588 2018 / 12
焦點評論
從論文造假案談撤稿權力
2 0 1 8
諾貝爾獎 特別報導
精選文章
來場仰望夜空的尋星之旅 人物專訪
基因編輯技術的先驅者─ 道納（Jennifer A. Doudna）
生醫獎 剖析癌症免疫療法
物理獎 談光鑷與雷射脈衝
化學獎 蛋白質的演化革新
經濟獎 經濟學與環境永續
12
9 770250 331001
流竄指尖的紙本記憶 1970 年，《科學月刊》由一群熱愛科學的留學生所打造的雜誌，期望能「引介新知，啟發民 智」。細數匆匆，《科學月刊》也即將邁入第 50 個歲月。 數位時代、紙本電子化的來臨衝擊出版市場。儘管如此，《科學月刊》仍堅持紙本印刷，不為 別的，只為讀者在獲得新知之餘，也能感受蘊藏在紙張間的溫度。 曾走在世界前端、帶領著臺灣科學脈絡的《科學月刊》，更不容許自身在這波衝擊中式微，因 此決定重版出來，要褪去一身的復古氣味，搖身一變成現代科學文青。 縱使年過半百，但《科學月刊》期許能人老心不老，繼續帶領讀者邁向往後每一個 50 年。期望 這次的改頭換面，能讓讀者感受到《科學月刊》的努力與決心。
《科學月刊》，重版出來！ 因應近年來原物料與人事成本的上漲，為能持續提供讀者好的閱讀品質與質量，
2019 年 1 月起《科學月刊》單價將調整為 249 元。 而為感謝科月讀者的支持與鼓勵，即日起至 12 月底，不論新、續訂戶仍可用原訂 優惠價訂購明年度新版《科學月刊》！
2018 年 12 月底前
訂閱一年 12 期 1990 元
2019 年 1 月起 新訂戶訂閱一年 12 期 2580 元
舊訂戶訂閱一年 12 期 2380 元
588 Contents
2018 / December
2018
諾貝爾獎 特別報導 COVER STORY
920
生醫獎 癌症免疫療法 922 沈家瑞
物理獎 光鑷
926
魏名佐、黃鈺珊、邱爾德
脈衝雷射
928
林宮玄
化學獎 化學中的演化與革命
930
林翰佐
經濟獎 「永續與成長」的啟示
934
莊奕琦
Vol.49 No. 12
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Contents-2
填問卷．拿新書
884 顯影
只要於 2018 年 12 月 31 日前完
非關科學
整回答讀者問卷調查內容請至
890 博物不驚魂／李依庭
bit.ly/2S760qn 填寫，或掃描 QR code，就有機會獲得漫遊者文化
892 遙控器是什麼復古的玩意？
新書《放空的科學》。數量有限，
未來可望透過腦波控制各種電子設備／郭家銘
敬請把握！獲獎名單將於 2019
News Focus
年 1 月 5 日前公布在科學月刊臉
894 以炭黑製作特殊電極 二氧化碳可望成工業燃料／
書與部落格上。資料煩請詳實填
朱諾號回傳最新雲圖 近距離俯瞰木星之美 895 科學家提新模型 太陽星雲可能為地球水的起源／
寫，以便贈書寄送。
888 航海家金唱片／謝育哲
吸熱制冷二合一 新型態太陽能電池誕生 896 拉布拉多犬的健康 與毛髮顏色息息相關／ 亞洲象數學能力出色 可能具有數量概念 897 吸菸仍然比久坐嚴重／照射藍光可降低血壓 評 論
898 誰才能建議期刊撤稿？／蔡孟利 專 欄
900 解 數：一曲方程眾吟唱—文藝復興的方程解之戰／劉柏宏 904 理 物：廣義相對論—彎曲的空間 vs 彎曲的時空／賀培銘 908 生 動：毛髮生長的秘密— 藍光、感光細胞與生理時鐘／呂紹祁、陳示國 912 變 化：Green ChemisTREE：
根據 12 項原則紮根 20 年／何峰毅、杜晉瑋、廖美儀
bit.ly/2S760qn
916 天 地：從巨石陣、曼哈頓到高雄 漫談日月的東起西落／金升光 精選文章
938 霍金的 5 個賭局／簡宗奇 940 維他南彗星颯爽登場—給一日天文迷的觀星指南／廖瑩、廖英凱 944 湛藍內太空的探索—臺灣深海載具的研發／陳信宏 專 訪
950 基因編輯大浪襲來—CRISPR 技術先驅者珍妮佛 ‧ 道納專訪／趙軒翎 書 摘
954 《放空的科學》 書 評
956 讀《我愛科學》／劉廣定 Live 科學
958 2018 餐桌上的科學／王升陽
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《科學月刊》勘誤 科 學 月 刊 581 期 第 329 頁「 ……. 常 常 可 以看見的黑冠麻鷺，則是善於使用聽覺來 感測牠們喜歡吃的各類蠕蟲在土壤中的位 置，包含蚯蚓、甲蟲幼蟲、蝸牛、螃蟹、 蛙類甚至小型蛇類等，很多會挖洞的小動 物都能被黑冠麻鷺精確偵查到。」更正為 「……常常可以看見的黑冠麻鷺，根據一 些前輩的觀察，推測可能善於使用聽覺來 感測牠們喜歡吃的各類蠕蟲在土壤中的位 置，包含蚯蚓、甲蟲幼蟲、蝸牛、螃蟹、 蛙類甚至小型蛇類等。但這方面在國內外 還沒有更為詳盡的生理學研究報告，很值 得後續進一步的研究。」 以上錯誤謹向各位讀者致歉 科學月刊編輯部 敬上
台北市科學出版事業基金會
走進編輯室
董事長：劉源俊 董 事：王文竹 周成功 林基興 倪簡白 郝玲妮 高涌泉 趙 丰 羅時成 秘 書：李金穗 出版者：科學月刊社
在諾貝爾獎之後 相較於學術氣息濃厚的科學獎項，諾貝爾和平獎，則略顯貼近一般民眾，且獲獎的 人物或團體其貢獻也常是人們生活中時有耳聞或關心的議題。今（2018）年，此獎 頒給剛果民主共和國的婦科醫生慕克維格（Denis Mukwege）和人權活動人士穆拉
理事會
德（Nadia Murad）。前者長期投身治療在戰爭中被性侵的女性，並為此建立醫院，
理事長：曾耀寰
至今已有超過 5 萬名的婦女獲得幫助；後者則為遭受伊斯蘭國恐怖組織囚禁與性暴
理 事：曲建仲 邱韻如 林翰佐 紀延平 張敏娟 程一駿 蔡孟利 蔡政修 執行總監：趙軒翎 編輯部
力的倖存者，逃離後前往德國，向國際社會公開袒露自身的遭遇，並致力於解救更 多受害婦女。 諷刺的是，在挪威諾貝爾委員會（Norwegian Nobel Committee）表彰上述 2 位 為遭受性侵迫害女性發聲的同時，另一邊負責頒發文學獎的瑞典學院（Swedish
總編輯：林翰佐 副總編輯：陳妙嫻 趙軒翎 蔡政修 編輯委員：王文竹 王伯昌 曲建仲 江建勳 李武炎 李志昌 李精益 林秀玉 林宮玄 黃正球 黃向文 黃相輔
Academy）卻顯得一片死寂，並提早於 5 月宣布今年將不頒發文學獎。儘管文學獎 也曾因戰爭與缺乏合適者而停頒，不過，這次的原因卻非同小可。起因於去（2017） 年底瑞典學院院士佛羅絲登松（Katarina Frostenson）的丈夫阿爾諾（Jean Claude Arnault）遭控藉職務之便性騷擾或性侵女性，且受害人數眾多。
周鑑恆 邱韻如 金升光 金必耀 門立中 紀延平 范賢娟 倪簡白 高啟明
然而，受害者向瑞典學院申訴時院方卻置若罔聞。而在事件爆發後，佛羅絲登松也
高憲章 張大釗 張敏娟
被起底，指控由她所辦的論壇（forum）有利益衝突之嫌、文學獎名單提前洩漏等。
陳妙嫻 陳彥榮 陳鎮東
接連爆發的醜事使瑞典學院院士開始遭受抨擊，不信任感也彌漫著學院，一連串的
景鴻鑫 曾耀寰 程一駿 程樹德 單維彰 楊正澤
滾雪球效應也使院士紛紛辭職。在院士銳減之下，瑞典學院因而決議停頒 2018 年
葉李華 廖達珊 管永恕
的文學獎，企圖重整旗鼓、著手新院士的招募，期望能重建其信譽與威望，並於
劉宗平 鄭宇君 鄭運鴻
2019 年頒發 2 位得主。
蔡兆陽 蔡孟利 蔡振家 蘇逸平 韓德生 嚴如玉 嚴宏洋 編輯顧問：王明蘅 古宏海 朱麗麗 吳明進 吳家誠 周延鑫
儘管瑞典學院的醜聞鬧得國際間滿城風雨，卻無損今年諾貝爾獎其他獎項得主在科 學研究上的成就。免疫療法的發現，突破以往傳統癌症治療方針，獲得生理學或醫
周榮泉 洪萬生 洪裕宏
學獎；物理獎則頒給雷射物理領域的發明應用；蛋白酵素的定向演化和噬菌體展示
胡進錕 陳文屏 陳章波
系統則受到瑞典皇家科學院的青睞，獲頒化學獎；經濟獎則頒發給從經濟學洞察氣
陳國成 曾惠中 孫維新 張 復 張勝祺 楊玉齡
候變化、整合再創新的新成長理論。
劉仲康 駱尚廉 魏耀揮 蘇益仁 蘇振隆 主 編：李依庭 編 輯：郭家銘 謝育哲 美術編輯：黃琳琇
諾貝爾獎的頒發，旨在鼓勵於學術研究或在其職位上努力不懈，並對世界具特殊貢 獻或帶來更美好生活的學者或人士。期許這場風暴能盡快落幕，讓壟罩瑞典學院上 空的烏雲早日散去，還給諾貝爾獎一片晴空萬里的天空。
業務部
（編輯部）
經 理：李金穗 業務助理：廖本翔
創刊於 1970 年
科學月刊社
製版印刷：赫偉有限公司
本期為第四十九卷第十二期 第 588 期 發行於 2018 年 12 月
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害啊 !
