2017年10月31日

區塊鏈(Block Chain)技術與應用研討會

參加過許多區塊鏈研討會卻還是覺得對區塊鏈印象模糊嗎?那您一定不能錯過這一場,本課程為所有想深入了解區塊鏈技術與應用的朋友所設計,同時介紹區塊鏈技術架構,並且導讀七個已經公布的應用研究報告。

 報名&活動詳情

(*本活動採線上報名)


【IT x M 系列研習課程】

區塊鏈Blockchain應用發展趨勢:7個POC概念驗證計畫案例分析

區塊鏈無疑是近年來金融科技(Fintech)發展中影響層面最廣的技術之一,然而該技術源自電腦科技,包括:公開金鑰加密、比特幣帳本、雜湊演算法、比特幣的採礦、處理器的應用、網路拓樸、節點資料同步、工作量證明(POW)等知識常困擾財金背景的商務人士。

 此外,區塊鏈在發展的過程中,一直遇到「如何適當的導入應用」的問題,而因應這項議題,全世界各地都不斷地在進行各式各樣的POC(概念性驗證計畫),希望能從中摸索出一條適合區塊鏈發展的道路。

 本活動課程分兩階段,首先由區塊鏈的源起與相關技術開始介紹,包括:比特幣、區塊鏈、公開金鑰加密、比特幣帳本、雜湊演算法、比特幣的採礦、處理器的應用、網路拓樸、節點資料同步、工作量證明(POW),讓財金背景的商務人士能有系統的了解區塊鏈技術。

第二階段將進一步深入探討其實際應用,由三位區塊鏈實際應用推廣的專家帶領大家導讀七個已經公布研究報告的概念驗證計畫(POC)案例,並從實用的觀點出發,對這些應用進行評論。希望藉由這樣的互動,讓學員能更深入的認識區塊鏈的特質,進而引發全新的創意。


[活動日期]
2017 年 11 月 21 日 (星期二),9:30~16:30

活動地點
臺大管理學院一號館B1,正大國際會議廳

講師陣容
杜宏毅/臺灣網路認證公司策略長
►杜宏毅策略長長期服務於金融科技領域,曾主導諸多大型金融科技基礎建設計畫。目前專注於金融服務之身分識別機制相關研究,為「TWID身分識別中心」建置計畫之總主持人。近年來對於區塊鏈領域也持續參與研究,所著「Blockchain 的前世今生與未來」研究報告,已被金融業界認定是了解區塊鏈的最佳入門書籍之一。自2016年起,杜策略長亦擔任多項區塊鏈概念型驗證計畫 (Proof of Concept) 主持人,投入「應用導入區塊鏈機制」之實作領域。

曹承礎/國立臺灣大學資訊管理學系教授
►畢業於美國伊利諾大學電腦科學博士,曾任職於美國噴射推進實驗室,曾擔任臺大管理學院副院長,臺大EMBA與Global MBA執行長,及臺大資訊管理系系主任兼研究所所長。目前為臺大資管系教授兼數位未來研究中心主持人,專注於組織數位落差的議題。

蔡宗榮/東吳大學富蘭克林金融科技開發中心執行長
►國立臺灣大學經濟系學士、碩士;美國密西根州立大學經濟學碩士、博士。主要經歷為金融監督管理委員會委員、財團法人金融聯合徵信中心董事、臺灣銀行副總經理、行政院開發基金副執行秘書、交通銀行信託部經理、總行設計委員兼投資部副經理、板橋、大安等分行經理、中央研究院經濟研究所副研究員、中央銀行經濟研究處專員等。

曲建仲/國立政治大學科技管理與智慧財產研究所兼任助理教授
►台灣大學電機工程學系博士,輔仁大學科技管理研究所與東吳大學企業管理研究所EMBA兼任助理教授,曾榮獲中華民國九十六年度全國優秀青年工程師獎章並獲總統召見,曾任台灣科技大學電子工程系兼任副教授、教育部數位訊號處理器競賽審查委員與評審委員,致力於台灣科技教育多年,擅長以淺顯易懂的文字由淺入深帶領非理工背景的讀者們了解艱深困難的科技原理。

