害怕我。Eliza: 相信我害怕你讓你感到愉快嗎？女子：我父親害怕每一個人。Eliza 是涂靈測試的一個里程碑，爾後則有大量的仿做和改進。其實，Eliza 只用了簡單的規則匹配和腳本，仔細觀察後可能會發現他常常只是順著對方，換句話說而已。但即使如此，卻有不少人能從交談中，感受到 Eliza 的智慧和理解。 像是上面的對話中，女子會用「不積極」、「害怕」這些情緒來描述 Eliza。有一個名詞「Eliza 效應 (Eliza effect)」就是在描述這種容易將電腦擬人化的傾向。 這種效應暗示了也許不需要完全靠真的智慧和情緒，也能利用社交工程來幫助通過涂靈測試。......【更多內容請閱讀科學月刊第 578 期】 | science |
探究箭毒蛙「死道友,不死貧道」的生物毒物特性 | 南美洲哥倫比亞西北邊山區的喬科省 (Chocó) 原住民長久以來一直將「分趾蟾科 (Dendrobatidae)」中的「毒葉蛙屬 (Phyllobates)」蛙 (土著將它稱之為 kokoi 蛙) 的 皮膚分泌液 (也是稱之為 kokoi) 塗抹在箭頭上，用來麻醉被射中的獵物。早在 1869 年有位哥倫比亞的研究者阿朗戈 (Posada Arango) 首次以論文報導這毒物的生物特性。1957 年時瓦斯森 (S. H. Wassen) 對如何製作此箭毒及其藥理特性給了簡單的描述。但對這種蛙毒進行系統性的研究，要等到 1960 年代起才開始，由美國的研究人員馬吉 (M. Märki) 及威特科普 (B. Witkop) 對黑腿箭毒蛙 (Phyllabates bicolor) 毒液的生化特性及對神經的毒性，做科學化的研究。kokoi 蛙體重約有 1 公克、體長約 2~3 公分而已。一般是藏身於地表的植被內很難被看到，但土著們會在吹口哨時，同時用手指頭敲擊臉頰，而發出 fiu-fiu-fiu 的聲音。kokoi 蛙就會發出相同的回應叫聲，土著們就可以藉此定位去抓這蛙。因為經驗的關係，土著們在抓這蛙時都要用樹葉包著手，避免直接碰到蛙的皮膚，然後將牠們裝在竹筒內帶會部落。處理時用竹子製做成的竹籤 (名稱 siuru kida), 從蛙嘴穿過身體，放在火上烤，會使得乳白色毒液從背上的皮膚釋出。土著們就將箭頭沾上這毒液，然後晾乾。一隻毒蛙所分泌的毒液，可以製備約 50 隻箭頭。箭頭後方會裝上棉花狀的填充物，使其能與吹箭筒可以密合。而吹箭筒主要是用「芎榙棕櫚 (chonta palm)」葉脈而製作成的中空吹筒，長度約為 20~25 公分。過去在部落間的戰爭時，毒箭頭曾被用來射殺敵人；但目前只用來獵取豹、鹿、猴子及鳥類時使用。獵物在中箭後會導致癱瘓，然後死亡。獵人會用刀割下中箭部位周邊的肌肉及箭頭，以避免事後誤食。事實上這種毒素，與來自植物的「箭毒 (curare)」一樣，是不會經由口腔進入體內。 但若口腔黏膜有傷口，就會導致中毒。1962 年 8 月時馬吉及威特科普團隊的拉薩姆 (M. Latham) 女士在「杉莞流域 (Rio San Juan)」地區採集了 330 隻 kokoi 蛙，然後每十隻一組用乙醚麻醉安樂死後，將皮膚取下切成小片，在室溫下用甲醇粹取約 2~3 小時。然後倒掉上層溶液，再添加新的溶液，經過一夜後再過濾，進行真空乾燥，再冷藏於冷凍庫內。以白老鼠為材料，確認了這蛙毒的 50% 致死濃度 (LD50) 為 570 (±40)μg/kg。 這些初步的研究工作，以今天的標準來說是簡陋了些，但是對後續的研究工作，奠定了基礎的知識。接著在美國國家衛生研究院工作的達利 (J. W. Daly) 在 1964、1966 年也加入蛙毒的研究。當時在鄰國巴拿馬從事兩棲、爬蟲類研究的邁爾斯 (C. W. Myers) 向達利提出，共同合作有計畫的對分佈於「杉莞流域」地區所有的毒蛙皮膚分泌的有毒化合物，進行整合性的研究。當時他們想要測試的一大假說是：若箭毒蛙的體色越是鮮艷，牠的皮膚分泌物的毒性，也會相對的高，以達到「警戒色」的目的。但結果卻令他們很失望，因為所得到的數據無法支持他們的假說。但是這些大規模長達 30 多年的持續研究，發現到毒蛙所分泌的毒素，包括蟾毒素 (batrachotoxin, BTX) 以及一些雙環的生物鹼，如高毒性的普密力托辛 (pumilitotoxins)、三環類 (coccinelline-like tricyclics)、表巴蒂啶 (epibatidine)、愛濟啶 (izidines)、吡咯啶 (pyrrolidines) 和幾乎無毒的十氫喹啉 (decahydroquinolines)。達利與邁爾斯多年的工作和其它研究者們的努力，一共分離出超過 800 種生物鹼和至少 20 多種新的化學結構。更獨特的是這些天然化合物，只存在於毒蛙的分泌物。毒蛙的毒液所含的生物鹼，到底是透過什麼生理機制而導致動物的死亡呢？後續的研究發現這些生物鹼與細胞膜上的鈣離子和鈉離子通道受體結合後，會使得這些離子通道無法正常的關閉，造成離子的流失，從而影響神經、肌肉和心肌的功能，而導致死亡。在研究毒蛙的分泌物過程中，研究者們發現到這些蛙不會自己合成有毒的生物鹼，而卻是從食物中攝取到含毒的物質，然後儲存到皮膚上的毒腺。研究成果顯示這些箭毒蛙可以從攝食到的許多昆蟲，包括：螞蟻、甲蟲、蚜蟲和馬陸，獲取高達 800 種以上的生物鹼類毒物。但這項發現又引發了另一個有趣的問題，那就是：這些毒蛙是用什麼樣的機制，避免自己被累積的生物鹼所毒害呢？這問題多年來困擾了許多研究者，而要到最近研究者們經由使用電生理及分子生物學技術，去研究箭毒蛙細胞膜上離子通道基因的突變，才得以找到答案。2017 年 9 月 22 日美國德州大學奧斯汀校區整合生物學系扎康 (Harold Zakon) 教授 (筆者博士論文的指導教授之一，也是第一個博士後的指導教授) 的團隊在 Science 期刊發表了論文，顯示了蛙毒之一的「表巴蒂啶 (epibatidine)」之所以有毒性，主要是它會與尼古丁乙醯膽鹼受體結合，導致了正常的乙醯膽鹼無法與受體結合，從而阻斷了神經訊號的傳導。而且即使是微公克 (microgram) 的劑量，就會導致死亡。對 28 種分趾蟾科的毒蛙及 12 種不含毒物的蛙，經由電生理及分子生物學的研究，確認了在毒蛙身上的尼古丁乙醯膽鹼受體上，有一個胺基酸序列的變異，導致蛙體內尼古丁乙醯膽鹼受體靈敏度的降低，因而不會與「表巴蒂啶」蛙毒結合，體內累積的毒素，不會對毒蛙自己造成毒害。但是乙醯膽鹼是毒蛙要活下去所必要的神經傳導物質，雖然受體上的突變，可避免與累積的蛙毒結合，但也會降低與乙醯膽鹼的結合。因而演化上的另一傑作，就是乙醯膽鹼受體上有另一個胺基酸序列的變異，使得它能與乙醯膽鹼正常的結合，進行神經訊號的傳導。換句話說，受體上兩個胺基酸的替換，一方面可使毒蛙不被自己儲存的毒素殺死；而另一方面，卻又能維持正常的乙醯膽鹼神經傳導的功能。很湊巧的是，在上述的論文發表 4 天後，紐約州立大學阿爾卑尼校區的黃秀雅、王經國夫婦 (筆者臺灣大學動物系高我兩屆學長、姊。我曾於 2001 前往王經國教授在哈佛大學醫學院的實驗室，進行鈉離子通道電生理的研究), 在「美國國家研究院學報 (PNAS)」上發表了一篇金色箭毒蛙 (Phyllobates terribilis), 如何避免被自己儲藏的蛙毒所害的機制的論文。金色箭毒蛙能透過食物將蟾毒素 (BTX) 儲藏在皮膚，以達自衛的作用。蟾毒素進入動物體內，會使得「電壓門控型鈉離子通道 (voltage-gated Na+ channel)」持續保持開啟的狀態，而導致動物的死亡。他們發現在蛙體上，鈉離子通道上的蟾毒素受體上的天門冬醯胺酸 (asparagine) 被蘇胺酸 (threonine) 所取代後，蟾毒素就不會與鈉離子通道結合，因而不會對自己造成毒害。造成這胺基酸的取代主要是由 AAC 核苷酸，突變成 ACC 所導致的。前述的兩篇論文，分別分析了箭毒蛙如何演化出避免表巴蒂啶及蟾毒素這兩種生物鹼，在牠們體內造成毒害的機制。但除了這兩大類的生物鹼外，毒蛙對其它種類的生物鹼，是使用哪些機制來保護自己，會是很有挑戰性的研究題目。延伸閱讀 1. Rebecca D. T. et al., Interacting amino acid replacements allow poison frogs to evolve epibatidine resistance, Science, Vol. 357: 1261-1266, 2017.2. Sho-Ya Wang and Ging Kuo Wang, Single rat muscle Na+ channel mutation confers batrachotoxin autoresistance found in poison-dart frog Phyllobates terribilis, PNAS, Vol. 114: 10491-10496, 2017. | science |
詐騙未遂之冒牌出版商 | 寫文章有稿費，好像滿正常的；但是在學術界，學者會付費請出版商刊登研究成果。大部分科學研究，主要由政府資金支持，學者也會用科研經費支付論文刊登費用。而這些國際期刊主要也是由研究機構與大學之圖書館付費訂閱，要說學術期刊出版社的運作，主要來自學術界或政府的資金支持，一點也不為過。近年來，學術界開始有聲浪表示出版商利潤過高、訂價策略不合理，以致於大學圖書館開始聯合抵制出版超過 2500 本期刊的荷蘭出版商 Elsevier, 抗議年年上漲的訂閱費，而臺灣眾多大專院校及中研院等研究機構，也在 2016 年底加入聯合抵制 Elsevier 這家出版社的行列。眾多抵制聲浪中，以德國學術界最為強硬。2017 年底，德國幾百所大學聯合與 Elsevier 談判再次破局，並宣布 2018 年不訂閱 Elsevier 旗下所有期刊。值得玩味的是，今 (2018) 年初，Elsevier 宣布，雖然德國幾百所大學不支付 2018 年訂閱費，他們仍可取得旗下電子論文。出版商顯然很清楚，他們的利潤幾乎完全來自於學術界的資金支持，但學術界若不團結，仍有可能被各個擊破。詳情可參閱本文末延伸閱讀。德國大學所協商的內容，是愈來愈普遍的新興商業模式，稱為「公開取得出版 (open access publishing)」, 由 論文作者支付電子論文處理費用，公開之電子論文內容可由大眾免費取得，不需訂閱。通常政府所支持的科學計畫，會希望研究成果公開讓民眾可免費取得，這個商業模式有助於知識傳播。但是一篇論文該支付多少費用，才是合理的訂價？筆者不知道，但以下數據可供讀者參考。 學術論文的權威出版商 Nature Springer 期下的 Nature Communications, 即為公開取得出版的電子期刊，沒有紙本，其 2016 年出版 3526 篇論文，每篇文章作者需支付美金 5200 元 (約 15 萬元臺幣), 故會有 5.5 億臺幣左右的收入。此期刊審查較嚴，實際處理的論文可能超過 1 萬篇，加上有支薪的專任編輯，營運成本也許較高。Nature Springer 旗下另一個公開取得出版的 Scientific Reports,2016 年發表 20473 篇論文，每篇文章作者需支付美金 1675 元 (約 5 萬元臺幣), 因此約有 10 億元臺幣收入。根據 2012 年 Scientific Reports 公佈的統計數據，論文接受率為 55%。公開取得出版的電子論文，除了沒有印刷成本，還有更驚人的事實。即使不是公開取得的商業模式，學術期刊的編輯大部分由學術界學者免費兼任，也是由學術界學者免費 審查內容正確性。如果出版商有一個夠聰明的 AI (人工智慧) 平台，作者投稿後自動媒合到適當的免錢編輯、再由免錢的學者幫忙審查，最後由 AI 協助論文符合出版格式，經付錢的作者校稿後發表在電子平台。在這個極端狀況下，營運成本可能只需要電腦主機、伺服器與電費。也許真的太極端，但一個期刊每年若有 10 億臺幣收入，很難想像利潤不高。筆者提出一個公開問題：為什麼學者願意免費幫出版商做編輯與審稿工作？另一個問題筆者捫心自問：Nature Communications 是學術界普遍認定的好期刊，如果訂價高的不合理，筆者會投稿嗎？答案是：當然會。刊登論文在公認的好期刊，能帶來學術界各種肯定，並有資金挹注支持未來研究，畢竟螳螂是沒辦法擋車的。1 萬隻螳螂聯合起來對抗，也只是一起被輾過而已。如果利潤真的不合理，需要夠強的變形金剛出來擋車，卡通主角「波力」等級可能不夠。掠食性出版商的騙局這個在科學界看似荒謬卻又習以為常的狀況，使「掠食性出版商 (predatory publisher)」出現。掠食性出版商幾乎不會協助審查論文，向作者收取一篇論文 5~10 萬元臺幣不等的費用，協助公開發表電子論文。是不是很好賺？更有掠食性出版商利用詐騙手法，引誘作者投稿後，要脅其支付發表費，筆者常收到並忽略這類期刊的邀稿，但最近筆者遇到新的手法而差點受騙。首先，筆者收到聲稱是德國出版社的編輯邀請信，協助審查一篇介紹性科學文章，因為文章作者是筆者所認識的美國資深教授，不疑有他便答應協助審稿。在取得筆者信任後，該編輯進一步邀請筆者也寫一篇介紹性科學文章。筆者本著科學普及的熱誠，寫完文稿不但順從編輯要求，提供相關領域的學者清單給編輯挑選審稿者，並簽署乍看只是文章授權的合約之後，該「出版社」才表示，合約內有一個網址，其網頁內容表示提供文章，簽署者就同意支付折合臺幣約 8 萬元的費用給該「出版社」, 之後又寄給筆者蓋有「波蘭公司章」的「律師函」, 要脅筆者若不支付，就要在臺灣面對民事求償與罰金。筆者第一時間面對這樣的心理壓力，會不會匯款？答案是有可能的。若要從筆者口袋掏出 8 萬元匯款，難度當然高。但學術界發表一篇公開取得論文的發表費，動輒 5 萬元以上，甚至可到 15 萬元臺幣。在對方以法律威脅下，筆者若擔心怕事，很容易就會動用計劃經費，支付文章出版費用。幸好，筆者第一時間求助許多朋友，一開始是法律專家，接著是資通訊專家，最後才確定這是一起學術詐騙事件。其「德國出版社」背後的「波蘭公司」, 在外交部駐波蘭辦事處的協助下，證實不是登記有案的公司。事後才發現，當初該美國教授將筆者列入審查學者名單給該出版商，筆者才會收到審稿要求，並取得筆者對該「出版商」的信任。在 165 反詐騙建議下，筆者就近在南港分局舊莊派出所完成快兩小時的筆錄，以「詐欺未遂」報案。感謝協助筆錄的蔡姓員警，這起國際詐騙，沒匯款上當，牽涉金額也只有臺幣 8 萬元左右，是否能透過警察的國際合作破案，誰也不知道，但筆者能做的努力僅止於此。最後，感謝所有被筆者詢問過的人，讓筆者能安然渡過這起詐騙案件。感謝中央研究院的院方及物理所協助，特別感謝臺灣法律專家黃琦媖律師、李奕逸法官、陳伯翰律師，歐洲法律專家中研院法律所邵允鍾博士及黃松茂博士，還有臺灣 IBM 工程師郭澄祐及不願具名的美國 Google 工程師，協助保全證據，提供警方。延伸閱讀 1. 楊芬瑩，〈推倒貪婪期刊付費高牆！學術界揭竿而起〉, 報導者，2016 年 3 月 8 日。(https://goo.gl/8fG65P) 2. Valerie Hung,〈不只台灣，德國和祕魯恐將於 2017 年與 Elsevier 學術期刊分手〉, 泛科學，2016 年 12 月 29 日。(https://goo.gl/YD4uGA) 3. Quirin Schiermeier, Germany vs Elsevier: universities win temporary journal access after refusing to pay fees, Nature News, 2018/1/4. | science |
