CERN是世界上最大型的粒子物理實驗室,位於瑞士日內瓦西部接壤法國的邊境。它的前身是1954年由十一個西歐國家共同簽署公約成立的「歐洲核子研究委員會」(Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire,簡稱CERN),而後改名為「歐洲核子研究組織」(Organisation Européenne our la Recherche Nucléaire),但舊的簡稱CERN仍沿用至今。CERN成立之初,是為了在歐洲建立一個世界級的基礎物理研究組織。當時,基礎物理的研究重心是原子的內部結構,所以稱為「核子」研究組織。不過時至今日,CERN的研究範圍已經遠遠超過原子核的研究,來到「粒子物理學」的範疇,所以現在
CERN的實驗室通常被稱為「歐洲粒子物理實驗室」。目前參與CERN的會員國已由最初的11國增加到20國,除了超過2400名的正職員工,還有來自113個不同國家、600餘所大學機構的一萬名科學家和工程師,在此進行試驗——全世界一半的粒子物理學家都在這裡了!
LHC與探測器
LHC於1994年年底由CERN的會員國投票決議興建,其目的除了尋找希格斯粒子,更為了進一步探索宇宙的組成成分——包括最神祕的暗物質與暗能量。這部人類史上最複雜也最龐大的實驗儀器,建造於1998~2008年間,由超過八千名科學家和工程師合作興建,耗資近百億美元。LHC位於法國和瑞士邊界的地底50~175公尺處,其結構包括讓質子束加速的環形「加速器」,以及在四個碰撞點設置的七個「探測器」。其中CMS和ATLAS是通用型的粒子探測器,用來尋找希格斯粒子和新的物理現象,其所收集到的數據,由兩個大型研究團隊分別進行獨立分析,藉此驗證彼此的實驗結果。而大型離子對撞機(A Large Ion Collider Experiment,ALICE)和LHC底夸克探測器(Large Hadron Colliderbeauty, LHCb),則是為了特定目標所設計的:ALICE研究鉛離子對撞後產生的夸克–膠子漿,以了解宇宙的形成;LHCb研究底夸克的性質,以了解正粒子和反粒子的不對稱原因。
Xue, R.D. and Qualls, W.A., Larvicidal Activity of Synthetic Disinfectants and Antibacterial Soaps Against Mosquito, Culex quinquefasciatus (Diptera: Culicidae), Journal of Medical Entomology, Vol. 50(1): 137-139, 2013.
Li, J. et al., Effects of Water Color and Chemical Compounds on the Oviposition Behavior of Gravid Culex pipiens pallens Females under Laboratory Conditions, Journal of Agricultural and Urban Entomology, Vol. 26(1): 23-30, 2009.
Romi, R. et al., Laboratory and Field Evaluation of Metallic Copper on Aedes albopictus (Diptera : Culicidae) Larval Development, Journal of Medical Entomology, Vol. 37(2): 281-285, 2000.
碩士畢業後他申請上了相當著名的加州大學聖地牙哥海洋研究所(Scripps Institution of Oceanography),前往美國就讀博士班。「我跟我的老闆馬克歐曼(Mark Ohman)說我不要做種類鑑定,這我已經會了,我想做洋流模型,看洋流的流動如何影響生物漂送及族群變動。」也因此謝志豪走入理論生態學,由一本《生態學入門》(A Primer of Ecology)和程式設計課本開啟了新領域的門。從大學、碩士班累積起來的數學也沒有荒廢,他每個學期必定修一門數學系或機械系大學部的數學課,他打趣地說,「上過國外的數學課,才發現台灣的數學課,對於非數學專業領域的學生而言,真的教太難了,不是學生太笨!」
幸運的是,他遇到了一位準備從美國西南漁業中心(Southwest Fisheries Science Center, NOAA)退休的老教授約翰(John Hunter)。約翰手中有一筆累積50 年的加州魚類資料,想找人幫他分析這些資料,希望對漁業有幫助。他說「I should give this treasure to a good hand」,而謝志豪則成為這雙「good hand」。
美國奧克拉荷馬州塔爾薩大學(University of Tulsa)生物科學系的布朗博士(Charles R. Brown)30多年來在內布拉斯加州(Nebraska)西南平原研究崖燕(cliff swallows,學名Petrochelidon pyrrhonota)的社會行為。由於當地的平原地貌缺乏懸崖峭壁,崖燕只好在高速公路或鐵路的高架橋底築巢。布朗每天要開車巡視40個不同的崖燕聚居地點去收集崖燕棲息的數據,但有時候他會發現路旁遺留著被汽車撞死的崖燕屍體,他就停下來「撿屍」,由於很多鳥屍的驅體外觀都很完整,他就本著別浪費的心態,將它們製成標本,並且登錄保存。
