一次看懂自然科學
2010-11-14
時報文化
劉炯朗
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當人文遇上科技，會激起什麼樣的靈光與火花？一頭華髮、睿智幽默的劉炯朗教學四十年，深受學生敬愛。年逾七十，面對知識總不失赤子之心，仍熱愛求知、不斷學習，自詡「深受西方影響的中國讀書人」。2005年，劉炯朗接下電台邀約，主持「我愛談天你愛笑」節目，深入淺出地為讀者介紹天文地理、文學歷史等領域的重要大事，將科學與人文巧妙結合，引發熱烈回響。透過個人的學思歷程，劉校長期勉年輕人：不要畫地自限，要有廣泛興趣。順從自己的喜好，培養專業以外的興趣，感受世界的美好。本書收錄二十六篇自然領域相關文章，用輕鬆詼諧的筆調帶領讀者一窺科學之美，包括：銀河為什麼又叫牛奶路？奧卡姆的剃刀可以拿來做什麼？費米先生為什麼陷入兩難？外星人根本不存在？或者只是我們沒看到？「追星族」們如何狂熱探尋科學真理之美？牛痘、抗生素的發明其實是一連串偶然？為什麼圓形是最經濟的形狀？你是不是忙不停又瘦不了？……
劉炯朗 1934年出生於廣東，在澳門完成中學教育，1956年畢業於**成功大學，1962年取得美國麻省理工學院電機博士學位。 先後任教於麻省理工學院及伊利諾大學香檳校區，並曾兼任伊利諾大學香檳校區助理副校長等，1998年回台擔任**清華大學校長，作育英才無數；並以資訊工程之國際學術聲望，於2000年獲選為中央研究院院士。 近年更悠遊於寫作、廣播、演講等領域，幽默的談吐及豐富的學養深得學生及閱聽大眾喜愛。
一、談天1.天有多大？人類對天文的興趣是自然而然、未曾停歇的。宇宙這樣大、歷史那麼久，天文學真是門大學問。到底，天文學家怎麼測量、估計這些數字呢？2.宇宙的中心點這是科學中一個有趣也常常有用的原則。假如有兩個不同理論可以解釋一個現象的話，那麼，比較簡單的就是正確的。3.尋找外星人究竟，外星人根本不存在呢？還是真有外星人，只不過我們沒看到？4.德瑞克方程式天文學家德瑞克在一九六一年所提出。我們可以用這個方程式來估計，宇宙中大概有多少個可能跟我們聯繫的外星文明。5.從大爆炸開始宇宙長的是什麼樣子？宇宙有沒有一個開始？讓合理又美麗的大爆炸模型告訴你。6.追星有一套大爆炸模型絕不是幻想出來的，而是天文學家們觀測和演算的結果。且看這群「追星族」如何探索星星們的祕密。7.世上最幸運的人全身癱瘓快五十年的科學家霍金，在天文物理學方面有非凡貢獻。從他身上，我們看到了勇氣、毅力與感恩。8.霍金與黑洞霍金在天體物理學和宇宙論方面有非常傑出的貢獻，尤其對黑洞領域的研究，更是他的代表作之一。9.當科技遇上人文同時身兼麻省理工學院科學和人文教授的萊特曼，在一九九三年出版了《愛因斯坦的夢》一書，帶讀者領略在不同的時間觀念下，會是個什麼樣的世界。10.再探愛因斯坦的夢如果，時間像水流；如果，一生只能活一天；如果，沒有什麼會發生、會改變……二、說地11.阿基米德的頓悟用別人沒有想到的方法，看到別人沒有看到的東西，想到別人沒有想到的地方。12.科學中的偶然有時，一點意外、一個偶然的啟發會引導我們更小心地去看、更深入地去想，最後得到重要的發現和結果。13.花粉、染料、抗生素科學發現，不僅來自深入的思考。同時，也要留心擺在眼前的明顯事實。14.眼睛會說話心理學家發現，嬰兒已有判斷目光方向的能力，而且他們比較喜歡別人正視的目光。15.圓周率怎麼來？每個人都會算圓的直徑、面積。你知道圓周率是怎麼找出來的嗎？為什麼圓形最經濟？16.蝴蝶變貴人一點小差異往往導致截然不同的結果。