張永佶（任教北一女中化學科）

102學年度大學指考，隨著莘莘學子在酷熱豔陽下的應考結束而落幕。今年指考報名人數再創新低，但因學測甄選名額大幅增加，相對地減少了指考分發的名額，故指考仍是相當激烈。

指考是對學生高中三年學習的總評量；試題的方向與難易，也是對基層教師在實施99新課程綱要教學時，所做的初步檢驗。因應新時代多元化的教育、學生多元化的學習，大學指考試題確實要能更貼近高中的教學，因為優良的試題能導引正常教學及創造優質的高中教育，若是一昧的只為挑出最優秀的學生，讓試題偏難或超出課程綱要，抹煞學生的學習興趣，打擊老師的教學熱忱，使認真努力及充滿熱情的師生感受挫敗，導致無法普遍檢測考生的學科能力，實為憾事！

來談談今年指考的化學試題吧！此次可以說是近幾年來最優質的考題，不論在難易適中、試題取材、現行課程綱要、鑑別度及是否有爭議等方面，都獲得極高的評價；對教師教學及學生學習，起了很好的示範作用，讓對化學仍充滿興趣的學生及第一線教學的老師，重新再燃起了熱情。

試題不僅整體評價頗高，瘦肉精、實驗安全與廢棄物處理也都入題，看得見命題者的用心，讓學生及教師重視「化學是實驗驗證的科學」，亦足見學校的實驗課程不可偏廢，這就是試題也能引導正常教學的鐵證。至於坊間許多評論認為應該要將今年的毒澱粉事件加以命題，本人則有不同的看法，因為很多高中概念的呈現，有時硬要與時事作連結，是否會過於牽強，這部分還是由命題者決定較佳。

今年的試題沒有繁複的計算，例如單選題第4題的（C）選項：【已知此反應的速率常數為8.7 × 10－2天－1，則碘-131衰變為氙屬於一級反應】，其實並不須計算，可直接由速率常數單位判斷反應級數；例如單選題第5題的（E）選項：【剩餘的鹽酸溶液以氫氧化鈉中和，並以大量水稀釋後排入水槽】，但仍有老師提出疑義，認為是否可將剩餘的少量鹽酸，直接以大量清水稀釋後排放。實驗室廢棄物處理的命題頗有創意，但建議應將實驗室廢棄物處理的標準化流程集結成冊，基層教師人手一本，即可避免疑慮。

其實命題最大的問題在於題目本身語詞的論述及反應的條件，這是最令人詬病的部分，所以建議試題中反應條件的說明也應清楚標示，例如第16題：【將含有酚.、碘化鉀與澱粉的混合液加入U型管，再把接於電池兩端的石墨棒，放入U型管中，形成電解電池。下列有關此電解電池的敘述，哪些正確？】，題幹中沒有提及碘化鉀的濃度，若濃度太稀薄，陽極也會電解水生成氧氣，那答案就會非常複雜；如果能將溶液的濃度與施加電壓標示清楚，也就能避免疑慮。大考中心總是以選擇「最佳答案」作為回覆的標準，但實驗結果的可能性辯證，不也是科學的可愛之處嗎？更何況現在許多優秀的學子，在高中時期就已經從事專題研究及涉獵大學課程，總會有許多超越一般學生的想法，所以實驗的條件已經不能再像十幾、二十年前的做法一筆帶過。

高中課程的多元化學習——北一女中「化學宅急便」活動。此活動由北一女中與教育部高中課程化學學科中心合作，期讓學生能在展覽、動手操作的過程中獲得啟發，提升對化學的素養與興趣。（作者提供）

 還有今年的試題高三課程比重較高，這也提醒了學生不可只重視高一及高二學測的範圍，應該重視整體高中三年的完整學習。試題方面可再調整的部分，就是各章節的命題比重宜再均衡，今年在分子結構、氫原子光譜、溶液的性質、化學平衡等概念均未入題，倒是有機化學與聚合物比重過高。

今年的試題雖有少許瑕疵，但以教學年資20年以上的我來說，真的要給大考中心與命題老師一個「讚」，像學測與指考的大型考試，根據新課程大綱，出題老師對第一線的教材及學生普遍程度的拿捏能夠確實掌握，就是最重要的命題關鍵。每位命題者都應該秉持一個正確的概念，以化學科來說，考最高分的學生，也不一定會唸和化學有關的相關科系，所以容我提出這個問題供大家深思：「命出過難或超出課程綱要的試題，是否有其必要性？」

如果要鑑別一位優秀及認真學習的學生，只要針對學生學習概念，加以邏輯上的延伸與思考即可，實在沒有命題超出課綱的必要性，相信站在第一線的高中老師，只要授課時數足夠，其實也大都會補充課綱以外的內容與生活知識。老師秉持著「因材施教」的精神，可以補充、也可以教授課綱以外的內容，尊重教師的專業自主，但考試就應該回歸到難易適中的軌道上來，讓學習者有信心、有熱情的學習，讓學生能選擇自己的所愛，愛自己的所選，這才能回到教育與考試的真正目的。命題者也應當了解考試的目的，命題不是展現才華的場所，讓學生考高分也不是試題不佳，更何況再簡單的試題，也有很多學不來的學生啊！優良的試題可以評鑑學生高中三年的努力，劣質的試題只能造就少數的聰穎學生，卻大大打擊了大多數努力又熱情的莘莘學子，「命題」怎能不慎重呢！

本文刊載於科學月刊第四十四卷第十一期

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歐洲核子研究組織在發現希格斯粒子之後，首次打開大門，讓我們一探究竟!

文/曾琬迪

2012年7月4日，歐洲核子研究組織（CERN）首次公開發表「希格斯粒子」的發現，50年前提出希格斯機制的希格斯和盎格列都受邀入席。當緊湊緲子螺管探測器（Compact Muon Solenoid， CMS）和超導環場探測器（A Toroidal LHCApparatus， ATLAS）兩個團隊先後公布成果，希格斯老先生當場老淚縱橫:「對我來說，這真是難以置信。這一切竟然會在我有生之年發生。」

而讓這一切得以發生的，正是CERN 的大強子對撞機（Large Hadron Collider， LHC），以及數千名在此努力不懈的物理學家和工程師。

LHC 這個名詞從五年前開始廣為人知，2008 年9 月10 日是它第一次試運轉成功，在周長27 公里的超大環形加速器中，兩道質子束成功地完成繞行——這個人類史上最昂貴的科學儀器，真的可以實際運作!消息一出，馬上攻占世界各大媒體版面，據CERN 的媒體公關部表示，這也是它們的網站流量第一次超越美國航太總署（NASA）。

今年3 月，CERN 終於正式宣布，先前探測到的新粒子確認是希格斯玻色子，LHC 至此暫時功成身退，依照原定計畫停機兩年進行升級，提升質子束至更高的能量等級，要到2015 年才會重新啟動。

一個歷史性的時刻：LHC 首度試運轉成功，在控制室的科學家紛紛鼓掌叫好。

在LHC 停機的這兩年，CERN 也沒閒著，除了繼續分析海量數據，並為下階段做足準備，他們也決定打開大門，舉辦兩天CERN OPENDAYS，開放民眾參觀地下一百公尺深的LHC 內部，親身體驗「大科學」的魅力。距離上次CERN 開放民眾參觀，已經長達五年之久，而這次又是LHC發現希格斯粒子後首度開放，千載難逢的機會，讓科學愛好者趨之若鶩，甚至有業者籌畫了專門的參訪團。一名物理部落客，列出了十個你一定要去的理由:

一、錯過這次，你得再等五年!（LHC 預定於2018 年再度停機升級）

二、深入地下一百公尺，到達希格斯粒子首度被發現的地方。

三、親眼目睹讓LHC 停機的關鍵裝置。

四、拍攝藝術家繪製的ATLAS 巨型壁畫。

五、按下ATLAS 控制中心的緊急警報按鈕。

六、參觀第一部WWW 伺服器。

七、透過ALICE 認識「夸克–膠子漿」。

八、在展示中心的「未來椅」上放鬆一下。

九、想知道更多嗎？你可以直接詢問現場的粒子物理學家。

十、活動全部都是免費的，甚至還包含日內瓦的市區交通。

是不是很令人心動呢？不過瑞士畢竟有點遙遠，如果你沒能參與此次盛會，沒關係，現在就讓我們一起瞧瞧CERNOPENDAYS 有哪些精彩的內容吧。準備好了嗎？Let’s go !

「我們的宇宙是你的!」

CERN OPENDAYS 在2013 年9 月28日、29 日盛大展開，兩天的活動都是從早上九點到晚上八點。參與民眾可以免費搭乘日內瓦的公共交通設施，直接抵達主要活動會場——梅蘭（Meyrin）院區。雖然只有短短兩天，活動內容卻非常地豐富:CERN 在9 個區域安排了37 個地面參觀點，40 個不同主題的演講（共有224 場次，英、法、德、義四種語言），而最令人興奮的，莫過於深入地底100 公尺的地下參觀!

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。 LHC 的四個主要探測器：緊湊緲子螺管探測器（CMS）、超導環場探測器（ATLAS）、大型離子對撞機（ALICE）和LHC 底夸克探測器（LHCb）的相對位置圖。其中ATLAS 與CMS 是通用型的粒子探測器，而LHCb 與ALICE 則是較小型的特殊目標探測器。 除了上述四個主要的探測器，LHC還有另外三個小型的探測器：TOTEM、MoEDAL和LHCf，用來從事更專門的研究。

由於地下參觀有人數上的限制，所以必須先在網路上預訂門票才能參加。CERN從八月中開始，連續三週分期釋放門票，且只讓每個人登記一個場次，以確保所有人都有機會。門票釋出的方式也很有趣，網站會先預告你下次釋放的時間，是某一天當中的其中一小時，但在那一個小時內的釋放時間則是隨機的。筆者為了搶票，從預定時間前五分鐘就坐定電腦前，不斷重載頁面，最後總算如願以償，搶到了最想看的ATLAS 地下參觀門票。

除了地下參觀之外，其他所有活動都是自由入場。你可以近距離和粒子物理學家交流，參觀他們工作的地方，像是世界網格運算的心臟——計算機中心，或是LHC 的中樞神經系統——控制中心。你可以參觀加速器、反物質工廠、低溫和晶體實驗室，以及組裝超導磁鐵的巨型磁鐵設施。除此之外，CERN 還準備了許多特別的活動，像是介紹LHC 的3D 電影、讓學童可以自己動手做的「趣味空間」、彷彿變魔術一般的「科學劇場」，還有13 組樂團輪番上陣，讓你走累了可以坐下來聽聽音樂，享受科學與人文的交會。

這是一場盛大的科學展演，也是科學家和民眾同樂的嘉年華會。就像CERN OPENDAYS 的口號「我們的宇宙是你的!」研究宇宙奧祕的CERN 這兩天完全開放給民眾，前來參觀的每一個人，都是最重要的主角。

巨大的科學，真美!

由於CERN OPENDAYS 的活動實在太過豐富，就算你待上兩天也沒辦法全部逛完。以下就挑選幾個重點主題，跟大家分享。

ATLAS 探測器

ATLAS 探測器長46 公尺，直徑25 公尺，是LHC 中最大型的探測器，也是有史以來最大的一個探測器。既然來到CERN，當然不能錯過ATLAS 的地下參觀。

地下參觀以12 人為單位，由一位CERN 的研究人員親自帶領參觀。途中經過ATLAS 控制中心大樓，可以欣賞到美國藝術家克里斯佛提（Josef Kristofoletti）所創作的大型壁畫，畫中描繪粒子在ATLAS 探測器中碰撞的情形，繽紛的色彩充滿整個牆面，引人注目。雖想駐足欣賞，不過後面等著參觀ATLAS 的隊伍還排得很長，我們只能加快腳步繼續前進。

走下電車之後，第一眼就會看到稱為「科學創新之球」的大型穹頂建築，主要舉辦各類與CERN 相關的展覽。這個球體建築並不小，卻也只占整個活動會場的一小角而已。

美國藝術家Josef Kristofoletti 費時一年多完成的心血結晶，網路上有完整的縮時攝影全紀錄，可以看見他精彩的創作過程。

進入這個戒備森嚴的電梯，就會到達地下八十公尺深的ATLAS 探測器。

通過一扇小門，我們進入一棟建築，裡面充滿了管線、鐵架，還貼了很多放射線警告的圖示。導覽員很貼心地拿出輻射偵測器，告訴我們現在是停機時期，所以不會偵測到任何輻射值，大可安心。接著我們經過一扇戒備森嚴的門，進入通往地下的電梯。

ATLAS 探測器是以碰撞點為中心的一系列同心圓柱體設備所組成，主要分為三層探測設備，由內到外分別是:內部軌跡追蹤器（Inner Tracker）、量能器（Calorimeters）和緲子譜儀（Muon Spectrometer）。其中內外兩層還配備了磁鐵系統（如下頁圖示）。我們參觀時所在位置是在圖中左側小人下方的地面，因此只看得到緲子譜儀，不過光是如此，就足以讓人目瞪口呆說不出話來了。閃爍著金屬光澤的緲子譜儀，還有纏繞周圍的複雜管線，絕對比任何一個電影場景更震撼人心。

站在ATLAS 探測器面前，導覽員向我們解釋眼前的儀器是探測器的哪個部分，整個探測器又是如何運作。他告訴我們ATLAS 的磁鐵系統用的是超導磁鐵，由超導線圈構成，是一種很特殊的材料，不僅能產生巨大的磁場，也因為沒有電阻，維持磁場並不會消耗能量。不過要成為超導體卻有一個前提:磁鐵線圈必須冷卻到低於臨界溫度——攝氏零下271 度。「我們已知宇宙最冷的溫度是零下270 度，所以這裡是全宇宙最冷的地方。」導覽員笑著說。

除了宇宙最冷的超導磁鐵，ATLAS 探測器還有一個很厲害的地方，就是它的數據處理系統。在LHC 運轉的時候，平均每秒鐘會發生4000 萬次碰撞，而每個碰撞所生的資料量，大概就跟一張照片差不多，也就是說，每秒鐘就會新增4000萬張照片!這麼驚人的資料量，如果要全部存下來，硬碟就得堆到月球上去了。因此ATLAS 探測器的做法是，先初步篩選有興趣的高能量碰撞，每秒鐘只留下450~600 個碰撞事件，再針對這些事件做進一步分析。儘管數據已經大幅度刪減，LHC 仍舊累積了海量的資料，目前已超過100 PB（Petabyte，千兆位元組），相當於10 萬顆容量1TB 的硬碟。為了處理大量的數據，CERN 召集了全球網格計畫（World-wide LHC Computing Grid， WLCG），共有約40 個國家在世界各地200 多個計算中心，共同處理LHC 產生的資料。值得一提的是，中央研究院也參與了這項計畫，而且是亞洲唯一的一級中心（Tier-1Center，全球共有11 個）。

ATLAS 探測器示意圖。

ATLAS 探測器實在太過龐大，雖已使用廣角鏡頭，仍難以拍攝全貌。

由於有太多人等著參觀ATLAS，我們只在地下停留了短短15 分鐘。儘管如此，那震撼已經太過強烈，就像質子束的碰撞一樣，激起了無數的火花。

小宇宙科學館

如果你對粒子物理有很多困惑，或是想了解CERN 和LHC 究竟在研究些什麼，來一趟小宇宙科學館（Microcosm），一定可以找到你要的答案。這裡是平時就對外開放的區域，可以說是以粒子物理為主題的科學博物館。如果錯過了CERN OPENDAYS，找個機會去小宇宙科學館參觀，也是個不錯的選擇。出發前記得先上網查詢開放時間，因為國定假日是固定休館的。

走進小宇宙科學館，你會先經過一條長廊，長廊的牆上貼著一長串海報，串出了CERN 的起源。故事從1949 年的德布羅意（Louis de Broglie）說起，那年他在歐洲文化會議上提議，歐洲國家應該共同創立一個科學實驗室。短短三年的時間，11 個歐洲國家就在一場會議上達成共識，決定成立CERN，並且選定瑞士日內瓦作為實驗室的預定地。1954 年9 月29 日，會員國共同批准公約，CERN 正式成立，也開啟了歐洲與美國的高能物理競賽。這場競賽互有輸贏，到了希格斯粒子被證實的那一刻，CERN 立下了一個里程碑，也證明了合作的力量。而這樣的合作精神，在小宇宙科學館可見一斑——所有的解說都是用四國語言寫成，包括法文、英文、義大利文和德文。

這個房間裡懸吊了十幾副耳機，你可以來到有興趣的問題前面，拿起耳機，選擇你要的語言（可惜沒有中文），聆聽關於宇宙的奧祕。

了解LHC 最主要的四個探測器:CMS、ATLAS、ALICE 和LHCb。現場也放置了一個ALICE 探測器的模型，讓你了解它的內部結構和每個儀器的用途。

以上所述都是小宇宙科學館的常設內容，不過既然是難得一次開放日，CERN 當然準備了更精彩的活動。走到小宇宙科學館的出口，一拐彎就進入了另一個空間，裡面就像是假日市集一般，擺了好多張長桌，每張桌子都站著一個穿著橘色制服的科學家，對著圍觀群眾講解CERN 所發展的各種尖端技術，如何改變我們的生活。像是我們每天都會連上的全球資訊網（WWW），就是在CERN 工作的英國科學家伯納斯–李（Tim Berners-Lee），為了滿足科學家之間共享訊息的需求，而研發出來的技術。

模擬LHC 碰撞的體感遊戲很受歡迎，雖然只是個簡單的遊戲，卻引人思考：要讓兩束質子束恰好在探測器的位置碰撞，究竟該怎麼做呢？

不過這裡最吸睛的，是一個結合Xbox遊戲主機技術的體感遊戲。每輪遊戲由兩個人共同參與，每個人分別代表一束質子束。你可以用腳來發射質子束，當兩端發出的質子束對撞在一起，背景螢幕就會顯示出碰撞後粒子激發的狀態，同時兩個人都會獲得分數。如果碰撞點離你的距離較遠，就表示你發射的時間較早，你還可以獲得更多分數喔。

如果在室內待久了想出來透透氣，小宇宙科學館的外面還有一個「科學花園」，陳列了CERN 過往實驗所用的大型儀器，每台儀器都曾風光一時，包括1973 年發現中性流的卡岡梅爾氣泡室（筆者覺得它看起來很像一個大黑輪）。這些儀器雖然已經是老古董了，但以現在的眼光看來，依舊很有科幻感，讓人忍不住幻想，深夜十二點時，所有的儀器會不會活過來跳舞呢？

一場成功的科學嘉年華

CERN OPENDAYS 連續兩天的活動下來，總共有七萬人湧入參觀，其中兩萬名幸運兒獲得地下參觀的機會。一位來自台灣的工程師說:「太屌了，他們竟然拼出這麼大的儀器，而且真的可以用，還在這麼短的時間內就找到了希格斯粒子!」一名英國的退休物理教師說:「我一直嚮往這樣的活動，但卻一直到退休才有機會參與，這兩天真是太棒了，科學教育不就應該像這樣嗎？」而就算是CERN 資深的物理學家，也有同樣的感動:「這場活動展現了CERN 研究的多樣性，真是不可思議，連我也發現了新東西。」

小宇宙科學館附設的科學花園。由上至下分別是：大型歐洲氣泡室（Big European BubbleChamber， BEBC）、大型電子正子對撞機（Large lectron–Positron Collider， LEP）的射頻腔、卡岡梅爾氣泡室（Gargamelle Bubble Chamber）。

連續兩天的活動都持續到晚上八點， 直到CERN 的地標「科學創新之球」亮起夜燈，與會者仍流連忘返。每個人臉上滿足的笑容，已經說明了一切。毋庸置疑，這是一場成功的科學盛會。

要舉辦這樣成功的科學展覽，需要具備哪些條件呢？筆者認為，或許可以歸納為以下幾點:

一、多元設計:CERN 雖然聚焦於粒子物理研究，這次活動卻展現了驚人的多樣性，不僅有豐富的主題，活動設計更是精彩:有靜態的展示、有專人導覽的地下參觀和實驗室參觀、有實際動手做的小型workshop、有實驗演示、有競賽活動、有小劇場，也有3D 電影，更有多場不同主題的演講。在這裡，每個人都能找到他最喜歡的學習方式。

二、互動交流:為了支援這場規模龐大的活動，CERN 召集了2300 位志願工作者， 擔任導覽員或是服務人員。這樣龐大的工作團隊，搭配豐富的活動設計，促成了許多小規模的導覽、示範講解和實際操作，在約莫十幾個人的團體中，民眾真的可以實際參與活動，近距離和專家互動。

三、老少咸宜:除了多元的活動安排，CERN 也兼顧了各個年齡層的需求，有給小小孩玩的積木組裝和親子劇場，也有為學生設計的樂高模型競賽，而活動場所是否設有無障礙空間，也都會特別註明。每個人都是貴賓，都被禮遇。

四、指示清晰:大型活動最怕亂，如何設計指示系統，讓參與者能夠輕鬆優游，是成功的重要關鍵。CERN OPENDAYS 設計了一目了然的導覽手冊，將地圖、活動和接駁等重要資訊，全部整合在短短六面的摺頁。此外，還有一款很棒的智慧型手機APP，不僅依照主題和區域羅列出完整的活動內容，還可直接連結到地圖，並且定位現在位置。所以雖然活動很多，場地也很大（從梅蘭院區前往參觀CMS，搭乘接駁車需時45 分鐘），卻完全不會讓人無所適從。

五、鼓勵參與:這是一場完全免費的活動，參與活動免費，停車免費，而市區電車不僅免費還配合加開班次。這一切措施，配合超過半年的長期宣傳，在在將參與門檻降到最低，讓所有對CERN 有興趣的人，只要起心動念就能參與盛會。

唯有熱情創造一切

撇開CERN OPENDAYS 籌備小組的用心良苦，這場活動最讓人感動的地方，其實是人們的熱情。2300 名志願者，拋下他們的實驗工作，犧牲他們難得的週末假期，就為了訴說粒子物理的奧祕。七萬名群眾，從世界各地湧入，不僅為了一睹LHC 的風采，也為了對這門困難的學問，有多一點點的理解。這樣的熱情，讓上萬名科學家聚集在一起，跨越國籍和信仰，共同奉獻他們的生命，只為了回答一個關於宇宙的問題。

我想起在《上帝的粒子》書中看到的一則小故事:

LHC 在2011 年4 月22 日午夜，創下瞬間亮度的新世界紀錄。當晚的工程師負責人名叫龐塞，她在小時候曾經造訪過CERN，後來在1999 年加入實驗室，進行博士研究。當時是午夜，只有少數幾個還待在控制室裡的人見證了那個時刻。龐塞大喊大叫、手舞足蹈，就像當年那個參觀CERN 的青少年一樣，在空中揮舞雙臂。

科學讓人著迷，讓人燃起所有的熱情，投入一切。可是科學研究也是孤獨而不被理解的，它需要讓更多人感受它的魅力，它需要認同者，也需要後繼者，不斷傳承知識的火炬。

CERN 花費大量資源和人力舉辦這樣一場大型的科學展覽，究竟是為了什麼？在科學家和參與者的熱烈交流中，我找到了答案。

後記

標準模型的理論，隨著今年諾貝爾物理獎的頒發，似乎畫下了完美的句點。若真如此，粒子物理學的下一步該走向哪裡呢？標準模型還有可能被推翻或修改嗎？我們對實體物質的理解已經到達盡頭了嗎？CERN 的未來又將如何發展？

你可以上網看看這次CERN OPENDAYS完整的演講內容，答案或許就在影片中呢!

