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「拖人下水的是什麼?」文獻中的水鬼傳說

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林祉均|臺地方異聞工作室的成員,從小生長在新竹臨海的四代同堂家庭,對傳統習俗與鄉野奇談很感興趣,畢業於指南山下的中文系。

有清國人李某。織簑爲業。現住港邊街。是時攜一醬油瓶。在川岸石階下洗濯。既而其瓶忽自蕩開。越離越遠。李急於拾回。不顧深淺。幾幾乎沒頂矣。傍人見者。乃大聲疾呼以醒之。始獲無恙。或曰是必水鬼作崇。水鬼欲達其目的。

這是 1906 年 4 月 19 日台灣日日新報的內容,標題名為〈淡水川之鬼〉,當時人們認為此水域死過人,所以李某被迷惑心神,是因為溺死的冤魂要抓交替。

還有印象嗎?從小到大,在放暑假之前的結業式,在擁擠的大禮堂,台上的訓導主任會提醒同學們暑假要小心水邊,去玩水也要做好準備,不僅僅是因為暑假與農曆七月的時間相近,也是因為台灣的氣候與地形,在夏日常發生溺水意外。

對於夏日的想像,浮現的畫面大多會有陽光和水花,但夏日的河川與海洋有時並不像人們喜愛他一樣地親切。

台灣夏季的氣候,受到太平洋上熱帶氣團交互影響,週期性的降雨,加上台灣的地形起伏陡峭,常會造成對流性降雨,也就是俗稱的午後雷陣雨,溪水暴漲潰堤,只需要在一場午後暴雨或一個颱風過境,早上明明是風和日麗的天氣,往往下午就會有驟變,在山林裡更是常見。

溺水意外的發生,是天氣驟變或水域莫測,還是農曆七月的好兄弟伸出手,等著抓交替呢?這就要從文獻中的水鬼開始說起。

文獻中的水鬼傳說

關於水鬼,最恐懼的應該是冤死討交替的部分,非自然的死亡被認為是凶,死後不得投胎成為厲鬼。

根據林至穎(2014)收集的古坑鄉棋盤村傳說,嘉義的棋盤村和斗六梅林交界的梅林溪,常有抓交替事件,村莊的黃某曾救過被大水沖走的人,結果溪裡無形的冤魂跟著他回家,在村莊大鬧,關聖帝君的乩童到梅林溪,把不由自主一直要下水的的黃太太拉回來,帝君出動大輦,從村莊趕到郊外,村莊才恢復平靜。這件事五六十歲的村民都知道,也有很多人看見。[1]

但有些文獻記載的水鬼,其實並不像我們以為的那麼可怕,或者是撰寫者記錄下來的角度,有不一樣的故事。

最知名的水鬼故事是蒲松齡在《聊齋誌異》中寫的〈王六郎〉,淄川北鄉的許姓漁夫與水鬼王六郎成為好友,勸告王六郎不要因為投胎而抓交替害人,因為善心與漁夫的勸告,王六郎不再抓交替,而這份善心讓王六郎到招遠縣鄔鎮當土地神,成神後也給了許姓漁夫許多幫助,這故事也是水鬼城隍的源頭,但並不是蒲松齡的個人創作,而是經由記錄,適當加工修飾的民間故事。[2]

而比王六郎更早的水鬼抓交替的故事,是在南宋《新編分門古今類事》中〈黃裳與水鬼〉的故事。

而在臺灣的水鬼傳說,在《臺灣民俗》中有提到〈水鬼變城隍〉的記載,被貪財的轎夫所害的員外,被推下山洞淹死後成為水鬼,山洞旁的漁夫勸他不要害人,沒有抓交替的水鬼成為了城隍,因為不犧牲人命的水鬼會被升任為城隍。

除了水鬼城隍,在《臺灣民俗》一書中還有提到,在屏東潮州內埔鄉河邊,陳姓打鐵匠也苦勸水鬼不要因為轉世而害人,水鬼不再出來抓交替幫忙竹筏安全渡河,做了善事成為當地的土地公,而勸水鬼向善的陳姓鐵匠則在死後當了城隍。

《臺灣民俗》一書中這兩篇和水鬼有關的故事,都有提到水鬼抓交替才能轉世,也強調行善不害人的水鬼,最後成為神明的結果,而這些勸人為善的故事,情節大同小異,其實,更像是警世恆言影射社會[3]

安撫水鬼的一千種方法

從歷史文獻與民間故事可以看得出來,從古至今,人們都相信水中有鬼,並敬畏恐懼著。對於水鬼的態度,不只有恐懼,也有憐憫,甚至希望水鬼得到供養後能夠守護水域。

民間傳說看見水流屍要撿起掩埋,不然會遭殃[4]。而這些無主漂流屍後來成為了水鬼信仰,被尊稱為水流公,是類似有應公的存在,像是在八里的大眾爺廟,是河中漂浮的一群枯骨,人們撿拾埋葬後,相信大眾爺能鎮壓孤魂爺鬼。而社子島中州埔的威靈廟則是一對遇到船難的母子,地方人士收埋後,祂們常顯靈幫助居民,因為靈驗而建廟祭祀。

人們相信凶死枉死的厲鬼有靈力可以造禍也能造福,而水鬼透過人的祭祀轉化成守護神,不僅能安撫冤魂,也能庇佑鄉里。

口湖牽水藏文化。圖/BY Guyu1010 @wikimedia commons

除了水鬼信仰以外,居住在溪流水域附近的村落,都保有水域信仰,臺南地區有拜溪墘的祭儀,在宜蘭也有「拜駁」(駁,音近臺語的堤防)的傳統[5]雲林縣口湖鄉到現在每年舉行「牽水『車藏』(音同壯)」儀式,以道教的科儀超渡道光二十五年(1845)洪水罹難的數千村民,並祈求地方平安。

道教的「牽水『車藏』」科儀盛大,「車藏」是紙紮法具用來牽引亡魂,讓亡魂受到救渡而安息,在普渡儀式的前一個晚上,會在河邊放水燈,光亮接引亡靈上岸接受供養和超渡,在科儀文中寫到:

「傷念水溺孤魂鬼眾……月冷水寒,寂寂之沈魂何托…集茲冥福,用拔沈魂,寶號一聲,特為接引。」

在念誦的經文當中,可以看得出來,是以悲憫的口吻描述水鬼的境遇,希望能救渡亡魂,進而化解對水域的恐懼。

祭儀大多舉辦在農曆七月,在農曆五月端午時,宜蘭礁溪舉辦的龍舟競渡,也有濃厚的祭江、祭水鬼的意味,龍舟是宗教性的船隻,划龍舟這項習俗能驅逐河中兇邪,也有安撫供養水鬼的意涵,端午的起源屈原就是溺江而死,後來也成為有名的水神。

那拜了水鬼,拜了堤防,也拜了河流,還有「空間厭勝物」可以保佑,「厭」有壓制、鎮壓剋之的意思,水邊的厭勝物有許多種類,像是嘉義大林的水鬼傳說,在鹿堀溝旁建了一座阿彌陀公廟,廟裡有一塊阿彌陀佛石碑鎮壓與安撫水鬼,同樣是在嘉義,鹿草鄉竹林仔腳也有「龜塔」頭部朝向八掌溪鎮溪水[6],臺南的溪埔鄉和公塭仔共組蜈蚣陣,以此戲文對付曾文溪,遶境地區與戲文標題提及的方位都和曾文溪相對,希望溪不要隨意改道。

在不同水域環境產生各自的水域祭儀,透露出人對自然未知的恐懼,也有想要和平共存的誠意,年年不遲的祭祀是對自然與超自然的尊重,也是虔誠的希冀歲歲平安的庇佑。

溺水與抓交替的相似之處?

