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音色的祕密 小提琴與古琴的材料科學 | 古董樂器，不但是人類的重要文化資產之一，也是許多當今音樂家賴以謀生的工具。在歐洲與中國這兩個文明裡，最珍貴的古董樂器分別是小提琴與古琴，都是木製的弦樂器，這似乎意味著材料的老化與弦樂器的微妙音色有著密切關係，而藉助現代的化學分析，我們越來越能窺探其中的秘密。在探討老化的奧秘之前，我們將先介紹小提琴與古琴的製作材料。在歐洲，最具傳奇性的古董樂器是義大利的小提琴。一般認為小提琴是由克里蒙納 (Cremona) 的阿瑪悌 (Andrea Amati) 在 500 年前發明。克里蒙納曾孕育出阿瑪悌、史特拉底瓦里 (Antonio Stradivari, 1644~1737) 與瓜奈里 (Giuseppe Guarneri, "del Gesù", 1698~1744) 三大製琴 家族，活躍於 1550~1750 年間。200 年來的小提琴大師幾乎都只偏好演奏史特拉底瓦里與瓜奈里的作品。為何無數的後代製琴師都無法達到這兩位大師的音色水準？是歐洲音樂史的一大謎題。在中國，文人最珍視的樂器是古琴。這項七弦樂器，在四藝 (琴棋書畫) 之中排行首位 (古箏與古琴 外型相似但尺寸較大，並有 21 根弦)。古琴的發明應 該屬於周代，已出現於詩經中，早於孔子的年代。晉代傅玄的《琴賦》曾提及中國第一把名琴是齊桓公 (卒於 643 B.C.) 所收藏的「號鐘」。而現存最古老的七弦琴是唐代的作品，傳世的唐琴仍有十餘張。中國最著名的製琴家族是唐代居住在四川的雷氏家族，現存最著名的唐琴如春雷、九霄環佩與大聖遺音都被認為是雷氏的作 品。此外，中國最古老的樂譜，是唐代的《碣石調・幽 蘭》, 是一首以文字記譜的古琴曲目。今日的琴人仍然能以八世紀的唐琴「太古遺音」來演奏 8 世紀的唐曲《碣石調・幽蘭》, 製作 21 世紀的數位錄音，所以古琴可謂 中國音樂史上的活化石。在 2010 年 8 月份的《科學月刊》中，我們曾經撰寫一篇文章介紹史特拉底瓦里名琴的研究，探討塗漆的配方與結構，以及塗漆對聲音的影響。從 19~20 世紀，許多專家都認為史特拉底瓦里的秘密在於塗漆秘方。近年來隨著名琴塗漆研究的成果累積，其成分已經大致被闡明，歐美製琴界對於塗漆也產生了新的看法，普遍不再認為史特拉底瓦里的塗漆足以成為特殊音色的關鍵。同時，一種新的假說也孕育而生，認為名琴的秘密在於木材的化學處理。......【更多內容請閱讀科學月刊第 573 期】 | science |
鳥類遷徙:風中的旅行者 | 當燕子集體出現，開始在屋簷下築巢時，人們知道春天已經來臨了。當北風吹起，黑面琵鷺來到臺南時，人們也知道冬天就快到了。候鳥的出現意味著季節的變換，牠們自古以來即順應著地球上這股周而復始的律動，從一個地方搬遷到另一個地方，終其一生在繁殖地與度冬地之間南來北往遷移飛行。對於座落在亞熱帶的臺灣而言，有些候鳥是春去秋來，像黑面琵鷺，人們稱牠們冬候鳥，因為牠們整個冬季會停留在臺灣度冬；另外一些候鳥則是秋去春來，為夏候鳥，如八色鳥，牠們會在夏天待在臺灣繁殖後代，等幼鳥長大了，再於秋天遷移到更南方的度冬地棲息。如此說來，冬候鳥都來自於比臺灣更北方的地區，像黑面琵鷺的繁殖地是在南、北韓交界及遼寧半島一帶。而夏候鳥則來自比臺灣更南方的區域，如八色鳥的度冬區都在婆羅洲。越往北方，夏候鳥的數量就會慢慢增加，例如日本的夏候鳥種類就遠比臺灣多，若再往北，到了北極圈內，就幾乎都是夏候鳥了。反之，臺灣因接近赤道所以出現在臺灣的夏候鳥種類遠比冬候鳥來得少。最近，瑞士的鳥類學家利用微型 GPS 發現了高山雨燕的遷 移路徑，牠們在秋天離開歐洲後，便一路往南飛越沙哈拉 沙漠，並在非洲南部待上好幾個月，到了隔年 3、4 月再飛 回歐洲。不過更令人驚奇的是，這一路上牠們竟然都未曾 著陸一次，也就是長達 200 天以上都在空中度過，吃、拉、 睡全部都在空中完成。雨燕只有在繁殖後代的短暫 2~3 個 月時間才會下到陸地，而且幾乎都停棲在高塔或峭壁上的巢穴中，很少接近地面。雨燕專吃空中飛蟲，高度飛行的生活方式也讓雨燕的翅膀演化成巨大的彎月形，兩翼的寬度比身體還長，腳也在長期沒使用的情況下退化了，變得非常細小。所以，雨燕一旦意外落地，牠們是無法自己從地上站起來起飛的。然而，並不是每一種候鳥都能像雨燕一樣，不著陸長途飛行，雨燕能直接從空中攫取飛蟲，補充能量，其他鳥類在能量消耗完後，都得著陸補充食物及水分。所以絕大多數候鳥都是飛一段、停一陣子，飛的時候是在往目的地推進，停的時候就趕緊覓食、補充能量，以應付下一段飛行之所需。......【更多內容請閱讀科學月刊第 573 期】 | science |
福衛五號發射成功順利與地表衛星站通訊 | 【本刊訊】福爾摩沙衛星五號 (簡稱福衛五號) 為第一顆臺灣自製的人造衛星，已於臺灣時間 2017 年 8 月 25 日凌晨 2 點 51 分於美國范登堡基地，由 SpaceX 公司的獵鷹九號 (Falcon-9) 火箭搭載、發射升空。衛星在發射後 11 分 19 秒成功與火箭脫 離，進入 720 公里任務軌道。國研院太空中心新聞稿表示，國家實驗研究院國家太空中心於發射後立刻獲得由獵鷹九號火箭所傳回衛星與火箭分離時刻的狀態向量，隨即開始進行軌道計算，同時將結果傳至位於挪威斯瓦巴 (Svalbard) 的海外站，準備接收衛星資料。臺灣時間 25 日早上 4 時 11 分，福衛五號進入斯瓦巴地面站的接收範圍。臺灣自此可以與位在 720 公里高空運行的福衛五號進行通聯。福衛五號於臺灣時間 7 月 19 日深夜出發飛往美國，當地時間 7 月 19 日 21 時 30 分抵達洛杉磯國際機場後，隨即運往范登堡發射場的整測廠房，開始一連串密集的發射前整備工作，直至 8 月 14 日衛星與發射載具酬載轉接環完成對接作業。接著衛星交由 Space X 人員接手，發射團隊人員陸續回國；福衛五號張和本計畫主持人及其餘 6 名發射團隊成員，於臺灣時間 8 月 28 日上午 5 時 10 分返抵國門。福衛五號是國家太空中心「第二期國家太空科技發展長程計畫」的第二項計畫。 原預計於 2013 年由 SpaceX 公司的獵鷹 1 號運載火箭搭載升空，然而福衛五號於 2015 年完成，獵鷹 1 號系列火箭已不再提供酬載服務，因此更改為獵鷹 9 號火箭酬載發射。福衛五號將接續福衛二號的遙測任務，預計任務執行時間為 5 年。福衛五號重量約為 450 公斤，為太陽同步軌道衛星 (高度 720 公里), 繞行地球一周時間約為 99 分鐘，遙測對地解析度黑白影像為 2 公尺、彩色為 4 公尺。其光學遙測酬載包含光學照像儀、CMOS 影像感測器及相關電子元件，可拍攝 4 種不同顏色光譜的影像，科學家可利用這些不同顏色的影像，來判斷地表上的事物變遷。科學酬載則包含由中央大學太空所製作 的先進電離層探針 (Advanced Ionospheric Probe, AIP), 可現地量測電離層電漿密度、速度、溫度與環境背景磁場等物理量，可監測電離層 F 層上層電漿之季節變化和全球分布，也可應用於太空天氣和地震前兆異常等研究。經過國研院、中央大學近 10 年的努力，突破重重困難，追根究柢尋找各種問題的根源，成功的將衛星送上太空，未來將用臺灣自己打造的衛星，從太空看見臺灣。國研院，〈福爾摩沙衛星五號發射升空〉,2017 年 8 月 25 日。 | science |
物理學家有望解開質子半徑之謎 | 一顆籃球的半徑有多長，想知道答案拿尺量測即可。但如果測量對象改為質子 (proton) 呢？量測方式可能更為複雜，且答案難以釐清。因此，此問題被稱為質子半徑之謎 (proton radius puzzle), 時至今日尚未解開。過去一直有科學團隊試圖解開謎題，但由於測量方式不同，使結果都有落差，導致質子半徑長度依舊無解。但近日，加拿大約克大學 (York University) 的研究團隊發現，質子半徑可能比過去實驗結果更小。2010 年之前，量測質子半徑的長度有兩種方法。第一是光譜法，利用電子能階 (energy level) 間接測量半徑長度；第二則是利用核散射，透過向質子發射電子，觀測電子的散射推算半徑。兩方法所得到的半徑接近，約 0.876 飛米 (fs,10-15 公尺)。2010 年，德國馬克斯普朗克量子光學研究所 (Max Planck Institute of Quantum Optics) 以緲子氫 (muonic hydrogen) 作為測量的新方法，結果顯示半徑約為 0.842 飛米，與過去的實驗結果出現明顯差異。這次，研究團隊利用新方式進行測量，結果顯示質子半徑約為 0.833 飛米，與 2010 年的實驗結果較為接近，再次證實當時的實驗結果，也代表質子的半徑比科學家過去所認為的更小。而目前尚有其他團隊也在進行測量質子半徑的實驗，當更多的實驗結果出現後，學界對於質子半徑的長度將會逐漸達成共識。而當這些基本的物理問題得到解答後，人們對於物理定律將會可獲得更深一層的理解。N. Bezginov et al., A measurement of the atomic hydrogen Lamb shift and the proton charge radius, Science, 2019. | science |
尼斯湖水怪真面目 可能只是大鰻魚? | 位於英國蘇格蘭的尼斯湖 (Loch Ness) 擁有世界知名的都市傳說：尼斯湖水怪 (Loch Ness Monster)。至於尼斯湖中是否真有水怪或巨型生物棲息於此，一直是大眾茶餘飯後的討論話題。近期，紐西蘭奧塔哥大學 (University of Otago) 的研究團隊，利用環境 DNA (environmental DNA) 檢測尼斯湖及其周遭，結果發現，所謂的水怪，很可能只是巨型鰻魚。自西元六世紀起，長年來出現達上千起關於尼斯湖的水怪傳說與目擊事件。而在 1934 年所拍攝疑似尼斯湖水怪的照片，更讓此都市傳說甚囂塵上，即使該照片偽造的可能性極大，部分民眾依舊言之鑿鑿，深信尼斯湖中存在類似古代蛇頸龍的巨型生物。為了找出水怪是否存在，研究團隊在尼斯湖水中採集 250 個水樣，並分析樣本中的環境 DNA, 與基因資料庫進行比對，檢查湖中的細菌、生物等狀況。研究人員格梅爾 (Neil Gemmell) 表示，尼斯湖中的生物大多體型較小難以用肉眼辨識，而體型較大、外型可能類似水怪的鱘魚或鯰魚，根據鑑定結果都找不到存在跡象，更沒有任何類似古代巨型蛇頸龍的證據。不過，研究團隊卻意外發現許多鰻魚的 DNA。格梅爾解釋，大量鰻魚棲息於尼斯湖中，雖然無法確定這些鰻魚的身型大小，仍不排除過去多年來的各種目擊事件可能為巨型鰻魚的身影。過往雖也有類似的推測，但由於水怪謠言過於繪聲繪影，因此普遍不受關注。而透過本次的研究重新審視此都市傳說，或許真相從來就不是太過複雜的奇幻故事。Tom Metcalfe, Loch Ness Contains No 'Monster' DNA, Say Scientists, Live Science, 2019. | science |
飼養毛小孩有助於心血管健康 | 你有養毛小孩嗎？過去人們都知道，飼養寵物或多或少能帶給飼主某些健康方面的優勢，尤其以心理層面居多。舉例來說，飼養寵物能夠減輕孤獨感，對於治療精神疾病可能有助益。但如果養寵物也可以促進心血管的健康呢？近期一篇發表於《梅奧診所論文集：創新、優質與成果》(Mayo Clinic Proceedings: Innovations, Quality&Outcomes) 的研究指出，飼養寵物，尤其是狗類飼主，心血管健康狀況優於一般人。 研究團隊分析於捷克共和國布爾諾 (Brno) 市區內隨機抽樣的居民資料樣本，總共 1769 名 25~64 歲無心血管疾病病史的民眾。研究中根據市民的各項檢查項目，包含體重、血壓、血糖、是否抽菸及膽固醇等數據進行量化評分，並同時比較有飼養及無飼養寵物民眾的心血管健康狀況。結果發現，飼養寵物的人，在體能、飲食和血糖狀態表現較好，也讓整體心血管健康評分較高，唯一不理想的是抽菸比例較高。其中特別是養狗的飼主，心血管健康評分狀況優於其他寵物飼主。研究團隊的毛潔里 (Andre aMaugeri) 博士認為，此研究結果與飼養寵物的生活型態有關，例如養狗需要定時帶寵物四處走動及玩耍，間接增加飼主的運動時間與次數。或許在未來，飼養寵物能成為一種獲得健康生活的新趨勢。Andrea Maugeri et al., Dog Ownership and Cardiovascular Health: Results from the Kardiovize 2030 Project, Mayo Clinic Proceedings: Innovations, Quality & Outcomes 3, 2019. | science |
再給我一次機會吧! 皮蛋其實不可怕而且很科學 | 皮蛋從何而來？皮蛋的由來眾說紛紜，出現時間約為 14 世紀初，但發明人已不可考。皮蛋最早文字紀錄可能為明孝宗十七年 (西元 1504 年) 宋詡的《竹嶼山房雜部》, 此書把皮蛋稱作為「混沌子」, 書中提到:「取燃炭灰一斗，石灰一升，鹽水調入，鍋烹一沸，俟溫，苴於卵上，五七日，黃白混為一處」。而在明末崇禎六年 (西元 1633 年) 戴羲的《養餘月令》一書中，則有「牛皮鴨子」的作法:「每百個用鹽十兩、栗炭灰五升、石灰一升，如常法醃之入罈。三日一翻，共三翻，封藏一月即成。」隨著年代進展與經驗累積，皮蛋的製作及描述更為詳細。清朝初期，方以智所撰的《物理小識》中，把皮蛋稱作「變蛋」:「池州〔註一〕出變蛋，以五種樹灰鹽之，大約以蕎麥谷灰則黃白雜揉；加爐炭石灰，則綠而堅韌。」另外，陶仕成的《調燮類編》則寫道:「鴨蛋以硇砂畫花及寫字，候干，以頭髮灰澆之，則黃直透內。做灰鹽鴨子，月半日做則黃居中，不然則偏。」以頭髮灰攙水，使硇砂的黃色素滲入蛋殼，對蛋進行印染。而草木灰調鹽產生強鹼，再使蛋白凝成琥珀色半透明膠體，蛋黃變成藍黑色。更有魯明善的《農桑衣食撮要》及李化楠的《醒園錄》等書針對皮蛋製作配方比例有詳細記載，其中《醒園錄》提到:「用石灰、木炭灰、松柏樹灰、壟糖灰四件 (石灰須少，不可與各灰平等), 加鹽拌勻，用老粗茶葉煎濃汁調拌不硬不軟，裹蛋。裝入壇內，泥封固，百天可用。其鹽每蛋只可用二分，多則太鹹。又法：用蘆草、稻草灰各二分，石灰各一分，先用柏葉帶子搗極細，泥和入三灰內，加壟糖拌勻，和濃茶汁，塑蛋，裝罈內半月，二十天可吃。」臺灣早期也曾利用生石灰、木灰、草灰、食鹽、紅茶汁及天然蘇打等混合調成泥狀，塗敷於蛋的表面或將蛋浸漬其中。隨著家禽事業成長迅速及加工技術改進，皮蛋製作轉為更精準及安全的製程。若仔細閱讀目前市售皮蛋食品標示，一定會出現鹼液 (即氫氧化鈉) 及食鹽，而部分產品則會出現茶葉、硫酸銅等物質，這些都是大眾所熟悉的成分。鹼液是使鮮蛋變皮蛋的主要物質，蛋白鹼性凝膠化；食鹽則使蛋白收縮離殼、增味及防腐作用；茶葉是皮蛋黑色浸漬液顏色主要來源；而重金屬硫酸銅，則可增加皮蛋製成率。皮蛋的特殊顏色及氣味打哪來？皮蛋製程最主要的生化反應，是透過利用氫氧化鈉的氫氧離子滲入蛋內，蛋白在 pH 值 12.0 以上會開始變性，使卵黏蛋白與溶菌酶的複合物不穩定而減少，因此蛋白的黏度降低而呈液態狀，隨後當蛋白質達到等電點時，由於此時分子之間無斥力存在，因此蛋白質分子間容易形成分子間氫鍵，使蛋白質分子彼此凝聚在一起，形成具有彈性的鹼性茶黑色透明膠狀物。當 pH 值越高，蛋白所需凝固的時間愈短；但 pH 值超過 12.8 時，則易造成再度溶解而產生液化的現象。當蛋白的蛋白質在氫氧根離子的作用下分解成多種胺基酸，能夠與酸性及鹼性物質作用生成胺基酸鹽；因為胺基酸鹽不溶於蛋白中，能以特定幾何形狀所結晶出來的圖樣，即是皮蛋蛋白常見的松花。另外，含硫胺基酸進一步分解出的氨與硫化氫會產生一些氣味，而這也是為什麼皮蛋會常被人們誤認為是利用馬尿浸泡的原因。考量現在民眾對於鈉的攝取過多，有業者開發出利用氫氧化鉀 (KOH) 浸漬的皮蛋，此種皮蛋的蛋白在物理特性與傳統含鈉皮蛋差異不大。圖一：皮蛋蛋黃位置，左為鴨蛋，右為雞蛋。(作者提供) 浸泡初期的蛋黃，因蛋白的液化使蛋黃無法被固定於原來位置。透過比較鴨蛋與雞蛋做成的皮蛋會發現，鴨蛋做成的皮蛋蛋黃較靠近蛋中央，主要原因是鴨蛋蛋白較黏稠，限制蛋黃移動；而雞蛋製成的蛋黃因比重較輕、易向上浮，因此常與上端的蛋殼膜接觸 (圖一)。觀察以雞蛋浸漬的蛋黃表層逐漸呈淡綠色而凝固，內部則為黃色的糖心；在室溫儲存熟成過程，由於蛋白中的鹼與食鹽等隨著水分漸次移入蛋黃，蛋黃由表層漸次向內部凝固，約兩個月後即可使蛋黃完全凝固為深綠色實心，故皮蛋蛋黃的實心程度可用來判斷皮蛋熟成的程度。......【更多內容請閱讀科學月刊第 599 期】 | science |
夜市美食亂問快答 | Q 珍珠奶茶中的特有 QQ 口感從何來？A 主成份為澱粉，通常由樹薯 (Cassava) 或馬鈴薯等澱粉凝製而成。 無論是探討臺灣的飲食歷史或夜市文化，不可不提及的飲料絕對就屬起源於 1980 年代的珍珠奶茶 (bubble tea) 了。在現泡奶茶中，加入一匙匙粉圓，炎炎夏日來一杯，立刻沁入心脾，也因如此，它的出現迅速擄獲臺灣人的心，街訪小巷隨處都可見其蹤跡。如今，已不只深受臺灣人的喜愛，更在亞洲掀起一股珍珠炫風，甚至風靡全球。 蔚為喜愛的原因之一在於茶飲中的粉圓在口中咀嚼時帶來的獨特口感。一般來說，大多數的珍珠、波霸或粉圓主成份為樹薯粉、水和糖加工製成，有些則使用馬鈴薯粉或地瓜粉等不同澱粉種類。而吃起來 Q 彈則是來自於其澱粉特性，經加熱煮熟後所富有的特殊口感。 儘管現今在臺灣常見的名稱為珍珠奶茶，不過，追溯其歷史可發現，當年是將粉圓加入奶茶中，因其晶瑩剔透似珍珠而取其名珍珠；爾後又因大小不同，遂有大顆稱波霸、小顆為珍珠之分。不僅如此，順著這股風潮，業者也陸續推出許多特色粉圓，像是沖泡熱水數分鐘後就能食用的即食珍珠、粉圓中加入紅豆的包心粉圓或不同原物料做成特殊口味或顏色的特色珍珠等。 然而，天然的澱粉在經過高溫與長時間的烹煮後會產生高黏度，但冷卻後卻會迅速變硬，破壞其口感。因此，市售珍珠為了增加其 Q 彈性，會添加使用天然原料製成的修飾澱粉，如玉米澱粉、馬鈴薯澱粉、木薯澱粉或小麥澱粉等天然澱粉，讓珍珠吃起來更有嚼勁。 不過，2013 年，臺灣爆發毒澱粉事件，衛生福利部食品藥物管理署 (Foodand Drug Administration, MOHW) 抽查市售的澱粉類產品，發現檢驗出未經食藥署核准使用的食品間接添加物 —— 順丁烯二酸酐或順丁烯二酸 (Maleic acid)。追本溯源後發現，不合格產品皆為上游廠商在化製澱粉中添加順丁烯二酸所導致。由於添加後的產品口感會更為 Q 彈且久煮不爛，於室溫無密封的環境下又可防腐，使得珍珠奶茶中的要角之一，粉圓，也淪為此事件的受害者。 除了非法添加物的使用外，粉圓的防腐劑過量問題也時常能在各項食安抽查中發現。為了確保存放過程中粉圓的品質，降低可能發生劣變或滋生微生物造成腐敗，因而添加防腐劑來抑制微生物生長，延長其保存期限。然而，所使用的劑量應遵照〈食品添加物使用範圍及限量暨規格標準〉的規範，若過量將可能對人體帶來危害。 第一問之番番外 奶茶的進化之路 臺灣早期的珍珠奶茶，所使用的奶茶大多是利用紅茶加上粉狀奶精 (Non-dairy creamer) 和高果糖糖漿製作而成。粉狀奶精不僅熱量高，富含反式脂肪酸，更可能增加罹患心肌梗塞、動脈硬化等心血管疾病的機率；再加上主成份為化學合成糖澱粉的糖漿，攝取過量會導致尿酸過高，而罹患糖尿病、脂肪肝等疾病。 隨著社會對健康的要求日益提高，現今的珍珠奶茶發展出以健康為取向的飲品，使用鮮奶取代奶精，並用黑糖或蔗糖取代高果糖糖漿，更有業者研發無添加修飾澱粉、防腐劑或人造色素等添加物的各種珍珠。儘管可能在口感上稍不及最原始的美味，但卻能減少對身體帶來的負擔。 Q 地瓜球為什麼一直壓一直壓，卻反而體積越澎大、口感越 Q?A 油炸時，擠壓出吸附油脂的實心地瓜球，讓空氣不斷進入球體中，使其膨脹並有具澱粉特性的 Q 感。 在臺灣大大小小的夜市中，一定都能看到販賣地瓜球的攤位，不過，逛著逛著有時會發現，明明都是販售地瓜球，某一攤位前大排長龍、門庭若市，但在相隔不到幾公尺的另一攤卻門可羅雀、乏人問津。當然，造成此現象最大原因在於美味，而地瓜球美味的關鍵就來自其大小與口感。 製作地瓜球的材料主要有地瓜、地瓜粉 (或太白粉) 和糖，如同前述的珍珠，加入地瓜粉也是為了使地瓜球越 Q 彈，但若加入過多，則會使麵糰越乾，炸出口感偏硬的地瓜球。此外，三者間不同比例也是影響地瓜球下鍋和起鍋時的口感，所以，如何調配出黃金比例就得考驗各攤販的功力，也可說是各店家的獨家秘方。 地瓜球之所以能成為臺灣一項經典夜市小吃，最吸引人的原因之一是從下鍋前的實心球體，經過高溫油炸、不斷擠壓後，形成酥脆、Q 彈口感的空心球體，而這其中的原理在於利用油的溫度與空氣之間的變化。地瓜球是地瓜與粉類搓揉而成的麵團，揉製過程中會有空氣進入，因此，一開始下鍋加熱油炸時，必須先靜置讓油附著在球體表面定型，此時球體會因先前揉麵糰時留下的空氣造成些許膨脹。確認油皆均勻分布於球體後，接著再不斷擠壓地瓜球，將剛才球體所吸收的油壓出，讓空氣進入球體中不斷膨脹，形成外酥內 Q、空心的地瓜球。由於地瓜球中間為空氣，因此，炸好後的地瓜球在接觸空氣後，酥脆外皮與空氣中的水氣接觸後會軟化，變成塌陷、不飽滿的形狀，體積也會明顯地萎縮，酥脆口感更不復在。所以，趁攤販起鍋時購買和當下食用會是最佳的賞味期。地瓜球，是一項流傳臺灣已久的傳統小吃，但是，近年來也有業者加入各種小巧思，改良出加入卡士達醬的爆漿地瓜球和包有紫地瓜或黃地瓜內餡的雙色地瓜球等。儘管仍稱作地瓜球，但製作方法與吃起來的口感已和傳統地瓜球大相徑庭。畢竟，外酥內軟、甜甜 QQ 且呈空心狀的地瓜球，才能感受其衝突下的箇中滋味。Q 不只是為拉而拉之印度拉茶為什麼要拉？A 為了讓茶粉、煉乳和熱水充分混合，不僅提升奶香氣，也能增加入口時的滑順感。雖稱作印度拉茶，但卻是起源自移民馬來西亞的印度人，也因此，在臺灣夜市中的印度拉茶，其實是一種馬來西亞飲品。而「拉」這個動作，則是為了讓茶與煉乳充分混合，在反覆的過程中乳化。一般認為拉得越長、起泡越多，味道會更加滑順且激盪出更香更濃的乳香。至於臺灣夜市中的印度拉茶為什麼要裝在黑色塑膠袋中，不要問，因為筆者也不知道。Q 刨冰、雪花 (綿綿) 冰和泡泡冰，到底差在哪？A 冰磚的成份、刨冰器的細緻度和製備方法，皆會使送入口中的滋味不盡相同。炎炎夏日，來碗冰消暑，相信是很許多讀者對抗熱浪來襲時的一小確幸。在臺灣夜市中，最常見的就屬刨冰，利用電動刨冰機將冰塊刨細成細小碎冰，加上喜愛的佐料，如水果、豆類或木薯類甜品等，再淋上黑糖或煉乳等糖水，就完成一份個人化的冰品。至於臺灣吃刨冰的歷史，是由於日治時期製冰技術的引進，且最初刨冰為不加任何佐料的清冰。雪花冰，又稱綿綿冰，是由各種口味冰磚加上特殊刨冰機，刨出如一片片雪片般的形狀和入口即化的口感。常見的白色雪花冰，主要成份為由牛奶 (奶粉)、糖和鹽等配方，利用初溫倍速降溫的製磚機製作而成。與一般由純水結成的冰不同，在水中混合各式成分時，若初始的降溫速度慢，會使水與其餘物質分離，形成大量粗冰晶，刨出來的冰則會呈粉狀，而不是片如雪花狀，口感也會變成如冰沙般的顆粒感。也由於越快速降溫所形成的冰晶就越細的特殊方法，因此，若自行使用家用冰箱則較無法自製出如市售的雪花冰磚。另外，在北部夜市常見的泡泡冰，則是先將刨冰機刨出的冰收集在碗中，加入不同口味的淋醬或佐料，快速攪拌後讓醬料與冰緊密混合，綿密口感似冰淇淋。由於早期製作時多用勺子或湯匙快速攪拌，形如泡牛奶的動作，而稱為泡泡冰，現多以機器代為攪拌；目前在臺灣，則以基隆廟口的泡泡冰最為人所知。同場加映 5、6 年級生的兒時回憶 - 叭噗冰 「叭噗叭噗～」, 在臺灣早期，冰品還不那麼唾手可得的年代，經常可以看到三輪車裝載著冰桶、穿梭在大街小巷叫賣，所到之處都會圍滿人潮，更深受小孩喜愛，其中，經典口味則非芋頭莫屬。 叭噗冰質地既綿密又滑順，有時還會帶點 Q 彈口感，與一般冰淇淋最大的不同在於製作過程中會加入澱粉「勾芡」。為避免反覆冷凍造成的冰晶，利用澱粉與水均勻攪拌後，加入芋頭漿加熱，此時澱粉糊化、膨脹，使水分移動困難、呈濃稠狀，再經過快速且均勻的攪拌後冷凍成型。此外，加入澱粉不只能抗冰晶，同時也讓冰更不易融化。 隨著臺灣冰品市場的規模不斷拓展，這樣的「到府服務」已不再流行，僅能在夜市或老街中看到其蹤跡。下次，若幸運的在家裡或附近聽到熟悉的叭噗聲，不妨買支來嚐嚐，那重返早期年代的美好滋味。Q 臭豆腐就是要臭，不臭不好吃？A 其實，為了健康著想，可能還是別太臭比較好。「臭名遠播」的臭豆腐，是臺灣夜市小吃中一項奇葩般的存在。古人聞香下馬，現代人走在夜市街頭，卻是聞臭便知離臭豆腐攤位已不遠。臭豆腐之所以會臭，是因為將原本無味的豆腐，浸泡在各種臭鹵水中，經長時間自然發酵後所產生的特殊氣味。臺灣早期的臭滷水，是在水缸中放入莧菜、稻草或豬肉等，任其自然腐敗、發酵，幾個月後再放入豆腐，不過這種做法極度不衛生，且可能滋生細菌、長蛆。現今，臭滷水的製作大多是使用發酵菌接種的方式，不僅發酵期短 (約一個月)、也較衛生，又能夠大量生產；另外，也有以各種野菜、植物為培養，在自然環境中發酵而成的方式。雖然臭豆腐本身是豆腐，富含許多植物性蛋白質，且發酵過程中的臭豆腐也會產生維生素和乳酸菌等。不過，亦有研究發現，越臭的臭豆腐，意味著其中的氨 (NH3) 和屍鹼等多胺類化合物更多，對人體危害越大。此外，前面也提到由於臭豆腐是屬發酵製品，所以其發酵環境便至觀重要，若環境不潔則可能造成發酵過程受到微生物汙染。2003 年，桃園縣查出非法地下工廠加工的臭豆腐，製作方式是抽取骯髒的地下水，且現場汙水四濺、蒼蠅漫天。近期，在臺灣臭豆腐的陣地 -- 深坑，也被爆出製作廠區不乾淨、過期臭豆腐重新包裝等食安問題。僅管大多數擁護者表示，臭豆腐聞起來雖臭，但吃起來卻是香的。不過，飲食喜好本來就十分主觀，就待看食用者是否所見略同了。Q 沙威瑪是一種生物？A 沙威瑪，是一種從中東流傳而來的肉類料理，將許多肉塊交替層疊於棒上，再透過慢慢旋轉烘烤，購買時業者會將表面已烤熟的肉削下，夾入麵包並搭配配料和佐醬食用。棒上所插的肉類包括牛肉、羊肉、豬肉或火雞肉等，依照國家的風俗民情會有不同的選擇，在臺灣夜市中則大多為豬肉。2017 年，網路上流傳一篇文章，講述南部親戚養殖沙威瑪，文中更表示沙威瑪的成長是從中間稱沙威核的地方開始往外生長，若不破壞其核，肉便能不斷增生。由於文章將沙威瑪是一種生物寫得煞有其事，導致最後更演變為發起拒吃，以保護被虐待、應被保育等的「沙威瑪之亂」。看到這裡，如果心中還帶有沙威瑪這生物是否存在的疑問，筆者也只能笑笑地說，古人云三人成虎，可真所謂不假。 | science |
破解夜市中玩不膩的經典─遊戲篇 | 筆者喜歡逛夜市，因為不管是吃的、用的、玩的，都能在夜市中找尋，且常有意外之喜。不僅如此，其之所以吸引人主要還是因為價格較親民。還記得筆者第一次在夜市看到釣酒瓶遊戲時只要新臺幣 30 元就可以玩三次，規則很簡單，讓躺在木架上的米酒瓶，以一端綁著細繩，另一端懸吊一個約五公分直徑的鐵環小木棍作為釣桿，手持釣桿將鐵環套在瓶口上，手拉釣桿，讓酒瓶直立站穩，即算成功，就能抱走一個架上的大娃娃。 攤位旁邊圍了許多民眾觀看，筆者觀察兩、三個挑戰失敗的民眾後，自認抓到了訣竅，也上去挑戰。結果自然是以失敗坐收，實際操作才知道沒這麼簡單，遂有了想好好研究此遊戲的念頭。靜力平衡首先，一起來討論釣酒瓶的力學問題 (圖二)。由於瓶子底部著地瓶身懸空時很容易轉動而無法控制，所以手的控制必須要穩定，使瓶身達到靜力平衡，再緩慢往上拉。此時瓶身總共受到五個力，第一個力是瓶子的重力 mg, 施力點在瓶子的重心，方向為垂直向下，此力大小方向永為定值。再來是底部接觸點，有兩個力：一個是地板對瓶身底部的正向力 N, 方向為垂直地板向上，比重力略小；瓶身愈直，正向力大小會愈接近重力。另一個是沿著地面方向的摩擦力 f1, 抵抗瓶子在地面上滑動。摩擦力受限於正向力 N, 最大為 N 乘以接處面之摩擦係數 μ1; 隨著瓶身愈直，摩擦力愈小。最後，是鐵環和瓶口的接觸點，同樣有兩個力，一個是繩拉鐵環施在瓶口的力 T, 方向差不多為沿繩向上，因為鐵環本身也不輕，繩子本身要負擔瓶子的作用力和鐵環的重力。另一個是摩擦力 f2 沿著瓶身表面方向向下，使得鐵環不致滑脫。將 T 分解為垂直瓶身 T⊥和平行瓶身 T∥, 則 f2 和 T∥大小相等方向相反。f2 的最大值為 T⊥乘以接處面之摩擦係數 μ2。瓶身愈直，f2 愈大，但 T⊥愈小。當接近直立時，會有 f2=T⊥μ2, 鐵環開始滑脫。這個點是此遊戲的關鍵，不能單靠慢慢拉解決，必須在鐵環滑脫前有所動作 (圖二中)。 圖二右顯示靜力平衡時，力的總和為零，意思就是力的向量可以圍成一封閉迴路。另外，對於瓶底支點，mg、T 和 f2 力矩合為零。同樣地，對於瓶口與鐵環接觸點，mg、N 和 f1 力矩合為零。重心位置與慣性關係要讓酒瓶成功站立，必須讓重心跨過瓶底支點，瓶子就會自然盪過去。對於矮胖瓶身，傾斜角度較大時，重心就跨過瓶底支點，較容易成功 (圖三左); 對於瘦長瓶身，傾斜角度必須較小，重心才會跨過瓶底支點 (圖三中); 而傾斜角愈小，鐵環愈容易滑脫，所以較不容易成功 (圖三右)。......【更多內容請閱讀科學月刊第 598 期】 | science |
欽點夜市中的銅板美味-加工食品篇 | 人在生活中有六大需要，包括食、衣、住、行、育、樂。在食方面，包括三餐、飲料、和零食等，也囊括對於食物的製造販賣與管理。另外，現代人常將吃作為生活中的一部分，也是在追求幸福時的一小確幸。因此，在民生方面，食，也可說是被視為最重要的部分。 在臺灣，著名的夜市文化，也撐起人民的食。夜市中販賣各式各樣的美食，對於喜好美食的消費者，會被其美食所吸引，而這些美味的夜市小吃，背後一定有其吸引消費者的特點，包括外觀、美味、香氣、質地口感及地方特色等。夜市美食當中，除有以動植物原料直接料理外，也有一些加工產品，透過調理讓其更美味，以獲得消費者的青睞。儘管如此，在美食當前，消費者應該要了解這些美味食物背後的加工製程原理與背景來源。加工食品的大小事 常見的夜市加工產品，主要有魚板、魚蛋 (丸)、豬血糕、鴨血、百葉豆腐和芋粿等，這些加工產品以蛋白質或碳水化合物為原料所製作而成，蛋白質與碳水化合物都是大分子聚合物，其中蛋白質分子同時擁有親水基團與疏水基團，一端可親近極性的水分子，另一端可以親近非極性的油脂，為兩性分子化合物。因此，其功能性有溶解性、吸水性、吸油性、加熱凝固性、乳化性和起泡性等性質，因著參與分子與分子間作用力不同，包括靜電吸引、氫鍵、疏水鍵、離子鍵和雙硫鍵等，而有不同的性質。 碳水化合物主要分子為親水型的基團，透過碳水化合物加熱糊化、增稠和冷卻形膠等特性製備而成，參與的鍵結大多只有氫鍵。這類性質可受內在蛋白質、碳水化合物分子種類與外在環境因子如食鹽濃度、溫度、酸鹼度、離子種類與濃度進而影響其鍵結和功能性質。以下，就來一一分析各種加工食品的製作。鹹酥雞、關東煮好朋友──魚板、魚蛋 (丸) 魚板、魚蛋 (丸) 俗稱煉製品，主要原料是新鮮魚肉或冷凍魚漿，新鮮魚肉組織中主要含有水溶性的肌漿蛋白質、鹽溶性的肌肉纖維蛋白質和不溶水、食鹽的肌基質蛋白質；而冷凍魚漿主要含有肌肉纖維蛋白質，是將魚肉經水洗、去除肌漿蛋白質、肌基質蛋白質、血色、雜物和腥味後，離心脫水、成型冷凍。製作此類產品時，可添加 2~3% 食鹽，經擂潰或快速攪拌，將魚肉組織中的鹽溶性蛋白質溶解，再利用魚肉中的肌肉纖維蛋白質溶出作為加熱蛋白質的凝膠，成保水又具彈性的主力。 若魚肉不新鮮或蛋白質已變性，則做不出彈性好、質感佳的品質，並且為防止擂潰與快速攪拌時溫度上升，造成蛋白質變性，影響膠體彈性，必須控制在低溫。一般操作完畢時，擂潰魚漿必須在 10°C 以下。此外，煉製品生產時，會添加非肉類蛋白質，如黃豆蛋白質和雞蛋卵蛋白等，增加蛋白質濃度，使產生蛋白質交互作用，形成更適當的網狀結構，增強其膠體強度；添加動植物性油脂如豬油和葵花油等，則是希望藉由快速攪拌產生乳化作用，改善香氣和適口性；添加碳水化合物如馬鈴薯澱粉和樹薯澱粉等，則是作為增量劑與蛋白質間作用，使凝膠時能有效將水分保留煉製品中。最後，添加抗凍澱粉則可改善冷凍離水問題，增加消費者接受度。 蒲鉾 (かまぼこ，圖一), 中文翻譯為魚板或魚糕，是日本一種以魚漿為原料製成的食品，僅添加 3~5% 的馬鈴薯澱粉，所使用的魚是白身魚，其肉為白色，有別紅色的赤身魚。將魚肉搗碎磨成糊狀後，置於無氣味的木板上或以容器成型，經過蒸或烤等工序即製成。圖一：日本典型的蒲鉾，不過現今樣式已多樣化，並不限於此形狀。(Wikimedia) 魚蛋 (圖二), 為香港、澳門與廣東地區的稱呼，一般稱為魚丸，是用擂潰的魚肉添加油脂與澱粉製成。上述產品因保存因素，絕大部分都會以 - 18°C 冷凍方式保存，以延長販售期。圖二：起源於香港的街頭小食──魚蛋。(Shutterstock) 鎮鍋之寶──豬血糕、鴨血眾多夜市美食中，又以豬血糕和鴨血等，最廣泛受消費者喜愛，除產品口感外，另業者佐以花生粉、香菜，別有一番滋味。業者在販售此產品時，於加工廠已製成豬血糕、鴨血等凝固狀態，此類產品是利用血液凝固與蛋白質加熱凝膠特性，使有適當的凝膠強度。在屠宰豬、鴨等動物時，若要做成食用血液，其所收集的設施、設備和作業程序，需要防檢局審查通過，確定符合衛生標準，才能作為食用級。......【更多內容請閱讀科學月刊第 598 期】 | science |
承襲臺灣小吃的不朽經典-黑白切篇 | 在臺灣，常常可以看到許多攤販、小吃店在招牌上寫著大大「黑白切」三字，店家案頭前會放著很多不同的內臟與肉類部位，點餐單上甚至還會有許多神秘的名詞:「脆管」、「脆腸」和「粉腸」等。這些彷彿黑話的名詞，聽起來好像差不多，但其實都指稱著不同的解剖部位，吃進嘴裡的口感與滋味也有著很大不同。這些名詞，是屬於饕客們與店家的豬隻解剖學，用詞正確，才能吃到心裡所想的部位；了解這些名稱，才能順利點單、大啖美食。這次，就透過科學的角度，細細爬梳這些獨特的名稱，探索其相對應的部位吧！黑白切的由來 要說為什麼會有黑白切一詞，不可不提及早期臺灣社會。由於大部分人民並不富裕，只有在逢年過節或慶典時，才有機會大啖肉類，平時少有閒錢購買。因此，麵攤、小吃店家會在動物 (特別是豬隻) 屠宰後，留下內臟，洗乾淨後以水或滷汁煮熟透，與其它豆製品和蔬菜等一起作為街坊巷弄旁攤販提供的小菜選擇。當顧客上門時，可能沒有明確想吃的菜色，再加上每日店家提供的皆不盡相同，因此，請店家依照人數或預算，隨意切點小菜。店家接到點單後，擇取數樣小菜種類切下所需份量，搭配醬油膏與薑絲上桌。這種點餐形式隨意，也不講究刀工與形狀一致的小菜形式，就以臺語「烏白切」為名，寫成中文為「黑白切」。 臺灣各地的黑白切，依照風俗民情不同，除了可能有些區域限定的品項，也可能對於一樣的器官部位有著不同的稱呼，其中最特別的是富有美食之都的府城──臺南。在這裡，店家會自行灌製香腸、精心製作多種特色小菜，蒸、煮、炸、滷等烹調手法繁複多變，品質與價格反而是早期的有錢人家比較消費得起，因此，一般人所熟知的黑白切，在臺南被稱作「香腸熟肉」。 在了解黑白切的由來後，接下來就來揭秘黑白切菜單上、五花八門的名稱，逐一認識對應的器官部位。腸與管：長形的中空部位 無論是以腸或管為名，都可以想像這些部位是長形、中空的圓柱體。被取名為腸和管，或許是依據這些器官所在的位置與功能而定。無論是人或豬，在肺部下方有一塊由肌肉構成的橫膈，以橫膈為界，區分腸與管：橫膈以上的部位，只要是長形、中空的，皆以管命名，如軟管、咽管等；橫膈以下的腹腔有許多的消化管，稱為腸，讀者所熟悉的大腸、小腸就屬此類。以下，就進一步細分在滷味、小吃中常見的名詞。 軟管∕黑管∕紅管∕豬肚頭：食道食道主要由平滑肌構成，顏色偏紅、偏深，所以被稱作紅管、黑管，也因口感較軟，故稱為軟管。另外，在食道與胃的接口部分稱作賁門 (cardia), 銜接細瘦的食道與胃 (豬肚) 之間，這段逐漸膨大的地方，便稱作豬肚頭。 脆管 / 咽管 / 白管：胸大動脈動脈的血管壁相較靜脈和微血管，是最厚的，尤其是直接連接心臟的大動脈，承受的壓力最大，因此，具有非常強的彈性與韌性。動脈血管壁由三層膜組成，除了肌肉組織外，大部分由彈性纖維和少量的膠原纖維組成，因此，經過清洗過後的大動脈顏色潔白，煮過之後口感爽脆。 管頭 / 硬管：氣管氣管由接近環狀的軟骨和平滑肌組成，因此，口感帶有軟骨的硬脆與彈性。一般取喉頭部位，稱其為管頭；而在基隆地區則會食用氣管部分，依照口感稱其為「硬管」。 粉腸：小腸前、中段空腸小腸分為三個部分：與胃相接的十二指腸、與大腸相接的迴腸及界於兩者之間的空腸。小腸內有許多絨毛，以增加養分吸收的表面積，是許多養分被消化與吸收最主要的場所。空腸的絨毛最長，常存有正在消化中的白色食糜 (chyme) 與消化液，如果食糜中的膽汁過多，會造成苦味。因此，在豬隻屠宰前，會先將其飢餓、空腹，以確保消化道乾淨。 生腸 / 脆腸：輸卵管與子宮體吃起來口感滑脆的生腸，其實是豬的輸卵管與部分子宮。因為捲曲在一起的輸卵管像朵花，在某些地區，生腸也被稱為花腸。另外，有些人會分得比較細，把子宮體另稱為生腸頭。圖一：在小吃攤中常見的各種料理與豬身上所對應的各器官。(徐維駿繪製) 大腸頭：直腸與肛門內括約肌而一般會以「頭」結尾的部位，通常是指管狀器官的末端，形狀開始膨大，是與其它部位的連接處。大腸頭也不例外，指的是大腸與外界相通的肛門括約肌，也就是排遺的出口。看到這邊，讀者對於往後食用大腸頭可能會有心理障礙，不過不必擔心，經過處理的大腸頭皆須符合衛生標準，也不會有排遺的味道。腸管之外的器官「管」與「腸」有直觀的命名方式，而其它的內臟部位，命名方式則皆不脫「依形狀命名」與「依所在部位命名」兩種。掌握住這兩大原則，便能明白每項佳餚背後的意義、就能成為在滷味攤、小吃店橫著走的饕客了。豬肚：胃胃主要由肌肉構成，具有很大的伸縮性以儲存食物，也負責分泌消化液與蠕動，進而消化及運送食物，所以，咀嚼豬肚時特別有韌性與嚼勁。腰尺：脾臟豬的脾臟呈長條形，又位在腰部上方，因此有腰尺之名，可以說是融合了形狀與所在部位命名的兩項原則。另外，人的胰臟也屬長條形，一樣稱作腰尺，有時候容易和豬的脾臟搞混。而豬的胰臟，因為是白色，故稱作白胰。腰胑∕腰子：腎臟腎臟的位置在腰部背側，依照所在位置命名，稱作腰子。順帶一提，在身為具代表性臺南小吃之一的鱔魚意麵店家中，菜單上時常可見麻油腰子，腰子在大火快炒，伴隨麻油香，是佐以鱔魚意麵的最佳拍檔。小肚：膀胱膀胱位在小腹，和腎臟稱作腰子的命名方式相同，稱膀胱為小肚。天梯：上顎軟骨在某些店家或滷味攤的櫥窗或架上會擺著一卷一卷、富有平行紋路的白色部位，乍看之下以為是刻花、川燙過的烏賊肉，在菜單上以形象化的「天梯」稱之。這個神秘部位，其實是豬的上顎軟骨，可別以為是海鮮喔！由於富含膠質所以吃起來口感爽脆，若是有讀者沒試過，下次經過有販售的小吃店時不妨點盤來嘗鮮。不只是吃肉，還要講究其部位如前面所述，黑白切主要是豬隻的內臟、器官各部位組合而成的小菜。不過，隨著時代變遷，生活相較以往富足，現代的黑白切中，增加許多肉類品項。食不厭精，膾不厭細，豬肉的名稱與部位分類非常浩繁，這邊簡單介紹黑白切菜單上最常見的幾種肉，其命名方式主要也是以所在部位、形狀或口感而名。菊花肉∕嘴邊肉：臉頰肉第一次聽到菊花肉，可能會以為來自於俗稱「菊花」的肛門部位，其實菊花肉來自於下巴到臉頰的肌肉，因為肌肉紋路呈現放射狀，形似菊花，因此得名。以嘴邊肉稱之，就更容易讓人望文生義了。松阪肉∕玻璃肉：豬頸肉不只是在小吃店，在燒肉店也經常可以看到，卻不知所在部位的分切肉品，首推大概就是松阪肉了。松阪肉位於豬的頸部，在豬頰連接下巴之處，被層層脂肪包覆，需要小心清除，才會露出巴掌大的肉。據傳松阪豬名稱由來，最初是業者意外發現此部位的口感不輸給日本和牛「松阪牛」, 故取自松阪肉；又因為口感爽脆，被稱為玻璃肉。每隻豬能取下的松阪肉，只有頸部兩側加起來大約六兩重 (225 公克), 所以價格十分高昂，又被稱為「黃金六兩肉」。二層肉∕離緣肉：僧帽肌在人體背部肩胛骨的附近，有一塊倒三角形的肌肉，負責維持肩、頸的穩定性，這塊肌肉因為形似西方僧侶的帽子，被稱為「僧帽肌」, 又叫做斜方肌。而在豬隻身上，頸部延伸下來的這兩片薄薄僧帽肌，看起來好像與脊椎的肌肉分離一般，臺語稱為「離緣肉」, 聽音生義，寫作中文便成「二層肉」。每隻豬也只有兩片二層肉，肉量雖然比松阪肉多一些，但也是十分珍貴，因此價格同樣偏高。相較於松阪肉的脆，二層肉的口感十分軟嫩，在饕客市場中亦有擁護者。肝連∕隔間肉∕條仔肉：橫膈肌在小吃攤上常常看到「肝連」這個品項，指的是區隔胸腔與腹腔的大片肌肉──橫膈。會稱為肝連，感覺和肝臟關係密切；但這塊肌肉和肝臟唯一的關係，大概就只是肝臟上緣緊貼橫膈吧！因為橫膈分開胸腔與腹腔，所以，在中部地區，產生了隔間肉這種形象化的名詞。也因為橫膈形狀扁平，會切成條狀上桌，和其他部位的肉可以切成片狀，有很大的不同，遂「條仔肉」就成此部位的標準名稱。結語儘管隨著時代變遷，直至今日無論是黑白切或者香腸熟肉，目標客群都和當年不同，已轉型成人人都能消費的起的日常小吃。此外，煮法也從最簡單的水煮，到加入滷包與特色醬汁，甚至採用燒烤與油炸等，讓這些食材的面貌與風味更加豐富與精采。黑白切菜單上的專有名詞其來有自，了解其名稱由來，除了可以滿足身為一個饕客的好奇心，在科學上也能對豬隻的解剖部位更加了解。這些小吃滿足了臺灣人民的口腹之慾，也一代代的沿襲傳遞至今。透過這些特殊的「黑話」, 傳承屬於地區與時光的記憶。希望讀者透過這篇文章的介紹，以後在店家櫥窗前面對這些讓人眼花撩亂的腸、管或肉品時，能胸有成竹、得心應手地和老闆點菜。圖二：豬隻身上各種不同部位的肉類名稱。(徐維駿繪製) | science |