科學五四三 是誰躲在網路世界月亮的背面? 暗網與洋蔥路由 | 在這網際網路普遍且發達到不行的年代裡，無論是上 Google、Yahoo、百度等引擎搜尋資料，或在 YouTube 上分享影片，甚至於各大社群網站張貼塗鴉牆，都已是許多人生命中很重要的一部分。只是這些我們輸入網址即可輕鬆進入的區域，都屬於「表網路 (surface web)」的範疇，然而其蘊含的資訊比我們想的要少。那 麼其他的資訊都到哪去了？相對於表網路，網路世界其實還存在著「暗網 (dark web)」, 資訊量遠超過表網路 400~500 倍、甚至更多。這些所謂的暗網路，並非一般使用者一鍵可及之處，通常得經過繁瑣的程序、或握有特定的權限才能進入，不僅搜尋引擎派不上用場、連網址都需要特定的瀏覽器才能使用。有人會說，常看網路上分享，裡頭盡充斥著槍枝、毒品、人口販賣、殺手雇用，與最大宗的兒童色情，甚至也有許多令人感到不解的宗教團體、儀式進行等，難道真是如此？前面說了，要進到特定的暗網網站，你得得到一把鑰匙，而這把鑰匙怎麼得到，各網站有他自己的規則；除了眾所皆知的黑市阿爾發灣 (AlphaBay) 云云，只要無法根據表網規則進入的、無論什麼內容都可以是暗網的一部分，當然這也包含公司內部不對外公開的網路。俗稱洋蔥 (onion) 的「Tor」瀏覽器是進入暗網世界最常被使用的工具之一，1990 年代中期由美國海軍研究實驗室的西維森 (Paul Syverson)、李德 (G. Mike Reed) 與高適雷格 (David Goldschlag) 發明，一開始僅提供美國作資訊與情報安全之用。洋蔥的處理過程包含層層加密的資訊，並在到達目的地前透過多層中介計算機 (intermediary computers) 進行解密，其內容受到相當程度的保護，一般人不會知道資訊的源頭與終點，以達到完全匿名的效果，而這多層次的結構，就彷彿洋蔥般緻密而繁複。如果說在表網路有估狗大神帶你到任何地方，暗網也有屬於自己的魔毯──Hidden Wiki, 如同維基百科般，任何使用者都能夠編輯這個頁面，各式相關資訊更是在這一覽無遺。然誠上所述，每個暗網網站都有他自己的規則，現在的網址不代表以後的網址 (有些地方就像消失的城鎮一樣神秘), 加上洋蔥路由層層的高隱匿性，這使得「非會員」幾乎是不太可能主動追蹤到網站源頭的。除了黑市交易外，許多戰地國家的民兵或軍隊、甚至國際間的情報員，也需透過這樣的平台，才能確保自己交流資訊時的安全，網路上有許多關於暗網的都市傳說，無論它們說了什麼，最終的結果都取決於使用者如何運用暗網資源。 | science |
「我認為(I think)」—達爾文與傳統的告別 | 即使偉大如達爾文 (Charles Darwin), 年輕時仍然懵懵懂懂於自己的未來。大學時，在醫師世家的家人安排下，先是遠赴愛丁堡大學 (University of Edinburgh) 習醫，在度過極度缺乏興趣與充滿挫折的 2 年生活後，輟學了。不過在這段時間可能為了逃避課業壓力，他流連於博物館間，持續保有對自然史探索的興趣。很快的，醫師父親又幫對於生涯規劃沒什麼想法的年輕達爾文安排了另一條路，也就是到劍橋大學讀神學，求個以後可以安穩生活的牧師工作。年輕達爾文乖乖照辦，也在 1831 年順利取得學位，但就學期間仍然沒有放棄自己對自然歷史的興趣 與探索，到處採集動植物標本。那時博物學依舊是他的最愛，而他也不認為這興趣會跟他將來的職業有所牴觸。機會的偶然，總是不可預測。取得學位不久，當時皇家海軍為了詳細考察南美洲海岸地形，準備出動小獵犬號 (HMS Beagle) 執行該任務，也極需一個博物學家作為船長航行的夥伴，達爾文因而被推薦，在與父親短暫抗爭後，還是順利成行，在 1831~1836 年間，達爾文壯遊了世界一圈，也帶回來許多歐洲人未曾目睹的標本與化石，以及他航程期間所見所聞的詳細紀錄。結束小獵犬號旅程後，在家人的安排下，達爾文娶妻生子，1942 年舉家遷往倫敦郊區，過著溫馨而舒適的生活。在生活安定後，達爾文也開始系統性整理、思索他在海外的所見所聞，但當時傳統教育的科學觀念以及許多既定想法，不時困擾著達爾文的思路。1851 年，達爾文最疼愛的大女兒安妮生病過世，這意外讓讀神學出身的達爾文對上帝極不諒解，也動搖了他對天主信仰的信念，哀慟逾恆的達爾文拒絕再進入教堂，但也因此，達爾文在拋棄了傳統上基督教對自然世界的詮釋桎梏後，放懷走自己的路，《物種起源》(On the Origin of Species) 一書在 1859 年問世後，讓人類對於生物自然世界的詮釋，有了全新的觀點。《物種起源》一書手稿中，唯一的圖是關於演化樹的新想法。達爾文在此手稿開頭寫下「我認為 (I think)」。這幾個字，宣示著新的達爾文誕生，讓他告別了傳統觀念加諸在身上的影響，走出了自己的路，同時也彰顯了人類能無畏無懼理性懷疑的價值，是自然史思想上的空前躍進。去 (2017) 年 8 月，筆者走訪達爾文故居 (Down House), 待在他生前工作的書房，望著他寫下《物種起源》一書的書桌，彷彿仍然能感覺到，「哲人日已遠，典型在夙昔。風簷展書讀，古道照顏色。」的微言大義。 | science |
目標明確地踏上人生的道路—中研院生化所徐尚德專訪 | 一走進辦公室，徐尚德就迫不及待地指著牆壁上的荷蘭古地圖，為我們介紹他曾經前往的城市。「當時還沒有 Google map, 所以我一知道要去荷蘭讀書，就馬上去圖書館找荷蘭地圖研究。」 才剛坐定，他便拿出荷蘭博士論文口試的照片，分享他的荷蘭生活，可見這段留學時期給徐尚德留下許多回憶。前往荷蘭攻讀博士徐尚德在 2000 年時前往荷蘭烏特列支大學攻讀博士。他在清大碩士班第二年寒假運氣很好地被通知成為國民兵、不需要再入伍服兵役，然而得知此消息時也已過了大部分美國學校的申請時間。為了不多浪費一年的時間準備，他決定申請荷蘭烏特列支大學 Bijvoet 研究中心卡普坦 (Robert Kaptein) 實驗室尋求博士班研究機 會。「我在碩士閱讀文獻時，就常見到這間實驗室出產的論文；我在碩一出國開會時也曾遇見此實驗室的學生，他們給我的感覺非常好。最重要的是，荷蘭烏特列支大學在歐洲是重點實驗室之一，他們專做核磁共振研究。在當時，我正在就讀的清華大學才剛買了 600 兆赫的核磁共振儀，而 Bijvoet 研究中心網站就已經宣告他們領先全球訂購了 900 兆赫核磁共振儀將在近期安裝，我認為機會難得，因此決定試著申請。」徐尚德說。申請荷蘭博士學位的方式與美國不同，並沒有制式的申請程序。「當時我寫了一封信給未來的指導老師，表示我對他們的研究相當有興趣，但其實當下他們並沒有開出博士生的缺，我是毛遂自薦去申請的。我在荷蘭的指導老師請我提供幾封推薦信，在經過幾封 Email 往來後，我的老師就說:『你可以來了。』」學術研究獎助徐尚德在 2004 年曾獲得「臺灣國科會與荷蘭國科會雙邊合作短期訪問獎助」, 這是當初臺灣國科會 (現科技部) 與荷蘭皇家科學院簽署的雙邊協議以促進臺荷雙邊科學家互動的計畫，徐尚德參與兩方科學家合作交流。「比較特別的是，因為我當時是荷蘭研究人員，因此我是代表荷蘭科學家與臺灣科學家合作。在荷蘭，就讀博士是正式雇員，甚至還享有勞健保。我趁聖誕節假期，大概兩個禮拜左右，回到臺灣在清華大學，指導兼合作，利用我在荷蘭學到而當時臺灣還沒有的專業技術，幫清大實驗室解決了一些問題，等於我把新技術引進臺灣，幫助學弟們解決了一些生物分子結構問題。」2005 年於荷蘭攻讀完博士並延續一年博士後研究之後，徐尚德來到英國劍橋大學擔任研究員。「當時我在英國與德國之間選擇，我其中一位指導老師凡努蘭 (Nico van Nuland) 推薦我到英國劍橋大學加入他從前進行博 士後研究的道布森 (Christopher M. Dobson) 實驗室擔任博士後研究員。 於是我專程前往瑞典斯德哥爾摩參加一場道布森也會參加的研討會，利用會議期間自我介紹並且問他有沒有機會加入他的研究團隊。在兩三天的討論後，他欣然答應。不過道布森實驗室的博士後研究員基本都要自己申請研究經費補助，也需要一段時間，荷蘭的指導老師卡普坦讓我待到有了明確的補助結果，再往下一站前進。」徐尚德解釋了為什麼需要申請經費，以及申請經費的管道。「現在歐洲大部分的實驗室研究員幾乎都是自己帶著經費過去，對實驗室而言，其實是一個篩選機制，你若是能帶著經費過來，等於你在該領域有相當的成果，實驗室也不用想辦法去爭取這麼大的經費，來維持研究團隊的營運。你想想看，我在英國的研究團隊大概有 2、30 位博士後研究員，每個研究員在歐洲的年度研究經費預算大概是 200 萬臺幣，若是都是由實驗室給付的話，大概要花上 4、5000 萬臺幣來付薪水，而當這些研究員都是自己帶經費過去，你想想那個能量有多大。」......【更多內容請閱讀科學月刊第 579 期】 | science |
自動化 光學檢測技術 | 隨著高科技競爭越趨激烈，產品與科技的生命週期縮短是必然的趨勢。當廠商面臨既有科技越發成熟、新科技快速交替的威脅時，唯有不斷推陳出新、才能在激烈競爭中謀求立足之地。自 1990 年來，因高科技新興產業如半導體、印刷電路板、平面顯示器、微奈米機電、光電、能源、精密機械等的興起，帶動許多 3C、新能源與智慧產品問市，如手機、手提電腦、平板電視機、太陽能面板、智慧車等。這些新興產品的市場需求龐大，所有內部零組件的生產速度已非傳統人為檢測的方式能夠勝任，任何零組件的瑕疵都會造成產品功能不良，因此不論產量有多大、都要求要做到 100% 的全檢。自動化光學檢測 (Automated Optical Inspection, AOI) 設備的產業隨上述各新興產業的需求興起，早期 AOI 設備都來自進口，其價格昂貴卻又不得不買。在經濟部及學研單位的推動下，臺灣產商於 2000 年開始意識到 AOI 設備自製的重要性，也逐漸投入研發。不過，新興產業的製程技術永遠快於檢測技術，除國內必須加快 AOI 快速化、精密化、智慧化的關鍵技術研發，人力的需求也不斷增加，而人才培育的速度及機構仍然不足，故目前亟需加速產學合作創新研發的腳步。AOI 設備的產業時代顯然已經來臨，臺灣目前發展現況與未來方向如下：第一，AOI 使用廠商如國內的台積 電、友達、欣興電子等，目前尚屬離線式抽檢，不影響線上製程。雖說新興產業少不了它，但價格昂貴、絕大部分來自進口，以及維護更新不易等是目前的缺點。第二，AOI 生產廠商 如國內的德律科技、盟立自動化、致 茂科技等，需進入光– 機 – 電 – 資訊整合技術門檻，產品量少樣多且附加價值高，但人才取得不易。其三為 AOI 的法人研究單位如工研院、金屬 中心等，需要跨領域整合開發關鍵技術，選擇市場導向的研究主題。最後則是如各大學的 AOI 學術單位需具有影像處理研發與培育人才的能力，並推動產學合作以了解實務問題。廣義的 AOI 設備為結合光學感測系統、訊號處理系統與分析軟體，及自動化系統，如：太空計畫的宇宙探測、生物醫學的 X 射線斷層掃瞄、機器人、無 人駕駛汽車、指紋比對、字形辨認 (筆跡)、人像比對、文件識別、工業生產的品質檢測、數位博物館的典藏文物、虛擬實景等皆為此類設備的應用面，而狹義的 AOI 設備為目前急需於工業上使用的檢測設備，如表一。自動化光學檢測包含 5 項通用技術，分別為光源系統、影像擷取、運動台、影像處理及影像判讀，除了這些必備的基本技術，其延伸於不同產業的需求技術可製造出各種自動化光學檢測設備。以下先對通用技術作些介紹：一個好的影像檢測系統，往往依賴良好的光源選擇及打光方式，光源不僅只是整合於影像檢測系統過程中一開始所需具備的基本元件，更重要的是要能正確且適當的架設實際可行的光源系統，除可大幅度提昇檢測成功率，亦能節省大部分的影像處理過程，減少系統開發整合所必須額外付出的軟硬體花費，增加系統檢測的速度。無論檢測項目為何，如何使欲檢測的物體特徵能自其他無關緊要的背影中突顯出來，是光源系統設計的基本原則，也因此光源的架設方式相當重要。......【更多內容請閱讀科學月刊第 579 期】 | science |
小腦袋大數據— 大腦圖譜研究計畫 | 人類是冒險的動物，在過去數十乃至於數百萬年中，嘗試不斷地往各種未知的環境探險。除了地理上的冒險，強烈的好奇心也驅使人類在科學研究上持續地往前推進。從過去一系列的太空探索計畫、人類基因組計 畫 (Human Genome Project, HGP), 到現今的腦科學則成為 21 世紀人類另一個積極開疆擴土的領域之一。如同地圖的繪製支持了人類在地理上的冒險，高解析度的大腦圖譜 (神經網路連結圖) 可為我們在大腦研究提供關鍵的資訊。本文將探討繪製大腦圖譜所需的技術及其瓶頸，以及臺灣科學家如何藉由不斷的創新為這個領域帶來突破性的貢獻。人類大腦擁有約 860 億個神經元，是我們的銀河系恆星數量的 1/4~1/2, 且每個神經元又與數萬個其他的神經元相連結，形成一個複雜到難以想像的網路。我們的思考，無論是理性還是感性，都是建構在這個有如內心的小宇宙般的複雜網路上。而許多精神性疾病的產生，也來自於大腦網路的異常。因此，想要理解人類智慧的根源以及發展治療腦疾病的方法，取得一個詳盡的大腦神經網路連結圖則成為其中一個最關鍵的工作。不過，由於大腦網路的複雜性，這個工作有極高的技術困難度。然而，因其對於生物醫學乃至於人類社會的潛在益處，大腦圖譜遂成為全球科學 家繼 90 年代人類基因組計畫後所爭相投入的最大科學研究目標之一。大腦圖譜研究的歷史源遠流長，但實質上的躍進大抵都來自於觀測技術的突破。17 世紀光學顯微鏡的發明開啟了現代生物學的發展。雖然藉由染色法，科學家可以觀察各種生物組織的結構，但是對於大腦切片卻一籌莫展，主要原因在於神經細胞非常緊密地生長在大腦中，在傳統染色法下難以觀察到有意義的結構。此外，神經最重要的特徵是如樹枝狀的結構，這也是神經間互相傳遞與接收訊息的地方。這些細微的樹枝狀結構密密麻麻的分布於大腦中，卻難以被傳統染色法所染色。這個困境在 1870 年代被義大利科學家高基 (Camillo Golgi) 所突破。高基使用硝酸銀讓神經細胞的完整結構都能被染色，並且每次僅讓樣品中的一小部分神經細胞被隨機染色，因此在顯微鏡下得以觀察到清楚分離的細胞結構 (圖一)。利用高基氏染色法，西班牙科學家拉蒙卡哈 (Santiago Ramón y Cajal) 畫出一張又一張極其精細的大腦神經細胞結構 (圖二), 這些細胞各個獨立，卻又彼此相接觸，讓世人首次瞭解到神經網路的複雜。也因為這樣的貢獻，拉蒙卡哈被稱作現代神經科學之父，並與高基於 1906 年共同獲得了諾貝爾生理或醫學獎。雖然高基與拉蒙卡哈為神經科學帶來突破性的貢獻，但因光學顯微鏡的解析度限制 (約 0.25~0.5 微米) 以及高基氏法稀疏染色的特性使得科學家一直無法如繪製地圖般的精確繪製神經細胞的連結網路。這樣的困境在超高解析度 (奈米尺度) 的電子顯微鏡發明後獲得了一點曙光。......【更多內容請閱讀科學月刊第 579 期】 | science |
隱藏在靈魂之窗內的細節-虹膜辨識 | 國際巨星湯姆克魯斯 (Tom Cruise) 主演的《不可能 的任務：失控國度》(Mission: Impossible – Rogue Nation) 影片中出現大量生物認證技術的橋段，使觀眾印象深刻，其中包括使用掌紋辨識、步態辨識、視網膜辨識、語音辨識與虹膜辨識等先進的生物認證技術，預告了生物認證未來將大幅度的改寫人類的生活型態。由於行動裝置應用普及，虹膜辨識技術及應用發展趨勢將會更加融入人們的生活中，包括從近紅外光到多光譜影像、從人配合機器到機器配合人、從固定設備到穿戴裝置、從一般演算法到人工智慧 (Artificial Intelligence, AI) 深度學習方法、從限制環境到複雜場景、從各種不同規範到標準規範等。隨著互聯網與物聯網的蓬勃發展，生物認證技術在身份認證領域越來越受到世界各國政府的高度重視，已將生物認證明定為高等級的資訊安全系統所需採用的身份認證技術。業界普遍認為生物認證正逐漸取代傳統身份認證技術，而作為生物認證的尖端代表──虹膜辨識技術，更以具有高精確性、高唯一性、高可靠性等特性，扮演著獨領風騷的角色。 而虹膜辨識是什麼？你對它的瞭解又有多少呢？經由閱讀此文，將會讓你對虹膜辨識有全面性深入的理解。虹膜是瞳孔周圍的環狀顏色組織，眼球的基本構造如 (圖一), 中央黑色部份為瞳孔區，其外圍為虹膜區，由於它擁有豐富而各不相同的紋理圖案，構成了虹膜識別的基礎。虹膜的形成由遺傳基因決定，在母體胚胎時即已成形，不同的人種亦有不同的顏色及紋理特徵。虹膜辨識就是基於這些細微紋理分佈的變化，作為個人身分辨識的依據。此外，由於虹膜外部有透明的角膜將其與外界相隔離，因此，發育完全的虹膜不易受到外界的傷害而產生變化。目前市面上使用的生物識別可以分為指紋辨識、人臉辨識、聲音辨識、虹膜辨識與靜脈辨識等。其中，指紋辨識應用已經極為廣泛，而人臉辨識應用正興起，這 2 項識別技術最為大眾熟知。近年來，不少硬體廠 商為增加商品賣點，將指紋辨識、人臉辨識作為熱門的廣告宣傳重點，但仍有可能發生偽冒情形。以業界來看，生物識別領域中能夠長久有其存在價值的技術，應是虹膜辨識技術。虹膜辨識具有唯一性、穩定性、不易偽造性、活體檢測等特點，在安全性能上佔絕對優勢。虹膜辨識技術需要活體的虹膜資訊，眼球剝離人體後，虹膜會隨瞳孔放大失去活性，將被機器拒絕。因此，虹膜辨識的安全性極高。經過英國政府通信電子安全性群組 (Communications Electronic Security Group, CESG) 委託，英國國家 物理實驗室 (National Physical Laboratory, NPL) 通過廣泛的實驗研究，對各類人體生物特徵辨識技術作了分析比較，目前最流行的三大生物認證技術之分析比較如表一所示。日本自動識別專題研討會 (AIM) 經廣泛科學的論證得出結論：虹膜識別準確率是指紋識別的 1200 倍，是人臉識別的 12000 倍，更是聲音識別的 40000 倍。......【更多內容請閱讀科學月刊第 579 期】 | science |