參考資料

1. CERN官方網站
2. CERN opendays 2013
3. Anais Rassat， 10 Reasons to Visit the CERNOpen Days， ‘Dark Universe’， 2013.
4. 余欣珊，<加速變奏曲—探索基本粒子的大強子對撞機>，«科學月刊»43 卷第5 期。
5. 巴格特，柯明憲譯，«上帝的粒子:希格斯粒子的發明與發現»，貓頭鷹出版社，2013 年。

曾琬迪:前科學月刊主編

原刊載於科學月刊第四十四卷第十二期。

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科學傳播不只在認識科學本質，更需具備與社會溝通的概念。圖為2013年吳俊輝老師於泛科學年會上的演說。

作者／莫季雍（任教體育大學休閒產業經營學系）

科月在今年的三月，以「臺灣的科學傳播：現在和未來」為專題，邀集了好幾位目前參與科技部科普案的各大學老師，難得地討論了一番科學傳播在臺灣的起步與作法。說難得，真是因為幾年來科普案悶著頭做，沒有大聲宣傳投書，也不曾高調倡言主張。七年間，根紮了、竿立了，影子也看到了，計畫也快要結束了。一定要感謝科月的是，它讓科學傳播在做什麼，有更多的人有機會知道。

計畫有多少人知道不是重點，倒是這計畫所產出的科學影片和節目，很多人是看到的，舉凡《蝴蝶的異想世界》、《史溫候福爾摩沙哺乳動物紀行》、《飛鼠部落》、《科學小原子》、《流言追追追》、《百萬小學堂》等，這些影片和節目不在一個頻道播出，但總加起來的收視率，卻能超越著名的境外頻道。臺灣的觀眾對科學影片節目不是不會看，也不是沒興趣，是商業化的電視忽略了這樣的需求。

三月間，科普發展計畫跟往年一樣舉辦了研討會，會中與會者倡議成立科學傳播協會，獲得學界、產業界和政府部門的熱烈響應，也順勢召開了籌備會議，此刻正向主管機關申請中。

這是新的一步，有它多重的意義。其一，世界各國都在努力為普及國民科學知識，提昇國民科學素養努力，如英國以皇家科學會領軍，英國廣播公司和Channel 5戮力製播科學影片；美國以國家科學基金會帶領，完整規劃非制式科學教育計畫，國家地理頻道、探索頻道、公廣的NOVA多年來供應國際其卓著的科學節目；歐盟委員會聚集各國力量為歐洲各國的科學研發發聲；日本政府、學界與NHK電視台等制定明確科學傳播政策；中國更訂有《科普法》，由中國科協在全中國大陸建立完整的科普教育體系；更不用說加拿大、澳洲等國的努力，以及許多其他國家的跟進。這告訴我們科學傳播需要政府明確、長期的政策，帶動有熱忱與社會大眾分享、溝通的科學家，以及有理想、有扎實製作能力的傳播機構合作，來開啟與維持這種動能。

這一點，我們開始了，沒落後太多，但總得擔心接下來呢？在一片追求小確幸、表面績效、頭痛醫頭的今天，教育都要十年樹木，培養國民科學素養豈能眼光短淺，只講近利。以協會之力，為臺灣的科傳擘劃，為政策進言，是這個協會的首要工作。

再來，多年來有許多默默耕耘的學者、業者，秉持著他們對提昇社會大眾科學知識的使命感，做了很多，但熱忱之餘，總是缺乏足夠資源的回應，再怎麼說，永遠比不過娛樂的叫好叫座。2007 年，國科會開始投入臺灣科普傳播事業催生計畫，八年來，號召了許多學者、業界的加入，建立了資訊與娛樂並重的吸引力觀念，產出相當多的本土科普影片和節目，甚至有國際合作的影片於外國播出。計畫為求長遠發展而舉辦的影音訓練班、漫畫班，於十餘所大學開設的科學傳播系列課程，帶領了許多學子認識了自己本科學能之外，還要能與社會溝通的觀念。

當學者、傳播業者與學生都覺得這麼有社會意義的事，一定要繼續做、努力做的時候，以前靠一年一次的研討會團聚各方有志之士的對話平台，以後會有一個協會來「協力」各種觀念、興趣與作法。科學傳播在臺灣的未來應該不是政府有經費就做做、沒有就算，經驗能力無法累積，主題與作法有一搭沒一搭的零散作為，體系化的努力將是這個協會的另個重點。

臺灣以協會之名的組織不知凡幾，協會可以是一群人志願性的組合以完成某個目的，也是基於共同興趣、目標和專業的一群相互連結的人的聚合。作為一個科學傳播的社會團體，應該是以科學傳播的學術和實務發展為中心，透過製播、推廣、教育訓練、展演、競賽、研究、發行、影音素材與人才的資料庫建置、國際交流合作等多元途徑，以民間的社群力量，輔佐和參與政府的科學傳播政策。畢竟單賴政府是不夠的，民間有充分能力，兩者集結在一起更有利發揮。是以，協會不該是政府的外圍組織，應該扮演民間、專業的角色，成為與政府共謀國民科學素養提昇的對話團體。

從發起人的名單看出來，除來自北中南東各地，還包括了自然科學、社會科學、傳播、教育、傳播業界與媒體，以及政府部門的人士。重要的是大家對科學傳播這個志業有共同興趣，願意支持這個推動本土科學傳播事業發展的組織，這正反映著這個領域多年來已跨越學術與實務、結合自然科學與傳播學界，從科學教育拓展成科學傳播的努力。多元的組成成份適足反映科學傳播這個領域的「合作」特質，切不可掉入常見的孰輕孰重的爭論或某方把持的境地，這是特別重要的一個課題。

科技的時代，現代的國民生活，無一處不與科學和科技的研發有關，國民的科學知識成為面對生活問題、創造更佳生活條件之必需，對知識的愛好一定是國家國際競爭力的基礎。民主社會要求全民理性的參政，更需要以科學的方法和精神為本，思考和判斷各種公共議題，絕不可濫情、盲從，我們已經看到太多這樣的弊病。

科學不是象牙塔裡的產物，當攸關全體人民生活、生命與生存的科學知識，能讓所有國民普遍而平等地取得時，不僅落實國家對人民知識權的維護，更將因所建立的全民科學素養，促使國家科學研究更形蓬勃，科技發展獲得國民更多的支持。

這是我們不能不做的事，更是今天不做，以後一定會後悔的事。在科學傳播協會成立之際，我們充滿期待。

本文轉自《科學月刊》2014年7月號

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夏天到來，蚊子也跟著來了。據疾管署統計，目前全臺已累計多起登革熱病例。想消滅蚊蟲，你知道有種「許願盆」可以實現你的願望嗎？繼續看下去，這裡還有更多抗蚊法寶……Credit: James Jordan via Flickr

作者／夏維泰（任職衛生福利部疾病管制署）、林秀品（任職衛生福利部疾病管制署）、簡瑜君（就讀長庚醫學大學生物醫學系）、徐歆亞（就讀師大附中）

蚊子為什麼叮咬人類？哪些人比較容易招惹蚊子？不管白天還是晚上，為何蚊子總是有辦法找到你！蚊子不僅擾人清夢、讓人發癢，還會傳播疾病，例如瘧疾、登革熱等等；因此，坊間流傳著許多捕蚊偏方，但是，真的有效嗎？

目前盛行的捕蚊妙招：糖罐、鹼水盆及許願盆，都是依據蚊子的習性、嗜好，演變出各種誘引或捕捉的方法，但其實已有許多研究顯示，它們雖然有效，但依照使用時機的不同，效果也會大不相同。

這個夏天，如果你還為了身上的「紅豆冰」煩惱不已，不如自己動手做個捕蚊器，還能知道抗蚊的原理。

糖罐

糖罐是最廣為人知的捕蚊手法，藉著砂糖發酵時所產生的「二氧化碳」，吸引蚊子。

根據科學家的實驗發現，人類呼出二氧化碳的濃度約為4％，比空氣中二氧化碳的濃度高出一百多倍。二氧化碳會活化蚊子觸鬚上突起的化學感受器，經由感受器，蚊子就能找到發出二氧化碳的位置。

在遠距離時，蚊子會依循人類排放的二氧化碳尋找目標位置；等到靠近人體時，則會改由偵測人的體溫或表皮所分泌的化學物質，例如乳酸、尿酸、胺基酸等，來確認吸血的對象。糖罐，就是利用這個原理設計而來的。

蚊蟲研究者曾進行相關的誘引實驗。他在實驗室裡放滿了蚊子，以及兩具相距6呎、充填了二氧化碳的假人。實驗開始，先一次性地釋放全部的二氧化碳，發現並無蚊子靠近假人；接著改以人類呼吸的頻率來釋放二氧化碳，此時反而吸引許多蚊子靠近，並在假人身上找到多處蚊子叮咬的痕跡。由此可知，二氧化碳的確具有誘引蚊子的能力。

另一位研究人員則比較了不同來源的二氧化碳及人體足部的味道，對蚊子是否有誘引效果。結果發現，對蚊子而言，經由酵母產生的二氧化碳比工業用的二氧化碳更具吸引力，因為前者可以導致揮發性物質的產生；而若能同時具有人體足部的味道，則更能加強誘引。

所以，若將此裝置放於屋外，便可降低蚊子進入屋內的數量及機會。而使用酵母產生二氧化碳的捕蚊罐，不僅能大幅降低防治成本，更能大規模應用於偏遠地區的蚊子採樣研究上。

補蚊糖罐的製作方法

鹼水盆

曾有新聞報導，新北市某一社區主委利用廢油、氫氧化鈉和白醋來自製環保捕蚊器材，它的原理就是利用強鹼（氫氧化鈉）催化廢油（酯類）水解，進行皂化反應以製成肥皂；再將肥皂溶於水，藉由其香味吸引蚊子前來。由於蚊子會在水中產卵，肥皂中的化學物質將使得蚊卵無法孵化，因此達到防治蚊蟲的效果。也有實驗曾利用濃度約40％的硫酸鉀、椰子油加水，做成液態肥皂水，再以近似人類汗臭味的白醋作為蚊子誘餌。

民眾也可在院子中放置盆子，加入適量的肥皂絲、洗衣粉及水，製成鹼水盆。由於洗衣粉及肥皂絲都是鹼性物質，所以蚊卵浸泡在此環境下，可抑制其孵化或殺死孑孓，導致蚊蟲無法繁殖下一代，棲群數量自然越來越少，甚至滅絕；戶內也適用，但需小心家中的幼童或寵物誤食。

另外，也有研究人員比較肥皂與洗衣粉滅蚊效果的差異，利用不同廠牌的清潔劑及抗菌肥皂進行試驗。他們發現，三種濃度皆為0.01％，但不同品牌的清潔劑都無法有效造成蚊子幼蟲的死亡；但反觀其他四種抗菌肥皂，其活性成分——二氯苯氧氯酚（triclosan）的濃度只須達0.0001％，就可導致將近100％的死亡。由此推論，皂類產品所含的二氯苯氧氯酚會造成蚊子幼蟲較高的死亡率。而當肥皂濃度為0.2％或更高時，其滲透壓越高，因而更能消滅蚊子的幼蟲和蛹。

至於鹼水盆為何還需要使用白醋呢？那是因為人類體表的成分經細菌分解後，會產生含有乙酸的物質而吸引蚊子。目前已有研究證實0.1 mg/L 的乙酸溶液最具有吸引力。

從上述的材料看來，只要少許的花費（約30 元）就可以鹼水盆誘引蚊子而達到防治的效果，實在非常划算。

鹼水盆製作方法

許願盆

單憑幾枚壹圓硬幣作為材料的許願盆，真的可以防治蚊蟲，有那麼靈驗嗎？其實是因為壹圓硬幣裡含有「銅」這個化學物質。

在西元2000年，科學家進行「不同銅離子濃度對於白線斑蚊羽化情形的影響」研究時發現，當銅離子在水中的濃度超過500 ppb 時，銅水的濃度越高，抑制蚊蟲羽化的效果就越好。當水中的銅離子濃度在500 ppb 以下時，對於蚊子幼蟲的發育只有輕微的影響（甚至幾乎沒有）；但當銅離子的濃度升高至500~1000 ppb 時，則開始使得白線斑蚊的幼蟲發育延遲並造成高死亡率；銅離子濃度高達1000 ppb時，甚至可以完全抑制幼蟲的發育，同時殺死幼蟲。

其實，並非是銅離子直接造成蚊蟲死亡，而是藉由它與水中的有機物質結合沉澱，導致幼蟲因缺乏養分攝取而餓死。銅離子若再加上石灰，則更能抑制蚊子幼蟲的發育。

從以上實驗可知， 在300 ml 的水中放入至少4 個壹圓或伍拾圓的銅製硬幣，就可以有效阻斷孑孓的生長。因此，利用日常生活中隨手可得、含銅比率較高的壹圓硬幣，就可以達到防止病媒蚊孳生的目的。

當然，除了銅、鋁、鎳等成分外，也有人用常見的鉛以及非金屬的碳進行實驗。結果發現，銅片對於埃及斑蚊與白線斑蚊的存亡影響最大，鋁片、鎳片、鉛片對斑蚊的影響較小；其中，孑孓在放置鎳片的環境中，生長最為快速；碳棒在初期雖然可以抑制孑孓的生長，但蚊子最後仍化蛹而羽化成蟲。而在含銅、鋅及鉛的不同溶液中，銅溶液抑制孑孓生長、羽化的能力最佳，其次為鋅溶液，鉛溶液則效果不彰。

許願盆防蚊法

捕蚊法寶，如何選擇？

捕蚊的方法甚多，各有利弊。大多數人所熟知的糖罐，是利用砂糖發酵所產生的二氧化碳來吸引蚊子。因為二氧化碳是目前所發現最能吸引蚊子的物質，所以防治效果良好；但缺點是，糖罐中所使用的糖水易招來螞蟻，並且發酵作用結束後會立即失去誘引效果，故需要定期更換及注意防蟻的問題。而鹼水盆和許願盆雖然誘引蚊子的效果較弱，但可製造出蚊卵和孑孓無法生存的環境，因此只要有蚊子在此產卵，便能降低蚊蟲繁衍的數量。

另一方面，也由於糖罐是「主動」誘捕成蚊，所以短時間內就能看出顯著的效果；鹼水盆及許願盆則是「被動」等待蚊子產卵後，殺死孑孓，就短期而言效果不彰，但卻能從根本去除蚊蟲，達到防止病媒孳生、降低民眾感染蟲媒傳染病的機率，因此長期效果較佳。

夏季為蚊蟲出沒頻繁的季節，如果只是被動的等待蚊子來產卵，防治效果較弱，因此適合使用具有主動誘捕效果的「糖罐」。相反地，冬天時蚊蟲活動並不旺盛，便可以「鹼水盆」和「許願盆」來防止卵的孵化，以及孑孓的生長，以持續壓制蚊蟲的棲群數量。

社區防治宣導時，宜以「糖罐」為首選，除了方便製作外，也可大量誘殺蚊蟲。曾有實驗將糖罐置於停車場中，數日內就可捕捉到數千隻蚊子。居家戶內，則可以糖罐和其他方法並用，除了主動誘捕蚊子外，也可預防蚊子繁衍孳生，達到長期防治蚊蟲傳染病的效果。
延伸閱讀

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 郭家安、陳穎涵與沈奕均，<環保滅蚊殺手>，2005年。

本文轉載自科學月刊

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作者／王庭碩（臺灣大學昆蟲學系博士生）、楊恩誠（任教臺灣大學昆蟲學系）

法布爾（Jean-Henri Casimir Fabre），這位傳奇的博物學家，不但是十九世紀最重要的昆蟲行為研究推手之一，同時在年輕的求學過程中，對數學、物理學等基礎學門也有不少的貢獻。法布爾喜歡在自家花園中觀察昆蟲或是其他小動物的一舉一動，也喜歡順手記錄這些小生物如何在人類的世界裡打造出自己的家園。法布爾將這些紀錄彙集成《昆蟲記》（Souvenirs Entomologiques）。

法布爾 1823–1915法國博物學家、昆蟲學家、科普作家。

昆蟲記裡來找碴

《昆蟲記》這套家喻戶曉的十冊經典巨作，成為許多昆蟲學家的啟蒙書籍。法布爾一生奉獻在昆蟲行為的觀察研究上，提倡以尊重生命的態度，在野外直接進行實驗，實地觀察這些昆蟲的活動，而非一味的在實驗室裡解剖生物或是實行殘害性的試驗。這些寶貴的觀察紀錄，也對後人在昆蟲行為研究上有著非常深遠的影響。

法布爾的《昆蟲記》中，敘述不少他對於昆蟲的觀察紀錄以及實驗過程，可以清楚了解他對昆蟲的熱忱。無論是描繪昆蟲本身細緻的體表構造，或是描寫昆蟲的每個動作，都顯示出他專注的觀察態度，否則無法將這些瑣碎的事件勾勒得栩栩如生。法布爾的著作中少有晦澀難解的文字，多半是以輕鬆活潑的方式記下他的所見所聞。而這種撰寫方式，是優點也是缺陷，有時容易造成法布爾描述昆蟲行為時，出現過度擬人化的闡釋；也因為這種敘事文學的寫作模式，《昆蟲記》受到當時科學界的冷嘲熱諷，少有正面的評價出現。即使如此，法布爾仍憑藉著對科學研究幾近瘋狂的熱愛，寫下了大量的觀察結果。而隨著時代的演進，或許我們可以試著在他留下的這些大量觀察紀錄之中，找出法布爾所留下的研究，是否暗藏著一些容易被遺忘的實驗錯誤。

法布爾的昆蟲行為研究

動物行為學在研究上涵蓋的層面很廣，依據研究模式大致區分為三大類型：觀念型（conceptual）、理論型（theoretical）、實驗型（empirical）。三者之中，法布爾的研究較偏向實驗型。雖然如此，法布爾聚焦在昆蟲行為的觀察，僅有一部分才有簡單的小實驗，輔助驗證他的觀察。當時的生物學研究，才正開始進入組織或細胞層級為主的時代，法布爾所做的昆蟲行為學研究仍較為冷門，因此也無理論根據或者其他研究背景用以支持他的所見。因此藉由行為觀察的過程，法布爾提出許多有趣的假設，並依據自己的創意，設計出許多耐人尋味的實驗，說明這些行為可能發生的原因。

現今主流的動物行為研究，偏好以荷蘭動物行為學家廷貝亨（Nikolaas Tinbergen）所提出的四個動物行為問題為根據，循序漸進地探討動物行為的成因。這四個面向分別為：（1）什麼機制促使動物產生特定行為？（2）這樣的動物行為是如何發展出來的？（3）這樣的行為對動物的存活有什麼影響？（4）這樣的動物行為是如何演化而來的？

挑戰達爾文

早期的行為研究多是偏重於探討行為機制的成因，並沒有學習或是演化的概念，而法布爾的研究同樣是在那個時期完成的。他試圖去理解這些昆蟲的所作所為，以及產生某些特定行為的機制。不論是糞金龜產卵行為的研究，或是細腰蜂築巢地點的選擇實驗，都可以看出他的研究目標，多專注於觀察這些昆蟲為何會有這些行為。
當時的法布爾並沒有演化的概念，即便是在達爾文寫出《物種起源》（1859年發表）後，他仍對演化抱持著懷疑的態度；因此，法布爾對許多昆蟲行為的觀察，就產生了錯誤的立場預設。例如在〈給演化論戳一針〉這個章節裡，法布爾認為泥蜂若要擁有更好的生存能力，就應該取食多樣化的獵物，才能在競爭中獲得優勢；然而，在他的觀察裡，多數種類的泥蜂是屬於專食性的物種，只捕捉特定昆蟲作為幼蟲的食糧；反倒是泥蜂的始祖，對獵物種類不挑剔。

法布爾認為，這樣才能夠保證後代在生存鬥爭中取得勝利，將弱者和不適生存者消滅。從這個部分就可以看出法布爾對演化觀點的錯誤之處，他主觀的認定，這些泥蜂應該要往對自身有利的方向演化，而不是變得食性專一，削弱自己的競爭力。其實他不了解演化是隨機發生，而非有目的性的。隨機產生的變異個體，在環境變化或競爭選汰的壓力下，適存度較佳的特徵才會保留到下一代；因此，這些演化出專一食性的泥蜂種類，或許就是因為提升了在特定環境下的適存度，才會將這個習性保留下來。

雖然法布爾沒有表明否定演化論的觀點，但他認為生物演化的觀點都只是一廂情願，並非根據明顯的事實所提出。他認為唯有透過實際的證據來支持演化論，才有可能接受這樣的觀念。

太少的觀察

另一個在《昆蟲記》中顯現的問題是，法布爾所做的許多實驗觀察，都沒有足夠的重複性，以確實回答他的問題。法布爾喜歡實地觀察各種昆蟲在野外的真實行為，但在他大部分的研究中，像是細腰蜂、黑蛛蜂的築巢實驗，都只有一、兩隻的個體作為觀察對象；或者是處理相同實驗時，會在不同時間和季節下進行，難保這些昆蟲行為其實是受到氣候或光暗所產生的特定偏好性。在那個行為學還沒有普遍的年代，對沒有受過正統科學研究訓練的法布爾來說，這些實驗上的粗心無可厚非。

在現代行為學研究所做的社會性（指具有高度社會化組織的動物）昆蟲實驗中，可以發現沒有可重複性與控制變因是不可行的。像是蜜蜂的行為研究，不同個體在進行完全相同的工作時，可能會出現不同的表現，在這樣的情況下會被認定，個體間仍存有一些差異。這麼一來，若法布爾的實驗樣本數過小，便很難察覺個體差異的存在，或者環境等其他因素所造成的影響；也因此造成他在結論時，會產生很多難以解釋的問題。

說了這麼多，法布爾的《昆蟲記》內容依舊是瑕不掩瑜的，尤其是在描述各式昆蟲的身體構造與特徵時，更是令人讚嘆他的細心。像是提及蝗蟲或螽斯的發音構造時，他詳細的記錄弦器上的齒條數量、形狀，甚至是發音時的摩擦行為，在當時器具仍不精良的情況下，還能精準描繪，實在難能可貴。法布爾憑藉著他在化學方面的天賦與知識，還時常做些小實驗，證實昆蟲生理學的特性。例如，他利用氨水以及熱灰所設計的簡單實驗，就辨識出擅長狩獵的膜翅目，其幼蟲的脂肪組織中，含有無法排泄掉而累積的尿酸微粒。在沒有任何生理學、解剖學等可供參考的資源下，法布爾能夠想出如此精巧的方法，就足以顯示他是個聰穎且充滿創造力的科學家。

法布爾在《昆蟲記》中總是強調實驗的重要性，唯有經過實際設計實驗、實地觀察並記錄，才有足夠的科學基礎與證據，解釋現象的產生。這也是為什麼在法布爾逝世一百年後的今日，他所撰寫的《昆蟲記》還能夠持續在科學世界裡綻放光芒。

本文轉載於科學月刊2015年1月號。

延伸閱讀
法布爾，法布爾昆蟲記全集，臺北，遠流，2002年。

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「松下問童子，言師採藥去。只在此山中，雲深不知處。」
森林中多樣化的林木，在周而復始的生活週期裡，除了作為木材，更能製造出對人類生活有益的產物，拓展新的存在價值。這就跟著我們上山採藥去！

作者／王升陽

（中興大學森林學系特聘教授及中研院農業生物技術研究中心合聘研究員。專長為植物代謝體學與天然藥物開發。研究成果豐碩，並擁有多項專利。）

森林特產物（special forest products），又稱為非木材森林產物（non-wood forest products），是指來自於森林、林地或森林以外的林木，所生產的「非木材」產品。這些產物可以是採集自原始林或是人工林，也可以是生產於混農林業（agroforesty， 結合林業與農業間土地利用的研究科學或實作方式）的產品。森林特產物的種類可包括食物類、醫藥用品、香料及工藝品等。事實上，植物資源在人類文明史上扮演了極重要的角色，舉凡食、衣、住、行， 無一不與其緊密的結合。過去幾年中，我們的研究團隊，即以臺灣產藥用植物資源為研究主題，對其中可能具有生物活性的成分，進行結構鑑定與作用機制的探討。

