2014年12月31日

光譜在天文學的應用

天文是一門最古老的科學,同時也是最新的科學。現代科技提供了天文研究精確地測量宇宙的利器,然而許多新的知識以及人類對宇宙認知的突破,都來不及編入教科書內。清華大學天文所有鑑於此,在2008~2011年暑假,連續四年舉辦由國科會科教處(現科技部科教司)補助的「高中職科學教師尖端科技研究經驗培育計畫——天文衛星觀測之數據分析與專題研究」教師研習營,北一女中的三位地科老師,分別在不同年參加了這個研習營。

因此,當國科會徵求以融入新興科技創新高中課程為目標的「高瞻計劃」時,北一女中的老師們便提議與清華合作發展天文課程。這個計畫參與的人包括了十幾位北一女中許多科目的老師,以及清華、政大、師大的幾位教授。本人雖然應國科會規定擔任總計畫主持人,指導課程發展方向,但是整個課程內容實為北一女中團隊分工合作、認真努力完成的。很榮幸能跟一群這麼認真的老師共同工作三年。期望這個課程藉著這個系列文章的推廣,幫助更多學生了解宇宙的奧祕。(賴詩萍教授)

作者/蘇俊鴻(任教北一女中數學科)、林郁梅、楊善茜(任教北一女中地球科學科)、賴詩萍(任教清華大學天文所)

天氣現象與動力機制-由臺灣的劇烈天氣現象說起

*本文與中華民國氣象學會合作
作者/蘇世顥(任教文化大學大氣科學系)、劉清煌(任教文化大學大氣科學系)、郭鴻基(任教臺灣大學大氣科學系)

「天有不測風雲」-極端天氣事件
天氣並非天天都是風和日麗的情況,有時候會降下滂沱大雨而導致淹水,也會一段時間滴雨不降導致乾旱。這些偏離平均狀態的天氣,往往會帶來日常生活的不便,甚至造成災害。我們稱這類的天氣現象為極端天氣事件,而耳熟能詳的颱風便是這類天氣型態的代表之一。

解密高手-X光探索古文物及新物質

作者/高憲章(任職淡江大學化學系)

有許多重要的歷史古文件,是記載在羊皮紙的捲軸上,要讀取這些羊皮紙上的內容,就必須打開捲軸。但是這些飽經歲月的羊皮卷,一打開就會碎掉,使珍貴的紀錄永遠消失。現在終於找到一個方法,利用X射線成像技術的儀器,使歷史學家可以讀取這些資料,而不需要打開、破壞捲軸。

生命現象

國一、高一、大一生物學的第一堂課,內容都是「生命現象」。在你的經驗中,這堂課花了多少時間呢?而身為學生的你,又花了多少時間在思考生命是什麼呢?本篇文章想要挑戰這個篇幅少、難度低的章節,究竟能夠繼續推進到什麼程度。

作者/陳妙嫻(任教板橋高中生物科)

生命的特徵
生命現象,也就是生命的特徵。我們在開始學習生物學前先確立其研究範圍或對象,是十分合理的步驟。這裡所提及的「生命」,是相對於無生命的物質,而不是活和死的對立,因此,探討生命的特徵,同時也在確立無生命沒有的特徵。無論哪個版本的高中課本,都描述生命的特徵是「代謝、生長與發育、感應與運動、繁殖」這四個項目,不過,科學家們是怎麼知道生命有這些特徵的呢?

金屬飛高高-珠鍊噴泉現象

最近一年多來, 珠鍊噴泉(chain fountain)這個現象不僅在網路上引起眾人注意,也有學者發表了相關論文。我們覺得這個現象和物理的力學單元有關,所以組織了專題實作小組,做了一些研究;並嘗試讓實驗變得更加有趣,甚至可擴充成一個教學單元。

作者/鄒忠毅(任教中國文化大學光電物理系)、彭鈺慈(就讀東華大學物理學系應用物理碩士班)

大家一定知道或看過許多種噴泉,像是許願池噴泉、火山噴泉、虹吸噴泉、水舞秀表演,甚至當豪大雨來臨時,水溝也會出現噴泉現象。但是,珠鍊噴泉是什麼?珠鍊究竟會怎麼「噴」呢?

去問Google大神,然後你可以找到一堆影片。OK,本文結束。

唉,文章不能這麼寫,做人不可以這麼混。所以我們還是要用自己的話講一遍,也許可以引起興趣,引誘大家真的去動手做做看!