主辦單位
國立臺灣大學資訊管理學系-數位未來研究中心DFRC
東吳大學富蘭克林金融科技開發中心
科學月刊社 Science Monthly

2017年10月27日

科學月刊11月號575期



804 顯影

806 非關科學:美國日全食觀測記/洪景川

810 News Focus:具學習能力與長期記憶的豬/揭開短腿狗的疾病遺傳學
811 News Focus:更具分化潛力的新型幹細胞被培育出/改變免疫細胞、影響癌症擴散的分子
812 News Focus:正義與公平怎麼來的?受害者的犯行合理化/古老月球上曾具大氣層
813 News Focus:美西森林大火,終成空氣汙染集散地?/臭氧層的新威脅
 
814 評 論:生理時鐘的漫長研究終獲2017 諾貝爾獎的青睞/林翰佐
816 評 論:數學家大戰出版社/游森棚

818 解 數:夾在中間的無限大?/游森棚
820 理 物:看見宇宙 一 光的故事/余海峯
824 生 動:預防醫學之應用—擴展性帶因者檢測/簡穎秀
828 變 化:廚房中的化學/陳時欣
832 天 地:高度是什麼?/史天元

836 封面引言
838 封面故事一:數位黃金比特幣/曲建仲
842 封面故事二:顛覆金融業的區塊鏈/曲建仲
848 封面故事三:區塊鏈進階應用問與答/杜宏毅

854 精選文章:蘋果iPhone×Face ID 立體影像感測技術/曲建仲
857 精選文章:臺灣農業廢棄物的特性及再利用/黃裕銘
860 精選文章:有機廢棄物再利用及快速處理技術之發展/楊秋忠
866 精選文章:狹義相對論的思想起源/張峻輔、姚岳廷
872 精選文章:枷椗林、紅樹林/黃生、廖培鈞

878 書 摘:《直視全貌》

狹義相對論的思想起源

張峻輔/清華大學高能理論物理博士、任教高雄中學物理科。
姚岳廷/就讀高雄中學三年級、參與成大物理高中科學資優學生培育計畫。

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。

絕對空間與慣性力
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)。


圖一:牛頓的水桶實驗示意圖。(a)水桶與水皆呈靜止(b)水桶開始旋轉,水面仍維持靜止(c)水被桶壁帶動旋轉,中間水面下凹(d)水桶靜止水面仍持續下凹旋轉。


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。

馬克士威方程與光速恆定......【更多內容請閱讀科學月刊第574期】

枷椗林、紅樹林

黃生/國立臺灣師範大學生命科學系名譽教授,專長為保育生物學。
廖培鈞/國立臺灣師範大學教授,擅長以遺傳學的方法探討生態演化的問題。

河海之唇紅樹林
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。


圖一:紅樹林植物適應河口特殊環境,根系發達,促淤造陸,
抵擋暴潮和暴雨對河口的沖擊,保護河口與海岸。(黃生攝影)

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。

圖二:長在河口的海茄苳Avicennia marina (Forsk.) Vierh.,是紅樹林植物中分布最廣的一種,
其化石紀錄為3800 萬年以前就生存在現在美國密西西比河田納西一帶的海邊。(黃生攝影)


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......【更多內容請閱讀科學月刊第574期】

有機廢棄物再利用及快速處理技術之發展

楊秋忠/美國夏威夷大學農藝及土壤學博士,現為中央研究院院士、教育部終生榮譽國家講座、國立中興大學土壤環境科學系特聘講座教授。

廚房中的有機廢棄物。(shutterstock)

全球最困擾之問題 :處理有機廢棄物的挑戰
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,以達成農業永續經營之目標。

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。

有機廢棄物再生利用的重要性
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。

花園或庭院的有機廢棄物。(shutterstock)

......【更多內容請閱讀科學月刊第574期】

蘋果iPhone×Face ID立體影像感測技術

曲建仲/臺灣大學電機工程學系博士,曾榮獲中華民國96 年度全國優秀青年工程師獎章並獲總統召見,致力於臺灣科技教育多年,擅長以淺顯易懂的文字由淺入深帶領非理工背景的讀者們了解艱深困難的科技原理。

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。

3D 立體影像感測技術
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。


圖一:3D 立體影像感測技術原理示意圖。
(資料來源:LAGOA, What's the Right 3D Scanner for You?)

TrueDepth 相機
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:......【更多內容請閱讀科學月刊第574期】

高度是什麼?

史天元/任職於國立交通大學防災與水環境研究中心,專長是測量工程、遙感探測、地理資訊系統。

「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,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。

(NASA)

幾何、物理、高
「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。


圖一:國際將地球以橢球體模型定義,做為相互溝通基礎


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......【更多內容請閱讀科學月刊第574期】

看見宇宙 一 光的故事

余海峯 / 天體物理學家、科學專欄作家。瑞典皇家理工學院博士後研究員,研究興趣為伽瑪射線暴輻射機制。

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。

古希臘:發射或接收?
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。

拉斐爾的壁畫《雅典學院》。(Wikipedia)

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 re ection)。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574期】

夾在中間的無限大?