不只是木材

以醫療保健系統而言，無論是東、西方的傳統體系，很多都是以林木所製造出的特殊成分，作為藥品的主要來源。根據世界衛生組織（WHO）的估計，目前仍有80％左右的人口，還是依賴傳統醫療作為治療疾病的方法。事實上，許多現代的藥品也都來自於植物的成分，如使用超過百年的阿斯匹靈（aspirin），其主要原料即萃取自楊樹樹皮中的水楊酸；又如癌症的臨床用藥，紫杉醇（paclitaxel）、喜樹鹼（camptothecin）等，亦是來自於林木。

臺灣森林面積約佔60％。由於地理環境、地形與氣候得天獨厚，孕育了豐富且多樣化的自然資源，其中更有不少特有種。這些特有種植物含有十分豐富珍貴的特殊成分，且具各種功效，非常值得我們重視、予以研究開發。從原料的角度來看， 我們可將林木視為，一個能製造出特殊化合物的「生物反應器」。這是因為林木為了適應特殊的生長環境，甚至為了加強應付逆境、對抗外來生物或非生物因子的侵襲，自然而然演化、製造出許多的特殊代謝產物。換言之，許多植物體內的代謝物，除了與它自身生化、生理系統功能相關外，也與外在環境的互動有著密不可分的關係。

過去我們對於森林資源的利用，大都只以「木材利用」的角度來思考。而今，自然環境已有極大的改變。除了傳統的木材利用以外，我們更需要發揮森林「多目標利用」的公益功，彰顯其「保健醫療功效」，並使木材「有效且永續的利用」。因此，如能開發林木裡特殊功效的成分，選擇適當的生物科技方法，調控植物的某些代謝產物，將可在持續利用的原則下，更有效的利用天然資源。在這樣環境保護與善用資源的前提下，更能為林業研究及生技產業開創新的契機。不但符合政府的林業永續經營政策，還可創造出無限商機。

與癌細胞對抗

樟科植物為組成臺灣闊葉森林中重要的樹種，約有60種之多。長久以來，許多樟科樹種於民俗植物（指的是與日常生活有關的野生植物）中扮演了重要的角色。因此我們的研究團隊，系統性地收集超過30種臺灣產木本樟科植物，對其生物活性進行探索。我們自活性篩選結果中，具細胞毒性的天臺烏藥（Lindera aggregata）葉子，分離出新的化合物，並將其命名為Secoaggregatalactone-A（SAL-A）。

由細胞毒性試驗得知，SAL-A對人類肝腫瘤細胞株（Hep-G2 cell line）具有顯著的毒殺效果。為解析SAL-A可能對腫瘤細胞造成的毒殺機制，我們觀察了細胞型態與利用流式細胞儀（flow cytometer）， 證實SAL-A主要是由細胞凋亡（apoptosis）的機制，致使人類肝腫瘤細胞株死亡。並由蛋白表現分析得知，SAL-A是經由粒線體路徑（mitochondrial pathway），誘導人類肝腫瘤細胞凋亡，進而抑制肝腫瘤細胞的生長。

五加科（Araliaceae）植物，包括有灌木、喬木或草本。有許多是重要的中藥材，如人參（Panax schinseng Nees），就是五加科的草本植物。約84屬920種以上，分布南、北兩半球的熱帶及溫帶。五加科的多種植物在民俗及藥用植物中，具有相當重要的地位。除具獨特的芳香氣味而廣被利用為香料之外，在民俗療法中也常被當成提神補氣的藥材。

臺灣產木本五加科植物共10屬，其中如五加屬（Acanthopanax）、楤木屬（Aralia）、樹參屬（Dendropanax）、八角金盤屬（Fatsia） 等， 除具芳香氣味外，也被利用於藥用或香料。在臺灣森林植物代謝物的抗癌活性研究方面，我們最近自三葉五加（Eleutherococcus trifoliatus）中，分離出木酚素Taiwanin E，並證實其可透過抑制網膜細胞瘤調控蛋白的磷酸化，抑制乳癌細胞的生長。

痛風的天然救星

嘌呤核苷酸（purine nucleotide）在黃嘌呤氧化酶（xanthine oxidase, XOD）的催化下，會氧化成尿酸（uric acid）。人體的肝、腸黏膜及乳液中，含有大量的黃嘌呤氧化酶；一旦作用，則將與嘌呤（purine）、吡啶（pyridine）及乙醛等，生成過氧化氫及尿酸。尿酸及尿酸鹽的含量若超過飽和點，就會以針狀晶體的狀態析出，沉積於關節，引起高尿酸血症（hyperuricemia）。臨床症狀上，高尿酸血症常扮隨著痛風的發生。因此使用XOD抑制劑，可有效阻斷尿酸在人體中的合成，是當前有效治療高尿酸血症的方法之一。

目前臨床上，治療高尿酸血症主要的藥物為別嘌呤醇（allopurinol）。它雖然能有效降低高尿酸血症的程度，但其嚴重的副作用也影響了人體的健康，如肝炎、腎病變及過敏反應等。也因此，尋找新的、無副作用的XOD抑制劑，便成了目前熱門的研究主題。近年來，使用植物性藥物，處理臨床疾病再次獲得關注。科學家轉而從多樣性的傳統中草藥植物中，探究XOD的抑制劑。希望能從中找出有效並且低副作用的XOD抑制劑，取代別嘌呤醇的使用。

由我們的研究結果中發現，臺灣特有樟科樹種土肉桂（Cinnamomum osmophleum ， 葉子精油具有極佳的抗真菌活性）所含肉桂醛，具有極強抑制黃嘌呤氧化酶的活性，更可有效降低動物體內的尿酸濃度。因此，土肉桂的確具有發展成抗結石或降尿酸保健產品的潛力。同樣於降尿酸活性的研究，我們也證實忍冬科的裡白忍冬（Lonicera hypoglauca）的葉子，其乙醇萃取物在體外實驗中，能顯著抑制黃嘌呤氧化酶的活性；而在高尿酸血症小鼠模式中，也可降低血清中的尿酸含量。

來自柳杉葉的舒緩

目前對於植物精油成分的研究，已累積了相當的成果。但對於直接分析來自樹木散發於大氣中的芬多精，其研究則相對較少。但另一方面，樹木的揮發性成分，已被廣泛利用在醫療、保健食品、化妝品、或殺蟲劑等方面。過去幾年中，我們已針對臺灣特產的林木，進行精油居家用品的研究與開發。證實紅檜精油具抗真菌活性、蠹魚忌避活性與殺蚊子幼蟲活性，而柳杉精油則具蠹魚忌避與毒殺活性等。

最近，我們更利用動物自動軌跡追蹤數位視訊系統，分析老鼠中樞神經系統在柳杉葉子精油作用後， 所產生的影響。首先，我們利用安眠藥誘導老鼠進入睡眠，結果發現，經柳杉葉子精油處理過的老鼠，能顯著延長睡眠。接著，我們利用「高腳十字迷宮」，試驗柳杉精油對老鼠抗焦慮的影響。結果顯示，口服柳杉葉子精油以及其主成分檸檬烯（d-Limonene），可明顯增加老鼠進入開放區域的比例、進入開放區域的時間。換言之，柳杉葉子精油能明顯降低老鼠產生的焦慮行為。此外，我們利用「冰醋酸扭體試驗」，評估柳杉葉子精油物對老鼠鎮痛的影響，也得到正面結果，可顯著降低老鼠的扭體次數。而在毒理試驗中我們也發現，無論對公鼠或母鼠，即使服用極高的柳杉精油，對老鼠也無毒性反應產生。由此可知，柳杉葉子精油以及其主成分檸檬烯，對中樞神經系統有相當的影響，具有安眠、抗焦慮以及鎮痛的功能。若能善加開發，將對森林資源的利用有重大的貢獻。

除了柳杉之外，臺灣原住民中的賽夏族與泰雅族，常將山胡椒（Litsea cubeba） 用於消除宿醉所引起的頭疼、身體痠痛等症狀。在民間傳統用藥中，也有祛風濕、消腫、解毒、止痛的功效。我們的研究團隊，便先利用了氣相層析質譜儀（gas chromatography-mass spectrophotometer, GCMS），分析山胡椒果實揮發成分之組成，確定其主要成分為香葉醛（geranial）、橙花醛（neral）和檸檬烯。再來利用數種動物行為模型，來評估山胡椒葉部精油，對老鼠中樞神經系統的作用與影響。結果發現，山胡椒葉部精油能延長老鼠的睡眠時間、減少「強迫游泳試驗」所產生的不動時間，並具有抗焦慮、鎮痛的效果。

害怕膽固醇過高嗎

據統計，代謝症候群（metabolite syndrome）普遍發生於成年人口身上，導因於體內慢性發炎。具估計約25％的人口受到影響，而在40歲以上的年齡層，更是超過40％以上都受到此疾病的困擾。近10年內，與代謝失常有關的疾病發生率增加了將近61％。但其增加速率，則又因人口和性別的關係而有差異。從自然資源中找尋低副作用、可治療代謝症候群的天然保健品，已是植物藥學家研發的重要主題之一。若我們能依目前臺灣樹種，已被分離出的特殊成分為開發主軸，針對代謝症候群相關的病症進行研究，相信可以找出具醫療開發價值的林產品。

我們將「土肉桂葉子熱水抽出物」，以口服的方式讓倉鼠服用。持續餵食低劑量的土肉桂葉子熱水抽出物5~10週後，這些倉鼠與只餵食高油脂飲食的倉鼠相比，可降低血清中的總膽固醇及三酸甘油酯。而在經過10週同劑量的餵食後，低密度脂蛋白膽固醇的指數也明顯減少。毒理安全性評估方面，在高劑量下，倉鼠在血清、血球檢測及腎及肝臟的臟器變化，都沒有明顯的毒理情形。根據這些分析，可以推論在高劑量下，土肉桂葉子的熱水抽出物沒有明顯的毒理反應；並且在低劑量時，就具有良好的降低血清脂質的功效。

而分離自紅果山胡椒（Lindera erythrocarpa） 的lucidone，也能有效抑制脂質生成作用（adipogenesis），減少細胞內的脂質生成堆積。在動物試驗中，lucidoneu 也可減少攝食高油脂老鼠的體重。除此之外，其實lucidone也是我們研究抗發炎成分的重要課題之一。我們建立了細胞與動物模型，來研究它的抗發炎機制。在揮發性成分方面，我們發現，山肉桂（Cinnamomum insularimontanum）的果實精油，及其主要成分檸檬醛（citral）具有顯著的抗發炎活性，值得進一步研究與開發。紅檜，為臺灣重要的針葉樹種。我們自其心材（位於樹幹中央，沒有活細胞、顏色較深的部分）甲醇萃取物中，依生物活性為導向的分離策略，分離出數個具抗發炎活性之化合物。我們也從臺灣特有普來氏月桃（Alpinia pricei） 中， 分離出數個具有抗發炎活性的黃酮類化合物。

最有名的樹――金城武樹。臺東池上鄉的一棵茄苳樹，因明星金城武替航空公司拍攝廣告而暴紅。茄苳（Bischofia javanica）抗風、抗污染、易栽培，可作為行道樹。木材堅硬耐用，可供建築；根、皮、葉皆可作藥用。壽命長，可長成巨樹，常成為民間信仰膜拜的樹公。（ 圖片來源：JianEn Yu）

另外，我們的研究團隊也由膽固醇吸收試驗結果證實，臺灣產杉、柏科木材中的二萜類化合物「鐵銹醇（ferruginol）」，對老鼠細胞的膽固醇吸收與酯化具有顯著的抑制效果，頗具潛力開發為預防動脈硬化的保健產品。

就一個天然物化學家的立場而言，如何促使「化學研究」謀取人類最大的福祉；在考慮自然資源保育與永續利用的前提下，開發自然資源是當前我們所感到高度興趣的議題。森林中多樣化的植物，在周而復始的生活週期裡，除具有調節環境、降低溫室效應的功用，更會製造出對人類生活有著莫大助益的產物。如樹木在一次代謝（光合作用）所產生的氧氣，以及在二次代謝中所製造出許許多多的微量成分。

有越來越多科學家相信，植物二次代謝產物除了可作為香料、醫療保健的主要原料外，在植物繁殖、生長發育、防禦及逆境調適等生理作用上應扮演著重要的角色。在過去10年中，我們的研究團隊系統地篩選臺灣特有森林植物的活性成分，並獲得具體的成果。在未來，也將持續進行深入的研究，並推動產業的發展，為臺灣森林資源拓展新的利用價值。

本文轉載自科學月刊2015年2月號。

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作者／趙軒翎（科學月刊編輯）

2014年謝志豪升等為台大海洋研究所教授，2015年7月又榮獲日本第18屆生態學琵琶湖獎的殊榮。他結合理論模型、野外調查實務數據與統計分析等跨領域科學方法，解決湖泊及海洋生態系統中漁業、優養化與環境變遷問題，而獲得此獎的肯定。

台灣大學海洋研究所位於校園的西北角，醉月湖的北岸，左右有天文數學館與凝態中心暨物理系館兩棟新的高樓矗立，襯托之下，海洋所的大樓顯得多了些歷史的痕跡，這裡就是謝志豪副教授任職之處。進入四樓的研究室，我們遇到的是如同實驗室中大學長般親切、沒有拒人之外學者架子的謝志豪老師，這樣一位年輕學者卻已有多篇令人驚豔的論文發表在世界頂尖的期刊上，讓人不能不好奇他究竟是怎麼做到的？

分生年代抵抗分生

雖然達到錄取醫學系的成績，卻寧可就讀台大動物系，謝志豪笑著說當時許多進入動物系的學生都是這樣。他進入台大就讀的那年，民國82 年，正好是中央研究院分子生物研究所、生物醫學研究所相繼正式成所的時代，在相關人士的宣揚與媒體的播送下，分子生物學成為當時台灣的顯學。在這樣的氛圍下，吸引了許多像謝老師這樣的學子進入生物相關科系就讀，期望能在這個尖端的生物研究中有所突破，進而貢獻生技產業或是醫學領域。

不過到了大二升大三的暑假進入實驗室後，他發現自己總是做不好分生實驗，搞不定這些儀器和技術。雖然實驗室的學長安慰他，犯完所有可以犯的錯誤之後，一定可以海闊天空、駕馭自如，但這樣的挫折卻仍讓他覺得自己不適合這樣的研究方向。

直到他跟著教授無脊椎動物學的陳俊宏老師，到澎湖去做野外實驗，在海邊採集樣本，他至此萌發了對生態的喜愛與熱情。而後又有幸遇到石長泰和丘臺生老師，帶領他進入浮游生物的世界。關起分子生物的這扇門後，生態的這扇窗開啟了，每個月出海採樣、努力學習浮游生物種類鑑定。謝志豪說，雖然要用很小的鑷子在顯微鏡下解剖微小的浮游生物，但對他而言卻比分生實驗容易上手。

研究所時想選擇純粹的海洋生態研究，不要再有分生實驗的實驗室。但在當年那個研究氛圍下可說是難上加難，因為連生態學都面臨分生的新研究工具引進而導致的轉型壓力。最後他選擇了與石長泰、丘臺生兩位海洋生態學家，學習如何研究台灣海峽的浮游生物與漁業資源。

讀論文是興趣

難道不跟著分生的潮流，就只能沉浮於傳統生態學領域？謝志豪可不這麼認為，他勇於跨入了另一個他不那麼熟悉的領域，並將生態學與這個領域做緊密的連結，這個領域是「數學」。生物統計及生物數學在現在可能不是一個新興的概念，但當時台灣在這方面的研究卻落後許多。他笑著說，當時會唸生物科系的通常數學不太好，或者是覺得自己數學不太好。不過開始想用數學作為研究工具，但數學又不好怎麼辦？於是他開始去旁聽數學系的課程，接觸微分方程、高等微積分，並且自己學寫程式，一點一滴唸下來，才發現是自己把數學想得太難了。

在眾人提倡分生的年代毅然決然地轉身投向海洋生態的懷抱， 勇敢走與大多數人不一樣的路。（謝志豪提供）

多數的研究生把大多數的時間花在自己的論文題目上，他卻將大把時間拿來了解各種不同的領域，他說讀論文是他的「興趣」。當他對某個主題有興趣，他會去念這個主題相關的論文，其中遇到不懂的或有疑問的，就再去閱讀更多的論文。「我想知道它的來龍去脈，我對歷史很有興趣，我會想知道誰是第一個提出這樣的想法的人，為什麼想這樣解決問題。」謝志豪的語句中很自然的流露他渴望更多新知識、新觀念的熱情，在這樣的過程中，他不僅擴充他的學識範圍，這些求知經驗更在一點一滴的累積下，成為他現在課堂上授課的題材。

進入理論生態殿堂

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！」

因為他的認真與努力，也讓他遇到了影響他博士班生涯的第二位老師，杉原（George Sugihara）教授。謝志豪回憶道，「我去上他的計量生態學，別的同學交作業都是紙本，我都寫程式，老師每次給我的成績上都寫Super ！他改成績的方式就是ok、good、excellent、super 分級， 沒有分數。」好的表現使杉原教授對謝志豪印象深刻，並將他挖角到自己的實驗室。

這個轉換讓謝志豪相當掙扎，一來是原實驗室的歐曼教授是帶他走入理論生態領域的重要老師，給他很多激勵和幫助，且當時已經準備要提博士資格考了。二來是他懷疑自己有沒有這個能耐，可以去應付新研究課題的挑戰。當他下定決心與舊實驗室道別時，他的理由是，「我認為我現在做的研究題目不夠具有挑戰性」，看似一句相當直接、大膽的話背後，其實有相當多的考量。

「當我在念碩士班時，像洋流模型這樣的題目全世界只有十個人在做，但當我唸博士班時卻有一百人會做，且出現了很多軟體，若我不能自己去發明軟體，那我就只是學會使用軟體和調整參數，這並非我讀博士班的初衷。」他決定給自己更新的挑戰，這種「除了要好，還要更好」的態度，相信是他不斷突破自我的動力，不過這次的轉換跑道卻也帶給他意想不到的艱難磨練。

他成為了兩個教授共同指導的學生，雖然這不是很特別的案例，但當發現這兩個教授對彼此頗有意見後，夾在中間的學生就相當尷尬了。兩位教授都是學生公認非常嚴格的老師，能在這兩位嚴師指導下順利畢業，謝志豪笑著說自己成了系上的「傳奇人物」。

雖然謝志豪一直都以輕鬆的語氣敘述這段經歷，卻不難想見當時他所面臨的壓力與挫折。博士班三年級他得重新構思研究題目，老師卻又一直不滿意他提出的想法，此外公費留學的獎金也即將用罄，卻沒有經費來源。在什麼都沒有的窘困情況下，曾讓他非常後悔轉換實驗室的念頭。

謝志豪老師親切、爽朗的個性，以及談話之間的妙語如珠，讓整個訪談笑聲連連。（洪英愷攝影）

獲得漁業寶庫

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」。

「他們想從資料庫中找到生態指標（ecological indicators），能夠幫助他們做環境和漁業的資源管理，讓他們經由指標判斷什麼魚可以抓、什麼魚不行之類的問題。」當時相當流行發明生態指標，至今仍是一門顯學，因為不管是政府單位或研究單位都想找一個簡單可行的標準，因此陸續發展出一百多種生態指標。謝志豪說他當時對漁業一點都不了解，要從不了解到了解，他認真下功夫，遇到不懂就找書唸、找人問。「發明生態指標何其之難，不同的魚受到不同的漁業壓力，要找到一個數值就可以來全面應用，其實我認為不是一個成熟的科學想法。」在大家極力尋找生態指標的情況下，謝志豪卻有相反的想法，「這些指標可能有用，但是它需要和沒有漁撈的狀況作比較，但現實上全世界都是先有漁撈後才去測量這種魚。唯一有用的指標還是回到傳統的漁業管理方法，一個種類、一個種類去做指標，但這不是政府單位想要的，因為已經有研究顯示，單一種類指標有相當大的缺陷。」

因此他提出了一個在當時很創新、奇特的想法，他要比較加州地區受漁撈和沒受漁撈影響的魚種，把受漁撈影響的魚種當實驗組，沒受漁撈影響的魚種當對照組，以此來看漁撈對魚種的影響。這個時候他的實驗室是整個大自然，不受漁撈的魚種受到的環境壓力，單獨來自氣候變遷和生物之間原本的交互作用，但受漁撈的種類除了這些以外，還要承受撈捕的影響。運用來自約翰老教授的50 年資料，他就能用各式各樣的分析方法來比較這兩種狀況。

「當時我提了這個想法，我的博士班口試委員，漁業界的大老都覺得我是拿橘子和蘋果來比較，根本不可行。」謝志豪打趣地說，每次與口試委員的會議，老師們總是吵成一團，不過因為當時大家做生態指標也做不出個所以然，於是就只能死馬當活馬醫的試試看了。

後來這樣的一篇研究發表到國際知名期刊Nature。即使如此，還是有一些反對的聲浪，但也同時引發了新的研究浪潮。以往的學者曾提出許多相關的物種互動模型，以及魚類族群結構的分析，但往往只停留在模型，沒有以實際的資料去驗證。謝志豪謙虛的說，「我就像走在路上幸運撿到NOAA資料庫的這塊寶，而自己只是從中挖寶。」但若是沒有他一直不斷地進修數學分析、努力鑽研理論生態學，即使有這樣的寶礦在手，也不見得能讓他發光發亮。

成功的研究發表在好的期刊等於博士班順利畢業，這在謝志豪身上卻是不成立的，他發現指導老師希望他能留下來，繼續完成其他研究，加上其他種種壓力，讓師徒二人起了爭執。在崩潰邊緣的謝志豪，很慶幸他的背後一直有一雙支持他的手，讓他不會放棄倒下，這一雙溫暖的手來自他的太太。「我太太一直很支持我，她原本有很好的工作，但是她選擇放棄工作陪伴我。」說到這裡謝志豪的語氣柔和了許多，透露的是無限的感激與溫暖。

另一方面是前老闆與口試委員們的幫忙，使得杉原教授在最後妥協，也寫了封很好的推薦函，讓他順利在京都大學找到博士後研究的工作。在這段期間他們也迅速將第二篇Nature 的論文送出去，謝志豪說他的老師認為，即使在相處上遇到衝突，但科學研究不應該因為這些事情而受挫折，不繼續前進。即使到現在，謝志豪仍然和杉原教授維持合作，共同指導學生。「我感謝我的指導教授對我的嚴格要求與挑戰，我自畢業以來，還未遇過比博士班生涯更大的挑戰。」

創建台灣海洋生物資料庫

2007年回到台灣，在台大海洋所開始建立自己實驗室的謝志豪，對於研究走向經過一番思索後，回到了他碩士班時期做的海洋浮游生物生態。以往台灣幾乎沒有完整、且有系統性建立的海洋生物資料庫，研究人員都是到處抓資料分析，能分析的參數有限，空間象度也有限。謝志豪認為這樣不行，「我希望能夠建立一個資料庫，這個資料庫30年之後會有用，將來我能夠像約翰老先生一樣找個good hand來好好利用它」，因此決心要投注心力在創建台灣浮游生態資料庫。這是一條披荊斬棘的路途，箇中艱辛只有實際去做才會瞭解。

「你可以想像我需要花多少時間、多少人力、多少經費，才能完成一個資料點，而一篇論文需要累積4、50個資料點才夠，我需要投資的遠遠超過想像。」這個資料庫中的資料相當齊全，包含海洋環境的背景資料，如溫度、鹽度、溶氧量、各式營養鹽；以及浮游生物的資料，如浮游植物的濃度、生產力、浮游動物的濃度、種類等。

謝志豪這一等就是6、7年，其間慫恿他發表論文的聲音不斷，卻動搖不了他不做「泡麵式」發表的決心，他認為當資料搜集還不夠說一個完整的故事時，連自己都說服不了，怎麼說服別人！