數學與化學的對話,環狀排列與同分異構物

現行高中課程綱要(99年實施,簡稱99課綱)在102年時討論課綱微調,數學、物理、化學、生物、地科五門學科負責人進行溝通協調,希望相似的概念能做連貫整合,討論自然學科間次序上的安排應如何進行,才能使高中生的科學學習之路更順暢。本文即是因應當時的想法,點出數學中的「環狀排列」與化學計算「同分異構物」個數之異同。希望讓高中數學及化學老師了解後,在有關此部分的教學能相互協作,更期盼學生閱讀後能體會知識雖用在不同學科上,但其概念仍是相通的。

作者/周芳妃(任教北一女中化學科)、蘇麗敏(任教北一女中數學科)

數學中的排列組合
在數學課程中,講述環狀排列的想法是由直線排列引進。甲、乙、丙三人排成一列(直線排列)的方法有6種:3! = 3×2= 6。

面對12年國教,科學月刊振翅高飛

曾耀寰(《科學月刊》總編輯)

《科學月刊》是由一群60、70年代成長的理工知識份子,憑藉著啟蒙、理想和奉獻,為推廣全民科學教育盡一份心力。創辦初期,臺灣科學資訊來源極度匱乏,早期稿件大部分來自國外的留學生,內容多是外國科學家的研究。透過中文,以達到科學通俗化的目標,提升國內科學水準。

隨著社會演進與變遷,臺灣的科學教育以及人才培育大幅進展,早年深受聯考制度與填鴨教育之苦的知識份子開始反思,檢討考試決定年輕學子一生的相關教育制度。這股反思在1990年代掀起教育改革浪潮,不論是法令、師資、課程、教學、教科書、財政等方面,均有重大變革。但實際執行後,大學老師多認為學生程度下滑,因此《科學月刊》除了持續普及科學外,開始著重高中自然科學內容,開闢與現行高中自然科學課程相關的專欄。

科學月刊全新風貌

程一駿(科學月刊社理事長)

一個國內最資深的科普刊物——《科學月刊》,在經過45年的漫長歲月後,內容要從黑白改成全彩了!

《科學月刊》是一本由國內老師及專家學者將自己所懂的知識,用科普語言所呈現的刊物,因此是一本本土化的科普雜誌。《科學月刊》隨著國內的科技而成長,見證了出版物,從打字進步到電腦及現代化的網路科技,也見證了從黑白印刷進步到全彩的世界。然而,隨著科技的高速發展,國內刊物的出版方式也做了根本的變革,以迎合年輕人的喜好,並維持他們的閱讀興趣。因此,在很努力的將科學知識傳遞給科學社群及學生之餘,《科學月刊》突然發現,我們也必須加以改變,才不會讓這些國家的棟樑,因閱讀方式的不同,而失去吸收國內科普知識的機會,這對推廣科普教育,將會是一大損失。

科學月刊歷久彌新

劉源俊(臺北市科學出版事業基金會董事長)

《科學月刊》邁入第四十六個年頭,以彩妝新面貌迎接讀者。誠然,《科學月刊》在面臨種種挑戰的情況下,必須求新求變。但要讓一個沒有老闆、靠一群熱心的理科識士們奮力維持的刊物作出這樣的重大決定,總是相當不容易的一件事。此一決定牽涉到科學月刊社的編輯部、業務部、編輯委員會、理事會與基金會董事會,以及許多關心的老社友,因而考驗了貫穿其中的「集謀共和制」(democracy)的精神與運作。所幸大家集思廣益,做成了。

河馬便便,讓生態系改變

非洲肯亞

如果你的吃喝拉撒,能夠影響整個生態系,我想這有可能令你坐立難安。

在肯亞的南埃瓦索恩吉羅河(Southern Ewaso Ng'iro)上,河馬沐浴在晨光中,靜靜地浮在水裡,露出半個大頭。此時,其實大量的營養物質,正悄悄進入這條河流,維持整著河流的生態系。啊,河馬又在便便了!

對於南埃瓦索恩吉羅河中的生物來說,河馬的糞便可是補給品。有研究人員追蹤測量了河流中磷含量的營養食物鏈流向,他們發現,河馬能夠將陸地上的食物咀嚼,再藉由糞便將能量傳遞到河流中,提供該流域食物鏈底層的生物(如魚類及昆蟲)生長。而且營養量大得驚人,可以供養整個水生生態系統。

但河馬糞便過多也不是件好事。有另一條河流的統計結果顯示,4千隻河馬每天的排泄物會達到36噸。河流若無法負荷河馬糞便,將導致水中的含氧量劇減,以及魚類的死亡。

世上最大的眼睛

德國慕尼黑

位於德國慕尼黑的歐洲南方天文台(European Southern Observatory, ESO),已正式批准建造歐洲極大天文望遠鏡(European Extremely Large Telescope, E-ELT)。

該機構早在2010年,就決定在智利阿塔卡馬(Atacama)沙漠的阿馬索內斯山(Cerro Armazones)山頂建造此望遠鏡。因為這裡乾燥且光害少,全年有超過320個晴朗夜晚,非常適合進行天文觀測。而這個天文望遠鏡預計在十年內完工並運行。

歐洲極大天文望遠鏡的光圈直徑大於39公尺,集光能力超過世界現有的光學望遠鏡,成像也更清晰。可望讓科學家對宇宙深處進行超敏銳的探訪,帶來革命性的影響,甚至能夠研究外太空是否存在外星人。