漫談夜市美食小確幸-肉品篇 | 仔細探究臺灣觀光資源時，不禁會聯想各地的夜市。夜市中的攤位多元，不過在各大大小小的夜市中，卻經常可以看到鹹酥雞、沙威瑪和牛排等商家的身影，可見其市場與魅力之大。別說沒吃過──雞排 1990 年代末出現的雞排，由於食用方便及容易飽足因此迅速攻占各夜市，成為庶民小吃，更曾經有報導指出，臺灣一天要吃掉 25 萬片雞排。近年來，口味更是不斷的推陳出新，從灑上辣椒粉的辣味雞排到改以灑五香粉、海苔粉、芥茉粉和蔥粉等雞排。另外，還有以蜜汁醃漬或塗抹的蜜汁雞排、包覆起士內餡的起士雞排、以炭烤方式調理的炭烤雞排等。一般來說，雞排，屬炸雞的一種，其作法是先以醬料醃漬雞胸肉入味，接著包裹麵包粉或地瓜粉下鍋油炸，起鍋後再灑上胡椒鹽，裝進防油紙袋內保溫隔熱食用。油炸能使雞排迅速加熱，讓肉身均勻受熱。雖然雞胸肉為非重組過的原肉，不過，即使炸完之後瀝油，其熱量仍然不低，健美訴求者宜少食。衛生機關為保障國人食用油炸食物的安全，制定餐飲業油炸油稽查管理原則，說明油炸油品質達到下列指標須立即換油。其中包括 (1) 發煙點低於 170°C;(2) 油色深、具油耗味、黏漬且泡沫多、大，有顯著異味且泡沫面積超過油炸鍋的；(3) 酸值超過 2.0 mg KOH/g;(4) 油炸油內的總極性物質含量達 25% 以上。稽查員現場稽查會依照食品安全衛生管理法規定，若違法則依違反該法來裁罰。所以，消費者評估油炸油品質端賴目視觀察來判斷，包括色澤、黏稠度與油的發煙點，色澤以淡色、黏稠度愈低和未發煙者為佳。夜市肉排是否能食？重組肉的秘辛 市面上販售的重組肉，有各種類型的肉排，包含魚排、豬排、牛排或混合肉排，除此之外，漢堡肉、火腿肉和魚乾等也都屬於此範疇。重組肉，是將分散的肉重新組合成型，使其外觀上有完整肉塊 (片) 或原肉的樣子。重組製造方式有塊狀、碎片和撕開後重組等方式，其中，以塊狀重組最常見。塊狀重組可以模仿出和原肉相近的組織質地口感，即使此重組肉外觀本就極似原肉；碎片重組是將碎肉或肉屑重組製成，便宜但無法有天然肉的纖維結構；撕開後重組則會有肉品肌肉組織纖維的質地，但所需技術和成本都較高。2014 年，曾有知名餐廳使用重組肉牛排，卻未事先告知而讓消費者有被欺騙的疑慮。幾經周旋後，衛福部食藥署頒布 (重組肉品名標示原則), 強制要求標示重組肉的相關說明。其中，原本的標示規定如下：本規定依食品安全衛生管理法第二十二條第一項第十款及第二十五條第二項訂定之。本規定所稱重組肉食品指以禽畜肉或魚為原料，經組合、黏著或壓型等一種或多種加工過程製造之產品，且該產品外觀易造成消費者誤解為單一肉 (魚) 塊 (排、片) 之產品。包裝重組肉食品應以中文於品名顯著標示「重組」、「組合」或等同之文字說明，並加註「僅供熟食」或等同字義之醒語。 針對直接供應飲食的場所，如餐廳、小吃店或夜市攤商等，則應該在菜單或供應飲食場所明顯揭露「重組」事實，並以熟食來供應。而對於明顯為加工重組肉的食品，如貢丸、雞塊、香腸、熱狗、火腿、漢堡肉、獅子頭、魚丸和魚板等加工品，由於為消費者所熟悉，得免標示。 其實，在避免食物浪費的前提下，重組肉以物盡其用為出發點實屬件好事。因為在肉品工廠，常有未被市場所接受或可利用、經濟價值較低的雜碎肉，經由加工被塑形後又重回消費市場，是以降低浪費，挽回還未食用就被丟棄的食物。之所以觀感不佳是因為原肉與重組肉有極大價差，業者在沒有誠實標示之下，消費者會有被欺騙的感覺。另外，在重組肉的加工過程中，也可能混入病原菌，所以必須注意只能全熟後食用。......【更多內容請閱讀科學月刊第 598 期】 | science |
夜市美食背後的煮、烤、炸-醣類篇 | 為什麼食材中的組成分在熟製過程會產生如此吸引人的香味而讓人無法抗拒呢？事實上，這就是在食材調理或食品加工製作的過程中產生的普遍且重要的化學反應，不僅提供食品色澤，更產生誘人的飄香。 不只是吃的食物，在炎炎夏日，黑糖珍珠奶茶、冬瓜茶和各式冰品等更是人手一杯。近年來，珍珠系列冰品及飲品甚至遠播至全球各地，讓許多人為之瘋狂。而在這些眾多的美食中，皆有些共通點，包括食材中或多或少含有碳水化合物 (醣類) 或蛋白質，熟製過程會經過高溫的油炸、烘烤或長時間的熬煮，例如黑糖、冬瓜茶磚等。 臺灣的夜市美食名聞遐邇，放眼望去，以蒸、煮、炒、炸和烤等方式製作的鹹甜酸辣各式食品與小點，琳瑯滿目、香味四溢，更不斷地刺激人們感官，誘惑消費者購買。相信一般人都很難抗拒烤玉米、烤魷魚和雞蛋糕等燒烤食物，更不用說炸地瓜球、炸薯條和炸甜甜圈等油炸食品的香氣。食品的褐變在食品中的褐變主要包含四種反應，分別是焦糖化反應 (caramelization)、抗壞血酸氧化反應 (oxidation browning of L-ascorbic acid)、梅納反應 (Maillard reaction) 及酵素性褐變反應 (enzymatic browning reaction), 前三者均屬於非酵素反應。此四類褐變反應的主要差別在於食品中存在的化學組成分 (反應基質)、促使反應發生的條件 (溫度及環境) 及反應產物的差異，但最終結果均會造成食品產生褐色 (表一)。梅納反應 vs 焦糖化反應梅納反應與焦糖化反應，普遍發生在食物調理及食品加工過程，均可以提供香氣小分子與金黃或褐色的色澤，而增加食品的美味與提升其外觀顏色。但兩者之間最大的差異在於：梅納反應除了醣類中的羰基 (carbonyls) 外也需要蛋白質中的胺基 (amines), 並在常溫下就能反應；而焦糖化反應則僅需要醣類，但卻需要經高溫熬煮。當然，醣與胺基酸的種類不同，兩種反應所產生的香味分子種類也有所不同。梅納反應可分為三個階段：分別是初期羰基與胺基進行縮合作用 (condensation), 此時為無色；中期則是產物經脫水與脫胺反應而產生眾多中間產物，顏色可能為無色或黃色，主要提供香味小分子；後期會進行醛醇縮合作用 (aldol condensation) 與胺之間的縮合反應形成深色聚合物，稱為梅納汀或黑色素 (melaniodins), 產生黑色，以提供食物色澤。焦糖化反應是醣類，尤其是單醣與雙醣在沒有胺基化合物存在的情況，當加熱至熔點以上的高溫 (140~170°C 以上) 時，因糖發生脫水與降解而發生褐變反應。通常會在酸性或鹼性環境下進行加速反應，並使其產生特定焦糖化香味與色澤。醣類在高溫下會生成兩類物質，分別為經脫水生成的焦糖，俗稱焦糖或醬色 (caramal) 及在高溫下裂解生成的小分子醛酮類，小分子醛酮類再進一步縮合、聚合產生深色物質。焦糖化反應也可以給食品帶來悅人的色澤和風味，但若控制不當，則會為食品帶來不良的影響，如苦味或焦味。丙烯醯胺與梅納反應梅納反應的發生不一定需要高溫，在常溫下也會進行，其影響則是導致食品品質的劣變化，如開封後的奶粉顏色逐漸變深及奶粉中的必需胺基酸──離胺酸 (lysine) 的生物利用率降低；或貨架上的澱粉水解糖漿，如葡萄糖糖漿或高果糖糖漿，顏色逐漸變深而影響產品外觀色澤等。而在高溫烹煮烤炸下催化的梅納反應雖可為食物增添香氣、風味與色澤，但也可能產生丙烯醯胺 (C3H5NO)。 而目前，丙烯醯胺被世界衛生組織 (WorldHealthOrganization,WHO) 國際癌症研究中心歸類為「人類可能致癌物」的物質，即是指此類物質經動物試驗證實具有致癌性，但在流行病學上的研究尚無顯著證據指出由飲食攝入丙烯醯胺對人體具有致癌性。人體試驗研究則顯示，當人體攝入 0.94 毫克的丙烯醯胺後，會被體內的微生物及酵素分解，而後經由腎臟在 48~72 小時內排出 60~75% 的攝入量。因此，在正常情況下，丙烯醯胺並不會在人體內蓄積。 目前已知，若食物中同時存在有還原糖及胺基酸，尤其是天門冬胺酸 (asparticacid) 或蛋白質時，經乾式或低水分含量環境及高溫製程，如炙燒、焙烤、炒焙或油炸時，則會在食物中檢測出不同含量的丙烯醯胺，其多寡與梅納反應的發生和褐變程度有關。也就是說，因梅納反應產生丙烯醯胺的反應基質，除了還原糖外，尚需要天門冬胺酸，而丙烯醯胺只是此反應中，成百上千中間產物裡的一種。澱粉與梅納反應澱粉為巨分子，並非還原醣，理論上並不會參與梅納反應，但在含澱粉的食材中原本就可能存在還原糖或加工製程中澱粉被降解所產生的還原糖，如澱粉水解或降解後產生的麥芽糖、葡萄糖等小分子糖類，因而參與梅納反應。另外，由於含澱粉的食材或食品廣泛存在於人們所攝食的食物中，因此，當含澱粉食品中被檢測出有丙烯醯胺時，媒體便會競相報導「高溫油炸與烤焙之澱粉食品含有致癌物」等聳動標題。 不可否認的，丙烯醯胺為梅納反應中期階段眾多中間產物的一種，當食材中同時含有還原醣及天門冬胺酸並在低水分含量下經高溫調理時，便容易產生。因此，油炸的洋芋片、薯條、雞蛋糕；焙炒或烘烤的咖啡豆、堅果；重複熬煮的黑糖和冬瓜茶磚等都屬於容易生成丙烯醯胺的食品。......【更多內容請閱讀科學月刊第 598 期】 | science |
九二一後的20年,搜救現場長成什麼模樣? | 救災，也可以很科技！要確定災區現場是否有人，可利用影音探測、聲納探測器、熱影像儀與雷達等工具相互搭配。這些工具有幾個共通的優點：除了體積較小、方便運送外，待救者無需有太激烈的反應即可被偵測，讓整個救災的過程相對省時省力。內政部消防署特種搜救隊副隊長黃博村表示，20 年前沒有上述設備，也沒有所謂的搜救犬，只能利用簡易的裝備「聞聲救苦」, 且若現場仍有餘震，還得將搜救人員撤離，直到確認現場安全後，才能繼續搶救工作。 有別於過去各種「土炮」式的搜救方法，現在的搜救儀器與團隊編制，都讓這份工作不再那麼令人摸不著頭緒。首先，聲納探測器可讓輕微的敲擊聲響被放大，即使受困其中的人體力孱弱，仍可藉由對石頭、牆面規律性的敲擊向外界提供訊息。而熱影像儀，則是利用環境與活體間的溫度差顯現成像，讓搜救人員判斷建築物內是否有活體，抑或是其他可能產生的危險，如電源。 此外，救災現場可能也會使用雷達來探測可能的生命跡象。由於雷達的穿透能力較佳，若有人被蓋在牆面下，便可透過該儀器偵測其動作，包括心跳的動作。只是，由於該儀器較為敏感，使用當下須排除周圍 15 公尺內所有可能干擾判斷的人事物。而影音探測器，則屬較後端的儀器，透過鏡頭的實地拍攝，可協助搜救人員確認障礙物後方是否有人。定義搜救範圍，搜救犬功不可沒雖說 20 年後，人們可以透過較新穎的科技快速找到救援標的，然而，有時災難現場幅員甚廣，如何在人力有限的情況下，提升黃金 72 小時內的搜救效益？這個時候，團隊就會派出救災小幫手──搜救犬 (圖一), 來協助定義救災區塊，提升整體工作效率。與緝毒犬一樣，搜救犬也要經過一系列嚴格的訓練與測驗，才具備出勤的資格。首先，牠們必須服從於某些特定的指令，如待命、出動等。第二，牠們必須清楚知道，什麼樣的人才是首要的關鍵搜尋對象，當找到人時也需要做出相對應的行為。以緝毒犬為例，當牠們聞到可疑的氣味時，為了驚擾持有者，牠們會做的第一件事就是「坐下」; 而當搜救犬在斷垣殘壁裡找到待救者時，則會激動地吠叫並拍打地面。......【更多內容請閱讀科學月刊第 598 期】 | science |
突然快轉的時鐘—波霎週期的異常變化與星震 | 在滿天的星星裡有一種特別的星球，它們用極其穩定的週期發出一閃一閃的無線電脈衝，如同 GPS 衛星，天文學家稱這種星球為波霎 (pulsar), 也可稱為脈衝星。波霎最先是由英國劍橋大學的貝爾 (Jocelyn Bell) 和其指導教授休伊什 (Antony Hewish) 在 1967 年所發現。因為當時無線電波已經廣為通訊使用，所以偵測到從外太空的宇宙深處傳來有規律的無線電訊號時，一開始很難不與外星文明產生聯想，更把最早發現的幾個波霎以「小綠人 (Little Green Man)」的名稱來編號呢！到目前為止，總共約有 2700 個波霎被發現。每個波霎都有一個自己的週期，這些無線電脈衝的週期長短從一、兩毫秒到好幾秒都有。每個波霎的週期都緩慢地變長，但變化率極小，大多是每秒增長千兆分之一秒的數量級，也就是每 3000 萬年才會增長 1 秒。因此，波霎的週期非常穩定，大概是宇宙中最精準的時鐘了。波霎究竟是什麼樣的星球呢？根據週期長短及其極緩慢增長的現象，天文學家一般都認為波霎是快速旋轉且帶有強磁場的中子星 (圖一)。中子星是由大質量恆星演化到最後，經過超新星爆炸事件所遺留下來的星球。事實上，滿天星斗其實都是像太陽一樣的星球，在星球內部核心處進行著核融合反應，提供發光發熱所需要的能量。圖一：波霎示意圖。圖中顯示中子星的自轉軸並不一定與磁軸重疊，此轉軸的差異導致中子星自轉時，假如地球是在磁軸掃過的方向上，則會觀測到週期性的無線電脈衝信號。這些星球因為在天上的位置相對固定，所以稱為恆星。各種核融合反應的燃料會耗盡，因此恆星從形成之後，就如同人的一生，隨著時間推展，因結構與物理狀態的改變，產生不同的樣貌。與太陽類似質量的恆星演化到最後，會變成一個白矮星；而質量較大的則會發生超新星爆炸事件，形成一個中子星；質量更大的，就有可能變成黑洞。因篇幅有限，筆者將白矮星與黑洞留待他日再敘，以下就只談談與本文主題有關的中子星。大質量恆星演化到最後，核心會產生一個大鐵核。進一步的重力塌陷，使得外部的物質爆開，而中間的核心部分密度則高到連原子核的界線都擠破，大量的質子與電子也都結合成中子，形成由中子組成的中子星。中子星的組成非常緻密，大約有一、兩個太陽質量，但是半徑卻只有 10 公里左右，如同把整個太陽壓縮到一個都市裡，密度極高且表面重力極強，光是一小湯匙的水就重達 100 萬公噸！另外，中子星轉得很快，重力塌陷時就像是原先張開雙臂的溜冰選手把手收回，使自身旋轉速度提升。雖然確切的機制仍有待釐清，中子星形成的時候，也會產生極強的磁場，其表面的磁場強度大約是地球表面的一兆倍，有些甚至可高達 1000 兆倍！......【更多內容請閱讀科學月刊第 598 期】 | science |
磁力線到規範場-從廣義相對論到規範對稱談場論發展 | 愛因斯坦的重力場在狹義相對論之前，物理學家研究自然的方法是先操作實驗，而後將觀測結果歸納成經驗公式，再從方程式中發掘自然隱藏的對稱性，例如電磁現象中的勞倫茲協變性 (圖一)。對稱性之於物理定律的發現無關緊要，僅是潛藏於方程式之中的美感，有最好，沒有的話也無損於對自然偉大設計的讚嘆。然而透過愛因斯坦與閔可夫斯基 (Hermann Minkowski) 在狹義相對論的工作中，物理學家首次發現研究自然的手法可以把圖一的順序倒轉，如果能掌握自然設計中底層的對稱性，原則上可由此定義出基本方程式的形式，再根據方程式搜尋尚未發現的現象，如同若事先知曉電磁學定律必須滿足勞倫茲協變性，在很大程度上可由此推導出馬克士威方程式一樣，當然難度是相當的高。 圖一：電磁學的實驗結果被歸結成物理定律，表達定律的方程式顯現自然設計中隱藏的對稱性。此倒轉研究手法知易行難，因為基本上不可能事先知道大自然選取何種對稱性決定方程式的樣貌，理論學家只能先猜測大自然偏好何種對稱美，寫下對應的方程式，並且寄望實驗學家日後能找到預測的現象；其中，愛因斯坦猜測大自然審美觀的能力被公認為第一把交椅，也是成功執行此倒轉研究手法的先驅。如前所述，狹義相對性原理只要求物理定律在慣性坐標系間的勞倫茲變換下維持不變，對此不甚滿意的愛因斯坦從 1907 年開始，試圖將該原理的適用對象從慣性系推廣至任意坐標系，稱為廣義相對性原理〔註一〕。透過這樣的推廣作出發點，盼能發現嶄新的物理定律，廣義協變原理加上「物質的重力質量等於其慣性質量」的等效原理，最終指引出一個全新的重力理論，即廣義相對論 (圖二)。圖二：愛因斯坦猜測自然設計具有廣義協變的對稱性，據此推導出重力場方程式，再從中預測尚未發現的現象。從圖一與二可看出愛因斯坦創建廣義相對論的歷程完全不同於狹義相對論。在狹義相對論之前，電磁學的實驗事實早已擺在眼前，馬克士威也整理出相應的方程式，只待明眼人指出其中隱藏的時空對稱性；然而廣義相對論完全是由相信自然須滿足廣義協變原理出發，憑藉數學推導找出基本方程式，再指引實驗學家尋找對應的現象，此研究方法必須對自然的對稱美具有卓越洞察力才能成功。 其實自從倒轉研究得到廣義相對論後，愛因斯坦對物理學的研究想法也與之前大相逕庭，他越來越仰賴數學邏輯的引導，日漸拋棄他從實際現象汲取經驗法則的習慣，希望能再次複製廣義相對論的成功經驗於統一場論的工作，他在晚年撰寫的《自傳筆記》(Autobiographical notes) 中說道:「一旦有了足夠強的數學條件，不用太多的經驗知識就足以建立起一項理論。」雖有不少物理學家對此番說法不表認同，但此話的確是圖二的最佳註腳。魏爾的規範場其實不論是勞倫茲協變性或是廣義協變性，均屬於一種時空對稱性 (spacetime symmetry), 要求物理規律在時空坐標的變換下維持不變，然而自然界尚有一種潛藏的更加抽象的對稱性，稱為內稟對稱性 (internal symmetry), 率先發現內稟對稱之美的是與愛因斯坦友好的德國數學家魏爾 (HermannWeyl, 圖三)。魏爾醉心廣義相對論中關於方程式在任意坐標變換下仍維持不變的對稱美，致力於將馬克士威電磁學與愛因斯坦的廣義相對論熔為一爐，試圖建構一個整合電磁力與重力的統一場論，1918 年他率先引入一種稱為「尺度不變性 (eichinvarianz)」〔註二〕的對稱性。首先想像一個向量在平面上作平行移動，無論過程中該向量走哪條路徑，當其平移到同一終點時，總會與原向量指向同一個方向，然而若改為在曲面中平移向量，當走不同路徑抵達同一終點時，原向量往往會指向不同的方向，而這正是彎曲空間的特性 (圖四)。......【更多內容請閱讀科學月刊第 598 期】圖四：圖上的黑色向量循著兩條不同的曲線作平行移動到同一點，過程分別以藍色箭頭與紅色箭頭表示，一開始雖同為黑色向量，但到達終點後，紅、藍兩箭頭指向卻不再一致，此乃空間曲率不為零的表徵。 | science |
好用、好看又好吸收-是黑曜岩還是美岩社? | 黑曜岩 (obsidian) 在眾多岩石家族當中，可謂頗負盛名。如果你是《當個創世神》(Minecraft)〔註一〕這款遊戲的玩家，遊戲中難以破壞的黑色方塊想必讓你印象深刻吧！就算沒有玩過《當個創世神》, 我們也常看到市面上各式各樣由黑曜岩製成的產品，如首飾、刀械和土壤改良劑等。究竟，黑曜岩是個什麼樣的岩石？它從何而來？有哪些種類？有什麼用途？黑曜岩是怎麼形成的？岩石通常被分為火成岩、沉積岩與變質岩三種，而黑曜岩就屬於第一種。火成岩是由熔融的岩漿冷卻、結晶之後所形成；冷卻時間的快慢，對於火成岩的產狀有著非常大的影響。岩漿的冷卻時間越長，其中的物質就有越多的時間緩緩集結，形成越大的結晶；反之，若冷卻時間很短，則岩漿中的物質就只能形成微小的結晶，甚至無法結晶。決定冷卻時間的關鍵之一，便是岩漿的分布：如果岩漿只有侵入地殼且未噴出地表，在地底受到較高的地溫梯度以及較差的熱傳導，而有較長的冷卻時間，這種火成岩稱為「深成岩」, 如花崗岩 (granite)、輝長岩及閃長岩；若岩漿噴出、並接觸至相對低溫的地表而快速冷卻的火成岩則被叫作「火山岩」或「噴出岩」, 包括流紋岩、安山岩、玄武岩等。 以常見的花崗岩為例，其為岩漿在地下深處緩慢冷卻形成，因此岩漿中的雲母、角閃石等礦物有足夠的時間結晶，形成肉眼可見、彼此緊密鑲嵌的構造。而黑曜岩，則是由岩漿極快速冷卻後所形成的玻璃質 (glassy) 火成岩。由於冷卻時間非常短，使得當中的原子或離子無法整齊地聚集，並排列成規律的結晶物質。也因為這種特性，黑曜岩的質地十分接近玻璃，相當易碎，同時也有著發達的貝殼狀斷口。目前，世界上黑曜岩的主要產地有祕魯、美國和墨西哥。後天環境改變黑曜岩的命運儘管黑曜岩都是因為岩漿快速冷卻所形成，但仍然會因形成時冷卻時間和岩漿成分的細微差異而有許多獨特的樣貌，以下就讓我們來看看幾種特別的黑曜岩吧！阿帕契眼淚這個浪漫的名字，屬於一種產於美國亞利桑納州的卵石狀黑曜岩，多由富含二氧化矽的熔岩所形成，常與珍珠岩 (perlite, 為一種酸性噴出岩) 共生。關於阿帕契眼淚的成因，目前推測是在火山噴發時，黑曜岩接觸到溶有其它礦物的滾燙鹼性水溶液，此時黑曜岩發生了「熱液換質」的作用，使得原先的黑曜岩轉變為珍珠岩，而最後留下來的卵石狀黑曜岩，即成為我們所見的阿帕契眼淚。〔註一〕《當個創世神》為一款冒險解謎遊戲，可於當中以立方體為基礎，完成世界探索、物品採集與合成等任務。 | science |
低咖啡因咖啡如何產生? | 低因咖啡不是 21 世紀才有的需求咖啡因的提神效果可說是人們離不開它的主要原因。咖啡因是一種中樞神經興奮劑，攝取咖啡因能使人不易感到疲累，還有提高注意力、減輕疼痛等效果。然而，咖啡因具有輕微的成癮性，讓人越來越不容易有提神效果，最終導致攝取過量，因此造成心悸或影響到睡眠，這也是為何低因咖啡成為越來越多人的選擇，消費者不僅可以適度攝取咖啡因，又能享受咖啡的香氣。 其實去除咖啡因的咖啡並不是 21 世紀才有的需求，早在 20 世紀初，來自德國、也是全球第一間賣低因咖啡的企業 KaffeeHag (後來被美商併購並改名為 Café Hag) 便已開發這項產品，只不過當時喝低因咖啡的人不多。直到第二次世界大戰結束後，一種咖啡因含量較高的咖啡豆──羅布斯塔豆 (robusta) 崛起。然而，由於羅豆大量使用，很多人受不了高濃度咖啡因飲料，使低因咖啡的需求大增。 生活中常見的咖啡大多來自阿拉比卡豆 (Coffea arabica), 其全球生產量大約佔 60%, 因為其所泡出來的咖啡具有多樣的香氣與豐富的酸味，所以大多製作成各種精品咖啡。而羅布斯塔豆具有強烈的氣味與苦味，因此常製成混合咖啡或即溶咖啡，其全球生產量將近 40%。此外，阿拉比卡豆大約含有 1.2~1.5% 的咖啡因，而羅布斯塔豆則是近兩倍，約 2.2~2.7%。二戰後越來越多用羅豆製成的咖啡產品，但也因為咖啡因含量高而容易使消費者感到不適，許多生產商才開始投注資源開發低因咖啡產品。用萃取法去除咖啡因低因咖啡的製程大多是各家公司的商業機密，不過還是能從已公開的文獻資料和專利，得知常見的低因咖啡製造方式，只是其中的細節不得而知。常見去除咖啡因的方式都是使用「萃取法」, 一般會先將生咖啡豆萃取去除咖啡因後，再進行乾燥、烘焙。常見的萃取方法大致可分三大類：溶劑萃取法 (solvent decaffeination)、超臨界流體萃取法 (CO2 decaffeination) 以及水處理法。 溶劑萃取法在 70 年代前，商業化量產販售的低因咖啡，只使用溶劑萃取法 (圖二)。在那之前，科學家尚未清楚了解各種溶劑對人體的影響，因此許多現在認為對健康有疑慮或有致癌風險的溶劑都曾被廠商拿來萃取咖啡因，包括苯、氯仿與四氯化碳等，不過最常見的萃取溶劑還是二氯甲烷和乙酸乙酯。根據處理步驟的不同，溶劑萃取法可分成直接溶劑萃取法和間接溶劑萃取法兩種。由於咖啡因在豆子內和綠原酸 (Chlorogenic acid, CGA) 結合，因此在開始萃取前，需先將乾燥的咖啡豆吸飽水份使兩者分離，才能有效地將咖啡因分子溶出。直接萃取法是直接將乾燥的生咖啡豆以水蒸氣蒸煮濕透，再將生豆浸泡在溶劑中，待溶出咖啡因後再取出並加熱，使溶劑和水分揮發掉；而間接萃取法則是將生豆放入熱水中煮，溶出咖啡因和各種氣味分子，煮咖啡豆的水再另外與溶劑充分混合，讓咖啡因溶入溶劑中，去除溶劑後再用剩下的水沖洗生豆好讓氣味分子能再度回到豆子中，最後再瀝出、烘乾。說到咖啡因萃取溶劑，二氯甲烷在 70 年代前可說稱霸了低因咖啡產業，是公認最好用的溶劑。除了萃取成效相當不錯之外，其無色、沸點 39.6°C 容易揮發，又不易燃燒的特性，使得製程相當有效且安全。但諷刺的是，二氯甲烷最後被屏棄不用的原因，並不是因為發現可能具有致癌性，而是當年被懷疑可能是臭氧層破洞的元兇之一。......【更多內容請閱讀科學月刊第 598 期】 | science |
探索昆蟲神秘的地下農場—臺灣土白蟻與雞肉絲菇的共生關係 | 雞肉絲菇，又被稱為「雷公菇」或「雞樅菌」, 是一種味道鮮美、老一輩的臺灣人經常採食的野生大型菇類。然而，很少人知道雞肉絲菇其實是白蟻的共生菌，與俗稱大水蟻的臺灣土白蟻 (Odontotermes formosanus) 有著絕對共生的關係。臺灣土白蟻與雞肉絲菇之間的互動就像農夫和他們栽培的作物，互相依賴，少了對方的幫助便無法生存。白蟻如何「栽培」雞肉絲菇？臺灣土白蟻的蟻巢內有各種不同大小、年齡與階級的個體，主要分成蟻王、蟻后 (圖一)、幼蟲、小工蟻、大工蟻及兵蟻。蟻王和蟻后負責生殖、兵蟻負責防衛蟻巢，而大小工蟻則負責「栽培」雞肉絲菇。臺灣土白蟻的大工蟻會在野外收集各種的枯枝落葉、樹皮或木材，並將這些材料搬運回白蟻在地下的巢穴，堆放在蟻巢內的巢腔 (chamber) 裡，此行為如人類將糧食儲存在穀倉之中。小工蟻會先吞食雞肉絲菇的無性孢子，咀嚼並吞下這些儲存的粗糙植物材料，雞肉絲菇的無性孢子與植物材料會在白蟻的腸道裡被均勻地混合，在經過一個小時的短暫消化後排出。小工蟻會將排出的混合物堆疊建造成一個具有許多孔隙的半圓形球體，此構造稱為「菌圃 (fungus garden, 圖二)」, 雞肉絲菇的菌絲會在新鮮的菌圃材料中迅速生長，約 1~2 天內，就可觀查到菌圃表面布滿細微的白色菌絲 (圖三)。除此之外，菌圃上會產生許多無性孢子小球，為乳白色水滴型的構造，而每個孢子小球都有一條細小的梗連接到菌圃上雞肉絲菇的菌絲；由於孢子小球會逐漸生長變大，因此菌圃上會觀察到各種大小的孢子小球，直徑最大可達一毫米 (mm), 不使用顯微鏡也可直接觀察到 (圖四)。孢子小球就像是白蟻地下農場中的果實，每個孢子小球都包含真菌的營養與無數個微小的無性孢子 (圖五), 就像是果肉與種子，是白蟻取得雞肉絲菇無性孢子的主要的來源。白蟻與雞肉絲菇共生的「絕對性」會建造菌圃與真菌共生的白蟻種類通稱為「養菌白蟻」, 由於許多養菌白蟻會在蟻巢的上方建造大型的蟻塚 (termite mound)。過去，歐洲的博物學者在遊歷非洲、亞洲及東南亞地區時留下了許多針對養菌白蟻蟻巢還有內部構造的描述。1779 年，德國的植物學家柯尼希 (Johann Gerhard König) 首次於印度的坦賈武爾 (Thanjavur) 記錄白蟻蟻塚內的真菌。當時他發現白蟻蟻塚內都有球型、多孔的堆積物，也就是後來被稱為「菌圃」的白蟻建構物，且建構物表面布滿白色細絲，點綴著許多白色小球，但當時沒有人知道真菌與白蟻的關係，甚至有些學者把蟻巢裡的真菌菌絲描述成潮濕發霉的現象。......【更多內容請閱讀科學月刊第 598 期】 | science |
愛因斯坦真的錯了嗎?宇宙常數的小故事 | 今 (2019) 年 5 月 20 日，國際單位制把各種基本單位，以普朗克常數 h、光速 c 等物理常數取代古董原器。部分原因在於，各界普遍認為這些常數不會隨環境、時間改變，比傳統的公斤及公尺原器更可靠，同時也反映量子力學之於普朗克常數及相對論之於光速的概念，足足影響科學界一個世紀以上，也早就透過電子儀器進入人們的日常。但是「常數」是怎麼來的？它們的數值為何如此？為何帶有特別的單位？由伽利略 (Galileo Galilei) 的一句:「我們來做實驗吧。」做為開端，400 多年來，人們到底對這些常數有多少了解？狄拉克的大數猜想 1928 年，知名的物理學家狄拉克 (Paul Dirac) 為了推廣薛丁格方程式，寫下描述電子在高速運動下的相對論方程式，後人稱之為狄拉克方程式 (Dirac equation)。此開創性的方程式，不但讓他在 1933 年和薛丁格 (Erwin Schrödinger) 一起分享諾貝爾獎的榮耀，更成為 20 世紀量子場論的開路先鋒，影響深遠。 1937 年，狄拉克對物理常數的單位感到非常好奇與困擾，因此希望釐清常數單位的來源和背後隱藏的秘密。狄拉克發現，只要把宇宙的年齡 (t~_4.3×1017 秒) 乘以光速，再除以古典電子半徑，可以得到一個沒有單位的常數，而且龐大的數值大約是 1040。 結果暗指這些與電子運動相關的物理常數，和宇宙的年齡似乎有著不可分割的關係。因此狄拉克大膽猜測，所有帶有單位的「常數」都是時間的函數，會隨著時間改變。此驚人的發現被稱為狄拉克大數猜想 (Dirac large numbers hypothesis)。為什麼會有這樣的巧合或關聯，一直是物理學家非常好奇的大事。 物理學已知的常數，多是來自各種實驗的測量結果，但科學家多半不清楚它們的來源和各個常數相互之間的關聯。自從狄拉克寫下大數猜想後，很多科學家在好奇心驅使下，相繼找出許多類似的關係式，並引發更多人對這些常數的各種幻想。 在宇宙學裡，哈伯常數 H 和宇宙常數 Λ 較為大眾所知。其中哈伯常數是哈伯 (Edwin Hubble) 測量遙遠星系遠離地球的速度和與地球的距離變化約略成正比，而此比例被稱為哈伯常數。隨後的精準測量，不但確認宇宙正在膨脹，並且發現哈伯常數其實根本不是常數，而是一個會隨時間而改變，不折不扣的變數。因此有的科學家改口稱之哈伯參數，有的人卻一時改不了口，仍舊稱之哈伯常數。對此，眾多的發現似乎都在呼應狄拉克的猜想：已知的常數根本不是常數，都會隨時間改變。 有趣的是，到了 20 世紀末，科學家發現宇宙不但在膨脹，而且膨脹速度在大約 50 億年前開始加速。科學家把加速膨脹的因素推給暗能量 (dark energy), 一種未知、暗黑的能量，功能類似動畫電影《玩具總動員》(Toy Story) 中巴斯光年的反重力裝置，可以抵抗重力的吸引，讓巴斯一邊高喊「飛向宇宙、浩瀚無垠」, 一邊脫離重力的吸引，飛得無影無蹤。......【更多內容請閱讀科學月刊第 598 期】 | science |
常常計算錯誤怎麼辦?那就先來玩遊戲吧! | 前言國中數學教了 30 年，接觸資優教育也有 20 年，發現計算錯誤是學生通病。當前的教學風氣，使老師不願多派數學作業，造成計算能力從國小階段就急速弱化。因應而生的教學作法，以物質獎勵與處罰最常見，但是因為沒有針對計算行為、對症下藥，所以作用不大。其實，在中小學的數學課程中，數字不大，計算過程也不繁複，是否具備珠心算的能力並不是重點。而且，數學精神在於思考而非計算，動腦與推理才是數學教育的真正目的。計算能力的基礎筆者認為以中小學數學而言，100 以內的任意正整數，只要能加減乘除熟練到即刻心算，不必靠筆算，其實就夠了。但是，要怎麼訓練呢？針對基本計算能力的簡易心算訓練，本文提供一種數字遊戲，暫且稱為「1 的遊戲」。言下之意，即任意取四個阿拉伯數字計算成 1, 規則如下: (1) 這四個數字的每一個數字都一定要用一次，而且只能各用一次。(2) 以各種計算方法，例如加、減、乘、除或併數 (將 1、2 併成 12 或 21 等), 讓四個數字拼湊出答案為 1 的等式。實際例子如下: 5539:5×3-5-9=13823:3×8-23=13852:25-3×8=19275:7+5-9-2=19961:(9-9)×6+1=1 等... 遊戲的材料也唾手可得，因為路上車牌都是四位數字，不僅如此，小學三年級以上的讀者，只要學過加減法就可以參與。且隨著年級提升，數學知識更充實後，能變得的花樣更多。......【更多內容請閱讀科學月刊第 598 期】 | science |
從亞馬遜熱帶雨林的大火 探討媒體現象與科學真實 | 近年來，從初夏的 6 月開始，森林火燒新聞常成為世界性的焦點。通常，新聞中的火燒地點都是在北半球溫帶的美國、加拿大、俄國或地中海型氣候的歐洲；當北半球野火季在 10 月結束後，森林火燒的新聞轉為南半球，例如 12 月左右的澳洲。今 (2019) 年 7 月西伯利亞森林大火，3 百萬公頃森林過火，就是一件典型的夏季野火新聞，但到 8 月中旬，卻被大半位處南半球的巴西亞馬遜熱帶雨林火燒取代，加上名流在社群媒體如推特、臉書上的議論，堪稱罕例。每年夏天巴西都會有農民燒墾，為什麼今年特別被關注？未破壞的雨林沒有起火今年 8 月 19 日，火燒的濃煙飄進了南美最大城聖保羅市，蔽日濃煙讓白晝變黃昏，濃煙其實是來自農民引火的農牧場，森林早在幾個月前被砍伐了，並非活生生的綠色雨林。熱鬧的媒體報導與名流議論中，透露了人們關心亞馬遜熱帶雨林的事實，但普遍誤解火燒現象與濫用資料，例如法國總統馬克宏 (Emmanuel Macron) 說世界上 20% 的氧氣由亞馬遜森林提供，亞馬遜熱帶雨林這個「地球之肺」正在燃燒，好似人類即將缺氧。 事實上，亞馬遜森林光合作用產生的氧氣，與呼吸作用消耗的氧氣幾近相等。另外，網路上瘋傳的照片更是張冠李戴，媒體也正模糊誤導雨林正在燃燒的意象，但這些火燒處其實是已成農場或雨林不久前被砍伐的新墾地。依據全球森林觀測 (Global Forest Watch) 的衛星影像數據，估計目前有 20% 亞馬遜熱帶雨林遭到毀林 (deforestation), 也就是說大部分亞馬遜熱帶雨林並沒有起火燃燒，但毀林作業目前並沒有停止。 亞馬遜熱帶雨林五百年來的境遇世界銀行 (World Bank) 的數據顯示，森林佔陸域生態系 30.17%; 若依聯合國生物多樣性公約 (Convention on Biological Diversity, CBD) 的森林分類，熱帶雨林屬於熱帶濕闊葉林或乾闊葉林，分布在南北緯 10 度之間，約佔全球森林面積 13%, 其中南美洲的亞馬遜熱帶雨林最大；而根據世界野生動物基金會 (World Wildlife Foundation, WWF) 的資料指出，亞馬遜熱帶雨林約有 670 百萬公頃，與美國面積差不多大，是當今最重要的森林生態系，其中約 60% 面積在巴西境內。 當葡萄牙人於 1500 年抵達巴西後，亞馬遜熱帶雨林就註定了被毀林的悲慘命運。最初是巴西紅木 (Pau-brasil) 的大量砍伐，後來是橡膠樹 (Para Rubber Tree) 成為掠奪對象，美國福特汽車公司 1934 年廢棄的橡膠城 (Fordlândia), 即是毀林紀錄之一。時至今日，亞馬遜熱帶雨林還要跟全球化貿易的牛肉、大豆、石油氣與礦產競爭生存權，看來這段悲慘命運仍將繼續下去。 森林火不一定是災不論是自然如閃電，或人為如縱火等原因，有森林就可能有火燒。地球政策研究院 (Earth Policy Institute) 統計，全球每年平均有 75~820 百萬公頃森林火燒。人們通常認定所有森林火燒為「森林火災」, 一旦發生必須加以撲滅，是一種負面的災害想法；然而，生態學的研究中早就發現火與森林關係密切，特別是溫帶地區的針葉樹林，像美國的美國黑松 (lodgepolepine)、長葉松 (longleaf pine)、紅杉 (sequoia) 及加拿大的雲杉 (spruce) 都靠自然火幫助更新，如果沒有自然火，還得使用計畫性引火來人為幫助。 而這類的樹種被稱之為「賴火樹種 (fire dependent species)」, 美國國家公園對這類森林甚至執行野火不救政策。臺灣雖處亞熱帶，但分布在中高海拔地區的臺灣二葉松也被認為是賴火樹種，臺中大甲溪上游週期性的有臺灣二葉松林火燒，但火的生態功能從未被思考，一概以森林火災視之處理，造成大量滅火人力、物力的準備與投入。 此外，溫帶針葉樹富含油脂，閃電引發火燒是很正常的現象。而眾所周知的熱帶雨林，是潮濕多雨的闊葉常綠樹，雖然有乾季，也不容易發生自然性的火。但亞馬遜熱帶雨林卻有傳統的墾燒 (slash and burn), 這是一種符合保育原則的農耕方式，熱帶雨林的土壤並不肥沃，原住民通常會在乾季前砍伐一小片森林，乾季來臨時引火，焚燒後的灰分提供土壤養分，適合種植農作物，耕作幾年後，因為土地已再次貧瘠，原住民會放棄這塊農作地，搬移到另一個地點，再墾燒一塊新農作地，形成像遊牧一樣的遊耕。被廢棄的農耕地因為周遭森林種子的進入而有所恢復，也促進了生物多樣性健全。這樣的遊耕在亞馬遜熱帶雨林進行了數千年，是保育與永續生產模式。所以，縱使是沒有自然火的熱帶雨林，在乾季引火墾燒成為傳統，也沒有人會認為是森林火災。 在全球化與經濟開發的商業模式下，農牧礦生產必須大面積砍除森林，以利機械化與長期固定的耕作，最簡單的開發方式是乾季墾燒，但這方式卻不知不覺從傳統的遊耕用火，變成破壞森林生態系的森林火災。在巴西，這樣的開墾方式仍被政府允許，也為民眾接受，甚至認為是既有文化，這才是今天火燒的實況，也是媒體報導與名流討論誤解的地方。經濟發展競賽必然要毀林才有生產的土地，火不過是這種必然性的工具，如果要譴責護林或救火不力，不如思考經濟發展競賽為何主宰著當今社會。 亞馬遜熱帶雨林會消失嗎？世界野生動物基金會曾調查，2001~2012 年間亞馬遜熱帶雨林每年毀林平均約 1.4 百萬公頃，總共約 17.7 百萬公頃已轉作農、牧和礦場，主要分布在巴西、秘魯與波利維亞；依此毀林趨勢，預估到 2030 年亞馬遜熱帶雨林約 25% 會消失。 這種趨勢會不會像媒體與名流所傳播的「亞馬遜熱帶雨林將消失」呢？根據去 (2018) 年發表在 Nature 的一篇研究指出：1982~2016 年間全球森林覆蓋面積增加了 2.24 百萬平方公里，全球裸露地面減少 1.16 百萬平方公里。森林覆蓋面積為何增加？經濟學家提出了所謂 U 型的開發與保育關係論，亦即初期帶來的破壞與汙染會在經濟成長後反轉改善。 2012 年發表在《加拿大農業經濟》(Canadian Agricultural Economics Society) 期刊的一篇研究指出，1972~2003 年間全球 52 個開發中國家人均收入達美金 3100 元時反轉毀林作業為植林恢復，這就是所謂的 U 型的的開發與保育關係。巴西在 2004 年人均收入達美金 3600 元後，毀林面積開始逐年減少，但願這結果為亞馬遜熱帶雨林悲慘命運帶來一絲樂觀希望。 在爭議之後當前巴西的火，雖已投入軍隊協助滅火，但何時才會熄滅？恐怕要等到 11 月的雨季來臨，因為被認可的墾燒季對已開發或正要開發的農耕地來說所剩時間不多，且媒體關注高峰已過，要燒的地還是要儘速燒。而這場森林火燒，應該已創下南半球在夏季世界性森林火燒新聞的紀錄...... | science |
以粒子加速器製造新粒子的真相 | 人類為了發現比原子更小的新粒子，早期大多藉由觀察來自於宇宙射線與大氣層作用後的產物，例如渺子、正電子等；而質量較大的粒子，由於它們容易衰變，生命期短，因此不易觀測。隨著加速器的發明和使用，後續大多利用加速器產生高能量的質子束或電子束。在碰撞的過程中，能量足夠的情況下，透過特定反應產生並觀察新粒子。質量是基本粒子的特性，也是辨認它們最重要的實驗證據，利用加速器所產生撞擊事件產生新粒子，碰撞過程的質心系能量 (center of mass energy) 必須大於新粒子的質量，才能透過質能互換，產出生成全新粒子；因此，在找尋質量更大新粒子的過程中，加速器的能量必須不斷地提升，也由從撞擊固定靶的實驗，轉換成對撞機實驗，達到足夠的質心系能量。J/Ψ 粒子的發現以 1974 年所發現的 J/Ψ 粒子為例，其質量大約 3GeV/c2, 由魅夸克 (Charm quark) 和反魅夸克所構成，因為魅夸克的質量遠高於當時已知的上夸克 (up quark)、下夸克 (down quark) 及奇夸克 (strange quark), 受限於加速器能量的提升，在搜尋上拖延了一段時間，甚至讓物理學家猜測是否夸克只有以上的三種。後續由丁肇中先生所領導的團隊，利用當時美國紐約州布魯克黑文國家實驗室 (Brookhaven National Laboratory, BNL) 剛完成全世界最高能量的加速器──交變梯度同步加速器 (Alternating Gradient Synchrotron, AGS), 將質子束加速到 30GeV, 與固定鈹靶撞擊，此撞擊質心系能量大約為 7.75GeV, 因此得以產生並觀測到質量大約 3.1GeV/c2 的 J/Ψ 粒子；而同一時間，美國加州 SLAC 國家加速器實驗室 (SLAC National Accelerator Laboratory), 透過正負電子湮滅反應，由能量直接生成新粒子，找尋 2.6~8GeV/c2 區間的新粒子，也同樣在 3.1GeV/c2 處發現 J/Ψ 粒子。兩團隊在 1974 年 11 月同步宣布發現，確認第四種夸克的發現，這項科學重要里程碑，在兩年後獲得諾貝爾物理學獎的肯定。新聞報導尚待澄清在最近國內一則新聞報導提及，有研究人員在重氫與重氫核融合的過程中，宣稱觀察到 W 中間子的生成，並可透過此過程取得穩定能量。筆者認為在該報導中有兩點需要進一步被澄清：W 中間子觀測與核融合技術。 W 中間子的觀測能視為實際發現弱交互作用力中 W 中間子的證據。核反應後原子核中不穩定的中子可透過弱交互作用力，轉換成質子成為穩定核結構，稱之為 β 衰變 (圖一)。而 W 中間子正是弱交互作用力的交換粒子，但此處的 W 中間子在理論架構中只是一個虛粒子 (virtual particle), 代表動態量子場中能量和動量的傳遞，該處的質量是變動的而非定值，因此 β 衰變的發生，並不 科學界對於 W 中間子的發現與確認，是源於歐洲核子研究組織 (Organisation Européennepourla Recherche Nucléaire, CERN) 實驗室於 1983 年，在 400GeV 質子和 400GeV 反質子對撞後，所產生質心系能量可高達 800GeV 反應中，觀察到質量大約 80GeV/c2 的 W 玻色子，該研究成果在 1984 年贏得諾貝爾物理學獎，從此 W 粒子的質量測定成為高能物理實驗的量測準確的檢驗方法之一。核融合技術關於核融合反應，事實上是與日常生活息息相關。在太陽內部，每一秒有 60 億公噸的氫核透過連續核融合反應轉換成氦核，其中的質量虧損轉換成能量形式放出，提供地球上的生物與人類生活上不可或缺的光和熱；而太陽內部的核融合反應能夠發生，歸功太陽內部強大的重力場，讓原子核能克服核子間的庫倫斥力，彼此靠近到約 10-15 公尺的距離，讓短距離的核力得以作用 (圖二)。人類為了尋求穩定能量的來源，人造的核融合反應已研究超過 60 年，但是在技術層次上仍面臨重大困難；過去曾嘗試利用加速器或電漿加熱方式，試圖克服核子間的庫倫斥力，以產生核融合反應，但是整個過程中所投入的能量，卻大於核融合反應後所釋放出的能量，無法達到能量的損益平衡，毫無商業運轉的價值。目前位於法國的國際熱核融合實驗反應爐 (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER) 計畫正集合來自全球各地 35 國之力，期望能在 2035 年底前突破此挑戰，讓人造核融合反應成為人類穩定能量的來源。結語科學和相關技術的進展需要長時間、大量人力與物力投入，透過嚴謹討論辯證、量化的測定、可重複的結果逐步累積，絕非一蹴可幾，也因此得以帶來對人類深遠的影響。筆者期待藉此文提供讀者一些科學基本的知識得以用來判斷相關新聞報導的真假，更期盼臺灣社會大眾，能夠有正確眼光和態度，支持科學長期的發展，多充實科學基本知識，避免只感興趣於聳動性的新聞報導。 | science |