十八世紀末拉瓦節的化學革命,讓我們逐漸開始知道哪些才是真正的元素,而十九世紀初道耳吞所提的原子理論,又讓原子量成為化學化合時必備的數據。在1815~1816年之間,英國化學家普勞特(William Prout, 1785~1850)觀察到,當時所知各種元素的原子重量都是氫原子重量的整數倍。1829年德國化學家德貝萊納(Johann Wolfgang Döbereiner, 1780~1849)提出了「三元群」(Triaden)規則,把當時已知的53個元素中的30個元素分成三大組。
在1862年法國化學家尚古多(Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois, 1820~1886),以義大利化學家坎尼扎羅(Stanislao Cannizzaro, 1826~1910)在1858 年於法國科學院宣讀元素週期表的論文中,將原子量數值作為基礎,闡述元素會按原子量大小來排列,呈現「碲螺旋」狀(telluric helix),因「碲」元素排列在此螺旋圖案的中間。
從1863年開始,英國化學家紐蘭德(John Alexander Reina Newland, 1837~1898)開始研究化學元素性質的週期性。1865年他受德貝萊納「三元群」的啟發,把當時已知的61 種元素按照原子量的大小順序排列,發現每隔7種元素便出現性質相似週期性,就如同音樂中的音階一樣,他稱之為八音律法(Law of Octaves)。
1864 年德國化學家邁爾(Julius Lothar Meyer, 1830~1895) 完成《近代化學理論》(Die Modernen Theorien der Chemie),在書中,他按照元素的化學鍵,將28個元素分為6族。但是在1870年的時候,他卻按元素及原子量的關係來排列它們的週期性。
門得列夫的崛起
1869年3月6日,在聖彼得市的蘇俄化學學會上,有一篇關於元素性質與原子重量有關的論文發表,署名門得列夫(Dmitri Ivanovich Mendeleev, 1834~1907),因為那天他正好生病,所以是由他的同事來宣讀。在同年,門得列夫將這篇論文節錄整理成二頁的德文,以〈有關元素的性質與其原子量的關係〉為標題,發表在《化學期刊》(Zeitschrift für Chemie)。在兩頁的內容中,包含一張元素週期表。
門得列夫發表在《化學期刊》的週期表。(Meyer, L., Mendelejeff, D., Das Naturliche System der Chemischen Elemente – Ostwald’s Klassiker der Exakten Wissenschaften Nr. 68, Zeitschrift für Chemie, 1895.)
Mazurs, E. G., Graphic Representations of the Periodic System during One Hundred Years, University of Alabama Press, 1974.
Meyer, L., Mendelejeff, D., Das Naturliche System der Chemischen Elemente – Ostwald’s Klassiker der Exakten Wissenschaften Nr. 68, Leipzig: Verlag von Wilhelm Engelmann, 1895.
Van Spronsen, J. W., The Periodic System of Chemical Elements: A History of the First Hundred Years, Amsterdam: Elsevier, 1969.
標準差(σ,為Σ的小寫),可以理解為「樣本偏離常態(均值)的多寡」。在樣本數趨近無窮的情況下,樣本偏離1.96個標準差表示「此現象有5%的機會由非實驗操弄所引起」,而3.89個標準差有0.01%的機會,這對社會科學(心理學之類)來說,已是相當顯著。文中提及的5個標準差,大約只有0.000057%的機會。圖為常態分部圖。 Source: wiki
參考文獻
1. Yi, P., Park, J. S. and Melton, D. A., Betatrophin: a hormone that controls pancreatic β cell proliferation, Cell, Vol. 153: 747-58, 2013.
2. Gusarova, V., Alexa, C. A., Na, E. et al., ANGPTL8/betatrophin does not control pancreatic beta cell expansion, Cell, Vol. 159: 691-6, 2014.
3. Yi, P., Park, J. S. and Melton, D. A., Perspectives on the activities of ANGPTL8/betatrophin, Cell, Vol. 159: 467-8, 2014.