看見活體生物!顯微新技術

一直以來,科學家不斷研發功能更強的顯微鏡,希望能夠觀察活體生物結構。


中研院應用科學研究中心助研究員陳壁彰,與今年諾貝爾化學獎得主貝吉格(Eric Betzig)合作,研發出「晶格層光顯微技術」,可觀察三維活體細胞影像,降低了對於生物樣本的光損害。這個新顯微鏡技術在一秒之內,可以截取150~200個活體細胞影像,最小可以看到5微米。

新型顯微鏡的鏡頭部分進行了改良,利用兩個垂直的光學鏡頭,一個射出極薄的光層,用來產生螢光,做為光學切片;另一個則負責收集螢光。而光層變薄之後,細胞所接收的光即變少,大幅降低光對細胞產生自由基的化學變化之損害,增加研究的精準度。

此技術除了能夠取得三維資料外,還加入了時間軸資料,動態呈現細胞分裂過程、細胞骨架瞬間的變化,並且能夠在不同蛋白質上標示不同顏色。

尋獲關閉疼痛機制

在醫學上,減緩疼痛的方法有很多,但皆存在缺點。有些會造成許多難以忍受的副作用,除了會影響到病患的日常生活,還不見得能夠完全消除疼痛。

聖路易斯大學的研究團隊在動物實驗中,發現了可以阻斷慢性神經疼痛(如化療或骨癌引起的疼痛)的方式。研究人員啟動了腦和脊髓中的「腺苷酸A3受體」(A3 adenosine receptor, A3AR), 藉此可以降低小鼠的神經性疼痛。這種A3受體可藉動物體內的腺苷酸活化,成功阻礙了疼痛感的傳輸,且不會出現止痛效用減緩或藥物成癮。

過去幾十年裡,科學家多利用特定途徑所參與的分子製作止痛藥,達到止痛效果,例如:鴉片類藥物、腎上腺素或鈣離子通道。雖然腺苷酸也列於名單之上,但由於與腺苷酸反應的受體實在太多,科學家考慮可能會產生副作用。

研究人員表示,A3促效劑已在臨床試驗上成功做為抗炎或是抗癌藥物,且安全性無虞。他們正著手研發新型藥劑,期待此技術在未來,能夠有助於減緩疼痛的技術發展。

孤獨是一種疾病?

走在街道上,與面無表情的陌生人擦肩;試圖想要找辦法擺脫孤獨,卻又讓自己更孤獨。根據調查發現,在這個重視個人主義的社會環境中,光是臺灣就有數百萬的人陷在「嚴重孤寂」的狀態之中。而沮喪總是伴隨著孤獨而來,造成了心理與生理的影響,這個狀態是種「徵狀」(symptom)?

然而,新的研究表示:孤獨並非徵狀,而是一種疾病。當大腦受到積極的刺激時,孤獨的大腦會抑制神經反應,積極的刺激對於孤獨的大腦並沒有用處,與不孤獨的大腦完全相反。且當孤獨的大腦要推測其他人的想法時,活動的跡象並不明顯,研究人員認為一種自我保護。

此研究論文的共同作者之一卡喬波(John Cacioppo)曾經表示,身處任何現實或虛擬的群體中,人們都有可能感到孤獨,因為它是一種強烈而持續的社會隔離感,和孤獨者生活中的實際聯繫人數量無關。他還說,孤獨感的形成,除了和社會因素有關外,還有遺傳因素。當人感到被社會孤立時,痛苦程度是可以遺傳的,但並不表示孤獨由基因決定。

無論導致孤獨的原因是什麼,孤獨都會對於大腦造成重大的變化,這種變化會使生理或是心理產生一系列的問題。

狗狗真的可以聽懂人話?

最新研究顯示,狗不僅能聽懂人類語言的意思,且能夠理解語言背後的情緒!

先前已證實,狗能夠對於人類的動作、凝視或者其他非語言的交流做出反應,但我們無法確定牠是否真正瞭解詞語的意義。

為了瞭解當人類說話時狗大腦的反應,研究人員將250隻寵物狗帶到了實驗室。研究人員將狗主人的語言進行處理,播放給狗聽後發現,當狗聽到不包含情緒的語言時,由左腦會處理這些語言;但當狗聽到包含情緒的詞語時,則由右腦中進行處理。這表示,在語言處理方面狗與人類是相似的。左腦負責處理語言,右腦處理情緒信息。

看見雙恆星形成過程

恆星形成於星際間由氣體與微塵組成的分子雲,關於恆星如何形成的研究,多聚焦於質量類似太陽的單恆星。

質量近似於太陽的恆星多是結伴誕生,超過半數的類太陽恆星都是雙胞胎恆星。相對於單恆星,人類對於雙恆星的誕生機制所知甚少。理論上,環繞在胚胎期雙恆星外有個盤面,它會朝盤中央餵養雙恆星寶寶,提供它們在長大期間所需要的塵埃氣體物質。雖然新近研究中,有些已經看得到環繞在雙恆星寶寶周圍的「環雙星盤」,但解析力和靈敏度不足,未能提供盤面氣體運動細部特徵的影像。