小姐別再射了,會賠本R!一起到夜市射氣球 | 夜市遊戲經典場景：射氣球有些人丟標如此精準，可能是天份、也可能比別人多出幾分幸運，然而若能對飛鏢有基礎的認識，掌握姿勢原則之餘勤加練習，其實你也可以成為老闆討厭的那種人 (́・ω・`)。在此之前，我們就先來看看，射飛鏢這個運動究竟是怎麼開始的，以及其設計的發展與巧思吧！在眾多夜市小遊戲裡，射氣球可說是相當經典的活動。不過，由於許多人接觸飛鏢的經驗不多，因此多是鎩羽而歸、上繳一百。作為射氣球攤位的老闆，對於這些射標界的麻瓜自然是相當歡迎，但有時仍會遇到射標好手，不稍幾發的彈量，就能帶走豐厚獎品，也讓射氣球的兌獎規則嚴苛了起來，現在居然還要累計分數才能換到大獎。鏢靶原來是這樣來的關於射飛鏢的起源眾說紛紜，有些人認為這項活動只存在不過千年，也有一種說法是誕生於中世紀的英國，但筆者認為，真要考究起來可能有些困難，畢竟這類與瞄準、投擲有關的遊戲，在人類歷史裡的確可能以不同的形式持續存在著。比較有共識的地方是，現代飛鏢的原型，最早可能始於一群軍人的消遣遊戲。在戰事頻繁的年代裡，軍人在閒暇時刻會將酒桶底部翻起來，並站在壕溝中投擲尖銳物品。這個活動不僅是一種「誰比較勇猛」的競爭，對長官而言，也恰巧是一種作戰的基礎訓練，因此他們也相當鼓勵軍人進行這樣的遊戲。不過，畢竟酒桶底部的面積也不小，在合理的距離範圍內多打幾次，要命中實在不是什麼難事，遊戲規則便是在這個時候發酵的。其後，人們便開始以樹幹的橫切面作為標靶，由於上頭有樹輪作識別，更能考驗擲標者的準確度，也成了現代飛標靶的「初代模組」。差一點就差很多──靶上的數字暗藏玄機無論有沒有打鏢經驗，大家或多或少都知道飛鏢靶 (圖一) 的外型吧？以黑心 (darkbull) 與紅心 (bull) 為中心點，向外輻射出俗稱 triple 的第二圈以及 double 的第三圈，射中這些地方，得分數就會乘以三倍或兩倍。有人可能會問，外圈 1~20 的數字，是否為隨機分布呢？其實這些數字的位置還是有設計意義的喔～根據 Darts501 網站的資料顯示，該系統的開發始祖應為住在英國約克郡的電線製造商威廉巴寇 (ThomasWilliamBuckle)。威廉巴寇於 1913 年發明這種鏢靶，數字如此安排的目的很簡單：打得準可以獲得獎勵，打歪的，就哭哭囉。舉例來說，像是 15~20 這一類偏高的分數，它們的左右兩側都是較小的數字，雖然有些數學家為了優化公平性的問題曾稍做修改，但大抵都不會脫離該原則。不只是一隻飛鏢 頭尾身都很重要對標靶有了概觀後，就要來談談飛鏢本人啦！一般大眾所接觸到的飛鏢，多屬鏢翼 (flight)、鏢桿 (shaft) 一體成型，重量較輕的公標。與專業飛鏢的差別在於，公鏢基本上無法提供重量的回饋，在丟標時的力道掌握相對不容易，飛起來也沒辦法像專業飛鏢一個樣平穩。 因應飛鏢遊戲的規則，通常飛鏢會以三支作一組，購買的時候可根據個人的動作習慣與生理條件，選擇適當的組件。一支完整的飛鏢，包括鏢頭 (tip)、鏢身 (barrel)、鏢桿與鏢翼 (圖二), 其中最重要的就是鏢身，多由黃銅或鎢合金製成。黃銅標屬重心偏前、形體較粗且重量較輕的款式，若手較大或習慣丟拋物線的人，就適合拿這款鏢身；反之，許多高端玩家愛好的鎢合金標，就比較精實、細重，方便瞄準窄區之外，也較不會在命中同一區域時被上面的鏢彈開。 除了鏢身會影響投擲飛鏢的表現，其它鏢具的品質、選擇也有其重要性。像是鏢翼的面積與形狀，就關係著飛鏢飛行的穩定度；通常面積越大的鏢翼所受空氣阻力較大，飛起來也越穩。然而，如果射得夠準，就得擔心打在同一個位置上的飛鏢是否會打架，有些廠商為了避免這樣的問題，便把鏢翼設計成長型，但這會改變飛鏢整體的重心，還不如用小面積的鏢翼，把身手練準一點。有利器，更要有實力：丟鏢啦依據自己的需求選用適當的鏢具後，就可以開始練鏢啦！當然，以射氣球來說，拿公標練習還是最貼近情境的，但仍可先修正丟鏢姿勢，再去習慣其他的鏢。 首先是拿鏢，這個步驟至關重要，如果希望飛鏢在出手的當下盡可能不改變飛行方向，前三指持鏢的地方必須是飛鏢的重心。但，要怎麼知道重心在哪呢？伸出你的食指，把飛鏢打橫放上去，只要飛鏢不會掉下來且兩邊高度一致，手指抵住的那個點就是重心啦！如果是慣用手的玩家，建議站在目標物靠左一點點的地方，因為若站在中心點，手還是得往左擺，丟鏢的姿勢就不夠自然，也不易命中目標。 在飛鏢「出關」前，我們可以先把飛鏢拿到視線高度，整隻手臂伸直，讓眼睛 - 飛鏢 - 目標 (假設是紅心) 呈一直線做瞄準的動作。接著，讓肱骨維持不動，前臂做最後的瞄準動作，往目標物丟過去就可以囉！一定要記得，除了前臂的投擲跟手指放鏢外，身體的其它部位一定要穩住，讓飛鏢投出去的方向受到最小幅度的影響。決定權在老闆身上我們還是玩玩就好回到射氣球的場景，雖說執行起來與射飛鏢大同小異，然而仍有許多不可掌控的因素存在，像是飛鏢的鏢頭是否銳利的足以刺破氣球、氣球擺放的位置是否過低，都需要用不同的策略來因應。下次逛夜市經過射氣球的攤位時，不妨小試身手，看看自己有沒有改變老闆表情的能力吧！╮(╯▽╰)╭延伸閱讀 | science |
古希臘的夢 核子的故事 | 現在讓我們進入 20 世紀，輪到量子力學登場的時代。被稱為量子論之父的德國物理學家普朗克 (Max Planck, 1858~1947) 在 1900 年提出光量子假說，即光的能量只與 其頻率成正比，以解釋物體在固定溫度下的輻射能量分佈。其中的比例常數，就是著名的普朗克常數，是個支配著量 子效應的物理學基本常數。1905 年，愛因斯坦利用普朗克 的光量子概念解釋了光電效應，證明光量子真實存在。光是波動同時也是粒子，這就是所謂的「波粒二象性」。光量子意味著原子釋放的光能量並非連續，波耳 (Niels Bohr, 1885~1962) 在 1913 年基於此理論提出了新的原子 模型。基於拉塞福的太陽系原子模型，波耳規定電子只能在特定軌道上運行，於軌道之間躍遷時才會釋放輻射，而輻射能量則等於軌道之間的能量差。波耳的原子模型能夠解釋各種元素的發射光譜，是比較準確的原子模型。然而，我僅說「比較準確」, 是因為波耳的模型仍然並非原子的正確描述。波粒二象性並非光量子的專利，電子和所有粒子亦同時擁有波動和粒子性質。法國公爵、物理學家德布羅意 (Louis-Victor-Pierre-Raymond, 7e duc de Broglie, 1892~1987) 在 1925 年提出電子也是一 種波動，推導出計算粒子波長的公式，並以此嘗試解釋波耳原子模型的軌道距離。他假設電子軌道的長度必須等於電子波長的整數倍，因此就能解釋為什麼電子只在特定軌道上出現：非整數倍的電子波會發生毀滅性干涉，電子就會「自己抵消掉自己」。而電子的波長則取決於電子的動量：動量越高，波長越短。動量與波長的乘積，就等於普朗克常數。一年後，薛丁格 (Erwin Schrödinger, 1877~1961) 發表 著名的薛丁格方程式，以機率波動變化描述一個物理系統的量子態演化。量子力學在薛丁格方程的描述下稱為波動力學，波動力學把一切物理過程想像成機率波的演化，機率波幅平方就等於該物理過程發生的機率。解開一個原子 的薛丁格方程式，我們會發現電子並非在軌道 (orbit) 上 環繞原子核運行，而是以不同機率出現在原子核周圍不同位置，這個包圍原子核的空間就稱為軌態 (orbital)。因此，原子核並非被一條一條的電子軌道所環繞，而是被一團一團的電子雲所包圍。不過，薛丁格方程式並非描述量子系統的唯一方法。海森堡 (Werner Heisenberg, 1901~1976) 在 1925 ~ 1926 年與玻恩 (Max Born, 1882~1970) 和約當 (Pascual Jordan, 1902~1980) 發展的矩陣力學對應薛丁格的波動力學，兩套理論都能夠得出相同的計算結果。在數學上，這兩套理論是等價的，不同的只是如何哲學地看待量子系統。電子為什麼不會落入原子核之中，也能夠由著名的海森堡測不準原理說明。測不準原理說明，電子的位置誤差與其動量誤差的乘積，必須大於一個定值。換句話說，電子的位置誤差與其動量誤差成反比。如果我們確定電子在哪裡，我們就不確定它此刻的速率；如果我們確定電子的速率，我們就不知道此刻它在哪裡。關於測不準原理，有個經常遇到的誤解需要釐清。測不準原理並不是實驗本身的誤差，與分析數據時必須用到的「系統誤差」和「統計誤差」通通無關。測不準原理是大自然對物理現象的限制，即使我們的科技無限進步，亦不可能超越這個極限。假使電子本身有意識，它也不能同時精確知道自己正在哪裡和跑得多快。而上述提到的那個定值，就是普朗克常數除以兩倍圓周率。......【更多內容請閱讀科學月刊第 573 期】 | science |
我不是藝術家,我看高第 | 安東尼。高第 (Antoni Gaudi, 1852~1926) 是建築界的異數，他的風格及前衛的工法，為巴塞隆納這座城市留下了 7 座世界文化遺產。今年在臺北華山 1914 文創園區展出的「上帝的建築師 — 高第：誕生 165 周年大展」, 從多個面向深入剖析這位曠世奇才，內容令人驚艷。然而，我卻在 2006 年去巴塞隆納時才第一次邂逅高第，當時朋友問我:「你會不會去看那個蓋不完的教堂？」我納悶著:「什麼？」他說:「聖家堂 (the Sagrada Familia) 啊！」我才回神想起這個耳熟能詳的名字，第一次有機會去了解聖家堂的建築師，這次的旅行在心裡留下印記:「我不了解高第，但他的建築令我深深著迷。」第二次的邂逅則在今年的高第展覽，當主辦單位跟我洽詢有沒有機會在展覽的現場規劃一個科普專區、專門演示高第建築裡的幾何秘密時，我心動了。當初在西班牙播下的種子開始發芽，心裡默默的期待，這是接近高第的另一個機會。因為我真的忘不了第一次踏進聖家堂時，舉頭仰望穹頂眼淚卻隨之滑下的感動；爬上米拉之家 (Casa Milà) 的屋頂時，那一群令我莞爾的外星人煙囪......。於是，作為一個完全不懂新歌德主義、現代建築主義的普通人，我純粹從自己感興趣的科學與數學出發，在這篇文章裡談談我眼中的高第。提起高第時，他常被引述的一句話是:「直線屬於人類，曲線屬於上帝。」他的作品中大量使用各種曲線，這些曲線經過科學的實證，轉換到建築的結構中，實現了藝術與科學的完美結合。有時候我們很難描述為什麼看到這些作品會感動，或許正是因為這些元素早已隱含在我們身處的大自然中，經過高第的轉化，讓我們聽懂了神的語言。讓我們看第一種曲線──懸鏈線 (catenary), 顧名思義，懸吊一條鏈子 (繩子) 產生的形狀稱之為懸鏈線。假設這條鏈子的張力處處相等，則可以證明其曲線樣子 是拋物線 (parabola), 可以用 y (x)=ax2+bx+c 這樣 的二次函數來表示。不過，考慮真實狀況，繩子的張力會因為鏈子自身重量的緣故，在底端為最小、愈高的地方愈大，如此一來，它所形成的形狀就不是拋物線，而是懸鏈線，可以用以下雙曲餘弦函數 (hyperbolic cosine) 方程式來表示:y (x)=cosh (x)。所以，拋物線 與懸鏈線其實是指不一樣的曲線。然而在解讀高第的建築時，時常看見這兩個名詞的混用 (有時以「拋物拱」、「懸鏈拱」來呈現), 我猜測原因如下：高第透過兩種主要的方式來設計他的建築物，一種是透過力圖的分析；另一種是利用縮小的模型實證，當他在設計奎爾科隆尼亞小教堂 (Colonia Guell)、特瑞莎學院 (Colegio Teresiano) 等作品時，採用了以下的步驟：先懸吊纜繩任其產生自然的形狀，也就是懸鏈線，然後在相對的位置加上負載，模擬承重時的曲線形狀 (圖一), 取得了真實的曲線形狀 (通常不是完美的拋物線也不是懸鏈線) 後，把曲線向上翻轉，就形成了所謂的「拋物拱」或「懸鏈拱」。虎克 (Robert Hooke) 曾說過:「一條懸著的軟鏈，向上翻轉後的形狀，就成了組成拱的各個小片段。」這句話揭示了懸鏈的概念在建築的重要性。其實，這些線條本身難以用肉眼分辨到 底是拋物線 (圖二 a)、雙曲線 (圖二 b) 還是懸鏈線 (圖 二 c), 唯一可以佐證的恐怕是建築師在設計的時候，所 闡述的理念以及留下的紀錄，這次的展覽裡有非常漂亮的鋼鎖鏈及鋼索鏈拱模型，可以印證高第當時的構思。其實在高第的年代並沒有功能強大的電腦可以進行複雜的計算，然而他卻用各種模型來呈現他想像的建築物，一次次真實的淬鍊後，在聖家堂這個作品中達到顛峰。雙曲面 (hyperboloid), 或稱雙曲面體，這樣的曲線在高第的建築裡被廣泛運用，包括奎爾公園馬車轉彎處的拱頂、聖家堂的修道院窗戶與聖家堂的中殿穹頂等。想像扭轉一個圓柱體會產生的曲面形狀，就是雙曲面，它也可以由一條斜直線旋轉中心線得到，而它的截面形狀可以是圓、橢圓或雙曲線等。 ......【更多內容請閱讀科學月刊第 573 期】 | science |
科技部的「科技大觀園」,在知識產業時代的能扮演什麼角色? | 歷經近十載的科技大觀園，在學術科教圈與新創媒體界等，陸續招致對其營運與內容的批判建議。因應科技基本法修法後的科發基金千分之五由科技部統籌運用的科普預算保障，更引發科學社群對科技大觀園改善的急切建言。筆者因近年陸續有機會在「科技大觀園」、「 研之有物」、「 科學月刊」、「泛科學」等科學內容媒體上發表撰文或協助採訪，故就個人經驗，以作者、內容產製者為出發點，提出科技大觀園未來營運方向之建議。「請編輯老師協助刪減是我要求的，且主要係刪減部分較深奧的科學名詞與理論為主，因為若有太多的科學名詞與理論，就不算是科普文章，普羅大眾是看不懂的。」— 節錄自科技部予筆者部分書信往來內容。2016 年間，筆者曾有機會協助科技大觀園採訪撰寫我國傑出的科研產學合作成果。採訪過程獲益匪淺，對於民間獨立撰稿者來說，是相當理想且能得到支持的合作方式。撰稿期間，科技部亦轉述有「編輯老師」對文章給予意見、執行刪修。雖曾多次提出希望能與編輯老師直接意見交流，但直至文章刊出，筆者仍無從知曉編輯的身分，也未有與編輯直接交流的機會。且文章在編修過程中，「被刪減的是哪些段落」與「刪減原因」在筆者主動要求前皆未被主動告知或徵詢意見。相較起其他科普媒體的刊載過程，文章刪修亦是常態。編輯所給予的修訂意見、交流討論、亦師亦友的信賴關係，也是作者們持續投入科普內容產製的熱忱來源。因此，對於仍會持續產製內容的科技大觀園來說，應優先建立作者與編輯直接協作機制；強化具有科普編輯及經營社群的人力。以解決過去作者與科技部之間，因對文章內容、形式、稿費或轉載制度等認知相岐或意見轉述失真所產生的摩擦或誤會。過去數年來，政府將科技大觀園定位成一整合科普資源的平台。然而，科技大觀園並未對「科普」的定義，與目標受眾的定位，有更宏觀彈性的策略。以筆者過去協助科技大觀園採訪中興大學曾志正教授的烏龍茶學理與製程研究為例，在文章編修過程中，關於涉及科學名詞與理論的部分，被以「不算是科普文章，普羅大眾是看不懂的」為由刪減。受限於「普羅大眾」的科學普及，是囿於既有教育制度，教師之於學生的知識傳授框架。更受制於公務機關，常被迫有 「公家資源需照顧人數最大化」的關鍵績效指標 (KPI) 迷思。理想的科普策略，應有分眾、分流的目標受眾與內容設定。無論背景與教育程度，都可以是科學普及的目標受眾。就作者而言，文章的受眾定位須同時考量作者特質；寫作內容的知識特性；與文章預期達到的目標效益。相較起文章完成後被片面刪減具較深科學內涵的部分以降低閱讀門檻，能讓作者與編輯或科技部共同討論文章受眾定位，才能最大化發揮每一位作者的專長。因此，建立更宏觀彈性的目標受眾定位策略，才能使科技大觀園呈現更為豐富寬廣的內容樣貌。三、網站介面不利於理解或引發興趣科普工作的重點，在於協助讀者理解科學內容與激發興趣。然而，科技大觀園雖然於 2017 年初經歷網站改版，但與眾多知識內容網站相比，其介面設計仍相當不利於協助讀者理解內容或引發興趣。以筆者分別在「科技大觀園」、「研之有物」、「泛科學」上所發表的文章為例，科技大觀園僅能容許在每一篇文章之始放置五張圖片。文章內文中，無法嵌入圖片、動畫、影片與公式。而研之有物的美編能協助將科學學理繪製為圖片，穿插於文章中，提升讀者對內容的理解。泛科學的編輯亦能活用具吸引力的圖片，並將文字內容以圖文形式呈現，提升讀者對議題的興趣與關注動力。在各類網站工具與介面應用蓬勃發展的今日，科技大觀園的網站設計顯得不合時宜，並阻礙了科普文章協助讀者理解與引發人們興趣的重大任務。長期以來，政府所經營的網站內容，常常有因為政策改變、民意關切或爭議議題，而將網站內容刪除或下架。以筆者曾協助科技大觀園介紹宜蘭大學陳裕文教授的蜂蜜造假摻偽檢驗技術研發為例。文章刊出後，科技部接獲未引進此技術的「臺灣養蜂協會」來函抗議。雖過程中，筆者有被告知可針對抗議文提供資料與回應，但最終仍因抗議壓力之故，在未告知作者的狀況下將文章下架。就此事件，雖然能理解在這類與政治權力結構有關事件中，政府業務部門與學術單位常處於弱勢被動的地位。也願意相信此次事件，應為偶發之個案而非常態。但仍期冀科技部能扛住外界壓力，讓科普文章的刊載如學術研究般，能接受實質內容的檢驗，但自由不容損害。筆者也想藉此提出一個假設性問題，今日我國在張景森政務委員的推動下，又要開啟對深層海水產業的開發。然而，相關法規與產業對深層海水的定義，完全不符合主流地科學界的研究成果。倘若有科學家以地科研究資料抨擊我國深層海水政策時，科技大觀園能如「科學月刊」、「泛科學」等媒體，不畏阻力呈現科學社群的觀點嗎？科技大觀園如多數的政府部門網站或社群網站，其內容過於被動地被使用者接收。中山大學顏聖紘老師認為，現況是只有學習動機良好的人才會進入科技大觀園，並透過合適的搜尋方式找到資訊。慈濟大學葉綠舒老師也認為，現今科技大觀園編輯制度不利於具時效性科學新知的發布，並會很現實地影響到點閱率與作者發文意願。筆者利用 SimilarWeb 比對科技大觀園、研之有物、泛科學與食力 4 個知識內容型網站，使用者進入這些網站的方式。分析結果顯示，科技大觀園的使用者，有 70% 來自於關鍵字的搜尋，其他三個網站，則有相當大比例的使用者來自社群網路。顯見科技大觀園，以服務有充足學習動機使用者為主，於知識推廣上的主動程度仍嫌不足。綜上所述，今日的科技大觀園猶如一座藏文數千的科普圖書館。累積著我國政府與眾多科學人的心血。但未能與時俱進的過時資訊載體與政府體制的限制，致使科技大觀園難以充分發揮其科普之任務，也與諸多知識媒體相比顯得格格不入。若能導入更緊密的作者編輯關係；更彈性開放的目標受眾策略；更適宜閱讀理解並引發興趣的網站介面；更自由無畏的資訊開放、議題評論；以及更主動地推廣文章，並積極接觸與培養科學社群，將能使科技大觀園不僅只有如圖書館般地資料庫樣貌，更能為科普工作者提供支持，為我國科學素養提升的工作注入活力。期盼此次科技基本法的科普入法，能成為科技大觀園的進化契機。而科普經費的保障，更能促成公私協力，成為知識經濟產業發展的基石。十載赫赫大觀園，笙簫悠揚，鑼鼓堂皇。要以什麼樣的面貌迎向知識時代的下一個 10 年，仍待科技部的改革企圖與科學社群的齊心協作。 | science |
披著狼皮的羊,固態系統中的電子-尋找馬約拉納費米子 | 前些時日，以加州大學洛杉磯分校 (University of California, Los Angeles, UCLA) 王康隆教授為首的國際團隊在 Science 雜誌上發表了一篇與馬約拉納費米子 (Majorana Fermion) 相關的文章。頓時各大媒體爭相報導，各類新聞鋪天蓋地而來，彷彿物理界產生了歷史性的大發現，又開啟了一個新時代。更甚者有報導提及，諾貝爾物理獎得主楊振寧教授斷言，這必獲「諾貝爾獎」, 或「結束物理界對這神秘粒子長達 80 年追尋」等言論。雖然能讓大眾注意到物理圈內發生的事情讓人感到高興 (畢竟多數人在國高中被物理荼毒太久了，已對它退避三舍), 但這類被放大的標題還是有必要請大家靜下心來冷靜看待，畢竟物理還是相對嚴謹，自然是最終的答案。為了能更客觀地看待這次在 Science 上的工作，在之後的段落中，筆者將概略介紹什麼是馬約拉納費米子，之後介紹固態系統中電子的特性，最後回到 Science 上的工作。筆者欲強調，為了盡可能讓各領域、各年齡層的讀者了解這次的發現，之後的介紹將忽略所有實驗與物理細節，以概念簡介為主，因此嚴謹方面難免無法兩全兼顧，有興趣想更深入了解的讀者們，可閱讀其他專業性文章。1928 年，物理學家狄拉克 (Paul Dirac) 建立了狄拉克方程式，成功整合了量子力學與狹義相對論，至此，自旋 1/2 費米子 (Fermion) 的行為都能以這條方程式來描述，例如大家熟悉的電子。狄拉克方程另一偉大之處在於預測了反粒子的存在，一個典型的例子是正電子，無論質量或自旋都與電子相同，卻帶有相反的電荷。1937 年，義大利物理學家馬約拉納 (Ettore Majorana) 發現狄拉克方程式可以用其他形式改寫，此方程式 (馬約拉納方程式) 給出了一個完全異於狄拉克方程式的解。馬約拉納方程預言了一種全新的粒子，它的粒子本身即為自身的反粒子，稱為馬約拉納費米子 (Majorana Fermion)。之後的 80 年間，一部分的高能物理學家一直嘗試著尋找這種奇異的基本粒子。這期間雖然出現幾位呼聲很高的候選人，例如微中子 (Neutrino), 但一直沒有觀測到決定性的證據。除了高能物理，回到較為實際的層面，與我們生活息息相關的不外乎各種材料 (固態系統), 例如半導體、金屬等。而構成材料本身即為電子、質子與中子。電子在其中扮演著至關重要的角色，無論電流傳輸，化學鍵結等行為都與電子脫不了關係。我們可以回到一個有趣的問題，為什麼電子如此簡單的基本粒子卻可以讓材料表現出如此多采多姿的特性？確實，如果電子存在完全真空中，那它的行為很簡單，容易預測。但真實材料中不只具有電子，還有材料內各種原子排 列所形成的晶格 (lattice), 當電子與晶格發生交互作用時，就會產生很多令人意想不到的結果。如果把真空中的電子比喻為在平地行走的人，那材料中的晶格就像是在地形上加上各種變化。例如當晶格效應像高山深谷一般，電子的移動就會受到阻礙而變慢，如果忽略晶格環境只看電子本身，好像電子「變重了」。反之如果晶格效應像一個瀑布，在上面移動的電子就能以超乎尋常的速度來傳輸電流，彷彿我們的電子元件不是在傳遞電子，而是傳遞某種超速粒子。由前述例子可以發現，同樣都是電子，但這些在固態系統中的電子所呈現出的物理性質可以異於一般的自由電子，它們就像是披著狼皮 (環境下的電子) 的羊 (電子), 好似我們找到了電子之外的某種新基本粒子 [註一]。UCLA 團隊在 Science 上的工作電子在材料中運動時，因與晶格產生交互作用，使得電子所表現出的整體行為完全異於真空中的自由電子。在量測其物理特性時，好似我們在觀察新粒子，不像是在量測電子。因此一部分的凝態物理學家就運用此特性，藉由晶格效應所提供額外自由度所產生的準粒子，嘗試在固態系統中實現高能物理中尚未找到的基本粒子 [註二]。其中最著名的例子就是石墨烯 (graphene) 中的無質量狄拉克費米子 (massless Dirac Fermion) 與鉭化砷 (TaAs) 中的外爾費米子 (Weyl Fermion)。而這次 UCLA 為首的國際團隊即是運用這種準粒子的觀念，嘗試在固態系統中實現馬約拉納費米子。尋找馬約拉納費米子不只在高能物理，甚至在凝態物理中都是一項重要的工作，它不但能幫助我們了解宇宙中的基本物理，更有機會提供未來在科技上的實際應用。例如馬約拉納費米子有機會用於穩定量子位元 (quantum qubit), 藉以實現量子計算與量子電腦。固態中馬約拉納費米子的實驗觀測證據奠基在零偏壓電導峰 (zero bias conductance peak)[註三]、半整數量子化電導 (half-integer quantized conductance) 以及最重要的非阿貝爾統計 (non-abelian statistics)[註四] 特性。UCLA 團隊並不是第一個嘗試測量固態中馬約拉納費米子的實驗組，在此之前已有許多實驗團隊在不同系統中觀察到零偏壓電導峰的訊號，但因造成零偏壓電導峰的原因很多，單一證據並不能完全證實發現馬約拉納費米子。UCLA 團隊最重要的貢獻在於他們是世界上第一個在超導體∕反常量子霍爾絕緣體 (一種可能具有馬約拉納費米子的候選材料) 異質結構中觀測到半整數量子化電導訊號，且實驗結果與史丹佛大學張首晟教授團隊 (Science 的共同作者) 先前的理論預測相符。前面有提過一般電子都有正反兩種粒子，但馬約拉納費米子本身就是自身的反粒子，因此等效來說馬約拉納費米子可以想像成「半個電子」。一個電子的量子化電導為 e 的 2 次方 /h, 同理，半整數量子化電導 e 的 2 次方 / 2h 則為觀測馬約拉納費米子的重要實驗證據。在排除各種誤差與雜訊後，因其他物理效應皆不易產生半整數量子化電導，因此這次的實驗證據比零偏壓電導峰更具有信服力，替證實馬約拉納費米子又邁進了一大步。至此，物理學家們已經驗證了固態中馬約拉納費米子的兩個特性 (零偏壓電導峰與半整數量子電導), 之後如能證實系統中的準粒子遵守非阿貝爾統計，將成為證實馬約拉納費米子的重要證據。[註一] 固態系統中的粒子依然是電子，並不是真正的高能基本粒子或新粒子，但當電子與材料晶格交互作用後所產生的整體行為卻表現出類似新粒子的特性，專業術語為準粒子 (quasi-particle)。物理學家可以藉由研究準粒子的特性來模擬真實高能基本粒子的物理性質或開發新材料。[註二] 之後所提及的粒子都是指準粒子，不是真正的基本粒子。[註三] 零偏壓電導峰：測量外加偏壓對 dI/dV (I = 電流，V = 電壓) 的關係，可在偏壓等於零的位置測量到一個明顯的 dI/dV 峰值。[註四] 非阿貝爾統計：不滿足交換率 A×B≠B×A。兩個費米子 (例如電子) 交換波函數 (wavefunction) 會差一個負號，而兩任意子 (anyon) 交換波函數會差一個相位，又馬約拉納費米子為一種任意子，因此可以預期它的統計行為會和電子截然不同。感謝鍾佳民博士、曾郁欽博士以及蘇書玄博士的討論與意見。延伸閱讀 Qing Lin He et al., Chiral Majorana fermion modes in a quantum anomalous Hall insulator-superconductor structure, Science, Vol. 357: 294-299, 2017.Alexei Kitaev, Unpaired Majorana fermions in quantum wires, Phys.-Usp, Vol. 44: 131, 2001.Xiao-Liang Qi, Taylor L. Hughes and Shou-Cheng Zhang, Chiral topological superconductor from the quantum Hall state, Phys. Rev. B, Vol. 82, 184516, 2010. | science |
校園心理健康計畫 | 近期發表於《哈佛精神病學期刊》(Harvard Review of Psychiatry), 由麻薩諸塞州醫學大學 (Massachusetts General Hospital and colleagues) 墨菲博士 (J. Michael Murphy) 所主導的校園心理健康計劃，能夠觸及到更多的孩童，有效提升其心理衛生和相關外顯行為的管理。此計畫以校園為單位，進行心理衛生干預措施，目的是孩童心理健康的初級預防，也有一些課程 針對高危險精神疾病傾向的學生，還有些 課程教育的對象是校園裡的教師及家長。 這項研究指出，立基於校園的計畫能夠因應多元文化和因材施教 (干預措施會因重點、方法和目標而異), 間接幫助學員的情緒及行為管理，還有學業成績的改善。目前全球約有 13% 的兒童和青少年患有焦慮、破壞性行為障礙、注意力缺陷、過動症和抑鬱等重大精神問題，如果不進行治療，這些疾病往往持續影響到個體邁入成年，並對其生活及許多方面有長遠的影響。J. Michael Murphy et al., Scope, Scale, and Dose of the World’s Largest School-Based Mental Health Programs. Harvard Review of Psychiatry, 2017 | science |
聖經裡的迦南人流落何處 | 基因研究可以擴大我們對已知歷史的理解範圍，近期，威康信託基金會桑格研究所 (Wellcome Trust Sanger Institute) 的科學家發現黎巴嫩人身上帶有已消失民族的血統──聖經中所記載的迦南人。一般史書對他們的記載並不多，考古學家也認為他們早就已經滅絕。研究團隊在黎巴嫩的賽達 (sidon) 挖掘出 5 具約 4000 年前迦南人的骨骸，幸運的是遺骸上 的 DNA 沒有受潮熱的氣候影響而變質、消失。在 DNA 分析後，研究人員發現今日多數黎巴 嫩人身上皆帶有相同的基因，約 90% 黎巴嫩人的 DNA 來自於迦南人，另外一小部分 DNA 來自歐洲各地移民的祖先，團隊推測是由於 2200~3800 年前的領土擴張所促成融合的現象。同時團隊也發現，迦南人本身即是混血民族，在距今約 5000 年前的新石器時代，當地人與東方來的移民相互通婚而孕育出的民族。歷代史學家們長期爭論他們的血緣、他們 的遭遇、他們的祖先和他們是否繁衍至 今，這是第一次有了科學證據可以證明迦 南人的 DNA 延續到今日。Marc Haber et al., Continuity and admixture in the last five millennia of Levantine history from ancient Canaanite and present-day Lebanese genome sequences. American Journal of Human Genetics, 2017. | science |
當你憂鬱時你的照片也會跟著變藍 | 最新的研究發現，當你感到憂鬱時，你所拍得的照片也會變得更灰、更暗，甚至看不見臉。 來自佛特蒙大學 (University of Vermont) 及哈佛大學 (Harvard University) 共同合作的研究團隊，徵詢 166 名志願者分享照片在 Instagram, 同時回報當時的心理狀況。實驗室分析這些照片，發現擁有健康心理素質的人多使用光亮多 彩且俐落的濾鏡，像是擁有西班牙豔陽的晴天風格的瓦倫西亞 (Valencia) 濾鏡；相反的，憂鬱的人則多使用黯淡灰階且模糊的濾鏡，如使用墨水 (Inkwell) 的照片多呈現灰階。人工智慧也能預測即將到來的嘆息，你可以想像走進醫院，掛完號坐在電腦前，按一個按鍵讓演算法透過這些加密過的數位足跡，讓人工智慧能夠知道你潛在的情緒，尤其在心理疾病治療的適用上，未來期望能幫助精神疾病的患者即早發現、即早治療。當然，人工智慧的介入也會產生道德及隱私上的疑慮。不過佛特蒙大學數學系丹佛 (Chris Danforth) 教授表示，這是一個嶄新的概念，能幫助病人避免誤診，也能利用人工智慧舒緩醫療人員人手不足的壓力。Andrew G Reece, Christopher M Danforth., Instagram photos reveal predictive markers of depression. EPJ Data Science, 2017. | science |
長期在無氧狀態下生存的方法 | 呼吸作用，是生物體細胞把有機物氧化分 解並轉化成能量的化學過程，而呼吸作用可以利用是否有氧氣參與，分為有氧、無氧呼吸。人類和大多數脊椎生物在無氧的環境下，幾分鐘內便會缺氧死亡。而近期，由英國利物浦大學 (University of Liverpool) 的研究團隊發現金魚與鯽魚在冬天冷凍的湖泊下能存活的方法。研究發現，金魚與鯽魚在沒有氧氣的湖泊中，能將無氧呼吸的所生成的乳酸轉化為乙醇，並將乙醇擴散到周圍的水中，以避免乳酸堆積在體內。進一步進行遺傳分析發現，此兩物種在 800 萬年前有發生全基因組複製事件，其中一組蛋白質與其他物種相似，而另一組蛋白質則能夠在無氧的狀態下被活化，並且能代謝為乙醇並排出粒腺體外。研究人員表示在長年被冰覆蓋的湖泊或池塘中的金魚或鯽魚，體內的酒精濃度可高達每 100 毫升的血液中超過 50 毫克。此項變異也讓牠們能在這些惡劣的環境下存活，以避免其他物種的競爭或獵捕。Cathrine E. Fagernes et al., Extreme anoxia tolerance in crucian carp and goldfish through neofunctionalization of duplicated genes creating a new ethanol-producing pyruvate decarboxylase pathway. Scientific Reports, 2017. | science |
利用基因編輯技術預防遺傳性疾病 | 肥厚性心肌病 (Hypertrophic cardiomyopathy, HCM) 是一種先天性遺傳疾病，因心肌細胞異常肥大，使得心室產生阻塞現象，而導致猝死。造成此疾病的主因為 MYBPC3 基因產生突變，而帶有此突變的患者會也 50% 的機率遺傳給後代。因此，由美國索爾克研究所 (Salk Institute) 嘗試利用 CRISPR-Cas9 基因編輯技術來修復此基因的突變。研究人員從患有肥厚性心肌病的男性皮 膚上誘導出多功能幹細胞，並利用 Cas9 酵素切掉突變基因，並修復成不帶有突變基因的 DNA。再利用體外人工受精 (In Vitro fertilization, IVF) 將修復後的基因與帶有突變基因的精子一同打入卵子中，發現胚胎會優先使用健康的基因來修復突變基因。雖然這項研究測試了 58 個受精卵，其中有 42 次成功的將突變基因進行修復，不過此研究因涉及道德爭議，所以每個受精卵只觀察 5 天就將實驗終止。研究人員也表示目前只是初步的結果，未來還是需要更多研究來評估其效用與安全性。Hong Ma et al., Correction of a pathogenic gene mutation in human embryos. Nature, 2017. | science |
暴露在三氯卡班的環境中會影響小鼠體內的脂質代謝 | 氯卡班 (triclocarban, TCC), 是一種現今常添加在肥皂、洗衣粉或消毒劑等清潔用品內，具有抗菌的功效。然而，在現今大量使用之下，使廢水汙染物中含有高濃度的三氯卡班。在勞倫斯利佛摩國家實驗室 (Lawrence Livermore National Laboratory) 的最新研究發現，暴露在環境中的三氯卡班會在母體懷孕期間轉移給後代，並干擾脂質代謝。研究人員利用碳–14 來追蹤三氯卡班在雌性小鼠與後代體內的分布，並利用加速器質譜法 (Accelerator Mass Spectrometry, AMS) 量化其體內的濃度。研究發現，除了會藉由母體轉移給後代外，研究人員也發現相較於對照組的後代，暴露在三氯卡班的後代，雌性小鼠的體重會增加 11%, 雄性則上升 8.5%。透過定量即時聚合酶鏈鎖反應 (qPCR) 進一步發現，由於與脂質代謝相關的基因產生了改變，使得體內的脂肪含量與肝臟中的三酸甘油脂皆明顯增加。除此之外，在後代的大腦、心臟與脂肪中皆能檢測到較高濃度的三氯卡班相關化合物。研究人員表示這項研究的發現，可能代表著人類也暴露在這些潛在的風險之中並影響後代的發育。Heather A. Enright et al., Maternal exposure to an environmentally relevant dose of triclocarban results in perinatal exposure and potential alterations in offspring development in the mouse model. PLOS ONE, 2017. | science |
附著在皮膚上的微晶片能治癒受損組織或器官 | 近年來，科學家嘗試利用特定基因誘導體細胞轉變成胚胎幹細胞，再分化出具功能的幹細胞，期望能培養出患者自身的組織或器官，以避免自體免疫攻擊。而最近，由俄亥俄州立大學維克納醫學中心 (Ohio State University Wexner Medical Center) 所開發出的一種非侵入技術，稱作組織奈米轉染技術 (Tissue Nanotransfection, TNT), 是利用晶片附著在皮膚表面，再 將遺傳密碼注入皮膚細胞中，使皮膚細胞轉化成其他類型的細胞，能快速地修復患者體內受傷的部分。研究人員將原本缺乏血液流動、嚴重受損的小鼠腿部，利用此技術轉化出血管細胞，在治療的一星期內，腿部開始生成出新的血管，第二周則完全痊癒。另外，研究團隊也嘗試讓皮膚細胞轉化出神經細胞，成功治癒小鼠的大腦損傷。目前這項技術在小鼠與豬身上都有良好的 治療效果，研究團隊也積極申請人體臨床試驗，期望未來能應用在組織受損、神經退化等疾病。Daniel Gallego-Perez et al., Topical tissue nanotransfection mediates non-viral stroma reprogramming and rescue. Nature Nanotechnology, 2017. | science |
重金屬音樂中的身體狀態 | 重金屬音樂主要發跡於 60 年代末 70 年 代初的美國與英國，其音樂特色包含破音的吉他、超長吉他獨奏、密集快速的鼓點，最具特色的是主唱多變的特殊唱腔，這樣的音樂型態在舞台上顯現出極度力量。大部分的重金屬樂團多身著黑色衣服，長頭髮，隨著音樂的節奏快速甩頭，樂迷也會穿著黑色衣服，隨著音樂整齊甩 頭，甚至到情緒激動處會推擠衝撞。Metallica 樂團的貝斯手紐斯特德 (Jason Newsted) 以在彈奏時頭部畫圓甩頭聞名，而在 2001 年因為「身體物理傷害」為理由而離開樂團；而 Evanescence 的吉他手巴爾薩莫 (Terry Balsamo) 也在 2005 年被醫師診斷出因甩頭導致的腦部中風；著名金屬樂團 Slayer 的主唱阿拉亞 (Tom Araya) 也在 2010 年表示為治療長期甩頭導致的脊椎創傷，將不在於舞台上表演極具個人風格的甩頭動作。根據 2008 年 BMJ 期刊的一項報告表示，經常有重金屬樂團的團員、觀眾表示在甩 頭後經常暈眩，為輕度創傷性腦損傷的可能症狀。甩頭有許多不同的方式，如上下擺動、畫圓、全身擺動或是側身擺動。研究團隊參加了幾場觀眾會甩頭的重金屬、 硬核搖滾 (hard rock) 樂團演出，研究團隊發現最常見的甩頭方式是上下甩動。他們回到研究室進行生物力學模擬，結果顯示，就頭部甩動範圍而言，若頭部運動範圍超過 75 度，就會有明顯輕度創傷性腦損傷的危險；而就音樂速度而言，頭部甩動速度超過每分鐘 146 下，則會造成頸部損傷。研究團隊還建議演唱會主辦單位能夠在表演前宣導安全頸部運動範圍，另外也建議觀眾可以自行準備頸部支架以限制頭部運動範圍。在演唱會上，金屬樂團主唱總是需要長時間的吼叫，萬變且長時間的吼叫卻不會傷害喉嚨，引起科學家的興趣。舊金山太平洋語音與演說基金會、專長為聲帶損傷研究的依斯得伯思基 (Krzysztof Izdebski) 博士針對此現象進行研究，他利用高速照相機記錄重金屬樂團主唱的喉嚨，重金屬樂團主唱唱歌內容主要是以咆嘯為主，而在咆嘯的時候其聲帶碰撞的次數比說話的次數少上許多。依斯得伯思基表示，這種喉嚨運作的模式就像是小嬰兒在哭鬧尖叫時喉嚨的聲帶運動狀態。在心理學方面，流行文化領域有許多可用 的資源幫助科學家解決問題，而重金屬音樂也不例外。而在許多重金屬音樂中，許多歌詞與謀殺、死亡、自殺相關，甚至有些特殊心理案例與重金屬音樂有直接的關係。雖說如此，重金屬音樂對有一群人來說不僅是一種音樂類型，而是一種信仰、一種寄託。 | science |
維持生物體內平衡的微小力量 | 要維持生物體穩定的運作，微量元素與各種維生素扮演著不可或缺的角色。若微量元素或維生素在體內失衡時，可能就會對生物體帶來危害。維生素 K (vitamin K), 為疏水性，是人體中的維生素之一，主要功能為幫助血液的凝固，促進傷口癒合。而當年維生素 K 的發現，與佛萊明 (Alexander Fleming) 陰錯陽差之下發現青黴素一樣，得由一次的膽固醇實驗說起。1930 年代，丹麥的科學家達姆 (Henrik Dam) 想研究飼料中的膽固醇對於飼養雞隻的影響，因此將實驗組餵食無膽固醇與脂肪的飼料。在餵食幾星期之後，達姆發現這些被餵食無膽固醇與脂肪飼料的雞隻開始有出血的情形，縱使爾後再餵食含膽固醇與脂肪的飼料也無法改善出血情況。觀察到這個現象，達姆提出可能有某些化合物一起被膽固醇提煉出的假設，因而造成出血的情況，他將此發現發表在德文期刊，並將此化合物用德文命名為 Koagulations vitamin (凝血維生素)。後來，由聖路易斯大學 (Saint Louis University) 的多伊西 (Edward A. Doisy) 持續對此化合物進行分析，並於 1939 年以維生素 K 之名發表相關論文，發現其結構及化學特性，並於 1943 年與達姆一同獲得諾貝爾生理醫學獎。至今，人們已能夠化學合成出維生素 K 並知曉其完整功能，對於脂肪吸收較差或腸道受損的人則容易缺乏維生素 K。而維生素 K 主要可從多種綠色蔬菜內攝取，像是菠菜、花椰菜等，而近期在美國塔夫茲大學 (Tufts University) 的研究也發現除了綠色蔬菜外，在牛奶、乳酪 等乳製品中也富含可觀的維生素 K。而現今，拜科學與生物技術的進步所賜，除了各方科學家對生物體內的微量元素與維生素的發現與研究外，也發展出富含各種維生素的作物。為了預防世界人口持續 的攀升而造成某些地區人們營養不良的情況，今年 8 月由蘇黎世聯邦理工學院 (ETH Zurich) 研發出同時含有能產生維生素 A 的 β - 胡蘿蔔素 (βcarotene)、鐵 (Fe) 與鋅 (Zn) 的多種營養素的稻米，期望能改善營養素缺乏的問題。從現今往回看過去的軌跡，當年科學家們各種偶然的發現，對於當代生理、醫療與生物技術等發展都帶來不可忽視的影響。延伸閱讀 1. Dam H., The antihemorrhagic vitamin of the chick.: Occurrence and chemical nature. Nature, 1935.2. Xueyan Fu et al., Multiple Vitamin K Forms Exist in Dairy Foods. Current Developments in Nutrition, 2017.3. Simrat Pal Singh, Wilhelm Gruissem and Navreet K. Bhullar. Single genetic locus improvement of iron, zinc and β-carotene content in rice grains. Scientific Reports, 2017. | science |
