2017年11月27日

科學月刊12月號576期





884 非關科學:是核平,還是和平?/李依庭
885 非關科學:薰衣草的暖心撫觸/郭家銘
887 非關科學:為什麼指甲刮黑板的聲音令人畏縮?/文詠萱

888 News Focus:「不得安寧」的世界—人類、昆蟲、塑膠都一樣?/ 旱後母親—復育矮松的微型氣候區
889 News Focus:凝視指紋—另一種遺傳特徵的表現美國政府准許「殺手蚊」出關征戰、抵禦病媒蚊
890 News Focus:土衛六泰坦南極的有毒冰雲/傷口癒合速度 白天晚上大不同
891 News Focus:出生季節、相對環境與疾病風險/能適應昏暗環境的深海魚
 
892 評 論:重力波獨白落幕多角觀測閃亮登場/金升光

894 解 數:凱撒密碼的約會/謝良瑜
898 理 物:難以捉摸的馬約拉納費米子/牟中瑜
902 生 動:一連串的意外驚喜—臺灣松露的發現與期許/傅春旭、黃勁暉、李鎧彤、林文薇
906 變 化:穿越時空的科學檢閱—考古學與化學分析/王冠文
910 天 地:天文與數學/曾耀寰

914 封面引言
916 封面故事一:生醫獎:晝夜節律/陳示國
922 封面故事二:化學獎:用低溫捕獲生命原態的原子細節/章為皓
928 封面故事三:經濟獎:經濟與心理的「不當行為」研究/馮勃翰
934 封面故事四-1:物理獎:全方位的重力波探測/倪維斗
942 封面故事四-2:物理獎:雷射干涉重力波觀測站 /潘皇緯

947 科技新知:iPhone X臉部解鎖的關鍵元件/曲建仲

950 精選文章:壓力與差異的成就—自然選擇三步曲/許家偉
954 精選文章:隱藏的詭異漩渦—海洋的渦流與沖刷/黃煌煇、陳信宏

958 書 摘:《法醫.屍體.解剖室3一重返犯罪現場》

2017諾貝爾物理獎——證實重力波存在的功臣 雷射干涉重力波觀測站

潘皇緯/清華大學光電所博士候選人。2012 年加入LIGO Scientific Collaboration 團隊,是LIGO 50 餘篇國際期刊的共同作者。2016 年獲Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics 殊榮。

電影《星際效應》(Interstellar)中描述當人類進入大質量星體的引力範圍後,產生時間變慢的時間膨脹現象,例如在強重力場中的每小時相當於地球上的數年,導致後來男主角比在地球上的女兒明顯年輕許多。然而這些現象並非全然是電影效果,人類對這些現象的理解均基於愛因斯坦(Albert Einstein)提出的相對論,他提到重力即是時空扭曲的表現,質量越大的星體,附近的時空扭曲越嚴重,會嚴重影響附近的時間與空間,例如黑洞與中子星。黑洞與中子星是恆星演化到末期的產物,生成黑洞或中子星取決於恆星的質量大小。這些星體在宇宙中的質量分布會因為運動或合併而改變,而質量分布變化所產生時空的波動,稱為重力波。

早在1916 年愛因斯坦提出廣義相對論時,他就預測了重力波的存在。直到1974 年後赫斯(Russell A. Hulse)與泰勒(Joseph H. Taylor Jr.)發現脈衝雙星系統,並經過長時間觀察發現雙星系統的公轉週期有逐年變小的趨勢,這代表雙星系統存在著某種能量損失,使得兩星體逐漸靠近。他們將觀測到的數據與愛因斯坦的理論模型進行分析,發現觀測數據與重力波能量散失的理論十分吻合,該發現是天文觀察史上第一個「間接」證明重力波存在的證據,這個偉大的發現也使得赫斯與泰勒獲得1993 年諾貝爾物理獎。然而科學家始終希望能直接偵測到重力波,除了能證明廣義相對論的正確性,更能透過多元信息偵測(multi-messenger)的方式探索宇宙的奧秘。重力波終於在廣義相對論被提出後100 年,於2015 年9 月14 日,成功被人類直接偵測到。