中研院天文所副研究員高桑繁久所領導的研究團隊,藉天文望遠鏡阿塔卡瑪大型毫米及次毫米波陣列(ALMA),觀測距離地球460光年遠,位在金牛座的L1551 NE雙恆星。L1551 NE 雙星系統裡的兩個新生恆星質量分別是太陽質量的0.67倍和0.13倍,兩個新恆星之間的距離是145 AU。研究團隊發現了雙星周圍各自伴隨著一塊氣體團,及環繞雙星的「環雙星盤」,其盤面大小約是海王星公轉軌道的10倍大。而經雙旋臂模型加以數值模擬後,發現兩個旋臂分別源自兩個新生雙恆星而向外伸出,這是人類首度揭曉雙星誕生的生成機制。

他們將觀測中實際看到一氧化碳分子發射譜線與理論預測的氣體運動加以比較探討後,確認旋臂上的氣體轉速較快,而位於旋臂內側的氣體轉速則較慢,並呈現了朝中央恆星方向塌縮的跡象,即代表物質餵食成長中新生雙恆星的過程正在進行。

2014年12月2日

物過水留痕

作者/劉廣定(臺灣大學化學系名譽教授)

不久前報載一項統計,臺灣每人每年飲用94.3杯咖啡。換言之,平均約有四分之一的居民每天喝1 杯咖啡。也許很多讀者不知道,據估算,全球平均喝的每杯咖啡曾用水132公升。也就是說,每天1杯咖啡,一年365天用了約48噸的水!很可觀吧。

不僅是咖啡,其他飲料也用很多水。實際上,製成任何產物都曾消耗水,只是一般多不注意罷了。就如人常說:「船過水無痕」,果真如此嗎?船駛過後一段時間,水面上看起來波平浪靜,色澤如常。然而,這水或多或少都可能被汙染了。另一方面,水中所含的某些雜質也可能或多或少附著在船身上。

宣紙壽千年

作者/陳大川(中華科技史學會會員)

今日會書法的人都知道宣紙、使用宣紙,但透徹瞭解宣紙的人,卻為數不多。通常,在使用宣紙時,常會抱怨這個太滑、那個不吸墨,或是顯不出墨韻的味道。

其實,真正的宣紙,與一般貌似宣紙的書畫紙間之誤差很大。宣紙出產地為安徽涇縣,因由大城宣州運出而得名。宋朝的木板刻印書籍,至今約一千年,紙質仍潔白如新,皆宣紙印成,可見名不虛傳。

現代生產的宣紙,為適應現代工商業的需求,除專供書畫以外,還有裱褙用、妝飾用、印刷用、木刻板書籍用、金石拓印用,以及比較特殊的蟬衣、雲母、灑金、煮棰等加工紙類,這些紙多是用安徽特產的檀樹皮及稻草製成,與大陸其他各地號稱宣紙的紙質不同,原料也各異。例如,四川用竹料配龍鬚草,河北用龍鬚草配楮皮,臺灣用雁皮配木漿等。當臺灣的紙廠老闆到安徽涇縣去製造宣紙時,為了因應日本主要書道家的習慣,其獨特的配方與抄製方法也與真正的宣紙有異。

演化新招術

作者/程樹德(任教陽明大學微免所)

在四十多年前,我首度修習醫學微生物學時,就被那些個別病菌的繁雜特性,整得惶惶不安,不知如何面對考試。例如鮮黃圓亮的一個金黃葡萄球菌菌落,就可以生產五種細胞毒素,能殺死白血球、巨噬細胞、纖維芽細胞及紅血球等等,又可產生脫皮毒素,這是種奇特的蛋白質酵素,能把人表皮的顆粒層細胞與其下細胞層的的蛋白質鏈接切斷,讓整個表皮脫落,像是被開水燙過般。

細菌欲圖侵入寄主,故演化出了殺免疫細胞的毒素,這是較易了解的,但讓患者脫一層皮,其中的邏輯,就非有點想像力不可了,更怪異的,是它能製造及分泌十八種腸毒素,造成食物中毒,且讓我們看一則實例。

在1997年美國某地,參加了一盛大的退休歡送會後,其中十八人不幸中毒了,病徵是以嘔吐、噁心以及腹瀉為主,但同時有發燒及頭痛症狀者很少,只佔中毒者中十分之一,其後檢驗人員追蹤原因,發現宴會上的西式火腿肉(ham)含有金黃葡萄球菌的A型腸毒素,它雖是蛋白質所構成的大分子,但縱使被加熱後,也不會失掉活性。

恐龍木乃伊

作者/張之傑(科普作家)