來互相傷
1
以手指輕觸牠的前胸背板，牠就會把身體抬高、 立起大顎準備應戰！
沖繩圓翅鍬形蟲 Neolucanus okinawanus 圖
文
游崇瑋
「 沖 繩 圓 翅 鍬 形 蟲（ Neolucanus
okinawanus，オキナワマルバネ）」， 是秋天在沖繩最誘人的鍬形蟲，每 年吸引很多日本國內外的甲蟲玩家 前往探尋，但經常是鎩羽而歸！今
的可能，辛苦過程不言可喻。在為期
10 天 9 夜的旅程，每個晚上至少都
可見到 1 隻沖繩圓翅鍬形蟲，紀錄
最高的一天則有 7 隻之多！這已是
這樣的經驗是過往不曾有過的。在沖
難找到的物種，日本甲蟲玩家給牠們
心尋找幾種最想觀察、攝影的甲蟲，
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須徒步走進山區叢林中才有些許尋獲
（2018）年 9 月的甲蟲產季，筆者
特地前往沖繩並停留 10 天 9 夜，專
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繩島北部，2 種吸引人的甲蟲，都必
相當不錯的數量了，因為據說沖繩圓 翅鍬形蟲是琉球群島圓翅鍬形蟲中最
2
幾天下來觀察到的最大個體， 大顎也相對發達。
一個綽號，稱作「汽油蟲」，意思就 是如果不懂得徒步深入叢林去找，只 能開車在林道裡繞行碰運氣的話，那 必須要消耗非常多的汽油才有機會遇 上 1 隻。經過幾天觀察下來，筆者
也不禁同意，因為要看到牠們真的是 相當不容易啊！
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中型尺寸的沖繩圓翅鍬形蟲。
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旅程中所遇見的第一隻雌蟲，雌蟲通常比雄蟲要晚一點出現， 大顎也明顯不發達。
牠 是 這 趟 旅 程 我 們 找 到 的 第 一 隻 雄 蟲， 相 當 驚 喜！ 因 為 以 沖 繩 圓 翅 鍬 形 蟲的季節來說，現在是早於預期的了！
小型的雄蟲，大顎和雌蟲類型有點接近。
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非關
科學
圖一（左）：航海家金唱片。（Wikipedia） 圖二（右）：航海家金唱片封面。（Pixabay）
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非關
科學
科學歷史回頭望
航海家金唱片 謝育哲
生命是不斷地學習與探索新事物，追求真善美，本刊編輯。
在一個晴朗無雲的日落海邊，海水隨 著浪潮拍打著沙灘，你悠閒地散步 著。 突 然， 眼 角 的 餘 光 發 現 海 灘 上 似乎有著某樣物品，被海浪帶上岸， 跟著潮來潮去的海水在沙中孤獨地躺 著。定睛一看，原來是個瓶中信！你 或許會納悶，也可能感到好奇，究竟 瓶中的那封信，是在世上哪個角落的 筆者，將自身的故事順著海流漂向未 知的岸邊。於是你打開瓶蓋，試著讀 取信件上頭的資訊，但令人沮喪的 是，信中的文字不是熟悉的語言。但 可以肯定的，是信中訴說著無名筆者 的故事。充滿好奇心的你，一定想解 讀信裡的字字珠璣……。 瓶中信或許令人感到浪漫，撇開它不 夠環保的一面，對許多人而言，將一 個訊息拋向無邊無際的大海，不求有 任何回覆，只希望自己的故事能夠送 到某人的手中。而在 40 多年前，曾 經也有人想將地球與人類的故事包裝 成一封瓶中信，訴說給宇宙某個角落 的「朋友」。這封信，叫做「航 海家金唱片（Voyager Golden Records）」。 在浩瀚無垠的宇宙之中， 人類總是想知道，地球 上的我們到底是不是 這壯闊空間當中的一 顆孤星。而如果真的 有外星生物，那我們 會想怎麼向「他們」 自我介紹呢？ 時 間 倒 轉 至 1970 年 代。 美 國 太 空 總 署 （NASA）進行先驅者計 畫（Pioneer program）， 這項計畫分別在 1972 年及
1973 年發射先鋒 10 號（Pioneer 10）與 先 鋒 11 號（Pioneer 11）。 在 這 些 無 人的太空飛行器上，攜帶著刻畫男女 圖案及地球位置的金屬板。NASA 希 望未來能夠有外星的智慧生命發現並 解讀它。基於先鋒 10 號與 11 號的任 務，NASA 於 1977 年，在航海家一號 （Voyager 1）及 二 號（Voyager 2）探 測器上各放入一張唱片。這張唱片搭 載來自世界各地的問候及關於地球和 人類文明的種種故事。 在金唱片中，含有總共 55 種語言及 方言等問候語，包含了英語、德語、 法語及日語等，甚至連閩南語都在其 中。另外，NASA 的委員會也將地球 上各種大自然的聲音收錄於唱片內， 包括海浪聲、風聲、雷鳴、鳥鳴、鯨 魚 歌 聲 及 各 種 動 物 的 叫 聲。 除 了 熟 悉的聲響外，唱片也收錄長達 90 分 鐘的世界名曲，像是音樂之父巴哈的 《F 大調第二布蘭登堡協奏曲》第一 樂章、音樂神童莫札特的《魔笛》、 美國知名藍調樂手查克貝瑞（Chuck Berry）的《約翰尼．B．古德》（Johnny B. Goode）、美國原住民的民謠及日 本的尺八曲等，儼然就是一張關於地 球的超級「精選輯」。 當然，除了聽音樂外，照片及圖像也 是不可或缺的。例如金唱片的封面包 含許多關於唱片的使用方式，不然外 星 人 要 怎 麼 使 用 呢？ 說 明 書 可 是 少 不了的呢！此外，委員會也精挑細選 總共 116 張的照片（其中 1 張為校準 圖像）供外星智慧生物觀看。內容包 括地球的正面照（也就是大頭貼的概 念）、咱們太陽系木星的照片、奧運 選手在田徑場上奔馳的影像、人們在 超市採買試吃的圖片、高速公路的一 隅、火箭升空的瞬間及一張帶有小提
圖三：航海家探測器。（Wikipedia）
琴 與 樂 譜 的 照 片 等。 詳 細 的 唱 片 資 訊，都可以在 NASA 的 Voyager 網站 （https://reurl.cc/e8NpM）上看到， 有興趣的讀者不妨點開看看這個來自 地球的瓶中信。 雖然金唱片已在 40 多年前由航海家探 測器發射前往銀河系外，但經過這麼 多年，航海家一號才在 2004 年飛出 太陽系，距離靠近地球最近的恆星（太 陽不算的話），還有好長好長的一段 距離。根據計算，航海家一號最快也 要 4 萬年的時間才會抵達。試想，4 萬年後人類又在哪呢？我們會像是科 幻電影中，藉由超高科技離開地球， 遨遊於星際之間嗎？又或是因為人類 的好鬥天性，在這 4 萬年之間因戰亂 而消失殆盡呢？這些問題也許沒有答 案。唯一可以確定的是，當哪天真的 有外星生命取得這張金唱片，處在現 代的我們早已灰飛煙滅。唯一證明我 們還存在的，就是唱片中的美好聲響 與影像了。就如同當我們在仰望星空 之時，眼前所見的星雲，是從好幾萬， 甚至是幾億光年傳達過來的影像，或 許「現在」的它早已煙消雲散。但至 少它就在我眼前，超越時空，證明自 己曾經存在。
延伸閱讀
1. 航海家金唱片，https://reurl.cc/r87KN。 2. The Golden Record - Voyager - Nasa，https://reurl. cc/e8NpM。
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非關
科學
科學出走
博物不驚魂 李依庭
嘗試從每篇過往的扉頁中，念出成就一生的獨白，本刊主編。
（圖片皆由李依庭攝影）
選擇以食會友，打造美食地 圖、制霸特色美食，透過口 腹之欲暫時忘卻日常繁瑣； 有人選擇前進東京近郊的自 然景觀或遊樂園，探索風景 之餘又能兼顧娛樂；有人則 會選擇參觀當地神社、寺廟 或走進市場、老街，體驗當 地文化、感受風俗人情。 圖一：東京大學綜合研究博物館門口一隅。
