科學人雜誌, 三月 | 誠品線上

科學人雜誌, 三月

內容簡介

內容簡介 氣候變遷，河流生鏽！地球怎麼了鐵和硫酸把美國阿拉斯加清澈的河流染橘，綠地也變焦黑。科學家實地考查，試圖找出背後的原因！文／盧恩（Alec Luhn）圖表／羅迪斯（Taylor Roades）翻譯／林慧珍在去年7 月的一個多雲午後，位於美國阿拉斯加州的科伯克谷國家公園（Kobuk Valley National Park ）是美國最大的荒野保護區，最近的村落相距95 公里，公路系統遠在400 公里外，大自然幾乎未受破壞。但流經我們腳邊的溪水看起來已遭污染，溪床染成橘色，岩石猶如濺到胡蘿蔔汁，水面閃著浮油般的虹光。阿拉斯加大學安克拉治分校的生態學家蘇利文（ Patrick F. Sullivan ）說：「大事不妙。」蓄有鬍鬚的蘇利文個頭矮小，胸前繫著一把格洛克手槍，做為灰熊襲擊時防身之用，他盯著浸入溪水中的感測儀螢幕，把測量結果讀給阿拉斯加太平洋大學的生物學及數學教授戴爾（Roman Dial ）。溪水溶氧量極低，pH值6.4，酸度比匯入同一條河川的略帶鹼性河水高約100 倍；溶解金屬或礦物質的指標，也就是導電度，則比一般山間溪流更接近工業廢水的數值。蘇利文說：「這水喝不得。」最後一塊純淨之地這條溪流在十幾公尺之外匯入鮭魚河（ Salmon River ）， 鮭魚河經常可見湍急河道及粼粼急流，自白雪皚皚的布魯克斯山脈（ Brooks Range ）暗褐色的山峰蜿蜒向南，這條山脈有阿拉斯加州「最後的邊陲」之稱，金字塔狀斜坡的排列長達1000 公里，隔開阿拉斯加北部與多風的灰色北極海岸。鮭魚河是美國最偏遠又最不受干擾的河流之一，長年來以未經破壞的自然環境著稱。美國作家麥克菲（ John McPhee）在描繪阿拉斯加的經典著作《走進鄉村》（ Coming into the Country ）中寫道，他在1975 年於鮭魚河航行時，這條河川有「我所見過最清澈且最純淨的水」。在1980 年一項具有里程碑意義的保育法案中，美國政府把鮭魚河列為風景優美的野溪河流，形容它「河水極度清澈」，有深邃且發光的藍綠色水塘及「大群鉤吻鮭與粉紅鮭」。然而，如今鮭魚河的確正在生鏽，在這條長110 公里的河流，有1 3 的支流滿是各種含有鐵氧化物的礦物質，且水質多半呈酸性。蘇利文說：「這個原始河流生態系美名遠播，但現在似乎完全毀壞。」同樣情況也發生在整座布魯克斯山脈的河流和溪流（ 過往5~10年內，至少有75 條），而在俄羅斯及加拿大境內的溪流也可能如此。去年夏天，一名研究人員搭飛機從加拿大卑詩省前往西北領土時，發現了兩條橘色溪流。美國加州大學河濱分校的地球化學家里昂（Timothy Lyons ）長期與戴爾以及蘇利文合作，他說：「幾乎可以肯定，同樣情況也正發生於北極圈其他地區。」研究這些生鏽河流的科學家一致認為，始作俑者是氣候變遷，科伯克谷國家公園的氣溫自2006 年來已升高2.4℃，到了2100 年可能再攀升10.2℃，增溫幅度預估值高於其他國家公園。高溫可能開始解凍這座國家公園裡40%的永凍土層（ 表土下方且常年冰凍的土層）。麥克菲想保護鮭魚河，因為人們過往「並未動手改變它」，在不到50 年後的今天已造成改變。美國的最後一片瑰麗荒野依法應當「不受人類染指」，現在卻正遭受我們的全球碳排放從遠處緊扼咽喉。但永凍土的解凍究竟如何使這些河流轉變為橘色？長久以來是個謎團，亟需找出原因，才能了解將造成何等的生態衝擊，並幫助當地社區加以因應（ 例如八座阿拉斯加原住民村莊仰賴布魯克斯山脈西部河流，於此捕魚及獲取飲用水）。一些研究人員認為來自礦物質的酸性產物，會從數萬年來首度接觸到水的岩床中把鐵溶解，也有人認為是細菌從解凍的濕地土壤中釋出鐵⋯⋯