某出版公司從德國引進一套青少年讀物,共30冊,我負責延請專家學者審訂,自己審訂其中兩冊——《恐龍》和《宗教》。

這部書的翻譯工作,由某德文翻譯工作室承攬,成員都是德文系、所畢業的年輕人。編輯人員以社外特約人士為主。每譯好一冊,作業流程大致如下:編輯潤稿、主編看稿、美編編排、編輯和主編核稿,再將二編稿交給審訂者審訂。總編輯是運作過程的樞紐。

今年六月間,我從總編輯手中取得《恐龍》編稿。由於翻譯稱職,編輯和主編把關把得好,沒花多大力氣就完成審訂工作。嚴格說來,整本書沒發現什麼重大錯誤,其中一個章節「恐龍木乃伊」,我認為誇張,就改為「恐龍化石」。我最擔心的恐龍屬名、種名等專有名詞,竟沒有一處譯錯!我在編稿封面上寫道:「和你們合作真愉快,希望《宗教》冊仍和你們這組人合作。」

審過的編稿,由總編輯轉交特約主編林小姐,她沒說什麼,但特約編輯吳小姐認為「恐龍木乃伊」不應該改。吳小姐是我的老同事,出身社會系,但自學動、植物學已有二十多年,認識的動植物肯定比我多。吳小姐認為不應該改的理由是:(1)原文如此,(2)查過書,確有恐龍木乃伊一詞。

科學搖籃

作者/何子樂(前交大應化系教授)

楊振寧、李政道的科學生涯,奠基於西南聯大時期,吳大猷先生之栽培功不可沒。由下述美國案例,更可證實老師啟導之重要。1979年諾貝爾物理獎得主內,同為哈佛大學教授的格拉索(Sheldon Lee Glashow, 1932~)和溫伯格(Steven Weinberg, 1933~)二人,一起於布朗克斯科學高中畢業。史岱文森高中,1980年畢業生有格林(Brian Greene, 1963~)、蘭朵(Lisa Randall, 1962~), 致力開拓弦論出名。如此巧合的發展,定必是受某物理老師感染。優異教師常有意想不到的作為感動學生,例如樓斯坦(A. Rothstein) 在羅切斯特大學的第一堂課,講述咖啡因生理作用。他帶了一杯熱咖啡,半小時後停下即把咖啡喝了,隨即叫學生注意他下半時講解之改進程度,輕易地喚起聽眾的精神。

紐約市立有九所特殊中學,都是有上進心學子夢寐以求的教育機構。市民子女在第8/9 年級時申請。理科為重心的布朗克斯科學高中與史岱文森高中,經常是首選,但只有3%左右如願。兩校學生人數均三千出頭,男女比例約6比4。近年亞裔學生達70%,白人25%左右,2~3%具西班牙血統,黑人約1%。年前黑人訴說入學條件對他們不公平,但教育局不為所動。二校均開高等課程30種以上,及格者可抵免大學學分。

成立於1938年的布朗克斯科學高中,校友8 位是諾貝爾獎得主;因7人獲物理獎,美國物理學會在2010年指定該校為「物理學歷史地標」,以表讚揚。其實它的文科不弱,6校友獲普立茲獎。史岱文森高中設於1904年,紀念曼哈頓的最後一任荷蘭總督。圖書館藏四萬餘,數目不亞於許多大學。現任校長是張潔女士。......【更詳細的內容,請參閱第540期科學月刊】

統計的魔術

作者/賴昭正(前清大化學系教授)

有關人或生物的研究,因不能像無生命現象一樣地將系統隔離,故只有訴諸於統計。但是統計的研究方法很容易有意或無意地為研究者所操縱,來達到他們預期的目標,苦了廣大的社會群眾,不知該相信那一個「研究」結果。讓我們在這裡再來看看最近發生的兩件事情吧。

「虎媽」蔡美兒(Amy Chua)在2011年出版了一本引起廣泛評論之中國父母教育小孩方式後,2014年2月又與丈夫魯賓費(Jeb Rubenfeld,也是耶魯大學法律系教授,猶太人)合著一本《三重特質》(The Triple Package: How Three Unlikely Traits Explain the Rise and Fall of Cultural Groups in America)。在該書裡,他們顯然主要以紐約市的移民為樣品,謂中國人、猶太人、印度人、…… 等七文化民族,因具備了「優秀感」(superiority)、「不安全感」(insecurity)、及「不輕易放棄」(impulse control) 三種個性,而使得他們在美國成功(財富及地位)。

一位紐約大學的印度籍教授梅塔(Suketu Mehta)指出:像蔡美兒這些新的種族優劣論者,他們所用的成功樣品幾乎清一色是「自選」(self-selection)的。他舉例說:在印度本土上大約只有20%的人讀完高中,文盲程度更高達26%;而在美國25歲以上的印度人,42%具有高中以上的學歷――怎可拿來代表印度民族的優越呢?......【更詳細的內容,請參閱第540期科學月刊】