難以偽造的辨識認證-手掌與手指靜脈特徵辨識 | 生物辨識到底是什麼？最近 iPhone X 採用臉型解鎖，大家才恍然大悟原來可以利用人臉做身份認證，而且是那麼方便！其實近年來，社會上的竊盜事件頻傳，以最接近我們生活的交通工具來說，傳統的汽、機車所使用的保護機制都是鑰匙。而使用這種保護機制容易遭到有心人士在短時間內破解，就算駕駛者加上再多鎖，頂多只能多拖延幾分鐘，此機制僅能達到嚇阻的作用，卻無法完全抵禦破解。當然這種情況不單只發生在汽、機車等交通工具上，居家的門禁、電腦、手機也是有相同的問題。為了增強安全性，人們也積極的針對這個弱點進行研究和強化，各種身份認證系統乃應運而生。以近期的研究來說，針對擁有唯一且獨特的生物特徵辨識系統成為電腦科學中熱門的研究領域之一，生物特徵在實作上很難模仿及偽造，因此提供了更加優良的安全性。生物特徵辨識具備免攜帶、不會遺失損毀、不易仿造、獨一性等特點，透過非侵入的方式擷取特徵，以使用者角度而言，較不會產生排斥感。另外，藉由不同的生物特徵技術的結合，身分認證系統的設計將更多樣化。生物特徵辨識，是指利用人體的生理或行為特徵來進行身分辨識的方法。目前在此領域中，又以腦波、指紋辨識、人臉辨識、虹膜辨識及靜脈辨識等應用及研究最為廣泛。各種生物特徵有其優缺點，圖一指出各種辨識偽造難易的程度。比方說，對於靜脈辨識而言，幾乎是不可能被偽造的，它是利用紅外線照射手掌或手指所呈現出來的靜脈血管生物特徵來進行辨識，目前有掌靜脈、指靜脈、手背靜脈及手腕等部分，不過還是以掌靜脈和指靜脈為主流。由於指靜脈的面積小，所能擷取的特徵點也少，所以如何在較少特徵點的條件下，進行正確的辨識，就是指靜脈辨識的一大挑戰。在人臉辨識的部分，雖然他可能被偽造，但由於其辨識過程有著非接觸性且取像較容易，因此可應用的範圍較廣泛，大眾也較容易接受。但是在自然的環境下，人臉影像極易受到內在 (表情、角度) 及外在 (光源) 等因素的影響，尤其在低分辨率的人臉情況下，如何取得穩定的人臉特徵去進行辨識一直是極具挑戰性 的問題。有 iPhone X 手機的人就會感受到 FaceID 並不是永遠都是正常運作的！各種生物特徵辨識的研究比率如圖二 。根據 Tractica 公司所發表的報告顯示，全球生物辨識科技的產值將從 2016 年的 24 億美元成長至 2025 年的 151 億美元，如圖三。全世界生產生物辨識系統的主要公司如圖四，沒有一家是臺灣的。圖一上來看，靜脈是最難複製和被盜取的。人體組織如皮膚、肌肉、骨骼與血液對於不同波長之光源的吸收程度不同，故可透過不同波長的光源來擷取所需之人體組織影像，其中，紅外光線不會被人體肌肉組織給吸收，卻會被血紅蛋白給吸收，故透過紅外線照射手指或手掌，光線方能穿透手掌並在血管中被吸收，以致最後成像出手掌靜脈的分布。經實驗證明，使用波長 700~1100 nm 的近紅外光源 (near infrared light) 照射，能夠成像出清楚的靜脈影像。在生物辨識系統中，靜脈辨識最適合用於身分辨識系統，其擁有擷取影像簡單，且不易因外部因素而影響其生物特徵之擷取。人類的靜脈不易發生巨大的變化，故該穩定的生物特徵能夠大幅減少辨識過程中的誤差。......【更多內容請閱讀科學月刊第 579 期】 | science |
心臟微弱的生理訊號-利用心電圖辨識身分 | 根據國外科技研究中心 (Interstate Technology & Regulatory Council, ITRC) 的報告，越來越多的身 分竊取犯罪案件，像是 ID 被偷取、帳戶被盜、密碼遭竊等，所以資訊安全是現代人很重要的課題。根據統計，世界上平均每 4.3 秒鐘就有人的身分被他人盜用，目前最常用的資訊保全方法是利用密碼保護，但是密碼容易被人破解、盜用或是不小心遺忘，而生物辨識就是可以取代密碼，提供更方便、更安全、不會遺忘的解決方案。生物辨識是利用人體的特徵去做身分的辨認，尋找每個人不一樣特徵元素，利用自身的特殊指標來分辨個人。所謂的人體特徵可以包含簽名、動作行為、生理特徵、影像特徵和基因序列等，而常用的生物辨識包含行走的步態、聲紋、臉部特徵、臉部表情、指紋、掌紋、血管紋路、虹膜、眼底視網膜和 DNA 等辨識。 用此方法辨認身分，其安全性與便利性會勝過以前只靠密碼的資訊系統，而且科學家還在積極繼續尋找更佳的生物辨識元素，讓生物辨識技術更加多元與成熟，而心電圖身分辨認就是一種新的生物辨識元素。心電圖是心臟傳導系統在進行離子交換時，帶動整個心臟肌肉纖維而產生運動，進而發出微弱的神經電生理訊號，此微弱的訊號會擴散至全身，若將心電圖記錄器的電極連接到身上不同的部位，就可描繪出「心電圖」, 是今日心臟科醫生很重要的診斷指標。心臟中的單一細胞有律動的特性，進而形成整個心臟 產生整體律動。埃因托芬 (Willem Einthoven) 發現 一個以非侵入式的方式觀察心臟器官的方法，是運用埃因托芬三角形，將心臟的電偶包在三導程形成的向量三角形中，以不同的投影方向來觀察心臟組織是否正常。埃因托芬把心電圖中的一系列波分別命名為 P 波、Q 波、R 波、S 波和 T 波，並且描述了一些心血管系統疾病的心電圖特點。其中 P 波為竇房結啟動的點，代表心房去極化 (心房收縮); QRS 為心室去極 化 (心室收縮); 而 T 波為心室再極化 (心室舒張) 現象。他於 1924 年榮獲諾貝爾醫學與生理學獎，由此可見心電圖對醫療上產生了極大的貢獻。醫師可以用心電圖從不同的面向、方向去判斷心臟到底哪裡出了問題，面向越多越能精確定位病灶所在，故從一開始的三導程，進展至十二導程。十二導程包含有 極性的六個導程，在加上六個單電極的導程 (V1、 V2~V6) 所形成，在胸口前將心臟圍繞起來，成為一個完整的檢查。心電圖檢查十分安全，不會傷害人體，包含孕婦與胎兒都可以進行心電圖量測。目前來說，心電圖最常被使用在醫療與健康照護上，而心電圖記錄的方法是用導電電極接到身上，形成迴路，描出心電圖，它是一種微弱的電壓訊號，心電圖的波形大約是 1 毫伏 (millivolt, mv), 也就是 10-6 伏特 (volt)。 然後藉由放大器把它放大，放大至大約 1000 倍後讓電路可以讀到這種自體微量的電生理訊號，再運用訊號處理技術，可以計算心跳次數與解析不正常心跳。在醫療診斷上，由於每個人一日心電圖總量相當龐大，且型態上都有或多或少的差異，對醫師工作量是相當的負擔，所以醫療上的發展趨勢，是運用人工智慧或是機器學習技術輔助醫師診斷。心電圖從原來醫療用途化作身分辨識之用，是大約在 1996 年才開始進行相關的研究。一開始大家並不認為 心電圖是一個生物辨識的元素，主要原因是覺得心電圖會隨著生理狀態不同而產生變化，而心跳快慢變化與心律不整等不確定因素，會讓心電圖成為身分辨識的元素有所疑慮。......【更多內容請閱讀科學月刊第 579 期】 | science |
獨一無二的身體特徵-生物辨識起源與演進 | 根據日常生活經驗，在每天所接觸的人群當中，我們可以依據五官接收到這些人的外在資訊 (影像、聲音或氣味等), 輕易地識別出自己的親友。仔細想想，我們究竟是如何處理這些資訊，並做成正確的判斷？這些經由人類五官所接收到的人體外在資訊，稱為生物特徵。生物特徵的分類大致可區分為生理特徵 (physiological characteristics) 與行為特徵 (behavioral characteristics)。常見的生理特徵包括指紋、人臉、虹膜、靜脈、掌紋及掌形等，又稱為靜態的特徵；行為特徵涵蓋聲紋、心跳、步態及簽名等，則屬於動態的特徵。圖一為科學界普遍用來識別身分所使用的生物特徵。而發展最成熟且實際運作的辨識系統則大都使用指紋、人臉與虹膜等三項特徵。生物辨識技術 (biometrics) 泛指利用生物特徵之比對來達成識別身分的方法。利用獨一無二的生物特徵，我們可以辨識出個人的身分。 在實際比對時，辨識 (recognition) 將區分成兩種模式:「驗證 (authentication)」與「識別 (identification)」。 通常在設計生物特徵辨識系統之前，必須先行決定所採取的辨識模式。「驗證」屬於一對一的比對，先由擷取裝置 (如指紋掃描器) 取得使用者之生物特徵，再由系統將事先儲存之該人特徵與此資訊進行比對。「識別」則歸類於一對多的比對，則是在使用者提供個人特徵資訊後，接著系統在龐大的生物特徵資料庫內進行搜尋比對，找出最佳的比對結果，最後確認身分。「驗證」模式的比對速度快且準確性高，不需建立資料庫。「識別」模式則需事先建立資料庫，比對速度較慢且準確性略差。為了提高準確性，「識別」模式通常需結合多項生物特徵進行交叉比對以降低誤判率，例如指紋與人臉。圖二所示為一般的「生物辨識系統架構」。 首先，系統需先藉助擷取裝置 (如攝影機或麥克風等) 取得受測者的生物特徵 (指紋、人臉或語音等), 接著再經由 演算法從中萃取出利於比對的特徵 (feature)。 之後 的運作方式可以分成兩個階段：註冊階段 (enrollment stage) 與辨識階段 (recognition stage)。再犯者，將會被加重刑罰。在 1896 年，法國的貝迪永 (Alphonse Bertillon) 警官 (如圖三所示) 進一步設計了一個方式。他利用較精準的人工丈量法，量測與記錄犯罪者的資料 (如身高、體重、臂長、頭圍與膚色特徵等), 以便將來進行比對。然而，因為此系統的記錄過程繁瑣且易出錯，很快地就被人工比對指紋的方法所取代。指紋辨識技術的興起則要歸功於高爾 頓 (Francis Galton) 爵士等 3 位專家的貢獻，他們在 1892 年分析蒐集到的指紋檔案，並找出許多特定紋路的唯一性。這些特徵也都成為爾後開發自動指紋辨識系統的重要參考。這些珍貴資料都記錄於《指紋》 (Finger Prints) 一書當中。根據文獻記載，最早利用生物特徵進行自動辨識身分的研究可回到 1963 年，由 陶溫 (Mitchell Trauring) 在國際知名的 Nature 期 刊所發表關於自動指紋比對的論文。其他的生物特徵，如語音、人臉及簽名等識別技術，也在 1960 年代開始萌芽。經過了 50 多年的發展，同時拜電腦軟硬體 技術進步之賜，生物辨識技術現已開花結果，並衍生出不同的分枝。同時，已有許多實際的應用，如指紋與人臉辨識系統，出現於各大國際機場，擔任海關出入境旅客身分認證的重要工作。......【更多內容請閱讀科學月刊第 579 期】 | science |
什麼是太陽「蛇行圖」?太陽磁場生成及演變 | 地球磁場目前是由南極指向北極，然而根據海洋地殼等古地磁學的證據推測，地球磁場的方向並非固定，約 50 萬年地球磁場即會反轉一次 (圖一), 太陽磁場也如同地球磁場會周期性地改變磁極方向，有別於地球磁極的改變周期，太陽磁極約每 11 年即會反轉一次。歷史上已有很多太陽磁極反轉的觀測紀錄，然由於目前觀測及計算的技術尚未能直接探測太陽內部的磁場，太陽磁場的成因及變化仍是未知，成為許多科學家一直以來的研究目標。地球的大氣溫度僅有 300 K, 受地球的重力束縛在地表附近，越高越稀薄。太陽大氣與地球大氣不同，它向外持續噴射，而非靜止的。太陽溫度由太陽核心往外遞減，到達太陽表面的光球層，其溫度約 6000 K, 再向外溫度開始升高，到了色球層升高至 104 K, 色球層之上就是稀薄的日冕 (corona), 溫度約為 300 萬度 (3×106 K), 由於密度很低，日冕平時在地球表面以肉眼觀測是看不到的，因此在望遠鏡發明之前，只有日全蝕才會看到日冕，這一圈如同皇冠上冠冕形狀的物質，便將之稱為 corona, 而這圈冠冕狀物質中有些區域很暗，像冠冕破了一個洞，於是將這些區域稱為日冕洞。日冕洞的黑暗主要源於其中的磁場線會延伸到無窮遠處，因此大量電漿便順著磁場線脫離太陽，這些流出的電漿是所謂的太陽風。日前的研究顯示日冕洞是高速太陽風的重要來源，例如在太陽寧靜期的時候，由太陽赤道面附近日冕洞吹出的太陽風速度較低，約為 400 公里∕秒；在高緯區的日冕洞吹 出的速度約可達 800 公里∕秒。當高速太陽風打到地球，可能會對地球磁層、人造衛星和太空船造成影響，因此如果能了解日冕洞如何隨時間改變位置及面積，將會對太空天氣預報有很大的幫助。除此之外，日冕洞隨時間的變化也可以告訴我們太陽的大尺度磁場如何隨時間改變。太陽的磁場線可以分為封閉磁場線以及開放磁場線。所謂的封閉磁場線是指磁場線的兩端都在太陽表面上；開放磁場線則是指磁場線的其中一端在太陽表面上，另一端則接至遙遠的行星際空間中。事實上因為沒有磁單極，磁場線必定會連接回太陽表面，但因為磁場線延伸得非常遠，所 以天文學家定義距離太陽中心，延伸超過 2.5 個太陽半徑 (太陽半徑約為 70 萬公里) 就是開放磁場線。2.5 個太陽半徑是流體動能與磁能的分野，在此距離之內磁能大於流體動能，因此流體被磁場所牽制；在此距離之外流體動能大於磁能，因此磁場被太陽風帶著跑。我們使用史丹佛大學的 Wilcox 太陽天文台所觀測的磁場資料，根據 PFSS 計算磁場模式得出磁場的三維結構；而經由計算磁場線的形式，可以計算出 40 年之間，開放磁場區在每個太陽自轉週期 (約 27.3 天) 的分布情形。 ......【更多內容請閱讀科學月刊第 579 期】 | science |
鈣鈦礦螢光奈米晶體在光電領域之應用 | 螢光奈米晶體主要是具有自發螢光特性，且為奈米尺寸 之材料，當中以量子點 (quantum dot) 最為特殊，此種稱之為量子點的材料主要是將激子 (即電子電洞對) 束縛在三維空間方向上的半導體奈米結構。當這種半導 體奈米結構尺寸小於他的波爾激子長度 (Bohr exciton length), 且粒子的能階會趨於與分子相似的性質，導致其能帶 (energy band) 產生量子限量化效應，此時形成不是連續的能帶；當粒子尺寸變得更小，其能隙 (band gap) 會變得更大，造成此量子點奈米晶體之光電性質會與其塊材有很大的差異 (圖一)。量子點始於 1983 年，由哥倫比亞大學化學系教授布魯斯 (Louis Brus) 證明而得，若改變硫化鎘膠體的大 小，其激子能量也將隨之變化，膠狀量子點 (colloidal quantum dot) 的概念首次被提出。1993 年，麻省理工 學院教授巴溫迪 (Moungi Bawendi) 實驗室第一次利用三種氧族元素 (硫、硒、碲) 溶解在三正辛基氧膦中，而後於攝氏 200~300 度的有機溶液中與二甲基鎘反應，並在有機溶液中合成出了大小均一的量子點，成功產出硫化鎘、硒化鎘、碲化鎘等量子點材料。之後在量子點的研究大部分都基於此種方法為合成基礎開發，包括 III-V 族 (GaN, InP),I-III-VI 族 (AgInS2, CuInS2) 量子點等等。2010 年後出現一種新型態的量子點研究，以鈣鈦礦結構之螢光奈米晶體為主，其化學式組成為 ABO3, 其中 還分為「全無機類型」及「有機 - 無機混合類型」。 全無機鉛鹵素之鈣鈦礦，如 CsPbX3 (X 為 Cl-、Br- 以及 I-), 晶體結構與半導體性質在 1950 年代就已經被發 現；而擁有此種結構的有機 - 無機混合類型之化合物，如 CH3NH3PbX3 及 CH (NH2) 2PbX3, 也於 1970 年晚期被發現，一直到了 2010 年後，此種鈣鈦礦奈米尺 度下之光電特殊性質才被大量研究，並在太陽能電池及發光二極體有卓越的效能。許多文獻裡，鈣鈦礦所形成之奈米晶體，其螢光發光波長主要易受到不同鹵素離子之比例不同而有所改變，因此種奈米晶體尺寸多大於 10 nm (超過其激子波爾長度), 尺寸改變對於螢光放光 波長影響較小，也因此較為不適合稱之為量子點。本文將分別介紹新型態鈣鈦礦奈螢光奈米晶體之基本製備方法、光學物理性質以及它在光電領域上的應用價值。......【更多內容請閱讀科學月刊第 579 期】 | science |