游森棚/任教於臺灣師範大學數學系及空軍官校。

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:

1 2 3 4 5 6
| | |
2 4 6

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:

1 2 3 4 5 . . . n . . . .
| | | | | . . . . | . . . .
2 4 6 8 10 . . 2n . . . .

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 in nity)」,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:......【更多內容請閱讀科學月刊第574期】

廚房中的化學

陳時欣/國立宜蘭大學食品科學系教授兼研發長。研究專長食品微乳化系統、澱粉加工、米食加工、低升糖指數(glycemic index, GI)飲食、食品工程。

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。

各種不同類型的糖。(shutterstock)

糖?醣?澱粉?
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!

各種不同純度的鹽。(shutterstock)


海鹽?岩鹽?精鹽?粗鹽?
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......【更多內容請閱讀科學月刊第574期】

預防醫學之應用—擴展性帶因者檢測

簡穎秀/臺大醫院基因醫學部優生保健科主任、臺灣大學醫學院副教授。

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。

DNA 定序圖譜。(shutterstock)

但,現實人生有可能這麼簡單嗎?
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。

人類女性的23 對染色體(shutterstock)

基因篩檢的準確性與必要性
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......【更多內容請閱讀科學月刊第574期】





數學家大戰出版社

游森棚/任教於臺灣師範大學數學系及空軍官校。

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。

數學家出走
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。

出版制度
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。


臺灣農業廢棄物的特性及再利用

黃裕銘/國立中興大學土壤環境科學系副教授兼主任。

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-1K2O 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。......【更多內容請閱讀科學月刊第574期】

2017年10月26日

具學習能力與長期記憶的豬

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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。

新聞來源
Ariane Veit et al., Object movement re-enactment in freeranging Kune Kune piglets, Animal Behaviour, 2017

改變免疫細胞、影響癌症擴散的分子

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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,並改變免疫細胞、影響癌症擴散的分子嘗試開發抑制27HC 的小分子藥物,以抑制癌症的轉移。

新聞來源
Amy E. Baek et al., The cholesterol metabolite 27 hydroxycholesterol facilitates breast cancer metastasis through its actions on immune cells, Nature Communications, 2017.

正義與公平怎麼來的?受害者的犯行合理化

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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( P h i l ip 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。

新聞來源
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.

臭氧層的新威脅

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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。

新聞來源
D. E. Oram et al., A growing threat to the ozone layer from short-lived anthropogenic chlorocarbons, Atmospheric Chemistry and Physics, 2017.

生理時鐘的漫長研究終獲2017諾貝爾獎的青睞

林翰佐/銘傳大學生物科技學系副教授,本刊總編輯。

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?

技術促進研究思維的轉變
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。

生命科學研究與經費
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。

只為了瞭解生命現象的生物時鐘研究
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。

諾貝爾獎的意義
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。

數位黃金 比特幣

曲建仲/臺灣大學電機工程學系博士,曾榮獲中華民國96 年度全國優秀青年工程師獎章並獲總統召見,致力於臺灣科技教育多年,擅長以淺顯易懂的文字由淺入深帶領非理工背景的讀者們了解艱深困難的科技原理。

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?

比特幣的起源
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50btc,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?


圖一:Satoshi 創造比特幣與比特幣帳本,並且向Alice 購買一本書籍。
(資料來源:杜宏毅博士,Block Chain 的前世今生與未來,臺灣網路認證公司)


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。


圖二:Alice 支付Bob 金額10 btc 購買一顆蘋果。
(資料來源:杜宏毅博士,Block Chain 的前世今生與未來,臺灣網路認證公司)


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!


圖三:Satoshi 把比特幣帳本複製給Alice 和Bob。
(資料來源:杜宏毅博士,Block Chain 的前世今生與未來,臺灣網路認證公司)



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?