2017諾貝爾物理獎——無遠弗屆、鉅細靡遺 全方位的重力波探測

倪維斗/清華大學物理系。

基普·索恩(Kip Thorne, 1940~)
國籍|美國
現任|加州理工學院
研究領域|天體物理學、 重力波天文學


巴里·巴利許(Barry Barish, 1936~)
國籍|美國
現任|加州理工學院
研究領域|物理學


萊納·魏斯(Rainer Weiss, 1932~)
國籍|美國
現任|麻省理工學院
研究領域|物理學、雷射物理學、
實驗引力學、宇宙背景測量



2016 年2 月11 日美國雷射干涉重力波天文台(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO)在記者會上,宣佈LIGO 團隊和Virgo(義大利和法國在Pisa 地區建造的3 公里臂長重力波天文台)團隊以LIGO 兩個相距3000 公里、臂長4公里的重力波干涉儀探測到距離我們約13 億光年的兩個大約為30 太陽質量黑洞的互繞及合生所產生的重力波。這次的合生是在2015 年9 月14 日探測到的,信號持續的時間為0.2 秒。合生時最大的重力波亮度大於可觀測到宇宙所有恆星亮度的總合。因其合生時的距離,最大的重力波應變達到探測器時的應變為10-21,對4 公里臂長的長度變化為4 am(attometer,atto 為10-18 之義),約為鋁原子核的千分之一。

本年度的諾貝爾物理獎宣佈頒給LIGO 重力波天文台3 位重要的推動者麻省理工學院(MIT)的魏斯(Rainer Weiss)教授,以及加州理工學院(Caltech )的索恩(Kip Thorne)教授和巴利許(Barry Barish )教授,以茲表彰。LIGO 團隊和Virgo 團隊在2 年內已宣佈發現6 對黑洞的合生引力波。並在2017年8 月17 日探測到距離我們約1.3 億光年的雙中子星互繞及合生所產生的重力波,奠定了多信使天文學的基石,驗證光速和重力波速相差小於3×10-15之程度、潘加瑞(Poincaré)的想法及廣義相對論的預測。重力波的探測開啟了天文學新的領域,進一步的發展可使靈敏干涉儀探測大部分的宇宙,無需以管窺天,可以說是人類科學發展上的極致。而這極致的達成有賴無遠弗屆鉅細靡遺引力基本物理定律的建立和近代儀器的發展。重力波的探測才剛開始,其頻段從0.01 aHz 至1 THz 以上均有團隊在實驗探測。

2017諾貝爾經濟獎──經濟與心理的「不當行為」研究

馮勃翰/臺大經濟系副教授,研究賽局理論與廠商策略,喜歡透過歷史個案帶出最實用有趣的經濟學討論。


理察·塞勒(Richard Thaler, 1945~)
國籍|美國
現任|芝加哥大學布斯商學院
研究領域|行為金融學

今年10 月,瑞典皇家科學院宣布,因美國經濟學家塞勒(Richard H. Thaler)在行為經濟學領域的貢獻,獲頒2017 年的諾貝爾經濟學獎。賽勒去年寫了一本書,書名叫《不當行為》(Misbehaving)。這本書的特殊之處在於,它一方面是塞勒的自傳,一方面是行為經濟學的入門介紹。無論在自然科學或社會科學領域,一個人的傳記同時就是一個學門的發展史是一種非常罕見的情況,因此,你也就可以知道塞勒在行為經濟學上的教父地位。

塞勒的「不當行為」
故事要從塞勒1970 年代在羅徹斯特大學讀博士班的時候談起。當時他進行了一項研究,希望能估算出「人命的價值」。塞勒設計了一份問卷,並且提供受訪者兩個情境 。第一個情境是:社會上爆發某種疾病,導致每個人的死亡率都增加0.1%,現在有一種解藥吃了可以讓死亡率下降,你願意花多少錢買這種藥?第二個情境是:你好端端地生活在一個沒受疾病感染的地方,但是你的老闆想要派你冒著0.1% 的死亡風險進入疫區工作,他需要額外付你多少錢,你才願意接受這樣的差事?