「一」的力量—單細胞生物學 | 雖然英國科學家虎克 (Robert Hooke) 不是透明玻璃的發明者、也不是玻璃磨鏡技術的先驅者，但在 17 世紀中葉，他卻是率先改進凸透鏡品質與組裝方式，並利用這個可以清晰放大物體影像，也就是後來稱之為顯微鏡的裝置 (圖一), 仔細觀察了許多微小事物，並詳實畫出許多平常肉眼無法觀察到的細微之處。1665 年，他整理了 58 幅精美的手繪圖，加上 60 個觀察報告，出版了《微物圖譜》(Micrographia) 一書 (圖二)。在這些精緻的圖片中，有一幅是他將軟木塞切片後的觀察，鏡頭下他看到軟木塞是由一個一個小格 子組成，他將這些小格子命名為細胞 (cell, 圖三), 並臆測生物可以再拆解成細胞這種更小的組成單位。不過，更進一步的發現則得又多等到近 200 年之後，才由德國科學家施萊德 (Matthias Jakob Schleiden) 與許旺 (Theodor Schwann) 提出細胞是動植物個體中，最基本的功能單位。也就是說，多細胞生物是透過各種功能不同的細胞，彼此合作，才能成為完整的生物體。看看我們自己，大家都是從一顆受精卵開始，經過 40 幾次的複製之後，就變成了 30 兆個細胞組成的多細胞個體，而不是 30 兆個一模一樣細胞組成的個體。人體的多種器官是由不同組織構成，由組織就可再細分為神經、骨骼、肌肉、皮膚等數百種型態功能各異的細胞，因此如何由當初的單一細胞，何時、何處、如何轉變成這麼多種的細胞，進而彼此相互溝通，成就了多細胞個體的完整形成，一直是生物學界極想了解的問題。然而，多年以來，礙於研究方法與生物材料的侷限，所謂細胞學研究，幾乎都是來自一大團混雜細胞的結果，因為這些細胞即使取樣自同一組織，但也不會全然相同，即使簡單如皮膚組織裡的一團細胞，裡面也可能包含形態各異的幾種細胞，甚至也會夾帶血球細胞，觀察到的結果其實是一群細胞的現象，即使你懷疑裡面有個細胞的功能是關鍵少數，它的特異性質也會被淹沒在其它多數細胞的背景性質中，無法被觀察到。所以，連這樣簡單的一團皮膚細胞都無法好好去講之間的從屬關係，要探討一隻小鼠，甚至是一個人身上每個細胞的來龍去脈，進而去了解一個生物體，那是不可能的任務。1970 年代，英國劍橋分子生物研究室的布倫納 (Sydney Brenner) 與蘇斯坦 (John E. Sulston) 的團隊，以 秀麗隱桿線蟲 (Caenorhabditis elegans, 圖四) 為材料，利用幾年的時間，用肉眼詳細觀察，極有耐心地記錄線蟲如何由一個受精卵開始，用什麼樣的順序分化病發育成包含 959 個細胞的成蟲的詳細過程 (圖五), 而這 900 多個數種型態的細胞就足以構成消化、 神經、肌肉和排泄等系統，共同執行複雜的功能。畫出這個細胞譜系圖之後，該團隊的霍維茨 (H. Robert Horvitz) 就順利觀察到某種突變的線蟲，有些細胞分化到特殊階段就出問題，也因此理解了這些突變基因在細胞分化上的功能，並順利解析出細胞死亡部分的秘密，進而得到 2002 年諾貝爾生理學或醫學獎。......【更多內容請閱讀科學月刊第 579 期】 | science |
搞懂聲音的差異 看見聲音的長相 | 你可曾想過，當不同樂器彈奏出同一個音符時，為何聲音聽起來可以截然不同？你可以分辨笛子和吉他的聲音、男生跟女生的聲音，但可曾「看見」過這些聲音的波形與頻譜？跟隨我們，用電腦程式觀察聲音，動手玩幾個跟聲音有關的科學實驗吧！大自然中有著各種美妙的聲音。聲音是一種波動，除了用耳朵聽之外，也能透過麥克風將空氣中的聲波震動轉換成電壓變化。而電腦或手機上的音效卡則可將微弱的類比電壓訊號轉換成電腦裡的數位訊號，再透過電腦或手機應用程式將這些資訊呈現在螢幕上，即能看見聲音的波形。本文中，我們以電腦程式：音效卡示波器 (Soundcard Oscilloscope) 示範容易動手玩、跟聲音 有關的科學實驗。首先，上到 https://www.zeitnitz.eu/scope_en 這 個網站下載與安裝 Scope 程式。啟動程式後，程式介面上方選擇 Oscilloscope (示波器) 即可看到麥克風接收到的聲音波形。圖一中顯示的波形，是將一根喝珍珠奶茶的粗吸管在約 20 公分長的位置處對折成閉口，然後用嘴巴在開口端吹氣時所發出的共鳴聲。從波形圖中橫向的時間軸可以看出，20 毫秒 (20 ms) 時間內聲音主要震盪約 8.5 次。也就是大約每秒 425 次 (425 Hz)。從這頻率跟吸管的長度，我們就可以推算出聲音的速度是大約每秒 340 公尺喔！怎麼算的稍後再跟你說。頻率最低的主要震盪，我們稱其為基頻 (fundamental frequency)。 除了基頻，圖一中的波形還有許多細雜 的高頻振動。這些震動的振幅雖然比較小，卻很重要，他們構成了這根吸管的「音色」。若沒有不同的音色 或聲紋，所有樂器的 Do (middle C) 音就都會是一模一樣的聲音。為了看清楚這個波形是由哪些頻率成分所構成，我們可以將波形透過傅立葉變換 (Fourier transform) 將波形轉變成頻譜。別擔心，電腦程式會幫我們做計算，只要在示波器程式介面上方選擇 Frequency (頻率), 如圖二，就可以看到這吸管的聲音頻譜。它在 425 Hz 處有一根強度很大的訊號，而剛好 3 倍頻率的 1275 Hz 處也有一根明顯的訊號。這可不是湊巧，而是因為單邊開口的管子共振條件是頻率為基頻 1、3、5、7 等的單數倍......【更多內容請閱讀科學月刊第 579 期】 | science |
瑪莉歐與食人花 | 最近和一些高中數學老師聊天，他們發現第一冊開宗明義談 「數 (numbers)」, 學生很沒有「安全感」: 整數、有理數或無理數的介紹多半是概念，沒題目可以「算」, 真是不安心。復以第一個關鍵是：基本上學生早已經知道 有多大：單位正方形的對角線 長度，大概 1.414 嘛！它是無理數這件事對認知不會有衝擊，證明它也就看來不那麼重要。況且用到反證法，遠超過大部分高一學生的思維和經驗，於是草草帶過，直接跳到的結論。關於無理數的描述大概就這樣結束，這是很可惜的，稍微設計一下，從開始可以引出很多有意思的結果，這個月的專欄介紹幾個容易讓學生「有感」的數學，給教師們參考。現在常用的影印紙有 A 系列尺寸 (A3、A4......) 和 B 系列尺寸 (B4、B5......)。這 2 種紙都有一個非常好的特性：將 A3 裁半之後就變成 A4, 或將 B4 裁半之後就變成 B5, 兩邊的比例仍維持一樣。要能夠這樣，紙張可不能亂來，選正方形當影印紙就是一個不智之舉，因為正方形裁半後不會是正方形，我們可以計算要能夠這樣裁時，兩邊的比例會是如何。假設下圖短邊為 a, 長邊為 b; 因為裁半之後短邊比長邊的比例要保持相同，因此得到；也就是說，要能夠裁半並保持同樣比例 (如同 A3 或 B4), 紙的兩邊比必須是：這是有趣也簡單的數學，由此可設計一系列的教學活動。但是我不解的是，擁有最先端高科技的美國，日常用紙卻是一種奇怪的尺寸，叫「Letter Size (8.5×11 英吋)」, 這種尺寸裁半之後，整個比例就完全不對了。無理數的「行為 (此處借用數學常用的 behavior 一詞)」, 其實是非常神秘而有意思的。......【更多內容請閱讀科學月刊第 579 期】 | science |
2017年加密貨幣與公開代幣發行回顧 | 加密貨幣 (cryptocurrency) 又稱為「虛擬貨幣 (virtual currency)」 或「數位貨幣 (digital currency)」, 是使用區塊鏈 (blockchain) 技術所創造出來的貨幣，它基本上是由許多電腦科學 (computer science) 的演算法所創造出來的程式，並不是實體的硬幣或紙鈔，因此稱為「虛擬 (virtual)」, 也因為它使用了許多加密演算法，因此稱為 「加密 (crypto)」, 關於比特幣與區塊鏈的技術細節，請讀者自行參考《科學月刊》2017 年 11 月第 575 期的詳細介紹。首次代幣發行 (Initial Coin Offering, ICO) 是指新創公司經由區塊鏈平台，公司首次將它的代幣 (coin 或 token) 賣給投資人 (個人或法人) 來募集公司營運所需要的資金。私人公司經由這個過程轉化成什麼呢？其實在法律上它什麼也不是，只是在公開的區塊鏈平台上可以查到這家公司而已。而投資人以其他加密貨幣 (例如：比特幣或以太幣) 來交換私人公司的代幣，通俗的說就是「以代幣換代幣」, 由於直接以加密貨幣交換法定貨幣可能涉及違法吸金，因此這種交易類似「以物易物」, 很巧妙地規避了法律上的問題。2017 年可以說是加密貨幣最精彩的一年，比特幣由 2017 年初約 1 比特幣 (btc) 兌換 100 美元，狂漲到 2017 年 底約 19000 美元，漲幅將近 200 倍，卻又在 2018 年初暴跌到大約 8000 美元，大量的投資客與投機客湧入加 密貨幣市場，讓這種看不見摸不著的「虛擬貨幣」瞬間炙手可熱，同時也讓更多廠商搶著到區塊鏈平台上發行自己的加密貨幣，加密貨幣種類一下子暴增到超過 1500 種之多，大部分公司不但沒有獲利、甚至只是寫了一份企劃書而已，就能夠讓自己發行的加密貨幣跟著大盤上漲，有的還帶動了公司股價上漲，例如：已經申請破產的傳統相機廠商柯達公司 (Kodak) 宣布推出「柯達幣 (Kodakcoin)」, 協助攝影師與版權機構作出更有效的影像權管理，消息公布後柯達股價一度暴漲 77%, 就是一個例子。其實這些加密貨幣也不是都隨便亂漲，事實上市值排名前面的加密貨幣背後都有它們的故事，有的使用新的規則、有的提出新的技術、有的產生新的應用，這是他們排名前面的理由，接下來我們簡單介紹市值前十名的加密貨幣，如表一所示。2008 年由日裔美國人中本聰 (Sotashi, 筆名，真實姓名待確認) 發表了一篇名為《比特幣：一種對等式的電子現金系統》的論文，經由電腦科學的演算法所創造出來的程式「節點軟體 (node software)」 與「 比特幣帳本 (Bitcoin ledger)」, 建立了可以不經由金融機構就能在交易雙方之間直接傳送的「比特幣 (Bitcoin, BTC)」, 是目前知名度與市場總值最高的加密貨幣。要獲得比特幣有兩種途徑，一種是自行架設電腦經由數 學運算找到滿足特定條件的「區塊 (block)」來儲存「交易 (transaction)」, 就可以得到比特幣獎勵金，這個行為稱為「挖礦」, 而進行挖礦的人稱為「礦工」; 另外一種是直接拿法定貨幣 (例如：美金) 到加密貨幣交易所兌換比特幣，正是因為有人願意拿 19000 美元兌換 1 比特幣 (btc), 才會造成比特幣的暴漲。比特幣是第一個加密貨幣，為了維持比特幣的總量避免通貨膨脹問題，比特幣數量上限為 2100 萬個，採礦難度高發行數量少是它維持高價格的重要原因，但是比特幣所使用的規則老舊，為了維持大約每 10 分鐘採出一個區塊，產生新區塊的難度會定期調整，每採出 2016 個區塊 (大約兩週) 會自動調整接下來 2016 個區塊的採礦難度，比特幣的區塊大約 1 MB, 一筆交易大約 256 B, 一個區塊大約儲存 4096 筆交易，平均每秒最多只能處理 7 筆交易 (4096 筆交易∕600 秒 = 6.82), 和目前廣泛使用的 VISA 這樣能夠每秒處理數萬次交易的支付系統相差很多，大家想想，每秒鐘「全世界」最多只能處理 7 筆交易，怎麼可能應付我們日常生活頻繁的小額交易？因此比特幣不適合即時大量的小額交易，或者說比特幣根本不可能取代傳統貨幣，為了改善這些缺點，後來才產生了「比特幣現金 (Bitcoin Cash, BCH)」。每次說到比特幣根本不可能取代傳統貨幣，就有許多朋友反問我：那為什麼日本和臺灣都出現可以使用比特幣交易的商店？這個答案很簡單，大家想想，我開了一家早餐店，要請到所有的一線主流媒體來做廣告，要花多少錢？有什麼方法可以花小錢就讓所有的主流媒體全部到場做免費廣告，答案很簡單，只要我準備一支裝有比特幣電子錢包 APP 的手機，再發新聞稿說「本商店即日起接受比特幣付款」, 所有主流媒體攝影機立刻都到場了，這不是免費的廣告嗎？問題是，消費者真的用比特幣付款的人又有多少？依照目前比特幣的現況，先不考慮比特幣暴漲暴跌，由於小金額又沒有手續費的交易無利可圖，沒有礦工願意把它打包到區塊鏈裡的，沒有被打包的交易代表沒有礦工做確認，也就代表收款人無法拿到這筆錢，試想那家商店願意先把貨物讓消費者帶走，卻在一兩個月後才收到貨款？甚至沒有礦工打包就永遠收不到貨款，如果只是 1、2 位消費者用比特幣認賠就算了，但若每位消費者都用比特幣付款，那商店不是要關門倒閉了嗎？最弔詭的是，比特幣暴漲的重要原因之一，是許多人誤以為比特幣會取代傳統貨幣，擁有無限的前景與未來，所以才瘋狂搶進，拿大把的美金到交易所兌換比特幣的，看到這裡，你還覺得可以繼續押寶比特幣嗎？以太坊 (Ethereum, ETH) 是一個開放原始程式碼並且具有「智慧合約 (smart contract)」功能的公共區塊鏈平台，在這個平台上使用加密貨幣「以太幣 (ether)」, 這個平台提供去中心化 (decentralized) 的「以太虛擬機器 (Ethereum Virtual Machine, EVM)」給所有想要使用區塊鏈技術開發產品的開發者，因此稱為「公共區塊鏈平台」。大家都知道區塊鏈有許多應用，不只是拿來支付用的加密貨幣而已，問題是不同應用必須分別定義自己的區塊鏈協定 (共識規則), 造成只有少數區塊鏈應用相容，與其他區塊鏈應用無法相容的問題。以太坊創始人布特林 (Vitalik Buterin) 希望讓區塊鏈技術應用在加密貨幣以外的領域，讓開發者建立可擴展、易開發、可相容的各種區塊鏈應用，因此建立了「以太坊」, 這是在比特幣之後區塊鏈技術又一個創新，說穿以太坊就是要大家都使用它的區塊鏈協定 (共識規則) 來開發各種應用，在以太虛擬機器 (EVM) 上使用以太幣來交易，那大家猜猜，如果全世界大部分的區塊鏈應用都是架構在以太虛擬機器上，最有價值的加密貨幣會是那一種呢？賺最多的又會是誰呢？以太坊提供很好的「智慧合約 (smart contract)」可以協助和驗證合約的談判和執行，同時建立通用的區塊鏈協定，讓程式設計師在以太坊區塊鏈協定上撰寫程式語言，可以快速開發應用，與其他區塊鏈應用相容，開發者可以在以太坊平台上創造一個全新的加密貨幣 (例如：科學幣), 投資人再以其他加密貨幣 (例如：比特幣或以太幣) 來交換科學幣。2014 年 7 月以太坊就是用這個方法募集了 31591 個比特幣 (當時市值 1840 萬美元), 隨著加密貨幣的膨脹吸引更多開發者、投資者、投機者投入。瑞波公司利用區塊鏈技術做國際金融交易的公司，透過企業區塊鏈網路「瑞波網 (RippleNet)」, 協助商業客戶提升跨國支付交易效率，提供跨境支付解決方案。其實瑞波幣 (ripple, XRP) 的功能就是兩種法定貨幣之間的橋樑，企業可以使用瑞波幣在全球執行所需的資金流動，而且不需要支付額外的手續費。根據瑞波實驗室 (ripple labs) 官方網站的介紹，瑞波幣最大的特色就是支付結算只需要 3.6 秒，和比特幣需要超過 1 小時，以太幣需要超過 2 分鐘以上的時間相比，幾乎是目前交易最快的加密貨幣之一。由於比特幣不適合即時大量的小額交易，為了提高區塊鏈交易的處理速度，2017 年 8 月比特幣經由「硬分叉 (Hard fork)」產生了新版本的「比特幣現金」, 比特幣現金的區塊大小為 8 MB, 並且複製了比特幣完整的區塊鏈資訊與幾乎所有模式。硬分叉是指區塊鏈發生永久性分叉，在新的共識規則發布後，部分沒有升級的節點無法驗證已經升級的節點所產生的區塊，通常就會發生硬分叉。由 IOHK (Input Output Hong Kong) 公司開發、以太坊的前 CEO Charles Hoskinson 主導成立，是利用區塊鏈的技術設計給 Cardino 遊戲的玩家使用，Cardino 是沒有被運營商所支配的遊戲平台，參與 Cardino 遊戲的玩家必須持有平台的艾達幣 (Cardano, ADA) 代幣，透過和其他玩家對戰來取代幣，電子遊戲產業原本就是一個很大的市場，因此艾達幣有它的發展潛力。由 Mt-Gox 和 Ripple 原創始人 McCaleb 推出類似於瑞波幣的新支付系統，做為法定貨幣與加密貨幣之間的的交易媒介，恆星幣 (Stellar, XLM) 具有交易快速的優點，確認時間僅需大約 4 秒即可完成，利用各個伺服器組成恆星 (Stellar) 網路，伺服器利用扣除帳戶餘額的方式進行交易，恆星幣屬於美國加州「恆星發展基金會 (Stellar Development Foundation, SDF)」, 為非營利機構，他們的理念在建立任何人都能自由使用的支付網路。萊特幣 (Litecoin, LTC) 同樣也是受到比特幣的啟發而生的產物，改善了比特幣的一些缺點，具有三個主要的差異：萊特幣網路大約每 2.5 分鐘產生一個區塊，比特幣大約 10 分鐘產生一個區塊，因此可以提供更快速的交易確認；萊特幣預期產出最多 8400 萬個，相較於比特幣期產出最多 2100 萬個多出四倍；萊特幣在工作量證明 (proof of work, PoW) 演算法中使用了 scrypt 加密算法，使得個人電腦更易運算出萊特幣。新經幣 (New Economy Movement , NEM) 是由 bitcointalk.org 論壇的 UtopianFuture 開發，最大的特色就是使用「重要性證明 (proof of importance, PoI)」, 重要性證明機制是指一個用戶的重要性取決於他擁有多少數量的新經幣和他的錢包交易數量，這樣會鼓勵用戶不僅持有新經幣，同時也積極在新經幣的區塊鏈系統內開展交易，和比特幣所使用的「工作量證明」不同。加密貨幣與區塊鏈無疑是近十年來影像金融業最巨大的創新發明，隨著加密貨幣的種類不斷增加，以及加密貨幣的價格不斷被炒作，愈來愈多的投資客與投機客紛紛投入這個市場，暴漲暴跌成為加密貨幣交易市場的常態，2017 年 12 月 2 日美國商品期貨交易委員會 (CFTC) 核准芝加哥商品交易所集團 (CME Group) 與芝加哥期權交易所全球市場 (cboe global arkets) 推出比特幣期貨。儘管近來虛擬貨幣價格回檔，相關概念股仍持續發燒，洶湧資金流入兩檔新上市的區塊鏈指數股票型基金 (Exchange Traded Fund, ETF), 一週內就吸金 2.5 億美元，金額之高讓人咋舌。最令人擔心的事情終於要發生了，一檔又一檔的區塊鏈衍生性金融商品問世，接下來就是衍生性金融商品之間理不清的關聯性，下一場金融海嘯是不是正在慢慢成形了呢？此外，加密貨幣的交易安全管理是另外一個令人擔心的問題，2018 年 1 月 26 日日本加密貨幣交易所「Coincheck」遭駭客入侵，竊取價值約 580 億日圓 (約臺幣 156 億元) 的「新經幣」, 是加密貨幣發明到目前為止最大宗的竊案，這件事震驚全球。目前加密貨幣最大的問題就是安全性，這種完全虛擬的貨幣就是一種電腦程式，駭客主要應該是從使用者帳號密碼來下手破解，而不是針對區塊鏈來破解，其實使用者帳號密碼的安全性問題到處都有，只是一般股票市場的交易比較好追蹤，而加密貨幣追蹤的困難度很高而已，如何做好安全管理是一個值得大家討論的問題。 | science |