......【更多內容請閱讀科學月刊第574期】


顛覆金融業的區塊鏈

曲建仲/臺灣大學電機工程學系博士,曾榮獲中華民國96 年度全國優秀青年工程師獎章並獲總統召見,致力於臺灣科技教育多年,擅長以淺顯易懂的文字由淺入深帶領非理工背景的讀者們了解艱深困難的科技原理。

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
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。


圖一:公開金鑰加密的驗證流程。


交易識別確認
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。


圖二:比特幣的交易識別確認機制。


比特幣帳本
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。


圖三:比特幣帳本示意圖。(資料來源:杜宏毅博士,
Block Chain的前世今生與未來,臺灣網路認證公司)


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......【更多內容請閱讀科學月刊第574期】



區塊鏈進階應用問與答

作者 / 杜宏毅

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。

圖一

問:如何使用區塊鏈,才能用到它的關鍵特性?


......


問:大家都說區塊鏈可以去中心化、
可以降低交易成本、可以去中介化,
是什麼意思?


......【更多內容請閱讀科學月刊第574期】


2017年10月18日

【時事評析】有效保育桃園藻礁生態系的宏觀思維

林幸助/國立中興大學生命科學系特聘教授
陳章波/中央研究院生物多樣性研究中心退休研究員


圖一:觀新藻礁生態系野生動物保護區、大潭藻礁及觀塘工業港相對位置圖。google earth







從今年5月以來,因中油在位於桃園大潭藻礁的觀塘工業專用港,興建第三天然氣接收站,而引發環保團體抗爭,逾百學者陸續聲援,訴求停止開發或尋求替代方案,但是藻礁真的能因此得救嗎?當媒體只出現一種聲音,資訊幾乎來自同一來源時,恐會誤導社會大眾,失去理性討論的空間。筆者嘗試彙整相關科學資料,再加上多年來在桃園藻礁的研究經驗,期望能提供有效保育桃園藻礁生態系的宏觀思維。

「藻礁」涵蓋兩種概念:「地質藻礁」與「生態藻礁」
「藻礁」指的是由殼狀珊瑚藻所建造成的礁體,在藻礁形成過程中,殼狀珊瑚藻有膠結與促進珊瑚蟲等海洋無脊椎動物幼生入添的功能。根據自然科學博物館的研究,推測在數千年前,桃園海岸水質清澈,適合珊瑚生長,因此大潭藻礁(含)以北早期形成的藻礁,是以珊瑚為主體,中間參雜珊瑚藻。但在大潭藻礁以南後期形成的藻礁,也就是已受到「觀新藻礁生態系野生動物保護區」保護的藻礁,因為當時水質變混,不適合珊瑚生長,才有機會形成以珊瑚藻為主體的藻礁,也才具文化資產保存之價值。「藻礁」一詞實際上涵蓋2種概念:「地質藻礁」指的是由殼狀珊瑚藻歷經千年累積形成的礁體,它是死的、靜態的;「生態藻礁」指的是生存於藻礁礁體基質或空隙內的動植物,及其以營養關係為主所形成的藻礁生態系,它是活的、是動態的,也就是所謂的「生態功能」。

淤沙是影響桃園藻礁生態的主要因素
長久以來,桃園海岸環境一直在變,不僅水質在變,沙也在動。從2005年以來的航照圖顯示,位於開發區內發現保育類「柴山多杯孔珊瑚」的G1區(圖一),侵蝕與淤積交互出現,但至少超過一半時間為淤積地形。2005~2008年間歷經數個颱風侵襲,浪帶走沙,位於潮下帶的G1礁體才裸露出來;但2009~2014年間,G1區又被沙掩埋;直到2015年連續2個颱風侵襲北部後,G1礁體才又再度露出。在2001年時,現今觀新藻礁保護區位置原為沙岸,在臺電進水口堤設置後,其突堤效應阻擋了由北往南的漂沙運動,北淤南侵,在缺乏沙源補充下,位於突堤南側的觀新藻礁才裸露出現至今。位於開發區內發現柴山多杯孔珊瑚的潮下帶G2藻礁外露,也是受惠於兩端突堤的岬頭效應,才使礁體露出。可見淤沙對於桃園藻礁的影響相當大,這也是具有活性的殼狀珊瑚藻僅能生存於有水環境的潮池或潮下帶的原因,因為有水擾動底質較不會被淤沙覆蓋。

2017年10月2日

2017年9月號閱讀意見調查問卷 獲獎名單~出~爐~囉~

獲得《飛航管制的祕密世界》的讀者有:

楊〇崴馬〇岑黃〇弘陳〇夫鄭〇中黃〇勛

恭喜以上讀者,我們近日將以email與您聯繫,確認寄書地址。
感謝各位讀者對於9月份「填問卷.拿新書」活動的參與!