一隻小蝴蝶，有可能就是你我的貴人。17.炸彈客與王羲之我們總是無法斷言一件事會不會發生。事實上，只要運用正確的分析和計算，就能估計出發生的可能性。三、論人18.從打噴嚏說起有人在想你？把魔鬼趕出去？上帝保佑你！19.當壓力來敲門身為現代人，經常擔在肩上、掛在口上、放在心上的，大概就是「壓力」這兩個字。20.壓出來的文明病高血壓、新陳代謝症候群….可能都是壓力來搞鬼。21.忙不停卻瘦不了？感受壓力時，大腦會刺激好幾種荷爾蒙釋放，而其中之一就有刺激食欲的效果。22.鴉片接收器與難忘的貓王沒錯，適度的壓力能讓人忘卻疼痛、記性變好，過度的壓力當然就會出現反效果了。23.睡得好，人不老睡眠堪稱人生大事。睡眠不足時，荷爾蒙該減少的沒少，該多的不夠。對身心都造成壓力。24.學會與壓力共舞壓力總是無可避免。面對壓力的重要原則就是樂觀接受，在既定的狀態下，努力做到最好。25.完美的追求多好才叫好？多美才是完美？科技進步讓我們有更多不一樣的選擇，有關道德、倫理、責任的界線，卻是愈來愈模糊。26.基因工程時代的倫理觀科學和技術的勝利，已讓我們失去謙卑敬畏的心。人，不一定要勝天。
摘自〈德瑞克方程式〉 「在太空外，有沒有外星人的存在？」應該是每個人都曾經有的疑惑。「外星人」只是個比較通俗的名詞，嚴格地說，是地球以外「有智慧能力的生命」（extra-terrestrial intelligence）。有關「外星人是否存在？」這個問題，有以下三個不同的回應： 第一個回應是，「不一定吧？假如他們真的存在，為什麼我們還沒有看到呢？」這個回應源自二十世紀鼎鼎有名的物理學家費米（Enrico Fermi）。一九五○年，當費米和同僚談到外星人存在與否這個問題時，費米的回應是「外星人在哪裡？」（Where is everyone？）表面上費米的回應可以解釋為「我不相信外星人存在」，但從客觀的科學觀點來解釋，費米的回應是「既然你說按照科學數據的分析估計，宇宙間應該有外星人存在，而且，照今天科學和技術上的成就來估計，我們可以想像得到外星人會有來到地球探訪的能力，那麼，如何解釋為什麼我們到現在還沒有看到一個外星人呢？」這個說法就叫做「費米的兩難論」（Fermi's Paradox），就是外星人根本不存在呢？還是真有外星人，只不過我們沒看到而已？ 第二個回應是，「他們是可能存在的，讓我們想辦法去聯繫他們，跟他們交換訊息」。一九五九年，兩位天文物理學家科可尼（Giuseppe Cocconi）和莫里森（Philip Morrison），提出「外星人存在」的可能的想法，並且具體建議偵測外星人發出的訊號的作法。 第三個回應是，「宇宙這麼大，歷史這麼悠久，按照若干數據的分析估計，外星人、外星文明是應該存在的」。這個想法的基本論點可以用一個例子來說明，假如我們讓一大群、很大很大一群猴子在電腦上敲敲打打，總有隻猴子會敲出一套莎士比亞全集，還有一隻猴子會敲出一套唐詩三百首。宇宙的歷史大概是一百四十億年，光是銀河就有差不多一千億顆恆星，宇宙差不多有一千億座銀河，這些都是龐大得難以想像的數字。一九六一年，美國有位天文學家德瑞克（Frank Drake）提出一個方程式，用來估計在銀河裡外星文明的數字，這就是有名的「德瑞克方程式」（Drake Equation）。 接著，我將逐一討論這三個觀點。其實，當我們問：「外星人是否存在？」這個問題時，有人會反問：「管他們是否存在？我才不在乎。」這是消極的看法，我後面的討論裡會談到，「即使他們存在，我們要不要跟他們來往」的一些顧慮。讓我先從費米的兩難論談起。 