在謝志豪的研究路上，太太給予他的支持與鼓勵，讓他沒有在重重艱難關卡前放棄。（謝志豪提供）

難道就這樣放棄漁業研究了嗎？其實謝志豪並沒有放棄，2008 年發表在Nature期刊上的論文是延續博士班的研究，著重於漁業對魚群豐度的擾動，運用NOAA資料庫的資料分析，發現漁民撈捕時篩選體型較大的魚，造成魚群的年齡金字塔低齡化，進而提高魚群群族崩解的風險，是在對漁業提出沉痛的警告。此外，2012年發表在Science 的研究，則是以加州最著名的鯷魚與沙丁魚漁業為題，探討這兩種族群一增一減變動背後的真正原因。

問到未來有沒有可能回過頭來研究台灣漁業，謝志豪在短暫思索後回答，「我在等一個契機」，這個契機是讓漁業的採樣方法，以及獲得的資料更可信。「我還是想建立一個30 年計畫，期待將來有幫助。當然也有人跟我說，30年之後沒有魚了怎麼辦？那我真的無話可說了。」謝志豪也感嘆，我們對台灣附近的海域了解真的很有限，常常都在處理新的、不了解的現象。以往針對局部、特定種類的調查較多，卻缺乏大規模的調查，在我們還不夠了解自己的海洋的情況下，魚群卻已經面臨慢慢減少的危機。台灣海域面臨的另一問題是，即使規範了台灣的漁民，卻無法規範外國鐵殼船入侵的無奈。

蓄勢待發 航向新大陸

航行於波濤洶湧的大海，如何克服暈船、挺過暴風雨，需要的是不畏艱難的意志力。能夠乘風破浪地前進，航向未知的大陸，需要堅強與堅定。發現新大陸時，要的不只是攻頂插旗，求的是全盤的了解土地。謝志豪的研究之路一如這個旅程，克服困難、險阻的無畏精神與努力不懈的毅力，引領船隊向前挺進。

謝志豪帶領學生們出海採樣。（謝志豪提供）

謝志豪說，當你知道自己想要什麼，就開始努力規劃自己的生活，不做浪費時間的事情，即使你的努力當下看不見，但你從過程中總是會學習到你下一步可能會用到的技能，不管是團隊合作、知識的積累、如何面對新的挑戰等。他從不要求學生要做什麼，反而要他們自己去想、去執行，訓練他們獨立自主研究、邏輯思考和時間安排。

從2013年起，謝志豪與台大大氣系郭鴻基教授合授「生命科學數學」，希望能讓學生物的學生們，瞭解數學的樂趣與應用，開拓更寬廣的視野。我們可以期待的是，在謝志豪老師的帶領下，30年後完成的不僅是一個完整的台灣海洋生態資料庫，更是一批關切海洋生態的專家，在各地發芽茁壯。

〈本文選自《科學月刊》2014年1月號〉

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作者／黃大一（美國俄亥俄州立大學生藥學博士班，中興大學客座教授，曾任蘋果公司中文電腦研發顧問、中華玩石家地科協會創始人理事長、天龍科普國際基金會亞太總監）

對於本文的讀者來說，這篇文章可能有些另類，因為我不打算照著學術界的傳統論文方式，言必孔孟那樣硬梆梆、引用好多其它論文註解等等，反而是從科普的角度來著筆，加上自己的實戰經驗，一方面介紹我這些年來所著迷瘋狂的恐龍研究，另一方面也記錄些許個人的心路歷程，如果出現筆鋒帶著感情嘻笑怒罵的言詞，也只好敬請多多海涵我的臭屁，我的「陰謀／陽謀」其實很單純：如果能因而激發後浪超越前浪，那我的人生就很值得了。

各種孵化階段的恐龍胚胎大腿骨中央橫切面。（作者提供）

「恐龍胚胎學」的建立

2013年4月11日，五個臺灣學者專家的恐龍胚胎論文被刊登於國際頂尖期刊Nature，又榮獲為當期封面論文，這是臺灣從未有過的紀錄，然而，這項成果的開端，必須回朔到十年前的偶然。2003年，玩石家地科協會到中國雲南舉辦「百戰天龍」活動，那時我在中央電視臺的採訪過程中，無意間撿到一個恐龍胚胎化石。

這塊2003年無意間撿到的怪石頭，就是改變人們對於恐龍認知的「始作俑者」。 （作者提供）

後來在2009年初，這個化石被證明是世界最古老的恐龍胚胎化石。透過這樣的契機，「恐龍胚胎學」因而成為恐龍學範疇中的一個新領域。 我們能夠有幸首先創立「恐龍胚胎學」，透過以下所述「看進骨頭內」的研究方針，藉由各種先進的科研儀器設備和方法，我們將深入瞭解為什麼恐龍胚胎發育過程會如此快速？恐龍為什麼會長那麼大？部分問題的答案，已經在2013年的Nature封面論文內敘述，而目前我們正在進行幾個很有趣的課題，以充實「恐龍胚胎學」的內涵。

在研究世界最古老的恐龍胚胎過程中，「看進骨頭內」是我與國際兩岸聯合團隊，考量臺灣過去沒有好好培養古生物學專家，而不得不「異想天開」所提出來給臺灣科研界的一條新路，為臺灣學者們打開了一個新思維領域。臺灣從光復以來未曾培養過古生物學者，以我個人來說，在視蒼蒼髮茫茫而齒牙動搖的年紀，想要重頭去學習古生物學已經太晚了。

所以，我乾脆放棄傳統古生物學那種「看骨頭外表（系統型態描述）」的作法，把這些看骨頭外面的事項，交給團隊裡諸多世界頂尖的科班古生物學者，他們才是訓練有素的學者專家，在這方面，我還沒進幼稚園呢！雖然如此，臺灣學者們也不能妄自菲薄，透過我這個「看進骨頭內」的思維，我們來探看恐龍骨頭裡面到底是怎麼回事？

皇天不負苦心人，我們還是能在全球古生物界，做出領先傲人的成果來。我們團隊所發表的Nature封面論文，就是五位臺灣學者專家以「看進骨頭內」的方式所完成。這五位專家沒有一位是科班的古生物學者，甚至有好幾位剛開始的時候，老是搞不清楚「古生物學」和「考古學」的差異，經常考古來考古去，鬧了不少笑話。

五個臺灣學者專家的恐龍胚胎論文被刊登於Nature期刊，又同時榮獲為封面論文，是台灣從未有過的紀錄。

恐龍胚胎的福與禍

從恐龍學的角度來說，平均每個禮拜都會有新的恐龍被發現，而科幻電影如《侏羅紀世界》等，長期以來對於普羅大眾的灌輸，使得恐龍議題一直維持在相當高的熱度，從來沒有其它的古生物（如三葉蟲、菊石等）能有此榮幸。但是，在這麼多的科學論文和普羅新聞當中，有關於恐龍胚胎的，相當稀少，而且如果有的話，絕大部份都是中晚白堊紀的恐龍胚胎，年齡才七、八千萬年的「晚輩」！我們這個是1.95億年前、最早期恐龍的胚胎。

再者，過去所發現的恐龍胚胎，「死相」都太漂亮了，完整或幾乎完整的恐龍胚胎捲曲在恐龍蛋裡面，漂亮得很。可是從另一個角度來說，如此的樣本，同時兼具「福」與「禍」，「福」是這麼可愛罕見，「禍」呢？因為太完整漂亮，斷絕了進行深入骨頭內研究的路，誰會讓你我拔出某根骨頭來切割，看到骨頭裡面去？於是，只能做到傳統古生物學的型態描述。進一步想，完整絞合的恐龍胚胎樣本所提供的資訊，只是該孵化中恐龍蛋被掩埋的那個剎那，在剎那之前和之後的恐龍胚胎發育，完全無法提供任何資訊，所以這些「死相」完美的恐龍胚胎樣本，一方面是福氣，同時也是詛咒。

這些零散的骨頭樣本，提供了我們絕對的機會，讓我們進行「看進骨頭內」。（作者提供）

相對的，在我所發現的恐龍胚胎地點，除了上一段提到的那顆怪石頭有比較完整的樣本之外，我們還撿拾到很多非絞合（Disarticulate）的零散骨頭，從完整度來 說，可說是完全沒有漂亮完整的「死相」。但是從另外的角度來說，這個「禍」才是真正的「福」，因為它們提供了比完整恐龍胚胎更多的資訊，如透過測量股骨的 長度和直徑，我們分析出在這個採集點的恐龍胚胎，至少有三個不同孵化的階段，有可能是來自三個恐龍蛋的窩，或該地點曾經有三次淹水事件。

相對於其它完整絞合的恐龍胚胎樣本只能提供孵化過程中某瞬間的狀態，我們的材料讓我們研究恐龍胚胎的某一段期間，有如片段的視訊，而非單獨一張拍立得照片。又因為這些數量 不少的胚胎骨頭都是零散的，我們可以選擇某些來「犧牲」，做成切片，藉由各種先進的科研設備儀器，仔細觀察其內部構造，進行「看進骨頭內」的研究，揭開更 多恐龍寶貝的奧祕。

從小骨頭看見大世界

透過這些毫不起眼的零散骨頭，提供一個絕無僅有的好機會，讓我們建立恐龍胚胎學，利用同一物種的恐龍胚胎化石來研究，探討（至少在此物種的範疇）恐龍胚胎的孵化發育成長過程。這種機緣，是那些完美死相恐龍胚胎化石所無法提供的。我們認為恐龍胚胎學，至少囊括「化石生物學（PaleoBiology）」、「化石生理學（PaleoPhysiology）」、「化石化學（PaleoChemistry）」等三個主要學科領域。

深入研究恐龍胚胎學，可以提供或解答很多恐龍的奧祕，比方說，祿豐龍在牠的時代，是地球上體型最大的動物，體長達12公尺！這個世界最古老的祿豐龍胚胎，我估計孵化出來的時候，大約只有20公分，那麼，牠們如何快速成長到12公尺這麼大？早期侏羅紀原蜥腳類至中晚期侏羅紀的後代蜥腳類恐龍，如梁龍、馬門溪龍、泰坦龍等等吃素的龐然怪獸，體長可達五、六十公尺，體重上百公噸，牠們是地球從古到今最大的動物，如此龐大現象（Gigantism），到底怎麼一回事？

說來我們臺灣有點悲哀，光復以後，為了求溫飽，好多基礎科學被忽略了，沒有培養古生物學者。從我個人的角度來說，這剛好是「福」與「禍」攪和在一起。在這項重大發現的研究中，因為我本身沒有古生物的專業訓練，在臺灣也找不到適當的人選幫忙，只好另外打開一條路，以「看進骨頭內」來帶著臺灣的其它學者參與這項研究，我們從上述的諸多骨頭，透過必須使用極端破壞性的幾種同步輻射設備，觀測到一些很有趣的恐龍胚胎化石內涵：如圖四，將直徑只有0.846釐米的大洼祿豐龍胚胎肋骨，切磨成15微米的薄片，並用國家同步輻射的穿透式X光顯微掃描後，把諸多的單格掃描組合成右方的馬賽克，可以看到以前從未有人看過的資訊，提供很有用的胚胎發育骨頭成長訊息。

左為大洼祿豐龍胚胎肋骨剖面，利用同步輻射穿透式Ｘ光顯微鏡掃描後，可看到胚胎發育階段中小肋骨內的結構（右）。左方照片內的綠色框標示掃描區域為寬0.16釐米，長0.846釐米。（作者提供）

在國家同步輻射研究中心，我們也利用同步輻射傅立葉快速轉換紅外光譜顯微鏡（Synchrotron Radiation FTIR Microscopy），掃描這些快兩億年前的恐龍胚胎股骨切片，在骨質和諸多原始管狀空間（Primary Tubular Cavity）交界處，看到了有機殘留物的波峰。但當時我們在論文中也僅保守地說，我們找到了保存有機殘留物的證據。

發現有機物

近日的後續分析，我們終於可說這些有機殘留物，就是第一種膠原蛋白（Collagen I）與其分解物。對於提出「看進骨頭內」的我來說，這個結果證明了我的引導思維沒錯，我們團隊走在正確的道路上。

有趣的是，我們原本投遞到Nature論文的題目，被期刊主編做了修改，新的標題總共有兩行，其中第二行：「帶著保存有機殘留物的證據（with evidence of preserved organic remains）」特別強調在這些快兩億年前的胚胎化石內，還保存著原本胚胎骨頭內的有機物，這不就是給我們臺灣團隊最大的肯定嗎？更也是「看進骨頭內」的一個有力支撐，同時也給傳統型態描述的古生物學，打開了另外一扇門，通往另外一個更高更寬廣的新古生物學範疇。

一般來說，通常認為化石是古代的生物已經變「化」成「石」頭，石頭是無機的礦物，因此在化石裡面，不應該或說不可能還保存著有機物，我們的成果，除了提出這是化石內保存有機物的最古老證據之外，更徹底推翻了這個「化石裡面不可能保存著有機物」的錯誤認知，這是一個抽地毯式的影響。

〈本文選自《科學月刊》2015年9月號〉

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作者／辜品高（德州大學奧斯汀分校物理博士，曾擔任Nature等國際期刊、NASA和科技部研究提案的評審。曾任國立臺灣師範大學兼任助理教授，現任中央研究院天文所副研究員）

今年，當天文界歡慶發現第一顆環繞類似太陽恆星的系外行星的二十周年紀念時（此行星稱為飛馬座51b，是一顆熱木星。有關系外行星的科普故事，可參考中研院天文所的宇宙探險日誌部落格），克卜勒（Kepler）太空望遠鏡的研究團隊興高采烈地對外宣布，他們首次發現一顆系外行星，不但環繞類似太陽的恆星，且地面溫度可能容許有海洋存在。這顆行星名為克卜勒452b，半徑約為地球半徑的1.6倍，公轉週期約384.8天，母恆星質量和太陽相當，因此被稱作「第二個地球」。

凌星現象

「第二個地球」是如何被發現的呢？當系外行星軌道平面和我們觀測的視線恰巧或幾乎平行的時候，只要行星運轉到我們和母恆星之間時，母恆星光度就會因行星遮掩而些微減弱，此天文現象稱為凌星（planet transit）。天文學家從減弱的光度估算行星的大小，並從凌星的週期得知行星軌道的週期。克卜勒太空望遠鏡就是利用這種方法尋找系外行星，目前已發現超過一千多個行星，及四千多個疑似行星。

大多數情況下，從凌星只能得知行星的大小，無法直接測量克卜勒452b的質量，因此不易確認它是否確實為行星。例如，當小恆星環繞大恆星的食變雙星，或是食變雙星和一顆恆星在視線上靠得很近的情況，或是一個白矮星凌一顆普通的恆星等等，都可以模仿一顆系外行星凌星的現象。事實上，克卜勒452b早在2014年已被發現而成為疑似行星的一員。天文學家審慎地利用消去法一一排除上述非行星的可能性後，在今年接受它為一顆行星。

克卜勒452b的可能環境

克卜勒452b的半徑介於地球和海王星的半徑之間（海王星約地球4倍大），在外行星的分類上屬於所謂的超級地球，但在太陽系並無類似行星可供比較。所以當天文學家想要大膽宣稱這行星是「第二個地球」時，遭遇到了一個棘手問題：「它的內部結構和大氣成分到底是比較像地球，還是像海王星？」如果較像海王星，大氣就會充滿較濃厚的氫與氦，並包覆在冰和岩石所組成的中心核之上，與地球環境大不相同。根據加拿大籍美國天文學家羅傑斯（Leslie Rogers）統計估算，小於1.6地球半徑的系外行星大概都是岩石行星。這個結果使大小恰好為1.6地球半徑的克卜勒452b陷於尷尬的情況。嚴格來說，克卜勒452b約有50~60%的機率是岩石行星。

假設樂觀一點，將克卜勒452b視為具有海洋的「第二個地球」。但另一個問題出現了，克卜勒452b的母恆星質量雖和太陽差不多，但年齡比太陽（45億年）大約多15億年。因為主星序的恆星會隨年齡增長而熱輻射增強，所以估計克卜勒452b目前所受到來自母恆星的輻射，比地球所受到的太陽輻射強約10%。或許它的過去環境比較適合長期生命的演化，但現在它的海洋遭受較強的恆星輻射加熱而開始大量蒸發。蒸發的水汽是一種溫室氣體，所以它可能受到比目前地球更嚴重的暖化困擾。天文學家將液態水能在類地行星表面存在的軌道區帶稱為適居帶（habitable zone），克卜勒452b目前可說位在適居帶的內側，在未來20~30億年內，它會隨著母恆星的輻射增強，表面溫度越來越高，海洋完全被蒸發，逐漸離開適居帶。

困難重重的驗證方法

以上所有對克卜勒452b的描述，完全根據它的半徑、所受的母恆星輻射、模型推論等，樂觀地認為它是「第二個地球」。但如何驗證它真的具有類似地球的環境？天文學家通常仰賴從天體發出的輻射，分析光譜來了解其成分和物理環境。但目前要直接觀測到來自系外行星的微弱輻射是非常困難的，因為行星輻射全被母恆星的光給吞噬掉了。因此，天文學家想出一種間接辦法以獲知行星的光譜。在凌星發生時，母恆星的光會穿越行星大氣，部分的光被吸收後造成更多或更深的光譜線，從中可得知大氣成分，譬如氧氣、水汽、二氧化碳等。藉由這些成分，便能揣測該行星是否真的在適居帶，或進一步推斷是否有疑似生命的證據。天文學家已利用此觀測方法解析某些凌星的類木系外行星大氣的成分。

不幸的是，此方法難以用於克卜勒452b的凌星觀測上。主要原因是此行星系統離我們有1400光年之遙，母恆星光度相當黯淡，再加上它的凌星減弱的光度不大，要從微弱的凌星光譜中找尋被一層薄薄大氣吸收的光，無非難上加難。通常天文學家會利用多次的凌星觀測以累積觀測數據，即累加星光的強度來增強信號。但對克卜勒452b而言，大約每385天才會凌星一次，真的是太久了。即使在無雲無塵的理想環境下，使用哈柏或下一代的詹姆斯韋伯（JWST）太空望遠鏡（口徑較大集光力較強）觀測，也難以偵測其大氣成分。最著名的例子是，哈柏太空望遠鏡破紀錄地花60個飛行軌道的時間，觀測另一個超級地球GJ 1214b的凌星光譜。GJ 1214b約為2.7倍地球大小，距離我們僅約42光年，凌星光譜變深程度也較大。即便如此，還是只得到一個沒有譜線的平滑光譜！

開拓新探險方向

因為要證實「第二個地球」是如此困難，天文學家將以觀測太陽系附近的紅矮星（相當於較小而冷的太陽）的凌星為主要方向。因紅矮星的數量極多，離太陽系較近的也較亮；半徑較小，所以行星凌星的光度變化信號也較深；再加上適居帶軌道較小，凌星的週期大約20~40天，可在短時間內累加數次凌星光譜的信號，使得天文學家有更高的機率找到更多的類地行星。事實上，目前已發現了許多環繞紅矮星適居帶的超級地球。如果天文學家夠成功地完成這一步，下一階段就是利用直接觀測行星的方法，類似過去已停止發展的類地行星尋找者（Terrestrial Planet Finder）和達爾文等太空望遠鏡計畫，或利用下一代30米以上的地面大型望遠鏡，利用日冕儀等裝置遮住強大恆星的光，以觀測離太陽系較近，但類似克卜勒452b行星的微弱大氣光譜。

甫退休的克卜勒太空望遠鏡計畫主持人布洛克（William Borucki）於今年榮獲邵逸夫天文獎。早在1980年代起，他就多次向NASA提出太空凌星望遠鏡的提案以尋找第二個地球，但一直被認為不可行而遭拒。今年恰巧發現了克卜勒452b，對他來講應是無比的欣慰。布洛克對他信念的堅持，就像400多年前克卜勒對行星運轉方式的堅持。這得來不易的科學結果將持續推動系外行星的研究，終究讓我們能夠回答人類對宇宙最基本且深層的問題：在宇宙中有第二個地球存在嗎？

〈本文選自《科學月刊》2015年9月號〉

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作者／鄭宇君（玄奘大學大眾傳播學系助理教授，國立政治大學新聞系博士。研究興趣：社交媒體研究、科學傳播、風險與危機傳播、科技文化研究）

究竟是個人的交友選擇或是臉書的演算法，造成臉書用戶看到同質化內容的影響較大呢？

Science期刊五月份登出一篇臉書研究的論文，主要目的是探討用戶曝露在同質或異質意識型態內容之情況，進而比較前述兩者的效應。這是少數能刊登在Science上的社會科學研究結果，特別是使用了一般研究者難以取得的臉書大數據（big data），因而引起許多人關注與討論。本文主要是說明這類研究的困難與研究發現之價值。

source: flickr

社群媒體大數據研究的價值

對人文社會學者而言，進行社群媒體大數據的研究，最困難的是研究者不容易取得大量的資料，因這些資料皆由Facebook、Twitter、Google等大公司所擁有， 即便這些公司透過應用程式介面（API）釋出部分資料給開發者及學術研究者利用，但能取得的數據仍是有限、不完整的資料。相較之下，本篇論文第一作者任職於臉書公司，可取得臉書的大量使用者資料及用戶行為記錄（user log），包括用戶塗鴉牆上出現的動態消息，哪幾則消息用戶會實際點閱，哪些不會等等。這些用戶行為記錄是一般研究者無法透過臉書API獲取的資料，只有臉書公司本身擁有這些記錄，這是本研究的價值所在。

本篇論文作者主要透過臉書的大數據驗證「迴聲室」（echo chambers）與「過濾泡泡」（filter bubbles）這二個概念，何者在臉書的用戶行為中較具影響力。用淺白的話來說，「迴聲室效應」的重點在於用戶的個人選擇，個體會選擇與自己立場相近的人成為好友，所以看到的朋友分享訊息跟自己立場相近；或是反過來，個體從臉書朋友中看到的立場來決定自己的立場。無論是哪一種，當個人從臉書好友分享訊息中所見的都是相似立場，他便以為社會上的主流意見皆是如此。

另一個重要概念「過濾泡泡」，則意指臉書演算法如何影響用戶所觀看到的訊息。臉書經由演算法先篩選出他們認為用戶「想看」的動態消息，接著這些訊息才會出現在用戶的動態消息上。演算法計算基礎來自於用戶先前的行為，包括用戶訂閱專頁、友人互動的頻率（按讚、分享、留言）及是否點閱內容觀看。

無論是迴聲室效應或過濾泡泡，儘管成因不同，但造成的共同結果是——用戶沉浸在一個同質性非常高的內容群體中，甚至誤認為這就是社會上的主流意見。這是批評者經常抨擊社交媒體的負面效應，這篇論文想要證明的就是迴聲室效應（個人選擇）或過濾泡泡（演算法過濾），何者該負起較大責任？

是誰決定你所看到的? source: flickr

資料的分析與測量

本篇論文使用的資料集來自於 1010 萬名美國臉書的活躍用戶，這些用戶在個人檔案中自我揭露其意識型態傾向，以及在資料收集的六個月內（2014年7月7日~2015年1月7日）被這些用戶所分享的700萬筆的網頁超連結（URL）。研究者透過機器學習區分大量超連結內容為硬性內容（如：全國新聞、政治、世界大事）或軟性內容（如：娛樂、運動、旅遊）。結果發現，700萬筆超連結中有13%為硬性內容，研究者進一步將資料集限縮於其中被20個以上有標明意識型態傾向的用戶所分享的22.6萬筆硬性新聞，並對這些內容進行校準測量。

換言之，研究者所收集的臉書用戶資料，是那些在個人檔案中強烈表態政治傾向的用戶，至於立場模糊或中立的用戶行為就不納入研究範圍；研究者將這些用戶的意識型態傾向分為保守派vs.自由派，各為正負1分，當一則硬性新聞被20個以上的用戶所分享，則將此新聞的所有分享人數之分數平均計算（保守派為+1分、自由派為-1分，加總起來除以分享人數），就得到該則新聞之意識型態平均分數。