邏輯的符號化及數學化並非始自布爾,有不少的先驅者,最著名的當是萊布尼茲(Gottfried Wilhelm Leibniz,1646~1716),較布爾早生了約170 年。萊布尼茲曾期望當兩個人辯論時,兩個人能坐下來說:「我們算一算。」也就是用數學方法來解決爭論。符號化及數學化的威力已為現今所認知,但這兩者也意謂著抽象化,離人的直觀與經驗越來越遠。這似乎為認識事物本質所必要的,我們亦見此於物理的發展。由布爾的成就我們亦可見,透過抽象化,我們可更清楚認識及了解「思想」這個原本極為抽象的概念。
邏輯在布爾之後有極迅速的發展,現今常用兩種工具:范氏圖及真值表。由前列布爾代數公理,我們可見「集合代數」是一個布爾代數。史東(Marshall H. Stone, 1903~1989)亦證明了任一布爾代數可用一「集合代數」表示。范氏圖即為我們常用來表示集合關係的一個視覺化工具,而視覺化表示亦為布爾使用符號所希望能達到的目標,使人有更直觀的認知,但使用視覺化工具須注意其侷限性。
布爾的觀念及符號就留在現今數學裡,因為他使用符號的方式來處理邏輯,我們也就有了「符號邏輯」這個名詞。現今邏輯界最重要的學會,即「符號邏輯協會」(The Association for Symbolic Logic),而它所出版的代表期刊即名為《符號邏輯期刊》(The Journal of Symbolic Logic)。當代對邏輯的研究主要來自數學、哲學與計算機領域,對布爾代數本身的研究亦極活躍,蒙克(Donald Monk)主編了共三冊的《布爾代數手冊》(Handbook of Boolean Algebras),從其中包含的多樣主題,即可見布爾在數學的影響之廣。
人工智慧則是一個常被討論的題目:機器能有智慧嗎?布爾告訴我們,機器藉由代數推導後,可得到正確的結論。在命題邏輯不考慮計算複雜度(computational complexity)的前提下,人所能做到的,機器都可做到。但在一階邏輯時,筆者認為由「哥德爾不完備定理」可知,機器所能做的無法跟人一樣,這也是潘洛斯(Roger Penrose)在《皇帝新腦》(Emperor’s New Mind)書中所用的論證,這仍是人工智慧學者一個爭論不休的問題。
最後,因布爾具有「對真理追求的真誠」(It is integrity in pursuit of the truth),在他寫給好友笛摩根的信中,他先說笛摩根具有這個特質,而他在這一點並不會輸給笛摩根,他甚至寫了下面的話:「我不認為任何人比我寫那本書時的心智,曾充滿更熱烈的渴望,僅為了要發現並說出真理,而不為其他。(I don’t think any man’s mind ever was imbued with a more earnest desire to find out the truth and say it and nothing else, than mine was while writing that book.)」就是這種真誠讓布爾發現了「思想」的法則,這個發現也改變了人類。
美國史密森尼學會國家航空太空博物館(Smithsonian’s National Air and Space Museum,電影「博物館驚魂夜2」的拍攝場地)行星地質學家奇貝曼(James R. Zimbelman),於2013年開始有系統地分析火星不同區域的沙丘波紋,藉由分析波紋形狀可判斷迎風面的風向(圖五),由此可得知近地表風場的環流方向,在他的研究團隊的最新研究中發現,由波紋推得的近地表風場顯得非常複雜,風向可能會因季節而改變,另外,對比分析沙丘得到的盛行風風向後,發現有幾個方向的風在過去幾千或幾萬年都保持不變。
圖五:經由火星波紋推得的近地表風場,每一條白線代表風向,沙丘北邊風向多為東西向,靠近沙丘風向則變為南北向。(NASA JPL/ HiRISE/ University of Arizona)
後記─細節越多了解越少
在行星科學領域裡,科學家們需要計畫新的太空任務來取得新的觀測影像,也需要細細觀察每個行星表面的衛星影像來判識不同星球上的地質作用。HiRISE 的首席科學家麥克溫(Alfred S. McEwen)曾說道:「我們對火星取得更多的觀測細節,我們就越能感受到火星的獨特之處。」誠如斯言,當我們人類得到越多的火星上的細節,卻發現我們對她的了解越少!每當取得新的資料後,如HiRISE,行星科學家們都期待可以更進一步了解不同行星的表面有哪些自然作用,但往往會衍生出更多、更複雜的科學問題。看起來好像很繁雜、很沒有規律,但這也是行星科學研究迷人之處,永遠讓人有意想不到的驚喜與新的科學發現。談到這裡,您有想要參與「火星任務」嗎?
Liu, Z. Y. C. and Zimbelman, J. R., Recent near-surface wind directions inferred from mapping sand ripples on Martian dunes, Icarus, Vol. 261:169-181, 2015.