要回答費米的兩難論，我們有兩個解套的可能：一是找出足夠理由論證，說明外星人是不可能存在的。其二則是相信外星人是存在的，一個可能是，或許他們留下痕跡，我們沒有看到，或許看到了，卻不願意承認這是外星人留下來的痕跡；另一個可能是，他們還沒有和我們聯絡上。讓我們一一來細看，為什麼外星人不可能存在？ 一個解釋是，人類是宇宙中最原始的生命，得等人類逐漸演進後，別的星球上才會有外星人出現。但是，單在銀河系統裡，就有許多遠比太陽更老的恆星，這些恆星在一百萬年前已經存在，那麼他們技術和文明的發展，應該比我們早了一百萬年。 還有一個解釋是，地球可能是唯一或者非常少數的地方，有適當的環境讓生命孕育進化。太陽和地球間天體運行的關係，地球和月亮間的潮汐，水和其他化學元素的存在，都相當獨特，具有讓生命孕育進化的條件。 另外一個解釋是，智慧、語言、科學和技術的發展，不一定是生命孕育進化中的必然現象。因此，人類也許是唯一循著目前文明發展的軌跡走過來的有智慧能力的生物。不過，當我們稍後討論德瑞克方程式時，德瑞克會說這些理由並不充分。 費米的兩難論的另一個解套的可能，是外星人是存在的，只不過我們看不到他們的痕跡，或者是我們看到而不願意接受這是外星人留下來的。自古以來，人類都在天空看到來路不明的飛行物體，簡稱為UFO（Unidentified Flying Object）。《舊約聖經》以西結書的第一章裡，描寫以西結聽到上帝的話，看到一朵周圍有光輝的雲，其中有一台由四個輪子和四個動物支撐的車子。中國宋代科學家暨政治家沈括在他寫的《夢溪筆談》二十一卷裡，描寫在揚州地方，看到天上一個有半張床那麼大的外殼，打開後，裡面有一顆珠，「殼中白光如銀……爛然不可正視……其行如飛；浮於波中。」十五世紀哥倫布駕船橫越大西洋時，也看到遠處閃閃有光的一個物體。到了近代，世界各地常常有人說看到飛碟、來路不明的飛行物體。這些都可以解釋為外星人的交通工具，甚至有人看到外星人在天空上、在玉米田裡寫的大字，這些都是外星人存在的痕跡。另外一個說法是，人類就是外星人的後裔，那麼我們的老祖宗在什麼地方呢？還有一說是，外星人把我們全部監禁在地球，就像個動物園，不讓我們和他們有接觸。 費米兩難論的另一個解套可能是，外星人是存在的，只是，到目前為止，他們還沒有跟我們聯絡上而已。為什麼還沒聯絡上呢？是不是因為時空的距離，使得他們送出的訊號或者太空探索的工具還沒有抵達？這似乎不太可能，因為宇宙已經有一百四十億年的歷史。那麼，是他們不想和別人聯絡溝通嗎？太空中數以百萬的不同文明，總有些想對外聯絡溝通吧？還是因為他們想儘量低調、避免外來侵擾的危險呢？那麼為什麼這些侵擾不來傷害我們？是不是因為他們送出來的訊號我們聽不懂？這就把我們帶到接下來要談的下一段，一九五九年科可尼和莫里森提出的偵測外星人發出的無線電訊號的想法。 假如真的有外星文明存在，我們該如何證明他們的存在，進而跟他們聯絡溝通呢？一九五九年，科可尼和莫里森發表了一篇被稱為「經典中的經典」的論文。他們認為，在一個高度文明社會裡的外星人，一定會送出些訊號，透過這些訊號和其他文明社會接觸。這些訊號會是什麼樣子的呢？從傳送速度和傳送的集中性來考量，他們會選擇電磁波；若從電磁波在太空及地球表面的衰減來考量，他們會選擇電磁波頻率不低於每秒一百萬赫（megahertz）、不高於三百億赫。只是，在這麼大的一個範圍裡，他們會選哪個頻率呢？（未完）
「我最要推薦的是書中引導思考方式的邏輯推理，這是台灣目前教育非常缺乏的一項。」 －－洪蘭
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