經濟與環保的互利共生—藍色經濟 | 「藍色經濟 (Blue Economy)」 是臺灣近年熱門話題，但是藍色經濟又分兩種，一種是指「海洋經濟」, 另一種是指鮑利 (Gunter Pauli) 所倡導的藍色經濟 (或藍色革命)。臺灣四面環海，過去對海洋相當陌生，少開發海洋資源、推展海洋生產活動。如今，積極開發海洋經濟與推展海洋教育，親海成為重點，因為海洋是藍色的，所以稱為藍色經濟。而鮑利倡導的藍色經濟，從兼顧環保、經濟，創新發展一種「循環經濟模式」, 強調地球上根本沒有所謂完全無用的廢棄物，換言之，一個環節的廢物將可串接成為另一個環節的養分、原料或能源來源，如此生生不息地循環利用，讓地球依舊是藍色的、天空仍然是藍色的、海洋依然是藍色的，所以稱為「藍色經濟」。本文重點在闡述鮑利發展藍色經濟的始末，以及說明藍色經濟師法自然愛地球，講求零浪費、零排放的環保發展。鮑利是一名經濟學家、企業家與環保學者，1956 年在比利時出生；1983 年與施振榮、林懷民等人士同時獲選為第一屆「世界十大傑出青年」, 是這屆得獎名單中最年輕的當選人，年僅 27 歲；1994 年 (38 歲) 獲選為 第一屆世界經濟論壇選的未來國際領袖之一，同年創辦「零排放研究與行動基金會 (ZERI)」, 開始全心投入研擬環保、創新的藍色經濟模式，思考如何讓人類社會與自然生態都能永續發展下去。這幾年來，他更經常應國內民間單位和政府單位邀請，來臺演講暢談創新趨勢、環境永續與創新商業、綠建築趨勢、零碳實踐等主題。藍色經濟之所以吸引眾人目光，是 21 世紀低碳、節能領域的經濟發展，又兼具超越環保新思維，符合世界各國尋求取用大自然裡可用資源，以解決目前經濟與環境挑戰的可行方案，從中創造出更多商機。它從環境保育與永續觀點出發，運用物理學的「能量不滅」基礎規劃地球資源使用，使地球能不留下任何廢料或造成能源耗損，在有限資源下創造更優質的社會佳境，以取得地球生態零廢棄的環境平衡，永續利用與零排放目標，除了解決資源匱乏之餘，又能兼顧達到愛地球的商業創新。換言之，它兼顧環保與經濟，強調「重視保育」、談「再生」、「 零排放」、「 資源永續」等環境議題，同時兼顧經濟發展，期許在未來 10 年，發展出 100 種商業創新，創造出 1 億個工作機會。在藍色經濟發展之前，全球發展倚重「綠色經濟」。依據鮑利說法，綠色經濟採用「生物學」為基礎，以市場導向為主，發展傳統產業經濟，充滿善意，然而企業卻得投資更多，消費者也花費更多，成效不如預期。我們看到許多國家為了追求經濟發展，往往先犧牲環境生態；然而，隨著高度經濟發展後，當地開始重環境保育，卻減弱經濟發展力道，使得經濟發展與環境保育在互相拉扯或牽制。而藍色經濟不僅重保育，也談再生，跟大自然學創意，發掘成長妙方，以有限資源創造更多，頓時成為世界產業趨勢，努力開創能兼顧經濟和環保雙贏發展，讓人類和地球都可以繼續永續發展下去。......【更多內容請閱讀科學月刊第 574 期】 | science |
野生動物觀察趣—紅外線自動相機 | 在臺灣，近 20 年來廣泛運用紅外線自動相機於野生動物資源調查或科學研究，是一種針對中大型哺乳動物或地棲性鳥類功效尤其顯著的生態調查工具，例如屏東科技大學的姜博仁博士研究團隊在 2001~2004 年間為了調查雲豹蹤跡，長時間於臺灣南部大武山區架設 10~20 台的底片型紅外線自動相機，雖然最終結論未能順利確認雲豹族群是否仍安然存在，但其成果記錄到如臺灣黑熊、臺灣野山羊、食蟹獴等許多珍貴稀有野生動物，著實讓人驚豔臺灣山林的豐富動物多樣性。此類物種大多位於生態關係鏈結的中、高階層，部分物種更為保育類，是生態環境重要角色群。因此，臺灣生態保育權責相關機構如農委會林務局、特有生物研究保育中心以及協助執行環境影響評估的民間生態調查顧問公司等，亦廣泛採用紅外線自動相機來協助執行相關調查研究和環評計畫。紅外線指的是波長比可見光長的光，根據波長還可區分成近紅外光 (1 微米左右)、中紅外光 (5~10 微米左 右) 及遠紅外光。根據黑體輻射，任何溫度大於絕對零度 (攝氏 - 273 度) 的物體自然就會放射紅外線，而溫度愈高則波長愈短。譬如太陽表面攝氏 6000 度左右，大部分所發出來的光落在 400~700 奈米的可見光。哺乳動物體溫通常在攝氏 35 度上下，所發出來的光波長大部分在幾十微米，屬於中、遠紅外光。因此，能夠感測紅外線的相機，即可偵測到動物是否接近。紅外線自動相機調查可歸納出下列幾項優點：第一、延長野外調查工作時間，突破人力調查工作時數之有限。第二、紀錄資料型態為影像，為直接證據且可受第三方檢驗。第三、半自動化調查工具監測相較人為調查對動物的干擾較低。第四、自動相機調查短時間可掌握調查區域棲息的普遍物種，長時間監測調查則可能記錄到稀有或過境穿越物種。第五、可同時監測多種共域物種，能較完整瞭解調查區域中大型哺乳類與走禽類的生物資源現況。第六、近 10 年來發展數位型紅外線自動相機，相較早期使用之底片型紅外線自動相機，不僅紀錄資料量大幅提升外，野外可運作時間較長，錄影功能可獲得物種行為資料，可更為瞭解野生動物生態習性。透過紅外線自動相機不僅可獲得大量的野生動物資料建置地理分布資訊、彙整分析後能了解地區性物種組成結構、目標物種的活動模式和其動物生態行為、季節性的族群變動趨勢，以及探討共域野生動物的交互關係，提供更充足資訊來進行後續物種保育或相關評估規劃。所謂自動相機，指的是當發生特定事件時，相機會直接自動照相，例如高速公路上的測速相機，當機器偵測到有車超速時，便會啟動相機拍下照片，證明超速的事實，車主就會收到照片與罰單。野外用的紅外線自動相機，主要就是利用紅外線來偵測野生動物是否接近相機範圍。此類相機擁有「被動式紅外線動作感測器 (Passive InfraRed Motion Sensor, or PIR motion sensor)」, 可感測到動物是否在觀測範圍中出現以及移動。紅外線感測器可吸收動物本身所發散的紅外線並照射到強導電體元件上，元件吸收後產生熱及溫度變化，進而使元件表面產生電荷變換成電氣信號來啟動相機快門進行攝錄，特別適用於自身具恆定體溫能放射紅外線的哺乳類和鳥類。而自動相機感測恆溫動物發散出的紅外線進而啟動快門方式如圖一左所示，動作感應 範圍以 1~ 6 區塊表示，一定時間內藉由偵測動物在兩兩不同區塊間橫向移動，以及動物體溫不同於兩條紅色透明帶的設定溫度來啟動相機拍攝；圖一右則是動物可被自動相機偵測到的上下左右範圍。......【更多內容請閱讀科學月刊第 574 期】 | science |
超新星SN 1987A 30週年超新星理論模型 | 西元 1987 年 2 月 24 日，位於智利的坎帕納斯天文台 (Las Campanas Observatory) 觀測到南半球大麥哲 倫星系中有一場突然亮起的恆星爆炸亦即所謂的超新星爆炸 (Supernova, SN), 因為是該年發現的第一顆超新星，所以命名為超新星 SN 1987A。這顆超新星是來自於大約 20 倍太陽質量的恆星在演化末期核心，因為重力坍縮而引起的一場毀面性爆炸，其亮度甚至可以媲美整個大麥哲倫星系。超新星 SN 1987A 也是這 400 年來最亮和離我們最近的一顆超新星，上一次則要追朔到西元 1604 年由克卜勒 (Johannes Kepler) 所發現的克卜勒超新星。獲益於近代天文望遠鏡效能的提升以及大麥哲倫星系離我們相對較近的關係下，超新星 SN 1987A 的觀 測讓我們對這類能量強大的爆炸有著更多的了解。今年 2 月則是觀測到超新星 SN 1987A 的 30 年週年，天文界也有眾多的慶祝活動陸續舉行。如今天文學家已經發現了數以萬顆的超新星，但仍未有比超新星 SN 1987A 更近的超新星。另一方面，經過超過 50 年的超新星的理論研究則顯示這一類的恆星爆炸其實並沒有想像中的那麼容易，仍有許多未解之謎等待我們去探索。關於超新星最早的紀錄至少是來自於中國《後漢書》中描寫西元 2 世紀時對「南門客星」的紀錄。書中描寫說當時南門座方向有一顆突然亮起的客星持續發光 8 個月後才漸漸淡去 (中平二年十月癸亥，客星出南門中，大如半筵，五色喜怒稍小，至後年六月消。占曰:「為兵。」至六年，司隸校尉袁紹誅滅中官，大將軍部曲將吳匡攻殺車騎將軍何苗，死者數千人。)。最亮的超新星紀錄則是在西元 1006 年的超新星 SN 1006, 文獻 中描寫說它的亮光甚至可以讓物體在夜晚中投射出影子。超新星 SN 1006 在中國、日本、中東和歐洲都有顯著的紀錄。11 世紀後也陸續有幾顆明亮的超新星在世界各地被記錄著，好比說西元 1572 年的第谷超新星和西元 1604 年的克卜勒超新星等等。單一星系中超新星爆發的次數並不頻繁，大約每一百年會發生一次，但如果往其他更多的星系看去那就有非常多的機會可以看到更多的超新星，然而直到西元 1924 年天文學家哈柏 (Edwin Hubble) 解析出仙女座星 系外圍的星星，人們才開始意識到原來除了我們所居住的銀河系外還有其他星系的存在。西元 1936 年，美國加州理工學院的天文學家茲威基 (Fritz Zwicky) 和巴德 (Walter Baade) 共同發表了一篇學術論文討論超新星的現象，他們認為只要有系統的觀測各個星系就可以發現更多的超新星。由於超新星非常的亮，因此只要比對不同時間的兩張星系影像，如果有突然亮起的亮點就有很高的機率是超新星，茲威基用當時他剛拿到的 18 吋施密特望遠鏡觀向星空。第一年，他發現了 3 顆超新星；5 年後他和他的助理共發現了 20 顆超新星；到了 90 年代天文學家總共發現了約 700 顆的超新星；21 世紀獲益於電腦的輔助，目前每年都可以發現數百顆的超新星。除了發現變亮的星光，要確認是超新星還必須要有光譜的量測。茲威基當時把超新星依據光譜的特徵分成五大類，但目前天文學家主要只採用其中的兩類，分別為一型 (Type I SN) 和二型 (Type II SN) 的超新星。區分的方法很簡單，如果超新星的譜線中有氫就屬於二型的超新星，反之則為一型的超新星。而一型的超新星又可以再依據有沒有矽和氦的譜線細分為 Ia、Ib 和 Ic 超新星 (見圖一)。而二型超新星依據光度曲線的變化形式也可以再細分為 IIP 和 IIL 超新星等。這些分類主要是依據超新星光譜的特徵，但天文學家也意識到除了光譜的分類外超新星也可以用其爆炸的物理機制來分類，大致可分為熱核超新星 (Thermonuclear supernova) 和核心坍縮超新星 (Core-collapse supernova)。這兩種超新星爆炸的機制完全不一樣：熱核爆炸超星是來自於不穩定的碳氧白矮星 (Carbonoxygon white dwarf) 的爆炸；而核心坍縮超新星則是來自於大質量恆星 (大約大於 8 倍太陽質量) 在演化末期因為內部核心不穩定坍縮所引起的爆炸。有趣的巧合是這兩類超新星在熱與動能的能量釋放都接近於 1044 焦耳或稱作一貝特 (1 Bethe, 紀念物理學家漢斯。貝特的單位)。......【更多內容請閱讀科學月刊第 574 期】 | science |
丁肇中為了在外太空偵測反物質,排除萬難執行跨國科學計畫 | 丁肇中教授是 1976 年諾貝爾物理獎得主，一位非常專注於研究的科學家，任職於美國麻省理工學院 (MIT)。《科學月刊》在訪問丁院士前，除了聆聽 2016 年 7 月 3 日 丁在臺灣大學的演講，也讀過網路上可得到的英文公開資料 (參考文末延伸閱讀), 希望藉由這次訪談，更深入了解丁肇中院士不凡的經歷與他主持的科學計劃最新結果。特別感謝中研院物理所李世昌院士在 2016 年 7 月 7 日中研院院士會議結束後，協助安排短暫訪談。丁院士曾在臺灣就讀成功大學機械系一年級，後來前往美國密西根安娜堡大學 (University of Michigan, Ann Arbor), 從機械系一年級讀起。當時老師認為他在傳統機械製圖上比較沒有天份，因此建議他改唸物理及數學。丁於 1959 年於密西根安娜堡大學拿到物理、數學雙學士，並於 1962 年於同一學校拿到博士學位。《科學月刊》(簡稱科): 大學以後，您是如何進入高能物理或粒子物理領域的？丁肇中 (簡稱丁): 我進入密西根大學，1962 年拿到物理博士學位。拿博士學位以前，本來想做理論物理，後來我的指導老師叫 Uhlenbeck, 他跟我說:「做理論物理還是比較困難，想想看上一世紀對理論物理有貢獻的人多不多？」我聽了這個話以後，就覺得應該做實驗。實驗物理裡面，那時正好有兩位老師，一位叫 Perl, 一位叫 Jones。4 月的時候，我就參加 Perl 與 Jones 他們團隊，到了 Berkeley (美國加州柏克萊) 作粒子物理實驗。在那之前，我沒有去過加州。喬治・烏倫貝克 (George E. Uhlenbeck, 1900~1988), 理論物理學家，發現電子自旋而著名。丁院士在密西根安娜堡大學的博士論文，由 Perl 與 Jones 共同指導。馬丁・佩爾 (Martin L. Perl, 1927~2014), 因為發現陶子 (Tauon) 與研究輕子 (Lepton) 而獲諾貝爾物理獎。1925 年出生的勞倫斯・瓊斯 (Lawrence W. Jones), 目前是密西根安娜堡大學物理系榮譽教授。科：物理有粒子物理或凝態物理不同領域。您當時如何決定研究粒子物理？丁：我大學三年級的時候，做過一點 Shock wave (衝擊波)。當時我的老師叫 Otto Laporte, 他是個很有名的物理學家，原子物理中宇稱守恆、Laporte selection rule (電子躍遷的選擇律) 就是從他來的。後來，我覺得那個沒有興趣。一個主要的原因是 Laporte 是德國人，德國的傳統，學生都要 7、8 年才能拿到博士學位。太久了，我就沒有繼續跟他工作。奧托・拉波特 (Otto Laporte, 1902~1971), 在量子力學、電磁波傳播理論、光譜學及流體力學領域有重要貢獻。丁院士拿到博士學位、工作小有成就後，獲得相當多大學的邀約。大部分的大學提供丁終身職 (tenured) 的教授職缺，唯獨美國麻省理工學院 (MIT) 例外。當時丁對於「tenured」 沒概念，只跟 MIT 提出一個條件，就願意接受 MIT 非終身職的職缺。1969 年丁到 MIT 任教後，有次 MIT 開「終身職教授會議」, 丁卻沒有被邀請，他才了解到有沒有終身職的差異。與系主任反應後，丁不久即獲得終身職。科：您曾經跟 MIT 物理系主任說，必需答應您一個條件，才願意到 MIT 任教。當時您提的條件是什麼？丁：Harvard Square (美國哈佛大學附近的廣場) 附近有一個 Cambridge electron accelerator (劍橋電子加速器), 那是哈佛跟 MIT 一起建的加速器。他們的加速器測量出，電子是有半徑的。我到德國的加速器測量到的電子是沒有半徑的。我發現德國有很好的技術師，很好的工程師，所以我跟 MIT 系主任說，你不要限制我只能用劍橋電子加速器做實驗。......【更多內容請閱讀科學月刊第 571 期】 | science |
英國音樂治療教育與實務-研究與實踐的現況與展望 | 在來英國唸書前，我在臺灣學習的兩項專業分別是「物理治療學」和「音樂學」, 很多人聽到都自然而然聯想到音樂治療，再加上臺灣目前尚無音樂治療學位，所有的治療師都是從海外學成歸國，在出國念博士前，很多人以為我要去學習音樂治療。實際上，我當時是要去劍橋大學的音樂與科學中心學習音樂心理學，而在完成博士後，進入英國最大的音樂治療慈善機構──諾朵夫羅賓斯音樂治療中心的研究團隊擔任研究員，這才算第一次真正進入了音樂治療圈。不過，我並不是音樂治療師，而是從事音樂治療相關研究的研究員。在英國，必需經過至少 2 年的學習與實習，取得碩士以上的音樂治療學歷，才能成為國家認可的音樂治療師。而目前，有 7 所機構提供音樂治療師的養成教育，其中 6 所在英格蘭，1 所在蘇格蘭。筆者工作的單位正是其中一所。有興趣學習音樂治療的人，可以向各單位申請，通過資料審核及面試取得入學資格。面試是最重要的一關，也是大部分學生覺得最難的部分，因為面試內容包含大量音樂術科項目，除了一般音樂系要求的演奏與演唱技巧，還要能即興表演。每個單位的考試項目都不盡相同，但通常會要求學生有一定的能力駕馭不止一種樂器，最基本的包括鍵盤樂器 (如鋼琴)、 吉他與歌唱等。由於對術科的高要求，能考進音樂治療系的學生大多都有音樂系的背景，但也有例外，以筆者工作的機構來說，很多人在接受音樂治療訓練前是老師、心理諮商師、心理分析師等需要與人互動的職業，因為工作需求與興趣而學習音樂治療專業，也有來自各行各業的業餘音樂家或音樂愛好者。每個機構每年收的 學生大約 20 個左右，甚至更少，因此一年 能培養約 100 位音樂治療師。目前，英國 總共約有 500 多位執業音樂治療師。在臺灣，醫療相關人員需經過國家考試取得執照，而在英國，沒有國家考試制度，學生於各單位完成學業、取得學位後即具有各類專業執業資格。換句話說，能否執業，取決於各大學或學程對學生的考核。可能因為如此，各中心訓練出來的音樂治療師所偏好和習慣運用的理論及手法都不 相同。以筆者服務的中心為例，為期 2 年 的課程注重上課與實習並行，上課方面，包括學習音樂治療的理論、手法、評估工具和基礎病理學，以及很大量的音樂術科課程，指導學生學習世界各地不同的樂種，從西洋古典音樂裡的聲樂到重金屬音樂、從爵士音樂到非洲鼓等等，加強學生的音樂即興表現，以及應用各種音樂元素的能力。實習方面，在接觸患者前，學生和指導老師會以互相扮演治療師與患者的方式進行練習，接著，再跟有經驗的音樂治療師到各機構接觸不同類型的患者。除此之外，由於是碩士課程，學生也必需著手做研究、撰寫論文。每所音樂治療系的課程會因師資和學校資源的不同而有差異，若是學校也有其他醫療或音樂相關科系或課程，學生也能選修，例如音樂心理學、戲劇治療等科目。目前的音樂治療分成許多學派，各有不同的理論基礎和針對的患者類型，在此我不深入介紹這些派別。而以筆者較為熟悉的諾朵夫羅賓斯音樂治療手法為例，這是由美國作曲家保羅諾朵 夫 (Paul Nordoff) 與英國特教老師克里 夫羅賓斯 (Clive Robbins) 共同發展的，因緣際會下，保羅諾朵夫來英國發表他的作品時，遇到了克里夫羅賓斯，兩人對音樂的理念一拍即合，相信每個人都是有音 樂性的「音樂兒 (music child)」, 於 是在 1959 年開始合作，初期的服務對象是兒童。一開始發展時，他們設計各種音樂活動，形容這些活動為「音樂中的治療 (therapy in music)」, 而非「 音樂治療 (music therapy)」, 後來才發展成以音樂為中心的音樂治療理論與手法。他們音樂活動著重即興演奏與演唱，治療師與患者都參與玩音樂的過程，而非被動的聆聽音樂，運用大量的即興音樂與原自世界各地各種不同類型的音樂元素來引導與啓發每個人的音樂性。兩個人除了在臨床上積極嘗試各種音樂的可能性，也致力於出版與推廣，因此留下許多著作。此治療方式從英、美兩地開始發展，美國的中心附屬於紐約大學，而英國的第一個中心位於倫敦，成立於 1982 年，但他們早在 70 年代就開始於倫敦提供音樂治療服務，並從事研究、出版等，並從 1974 年起開課傳授他們的治療理論和手法，1995 年成立碩士程度的音樂治療學位。......【更多內容請閱讀科學月刊第 574 期】 | science |
人類協調互動之謎-認知科學家如何用音樂做研究 | 認知科學 (cognitive science) 是一門新興的科學領域，研究人類行為以及其背後的心理與神經機制。人與人之間的協調互動 (interpersonal coordination 或 joint action) 是認知科學中的重要研究主題 (Hari et al., 2015, Neuron; Hasson et al., 2012, TiCS; Sebanz et al., 2006, TiCS)。 此 能力在日常生活中處處可見，看似簡單，其實涉及很多複雜的認知歷程以及快速的行為反應。無論是進行單純的「多人一起搬重物」, 到複雜且抽象的「人與人交談」、「共同演奏音樂」、「球隊組織進攻」, 人與人之間都需要不斷地「察覺他人行為」、「即時交換動作意圖」、「微調自身的動作以保持與他人同步」。 此外，社會性的因素也對協調互動有很大的影響力，例如在多人合作的情況下，常會需要一個領導者來發號施令，統整個別成員的動作與意圖。因此，協調互動涉及了知覺、溝通、執行功能、社會心理、動作控制等各層面複雜的心智功能，而我們至今仍然對此所知不多。為求科學研究上的嚴謹，科學家在研究協調互動時，會偏好使用有良好控制的小實驗室進行研究。通常，參與實驗的受試者會進入一小間實驗室，而科學家會事先用電腦程式規劃好要呈現的刺激材料，以及記錄受試者反應的方式。在這樣的實驗設計中，科學家完全地掌控受試者所身處的協調互動環境、受試者執行動作的方法，因此得以清楚地檢驗操作變項對於協調互動的影響。然而，在這類小實驗室的環境中，時常難以成功營造出人類真實的互動環境。對於認知科學，我們最感興趣的是人類行為對應的心理與神經機制 (圖一 A,Krakauer et al., 2017, Neuron)。 在研究的設計上，科學家會希望藉由實驗的設計，研究某種特定行為，以及其背後的心理、神經機制 (圖一 B)。 然而，在小實驗室中如果無法營造出足以貼近自然情境的的協調互動行為，就算研究出心理和神經的機制，但這樣的機制卻是用來執行一個「非自然」的人類行為，距離理解人類在真實世界中的協調互動行為仍有一段距離 (圖一 C), 缺乏「生態效度 (ecological validity)」。 畢竟，人類心智演化至今，不是為了適應「與虛擬人物做互動」的演化壓力。(題外話：但或許在未來，和虛擬人物的互動真的會變成人類新的演化壓力也說不定？) 但如果為了追求良好的生態效度，在完全自然的環境中觀察人際互動，各種真實環境中的因素 (例如各種噪音) 則容易意外地干擾人際之間的協調互動，也讓科學家難以釐清協調互動背後的機制。這類「生態效度」和「實驗控制」的兩難，是認知科學研究上經常會遇到的難題，更是研究協調互動時必然會遭遇到的巨大挑戰。音樂可以是研究人類心智時一個很好的「工具」。 近年來認知科學界開始越來越重視音樂，更有文章刊登在認知科學界的頂尖期刊，說明比起在小實驗室中採用「人為的」、「不自然的」實驗環境，音樂尤其適合用來研究協調互動 (D’Ausilio et al., 2015, TiCS; Volpe et al., 2016, Phil Trans R Soc B), 因為以下這些特點：1. 音樂是人類自然的活動：儘管形式不同，但音樂普遍存在於人類的各文化中，是重要的人類活動。其中，協調互動 (共同演奏音樂、一起跳舞) 更是音樂在各文化中的普遍特色 (Savage et al., 2015, PNAS)。2. 音樂可以在科學研究中被掌控：科學家可以藉由設計樂譜、演奏速度，而控制協調互動的內容。科學家也可以藉由改變音樂演奏的情境，例如演奏者之間看不看的到彼此，或是指定某演奏者為領導者，而更進一步掌控互動的情境。3. 音樂活動涉及各層面的心智活動：聆聽音樂時的聽知覺、音樂訊息的認知處理、與他人合奏音樂時的動作控制、溝通協調，甚至是合奏中彼此的社會關係 (領導∕跟隨關係), 都是音樂活動會涉及的層面。綜合以上三點，音樂活動涉及廣泛的心智活動，可以用來同時探討各層面心智活動的交互作用。並且，當採用音樂活動在認知科學的實驗中，科學家有很大的空間可以在「生態效度」和「實驗控制」的兩極端之間取得一定的平衡 (圖二)。例如，可以從高度實驗控制的極端 (人類只能跟隨電腦預設的節拍彈鋼琴), 逐漸降低實驗控制以增加生態效度 (讓電腦的節拍跟隨人的彈奏而改變), 甚至是增加協調互動的複雜性與真實性 (兩人合奏、多人合奏，到有觀眾在現場聆聽)。......【更多內容請閱讀科學月刊第 574 期】 | science |
大屯火山下有岩漿庫? | 岩漿從地函上升到與其比重相似的岩體附近，即會滯留在地殼深處形成岩漿庫。若此時有裂隙直通到地球表面時，岩漿會直接噴至地表形成火山，此階段所產生的岩石較基性，接近玄武岩，氣體的成分較低，故噴發的行為較溫和，以產生熔岩流為主，美國夏威夷群島的火山和冰島大部分的火山，就是屬於此類型的火山噴發若無裂隙通到地表，岩漿則滯留在地底下岩漿庫內，並受到周圍岩石較低溫度的影響，開始冷卻結晶形成含鐵鎂質較高的礦物，如橄欖石、輝石和磁鐵礦等，遵行「包溫反 應系列 (Bowen's reaction series)」使得岩漿成分產生 變化，形成較酸性的岩漿 (二氧化矽的含量較高，鐵鎂質含量較低，圖一)。滯留在岩漿庫的時間越久，岩漿成分越酸性，形成安山岩質和流紋岩質的液態，氣體成分的比例也隨著岩漿演化而增加，故常常產生較劇烈的噴發行為，以產生火山碎屑岩為主。此種岩漿噴發大都發生在隱沒帶火山島弧、大陸邊緣或大陸內部較酸性岩漿的噴發，如 1980 年美國西部華盛頓州的聖海倫斯火山 (Mt. St. Helens) 的噴發、1991 年菲律賓皮納吐坡火山 (Mt. Pinatubo) 的噴發、大陸東北長白山的天池火山、以及印尼吐坡 (Toba) 火山，都是屬於岩漿演化較久，噴發行為較劇烈的火山。包溫反應系列是描述岩漿冷卻過程中各種火成礦物在一大氣壓、不同溫度下結晶的順序和岩漿分異作用等。其是由 實驗岩石學家包溫 (Norman L. Bowen) 首先提出，以解 釋岩漿冷卻過程中，礦物形成的先後順序。包溫反應系列為解釋岩漿冷卻、分異與形成各種火成岩時的重要參考依據。火成岩中的岩漿結晶分異作用可依據包溫反應系列來說明，主要是早期先形成的礦物與殘留的岩漿分離不再反應或不完全反應來進行。控制結晶分異作用的可能機制主要為重力分異作用，早期結晶的鐵鎂礦物如橄欖石和輝石、或鈣含量高的斜長石，其密度都較液態岩漿高，結晶形成後因重力的關係會下沉到岩漿庫底部而無法與殘餘岩漿再反應，故剩餘的岩漿其成分就與原有的岩漿成分不同，演化成含二氧化矽較高的酸性岩漿。火山岩中常可觀察到聚晶組織 (glomeroporphyritic) 和純橄欖岩 (dunite) 的聚晶岩 (cumulates), 以及岩漿因後來的移置層狀貫入所形成的層狀礦物分布，都是岩漿重力分異作用的典型代表。包溫反應系列可簡單的被分為連續及不連續反應系列兩種。在圖二中，右邊一支為連續反應系列，左邊一支則為不連續反應系列。圖中靠上方的礦物其熔點較高、結晶溫度也較高；然後由上而下溫度逐漸降低，故高溫結晶的礦物會出現在圖上的上半部，而較低溫結晶的礦物會出現在圖的下半部。包溫的岩石學實驗顯示當礦物從岩漿冷凝結晶析出後，並未停止發生反應變化。早期晶出的礦物可以和冷卻中殘餘的熔融物質繼續不斷的發生反應而改變其成分和結晶構造，形成新的礦物。基本上，岩漿中矽酸鹽礦物結晶析出的順序主要受控於晶體構造的複雜程度、陽離子半徑大小和濃度。其中，晶體構造越簡單越容易先形成，例如最早結晶的橄欖石為最簡單的矽酸鹽礦物結構。另外，陽離子顆粒越小或濃度越高，也越容易早期晶出。......【更多內容請閱讀科學月刊第 574 期】 | science |
從古籍中的材料知識探究琴中科學 | 西方有小提琴流傳，而中國則是有古琴的問世，兩者在設計與製作上有許多相似之處，這次將討論中國古籍自宋代以來所提到的製琴木材知識，如何以現代的科學角度來詮釋。關於古琴木材的自然老化與加工老化，南宋皇室成員的趙希鵠所著的《洞天清祿集》中有幾項非常有趣的敘述：一、大抵桐材既堅而又歷千餘年，木液已盡。二、樑柱恐為重物壓損紋理。三、惟木魚鼔腔晨夕近鐘鼓，為金聲所入，最為良材。 然亦有敲損之患。四、古人以桐梓久浸水中，又取以懸竈上，或吹曝以風日。百種用意，終不如自然者。從第一項來看，木液要千年才能去除，由現代觀點來看，第一個可能性是木材越來越乾燥，吸附的水分減少；第二個可能性是木材細胞壁內的抽提物 (extractives) 與樹液 (sap) 內的有機小分子逐漸分解。在小提琴界，製琴與製弓的師傅也經常認為木材老化會越來越乾燥。 木材細胞壁的主要纖維成分有 3 種：纖維素、半纖維 素與木質素，會從空氣中吸附水氣進而達到平衡，其中半纖維素的吸水能力最強。所以，充分乾燥的木材 (風乾 3~10 年) 的含水量是由空氣濕度決定。以我們所發 表的研究為例，以固態核磁共振光譜來定量義大利名琴木材內的纖維成分 (圖一), 發現半纖維素隨著時間緩慢水解的半衰期大約 400 多年，而提琴經過 300 年後，半纖維素大約已經分解了 1/3, 所吸附的水分則減少了 1/4, 這相當符合《洞天清祿集》所說的千年之後木液已盡。宋代的《太古遺音》也認為「琴不必桐梓，惟木液既竭，濁性去盡，皆可選用」。從實驗中發現，藉助熱重分析儀中精準度達到 0.1 微克的天平，只要將幾毫克的木材加熱至 150°C, 其重量的減少程度就等於逸失的水分，用極少的歷史木材樣品就能測出其吸濕程度。木材所吸 附的水分，會造成振動時的內部摩擦力，因此含水量較少的木材，振動比較自由，發聲比較容易。許多小提琴家認為臺灣的氣候比歐美潮濕，不利於小提琴的發聲，當年留學時購買的提琴回到臺灣往往音色變差，這或許也是木材吸收較多水分的結果。第二項敘述，如果木材的自然老化，需要 1、200 年甚至上千年，那為何不拿既有的老木材來製琴？在古書中，用各種老木材來製古琴是被大力推崇的，包含挖掘出來的棺木、老建築的樑柱門板、自然界的枯木等都有人嘗試拿來製作古琴。......【更多內容請閱讀科學月刊第 574 期】 | science |
甲狀腺結節腫:成因、診斷與治療 | 這位畫像中 (圖一) 的英國貴婦，名叫博林 (Anne Boleyn)。也許這樣的圖片加介紹，大家還是不知道她 是何許人也，但是她有個鼎鼎大名的丈夫，及同樣赫赫有名的女兒：丈夫是英國國王亨利八世。亨利八世為了娶博林而和羅馬教庭決裂 (當時的教皇不允許他和元配離婚), 因而創立英國國教。而她的女兒，就是後來的女王伊莉沙白一世。大脖子一詞，其實是甲狀腺腫大的俗稱，但是其實很多甲狀腺疾病都會使脖子腫大，而且在某些正常生理情況下，如青春期或懷孕，也可能發生甲狀腺腫大。傳說中，博林有 6 根手指，而且還有甲狀腺腫大。不過這張圖應該是美化過的畫像，看不出來有大脖子的樣子。話說回來，博林已經是 500 年前的人了，可見甲狀腺腫大這個疾病的歷史，一定更遠遠的超過 500 年。在介紹甲狀腺腫大之前，讓我們先談談甲狀腺的構造 (圖二)。甲狀腺是位於頸部前方的皮膚之下，解剖學上而言是在環狀軟骨下方，氣管軟骨之前。甲狀腺的名稱由來，是因為英文名稱 thyroid 是由希臘字衍生而來，意思是盾甲，所以中文也就翻譯成甲狀腺。但是它的形狀事實上比較像一隻貼在氣管前面的蝴蝶。蝴蝶的兩邊翅膀就是甲狀腺的左右兩葉，兩葉中間由峽部所連結，也就如同蝴蝶的身體。正常成人的甲狀腺約重 15~20 公克，兩葉各約 1~2 公分厚，2~3 公分寬，3~4 公分長。一般 右葉比左葉略大，左葉的下方有食道通過，中間的峽部較小，只有 0.5 公分厚。 造成甲狀腺結節腫的原因很多，大致上包括以下因素：家族遺傳體質、自體免疫性疾病、碘攝取不足、飲用水或食物中含有致甲狀腺腫物質 (即致腫原) 或頭頸部曾接受過放射線照射。老一輩的人常誤以為甲狀腺腫就是碘攝取不足，所以一但甲狀腺腫大就要多吃海苔，但這樣的觀念是錯誤的。自從民國 56 年食鹽全面加碘後，缺碘性甲狀腺腫已很少見，目前成因大多以家族遺傳體質為主。就甲狀腺常見疾病而言，大致上可以分為功能異常或形態異常，當然也有可能兩者同時存在。功能異常的疾病，常見的如甲狀腺機能亢進 (過多的甲狀腺激素) 或甲狀腺機能低下 (缺乏甲狀腺激素)。而依形態異常來分，甲狀腺的疾病有單一結節、多發性結節腫或瀰漫性甲狀腺腫等情形。而結節可以是良性，也可以是惡性的，故依結節內容又可分 (1) 甲狀腺囊腫 (2) 甲狀腺腺瘤 (3) 甲狀腺癌。 上述這些甲狀腺形態異常的疾病在尚未明確診斷時，我們又可統稱為「甲狀腺結節腫」。圖三是正常的甲狀腺在超音波下的影像。甲狀腺超音波的第一個步驟，是把探頭放在脖子前方，也就是甲狀腺的上方。然而，要怎麼樣告訴報告閱讀者這個探頭是怎麼擺的呢？這時候可以參考下方的小圖示 (圖三的左下角及右下角)。在這裡標示了探頭放的位置，以及探頭的走向。由此我們可以得知，左邊半張所拍攝的是甲狀腺的長軸影像，可以測量甲狀腺的長度。右半邊的則是橫切的影像，可以測量甲狀腺的寬度及厚度。測量的結果顯示在左下角，受試者的甲狀腺右葉長、寬、高分別為 2.64x2.27x1.66 公分，大小正常。接下來，我們簡單介紹醫用超音波的原理。「音波」和「超音波」有什麼不一樣？一般人所能聽到的聲音範圍 (也就是音波的頻率) 為 20~20000 赫茲。赫茲是音波或電波每秒震動次數的單位，而 20000 赫茲就是每秒震動 20000 次，超出這個頻率的音波，就叫超音波。就醫用超音波而言，依應用在不同的器官有不同的頻率，但是至少都有 300 萬赫茲以上。如此高頻的音波，在空氣中幾乎不傳導，但在固體、液體中傳導能力甚佳，因此可以用來檢查身體的軟部組織及腹部內器官。在檢查之際，檢查人員將探頭在皮膚之上，超音波由此發出。當超音波遇到阻礙物，或是介質改變時，部分或全部的音波會反射回來，再由探頭上的接受器加以記錄，最後呈象在螢幕上，成為我們看到的檢查影像。如果患有甲狀腺結節腫，接下來要如何診療呢？一般而言，可能需要經過理學檢查 (即觸診)、驗血、超音波、細針穿刺或核子醫學等進一步的檢查，才能確定病因。就前文所描述的解剖位置，甲狀腺是位於皮膚以下的器官淺層器官，屬於超音波檢查的良好標的，因此，甲狀腺超音波和細針穿刺細胞學檢查已經變成檢查甲狀腺構造異常最廣泛也最普遍的方法之一。瞭解甲狀腺正常超音波影像後再來觀察圖四，我們就不難發現當中長了個「異物」, 這就是甲狀結節。參考下方小圖示，我們得知這個結節在甲狀腺的右葉。在超音波下的回音度 (也就是亮度) 只比周圍正常的組織略低或相等，代表這可能是一個實心的結節。如果右葉只有發現這一個結節，而左葉找不到結節，我們稱之為「右側單一甲狀腺結節腫」。如果同一葉或對側葉也能發現結節，我們則稱之為「多發性甲狀腺結節腫」。至於結節的本質到底是什麼呢？是腺瘤？還是甲狀腺癌？這就需要做進一步的細針穿刺細胞學檢查才能知道。接下來的圖五，這顆甲狀腺右葉的結節，超音波下的回音度相較於周圍正常的組織低很多，代表這是可能一個內容物為液體的結節，也就是囊腫。這樣的情況下，做細針穿刺檢查除了可以知道囊腫的本質之外，也有機會因為抽出囊腫內容物之後使其變小，外觀上也可能使脖子凸起改善。有時候，囊腫的中間還有其它的組織存在，因而把它分成兩、三個 (也可能更多個) 互不連的小隔間，這時我們可以稱之為海綿狀的結節。我們仍然可以嘗試甲狀腺細針穿刺，看會不會使囊腫變小，只是效果通常不盡理想，因為我們可能把其中一或兩個小隔間裡面的液體抽完，但是仍有其它小隔間的液體抽不到。基本上，甲狀腺結節會引起疼痛的情況並不多，但新陳代謝科門診偶爾會遇到病患求診，主訴前天晚上脖子突然間腫大，且伴有局部疼痛。在超音波檢查之後，會發現疼痛部位下方有個甲狀腺囊腫。這種情況最常發生的原因是局部的微血管發生破裂而產生的甲狀腺血腫。我們可以用細針把血腫的部分盡量抽乾，可果血腫裡面還有小部分實心組織，再用另一針頭抽取部分細胞來做細胞學檢查，如此一來便可確定其良惡性，同時達到局部消腫的目的。在少數情況下，醫師無法明確分辨甲狀腺超音波下的低回音度的區域到底是囊腫還是血管 (血管在一般灰階超音波下看起來為黑色，也是低回音度)。此時，就需要「都卜勒超音波」的協助。大家都知道「都卜勒效應」指的是波源和觀察者有相對運動時，觀察者接受到波的頻率與波源發出的頻率並不相同的現象。同樣的原理運用在超音波上面，就是所謂的「都卜勒超音波」。當超音波探頭發出的訊號碰到血流時，反射回來的頻率會因血流向著我們而來，或是遠離我們而去而有所不同，當然也和碰到非流動的液態囊腫所反射回來的訊號頻率有所不同。經過電腦的運算，可以在螢幕上得到不同的顏色，形成彩色都卜勒超音波的圖象。這因為這個特性，彩色都卜勒超音波在檢查血液流動時非常有用，可以判別其流向及流速，特別在心臟超音波，運用的機會特別多。至於甲狀腺超音波的應用，當我們看到一個液狀的結節，疑似甲狀腺囊腫，又有點像是血管時，只要打開都卜勒超音波，很輕易的就能區別這兩者 (圖六)。另外，如果要評估一個結節周圍的血流量時，也可以用都卜勒超音波做一輔助檢查。以上描述了常見的結節腫，但是仍然有很多很多各式各樣的不同形態的結節，無法在此詳述。不過，由前述也可得知細針穿刺檢查非常的重要，因為它可以告訴我們這個結節是不是需要開刀，而且對於囊腫也可以得到一定程度的治療 (把液體抽乾)。所以，對於甲狀腺結節腫的病人而言，超音波加細針穿刺已經是必備的檢查之一。然而，在醫師建議患者進行細針穿刺檢查時，少數患者因為怕痛而加以拒絕。事實上，因為脖子部分皮膚的神經分佈比手臂少，所以大部分的甲狀腺穿刺並不怎麼痛。再次叮嚀患者，千萬不要因為怕痛而拒絕這麼一個重要的檢查！最後再來談談甲狀腺結節腫的治療。如果細針穿刺檢查的結果是良性，多數的患者只要定期 (1~2 年) 回醫院追蹤檢查即可。只有經診斷確定或懷疑是甲狀腺癌，或是節腫太大以致對食道、氣管造成壓迫症狀或嚴重影響到頭部外觀的節腫，才需要加以開刀。開完刀之後，則視有無影響到甲狀腺功能，決定是否長期補充甲狀腺荷爾蒙。歷史上並沒有記載博林的甲狀腺腫到底是什麼樣的病因，不過那個年代應該也沒有內分泌科醫師吧！至於生活在 500 年後的我們，如果有發現脖子有腫大的情況，還是應該到合格代謝內分泌科醫師處求診，畢竟大部分的甲狀腺腫大是可以加以治療的。 | science |
鍬形蟲從高樓墜落會不會受傷呢? | 這天午休時間一到，朋友便興沖沖的跑到我跟前，得意地秀出了他的手機雀躍地說:「欸欸你看，昨天我在我家的陽台上發現一隻鍬形蟲欸！我家這麼高，不知道他怎麼飛上來的，還好是我發現他，如果是被我弟發現的話，他那麼愛搗蛋一定會把鍬形蟲丟下樓。天啊！十層樓摔下去一定會死很的很慘吧！我決定要先把他養起來，只是不知道鍬形蟲好不好養，你覺得我們班上有沒有人是昆蟲專家啊？」我打量著這隻鍬形蟲的相片，一邊用手機查資料一邊慢條斯理的說:「雖然我不是昆蟲專家，但是我想這隻鍬形蟲就算從十樓摔下去也不一定會死喔。」「怎麼可能啊！物理老師不是也說過物體在做自由落體運動時 v2=2gh, 你想想從十樓跳下去落地時撞擊地面的速度那麼快，一定會摔成肉醬吧！不然的話你從十樓跳下去看看，怎麼可能沒事呢？」朋友看著我露出一臉狐疑的表情。「這說來話長。」我從書包拿出了紙跟筆繼續說道「那是因為高中物理課時，我們都會忽略空氣阻力，一般來說如果空氣浮力及氣流擾動不計，而僅考慮空氣摩擦阻力 FD 的話，FD 會等於，從中可以看出阻力與速度 v 的二次方有關。 而式子中的 ρ 是鍬形蟲密度，A 是特徵面積一般來說會 是受風的截面積，CD 則是無因次化的風阻係數，科學家 藉由風洞實驗及下滑實驗能夠測出各式各樣形狀的 CD。由於鍬形蟲在下墜過程中可能會翻來滾去，所以我把牠當成一顆球體來分析，而球體的 CD 大約是 0.5 左右。這隻 鍬形蟲體積 V 目測應該約為 7×3×1=21 立方公分，因此我們的特徵面積 A 就可以由球體體積公式等於 21 來求得等效半徑 r, 而球體的特徵面積 A 會等於 πr2 大約 為 9.2 平方公分。根據網路上查到的資料顯示，這種尺寸的鍬形蟲質量大約是 20 公克左右。將所有的物理量換成 MKS 制後再帶入就可以得到 FD=0.219v2。而物體在下墜過程中只考慮空氣摩擦阻力及重力的話，由牛頓第二定律 ∑F=ma 我們可以得知，鍬形蟲在下墜過程中會不斷地加 速，直到空氣摩擦阻力等於重力為止，此後鍬形蟲就會等速度下墜，此時的下墜速度就叫做終端速度。」朋友聽得一楞一楞的，似乎是第一次聽到終端速度這個名詞「若把 剛剛得到的式子帶入牛頓第二定律，並讓加速度等於 0, 就可以得到 FD=0.219v2 要等於重力 mg, 可以解出 v 約是 0.945 公尺每秒也就是 3.4 公里每小時，所以他落地時撞擊地面的速度大概就等同於你慢跑撞到牆壁，可能不會死但是應該會蠻痛的吧！」......【更多內容請閱讀科學月刊第 574 期】 | science |