研究者透過這種方式給予22.6萬則硬性新聞評分，進行內容校準（content alignment）的測量，重點不在於測量新聞媒體的傾斜程度，而是捕捉一群人所分享的內容差異。測量的結果發現：福斯電視網偏向保守派（+0.8）、哈芬登郵報（Huffington Post，美國大型新聞網站）傾向自由派（-0.65）。研究者觀察到用戶分享的硬性內容裡有極化現象（polarization），最多被分享的連結來自大部分的保守派或自由派，也就是中立很少。

者進一步申論，臉書與政治部落格的連結很不相同，臉書是以友誼建立的人際網路，雖然很多友誼會被政治意識型態打斷，但朋友當中還是有保守及自由派。在個人檔案中標示自己是自由派的，朋友中約有20%是保守派；反之，標示自己為保守派者，朋友約有18%是自由派。因此，透過朋友分享內容，理論上用戶應該有接近20%機會看到相反陣營的內容，但研究者計算用戶實際點閱的超連結後發現，保守派用戶對於相對立場文章的點擊率只有17%，而自由派則是6%。然而，作者坦承這分析的其中一個限制在於曝露（訊息出現在用戶動態消息）與消費（用戶點進該則消息瀏覽）的概念區分並不完美，個體也許已經在動態消息中看到內容摘要，儘管他沒點進去，也已曝露在某些內容下。

歸咎於個人選擇？

某些批評者認為，這篇論文把用戶看到同質性高的內容歸因為個人選擇而非臉書演算法，是為臉書卸責。但細讀本文的資料分析及推論，作者並沒有這樣宣稱，研究計算了個人選擇及演算法都會影響用戶閱讀內容，前者影響略高於後者，但測量時並無法排除另一個因素的影響。筆者認為本研究結果可能更受到取樣的用戶資料集之偏頗影響，由於這些用戶皆為明確表態個人政治傾向，他們在閱讀時可能較一般中立用戶更傾向排拒與自己立場相異的內容，因而這樣的研究結果並無法推論到多數未表態政治傾向的用戶。

另一方面，這也反映了社群媒體巨量資料研究之困難所在，即便像本研究作者有機會使用臉書的用戶行為資料。但人類的社交行為十分複雜，如何把研究問題轉化為可操作化測量的指標是個難題，本研究作者選擇以政治立場明確的保守派vs.自由派用戶出發，作為測量計分的依據，這種作法必然在過程中省略了用戶分享內容的差異性，這部分也有待後續研究者尋找更有效的分類或計算指標。

〈本文選自《科學月刊》2015年8月號〉

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作者／陳其暐（科學月刊編輯）

孫以瀚博士，高中就讀於新竹高級中學，大學畢業於臺大植物系，之後前往美國加州理工學院攻讀博士。學成歸國後，以果蠅為主要研究方向，專注於探索果蠅視覺系統發育的分子調控機制。目前孫以瀚博士為中央研究院分子生物所特聘研究員，在分子生物學、遺傳學、發育生物學等領域貢獻良多。

孫以瀚過去在擔任國家科學委員會（現改制為科技部）副主委期間，曾推動「百人拓荒計畫試辦方案」，近期則開始推行「神經科學研究專案計畫」，不僅與臨床、工程、數理等各個領域專家組成計畫委員會，並同時舉辦神經科學領域的腦力激盪式的討論會，廣邀學者參與，期望藉此激盪出不同的科學火花。

神經科學是一門研究神經結構與功能的學門。 Source: wiki

科學拓荒，追求創新價值

在科技部的「百人拓荒計畫試辦方案」中，要求申請者的研究計畫須具備「開創性」，鼓勵科學研究人員跳出框架，大膽創新。這項計畫使非主流研究也能有大放異彩的機會，不僅審查過程採匿名制，也不需與過去的研究相關，並且著重於計畫的「創意」。

為何孫以瀚想推動如此類型的計畫？在過去，年輕且較無實績的研究人員們，通常不容易取得大型專案研究計畫的補助。而原本就已有研究成果的團隊，取得這些計畫補助的機會則大得多。

「我希望在審查制度上強調創新，而非只看過去的實績。」孫以瀚也強調，必須要與所有的審查人員溝通，不能像從前一樣只關注過去發了多少篇研究論文，而是要用創新的眼光去審視這些申請案，否則就失去百人拓荒計畫的意義了。

「從國家的角度來看，國家投入研究經費，用意不在於發表文獻或為了KPI（key performance indicator，關鍵績效指數），這些對於國家而言其實意義不大。重要的是，我們要能在科學上有所突破，同時對人類產生深遠的影響。」他這麼說。

大部分的人都在做主流研究，然而我們很難跟全世界競爭主流的東西。「拓荒」的概念就是希望大家跳出主流，然後思考何處可以創新突破。孫以瀚談到：「其實很多人都有不錯的想法，但這些想法都只流於口頭上的談論，而沒有實際行動。」當然可能是受限於這些人無法取得足夠的資金與資源。比如，當一個申請者今天突然有了一個新想法，在舊有的審查制度上，第一關就可能因為沒有相關的專門技術或實驗佐證而被阻擋。百人拓荒計畫的設計目標就是，不需要實驗數據，甚至不需要知道申請人的身分，使得大家立足點平等，純看申請人的創意，讓每個人都有機會跨出第一步。

「在這個計畫下，我不需要給申請人很多補助，因為重點不在於做一個大型的研究。我們想看到的是，申請人能不能用簡單的實驗說明他們的概念與價值。所以一開始，會給他們少一點的錢。計畫一年期滿後就進行考核，淘汰二分之一的團隊，其餘通過審核的研究計劃就能拿到兩倍的補助金。我認為，只要能刺激大家思考，就已達成我們目標的一部分了。」孫以瀚表示。

改變科學研究現況

除了「百人拓荒計畫」，近期孫以瀚正協助科技部規劃「神經科學研究專案計畫」，有別於過去科技部計畫的推動模式。他不斷嘗試用嶄新的方法，來推動臺灣的科學研究。2014年年底，孫以瀚 接下臺灣基礎神經學會理事長後，便不斷思考整體神經科學領域的未來走向。他認為，一個科學領域必須要藉由討論，以決定未來發展的重要議題。每個人通常都有惰性或慣性，使得我們會一直做自己熟悉的題目，而不太容易跳出框架。

「我想每個人心裡其實都想做更偉大更創新的東西。有時候，你要讓一群人聚在一塊，共同討論後，就會激起不同的火花。」

於是，他與科技部生科司蔡少正司長談論如此的想法，剛好現有的神經科學專案計畫即將到期。在考慮未來計畫的延續時，蔡司長便委託孫以瀚負責「神經科學研究專案計畫」的規劃。他認為，規劃事情時，重點在於如何避免利益衝突。時逢他即將退休，因此能夠避免自身利益的影響，肩負起這項計畫的執行。

「假使這一次神經科學計畫能夠成功透過學界廣泛的討論取得共識，就能成為往後計畫實施的典範。」如此一來，其他領域的人也有機會可以嘗試。

在這次「神經科學研究專案計畫」的規劃過程中，孫以瀚舉辦了三場小型的腦力激盪討論會。這些討論會不僅討論神經科學相關的重要議題，也討論本土科學家能為學界做些什麼。「其實很多領域都可以做這種推動。只要花少少的錢，就能讓大家好好討論重要的事物。」事實上，孫以瀚並非頭一個嘗試這種作法的人。像美國物理學界和數學界，每年都會討論決定該領域的十大重要問題。無論如何，一個領域能夠大家多談多討論，就能產生很多好處。除了面對面舉辦討論會以外，他也希望能透過網路的力量來延續這些議題，包含使用網路論壇或者是新興的社群媒體。每一個剛成形的主題，都需要聚集更多人去討論，才有更多發展的空間。另外，在接下來的階段，他將會凝聚一些力量，針對某些主題做更詳盡的探討。他說，有時候網路討論上可能會冒出新的方向，或許其中就有值得做的東西。

就孫以瀚的觀點來看，在申請計畫之前，多花一點時間討論才是好的。而非提供經費給一個平凡無奇的計畫。所以，他建議，在將來徵求計畫的時候，審核前就先舉辦一場討論會，讓每個計劃都有表達意見的機會。經過討論之後，計畫就會變得更成熟可行。

「在討論過程中，我們不應該害怕別人如何偷去我們的想法，因為一個領域的大方向是大家都可以討論的。並且，有沒有能力實踐又是另外一回事。大家都認為跨領域很重要，但也關乎到你是不是真的能夠與別人合作。然而，我們的計畫評審制度其實不太鼓勵合作，這一類的制度也必須要修改。」孫以瀚如此認為。

試圖了解關於腦中的訊息(或情感)是如何被我們處理，這絕對不是只有一個學門的專業就能做得到的事。圖中所呈現的是一門跨領域學門「認知科學」所涵蓋的專業領域，這個學門便是為了上述的問題而存在的。 Source: wiki

如何實踐真正的科學合作？

「你怎麼跟這麼多人合作，然後又這麼成功？」孫以瀚曾經這樣問中研院院士江安世，這位在果蠅神經領域有卓越貢獻的科學家。江安世告訴他，合作不是嘴巴上說有興趣、聊聊就算了。真正的合作，是合作雙方各派一個人到各自的實驗室，並指定學生專職做合作的計畫，這樣才能有實質的合作。

「所以我覺得將來審查的時候要著重於此。假如今天申請人要做果蠅的躁鬱症模型，那就要看申請人是否有跟一位臨床醫師合作，而這位醫師必須親自去實驗室觀察果蠅，幫助你確認動物模式的可靠性。另一方面做果蠅的人，就必須真的到診間觀察病人。如此才能稱為真正的合作。」孫以瀚也相信，我們必須鼓勵這一類的事情發生。

臺灣神經科學的未來

臺灣的神經科學要如何在世界上找到定位？孫以瀚強調，我們必須「發展新工具」，工具決定我們能夠做什麼事情，也決定是否能取得領先地位。再來則是「跨領域合作」，結合不同領域的專家，活用不同的能力。例如以做生物研究的人來說，若能與工程方面的專家合作，就可以跨越障礙。孫以瀚以神經科學領域中的一個議題為例，「例如疼痛就是一個重要，但不是世界各國都密集關注的問題。」他說，假如我們可以針對「疼痛」，從整合基礎到臨床的研究，到發展相關儀器，並藉此連結到產業界，或許就能有所突破。

「我們無法像美國或歐盟做又基礎又龐大的研究。」但臺灣仍然有幾個強項，其中一個就是果蠅，意即模式生物（model organism）的應用。江安世院士在果蠅領域建立了堅實的基礎，如追蹤果蠅的平台。假使這些技術能夠開放給大家利用，就能使臺灣做這部分研究的人取得世界領先。當然，孫以瀚認為，單純只做果蠅還不夠，必須讓臨床或心理學專長的人可以進駐合作，使果蠅行為與疾病、心理等議題連結（如躁鬱症、憂鬱症、注意力和決策等），如此就能衍生更多有趣且重要的研究。

美國實行一個神經科學計畫時，會設立很明確的目標。其他像是歐盟、日本，也都有很完整想要到達的方向。不過當要孫以瀚為臺灣神經科學計畫描繪一個目標時，他這麼回答：「我不太認為我們需要有一個明確的終點，像人類基因體計畫（human genome sequencing），或者是腦部描繪（brain mapping），這些目標都是很具體的，可是那些並不是我們所追求的。」他認為：「很多東西仍然需要廣泛的討論，同時我也希望，在計畫實踐過程中，能夠不斷發掘出新的事物。」在科學研究這條路上，仍有許多的不確定性，但同時也是最大的樂趣所在。在未來，孫以瀚博士仍將全心投注自我，為臺灣神經科學領域持續貢獻心力。（本文選自《科技報導》2015年5月號）

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當BRAIN計畫進入實際運作

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許家偉/輔仁大學生物系畢業、陽明大學微免所博士；曾任職加州大學洛杉磯分校（UCLA）微免暨分子遺傳系、南加大（USC）分子藥理學系；現任職於生物科技公司，負責產品研發。

生物學者發現鳥兒能否躲過橫衝直撞的車輛，原來全憑兩翅的長度，這個研究也使人們在有生之年一睹動物的演化！

崖燕體長約 15 公分，展翅後闊 28~30 公分。 Source: Don DeBold

築在公路橋底的飛燕鳥巢。 Source: Wiki by NJR ZA

每年在美國有 8 千萬隻雀鳥被車輛撞死，在歐洲各國每年也有35萬至 2000萬不等的雀鳥命喪車禍。既然這是「鳥」命關天的事，演化的機制——自然選擇（natural selection）——是否會青睞那些擁有躲過車禍（不被車輛撞到）能力的雀鳥呢？

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。

布朗察覺到，從1982~2012年這 30年裡，在城裡築巢的崖燕數目越來越多，但那些橫死在路旁的崖燕卻越來越少，他想知道：是否崖燕對於馬路上車輛橫衝直撞的環境發展出適應性呢？（換一個白話一點的問法就是：崖燕是否已演化出閃避車輛的能力？）

在他排除兀鷹之類的動物吃掉屍體以及車輛流量改變這些因素後，決定將那些被車撞死的標本跟那些在鳥巢中自然死亡的崖燕拿來比較一番，布朗發現兩者只有一個差別——翅膀的長度。被車撞死的崖燕有比較長的翅膀（最多集中在 109~110毫米長），但在鳥巢裡自然死亡的崖燕，其翅膀的大小則出現隨機的狀況。經仔細比對以及統計分析後，他計算出在這30年當中，內布拉斯加崖燕族群的翅膀長度呈下降的趨勢（30年內崖燕翅膀的長度平均值從111毫米下降至107毫米，少了4毫米），但被車撞死的崖燕，其翅膀長度則是續年上升（30年內從108 毫米上升至最長111~112 毫米，平均多了約4毫米）。

綜合起來，布朗博士的研究證明在內布拉斯加的公路環境下，自然選擇傾向保留較短肢膀的崖燕，因為短肢膀的崖燕有能力避過車子的碰撞，這是由於長的肢膀呈現較低的翼載荷（wing loading）能力，使飛行中的雀鳥不容易做出垂直抬起的動作去避開行駛中的車輛。對於這個演變，在馬路上穿梭的車輛就是這個現象背後的選擇壓力（selective pressure），使得那些能避過車輛的崖燕能夠存活下來，再經繁衍將短翅膀這個具生存優勢的特質遺傳下去。

對於演化生物學的研究，人們一直以為只有在「微生物」或「昆蟲」這些生命週期短的物種上，才有可能在數年內見證到演化的效果，但布朗博士這項研究告訴我們：如果我們夠細心、有恆心，再加上生物統計學學得好，是可以在有生之年親眼目賭一個「動物」的演化績效。

參考資料：

1. Brown, C. R. and Brown, M. B., Where has all the road kill gone?, Current Biology, Vol. 23:233-234, 2013.

〈本文選自《科學月刊》2015年9月號〉

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作者：張　澔（義守大學通識教育中心副教授）

十九世紀的週期表，就像一張天空星座圖，充滿了神祕的美感，如此迷人的圖案似乎暗藏了構成萬物的傳奇密碼。元素的性質與原子量之間是否存在某一種關係？這不是一個突然的想法，而是西方自然哲學對於自然奧祕的一種猜測與預測，而門得列夫並不是唯一有這種想法的人，然而為何大家卻只推崇他的成就？在20世紀初，隨著量子化學的發展，再加上新發現的元素，週期表如何逐漸蛻變成我們今天所看到的面貌？

門得列夫。Source: Wikipedia

元素週期表的創生

元素及原子是兩個構成近代化學發展的基石。從古希臘時代，不論是元素或者原子，便定義為構成自然萬物的最小物質。既然是構成萬物的最小單位，自然成為化學家夢想征服的聖地，如此才能真正瞭解萬物構成的奧祕。

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.）

除此之外，尚有數個註解如：元素，按原子量的大小，性質會呈現逐步的變化； 化學相似的元素，它們的原子量如非出現一致（鉑、銥、鋨），便會是等量的增加（鉀、銣、銫）；按原子量排列的元素與其價鍵相對應，從某一些程度而言，也與它們化學行為的差異相對應，如鋰、鈹、硼；氫是最輕的元素，理應被當作重量的標準；有些元素的原子量需要被訂正，如碲的原子量不是128，而是在123和126之間。

在這張週期表中，門得列夫共列有67個元素，他預測將會有原子量為45、68、70及180的元素存在，後來，除了原子量180沒有被發現外，其餘的三個元素，鈧（45）、鎵（68）、鍺（70），陸續被發現。在表中，門得列夫還對鉺、釔、銦、釷、碲與金的原子量表示質疑。

門得列夫將週期表論文發表在德國期刊上，這不僅帶動週期表觀念的流傳，也有助於他名聲的傳播。1859年門得列夫到海德堡大學，在本生（Robert Bunsen, 1811~ 1899）門下進修學習。隔年，他恰巧有機會參加卡斯魯爾化學會議。在會上，他學到亞佛加厥定律：在相同的溫度和壓力下，等體積的任何氣體都含有相同數目的分子。這點對於門得列夫在探討元素週期表有很大的啟發。

莫斯利的貢獻

在莫斯利（Henry Moseley, 1887~1915）的實驗前，元素在週期表上的排列是以原子量作為依據，有時候會產生一些混淆，或者無法解釋的地方，如原子量比較輕的鎳（58.693），應該排在鈷（58.933）之前，然而按照它們的化學性質來分析，鈷卻排於鎳之前。在1913 年的時候，莫斯利對照週期表進行實驗，他以陰極射線撞擊不同金屬的靶面，發現到金屬原子所放射出來的X射線頻率平方根與週期表的原子序成比例，此實驗稱之為莫斯利定律。

陰極射線管。 Source:Science Museum London

透過此實驗方法，莫斯利重新檢驗了週期表的元素排列，他實驗證明，鈷和鎳的原子序分別為27和28。另外，莫斯利也按此方法，指出原子序在43、61、72和75的元素是空白的。後來這些被莫斯利所預測的元素，在他去世之後，陸續被發現，前兩者是在大自然中極少量的放射性元素鎝（43）和鉕（61），後兩者則是自然穩定存在的過渡金屬元素鉿（72）和錸（75）。莫斯利的實驗正好證實了波耳原子模型，原子序就是原子中的正電荷數目。後來實驗發現，原子序便是原子核中的質子數。最重要的是，在莫斯利之前，原子序只是元素在週期表中一個位置，莫斯利不僅賦予原子序一個物理意義，並且是可以實驗測量的一項數值。

週期表所隱藏的祕密

為何元素化學性質會與原子重量產生關係，當然門得列夫無法正確來回答這個問題。然而隨著更多的元素被發現，再加上量子力學的發展，週期表的謎題逐漸柳暗花明。

在1897年英國化學家湯姆生（Joseph John Thomson, 1856~1940）透過陰極射線， 第一次發現到電子，打破了科學家長期以來對於原子不可分割的觀念，隨後，美國物理學家密立根（Robert Millikan, 1868~1953）利用精確的油滴實驗，測得原子中負電荷粒子的重量和電荷。1903年拉塞福（Ernest Rutherford, 1871~1937）發現，放射性的產生乃是由於原子的崩壞。隨後，在1911年拉塞福和德國物理學家蓋革（Hans Geiger, 1882~1945）發現，其實電子是圍繞原子核來運動。

拉塞福的實驗室。 Source:Science Museum London

在1913年波耳（Niels Bohr, 1885~1962）更發現，電子以不連續能量方式圍繞原子運動，其被稱之為軌道。當電子從一個軌道移動到另外一個軌道的時候，就會釋放出輻射。一年之後，拉塞福證實，在原子中存在一個帶有正電荷的粒子，稱之為質子。1932 年查兌克（James Chadwick, 1891~1970）實驗發現，在原子核中，除了帶正電荷的質子外，還有一個不帶電荷的中子，這讓科學家對於原子的結構知識更完整，也讓週期表的建立有更完整的基礎。

1923年波耳是第一位提出，元素週期表可以用原子的結構來解釋。隔年，英國理論物理學家斯通納（Edmund Clifton Stoner, 1899~1968）使用了德國理論物理學家索末菲（Arnold Sommerfeld, 1868~1951）的第三個量子數來解釋電子殼層。在1914~1915年期間，索末菲開始使用第二量子數（l：角量子數）及第三量子數（m：磁量子數），然而不論是波耳或者是斯通納都無法正確的來描述原子光譜在磁場中的變化，即所謂塞曼效應（Zeeman effect）。波耳很清楚這個缺點，所以寫信給他的好朋友包立（Wolfgang Pauli, 1900~1958），請求協助如何讓這個量子理論更完善。包立意識到，塞曼效應能夠影響的，應該只是原子最外殼層的電子而已，所以只需要修訂斯通納的原子殼中的次殼層結構便可，因此在1925年，他提出了第四個量子數，即所謂的自旋量子數，及包立不相容原理來描述。

最左方為波耳，右二為愛因斯坦。 Source: Smithsonian Institution

包立（中）。 Source: Science Museum London

查兌克。Source: wikipedia

除了包立不相容原理外，有關電子在殼層的排列，在1927年由德國物理學家罕德（Friedrich Hund, 1896~1997）所提出的罕德定則：當有多重軌道時，電子必須先以相同的自旋方式完成半填滿之後，才能以成對的方式填入軌域。除此之外，尚有1936年被提出的構築理論，不論是一個或者更多原子的軌道電子是以最少的能量來填入，在這情況下，原子、分子或者離子都會處於最穩定的電子組態。

所以原子的結構中，除了原子核外，每一個元素所擁有的電子，則是按照以上的方法而構成，而不同軌域所能夠填滿的電子數目則不同（s軌域可填2個電子；p軌域為6個；d 軌域為10個；f 軌域為14個）。因此，電子組態是解釋元素週期表最好的依據，換句話說，按電子組態所形成的週期表才最值得採信。

被時代所淘汰的週期表

除了發表在《化學期刊》的週期表外，門得列夫在1868~1872年之間至少還發表了7張以上的週期表。而1940年開始，4f電子軌域的鑭系元素（原子序57的鑭到71的鎦），及在5f電子軌域的錒系元素（原子序89的錒到103的鐒）陸續被發現，所以我們現今所使用的週期表，大約也是在1950年前後逐漸開始形成，當時有無數的週期表被提出。

在形狀為長方形的週期表，可以被分類成不同長度的週期表，除了氫與氦外，有含有8個元素的短週期，含有18個元素的中週期，含有32個元素的長週期。所以，週期表按它們的長度，可分類為短表、中表及長表。除了按表的長度來分類外，有些週期像同心圓，有些週期表圖看來像螺絲，有些像蝸牛，有些像雙鈕線。雙鈕形及橢圓柱螺旋形是按原子量所排列之週期表；盤繞螺旋形及八平面空間同心圓則是按電子組態來排列。

雙鈕形，1898年由克魯克斯（William Crookes）所提出。（Mazurs, Types of Graphic Representation of the Periodic System of Chemical Elements）

橢圓柱螺旋形，1911年由史塔克柏格（E. von Stackelberg）所提出。（Mazurs, Types of Graphic Representation of the Periodic System of Chemical Elements）

盤繞螺旋形，1929 年由賈內（Charles Jane）所提出。（Mazurs, Types of Graphic Representation of the Periodic System of Chemical Elements）

八平面空間同心圓，1943 年由韓佐（G. Haenzel）所提出。（Mazurs, Types of Graphic Representation of the Periodic System of Chemical Elements）

最終的成果

元素的性質與原子重量會出現週期關係，這聽來很神奇。在十九世紀時，化學家無法正確來解釋這個現象，一個是質量的東西，而另外一個卻是數量的東西。然而化學家實驗發現，這兩者之間出現週期性的變化，而且可以製作成一張表格。在那個時候，他們不知道為何會出現如此的關係，但是他們相信，可以在表格上，找到元素性質及原子量更多例子，也許最終有一天，當更多或者完整的週期表出現後，化學家便可以找到的答案。在建立更精確的週期表的過程中，它神奇的預測過新的元素，也幫忙校正一些原子的重量。

也許，門得列夫在1869年提出元素週期表，並非是一個「科學成就」，而是另外一個嶄新的問題：為何元素的性質與原子量出現週期關係？是的，電子組態便是答案。當我們知道，電子組態可以來解釋元素的各項性質時，我們似乎對元素性質的瞭解豁然開朗。然而另外一方面，過去週期表給我們那種神祕的美感，頓時消失，因為電子組態看來也是一個數量而已，它們是分布在不同軌域的電子數，而原子量就是原子核的中子和質子所組成，在原子中，有多少電子，就有多少質子，最後，我們看到就是數量和數量的關係，而不再是我們所認為的質量和數量所產生的關係，不再令人有一種神祕傳奇的魅力。

參考文獻：

1. Mazurs, E. G., Graphic Representations of the Periodic System during One Hundred Years, University of Alabama Press, 1974.
2. Meyer, L., Mendelejeff, D., Das Naturliche System der Chemischen Elemente – Ostwald’s Klassiker der Exakten Wissenschaften Nr. 68, Leipzig: Verlag von Wilhelm Engelmann, 1895.
3. Van Spronsen, J. W., The Periodic System of Chemical Elements: A History of the First Hundred Years, Amsterdam: Elsevier, 1969.