嘉義大林鹿堀溝,大莆林水鬼傳說所在地。圖/作者提供

水流湍急,以超乎想像的速度蔓延,腿腳因為潮濕的衣褲難以行動,載浮載沈,拼命仰頭想要呼吸空氣,水卻從喉嚨灌進胸腔,肺部未能即時換氣,難以抵擋向下拉扯的力量,大腦缺氧失去意識後,氣力放盡往水的深處沉去。

拖人下水的是什麼?致此的原因如何避免?

以較科學的角度,與溺水事故防救工作的統計,溺水的原因可以大致分為:人為、水域環境與場域管理,而我們自身較能掌握的是人為因素,但溺水原因最多的也是人為。

在夏季大熱天,興致一來就會想玩水,常常沒有穿著泳衣,或是沒有進行熱身就跳進水裡,也有喜歡尋求刺激的玩法,從高處一躍而下隨性跳水,但人啊永遠無法預測水底下等著的會是什麼。大約有九成的溺斃民眾是穿著長褲下水[7],濕掉的褲子沈重的貼著雙腳,造成行動力大幅度的下降,加上驚慌掙扎導致肌肉收縮身體僵硬,極有可能在獲救前體力耗盡,沉入水中。而男性溺水的比例遠高於女性大概是 14:1,因為男性在職業方面與水域環境接觸較多,男性也有較高的酒精消費,因為醉酒而失足溺斃的案例也是人為因素之一[8]

在水域環境的因素裡,臺灣有許多溪流都是「死亡水域」,像是新北市的大豹溪,還有曾文溪等,危險水域都會在岸邊立警示牌,但沒有立警示牌的水域,在下水前也要小心,看似清淺的水流,也會潛藏危機。水底的地形多變,一般民眾難以看清,有可能被暗流、急流與漩渦往下帶,撞到水底石塊而致命,反應不及造成恐慌,也會發生嗆水、溺水事故。

第三項溺水因素是場域環境,在水域附近是否有明確的標示牌,讓靠近水邊的人能清楚看到安全提示,警告人們以溺水的危機,而標示牌的用語、符號、顏色和形狀大小都有一定的規格,場域環境是否有救生樁、救生竿、救生圈與繩索,在危急時可以使用這些工具救命,在下水前檢查場域環境,確認好是否能下水,求生工具的位置,都有助於安全戲水。

當然,也會發生以上三種原因之外,不能解釋的因素,人們就此歸因於超自然現象,也就是流傳至今的水鬼抓交替,在想像中或是書籍裡水鬼抓交替的畫面,都是抓住溺水者的腿,往深水裡拖直到溺斃,這樣的畫面其實與人被卷進漩渦,或是因為缺乏熱身而腳抽筋很相似,加上季節與天氣的原因,夏天、暑假與鬼月時間重疊,農曆七月鬼門開後,長輩都會警告孩子遠離水邊,但暑假時分,又是學生結伴出遊的好時機,因為年輕氣盛喜歡冒險,或是經驗不足,很有可能發生溺水意外。

溺水時的自救小撇步

萬一真的不幸溺水了,還是有一些方法能自救。最重要的是冷靜下來保持體力,也是最難的一點,[9]盡力維持最少體力而在水中維持最長時間,像是以水母漂的姿勢在水中,利用身上或身旁任何可以增加浮力的物體,像是本來致命的長褲,脫掉後打結充氣就成了浮具。

抽筋時也有自解的方法,如果是大腿抽筋,可以使用水母漂的姿勢,抓住足背往後臀拉,輕輕按摩讓僵硬的部位變軟復原。預防抽筋要避免在身體不適或疲勞時下水,溪流海洋水溫過低也不要下水,下水前一定要熱身,飯前飯後劇烈運動後都不要立刻下水,隨時補充鹽分。

如果是被漩渦卷進要如何脫離?溪流衝擊形成的小漩渦,設法潛水解脫,也可以用爬泳的方式順著漩渦的離心力儘速衝出。

溺水的原因並非單一原因,如果是因為穿著長褲在吃飽或喝醉時從高處跳入深水,這樣的情況怪給水鬼,水鬼也會說:「這鍋我們才不背。」在夏日安全戲水,需要熱身,需要在下水前環顧四週,需要有一顆敬畏自然未知的心,心存善念別鐵齒嘴硬。

最後,祝願大家都有一個美好的夏日戲水時光。

資料來源

  •  [1]林至穎 (2014),《古坑鄉棋盤村南天宮信仰與傳說之研究》(碩士學位論文),國立臺南大學,臺南。
  • [2][3]劉守華(2002),《中國民間故事類型研究》,武漢,華中師範大學出版社。
  • [4] 李進憶(2009),《淡水河下游地區的「水信仰」–以水神及水鬼崇拜為中心》,《臺灣風物》58卷第1期,頁53~96。
  • [5]陳育麒(2014),《宜蘭水難的環境背景與「拜駁」(pài-poh)儀式的形成》(碩士學位論文),國立臺灣大學,臺北。
  • [6]楊家祈(2015),《臺南拜溪墘祭儀與聚落變遷之研究》(碩士學位論文),國立臺南大學,臺南。
  • [7][8] 陳國忠(2013),《消防在危險水域溺水事故防救工作成效評估之研究-以新北市為例》(碩士學位論文),中央警察大學,桃園。
  • [9] 張錦盛主編(2012),《水域安全與救生》,臺北市,中華民國水上救生協會。

 

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幹…細胞真的能用來養顏美容嗎?從諾貝爾獎到梳妝台之間的蟲洞

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科學新聞解剖室-案件編號 25

案情

愛美是人類的天性,隨著各種美妝保養品的推陳出新,相信一定有人注意到近年來和美容保養品相關的新聞或廣告頻頻出現一些很神奇的科學專有名詞,例如〈幹細胞撫孕紋 搶兩岸美麗商機〉這樣的新聞,報導開頭就說:

「幹細胞保養品」當道,生技業者看好兩岸美容保養品市場,利用幹細胞培養技術開發各類保養聖品,創造幹細胞在醫療領域外的「美麗商機」。

「幹細胞保養品」這種名號看起來就非常高科技,解剖員不禁回想起過去曾看過的一些與幹細胞相關的保養品廣告,真的是擦得、吃得、敷得一應俱全,隨手一抓就有一堆,例如:

……研究人員開始投入 Uttwiler Spätlauber 蘋果幹細胞的研究,因此創造了 PhytoCellTec™ 技術,這種技術不但可以有效萃取植物幹細胞、保存幹細胞活性……質地水嫩的凝霜易滲透於肌膚,釋放出幹細胞的再生能量……[1]萃取自瑞士一種罕見蘋果樹果實的幹細胞,它擁有增長細胞壽命、令肌膚重現生氣活力的特質,功效神奇獨特。

……藉著刺激老化皮膚幹細胞,準確並顯著地減少皺紋產生,令老化皮膚注入新生活力,從而令肌膚更年輕、緊緻,容光煥發。 [2]

……胎盤幹細胞時空膠囊,含有豐富的細胞增值因子,能快速進入肌膚真皮層,有效改善皺紋,維持緊緻彈力,活化肌齡凍結青春抗老精華……[3]

……人蔘幹細胞珍品膠囊,結合韓國人蔘幹細胞及人蔘皂苷,加入了抗衰老精華「鍺」,有助抗氧化,調補體質,延緩衰老…… [4]