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產品目錄 關於封面 在人煙罕見的青翠綠地上，流淌的清澈河流竟然出現鐵鏽，因而變成橘色。這件怪事發生在美國阿拉斯加，科學家想要釐清氣候變遷、永凍土以及其他哪些因素參與這場世紀大污染。封面加上了磨砂材質，觸摸看看，你是否感受到河流生鏽的粗糙 專題報導 FEATURES 環境 36 氣候變遷，河流生鏽！地球怎麼了 文／盧恩（Alec Luhn） 地理學 52 一張圖看完台灣百川 文／陸子鈞 心理健康 56 三位高中生，就有一人憂鬱症！ 文／史沃波達（Elizabeth Svoboda） 66 藍色青春——台灣青少年第二死因：自殺 文／張秉穎、吳泓熹、林柏君、劉峻豪、倪信章 數學 70 愛因斯坦本人也無解 文／卡普蘭（Craig S. Kaplan） 宇宙學 82 直徑5億光年的巨大空洞，而且還不只一個 文／雷蒙尼克（Michael Lemonick） 行家領路 GUIDES 6 總編輯的話 文／孫維新 8 科學人觀點 文／曾志朗 10 我是企業家，也是科學人 用AI為客戶帶來快樂——專訪沛星科技創辦人 採訪／林詠翔、整理／袁珮閎 思想漫遊 COLUMNS 26 形上集 我的物理老師們（五） 文／高涌泉 28 教科書之外 鐮狀細胞貧血遇上瘧疾 文、圖／陳文盛 30 機器思維 FORTRAN之父：巴克斯 文／林一平 32 科學棋談 鬥雞或英國達文西？ 文／張瑞棋 34 媒事多科學 CSI 效應：不真實犯罪現場 文／黃俊儒 106 知識搖籃 如何實現青春永駐——未來的長壽革命 文／黃貞祥 108 邪惡的東西 整理／陳碩甫 科學人新聞 NEWS SCAN 12 木衛一火山熱源不在地心？｜廢棄塑膠可產氫｜嬰兒對抗新冠肺炎的超能力｜奈米推土機｜擲硬幣必備的小心機｜竊取基因，操控宿主？｜臍帶可能救活100萬名早產兒｜象鼻魚電場當眼睛｜暖化讓動物變夜行性？ 時事解析 COMMENTS 92 專家看新聞 想像中的AI末日只是聲東擊西的伎倆 文／漢納（Alex Hanna）、班德（Emily M. Bender） 94 攸關心智 冥想平靜，強化身心 文／克萊斯威爾（ J. David Creswell ） 95 名家問答 地表最辣，X辣椒有多辣？ 採訪、整理／帕帕斯（Stephanie Pappas） 96 健康與科學 及早診斷心律不整 文／丹維斯（Lydia Denworth） 98 宇宙奧妙 韋伯望遠鏡揭露蟹狀星雲的誕生 文／彼萊特（Phil Plait） 100 科學焦點 愛地球、拚經濟，並非對立的兩面 文／歐瑞斯克斯（Naomi Oreskes） 102 不只數學 用圖表打破數字迷思 文／莫塔（Jack Murtagh） 104 圖表會說話 氣候變遷的連鎖衝擊 文／尤母沙奇安（Lori Youmshajekian）、圖表／法拉葛潘（Federica Fragapane）

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試閱文字

內文 : 宇宙的驚喜無限！

上個月的《科學人》雜誌中有篇文章介紹「暗能量」，讓我們知道這個「暗能量」正推動宇宙加速膨脹；這個月有一篇文章講到「宇宙空洞」，讓我們知道宇宙不是均勻的，而是成絲、成線、成網！回看30年來宇宙學的進展，深刻感覺宇宙本身驚喜無限，宇宙學的探索永不止息！