數學機率理論—博弈分析 | 在經濟學中，投資代表的是利用資金或財物，直接或間接經營一種經濟活動，企圖獲得預期的報償或利益。因此，在取得預期報酬的同時，這個預期也有可能因失敗而落空。投資本身，即帶有其風險性，且通常投資所能獲得的利益越大，伴隨的風險也越高。就像博弈行為，其瞬間投資報酬率 100%, 但風險亦 100%。如果你是一個運動愛好者，也常關心各類運 動頻道。突然有一天，在 e-mail 郵件信箱 中，收到自稱是「一路發」運動彩投資理財顧問公司的電子郵件。在此郵件中，清楚地預告某一項運動項目的下一場賽事獲勝的球 隊為 A 隊，當你在運動頻道欣賞精彩球賽 時，亦赫然發現比賽結果確實也是 A 隊勝 出。接下來的數天，每天你都收到相同的預 測信，經查閱前 3 封預測信都神準無比。當你收到第 4 封信時，以半信半疑，姑妄聽之的心情，小額簽注。球賽結束，果然預測信神準，你也從中贏得彩金。接下來你當然會順利收到第 5 封 預測信，嘗過甜頭的你，再次的牛刀小試，你又再次從中贏得彩金。理財顧問公司的第 6 封電子郵件仍然準時寄達，但此時在 e-mail 中並 沒有提供你所期待的明牌訊息，而是一封措辭懇切的書信。書信大意是說：在本公司所提供的精準資訊加持下，相信您應在運動彩的投注事業上一路發發發，也展現本公司的雄厚實力。但為了順利獲取這些資訊，本公司投入大量人力、物力。為了公司之永續經營，下一場賽事勝出的球隊訊息，我們不能再無償提供。如果您想取得下一場賽事勝出球隊之 精準的資訊，請即刻電匯美金 100 元到指定帳戶。當我們收到您的匯 款資料後，我們的客服專員會於第一時間將下場勝出球隊訊息，發到您指定的電子郵箱，祝您一路發發發，發大財。嘗到過甜頭的你，是否會選擇將美金 100 元 (約新臺幣 3200 元) 匯進 指定帳戶，以 100 美金的代價去購買這個所謂的明牌呢？然而，細究其 原因可以發現理財顧問公司這樣神準預知未來的結果，不過是把「統計學上的必然」經精美包裝之後的一種斂財術。有些事件可能看似親眼所見，但所見並非事實，如行走在沙漠商旅常遇 到的海市蜃樓，遠前的綠洲看似存在，實是虛幻。故事中連續 5 個神 準的預言，也類似沙漠商旅眼中所見的海市蜃樓，只不過是利用數學機率理論所包裝成的騙術，透過無遠弗屆的網路散發出的信息，企圖以此騙術行騙，謀取利益。機率 (Probability), 又稱或然率或概率，定義為用來量化對於某些不確定命題的會發生確定事件的百分比或確定程度。其確定的程度亦可以 用 0~1 之間的數值來表示，這個數值就是機率值。因此若事件發生的 機率越高，表示這個事件發生的可能性越高。若用最基本的抽樣機率理論來看，機率 P (在此我們不討論廣義的隨機變數機率):P=A/SP: 機率，是一介於 0~1 的實數，亦可換算成百分比。S: 為整個抽樣過程中的事件總數。A: 則是在整個隨機抽樣過程中，所有期待會發生事件 (event) 之發生次數。......【更多內容請閱讀科學月刊第 574 期】 | science |
博士生之心理健康 | 早年對於學術界的印象，可能是一個較沒有壓力的環境，然而近 20 年來已經改變。雖然跟部分業界相比，壓力仍 然較小，但年輕教授猝死的新聞偶會出現。研究壓力下，博士班學生參與學校教授所主持的計劃，壓力合理推斷也會升高。臺灣在民國 90 年有 1501 名新科博士，民國 97 年增加到 3589 位博士，已遠超過兩倍，民國 101 年 有 4241 位新科博士，已是民國 90 年博士數目的 2.8 倍，其中 55% 的博士領域屬於理工科。近幾年來，博士數目雖然下降，應該仍遠高於民國 90 年的數目。博士班學生的心理健康，也漸漸受到注意。2017 年 在 Research Policy 有一篇論文，比利時團隊發表他們研究比利時博士班學生的心理健康，結果顯示 32% 的博士班學生有風險導致精神異常，特別是憂鬱症。該團隊利用研究常用的 GHQ-12 (General Health Questionnaire-12), 以 12 個問題了解比利時佛萊明區 (Flanders) 的 3659 位博士班學生的狀況，包括社會及自然科學領域，另外有 1700 位左右的對照組。GHQ-12 的指數中包括：是否能夠專心正在做的事、擔心某事導致睡眠不足、是否覺得自己工作中扮演有用的角色、是否能下決定、是否一直感覺有壓力、是否感覺無法克服困難、是否能享受每天的活動、是否能面對問題、是否感到不開心或沮喪、是否失去自信心、是否覺得自己是沒價值的人、是否覺得生活還算開心。嗯！以上洋洋灑灑 12 項，你中了幾項？超過 4 項嗎？先不用緊張，這只是代表「有風險」而已，GHQ-12 是適 合大量研究用的簡單問題，心理狀況還是要求助專業人員協助判斷。該團隊研究顯示，32% 的博士班學生有超過 4 項症狀，其中「感覺長期在壓力下」、「感到不快樂」、「無法克服困難」與「無法享受每天的活動」為最多數。不過該論文提到，大約只有千分之二的人會在心理健康出現問題尋求協助，主要考量求助或公開自己需要求助，可能被污名，並對於未來生涯有不良的影響。雖然筆者不否認以上的可能性，但心理健康很重要。不知道各位有沒有經驗，訴苦時，有些人回應特別舒服，但某些人的回應就特別難受。能有一位高度同理心的對象傾訴很不錯，但不多。心理諮詢師之專業，在於其能平和的引導人認識自己。許多大專院校有免費心理諮詢服務，心理專業的該論文作者呼籲:「如果你正為某事困擾，即使你認為這可能是暫時的，尋求專業協助，或是你個人週遭的協助很重要。」論文中進一步討論研究限制：一、是大學環境造成博士生的心理健康出問題嗎？還是想唸博士的人，心理健康傾向會出問題？此研究沒辦法提供因果關係。但遭遇心理健康問題的學生會傾向對環境有負面評價。二、本研究雖然大量研究比利時佛萊明大區的博士班學生的狀況，有是否適用其他區域的問題。譬如歐洲普遍將博士班學生視為勞工保障，受聘於大學才能攻讀博士學位，財務壓力不會是主要因素。美國學生很多學生因學費輟學，臺灣其實也不少學生背學貸。三、GHQ-12 中達標 4 項以上，只是一項機率指標。博士生的心理健康重要性何在？除了關心他人，比利時團隊嘗試提出其他動機。一、博士班學生的學位論文內容，是組成科學研究產出的重要部分，而博士生的心理健康會影響科學研究品質。二、博士生多半也是研究大團隊的組成份子，其心理健康不佳會導致「營運成本」增加。筆者認為，以上是講給學術界決策者聽的，所以重視博士班學生的心理健康不只是做善事。三、博士生心理健康不佳，不但會使其離開博士研究，同時也離開需有高研發能力的業界。論文研究者表示，博士班學生不開心，很多與指導教授或研究計劃領導人 (PI, principal investigator) 有關。往正面想，PI 的態度也可大大降低博士班學生走向精神異常的風險。當人們對於未來有清楚認知時，可幫助避免走向精神異常。PI 可幫助博士班學生找到自己唸博士的目的，作者建議 PI 與學生透明溝通，一同參與研究決策，及充分提供畢業後學術及非學術的資訊，提供正確的期待與認知。沒有人會要求 PI 能診斷一個人是否心理健康出問題，但 PI 應該要關心團隊成員，並該知道如何幫助，協助尋求專業。筆者建議想攻讀博士學位的人多想想，唸博士的意義為何？這個問題，只能求諸每個人自己去尋找。現今趨勢很明顯，只有少數的博士能以學術研究為職業生涯。筆者於理工領域拿到博士，試著拋磚引玉，不一定適用所有領域。現今科技進展太快，即使博士論文題目很貼近業界需求，也可能一下就過時。該思考的方向是:「什麼是帶得走的能力？」從做一個題目開始，實習如何去做、如何解決問題、如何與人溝通、如何尋求靈感，到完成工作如何去演講、組織寫文章等。廣泛接觸某個領域後，有新想法如何去實踐。說起來很抽象，所以要有個題目慢慢去磨練，進而去創造題目、落實想法。培養出帶得走的能力，才能有更寬廣的選擇。延伸閱讀 Elisabeth Pain, Work organization and mental health problems in PhD students, Research Policy, Vol. 46: 868-879, 2017. | science |
精神醫學的性別議題 | 英國首相邱吉爾雖然有著出色的成就與堅強的意志力，但很多人並不知道其實他患有憂鬱症。他曾說:「心中的抑鬱就像隻黑狗，一有機會就抓住我不放。」雖然這位赫赫有名的領袖願意承認自己的精神疾病，但是很多憂鬱症的男性比起女性是更不願意接受專業幫助的，因為我們的社會和所受的教育都期許著男性能夠勇敢強壯，正所謂男兒有淚不輕彈。也因如此，讓很多憂鬱症的男性患者錯失了治療的良機，非常可惜。所以，性別議題在精神醫學中是不容忽視的存在。但是，性別議題非常複雜多元，包含社會、文化、教育、生理和心理等層面，幾乎只要提起性別，就會有很多不同的意見，其中甚至是歧視。然而，我們仍然有必要把這個困難的議題帶入精神醫學研究，主要是基於以下兩個理由：增加對精神疾病的瞭解以及改變治療模式。一、目前精神醫學的研究雖然蓬勃發展，但是精神疾病比起一般的生理疾病來說，仍然缺乏生物標記 (Biomarker), 不能像偵測血糖診斷糖尿病一樣地 去發現精神疾病。也就是說，正常人和精神病人在生理方面可能找不到非常明顯的代表性差異。然而，單單依賴醫師的臨床心理判斷有時又會太主觀，不同醫師的看法常常會有差異。既然直接去研究正常人和精神病人的差異得不到滿意的結果，那麼我們可以考慮換個研究的方式。舉例來說，某些精神疾病比較容易出現在男性 (如自閉症) 或女性 (如憂鬱症), 理解造成此差別的原因 有助於增進對疾病本身的認識。憂鬱症在女性身上發生的機會是男性的 2 倍之多，研 究後發現女生的腦部有某個特質造成憂鬱症的機會遠遠高於男生，那麼就可以因此推論這個特質 對憂鬱症非常重要，重要到可以產生得病率高達 2 倍的差異。二、其實不只是得病率的差異，憂鬱症在男性和女性的疾病表現上也是明顯不同，例如男性的憂鬱症時期是比較持久的，而女性的憂鬱症時期則是比較斷斷續續，而且男生在患了憂鬱症後自殺機會比女生高，且併用毒品的可能性也較高。既然疾病的表現差異如此之大，那麼我們是否也該考慮用不同的方式去治療男性和女性呢？這是一個開放性的問題，我想不同的專家會有不同的看法。然而，目前的臨床治療則完全沒有考慮性別的差別。由於個人的研究主題是憂鬱症，以下就以憂鬱症做說明，但也可以應用在其他精神疾病上。我們讓一群憂鬱症和正常的青少年進行核磁共振檢查，儀器裡的螢幕會顯現文字，並且請他們看到某些特定的文字要按下手中的按鈕，例如看到高興的文字 (如 happy) 要按按鈕。此實驗的構想是假設看到情緒性的字眼，憂鬱症的病人腦部活化的區域會與正常人不同，因而找出憂鬱症對腦部的影響。這項結果顯示在特定的腦區 —— 緣上回 (Supramarginal gyrus) 中，憂鬱症的女性比正常女性更活化，但是憂鬱症的男性卻是比正常男生更不活化，也就是說憂鬱症對男生和女生的影響是不同的，而且受試者皆為青少年，代表著這個差異在青少年就很明顯了。依照前面的兩個想法，可以推論在緣上回區域似乎在憂鬱症的產生上有著顯著地位，同時在青少年時期就發現憂鬱症對男女性的影響有著顯著的不同。因此，可能早在青少年時期就可以考慮對憂鬱症的男生和女生施行不同的治療方式。社會輿論我的這項研究結果發表後，有幸得到國內外媒體的報導，但是我也注意到網路出現了反對的聲音，有國外網友留言表示特別把憂鬱症患者區分為男性和女性，是對男生的一種歧視，好像男性患者會特別嚴重，必須特別處理，如此一來便會讓男性患者更不願意尋求專業幫助。不過對於這項問題，我認為未來勢必要加強社會對疾病的正確認識，讓大家知道這種區分是為了更有效率的治療，並不是要歧視任何一個性別。除了上述的發現，在這個實驗中，也發現了一個有趣的現象。在緣上回裡，正常青少年本來就存在著性別差異：正常男性的活化程度高於正常女性。但是，就像之前所述，憂鬱症的女性比正常女性更活化，而憂鬱症的男性卻是比正常男性更不活化。而再經過憂鬱症這層影響後，男女性的性別差異則變小了。而憂鬱症對於男性的腦部活化影響較大，那麼是否能推論憂鬱症讓男性在緣上回的活化變得比較像女生呢？這是不是一種女性化的現象呢？當然目前的研究結果不足以証實這個假說，且這個說法想必會造成很大的輿論，得到憂鬱症已經很不開心，如果又得背負著女性化的標簽，必定是更為痛苦的。但是，單純在學術研究的討論上，我認為這項議題還是有討論的必要性，因為此現象並不僅僅存在於憂鬱症，也存在於其他的精神疾病，如自閉症。男性得到自閉症的機會遠遠大於女性，研究顯示自閉症的女性大腦會有較類似男性的表現，甚而有所謂自閉症的「極端男性化大腦理論」。那麼其他的精神疾病會不會也有這種現象呢？未來或許可以多就此議題進行探討。在一些生物中可以發現所謂性別轉換的現象，也就是受到環境壓力的影響，男性可以變成女性，如小丑魚。那麼在人類，未來也有可能發生這種事情嗎？例如現在大家普遍壓力偏大，精神疾患的盛行率偏高，這項研究的發現會不會正預告著這件事情的發生呢？當然，以現有的證據來看，此想法還只是偏科幻小說的臆想。現今，大部分的研究沒有特別考慮性別議題，例如憂鬱症的研究常常是以女性受試者為主 (當然這是因為病患以女性居多), 然而這樣或許對男性病患有失公平，因為或許能接受不同或更合適的治療方式。因此，期望未來的研究能更加正視性別議題對疾病的影響。不過，性別議題是非常敏感和非常具爭議性的，因此，相關的科學研究也必須一併考慮對社會的影響。延伸閱讀 Chuang J.Y. et al., Adolescent Major Depressive Disorder: Neuroimaging Evidence of Sex Difference during an Affective Go/No-Go Task, Front Psychiatry, Vol. 8: 119, 2017. | science |
300種不同結構的低密度冰分子 | 地表上冰的結構大部分為六角晶體構造，也曾在高空中發現立方體構冰 (cubic ice), 而地球自然環境中僅存這兩種型態的冰。除此之外，至今已發現 17 種冰的類型，而它們存在於系外行星或是其他行星大氣中。近期在《化學物理學期刊》(The Journal of Chemical Physics) 上，日本岡山大學 Masakazu Matsumoto 等人發表文章表示，固態水的分子排列方式可能多達 300 種。在大氣壓力或是更高的壓力下，水分子會被擠壓成比普通冰更結實的固體，而當壓力低於大氣壓力 (溫度也需控制) 時，水分子內就會含有較多空氣，成為密度較低的分子。而目前已知兩種低密度冰，分別為富勒烯冰 (space fullerenes ices) 與沸石冰 (zeolitic ices), 富勒烯冰的密度是正常冰密度的 80%, 而沸石冰的密度則是正常冰密度的 50~90%。Masakazu Matsumoto 的研究團隊主要以沸石冰為基礎，重新配置所有沸石冰的結構使其密度更低，最後模擬出超過 300 種不同的奈米結構，而這些超低密度結構沸石冰多存在於絕對零度與極低壓力的環境下。Takahiro Matsui, Communication: Hypothetical ultralow-density ice polymorphs, The Journal of Chemical Physics, Vol. 147, 2017. | science |
聽快樂的音樂可以增加創造力 | 創意、創造力是人類的複雜行為之一，科學家研究如何增加創造力的方法已有相當長的歷史，而也有許多針對音樂是如何影響人類認知的研究，但對於音樂是如何增加人類創造力的影響相當少。荷蘭奈梅亨大學 (Radboud University) 研究人員為了了解音樂對人類創造力的影響，他們找來 155 位受試者、平均年齡為 22 歲，將他們分組，實驗組分別聽快樂、悲傷、冷靜、焦慮的音樂，控制組則安排在寂靜的環境。研究人員請他們在播放音樂後，進行創造力測試。若對問題提出多項、有用的解決方案的受試者則會增加其創造力擴散性創造力 (divergent creativity) 的分數；若是提出單一最佳解的受試者，則增加聚斂性創造力 (convergent creativity) 的分數。結果發現，聽快樂歌曲的受試者擴散性創造力分數比在寂靜環境下受試者要高。研究人員表示，根據實驗結果，快樂的音樂可以增加人腦的創造性，未來將進一步探索不同環境音如何影響創意，也將研究不同年齡層、不同文化下的受試者是否有不同結果。Simone M. Ritter and Sam Ferguson, Happy creativity: Listening to happy music facilitates divergent thinking, PLOS, 2017/9/6. | science |
以毒攻毒利用茲卡病毒殺死腦癌幹細胞 | 近年來，令人聞之色變的茲卡病毒 (Zika virus) 持續侵襲著南美洲，目前研究已知當母體被病毒感染後會使體內胎兒的腦細胞受損，造成新生兒患有小頭畸形。雖然此病毒對於發育中的胎兒腦部會造成破壞性的傷害，不過，卻可能是膠質母細胞瘤 (glioblastoma) 患者的契機。膠質母細胞瘤，是一種死亡率高的腦癌，在美國，每年約有 1 萬 2 千人被診斷罹患此疾病，主要的治療方式為手術、化學療法與放射線治療。不過，仍會有一小群的膠質母細胞瘤幹細胞 (glioblastoma stem cell) 倖存並持續分裂出膠質母細胞瘤，使治療效果有限。近期，由聖路易斯華盛頓大學醫學院的研究團隊的發現，茲卡病毒能具特異性的殺死膠質母細胞瘤幹細胞。在小鼠實驗中，研究人員分別在具有腦部腫瘤的小中體內注射茲卡病毒或食鹽水，兩周後，注射茲卡病毒的小鼠腦中的腫瘤有顯著的變小，且壽命也較注射食鹽水的小鼠長。研究也發現雖然茲卡病毒能殺死膠質母細胞瘤幹細胞，卻不會攻擊一般的膠質母細胞瘤。研究人員表示儘管還需更多實驗才能應用在人體上，不過未來若能結合現今療法與茲卡病毒，或許就能完整地消除所有腫瘤。Zhe Zhu et al., Zika virus has oncolytic activity against glioblastoma stem cells, The Journal of Experimental Medicine, 2017. | science |
利用特殊材料表面電子的多寡調節生物膜的形成 | 當細菌附著在物體表面時，會迅速產生出多醣的基質，稱作「生物膜 (biofilm)」, 透過這些生物膜的保護讓細菌可生活在環境中。而近期，由科羅拉多斯卡研究所 (Karolinska Institutet) 研究團隊發現若將一種稱為 PEDOT (3,4-ethylenedioxythiophene) 的聚合物周圍加上電子，就能影響細菌的生長。PEDOT, 是一種常用在智慧型手機觸控上的材料，研究發現當施加微量電壓後，使塑料上充滿電子的 PEDOT 表面時，細菌因無法放出本身所需要的電子，而無法形成生物膜；反之若細菌在空的、不帶電 PEDOT 表面時，則能夠不斷製造並累積自身的電子，以提供複製所需的能量，生長出一層厚厚的生物膜。研究人員表示透過這項發現，未來能將此材料塗在醫療器械上，抵抗細菌的入侵，降低細菌感染的風險；而在廢水處理方面則能透過此材料來增加大量的生物膜形成，利用生物膜法產出更多乾淨的水。Salvador Gomez-Carretero et al., Redox-active conducting polymers modulate Salmonella biofilm formation by controlling availability of electron acceptors, npj Biofilms and Microbiomes, 2017. | science |
透過基因組定序數據顯示自然選擇消除對人類不利的遺傳變異 | 演化，指的是某物種發生遺傳突變、產生新的性狀，並受到自然選擇或遺傳漂變影響後，隨著傳承此變異的世代在族群中變得普遍或稀少。儘管演化可能需要數百萬年的時間才能完成，像是人類用兩隻腳行走，不過隨著變異在族群中越來越頻繁，演化的發展本身可能就發生在每一代之中。由美國哥倫比亞大學的研究人員透過分析美英 21 萬人的基因組，發現 70 歲以上的女性擁有與阿茲海默症相關的 ApoE4 基因的頻率降低，而男性則是與重度吸菸有關的 CHRNA3 基因頻率會降低，顯示在壽命較長的人群中較少發生這些遺傳變異，能透過自然選擇消除這些不利因素。除此之外，此研究進一步發現心臟病、 高膽固醇、肥胖與氣喘等遺傳變異也與 較短壽命有關，研究人員表示此結果顯示人類族群的自然選擇可能正在發生。隨著越來越多基因組定序的檢測與研究，研究團隊也希望能持續追蹤這些受試者與其後代，期望能找到更多人類正在演變的線索。Hakhamanesh Mostafavi et al., Identifying genetic variants that affect viability in large cohorts. PLOS Biology, 2017. | science |
科學家首次發現海平面指紋 | 近年來，由於全球暖化、氣溫逐年攀升，也使南極冰棚 (Ice shelf) 斷裂、冰蓋 (Icecap) 融化事件頻傳。隨著冰棚與冰蓋的融化之後，會改變海面地形，而使海平面的變化不平均，科學家將之稱作海平面指紋 (sea level fingerprints)。先前科學家對於海平面指紋理論已有相當深入的了解，但對此現象卻沒有直接的發現。近期，加利福尼亞大學爾灣分校 (University of California, Irvine) 透過與美國航太總署 (NASA) 合作，利用執行重力恢復和氣候實驗任務 (The Gravity Recovery And Climate Experiment, GRACE) 的雙衛星在 2002 年 4 月至 2014 年 10 月期間所收集的重力數據資料，首次計算出海平面指紋，並利用海底壓力數據驗證此計算。研究發現，全球平均海平面每年上升 1.8 毫米，而在中緯度地區的海平面上升幅度最大，且這些海平面的上升有 43% 來自格陵蘭、16% 來自南極，而 30% 則來自山脈冰川。根據這些資料，研究人員表示往後將能任意選取某個海洋區域，來測量海平面上升的變化。Chia-Wei Hsu and Isabella Velicogna, Detection of Sea Level Fingerprints derived from GRACE gravity data, Geophysical Research Letters, 2017. | science |
科學噪音能幫助睡眠的噪音? | 你是否有因為馬路車流、工地施工等環境噪音，打擾到夜間睡眠品質的經驗呢？也許白噪音 (white noise, 白雜訊) 可以幫助你！你可能聽過有些人表示，若沒有聽著電風扇運轉的聲音，他們沒有辦法入睡，這是因為電風扇發出的噪音與白噪音 (white noise, 白雜訊) 相近，而由於白噪音能屏蔽影響睡眠的噪音，因此許多人認為他能夠幫助睡眠，增加睡眠品質。另外相近的聲音還有電視故障發出的聲音 (電視故障聲音較刺耳是因為其含較多高頻率的聲音), 而大自然中類似的聲音包含雨聲、海浪聲等。在科學上，白噪音起源於數學與工程學，今日常應用於聲學、電子學等，其訊號在每一個頻段上的功率相等，也就是說在同一段聲音中，每一個頻率的功率都是均勻的。之所以被稱為白噪音，是因為白光是由各種頻率 (顏色) 的光組成，因此在頻譜 性質上被稱為「白色的」, 另外，因頻譜特性不同，還有粉紅雜訊、灰雜訊等等。1990 年，Spencer 等人想了解白噪音是否能幫助新生兒睡眠，因此在新生兒母親的同意下，找了 40 位剛出生 2~7 天的新生兒，並平分為兩組，研究人員將能發出白噪音的儀器放在實驗組 20 位新生兒的頭部旁邊、距離新生兒 12~20 吋 (約 30~50 公分), 另外 20 位新生兒則 放置在沒有白噪音的環境下，研究人員觀察這兩組新生兒在 5 分鐘內入睡的狀況 (入睡的定義為新生兒閉上眼睛以及心跳穩定)。結果發現，暴露在白噪音下的新生兒，有 16 位在五分鐘內熟睡，而沒有暴露在白噪音環境下的新生兒，則僅有 5 位在五分鐘內自發性地睡著，因 此推論白噪音對於穩定新生兒有一定的 幫助。而這項研究論文中提到一則相當有趣的事，在實驗中，兩組新生兒皆有一位在實驗的五分鐘後仍哭鬧不止，研究人員與母親發現哭鬧的原因為嬰兒肚子餓了，而在餵食完新生兒後，他們就變得相當安定，在論文中研究人員提到:「白噪音能幫助嬰兒睡眠，但僅限肚子不餓的嬰兒。」而根據 Söderlund 等人的研究表示，白噪音能調節腦內多巴胺，並證實白噪音能用以協助注意力不足過動症 (ADHD) 者控制病情；另外，有研究顯示白噪音能有效地增強不同腦區的連接性，增強記憶力。還有相當多對於白噪音與人體影響的相關研究，而目前尚未有研究證實白噪音對人體是否有害，也許今晚您就能試試看聽著白噪音入眠，看看是否真的能幫助提升睡眠品質，但請注意音量，過量將會影響聽力。延伸閱讀 1. Spencer J. A. et al., White noise and sleep induction, Arch Dis Child, 1990.2. Rausch, V. H., Bauch, E. M., and Bunzeck, N.. White noise improves learning by modulating activity in dopaminergic mid brain regions and right superior temporal sulcus, J. Cogn. Neurosci, 2014.3. Söderlund, G. B. W., Sikström, S., and Smart, A., Listen to the noise: noise is beneficial for cognitive performance in ADHD, J, Child Psychol. Psychiatry, Vol. 48, 840-847, 2007. | science |
科學雙凹盤潛藏在紅血球中的微小差異 | 由臺北市所主辦的第二十九屆夏季世界大學運動會 (XXIX Summer Universiade) 已精彩落幕，期間除了守在電視機前搖旗吶喊或熱血的應援團前往賽事場地為國手們加油外，各項賽事的張力更是讓人時而屏息觀戰、時而血脈賁張。隨著選手的亮眼表現、優異的成績，也讓這股世大運旋風感染周遭的每個人。除了賽場上的君子之爭，場下選手們的特殊血型系統 —— 米田堡血型 (Miltenberger antigen subtype III), 也意外地引起了討論。血型，是對血液的分類，主要針對紅血 球表面的某些抗原進行分類，而這些抗 原主要是來自於同一基因上不同等位基因的產物進行區隔，這些產物可以是蛋白、醣蛋白或醣類等，構成一種特定的血型系統。目前，科學家所發現的血型系統中，已被國際輸血協會承認的系統多達 30 種，其中在醫療上最常被使用的為 ABO 血型系統，Rh 型血型系統則次之。ABO 血型系統，除了是最常使用的分類外，也是第一個被發現的系統，1900 年由維也納大學病理研究所的蘭德施泰納 (Karl Landsteiner) 所發現，之後也陸續與其他科學家共同發現更多種血型系統，像是 Rh 血型系統、MNS 血型系統，並於 1930 年獲得諾貝爾生醫獎的殊榮。而 1927 年由蘭德施泰納與列文 (Philip Levine) 所發現的 MNS 血型系統，目前科學家所找到的抗原多達 40 種以上，有許多不同的亞型與變異型，形成一個為數龐大的血型系統。而最主要的抗原有 4 種，分別為 M、N、S、s, 與 MN 有關的醣蛋白稱為血型醣蛋白 A (glycophorins A, GPA), 與 Ss 有關的稱為血型醣蛋白 B (glycophorins B, GPB), 而米田堡血型，則屬於此系統的一種亞型。米田堡血型的抗原，是由血型醣蛋白 A 與血型醣蛋白 B 混合成的一種雜交蛋白 (hybrid protein), 從此蛋白的結構上分析，科學家推論可能由 GYPA 基因與 GYPB 基因在同源基因重組事件中，演變出的單一基因 (GYP.B-A-B) 所轉譯出的醣蛋白。研究發現，米田堡血型的紅血球表面相較於對照組而言，含有更多的 Band 3 蛋白。Band 3 蛋白是一種運輸蛋白，主要負責紅血球上碳酸氫鹽 (HCO3-) 與氯離 子 (Cl-) 進出的通道，且控制二氧化碳的代謝效率。研究更找了 188 名受試者進行運動後二氧化碳的代謝試驗，發現米田堡血型的受試者能更快速的將體內的二氧化碳排出，代表此血型的人應會有較良好的呼吸代謝與耐力。有趣的是，此血型在高加索人種中是十分罕見的 (0.012%), 而在東亞人種則依地區有不同的機率 (2~6%)。然而在這次世大運意外受到矚目的原住民族群裡，米田堡血型的發生率則相對的高，阿美族為 88.4%、達悟族為 34.3%、卑南族為 21.2%。不過目前的研究僅在有氧呼吸下進行，尚未對米田堡血型與無氧呼吸進行相關的研究，因此並無法把在運動項目中需倚重爆發力、世大運中表現突出的短跑、舉重等選手們畫上等號。儘管對米田堡血型的人而言，在生理上可能擁有較佳的呼吸代謝，不過並不代表選手們具有絕對的優勢。除了先天的生理條件外，更重要的是努力不懈的精神與持之以恆的毅力，才是邁向獲勝的唯一機會。延伸閱讀 1. Broadberry R.E. and Lin M, The distribution of the MiIII (Gp.Mur) phenotype among the population of Taiwan, Transfus Med, Vol. 6 (2): 145-148, 1996.2. Hsu K et al., Miltenberger blood group antigen type III (Mi.III) enhances the expression of band 3, Blood, Vol. 114 (9): 1919-1928, 2009.3. Hsu K et al., Expedited CO2 respiration in people with Miltenberger erythrocyte phenotype GP.Mur, Sci Rep, Vol. 5:10327, 2015. | science |
再見「迪皮」,歡迎「希望」 | 英國倫敦自然史博物館 (Natural History Museum) 著名的梁龍全身骨架模型，長久以來佇立在正門大廳迎接遊客，早已成為博物館標誌性的象徵。這副梁龍化石的複製品，是美國企業家「鋼鐵大王」卡內基捐贈的禮物，在 1905 年揭幕，如今已超過百年的歲月，成為倫敦居民共同的文化記憶。英國民眾甚至為它取了個暱稱叫「迪皮 (Dippy, 來自梁龍的學名 Diplodocus)」。隨著博物館展場最近一波大規模整修，陪伴倫敦居民超過一世紀的迪皮終於功成身退，於 2017 年初向大家告別，踏上巡迴全英展示的「退休之旅」。新的展場已經在 2017 年 7 月開放。接替迪皮成為迎賓焦點的龐然大物，是一條藍鯨的全身骨架。這條藍鯨有個悲慘的故事：它是一條成年的雌鯨，於 1891 年在愛爾蘭海岸擱淺。當地漁民宰殺這條擱淺的雌鯨，發了筆橫財。當時甫成立剛滿十年的自然史博物館，買下了全身骨頭來收藏。修復好的藍鯨骨架，原本陳列在館內其中一個展示廳，這次的大翻修工程，館方便決定將它移到正廳取代迪皮，成為自然史博物館在新世紀的象徵。人類獵捕鯨魚作為食用或其他經濟用途有長久的歷史。然而藍鯨、長鬚鯨與大翅鯨等大型鯨類，由於體型龐大加上游泳迅速，獵捕上相當困難，它們的生存在早期還未受人類威脅。直到 19 世紀後期，蒸汽動力輪船、魚叉等新科技引入捕鯨業，情勢才大幅改觀。據估計，1800 年時全世界還有 25 萬條藍鯨，在商業捕鯨急速擴張不到百年後，1966 年時藍鯨的數量僅剩下約 400 條，瀕臨絕種的情況十分嚴峻。1970 年代起，世界各國開始推動保育與禁制商業捕鯨；到目前為止的保育努力小有成就，藍鯨的數量已回復到約 2 萬條。新展示的藍鯨骨架代表了這段歷史的縮影，也象徵人類改變環境、塑造地球未來的能力。館方將它命名為「希望 (Hope)」, 向大眾傳達了強烈的期許。博物館館長狄克森爵士 (Sir Michael Dixon) 表示:「我們活在關鍵的時刻，這個世代所作的決定將會為世界帶來前所未有的衝擊......, 塑造一個永續的未來，就在人類彈指一念之間。」除了教育意義外，藍鯨也有科學上獨特的魅力──它們是地球上最大的動物，在海洋生態系扮演重要角色，也代表一樁生物演化歷程中精采的案例。4 千多萬年前，早已移居陸地的哺乳動物竟重蹈老祖宗的足跡，回歸海洋，重新適應了水中的生活，成為我們今日所見的鯨魚。在 1859 年的初版《物種起源》中，達爾文推測鯨魚是「從熊演化來的」, 因為他曾聽說黑熊會在河裡游泳捉魚。達爾文大膽假設的方向有幾分正確，雖然他弄 錯細節了，而且當時也沒什麼證據。如果達爾文身後有靈，相信他看到騰空躍入人海的「希望」, 也會會心一笑。延伸閱讀 1. Museum unveils 'Hope' the blue whale skeleton, The Natural History Museum official website, 2017/7/13.2. Diplodocus: this is your life, The Natural History Museum official website, 2016/1/1. 3. 張鈞翔等人，〈古鯨奇觀─一場重返海洋的演化歷程〉,《科學發展》第 505 期第 42-46 頁，2015 年。 | science |
枷椗林、紅樹林 | 紅樹林泛指生長在熱帶、亞熱帶河海交界的濕地、潟湖裡的常綠林。組成 紅樹林的植物全世界有 80 多種，分 布在北緯 32° 和南緯 40° 的地帶，比起同樣屬於分布在熱帶、亞熱帶陸地上雨林內的物種，紅樹林的物種真是 少得可憐，尤其在西半球只有 8 種。 紅樹林的英文名 Mangrove, 是美 洲西印度群的島的泰諾族 (Taino) 印第安人對長在河海交界帶的茂密樹林，特別是海茄苳的稱呼，與我們說的海茄苳林相同。在臺灣南部有些地名如下茄定、茄定鄉，應是指當地曾有過紅樹林，「紅」這個俗名是因為這類樹的樹皮富含單寧，單寧是用來染漁網、鞣皮革使保持柔軟又兼防腐的重要天然物 (過去的漁網並非用尼龍等人造纖維)。進到海茄苳林子裡，刮去樹皮一片紅，紅樹林之名的來源不論是泰諾語或華語，推斷都和紅色染料有關。紅樹林植物大多都有適應河口特殊環境的構造，尤其是根系都非常發達 (圖一), 有些樹種甚至橫空長出氣根插入淤泥中固定樹幹，以抵擋暴潮和暴雨的沖擊，所以紅樹林也是護衛國土的第一道屏障，保護海岸，就要保護紅樹林。早在清乾隆 54 年 (1789 年), 海南島林市村的廟牆上就曾有過保育枷椗樹林的告示：一、生枷椗一律不許砍伐，違者罰錢一百文。二、枯枷椗當眾採伐不許用刀，只用 手折，違者當眾收回枷椗歸眾。三、六月不准摘枷椗籽。四、藥魚如死枷椗苗，罰錢兩百文。五、挖土單、抓蟹、捕虎魚不許傷害 枷椗根違者罰錢一百文。六、凡傷害一株枷椗，罰種五十株，種於林市廟前海灘。七、公舉林學易巡邏保管，微資酬謝。八、一切罰錢歸林市公廟，當香燭油燈費用。九、拿偷枷椗者，賞錢罰的半數。十、因天災人禍造成漁船、洋船壓毀枷椗者，免罰。告示上寫的枷椗就是紅樹林植物，當地的紅樹林植物除了海茄苳 (圖二) 外還有紅茄苳、紅海欖、角果木 (細蕊紅樹) 等群落，枷椗籽應指海茄苳的果實，形如蠶豆，浸泡去除苦澀可入菜，土單、蟹、虎魚可以利用，但不得破壞生態系，告示得很清楚。像 這樣的保育、永續觀念，200 多年前 我們就有了。道光年間 (1845 年), 海南島上的 東寨港附近又立了個「奉官立禁」碑，碑文如下：蓋粵稽古帝王發仁政以安民，創事業以興邦...... 故吾今思地陷空暇，糧米無歸，要眾助力種枷椗，以扶村長久。奉官禁諭，戒頑夫於刀斧損傷，特為遵照。—— 定四置：南至譚管、北至蒸籠墩、 東至村、西至大溪。—— 合議六庄，黃家四庄，柯家一 庄，韓吳蒙家共一庄。—— 議先種後折，一禁枯木不得亂 取，如私折者罰錢一千文交公 眾。一議枯木按年正月初十折。—— 禁逸牛亂踏，敗壞者罰錢五百文 交公眾。—— 禁私拿私放與偷者同罰。一議拿 牛踏食者賞錢五十文。碑文中的「地陷空暇，糧米無歸」是指明朝萬曆年間 (1605 年) 發生過的涼州大地震，引發的海嘯毀了 72 個村莊，所以要眾村民協力「種枷椗以扶村長久」, 進行生態復舊造林。此碑中的第一點「定四置」就是設定枷椗保護區，接著明訂管理辦法嚴加保護，同時訂定開放利用時段，以永保可持續利用的資源。這樣的設置保護區經營管理自然資源的做法，也早 在 170 多年前經官署公告實施了。2004 年 12 月 26 日在印度洋發生南亞海嘯，造成近 30 餘萬的人員死亡和巨大的財產損失。早在海嘯發生前，有一群丹麥學者在印度庫達羅 (Cuddalore) 做調查，發現 1980~2000 的 20 年間，該地區的 5 個村落，就已破壞了 26%, 相當於 4.2~5.7 百萬公頃的紅樹林。海嘯發生後再做調查，發現岸邊如有縱深 100 公尺，密度 30 株∕公頃的成樹，不管是紅樹林還是木麻黃，都可以讓海嘯災難減小 90%, 足見紅樹林和海岸林在國土保安的功效。然而，為了蓋球場，蓋機場，破壞紅樹林的開發案例，無日無之 (圖三)。 早在 1999 年，聯合國教科文組織就在泰國濱安達曼灣 (印度洋) 的拉廊河口設置了拉廊生物圈保護區 (Ranong Biosphere Reserve), 是人與自然和諧相處的標的。我們參加了那次的盛會，也跟著一團日本遊客到附近的攀牙灣種紅樹林。日本的民間組織把握在生物圈保護區設置的典禮期間，招募了一個以生態造林為旅遊目的的旅遊團，從日本前來泰國復舊紅樹林，贏得了泰國海岸荒村大小村民的喜愛，也使這個活動更成為全世界矚目的焦點。此舉充分顯示了他們對國際事務的關注和國民外交手腕的靈活。......【更多內容請閱讀科學月刊第 575 期】 | science |
狹義相對論的思想起源 | 愛因斯坦 1905 年的論文《論動體的電動力學》, 從兩大基本公設出發，破除牛頓對絕對時間與絕對空間的錯誤想法，將獨立的時間與空間概念合一，提出嶄新的相對時空觀，從而創建「狹義相對論」。本文回顧狹義相對論之前的物理學，與愛因斯坦提出狹義相對論公設之思路歷程。伽利略在 1632 年出版《關於托勒密與哥白尼兩大世界體系的對話》, 在書中設想一名被關在船艙中的乘客感受，該名乘客觀察艙中飛蟲運動與魚缸中魚兒游動，會發現與在岸上之狀況並無太大差別，甚至用力投擲石頭觀測其飛行軌跡也與在岸邊丟擲差不多，因此在無法窺見艙外景色變化的前提之下，乘客實在無法藉由任何觀測判斷自身處於靜止的船艙中，抑或船隻以固定速度前行。以上所言就是著名的伽利略相對性原理 (Galileo's principle of relativity), 以現代物理語言可表述為:「力學定律在所有慣性座標系中具有相同之數學形式；任何力學實驗皆無法區分觀察者是靜止或等速度運動。」而所謂慣性座標系就是觀察者靜止或作等速度運動之座標系，也是慣性定律能成立之座標系。這個敘述看似完美無缺，但問題是所謂等速運動之座標系，到底是相對於誰等速度？即使伽利略崇尚數學在物理研究中之重要性，但其力學理論仍殘留亞里斯多德思想的遺毒，認為自由落體不是因為受力而加速，乃是物體的自然傾向，且對於物體受力影響後的運動狀態如何改變也語焉不詳，史學家曾評論伽利略的力學理論是「互不相容元 素組成的混合體」。1687 年，牛頓出版《自然哲學的數學原理》, 賦予力學理論正確的數學結構，藉由運動定律可推知物體受力後之狀態如何改變，而為了描述物體運動的位置、速度與加速度等物理量，有必要定義時間與空間的座標系。牛頓認為時間與空間是絕對的，並且不會相互干涉，絕對時間是數學上的時間，其流逝是均勻的，不隨物體的運動狀態有所改變，而絕對空間的本質與外物無關，是永久保持相同且不可移動的，也就是牛頓認為，絕對空間與物質的存在與否，以及物質的種種特性完全無關，是數學上的三維空間且完全遵循歐氏幾何的架構。牛頓對於絕對空間與慣性座標系的想法，可從其做過的一個簡單實驗看出端倪，此實驗現稱之為「牛頓的水桶」(圖一)。在天花板下用繩子吊起水桶，裡面裝半桶水，將繩子旋緊後鬆開，此時水桶開始旋轉，吾人會看到水由靜止不動，逐漸被桶壁的摩擦力帶動旋轉，周圍水面逐漸升高，中間水面逐漸下凹，待水桶停止旋轉時，水面仍持續 保持其慣性運動下凹旋轉。圖一 (c) 與圖一 (d) 的水皆受到慣性離心力 (高中物理教科書多翻譯為假想力) 作用在旋轉，但圖一 (c) 中的水相 對於桶是靜止的，圖一 (d) 中的水相對於桶卻是加速狀態，由此牛頓推論物體受不受到慣性力作用與水相對於桶有無加速無關，乃是宇宙中存在一絕對空間，水是相對於這個絕對空間作加速運動，凡是作加速運動之物體皆會受到慣性力作用，而前文所稱「慣性座標系」, 就是相對於絕對空間靜止或作等速度運動之座標系，是不會感受到慣性力的座標系。有趣的是，與牛頓爭辯微積分發明權的萊布尼茲 (Gottfried Leibniz) 曾批評過牛頓的絕對空間說，他認為空間是用來說明物體的相對位置，如果宇宙中沒有任何物質，空間也不具有任何意義，可到最後萊布尼茲還是不敵牛頓力學的權威。直到 19 世紀，物理學家兼哲學家馬赫 (Ernst Mach) 才又對牛頓的絕對空間說做出挑戰，馬赫認為物體的運動是相對於宇宙中其餘之物質，並非相對於絕對空間，水桶周圍的水之所以會比較高，是因為水相對於宇宙中所有物質在旋轉，或者說所有天體都圍繞著靜止的水在旋轉，天體的旋轉會對水施加一個影響，而這就是離心力的來源，所以物體所受慣性力是相對於宇宙中所有物質的加速或轉動。馬赫強調經驗主義，主張「不能向感官經驗顯示之事物，在自然科學中都是毫無意義的」。這樣的思想影響愛因斯坦甚深，使愛因斯坦堅信相對運動的正確性，摒棄牛頓對絕對空間的想法，進而提出狹義相對論中相對時空的概念，而在之後建構廣義相對論時，馬赫對於牛頓水桶的解釋也讓愛因斯坦深信慣性力與重力在本質上有深刻聯繫，慣性力可看作一種與重力類似的「交互作用」, 進而消除了慣性座標系的優越性，愛因斯坦甚至將其思想昇華為「馬赫原理」— 時空結構最終應被歸因於物質，時空並非獨立的實在。......【更多內容請閱讀科學月刊第 575 期】 | science |