2017諾貝爾化學獎——用低溫捕獲生命原態的原子細節

章為皓/中研院化學所副研究員,致力臺灣低溫電顯平台之建立。


理察·韓德森(Richard Henderson, 1945~)
國籍|英國
現任|劍橋MRC 分子生物實驗室
研究領域|結構生物學

姚阿幸·法蘭克(右三)(Joachim Frank, 1940~)
國籍|德國、美國
現任|哥倫比亞大學生物物理學教授
研究領域|結構生物學、蛋白質生物合成


雅克·杜巴謝(Jacques Dubochet, 1942~)
國籍|瑞士
現任|洛桑大學生物物理學教授
研究領域|結構生物學

現代化學的核心是關於物質的研究,因此,諾貝爾化學獎不外乎在合成、結構和分析方法3 個領域來回振盪。今(2017)年,化學獎頒給了看似物理學的低溫電子顯微術領域,卻是屬於結構和分析的化學範疇,代表此領域獲獎的是分別在樣品製備 、影像重組和低劑量電子成像3 個關鍵有卓越突破的杜巴謝(Jacques Dubochet)、法蘭克(Joachim Frank)以及韓德森(Richard Henderson),獲獎原因為「發展低溫電子顯微術,可應用於溶液中生物分子的高解析度結構測定」。了解生物分子的結構到底有什麼重要性?細胞是生命的基本單元,細胞
的運作是靠著裡面許許多多的蛋白質機器不斷運轉。了解這些分子機器如何運動,使得人類能一窺細胞的奧秘,並通過控制或改造這些生物分子,使人類有機會脫離疾病的束縛。而如何了解這些分子機器如何運動,最直接的方法就是對這些分子機器攝像。

這樣的夢想因為英國醫學研究中心的比魯茲(Max Perutz)在1950 年代初解決X 射線蛋白質晶體繞射圖的相位問題而實現。從1980~2000 年間,由於同步輻射、大面積相機和結構測定軟體分享網絡的興起,X 射線蛋白質晶體學逐漸成為結構生物學的主流工具,許多大分子的晶體結構紛紛被解出,最有名的為光合作用中心、ATP 合成酶、鉀離子通道、核醣核酸聚合酶和核醣體的原子結構,囊括了5 次諾貝爾化學獎,而其中有3 次是被英國醫學研究中心的研究員或校友抱走。然而,嚴格來說,晶體結構與能表徵生理功能的溶液結構還是不同。如今,通過杜巴謝等人發展的「電子照妖鏡」,科學家終於能在茲卡病毒(Zika virus)甫一出現之際,不需用結晶學就能破解球殼蛋白的原子圖譜,為藥物設計提供精確藍圖。本文將分別對韓德森、杜巴謝和法蘭克的研究做深度報導。


2017諾貝爾生醫獎——晝夜節律

陳示國/國立臺灣大學生命科學系副教授。實驗室主要利用分子生物學之方式,研究小鼠感光細胞如何調控生理時鐘代謝等生理功能。



傑佛瑞·霍爾(Jeffrey C. Hall, 1945~)
國籍|美國
現任|布蘭戴斯大學生物學榮譽教授
研究領域|遺傳學、週期基因

麥可·羅斯巴希(Michael Rosbash, 1944~)
國籍|美國
現任|布蘭戴斯大學生物學教授
         霍華德‧休斯醫學研究所研究
研究領域|遺傳學、時間生物學

麥可·楊恩(Michael W. Young, 1949~)
國籍|美國
現任|洛克菲勒大學教授與副校長
研究領域|時間生物學、生物學

 為什麼大部分人早上起床總是艱辛困難?為什麼出國工作或是旅遊還要面對讓人全身上下哪裡都不對勁的時差?又為什麼許多急性心臟疾病好發於傍晚?

時間,是一個對人類非常有趣而又難以捉摸的概念。許多歷史文明都在早期發展出記錄時間流逝的方法。然而,直到近60~70 年內我們才慢慢發現,幾乎每一個生活在地球的物種,原來在體內都有一個調控一切生理功能的時鐘。在午夜時期,我們的體溫會降至最低,然而凌晨太陽出來前,就算還沒有起床,身體就會先慢慢開始加溫,預備起床後需要較高的體溫進行活動。在太陽下山後數小時,體內的松果體開始釋放褪黑激素,幫助我們身體準備入睡。在晚上的時間,體內的血液幹細胞數量為最大數,並在我們休息時製造出最多的血球,而在此之前的下午時分,血液幹細胞就準備從骨髓中被釋放出來。由此可知,生理時鐘能讓各個生物在一天中不同時間,預先準備相對應的生理功能,用最有效率的方式應付一天下來日夜溫差等環境劇烈的變化。