流感疫苗無效? Google創投挹注廣效流感疫苗的研發 | 入冬以後的臺灣氣候多變化，感冒的盛行率 (prevalence rate) 一如往常地正悄悄地進入到高峰期。感冒，是一種由病毒所引起之呼吸道感染的疾病，但真要詳細地說，感冒的成因其實有些複雜，到目前為止，科學家發現超過 200 種以上的病毒與感冒的發生有關，我們最常發生的疾病，事實上成因並不簡單。一般的感冒 (common cold) 又稱傷風，由於成因複雜，醫生多半都會囑咐患者多喝水、多休息或開些減緩鼻塞、發燒、頭痛等症狀的藥，改善病人不適的症狀。不過，流行性感冒 (influenza) 則是完全不一樣的故事。流行性感冒 (流感) 主要是由屬於正黏病毒科 (Orthomyxoviridae) 的流感病毒所引起的，它是一種以 RNA 為基因體的病毒，有別於一般生物以 DNA 為遺傳物質的情況。一般而言，流感的症狀比一般傷風嚴重許多，除了前述的症狀之外，還伴隨著強烈的肌肉痠痛與併發腸胃道不適等症狀，對於老人與小孩也有較高的致死率。近年來，藥廠已針對病毒生理研發治療流感的專屬藥物 —— 包括國人所熟知的「克流感 (Tamiflu)」, 這種藥物是以流感病毒的唾液酸酶 (neuraminidase) 為主要的抑制標的。在病毒感染細胞、製造了數億顆病毒後代之後，需要唾液酸酶的作用才能順利地釋放散播，所以，克流感藥物的使用可以阻礙並減緩病毒散播的速率，替體內的免疫系統大軍爭取寶貴的時間。對於一般性的感冒而言，由於病毒的作用機轉並不相同，克流感藥物幾乎沒有什麼效果，這也是醫師在用藥之前，會使用快篩試劑檢驗病人罹患感冒種類的原因。若說疫苗之間也有想成為「網紅」的種類，我想流感疫苗應該是最能搏版面的疫苗了吧！似乎每年都會出現令人難以忽視的、有關流感疫苗的相關新聞。前些日子新聞報導，由於世界衛生組織 (World Health Organizationm, WHO) 的預測失準，2017 年的流 感疫苗保護效力欠佳，所以無法達到有效控制疫情的目的。或許有人心中會納悶，怎麼疫苗的製作，是用「猜」的呢？這是由於流感疫苗所要對付的是一種 RNA 病毒，地球上的生物對遺傳訊息的看法大多希望保持其忠實性，精確的將族系繁衍下去，但其實有另一類的生物則喜歡求新求變，像是以寄生為主的生物，會不斷的進行突變，來迷惑宿主的免疫系統，在夾縫中尋求生存。就像是 RNA 病毒，一般而言就比 DNA 病毒更容易產生變化，這就是傳統疫苗多半設計用來對付 DNA 病毒的原因。由於流感對人類健康具有相當之威脅性，因此從 1973 年起，世界衛生組織便開始提供流感疫苗來防堵疫病的擴散。也因為流感病毒的變化多端，世界衛生組織建立了「全球流感監控網路系統 (Global influenza surveillance network)」。這個網路主要由散佈於世界各地的實驗室所組成，在這些實驗室中的主要工作，就是分析當地流感病例中病毒的型別，並對它們的 RNA 基因體進行基因解序的工作，然後將結果向上匯報給世界衛生組織。世界衛生組織的專家會議會將這些匯報彙整之後，歸納出未來數個月內病毒的流行趨勢，決定啟用病毒庫中的哪株病毒進行疫苗的製備，整體的工作有點像是氣象預報員，預測未來可能擴散的病毒類型。最近生技界的一大新聞是 Google 集團旗下的創投單位，最近挹注了一筆高達 2700 萬美元給英國的 Vaccitech 公司，協助該公司所發展的廣效型流感疫苗 (universal flu vaccine) 在北美進行近年來規模最大的臨床試驗 (clinical trials)。Vaccitech 公司是由劍橋大學 (University of Cambridge) 的研究團隊所組成，他們宣稱，有別於以往流感疫苗需要逐年施打，該公司的廣效型流感疫苗可以提供長達數年的保護效力，其關鍵技術在於疫苗的設計揚棄原本以病毒外部蛋白為主要抗原，而以病毒內部的蛋白為主。相對於外鞘蛋白，病毒內部的蛋白質基於執行特定功能的需要，一般會有高度的保留性。又或者說在天擇的壓力之下，產生突變的病毒株會因為無法執行功能而被淘汰，只有能執行正確功能的病毒才可存活。整個故事聽起來宛如童話故事般的美好，不過我想，稍微具備病毒學與疫苗學的科學家們，應該都會想到這樣的策略關鍵在於：如果說抗原位置是位在病毒的內部，人體內免疫系統又該如何偵測到它們，將其辨認後殲滅呢？像是目前世界疫苗大廠 —— 賽諾菲 (Sanofi)、格蘭素克林 (GlaxoSmithKline) 還有諾華 (CSL’s Seqirus) 等生技製藥公司就對這樣的說法存疑。Vaccitech 公司是由牛津大學金納研究所的研發團隊所創立，而這所以牛痘疫苗發明人 —— 金納 (Edward Jenner) 醫師為名的研究所在 2005 年成立，並以發展新型態疫苗防治全球性傳染疾病為主要的研究宗旨，我想，應該能在這樣的問題上有其解決方案，只是礙於商業機密，恕不奉告。另外值得一提的是，Vaccitech 公司的這項計畫並不只有 Google 這個金主，其他的名單當中也包括中國的紅杉資本中國資金 (Sequoia China), 充分顯示對岸積極跨足國際生技醫療產業的強烈企圖心。延伸閱讀 1. Influenza vaccine viruses and reagents,https://goo.gl/9bNWtT。2. Ben Hirschler, Google venture arm backs UK universal flu vaccine company, Reuters, 2018/1/15. | science |
找到超離子水相態存在的證據 | 科學家曾於 1988 年推論，在高溫高壓下，水會出現超離子水 (superionic water) 的相態，狀態介於固態與液態之間，許多研究團隊投入研究；另外也有科學家推論此狀態的水存在於天王星與海王星內部；全球也有許多研究團隊預測在不同環境條件下，超離子水會有不同的晶格結構。然而一直以來，沒有人能以實驗證明超離子水的存在。近期加州大學柏克萊分校 (University of California, Berkeley) 與羅切斯特大學 (University of Rochester) 研究團隊發表文章，提供在行星內部環境狀態下、超離子水存在的實驗證據。研究團隊在溫度 5000 K、200 千兆大氣壓下，找到超離子水存在的證據。研究團隊表示，因天王星與海王星中可能含有大量的超離子水冰，這對於了解行星內部構造有相當幫助外，亦盼能為天王星與海王星奇特的磁場成因提供線索。未來團隊將實驗材料推展至其他行星，擴展人類對宇宙的認知。Marius Millot et al., Experimental evidence for superionic water ice using shock compression, Nature Physics, 2018. | science |
大腦對音樂的反應 可判斷是否為音樂家 | 音樂家經過一連串音樂訓練與練習，腦中的神經其實會有驚人的改變。根據芬蘭於韋斯屈萊大學 (University of Jyväskylä) 的新研究顯示，當你聆聽音樂時，大腦的反應方式可以判斷你是否受過音樂訓練。研究人員利用奧爾胡斯大學布拉提可 (Elvira Brattico) 蒐集的 18 位音樂家與 18 位非音樂家功能性磁共振成像 (fMRI) 腦部數據分析得到的成果，受試者專心聽不同類型音樂，並利用計算演算法分析不同音樂類型對於腦部的影響特徵。研究人員讓機器透過音樂分析與機器學習建立模型，而模型能夠以 77% 精準度判斷聽眾是否為音樂家 (受過音樂訓練)。研究團隊成員沙利 (Pasi Saari) 表示:「此研究不單純依靠大腦靜態變化，而也有考慮到音樂持續對大 腦的動態影響。」研究還顯示，最能預測音樂才能的大腦區域主要在大腦右半球額葉與顳葉，其中包含與注意力、參與投入性、聲音處理、音樂特徵處理等相關的區域，與過去大腦處理聲音與語音工作結果符合。Pasi Saari et al., Decoding Musical Training from Dynamic Processing of Musical Features in the Brain, Scientific Reports, Vol. 8, 2018. | science |
獵豹高速狩獵的秘密 | 獵豹，是陸地上跑最快的動物，也是一個成功的掠食者，不僅是因為其速度快，更重要的是在高速追捕時鎖定獵物的目光。美國自然科學博物館 (American Museum of Natural History) 的研究團隊嘗試透過研究，分析獵豹的感官能力，發現獵豹在保持每小時 65 英哩的速度奔跑時，內耳具有保持視覺與姿勢的穩定性。內耳，是大多數脊椎動物在運動過程中用來保持頭部穩定和身體平衡所需的器官，因此研究人員利用高解析 X 射線斷層掃描儀器，分析了 21 種貓科動物的頭骨標本，包括 7 種現存的獵豹、1 種存在更新世而現已滅絕的巨獵豹 (Acinonyx pardinensis) 和 10 多種現存的貓科動物。利用這些數據，詳細建立每物種內耳形狀和尺寸的 3D 虛擬圖像。研究發現，現存獵豹的內耳和其他貓科動物明顯不同，前庭系統 (vestibular system) 總體積較大且前、後半規管也較長，但在巨獵豹的內耳中卻不具有此特徵。研究人員表示獨特的內耳結構解釋獵豹高速狩獵時的優勢，且為了在與其他食肉動物的競爭中脫穎而出、進而逐步演化出高度專業化的內耳系統。Camille Grohé, Beatrice Lee and John J. Flynn., Recent inner ear specialization for high-speed hunting in cheetahs, Scientific Reports, 2018. | science |
青少年、手持螢幕裝置與心理變化 | 現代人在食、衣、住、行和育樂上皆離不開手機或平板電腦等行動裝置，美國聖地牙哥州立大學 (San Diego State University) 近期研究發現花費大量時間在手持螢幕裝置，包括使用社交媒體、線上聊天或玩遊戲等的青少年，與投入較多時間在閱讀書籍、運動或面對面社交活動的青少年相比，前者較不快樂。研究針對全美 8~12 年級生、超過 100 萬名青少年進行問卷，內容包括花費多少時間在手持裝置上、其他娛樂、與人面對面的社交活動和對生活的滿意度、幸福感等問題。從調查數據中發現，幸福不來自這些手持螢幕裝置 —— 使用得越長，越 不快樂。不過，研究也發現，全面禁止使用手持螢幕裝置也不會帶來快樂，最幸福的青少年每天使用的時間為 1 小時內。縱使這項研究並不能顯示其因果關係，但回顧歷史，研究人員發現隨時間的推移，手持螢幕裝置的增加與青少年快樂度普遍下降的趨勢吻合。具體來說，2012 年，在擁有智能手機的美國人一舉突破 50% 之際，青少年對於生活的滿意度與幸福感也明顯的下降。Jean M. Twenge, Gabrielle N. Martin and W. Keith Campbell, Decreases in Psychological WellBeing Among American Adolescents After 2012 and Links to Screen Time During the Rise of Smartphone Technology, Emotion, 2018. | science |
朋友之間有多相像?兩個腦袋一個樣 | 透過一個人對短片的反應，可以判斷這個人是否能成為你的朋友？許多親近的人再神經活動型態上極其相似，新一期《自然通訊》(Natural Communication) 中便有研究針對現實社交網絡與神經活動間的連結予以檢驗。心理與腦科學博士後研究員柏金森 (Carolyn Parkinson) 指出，神經對動態、自然刺激的反應就如在影片觀賞般，有著一扇自由自發的思考之窗，透過研究結果推斷，人們會期待對方以與自己相類似的方式相處。此研究針對近 280 位研究生的交友與社 會關係進行世代分析，其中 42 名受試者被要求觀看議題廣泛的幾支短片，包含 政治、科學、喜劇與音樂等，每次觀看的影片與接受的指示皆一致，並透過功能性核磁共振 (fMRI) 偵測其神經活動。 其後，研究員將神經反應交叉比對，發現具友誼關係的受試者們在腦部活動上極其相似，而所謂「朋友的朋友」、甚至更遠的關係，就沒有那麼相近。人類是社會性動物，在生活中彼此連結著，同為心理與腦科學教授的研究作者懷特雷 (Thalia Wheatley) 表示，若欲瞭解人腦如何運作，就必須探討人腦與人 腦之間有何特性與作用，即心智如何形塑他人。如同團隊初期的研究成果，當人們看到自己所認識的人，大腦會立刻在該人的社交網絡裡針對其對像定位出重要性與影響力。Carolyn Parkinson, Adam M. Kleinbaum, Thalia Wheatley, Similar neural responses predict friendship, Nature Communications, 2018. | science |
超越人腦計算能力的人工神經元誕生 | 隨人工智能軟體的快速發展，其能力已超乎人類想像，Google 自動化的相片分類及語言學習程序等演算法，皆使用人工神 經元的網絡來完成這些複雜的過程。然而 由於傳統電腦硬體並非以類人腦演算的目的設計，因此這種機械學習的計算能力需求較人腦大上許多。《科學進展》(Science Advances) 相關研究指出，以神經元為範本打造的超導計算晶片 (superconducting computing chips), 其資訊處理的速度與效能更勝人腦，這項先進的電腦裝置設計展現出模擬生物系統的標準。即使在商業上的使用仍有限制，卻也為機械自學軟體 (machinelearn software) 開啟另一扇窗。美國國家標準技術研究院 (NIST) 物理學家史涅德 (Michael Schneider) 與其團隊，運用鈮 (niobium) 超導體研發出類神經電極 (neuron-like electrodes), 使導電過程暢行無阻，而為人詬病的超導體間縫隙則以奈米等級的磁性錳團 (nanoclusters of magnetic manganese) 填補，使其在任何電力或磁場大小下皆能針對資訊進行編碼，且耗能量僅人體的萬分之一。該技術所產生的合成神經元在電腦模擬 下，可在傳至下一個電極前整理高達 9 個來源的輸入，唯該技術用於複雜計算前需要組織數百萬個突觸 (synapse), 能否擴展到這樣的水平還有待進一步追蹤觀察。Michael Schneider et al., Ultralow power artificial synapses using nanotextured magnetic Josephson junctions, Science Advances, 2018. | science |