……植物幹細胞面膜,含有高濃度補水玻尿酸、水光針精華、植物再生幹細胞,天然植物纖維材質,令面膜更貼膚,更好吸收再生精華,給肌膚帶來閃耀無盡年輕光彩![5]

……強效喚顏複合物,可修復幹細胞,並深入肌膚底層,強化肌膚結構改善細紋,讓肌膚更加緊實……[6]

……想要抗衰老,首重幹細胞的修復,補充幹細胞生長因子增加體內生長因子濃度活化體內幹細胞進行組織修復細胞再生。表皮生長因子能讓細胞重新進入生長週期具有修復表皮、抗衰老、淡化色斑、平復滋潤皮膚…[7]

……高科技天然海茴香植物萃取結合生長因子……從海茴香萃取出的植物幹細胞,最特別的是與人體皮膚細胞的同質性非常高,所以對肌膚能提供非常好的修護……達到抗老化效果。[8]

這些產品扯上幹細胞,看起來有多厲害就有多厲害,彷彿透過這樣的產品,皮膚就能回到最 Q 彈的青春階段,人人都可以擁有吹彈可破肌膚,這麼撼動人心的產品,能不乖乖掏錢嗎?!在醫學的應用上,幹細胞確實有「萬能細胞」之稱,但是轉換到醫美產品的應用之後,仍然有這麼神奇的效果嗎?看到這些頗為誇大的廣告用詞,解剖員自己都懷疑了。

美容保養產品扯上幹細胞,看起來有多厲害就有多厲害,彷彿透過這樣的產品,皮膚就能回到最 Q 彈的青春階段,人人都可以擁有吹彈可破肌膚,這麼撼動人心的產品,能不乖乖掏錢嗎?圖/BY Elnaz6 @wikimedia commons

解剖

一、你說的幹細胞是哪種幹細胞?

我們常在醫療相關的新聞中聽到「幹細胞」,例如再生醫療、臍帶血等等,近年來這樣的風潮跨足到美容保養領域,瞄準愛美人士的口袋,更是銳不可擋。但是大家口中說的「幹細胞」,指的都是同一種幹細胞嗎?

人體的幹細胞具有細胞分化與複製的能力,可以形成新的細胞來維繫器官或組織的功能,因此幹細胞在「再生醫療」的領域裡實佔有舉足輕重的地位。不過從功能的取向來看,它還可以進一步分成四類:「全能幹細胞」(Totipotent)、「萬能幹細胞」(Pluripotent stem cell)、「多功能幹細胞」(Multipotent stem cell)、「專一性幹細胞」(Unipotent stem cell);如果依照發育的先後順序來看,則可以分成「胚胎幹細胞」(Embryonic stem cell)和「成體幹細胞」(Adult stem cell)。

問題來了,前面許多令人怦然心動的廣告詞中都有提到的植物幹細胞(例如:蘋果幹細胞、蘋果樹果實的幹細胞、人蔘幹細胞、植物再生幹細胞)又是什麼呢?

國立清華大學生命科學院黃貞祥教授指出,通常我們提到的幹細胞大多是指人或是動物的幹細胞,如果要這樣亂套用動物幹細胞概念的話,那也可以說絕大部分的植物在某個程度上都是幹細胞,所以用植物來進行組織培養、嫁接、分枝等都是頗容易的事情。

此外,生物課本上會提到「分生組織」這樣的概念,指的是植物中原本就具有分裂分化能力的組織,習慣上它就真的會被稱作「植物幹細胞」,只是它跟動物的幹細胞仍然是天差地遠。所以直接用植物幹細胞來跟動物幹細胞裝熟,實在是有點太浮誇了。

此外,產品廣告中多數提到植物幹細胞的功用是修補受損肌膚、讓皮膚緊緻、年輕。但是促進植物生長發育的生長激素是小分子的化合物,而人體的生長激素則是由上百個胺基酸構成的多肽,兩者結構差距甚大,植物生長激素如何可能具有有動物生長激素的活性,進而影響人體呢?同理可知,就算動物幹細胞有可能可以分化為皮膚細胞、協助皮膚傷口的恢復,「植物幹細胞」再怎麼萬能,就算可以分化出其他類型的植物細胞,也不可能分化成動物細胞,甚至是去「修復幹細胞」或是「刺激老化皮膚幹細胞」。

各種類型的幹細胞,它們的功能與範圍都不相同,動物幹細胞跟植物幹細胞更是井水不犯河水。

然而,喜歡處處標榜幹細胞的保養品廣告,不是說萃取自「植物幹細胞」,就是強調能「修復幹細胞」,但總是沒有清楚說明可以修復哪一種幹細胞?以及背後幹細胞運作的機制究竟為何?對於廠商來說,幹細胞如何炒作顯然要比幹細胞如何運作重要多了。

二、幹細胞的生長因子是神奇的魔法嗎?

幹細胞保養品中另一個常見的宣傳亮點就是強調可以補充幹細胞的「生長因子」,這種感覺就好像服用了就可以讓體內擁有生生不息、源源不絕的能量,獲得返老還童般的效果。但是,「生長因子」是什麼呢?

一般學理中所指的生長因子(Growth factor),指的是能刺激細胞分化、增生的蛋白,它可以調節細胞之間的各類活動與功能,作為細胞間的信號分子,促進細胞分化與成熟。同樣地,「生長因子」的種類非常多,例如表皮生長因子、神經生長因子、血小板生成素等等,想利用生長因子或是其他能活化幹細胞的成分來驅動幹細胞的理想雖然豐滿,但骨感的現實是,生長因子本身光是在生理上的作用機制就非常地複雜。

驅動生長因子並不是在變魔法,不是唸唸咒語它就會照著你想的功能去誘導幹細胞作用。

圖/BY Pixhere

這個過程中,從要如何引導幹細胞、是否會引起免疫排斥反應、怎樣的環境才能穩定培養、最後該如何追蹤其成效,每個環節都涉及非常複雜的機制,尖端的科學家們都還在努力當中。所以想要透過簡單服用一粒藥丸就達到這些功效,恐怕是過度樂觀。況且退一萬步想,就算成分真的有效好了,人體吸收得到嗎?有些幹細胞保養品作成膠囊來服用,想像一下這些微小蛋白要通過龐大的消化系統吸收,然後再傳送到希望作用的身體部位,有人形容這過程就像是「有一艘太空船由火星發射,然後要精準且毫髮無傷地降落在你家後院般的困難」[9]

最後,解剖員再機車一下,幹細胞在培養過程中有辦法純化到僅剩下人體細胞所需要的營養成份嗎?有活性的幹細胞跟保養品其他成份放在一起會不會污染、變質?即便真的像產品所言,具有活化、修復肌膚的效果,一直刺激細胞,是否會對皮膚有不好的影響呢?總之,在科技生產技術尚未有具體突破之前,解剖員是不太相信幹細胞的神奇可以在現階段被濃縮於那一顆小藥丸中。

三、從諾貝爾獎到梳妝台之間有個蟲洞?