隱藏的詭異漩渦——海洋的渦流與沖刷

黃煌煇 / 國立成功大學名譽教授、行政院飛安會主任委員。

陳信宏 / 國立成功大學水利及海洋工程系博士候選人。



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。

海洋中的大尺度渦流
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)」。


壓力與差異的成就——自然選擇三步曲

許家偉/畢業於輔大生物系(學碩士)、陽明微免所(博士),曾任職UCLA 微免分子遺傳所和USC 分子藥理所,現任職於生技公司。喜歡閱讀科普書籍和文章。


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。

圖一:都是隨機的把戲。(左)擲骰子(中)轉輪盤(右)買樂透。(Pixabay)









自然選擇三步曲
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」。


iPhone X 臉部解鎖的關鍵元件

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。


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」,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。

雷射的定義
「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。

圖一:半導體雷射的能量激發與共振放大原理示意圖。

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
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)。

......【更多內容請閱讀科學月刊第576期】

天文與數學

曾耀寰/任職於中研院天文所,科學月刊社理事長。

現在家庭中所觀賞的大多是有線電視居多,系統台直接將電視節目透過纜線,送到用戶的電視。有些用戶使用數位機上盒,透過天線接收無線節目訊號,更早期的收視方式,是透過天線接收類比訊號的電視節目,當接收頻道不對的時候,電視會出現一片混亂的雜訊,沒有任何有用的訊號,可以說沒有任何規律,相當乏味。

是的,沒有規律是令人乏味,從古自今皆是如此,人類好似天生對規律現象特別在意、特別注意,並且嘗試從中找到更深入的意義,巨石陣(Stonehenge)就是一個例子。

大自然的規律
英格蘭威爾特郡的巨石陣是一座史前建築遺跡,數十個巨石圍成一個圓圈狀,有些巨石高達6 公尺。這個令人嘆為觀止的巨石陣座落在英格蘭已有數千年的歷史,歷經過培根、牛頓、卡文迪西、法拉第、馬克士威和達爾文等偉大的科學家,甚至是第一次和第二次世界大戰,直到最近才有人發現當中的奧秘。1955 年,英國工程學家湯姆(Alexander Thom)發表論文表示巨石陣是一個史前的天文測量儀器。湯姆認為當時建造者在放置各個巨石的時候,並不是隨意為之,他們確保從某些巨石看出去,會和特定日子、特定時候的太陽或月亮一致(圖一),例如在夏至的時候,沿著某顆巨石看過去,是太陽升起或落下的方向。也就是說透過巨石的擺設,可以標示一年當中的特定日子,可算是史前時代的年曆。

說到巨石陣與年曆相關,代表早期人類已經看出大自然的規律,太陽在天空的運行不僅只是一天的規律,還有一年的規律。在夏天的某日正午(夏至),太陽在天空達到最高點,之後向南方移,高度逐漸下降;到了冬天的某日(冬至)達到最低點,然後再向北移,高度逐漸上升,直到下一個最高點,完成一個循環、周年復始,就是一個規律。在古埃及也有一個和農業生產有關的規律。西元前3000 多年,古埃及人發現每年6 月尼羅河會氾濫,蔓延四處的河水帶來豐沛的營養,非常適合農耕。但沒有日曆的預測,農夫沒辦法預作準備,不過古埃及人發現每年尼羅河氾濫的時間,正好和天狼星的偕日升(heliacal rising)一致。天狼星是夜空中最亮的恆星,視星等為-1.46,但它在天空的位置非常接近太陽,有太陽的時候,在埃及是看不到天狼星的,唯有在每年6 月的偕日升,太陽和天狼星都從地平面升起,天狼星這時便可以清楚辨識,這是一種規律。這種星象的規律不僅有助於對農耕,對地中海地區的早期人類航海也有幫助。

圖一:巨石陣的3D 立體圖,藍色是豎立的巨石,紅色實心箭頭指
的是夏至太陽升起的方向。(Wikipedia)