腦迴圈才是語言學習的主宰? | 人們是如何學習語言的？普遍認為，僅是透過腦中特定區域或要素來進行這個活動，然近期於《美國國家科學院刊》 (PNAS) 發布的一項研究，可能翻轉這個既定事實。研究員經多項研究調查顯示，人類其實是透過演化上較古老的腦迴圈 (brain circuit) 來學習語言的。喬治敦醫學大學神經科學教授歐爾曼 (Michael T. Ullman) 表示，有別於過往理論中由 人類獨有的特定中樞主導，這種古老的通用系統才是語言學習的真正所在。這些腦系統同樣能在其他動物身上找到，如老鼠可利用此系統在迷宮裡找到正確的方向。肯特州立大學的漢瑞克 (Phillip Hamrick) 表示，無論這個系統經歷什麼 改變來支持語言學習的能力，其無疑在人類社會裡扮演至關重要的角色。此項研究不僅能讓人們更了解語言在生物學與演化學上的進程 (如基因對應的學習能力), 對於外語學習、或語言障礙患者如自閉症、失讀症或失語症等，皆有莫大幫助。此外，研究亦統計 16 項過往研究結果，在經充分研究的 2 個腦系統中檢驗語言學習的能力：陳述性記憶，以及程序性記憶。研究顯示，對語言及單字的記憶有多好，端視陳述性記憶的能力而定，如記得購物清單內容、公車司機的臉、 晚餐食用的餐點等；程序性記憶則在文法組成上相對重要，而在諸如學習駕駛、樂器等任務時將會派上用場，即兩者分別在學習前後期有著相當的比重。Phillip Hamrick, Jarrad A. G. Lum and Michael T. Ullman, Child first language and adult second language are both tied to general-purpose learning systems, Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018. | science |
人類乳突病毒可能潛藏在你我喉頭 | 人類乳突病毒 (human papilloma virus, HPV) 的病毒株中能引發子宮頸癌者主要為 HPV16 與 HPV18, 其同樣也可能引發頭頸部相關癌症。受 HPV 感染的人當中僅 5% 會引發口部及喉嚨相關癌症，推測人類的免疫系統多半能擊退這些病毒，然而問題來了：為何這 5% 的患者無法躲過這場劫難？羅切斯特大學醫學中心 (University of Rochester Medical Center, URMC) 耳鼻喉與外科副教授米勒 (Matthew Miller) 認為，問題的答案在一種輕薄的細菌層──「生物膜 (biofilm)」身上。米勒與研究團隊發現 HPV 會封閉在扁桃腺隱窩 (tonsil crypts) 裡的生物膜中，也是 HPV 相關頭頸癌的源頭。該團隊與 URMC 耳鼻喉科住院醫師雷斯 (Katherine Rath) 藉 102 位受選擇性扁桃腺切除術病人的組織採樣加以研究，其中有 5 人被發現體內含 HPV、4 人則帶有其中的高風險菌株 HPV16 及 HPV18, 且均位於扁桃腺隱窩的生物膜內。研究團隊指出，HPV 有可能在感染期間由扁桃腺脫落，卻受困於生物膜中，最終躲過免疫系統追殺；而躲在隱窩中的 HVP 伺機而行，待恢復感染力後便有機會入侵扁桃腺，導致癌症形成。此項研究成果將有望應用於癌症預防上，甚至缺乏免疫 HPV 或讓病毒逃脫的血液、亦能根據研究結果判斷其是否為高危險族群。未來，團隊將研究能篩選及偵測出 HPV 的工具，如口腔洗淨 (oral rinse) 等，更欲研發局部抗菌劑破壞生物膜，使免疫系統能直搗 HPV 聚集地。Katherine Kath et al., Prevalence of High-Risk Human Papillomavirus in Tonsil Tissue in Healthy Adults and Colocalization in Biofilm of Tonsillar Crypts, JAMA Otolaryngology–Head & Neck Surgery, 2018. | science |
科學出走 內蒙古 | 隨手翻開國中時期的歷史課本，細讀從古自今的中國編年史，隨著長江、黃河流域傳遞千年的時間橫軸中，在一個紛亂的時代洪流裡，最終由當時北方的遊牧民族一手結束南北政權對峙的局面，打造了橫跨歐亞的蒙古帝國，創建中華文化歷史中，近 1 個世紀的元朝時代。在國中課本裡，對於蒙古民族的介紹也隨著滅亡戛然而止，但這並不代表其歷史因著教科書上未提及而消失。隨著黃袍加身與杯酒釋兵權等事蹟被一筆筆的編纂入編年史後，下個屬於漢人的朝代又再次奪回主權，這時的蒙古人退出中原，回到熟悉的北方塞外疆域，重新拾起逐水草而居的遊牧民族生活。時間快轉至清朝，持續定居北方的蒙古民族，在透過長年以來的和親聯姻、談判或征服，已逐步被當時的統治者納入版圖中。而當年在官方書籍中被定義為外藩蒙古的民族，也依地理位置逐步一分為二，分為內札薩克蒙古和外札薩克蒙古。 並隨著時間的推移，遂形成當今內蒙古自治區與外蒙古 (蒙古國) 的前身。如今，遊牧於歷史上千年的外蒙古已落腳在中俄之間、獨立建造一個以實施半總統制的共和國；而緊鄰中華人民共和國的內 蒙古雖已被納入麾下，不過，在多次的自治運動與革命後，於 1947 年成立內蒙古自治區，讓地方政府在內部事務處理上擁有較多的自主權。繼承歷史上北方遊牧民族的美名，內蒙古自治區擁有中國最大的草原區，自治區中包含多個草原，像是呼倫貝爾草原、 輝騰錫勒草原與希拉穆仁大草原等。站在一眼望去能瞅見天與地相交的地平線，腳下踩踏著的土壤不只是能騎乘馬匹、馳騁在這片草原間，與之相融，佇立在草原上藍白相間的蒙古包，推開紅色門後，更多的呈現是生活在此的點滴歲月。然而，在內蒙古西部的草原則未如此幸運，因位處中溫帶大陸，降水稀少。面對西部草原的沙漠化、土壤鹽化，自治區於 2001 年發展出保護生態環境的產業 —— 蒙草生態的成立，嘗試幫助貧脊土壤區進行生態修復。將各地區的土壤樣本、植物種苗等逐一蒐集後，建立草原種子、生態資源數據庫，並透過生物技術進行大量的植物培育，嘗試透過科技復育內蒙古的草原生態。走進蒙草草原生態博物館，可以看到內蒙各大草原的抗旱植物種子被保存在試管中，而所研發的土壤植被改良、雨水利用和灌溉系統等技術也透過縮小版的模型呈現在館中。 而在另一頭的溫室中，則培育出各式各樣，具不同特性、型態的植物種苗或牧草草種，以供不同區域的生態修復。而在這碩大的草原環境之中，不只是豐富了土壤下的資源，同時也孕育著綠地上的動物，造就內蒙古酪農、畜牧產業的發達。現今內蒙古的酪農產業，從飼養牛隻、擠奶、檢疫到乳製品的產出，一連串的生產鏈皆已全自動化。在生產廠房中，從乳品殺菌、製造、包裝到成品運送至各倉儲，皆以機械化和極少數人力監管的方式完成，如此完善的電子化設備也讓內蒙古在奶製品的生產能力年年攀升。經濟的提升帶動著城市的發展與繁榮，內蒙古的首都呼和浩特，所呈現出的已不再是往昔風吹草低見牛羊的蒼茫，取而代之的是諾大、筆直的街道與高樓大廈的林立。當夜晚來臨時，此起閃爍的大樓霓虹、映著五光十色的街道，點綴出此城市的絢麗光景。市區中的大召寺、鄰近的塞上老街則已成 為首府標竿，吸引許多觀光客的佇足與參觀。 | science |
科學花系列 聖母瑪利亞的意外祝福──微光精靈迷迭香 | 傳聞，迷迭香的花原為白色，直到聖母瑪利亞 (Virgin Mary) 帶著耶穌逃往埃及的途中，將洗好的披肩掛在上頭，才使它開起了淡藍色的花朵......。迷迭香 (rosemary) 的學名為 Rosmarinus officinalis, 由拉丁文 ros (露水) 及 marinus (海洋) 組成。在過去，歐洲一些國家會將其製成花圈、蘸些香水給新娘配戴，其代表忠貞、愛與友誼，以及作為對婚姻的紀念，甚至在中世紀時易被人們 放置於家門口，以祈在黑死病的紛亂中平安度過。這個原生 於地中海地區葉面小巧可愛的植物富含草木的清新香氣，其帶有如鐵杉般針狀的葉子，並開著白、粉、紫、藍等色的花朵，且這種常綠植株非常耐乾寒，長得好的話最高也能長到 1.5~2 公尺不等。作為一個用途變化相當豐富的植物種，我們常常能在園藝店、各式料理內見到它的身影，甚至近年亦有研究指出，其精油具有維持記憶力、減輕焦慮等強化腦部功能的效用。在植物化學裡，迷迭香被發現含有迷迭香酸 (rosmarinic acid)、樟腦 (camphor)、咖啡酸 (caffeic acid)、熊果酸 (ursolic acid)、樺木酸 (betulinic acid) 與抗氧化劑等成分，其所帶有的抗鬱、增強記憶、緩解各式疼痛等功能可謂 眾所皆知。然而除了傳統醫學與過去大眾認知中的功用，在一篇關於系統性硬化症 (systemic sclerosis) 的個案研究裡，發現個案在分別使用迷迭香精油與橄欖油後，前者促使個案 血管擴張，且熱成像溫度明顯上升，進而減緩此病症裡最惡名昭彰的雷諾現象 (Raynaud’ s phenomenon)。其它關於迷 迭香可強化記憶力的說法，亦在近年獲得研究支持，包括摩斯 (Mark Moss) 等人針對國小 3~5 年及孩童做的工作記憶 (即短期記憶) 標準測試，發現在使用迷迭香精油後，孩童在測驗上的表現是有進展的；而菲利浦索瓦 (O.V. Filiptsova) 等人也在近年研究發現 13~15 歲青年在香氣的影響下，其圖像記憶 (image memory) 與數字記憶 (numerical memory) 方面的表現都有提升。細觀迷迭香的化學組成，就能明白這些效果其有來自。如迷迭香酸與咖啡酸是非常有潛力的抗焦慮劑，樟腦具增進心跳速率及緩和呼吸之用 (甚至還可以拿來驅蟲), 而熊果酸則為化妝品常見原料，且與樺木酸在過去幾年都被證實有抗癌功效。這個人類世界再熟悉不過的香草植物，無論是在食品、 醫藥與環境營造上皆能達到一種平衡感官的境界，也不枉作為「露珠與海」的最佳代表，無論為何所用，它們總是平凡自居在這個世界上。延伸閱讀 1. Gabriela L. Da Silva et al., Antioxidant, analgesic and anti-inflammatory effects of lavender essential oil, Anais da Academia Brasileira de Ciências, 87 (2 Suppl.): 1397-1408, 2015.2. Lu Hui et al., Chemical composition of lavender essential oil and its antioxidant activity and inhibition against rhinitisrelated bacteria, African Journal of Microbiology Research, Vol. 4 (4): 309-313, 2010. | science |
承先開創研究、後起新藥發展—李德章、蘇燦隆專訪 | 身處在資訊爆炸與收集情報容易的大環境中，癌症，已是屢見不鮮、見怪不怪的一詞。但若是癌症降臨在自己或親友身上時，不論先前對於癌症的認識有多少，人人都期望能透過治療消滅或與癌症和平共處。因此，科學家無不對於這份願景及目標而努力。李德章是長期致力於環境醫學和癌症致病機轉的研究學者，蘇燦隆則在藥物化學、合成與藥物設計有所長，兩人的研究室一同座落在中央研究院生物醫學科學研究所的大樓中。除了是同事關係外，其專長與研究項目看起來似乎無交集的兩人，在此因緣際會下，開始共同開發 DNA 烷化劑的新 抗癌藥物。透過不斷的研發與改良，發表出多種能治療不同癌症的藥物。長達數十年的合作無間，讓兩人共同獲得第十三屆永信李天德醫藥科技獎──卓越醫療科技獎。過去的研究在談及兩人的合作之前，畢業於臺大生化所 (現為臺大醫學院生化暨分生所) 的李德章，專長於生化藥理和分子毒理學，一開始是以環境毒物之致癌相關的研究為主，進而從事抗癌的研究。「致癌的原因在於基因突變，使細胞產生突變進而發展出癌細胞，而對抗癌症則是換個角度將 DNA 破壞，導致毒殺癌細胞。這樣看來，不論是致癌或抗癌研究，共同的目標就是 DNA。」與李德章不同的是，從求學到工作階段，一路都離不開藥物設計及化學合成的蘇燦隆，當年就讀高醫藥學系時，就曾擔任生藥學的助教並進行天然藥物的相關研究。因著大學時期所奠定的植物鑑定和萃取天然藥物等相關經驗和基礎，遠赴德國柏林自由大學 (Free University of Berlin) 攻讀博士時，順理成章的選擇生藥及天然藥物研究所深造，並在就讀期間研究抗肝炎藥物的相關合成。畢業後，進入先靈 (Schering) 藥廠，爾後再轉往美國紐約史隆凱特靈癌症紀念中心 (Memorial Sloan-Kettering Cancer Center, MSKCC), 持續進行抗病毒 與抗癌之核苷 (nucleoside) 藥物合成及開發研究。蘇燦隆在 MSKCC 的 17 年間傾注全力於研究抗病毒與抗癌的藥物設計與合成，並與鑽研藥理學的周廷潮學長共同合作。回到臺灣後，則專注 DNA 烷化劑藥物的研究。DNA 烷化劑 (DNA alkylating agents) 是一種細胞毒類化合物，為醫藥領域中存在已久的古老藥物，而它的發現，則可回溯至第一次世界大戰時被使用的化學武器 —— 芥子氣 (mustard gas), 而後，科學家意外發現芥子氣能透過分子上的烷化基與 DNA 產生共價鍵結合，破壞 DNA 上雙股螺旋結構，達到殺死體內快速分裂的細胞，經過改良後，氮芥 (nitrogen mustard) 成為世界上第一種治療白血病和淋巴瘤的化療藥物。雖然氮芥能有效抗癌，但其最致命的缺點在於其化學性強，不論與癌細胞或健康細胞皆會產生交互作用，而導致強副作用，對病患身體帶來極大的負擔。「雖然知道對於身體會有危害，然而 DNA 烷化 劑卻仍是現今許多癌症常使用的化療藥物。」蘇燦隆表示。DNA 烷化劑是老舊的抗癌藥物，也因為它的缺點成為許多科學家敬而遠之的藥物，是否值得繼續開發無法一言以蔽之，相較於義無反顧地進行藥物研發，其成功與否更需科學家具備伯樂相馬的眼光。蘇燦隆舉 2 個極為 成功的抗癌藥物為例子，均為當初曾被忽略遺忘的 DNA 烷化劑，但後來經科學家發現是極具有臨床治療癌藥效：第一個為抗白血病的烷化劑 —— 苯達莫司汀 (Bendamustine), 此劑早在 1960 年代就已被東德的科學家奧澤高斯基 (Werner Ozegowski) 與克雷布斯 (Dietrich Krebs) 所合成出，由於化合物包含嘌呤 (purine) 及氮芥的特殊化學結構，具有 DNA 烷化及 抗代謝作用。但因當時東德正逢共產時代，1970 年代僅在東德被販售並應用為抗癌藥物，一直到 2008 年才被美國 FDA 認可為治療慢性淋巴細胞白血病的化療藥物，其顯著的藥效令世人驚喜，比當時所使用的化療藥物效果更為出眾，2011 年全美銷售約 10 億美金；另一個則是 1970 年代末期由英國所研究、卻一直到 1987 年才開發出的 DNA 烷化劑替莫唑胺 (Temozolomide), 歷經長時間的臨床試驗，於 1997 年才被認可並開 始銷售，成為有效治療腦瘤的化療藥物，2016 年的全美年銷售金額為約 1.76 億美金。由於長時間的被遺忘與延誤而喪失寶貴的專利有效期，此相見恨晚及誤判實為憾事。合作的契機「一直以來我的專長、所學就是藥學和藥理學，所以喜歡也習慣透過藥物化學、有機化學合成及藥物作用機轉的基礎來設計並修飾藥物。」因此，蘇燦隆計畫透過修飾化合物結構來克服烷化劑的缺點，針對其問題的所在，嘗試從烷化劑本身作用性強的特性下手，為此，如何降低其毒性則為至關要鍵。......【更多內容請閱讀科學月刊第 580 期】 | science |