「讀萬卷書，不如行萬里路。」是勉 勵人們在讀書之餘，也要試著走出家 門，以增廣見聞，豐富生活。對於現 代 人 而 言， 出 國 旅 遊， 可 能 是 最 近 似 於 古 人 所 云「 行 萬 里 路 」 的 過 程 了。根據國際貿易組織（World Trade Organization, WTO）最新資料顯示， 去（2017）年臺灣出國人次高達 1565 萬，不僅創下歷年來新高，更連續 3 年呈現旅行逆差。 而談及國外旅遊，就不得不提到臺灣 人情有獨鍾的國家──日本。縱使今 （2018）年泰國觀光業迅速崛起，旅 行收入已超越日本躍昇為亞洲第一， 但仍無損日本在臺灣人心目中的地 位。由於地理位置鄰近、觀光景點規 劃完善、美食種類繁多，加上日本一 向給人乾淨、友善的款待文化印象， 多年來一直是臺灣人旅遊的熱門地， 也使地屬狹長的日本，北從北海道、 南至沖繩等 47 個行政區皆湧入大批 的觀光客前往旅遊。不過，對於自由 行的旅人而言，東京都的交通因較為 密集且發達，遂成為背包客或小資族 輕旅行時的首選。 旅行，不外乎是為了釋放平時工作、 生活上的壓力，但要如何勾勒出屬於 自己的玩樂行程，找尋行旅路上的目 的和意義？常聽人提及「要認識一座 城市，首先要從吃開始」，因此有人
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不過，除上述常見的遊日景 點，其實也可選擇在東京都 內的各大學走走，位在千代田區的明 治大學、文京區的東京大學或新宿區 的早稻田大學等都是不錯的選擇。走 進 1877 年創建的東京大學，側門的 赤門不僅吸引旅人們駐足拍照，校區 中碩大銀杏樹所構成的黃金大道更是 美不勝收。不過，最迷人的不只是如 此，喜愛科學的讀者絕不能錯過的是 搭乘都營地鐵至「本鄉三丁目」站步 行約 3 分鐘便會抵達的東京大學綜合 研究博物館（東京大学総合研究博物 館，圖一）。 博物館內分為常設展示與特別展示兩 大主題區，常設展示區的主題為從太 陽系到人類（太陽系から人類へ）， 展示著日本繩文時代的各項陶器、土 偶和石棒等文物（圖二）和當時人類 的骨骼標本（圖三）。另外，也展示 著中生代時期在日本各地考古出土的 海中與陸地上各種古生物的化石（圖 四）。不僅如此，走到展示館的最後， 還可以看到出土但尚未分析的古物成 箱堆疊（圖五），而在展示空間的中 央，則是一個開放實驗室，研究人員 將考古所挖掘到的各種化石在實驗室 中進行分析後（圖六），再提供給博 物館進行展示。 一路跟隨著館內的參觀路線來到會定 期更換不同展示主題的特別展示區， 參觀的當下是昆蟲展（珠玉の昆虫標
圖二：於日本不同地區考古出土的土偶。
圖三：繩文時代後晚期於日本千葉縣出土的 石器時期人類全身骨。
圖四：當今已滅絕的巨狐猴（Megaladapis） 頭骨。
本ーー江戸から平成の昆虫研究を支 えた，2018/7/14~2018/10/20），展 示大量的昆蟲標本。雙腳尚未踏入主 參觀區域，遠遠就可以看到展區內的 四面牆壁上掛滿昆蟲標本（圖七）， 其中更不乏體型特殊、體色繽紛的各 品種蝴蝶、蜻蜓和鍬形蟲等（圖八、 九）。大多數來自東京大學的研究收 藏，部分則是由日本昆蟲學會、蝶類 學會長期採集製作而成，因數量之多
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圖七：懸掛在
科學
特別展示區中
的蝴蝶標本。
東京大學綜合研究博物館 開放時間：一 ~ 五：10:00 ∼ 17:00（最後入館時間 16:30）
休 館 日：六、日及國定假日 門 票：免費
交通資訊：搭乘地鐵丸之內線、大江戶線至本三丁目站，約步 行 3 分鐘可抵達。
備 註：展場內可攝影，但禁止使用閃光燈與腳架。 圖五：展場後方堆疊一箱箱尚未分析的文物 與化石。
JP Tower 學術文化綜合博物館 開放時間：日、二 ~ 四 11:00 ∼ 18:00；五、六 11:00 ∼ 18:00 （最後入館時間為閉館前 30 分）
休 館 日：一及國定假日 門 票：免費
交通資訊：搭乘 JR 或地鐵丸之內線至東京站，約步行 1 分鐘可抵達 （與東京車站地下道共構）。
備 註：展場內禁止攝影。
圖六：研究人員進行分析的實驗室。
使前來觀賞的旅人各個嘖嘖稱奇，喀擦喀擦的快門聲也不絕於耳。雖無 法一一細數每個標本，但旅人們都想藉由相機捕捉這壯觀且得來不易的 機會。 貴為日本最高學府的東京大學，除校區內設有博物館外，在東京區內也打 造各種不同特色的博物館供人參觀。位在由舊東京中央郵局大樓改裝而成 的購物中心 KITTE 內的 JP Tower 學術文化綜合博物館（JP Tower Museum INTERMEDIATHEQUE），是由東京大學綜合研究博物館和日本郵局共同 營運，裡面展示著東京大學創校以來所累積的學術資產。 踏入展場，目光隨即被一隻巨大恐龍標本吸引，但最令旅人好奇而駐足 的是恐龍旁的櫥窗，展示著人類進化各階段的人類骨骼標本，從四肢著 地到逐漸進化至由雙腳行走，彷彿走進時光隧道般，一同見證演化的發 生。偌大的展區內也展示著長頸鹿、偽虎鯨和鱷魚等現存動物和已滅絕 的物種標本，除此之外，兩旁的玻璃櫥窗上則有大量的鳥類、昆蟲和各 種植物、礦物標本的展示。
圖八：不只是蝴蝶、展示區中也展示著蜻蜓、獨角仙等 昆蟲標本。
靜靜坐落在 2 樓展示空間的是各種科研儀器，包含天秤、顯微鏡、角度儀 和精密計等。這些顏色斑駁、充滿年代的儀器，不只是呈現當年科學家進 行學術研究時所使用的工具，更展示著科學研究的演進與歷史的軌跡。 雖然說旅遊是為遠離工作、休息放鬆，不過，若能在旅行的途中大飽眼福、 欣賞到如藝術品般的標本展示，又能增廣見聞，何嘗不是一種美好呢？
圖九：展示櫃中大量的金龜子與瓢蟲標本。
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非關
科學
科學腦波弱
遙控器是什麼復古的玩意？ 未來可望透過腦波控制各種電子設備 郭家銘
渴望透過腦波完成曬衣服工作的懶惰鬼，本刊編輯。
今（2018）年 11 月初，三星（Samsung） 公司於美國舊金山舉辦年度開發者大 會（SDC），意圖為新開發的產品製作 專門軟體，並在日前與瑞士洛桑聯邦 理工學院（the Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, EPFL）神經修 復中心展開合作，開發一種能以腦波 進行控制的智慧電視軟體（smart TV software），盼透過這個名為 Project Pontis 的研究，使自家電視產品能誇 越生理限制，利用大腦切換頻道、調 整電視音量等。或許再過幾年，人們 就能利用腦波控制電子設備與家電了。 結合 AI，打造個性化服務 其實，三星最初是想將這個技術應用 在 智 慧 型 手 機 上， 有 鑑 於 大 多 數 的 家庭都擁有電視，透過腦波技術，該 裝置可望成為智能家庭中心（smart home hubs）。整個研發過程中，研究 人員必須先搜集一些樣本，以了解使 用者想要執行標的行為（如：選擇想 看的電影）時，腦波是如何運作的。 研究人員讓使用者戴上配有 64 個感測 器的頭套，並將其連接到與電視鏡相 連結的電腦上；使用者執行眼球追視 （eye tracking）的動作時，研究員也 一面搜集產品原型所需的腦波資料。 開發人員將環境與腦部掃描的指標 結 合 並 建 立 模 型， 加 上 機 器 學 習 （machine learning）的應用，讓使用 者能透過眼球運動和腦波來選擇節 目。軟體原型打造出來後，讓使用者 只要利用眼球動作，就能選擇想看的 節 目 或 影 片， 系 統 也 會 據 此 建 立 吸
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SCIENCE MONTHLY 2018.12
圖一：利用腦電圖所得到的各類電訊號。
引 該 名 使 用 者 的 影 片 清 單， 以 便 在 未 來 提 供 更 多 更 準 確 的 內 容。EPFL 的 資 深 科 學 家 查 瓦 黎 亞 加（Ricardo Chavarriaga）表示，未來這項合作會 持續鑽研利用大腦訊號做出控制的介 面，讓無法控制眼球或肌肉動作的使 用者也能輕鬆使用。然而，考慮到不 同個體的大腦存在差異，當前的技術 必須先針對每個人量身定制出個性化 的產品。 無障礙的理想開端 成就更趨友善的科技 運用腦波控制的裝置，其實已在部分 案 例 中 得 到 應 用， 如 先 前 因 交 通 事 故導致部分肢體失能的柯榭瓦（Bill