穿越時空的科學檢閱 ── 考古學與化學分析

王冠文 / 中央研究院歷史語言研究所博士後研究學者,由材料科學轉攻考古學,專長為玻璃質文物的科學分析。


考古文物的生命歷程
考古學是透過出土文物或生態遺留了解過去人類社會與生活環境的一門學科,近幾十年來,越來越多考古學研究開始使用科學分析技術,嘗試取得更多資訊,而化學分析便是其中之一;若要了解化學分析在考古學中的應用,必須先從考古文物的生命歷程談起。

一件物品的生命歷程包含製造、交易、使用、丟棄、沉積掩埋以及發掘出土等過程(圖一)。在這些過程中,不論是人類的行為或周遭環境,都可能影響我們最終所觀察到的文物化學成份。


一連串的意外驚喜 ── 臺灣松露的發現與期許

傅春旭/林業試驗所森林保護組副研究員,專注於研究真菌與植物病害,近年與松露結緣,希望找出臺灣原生松露的種類以及臺灣松露產業之建立。

黃勁暉、李鎧彤、林文薇/傅春旭的學生兼助理,與老師上山下海、并肩作戰,得以接觸各類有關真菌與植物病害的有趣事物,近年主力於尋找臺灣原生松露。


什麼是松露?
松露,是一群地下真菌的統稱。這群真菌除了生長在地表下外,另一個重要特徵就是失去主動傳播孢子的能力。由於失去主動散佈孢子的能力,其子實體除靠自身溶解、就地傳播外,另一個傳播的方式就是藉著特殊的氣味來吸引動物取食,藉由取食動物進行遠距離傳播。符合這兩種特徵的真菌即是松露,以真菌分類學的角度來看,松露其實包含了三類群的真菌,分別是屬於擔子菌門的假松露、子囊菌門的真松露及結合菌門的豆松露。而經濟價值最高的松露就是真松露中素有「廚房中鑽石」稱號的塊菌(Tuber spp.)。在臺灣,我們習慣將塊菌稱為松露,其實塊菌僅是松露這群真菌的其中一個部分。

因松露生長在地底下採集不易,傳統上會藉由豬的靈敏嗅覺來尋找及
挖掘松露,而為了防止豬找到松露後一口吃下,採集人會緊盯採集狀況。
因此,現今多使用較易控制的狗來進行採集。(Wikipedia)

難以捉摸的馬約拉納費米子

牟中瑜 / 美國加州理工學院物理博士,專長為理論凝態物理,現任國立清華大學物理系教授。

義大利理論物理學家馬約拉納。(Wikipedia)

於今(2017)年7 月底時,多家媒體大幅報導,以華裔科學家領導的團隊發現了被稱為「天使粒子」之馬約拉納費米子(Majorana Fermion)存在的證據,這項工作發表在7 月份的Science 期刊,聲稱解決了困擾物理學界整整80 年的難題。

這個被稱為「天使粒子」的馬約拉納費米過去一直被認為是個令人難以捉摸、偵測不到的神秘粒子。要了解發現它的重要性則必須從量子力學奠定者之一的狄拉克(Paul Dirac)在1928 年所提出奠定相對性量子力學之基礎開始說起。為了將相對論效應引入描述電子的量子行為,狄拉克成功的寫下描述電子的對論性波動方程式──狄拉克方程式,此方程式很自然的解釋了電子的自旋。但由於在相對論中,正能量與負能量一定同時出現,為了解決負能量的問題,不讓電子躍遷到負能量造成物質的崩潰,狄拉克假設真空中的負能量狀態完全填滿(稱為狄拉克之海),並且詮釋填滿電子的真空中若有空缺,可視為一帶正電的粒子,當它與電子結合時,正如在一般原子中電子可由高能階躍遷到低能階發出光子一樣,電子可躍遷回到負能量的空缺,整體的結果相當於電子與此帶正電的粒子互相消滅產生γ射線,如圖一所示。