有機廢棄物再利用 及快速處理技術之發展 | 在全球高度重視「氣候變遷、節能減碳與永續發展」的思潮帶動下，有機廢棄物再利用的「綠色環保」概念成為當今的重要價值。人類生活中大量有機廢棄物，若不當處理，將造成環境污染及危害人畜健康。有機廢棄物再生利用的方式不少，選擇多元化再生利用時，應思考有機廢棄物的源頭是土壤，應該回到土壤，才是治本之道，以免土壤資源耗損殆盡。農田土壤的改良需要有機質含量的增加，因為土壤有機質含量是土壤肥力的指標，有機質肥料是穩定糧食生產的根基，以減少化學肥料之施用，可提升作物、產量、品質、健康、安全的良方，並增加農民收益，以達成農業永續之目標。聯合國人居署 (UN-HABITAT) 的數據報告顯示不同城市的人均年產廢棄物有很大的差異，低收入地區均約 225 公斤∕年、中等收入地區約 330 公斤∕年和高收入地區約 550 公斤∕年，其中有機廢棄物占 有很高之比例。低收入地區主要為不可食用的食物垃圾，如蔬菜下腳料，高收入地區主要為浪費的食物及花園或庭院廢棄物。全球各地都有又臭又多的有機廢棄物，難以處理之問題，傳統養殖場或堆肥場臭氣衝天，遭民眾包圍抗議一直在發生，卻無法有效解決。臺灣有機廢 棄物量估計每年約有 3000 多萬公噸，其來源及種類甚多及數量龐大。其中大部分經焚燒、掩埋處理或廚餘當養豬飼料，其餘大多成為污染之源。2003 年《天下雜誌》272 期刊載「有機即商機：一兆元的市場」,「這一場剛萌芽的有機革命，能不能挽救幾十年來被重金屬和農藥所毒害的臺灣大地，以及你我的健康？」但十多年來，如此大的商機，卻因為沒有很好的技術可處理如此又臭又多的有機廢棄物。時候到了，吾人應關切人類困擾數千年未處理的有機廢棄物問題。農業生產長期利用土地的結果，是導致地力衰退的問題。而有機廢棄物可再生成為有機質肥料，施用有機質肥料是保持土壤有機質含量的主要手段，是農業永續經營的要件，是現代農業經營不可或缺的課題。要有健康的作物需要有健康的土壤，要有健康的土壤更需要有充分的有機質，最終才能達成人類的健康及糧食需求。在氣候日益惡化的環境，糧食的危機及壓力愈來愈嚴重，提高糧食生產效率及因應氣候變遷之農業策略調適，以因應未來人類須面對之糧食短缺之生存問題，因此，人類生活中減碳及節能是全球關注的重點。有機廢棄物的有效利用是碳足跡之重要一環，其效益將影響甚巨，有效利用即可降低二氧化碳、甲烷及氧化氮等氣體之增加，值得關切及研究。全球有許多國家有訂定農用化學物質 (肥料及農藥) 使用量減半的年限或不再增加用量的政策，主要是為了減少土壤劣化及保育土壤，鼓勵多施有機質肥料及微生物肥料。我國生技產業策略諮議委員會 (BioTaiwan Committee, BTC) 發展願景中，期望能在 2015 年將農用化學物質使用量減半，但事實難以達成預期目標。由於農用化學物質用量少、又有快速之功效，農民習慣用，尤其化學肥料過去有政府的補貼，而製作有機質肥料之堆肥時間較長，成本較高；雖然微生物肥料及農藥有其功效，但功效較慢，會用的農民不多。因此，製作有機質肥料的技術需要加速，要整合不同的 肥料功能以加速功效。有機廢棄物需要加速再生利用的理由如下：一、有機廢棄物的數量龐大：現今未能有效利用有機廢棄物，是因為傳統堆肥法廢時又有二次污染問題。 臺灣地區每年約有 600 萬噸農作物廢棄物、67 萬公噸果菜廢棄物、1632 萬公噸畜產廢棄物、724 萬公噸垃圾以及數百萬公噸之林產廢棄物、漁產廢棄物。臺灣有機廢棄物量估計每年約有 3000 多萬公噸，現代有機廢棄物的來源及種類甚多，主要來自農業、民生及事業的有機廢棄物，包括各種動植物殘體、排泄物、廚餘、垃圾、污泥與動植物加工等有機廢棄物。其中 2008 年時估算禽畜糞廢棄物約為 600 多萬公噸。但目前臺灣每年生產之有機質肥料約 70 萬公噸，大約消耗 175 萬公噸有機廢棄物，表示仍約 2825 多萬公噸有機廢棄物未能妥善處理再生利用，大多成為污染之源，值得未來從技術面、法規面及政策面多方關切及研究。二、有機廢棄物的成分差異很大，利用困難，易成為污染之源：不同有機廢棄物的成分及理化特性均有很大的差異，影響生物分解的難易度及利用價值，需要多元化再利用。因此，透過有機廢棄物特性的差異，而有不同的利用方式。若以焚燒及掩埋處理有機廢棄物，將有二次污染環境之問題，而一般有機廢棄物的再生利用上，先考量經濟效益，以再生利用成食物、飼料、能源的用途為優先順序，無害的有機廢棄物都可以再利用產製成有機質肥料，回歸於自然大地。三、農業之永續與安全生產之需求：減少化學農用物質農業生產是人類生存的必要方法，因過度施用化學農用物質 (如化學肥料及農藥), 導致食品安全及地力退化問題。加上化學肥料的生產浪費能源及價格持續漲價之問題，氮肥的合成需要耗費大量的能源，磷肥及鉀肥的礦源品質愈來愈有重金屬之問題，全球存量有限。有機質肥料可以有效減少化學肥料，有機廢棄物的循環再利用是解決化學肥料生產耗能及短缺的關鍵。......【更多內容請閱讀科學月刊第 575 期】 | science |
臺灣農業廢棄物的特性及再利用 | 回顧文章敘明和人類懂得栽種作物的歷史相比，使用化學肥料的歷史相當短，一般相信人類栽培作物始於 6000~10000 年前。中國有栽種作物記錄已有 7000 年以上，挪威亦有相近年代記載。直到 1840 年代才有少量天然商業肥料，例如祕魯鳥糞及智利硝石 (硝酸鈉) 首先為西方國家使用。中國化肥網也敘明中國在歷史上長期處於古老農業大國的地位，先民用自己的智慧與實踐經驗獲得了用肥養地的知識，逐步形成了用地與養地相結合的耕種傳統，使我國幾千年的土壤肥力與糧食生產得到相對的穩定。早在 2、3 千年以前就有了鋤草 肥田、茂苗的文字記載。隨後在漫長的封建社會時期，編寫了不少有關農事的書籍，如戰國時期的《禮記》、漢代的《汜勝之書》、晉朝郭義恭的《廣志》、 唐朝韓鄂拼的《四時纂要》、宋朝陳敷的《農書》、元朝王楨的《農書》、明朝徐光啟的《農政全書》以及清朝楊出的著作等。尿素早在 1773 年由尿液結晶物鑑定得 知其化學式，於 1828 年維勒 (Friedrich Wohler) 用氨和三聚氰酸合成，現代 用氨和二氧化碳合成尿素之理論建立於 1868 年，其商業生產則 1922 年德國開始。由氮和氫合成氨是 1913 年由德國成功製成，第一次世界大戰後有許多國家建立製氨工廠。直 到 1950 年代前化學氮肥一直很貴而 多利用豆科作物之固氮作用，1960 年代氨工廠產能提高後氨才漸普遍化。在約 1840 年用硫酸處理磷礦粉製成 過磷酸鈣。1842 年英國勞施 (John Bennet Lawes) 取得專利商業生產過磷酸鈣。最早鉀肥為草木灰 (Ashes), 到 1860 年德國的鉀礦問世壟斷世 界 75 年。化學合成之肥料因養分濃度高、價格較便宜，使農民偏好使用。然而化肥合成需消耗高能量尤其氮肥合成，以氨態氮生產為例能源消耗在 1966 年為 48.2 MJ Kg-1 N、在 1991 年為 34.1 MJ Kg-1 N。磷肥雖然不是經化學合成，但是在處理過程所耗費能源，約 5.1 MJ Kg-1 P2O5 到 26.4 MJ Kg-1 P2O5。鉀肥雖然也不是經化學合成，但是其製程所耗約 4.0 MJ Kg-1 K2O 到 13.7 MJ Kg-1 K2O。農業廢棄物之再利用價值，近半世紀以來，每當有能源危機時，就再被重視，而有機農業的推展更依賴農業廢棄物的循環利用。肥料三要素中除了氮肥無蘊藏量問題，磷及鉀礦的過度消耗會是未來農業嚴重問題。磷礦預估可再用 100~250 年，若提煉技術提昇全量也只能再用 600~1000 年；鉀礦預估高品質鉀肥存量一般預估有 90~200 億公噸 (K2O), 依現有鉀肥消耗速率可再用 350 年，以全鉀存量 1500 億公噸計則可再用幾千年。顏式輕研究員早在 1989 年估算當時臺灣的雞、豬及牛的糞便中所含氮、磷酐及氧化鉀成分，已佔化學氮、磷 酐及氧化鉀肥料消費量的 45.5%、173.7% 及 90.1%。農業廢棄物的利用需要了解其各別成分特性方能取其利去其弊。一、植物性殘體 1. 殘體量：臺灣地區每年約有 600 萬噸農作物廢棄物，67 萬公噸果菜廢棄物，1632 萬公噸畜產廢棄物，724 萬公噸垃圾，以及數百萬公噸之林產廢棄物、漁產廢棄物。筆者於 2011 年依據農委會農業統計資料顯示各種農作物的生產面積及產量，農作物種類中綠肥、牧草、花卉、果品、蔬菜、菇類、特用作物及雜糧等，其中廢棄物較容易估算且較有回收利用的就只有稻桿、稻殼、蔗渣、菇類廢包、茶渣等，依民國 97 年 (農業統計年報，2009) 資料顯示估算分別約 146 萬公噸 (稻穀產量的 1~1.3 倍，採用 1 倍值)、28 萬公噸 (稻穀產量減 去糙米產量)、23 萬公噸 (甘蔗產量的 33%)、5 萬公噸 (每一太空包 0.3 公斤)、1.7 萬公噸 (茶葉產 量)。其他作物的廢棄物基本上很少收集利用，較大宗的有玉米桿飼料玉米約 4 萬公噸 (桿∕玉米粒比約 1.07)、食用玉米約 8.6 萬公噸、落花生藤約 11 萬公噸 (5 公噸∕公頃)、香蕉 20 萬公噸 (殘體和香蕉比約 1:1), 其他很難估算。......【更多內容請閱讀科學月刊第 575 期】 | science |
蘋果iPhone×Face ID立體影像感測技術 | 蘋果公司的第一支智慧型手機 iPhone 上市滿十年的今天，特別推出有史以來功能最強大的旗艦機 iPhone X, 其中最大的特色是取消了 Home 鍵也無需手動解鎖，而是採用 Face ID 臉部辨識 解鎖技術，將 3D 影像技術發揮到極致。數位相機只能取得平面彩色影像，完全沒有深度的資訊，這代表當我們看到一張照片，只知道這個人的臉部有多寬多高，卻不知道他臉部的立體結構，例如：鼻子有多挺 (有多深), 為了取得影像的深度資訊，近年來許多廠商投入研發，目前比較成熟的技術有下列兩種：飛時測距 (time of flight, ToF): 利用發光二極體 (light emitting diode, LED) 或雷射二極體 (laser diode, LD) 發射出紅外光，照射到物體表面反射回來，由於光速 (v) 已知，可以利用一個紅外光影像感測器量測物體不同深度的位置反射回來的時間 (t), 利用簡單的數學公式就可以計算出物體不同位置的距離 (深度), 如圖一 (a) 所示。結構光 (structured light): 利用雷射二極體或數位光源處理器 (digital light processor, DLP) 打出不同的光 線圖形，經由物體不同深度的位置反射回來會造成光線圖形扭曲，例如：打出直線條紋的光線到手指上，由於手指是立體圓弧形造成反射回來變成圓弧形條紋，進入紅外光影像感測器後就可以利用圓弧形條紋反推手指的 立體結構，如圖一 (b) 所示。蘋果將 iPhone X 所使用的 3D 立體影像感測技術稱為「TrueDepth 相機」, 結合了前面介紹的兩種技術，如圖二所示，TrueDepth 相機為 700 萬畫素的 CMOS 影像感測器，配合紅外光相機 (infrared camera)、泛光照明器 (flood illuminator)、接近感測器 (proximity sensor)、環境光感測器 (ambient light sensor)、點陣投射器 (dot projector) 等元件，以下簡單介紹每個元件的功能：1. 泛光照明器：使用低功率的垂直共振腔面射型雷射 (vertical cavity surface emitting laser, VCSEL), 發 射出「非結構 (non-structured)」的紅外光投射在物體表面。2. 接近感測器：使用低功率的垂直共振腔面射型雷射發射紅外光雷射，當有物體靠近時會反射雷射光，因此手機可以知道有物體接近，這個元件很早之前智慧型手機就有了，一般都是安裝在擴音器 (speaker) 旁邊，當使用者撥電話並且將手機靠近耳朵時，接近感測器偵測到耳朵接近就知道使用者正要講電話，會自動關閉螢幕節省電力消耗。3. 環境光感測器：使用光二極體 (photo diode) 可以偵測環境光亮度，在明亮的太陽下使用者眼睛瞳孔縮 小，因此自動將螢幕調亮讓使用者容易觀看；在陰暗的室內使用者眼睛瞳孔放大，因此自動將螢幕調暗避免使用者感覺太刺眼。4. 點陣投射器：使用高功率的垂直共振腔面射型雷射發射紅外光雷射，經由晶圓級光學 (wafer level optics, WLO)、繞射光學元件 (diffractive optical elements, DOE) 等結構，產生大約 3 萬個「結構 (structured)」光點投射到使用者的臉部，利用這些光點所形成的陣列反射回紅外光相機，計算出臉部不同位置的距離 (深度)。Face ID 解鎖主要分為兩個步驟，首先必需辨識接近手機的是否為刻意靠近的臉部，或者只是使用者不小心由手機前面晃過去而已；確認是刻意靠近的臉部之後，才開始進行人臉辨識，從前面的介紹可以發現，啟動 Face ID 解鎖必需同時開啟好幾個元件，是有些耗電的，因此必需確認是刻意靠近的臉部之後，才開始進行人臉辨識。當有臉部或物體靠近時，會先啟動接近感測器，再由接近感測器發出訊號啟動泛光照明器，發射出非結構的紅外光投射在物體表面，再由紅外光相機接收這些反射的影像資訊，傳送到手機內的處理器，iPhone X 使用蘋果自行開發的 A11 處理器，內建雙核心的「神經網路引擎 (neural engine, NE)」, 經由人工智慧的運算後判斷為臉部後，再啟動點陣投射器產生大約 3 萬個光點投射到使用者的臉部，利用這些光點所形成的陣列反射回紅外光相機，計算出臉部不同位置的距離 (深度), 再將這些使用者臉部的深度資訊傳送到手機內的處理器內，經由計算比對臉部特徵辨識是否為使用者本人。......【更多內容請閱讀科學月刊第 575 期】 | science |
區塊鏈進階應用問與答 | 看完了比特幣與區塊鏈的介紹，相信對兩者已有初步的認識，以下回答幾個常見的問題，進一步了解區塊鏈的應用。把前面提到的交易識別確認、資料無法篡改、節點資料同步三種技術統稱為「區塊鏈」。 所以到底這三種技術的是怎麼做的呢？問：請用幾句簡單的話說明何謂區塊鏈？答：你用過 email 嗎？其實在學校或是在企業裡，大都有設立一個 email 的伺服器，透過既定的通訊協定，與 世界各國各地其他的 email 伺服器互通聲息、交換資訊。同樣的，所謂「區塊鏈 (blockchain) 系統」, 簡 單來講，你可以把它看作是一種連結各個應用單位的「訊息溝通管道」。只不過這個訊息溝通管道不是一個單純的「訊息交換器」, 而是具備了 AIDS 四項特殊功能的訊息交換網 路。這 AIDS 四個字母，分別代表 四個英文字的簡寫。A 代表 Authenticated, 是「可被驗證」的意思。亦即，所有在區塊鏈系統當中所傳遞的資訊，都會被記錄在 一個名為「帳本 (ledger)」 的資料庫中。而這些資料如果是採實名登錄制，則每一筆資料都可以驗明正身地確認其由來及出處。我們稱這樣的功能為「可被驗證的 (authenticated)」 功能。而這項功能，在區塊鏈系統當中，是建立在類似像「電子簽章加密」的技術之上。I 所代表的英文字是 Immutable, 意即所有透過區塊鏈系統傳遞、記錄的資料，一旦寫入帳本中，就「無法被變造或更改 (immutable)」。而這項「資料無法被變造」的功能，則植基於一種繁複的電腦演算法 (algorithm)。 藉由這種演算法，我們可以將記錄在帳本中的資料，建立起一種互相連結的關係。電腦只要依照既有的程序檢視，就可以驗證原先相互關聯的關係是否仍然存在，而進一步藉此檢驗是否有人對資料動了手腳。也因此，造就了區塊鏈「資料無法被變造」的功能。D 則代表 Distributed, 分散式的資 料儲存方式。在區塊鏈機制之下，每個應用單位的資料，都是以「分散式 (distributed)」的方式儲存。區塊鏈的應用單位 (稱之為「節點 (node)」) 之間也是以網狀的方式相互連結，相對於海星狀的中衛體系，它並沒有一個所謂的「中心」, 進行資料整合與傳遞送動作 (圖一)。 所以，整個區塊鏈機制當中的資料，基本上是以流水帳的方式，將所有紀錄依時間羅列，逐筆記錄在上述稱之為「帳本」的資料庫中。S 所指的是 Synchronized (同步)。 在區塊鏈系統中，每個節點都有一套這樣的「帳本」, 並且所有應用單位節點中的帳本內容，都即時保持資料的一致性。亦即，只要有一個帳本中新增了一筆資料，其他節點也必須立刻被告知，同步更新帳本資料。 這樣的動作稱之為「資料同步 (data synchronization)」, 而第四個字母 S 所指的就是 Synchronized 這項功能。問：如何使用區塊鏈，才能用到它的關鍵特性？答：在應用區塊鏈的時候，我們會以軟體開發常用的「三層式架構 (3-tier)」, 來看整個應用系統的結構。最底層是 「區塊鏈系統 (blockchain system)」, 中間是「區塊鏈應用系統 (blockchain AP system)」, 最上層則是應用系統與使用者間的「介面或是訊息溝通匝道 (gateway/interface)」(圖二)。就像我們在回答上一個問題時所說的，我們可以將區塊鏈系統當成是一個具備 AIDS 特性的訊息溝通平台，藉由這個平台，訊息得以安全的傳遞，而且被同步、忠實地記錄下來，但是這樣的基礎建設 (infrastructure), 可以有哪些應用呢？......【更多內容請閱讀科學月刊第 575 期】 | science |
顛覆金融業的區塊鏈 | 由於比特幣不適合即時、大量的小額交易，而且在法規上存有疑義、難以被主管機關接受，因此有人將比特幣的部分技術 (主要是保護資料無法篡改的技術) 抽離出來尋找新的應用，並且取了新名字「區塊鏈 (block chain)」, 也有人擴大區塊鏈的定義，把前面提到的交易識別確認、資料無法篡改、節點資料同步三種技術統稱為「區塊鏈」。 所以到底這三種技術是怎麼做的呢？公開金鑰加密 (public key encryption) 的每一位使用者必須自行產生自己所 擁有的金鑰對 (key pair), 包括一把「私有金鑰 (private key)」與一把「公開金鑰 (public key)」, 加密與解密使用不同的金鑰，使用者必須秘密地保存自己的私有金鑰，並且在網路上發佈公開金鑰。公開金鑰可以用來加密，也可以用來驗證，驗證的流程如圖一所示，傳送端使用自己的「私有金鑰」對文件 (明文) 進行加密 (簽署文件) 產生密文再傳送到網路中，接收端使用傳送端的公開金鑰解密 (確認簽署者) 得到明文，如果可以解密代表確認文件真的是傳送端的某人傳送出來的，數位簽章就是使用這種方式來驗證文件的真偽。假設 Alice 支付 Bob 金額 10 btc 購買一顆蘋果，則她的手機應用程式 (比特幣電子錢包) 使用 Alice 自己的私有金鑰將訊息加密，這個動作稱為「數位簽章 (digital signature)」, 想想這不就好像我們在交易文件上簽名一樣嗎？接下來再將訊息傳送到節點 A, 節點 A 再使用 Alice 的公開金鑰將訊息解密，如圖二所示，如果真的可以解開代表這個訊息確認是由 Alice 發出來的，而且 Alice 也不可否認，因為只有 Alice 的公開金鑰能夠解開 Alice 私有金鑰加密過的訊息。比特幣帳本是由一個一個的「區塊」連接而成的「鏈結」, 因此這種技術又稱為「區塊鏈」, 如圖三所示，每一個區塊記錄著付款人與收款人以及交易金額，每一個區塊都記錄了許多筆交易，區塊與區塊之間再鏈結起來，例如：區塊 3 鏈結到區塊 2, 再鏈結到區塊 1, 最後再鏈結到區塊 0。值得一提的是，圖三畫出來的只是示意圖，實際上比特幣帳本並不是像 Excel 一樣的表單，基本上比特幣是 一種虛擬電子貨幣，因此比特幣帳本其實就是一個電腦程式，裡面有許多欄位，如圖四所示，其中包括：1. 表頭 (header)→“previousblockhash”: 前一個區塊的雜湊值 (hash value)。→“difficulty”: 雜湊 (hash) 必須小於「困難指數 (difficulty)」。→“time”: 代表這個區塊形成的時間，以 unix 作業系統格式表示。→“nonce”: 計算雜湊值所使用的參數。→“merkleroot” : 儲存「交易 (trans- action)」的「摘要 (summary)」。2. 交易 →“tx”: 儲存「交易」的欄位，每一個區塊可以儲存多筆交易。3. 其他欄位→“confirmations”: 代表這個區塊已經被 35561 個節點 (node) 確認過了！→“height”: 代表這個區塊在比特幣區塊鏈中的排序為第 277316 個。4. “hash”: 利用雜湊演算法 (hash algorithm) 計算出雜湊值。雜湊演算法雜湊演算法 (hash algorithm) 是一種從資料中建立「數位指紋 (digital fingerprint)」的方法，可以將任何長度的原始資料轉換成一個長度較短的雜湊值，而且也很難由雜湊值反推原始資料，等於是把原始資料加密了一樣，某一段資料對應到某一個雜湊值，不同資料具有不同雜湊值，就好像不同人具有不同指紋一樣，因此稱為「數位指紋」。我們可以利用雜湊值來確認資料有沒有被篡改，同時因為很難由雜湊值反推原始資料，因此也很難篡改。......【更多內容請閱讀科學月刊第 575 期】 | science |
數位黃金比特幣 | 誕生僅八年的比特幣 (bitcoin) 坐實了「數位黃金」之名，於 2017 年 10 月 20 日漲到歷史新高 5932 美元，價值已超越貨幣史中地位悠久的黃金。如果我們把每 1 比特幣對照每 1 盎司黃金，則比特幣比黃金還要貴了幾倍，真的是大勝黃金，雖然這樣的對比喻有點奇怪，但是所有的媒體都是這麼形容的。每次聽到比特幣，總會提到區塊鏈，到底什麼是比特幣？什麼又是區塊鏈 (block chain)? 而區塊鏈是「區塊 (block)」了什麼？又「鏈 (chain)」了什麼呢？比特幣的發明人中本聰 (Satoshi, 筆名，其真實姓名目前尚無定論) 在 2008 年發表了一篇名為「比特幣：一種對等式電子現金系統 (Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System)」的論文，提出了稱為「比特幣」的電子貨幣及其演算法，由於比特幣不適合即時大量的小額交易，而且比特幣在法規上存有疑義難以被主管機關接受，因此有人將比特幣的部分技術抽離出來尋找新的應用，並且取了新名字「區塊鏈」, 是此名稱的由來。由於區塊鏈是源自於比特幣，因此要了解什麼是區塊鏈，就必須先從什麼是比特幣談起。假設 Satoshi 創造比特幣與比特幣帳本 (BTC ledger) 並且給自己 50 btc, 他想要用 20 btc 向 Alice 購買一本書籍，並且記錄在比特幣帳本內，如圖一所示，Alice 第一次聽過有這種東西，她好奇的問 Satoshi: 這個叫什麼幣的聽起來好酷，但是我要怎麼用它來和別人買東西呢？Satoshi 告訴 Alice: 這個很簡單，妳可 以用同樣的方法，支付 Bob 金額 10 btc 購買一顆蘋果，並且也記錄在我的比特幣帳本內，如圖二所示。既然比特幣真的可以買到東西，因此 Alice 很開心的收下了這種第一次聽過的虛擬貨幣。後來 Alice 與 Bob 想想，不對呀！我們彼此之間的交易帳本都儲存在 Satoshi 的電腦裡，都是他說了算，我們有什麼保障呢？聽到了這樣的質疑，Satoshi 說：沒關係，那我把比特幣帳本複製給你們，如圖三所示，讓你們手上也有一份，這樣就可以了吧！但是這樣真的就沒有問題了嗎？1. 將比特幣帳本複製給所有使用者，那電腦記憶體要多少才夠？2. 每一筆交易都要通知所有使用者，那網路的反應夠快嗎？3. 使用者未必熟悉電腦操作，如何使用電腦進行交易？為了解決最後的幾個問題，Satoshi 用這樣的方式來處理，如圖四所示：1. 由 Satoshi 發起建位第一個節點 (Node), 節點是指伺服器 (Server) 以及伺服器內安裝的「節點軟體 (Node software)」與「比特幣帳本 (BTC ledger)」。2. 號召網際網路上熟悉電腦操作的自 願者在世界各地建立節點，同時在伺服器 (server) 內安裝節點軟體與比特幣帳本。3. 節點與節點之間經由「對等式網路連線 (peer to peer network connection)」軟體進行資料交換。4. 使用者安裝手機應用程式 (APP)「 比特幣電子錢包 (BTC wallet)」, 並且以手機付款與收款，使用非常簡單。5. 手機應用程式將交易內容回傳至節點，節點再將交易內容「溢散傳遞 (propagating)」給所有的節點。因此在比特幣的生態系裡，所有的節點是由網際網路上熟悉電腦操作的自願者在世界各地建立，節點是指伺服器以及伺服器內安裝的「節點軟體 (Node software)」與「比特幣帳本」。使用者安裝手機應用程式「比 特幣電子錢包 (BTC wallet)」, 並且以手機付款與收款，資料經由網路傳送給節點，再以溢散傳遞的方式傳遞給所有的節點，最後使全世界的節點內比特幣帳本是同步的。......【更多內容請閱讀科學月刊第 575 期】 | science |
高度是什麼? | 「前、後、左、右」或「東、南、西、北」, 所描述的是一個二維的世界。然而，我們所處在的空間有垂直維度，並非總是可以用「平面」理解，最常見的是球體面上的經緯度。 我們也常用全球導航衛星系統 (如 GPS) 定位，可獲得是「幾 何高」。垂直維度與生活息息相關，故其量度必須有物理的性質，而物理性質則與位能有關，例如灌溉、排水及水力發電時，需要水力坡降的計算。「地球的形狀為何？」在過去是個有趣問題。古希臘畢達哥 拉斯 (Pythagoras) 在公元前 6 世紀提出地球為球形的概念，但是他的想法是源自於「球形」為完美圖形，而不是基於對 實際現象的了解。公元 8 世紀中國唐代太史監南宮說，根據一行制《大衍曆》要求，在今河南省進行天文大地測量。測量結果為子午線上緯度差一度的地面距離為 132 公里，這是 世界上第一次實地弧度測量。此後的 1000 年，弧度測量陸 續的在東西文明中進行。公元 17 世紀末，英國的牛頓 (Isaac Newton) 和荷蘭的惠更斯 (Christiaan Huygens) 根據地球 自轉所產生之離心力，推論出地球是兩極略扁的橢球。18 世 紀中葉，法國科學院在北歐接近極區的拉布蘭 (Lapland) 及南美接近赤道的厄瓜多 (Ecuador) 進行弧度測量，證實 了地扁說。在這一階段，「地球的形狀」是以幾何性質的橢球描述，雖然這個形狀有著離心力的物理背景。在測量上，對於表現「平面」位置而言，一個幾何曲面是十分方便與有效的。因此，「參考橢球體」是「測量基準」中的形狀基準，選擇「參考橢球體」的原則，是選用最貼 合地球實際形狀的。現行「1997 臺灣大地基準 (TWD97)」 採用 1980 年國際大地測量學與地球物理學協會公布之參考 橢球體 (GRS80), 如圖一所示，地球的橢球參數為：長半 徑 a=6378137 公尺、短半徑 b=6356752 公尺。圖一為了示意，看起來很誇張，實際上長短半徑很接近，人眼是看不出地球有點偏橢圓的。測量專家喜歡另外用「扁率」來 描述橢圓，扁率是長半徑 a 與短半徑 b 差值除上長半徑的 比值，而地球模型的扁率 f=1/298.257222101。以此可看 出，測量專家對精準度是如此的苛求。「幾何高 (Geometric Height)」是由橢球定義。圖二中 的「高」其實有不同定義。定義了橢球體，也就定義了垂 直於橢球體的「橢球高 (Ellipsoidal Height)」。如圖二中 R 點之橢球高 hr, 其為橢球面至地表點之法線距離。因 為是單純的幾何量，故又稱「幾何高」。橢球高透過全球導航衛星系統的定位，可以方便、經濟的測定。在當今全球變遷的觀測中，橢球高有定義明確、施測容易的優點，故而成為監測的主要工具。回到人類生活的物理面向，「高」有著「力」的涵意，由此定義「正高 (Orthometric Height)」。「正高」以「大地水準面 (Geoid)」為其參考面，要了解「正高」與「幾 何高」的區別，我們需要先了解「大地水準面」。依據定義，「大地水準面」為通過地球海洋在靜止時的一個面。海面高因當地潮汐隨時間而異，通常以一個選定驗潮站長時觀測得平均海水面定義，故正高基準需與潮位系統連接。 臺灣現行的正高系統的零點定義，根據「2001 臺灣高程基準 (TaiWan Vertical Datum 2001, TWVD 2001)」, 以 1990 年 1 月 1 日標準大氣環境情況下，基隆潮位站 1957 年至 1991 年之潮汐平均海水面為零點。如圖二所示，「橢球面」與「大地水準面」是不同的，「正高」的定義是所量度的點與該點到「大地水準面」法線方向的距離。譬如，地表點 P、Q 到大地水準面之鉛錘線長度 (Hp、Hq), 若該點到大地水準面之鉛錘線為直線，則「正 高」約略為該地表點至大地水準面之距離。而「高程差」指的是地形面上的兩地面點之高程。在測量作業過程中，兩點位置放水準尺，平行當地重力方向，儀器站置放水準儀，讓觀測視線垂直當地重力方向。兩尺讀數之差值，即為觀測所得之高程差。而逐站累積所得，即為所求兩點間之觀測高程差。因有儀器定平之操作程序，故其物理意義為在單站測量時，所得之視線為垂直當地重力方向。然而，各地重力值並非一致，故觀測高程差與測量之路線相關，不同之路線會產生不同之觀測高程差。單一兩站間的差值雖然小到無法以水準測量獲得，但是累積以後的量可以很可觀，因此原始逐差水準所獲得的觀測高程並不符合「物理」性質精確之要件，於測量區域增大或要求精度較高時便不適用，必須將重力也考慮而得到精確值。......【更多內容請閱讀科學月刊第 575 期】 | science |
香檳瓶口竟可製造氣流盤 氣與顏色也隨溫度不同 | 【本刊訊】許多人應該都玩過「水火箭」, 如果今天把主角換成香檳，會是什麼樣的情景？近日，《科學進展》(Science Advances) 一篇研究發現，開封香檳時其瓶口氣體顏色會受溫度影響，且會產生一些與火箭類似的現象！法國翰斯大學 (University of Reims Champagne-Ardenne) 物理學家利桀 - 貝雷赫 (Gérard Liger-Belair) 與其研究團隊，為了解瓶溫對香檳開瓶時的羽狀霧氣 (plume) 有何外觀影響，以室溫 20、30°C 保存的香檳做觀察。結果發現，前者開瓶後飄出的氣羽呈深藍色，而後者則為灰白色。 由於瓶頸中的 CO2 氣體壓力幾乎是瓶外環境的七倍，只要拔掉瓶口的軟木塞，這些氣體的氣壓便會隨高度上升而下降，並將 CO2 轉換成乾冰的煙霧。兩者的煙霧差異來自開瓶降壓後的結晶大小：高溫組結晶較大，可散射所有波長的可見光，因此其氣羽顏色偏白；反之，低溫組結晶較小，且多散射短波長的光，才使氣羽顏色偏藍。 此外，開瓶時因氣流排出瞬間壓力超過周圍空氣五倍，且最初瓶頂壓力與環境壓力的比值，極大於混合氣體到達臨界比 (critical ration) 時的數值，致使瓶頸噴出膨脹不足的超音速 CO2 冷凍氣流，進而形成常見於噴射機或火箭高速發射時才看得到的氣流盤──馬赫盤 (Mach disk), 有興趣者可觀影像 (https://bit. ly/2o13nwk) 畫面。 下次在開香檳慶祝的同時，不妨觀察一下這神奇的馬赫盤，並欣賞這些氣羽散射的光波之美！新聞來源 Gérard Liger-Belair, Daniel Cordier and Robert Georges, Under-expanded supersonic CO2 freezing jets during champagne cork popping, Science Advances, 2019. | science |
預防醫學之應用—擴展性帶因者檢測 | 在遺傳諮詢門診，常常接到夫妻詢問，如何避免生出病痛的寶寶。詳細詢問家族病史並釐清夫妻們擔心的重點後，醫師或遺傳諮詢師就可以和來諮詢者談到如何選擇相關的檢測。當夫妻雙方都是同一種隱性遺傳疾病的帶因者，其後代會有 1/4 的機率是患者。提早知道這種狀況，就能進 一步進行關於生育選擇的計畫，考慮選用產前基因診斷或是人工生殖搭配胚胎著床前基因診斷，來選擇胚胎或是決定胎兒的存歿。為了孕育健康的新生命，夫妻若能在孕前或懷孕早期進行帶因者檢測，篩檢部分常見或是全部的單基因遺傳疾病，提早了解自己可能帶有的致病因子，將可望能造福更多胎兒的生命健康與家庭幸福。所謂的基因序列 (gene sequences), 也不過就是一連串 的鹼基 ATCG 排列而成的一本藍圖，這本大書從製作到 印製完成，可想而知一定會有錯別字。自從人類基因圖譜 (human genome map) 解密之後，目前已知人類基因 數量約有 19000 個左右，而這部分的序列量只佔到全基 因序列的 1~2% 而已。每個人在這 1% 的 DNA 藍圖上，有超過 6 萬個鹼基與參考序列不同，其中約 1 萬個鹼基 變化被預測或已知可以影響細胞功能，這樣的功能影響可以嚴重到造成罕見疾病或是家族性遺傳疾病 (如海洋性貧血), 但因為大部分為隱性遺傳，因此不會影響個體功能，也就是帶因者不會發病。這些鹼基變化也可以是多基因共同配合環境因素疾病 (如氣喘), 遇到有易感體質的人就比較容易發病。目前，臺灣現行由政府補助的常規帶因者檢測為海洋性貧血帶因者篩檢，只要是孕婦在接受產檢時都會檢測。部分夫妻會選做其他帶因率高或是嚴重疾病的帶因者篩檢，如脊髓型肌肉萎縮症 (Spinal muscular atrophy, SMA) 帶因者篩檢、X 染色體脆折症 (fragile X syndrome, FXS) 帶因者篩檢等。然而，因目前已知的單基因遺傳 疾病就有 7000 多種，依照現在基因定序進步的趨勢看來，各種疾病的帶因者篩檢勢必會如海嘯般來襲。因此，受檢者必須先考慮各種疾病的篩檢利弊並與醫師或遺傳諮詢師討論後再進行。首先，需評估進行帶因者篩檢的檢驗方法是否為高敏感度與高準確性的檢測，還有檢驗機構是否值得信賴。例如目 前自費的脊髓型肌肉萎縮症帶因者篩檢，是檢測 SMN1 基因 (特別是第七個外顯子) 有無缺失。大多數帶因者是因 為第五號染色體其中一條缺少了 SMN1 基因，所以在檢測 SMN1 基因劑量時，會比非帶因者 (正常) 少一半的基因劑量。雖然在有經驗的合格實驗室進行此項帶因者篩檢的準確性高，但還是有其限制與極限。舉例來說，少部分帶因者雖然有一條染色體缺少了 SMN1 基因，但是在另一條 染色體上卻同時出現 2 份 SMN1 基因，因此在基因劑量檢測上並不會顯示異常。另外，少部分 (約 2%) 的患者是自體本身 SMN1 基因突變而非遺傳自父或母，藉由檢測父母親的帶因狀況並不能檢測出來。其次，要考慮這個帶因者檢測的疾病是否為嚴重的疾病。這部分主要為私人的考量與取捨，例如苯酮尿症，在 70 年前是很嚴重的疾病，因為患者不能代謝蛋白質中的苯丙胺酸，因此造成智力嚴重受損，行為過動又暴力，需要特殊教育甚至安置到教養院中。但是現在的患者受益於新生兒出生就接受到的全面篩檢，早期診斷後即開始治療，利用飲食控制，也都順利長大成人就學工作，甚至結婚生子。......【更多內容請閱讀科學月刊第 575 期】 | science |
看見宇宙 一 光的故事 | 光是什麼？自古希臘時期以來，光的本質困擾了科學家 2000 多年。直到今天，物理學家雖已能用精確的數字去描述每種電磁波動，就其本質而言，或許我們知道的並不比先哲們多得多少，就讓我們來看看光的故事。距今 2400 多年的古希臘，有位哲學家叫恩培多克利 (Empedocles, 西元前 490 ~ 前 430), 他認為光是種射線。 可是與我們的常識相反，他並非認為物體發光 (或反射光線) 進入我們的眼睛，所以我們就看得見 。他認為光是從我們的 眼睛發射出去的一種射線，接觸到物體後讓我們看得見。這個在現代常識裡看起來異想天開的理論，在古希臘時代可能沒有那麼奇怪。當時的哲學家們並不是靠嚴謹的邏輯和實驗證據建立科學理論，而是圍坐在一起討論，如果大家意見一致，就會成為「真理」! 而這個眼睛發射光線的理論，就 成為了柏拉圖 (Plato, 約西元前 428 ~ 前 347) 學派的真理。柏拉圖就是著名的古希臘科學家亞里士多德 (Aristotle, 西元前 384~ 前 322) 的老師。16 世紀，義大利畫家拉斐爾 (Raffaello Sanzio,1483~1520) 畫了一幅著名的壁畫《雅典學院》(Scuola di Atene), 上面畫了很多古希臘科學和哲學家。柏拉圖和亞里士多德就在畫作正中間，柏拉圖手指向天，亞里士多德掌心向地。有指拉斐爾可能想表達兩師徒對哲學和科學的不同看法：柏拉圖認為知識是可以從腦海中純粹以邏輯推理取得，而亞里士多德則認為必須觀察世間萬物才能獲得真正的知識。柏拉圖相信光是從眼睛發射出去的，可是他的學生亞里士多德則認為相反，是眼睛接收到物件發出的光線才讓我們看得見。亞里士多德主張知識必須從觀察獲得，而非紙上談兵。 可能因為伽利略 (Galileo Galilei,1564~1642) 推翻了他的「重物比輕物下墜更快」理論，很多人都以為亞里士多德是柏拉圖派的。恰恰相反，他其實是個實驗科學家，很多理論都是透過觀察自然而得的。當然，就像重力這個問題，他觀察得不太入微就是了。光線當然不是從眼睛發射出去的。不過，這個理論卻一直被古希臘以柏拉圖為首的先哲們所接受，甚至連大名鼎鼎的數學 家歐幾里得 (Euclid, 約西元前 330 ~ 前 275) 也曾相信。歐 幾里得寫了一本幾何學巨著《幾何原本》(Elements), 由 5 條公理推導出當時已知的所有幾何學定理。《幾何原本》流傳 2000 多年，連愛因斯坦 (Albert Einstein,1879~1955) 亦曾說過，《幾何原本》啟發了他進入科學的世界。歐幾里得是歷史記載首個假設光的路線是直線的人，更以數學描述光的反射定律 (law of reflection)。其實，他並未完全接受恩培多克利的眼睛發射理論，歐幾里得提出了一個疑問：如果光真的從眼睛出發，那麼為何當我們打開眼睛的瞬間，就能夠看見遙遠的星星？除非光速是無限快，否則眼睛發射理論就不能成立。到了盧克萊修 (Titus Lucretius Carus, 約西元前 99 ~ 前 55) 的時代，人們仍然堅信光是從眼睛發射出去的。不過，盧克萊修卻持相反觀點，他認為光和熱均來自太陽的粒子，他同時認為光的速度非常快，且能穿越空氣。以現代人的角度去想，其實頗難想像當時的人為何會相信發射理論。由一個非常簡單的事實就能將其推翻：如果光是由眼睛發射出來的，為何會有黑暗存在？......【更多內容請閱讀科學月刊第 575 期】 | science |
夾在中間的無限大? | 最近「集合論 (Set theory)」有一個大進展，在此和讀者分享。我就讀中班的兒子已經會從 1 數到 100, 問他 6 張樸克牌 1、2、3、4、5、6 和 3 張樸克牌 2、4、 6 哪一個比較多，他可以毫不猶豫地說前者比較 多，6 張當然比 3 張多啊！但是，所有的數學系學生都要經過底下奇妙的第 一關：1、2、3、4、5、6、7、8...... 和 2、4、 6、8...... 哪一個比較多？兩者都是無限大沒錯，但答案是「一樣多」。但是，明明 2、4、6、8...... 只有 1、2、3、4、5、6、7、8...... 的一半不是嗎？怎麼會一樣多呢？所謂的一樣多是什麼意思？數學的嚴格語言讓 我們可以精確描述，沒有模糊空間，因此需要 集合論。1、2、3、4、5、6 比 2、4、6 多，是 因為沒辦法把兩邊的東西兩兩相配對而一個不 剩，即無法在兩個集合 A = {1, 2, 3, 4, 5, 6} 與 B ={2, 4, 6} 的元素間找到一一對應，舉例來說：數學的說法是如果可以在兩集合 A 與 B 之中找到一個能一一對應 的函數，則 A 的基數 (cardinality, 姑且將之想為元素個數) 就和 B 的基數一樣大，我們姑且就稱 2 個集合一樣多。所以用以下的對應法，可以證明自然數 N = {1, 2, 3, 4,...} 與 2N = {2, 4, 6, 8,...} 一樣多：接著就會出現很有趣的習題，例如有理數也跟自然數一樣多，平面上所有坐標是整數的點也跟自然數一樣多。這些集合都有無限多個元素沒錯，但都可以找到方法和自然數一一對應，也就是說可以一個一個編號去數，所以這種無限大叫做「可數的無限大 (countable infinity)」, 代表的集合就是正整數 N。但是，數學系的學生還要過第二關：介於 0~1 之中的所有實數比所有的自然數還多。數學家康托 (Georg Cantor) 給出非常有名、 近乎神乎其技的「對角線證明」, 想法如下：首先，0~1 之中的所有實數當然有無限多個，現在假設介於 0~1 之中的所有實數和自然數一樣多 (可數無限多), 那就可以全部一個一個列出來，把它們都寫成無窮小數，例如按以下的順序寫：然後，我們設計一個新的小數 α, 它的小數點後第一位 與 α1 不一樣，小數點後第二位與 α2 不一樣，小數點後第 一位與 α3 不一樣... 以此類推。......【更多內容請閱讀科學月刊第 575 期】 | science |