即使幹細胞的各種運用還在努力研發中,即使醫美相關產品的公司可能有誇大效果的疑慮,「幹細胞」仍是各界矚目的焦點,尤其是 2012 年諾貝爾生理與醫學獎得主山中伸彌和戈登在「誘導式多能性幹細胞技術」(iPS)的突破以後,使得再生醫學有了更進一步發展的可能,讓全能幹細胞的研究可以更有彈性,避免過往因為可能涉及胚胎幹細胞而有的倫理爭議。

但是,從諾貝爾獎的研究到應用、或是產品出現在梳妝台上,多數都還有一大段距離,不是一天兩天的事,有些化妝品或保養品宣稱自己的技術「一直走在最前面」,多數只是打腫臉皮充胖子。例如 2016 年諾貝爾生理醫學獎頒給研究細胞自噬機制的大隅良典時,解剖員記得就有保養品公司不只跟著祝賀,也要跟諾貝爾獎的研究肩搭肩,說自己的產品靈感來自於此;除此之外,更有某幹細胞保養產品在臉書的自我介紹裡寫著:「諾貝爾生理或醫學獎─幹細胞」。這些廠商攀親道故的功力真是一流,但是實際上從研究得獎到產品量產之間並不會那麼容易,除非從諾貝爾獎到梳妝台之間有個能夠穿越時空的蟲洞。

實際上從研究得獎到產品量產之間並不會那麼容易,除非從諾貝爾獎到梳妝台之間有個能夠穿越時空的蟲洞。圖/BY jw210913 @ Pixabay

解剖總結

除了「幹細胞」之外,也還有很多酷炫的科學名詞會是化妝品廣告的最愛,像是 DNA、RNA、端粒酶、左旋 C 等等,甚至是才剛有一些突破的重力波,儼然成為商品廣告的寵兒。雖然我們不是幹細胞系,經過前面的概述,大家可能對幹細胞已略懂略懂,但如果看完前面的內容還是讓你暈頭轉向的話,可以記住這幾個原則,或許能讓你比較容易在幹細胞保養品的迷惑中看清它的「美麗包裝紙」:

  1. 不管是要儲存細胞或是活化細胞的有效成分,通常都不會在室溫下、且保存期限也會極為有限。
  2. 幹細胞是很有潛力,但要讓它乖乖聽話的機制是很複雜的!而且在實驗室環境裡表現良好的幹細胞,也不能代表他在動物或是人體上就會有一樣的效果。
  3.  目前尚未核准任何與幹細胞有關的化妝品及保養品上市,在世界上通過的產品皆為幹細胞治療產品。如果真的有什麼驚天動地的重大發現,世界絕對比你還著急!

最後,黃貞祥教授也提醒,關於幹細胞療法的部份,有一些仍具爭議的研究指出,要注意幹細胞癌化的可能性,例如許多幹細胞療法之所以有潛在的效力,是因為用自己身上的成人幹細胞,或者用體細胞核去複雜胚胎再取胚胎幹細胞,這樣幹細胞內的基因體才會和自己的完全一致,而不至於發生免疫反應。如果貿然使用外來幹細胞來進行治療,不僅可能引起免疫排斥反應,甚至這些外來幹細胞如果沒被免疫系統殺光,反而要擔心服用者的免疫系統可能因此掛點。

所以幹細胞治療所可能導致的潛在風險,還需要被進一步的研究才能確知,這還是一條十分漫長的道路。

總結以上論點,沒有人可以正確判斷每一則尖端科技訊息的真偽,我們唯一的應對良策,就是時時抱持著質疑的態度。尤其是在茫茫的科學偽新聞、科學偽廣告之中,必須要靠著自己的「判讀力」才能讓自己武運亨通、守住荷包。最後,來練習一下:

……以獨家「抗引力太空科技」,全新加入樹蕨萃取與鳥苷精華,能有效對抗引力,恢復肌膚凝聚力……
……超越肌膚極限,打破 DNA 定律……
……含有端粒酶因子,只要輕輕將該眼霜塗在眼週上並輕輕按壓,不油且吸收快,滋潤眼周……

有了前述的基本功,再看到這些新科技加持的保養商品廣告,還會腦波微弱地、豪爽地掏錢嗎?或是有產生一些疑問呢?依據前述的解剖,本解剖室針對幹細胞保養品系列廣告給予以下評價(14 顆骷髏頭):

(策劃/寫作|雷雅淇、賴雁蓉、黃俊儒;科學專家|黃貞祥)

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《麻醉風暴》的背後:當我們在乎那些戲劇裡的知識與真實

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文字/馬嘉駿       編輯 / y編、v編

2015 年引發熱烈討論的醫療推理劇《麻醉風暴》,第二季將於2017 年 9 月 9 日上映。劇集主題包含討論醫病關係、醫療體系崩壞等相關劇情,雖然是看似生硬難親近的知識劇,卻因為彷若身處現場的手術場景、切實地描述了臺灣醫師過勞問題的現況,在這些充滿「真實感」設定的氛圍下,《麻醉風暴》廣受好評。但你會不會也跟我們一樣好奇:醫療知識的真實感如何在戲劇之中重建?導演、編劇、演員與醫療顧問之間又是如何配合的?

這次由國立成功大學醫學、科技與社會研究中心以及國立中正大學科學傳播教育研究室所共同主辦的「科技溝通:理論與實踐」工作坊中的「永不妥協?當科學遇上戲劇」場次上,邀請到了《麻醉風暴》的導演蕭力修、編劇黃建銘與醫療顧問黃英哲醫師,來告訴我們:一部細節求真的醫療知識劇,究竟是怎麼誕生的?戲劇效果的呈現和真實性又是如何拉扯、互相協調的?

麻醉風暴2封面照。圖/公視-麻醉風暴

醫療劇本的產生?爬格子之外的考證與觀察

《麻醉風暴》第一季改編自編劇黃建銘的原創故事《惡火追緝》,原本其實是推理警探劇,但因為拍攝預算考量的關係,劇本保留了推理的架構,但主題改成了敘述醫師與醫療現況的醫療劇。

編劇寫故事要找「衝突性」,醫療的衝突現場就發生在手術房。《麻醉風暴 2》劇照,圖/公視-麻醉風暴

「編劇寫故事要找『衝突性』,醫療的衝突現場就發生在手術房。」黃建銘說。雖然關於執行手術的外科醫師的故事其實很多,有實際拍成電視劇數量更是不在話下:像是美劇《實習醫生》 (Grey’s Anatomy)、日劇《醫龍》(医龍)、又或是去年也相當火紅的韓劇《浪漫醫生金師傅》(낭만닥터김사부)。「(但)手術房裡還有一位重要卻常常被忽略的角色,(於是)麻醉科醫師就成為了我這次書寫的故事的主人翁」黃建銘表示。

那貫穿《麻醉風暴》故事線的「醫師過勞」問題,又是如何發展出來的呢?

黃建銘在進行資料研究時,首先察覺的是「麻醉醫生不知道在累什麼」、「全台麻醉醫生僅千位」……等等的現況。除此之外,他實際走訪醫院觀察之後,看到每位麻醉科醫師的確看起來都睡不太飽「黑眼圈很重!」黃建銘擔心地說。後來擔任此劇醫療顧問的黃英哲醫師也向他證實,有些麻醉科醫師是極有可能會發生一個人要照顧三至五間病房的情形,也因此更讓黃建銘確立了想藉《麻醉風暴》彰顯醫師過勞等醫療體制缺陷的主軸。

《麻醉風暴》劇照,圖/公視-麻醉風暴

第一季首集點破故事的「院長示範刀」令人印象深刻,也讓人更加好奇:作為一位醫學的外行人,怎麼能建構如此逼真的手術場景?「其實就是查資料,接著跟我們的醫療顧問討論在醫療現場發生的可能性。」黃建銘謙虛地說。像是為了發展劇情的衝突點(通常就是要讓人領便當的時候……),黃建銘透過爬梳研究資料時發現了有病人因麻醉引發惡性高熱(Malignant hyperthermia)施打單挫林(Dantrolene)無效而死亡的案例;接著再和醫療顧問黃英哲醫師確認發生機率、醫學術語、急救流程,才還原這場驚心動魄的手術經過。

有沒有演員其實就是醫師的八卦?