圖一:狄拉克所提出電子與正電子結合之圖像。


凱撒密碼的約會

謝良瑜/在高雄觀音山上一個喜愛數學的平凡教師。

小康按捺著七上八下的心緒坐定在書桌前,再次確定室友們不在,才鼓起勇氣拆開手上的信封。他很清楚是誰寄來的,這是他給安安邀請函時附上的回郵信封。

新生茶會中小康就注意到安安了,同班2 年下來兩人就像兩條平行線,一個安靜規矩、上課謹守學生本分;一個好動不受約束,能不坐在教室內絕不委屈自己。要不是畢業在即,小康不會主動出擊。他甚至因為安安而選修了門不是很營養的課,而且難得翹課。

打開雪白的信紙,內容讓人宛如二丈金剛摸不著頭腦。這是什麼?一個8x8 的方格,上面寫滿不撘嘎的英文字母(圖一)。

圖一。

盯著方格,腦中浮出安安教室中安靜的身影以及望向教室前方堅定的眼神,一個模糊的影像彷若浮水印般出現在這個畫面中。「我看過這個方格,在教室中,那⋯⋯ 一定是上課的時候,我們一起修的課⋯⋯」突然佩服起自己的推理能力,小康點進學校的教學平台,下載這門課老師提供的教材。哇!有好幾個檔案。不知道這個方格出現在哪裡?只好從頭開始。


密碼戰爭
人類歷史數千年來,不論是一國之君或軍隊的將領,都需要一套有效率的通訊方法來治理國家或是指揮軍隊。當然,他們也知道當我方的信息落入敵國或是反對陣營時,將會導致嚴重的後果。為了保護這些秘密信息,他們都會成立一個專門的部門,設計特殊的密碼系統來確保通訊安全。相對的,也用以破解敵方的秘密信息,偷取敵方機密。

重力波獨白落幕 多角觀測閃亮登場

金升光/任職於中央研究院天文及天文物理研究所。

LIGO 重力波干涉儀數據顯示GW170817 雙中子星合併前數十秒的頻率
(縱軸)變化,橫軸為時間。(Courtesy Caltech/MIT/LIGO Laboratory)

一如許多人事前的預期,重力波研究毫無懸念的拿下了今年的諾貝爾物理獎(參閱《科學月刊》本期諾貝爾物理獎介紹)。然而,要讓大多數圈外人相信這些臂長3、4 公里的雷射干涉儀可以分辨出信號振幅只有質子大小千分之一,而且還是來自十幾億光年的外太空、連天文學家都未能預見的大型星球質量雙黑洞碰撞,其實是有些難度。得獎恭賀之聲尚未稍歇,美國國家科學基金會(National Science Foundation, NSF)10 月16 日在華府與重力波研究團隊,包含美國的LIGO 計畫和8 月初才加入聯合觀測的歐洲Virgo 干涉儀,以及代表全球70 多個天文台的科學家們大陣仗的召開記者會,宣布了第5 個重力波事件GW170817 同時也是伽瑪射線爆GRB 170817A 的相關研究。這是人類首度透過各個電磁波段確認重力波來源,並詳細觀測爆發後的餘暉(afterglow),推斷是來自長蛇座方向距離我們1.3 億光年NGC 4993 星系內兩顆中子星相互碰撞的結果。碰撞不僅實際上使全球振動,也讓許多地面和軌道上的大望遠鏡轉向同樣的目標。這原因當然不只是為了再次驗證愛因斯坦相對論的成功而已。


出生季節、相對環境與疾病風險

(Shutterstock)

影響人體健康與否的因素有許多種,科學家透過越來越多的研究顯示,在母親懷孕與幼兒時期所接觸到的環境,會影響成年之後的健康。哥倫比亞大學醫學中心研究團隊透過分析健康紀錄,發現在某些季節或環境出生的嬰兒,在未來的人生中可能與某些疾病風險有所關聯。

2015 年,賓夕法尼亞大學(University of Pennsylvania)的研究團隊分析了紐約170萬名患者的健康紀錄,嘗試尋找出生月份與疾病風險的關係,發現在7 月和10 出生的嬰兒患哮喘的風險最高。不過,這項研究沒有表明是什麼因素造成後代患病的風險。因此,這項新研究涵蓋美國、臺灣與韓國,共1050 萬人的健康紀錄,希望透過不同的氣候與季節性來找出關聯性。

研究結果發現,在12~3 月期間出生的嬰兒,因陽光最為稀少,未來患第二型糖尿病的風險增加。若在懷孕初期(前3個月)遇上空氣中的微粒增加,像是夏季時空汙嚴重的紐約,則會增加異常心律的風險;而同樣是懷孕初期接受到較高劑量的一氧化碳,則抑鬱或焦慮的風險會增加。研究人員表示,藉由找出之間關聯性,未來就有可能找到預防疾病的方法。


Mary Regina Boland et al., Uncovering exposures responsible for birth season—disease effects: a global study, Journal of the American Medical Informatics Association, 2017.