本文選自《科學月刊》2015年10月號

延伸閱讀：
時代下的悲劇天才—莫斯利與原子序
人類所創造的物質—超鈾元素

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作者：
聶斯特／中央大學物理系與天文所退休教授
陳江梅／中央大學物理系教授

一世紀前，偉大的物理學家愛因斯坦（Albert Einstein, 1879~1955）完成了廣義相對論，透過時空的彎曲來描述重力交互作用，這個理論毫無疑問的是物理學中最激動人心的智慧結晶。愛因斯坦在物理學上做出了許多劃時代的貢獻，例如在1905 年，年輕的他就獨立地完成了許多開創性的成果，其中有關光電效應的論文，是開啟量子物理大門的關鍵性工作，他也因此獲得1921 年諾貝爾物理獎的桂冠。然而，對一般大眾來說，愛因斯坦最著名的研究成果就是相對論，他在1905 年完成了狹義相對論，討論等速運動系統的物理特性，其中光速不變性的假設所推論出來的「時間膨脹」、「長度收縮」等奇特效應，是理論物理中令人非常著迷的現象。十年之後，愛因斯坦更將其理論推廣至加速的系統，建構出描述重力作用的廣義相對論。

學生時期的愛因斯坦

愛因斯坦在大學時期是一個相當古怪的學生，常常翹課，成績也並不突出，最後勉強達到畢業門檻，而他大部分的時間致力於獨立研究物理學中最前沿的問題。至於考試，愛因斯坦則依賴於他的同學格羅斯曼（Marcel Grossmann, 1878~1936）所做的筆記。因為愛因斯坦經常缺課，再加上似乎不夠尊重師長的態度，使得他在授課老師心中留下不良的印象。他的物理學教授韋伯（Heinrich Friedrich Weber, 1843~1912） 曾經責備他說：「你是一個很聰明的孩子，愛因斯坦，非常聰明的孩子，但是你有一個很大的缺點，就是永遠聽不進去別人對你說的任何事情。」他的數學教授閔可夫斯基（Hermann Minkowski, 1864~1909）則曾經稱他為「懶狗」。許多年後，當被問到關於愛因斯坦發表的狹義相對論時，閔可夫斯基的評論是「我真的不敢相信他能夠做到。」

愛因斯坦所就讀的蘇黎世聯邦理工學院。 Source: Shepard4711

廣義相對論的基礎

廣義相對論所討論的，是自然界中的重力，也稱為萬有引力，是人類最熟知的作用力。牛頓（Isaac Newton, 1642~1727）首先理解到，萬有引力不單單只是造成地球上萬物會向下掉落的原因，也是天體中星球運行的作用力來源。他寫下了質量如何產生重力的萬有引力公式，再加上他所提出的物體運動必須服從的三大運動定律，構成了牛頓力學的體系，主導我們對物理的認知達數百年。直到愛因斯坦發表相對論後，物理世界才又往前跨出了重要的一步。

廣義相對論的理論基礎，起源於一個稱為「等效原理」的基本概念——當一個人在自由墜落的時候，他感受不到自己的重量。自由墜落是一個加速的運動狀態，而物體的重量則是重力作用的結果，因此，等效原理說明了這兩個物理現象間有一定的關聯性。這個想法給愛因斯坦很深的啟發，引導他建立了一個革命性重力理論的方向。根據愛因斯坦的說法，等效原理的靈感出現在1907 年，是他一輩子中感到最快樂的想法。

根據狹義相對論，物理學家已經理解到在牛頓力學體系中的一維時間和三維空間不再是各自獨立的，勞侖茲（Hendrik Lorentz, 1853~1928）給出了兩個相對等速運動的觀測者間，他們測量到的時間和長度的轉換關係，也就是說，時間和空間必須被看成一體，形成一個稱為「時空」的概念。

一個完整的重力理論包含兩個部分：第一，需要知道物質如何產生重力場，在牛頓的理論就是萬有引力方程式；第二，重力場是如何作用在物體上，因而改變物體的運動狀態，在牛頓的理論中就是第二運動定律。在廣義相對論彎曲時空的架構下，重力如何作用在物體的部分相對上較容易理解，即物體在彎曲時空中走最短路徑，而最短路徑在數學上可由測地線方程式算出。因此，廣義相對論的建構中最核心的問題，就是推導出物質如何彎曲時空的重力場方程式。

1927 年10 月所召開的第五次索爾維會議，主題為「電子與光子」，並齊聚了當時最頂尖的物理學家，包括正中間的愛因斯坦、居里夫人（第一排左三）、勞侖茲（第一排左四）、包立（Wolfgang Pauli，第三排右四）與海森堡（Werner Heisenberg，第三排右三）等人。 Source: I Harsten

困擾愛因斯坦的難題

儘管愛因斯坦對於建立新的重力理論的物理直覺是清晰而深刻，但是要將他的想法具體的實踐出來，需要一個全新的數學架構。討論彎曲時空結構的數學工具「微分幾何」，便成了廣義相對論所需要的數學平台。但是很不幸的，愛因斯坦一開始並不十分熟悉微分幾何，以致於遲遲無法建構出具有一致性的理論。他再次向格羅斯曼尋求幫助，他拜託老同學說：「格羅斯曼，你一定要幫幫我，否則我會瘋了。」

愛因斯坦開始和格羅斯曼合作，埋首於廣義相對論的建構，經過了一段時間的努力之後，愛因斯坦和格羅斯曼終於在1913年發表了著名的「綱要（Entwurf）」論文，這篇論文分為物理與數學兩部分，分別由愛因斯坦和格羅斯曼撰寫。然而，他們兩人在這篇論文中都犯下了錯誤，而這些錯誤全是起源於對彎曲時空的數學沒有能夠全盤掌握。這個新的數學領域，雖然大數學家黎曼（Bernhard Riemann, 1826~1866）早在1854 年就曾發表他在彎曲空間幾何的研究成果，但對愛因斯坦和格羅斯曼這樣的新手來說，他們只能透過可獲得的文獻，對彎曲空間的數學工具有粗略的理解，但是，他們尚未完全了解彎曲時空的數學公式之真正意涵和在他們新的重力理論當中所扮演的角色。

廣義相對論的誕生

廣義相對論的誕生，也就是推導出正確的重力場方程式的日子，發生在1915年的11 月，那一個月份，愛因斯坦在4 日、11 日、18 日和25 日分別發表了有關廣義相對論的論文，從考慮比較簡單的特殊系統再推廣到一般情形，逐步改進結果，而正確的重力場方程式則是出現在25 日的論文之中。

大數學家希爾伯特（David Hilbert,1862~1943）有關重力場方程式的論文也是在這個時間點完成，所以一直都有到底是誰先得到重力場方程式的爭論。愛因斯坦首次提出正確的重力場方程是在1915 年11 月25 日，但就在5 天之前，希爾伯特在德國哥廷根大學的一個報告中介紹了他對廣義相對論的研究成果。希爾伯特的研究主要目的是考慮重力與電磁力的整合模型，他從作用量出發，利用變分原理，進而分析理論的數學性質。

大數學家希爾伯特。 Source: Open Logic

誰先發現重力場方程式？

愛因斯坦和希爾伯特論文發表的時間十分接近，導致了誰先孰後的爭議：發現重力場方程式應歸功於愛因斯坦還是希爾伯特？有些物理學家和科學史家認為希爾伯特首先發現重力場方程式，而愛因斯坦則是在幾天之後獨立地發現了它。

希爾伯特參與廣義相對論的研究起始於1915 年6 月，那年夏天，愛因斯坦訪問了哥廷根大學，並發表了一系列演講介紹他的重力理論。他和希爾伯特對理論中的問題進行深入的討論。在接下來的幾個月，希爾伯特深入研究關於愛因斯坦的理論，他很快就找到了一個優雅的數學處理方法。他寫信告訴愛因斯坦他的研究成果，而愛因斯坦則要了希爾伯特的筆記與計算的副本。

哥廷根大學一景（1961 年攝）。 Source: Roger W

從愛因斯坦的回信來看，他顯然在11 月18 日前收到了這些筆記副本。但是，沒有證據可以判斷希爾伯特給愛因斯坦的筆記中是否已有愛因斯坦方程式，如果有，那麼愛因斯坦就是在自己提出這個方程式前就已經知道結果。另一種說法是，明確的重力場方程式事實上並沒有出現在希爾伯特給愛因斯坦的筆記副本裡，甚至也沒有在他11 月20日的報告中，希爾伯特是在稍後的論文校對過程時，才將愛因斯坦方程式加入到他的論文當中。

這個兩種看法在1997 年哥廷根大學的圖書館公布了有關希爾伯特在12 月6 日所做的論文校對相關文件後，更添加神祕色彩。希爾伯特的校對版論文內容和最後正式發表的版本是有些不同，最特別的是，在校對版文件中可能是包含愛因斯坦方程式的半頁手稿被人撕走了。這種狀況使得真相更加撲朔迷離，陰謀論的說法層出不窮：難道是愛因斯坦的支持者摧毀證明方程式存在的證據？抑或是希爾伯特的支持者想要掩蓋方程式不存在的事實？

無論真相為何，愛因斯坦和希爾伯特對廣義相對論的建立，都扮演著極其關鍵的角色，愛因斯坦的物理圖像清晰，動機明確，雖然所需的數學基礎和一些疑惑困擾了他許多年，但終究達到目的。希爾伯特經由愛因斯坦的介紹開始重力的研究，他的數學知識雄厚，利用作用量和變分的方法，為重力場方程式的推導開闢出一個在數學上非常簡潔的方法。他們倆人之間在1915 年的相互交流與討論，肯定對彼此的研究產生正面的影響。誰先推導出重力場方程的爭議，一開始在兩人的內心，也確實曾經激起短暫時期的不愉快情緒。然而，在他們往後的頻繁交流過程中，幾乎看不出這爭議對他們的友好關係產生任何嫌隙，或許他們終究認為，這件事並不是個值得浪費時間和友誼的議題。

光路徑偏折

歷史上，牛頓最先提出光線受重力的影響，它所行進的路徑會產生偏折的可能性，在此之後，許多物理學家也都曾經做過光線路徑偏折的具體計算。回到1911 年，愛因斯坦在尚未建構出完整的廣義相對論之前，就曾經基於等效原理和他早先的理論版本，預言光線在經過太陽時會受到它的重力作用影響，而產生0.87 秒角的偏折。

對於光線經過太陽會產生偏折的觀測，在廣義相對論誕生前就已經在嘗試進行。觀測的對象是恆星所發出的光線，因為太陽光太強烈，所以可行的觀測只能在日蝕發生時進行。在1914 年7 月底，德國天文學家弗洛因德里希（Erwin Finlay-Freundlich, 1885~1964）與兩位同伴總共攜帶三組相機前去克里米亞，為將發生在8 月21 日的日蝕觀測做準備。很不幸地，德國在8 月1 日的正式宣戰開啟了第一次世界大戰，俄羅斯也出兵參與戰爭。因此，俄羅斯政府拘留了弗洛因德里希，並且沒收了他的設備，也使得這次的觀測計畫被迫中止。愛因斯坦曾經抱怨說：「決定我的科研奮鬥中最重要的結果，將不會在我的有生之年看到。」事實上，當時另一組美國的觀測隊伍並沒有受到發生戰爭的影響，可惜日蝕當天的天氣並不好，是一個不適合拍攝的陰天，因此美國隊伍的觀測過程也並不順利。

幸運的愛因斯坦

這次觀測的延遲對於愛因斯坦來說應該是一個幸運事件，因為直到1914 年，他對光線路徑偏折的計算並沒有考慮到空間彎曲所造成的效應，預測值為0.87 秒角，而這個預測值是不正確的。一年之後，愛因斯坦理解到空間彎曲的部分和時間彎曲的效應是一樣大，他修正預測值增加到1.74 秒角，是原始結果的兩倍大，而這才是正確的數值。如果在1914 年8 月弗洛因德里希成功地完成了對光線彎曲的測量，那麼他的觀測結果就會不符合愛因斯坦所做的預言，那麼愛因斯坦將會發現自己處在一個相當尷尬的位置上。

對於支持廣義相對論最關鍵的觀測結果，是英國天文物理學家愛丁頓（Arthur Stanley Eddington, 1882~1944）所領導的團隊在1919 年完成的。愛丁頓是廣義相對論在英國首要的支持者，他曾用英語寫了許多文章來介紹並推展廣義相對論。和愛因斯坦一樣，愛丁頓在當時是少數和平主義的熱衷支持者。第一次世界大戰期間，英國實行了徵兵政策，而愛丁頓寧可被判刑也不願意入伍服役參與戰爭，經過了一番的努力，他以日蝕觀測在科學研究的重要性，成功地說服仲裁庭給予他一年的免除兵役豁免權，讓他可以領導1919 年的日蝕觀測團隊。幸運地，這場戰爭在愛丁頓豁免時效過期前的1918 年底就結束了。

英國天文物理學家愛丁頓。 Source: Smithsonian Institution

在戰爭結束後的1919 年， 共有兩個團隊對當年5 月29 日發生的日蝕進行觀測，格林威治天文臺的克羅梅林（Andrew Crommelin, 1865~1939）所帶領的觀測團隊到巴西，而愛丁頓則領隊到非洲。這次的觀測進行得很順利，而觀測資料分析的結果符合了愛因斯坦廣義相對論的預測。

觀測的結果於1919 年11 月6 日在英國皇家哲學學會和皇家天文學會的倫敦聯合會議上向全世界公佈，天文學家戴森（Frank Watson Dyson, 1868~1939）總結說：「經過仔細研究拍攝的底片，我正式宣布，結果證實了愛因斯坦的預言。一個非常明確的結果顯示了光線的偏折，符合愛因斯坦重力理論的推論。」就在第一次世界大戰結束一周年的前夕，德國科學家愛因斯坦延續了英國科學家牛頓的光環，正式地將萬有引力理論推廣至廣義相對論。這消息也迅速地傳播到世界的每個角落，各地的報紙，都大肆報導這個科學史上劃時代的里程碑，而愛因斯坦也因此迅速地提升至世界名人的地位。

愛丁頓於1919 年所拍攝之日蝕照片。(Public Domain)

廣義相對論已經誕生一世紀，從它延伸出的許多有趣課題，例如黑洞、宇宙學、重力波、重力透鏡等，幫助我們更深入地理解自然界的奧祕。然而，直到現在，還有許多尚未解決的問題，期待有更多的愛因斯坦來尋找答案。無論如何，就像音樂和美術一樣，能一窺自然界運行的「美」，無疑是一個激動人心的感受。

〈本文選自《科學月刊》2015年8月號〉

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蔣正偉／美國卡內基美隆大學物理博士，現任國立中央大學特聘教授、中央研究院合聘研究員、國家理論科學中心科學家。

歐洲核子研究組織（CERN）的大型強子對撞機（Large Hadron Collider, LHC），在2013年的夏天，發現了一個新粒子的存在。接著的實驗陸續檢查這個新粒子所參與的各種反應， 證實它極其符合粒子物理的標準模型中希格斯粒子的特性。這項發現的重要性在於完備了標準模型中的所有基本粒子，讓我們確信自然界對稱性的破壞、基本粒子質量的來源，的確都跟希格斯粒子密切相關。加上它對數不清的基本粒子實驗成功而精確的預測或解釋，標準模型也被正名為「標準理論」。

2013年夏天，CERN終於確定他們在LHC對撞中發現的「新粒子」，就是「希格斯波色子」(圖片右邊黃色的粒子)，此發現完備了「基本模型」，並將其正名為「基本理論」。但是，這真的是「最基本」嗎？　Source: wiki

宇宙的終極理論

然而，粒子物理學接下來的一個重要問題是：「這個標準理論就是自然界的終極理論嗎？」有很多理論上的推敲，以及實驗上暗物質、暗能量和微中子質量的發現，告訴我們問題的答案是否定的。我們需要超越標準理論的新物理來幫助解釋暗物質、暗能量的存在，微中子質量的來源，以及許多宇宙觀測、演化的現象。所以，未來粒子物理學的挑戰是：新物理在哪裡？我們該如何去發現與檢驗？宇宙的終極理論究竟是什麼？

因為標準理論的基本粒子已經都在實驗中被發現，所以新物理將會聚焦於尋找其他新粒子，這也同時是高能實驗物理學一直以來積極進行的方向。如果我們可以具體預測某個新粒子的質量以及交互作用的種類與強度，那麼對撞機就有明確的搜尋目標與方法，或者增加對撞能量、提高對撞機率，又或者改進偵測器的靈敏度等。可惜的是，我們現在擁有各種理論模型，卻沒有百分之百的信心哪一個是對的。在這種缺乏線索的情況下，粒子物理學的進展往往需要一些運氣。

發現新的共振態

今年六月，LHC 的實驗公佈了一項結果，從某些粒子的衰變模式中，發現在2 TeV（兆電子伏特）能量附近似乎存在一個新的共振態（物理學家用共振態泛指在實驗中之某個物理態，其質量恰等於對撞的能量，以致於大量的生成。在能量頻譜曲線上，這種共振態的明顯特徵就是峰值的出現）之所以說「似乎」，是因為目前的統計量不足，所得信號僅偏離背景3個標準差左右，信心度並不夠高。根據粒子物理的標準，信號必須要偏離背景 5個標準差以上，才夠資格稱作發現。按照愛因斯坦的質能互換，這個共振態具有相當於約2100個質子的質量。想當然爾，粒子物理學家對於這個新發現非常興奮，並且寄予厚望。因為一旦確定，僅僅這樣一個新的共振態就會提供許多新物理的資訊，引領我們跨進粒子物理的嶄新世紀。

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

除了上述的質量以外，從實驗的論文當中，我們還得知下列訊息。在過去8 TeV的LHC實驗中，約產生了數十個這樣的共振態，我們因此知道它的產生機率（或稱產生截面積）。從衰變模式看來，它應該是個玻色子（自旋角動量為整數的粒子），而且與電弱規範玻色子交互作用。從能量頻譜分析，知道它的總衰變強度應該小於100 GeV（十億電子伏特），算是個窄頻寬的共振態。另一方面，利用其他衰變模式來搜尋新粒子的實驗也告訴我們，這個共振態並不喜歡衰變到某些最終狀態，或稱末態（例如輕子末態），因而存在著一些限制。

追尋可能的線索

從這些有限的已知資訊中，國際上許多理論學家已經展開各種邏輯上可能性的討論，試圖將所有線索拼湊起來，提供一個合理、完整的圖像。在短短的兩個月內，已經有超過40篇的理論論文提出解釋，當中也有臺灣的貢獻。一開始，絕大多數的人很自然地想到，這個共振態可能是自旋為1的規範粒子（統稱帶電荷的W’或不帶電荷的Z’玻色子），其中包括國內張敬民、阮自強教授的工作。如果真是如此，這意味著自然界至少還存在另一種新的交互作用力，也許可以增加我們對大統一理論的了解。還有一種可能是，它是自旋為0的另一個希格斯粒子；國內陳泉宏教授即有一篇論文討論。如果是這種情況，就表示自然界存在不止一種希格斯粒子，這對宇宙早期的創生或許有重要的影響，對基本粒子質量的來源也會有不同的理解。

另一個有趣的可能性是，此共振態並不是一個基本粒子，而是由其他新粒子透過新的強交互作用所構成的合成粒子，這是為什麼大家保守地稱它為共振態的原因。這陣子在日本東京大學的訪問期間，我因緣際會與當地的物理學家共同合作，率先提出這種可能性以及建立一個具體的模型。在此架構中，我們猜想自然界在更高能量的尺度下，還有一群新的、更重的基本粒子，像是我們所熟悉的夸克，會互相凝聚、形成一系列合成粒子，並透過特定的媒介子與標準理論的基本粒子相互作用，而其中最輕的合成粒子可以成為宇宙中的暗物質。

如前面提到的，現在實驗的統計量還太低，LHC的超環面儀器（ATLAS）和緊湊渺子線圈（CMS）實驗組看到的共振態質量也不盡然吻合（分別為2 TeV和1.8 TeV），而且某些該發生的衰變也還未觀測到，所以現在看到的信號很可能又只是統計上的隨機漲落，讓人空歡喜一場。不過，大家都還是抱著很大的期待，特別是理論物理學家，希望透過它來嘗試新模型的建構，更盼望在LHC最近恢復更高能量運轉的短時間之內，可以確定它的存在，進而引導粒子物理邁向新的方向。

本文選自《科學月刊》2015年10月號

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作者／黃正球（美國貝勒醫學院發育生物學博士，研究領域為瘙癢與疼痛的神經機制，目前於美國聖路易斯華盛頓大學進行博士後研究）

糖尿病是影響現代人健康甚鉅的一種代謝疾病，據統計目前全球約有3%的人口罹患糖尿病，所花費的醫療開銷，一年超過六千億美金。

第一型糖尿病起於胰島β細胞的數量減少或功能異常，造成分泌的胰島素不足。第二型糖尿病則是主要因為胰島素阻抗（insulin resistance），即細胞無法正常反應胰島素引起的生理功能；隨著病情的加重，會進而引發β細胞受損、死亡，導致胰島素分泌的不足。雖然目前有口服降血糖藥物或胰島素注劑可以當作治標的療法，但畢竟調整血糖的功效還是不如身體內健康的β細胞靈活。加上近年研究顯示，成體的β細胞在高血糖刺激或胰島素阻抗的情形下，能進行細胞分裂增生，對胰島素分泌與血糖調控有短期代償的效果，所以如果找到能長期促進β細胞增生的因子，或開發出等效的藥物，從根源醫治糖尿病的夢想也許就不遠了！

目前糖尿病患者只能透過吃藥與注射胰島素來控制，圖為Humalog(優泌樂，降血糖劑)與注射管。 Source: flickr

發現神奇蛋白　糖尿病藥到病除？

在這樣的邏輯和驅力下，科學家們以實驗小鼠為模型，開始了找尋這類因子的征戰。2013年4月，美國哈佛大學的莫爾頓（Doug Melton）與實驗室同儕，在Cell期刊上發表了一篇可能會徹底改變糖尿病治療方法的論文。他們利用一個短肽S961作為胰島素受體拮抗劑，阻斷胰島素的訊息傳遞，在小鼠中建立了第二型糖尿病的模型。如前所述，由於胰島素阻抗作用產生的代償，小鼠的β細胞開始分裂增生，而胰島素分泌也顯著增加。他們先以實驗排除了S961直接影響β細胞增生的可能性，然後進一步利用基因微矩陣（DNA microarray）分析了和代謝有關器官的基因表現，發現有一個基因在第二型糖尿病小鼠的肝臟與白脂肪中大量表現，並且會表達一個能被細胞釋放的蛋白。更令人驚奇的是，在小鼠的肝臟中外加表達這個蛋白，可以促進胰島β細胞的分裂增生和胰島素的分泌，而且能有效調節血糖和葡萄糖耐受能力（glucose tolerance）。於是論文作者將這個神奇的蛋白取名為Betatrophin（胰島β細胞滋養因子）。