數學家大戰出版社 | 上個月我收到一封信，來自新期刊 Algebraic Combinatorics 的暫時主編之一萊納 (Vic Reiner), 信中旨在希望學者能多投稿支持這個新期刊。學界新期刊如過江之鯽，這種信我通常連讀都不讀就刪除。但這封信不一樣，萊納是代數組合領域的領袖之一，而且我還跟他有篇合作論文。他在信中解釋，此期刊的編輯群是原本此領域的頂尖期刊 Journal of Algebraic Combinatorics (JAC) 的同一批人，而所有 JAC 的主編以及大部分的編輯，已經與出版 JAC 的施普林格 (Springer) 出版社集體總辭，等待幾個月後合約一到就走人，因整個編輯群會全部一起搬到這個新期刊，所以在這等待的期間他擔任暫時主編。信中也呼籲大家不要再投稿到 JAC, 已經有投稿或被接受等著刊登的論文也歡迎撤稿，直接移到新期刊。這是與出版社公然宣戰，我頓覺沸騰，數學家們為什麼宣戰？因為出版社真的欺人太甚。沒有在學術界的人，甚至在學術界但不在數學圈的人，很難想像以下就是整個數學論文發表的流程：1. 作者寫出論文，要自己打字再投稿給期刊。 2. 期刊的主編 (數學家) 收到論文，若覺得論文可以，就交給某位編輯 (也是數學家)。 3. 編輯如果覺得可以，要想辦法找到兩個或三個匿名審稿人 (也是數學家)。4. 審稿人會辛苦地看這篇論文，在 3 個月之內把意見給編輯，如果意見不好就退稿，若有刊出的可能，編輯會把意見給作者，然後再重複 2、3、4 點，不斷循環，直到拍版接受刊登。整個過程快則半年，慢者拖到 2、3 年。重點在於，最困難的打字是由作者負責，數學的正確性與價值是在審稿過程中確立，而且期刊編輯與審稿學者都是「無報酬」的義務工作 (除了主編會和出版社有簽約，但是酬勞非常少，和學術付出不成比例)。我審期刊的論文，甚至現在是《臺灣數學》期刊 (Taiwanese Journal of Mathematics) 的編輯，從來沒拿過一毛錢，但每一篇都要細讀才能寫出審稿報告。學界的頂尖期刊、每個子領域真正的頂尖期刊一隻手數得出來，大家關心這些期刊，因為其論文代表的就是該領域的最新進展。投稿是因為期刊的聲望與被刊登後的認可，審稿是因為自律以及可以優先知道最新的發展，兩者都是源自純粹追求學術的卓越的渴望。因此，期刊的高品質與名聲是來自於編輯與作者共同的努力，而這努力是非常學術且非常辛苦的。那出版社在幹嘛？把論文印出來賣，就這樣。所有辛苦的工作都由這些數學家「免費」幫你做好了。講白地說，出版社就是坐享其成，除了印出來之前進行排版或幫忙挑挑文法錯誤外，基本上沒有貢獻，況且現在基本上都已電子化，在 arXiv 網站上大部分都可以看到作者所提供的預印本。而出版社過分的地方在於，首先，作者刊登時要簽一份同意書，把所有的版權全部讓給出版社。然後，開高價賣給各校圖書館，再加上一些莫名的策略，例如把好期刊和爛期刊綁在一起賣、每年續訂都漲價，若不願續訂就連以前的都看不到等，吃定因學術競爭與研究需求，不買不行。甚至還有紙本和電子版本要分開買，如果學校圖書館沒錢訂，作者甚至無法看到自己寫的論文。仔細想想就知道這整個過程非常弔詭，其實出版社不是不能收錢，只是要收得合理，而上述已經遠遠超過合理的範圍。學者的抵制 5 年前哈佛大學的教師諮詢委員會 (The Faculty Advisory Council) 曾寫公開信給校內的所有研究學者，明眼人都知道哈佛八成是針對愛思唯爾 (Elsevier) 出版社，雖然沒有指名，但是雖不中亦不遠矣。重點有三：1. 期刊貴到無法負荷，1 年要花掉 350 萬美金。2. 請大家投稿到開放取用 (Open access) 期刊，即網路上的公開不用錢期刊。3. 如果你是期刊編輯，可考慮辭職對出版社採不合作態度。費爾茲獎得主高爾斯 (Timothy Gowers) 長久以來關心期刊剝削數學家的不合理現象，多次在部落格發文抨擊。不久，網路上隨即出現一個網站「The Cost of Knowledge (知識的代價)」, 這名字取得諷刺，各領域的學者都可以上去連署、聲明，對於過度商業化的期刊，採取不要審、不要投、不要編的態度，短短幾天就有數千名學者響應，看來是山雨欲來。不過說實話，好期刊就是這些，普羅學者和年輕學者畢竟還是要靠文章發表來生存或升等，因此知識的代價在 5 年前 1 萬個學者連署，直到 5 年後的今天只增加到 1 萬 6 千個學者，終究是雷聲大雨點小。出版社當然也慌了，因此出現一些溫情喊話或是讓 1、20 年前的文章可以公開查到，或是出版時作者付錢就能讓文章一勞永逸公開等。但是基本上整個情勢沒有變，也很難被改變，原因很簡單，因為看一個學者的水平，是透過他所發表的論文，不同領域的學者難以判斷，因此，只能從期刊來略知一二，全世界正常的學術單位或學術人都是這樣看的，這也是為什麼科學引文索引 (Science citation index, SCI) 和影響因子 (impact factor) 會反客為主的原因。其實，學者抵制出版社十幾年前已經發生過一次。資訊科學的巨擘高德納 (Donald Knuth) 也曾經寫過一封長信給他創辦的 Journal of Algorithm 期刊，抗議期刊已經貴到不能接受，接著辭掉主編，率領眾人移到 Transactionson Algorithms 期刊。而原來的 Journal of Algorithm 因此元氣大傷，撐了幾年後在 2010 年劃下休止符。回到目前的 JAC 總辭事件，想不到經過幾年的沉澱，宣戰發生在我的研究領域。我回了信給總編，他也感謝支持，但我也懷疑會有多少骨牌效應。因為「品牌」的標籤太難改變，除非是真正認真做研究的圈內人士，否則一般的管理階層或泛泛學者還是希望所投的期刊是有頭有臉的，最好有所謂的科學引文索引或影響因子這種明確的數字以方便證明或加總。但很不幸的是，在這個領域有幾個好期刊是根本沒進 (或根本不關心) 所謂科學引文索引或影響因子，因為說穿了它不過就是一個民間公司的統計資料，而且以數學的觀點來看非常不科學舉例來說，Journal of Combiantorics 期刊是由 2 位美國科學院士金方蓉與葛立恆 (Ronald Graham) 創的期刊，水準頗高。但是我想以臺灣普遍對影響因子或科學引文索引的執念，除非遇到慧眼且同時說得上話的人仗義執言，否則投到這期刊的文章在評鑑或升等時很可能完全不算數，因為它不是科學引文索引的期刊，且沒有所謂的影響因子。Journal of Algebraic Combinatorics 的翻臉會是骨牌效應的第一槍，還是和 Journal of Algorithm 一樣船過水無痕，讓我們持續關注。延伸閱讀 1. 高爾斯部落格:goo.gl/b3E77a。2. 知識的代價網站:goo.gl/ZC11D3。3. 高德納給 Journal of Algorithm 期刊的一封信:goo.gl/ZzLbWM。 | science |
生理時鐘的漫長研究終獲2017諾貝爾獎的青睞 | 科學界的年度盛事，諾貝爾獎 (Nobel prize) 的得獎名單陸續的在 10 月上旬公布。在生理暨醫學獎項中，今年頒給了霍爾 (Jeffery C. Hall)、羅斯巴希 (Michael Rosbash) 與楊 (Michael W. Young) 三位教授，表彰他們在發現生物時鐘 (circadian rhythm) 控制之分子機轉研究上所作的貢獻。雖說三位教授實至名歸，但今年這個獎項的頒發還是令人玩味的。現今生物科技研究發展大多以臨床應用等議題為顯學，連本次的受獎人之一的霍爾都公開的抱怨，自己因得不到研究經費上的補助，在 10 年前已經不得已退出了科學研究的工作。顯然的，諾貝爾獎遴選委員會繼去年之後，再度提出有別於世俗的看法，以實際的行動將榮耀歸諸於這個小眾的基礎領域研究。《科學月刊》在每年 12 月號都會籌辦諾貝爾獎專輯，邀請合適的專家撰文介紹當年得獎者研究上的具體內容，敬請各位讀者期待。在本篇文章中，我更想談談的是，除卻對科學實質內容的關注，非科學領域的社會大眾更想知道的，或許是更形而上的問題；像諾貝爾獎這樣受到關注的著名獎項，為何會對這樣的小眾研究青睞？人類對於生命科學的理解，在近百年中呈現出相當大的變化。傳統的生物學以觀察為主，或許輔以一些實驗來驗證或否證自己的假設。在那個年代當中，生物學家必須運用想像力，透視著實驗結果所代表的生物學意義 (biological meaning), 推出帶有哲理想像的假說；像是遺傳學之父孟德爾藉由碗豆雜交試驗，歸納出遺傳學中著名的分離 率與自由組合率，在全然不知 DNA 為何物的時空背景之下，抽象著去想像「基因」這樣的概念。1950 年代以後的生命科學是截然不同的型態。DNA 雙股螺旋構型的發現，分子生物技術的發展，到目前高通 量 (high through-put) 實驗技術，次世代基因定序技術 (next generation sequencing) 與電腦科技的相結 合，使得研究趨勢變得唯物至上；研究成就往往由一張張明確的實驗數據所累積。現今的生命科學家比較少有機會，體會那個學術最高位階榮銜當中冠名為 PhD (拉丁文：Philosophiae Doctor, 意即「哲學博士」, Doctor of Philosophy) 所蘊含的哲學意義。不過在這樣的轉變之下，是否讓科學活動進行的同時，在末端研究數據累積的競逐之間，失去了更為有高度的、研究上的方向指引。更近一步的，這些研究的目的是什麼？花著預算執行的科學實驗背後所楬櫫的生命現象與人類自省的反思又有些什麼？隨著生物科技重大的進展，這類深入性的討論並未同步的發展與受到重視。生命科學研究的另一項重大的轉變發生於跟金錢方面密不可分的糾葛。環顧一世紀以前，生命科學的研究者大都以隨手可取的材料進行實驗。諾貝爾生理暨醫學獎得主 (1935 年) 德國科學家斯培曼 (Hans Spemann) 在驗證兩生類胚胎灰月區 (gray crescent) 作用時將胚胎勒束所使用的，其實只是自己老婆大人的一根秀髮。隨著科技技術的進步，對於實驗結果的證據力也逐步的提高，這意味者需要投入更多的人力與財力，使得學術競爭從原本的知識競賽，變成知識外加經濟實力的競賽。想要投入分子生物學領域的科學研究，都得先行掂量手頭上能有多少的研究資源，科學不再是那麼的理想至上，而會因所處環境的現實而有所妥協。在目前，一個基本的分子生物學實驗室的建構大都需要 700~1000 萬新臺幣的建置費用，這還不包括更高端的，像是流式細胞儀 (flow cytometry)、共軛焦顯微鏡 (confocal microscopy) 等更為貴重的研究利器。除了儀器價格不斐之外，研究中所使用的材料也是相當的昂貴。像是培養細胞所使用的胎牛血清 (fetal calf serum) 僅 500 毫升一瓶要價達新臺幣 13000~15000 元，而想利用生物晶片 (biochip) 完整的說明一項議題，光在材料上的花費動則便在數百萬元新臺幣。現代的生命科學研究者，往往需要汲汲營營的利用各種機會籌措研究資金，以維持實驗室的運作，並確保自身的研究在技術水平上能得到世界頂尖雜誌的青睞，研究上經費的門檻越來越高，大者恆大，唯有成為學術山頭才能掌握有利的資源。北京大學講座教授饒毅博士在諾貝爾獎公布之後以「勇氣與運氣」為題為文，回顧了近 40 年來利用果蠅作為生物時鐘的整個歷史。說實話，即便到了現在，我們對於生物時鐘存在的生物意義仍然所知有限，對於生物時鐘的相關研究在未來的可能應用性瞭解也甚少。如果時空背景轉移到現在，這樣的研究恐怕更顯乏人問津、曲高和寡。基於單純的想要了解生命，生物時鐘的研究先驅們投入相當的心力從事具有史詩規模的海選活動，嘗試著進行著僅具有百萬分之一機會 (其實當時應該不瞭解機率有那樣的低) 來找尋生物時鐘異常的果蠅株，這種不流世俗、勇於求真，也許才是科學之所以得以跨越時代，留於青史的真正精神。諾貝爾獎是依據瑞典化學家諾貝爾的遺囑，在 1901 年起開始頒發的獎項。獎金的來源是來自其遺產中的 3100 萬瑞典克郎成立基金會，運用其做為基金會運作及獎項獎金之用。諾貝爾獎的獎金或許並沒有想像中的高，近幾年平均各類獎項的金額約在新臺幣 3300 萬元左右，若多人共同獲得則需均分其獎金。以今年生理暨醫學獎的得主為例，平均一人大約獲得約 1100 萬新臺幣。歷經百餘年的諾貝爾獎其實在過程也風風雨雨，有些獎項的提名過程就充滿了爭議，有些得獎人事後充滿爭議性的發言也使這個獎項蒙塵。例如華生博士 (James D.Watson);DNA 雙股螺旋構型的發現者之一的一段插曲。在 2007 年，年逾 79 歲高齡的他發表一連串公開針對人種及女性的不當發言，使得這位當代大師離開了工作一輩子的冷泉港實驗室，人氣急劇下墜。在 2014 年華生拿出他的諾貝爾獎金牌交由專業拍賣公司進行拍賣，並將部分所得捐贈學術單位以挽回名聲。部分學者也批評得獎者不得為三人以上的規定，現今的科學研究多半為群體合作產生的結果，現行的規定難免有所遺珠。即便諾貝爾獎本身的不完美。但在學術上，我認為諾貝爾獎的評審單位仍能善盡職守的，以長遠的眼光來看待科學發展與人類之間的關聯性，並以此啟發後輩對學術活動的認知。有人批評諾貝爾獎的頒發是一種變相的「英雄主義」, 它的確是，但唯有英雄，才能鼓舞人心，鼓勵我們在這從善如流的世界上做些不一樣，突破性的選擇。延伸閱讀 1. 勇氣與運氣：生物鐘的分子研究。饒毅深度解讀 2017 諾獎，goo.gl/CW61bM。2. 科技新報：天才只有一個，那些諾貝爾科學獎荒謬的兩三事，goo.gl/JHWyRj。 | science |
臭氧層的新威脅 | 於 30 年前簽署的蒙特婁議定書，主要逐步規範全球各地數種工業產品中化學物質排放量，避免排放物持續破壞臭氧層，減緩臭氧層消失速率。近期，歐洲地球科學聯盟 (European Geosciences Union, EGU) 跨國研究團隊發表論文表示，目前數個未被列入蒙特婁議定書的壽命短暫物質 (very short-lived substances, VSLS) 排放物質 ── 二氯甲烷、1,2 - 二氯乙烷等，較過去 10 年增加約 60%, 正威脅著臭氧層。研究團隊領導人奧蘭 (David E. Oram) 表示，近幾年在東亞、東南亞地區上空，觀察到含氯 VSLS 濃度遽增，空氣迅速將工業汙染物質帶進熱帶地區，因此在尚未完成降解之前，就被抬升至平流層，減緩臭氧層復原速度。二氯甲烷於 1990 年代至 20 世紀初，於大氣中含量明顯減少，研究團隊推測空氣中二氯甲烷濃度劇增是因開發中國家 (如中國、印度等) 工業快速成長。二氯甲烷被用來當作工業用溶劑或者是油漆清除劑，也使用在一些噴霧器、殺蟲劑產品及感光底片的製造過程中，而 1,2 - 二氯乙烷最常見的用途是作為氯乙烯 (vinyl chloride) 製造過程的中間體，包括各式塑料與氯乙烯的產品，如聚氯乙烯 (PVC) 管等。D. E. Oram et al., A growing threat to the ozone layer from short-lived anthropogenic chlorocarbons, Atmospheric Chemistry and Physics, 2017. | science |
美西森林大火,終成空氣汙染集散地? | 野火經常發生在美西、加拿大等地，由於叢林中充滿泥炭等易燃物質，若輔以人為疏失、強熱光照、火山爆發等因子，即產生熊熊大火，且燃燒後將產生許多碳氣熔膠 (carbon aerosol)。雖科學家已證實黑碳 (即煤炭) 為主要的光吸收與暖化媒介，然而對於野火燒盡後流入大氣的棕色碳 (brown carbon) 瞭解甚少，對於這些強化大氣層暖化的氣膠其作用具不確定性。華盛頓大學 (Washington University) 的氣霧科學家 查克拉柏蒂 (Rajan Chakrabarty) 與威廉 (Brent Williams) 在研究室發現：棕色 碳氣溶膠滯留於大氣一段時間後，便會由光吸收 (light-absorbing) 性質轉變為光散射 (light-scattering)。物質擴散之初，其煙霧顯棕色，且在大氣中造成溫室效應；然而任其飛舞數日，即從棕轉白、減少約 46% 的光吸收，進而降低暖化現象，這意味著 ── 氣霧劑對暖化的影響極有可能被高估。時任華盛頓大學氣候變化計畫 (WUCCP) 主持人威廉表示:「隨時間經過，燃燒後的煙霧顆粒顏色逐漸轉白。煙霧的顏色如維持棕色，透過對輻射之吸收其可持續造成暖化；倘若顏色轉白，則散射輻射光、造成環境被冷卻。」縱使人類已對各種交通與工業用的廢氣 排放上進行控管，然而大自然存在太多 變數。而旱災、洪水、蟲害等對植物進行破壞、造成腐敗生成易燃物，使整座森林充滿「燃料」, 其危險可想而知。研究在在預測野火對氣候影響的極限，因群火繚繞導致的空氣品質有可能間接 影響群體健康，不容忽視。Benjamin J. Sumlin et al., Atmospheric Photooxidation Diminishes Light Absorption by Primary Brown Carbon Aerosol from Biomass Burning, Environmental Science & Technology Letters, 2017. | science |
古老月球上曾具大氣層 | 美國航太總署 (NASA) 月球與行星研究所 (Lunar and Planetary Institute) 近期發表了一項新研究表示，約在 30~40 億年前的月球上，當時大量的火山噴發，噴發出的氣體量比擴散到太空中的氣體要多上許多，因此在月球周圍形成大氣層，這層大氣層在月球表面存在約 7000 萬年，最後溢散至太空中。從地球表面看月亮時，會看到月球表面顏色較深的地方，即是月球盆地，為玄武岩海域所在，在月球內部還相當熱時，這些盆地熔岩爆發，在月球表面形成數百公里的岩漿柱。另外研究人員還表示，曾在 35 億年與 38 億年前，澄海盆地 (Serenitatis) 與雨海盆地 (Imbrium) 充滿岩漿，發生過兩次大型噴發現象。這兩個熔岩海洋是由阿波羅計畫探索，他們蒐集的資料不僅提供氣體噴發年代，還讓科學家找到月球岩漿產生氣體的證據。D. H. Needham and D. A. Kring, Lunar volcanism produced a transient atmosphere around the ancient Moon, Earth and Planetary Science Letters, Vol. 478:175-178, 2017. | science |
正義與公平怎麼來的? 受害者的犯行合理化 | 知名的推理文學、劇場抑或主流媒體，經常為「辯護律師」這個角色下這樣的註解：把被告說得越可憐，贏面就越大！密蘇里大學法律系教授羅賓 (Philip Robbins) 與立頓 (Paul Litton) 對 600 名受試者進行兩項問卷測試，以探究人們依罪犯背景從輕量刑的可能性。研究結果顯示：與非遺傳性精神疾患相比，人們對患有遺傳性精神疾患的犯人、普遍傾向給予較嚴厲的指責，甚至懲處較重。過程中，兩人期待透過對犯案者不同時間點下的情境背景描述，能帶來些不一樣的結果。比方說兒時遭虐待導致的精神疾患，其所受到的負面回饋會較意外導致的精神疾患來得小。「人們覺得遭照顧者存心傷害的人，比意外受傷的人更像個受害者。若事實如此，照顧者越『故意』、受害者應受的道德譴責就越低。」然而最終的結果是，無論原因為何都不會影響普羅大眾厭惡犯人的程度。至於「先天遺傳」為何算不上一個原因，羅賓推測：基因遺傳所致的精神疾患在犯案以前未曾「受過傷害」, 人們普遍不覺得他是一個受害者；反之其它因素 (如車禍意外、虐待) 導致的精神疾患才被認為具傷害事實，這就是兩者的差別。最後，羅賓也提到，對於罪犯，若其患有精神疾患，在祭出懲處前也許可以思考幾個命題，包含犯人為何以及如何患有精神疾患的重要性、精神疾患的成因如何影響社會大眾的評價等。Philip Robbins and Paul Litton, Crime, Punishment, and Causation: The Effect of Etiological Information on the Perception of Moral Agency, University of Missouri School of Law Legal Studies Research Paper No. 2017-21, 2017. | science |
改變免疫細胞、影響癌症擴散的分子 | 肥胖是罹患乳癌的因素之一，雖然先前的研究發現服用降膽固醇藥物能減緩乳癌的風險與死亡率，但科學家卻不知道其中的生理機制。最近，由伊利諾大學 (University of Illinois) 的最新研究發現 一種稱作 27HC 的分子，為膽固醇代謝的副產物，進而促進癌症的擴散。研究人員將帶有乳癌腫瘤的小鼠餵食高膽固醇飲食，發現當膽固醇增加會增加腫瘤的生長和轉移，若服用降膽固醇的他汀類 (statins) 藥物則能降低轉移。進一步研究發現降低轉移的關鍵為抑制膽固醇代謝過程中所產生的 27HC, 此分子的增加會使原本需攻擊癌症的特異性免 疫細胞產生異常，使之認為癌症細胞無害，劫持免疫系統來幫助癌症的擴散。由於 27HC 是透過免疫系統影響乳癌，因此，研究團隊將此應用於結腸癌、肺癌和胰臟癌等癌症中，發現也能促進癌細胞的轉移。目前，研究人員正持續研究 27HC 如何影響免疫細胞的途徑，並嘗試開發抑制 27HC 的小分子藥物，以抑制癌症的轉移。Amy E. Baek et al., The cholesterol metabolite 27 hydroxycholesterol facilitates breast cancer metastasis through its actions on immune cells, Nature Communications, 2017. | science |
更具分化潛力的新型幹細胞被培育出 | 幹細胞具有分化成各種特定細胞的能力，目前已應用在許多研究與治療中。然而，目前已知 2 種類型的幹細胞株 —— 胚胎幹細胞 (embryonic stem cell, ESC) 與誘導多能幹細胞 (induced pluripotent stem cell, iPS), 卻各自有其限制性存在。為了突破現有幹細胞的限制，英國桑格研究所 (Sanger Institute) 的研究團隊嘗試建立一種從胚胎發育最初期就進行細胞培養的方式。由於胚胎幹細胞是在受精卵發育至約 100 個細胞的囊胚階段時進行體外培養取得，因此研究人員假設若能再更早期、受精卵剛分化 出 4~8 個細胞、還保留著某些全能性 (totipotency) 時，更具有分化出各種細胞類型的能力。因此，研究人員透過抑制關鍵訊息傳遞和途徑的特殊條件下培育這些發育最初期的細胞，而新培養出的細胞保留了最早期細胞的發育特徵，並將細胞命名為擴增潛能幹細胞 (expanded potential stem cells, EPSCs)。研究人員表示未來會持續進行更多研究，期望能克服另外 2 種幹細胞所能分化出的細胞類型限制。Jian Yang et al., Establishment of mouse expanded potential stem cells, Nature, 2017. | science |
揭開短腿狗的疾病遺傳學 | 從 20 世紀初以來，獸醫觀察到短腿狗較易患有背痛、後肢麻痺等椎間盤疾病，不過無法確定其原因。最近，由加州大學戴維斯分校 (University of California-Davis) 的研究團隊發現某基因的突變會導致軟骨營養不良 (chondrodystrophy), 造成腿短、椎間盤異常等骨骼問題。研究人員收集了患有椎間盤疾病、各種不同品種狗的全基因組，發現在第 12 號染色體上出現長骨生長異常的基因區，進一步檢查區域中的基因序列發現 FGF4 返座基因 (retrogene) 被高度表達。此外，被診斷出患有椎間盤 疾病的狗帶有此基因突變的可能性為一般狗的 50 倍。FGF4 返座基因是影響發育的重要分子，先前的研究也發現當其受體 FGF3R 產生突變時，會導致人類的侏儒症 (dwarfism)。研究人員認為這項發現不只能幫助短腿狗預防椎間盤疾病或開發相關藥物，未來更能深入探究此基因的變異在人類退化性椎間盤疾病中的致病機轉。Emily A. Brown et al., FGF4 retrogene on CFA12 is responsible for chondrodystrophy and intervertebral disc disease in dogs, PNAS, 2017. | science |
具學習能力與長期記憶的豬 | 先前文獻已發現豬具有社交與學習能力，不過，藉由觀察他人來誘發或複製學習的能力還尚未被研究或證明。近期，由維也納獸醫大學 (University of Veterinary Medicine-Vienna) 對一種稱為酷你酷你豬 (Kune Kune) 的行為研究發現，豬具有相互學習、且將所學技術內化成長期記憶的能力。實驗將 18 隻出生半年的幼豬分成 3 組，其中 2 組被放在觀察室中，觀察牠們的母親或阿姨如何滑動門以獲取食物，另一組對照組則需在沒有觀察之下找出取得食物的方法。試驗結果發現對照組的幼豬會使用所有可能的技術來取得食物，代表沒有特別偏好的行為。另一方面，透過觀察的幼豬會複製母親或阿姨的推動方向和位置，表現出學習的能力。有趣的是，研究人員發現比起觀察當天直接測試，經過一天後再測試會產生最好的學習效果，代表牠們會記住之前所觀察到的現象，且在需要時再現。此外，未觀察的對照組也並非一無所獲，研究人員發現即使經過半年後遇到相同情況時，幼豬會記得並使用當初的方法來解決問題。Ariane Veit et al., Object movement re-enactment in freeranging Kune Kune piglets, Animal Behaviour, 2017. | science |
廚房中的化學 | 廚房是一個充滿科學知識的地方，食材從平淡無奇轉變成色香味俱全的桌菜，絕對不單單只是廚師的技巧而已，沒有背後一連串的化學反應，是不會激發出那麼令人垂涎的佳餚。廚師就是遊走在這一連串化學反應中的魔術師。廚房中的化學要談的議題很多，每一道菜、一頓佳餚都可以說上一整天的科學故事，現在讓我們從基本的糖、鹽、味精開始，再看看常吃的麵包和蛋糕。拋出一小片的薄磚，由各位看官找出更多的璞玉。我們常因為「糖」和「醣」該如何使用而不知所措，有人說「糖」會甜、「醣」不會甜，似乎有點道理，但是甜不甜是個人感受實在很難一錘定音。雖然沒有明確嚴謹的規範，但科學一點的說法是，「糖」用來做「命名」,「醣」則用來作「分類」。例如：葡萄糖、果糖、蔗糖等，都是指特定的食用「糖」; 單醣、雙醣、寡醣、多醣等，都是歸納分類一大項糖的統稱。葡萄糖、果糖、半乳糖都是單醣，單醣是構成雙醣、寡醣或多醣的單體，反之，醣類水解後的最小單元就是單醣，分子小才有辦法被消化吸收。抽血驗的血糖，其實就是在驗血液中葡萄糖的濃度。蔗糖、乳糖、麥芽糖都是雙醣，由兩個單醣分子脫水，用化學式來說：蔗糖 + 水 = 葡萄糖 + 果糖 乳糖 + 水 = 葡萄糖 + 半乳糖 麥芽糖 + 水 = 葡萄糖 + 葡萄糖兩個單醣要結合成一個雙醣一定要脫一分子水；反過來，一個雙醣要分解成兩個單醣一定要加入一個水分子，所以才稱為水解。棉子糖是最常被提到的參醣：棉子糖 + 2 水 = 半乳糖 + 葡萄醣 + 果糖澱粉是一種多醣，由上千個以上葡萄糖構成，米飯、麵包都是澱粉製品，所以教科書常說米飯、小麥咀嚼久一點會有甜味，就是澱粉被唾液中的澱粉酶部分水解成麥芽糖所致，但其實量少所以甜度很有限。「澱粉 (starch)」其實是一個有嚴格定義的名詞，可是 都被濫用了！將米或小麥等作物去殼跟糠層後磨粉，稱為 穀粉 (flour), 穀粉經過水洗，一般都是用鹼水，去除大 部分的蛋白質，再用酸中和、烘乾、粉碎後才稱為澱粉。所以澱粉是純度很高的醣類 (或碳水化合物); 簡言之，穀粉必須經過精製過程才會得到澱粉。澱粉比穀粉貴很多，澱粉包在一顆顆的澱粉顆粒裡，顆粒經加水、升溫後就會膨脹破裂，而釋出澱粉，稱為糊化。廚師常作的勾芡就是利用澱粉的糊化作用，低溫下的澱粉漿液是不會糊化的，自然也沒黏性，所以糊化一定要在超過糊化溫度下進行。糊化是不可逆反應，所以糊化後的澱粉是不會再回到原狀態，雖然它還是葡萄糖聚合物。所有澱粉都可以拿來作勾芡，只是勾芡後黏度不同，而且有的會呈透明狀 (馬鈴薯粉、甘薯粉), 有的會是白色 (玉米粉、米穀粉), 目的不同用法自然不同。糊化後的天然澱粉都是很好消化的食物，補充能量很快，當然血糖也升得快！回頭看看日常生活最常用的蔗糖。市面上可以買到的蔗糖依其蔗糖含量由低到高依序是黑糖、赤砂糖、白砂糖、冰糖；換言之，黑糖是雜質含量最多的蔗糖，冰糖是純度最高的蔗糖。許多人認為黑糖是最營養的糖實在沒啥科學道理，它甚至含有少量致癌物呢！坊間說白砂糖不好更讓人丈二金剛，它是純度很高的蔗糖，而蔗糖是純物質，純度高哪會不好？就跟沒有雜質的純水一樣，怎麼會跟不好扯上關係？烹調加蔗糖的目的是為了蔗糖的甜，不是為了它的雜質，所以沒道理說純度高的蔗糖不好。對溫帶國家而言，蔗糖可由甜菜根提煉純化而得，跟來自甘蔗的蔗糖具有相同的化學結構。但就有美食專家堅稱它們是不一樣的，可能心理因素大於科學因素吧！鹽是人類唯一食用的天然礦石。「鹽」在化學上的定義是一大類化學物質的統稱，但是這裡我們討論的是俗稱 的鹽巴，也就是氯化鈉 (NaCl)。市售各種鹽的主要成 分都是氯化鈉，它們的差異只在於雜質或顆粒大小的不一樣罷了，喝瑪格莉特調酒用的是顆粒較大的鹽，灑在薯條上的是顆粒較小的鹽，它們的成分都一樣。玫瑰鹽 和精鹽只差在那含量低於 1% 的雜質，但是那些少少的、 由其他食物就可獲取的雜質卻要你掏出大把鈔票去購買。鹽是可溶於水的離子化合物，所以在水中它會解離成正一價的鈉陽離子 (Na+) 和負一價的氯陰離子 (Cl-), 數量上是 1:1 的關係，而且相當穩定。多數的研究發現，飲食上攝取太多的鈉離子會造成高血壓等心血管疾病的 罹患風險，所以就有了低鈉鹽，其實就是用鉀離子 (K+) 部分取代了鈉離子。有些低鈉鹽產品則會標榜，每茶匙的鹽鈉離子含量比其他鹽低，事實上是加入了膨鬆劑提高了鹽的體積；吃進去的是虛胖的鹽，當然鈉離子攝取就少了。......【更多內容請閱讀科學月刊第 575 期】 | science |
80年前,臺北正萌芽的教育型天文台 | 說到臺北的天文台，你或許會想到士林基河路上的臺北市立天文科學教育館，然而回溯歷史，臺北第一座開放民眾參觀的天文台，其實在西門附近、坐落於延平南路上，就在現在的中山堂南側的屋頂上。 重回中山堂南側，已看不到當時加蓋在頂樓的天文台圓頂，建築外通往頂樓的樓梯也拆除了，留下的是圍牆上一處填補的痕跡，是當年樓梯口的鐵門所在的位置。如果不說，可能已經鮮少人知道距今 80 年前，1939 年 5 月 1 日，臺北公會堂天文台在這個位置正式啟用。 1920 年代，在昭和年代日本知識份子的影響下，報章上開始出現介紹天文知識的欄位，業餘天文愛好者的人數也逐漸增加。1926 年成立天文同好會臺灣支部之後，業餘天文界也扮演起天文科學知識傳播的角色，在各地舉辦講座與活動，吹起一股天文風潮。 然而，天文觀測總是需要儀器支援，光是靠雙眼能看到的有限。早期天文望遠鏡取得十分不容易，因為主要依賴歐洲國家進口，稀少且價格不斐。直到昭和年代前後，日本五藤光學的技術成熟，開始能自己生產天文望遠鏡，也讓臺灣業餘天文愛好者更容易取得較便宜的天文望遠鏡。 1938 年臺灣日日新報社創社 40 周年時，捐贈了一架 4000 圓 (相當於 2002 年 80 萬新台幣) 的天文望遠鏡，給等同現在臺北市政府的臺北市役所。這架天文望遠鏡就是由五藤光學製作，是一架 4 吋口徑的折射式望遠鏡。臺北市役所評估後決定天文望遠鏡安置在臺北公會堂南側頂樓，這是一個提供民間文化活動的空間，才剛於 1936 年完工。為了要讓天文望遠鏡有空間安置，臺北市役所也協助建造了天文台的圓頂，因此臺北公會堂天文台真正完工啟用的時間就到了 1939 年。到 1945 年臺灣光復後，臺北公會堂天文台就改名為中山堂天文台。 中山堂天文台從建立以來，陪臺灣經歷幾次重要的天文盛事。1954 年 7 月，火星大接近地球的新聞造成一陣轟動，許多人擠到中山堂天文台希望能一飽眼福。然而中山堂天文台空間窄小，實在無法負荷，使得排隊的人潮排到一旁的中華路上。 這個時期正好也是人類走入太空時代的分野。1957 年 10 月 4 日，蘇聯的人造衛星「史普尼克 1 號」成功發射、進入軌道，人類逐漸將自己的影響力往外太空推進。除了蘇聯之外，美國、英國等國家也積極推出自己的人造衛星，一時之間太空競賽的緊張氣氛在國與國之間延燒。 這股熱潮也逐漸延燒到臺灣社會，人們對天文、太空的知識更為積極。臺北市政府考量中山堂天文台的規模不再符合民眾需求，加上附近光害已影響到天文望遠鏡的操作，終於在 1960 年開始在圓山建立新的天文台，三年後圓山天文台正式啟用。從中山堂天文台擴大成圓山天文台，蔡章獻是這個時代重要的見證者，也是臺灣天文史上最早以天文為專業在工作的人之一。早在 1938 年，蔡章獻剛從中學畢業，因為對天文有興趣，就開始在臺北公會堂天文台的「天體觀測同好會」工作。從未接受過正規天文學教育的他，全靠著自學與摸索，一步一步在天文領域拓自己的視野。而後，在第二次世界大戰時，他被日本派到中國打仗，直到戰爭結束才重新回到臺灣。他也順利回歸原本的工作，只是臺北公會堂天文台已經改為中山堂天文台，而他也成為臺北市氣象局的天文科技佐，負責管理天文台。 他曾在年過 80 歲高齡時接受台北市立天文館的採訪，談到他並非當時唯一被派往中山堂天文台的氣象局人員，但他的同事卻沒有一個久待下來，只有他自己一個人待了整整 16 年。蔡章獻曾在年過 80 歲高齡時接受臺北市立天文館的採訪，談到他並非當時唯一被派往中山堂天文台的氣象局人員，但他的同事卻沒有一個久待下來，只有他自己一個人待了整整 16 年。中研院院士、天文學家李太楓的童年回憶中，中山堂天文台裡總能看到蔡章獻的身影，天文台的大小事物由他一手操辦。小學五年級的李太楓，就已流露對天文的興趣，常常下課後就會跑到中山堂天文台。那時，小小年紀的李太楓，總是跟在蔡章獻的身旁，默默、好奇的看著他操作著那一台天文望遠鏡，希望能多從他身上知道多一點天文的秘密。 李太楓描述，蔡章獻當時不僅管理天文台，更將他對天文的熱情，揮灑在天文台外，他開始經營臺北市天文同好會 (現在的臺北市天文協會), 聚集同樣熱愛天文的人們；也開始將自己的所見所聞記錄下來，出版報導天文現況的《天文通訊》。常拜訪蔡章獻的李太楓，也開始定期收到這一本《天文通訊》, 這本雜誌成為李太楓的課外讀物，雖然年紀仍小，還有許多不懂之處，卻仍津津有味地讀著上面報導的天象新聞。蔡章獻對天文的愛，藉著一本本《天文通訊》的出版，散布出去。1963 年竣工落成的圓山天文台，仍向氣象局借調蔡章獻作為天文台的管理人員，直到 1969 年才正式任命他為第一任台長。從臺北公會堂天文台到圓山天文台時期，原先 4 吋的天文望遠鏡已經不敷使用，後來又添購了 16 吋反射式望遠鏡、15 公分折射式望遠鏡、25 公分折光赤道儀，也添購了一些小型的望遠鏡用於平時的教學上。更於 1978 年興建天象館，能夠向一般民眾演示星座與行星運動等。1980 年代，臺灣天文學發展出現一個轉捩點，而這個轉捩點正是天上的一顆眾所矚目的星體 —— 哈雷彗星。週期約 75~76 年的哈雷彗星，在 1986 年回歸引發全球的關注。美國噴射推進研究室 (JPL) 早在 1982 年開始號召天文學家，在當年的 IAU 大會上發起「國際哈雷彗星觀測計畫」(International Halley Watch, 簡稱 IHW), 並從 1983 年 10 月開始不間斷觀測哈雷彗星。美國、蘇俄、歐洲與日本等國也陸續派出宇宙探測器觀測，讓這次哈雷彗星回歸成為史上紀錄最詳盡的一次。對於臺灣而言，這次哈雷彗星回歸不僅使一般民眾自行購買望遠鏡，並聚集到圓山天文台、中南部適合觀測的地點觀賞。此外，民間天文社團也從此興起，包括台中、台南、嘉義、高雄等地都成立了相關社團，促使更多人對於天文現象、知識的追求。以沈君山、李太楓為首的中華民國天文學會，也跟著哈雷彗星的風潮推出天文科普活動。 1991 年，蔡章獻從圓山天文台退休；1996 年底因考量參觀人數逐年增長，圓山天文台的場地不敷使用，而將天文台遷移到基河路；1997 年臺北市立天文科學教育館啟用，成為臺灣至今重要的天文教育場域之一。然而，1999 年圓山天文館因為 921 集集地震，整棟建築成為危樓，評估後在 2000 年 7 月拆除。 從臺灣公會堂天文台、中山堂天文台，搬遷到圓山成立圓山天文台，最後是臺北市立天文科學教育館，最初那架 4 吋天文望遠鏡也一路跟隨，現在落腳於天文館的後門入口處。80 年，臺灣投入天文的人多了許多，不僅是業餘天文界的壯大，更培育出了不少天文專業人才。 延伸閱讀 1. 王彥翔，〈臺北公會堂天文台 80 周年〉,《天文館期刊》,2019 年 5 月。2. 劉愷俐、張桂蘭，〈我在天文臺的日子〉,《臺北星空》,37:19-27,2007 年。3. 蔡安理〈臺北公會堂天文台:「臺北市立天文館」的始祖〉。《臺北星空》,37:9-12,2007 年。 | science |
有覓食經驗的蜜蜂 腦子和別人不一樣! | 【本刊訊】有在出外覓食的蜜蜂，其神經細胞竟會隨之升級！近日 eNeuro 期刊一研究指出，由於此類蜜蜂比無相關經驗的蜜蜂多了尋找食物的任務，其感知震動的神經細胞或神經元也會得到更多的特化。也就是說，這些蜜蜂在感知其他覓食者的訊號時，像是食物所在的位置、距離與質量等，會更加敏感。作為社會性昆蟲 (social insects), 蜜蜂個體在成熟時會承擔不同的社會角色，而部分工作仰賴多模態感覺統合 (multi-modal sensory integration) 的能力，如覓食。來自德國慕尼黑大學 (Ludwig-Maximilians-Universität München) 的研究團隊發現，剛成年與已有覓食經驗的蜜蜂，其神經元中特定細胞的形狀不一。蜜蜂的覓食活動涵蓋一系列的行為，如飛行與搖擺舞 (waggle dances), 且能透過內建「天線」感測空氣中的震動；除此之外，在黑暗的蜂巢中，蜜蜂也會透過某些動作，如利用翅膀振動產生特定的聲音模式，進而與同伴溝通。團隊以歐洲蜜蜂 (Apis mellifera) 為研究對象，針對上述兩種型態的蜜蜂，比較其感應震動的中間神經元 (interneuron)──DL-INT-1。研究指出，雖說樹突大致的特徵在形態重建上沒有什麼顯著差異，然而在密度上卻有一些不一樣。有覓食經驗的蜜蜂，其 DL-INT-1 含有少量精細的樹突，根據 Science News 報導，這可能意味著該樹突細胞再連結上具有選擇性。此外，電極實驗結果也指出，覓食蜜蜂的神經元在刺激與未刺激的情況下，其放電率 (firing rate) 差異也比較大，與甫為成蟲的蜜蜂相比，訊息處理的效率更好。 而研究第一作者，來自德國慕尼黑大學 (Ludwig-Maximilians-Universität München) 的計算機神經科學家庫瑪拉史瓦密 (Ajayrama Kumaraswamy) 也推測，覓食蜜蜂的神經元在形狀上的變化，可能讓他們能更精確地破譯其他覓食同夥的搖擺舞 (waggle dances) 訊號，但覓食經驗與時間流逝是否促使這個改變被發生，仍尚待釐清。新聞來源 | science |
使用水收集器對抗旱災 | 【本刊訊】水資源匱乏是目前全球各地所面臨的環境議題之一，因水資源分配不均，加上近年來的極端氣候影響，尤其以乾燥地區來說，取得乾淨水源變得更為困難。對此，美國加州大學柏克萊分校 (University of California, Berkeley) 的研究團隊，近日發布於《美國化學學會中央科學》(ACS Central Science) 的研究指出，目前已開發出一款新型的水分儲留器 (water harvester), 該儀器縱使在沙漠等乾旱及炎熱的地區也能從空氣中收集水分。根據實驗的結果，該收集器比過往的收集器更有效率，同時也能利用太陽能驅動並儲存電能，維持 24 小時不中斷的運作時間。 此水分收集器所使用的吸水材料為一種多孔材料，稱為金屬有機框架材料 (metal-organic framework, MOF)。研究團隊表示，空氣中的水分子能夠吸附於 MOF 的表面上，並且即使是在室溫的情況下，水分子也能夠在 MOF 內凝結成液態水。實驗過程中發現，在一般的區域中，MOF 每公斤能產出約 1.3 公升的液態水。而團隊在加州境內的沙漠進行實驗，此收集器每公斤的吸水材料也能產出約 0.7 公升的純水。另外，就算是在沙漠中最乾燥的日子中，相對溼度僅為 0.7% 的極低條件下，該收集器還是可以生產約 0.2 公升的水，或許水量不算多，但仍舊可多少緩解乾旱地區的缺水問題。 研究團隊的亞吉 (Omar M. Yaghi) 表示，一般而言，為了要在低的溼度環境中將空氣中的水氣轉為液態水需要將溫度降至 0°C 以下，但此作法十分不切實際且難以實行。但團隊所打造的水分收集器卻能夠在常溫之下順利收集水氣，並轉換為液態水，對於緩解旱災著實是項令人振奮的發明。而現階段，由亞吉所設立的水分收集器公司 (Water Harvester Inc.) 正計畫將此發明量產並銷售，他表示，這台只有微波爐大小的收集器每天約可生產 7~10 公升的液態水，對於面對日常所需的用量已相當足夠。 另外，團隊所設計另一台冰箱體積大小的收集器，估計一天可產出 200~250 公升的水分，足以供應一個小家庭每日所需的用水量。而研究團隊後續的目標是打造出每天能產出超過兩萬公升液態水的機台，同樣以太陽能作為電能的驅動來源，不只發電更為環保，也能造福更多亟需水資源的地區，緩解水資源匱乏的問題。新聞來源 Nikita Hanikel et al., Rapid Cycling and Exceptional Yield in a Metal-Organic Framework Water Harvester, ACS Central Science, 2019. | science |
Wi-Fi新功能誕生 室內可望實踐導航技術 | 【本刊訊】對現代人的生活而言，手機內建的導航軟體不可或缺。舉例而言，開車或騎車時面對不熟悉的路況，或是到陌生的環境時，使用 Google Maps 是個不錯的選擇。但上述的導航模式均以室外為主，室內環境的導航則較少被提及。 對此，美國北卡羅來納州立大學 (North Carolina State University) 的研究團隊，利用 Wi-Fi 無線網路機制所開發的新技術，能夠在室內精準量測物體的距離及速度，可提升需要在室內工作的機器人或無人機的導航能力；而一般民眾利用此技術，在機場或賣場等大型室內環境中也能輕鬆導航抵達任何目的。 大部分的智慧型手機中，都配有計算該裝置移動距離的「慣性測量單元 (inertial measurement units, IMUs)」。但由於 IMUs 的測量誤差值很大，即使是非常短的測量距離也有可能產生極大的偏差，造成導航準確度不佳。一般而言，為改善室外環境 IMUs 的誤差問題，許多設備配有 GPS 功能校正 IMUs 的誤差值，但在室內 GPS 的功能卻起不了作用。對此，研究人員開發一種名為 Wi-Fi 輔助慣性測量 (Wi-Fi-assisted Inertial Odometry, WIO) 的技術，利用 Wi-Fi 功能作為物體的速度測量裝置，能精準追蹤物體的動向，類似聲納的功能，但與聲納所使用的音波不同，WIO 使用的是無線電波。 研究人員沙赫扎德 (Muhammad Shahzad) 表示，將 WIO 與 IMUs 系統配合使用，校正測量的誤差與錯誤，提升裝置在室內計算速度與距離的準確率。雖然 WIO 的軟體系統理論上能夠改善目前室內的導航準確度，但研究團隊在實驗過程中卻遭遇到一項大問題：手機及其他現有的裝置都無法「直接」運行 WIO。而後，團隊開發出一款原型機裝置，並以此裝置將 WIO 與手機等硬體設備進行連結，才解決這項問題。實驗發現，當手機而未使用 WIO 時，誤差範圍落在 40%~49% 之間；然而若配有 WIO, 裝置計算的距離平均誤差範圍為 6.28%。 團隊認為，該技術在未來除了能夠應用於室內導航外，也能搭載於健身追蹤器中使用，甚至應用於具有互動效果的大型遊樂機臺等。現階段研究團隊正與索尼公司 (Sony) 進行合作，目標是進一步提升 WIO 的準確度，並將該技術整合至現有的電子設備中，未來人們也能在大型室內場所裡輕鬆找到「出路」。新聞來源 Raghav H. Venkatnarayan and Muhammad Shahzad, Enhancing Indoor Inertial Odometry with WiFi, Journal of the ACM, 2019. | science |