傷口癒合速度 白天晚上大不同

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生物除了大腦可控制其生理時鐘外,各器官也有自己的生理時鐘。由英國劍橋大學醫學研究委員會分子生物學實驗室生物學家奧尼爾(John O'Neill)領導的研究團隊,研究具有獨立生理時鐘的纖維母細胞(fibroblast,傷口癒合所需的細胞),意外發現白天造成的傷口癒合速度比晚上所造成的要快。

研究人員首先在培養皿中觀察細胞復原速度,發現白天造成的傷口明顯較夜晚傷口癒合的要快。研究人員進一步利用小鼠實驗,傷口癒合的速度,亦與培養皿中實驗相同,在小鼠清醒時受傷的傷口癒合得比比休息時間癒合快的多。

奧尼爾為了確認在人體上是否也有到此現象,他們分析國際燒傷數據庫(International Burn Injury Database)內的資料,發現夜晚灼傷的傷口平均比白天灼傷的傷口,癒合時間長了11 天。研究團隊推測,因生物在清醒時需四處活動,受傷機率較大,這也許是演化適應的結果。奧尼爾表示,需進一步進行臨床實驗確認此效應,若為真實存在現象,未來將能協助人們安排手術時間,幫助病人手術傷口更快速恢復。


Nathaniel P. H. et al., Circadian actin dynamics drive rhythmic fibroblast mobilization during wound healing, Science Translational Medicine, Vol. 9, 2017.

美國政府准許「殺手蚊」--- 出關征戰、抵禦病媒蚊

病媒蚊可能攜帶許多病毒,對公共衛生造成偌大影響。

美國環境保護局(The Us Environmental Protection Agency, EPA)日前准許以常見細菌剷除帶有如登革熱、黃熱病與茲卡等病毒的病媒蚊。新創生技公司「抗蚊者(MosquitoMate)」藉帶沃爾巴氏菌(Wolbachia pipientis)的實驗蚊抵禦白線斑蚊,馬里蘭大學(University of Maryland)昆蟲學家柏克塔(David O’Brochta)也指出,整個過程不使用化學製劑。

起初EPA 認為肯塔基、紐約與加利福尼亞等地有著相似的溫度與降雨情形,且其產品功效亦受到檢驗,然美國東南部的蚊蟲聚集地並未受過測試,故限制其產品ZAP males 於美國20 州與華盛頓特區發佈。抗蚊者自此以列克星敦為中心,將蚊蟲擴至鄰近城市,並與當地屋主、
高爾夫球場、旅館等地合作部屬戰線。

此舉剿滅病媒蚊的機制是什麼?抗蚊者於實驗室豢養受沃爾巴氏菌感染的白線斑蚊,在成蛹階段從中按大小獨立出不咬人的雄蚊並使其與野生雌蚊交配、誕下染色體異常而無法孵化的幼卵。抗蚊者創辦人道普森(Stephen Dobson)表示,隨時間推移、白線斑蚊的蟲害減少,而其他蚊種並未受到影響。類似的方法近年也在巴西被使用,由英國歐希鐵公司(Oxitec)開發基改埃及斑蚊,以對抗帶有可造成小頭症(microcephaly)等出生缺陷病毒的白線斑蚊,爾後歐希鐵欲於美國測試其基改蚊功效,因佛羅里達群島社群反對受阻。

另方面,抗蚊者於佛州群島、弗蘭斯諾與加州等地低調測試其實驗蚊,EPA 雖收到幾則評論,然大部分都是正向回饋,而道普森也希望未來能向EPA 申請許可、將這些「戰士」們送往世界各地, 殲滅病蟲害。


US government approves 'killer' mosquitoes to fight disease, Nature News, 2017/11/6.