Kochevar），就因著這項技術得以展 開新的人生。柯榭瓦在大腦裝配感測 器後，花費約 4 個月的時間訓練系統， 使其了解每個肢體動作的部位與順序 後，便在手臂與手掌植入 36 個誘發 肌肉動作的電極，並能透過大腦執行 他所想的動作。 腦機介面（brain-computer interfaces,
BCIs）的實現，最主要是透過腦電圖 （electroencephalogram, EEG）來收 集大腦神經元相互傳訊時微小的電訊 號，包括 α、β、δ、θ 和 γ 波（圖一）， 當然也包含部分由視覺線索所觸發的 訊號；而某些特定的活動甚至還能跟 某些想法相關聯，允許系統做更進一步 的預測。以日產汽車（Nissan）的「腦－
非關
車系統（brain-to-vehicle system）」 為例，其監測與動作相關的腦活動訊 號，再將數據與車輛自身搜集的訊息 相關聯。 除此之外，亦有其他公司嘗試針對腦 波控制裝置進行研發，如 Space X 與 特斯拉（Tesla）執行長馬斯克（Elon Musk）於 2017 年 3 月創立 Neuralink 公司，並致力創造神經纖網（neural lace），包括在大腦中安裝微電極來 傳遞思考訊息。 電極的考驗 世界各地的神經科學家，已開始研究 為大腦建立數位化介面的方法，目前 這種腦機介面主要還是開發給因損傷 導 致 癱 瘓 的 個 案 作 使 用。 儘 管 三 星 在這項產品的原型上力求提升可用 性， 然 而 未 來 這 些 是 否 有 機 會 以 腦 波 取 代 觸 控 與 聲 控？ 瑞 士 三 星 公 共 事務與管理部負責人凱瑟涅（Martin Kathriner）認為其仍有待商榷，畢竟 當前的硬體仍存在限制，且還得在戴 上感測器前於頭上塗一層膠（gel）， 消費者恐怕不會想要這麼做。 要 從 頭 皮 收 集 腦 波 訊 號， 好 的 電 極 （electrode）扮演著相當重要的角色， 如 銀 或 氯 化 銀， 其 不 僅 能 提 供 低 阻 抗、高穩定性的條件，由於成本相對
科學
較低，使其成為最廣 為使用的材質之一。 只是，如凱瑟涅所言， 這種傳統的濕系統（wet systems）必須藉凝膠來穿 透毛髮，以求偵測時能提供 較佳的導電路徑。為克服這樣的 障礙，近年有不少開發者便開始研 發「乾電極（dry electrode）」，該類 電極須經過特殊設計，以偵測更深層 的訊號，且須維持在適當的位置，盡 可能減少其它人為的訊號干擾。 今年 4 月，《國際應用科學與工程技
術研究》（IJRASET）期刊發布一篇相 當有趣的研究，研究員利用乾電極改 造一些電器，結合無線傳輸技術，設
計的一款可隔空傳遞腦波訊號的裝置， 而且不需要上膠。 傳遞意念的時代，終將來臨？ 首先，該裝置利用改造過的 Necomimi 腦波智能貓耳（Necomimi Brainwave Cat Ears，圖二）感測腦部訊號，並以 藍芽模組將訊號傳輸到其它裝置上； 當大腦有思考與情緒等活動時，貓耳 朵就會豎起來，反之就會下降。接著， 將這些訊號的傳輸鮑率（baud rate） 調整後導入由神念科技（NeuroSky） 所開發的一款應用程式（App）上，使
圖二：Necomimi 腦波智能貓耳示意圖。
訊號能被圖像化。 而這個智能貓耳經過「神念思考齒輪 （Thinkgear）」技術處理後，能將所 接收到的類比電訊號量化、進而轉換 為數位訊號，並被所對應的特製設備 接收。由於腦波感測器中納入神念科 技的心智狀態（mental states）演算 法「eSense」，因此使用者只要練習 演算法中的 2 個控制因子──注意力 （attention）與冥思（meditation）程 度，搭配應用程式的圖像反覆調整， 便能成功對裝置傳遞訊息。 未來，當這些特殊裝置能更準確辨識 各種訊號的不同時，便能透過腦波控 制許多家電產品的功能。相信在許多 人的想像裡，利用腦波對裝置進行控 制聽起來很方便，然而更應該思考的 是這些便利可能對人類社會帶來的衝 擊，並學習如何與它共存，可別成了 科技「懶骨頭」，反讓這些產品主宰 了自己的生活。
延伸閱讀
1. Shara Tibken, Samsung is building software to control your TV with your brain, CNET, 2018/11/8. 2. Emma Woollacott, How to control a machine using your mind, BBC News, 2018/2/2.
（Flickr-Dmitry Posudin, https://flic.kr/p/uQX68M）
3. Nadeem Tariq Beigh et al., A Review on Brain Wave Signal Appliance Control, International Journal for Research in Applied Science & Engineering Technology (IJRASET), 2018.
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NEWS FOCUS
以炭黑製作特殊電極 二氧化碳可望成工業燃料 哈佛大學（Harvard University）羅蘭研究
中心（Rowland
Institute）研究團隊研發 1 種利用可再生電力將二氧化碳（CO2） 轉換為一氧化碳（CO）的系統。日前《焦 耳》（Joule）期刊發布，未來有機會將
中，對還原 CO2 而言，其選擇性也不輸 石墨烯系統。此外，團隊在反應器裡注 入 97％的 CO2，並以水蒸氣替代液態水， 利用離子交換膜使離子仍能四處移動； 此舉不僅讓 CO2 能在合理（有水）的環境
其它溫室氣體導入催化反應器中，並把
下進行還原，也能降低因電壓過高導致
它們轉換為工業燃料或其它化學品。
的副反應（如水還原為氫跟氧），大幅提
該中心研究員汪淏田（Haotian
Wang）與 團隊，起初發現鎳原子催化劑對 CO2 還 原為 CO 的反應具有相當不錯的選擇性，
升反應效率。 汪淏田指出，該系統需運轉數以千計個 小時，才能對經濟與環境造成影響，目
然而其所使用的載體──石墨烯相當昂
前團隊僅能運作十幾個小時，仍須想辦
貴，難以進一步量產應用。因此，團隊
法克服時間問題。此外，現階段所轉換
退而求其次，以相對便宜的炭黑（carbon
出的產物 CO 其應用價值較低，團隊也
black）奈米顆粒取而代之。利用類似靜 電吸引（electrostatic attraction）的技
catalysts），希望未來能將 CO2 還原成更
術，將帶正電的鎳原子吸入帶負電炭黑
有用的產物。
積 極 開 發 銅 基 催 化 劑（copper - based
（Pixabay）
Tingting Zheng et al ., Large-Scale and Highly Selective CO2 Electrocatalytic Reduction on Nickel Single-Atom Catalyst, Joule, 2018.
朱諾號回傳最新雲圖 近距離俯瞰木星之美 美國太空總署（NASA）環繞木星的太空
探測器「朱諾號（Juno）」於今（2018） 年 10 月 29 日 完 成 第 16 次 的 近 距 離 飛 行（Perijove
16）， 並 為 這 顆 太 陽
ald Eic hst ädt ∕ Se án D ora）
系中最大的行星拍下一張美麗的雲層 圖。經公民科學家埃茨史塔（Gerald
ch -Calte
（NASA ∕ JPL
894
SSS I∕M R ∕ Sw
er ∕G
SCIENCE MONTHLY 2018.12
Eichstädt）與 多 拉（Seán Dora）處 理 後，這張照片彷彿超現實主義的藝術作 品一般，令人屏息。
朱諾號在 2016 年 7 月 5 日時抵達並進入 木星軌道，被用以探測木星的組成、重力 場、磁場、磁層與行星形成的線索等。每次近 距離飛行，探測船都將離星體更近，並使用高 解析度的 JunoCam 拍攝更清晰的圖像，而其所 提供的原始圖像也能於朱諾號探測任務的官網
Tony Greicius, Jovian Close Encounter, NASA, 2018.