有關聯不代表有因果

作者/曾耀寰(任職中研院天文所)

最近食安風暴,尤其是食用油,造成人心惶惶,報載有某過敏相關學會的理事長宣稱:臺灣人過敏情況愈趨嚴重,推測應與食用餿水油有關。過敏病症很多種,該專家提出過敏性氣喘的數據,在三十年前的臺灣有過敏性氣喘的比例約5%,二十年前則增至10%,十年前則到了20%,最近已達25%。過敏氣喘病例近年大幅提升,該專家表示過敏成因,除空汙與塑化劑外,最近爆發食用油問題,應該是臺灣過敏人口持續增加的重要原因。

先從數據上來看,我們將過敏性氣喘比例與時間畫成圖,可以明顯看到從過去十年到二十年間,過敏性氣喘的比例增加幅度最大,反而是在從十年前開始,比例開始下滑。若依十年到二十年的增加幅度,今年的過敏性氣喘比例應該是30%。若是以等比方式增加,每十年增加兩倍,今年甚至應該是40%。因此單從數據的變化,我們可以說近十年的過敏性氣喘比例開始趨緩。

廣義相對論源起

愛因斯坦用他豐富的想像力創建廣義相對論,誠如他的名言所揭示一般:想像力比知識更為重要。因為知識是有限的,而想像力無限……

作者/張峻輔(清華大學博士、任教高雄中學物理科)

知名物理學家費曼(Richard Feynman)曾經嘗試要寫小說,因為他認為寫小說就如同科學創作一般,都是需要豐富想像力的工作。試想你創造的新理論在不違背所有已知原理的前提之下,需能解釋舊理論不能解釋的現象,更有甚者還要能預測未知的事物,是件多麼不容易的事,所以費曼認為物理學家的工作,尤其是理論物理學家,就像是小說家在創作小說一般,只是這本小說的情節不能讓你天馬行空的任意想像,必須有所限制。如果要舉一位擅寫此種「科學式想像小說」的大師級人物,我想公認非愛因斯坦莫屬了。

我們準備好了嗎?伊波拉的大問題

有篇論文表示,在年底,世界上每一個國家都會見到伊波拉的蹤跡,這有點危言聳聽,但真相如何呢?

編譯/江建勳(任教輔仁大學全人教育中心)

伊波拉的爆發已經擴散至西非的廣大面積,遍及幾內亞、獅子山共和國、賴比瑞亞、奈及利亞及塞內加爾。依據世界衛生組織2014年9月25日的報告,共有超過1萬宗伊波拉病例報告,並且至少有5千人死於幾內亞、賴比瑞亞及獅子山共和國;奈及利亞及塞內加爾已經記錄了21個感染病例及8人死亡,另一場爆發在剛果民主共和國,導致41人死亡。但因此認為不要到這些國家旅行,其實是理由不夠充分的陳述。

數學的諾貝爾獎

作者/李武炎(任教於淡江大學數學系)

每年十月陸續揭曉各項諾貝爾桂冠得主,這是科學界的一大盛事,《科學月刊》12月號更以專刊報導科學類獲獎人的事蹟及研究成果。數學與物理、化學及生醫同屬基礎科學,為什麼諾貝爾獎沒有數學的獎項?相傳諾貝爾不設立數學獎,是因為他要防止他所討厭的數學家米泰萊弗勒(Mittag-Leffler)得到獎項。米泰萊弗勒是19世紀末瑞典頗具聲名的數學家,聽說他奪走了諾貝爾的女朋友,引起諾貝爾不悅,所以諾貝爾故意不設數學獎。

其實這些都是無稽之談,因為諾貝爾生前與米泰萊弗勒並沒有太多交集,只有在諾貝爾晚年時米泰萊弗勒曾試圖說服諾貝爾,捐款資助瑞典斯德哥爾摩大學的研究工作,所以他們兩人之間的嫌隙只是人們茶餘飯後談論的話題而已,其實諾貝爾後來捐款設立的獎項不設數學的原因,可能是與其設立的宗旨有關。諾貝爾認為獎項是用於獎勵對人類具有重大貢獻的「發明或發現」,數學的研究是純理論的,對人類沒有很直接的利益,所以不符合諾貝爾設立獎項的初衷,加上當時已經有很有聲望的數學獎項,所以沒有必要在諾貝爾獎中再設數學獎。

諾貝爾物理獎天文篇 冥昭瞢闇,誰能極之?