凝視指紋---另一種遺傳特徵的表現

凝視的方法也是一種指紋,將基因相近的人繫在一起。(Pixabay)

小嬰兒初步探索世界時,因其尚未能爬行或伸手取物,視覺的角色便相對重要。印第安那大學心理與腦科學系助理教授甘迺迪(Daniel P. Kennedy)表示,過往主流研究範疇多為驅動注意力的眼球動作特徵,本次研究則欲瞭解個體間的差異、以及遺傳上的影響。另一位該系教授多諾弗里歐(Brian M. D’Onofrio)偕同甘迺迪,以不同的觀點切入神經發展(neurodevelopmental)問題,將個體行為評估與基因及環境對性狀影響的實驗方法作對比。

其研究對象包含119 對同卵及114 對異卵雙胞胎,且年介9~14 歲。研究者向孩童展示日常生活快照,其中一半是有人像的,並以眼球動作追蹤器捕捉孩童觀看的時空順序、進而分析其觀看的趨勢,如:只鎖定一兩個目標來看。研究結果發現,同卵雙胞胎的凝視模式(gaze pattern)具很大的相似性,不僅會注意相同的事、且觀看順序也一樣;異卵雙胞胎這方面的連結雖稍弱,卻仍具顯著關聯。這表示個體對環境的視覺探索方式有其遺傳組成,據此更可藉相似的凝視模式在毫不相干的一群人裡找出其手足,彷彿凝視也有「指紋」。

甘迺迪表示人類的眼球以約每秒3 次的頻率運動,而人們也總在搜尋新資訊、積極與外在環境互動,最終其注視內容將影響未來發展。研究亦表明兒童早期視覺訊息的即時選擇,可使個體創造環境、型塑視覺體驗,而基因的微觀影響如是。多諾弗里歐也提到,這不僅是一個統計結果,更是人們看待影像的一種「基因診斷」。


Daniel P. Kennedy et al., Genetic Influence on Eye Movements to Complex Scenes at Short Timescales, Current Biology, 2017.

科學聲學──為什麼指甲刮黑板的聲音令人畏縮?

文詠萱/沒有音樂不能活,本刊主編。

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生活中充斥相當多的聲音,有些聲音聽起來療癒、舒服,而有些聲音聽起來讓人害怕、畏縮,最常見即指甲刮黑板的聲音,甚至光是用想的就令人毛骨悚然。科學家對於此現象相當好奇,1986 年,美國布蘭迪斯大學暨西北大學海爾(D. Lynn Halpern)、范德堡大學暨西北大學布萊克(Randolph Blake)與西密西根大學暨西北大學希倫布蘭德(James Hillenbrand)三人針對令人不悅的聲音進行實驗,也因這項實驗讓三人在2006 年獲得搞笑諾貝爾(Ig Nobel Prizes)聲學獎。


漫步紫色藥庫──薰衣草的暖心撫觸

郭家銘/可以跟蝴蝶蜜蜂一起飛走的男子,本刊編輯。

(Pixabay)

古法文中的「lavandre」普遍被認為是薰衣草(lavender)英文的由來,而究其根源其實來自拉丁文中的「lavare」,這個字有「清洗」的意思。紫色是薰衣草的花色,在七脈輪(chakras)中與代表著高遠目標及精神連通的頂輪(crown chakra)相連結,這也與薰衣草的治癒特性相吻合。各國的薰衣草花語也不出純潔、寧靜與忠誠等詞彙,甚至在科學研究中、其藥用潛能更使其頭銜更顯名副其實……

科學之後—是核平,還是和平?

李依庭/喜愛各種冷門知識,對不完美情有獨鍾,本刊編輯。



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1945 年,2 顆原子彈無情的落下,不只換來軸心國的降服,同樣也震懾同盟國。而隨著時代的演變與科技的進步,使得更多國家擁有能力去建造出更多的核武器。不過,因著歷史的借鏡,讓縱使製造出核武的各國,不敢貿然躁進的使用,世界還尚存一息和平。


2017年11月5日

2017年10月號閱讀意見調查問卷 獲獎名單~出~爐~囉~


獲得《聽情歌,我們聽的其實是......》的讀者有:

卓〇慈黃〇弘許〇帆江〇柔林〇儒

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10月份「填問卷.拿新書」活動的參與!

2017年11月1日

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575期】