（http://missionjuno.swri.edu/junocam）看到。 據 NASA 表示，此次在木星北北溫帶（North North
Temperate Belt，約為木星北緯 40 度）距行星雲 頂 4400 英里的高空中拍攝到大量渦雲（swirling clouds）影像中，有許多呈亮白色、顯得突出的 雲，伴隨 1 種反氣旋（anticyclonic storm）──白 色橢圓氣旋（white oval）出現。而顏色較深、 較暗的區域，則是延伸至星球內部的雲，透過 木星極光紅外成像儀（Jovian Infrared Auroral Mapper, JIRAM）進行實驗，NASA 推測其有可 能為一更熱的區域。 目前排定 35 次的近距離飛行中，朱諾號僅完成
不到一半；距離任務結束還有約 3 年的時間， 未來仍有機會欣賞到更多有關木星的精彩鏡頭。
NEWS FOCUS
科學家提新模型 太陽星雲可能為地球水的起源 Jun Wu et al., Origin of Earth's Water: Chondritic Inheritance Plus Nebular Ingassing and Storage of Hydrogen in the Core, Journal of Geophysical Research: Planets, 2018.（Flickr-Stephane Mignon, https://flic.kr/p/eEGE8X） 地球上的水從何而來？長期以來，科學家多認為其可能來自充 滿冰的彗星和小行星，然而近日《地球物理：行星》（Journal
集的樣本中，氘氫比（D ∕ E ratio）更低，顯示這些氣體並非來自小
of Geophysical Research: Planets）期刊最新研究指出，太陽形 成後滯留於宇宙中的氣體與塵埃──太陽星雲（solar nebula），
前行星胚胎（planetary embryos）相互撞擊後，最大的那個胚胎形
也可能是地球水的真正起源。
成外部岩漿層。 太陽星雲與岩漿交互作用後形成大氣層，並將氫氣與其他稀有氣體溶
過去，研究人員曾評估地表海水和小行星的化學特徵，包括氘 （deuterium，氫的同位素）和氫的比例，發現 2 者極為相似，
然而美國亞利桑那州立大學（Arizona
行星。為此，研究員建立 1 個新的地球形成模型，發現數十億年
State University）天體物
理學家戴茨（Steven Desch）卻表示，測定地表水的氫其實存在
盲點，因為其組成不一定等同於整個行星的氫。
入岩漿、釋放到胚胎內部。在同位素分餾（isotopic
fractionation）
的過程中，氫氣將持續被吸入地核，而較重的同位素氘則保留在 岩漿中形成地幔，再與其他較小的胚胎或天體合併，最終使地球 獲得足夠的水與質量。地球化學家沙哈爾（Anat
Shahar）認為，
描述這些元素溶入岩漿時氘氫比變化的「氫分餾因子」仍有待測
《宇宙學》（Cosmos）先前的報告指出，從地核與地幔邊界採
定，以驗證這個新模型的說法。
吸熱制冷二合一 新型態太陽能電池誕生 近年可再生能源相當受歡迎，如化石燃料
便能進一步提高太陽能電池的效率，避免
的替代品之一──太陽能。然而，大自然
電池過熱。
仍為人類提供另一種的選擇，它的功能與 太陽能相反，卻也是相當強大的能量來 源，那就是「外太空」。 物 體 以 人 眼 看 不 見 的 紅 外 線（infrared
美國史丹佛大學（Stanford
University） 電子工程學系范汕洄（Shanhui Fan）等人
（Pexels）
組成團隊，將太陽能吸收與輻射冷卻技 術合而為一，利用輻射冷卻器頂部的鍺太
radiation）散發熱能，大部分的射線會通
陽能吸收器，加上封閉在真空中的氮化
過大氣中的粒子反射回地球。反之，透過
矽、矽及鋁層，組成並開發出一種新的裝
輻射進入外太空的其他射線，能使已發出
置，且能將整體溫度控制在 24~29 ℃左
足夠紅外線的物體表面溫度得以下降。此
右。太陽能吸收器和大氣在中紅外線範圍
輻射冷卻（radiative cooling）技術也能作
（mid-infrared
為一種空調替代品，且不會產生溫室氣體
自輻射冷卻器的紅外線能發射出去；而
排放的問題。換個角度想，若能讓太陽能
透過吸收器阻擋太陽光的功能，亦能提
與輻射冷卻 2 種技術在屋頂上和平共存，
升輻射冷卻器的效率。
儘管將其開發為商業用途前，仍有很長一 段路要走，然而這種「一機兩用」的太陽 能電池型態，已然為可再生能源開創了新 的局面。
range）內皆呈透明，使來 Zhen Chen et al., Simultaneously and Synergistically Harvest Energy from the Sun and Outer Space, Joule, 2018
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專欄文章
毛髮生長的秘密─ 藍光、感光細胞與生理時鐘 （dermal papilla）露出，而真皮乳突細胞在此時期排列 呂紹祁
臺大生命科學系學士、醫學工程學所碩士，
較為緊密，呈現球狀。當毛囊接收到訊息，開始從休止期
碩士期間於林頌然教授研究室鑽研表皮中角質細胞的
進入生長期時，位於毛囊隆突（bulge）的幹細胞開始活
生長。
化，刺激其下方特定細胞進行細胞分裂，開始向下包覆 增大的真皮乳突，形成毛囊球的結構並往下生長。進入 生長期後，被包裹於毛囊球中的真皮乳突會刺激周圍細
陳示國
國立臺灣大學生命科學系副教授。實驗室主
要利用分子生物學之方式，研究小鼠感光細胞如何調 控生理時鐘代謝等生理功能。
胞進行細胞分裂，接著細胞會接收到不一樣的訊息而開 始分化成為毛囊內部的多層結構，如外根鞘（outer root
sheath）、 內 根 鞘（inner root sheath）、 基 質 細 胞 隨著時代變遷，人們對於身上的毛髮有不同的審美觀。70
（matrix cell）、髮幹（hair shaft）等，黑色素也漸漸
年代，飾演 007 系列的好萊塢當家男星史恩．康納萊（Sean
開始生成，此時毛囊球的位置也會由真皮層漸漸往下生長
Connery）與皮爾斯．布洛斯南（Pierce Brosnan）都有
至皮下組織中，髮幹的長度也同時增長而露出皮膚表層，
經典性感胸毛。然而，近年飾演金鋼狼的當紅男星休傑克
形成肉眼可見之毛髮。
曼（Hugh Jackman）全身肌肉的形象，則顯示好萊塢轉 向愛好滑順皮膚。對於女性朋友而言，身上各部位的毛髮
一般而言，人類頭皮上毛囊的生長期長達 2~5 年，不同
也是項甜蜜負擔，媒體上常能見到許多資訊，教導大家如
部位的毛髮會有不同生長週期，所產生的毛髮也有所不
何用不同的方式達到除毛效果。所以，令人又愛又恨的毛
同。到生長期後期，毛囊細胞的增生趨緩，黑色素漸漸停
髮是如何長出來的？有什麼因子會影響毛髮生長呢？在除
止生成，並開始出現細胞凋亡（apoptosis）現象，準備
毛之暇，一同來談談毛囊（hair follicle）的生長。
進入衰退期。衰退期為生長期與休止期之間的短暫過渡 期，毛囊細胞凋亡後，毛囊球的結構消失，使真皮乳突露
動物的毛髮有生長以及休止期？
出，毛囊整體結構也開始從皮下組織往真皮層退縮，最後
毛髮並不是無止盡的一直生長，而是在毛囊的生長週期
停留在原先毛囊隆突處，而停止生長的髮幹形成棒狀毛髮
（hair cycle）下經歷 3 個階段：休止期（telogen）、生
（club hair）留在毛囊中，等到下一次生長期來臨時被推
長期（anagen）和衰退期（catagen），如圖一。每一個
擠出表皮，毛囊再次形成毛囊球的結構，開始新的毛囊生
階段中，皮膚下的毛囊會受到不一樣的刺激而產生不同
長週期。
反應，影響肉眼所見到的毛髮型態。處在休止期的毛囊，
908
整體結構幾乎處於靜止且位於真皮層（dermis）中，毛
影響毛囊生長的因子
囊底部的毛囊球（hair blub）結構消失，使得真皮乳突
休止期的毛囊若沒有受到適當的活化，則可能無法再進
SCIENCE MONTHLY 2018.12
生 動 |
Biology
圖一：毛囊的生長週期，毛囊自形成後，便開始進入生長，衰退及休止 3 個週期。
入下一個生長期，導致毛髮遲遲無法生長，發生在頭頂
細微觀察小鼠體內的生長因子，可發現處於生長期或休止
就是所謂的「禿頭」。因此，若可以刺激沉睡於休止期
期的毛囊，其濃度上會有所差異。因此，未來若有相關治
的毛囊進入生長期，將可有效改善毛髮生長狀況。目前
療可以針對毛囊週邊生長環境進行改變，或許有機會成為
已知物理、化學或生物上的刺激，都有機會可刺激毛囊
禿頭患者的福音。不過，除了上述所說的刺激外，動物體
的生長。一般坊間常見有效刺激毛囊生長的產品，如落
內是否有內建系統來控制毛髮的生長呢？
健、 柔 沛 等， 前 者 有 效 成 分 米 諾 地 爾（Minoxidil） 原 本是作為血管擴張之用途，而後發現可加速毛囊生長週
調整生理時鐘的感光細胞
期，使毛囊進入生長期產生髮幹；後者之有效成分為非
在哺乳類動物中，包含人類及實驗小鼠，最主要的感光系
那斯特萊（Finasteride），其可降低雄性素──二氫睪酮
統是視網膜。長久以來，科學家已知為了在不同亮度的環
（dihydrotestosterone），能有效改善因雄性素過剩而禿
境下都可以「看」到四周環境，視網膜內有 2 套主力感
頭的症狀。另外，因為輕微受傷而引起的發炎反應，也可
光細胞，視桿細胞（rod）負責低光源下的視力，而視錐
以加速毛囊進入生長期，表示毛囊也可能因某些細胞激素
細胞（cone）則負責高光源的視力。然而近年來，我們
（cytokine）的刺激而影響生長週期。在小鼠實驗當中，