沒有醫療經驗的黃健瑋,如何詮釋蕭醫師這個角色?《麻醉風暴2》拍攝現場,圖/公視-麻醉風暴

「Pa CO2 75,lactate 接近 10,PH7.2,明顯酸中毒,確認是惡性高熱。」

一連串醫療術語從黃健瑋所飾演的麻醉科醫師蕭政勳口中說出,毫不生澀彆扭,讓人忘記他根本不是醫師!究竟沒有醫療經驗的演員,該如何詮釋「醫師」這樣專業的角色?

黃英哲醫師正在指導劇中演員黃健瑋。《麻醉風暴》拍攝現場,圖/公視-麻醉風暴

「在手術室裡,外科醫師像是主導棒球比賽的投手,而麻醉醫師就像捕手,控制整個團隊的運作。」身為科學顧問的麻醉科主任黃英哲醫師如此比喻。劇組一方面請他親自指導在劇中飾演麻醉科醫師的演員黃健瑋,另一方面也結合麻醉科基礎學程實際使用的書籍,以及透過假人模擬手術等等的情景重建,讓黃健瑋「專業上身」。

「其實健瑋很愛跟我聊天、到處抓著我問問題!」黃英哲醫師笑著說。黃健瑋所飾演的醫師表面冷酷、內心情感豐富、手術中則透露出專業,這樣富有醫師魂的演出,絕對不是只靠想像力就能再現,還需要透過演員和醫療顧問在演出前的訓練、在拍攝現場不斷反覆溝通,才能夠有如此精準的表現,就是要讓觀眾大聲驚呼:「他是真的醫師吧!?」

「手術房儀器的聲音不對」戲劇效果和醫療事實的拉扯

雖然戲劇人與科學人要求作品求真、求好的方向是一樣的,但不同專業領域的人會有不一樣的出發點,難免會在戲劇效果和真實之間有些拉扯,蕭力修導演也說:「其實當初,呃拍《麻醉風暴》它其實沒有太多的使命是說它要去呈現一個科學或者是知識上的東西啦!(…)它是一個要拍一個電視劇然後讓閱聽人可以有興趣這樣。」那當兩者之間有衝突時,又該如何互相妥協呢?

劇組正在與黃英哲醫師做討論。《麻醉風暴》拍攝現場,圖/公視-麻醉風暴

《麻醉風暴 2》中有一幕手術室的場景,曾為了生理監視器的「聲音」,導致真實與戲劇性之間的拉扯。當患者心跳在 110-120 跳時,生理監視器的「嗶嗶」聲理應上是每秒兩聲;但為了要營造醫師之間的緊張感,後製將嗶嗶聲加快,企圖讓觀眾跟著緊繃起來。但黃醫師堅持認為這個畫面的嗶嗶聲和心跳數據不符,而且聲響已經快到醫生應該要馬上對患者進行檢查,根本沒有時間說台詞的危及程度。「對醫生來說,任何儀器的聲響我們都很敏感,一有異常可能就要停止手術,採取不同處理方式。」

生理監視器。圖 / Wikimedia

「最後這個畫面後製做了調整,當只有手術房環境音時,生理監視器的聲音依據黃醫師的建議,改為每秒兩聲;可是當演員台詞一出來,就將聲音拉低,以免拖慢緊張情緒。」蕭力修導演說。

「牽扯到生命,要很仔細!」黃英哲醫師認為,不論是醫療現場、或是醫療劇,都應該要有這樣的堅持。比如說我們常在電影、電視劇看到:當角色心跳停止,旁人便匆匆忙忙對他施予電擊,然後就恢復了心跳,這其實就是很常見的為了戲劇效果而扭曲醫療現場現況的錯誤示範。對於急救人員來說,只有在心律不整時才會施行電擊,絕非心跳停止。「作為顧問,我希望麻醉風暴不要犯顯而易見的錯誤!」黃英哲醫師說。

對於急救人員來說,施行電擊條件是在心律不整的時候而非心跳停止。《麻醉風暴》劇照,圖/公視-麻醉風暴

《麻醉風暴2》再進化!醫療顧問團隊坐鎮

「我們有個想講的故事,於是透過觀眾容易看懂的方式,以及希望觀眾不被醫療細節打斷劇情的想法去呈現,所以我們努力去貼近醫療現場的真實!」蕭力修導演點破製作《麻醉風暴》的核心價值:一切求真。

要拍跨國前線醫師,那就去約旦拍攝吧!《麻醉風暴2》拍攝現場,圖/公視-麻醉風暴

即將上映的《麻醉風暴2》,要拍跨國前線醫師,那就遠赴約旦拍攝;要拍大型工安意外,那就搭建捷運爆炸場景;要有更多手術畫面,那就組成多達五人的醫療顧問團隊。

第二季劇情聚焦於外科和麻醉科醫師、老中青三代醫師互動的兩項議題,因此原本由黃英哲醫師主導的醫療顧問團隊,成員又加入了不同年齡層與不同科別的醫師,好在劇本編寫、拍攝現場和後製三個階段,給予更多確實的醫學建議。尤其經過第一季劇組和顧問之間的磨合,蕭力修導演笑稱:「這次的溝通更加系統化!」而在拍攝現場,副導演和場記會持續與醫療顧問討論,降低拍攝失真的風險。

憑著對戲劇的真實要求,《麻醉風暴》劇組不厭其煩地調整修正,只為了把戲做到最真。有如第一季副標:「Wake up」切中了麻醉科醫生最重要的工作──喚醒病人,也彷彿喚醒了臺灣知識劇的新可能。第二季副標:「Never give up」,且讓觀眾繼續拭目以待:知識劇的漫漫長路,《麻醉風暴》能否繼續堅持走下去,開拓新的高度與視野。

《麻醉風暴 2》第二季副標:「Never give up」。圖/公視-麻醉風暴

延伸閱讀:

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尋找馬約拉納費米子:披著狼皮的羊,固態系統中的電子

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張泰榕/國立成功大學物理系助理教授|專長為理論凝態計算物理。研究興趣廣泛,包括各種拓樸材料、多鐵材料、低維度材料、磁性材料、過渡金屬氧化物、超導材料與半導體界面物理。

前些時日,以加州大學洛杉磯分校(University of California, Los Angeles,UCLA)王康隆教授為首的國際團隊在 Science 雜誌上發表了一篇與馬約拉納費米子(Majorana Fermion)相關的文章。頓時各大媒體爭相報導,各類新聞鋪天蓋地而來,彷彿物理界產生了歷史性的大發現,又開啟了一個新時代。

圖/BY 每日頭條

更甚者有報導提及,諾貝爾物理獎得主楊振寧教授斷言,這必獲「諾貝爾獎」,或「結束物理界對這神秘粒子長達80年追尋」等言論。雖然能讓大眾注意到物理圈內發生的事情讓人感到高興(畢竟多數人在國高中被物理荼毒太久了,已對它退避三舍),但這類被放大的標題還是有必要請大家靜下心來冷靜看待,畢竟物理還是相對嚴謹,自然是最終的答案。