天文學是古老科學之一,早在2000多年前,屈原在《天問》就已提出許多疑惑。能研究這樣的大哉問,並獲得科學成果的人,足以戴上科學的桂冠――諾貝爾獎。

作者/曾耀寰(任職中研院天文所)

現今最廣為人知的科學桂冠是每年頒發的諾貝爾獎,這是以瑞典化學家諾貝爾(Alfred Bernhard Nobel) 為名的科學獎項。諾貝爾以發明炸藥聞名,並因而獲取巨大財富,他於1895年立下遺囑,捐贈3100萬瑞典克朗成立基金會,每年以當中利息作為獎金,表彰對人類有重大貢獻、傑出科學研究、實驗和發明的人。

市場力量及監管

作者/紀志毅(任教中興大學財務金融系)、邱敬淵(任教臺北大學經濟系)

瑞典皇家科學院2014年將諾貝爾經濟學獎頒給讓•提侯(Jean Tirole)。雖然61歲的年紀較過去得獎者平均年齡少了6歲,但過去幾年,提侯一直是大家猜測會得獎的人,因此今年獲獎,並不令人意外。提侯是法國人,就讀過法國培訓菁英的綜合理工學院(École Polytechnique)及國立橋樑道路學校(École Nationale des Ponts et Chaussées)等「大學校」(grandes écoles)。後來到美國麻省理工學院(MIT),用三年的時間拿到經濟博士。從畢業起至今,他一直是理論經濟學的學者中表現最傑出的人之一。他的傑出,不僅是著作的質量領先同儕;他所涵蓋的領域之多,過去三十年應該沒人能比:包括賽局理論、產業經濟學、管制理論(regulation)、電信事業的管制、金融監理、公司財務(corporate finance)、金融流動性問題(liquidity)與總體經濟學、組織經濟學、及心理學與經濟學(psychology and economics)等。平均大約五年,他專注於一個領域,寫出十篇左右的論文,然後將這些論文改編成教科書。

顯微鏡變顯「奈」鏡了!

超解析螢光顯微鏡的發明,獲得了2014年諾貝爾化學獎的肯定。光學顯微鏡的進展,究竟是如何將影像解析度從「微米」尺度縮小到「奈米」尺度……

作者/林宮玄(任職中央研究院物理研究所)

在十七世紀光學顯微鏡發明後,微米(10-6公尺)大小的細胞映在人類眼前,開啟了微生物學。1873年,恩斯特.阿貝(Ernst Abbe)證明了光學顯微鏡的解析度只能達到光波長的二分之一左右,稱為阿貝繞射極限(Abbe diffraction limit)。人類所能看到的光波長在400奈米(10-9公尺)到700奈米左右,因此200奈米或0.2微米一直是一般光學顯微鏡解析度無法突破的瓶頸。

藍光LED掀起照明的新頁

作者/方牧懷(臺灣大學化學系博士生)、劉如熹(任教臺灣大學化學系)

夕陽西下, 一盞盞發光二極體(light-emitting diode, LED)路燈漸漸亮起,下班後擁擠的捷運車廂裡,人們滑著手上的智慧型手機,繁華的街道上,五光十色的LED招牌炫麗的閃著,這些場景對一般人來說,也許再平凡不過,但可曾想過,在1990年代以前,LED僅用作指示燈。然而1993年一項革命性的發明,使LED領域跨入新的世代,即「藍光LED」的誕生。

赤崎勇(Isamu Akasaki)、天野浩(Hiroshi Amano)與中村修二( NakamuraShuji)教授致力於藍光LED 的研發,並以氮化鎵(GaN)為材料成功合成藍光LED,不久後,白光LED也隨著問世。

埋藏在腦內的空間導航系統

知道身處何處,是個攸關存亡的重要功能,這些撲朔迷離的認知密碼,如同計算機的運算,需要程式語言來編寫,大腦當然也有自己的一套辦法……

作者/李志昌(任職臺灣大學生命科學系)

2014年諾貝爾獎生醫獎的獎項,頒給解開腦內空間導航系統之密的三位科學家,他們的發現,闡述了神經細胞如何運作,讓我們在空間遊移的過程中,隨時感知身在何處,並且知道如何前往目的地。美國與英國雙重國籍的學者約翰.歐基夫(John O'Keefe)獲得一半獎項,而挪威的學者梅-布里特.莫瑟(May-Britt Moser)和艾德瓦.莫瑟(Edvard Moser)夫婦,則共享了另一半的獎項。

「中洋脊」被誤解的二三事

作者/朱美妃、喬凌雲(任教臺灣大學海洋研究所)

海洋佔據了地球表面積達70%以上,若將海水移去,中洋脊無異是這「內太空」當中最醒目的一道風景!它連綿在各大洋中,總長超過六萬公里,寬可達二千多公里,是地球上最長的山脈,不過,它卻是由地表最年輕的物質所組成,是海洋地殼的誕生地。儘管經過地球科學課的洗禮,「中洋脊」三字許多人早已如雷貫耳,然而大家對它卻常有一些誤會!