又發現在視網膜中有第三類感光細胞，稱「內生感光視
若是將局部皮膚施予拔毛（plucking），則可觀察到該區
神經細胞（intrinsically photosensitive retinal ganglion
域原本處於休止期的毛囊提早進入下一生長期。若是再更
cells, ipRGC）」。在眼睛中，絕大多數的視神經細胞
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專欄文章
從巨石陣、曼哈頓到高雄 漫談日月的東起西落
金升光／任職於中央研究院天文及天文物理研究所。
英國的巨石陣（Stonehenge）是著名的世界文化遺產，大約距今 5000 年、甚至更早之前，就有人類活動 的跡象。由於缺乏文字的記錄，現代人只能透過考古學的證據來推測史前新石器時代當地社群的生活方式 和信仰。幾十塊巨石矗立在一望無際的平原上，最大的石塊約 2 層樓高、重達 50 噸，而建築的軸線毫無 疑問地凸顯當地夏至日出（或冬至日落）的方向。數千年來江山易主、宗廟傾頹，人去樓空後殘存巨石的 光影，每年依舊在特定的時分默默開啟新的一年。日換星移，許多 21 世紀的新新人類長時間身陷在比巨 石陣還要高數十倍的水泥叢林裡，非到特定時刻不見天日，而美國紐約曼哈頓街道就擁有這樣的天際線……
年少時期曾經親身造訪巨石陣的紐約自然歷史博物館天
統和天體運行稍微深入了解地球的自轉、公轉及月球繞地
文學家泰森（Neil deGrasse Tyson）分析曼哈頓街道的
球的運動，或許也能夠探討下述問題：
走向和日出日落的方位角，計算每年 2 次日出（或日落） 正對著曼哈頓大街，創造「Manhattanhenge」一詞，通 常翻譯成「曼哈頓懸日」，或許稱為「曼哈頓巨石陣」
「什麼樣的街道走向才能夠看到懸日？」
會更傳神。每天最稀鬆平常的事，莫過於旭日東升、夕
「透過凸出地平線的建築或山峰也有機會和日月連
陽西沉；只要天候許可，結伴或獨自欣賞這大自然片刻
成一線嗎？」
美景仍是美事一樁。在人手一機的忙碌社會裡，每年有
「月亮的出沒是否也遵循類似的簡單週期和原理？」
這麼幾天可以碰個運氣，趁下班後路過街頭，暫停腳步，
「史前人類看到的天空也和我們看到的相同嗎？」
抬頭看看那不屬於人類的世界，沉浸在天－地－人相連一 線的瞬間。
天球坐標與太陽的關係
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不論是出於自發的在地認同、社群媒體推波助瀾、觀光行
在回答這些問題之前，需要從坐標系先建立一些基礎觀
銷策略或其他因素，不少大都會、街道，甚至學校長廊也
念。星星的距離遙遠，彷彿都在一個無限延伸的球面上，
紛紛開始找尋屬於自己的軸線。本地官方選擇特定的日子
這個球面稱為天球（celestial sphere）；觀察者位於球
在高雄市的青年路封街，讓民眾能在大街當中的最佳位置
心，從天球內部來觀測天體的運行。要標定球面上的一點
安心拍攝媲美曼哈頓懸日的「高雄懸日」。除查表和星空
需要 2 個不同方向的坐標，不同的天球坐標系（celestial
程式模擬，在北半球隆冬將至的年尾，透過簡單的坐標系
coordinate system）適用於不同場合，且可以互相轉換。
SCIENCE MONTHLY 2018.12
天 地 |
Earth Science
今（2018）年 11 月 12 日於高雄市青年路段拍攝到的懸日景緻。（王立淵攝影）
地平坐標
過觀測者的子午線時稱為中天（transit）。中天時的仰角
首 先 是 由 方 位 角（azimuth angle） 和 仰 角（elevation
最高，觀測上比較不會受到地平線附近的大氣或光害干
angle）組成的地平坐標（horizontal coordinates）。觀 察者頭頂正上方稱為天頂（zenith）。方位角分別以 0、 90、180 與 270 度來標定正北、正東、正南與正西方； 而仰角（也稱高度角）則由觀察者所在地的水平面為 0 度起算，天頂為 90 度。如果忽略在 1 天之內地球繞太陽 的公轉運動（約 1 度）、太陽盤面視直徑（約 0.5 度）、
擾；而當天體按赤經坐標 0h、1h、2h……依序經過觀測 者的子午線時，天球就像 1 座天上的大時鐘，只不過天 球上轉動的是「時鐘的刻度（赤經坐標）」，而不是指針 （子午線）。 確定天球北極和春分點後，恆星或其他遙遠天體就有 1
大氣折射等次要因素，每年到了春分和秋分，太陽會從正
組固定的赤道坐標。但是，由於地球也繞著太陽公轉，
東方升起並從正西方隱沒，所以日出的方位角是 90 度，
從位在地球的觀察者來看，太陽每年都會繞行天球 1 圈。
日落的方位角則是 270 度。
太陽在天球上運行的軌跡就是黃道（ecliptic），也可以 理解成地球繞太陽公轉軌道平面和天球相交的大圓線；黃
赤道坐標
道以地球中心為參考，地球表面的觀察者需要一點小小的
類似地球經緯度的赤道坐標（equatorial coordinates）
修正。黃道大致上變動不大，太陽雖然沒有固定的赤道
和地球的自轉關係密切，由赤經（right ascension, R.
坐標，但也不會突然移動到譬如獵戶座或北斗七星附近。
A.）和赤緯（declination, Dec.）組成，也常用希臘字母 α（alpha）和 δ（delta）表示。赤道坐標的軸心南北方
給定春分點和黃道的北極可以定義黃道坐標，通常用於太 陽系的研究。
向同於地球自轉軸，由地球赤道面延伸、與天球相交處即 為天球的赤道，自轉軸和天球相交處則為天球的南北極。
見證懸日的角度──太陽的方位解析
赤緯和地球緯度相似（南北各 90 度、赤道 0 度、天球北
和赤道的交角），決定了太陽在北半球夏至時在天球上最
極 90 度），但是天球赤道以南用負值表示，如天球南極
靠近天球北極的角度、南北迴歸線的緯度、還有可能發生
為 -90 度。赤經則以小時（hour, h）為單位，1 圈 360
永晝永夜的分界。黃赤交角（obliquity）通常用希臘字
度分成 24 小時，1 小時再分成 60 分（minute, m），1
母 ε（epsilon）表示，大約是 23.5 度，也就是圖一中天
分為 60 秒（second, s）。有時為了計算方便，也直接使
球北極的仰角（藍色箭頭指向觀測者的天球北極方向）。
地球自轉軸和公轉軌道平面法線方向的夾角（也就是黃道
用 0~360 的寫法，和地球經度分成東西各 180 度稍有不 同；而赤經的 0 度（0 h）以春分點（太陽由南往北，通
圖一分別顯示英國巨石陣、曼哈頓和高雄青年路於夏至、
過赤道時的所在位置）為基準，並往東方遞增。
冬至、春分及秋分時的日出日落概況（忽略地球當天繞太 陽公轉的運動）。由於黃赤交角不等於 0，假設北半球的
通過天球北極和觀測者天頂可以在天球上畫出 1 個大圓，
觀察者在北緯 L 度，春分或秋分太陽從正東方升起，太
稱為子午線（meridian）；當日月星辰隨著地球自轉通
陽的最大仰角約是 90° -L，相當於圖一中橘色粗線和子午
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2018 諾貝爾獎特別報導 看傑出的學者們， 如何在自身領域耕耘、 做出何等非凡的成果，
才得以摘下科學界最閃亮的桂冠、 踏入學術研究的最高殿堂？
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（Shutterstock）
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COVER STORY
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諾貝爾物理學獎— 脈衝雷射
2018 年諾貝爾物理獎表彰雷射物理領
產生高亮度及高指向性的雷射光。
域中 2 個技術的重要突破，其中一項為 諾貝爾獎得主穆胡（Gérard Mourou）
脈衝雷射，就像是照相機的閃光，強度
和史崔克蘭（Donna Strickland）發
只持續短暫的時間。現今脈衝雷射的脈
明的「啁啾脈衝放大（chirped pulse
衝時間，可以短到奈秒（nanosecond,
現任｜滑鐵盧大學教授
amplification）」，突破脈衝雷射強
10-9s）、皮秒（picosecond, 10-12s）、
研究領域｜雷射物理學、非線性光學
度的瓶頸，產生超強與超短的脈衝雷
飛 秒（femtosecond, 10-15s）、 埃 秒
（University of Waterloo）
射光。什麼是「脈衝雷射」？什麼又
（attosecond, 10-18s）等級。超短脈衝
是「啁啾脈衝」？超短與超強的脈衝
可將能量集中在很短的時間內，所以
雷射又能帶來什麼呢？
瞬間功率很強。一般 1 瓦的連續光雷
唐娜 • 史崔克蘭 （Donna Strickland, 1959~） 國籍｜加拿大
射，1 焦耳的能量平均分散在 1 秒中。
脈衝雷射
1 焦耳能量若集中在 1 皮秒脈衝光內，
如圖一所示，物質中的電子可藉由光
根據瞬間功率的定義：能量除以脈衝
吸收得到能量，由基態躍遷到激發態。
時間，瞬間功率可達 1 兆瓦 (1012W)，
電子在高能量的激發態停留一段時間
比平均功率大了 12 個數量級。
後，會自行掉回基態並放出對應能量
熱拉爾 • 穆胡 （Gérard Mourou, 1944~） 國籍｜法國 現任｜巴黎綜合理工大學、羅徹斯特大學、 密西根大學教授 研究領域｜雷射科學 （University of Michigan）
光吸收
林宮玄 任職於中 央研究院物理研究 所，兼 任本刊編 輯 委員。
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圖一