為了能更客觀地看待這次在 Science 上的工作,在之後的段落中,筆者將概略介紹什麼是馬約拉納費米子,之後介紹固態系統中電子的特性,最後回到 Science 上的工作。筆者欲強調,為了盡可能讓各領域、各年齡層的讀者了解這次的發現,之後的介紹將忽略所有實驗與物理細節,以概念簡介為主,因此嚴謹方面難免無法兩全兼顧,有興趣想更深入了解的讀者們,可閱讀其他專業性文章。

馬約拉納費米子

馬約拉納費米子。圖/Alexey Drjahlov, CC-BY-SA

1928 年,物理學家狄拉克(Paul Dirac)建立了狄拉克方程式,成功整合了量子力學與狹義相對論,至此,自旋 1/2 費米子(Fermion)的行為都能以這條方程式來描述,例如大家熟悉的電子。狄拉克方程另一偉大之處在於預測了反粒子的存在,一個典型的例子是正電子,無論質量或自旋都與電子相同,卻帶有相反的電荷。

1937 年,義大利物理學家馬約拉納(Ettore Majorana)發現狄拉克方程式可以用其他形式改寫,此方程式(馬約拉納方程式)給出了一個完全異於狄拉克方程式的解。馬約拉納方程預言了一種全新的粒子,它的粒子本身即為自身的反粒子,稱為馬約拉納費米子(Majorana Fermion)。之後的 80 年間,一部分的高能物理學家一直嘗試著尋找這種奇異的基本粒子。這期間雖然出現幾位呼聲很高的候選人,例如微中子(Neutrino),但一直沒有觀測到決定性的證據。

固態系統中的電子行為

除了高能物理,回到較為實際的層面,與我們生活息息相關的不外乎各種材料(固態系統),例如半導體、金屬等。而構成材料本身即為電子、質子與中子。電子在其中扮演著至關重要的角色,無論電流傳輸,化學鍵結等行為都與電子脫不了關係。我們可以回到一個有趣的問題,為什麼電子如此簡單的基本粒子卻可以讓材料表現出如此多采多姿的特性?確實,如果電子存在完全真空中,那它的行為很簡單,容易預測。但真實材料中不只具有電子,還有材料內各種原子排列所形成的晶格(lattice),當電子與晶格發生交互作用時,就會產生很多令人意想不到的結果。

如果把真空中的電子比喻為在平地行走的人,那材料中的晶格就像是在地形上加上各種變化。例如當晶格效應像高山深谷一般,電子的移動就會受到阻礙而變慢,如果忽略晶格環境只看電子本身,好像電子「變重了」。反之如果晶格效應像一個瀑布,在上面移動的電子就能以超乎尋常的速度來傳輸電流,彷彿我們的電子元件不是在傳遞電子,而是傳遞某種超速粒子。

如果晶格效應像一個瀑布,在上面移動的電子就能以超乎尋常的速度來傳輸電流,彷彿我們的電子元件不是在傳遞電子,而是傳遞某種超速粒子。圖/BY vitieubao

由前述例子可以發現,同樣都是電子,但這些在固態系統中的電子所呈現出的物理性質可以異於一般的自由電子,它們就像是披著狼皮(環境下的電子)的羊(電子),好似我們找到了電子之外的某種新基本粒子[註一]。

UCLA 團隊在 Science上的工作

電子在材料中運動時,因與晶格產生交互作用,使得電子所表現出的整體行為完全異於真空中的自由電子。在量測其物理特性時,好似我們在觀察新粒子,不像是在量測電子。因此一部分的凝態物理學家就運用此特性,藉由晶格效應所提供額外自由度所產生的準粒子,嘗試在固態系統中實現高能物理中尚未找到的基本粒子[註二]。其中最著名的例子就是石墨烯(graphene)中的無質量狄拉克費米子(massless Dirac Fermion)與鉭化砷(TaAs)中的外爾費米子(Weyl Fermion)。而這次 UCLA 為首的國際團隊即是運用這種準粒子的觀念,嘗試在固態系統中實現馬約拉納費米子。

一部分的凝態物理學家就運用此特性,藉由晶格效應所提供額外自由度所產生的準粒子,嘗試在固態系統中實現高能物理中尚未找到的基本粒子,石墨烯即是一例。

尋找馬約拉納費米子不只在高能物理,甚至在凝態物理中都是一項重要的工作,它不但能幫助我們了解宇宙中的基本物理,更有機會提供未來在科技上的實際應用。例如馬約拉納費米子有機會用於穩定量子位元(quantum qubit),藉以實現量子計算與量子電腦。

固態中馬約拉納費米子的實驗觀測證據奠基在零偏壓電導峰(zero bias conductance peak)[註三]、半整數量子化電導(half-integer quantized conductance )以及最重要的非阿貝爾統計(non-abelian statistics)[註四]特性。UCLA團隊並不是第一個嘗試測量固態中馬約拉納費米子的實驗組,在此之前已有許多實驗團隊在不同系統中觀察到零偏壓電導峰的訊號,但因造成零偏壓電導峰的原因很多,單一證據並不能完全證實發現馬約拉納費米子。

UCLA 團隊最重要的貢獻在於他們是世界上第一個在超導體/反常量子霍爾絕緣體(一種可能具有馬約拉納費米子的候選材料)異質結構中觀測到半整數量子化電導訊號,且實驗結果與史丹佛大學張首晟教授團隊(Science的共同作者)先前的理論預測相符。前面有提過一般電子都有正反兩種粒子,但馬約拉納費米子本身就是自身的反粒子,因此等效來說馬約拉納費米子可以想像成「半個電子」。一個電子的量子化電導為,同理,半整數量子化電導則為觀測馬約拉納費米子的重要實驗證據。在排除各種誤差與雜訊後,因其他物理效應皆不易產生半整數量子化電導,因此這次的實驗證據比零偏壓電導峰更具有信服力,替證實馬約拉納費米子又邁進了一大步。

至此,物理學家們已經驗證了固態中馬約拉納費米子的兩個特性(零偏壓電導峰與半整數量子電導),之後如能證實系統中的準粒子遵守非阿貝爾統計,將成為證實馬約拉納費米子的重要證據。

註釋

  • ﹝註一﹞固態系統中的粒子依然是電子,並不是真正的高能基本粒子或新粒子,但當電子與材料晶格交互作用後所產生的整體行為卻表現出類似新粒子的特性,專業術語為準粒子(quasi-particle)。物理學家可以藉由研究準粒子的特性來模擬真實高能基本粒子的物理性質或開發新材料。
  • ﹝註二﹞之後所提及的粒子都是指準粒子,不是真正的基本粒子。
  • ﹝註三﹞零偏壓電導峰:測量外加偏壓對dI/dV(I=電流,V=電壓)的關係,可在偏壓等於零的位置測量到一個明顯的dI/dV峰值。
  • ﹝註四﹞非阿貝爾統計:不滿足交換率A×B≠B×A。兩個費米子(例如電子)交換波函數(wavefunction)會差一個負號,而兩任意子(anyon)交換波函數會差一個相位,又馬約拉納費米子為一種任意子,因此可以預期它的統計行為會和電子截然不同。

感謝鍾佳民博士、曾郁欽博士以及蘇書玄博士的討論與意見。


 

 

本文選自《科學月刊》2017 年 9月號

什麼?!你還不知道《科學月刊》,我們 47 歲囉!

入不惑之年還是可以當個科青

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數學是與生俱來的天賦,還是文化下的產物?

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文/ 性感的小腳脖 |心理學愛好者、經濟學愛好者,科學人科普作者

買菜、找零、理財、看時鐘……生活中處處有數學,我們從小就能處理與數字有關的問題。那麼,這種數學本領從何而來呢?