這個革命性的發現，受到Cell期刊肯定，加上哈佛校方的宣傳和眾多媒體爭相報導，不但科學從業者熱烈討論，數以千百計的糖尿病患者也紛紛透過各種管道，詢問這個可能徹底治癒糖尿病的「靈藥」。當然，也吸引了許多投資客與生技製藥業的目光……

但是，很可惜現實不是童話

2014年底，雷傑納隆（Regeneron）藥廠掌管代謝研究的格羅馬達（Jesper Gromada） 與其團隊， 在Cell期刊上刊登了一篇打臉莫爾頓的論文。文中先餵食小鼠高脂飼料以誘發第二型糖尿病，然後檢測野生型小鼠和Betatrophin基因剔除小鼠，胰島β細胞的增生能力。實驗結果證明，Betatrophin 基因剔除小鼠β細胞的增生能力，和野生型小鼠沒有區別。再來作者利用原本莫爾頓實驗室使用的短肽S961，在野生型與Betatrophin基因剔除小鼠上引發第二型糖尿病，測試不同糖尿病模型是否導致不一樣的結果。很不幸的，還是沒有發現這兩個基因型的小鼠，在β細胞的增生上有任何差異。結合上述兩個實驗，得到的結論是Betatrophin對β細胞增生並不是必要條件。

生命生存則水存在為真，但水存在則生命生存為假(還有陽光跟空氣阿!)。我們可以說，生命生存為水存在的「充分非必要條件」，而水存在為生命生存的「必要非充分條件」。而上述「Betatrophin對β細胞增生並不是必要條件」，是β細胞增生為Betatrophin「充分非必要條件」，意即，除了Betatrophin外，還有其他因素影響β細胞增生，但是後面的實驗結果似乎並不支持Betarophine是「充分非必要條件」。 Source: Pixabay

更慘的是，作者在野生型和Betatrophin基因剔除小鼠的肝臟中外加Betatrophin蛋白，發現對β細胞增生、血糖調節、胰島素分泌以及葡萄糖耐受能力，居然一點功效也沒有！這個結果顯示，Betatrophin對β細胞增生連充分條件都不是，雷傑納隆團隊完全無法重複莫爾頓實驗室在2013年所發表的結果，Betatrophin這個靈藥一下被打回不起眼的原名：ANGPTL8（類血管生成素8號）。

緊鄰著雷傑納隆團隊發表的Cell期刊論文旁邊，其實有莫爾頓實驗室發表的更正聲明。他們首先重複了之前在肝臟中表達Betatrophin的實驗，並大大增加了樣本數（從原本的7隻到目前的52隻），計量後發現，外加的Betatrophin對胰島β細胞的增長只有非常細微的幫助（卻可以對胰島素的分泌有明顯的助益？）。而同時他們也承認，剔除Betatrophin基因並不會減少小鼠在第二型糖尿病病程初期β 細胞的增長……

「七隻小鼠的數據」為什麼你相信了？

從上述事件，我們能得到什麼訊息？又要怎麼去深辨其中的玄機呢？

第一，當我們在科學期刊上閱讀到一個「劃時代」、「革命性」發現的標題時，請先保持一種理性分析的心態，從頭到尾檢測文章中的實驗數據，是否足以撐得起作者的敘述與結論。在Betatrophin的事件中，原本Cell期刊論文裡最關鍵的活體實驗，其實只用了區區7隻小鼠，其中的4隻並沒有任何作用，顯示出的統計差異是源於另外3隻小鼠的樂透效應（Jackpot Effect），所以當樣本數增加到52隻之後，真正可能有生理意義的數據才顯露出來。

再者， 以Cell這樣一個頂尖期刊， 不管是編輯或是審稿者都不該不了解「充分且必要條件」的重要性，但Betatrophin的原始論文裡， 就是少了這麼一個用Betatrophin基因剔除小鼠來顯露必要條件的實驗，不知是否是作者的光環太過耀眼，屏蔽了編輯和審稿者實事求是的審核標竿。

第二，當我們從新聞媒體或網路上聽聞一個科技或醫藥新知，在廣泛轉發親朋好友之前，請盡量查明消息的出處以及相關的科學文章。在網路發達、新聞氾濫的當今社會，有太多良莠不齊的媒介能傳播不實甚至有害的消息，也有太多的假專家或有心人士署名一些似是而非的資訊。網路消息這把雙面刃，怎麼使用得當，對網路普及率這麼高的臺灣民眾來說，的確是一門不簡單的課題。

最後強調，希望各位讀者在閱讀吸收所謂的科技新知時，請多重視資訊中的立論、證據與邏輯性，做出您個人理性的判斷，當然，受審視的也包括您現在正在讀的這篇評論。

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.

本文選自《科學月刊》2015年10月號

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李武炎／曾任教淡江大學數學系，現為《科學月刊》編輯委員

就在幾個月前，今年5月23日，「賽局論」（game theory）大師、也是諾貝爾經濟學獎得主的美國數學家約翰納許與妻子艾莉西亞（Alicia Esther Nash）在美國因車禍雙雙喪命，事實上，納許5月19日剛在挪威奧斯陸領取2015年「阿貝爾獎」（Abel Prize）， 他們出席相關活動後，返家途中搭乘了一輛計程車，不幸在新澤西州的快速道路上發生車禍，消息傳來，令人不勝唏噓。

約翰納許（John Forbes Nash Jr., 1928~2015）

「某個程度上，正常思考就是一種對現狀的順從。人們總是想傳達患有精神疾病者煎熬受苦的意象，但其實並沒有那麼單純，我認為精神疾病或瘋狂也可以是一種超脫。」

約翰納許。 Source: Wiki

納許的人生故事，尤其是長期掙扎於精神分裂的情節，曾在2001年被改編拍成電影《美麗境界》（A Beautiful Mind）轟動一時，更奪下2002年奧斯卡最佳影片，在片中飾演納許的影星羅素 克洛（Russell Crowe）傳神的演技，更是令人印象深刻，真實的人生中，納許在1959年因「思覺失調症」入院接受治療，直到1970 年方才出院。

納許本身是一位數學家，他在上個世紀五零年代就已經在數學的研究上作出很多重要的成果，只是外界比較熟悉的反而是他在「賽局論」上的成就，「賽局論」是一個與作決策有關的數學，它最早被應用在經濟學上，變成研究經濟學不可或缺的工具，如今「賽局論」也被廣泛應用於生物學、政治學及控制理論等等的領域。「賽局論」是研究理性決策者之間的衝突與合作所產生的效益的一種數學模式，例子很多，例如打牌、球賽、商務談判等。「賽局論」最有名的問題便是「囚犯困境」的經典例子：

警方逮捕甲乙兩名嫌犯，但沒有足夠證據指控兩人有罪，於是警方將嫌疑犯分開隔離囚禁，而且分別向兩人遊說認罪並提供以下的選擇：

（一）若一人認罪並作證指控對方，而對方不招供，則此人將立即獲得釋放，而被指控者將被判刑10年。

（二）若兩人都不招供，則兩人將同樣被判刑半年。

（三）若兩人都認罪並互相檢舉對方，則兩人將同樣被判2年。

囚犯應該選擇那一種策略才對自己最有利？由於兩名囚犯是被隔離監禁，所以不知對方會選擇哪種策略，試想有理性的囚犯會作出何種選擇，若對方沉默，我指控對方，則我將獲釋，所以我會選擇指控對方；若對方指控我，我如果沉默，則我會被判刑10年，所以我也要指控對方才能獲得2 年較短的刑期。因此我總是要採取指控對方的策略，結果理性的兩人都選擇相同的策略，也就是指控對方，其結果是兩人皆獲判監2年，這在「賽局論」中就是所謂的「納許均衡」（Nash equilibrium）。這也是納許在1950年獲得美國普林斯頓大學數學博士的論文中一個重要的概念，由於他的研究應用在經濟學上的貢獻，使得他與另外兩位「賽局論」的學者約翰海薩尼（John Harsanyi）與萊因哈德謝爾騰（Reinhard Selten）共同獲頒1994年諾貝爾經濟學獎。

納許雖然榮獲諾貝爾經濟學獎，但他本來就是數學專業，他在數學上的研究當然也是非常的傑出，尤其是在廿世紀五零年代，他就已經在數學領域的分支「偏微分方程式」證出很多重要的定理，只是外界比較熟悉的是他在「賽局論」上的成就。由於他在數學上的傑出研究，終於獲得挪威科學與人文研究院的青睞，決定頒授2015年的阿貝爾獎給他，與他同時獲獎的是另外一位美國「偏微分方程式」的巨擘尼倫伯格（Louis Nirenberg），尼倫伯格也是中研院院士林長壽的指導教授。

數學界最崇高的阿貝爾獎

阿貝爾獎常被稱為數學的諾貝爾獎，因為諾貝爾獎項並沒有數學，所以阿貝爾獎可說是數學界最崇高的獎項，它不像另外一個也是數學的菲爾茲獎（Fields metal）有年齡的限制，而且是早年為了彌補諾貝爾獎沒設數學項目的缺憾所提議設立的，不過這個獎項的設立直到公元2002年方才實現，挪威政府為了紀念十九世紀挪威的一位數學家阿貝爾（Niels Henrik Abel，1802~1829）200 歲誕辰，決定設立阿貝爾獎，並且在2003 年開始頒發第一次的獎，獎勵當代研究傑出的數學學者，獎金有挪威幣六百萬克朗（約合750000 美金），歷屆的得主都是當代數學界的翹楚。

阿貝爾是挪威歷史上一位才華橫溢的數學家，他在很年輕時就已經作出很出色的研究成果，其中最有名的是證明一般五次方程式沒有根式解，開啟抽象代數學之濫觴，對代數學往後的發展奠定不可磨滅的根基，他與同時代的法國數學家伽羅瓦（Galois）雙雙被推崇為「現代群論的先驅」。抽象代數中有一種代數結構是運算可交換的「群」，為了紀念阿貝爾，數學圈中就把交換群叫做「阿貝爾群」，英文是「abelian group」，以人命名的專有名詞，在英文的習慣中，第一個字母應為大寫，可是abelian的第一個字母a 卻是小寫，這是因為數學界為了表彰阿貝爾特別卓越的貢獻而把它普通化了，所以如果你在其他地方也看到小寫的專有人名名詞，應該肅然起敬，只有特別了不起的人物才能擁有如此的待遇。

納許與尼倫伯格成為2015 年的阿貝爾桂冠的得主，是因為要表彰他們在數學領域的非線性偏微分方程式及其在幾何分析上的應用，作出顯著與影響深遠的貢獻。偏微分方程式（partial differential equations）是數學的其中一門分支，高中生在高中數學中都學過一點微積分，所涉及的微分都是求單變數函數的導數，而在大學微積分中就會學到多變數函數的導數，針對不同的變數所求的導數就稱為偏導數；因為導數是研究變化率的問題，所以數學中的很多問題以及物理現象，常用與偏導數有關的方程式來描述，因此研究偏微分方程式就成為近代數學的主流，如果方程式中與偏導數有關的項其次數都不超過一次，則這種偏微分方程式就稱為線性（linear），否則就是非線性。非線性方程式（nonlinear partial differential equations）的解法並無一般常規方法可循，幾乎每一種形式都有其特別的解法，而且要用到「分析」的背景知識，分析是指以微積分、無窮級數與解析函數為理論的數學內容，是純數學的三大分支之一，其他兩支為代數與幾何，所以偏微分方程式的題目都很難，為破解非線性偏微分方程的問題，就必須具有獨特與高超的手腕，納許與尼倫伯格就是箇中高手，納許尤其聰明，他的很多這方面的研究都是單打獨鬥自己發明的。

微分流形

除了非線性偏微分方程，納許也專研微分幾何，微分幾何（differential geometry）也是數學的一個分支，主要是研究「微分流形」。流形（manifold）是高等數學中的一個專有名詞，它是一個具有拓樸結構的幾何形體，它的局部具有歐幾里得空間的性質，用比較白話來說，就是近看起來像歐幾里得空間。例如像地球的表面（球面）就是一個流形，我們所處的這個地面範圍看起來是平坦的，這是因為我們所看到的地面其實是地球表面很微小的一部分，所以我們將地面視為平面，但就整個球面而言，它不是平面，我們可以把地球的表面看成一片一片的平面拼接起來，所以球面就是流形的一個例子。當然，流形還是很抽象的概念，簡單地說，它就是高維度的曲線或曲面，物理學中的許多構造也是流形的例子，如力學中的相空間以及廣義相對論中時空模型的「黎曼流形」。

流形中最常應用的是微分流形，它可以用微積分來處理方向、切空間、曲度等問題，而且也用偏微分方程來描述，所以微分幾何與偏微分方程式關係是非常密切的。納許研究微分幾何也會用偏微分方程式作為工具，例如「納許嵌入定理」（Nash embedding theorem）：任何抽象的黎曼流形可以嵌入一個歐幾里得空間而保持距離不變；嵌入的意思是把流形放進歐幾里得空間之中而視為一個子流形。為了證明微分幾何中的定理，他必須處理一些特殊偏微分方程式的問題，而這些方程式在以前被公認是不可能解出的，可是納許運用一個迭次的技巧方才克服，這種重複的方法是以確定的部分作為起始點，循序漸進推演，最後求得答案，微積分中的「牛頓法」就是其中一個例子，納許研究的功力真的是一流的，能得到阿貝爾獎真正是實至名歸當之無愧。也是阿貝爾獎得主的葛洛莫夫（Mikhail Gromov）就曾讚許說：「納許在幾何上的貢獻，在我看來，是比他在經濟學上的研究更具無與倫比的偉大，他讓人對流形的看法有不可思議的改變，他能將流形掌握在手，而且比傳統方法更加運用自如。」納許就是玩流形的高手。

令人緬懷的傳奇伴侶

納許早年深受精神疾病所若，沉潛數十年之久，但他後來逐漸復原，重回學術領域繼續研究，他的成就自屬拔尖，他的人生故事就是一段傳奇。對於他的驟逝，數學界為之不捨，也讓世間響起一陣陣嘆惜，納許過世前是美國普林斯頓大學數學系的資深研究員，對於納許的不幸過世，普林斯頓大學群體深感震驚與悲傷，普大校長艾斯格魯伯（Christopher Eisgruber）發表下面的談話：「約翰的卓越成就，激發了數代的數學家、經濟學家與科學家，因為他們都深受納許在賽局論上的顯赫突破所影響，他與夫人艾莉西亞的故事更是感動數以百萬計的讀者與電影觀賞者，他們尤其激賞他倆在面對令人恐懼的挑戰時所展現的無比勇氣。」電影《美麗境界》中飾演納許的羅素．克洛在推特上懷念納許，他寫道：「我心歸之；一對令人神奇的伴侶，美麗的心智，美麗的心靈。」

〈本文選自《科學月刊》2015年8月號〉

延伸閱讀：
罹患精神疾病的天才數學家-奈許的美麗境界
數學的諾貝爾獎

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董世平／中原大學應用數學系教授，美國伊利諾大學數學博士，專長數理邏輯，曾任符號邏輯協會東亞委員會委員九年。

布爾追尋真理的熱忱，導引他發現思想的法則。他以代數的手法將思想法則表現為後人所稱的布爾代數，不僅成為電腦硬體設計的基礎理論，更開創了數理邏輯學的深刻發展。

天上的星星，依照牛頓所發現的「萬有引力定律」而運動；而人的思想，也有它運作的法則嗎？1854年，布爾出版了他的著作《思想法則之探討》，在這本書中，布爾給了上述問題的答案：人的思想是有法則可循的。不僅如此，我們可用數學的方式來描述這些法則。這本書出版之時，能明瞭的人甚少，但這本書對人類影響之大，絕對是當時的人，甚至布爾本人都難以想像的。

理性是人行事的基礎，如巴斯卡（Blaise Pascal, 1623~1662）所說：「人是會思考的蘆葦。」我們也說：「物有本末，事有先後。知所先後，則近道矣。」雖然人人做事都有其背後的邏輯，但意識到邏輯本身，應是後來的事，正如人人都呼吸，但意識到呼吸，乃至知道空氣的存在，都是相當後來的事了。一個人沒學過邏輯，甚至沒聽過邏輯，並不表示這人做事沒有邏輯，或不需要邏輯。

巴斯卡。 Source: shutterstock

邏輯學門的發展

亞里士多德（左）與他的學生亞歷山大。Source: shutterstock

一般來說，把邏輯或理則學當作一門系統知識來學習，是從亞里士多德開始，故傳統邏輯被稱為亞里士多德邏輯，大家最熟悉的即所謂的「三段論」。

大前提：人會死
小前提：蘇格拉底是人
結論：蘇格拉底會死

當我們從所知或已知的事物而得到結論時，這個思考或邏輯過程，皆使用三段論。人會犯錯，也會犯邏輯的錯誤，有可能是前提錯，即他的認知就是錯的，但也常發生的是，推論的過程產生錯誤：

大前提：人會死
小前提：蘇格拉底死了
結論：蘇格拉底是人

我們也許會說這種錯誤太不應該了，但犯這種錯誤的人比比皆是，在報章雜誌及電視上不時可見這些錯誤的推論。因這些人的心態是先有結論，再為結論找理由，也難怪會犯這種錯誤。希望我們能如孟子所說：「淫辭知其所陷」，而不為其所陷。邏輯在希臘哲學時期的建立，也就是為了分辨辯士在辯論時，何者是講理，何者是狡辯，進而使個人能合理的思考，正確的判斷。

邏輯不僅在希臘發展，在同時期的中國亦現其蹤跡。春秋戰國時期的名家及墨家的論述中也都有「邏輯詭論」，或如莊子所說：「一尺之杖，日取其半，萬世不竭。」；在希臘有完全相同的說法，如「飛矢不動」，也與「阿基里斯詭論」有相通之處。但可惜的是，中國的邏輯後來未有系統性的發展，僅留下了「矛盾」這個有趣的典故：楚人有鬻盾與矛者，譽之曰：「吾盾之堅，物莫能陷之。」以譽其矛曰：「吾矛之利，於物無不陷也。」或曰：「以子之矛陷子之盾，何如？」其人弗能應也。夫不可陷之盾與無不陷之矛，不可同世而立。」─《韓非子》。

邏輯數學化

人類用亞里士多德的方式學習邏輯，至今已2500 年了。然而，我們必須用「理性」，才能得到邏輯正確的結果嗎？唯有「理性」，才能知道「理」之「則」嗎？

布爾提出兩個突破性觀念：其一，用符號表示邏輯命題；其二，可用代數作符號運算。總體來說，我們可先用符號代表命題，用公理表示邏輯的規則，再以代數的方式運算。在運算的過程中，不需考慮符號本身及運算的意義，運算完畢，將符號再帶回原本的命題，即為邏輯正確的結果。至此，推論的過程完全被公式的運算取代，不僅大大增加處理命題的能力，完全避免人有意無意的錯誤，藉著公理的選擇，可發現命題之間的關聯，亦可清楚看見邏輯的本質，其好處不勝枚舉，更有許多後世才發現的益處。

布爾在他著作中未曾提出一套完整的公理系統，也因此現今我們有許多種不同的布爾代數系統，本文僅列出一個較簡潔的系統，我們藉此來討論布爾將邏輯符號化及代數化的意義。

在討論符號化的意義之前，我們先引用布爾在他1847年所出版《邏輯之數學分析》中所說的：「認識現今符號代數情形的人都明瞭，分析過程的正確性並非建立在對符號所用的解釋，而是在它們組合的定律上。」使用符號不僅為方便表示，亦使我們不再受限於特定的解釋，因此可擴展應用的範圍，也才有現今各樣的數位產品。

我們藉由布爾曾用的交換律b+a=a+b 來說明。你可把a、b視為兩個集合，+為聯集，=為集合相同；亦可把a、b視為整數，+為加法，=為數字相等；亦可把a、b視為命題，+視為邏輯連辭「或」，而=視為意義相等。在應用時我們固然需要對這些符號賦予特定的意義，但在推導性質時，我們只需按著他們組合的定律來做，如交換律，如此所得的性質可用在集合、數字或命題及其他可能的解釋上。

對於邏輯的數學化，我們可用布爾所用的另一個例子來說明：

x² = x → x－x² = 0 → x(1－x)=0

這個過程相信是任何學過解方程式的人都明白的，當把0視為空集合，1視為包含所有個體的宇集（universalclass），1－x為包含所有不在集合x內個體的集合，x²=x 則意義為「具性質P 且具性質P 的集合，即為具性質P的集合」，因此布爾用上述的代數過程得到了古典邏輯中集合的「矛盾原則」，即不可能有一個集合同時具有性質P及性質非P，亞里士多德視矛盾原則為邏輯的基礎公理，但布爾則用數學方法顯示矛盾原則可由另一個看來更直觀的x²=x 公理所導出。

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。

萊布尼茲。Source: shutterstock

范氏圖與真值表

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。

范氏圖用圓表示集合，1、2、3個圓交疊後，分別可得2、4、8個區域，每一個區域代表每一個集合僅使用一次可得交集的情形，在3個圓交疊的情形下，區域2為，區域為。那4 個圓交疊可得幾個區域呢？我們也許會猜2¹=2、2²=4、2³=8、2⁴=16，16個區域，但我們若認真的去畫，我們會發現最多只能畫出14個區域。

然而，4個集合實際上應該有16個區域，所以范氏圖無法表示n ≥ 4個集合所有可能的情形，用n個圓最多可畫出多少個不同的區域？這個例子告訴我們，用歸納法一開始所得的歸納結果有可能是錯的，有興趣的讀者可嘗試用歸納法得到正確的公式，再用數學歸納法證明公式是正確的。

另一個有用的工具則是真值表。它用P、Q代表命題，∧（且）、∨（或）、¬（非）、→（若⋯，則）、→（若且唯若）、T（真）、F（假），我們有下列定義：

我們可看見P → Q 和¬Q → ¬P 及¬P ∨ Q 對應的真假值完全一樣，即此三者為邏輯等價，當我們要證明「若P則Q」（P→ Q） 時， 我們證明「若Q為假，則P為假」（¬Q → ¬P），則「若P 則Q」得證，此即為「歸謬證法」或「矛盾證法」的本質，同理，若我們能證¬P ∨ Q 為真，我們亦證明了「若P 則Q」。

布爾之後的邏輯

邏輯非自布爾而始，亦非自布爾而終，但邏輯自布爾後，就再也不一樣了。我們也許可以如此比擬：克卜勒藉著對行星運動的觀察數據，以計算及歸納得到了「克卜勒行星運動定律」。牛頓依此發現了「萬有引力定律」，如此不僅可解釋「克卜勒行星運動定律」，我們亦可藉此定律計算出物體的運動軌跡。同樣的，亞里士多德歸納出正確思想應該遵守的規則，而布爾用代數的方法解釋了正確思想的規則，我們便可藉著他的發現，計算出正確思想應得的結論。

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。

現今一些較熱門的題目也和布爾邏輯有所關聯，例如，哲學界所研究的「非古典邏輯」，其研究的方式多為先將布爾代數用不同的公理表示，再將其中一些公理，基於哲學方面的考量加以弱化，如此可得如直觀邏輯（Intuitive Logic），模態邏輯（Modal Logic）等等不同的邏輯。

人工智慧

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。

乏晰邏輯

乏晰邏輯（Fuzzy Logic）在工業界已有許多的應用，其特點是，一個命題的真假值可為一個介於0 與1 之間的實數p，亦可視為[0, p] 區間；而傳統邏輯下，一個命題的真假值限定為假與真，或布爾所用的0 與1 表示。