SCIENCE MONTHLY 2018.12
的光，稱為自發放光（spontaneous
啁啾脈衝
emission）。若電子在激發態時，被
1960 年雷射問世後，脈衝雷射的發
相 同 躍 遷 能 量 的 光「 刺 激 」 掉 回 基
展，大致追求 2 個方向，其一是提高
態 放 光， 稱 受 激 放 光（ stimulated
瞬間功率，另一個是縮短脈衝時間。
emission），其放出的光波與入射光
1970~1990 年間，脈衝雷射的瞬間功
有 相 同 波 長 與 行 進 方 向。 雷 射 的 英
率遇到瓶頸，停留在 100 億瓦左右。雖
文 為 laser， 是 light amplification
然原理上脈衝雷射可藉由受激放光不
stimulated emission radiation 的 縮
斷的放大瞬間功率，但能量最後太高
寫，其原理就是讓許多電子停留在激
會破壞光學元件而無法再增強。穆胡
發態，利用受激放光放大光電磁場，
和史崔克蘭突破瓶頸所用的方法是先
自發放光
受激放光
2018 諾貝爾物理獎
光電場強度
光電場強度
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短脈衝
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Nob e l Pri z e s i n P h ys i cs
時間
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時間
圖二
降低瞬間功率以提升總能量，因為瞬
衝放大使脈衝雷射瞬間功率繼續提
雷射功率不斷的提升，使人類可以用
間功率是能量除於脈衝時間，先將脈
升，讓高諧頻生成（high harmonic
實驗的方法探索許多未知。目前雷射
衝時間拉長而降低瞬間功率，就能在
generation）技術更有效拓展光頻率，
所能提供的能量密度與高溫高壓，已
不破壞光學元件下進一步增加雷射脈
使脈衝時間突破飛秒瓶頸進入埃秒。
可提供天文學家在實驗室設計操作實
衝的能量。1985 年，他們利用 1.4 公
就如同照相機的閃光燈在短時間內提
驗，不再只是被動從已發生的天文現
里長的玻璃光纖將短脈衝的脈衝時間
供曝光成像的足夠亮度，雷射脈衝愈
象尋找線索，譬如行星的形成是在高
拓寬 1000 倍以上，不同顏色（頻率）
短 愈 亮， 就 愈 能 補 捉 更 快 的 動 態。
溫高壓下進行，使氫融合成氦再融合
的光在光纖玻璃中的行進速度些微不
1999 年諾貝爾化學獎表彰飛秒雷射
成更大的原子。核融合發電也一直是
同而在時間上分開。圖二顯示短脈衝
光譜技術觀察化學反應中飛秒等級的
的光電場振盪行為，脈衝寬度在色散
超快變化。當脈衝光源時間進入更短
後變寬，振盪頻率隨著時間變化。低
的埃秒，表示科學家可利用埃秒雷射
頻率而長波長的光速度較快，跑在前
觀察更快的動態，譬如電子躍遷所需
面，高頻的光在後。這種頻率隨時間
要的時間可能在埃秒尺度。
變化的現象，就如同小鳥啁啾唱歌，
人類追求的目標，現仍在實驗研究階 段。2018 年初，中國科學院上海光 學精密機械研究所的科學家雄心勃勃 地發布消息，要在幾年內建出世界最 強的 1 萬兆瓦脈衝雷射裝置，俄羅斯、 日本及穆胡在捷克領導的團隊也都正 在建置此等級的雷射設施。過去，科
音頻隨時間高低起伏變化，因此時間
脈衝雷射應用
上的色散現象也稱「啁啾」。脈衝時
利用啁啾脈衝放大所發展出來的脈衝
間被拉長的啁啾脈衝，經由受激發光
學家已成功觀察到物質可消失轉換成 能量，證實愛因斯坦 E ＝ mc2 質能互
進一步放大光電磁場後，可利用 2 個
雷射瞬間功率，在 1990 年代初期已
換公式。當雷射能量密度提升到 1 萬
強到可直接剝除材料中的原子。利用
兆瓦，也許人類能反過來將能量轉換
光柵補償色散時間長，將脈衝時間縮
超短脈衝雷射的冷加工，原子因電子
成物質，期待未來能觀察到雷射在真
為原來的短脈衝寬度，瞬間功率可因
游離而被剝除。與一般利用高功率雷
空中產生電子與其反物質正電子。
此提升好幾個數量級。
射加熱熔融切割的原理不同，其切割 線寬可細到微米（micrometer）等級。
啁啾脈衝放大技術，不但突破瞬間功
現今，脈衝雷射已應用於工業界精密
率的瓶頸，也間接突破脈衝時間縮短
加工或治療近視等精密雷射外科手術
延伸閱讀
的瓶頸。1980 年前，脈衝時間從數
等，此外，也應用於材料表面改質，
百皮秒縮短到 10 飛秒只發展 10 年左
1. The Nobel Prize in Physics 2018, The Nobel Prize, https://reurl.cc/Agz5d.
例如在表面形成微奈米結構改變顏
右，但之後的 20 年，卻只成功再縮
色。不僅如此，也可將表面改質為超
短到 2~3 飛秒。要產生愈短的脈衝，
低反射的超黑材料，運用在太陽能電
需要更多的光頻率同時產生。啁啾脈
池提升光吸收率。
2. Gérard Mourou and Donna Strickland, Physicists are planning to build lasers so powerful they could rip apart empty space, Science News, 2018. 3. Edwin Cartlidge, Physicists are planning to build lasers so powerful they could rip apart empty space, Science News, 2018.
Vol.49 No. 12
929
COVER STORY
2018
4
諾貝爾化學獎— 化學中的演化與革命
林翰佐
銘傳大學生物科技學系副教授，本刊總編輯。
今（2018） 年 的 諾 貝 爾 化 學 獎 其 實 很「 生 物 」。 諾 貝 爾 委 員 會（Nobel
法蘭西絲．阿諾德 （Frances H. Arnold, 1956~）
Committee）宣布將獎項中的 1∕2 授予美國加州理工學院的阿諾德（Frances H. Arnold）教授，另 1∕2 則由美國密蘇里大學的史密斯（George P. Smith）
國籍｜美國
教授與英國劍橋大學的溫特（Sir Gregory P. Winter）教授平分。以往獎金
現任｜加利福尼亞理工學院教授
分配多半以均分處理，然而此次分配方式如此不尋常，筆者認為肇因於 3 位
研究領域｜化學工程
得獎者的研究其實主要可區分為 2 條不同研究軸線，但這 2 條軸線均以跨時
（Caltech）
代的創見，革新了化學及藥物的發展。
930
喬治．皮爾森．史密斯 （George P. Smith, 1941~）
格雷格．溫特爵士 （Sir Gregory P. Winter, 1951~）
國籍｜美國
國籍｜英國
現任｜密蘇里大學教授
現任｜劍橋大學分子生物學實驗室
研究領域｜生物化學
研究領域｜生物化學
（University of Missouri）
（Aga Machaj, CC BY-SA 4.0, https://bit.ly/2B6Qo05）
SCIENCE MONTHLY 2018.12
2018 諾貝爾化學獎
Nob e l Pri z e s i n C h e m i s t r y
A (r)evolution of Chemistry
人定勝天，還是順天而行？
類就高達 20 種，所以整體蛋白質的
在諾貝爾獎委員會針對化學獎項發布
以演化找尋蛋白質開發的方案
分 子 結 構 是 相 當 複 雜 的。 蛋 白 質 的
所提出的公開說明中，特別用「化學
相信大多數的人都同意創造力是人類
立體結構與其生物化學活動息息相
領域中的演化與革命（A (r)evolution
與地球上其他動物間最大的差異之
關，舉個例子來說，源自於水母基因
of Chemistry）」這樣的雙關語來表
一。創造力是什麼？它是一種抽象思
的綠色螢光蛋白（green fluorescent
彰得獎者對人類福祉的貢獻，意旨得
考能力，使人可以在未有實際經驗的
protein, GFP），是生命科學研究當
獎者所楬櫫的定向化學演化概念造
情況下，重新定義事物與事物間的關
中常用的標示蛋白。為增進應用上的
就化學界革命性的進展。不過說到這
聯性。早在石器時代，人們便能運用
效益，生技公司透過修改綠色螢光蛋
聯 想， 以 敲 擊 的 方 法 打 磨 石 頭 的 邊
白中的胺基酸序列，更動其蛋白質的
緣，並用其作為切割獸皮及肉品的工
立體構型，改變蛋白質受紫外光照射
具，普遍也認同遠古人類的產出並不
下對激活電子的捕捉能力，從而改變
是因為看過刀子後以石頭仿製而得。
放光（emission light）的波長，生產
人類透過無限的創造力造就相當多的
出黃色螢光蛋白（yellow fluorescent
奇 蹟， 如 弓 箭、 蒸 氣 機 或 飛 機 等 發
protein, YFP）及紅、黃綠和藍色螢
明，甚至創造火箭把人類射向太空。
光蛋白等產品。
裡，各位讀者應該一頭霧水，在繼續 說 明 得 獎 者 的 研 究 之 前， 筆 者 想 先 針對一個概念做一些解釋 —— 演化 （revolution）是什麼呢？ 對於達爾文（Charles Robert Darwin） 所倡議的演化論，相信大家都不陌生。 演化論的核心論述是「適者生存」， 能夠活於現世中多樣的地球物種，主 要是因為適應地球環境所產生的成
但是，隨著待解決問題的難度逐漸增 加，人類是否擁有足夠的能力再創奇
當然這只是一個簡單的案例，多數科
蹟？這可衝擊著人們心中那「人定勝
學家夢想中的待開發商品，都遠比上
天」的自信。