數學不用「學」,因為人類本來就會?

哲學家、數學家勒內‧笛卡爾(Rene Descartes,1596~1690)可能會說:它們生而有之。以笛卡爾為代表的理性主義流派認為:人類最初的知識是不「學」自明的,從學習中獲得的知識,要麼不準確,要麼就會誤導人;因此可靠的知識不能來自感覺經驗,而只能來自人心固有的天賦觀念。

對此,不少心理學家紛紛表示認同。他們認為存在一種天生的數學內核(mathematical core),通過自我慢慢發展,這種數學內核最後會「長」成我們所熟悉的一切數學能力 [1]。動物和我們一樣,也擁有數學內核。換句話說,只要發展得當,動物們也能「長」出各種各樣的數學能力來。

這匹名為「聰明漢斯」的馬曾被認為可以做計算,不過後來有心理學家發現它只是在根據出題人的暗示做出反應。圖/By Karl Krall – Karl Krall, Public Domain, wikimedia commons

長久以來,心理學家都支持「數學天賦論」:數學能力是人類自打娘胎裡出來就有的能力。有些研究發現,10~12 個月的嬰兒已經知道 3 個黑點和 4 個黑點是不一樣的 [2],甚至有研究還發現,剛出生三四天的小寶寶就已經能辨別 2 和 3 的差別 [3]

除了咿呀學語的嬰兒,大猩猩、老鼠、鳥、貓、海豚、大象等動物也被證明能夠處理數學問題 [4]。無論是繈褓中的嬰兒,還是遠離「世俗」的動物,它們都沒有機會接觸系統的文化和教養,這些證據似乎說明數學能力是一種與感覺經驗無關的天賦。

然而,在數學認知領域深耕了二十多年的拉斐爾‧努涅斯(Rafael Núñez)教授對此表示反對。

努涅斯是加州大學聖地牙哥分校認知科學系教授,近日他在《Cell》旗下期刊《認知科學進展》(Trends in Cognitive Sciences)上發表了一篇綜述文章 [5],系統地總結了 30 餘年來有關「數學能力起源」的論文。在文中,努涅斯旗幟鮮明地反對「數學天賦論」。他表示:

過去之所以將數學能力視為一種不學而能的天賦,是因為混淆了一些與之有關的概念,數學能力沒有天賦,只能是文化的產物。

「數學天賦論」到底有何不對?

人們對數量的識別和辨認,存在兩種通路 [6]。一種被心理學家稱為「數感」(subitizing),它能在一眨眼之間(通常小於 100 毫秒)就完成計數任務,而且正確率接近滿分。但是數感的容量有限,一般只能存在 1~4 個數量。一旦超過 4 個數量,就該另一種通路「大數表徵」(large quantity discrimination)發揮作用了。雖然大數表徵的容量無限,但它的計數能力非常糟糕,不僅慢而且不準確。

舉個例子,在下圖第一排中,我們一眼就能看出每個方框中各有多少黑點,這是數感作用的結果;然而,第二排就很難一眼看出來了,如果硬要用眼睛看的話,那麼我們只能得到一個近似的答案,這就是大數表徵。

第一排可以利用數感一眼就看出黑點的個數,分別為 2、4、3、1;第二排則沒有辦法一眼看出,只能慢一點兒數清楚,分別為 6、5、8、7。作者製圖

通過總結,努涅斯教授列舉了數學天賦論的三大問題:

首先,數學天賦論帶有明顯的目的論(teleology)色彩。所謂目的論是指,對現象的解釋是依據它的用處,而不管它的內在形成過程是什麼樣。比如說,目的論認為人之所以有眼睛。是因為人要看東西,而不是因為有了眼睛所以人才能看見東西。數學天賦論對數學能力的解釋正是如此:因為數學在生活中能提高人和動物的生存優勢,所以大自然才選擇了它。

但是,作為數學能力生物前提的數感和大數表徵,並不能單獨形成完備的數學能力,後者必須在語言、符號等文化因素的「催化」下才能實現。努涅斯用滑雪運動做了一個類比,身體平衡和直立行走能力都是滑雪的生物前提,但不能因為身體平衡和直立行走是自然選擇的產物,我們就說滑雪技術也是一種天生的本領。

其次,數學天賦論忽視了原始社會居民的情況。目前的研究大多是以現代社會居民作為被試(特別是大學生),他們在實驗中展現出了豐富多彩的數學能力。然而,原始社會居民的數學能力卻十分匱乏。不像現代人的數學系統能表示 10 個以上數量(比如中文能數到 10,英語能數到 12),絕大多數的原始部落居民只能表示 5 以下的數量,更有一些部落的數學系統中只有 1 和 2。這就說明,離開了現代社會這個大環境,人類的數學能力還僅僅停留在最原始的水準上。因此,原始社會中所缺少的文化因素,一定是數學能力發展的必要條件。

最後,努涅斯認為當前動物研究的結果也存在過度推廣。那些能在實驗中展示數學才能的動物們,都接受過特別的訓練。努涅斯在文中就列舉了一項研究,為了學會識別簡單的數字,猴子們學習了近四個月,嘗試了 2 萬餘次,即使這樣,它們的準確率也只能達到 75%。而且,實驗室環境也經過了精心佈置,有很多細節都有利於動物們表現數位能力。然而,大自然中的動物從來沒有接受過訓練,它們的生活環境也沒有任何人為因素。因此,實驗室中的動物在多大程度上能代表全體動物們呢?這要打上一個問號。或許我們只能說,實驗室中的動物才具有數學能力。

這只黑猩猩記憶數字的能力甚至超過人類,不過很難說它有沒有數學能力。圖片來源:Tetsuro Matsuzawa

會區分多跟少,不表示你會數學!

努涅斯表示,心理學家過去對於「數學來源於天賦」的誤判,可能與他們濫用名詞有關。努涅斯特別強調了「數量」(quantitative)與「數字」(numerical)的不同,前者指簡單地感知到不同數量之間存在區別,而後者則是借用符號進行更為抽象的運算

說白了,心理學家所認為的我們與動物共有的數學能力,應該叫做「數量能力」,它是一種更接近知覺層面的現象,就像我們能感知物體的大小、顏色、方向一樣。努涅斯認為,心理學家將這種知覺現象混淆成了數學能力,他們經常引用的證據,說嬰兒和動物也能區分不同數量,這其實是一種天生的知覺現象,與數學無關。因此,能夠區分「少」和「多」之間的差異,並不能說是掌握了數學能力。只有在經過語言和符號的轉化後,這種知覺現象才能進一步發展為我們現在稱之為數學的那種能力。

在努涅斯看來,分得清3個蘋果比1個蘋果多,並不能等同於數學能力。圖/By julenka @Pixabay

靠先天還是靠後天?該學還是得學呀!

「數學能力是文化的產物」,努涅斯的觀點一發出便引起了爭議。

同一期的期刊上還刊登了德國圖賓根大學動物心理學家安德里亞斯‧尼德(Andreas Nieder)的反駁短文 [7],他認為數學是大腦的產物,而大腦的生長模式早已由基因「預設」,因此數學只能是天生的。雖然大腦有可塑性──大腦隨環境變化而發生改變,但尼德認為這種可塑性的影響微乎其微,因此文化對數學並沒有多少干涉能力。

這兩位同行之間的爭論還在繼續,但無論數學能力是先天還是後天的產物,該學的數學還是要學啊!