手機通知響不停工作效率依舊的千禧世代 | 【本刊訊】在網路便利的時代中，不論是電子郵件、即時通訊、手機應用程式與各種通知等，似乎已成為現代生活的一部份。根據統計，重度依賴科技使用的人平均一分鐘內會收到 4 封的網路訊息或通知。面對上述的資訊干擾 (IT interruption), 許多人發現越來越難專注於手頭上的工作與任務。然而，有一群人似乎沒有上述的問題，那便是 1980~1990 年代出生的「千禧世代 (Millennials)」; 對他們而言，網路早已融入生活，生活模式可隨時在虛擬的網路世界及現實中任意切換。因此，有人認為千禧世代的年輕人比起其他世代的長者更能面對及處理資訊干擾，但此想法過去從未證實。而近日美國弗羅里達大西洋大學 (Florida Atlantic University) 的研究團隊於《應用神經心理學：成人》(Applied Neuropsychology:Adult) 發布實驗研究，試圖應證千禧世代是否更能從容應用科技，並找出資訊干擾對於專注度及工作表現的影響。 研究團隊在實驗室中設置一個模擬工作環境，並在實驗過程中加入資訊干擾。受試者為 177 名 18~40 歲的年輕人，拆為 3 組，分別為刻意加入資訊干擾的組別、毫無資訊干擾的組別以及一個處於正常工作狀態的對照組。過程中研究人員記錄各組的任務完成的準確程度與反應時間，並同時測量各組的焦慮程度。 實驗結果發現，與對照組及無資訊干擾的組別相比，有資訊干擾的測試組別在實驗過程中並不會影響其表現能力。然而出乎意料的是，無資訊干擾組別的表現卻較差。另外，3 組的焦慮程度都不高，甚至大部分的受試者表示只有感到「一點點」焦慮，甚至毫無感覺。 該研究顯示出千禧世代的工作表現與專注度並不會因為隨時出現的訊息與通知而下降，甚至能在各種電腦與手機等工具的使用切換下完成任務，代表科技已完全融入該世代的生活當中。比較起來，過去研究發現一般人在資訊干擾的情況下需要花費約 25 分鐘的時間才能回到最初的專注狀態，甚至其中有 41% 的人在資訊干擾的情況下完全打斷其工作，光是一天 8 小時的工時中，電子郵件就會造成 96 次的工作中斷。 總結來說，千禧世代的年輕族群在使用科技產品上，比起年紀稍長的世代更為得心應手，且完全不會影響其工作的效率。研究人員克里斯多福 (Deven M. Christopher) 表示，本實驗將為後續關於年輕世代對科技產品使用的研究提供參考及基礎。新聞來源 Deven M. Christopher and Mónica Rosselli, Information technology induced attentional switching effects on inhibitory control, Applied Neuropsychology: Adult, 2019. | science |
「福衛七號太空任務」回顧於台視播出 再次見證臺灣航太科技里程碑 | 【本刊訊】近年，科技部國家實驗研究院國家太空中心 (以下稱太空中心) 與美國國家海洋暨大氣總署 (National Oceanic and Atmospheric Administration) 共同執行福衛七號計畫；為讓民眾更了解福衛七號，科技部與台視新聞台攜手合作，製作「福衛七號太空任務」影片，並在本 (2019 年 9) 月 6 日於光點華山電影館盛大舉辦特映座談會。 會中，科技部長陳良基與太空領域專家齊聚一堂，也邀請百位高中生一同欣賞精華片段，影片呈現福衛七號從籌劃、組裝、審查、裝運到赴美發射過程中面臨的種種困難與挑戰。影片播放後，邀請福衛七號計畫總主持人朱崇惠、整合測試計畫主持人陳維鈞及電力系統和電機整測工程師葉嘉靖與高中生進行座談，解答現在學生對太空領域的諸多疑問。根據科技部新聞稿，陳良基表示，再次看見福衛七號搭乘獵鷹重型火箭升空，以及最後與六枚衛星通聯等畫面相當感動，也感謝太空中心所有同仁努力克服萬難，透過此次的特映與座談，盼能引發更多學生對太空探索的熱情，更拉近他們與科技的距離。 福衛七號提供的氣象資料，可望提高氣象預報及極端氣候預測的準確度，成為臺灣及東南亞國家預防及減少災害的重要工具；這不只是臺灣在航太科技的重大成就，更造福了全世界。科技部為使更多人能了解福衛七號對全人類的重要性，也在本月 13 日於台視連播三集「福衛七號太空任務」英語版，也將透過國家地理頻道在日本、韓國、菲律賓與新加坡等亞洲國家播映，希望能讓世界看到臺灣的科技實力及貢獻，激發更多青年學子投入航太科技領域。延伸閱讀〈「福衛七號太空任務」見證航太科技里程碑〉, 科技部，2019 年 9 月 6 日。 | science |
減緩熱島效應的策略需因地制宜 | 【本刊訊】現代城市中充滿人工發熱器械，且建築物和道路等均為高蓄熱體，加上綠地逐漸減少，使得該地產生高溫化的「熱島效應 (urban heat islands, UHIs)」。 在都市內種植各種植物，是解決熱島效應的方法之一，然而，瑞士蘇黎世聯邦理工學院 (ETH Zurich) 研究團隊近日發現，雖說種植植被可減緩熱島效應，但並非世界各地所有的都市都適用此方法。 熱島效應是一種在全球各地都會區域中所出現的氣候現象。一般來說，城市內的氣溫較周遭區域高，甚至容易產生霧氣，且此效應通常與該都市的人口規模、都市地區的降雨量及植被數量有關。研究團隊蒐集並分析來自全球各地都會區的熱島效應相關數據，試圖找出適用於各個城市減緩熱島效應的策略。研究第一作者馬諾利 (Gabriele Manoli) 表示，雖說種植植物是減緩熱島效應的好方法，但過往的研究並未表明多少種植量才能降低都市氣溫，需將各種策略進行量化。 因此，馬諾利的團隊與美國普林斯頓大學 (Princeton University) 以及杜克大學 (Duke University) 組成的共同研究團隊，利用全球約三萬座都市及其周遭地區的氣候數據進行分析，並同時將各地的夏季均溫、人口數量及降雨量納入考量。結果發現，當都市越大且降雨量增加時，熱島效應會更加明顯。一般而言，當都市的降雨量增加，會使當地的植物生長數量上升，藉此降低都會區的溫度。但此論點只建立在年降雨量平均為 1500 毫米的條件下。也就是說，就算降雨超過 1500 毫米，都市的降溫效果也不會隨之提升。 此外，乾旱嚴重的地區與熱帶地區的降雨量，對熱島效應的減緩有截然不同的結果。舉例來說，美國鳳凰城 (Phoenix) 地區的乾燥程度猶如沙漠地區，但若透過精準且有計畫地種植植被，該都市內的溫度便有可能低於周遭的鄉村地區；而位於熱帶地區，由熱帶雨林所包圍的新加坡，都會區反而需要更多的的植被才能降溫，但卻也可能導致濕度飆升，反而不利於減緩熱島效應。因此熱帶地區的都市需透過其他的策略降低溫度，例如增加都會區的風循環，或是建造更多遮陽的設施與使用散熱材料。 對於此次研究結果，馬諾利表示，減緩熱島效應並無單一方式，而是需配合各地區的氣候條件，進而制定更適合的方式及策略。目前，研究團隊正試圖找出哪種類型的植物能夠有效地降低周遭溫度，或許未來熱島效應將不再是各地方政府的頭痛項目了。新聞來源 Gabriele Manoli et al., Magnitude of urban heat islands largely explained by climate and population, Nature, 2019. | science |
大堡礁有救? 海底火山噴發引後續效應 | 【本刊訊】目前有群 150 平方公里、約兩萬多個足球場大小的浮石群 (pumice raft) 正漂浮在海上，並朝著澳大利亞的方向前進，約 7~8 個月的時間便可抵達澳洲西岸。除了有機會接觸到數十億海洋生物賴，這群不速之客的到來也可望再次修補大堡礁 (The Great Barrier Reef) 被破壞的地方。 根據法國科學新聞網 Futura 報導，這塊火山岩島，似乎是今 (2019) 年 8 月 7 日波利尼西亞的湯加群島 (Tonga) 附近海底火山噴發後的傑作；由於其為輕質且富含氣泡的岩石組成，故能漂浮於海面，即所謂的浮石。該浮石群最早是被經過的船隻發現，搭乘該船的荷特 (Michael Hoult) 與布里歐 (Larissa Brill) 夫婦表示，他們在前往斐濟的途中於這片浮石海航行了近 6~8 個小時，粗估其有至少 15 公分厚。 澳洲昆士蘭科技大學 (The Queensland University of Technology) 地質學家布萊恩 (Scott Bryan) 於昆士蘭科技大學新聞稿表示，這些浮石的組成前所未見，根據過去研究判斷，其可行經大堡礁所在地，而當地許多海洋生物也將依附其上、隨之漂流，甚至將新的健康珊瑚帶往此地，雖不能完全解決環境受創的問題，卻是加速珊瑚礁恢復、再創大堡礁風華的一種方式。 布萊恩進一步解釋，浮石群接下來可能會在珊瑚產卵期間流經新喀里多尼亞 (New Caledonia)、萬那杜 (Vanuatu) 以及珊瑚海東部的一些珊瑚礁區域，並將部份珊瑚與組成礁石的生物待到大堡礁。每一塊浮石，都是一台「漂流車」, 是海洋生物的家園，也是載體。 此外，研究人員也相當好奇，該浮石群的組成與 2001 年同一座火山爆發時採集到的岩漿樣本是否一樣，抑或是新一批岩漿已經抵達火山的範圍。對此布萊恩表示，若能解開這道謎題，便能了解火山的運作方式，以及火山爆發的條件。早在 15 年前，布萊恩就曾發表過一項湯加群島附近海底火山噴發的相關研究，該研究也表明，這些來自西南太平洋的浮石不但有助於大堡礁的恢復，更有可能就是最初珊瑚礁形成的方式。若真如此，有朝一日或許人們能再親眼目睹大堡礁這片海底淨土的美！ | science |
輕質鋰金屬電池設計再進化 更安全且壽命更長 | 【本刊訊】美國史丹佛大學 (Stanford University) 近日於《焦耳》(Joule) 期刊發布最新研究，他們與 SLAC 國家加速器實驗室 (SLAC National Accelerator Laboratory) 組成研究團隊並研發了一款特殊塗層。報告指出，將此塗層塗布於電池陽極，便可調整鋰金屬電池存在的某些缺陷，延長電池的使用壽命。此一發現，可望將重量較輕的鋰金屬帶回市場做應用！目前市場上主要的可充電電池 —— 鋰離子電池，每年就囊括 300 億美元的龐大市場，為何還要回頭研究壽命不長且存在安全疑慮的鋰金屬電池？根據使丹佛大學新聞稿，材料科學教授庫伊 (Yi Cui) 表示事實上，每磅鋰金屬電池的電量，至少可比同等的鋰離子電池多 1/3, 而鋰金屬電池陽極 (鋰金屬) 也較鋰離子電池陽極 (鋰合金、石墨) 輕巧，若解決可充電鋰金屬電池的問題，將有利於減輕可攜式電子產品的重量；尤其是電動車，電池重量所消耗的能量，讓業界頭疼不已。首先要解決的，是鋰金屬電池會形成「枝晶 (dendrites)」的問題，它們會穿過電池正負極間的分離層 (separator), 且可能在易燃液體中產生短路使電池無法繼續被使用，嚴重的話甚至會釀成火災。因此，團隊在枝晶常形成的地方 —— 電池陽極裹上新塗層，與其它商業組件搭配後製成電池。該塗層布滿動態單離子導電網路 (dynamic solid-electrolyte interphase,DSN), 能將帶電的鋰離子均勻地送到電極處，除了避免不必要的化學反應，也可減少陽極上破壞電池供電能力的化學物質堆積。在經過 160 次的充電循環後，該電池仍能提供近 85% 的電能，而不含該特殊塗層的電池僅能保存 30%, 不僅解決枝晶的問題，也讓新電池的壽命有所提升。以鋰金屬作為陽極的電池，在新塗層的幫助下，得以在穩定性上有進一步的發展。目前，研究團隊正對現有的塗層進行改良，盼能執行更多循環測試並增加電容量的保持 (capacity retention)。而庫伊也提到，雖說該塗層的發明最終目標是能運用在電動車上，但仍會先從其它商業化的電子產品，向大眾展示此設計的安全性。新聞來源 1. Coating developed by Stanford researchers brings lithium metal battery closer to reality, Stanford University, 2019/8/26.2. Zhiao Yu et al., A Dynamic, Electrolyte-Blocking, and Single-Ion-Conductive Network for Stable Lithium-Metal Anodes, Joule, 2019. | science |
攝氏200度也可以運作的超高溫超導體 | 【本刊訊】超導體 (superconductor) 是一種在特定溫度下，電阻呈現為 0 的特殊導體。一般來說，超導現象通常出現在極低的溫度下，而超導體可分為低溫超導體與高溫超導體。其中，高溫超導體是與絕對零度 (0 K) 相對而言的「高溫」, 而並非日常所理解的高溫溫度，但此想法或許將出現轉機。近期中國吉林大學研究團隊發布於《物理評論快報》(Physical Review Letters) 的一項新研究表示，一種特殊的化合物所製造出的超導體，或許將有機會打破現階段的超導體溫度紀錄，甚至在高於室溫的條件下也能擁有超導特性。 因需要在極低溫的狀態下才能展現超導特性，導致在維持低溫的情況下必須消耗更多的能源。因此，科學家不斷積極尋找能承受高溫的材料作為超導體，藉此節省大量能源。去 (2018) 年，德國的化學家發現鑭與氫的合成物 LaH10 所製成的材料在 170 GPa 的壓力與溫度 250 K (攝氏 - 23 度) 的條件下出現超導現象，打破超導體的高溫紀錄。 為了找出能承受更高溫的超導體，研究人員發現，一種由鋰、鎂及氫所組成的特殊化合物 Li2MgH16 可以在高達 200°C 高溫及 250 GPa 的壓力環境中保有超導體的性質。雖然該物質仍為理論的預測階段，但如果未來此預測透過實驗證實為真，不只能再次打破超導體的高溫紀錄，其在室溫或更高溫的環境下的應用潛力無窮。新聞來源 Y. Sun et al., Route to a Superconducting Phase above Room Temperature in Electron-Doped Hydride Compounds under High Pressure, Physical Review Letters, 2019. | science |
國家生技研究園區攜全球生技大廠安進 培育生醫人才、強化產業價值 | 【本刊訊】國家生技研究園區 (以下稱生技園區), 日前與全球生物科技大廠安進 (AMGEN) 簽署合作意向書，雙方將於未來五年聯手推動臺灣生醫發展，合作面向包括新藥研究、生醫產業價值鏈及培育生技人才等。 創立於 1980 年的安進，是生物科技領域的先驅，多年來為全球數百萬患者提供服務，並持續研發具開創性潛力的藥物。其著重研發、製造在治療上仍明顯不足的藥物，並針對心血管疾病、血液腫瘤、骨骼健康、神經、腎臟和免疫醫學六大疾病領域以及生物相似藥進行創新研發。在臺正式成立分公司有近四年之久，除了已展開多項臨床試驗，也持續為上述領域患者提供創新的醫療解決方案。同時，安進也積極參與本地生物科技醫療產業，促進創新能量與發展。 而於去 (2018) 年 10 月開幕的國家生技研究園區，以轉譯醫學及生技製藥作為發展主力，並由中央政府相關單位使用。該園區期望能透過產學合作及資源共享，突破當前生技產業遭遇的瓶頸。目前，衛生福利部食品藥物管理署、國家實驗動物中心及生物技術開發中心等單位皆已進駐，中研院生醫轉譯研究中心、核心主題研究中心及生物資訊中心也正陸續進駐中。生技園區成立將滿周年，在持續跨部會整合及各項國際交流活動之下，產學群聚愈趨明顯。繼今 (2019) 年 7 月與國際藥廠阿斯特捷利康 (Astra Zeneca) 及湘南健康創新園區 (Shonan Health Innovation Park) 簽署合作備忘錄後，現在更與安進聯手合作，首要推動的就是成立生醫人才庫──安進學院。 安進學院將成為臺灣首次與國際藥廠合作的生醫人才資源庫，除了以創新、科技和管理為主軸，聘請全球專家開授相關課程外，也會定期舉辦生物製藥開發技術、藥物製程、跨國法規、基因解碼和企業管理等面向的產學合作研討會，以交流生醫製藥的實務經驗與知識。 根據中央研究院 (以下稱中研院) 新聞稿，中研院院長暨國家生技研究園區聯合會召集人廖俊智表示，安進與中研院相當有淵源，其中，曾任職於安進的林福坤博士過去也為中研院植物所副研究員，進入安進後，更研發出全球第一個紅血球生成素！此次合作將積極培育創新研發與產業經營的高階領導人才，讓臺灣新創技術進一步商品化並推廣到國際舞台。 此外廖院長也強調，雙方未來會針對新藥研究交流、強化生醫產業價值鏈及生技人才培育等面向展開密切合作。安進研發副總裁塔加里 (Philip Tagari) 對臺灣的生醫發展也給予肯定，在亞洲生醫產業釋放潛能的同時，臺灣更在創新、科學研究與數位科技各方面能力具備優勢；對於生技研究園區引領新創生醫生態系的理念，安進深感認同，盼能齊心讓臺灣生醫產業生態體系更趨完善。 本次簽約儀式，由廖俊智院長、吳漢忠代理執行長、安晉研發副總裁塔加里和李宜真總經理共同簽署，而行政院政務委員吳政忠、中研院前院長翁啟惠、中研院副院長劉扶東與園區營運中心代理執行長王惠鈞等人，也都親臨現場共同見證。對於此次的合作，吳漢忠認為，由於園區所在緊鄰中研院，又位於多所大學及醫學中心附近，各項資源整合之後所產生的群聚效應，將加速國內新藥研發腳步，並帶動周邊產業供應鏈。李宜真也提到，盼透過這樣的合作，能整合雙方的創新能量，藉由人才培育、學術交流、資源整合和研發選題等多元合作，培育前瞻性的國際生醫人才，加速臺灣新藥研發。 新聞來源〈國家生技研究園區結盟全球生技大廠安進聯手推動生醫人才庫〉, 中央研究院，2019 年 9 月 4 日。 | science |
以AI轉型企業的幕後推手 史丹佛教授分享人工智慧技術的未來 | 【本刊訊】科技部日前推動「AI 創新研究中心專案」, 更鏈結國際資源、邀請國際重量級專業人士做產學交流，促使臺灣相關研究學者及產業界更加瞭解未來的 AI 發展應用。 這場由臺灣大學人工智慧技術暨全幅健康照護聯合研究中心與台杉投資管理顧問股份有限公司共同辦理的「What’s Next In AI」專題演講，邀請到國際 AI 大師吳恩達 (Andrew Ng) 來分享其頂尖專業知識及其豐富的業界經驗，並與科技部許有進次長、臺灣大學陳銘憲副校長、台杉投資吳榮義董事長、科技部 AI 創新研究中心研究團隊與其他學研單位及產業界等，共同探討人工智慧領域的未來趨勢，思考臺灣未來 AI 的下一步，持續開創臺灣相關技術之頂尖研發與創新應用。 吳恩達目前為史丹佛大學 (Stanford University) 計算機科學系和電子工程系客座教授，是現今全球人工智慧與機器學習領域最具權威的學者之一，在機器學習、深度學習、機器人與計算機視覺等方面皆表現亮眼。曾任職 Google 的他，為致力於將企業以 AI 轉型成功的幕後推手，更入選 2013 年《時代》(Time) 雜誌年度全球最有影響力的 100 人之一。 科技部盼透過此次的演講，促成臺灣學研單位及業界等不同研究領域交流，進而將臺灣頂尖研究能量與產業潛力傳遞至國際，以促成更多未來國際合作與技術交流。未來，科技部也將持續藉由國際 AI 突圍策略，鏈結國際夥伴加速臺灣 AI 創新驅動力，憑藉臺灣本身既有軟硬體優勢，如核心技術與高階人才，並整合跨域、跨國多元之科學、技術與人才，聚焦研究能量，強化技術研發落地及在地化，為未來 AI 技術發展與產業應用帶來加乘效益。 從「小國大戰略」的思維出發，科技部積極布局建構有利數位創新的基礎環境。自去 (2018) 年起，不僅補助臺灣大學、成功大學、清華大學、交通大學等成立 AI 創新研究中心，也支援學研界執行相關研究計畫，更將國際資源做連結，進而孕育 AI 新興產業發展，打造由人才、技術、場域及產業所構築而成的 AI 創新生態圈。透過與吳恩達教授的分享與交流，更對臺灣在未來在 AI 應用、技術突破及普及應用等各面向，提供更多創新思維。 新聞來源〈What’sNextInAI 科技部邀 AI 大師吳恩達共同思考臺灣 AI 的下一步〉, 科技部，2019 年 8 月 27 日。 | science |
雲象科技軟體加速+臺灣AI雲神助攻打造全玻片影像訓練AI辨識模型! | 【本刊訊】臺灣十大最酷科技新創公司之一的雲象科技 (以下稱雲象), 日前與國家實驗研究院高速網路與計算中心 (以下稱國網中心) 展開合作，以臺灣 AI 雲為後盾，運用「統一記憶體」及「算圖優化技術」, 以全玻片數位病理影像發展 AI 模型，不僅節省專業醫師的標註時間，也展現全面檢視下的高辨識品質！雖說智慧醫療的相關應用在今日已遍地開花，然而數位病理方面仍有開發潛能。由於組織病理切片數位化後的影像解析度非常高，光是一張數位玻片的解析度就高達數十、數百億畫素，檔案最大可超過 10GB, 不僅要面對資料儲存的挑戰，也需要花很多時間訓練 AI 模型。打造可辨識特定癌症細胞的深度神經網路模型，讓醫師能更快速有效地透過病理切片辨識癌症細胞，是雲象的核心業務。不過，由於醫師在針對癌症區域做細節標註後，會面對影像過大的問題，一般來說僅能將全玻片影像預先切割為數萬個小區塊，才能進一步訓練 AI 模型。 傳統方法故然效果優異，然而必須預先做好標注才能訓練深度神經網路模型，相當仰賴專業人力的標注與切割。今 (2019) 年，雲象以統一記憶體與算圖優化技術，挑戰用完整的全玻片影像來訓練深度神經網路，省下病理科醫師數月到半年不等的標註時間。此外，採用高速計算架構設計的臺灣 AI 雲，各節點間有 100G 頻寬，不僅可順暢交換處理全解析度影像資料，也讓 AI 訓練變成可能。在雲象的軟體加速及臺灣 AI 雲的協助之下，不僅影像解析的計算速度有所提升，400 倍超高解析度、零切割的全面檢視，更使得切片的辨識的效能大幅提升。 臺灣 AI 雲滿足了生醫研究與應用所需的超高解析度影像運算，也增進 AI 模型訓練的生產力，讓科學家做出更多技術創新。國家實驗研究院新聞稿指出，國網中心主任史曉斌主任表示，為協助各項產業應用落地生根，TWCC 於架構設計初期即考量發展智慧醫療的特殊需求，才使各種應用的高難度技術突破成為可能。 而雲象也已和林口長庚醫院合作，運用新技術發展鼻咽癌全玻片影像 AI 偵測模組，實驗準確率達 96% 以上。未來，雲象將持續挑戰不同種類及更高難度的疾病病理辨識，如骨髓抹片自動分類計數、肺癌辨識及定量、腎臟病理辨識等專案。此外，該技術成果預計於今年 11 月國際高速計算大會 (Super Computing Conference, SC) 發表，有臺灣 AI 雲的幫助，精準醫療將更上層樓，為醫療產業帶來劃時代的革新。 新聞來源〈臺灣 AI 雲助攻全玻片影像訓練 AI 辨識模型技術世界領先〉, 國家實驗研究院，2019 年 8 月 30 日。 | science |
美國日全食觀測記 | 日食初始時，月影最先在阿留申群島和夏威夷群島西北部之間的洋面接觸地球，這些地區會在日出時最早看到日全食。然後月影以高速向東偏北移動，在奧勒岡州的西岸登陸，向東南方斜貫美國，中途在肯塔基州區格郡 (Trigg County, Kentucky) 東北角，與克里斯蒂安郡 (Christian County, Kentucky) 交界處距離約 200 公尺處達到最大食分。此後月球本影在南卡羅來納州的東岸離開大陸，進入大西洋並向東南方移動 最後月影在日落時分時在維德角群島 (Cape Verde) 西南方約 510 公里的大西洋洋面離開地表。這是自 2012 年 11 月 14 日澳大利亞日全食之後，首次全食帶只經過一個國家陸地的日全食。筆者有幸得以在開放報名首日獲得正取，加入由國立自然科學博物館 (以下簡稱「科博館」) 孫維新館長規劃的日食觀測團。此團全名為「美國天地之旅–2017 日全食觀測團」, 是針對全臺國高中生及各級學校現職教師設計，提供天文、太空，與地球科學現場探索及深度學習，並結合難得一見的日全食天象，由學員自己拍攝日全食的過程，還要深入瞭解美西開拓史及西南原住民文化風貌，期能留下深刻的自然探索紀錄。科博館「天地之旅團」總共有 62 名師生參加，在歷經 8 天 (8 月 13 日～8 月 20 日) 的天文與地質景點參訪後，搭著 兩大巴士千里拉車，終於來到了內布拉斯加州的小鎮史泰爾普頓村 (Stapleton Village), 在村外 4.8 公里處，屬於南茜 (Nancy) 老太太的牧場上，就是科博館日食團團員準備進行日全食觀測的地點。史泰普爾頓村於 1912 年時立村，當時聯合太平洋鐵路延伸到此地。它是以史泰普爾頓先生的名字來命名，因為他的捐款裨益了當年該村立村。據美國人口普查局統計，該村總面積為 0.65 平方公里。截至 2010 年人口普查，全村只有 305 人，共有 128 戶。村內有 14.8% 的居民為年齡在 65 歲以上的獨居者。由於本團原先委託旅行社代訂的旅館，在數以億計的天文迷爭相搶訂住宿的險惡情勢下，竟然遭到取消。因此今年 7 月間孫館長親自前往內州踩點時，原以為再訂到房的機會渺茫，但卻在當地的加油站巧遇任職其間的南茜老太太。有趣的是，她所住的牧場恰好位於全食帶中心線的正下方。更有幸的是，好心的南茜太太當場慨然答應出租牧場空地提供日食團使用，並只酌取些微合理的費用。但也因為如此，當全團於日食前一天傍晚抵達該地時，在偌大的牧場草地上，大家只能發揮團隊精神，分工合作搭起 6 頂 12 人大帳篷用以露營過夜，並用就地採買的發電機與瓦斯爐自理炊事。就這樣在日食的前一夜，牧場上的各種動物，陪著大家一同觀星過夜，這實在是終生難忘的有趣體驗。團員們也只得枕「鏡」待旦，迎接翌日日全食的來臨。當夜孫館長和所有團員在璀燦的星空底下，展開一場知性、感性兼具的「星空夜語」, 大伙兒在辨識星座之餘也不忘聊天說地，討論臺灣的科學教育現況。凝望著夏三角逐漸西沈，飛馬秋四角與王族星座堂堂東升，在子夜前，星語對話結束了。一部分團員互道晚安鑽入營帳中歸寢，但筆者和攜帶赤道儀的幾位老師自傍晚起，就已架起了觀測器材先行對準極軸，並試拍星空預做準備，此時才是驗收精確度的良好時機。不料深夜 時許，大片烏雲自南天襲捲過來，瞬間群星消失無蹤，這為大伙兒帶來了極大壓力。畢竟大隊人馬千里迢迢長途跋涉，為的就是次日中午全食的那一瞬。仍然清醒的工作人員及多位熱心的地科老師如謝隆欽老師等人，連忙上網搜尋周遭地區明晨的天氣預報與雲圖資料。豈料結果竟是：鄰近地區沒有一處的情況堪稱樂觀！翌日是否要轉陣再戰，還得靜待天明後再做決定。第二天一早早餐時，天上依然雲霧瀰漫、烏雲蔽日。清晨 5 時許，工作團隊緊急開會，決定由孫館長率領若干人等，驅小車馳往西側探點，其餘團員仍暫留原地按兵不動。一旦先遣部隊發現天候較佳的地點，再馬上通知全團立刻留帳拔陣出發，即刻轉往新地點觀測日食。無奈先遣小組雖然西行了將近 1.5 個小時，依然無法逃 出雲霧的魔掌。就在組員愈駛愈灰心、壓力也愈來愈大時，原紮營地傳來好消息，筆者與科博館王斌威博士均一致通報，原本在牧場上空的濃厚雲層開始變薄，逐漸出現雲洞和陽光了！於是先遣小組即刻回頭趕回牧場，返抵時雖已近中午 11 點 30 分許，幸好還能即時趕上「初虧」階段。先遣隊看著亮麗的陽光下，愉快而忙碌操作著觀測儀器的團員們，工作人員雖然原本個個面露疲憊，心中無不頓時喜形於色，充滿了欣慰之情。一個多小時的食既前偏食階段，在期待與興奮中快速消逝。團員除了忙於拍照記錄並且互相討論學習之外，也有人在厚紙箱板上鑿洞，排成臺灣的形狀，在已經偏食彎月狀的日光照射下，出現在地面上的竟是一個個小彎月構成的美麗寶島圖形。隨著時間愈來愈近食既階段，大地迅速轉為彩霞昏暗，除了氣溫明顯降低並刮起日食風之外，在食既之前，明亮的金星竟已高掛天上，出現在太陽的西邊了！正午 12 時 53 分一到，就在 全團目睹鑽石環與倍里珠現象而大聲驚呼的讚嘆聲中，全食階段正式開始了！此時太陽整個被月球遮住，月球的本影恰恰通過並籠罩在所有人的頭頂！團員們紛紛取下了護目用的日食眼鏡，直接用裸眼凝視這畢生難忘的天文奇景。一時間相機快門聲此起彼落，讚嘆聲與驚呼聲也未曾暫歇。團員間有互相擁抱的，也有熱淚盈眶的；不管此番是初睹奇景的，還是再次又能觀看日食的團員，大伙兒通通忘卻了前一晚超過 10 小時以上，因天候不明朗的艱熬，那來自天上與內心的雙重陰霾，紛紛互道恭喜並爭相欣賞彼此相機或手機觀景屏上的即時美圖；熱烈地討論肉眼觀察到的日冕微妙結構與太陽近旁的明亮恆星──獅子座軒轅十四等等細節。歷時 2 分 33 秒的全食階段，說短不短卻也說長不長；一轉眼間就那樣結束了。比起 2008 年筆者在新疆伊吾所經歷的 1 分 56 秒全食時間，實在沒能感覺長了多少。但此時心情的激動起伏度與雙眼的觀察豐收感，卻是不可相提並論、互相比擬的。當月球一移出太陽的盤面時，又一次的倍里珠和鑽石環美景，讓金光瞬間回灑大地，太陽又回復為大地的主宰。團員們無論是肉眼觀察或作了儀器記錄的，個個都深感收獲滿滿。在牧場的大巴士旁開心地拍完團體照之後，趕緊拔營收拾，跳上巴士，開始漫漫塞車朝丹佛市市區方向前進。只因此時牧場周邊的每條小公路都瞬間湧入大批人群與車潮，以致平日輕鬆的路況瞬間變得無比繁忙了。「美西天地之旅與 2017 日食觀測團」的整個行程，就在順利完成日全食觀測的最高潮之後劃上了句點。團員們大家心中莫不悸動興奮又無比感懷。為著天地間如此壯麗天象的準時出現而震撼不已；也為著大自然慨然恩賜以絕佳視覺和心靈饗宴而感恩萬分。科博館孫維新館長說得好: 「從日全食的『自然現象』, 到精確預 報的『科學原理』, 團員們無不體悟到吾人只要能時時勤於觀察自然，與日俱增地累積科普知識，也就自然地能從對雄偉造化的驚訝震撼，轉化到懂得欣賞和珍惜的層次！」本團還未屆搭乘回程班機時，已經有人默默立願或公開相約再見於 2019 年南美洲日全食或 2024 年美國日全食的月影底下了！ | science |
隱藏的詭異漩渦——海洋的渦流與沖刷 | 地球上，只要有流體流動的區間，都很容易偵測到渦流 (vortex) 的運動現象，例如冬天強烈的寒流吹襲下，一般人時常可看到大樓建築附近，有許多紙屑垃圾或樹葉旋轉漂浮飛揚，這就是渦流；平常大家登山活動，到瀑布附近水塘，插立著一塊警告標示寫著「此處有暗流，切勿踏入戲水」, 因為瀑布水體沖下引發渦流，若不小心很容易捲入溺水。再者，如果你仔細觀察到枯水期間裸露的橋墩，這就是河水在洪水期間由於橋墩周邊的渦流運動產生的侵蝕 (erosion) 現象。 至於佔有地球表面積達 70.8% 的海洋，隱藏著許多詭異的漩渦。海岸附近亦存在許多的渦流，危及海洋結構的安全。因此本文將介紹海洋的渦流及其產生的各種效應，讓讀者有更深層的認識與瞭解。海洋中有許多不同尺度的渦流，包括幾公尺、幾公分、甚至幾公釐的小渦流，也有幾十公尺、幾公里、甚至幾十公里的中尺度渦流，當然也有幾百、幾千公里的大尺度渦流。作者曾經從衛星拍攝的影片看到大西洋、太平洋及印度洋海面上各有兩個南北反向的渦流運動，這些都是因信風吹送、地球自轉科氏力與地球陸地邊界影響引發的渦流，因此在海洋科學領域中特別稱之為「環流 (circulation)」。從美國加利福尼亞海流轉向西，寬幅約在 8°N 至 20°N, 平行赤道流向臺灣東部 (即為十分有名的黑潮), 再北轉朝日本白令海、阿拉斯加，再南下加拿大海域接續加利福尼亞海流，稱為北太平洋環流。這個順時針方向的大尺度渦流，由於水流的旋轉運動，會吸納海上漂浮的垃圾與周圍的廢棄物，形成一大片雲狀漂浮廢棄物，被稱為太平洋的垃圾帶。日本 311 大地震所產生的大量垃圾廢棄物，即順著北太平洋環流運動漂流至美國海岸附近，由此可見渦流運動的威力。而臺灣電力公司亦曾將火力電廠的媒灰丟棄至臺灣海峽，此煤灰順著此環流之支流飄送到日本，被日本海洋科學家發現，因觸犯「海洋投棄公約」而遭受控訴。其他相關的環流系統，若讀者有興趣可參閱相關海洋物理學書籍，以增廣見識。至於幾公里或幾十公里的中尺度渦流，很容易在海岸附近數十公尺水深的海域觀察到。在夏天的汛期 (降雨量最大、最集中時期) 雨季，作者看到巨量的降雨從上游順著河道直接沖入大海，由於射流 (jet flow) 效應，在河口兩側引發中尺度的旋轉渦流，而且將上游的土砂淤積在河口兩側，經年累月之後，就形成 5、60 年前、臺灣西部海岸的海埔新生地。然而，日後由於河川上游增建許多水庫與山坡地保護工程，流至河口的土砂也日漸減少，導致早年淤積的海埔新生地又被附近的渦流侵蝕淘刷，讓海岸線逐漸退縮，甚至需要建構海堤保護。再者，每個國家都會在適當的海岸地區建構港口，以利大宗貨物的吞吐運輸，然為維持港內水域的穩靜，港務工程單位都會經由研究決定設置興建防波堤，以防止波浪 (尤其是颱風波浪與冬季風浪) 侵襲港域。而此防波堤一般都會長達數公里，水深更達 20~30 公尺。由於如此巨大的防波堤結構將會與海域附近流動的水流作用而引發中尺度的渦流，如圖一所表示。若是港口上游有河川入流，其攜帶的土砂，將逐漸淤積在防波堤上游側，而下游側防波堤，附近由於缺少沙源的補充，因而會產生侵蝕沖刷海岸，而需另加保護措施以維護海岸之安定。上述這種港口附近渦流運動與地形變化，在世界各國海岸都很容易發現，然在臺灣西部海岸，則以臺中港最具代表性。......【更多內容請閱讀學月刊第 576 期】 | science |
壓力與差異的成就——自然選擇三步曲 | 很多人以為「演化是隨機的」, 要解除這個謬誤，就得先剖析達爾文演化論的機制 —— 自然選擇 (natural selection)。我們說的「隨機」, 就像擲骰子、轉輪盤、買樂透一樣 (圖一), 毫不確定、無法預測。還好，「演化是隨機的」這個謬誤只不過是對演化的主要運作機制 —— 自然選擇 —— 不夠瞭解而已。自然選擇包含 3 個步驟。首先，自然選擇能夠運作的首要條件就是：生命是可以複製的。複製 (replication) 是細胞生物學及分子生物學的微觀層次說法，從生理學的宏觀層次上就是生殖，即是由上一代繁衍出下一代，也就等於遺傳 (heredity)。但大家要體會達爾文 (Charles R. Darwin) 當年剛提出演化論時的處境，19 世紀中葉的生物學家對於遺傳的機制一無所知，所以他在《物種起源》(Origin of Species) 第一章就承 認:「主導遺傳的法則仍不盡清楚」。其次，就是遺傳變異 (genetic variation)。複製的過程要精確，卻又不可以百分百完全精準無誤，否則地球上所有生物都會淪為最原始生物的複製品，且單調乏味、永遠無法多元化。所以，所有生物的繼代只會「大致上」長得像親代，這就是變異。造成變異的方式有很多種：如果是無性生殖的話，變異就是來自於 DNA 複製時的失誤；如果是有性生殖，除了複製失誤之外，變異主要是來自於父系及母系基因組的重組 (recombination), 又稱為交換 (crossing over, 圖二)。但為了 保障能順利傳承，複製過程的失誤並不頻繁，效果也不一定顯著，更不能對個體產生嚴重的損害。不過，變異的效應亦不見得會對個體不利，有些改變搞不好能夠使個體更能存活或繁衍，沒有人能說得準。有時候我們會用到突變 (mutation) 一詞，突變跟 變異的詞義稍有不同：變異是一個中性的詞彙，僅僅指基因序列的改變造成性狀上的變化；但突變卻有負面的含意，表示這個變異會對個體有不利的影響。同樣地，由於變異是遺傳過程的一部份，在缺乏現代遺傳學知識的情況下，達爾文在《物種起源》第五章裡坦誠:「我們對於變異的法則仍相當無知」。最後，就是選擇 (selection), 這是自然選擇最關鍵的地方，也是達爾文演化理論最富革命性的創見。這一步是使那些擁有生存與生殖優勢的變異 品種能夠有更高的機會保留並延續下去，等於將那些能夠幫助物種適應當下週遭環境的性狀傳遞到下一個世代，在不斷重覆循環之下，物種就能夠透過自然選擇打造出生命的兩項驚人特色：一、物種對環境的適應性 —— 在環境不變時可以維持現狀，當環境發生改變時又能夠殺出一條生路 (圖三)—— 我們將物種的應變能力稱為適應複雜性 (adaptive complexity); 二、物種的多元化 —— 因為不同的適應方式造就出各式面貌 —— 也就是生物多樣性 (biodiversity)。由此可見，在族群中，個體間的遺傳差異正是自然選擇的原料，供自然選擇運作。而外在環境作用在生物身上作為篩選標準的力量統稱為選擇壓力 (selective pressure) 或演化壓力 (evolutionary pressure), 施加壓力的因素就稱為選擇媒介 (agent of selection)。而演化的積效是以生殖成就 (reproductive success) 為指標：能傳遞越多基因給繼代，即後代數目越多，就是越成功。所以，演化的機制蘊含了 3 項原則。(A) 複製是程序：後代會繼承親代的性狀；(B) 變異提供原料：基因不會原封不動地複印下一代，個體之間會有微小的差異；(C) 選擇是導引演化的力量：某些變異會給予個體生存優勢，存活及繁衍的機會就會提高；接下來的結果就是：演化！即 (A) 複製、(B) 變異、(C) 選擇，這三者一到位時，演化就會發生。簡而言之，自然選擇是一個確保有利於生存和生殖的性狀能夠在繼代傳承的過程中被篩選出來的機制。......【更多內容請閱讀科學月刊第 576 期】 | science |
iPhone X 臉部解鎖的關鍵元件 | 蘋果將 iPhone X 所使用的 3D 立體影像感測技術稱為「TrueDepth 相機」,TrueDepth 相機為 700 萬畫素的 CMOS 影像感測器，配合紅外光相機 (infrared camera)、泛光照明器 (flood illuminator)、接近感測器 (proximity sensor)、環境光感測器 (ambient light sensor)、點陣投射器 (dot projector) 等元件，其中泛光照明器、接近感測器使用低功率的紅外光 VCSEL, 點陣投射器使用高功率的紅外光垂直共振腔面射型雷射 (VCSEL), 接下來我們介紹這種特別的雷射元件。「雷射 (laser)」 是「light amplification by stimulated emission of radiation」 的縮寫，意思是「利用激勵放射來增加光的強度」, 所謂的「 激勵放射 (stimulated emission)」, 其實就是完成兩個重要的步驟，第一個是「能量激發 (pumping)」, 第二個是「共振放大 (resonance)」, 最後使光產生「同調性 (coherence)」 與「建設性干涉 (constructive interference)」, 下面我們介紹這些專有名詞的意義。能量激發：半導體雷射大多使用「電激發光 (electroluminescence, EL)」, 外加能量 (電能) 激發半導體的電子由價電帶跳到導電帶，當電子由導電帶跳回價電帶時，將能量以光能的型式釋放出來，如圖一 (a) 所示。共振放大：在發光區外加一對「共振腔 (cavity)」, 共振腔其實可以使用一對鏡子組成，使光束在左右兩片鏡子之間來回反射，不停地通過發光區吸收光能，最後產生共振，使光的能量放大。我們以「砷化鎵雷射二極體 (GaAs laser diode)」為例，先在砷化鎵雷射二極體晶粒 (約一粒砂子的大小) 上下各蒸鍍一層金屬電極，對著晶粒施加電壓，當晶粒吸收電能產生「能量激發」, 則會發出某一種波長 (顏色) 的光。發射出來的光經左右兩個反射鏡來回反射產生「共振放大」, 由於右方的反射鏡設計可以穿透 1% 的光，所以高能量的雷射光就會由右方穿透射出，如圖一 (b) 所示。同調性又稱為「相干性」, 是用來描述光波在傳遞的時候，時間和空間上的相關特性。簡單的說，同調性代表光波在傳遞時是否整齊，我們把一列行軍的隊伍想像成一束光，則一個個士兵就是一顆顆「光子 (photon)」, 同調性的意思是指這一列行軍的隊伍裡一個個士兵前進時動作是否整齊，如果士兵的動作 (光波) 整齊劃一則代表這一列隊伍的「同調性好」, 可以產生震懾敵人的能量 (雷射光); 如果士兵的動作 (光波) 零亂不堪則代表這一列隊伍的「同調性差」, 無法產生震懾敵人的能量 (發光二極體的光)。「干涉 (interference)」是指兩列或兩列以上的光波在空間中重疊而形成新波形的現象，可以分為下列兩種：建設性干涉 (constructive interference) : 如果兩列以上的光波同調性高，在空間中重疊因為干涉而增強，稱為「建設性干涉」, 這個時候光的亮度會增加，如圖二 (a) 所示。破壞性干涉 (destructive interference): 如果兩列以上的光波同調性低，在空間中重疊因為干涉而減弱，稱為「破壞性干涉」, 這個時候光的亮度會減少，如圖二 (b) 所示。雷射必須在發光區外加一對「共振腔」, 共振腔其實可以使用一對鏡子組成，使光束在左右兩片鏡子之間來回反射，不停地通過發光區吸收光能，最後產生「建設性干涉」而共振，使光的能量放大同時光場集中形成「雷射光束 (laser beam)」。......【更多內容請閱讀科學月刊第 576 期】 | science |