深入剖析臺灣AI 大戰略佈局 ── 科技部長陳良基教授專訪 | AI 人工智慧對於社會來說也許是個新興名詞，但已經有許多科學家前仆後繼投入研究，才發展出今日樣貌。 而科技部長認為，未來讓 AI 進到各行各業成為應用工具，已是目前產業發展趨勢，因此科技部近期大力推行 AI 人工智慧研究與發展，從在臺、 清、交、成等重點大學成立「人工智慧中心」, 到近期將啟動的「半導體射月計畫」, 顯示科技部提升臺灣在國際 AI 人工智慧地位的企圖心。《科學月刊》本期邀請科技部長陳良基教授，談論他對於臺灣人工智慧發展的長期策略，也談到臺灣科學教育的瓶頸以及對科學教育的建議。《科學月刊》(簡稱科):AI 是目前 全球最熱門的產業趨勢，不過先進國家已經耕耘一些時日，而且卓然有成。臺灣此時的加入，我們的利基點在哪裡？有哪些我們目前仍然能夠努力的方向？陳良基部長 (簡稱陳): 人工智慧 (Artificial intelegence, AI) 雖然是最近相當熱門的名詞，但整體的發展也 有 3、40 年的歷史。臺灣的學術界一直有在關注這樣的議題，像是先前在圍棋界嶄露角的 AlphaGo, 其 實就是臺灣的硬體實力在 AI 領域上出色的證明。所以我覺得臺灣在 AI 的研究並沒有缺席。AI 產業其實可以分成兩個領域：第一要有軟硬體優良的計算能力，另外要有龐大數據提供深度學習。因此 AI 產業基本上是「計算能力」與「數據」的競賽。從運算來說，電腦運算能力主要是靠半導體的晶片技術來提升，目前我們手機裡面的晶片大概是 30、40 億個電晶體的數目，人類大腦中神經元的總數大約是 860 億個神經元，而如果透過與圖形運算單元技術 (graphics processing unit, GPU) 將手機裡的晶片改用 GPU 來做，兩者單元數的距離其實並不會差太遠。以 AlphaGo 成功的例子來說，好的運算程式也需要運算速度更快的運算能力才能美夢成真。AI 科技的另一個要點是給深度學習 用的「數據」, 是屬於 AI 在最近變動較大的新技術。由於物聯網時代的來臨，現在已經有許多電子設施可以不間斷的收集資料，形成大數據。加上突飛猛進的機器學習技術能有效從 大數據中分析學習，這也是近年來 AI 熱門的主因。臺灣在半導體的設計與製程一直是國際知名的強項，在全世界我們應該也能算是領導級的前段班，在 AI 的全 球商戰當中，我們至少已經掌握了其中的一項優勢。而在「數據」這一塊我們雖沒有大市場數據的支撐。但我認為在 AI 的戰場上數據是有很多市 場區隔的，這跟網際網路的使用經驗並不相同。AI 要能成為各種行業的工具，解決各行各業的問題，就必須先深度學習各行各業的大數據，才能進行相關的分析。從 AlphaGo 的例 子來看，AI 可能在下圍棋上可以做到世界第一，但如果要改會下象棋，則需要建構另一個程式架構，並針對另一組大數據進行深度學習，這是現今電腦跟人腦上最大的不同。又例如德國的自駕車技術在目前也許相當優秀，但在臺灣不一定管用，行車的環境、道路的設計等，可能需要另外客製化的系統才能完成。所以我認為，雖然我們大規模的 AI 相關計畫是這兩年才有系統地提出，但並不會有太遲太晚的問題。科：科技部在臺、清、交、成四所大 學中成立 AI 創新研究中心，而此中心在這兩項任務中擔任什麼角色？陳：目前科技部分別在臺灣大學、清華大學、交通大學以及成功大學設立四座「AI 創新研究中心」, 是根據各大學的研發強項與地理位置做不同的任務分配。從需求面的角度，四座中心有它們的共同目標。第一個是工具的提供，AI 其實就是一項協助產業的數據分析工具而已，我們賦予各中心的任務。第二是平台，期望研發中心可以建構出相關的運算平台，協助其他專業領域進入 AI 的世界。第三 個目標在於合作建立數據，協助現有數據庫資料的整理。數據整理需要有一定的專業度，資料整理的程度攸關 AI 軟體進行深度學習的成效。資料 需要專業人員的標定 (labelling), 專業協助就變得相當重要。當研究中心有這三項目標時，他們訓練出來的人員也將會具備這些知識，將人才散佈到臺灣各行各業，才能將臺灣整體應用力量帶起來。科技部補助成立的這四所 AI 創新中心其實也還有各別的任務，像是臺灣大學的中心，我們會希望在應用面向上會跟醫療科技進行鏈結，提供必要的服務協助。交通大學 AI 創新中心則會以智慧服務為其主要的特色，例如自駕車的研發。......【更多內容請閱讀科學月刊第 580 期】 | science |
臺灣人體生物資料庫─ 基因定序對臺灣精準醫療進展的重要性 | 一般而言，人體內每個細胞都含有 23 對染色體，每條染色體均由無數個稱為鹼基的化學分子依序串連而成，鹼基對則形成核酸 DNA、RNA 單體以 及編碼遺傳信息的化學結構，它們雖然數以億計 (3×109), 但單位結構上卻只有 4 種：腺嘌呤 (adenine, A)、 胸腺嘧啶 (thymine, T)、 胞嘧啶 (cytosine, C) 以及鳥嘌呤 (guanine, G)。 鹼基之間藉由氫鍵的鍵結形成特殊鹼基配對關係 (如：A-T,C-G), 透過與五碳醣和磷酸的連結組成核酸 (nucleotide), 兩條反向平行的長鏈互相纏繞進而組成 DNA 分子，而長鏈的 DNA 中帶有遺傳效應，可決定表現型的片段，即「基因」, 換句話說就是可以轉錄成 RNA, 再轉 譯成蛋白質的 DNA 片段 (圖一)。所謂的「基因定序」, 則是將 DNA 長鏈上所有 ATCG 的組成順序解構出來。人類所有的 DNA 共有 30 億個鹼 基對，會轉譯表達蛋白質的區域大約只佔全基因體長度的 1.5% 左右，內含約 2~3 萬個基因，可以想見 DNA 序列中絕大部分的資訊都不一定是過去我們認為重要的基因片段，但是近年來科學家也發現這些不屬基因的片段也可能具有調節基因片段表現的功能，所以可以說 DNA 的每個部分都很重要。由於人類基因體過於龐大複雜，因此過去當科學家們想研究某個遺傳相關的特定疾病時，可以針對目標區域進行定序，或是針對會產生某個疾病相關的蛋白質之 DNA 區域進行解構，甚至是進行單一位點的分析。隨著研究的進展，科學家們逐漸發現，人體內這 23 對染色體當中所蘊含的奧秘，必須透過對基因體完全解碼才得以窺視，且由於人類欲探索全基因體序列、因而有了人類基因組計劃 (Human Genome Project, HGP) 的工程。人類基因組計劃這個龐大的跨國計劃，目的為完整解構人類 23 對染色體中 DNA 所有密碼的序列、以及在這序列中的基因與類別，可說是為人類基因體學研究提供了一個初始的基礎，自此開啟了基因體研究一個嶄新的頁面。人類基因組計劃中所利用的定序方法，主要依據 1970 年代英國科學家桑傑 (Frederick Sanger) 所發展的定序方法，這也是 21 世紀初大部份定序方法的基礎。採用這項技術的過程中，DNA 需要 經過聚合酶連鎖反應 (polymerase chain reaction, PCR) 多次複製、 製造出足量的 DNA 片段，並在最後一次的複製過程中，於 DNA 片段的尾端加上帶有螢光標記的終止核酸，以產生長度不一的片段，利用這些片段在電泳過程中因長度不同而分離開來，片段尾端的標記顯現 4 種鹼基各自特有的螢光信號，從而讀取出 DNA 的鹼基序列，雖然這種定序方法準確度高、不易出錯，然缺點是定序速度緩慢且耗時。人類基因組計劃完成之後，許多次世代 (next-generation sequencing) 的基因定序方法逐漸被發展出來，藉由大量而快速的特性來進行短序列片段 (short reads) 的定序，並經過大規模的重組過程來獲取序列資訊，也成了現今定序的主流技術；除了定序速度大幅提高之外，隨著定序費用愈來愈低廉，也讓大規模的基因定序族群分析研究成為可能。我們知道，每一個人都有獨特的基因序列，人類基因組計劃發布的數據無法精確反映單獨個體的基因資訊，尚須考慮不同個體間包含的單 一核苷酸多型性 (single nucleotide polymorphism, SNP)。單一核苷酸多型性指的是 DNA 序列上發生的單個核苷酸鹼基之間的變異，即在基因體中一特定位點出現不同鹼基配對的可能性，是一種普遍發生的遺傳變異，這也是造成群體中基因序列的細微不同、 產生個體差異的主因。......【更多內容請閱讀科學月刊第 580 期】 | science |
人工智慧浪潮下的數學教育 | 在人工智慧 (artificial intelligence, AI) 的風潮下，數學科普、教育 或者甚至數學本身，微妙地陷入一個尷尬的處 境；或者應該說，陷入兩個尷尬處境。第一個尷尬點是，數學的實用性變得十分明顯，明顯到令人尷尬。學數學的人，常會聽到人問:「學數學有什麼用？」、「我高中數學都忘光了，還不是活得好好的？」、「工作上好像完全沒用到。」、「我寫程式這麼久了，也沒用到什麼數學。」當然，內行人都知道數學在科學、技術、工程中，應用十分廣泛。特別在網路時代，網路加密、電腦運算、影像壓縮，甚至網頁和應用程式的自動排版都得用到數學。即使連照片編修這種屬於藝術文化的活動，其中的圖層操作就包含了向量概念，調色盤會看到 16 進位及顏色轉換的線性變換，更不用說伽馬校正、貝茲曲線、高斯濾鏡、邊界加強、內容感知拉長、內容感知填滿等功能，處處都是微積分與線性變換，最後如果要輸出 JPEG, 也少不了傅立葉轉換和資訊熵。生活中沒有數學嗎？只要知道看哪裡，你根本沒辦法不看到，到處都是密密麻麻的數學。高中生所學習的 log 與三角函數絕對不是徒勞無功，若沒有三角函數及 log 的幫忙，我們無法像現在這樣隨時都能輕鬆地拿出手機拍照，就算不懂數學，數學也能默默發揮功用。然而，若看不到數學，人們可能會活在一個非常無聊的世界，一個很多東西都看不到的世界、失去顏色跟細節的世界。寶寶知道數學有用，但寶寶很難說清楚。「那些聽不見音樂的，認為那些跳舞的人都瘋了的」, 在哈利波特的魔法世界中，看不見魔法的人覺得魔法師都是怪胎和瘋子。我們也許像查拉圖斯特拉一樣願意相信一位會跳舞的神，但對於還不能聽到音樂的人來說，我們光在那跳來跳出、跟他說音樂有多好聽，只會被當成瘋子，就像巫師世界不會對看不到魔法的一般群眾推廣魔法的好處一樣。當然，身為數學專業人員，在數學科普推廣方面，情況也不是那麼一籌莫展。我們嘗試了各式各樣的方法與理論，來讓一般大眾了解數學的好處，如邏輯訓練、數學遊戲等等。讀到這裡，應該也大致了解數學專業人員在社交場合及招生推廣方面的一些困境及努力，常常需要像是「無用之用方為大用」這些論點及觀點來循循善誘，說明數學「隱藏」的好處。在深度學習及人工智慧成為顯學的今日，情形已經有所不同；原來隱藏的魔法世界就像突然曝光似的，數學的用途變得顯而易見。電腦工程師們重新拿起統計、微積分及線性代數課本，想要了解現代的人工智慧在玩什麼把戲。現代人工 智慧的領軍人物之一勒丘恩 (Yann LeCun) 說「 人工智慧就是數學 (artificial intelligence is all about math)」, 他給想從深入人工智慧領域大學生的建議是:「如果在『iOS 程式設計』及『量子力學』中要選一門課來修的話，選量子力學，且一定要選修微積分一、微積分二、微積分三......、線性代數、機率與統計，和盡可能的多選物理課程。即便如此，最重要的還是要會寫程式。」大眾能認同數學的實用性和好處，對數學推廣來說，自然是好事；問題是，辦到這件事情的人，不是數學家和數學老師。除了情況有些困窘外，之前大言不慚「無用之用是為大用」之類的講法，相形之下更加空虛寂寞，而數學遊戲、魔術等等親民的方式，相形之下也變得太過可愛，甚至有點多餘。撇開面子層面，更實際問題是，大部分數學老師不見得清楚人工智慧的進展以及數學在其中扮演的角色然而其實有很多地方能跟數學課程連結。另外一個熱門的技術── 「區塊鏈 (block chain)」也有一堆數學課程內容能夠連結，但並非多半數學教師不熟悉。不過在此我們先把重點放在人工智慧這塊。人工智慧、機器學習、深度學習裡，究竟用到了什麼數學呢？......【更多內容請閱讀科學月刊第 580 期】 | science |
機器透過互相砥礪來學會如何創造─對抗式學習 | 近年來，隨著人工智慧的發展，機器的能力越來越強，相關技術已經進入我們的生活中，例如當我們上傳一張照片到臉書時，臉書可以精確地找出 照片中的人臉，而 iPhone 甚至可以知道一張臉是不是他的主人。然而，今日機器較擅長的是從資料中歸納找出通則，例如臉書知道人臉有那些共同的特徵，所以可以偵測出人臉，但是在能夠歸納後，機器能不能進一步創造呢？例如機器既然知道人臉的特徵，能不能進一步畫出人臉來呢？讓機器具備創作的能力是近年備受重視的研究領域，今天我們要來談一談其中備受矚目的技術 ── 對抗式學習 (adversarial learning)。創作的挑戰在哪裡？機器的創新是從模仿開始，當機器學習寫詩時，我們會給它一堆詩人的詩句；學習畫圖時，我們會給它一堆畫家的作品，機器可以輕易地把成千上萬的範例硬記下來，但是要如何讓機器可以自出機杼，而不是抄襲它看過的範例呢？以下我們以學習創作二次元人物頭像為例，來看看對抗式學習如何解決上述問題。在對抗式學習中，需要兩個由機器扮演的角色，一個是生成者 (generator), 生成者的工作就是創作二次元人物，另一個是鑑別者 (discriminator), 鑑別者的工作是根據人類提供的範本評價生成者的成果，因為通常生成者和鑑別者都是類神經網路，所以這個技術又稱為生成式對抗網路 (generative adversarial network, GAN), 生成者和鑑別者這兩個角色會互相砥礪，讓彼此的能力都越來越強。在二次元人物頭像創作的學習過程中，以下是生成者和鑑別者可能的互動情形：生成者一開始根本不知道二次元人物長什麼樣子，所以只是信手塗鴉，他畫出來的圖可能就是一堆雜訊，根本不知道在畫什麼，像是這樣：接下來，人類提供大量漫畫家繪製的二次元人物頭像給鑑別者，鑑別者比對生成者繪製的圖片和人繪製的圖片後，會歸納出生成圖片和真實圖片的差異 (這是今日機器所擅長的), 鑑別者可能會發現真實圖片上都有兩個圓圈 (也就是眼睛), 不過生成圖片沒有。鑑別者把歸納成果告訴生成者，生成者的目標是希望產生出來的圖會被鑑別者認為是人所繪製，既然鑑別者認為人繪製的頭像上應該要有兩個圓圈，所以接下來生成者畫出的圖就會有兩個圓圈，像以下這樣：鑑別者接下來比對生成者新產生的圖片和人繪製的圖片的差異，因為生成者已經學會人臉就是有眼睛這件事，所以用是否有兩個圓圈來判斷是否為人畫的圖片這條規則就不適用了，所以鑑別者需要找出新的規則，例如它可能發現說，生成圖片和人繪製的圖片的差異為是否顏色繽紛。鑑別者再將歸納出來的規則回饋給生成者，生成者就會產生彩色的圖片如下：上述過程會不斷反覆進行，直到鑑別者再也無法歸納出生成圖片和真實圖片間的差異。在鑑別者和生成者互動的過程中，鑑別者會不斷找出生成圖片和人畫的二次元頭像間的差異，因為鑑別者一直在挑生成者的毛病，而生成者一直在想辦法讓鑑別者找不到毛病，兩者間可以看作是一種對抗的關係，這就是生成對抗網路中的「對抗」一詞的來源，不過實際上生成者和鑑別者之間的關係「寫作敵人，唸作朋友」, 透過相互砥礪生成者產生的圖畫，就會越來越接近人所繪製的圖畫。在以上學習過程中，人類的工作僅僅為蒐集漫畫給鑑別者看，鑑別者如何進行歸納、生成者如何根據歸納結果進行改進都是人工智慧本來就會做的事，並不需要人類告訴它們該怎麼做。......【更多內容請閱讀科學月刊第 580 期】 | science |