文／孫維新

在我讀大學的時候，「宇宙學」在學生眼中還是一個笑話，宇宙學家被問到宇宙年齡到底多大？得到的答案是「100億年 ± 50億年」，誤差大到你寧願沒問。再問宇宙學家這個膨脹的宇宙未來的命運為何？得到的答案是「如果持續膨脹是+1，臨界膨脹是0，停止膨脹後回縮是-1，經過我們多年苦心研究，得到的答案是0 ± 1！」

另一個笑話更直接：「天堂人滿為患，只好管制進入，有一天三個人在天堂門口排隊，門房將門打開一條縫，說只能進來一個人，你們誰的職業最古老，貢獻最長久，就可以進來。第一位忙說：『我是外科醫生，當年在伊甸園裡有亞當和夏娃，夏娃是亞當的肋骨做的，這個過程一定要經過外科手術，所以我的職業最古老！』第二位插嘴了：『我是園藝學家，在亞當和夏娃還沒出現之前，是靠著園藝學家從一團混亂的宇宙中造出伊甸園的！』第三位冷冷地說：『我是宇宙學家，你們知道當初那一團混亂的宇宙是誰造成的嗎？』」

我剛到美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）念天文，博士班課程中有一門必修的「宇宙學」，授課老師是萊特教授（Edward Wright），但大家都稱呼他的小名奈德（Ned），這位教授年輕又極端聰明，我剛入學，就聽到學長說：「奈德知道一切！」（Ned knows everything!）。上了課才知道，他講課的層級簡直就是在雲端，遠高於我們這些菜鳥研究生的智力水平。舉個例子，他說：「宇宙創生的大霹靂，不是從一個點爆發到無限，而是從一個無限爆發到另一個無限！」同學面面相覷，只能怨嘆自己慧根不足。後來回到台灣教書，當我使用了同樣方法描述宇宙，看到台下學生的茫然，心中終於有了轉嫁重擔的輕鬆。

在我的印象中，「宇宙學」這個研究領域從天馬行空的「盍各言爾志」轉變為可重現、能信賴的「精準科學」，是在1990年1月。那一年的冬季美國天文學會（American Astronomical Society）在華盛頓特區召開年會，戶外大雪紛飛，室內卻是熱情沸騰，因為四天會議的第三天中午，「宇宙背景探測衛星」（COBE）的研究團隊要報告最新的觀測結果，告訴大家「宇宙是否完美」！

COBE衛星在會議前的兩個月剛剛發射，要觀測宇宙背景是否是完美的「黑體輻射」。本來這顆衛星早就安排了要搭太空梭升空，由太空人置入軌道，但1986年1月「挑戰者號」在升空時爆炸，太空梭機隊全面停飛，澈底檢查潛在危險，這一拖就兩年多，等到1988年9月太空梭恢復運作，地面上排隊等待升空的衛星已經比紫南宮過年領錢母的人龍還長。當時我在美國航太總署（NASA）聽到同仁自嘲說：「美國有全世界最棒的太空計畫，不過都還在地上。」排隊的優先順序從軍事衛星開始，COBE團隊想要盡快發射，負責排班的人卻說：「宇宙也不會跑掉，有什麼好急的？」（The Universe is not going anywhere. What’s the big hurry?）

奈德是COBE團隊的主要成員，他當時聽了傻眼，知道繼續等下去遙遙無期，就決定拿掉衛星周邊結合太空梭酬載艙的框架，將衛星轉到一個三角洲二號（DELTA II）火箭上，就在1989年11月發射。當時COBE研究團隊壓力無比巨大，因為就在兩年前的1987年，美國加大柏克萊分校和日本名古屋大學剛合作發射了探空火箭，短暫升空去觀測宇宙背景，得到的結果竟然是「不完美」！我的天哪！從希臘哲學家以降，兩千多年來科學家心中一直相信宇宙是「均勻、對稱、和諧，而完美」的，現在發現竟然不是，簡直是晴天霹靂，這個觀測結果踩到了科學家心中的信仰紅線，柏克萊加大聲名顯赫，日本太空界也不常犯錯，因此不願相信這個結果的人都焦急等待著COBE給出最終答案！