1960 年代， 邏輯學者逐漸發展出布爾值模型（booleanvalued model），其命題的真假值對應至一個布爾代數，並以此將柯亨（Paul J. Cohen, 1934~2007）的結果( 註) 給予一個相對簡潔的證明。此處須特別強調「無法證明是對的」和「錯的」其意義是不相同的。由布爾值模型後，又發展出布爾值分析（boolean-valued analysis），並由此得到數學上有意義的成果，乏晰邏輯可說是布爾值模型另一個有用的特例。

註：此結果得到數學最大獎菲爾茲獎，其敘述在使用一般通用的集合論公設時，無法證明選擇公設（Axiom of Choice）和連續統假說（Continuum Hypothesis）是對的。

量子邏輯

另一個著名的非古典邏輯為「量子邏輯」，由量子邏輯可衍伸出「量子計算機」。其使用量子演算法，可在多項式時間內做「因數分解」，這是一般計算機與圖靈機（Turing machine）至今仍無法得到的結果。但量子計算機與圖靈機所能計算的函數總體是相同的，量子計算機與現今使用的計算機相較，或許其計算複雜度有差別，但從可計算性（computability）來看，兩者並無不同。

英國科學家潘洛斯，在物理、數學等領域有卓越貢獻。他曾撰寫過一系列探討人類意識與物理之間關係的書籍，如1989 年出版的《皇帝新腦》。Source: Festival della Scienza

綜合上述，我們可說現今邏輯與計算的發展，都是建立在布爾的基礎上，我們是沿著他給我們的方向繼續前進，而他的影響不僅遍及數學各領域，亦延伸至其他領域，如哲學、計算機科學、語言學等。

對真理的追求

我們不禁要問：為什麼布爾能有如此偉大的成就？當然他一定是個天才，但他的成就並非憑空而來，他也經過時間的醞釀，使他的思想日漸成熟。也由於這些成就，使他對符號的能力有更清楚的認識。他先前出版的《邏輯之數學分析》不僅不成熟也包含謬誤。在思考的過程中，他也曾面對失敗與挫折，但他不放棄，因此得以出版《思想法則之探討》。另外他勇氣過人，他敢思想「思想」，這個極端抽象卻又最根本的問題，大名鼎鼎的萊布尼茲嘗試過、努力過，但無特別的成果，而布爾不畏艱難，終於有所成。

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。

本文選自《科學月刊》2015年11月號

延伸閱讀：
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劉勇君／美國楊百翰大學地質科學系畢業，現為美國亞利桑那州立大學地球與太空科學研究所博士生，研究專長為行星地形學。
梁勝雄／現任職於經濟部中央地質調查所，研究專長為構造地質與活動斷層調查。

太陽系八大行星中，由內往外數第四顆行星，就是火星（Mars），為四顆類地行星之一。古時候觀測星體的主要工具為你我的「肉眼」，而火星肉眼可見顏色為火紅色，常常使人聯想到血腥的戰事，故在西方世界借用古羅馬神話掌管戰爭神祇之名，命名為Mars（「戰神」之意）；在中國古代則稱火星為熒惑星，因為「熒熒如火」，且火星常常出現一陣子又消失了，不像其他星體，常駐於天空，而令人感到迷惑，故稱之「熒惑」。

因為人類觀測的工具不斷的進步，從最初的肉眼到望遠鏡，至40年前的火星人造探測衛星觀測，甚至近年派遣登陸器（如機會號）登陸火星「直接」探測。因此，以前不了解的問題，現在都已經揭開神祕面紗。雖然現階段仍然不是人類「親手」碰觸火星表面，但是卻能藉由「比較行星學」認識火星。首先，讓我們先了解什麼是比較行星學？

「比較行星學」的初登板

1971 年美國太空總署（NASA）水手9號太空船（Mariner 9）傳回了火星地表的第一張清晰照片。令科學家驚訝的是，火星的地表特徵（火山、河谷遺跡、隕石坑、沙丘等）（圖一）與地球地貌非常類似，可是我們又沒有親身蒞臨火星，為什麼可以這樣認為呢？主要原因在於地質學家在研究地球上的地質作用時，多會先利用航空照片或衛星影像來輔助判識大區域的地質構造現象或是地質地貌。在了解大區域的地質概況後，才會親身抵達野外實地觀測及考察。

圖一：維京一號所拍攝的火星表面影像，火星地表地貌與地球非常相似。(Copyright Calvin J. Hamilton)

同理，科學家會藉由太空船或是探測衛星所拍攝的影像，以研究火星地貌及地質作用。科學家假設，他們所「看到」的行星上的地表地貌，是類似於地球上可觀察到的。由此就能根據我們所熟知的地球科學理論，進而套用在解釋其他行星的地質作用，這個研究方法稱為「比較行星學（comparative planetology）」。

火星沙丘的奧祕

在風力作用下，沙丘（dune）是一種常見的沙粒堆積的地貌（圖二）。沙丘通常呈現丘狀或壟狀堆積，一般高度可達幾公尺甚至幾十到幾百公尺。在地球上，沙丘於沙漠地帶分布最廣，不過海岸及河岸的沙灘，也可以找到沙丘的地貌。1976 年美國維京1號（Viking 1）太空船傳回了比水手9號更清晰的影像，科學家發現火星地表有許多大型的沙丘，而且在火星上的沙丘（圖三），長度與寬度都比地球沙丘大上好幾倍，這是由於火星大氣非常稀薄，風力也較小，沙粒較難被風力帶動及堆積。因此需要較長的時間，才能慢慢形成大型的沙丘地貌。

圖二：蒙古沙漠的沙丘以及波紋。（hbieser）

圖三：高解析度HiRISE 影像，火星沙丘以及波紋清晰可見。（NASA JPL/HiRISE/ Unversity of Arizona）

在地球沙丘的研究上，沙丘的形態、分佈、排列、規模的演育可做為推論古氣候變遷及地殼變動的參考。如分析沙丘的排列可推得盛行風或季風的風向（圖四）；又如知道沙丘的地質年代，就可推論沙丘形成當時的地質年代的盛行風風向，並與現今的風向做一比較，更可推測氣候是如何改變的。火星的沙丘研究也與此研究方向一致，現在科學家相信火星地表過去應有穩定的液態水，研究火星的沙丘有助於推論火星過去的行星風向、大氣環流，以及重要的火星氣候歷史，所以，火星沙丘研究目前是行星科學中，熱門的科學研究議題方向之一。

圖四：風向（紅色箭頭）不同，將可能形成不同種類的沙丘。（作者提供）

新的研究思維與方向

近十年來，行星科學家根據「火星軌道相機（Mars Orbiter Camera, MOC）」所拍攝的衛星影像發現，有些沙丘可能已形成十幾萬年以上，且從未發生過變化，故推論火星上大部分區域的盛行風向及大氣環流在過去十幾萬年以來都沒有重大的改變。2005年，美國航太總署將更高解析度的「高解析度成像科學設備相機（High Resolution ImagingScience Experiment, HiRISE）」放上火星軌道，HiRISE影像的解析度高達25公分／像素（25公分約為一個平板電腦的大小），比大多數的地球航照圖幅解析度還要高。

分析HiRISE 影像，科學家們觀測到沙丘上非常小的波紋構造（ripple）。波紋構造的波長大約為十幾公分至幾公尺左右。在地球上，波紋大多由近地表的風場（near-surface wind） 所形成。這裡要特別說明一下，利用分析沙丘地貌推得的風場可歸類為盛行風或是長期風場（long-term wind regime），但是分析波紋推得的風場則歸類為近地表風或是短期風場（short-term regime）。地表風場大多代表當季的風向，而盛行風則通常不因季節而改變。由於之前科學家推測，火星近十幾萬年的風向應該沒有太大的改變，所以科學家們也並未特別注意沙丘上的波紋或許可帶來更多分析風向及大氣環流的線索。

直到2010 年時，義大利科學家希爾維斯特（Simone Silvestro）仔細對照兩張相隔五個多月拍攝的HiRISE影像發現，波紋竟然在這段時間移動了2公尺，這是人類對火星沙丘上的波紋進行研究以來，目前已知最快的移動速度，這個研究大大地改變行星科學家對於火星的風場及古氣候之看法，火星沙丘上的波紋也提供了新的研究方向。

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。

這說明了火星大氣環流的複雜性，在某一些區域的風場每隔半個火星年就會改變方向，而某一些區域的風場卻可能好幾萬年都保持不變，這些新發現讓原本以為已經很了解火星古氣候變遷的科學家們感到困惑不已，勢必需要更多的研究才能解開火星大氣、氣候變遷和沙丘地貌之間的關聯性。

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？

NASA Citizen Science Planet Four 研究計畫

對於火星任務有興趣的讀者，若想對於這個研究領域有所貢獻，可以參加美國太空總署設計給地球居民的研究推廣計畫，與全世界其他夥伴，一起合力來解決目前尚未解開的火星謎題。該計畫稱為「Planet Four」，是火星表面的大氣研究計畫，希望透過辨識火星表面暗土壤（dark features，為火星季節轉換時，近地表冰層的二氧化碳因氣壓變化從地表噴出，噴出的二氧化碳氣體帶著灰塵顆粒，在地表形成顏色較暗的痕跡稱之）的分佈狀況，用以回推火星的大氣運動模式。自2005 年開始，科學家們取得大量高解析度的HiRISE 影像，但因研究人力不足，科學家們無法仔細檢視每一張HiRISE影像的暗土壤分佈，故美國太空總署的科學家們設計Planet Four，期望讓一般社會大眾或是有興趣研究火星的莘莘學子能參與重要的火星研究計畫，協助檢視HiRISE 影像，並辨識出暗土壤。

更多關於Planet Four 計畫請瀏覽網站。www.planetfour.org

參考資料：

1. 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.
2. 石再添等人，〈臺灣西部海岸沙丘之地形學研究〉，《師大地理研究報告》99-148 頁，1993 年。
3. 何春蓀，國立編譯館主編，〈第13 章- 沙漠和風的作用〉，《普通地質學》，五南出版社，285-312 頁，2004 年。

本文選自《科學月刊》2015年11月號

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張敏娟／任職輔仁大學物理系副教授、兼任磨課師（MOOCs）執行長。曾任國際及兩岸教育處學術交流中心主任、中華民國物理學會《物理雙月刊》總編輯。

今（2015）年10 月6 日，諾貝爾遴選委員會宣布物理獎由梶田隆章（Takaaki Kajita）與亞瑟．麥唐納（Arthur B. McDonald）獲獎。表彰他們找到微中子（neutrino）震盪的證據，進而推測微中子具有質量的貢獻。

梶田隆章（Takaaki Kajita），1959 年生，日本物理學家、天文學家。Source: ICRR, the University of Tokyo

梶田是日本人，目前56 歲，是日本東京大學的教授。1981 年埼玉大學物理系畢業，接著在東京大學念物理博士，並加入位於日本神岡的大水槽實驗（KamiokaNDE），1986 年博士班畢業。他在畢業後，於東京大學理學院繼續擔任助手（1986）、接著轉到該校宇宙線研究所擔任助手（1988）、助教授（1992）、教授（1999）、所長（2008）。他參與神岡大水槽實驗（KamiokaNDE）與超級神岡大水槽實驗（Super-KamiokaNDE），研究能力傑出，獲得許多研究大獎。最特別的大獎之一是在2002 年，梶田與影響他最深的兩位老師、前輩：戶塚洋二與小柴昌俊，三人共同獲得潘諾夫斯基實驗粒子物理學獎。小柴昌俊因為神岡大水槽實驗獲得2002 年的諾貝爾物理獎（超級神岡大水槽實驗的前身），戶塚洋二是主導超級神岡大水槽實驗的前期主要負責人（2008 年因為癌症過世）。

麥唐納（Arthur B. McDonald），1943 年生，加拿大物理學家。Source: Arthur B. McDonald

而麥唐納是加拿大人，目前72 歲，是加拿大皇后大學的教授。麥唐納1964 年達爾豪西大學物理系畢業，1965 年同校物理碩士畢業，接著轉往美國加州理工學院念物理博士，1969 年畢業。他在博士畢業後，於加拿大首都渥太華的喬克河核子實驗室任職研究員（1970~1982）。接著轉往美國普林斯頓大學任職教授（1982~1989），之後又回加拿大的皇后大學擔任教授（1989）。

麥唐納在任職皇后大學期間，領導位於加拿大安大略省的薩德伯里微中子觀測站（Sudbury Neutrino Observatory, 1999~2006）。在2001 年8 月，麥唐納領導的薩德伯里微中子觀測站團隊，發表實驗結果並推論出「來自太陽的電子微中子，會因為微中子振盪機制改變為緲子微中子和濤微中子」。這個結果支持在1998 年，超級神岡大水槽實驗發表的類似論點文章。因此2007 年，美國費城富蘭克林研究所，將富蘭克林獎章頒發給領導超級神岡大水槽實驗與薩德伯里微中子觀測站團隊的戶塚洋二與亞瑟·麥唐納。我想，如果戶塚洋二能夠活久一點，一定也可以拿到諾貝爾物理獎的。

• 微中子震盪
  為微中子在三種「味」之間震盪，意思是電子微中子（e）、渺子微中子（μ）、與濤微中子（τ）之間，會互相轉換身份。
• 味（Flavour）：代表的意思跟「種類」類似，但是也含有看不見、摸不著的意思。

關於微中子被提出與命名的歷史

從沃爾夫岡‧ 包立說起。奧地利理論物理學家包立（Wolfgang Pauli, 1900~1958）是量子力學研究先驅之一。一般廣為所知的是他提出的包立不相容原理，發展出自旋理論，重新詮釋物質結構。包立獲得1945 年的諾貝爾物理獎。包立很少發表論文，他比較喜歡與同行交換長篇的信件。1930 年，包立思考了β 衰變（beta decay）的問題，也就是原子核轉變為另一種原子核時，會伴隨產生一種小粒子。他寫信給同行，提出存在一種電中性的、迄今為止未被觀測到的小粒子假說，以此解釋β 衰變。不過這個看不見的小粒子，到底要怎麼繼續討論它，包立很苦惱。

奧地利理論物理學家包立。Source: oddee

1934 年， 恩里科· 費米（Enrico Fermi, 1901~1954）為美籍義大利裔物理學家，重新詮釋包立的β 衰變假說。費米將包立苦惱的那個伴隨β 衰變產生的小粒子，命名為微中子（neutrino），讓β 衰變滿足能量守恆理論，並定義：「β 衰變是放射性原子核放射電子（β 粒子）和微中子而轉變為另一種原子核的過程。」由於費米是義大利人，所以微中子命名給人的感覺，很像義大利咖啡卡布奇諾（Cappuccino）。費米重新詮釋的β 衰變，是弱作用力理論的前身。他演示了幾乎所有元素在中子轟炸下都會發生核變化。慢中子和核裂變的發現，也是費米以及他的學生們推論出來。費米獲得1938 年的諾貝爾物理獎。

美籍義大利裔物理學家恩里科· 費米。Source: atomicheritage

微中子研究，從費米之後，百家爭鳴。其中以1964 年提出夸克理論的默里·蓋爾曼（Murray Gell-Mann，1929 ~）為首，漸漸朝向基本粒子標準模型邁進。蓋爾曼因此獲得1969 年的諾貝爾物理獎。微中子們在還沒被找出來之前，就已經被預測會出現，並預先留好座位給他們了。尋找微中子特性的實驗很多，本文僅說明此次獲諾貝爾獎的兩個實驗。第一個是日本超級神岡大水槽，第二個是加拿大薩德伯里微中子觀測站。

微中子的實驗觀測，主要分為四種：太陽微中子、大氣微中子、核反應爐微中子與粒子束微中子。神岡大水槽與超級神岡大水槽，屬於觀測大氣微中子的實驗；加拿大薩德伯里微中子觀測站，則屬於觀測太陽微中子的實驗。至於核反應爐微中子，比較有名的是日本的KamLAND 和中國大陸大亞灣微中子實驗，它們都屬於把偵測器放在核能發電廠旁邊的實驗。而粒子束微中子，是利用加速器產生微中子光束的實驗，比較有名的有美國的MINOS、日本的K2K、T2K。還有許多有名的微中子實驗室，就不一一列舉。

日本T2K微中子光束實驗。Source: arstechnica

日本超級神岡大水槽實驗，地點位於日本岐阜縣飛驒市神岡町的一個廢棄砷礦裡面。神岡是一個非常純樸的傳統日本小鎮。超級神岡大水槽實驗所在的廢棄礦坑，是更早之前的神岡大水槽實驗的地點，但是規格擴大了十倍。超級神岡大水槽為直徑約39.3 公尺、高度約41.4 公尺的不鏽鋼圓柱形容器，裡面注入約5 萬噸純水，容器內壁使用約1 萬1200個光電倍增管，用於探測高速微中子在水中通過時產生的「契忍可夫光（Cherenkov light）」。

超級神岡大水槽的位置，在地底下1000 公尺深，主要是為了隔離地面上的各種背景雜訊。大水槽上方，承受每平方公尺2700 噸的壓力。還好礦坑由堅硬的岩石所組成，承受得住壓力。1991 年12 月，超級神岡大水槽開始正式動工，總共花了約兩年半，才把地底下需要的空間清空。接著用噴水泥的方式，把牆面固定。每隔一定距離，在牆面做一個記號、鑿一條小通道，預留空間給光電倍增管安裝電線。為了讓地底下的五萬噸純水保持純淨，大水槽旁邊建了一座淨水系統，隨時淨水。為了分析數據，在大水槽上方的地面上，蓋了一個電腦中心。所有實驗數據都透過電子訊號讀出系統送到電腦中心，做數據分析與值班的人員，可以在地面上處理。

當帶電粒子高速通過純水，有機會產生契忍可夫光。理論物理學家推論，當水裡面的質子被高能量的粒子打碎，產生衰變放出微中子，就有機會發出契忍可夫光。接著使用光電倍增管，將光訊號放大變成光電子訊號，由於具有高壓電的光電倍增管，可以讓光電子在管中產生電子雪崩效應，讓電訊號放大，這樣就能找到質子衰變的證據。一開始建造大水槽的目的，是為了找質子衰變。

日本超級神岡大水槽實驗 Source: Super-Kamiokande Collaboration, Japan 超級神岡大水槽，主要觀測大氣微中子，微中子觀測數量之理論預測值並不隨天頂角而改變，而是呈一定值。然而，超級神岡大水槽於1998 年發現，從大水槽下方進來的渺子微中子（產生於地球另一側）被觀測到的數量是從大水槽上方進來的渺子微中子數量的一半。這個結果被解釋成微中子轉變至其他種類的微中子，這個現象即是微中子震盪。此發現表示微中子具有有限質量，並暗示著標準模型需要被延伸。微中子在三種「味」之間震盪，而且各種微中子皆有其靜止質量。於2004 年的進一步分析顯示，事件發生率是長度除以能量的函數，並有著正弦函數的對應關係，確認了微中子震盪理論。

契忍可夫光 Source: wikipedia 契忍可夫光是帶電粒子以超過光速穿過介質時發出的光。要超過的光速是光的相速度而非群速度。契忍可夫光在1934 年，由蘇聯物理學家帕維爾·契忍可夫（Pavel Cherenkov）發現的。這個現象跟飛機以超音速飛行，產生音波堆疊，堆疊承受不住後，發生音爆現象類似。只是改成帶電粒子以超光速飛行，產生光子震波堆疊，堆疊承受不住後，發生光爆現象。契忍可夫與另外兩位蘇聯物理學家成功解釋契忍可夫光的成因後，於1958 年，三人一起拿諾貝爾物理獎。

直徑約50 公分的光電倍增管，外層的玻璃，是由日本吹玻璃技師細心做出來的，同時訓練一批技師，將光電倍增管的電極等元件，一層一層的裝好，放進玻璃管裡面。再接著用高溫融封玻璃管，一邊也確定壓力穩定沒變形之後，再將電線放入光電倍增管連接電極、電線拉出的地方做最後的防水封裝。1994 年7 月，光電倍增管完成。讀出訊號的電子設備、物理理論模擬軟體，在籌備階段也跟著一起研究。在硬體準備就緒後，所有電子設備全部運到地底下大水槽的正上方，準備做即時數據監控。

無論是神岡大水槽或是超級神岡大水槽，都沒能找到質子衰變的事件。讀者可能會疑惑：「如果神岡大水槽一直都沒有達到原本希望達到的實驗目的，為何還會再花那麼多錢、升級擴建變成十倍大的超級神岡大水槽呢？」最關鍵的原因是：

「神岡大水槽意外的在1987 年2 月，測量到大麥哲倫雲中超新星1987A 爆發時產生的微中子。」

在1987A 爆發的光線來到地球的3 小時前，世界各地有三台微中子探測器同時偵測到微中子爆發，廣泛接受的理由是微中子於超新星爆發時，比可見光更早被發射出來，而不是微中子比光速快。這三台微中子探測器分別為：日本的神岡大水槽，美國的厄文– 密西根– 布魯克海汶偵測器（IMB），俄羅斯的BAKSAN 偵測器。神岡大水槽因為有了意外的微中子訪客而爆紅，促成了超級神岡大水槽計劃。而原本希望量測質子衰變的目標，也中途改為以大氣微中子的研究為主。

加拿大薩德伯里微中子觀測站，實驗地點位於2100 米深的鎳礦中。跟超級神岡大水槽的1000 米深的砷礦比起來，還要再深1100 米。在地底下2100 米深，主要是為了隔離地面上的各種背景雜訊。觀測站上方，承受巨大的壓力，因此使用特殊錨杆技術支撐住。薩德伯里微中子觀測站中，有一個直徑12米的球形容器，裡面裝有1000 噸重水，容器壁用丙烯酸脂製成，厚度5 厘米。在這容器的外面有一個直徑17 米的偵測球，在偵測球裡面安裝了9600 個光電倍增管，用於偵測契忍可夫光。為了給予浮力與輻射屏蔽，整個探測器浸泡在直徑22米、高度約34米、裝滿普通水的圓柱形腔體中。

早於1960 年代，就已有美國Homestake實驗獲得關於太陽微中子抵達地球的測量數據。在薩德伯里微中子觀測站之前，所有實驗都只觀測到大約為標準太陽模型所預測的微中子數量的1/3 至1/2。這被稱為太陽微中子難題。幾十年來，很多理論被提出來解釋這效應。其中一個是微中子振盪假說。1984 年，美國加州大學爾灣分校的物理學教授赫伯特·陳（Herbert Chen）指出，重水是製作太陽微中子探測器的優良材料，因為可以清楚分辨三種微中子與電子微中子，適合研究太陽微中子振盪。1990 年，實驗計畫正式被批准。在這實驗裡，當微中子與重水交互作用時，會出現電子以高速移動經過重水，因契忍可夫效應而產生藍色光錐。利用光電倍增管可以偵測出光訊號。

加拿大薩德伯里微中子觀測站 Source: SNO 加拿大薩德伯里微中子觀測站，主要觀測太陽微中子。在太陽微中子理論中，有三種產生微中子的衰變： 一、在電性流交互作用裡，微中子將重氫裡的中子變為質子，並且釋出一個電子。 二、在中性流交互作用裡，微中子離解了重氫，將其分裂成中子、質子。 三、在電子彈性散射裡，微中子與束縛於原子裡的電子發生碰撞。 在薩德伯里微中子觀測站中，以上三種產生微中子的衰變，每天都可以量測得到。2001 年6 月18 日，薩德伯里微中子觀測站因為透過研究這三種太陽微中子衰變，也確定了微中子會轉變至其他種類的微中子，產生微中子震盪，確認了微中子震盪理論。

物理獎的未來

微中子的研究風潮，仍然在高能物理科學界如火如荼地進行者。因為研究微中子而發表優秀實驗結果的團隊，依然很多。明年的諾貝爾物理獎，會不會又是給高能物理實驗呢？會是哪一個團隊呢？每年的十月份，總讓人充滿期待。

〈本文選自《科學月刊》2015年12月號〉

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