述的案例複雜許多，例如：想要開發
果；這樣的適應並不是勉強及格，而 是要做到最好。從生態位（ecological
niche）的觀點來看，世界上現存的 所有物種都是不同生態位上的第一 名，在競爭相類似生態位物種中趨於 弱勢的物種，勢必在漫長的演化過程 裡滅絕。
然 而， 演 化 論 的 觀 點 中 並 沒 有 提 及 「創造」的部份，自然界提供的僅是一
能於有機溶液環境下進行酵素水解反 蛋白質酵素的商機與難題
應的酵素（多數源自生物體內的酵素
此次諾貝爾化學獎的「頭號人物」——
均僅適合在水環境下進行作用），或
蛋白質，是所有生物體運作的工具。生
者針對特定蛋白質設計專一性的拮抗
命現象中的新陳代謝（metabolism），
體（antagonist）分子進行酵素活性
即身體所有化學反應的總稱，這些細
的阻斷等。即便在電腦科技發達的今
緻的化學活動幾乎全由蛋白質所構成
日，科學家仍無法針對特定用途的蛋
的酵素參與促成。從 1970 年代分子
白質展開全然創造的設計工作。
生物學技術的進步開始，科學家們得 以任意地針對 DNA 進行剪裁，並透
師法演化的嘗試
種篩選上的趨力（selection force），
過基因轉殖技術（gene cloning），
人類在分子層次上對生命現象的理解，
使物種的演化有個大致的趨勢，透過
在大腸桿菌等生物中進行表現
從 1950 年代華生（James D. Watson）
物種族群變異，篩選生態位中最適合
（expression），此後人們便得以用
與克立克（Francis HC Crick）2 人對
的物種。老子道德經中所述之「天地
微生物發酵的方式生產大量的人工重
DNA 應為雙股螺旋體的論述後便有
不仁，以萬物為芻狗」，大抵完善地
組蛋白質（recombinant protein）作
著爆炸性的發展，包括 DNA 定序的
詮 釋 此 環 境 趨 力 的 本 質， 而 英 國 著
為後續研究、產業應用及醫療臨床使
方法與限制酶（restriction enzyme）
名的演化生物學家道金斯（Richard
用的基礎。
的發現，都奠定分子生物學領域的研
Dawkins） 曾 以「 盲 眼 鐘 錶 匠（the
究基礎。科學家可藉由這些研究工具
blind watchmaker）」來說明這種演化
蛋白質是由胺基酸所構成的巨大化學
任意對 DNA 片段進行拼接，並透過
趨力造就複雜生命結構體的可能性。
分子，而地球生物中常見的胺基酸種
大腸桿菌的幫助，生產出全然人工創
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第二個由海水引起的困難，就是短波
精選
能量在水中衰減得很快，例如無線電 波或是光波，在水中傳播的距離相當
文章
短，其所造成的影響主要有二：一是 光線很容易被海水吸收，導致水下能 見度很低；二是由於全球衛星定位系 統（ Global Positioning System,
湛藍內太空的探索－ 臺灣深海載具的研發
GPS ） 電 磁 波 訊 號 無 法 穿 透 水 層， 故水下完全無法單獨藉由 GPS 進行 導航，意即其在水中毫無用武之地。 不妨想像一下，在數千公尺水深的海 底、如此諾大的黑暗空間中，能見度 僅有 3 公尺，且完全沒有 GPS 定位 的情況下，要探索這浩瀚未知之境是 一件多麼困難的事。但透過水下載具 （underwater vehicles）搭載高亮度 照明燈和水下定位系統潛入深海，便 能實現一窺深海奧秘的夢想。
陳信宏
國立中山大學海下科技研究所所長。
10 年磨一劍： 在深海載具自主開發前…… 水下載具一般分為「載人（manned）」
自古以來，未知的海底世界帶給人們
號沉沒地點的水深差不多），無論從
與「非載人（unmanned）」2 種，其
無限想像空間，耳熟能詳的海龍王水
空間的廣度還是深度來看，海洋探索
分類可參考圖一。常見的載人載具有
底宮殿和亞特蘭提斯（Atlantis），
都是一項艱鉅的挑戰，而海洋探索比
軍用潛水艇（submarine）、科研用潛
是傳誦久遠的精彩傳說。也許是受到
陸地更加困難的阻力，主要來自於海
艇（submersible）和一大氣壓潛水裝
大海的基因緊扣，讓人類血脈中暢流
水物理本質上的特性。
（atmospheric diving suit），無人 載具則包括遙控水下載具（remotely
著一股探索未知海底世界的好奇心，
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且從未間斷過，而現代科技的進步，
海水壓力是探索海洋第一個必須克
operated vehicle, ROV）、自主式水
使人們一窺深海奧秘的夢想得以逐步
服 的 問 題， 海 洋 水 深 每 增 加 10 公
下載具（ autonomous underwater
實現。不過，即便對深海探索的機會
尺， 水 壓 就 增 加 約 1 大 氣 壓。 較 為
vehicle, AUV）和拖曳式載具（towed
增加，人們認識深海的渴求卻不減反
人熟知的水肺潛水（self-contained
vehicle）。
增；不因為對於大海的認識加深而減
underwater breathing apparatus ,
少迷惑，反倒是更多新奇的發現，增
SCUBA）只能探索不到百米的極淺
若是從網路搜尋引擎上鍵入關鍵字
加了對海洋的興趣。
海域，相對於全球海洋平均水深數千
「水下載具」或輸入「underwater
公尺而言，利用水肺潛水所能探索的
vehicle」，便會跳出一大堆各式各樣
潛入深海的挑戰
空間相當有限；若要進入千米深海，
的水下載具，由此不難發現水下載具
海洋佔地球表面積約 70 ％，海洋平
搭載人類和儀器的保護艙體就必須要
在現今的應用層面已經涵蓋一定程度
均深度則將近 3700 公尺（和鐵達尼
能承受百大氣壓的作用。
的普遍性，例如海洋科學調查研究、
SCIENCE MONTHLY 2018.12
水下載具系統的研發涉及多重領域， 包括機械、電機、電子、資訊、通訊、
水下載具
光學與聲學等，對於海洋學也必須有 深入的認識，屬於重度跨領域研究。 中山海下所透過這幾次重要的水下技
非載人載具
載人載具
術自主研發，除了建立跨領域系統整 合的技術能量之外，也建立了寶貴的 海上作業經驗，這過程就猶如 10 年
軍用潛水艇
科研用潛艇
一大氣壓潛水裝
遙控水下載具
自主式水下載具
磨一劍，為後續進行深海載具自主研 發打下紮實的基礎。
深海載具自主研發的契機 隨著地球石油與天然氣的蘊藏量日益 減少，積極開拓新型能源已經成為各 國不得不面對的要務。天然氣水合物 （gas hydrate，俗稱甲烷冰或可燃
圖一：水下載具分類。
冰）被認定是未來極具潛力的新型潔 海洋探索、海洋地形測繪、水下施工
稱 中 山 海 下 所）致 力 於 建 立 臺 灣 水
淨能源，但是天然氣水合物只存在於
檢測、水下救援、港埠安全，甚至軍
下技術自主研發能量，民國 91 年起
低溫高壓的環境，且絕大部分賦存於
事掃雷等。可惜，臺灣直到近年才加
進 行「 高 精 密 海 床 雷 射 掃 描 系 統 」
深海的海床之下，取得不易。
強關注水下載具的重要性，一方面是
研 發， 隨 後 透 過 和 美 國 華 盛 頓 大 學
臺灣海洋研究社群規模一直以來都相
應用物理實驗室（Applied Physics
當 小， 且 海 洋 工 程 研 究 偏 向 水 面 船
Laboratory, APL）海洋科學家合作，
舶、港灣工程，鮮少有進入 20 公尺 以深的水下工程技術開發領域；而海 洋物理、化學、地質和生物等科學研 究領域，多僅向國外採購儀器設備來 量取資料進行分析，反而在海洋科學 與工程的跨領域合作交集並不多。
臺灣四面環海，周遭海域具備獨特的 地理環境條件，極具科研探索價值。
成功建立精確的「海床表面粗糙度量 測技術」，應用於聲納（sonar）傳 播特性研究，這也是中山大學成功結 合海洋科學與工程合作研發的起點。 民國 93 年起，中山海下所和成功大 學跨校合作，因應臺灣周遭海域強勁 的海流，開發出可在此險惡環境下操 作的「無人遙控水下載具」。而上述
經濟部中央地質調查所自民國 93 年 起，便在臺灣西南海域長期進行天然 氣水合物探勘調查；依據其多年調查 結果推估，該海域的天然氣水合物賦 存量將可供臺灣使用約 50 年。科技 部自民國 98 年起，也推動 2 期的能 源國家型科技計畫，每期 5 年，共計
10 年，其中自 101 年起甲烷水合物 資源的探勘正式納入能源國家型科技 計畫中，延續經濟部中央地質調查所 的探勘成果繼續進行有系統的調查。
海洋賦存豐富的資源，在國防戰略上
能量的累積，隨後也在民國 97 年由
也扮演極重要角色，因此若能建立國
中山海下所、國家實驗研究院臺灣海
在科技部推動能源國家型科技計畫
內水下技術自主研發的能量，必有助
洋科技研究中心、中央研究院地球科
時，中山海下所著眼於必須藉此機會
於執行海洋科學研究、探索、調查與
學所三方形成科學與工程的跨領域
強化國家水下技術自主開發能量，因
開發，亦能強化國防力量。
研究團隊，進行海底地震儀（ocean
此也針對臺灣西南海域之天然氣水合
bottom seismometer, OBS）的自主
探勘調查，在民國 101 年向科技部提
研發。
出「甲烷水合物海域探測與採樣工程
中 山 大 學 海 下 科 技 研 究 所（ 以 下 簡
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泛起哪些漣漪？
會使原本互不相連的湖面上，
當心靈哲學家遇見神經科學家，
屬科學家的範疇。
提出假說、透過實驗設計進行研究，
是哲學家的法典。
身心意識、自我意志與精神存在，
思索大腦本質
科學月刊 589期 精采預告