機器是如何學習與進步? 人工智慧的核心技術與未來 | 人工智慧 (Artificial Intelligence, AI), 一個吸引人們卻又教大家害怕的名詞，吸引我們的是一個會思考、可以協助人們處理工作，可以替我們帶小孩洗衣做飯的智慧型機器人；讓我們害怕的是這個機器人自己會思考，哪天他不聽話了怎麼辦？更慘的是，哪天老闆發現他比我還好用，那我不就失業了？許多人以為人工智慧就是科幻電影裡會思考的機器人，人工智慧真的這麼神奇嗎？現在的人工智慧到底發展到什麼程度了？它到底有那些限制呢？人工智慧是指人類製造出來的機器所表現出來的智慧，其討論研究的範圍很廣，包括：演繹、推理和解決問題、知識表示法、規劃與學習、自然語言處理、機器感知、機器社交、創造力等，而我們常常聽到的「機器學 習 (machine learning)」是屬於人工智慧的一部分，「深度學習 (deep learning)」又屬於機器學習的另一部分，如圖一所示。人工智慧的 歷史與分級 AI 發展進程 –第一級人工智慧 (first level AI): 自動控制第一級人工智慧是指機器 (電腦) 含有自動控制的功能，可以經由感測器偵測外界的溫度、濕度、亮度、震動、距離、影像、聲音等訊號，經由控制程式自動做出相對的反應，例如：吸塵器、冷氣機等，這個其實只是電腦含有自動控制的程式，程式設計師必須先把所有可能的情況都考慮進去才能寫出控制程式，算不上是真的「智慧」。第一級人工智慧就好像是公司裡的工讀生：只是執行老闆交待的命令，進行各種重複性的工作，並不會去思考這個命令是否正確，例如：老闆說把大箱子搬到寫有「大」的區域；小箱子搬到「小」區域，工讀生就依照老闆的交待去做。第二級人工智慧 (second level AI): 探索推論、運用知識第二級人工智慧是指機器 (電腦) 可以探索推論、運用知識，是基本典型的人工智慧，利用演算法將輸入與輸出資料產生關聯，可以產生極為大量的輸入與輸出資料的排列組合，可能的應用包括拼圖解析程式、醫學診斷程式等。第二級人工智慧就好像是公司裡的員工，能夠理解老闆交待的規則並且做出判斷，例如老闆說根據箱子長、寬、高分類大小箱子，運用知識留意不同貨物種類：小心易碎、易燃物品，員工就依照這個意思把箱子的尺寸量出來分類，並且要判斷什麼貨物「易碎」或「易燃」。第三級人工智慧 (third level AI): 機器學習第三級人工智慧是指機器 (電腦) 可以根據資料學習如何將輸入與輸出資料產生關聯，「機器學習」是指根據輸入的資料由機器自己學習規則，可能的應用包括搜尋引擎、大數據分析等。第三級人工智慧就好像是公司裡的經理，能夠學習原則並且自行判斷，例如老闆給予大箱子與小箱子的判斷原則 (特徵值), 讓經理自己學習如何判斷多大是大箱子？經理就依照以往的 經驗，自己思考多大的箱子是「大」? 第四級人工智慧 (fourth level AI): 深度學習第四級人工智慧是指機器 (電腦) 可以自行學習並且理解機器學習時用以表示資料的「特徵值」, 因此又稱為「特徵表達學習」, 可能的應用包括: Google 教會電腦貓的特徵。第四級人 工智慧就好像是公司裡的總經理，能夠發現規則並且做出判斷，例如：發現有一個箱子雖然很大但是卻是圓形 (特徵值), 與其他貨物不同應該另案處理。第三級 (主要是指機器學習) 與第四級 (主要是指深度學習) 不容易區分，其實深度學習是由機器學習發展而來，主要的差別在於，第三級人工智慧處理資料時的「特徵值」必須由人類告訴機器 (電腦); 第四級人工智慧處理資料時的「特徵值」可以由機器 (電腦) 自己學習而得，這是人工智慧很大的突破。自從人類發明了第一台電腦，就開始了人工智慧相關的發展，到現在已經超過半個世紀，其間經歷過三次熱潮，之前每次都因為某些技術上的困難無法突破，我們先來介紹一下人工智慧發展的歷史，以及每一次熱潮興起的原因與遭遇的困難。第一次熱潮 (1950~1960 年): 由 1950 年代開始發展，主要是利用電腦針對特定問題進行搜尋與推論並且予以解決，但是當時的電腦計算能力有限，一遇到複雜的問題就束手無策，被戲稱為只能解決玩具問題的人工智慧，因此到了 1960 年代就冷卻了下來。......【更多內容請閱讀科學月刊第 580 期】 | science |
北太平洋西邊的輸送帶──黑潮 | 黑潮是北太平洋靠近東亞大陸邊緣的海洋高速公路，以每天 80 公里左右的速度將大量高溫、高鹽的海水由低緯度輸送到中緯度海域，不僅主宰沿途海洋環境，也影響各地氣候。2008 年，一個風和日麗的春日上午，8 名潛水客在墾丁南方七星岩海域被洋流沖走失蹤，海上接駁船找不到人，只好通報海巡署求助。在緊急組織海空搜救行動的同時，還要決定往哪裡找人，東西南北、求神拜鬼、眾說紛紜。幸好約 36 小時後這群潛水客在臺東太麻里海域被當地海巡隊 全數救起，而讓這群有經驗的潛水客身不由己漂流百里的洋流就是北太平洋的西方邊界流──黑潮 (Kuroshio)。北太平流西邊洋流的高速公路──黑潮，如漂流浮標「義大利麵圖」中紅色線條聚集成的帶狀漂流軌跡位置所示，像輸送帶般由低緯傳輸巨量的水體、熱能、鹽份、懸浮質等物質到中緯度海洋。黑潮是靠近東亞大陸邊緣一支由南往北之強勁海流，始於菲律賓東方，穿過呂宋海峽，沿著臺灣東岸及東海大陸棚緣，直到日本東南方，屬北太平洋副熱帶環流 (Subtropical Gyre) 的西段。黑潮流速大於 1 公尺 / 秒，宛如海洋的高速公路一般，輸送大量的水體、熱能、鹽份和懸浮質等物質到中緯度海洋，主宰沿途的海域環境、漁業資源、天氣及氣候等。它不只影響臺灣附近海域的海洋生態和路過颱風的強度變化，也影響東北亞地區之氣候，在全球之熱平衡和水量南北交換甚至氣候變遷上，黑潮都扮演著舉足輕重的角色。因此研究黑潮、了解黑潮變動的物理機制，進而提升數值預報準確度，自有其許多不同層面的重要性。日本學者北野清光 (Kiyomitsu Kitano) 在 1980 年出版的 Oceanography: The Past 書中談到，早在 17 世紀德 國地理學家瓦倫紐斯 (Bernhardus Varenius) 就注意到這支沿著東亞陸地邊緣流動的強流，而「黑潮」這名稱則是大約 18 世紀末日本人對這支洋流的稱呼，取其海水 的顏色看起來近乎黑色之意。川合英夫 (Kawai Hideo) 在 1972 年出版的《黑潮及親潮之海況學》一書中提到，黑潮流系從南到北依地理位置由呂宋海流、臺灣海流、黑潮、黑潮延伸流 (Kuroshio Extension) 以及北太平洋洋流等海流所構成。不過現今從菲律賓呂宋島東邊起，經臺灣東側到日本南方的這段北太平洋西方邊界流被泛稱為「黑潮」, 這是目前一般人對黑潮地理位置的認知，至於兼顧習慣用法以及地理位置的海流名稱，可參考臺大海洋所出版的《臺灣區域海洋學》。北緯 10~40 度之間北太平洋副熱帶環流的形成，並非簡 單地由風推海水移動所能解釋清楚的。首先，低緯度信風和中緯度西風吹拂在海面上，各自產生朝往風向右方的淨海水輸送 (學理上稱艾克曼輸送，Ekman transport), 大洋中間水位因而堆高隆起，而這個中間高、四周低的海面高差使得「水往低處流」, 但因持續受到地球旋轉的作用 (即科氏力，Coriolis force), 形成龐大的順時針旋轉環流系統。而由於科氏力製造的向右偏轉效應對中緯度洋流比對低緯度洋流效應大，因此環流北邊東流水向南的輸送水量多於南邊西行海水向北偏的量，造成大洋環流區內平均水流向低緯區移動 (向南) 的趨勢。這麼大量的水南行到赤道以北後通通要轉向西集中，產生西行強化現象 (Westward intensification), 接著再右轉沿著北太平洋西側邊緣往北流回中緯度海域，因而製造出像黑潮這般的大洋西邊界強流。事實上，南北半球各大洋的西邊界強流如北大西洋灣流 (Gulf Stream) 或南太平洋東澳洋流 (East Australian Current) 等，都是循這個複雜的動力機制形成的，差異只在科氏力作用方向南北半球相反，因此在南半球大洋環流是反時針旋轉。由多年漂流浮標的軌跡與速度圖明顯可見沿著北緯 10 度附近由東向西的北赤道洋流，碰到菲律賓時分為南北兩支，往南流者稱為民答那峨海流 (Mindanao Current), 往北者即為黑潮的起源，黑潮由此開始一路成長，到脫離日本東南沿岸，成為黑潮延伸流。......【更多內容請閱讀科學月刊第 580 期】 | science |
天然藥用資源的科學探索── 具抗愛滋病毒潛力的天然藥草 | 過去許多有關抗愛滋病毒的天然藥草研究指出，包括三萜類 (triterpenoids)、黃酮類 (flavonoids)、木酚素 (lignans) 等天然化合物，都具有抑制愛滋病毒增生及擴散的特性。這些天然藥草抽出物經由抑制愛滋病毒的體外篩選 (in vitro screening, 即試管實驗), 可望找出具有開發潛力的先導藥物 (lead compounds), 再配合結構修飾、定量構效關係 (structure-activity relationship, SAR)、毒理研究、藥理機轉探討與臨床試驗等研發工作，可提供設計與開發抗愛滋病毒藥物的重要資訊。愛滋病，即後天免疫缺乏症候群 (Acquired Immunodeficiency Syndrome, AIDS), 由愛滋病毒「人類免疫缺乏病毒 (human immunodeficiency virus, HIV)」所引起，其可 透過血液感染、性行為傳染或母子垂直感染等途徑傳染 (表一)。 HIV 屬於反轉錄病毒 (retrovirus), 會破壞人體原本的免疫系統，使病患的身體抵抗力降低；當免疫系統遭到破壞後，原本不會造成生病的病菌，變得有機會感染人類，嚴重時會導致病患死亡。由於 azidothymidine (AZT)、 nevaripine 等抗愛滋病毒合成藥物的使用，可能產生抗藥性及貧血、頭痛、噁心、嘔吐、肌痛等副作用，因此從天然藥草尋找更有療效且較不具副作用的天然藥物，為開發抗愛滋新藥的另一優先選項。過去有許多有關抗愛滋病天然藥物的研究，本文將根據治療策略整理、分述其中較具開發潛力的天然草藥，以及臺灣產較具抗愛滋病毒活性之藥用植物。愛滋病的治療方式之一，便是降低病毒量，研究發現透過幾種天然素材的提取物，能阻斷 HIV 的複製與增殖。像是臺灣棒花蒲桃 (Syzygium taiwanicum) 經分離、純化與 結構修飾後可得三萜類化合物 PA457, 其能有效阻擋 HIV 結構蛋白 Gag 的生合成，進而抑制愛滋病毒複製增殖；中央研究院院士李國雄教授亦曾指出，由該藥草所分離出的 PA457, 已在美國完成治療愛滋病的第 2 期臨床實驗，有潛力在未來成為第一線的愛滋病用藥。而艾波希多 (Francesca Esposito) 等人研究也發現，黑桑 (Morus nigra, 圖一) 根部分離之天然物 Kuwanon-L 具有抑制愛滋病毒 HIV-1 複製的特性，這種 HIV-1 整合酶 (integrase) 活性位點抑制劑是批准用於愛滋病的新型治療藥物，顯示其極具有開發成治療愛滋病的新興用藥的潛力。除了減少病毒量增長外，病毒的活性與個體的抵抗力亦是產生病症的關鍵之一，也因此我們可以透過降低病毒活性，來緩解其對生物體造成的影響。別名「小駁骨」的尖尾鳳 (Justicia gendarussa, 圖二), 其莖和根提取的天然物 patentiflorin A, 在體外實驗中顯示能夠與治療愛滋病的主流藥物 AZT 一樣阻斷 HIV 反轉錄酶，療效甚至比 AZT 更佳。香港浸會大學學者張宏傑 (Hong-Jie Zhang, 音譯) 等研究指出 patentiflorin A 具有更好的耐藥性，較不需隨時間加重使用劑量，對核苷酸類似物 (如 AZT) 和非核苷酸類似物 (如 nevaripine) 的耐藥 HIV-1 分離株，均呈現有效的抑制活性。對比於 AZT 而言，patentiflorin A 能夠明顯抑制病毒反轉錄酶的活性，而且不論是病毒進入巨噬細胞的早期階段、或其存在於免疫系統 T 細胞中時，皆可展現良好的療效。做為新型抗愛滋病毒藥物，patentiflorin A 可以添加到目前大家所熟知的雞尾酒療法中，以增加對愛滋病病毒的抑制和預防。......【更多內容請閱讀科學月刊第 580 期】 | science |
從數學看生物醫學──生物中的瞬息萬變與平衡 | 有一位中學生的父親是內科醫師，當父親翻閱著著名內科學教科書 Netter’s Internal Medicine 時，看到其中一張 圖片顯示一位中年男人吃完早餐後，口中叼著一根菸，但突然一瞬間心臟病發作而過世，中學生看到後問父親為什麼會這樣？父親回答:「月有陰晴圓缺，人有旦夕禍福。」他的高血壓病人中也有因為感染住院而罹患高血糖成為糖尿病患，在之後某日因抽菸而導致心臟病發死亡。這位父親這樣回答道出醫學疾病中個人病史差異及瞬間變化的特性，此現象若發生在一個族群當中，會有多少人會產生這樣的危險性？而這種瞬間危險的醫學問題其實可以用有趣的牛頓微積分及所衍生的物理力學來解釋。牛頓 (Isaac Newton) 發明微積分除了受巴羅 (Isaac Barrow) 所教授的數學「極限」啟迪外，歷史上鮮少有 人討論牛頓提出微分是因為牛頓幼年及早年求學飽受生活上瞬息萬變之經歷，在他大學畢業即將投入研究所期間，全世界 (包括英國) 爆發黑死病疫情，使得牛頓不得不返 鄉休學 2 年，期間牛頓發明微積分也是宗教哲學中頓悟的經典例子，之後更成為物理化學定律之基礎。其中最重要的就是物理學的等速度運動及加速度運動，而後者更是牛頓第二運動定律的精髓：F (力)=m (質量)×a (加速度), 他也因此在 27 歲時就成為年輕頂尖的數學教授。牛頓微積分導衍出力學的速率對於詮釋醫學領域瞬間事 件相當有用，但如果只利用物理速率 (velocity) 來討論醫學現象無法探討其危險性，必須加入相對速率 (relative velocity) 才可闡釋醫學小至細胞、大至人體死亡的危險性。而相對速率在臨床醫學對於病人生命瞬間變化描述通常會以風險時間函數 (Hazard function) 來表示，其定義為：如果再加入變化方向性 (如同物理速度一樣), 假使速度為等速度，則風險時間函數就如同圖一中 A 之水平線；若風險時間函數其相對速度是以加速度呈現，則如圖一中 B 之曲線，此情況適用於接受器官移植病人瞬間發生排斥危險性隨時間增加而增加；若風險時間函數其相對速度是先上升後下降，就如圖一中 C 之曲線，可以適用於經冠狀動脈繞道手術的病人其瞬間復發的危險性在開完刀之後第一個月最高，其後危險性就慢慢降低。不同風險時間函數代表不同生物瞬間發生事件的相對速度和型態，如此就不難了解為何具有心臟病高危險的人，在早晨吃完早餐後抽菸發生心肌梗塞猝死之原理，抽菸在瞬間所產生作用力使得存活速率產生變化是極大關鍵，此例也道出風險函數是研究影響瞬間因子的重要量化指標，了解不同疾病相對速度型態及其影響因子對於疾病風險預測以及其預防及治療會有莫大貢獻。若將上述風險函數應用於描述整體生物族群，只要將存活時間函數進行時間與空間 (族群個數) 轉換即可，例如一位病人存活 5 年，其存活時間質量相當於 5 位同樣病人存活 1 年，這樣的觀念非常適合解釋生物族群發病率，也就是在一定族群大小 (以 P 表示), 追蹤 t 時間 (若以月為 單位) 後發生 d 個疾病，其族群發病率表示如下：這也是生物流行病學中有名的發生率......【更多內容請閱讀科學月刊第 580 期】 | science |
克卜勒的火星任務 | 克卜勒的前兩個定律，寫在 1609 年出版的《新天文學》 (Astronomia nova) 裡，這是他自 1600 年以來和火星 奮戰的成果；第三定律則在 10 年後出版的《世界的和諧》 (Harmonices Mundi) 裡才出現。在這近 20 年發展的過程中，克卜勒 (Johannes Kepler) 先確定等時間掃過等面積的第二定律之後，才發現火星軌道其實是橢圓。他所主要研究的火星橢圓軌道，離心率只有 0.093, 對一般人 來說，根本看不出是橢圓。1594 年，畢業於圖賓根神學院的克卜勒前往格拉茲 (Graz) 新教學校擔任數學與天文學教師。兩年後，1596 年，出版《宇宙的奧秘》(Mysterium cosmographicum) 一書，以柏拉圖五種正多面體與球的內接外切來描述各行星與太陽距離的關係。在 1619 年《世界的和諧》書中，不僅重申多面體與行星距日距離的奧秘，更為各行星譜出和諧的樂章，克卜勒將天文與數學及音樂巧妙的結合，令人讚嘆！在布拉赫 (Tycho Brahe, 即第谷) 讀到《宇宙的奧秘》後，便與克卜勒書信往返討論。1599 年底，布拉赫邀請克卜勒 到布拉格會面，這時，布拉赫已離開駐守 20 年的汶島，接受魯道夫二世的資助，抵達布拉格準備開創天文事業第二春。1600 年初，克卜勒啟程前往 500 公里之遙的布拉格與布拉赫共事幾個月後，返回格拉茲帶著全家前往布拉格，於 12 月抵達。隔年 10 月，布拉赫意外過世，留下他觀測 20 年的數據寶庫，以及未完成的星表編製工作。有了布拉赫精確的觀測數據後，克卜勒就開始與名為戰神的火星鏖戰，屢戰屢敗、屢敗屢戰。他先用逐日測得的地日距離與角度，找到地球繞日的等面積律，繼而找到火星繞日等時間掃過等面積的定律，但形式沒有現在所謂的克卜勒第二定律那麼明確。這時，軌道的形狀還沒確定，用觀測數據配上他發明的「量天術」, 起先他以為是杜勒 (Albrecht Dürer, 1471~1528) 所說的「卵形 (ovals)」, 後來推測是在卵形和圓形之間。之後，他靈光一閃想到橢圓，發現竟然吻合。1605 年 10 月 11 日他寫信給天文學家友人，宣告路徑是個完美的橢圓。1609 年，《新天文學》出版，克卜勒在第一章一開始就畫出以地球為中心的火星運行軌跡，顯示出 1580~1596 年間火星對地球的相對位置 (圖三)。他稱此圖為「四旬齋節椒鹽餅」, 接著一一討論分析托勒密、哥白尼及布拉赫三人的模型預測對火星運動位置的準確度 (圖四)。型，每個球的轉軸不同，來解釋行星逆行。之後，阿利斯塔修斯 (Aristarchus, 西元前 310~ 前 230) 不僅測量出月球大小、月地距離、日地距離，甚至還大膽提出宇宙的中心是太陽，可惜不為當時人們所接受。......【更多內容請閱讀科學月刊第 580 期】 | science |