來到會議的第三天中午，4000多位與會學者沒有人去吃中飯，大家齊聚會議大廳，等待結果揭曉，聽說會場中賭盤也十分熱絡，沒想到宇宙是否完美也能拿來對賭！報告開始，COBE科學團隊的負責人馬瑟爾（John Mather）在萬眾矚目下走上台去，我和他在NASA的研究室在同一層樓，只隔著幾間辦公室，平常覺得他溫文儒雅、沉默寡言，沒想到這次他站在台上就如同神一般的存在！他拿出透明投影片（那時還沒有PPT）放上實物投影機的那一剎那，台下瞬間爆出歡呼，久久不息，宇宙果然是完美的！

他放上的那張圖是COBE上的「遠紅外絕對分光光譜儀」（FIRAS）的觀測結果【圖一】，圖上許多小小的紅色十字是觀測數據，藍色的實線是絕對溫度2.725度的黑體輻射曲線，可以看出「觀測數據」和「理論預測」完全相符，誤差只有萬分之一度！觀測數據是如此精確，每個觀測點的「誤差槓」（error bar）比印表機印出理論曲線的粗細還來得小，所以如果按真實狀況印出，在圖上就根本看不到數據點，只會看到一條平滑的理論曲線！從這之後，我就不再拿宇宙學開玩笑了。

那天報告結束，與會的科學家見證了歷史，都興高采烈意猶未盡地在會場裡到處聚集討論，我和幾位同學正在說話，看到奈德走過來，我就忍不住問他：「COBE什麼時候知道宇宙是完美的？」奈德露出一貫溫和淡定的微笑，說：「發射後6小時。」聽了十分震撼，也就是說衛星剛進入軌道，觀測儀器的窗口一打開就知道了，COBE團隊還能憋上兩個月不說，也真難為他們了！

接下來許多人就開始好奇，為何美國和日本兩所名校合作的探空火箭觀測會出錯？後來答案揭曉，原來是科學家過於心急，在火箭升空過程中過早打開觀測窗口，除了觀測到該有的宇宙背景輻射，同時也觀測到了自己火箭的廢氣！

雖然「完美」是好事，但「我們」就不應該存在了！因為宇宙初始是如此完美光滑，短短138億年的時間並不夠讓物質各自集中，生出如今這麼多星系來，也就是說，解決了一個問題，卻衍生出另一個問題！科學家的宿命就是不讓自己好過，老是去想一些讓人不安的事。

這個問題很快就得到了解答，COBE上的另一個儀器「較差微波輻射計」（DMR），可以「比較」宇宙不同方向的背景輻射「差異」，團隊裡來自柏克萊加大的史慕特教授（George Smoot III）將累積了幾年的DMR觀測數據疊加之後，看到了背景輻射中的微小「溫度起伏」【圖二】，這些溫度的差別只有10萬分之一度，但這些微小起伏的出現，就讓我們可以理直氣壯地存在！因為溫度的起伏代表了密度的高低，密度高的地方會吸引周邊的物質聚集，也就是「星系的種子」，隨著時間，物質越聚越多，終於成就了今天這個包含億萬星系的宇宙！發現「完美宇宙」的馬瑟爾，和找出「溫度起伏」的斯慕特，共同在2006年獲得諾貝爾物理獎，可謂實至名歸！

科學家永遠不會滿足於現狀，COBE的高光時刻一過，宇宙學界又開始發射更高解析度的衛星，接下來NASA在2001年發射的「威金森微波異向性探測器」（WMAP）和歐洲太空總署（ESA）在2009年發射的「普朗克探測者衛星」（Planck Surveyor satellite）大幅提升解析率和敏感度，將這個宇宙初始的溫度起伏觀察入微，不單是進一步了解星系生成的過程，也讓我們看到了科技的進展如何提升科學的理解【圖三、圖四】。

台灣大學天文研究所位在校內天文數學館的八樓，當年落成的時候，宇宙學領域的同仁決定將COBE觀測到溫度起伏的繽紛圖像畫在天花板上，希望訪客抬頭就可以看到宇宙初生時的模樣，沒想到有一天我聽到有人說：「啊你們天文所怎麼看起來好像汽車旅館？」唉，知識真的很重要啊！

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