光合作用的「暗反應」與「光」無關嗎?照亮暗反應

光合作用的「暗反應」,不是發生於黑暗下的反應,也不是與光無關的反應,暗反應需要光的活化,也需要改掉暗反應這個不合時宜的名詞……

作者/蔡任圃(任教臺北市立中山女高生物科教師)

過去中學的生物教科書與課堂上,將光合作用分為「光反應(light reaction)」與「暗反應(dark reaction)」,目前教科書多已將暗反應改稱為「碳反應(carbon reaction)」,教師也常強調暗反應是指「不需光的反應」,且主要功能為固定二氧化碳,故稱之為碳反應較為適合。但事實上碳反應在照光情形下的反應效率遠高於黑暗環境,故稱之為暗反應並不恰當,也非「不需光」的反應。本文擬討論碳反應的研究史與光如何影響碳反應的效率,幫助教師教授相關章節時能具備科學史觀與瞭解碳反應的相關性質。

XD的數學

作者/游森棚(任教臺灣師範大學數學系及空軍官校)

讀者一定知道大笑圖案XD,箇中深意只能意會不可言傳。以及諸多變形,超級好笑是XDDDDD,崩潰是X,DDD,DDD,DDD,或是中文翻譯「俊朗朗朗朗」。

但是XD當作算子(operator)頗為有趣。這個月的專欄我們來介紹一下XD的數學。

首先,令D代表微分算子。作用在函數f(X)是作微分,即Df = f '。另外,「X」代表乘上X。因此,「XD」表示先對f微分,結果再乘上X。即(XD)f = Xf '。

日本智慧電網的發展現況

作者/曲建仲(任職美商德州儀器公司)

由於能源短缺、價格高漲,再加上燃媒或燃油產生的二氧化碳排放造成溫室效應,如何節省能源是個重要的議題。因此世界各國都在開發「智慧電網(smart grid)」,又稱為「智慧型電表基礎建設(advanced metering infrastructure, AMI)」,將傳統老舊的機械式電表與電力系統升級為「智慧型」的電力系統,從最前端計費用的電表,中間的通訊系統。到後端管理用的伺服器全面升級,主要包括下列設備:

智慧電表(smart meter):使用積體電路製作電子式電表來取代機械式電表。電子式電表除了量測電壓、電流、計算消耗功率外,還可以計算出實功(active power)、虛功(reactive power)、功率因數(power factor),等各種電力參數提供使用者與電力公司參考。也有計算分段式電價的功能,更內建電力線通訊或無線通訊模組,將各種用電資訊即時送回電力公司,因此電力公司可以立即進行電力調配,減少備用容量。

科學家的熱情與執著

諾貝爾獎在每年的十月初陸續公佈得獎名單,獎勵對人類有貢獻的人士。

人們常使用智慧型手機導航指路,但其實我們腦中也有一套內建的GPS系統!

今年的諾貝爾生醫獎頒給發現腦內空間導航機制的三位科學家,分別是美國與英國雙重國籍的約翰.歐基夫,與挪威的學者梅-布里特.莫瑟和艾德瓦.莫瑟夫婦。他們解開了腦中如同GPS的導航系統,讓人們了解腦中的神經系統是如何帶領我們在空間中移動、前往目的地。

有沒有發現,馬路上的路燈已經悄悄的換成LED燈?物理獎頒發給三位致力於藍光LED 燈研究的日本科學家,分別是赤崎勇、天野浩與中村修二。一直以來,LED燈受限於只有紅光與綠光,用途有限。直到藍光的出現,才能夠自由的調配光的色彩。白光LED的出現取代了白熾燈及螢光燈,成為21世紀新型光源,造福人群。

2014年12月1日

2014年12月號540期 目錄



881【編輯室手記】科學家的熱情與執著---編輯部
884【評論】日本智慧電網的發展現況---曲建仲
886 一月紀聞---編輯部
890【游理數.數裡遊】XD的數學---游森棚
892【生生不息】照亮暗反應---蔡任圃
896【談天說地】「中洋脊」被誤解的二三事---朱美妃、喬凌雲

900【封面故事】2014年諾貝爾獎特別報導
902 埋藏在腦內的空間導航系統---李志昌 (全文刊載)
908 藍光LED掀起照明的新頁---方牧懷、劉如熹 (全文刊載)
912 顯微鏡變顯「奈」鏡了!---林宮玄 (全文刊載)
918 市場力量及監管---紀志毅、邱敬淵

924 諾貝爾物理獎天文篇 冥昭瞢闇,誰能極之?---曾耀寰
928 數學的諾貝爾獎---李武炎 (全文刊載)
932 伊波拉的大問題---江建勳
934 廣義相對論源起---張峻輔

940【大家談科學】有關聯不代表有因果---曾耀寰
941【大家談科學】統計的魔術---賴昭正
942【大家談科學】科學搖籃---何子樂
943【大家談科學】恐龍木乃伊---張之傑

944【生物醫學新發現】演化新招術---程樹德
948【科學史話】宣紙壽千年---陳大川
950【永續化學與生活】物過水留痕---劉廣定
955 第四十五卷總目錄索引---編輯部