參考文獻

  1. Wynn, K. (1998).An evolved capacity for number. In The Evolution of Mind (Cummins, D.D. and Allen, C., eds), pp. 107–126, Oxford University Press.
  2. Antell, S. E., & Keating, D. P. (1983). Perception of numerical invariance in neonates. Child Dev, 54(3), 695-701.
  3. Strauss, M.S. and Curtis, L.E. (1981) Infant perception of numerosity. Child Dev. 52, 1146–
  4. 楊偉星, 張明亮, 李紅霞, 楊雅琳, &司繼偉. (2017). 人類基本數學能力的進化證據. 心理科學進展, 25(5), 810-824.
  5. Núñez, R. E. (2017). Is there really an evolved capacity for number?. Trends in Cognitive Sciences, 21(6).
  6. Mandler, G., &Shebo, B. J. (1982). Subitizing: an analysis of its component processes. Journal of Experimental Psychology General,111(1), 1-22.
  7. Nieder, A. (2017). Number faculty is rooted in our biological heritage. Trends in Cognitive Sciences, 21(6), 403–404

本文版權屬於果殼網(微信公眾號:Guokr42),原文為〈数学能力是人类固有的天赋?有人不这么看〉,禁止轉載。如有需要,請聯繫sns@guokr.com

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陳良基:我會跟外星人交朋友

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陳良基部長接受泛科學訪問。圖/BY 泛科學

1956 年夏季,由約翰·麥卡錫(John McCarthy)、馬文·閔斯基(Marvin Minsky)、克勞德·夏農(Claude Elwood Shannon)等科學家組織的達特茅斯會議(Dartmouth Summer Research Project on Artificial Intelligence)邀集了數十位科學家,花了兩個月時間探討,並確認了「人工智慧」作為一門學門的誕生。就在約略同時,陳良基出生於在雲林縣的新湖村。

61 年之後的現在,陳良基成為科技部成立後第四任部長,上任後力推人工智慧,同時也接手處理諸多棘手挑戰,包括研究誠信爭議、高等人才流失、以及科技部定位模糊等。帶著來自泛科學社群的好奇,我去找了陳部長聊聊。

「僵化啦,就是什麼都動不了!」

一開始就直率到讓我呵呵笑的科技部長陳良基,戴著眼鏡,穿著標準的「教授牌」直條紋白襯衫跟深灰色的西裝褲。在他位於科技大樓的辦公室中,書架上看過去都是專業科研期刊,大大的茶几上放著一個不大的地球儀,除外沒有什麼多餘的擺飾。

直率的科技部長陳良基,戴著眼鏡,穿著標準的「教授牌」直條紋白襯衫跟深灰色的西裝褲。圖/泛科學

下注在年輕科學家身上

對被稱為「點子王」的陳良基來說,公務機關的確沒那麼好施展,那又該怎麼做呢?上任立即拋出研發、創新產業、人才培育三大目標,他強調:

「小國大戰略,小國不代表沒機會,但要策略精準。」

陳良基認為基礎科學非常重要,基礎科學有突破才能有後續。如果從諾貝爾獎來分析,大部分諾貝爾獎得主的發明與發現是在他們 25 到 37 歲之間完成的,所以若真的要爭取諾貝爾獎,他認為關鍵在於先讓年輕的學者跟學生有好的發展機會,而年輕學者更該是科技部投資的主要標的,因為年輕學者可以帶出優秀的學生。

為此,陳良基要求科技部提出特殊獎勵方案,希望能有一筆專門的經費來養成年輕學者,在基礎科學領域深耕,讓他們的想像力能有機會實現。

方案規劃一年選出五十位年輕學者,以五年為期,給予數百萬等級足夠經費,最重要的審核標準就是想像力跟原創性。「年輕學者的養成,想像力比知識重要,要讓科學家帶領我們」,他稱之為「愛因斯坦計畫」。

陳良基要求科技部提出特殊獎勵方案,希望能有一筆專門的經費來養成年輕學者,在基礎科學領域深耕,讓他們的想像力能有機會實現。圖/BY Weipeng_Lin@Pixabay

除此,陳良基認為台灣的年輕科學家要能離開本地,在國際學術上有地位,於是他另提出與「愛因斯坦計畫」銜接的「哥倫布計畫」,鼓勵 40 歲以下的科學家探索科技新大陸、爭取國際學術地位。這項計畫經費增加到每年千萬等級,五年一期。兩個計畫加起來,預計每年能讓 80 位台灣最優秀的科學家突破既有限制。在四年的前瞻計畫期間內,就可以讓將近 300 位嶄露頭角。後續若效果不錯,陳良基希望能納為年度計畫,讓一代又一代的生力軍一棒接一棒。

「我們賭在年輕學者上,等他們以後有機會,可以反過來帶領台灣,」他說。

基礎研究由專業主導,專案研究重在地需求

投資在年輕人身上說起來政治正確,不過科學研究領域那麼多那麼雜,要如何平衡發展?

回到小國大戰略的基礎,陳良基認為平衡是假議題,基礎研究不能講求平衡,而是要交由專業來判斷。當然,針對不同的專案,政府還是有考量,畢竟不是每個領域,台灣都要或都能投入大筆經費。例如在地震頻發的台灣,就設有國家地震工程研究中心,他認為像這種特定主題沒有平衡的問題,而是每年都要投入固定經費。陳良基更表示,他一直認為台灣是個海洋國家,在海洋科學上就該投入更多才對。

講到這,就不得不提到目前國內外都大力投入的人工智慧了。陳良基認為人工智慧是台灣產業躍升最重要的一波機會,科技部也將在未來 5 年投入 160 億,推出五大計畫,第一要建立大規模的共用高速運算環境,讓 AI 技術服務公司可以運用,再者則是創設 AI 創新研究中心,形成世界級的研發聚落,培養人才。第三是打造智慧機器人基地,讓軟硬整合。第四要讓台灣的強項半導體結合 AI ,以射月計畫協助半導體產業進入 AI 時代。最後則是帶動社會參與,舉辦科技大擂台,廣邀好手挑戰重大課題,第一波擂台挑戰就是「與 AI 對話」,以電腦的中文聽力理解為競賽主題。

陳良基認為人工智慧是台灣產業躍升最重要的一波機會,科技部也將在未來 5 年投入 160 億,推出五大計畫。圖/BY geralt @ Pixabay

以第四項半導體射月計畫來說,陳良基特別強調「AI Edge」,也就是 AI 在終端的應用。再往五年後、也就是 2022 年去想,到時全面進入物聯網社會,大家使用的設備將會激增,都將具有深度學習能力。要讓這不遠的未來能夠真的實現,現在就要開始開發能源損耗更低、待機時間更長、能讀寫快速及擁有智慧運算能力的記憶體。另一重點就是要做出高效率、高靈敏度的感測器,因為智慧終端裝置要靠這些感測器才能獲取環境中的資訊。

「大家都說雲端,但台灣沒有太多機會,終端其實對台灣其實比較有優勢。」

陳良基認為科技部是扎根的角色,自己小時候種田,這經驗讓他特別重視「生態系統」,他認為要讓產業邁向前沿,有好環境最重要,因此「要讓養分均勻、好好施肥澆水除草,不是只看開花結果。」

科技部是每個部會的前哨

但等等,聽起來科技部是不是越來越像經濟二部了呢?這樣的批評聲音其實不是最近才出現,從國科會時期就有,陳良基也知道,但他認為真正的關鍵不是讓科技部回歸某種單純的角色,而是要認知「科學、科技、與創新的生態循環速度變得越來越快了」這樣的現實。

陳良基認為科學是為了滿足人類的好奇心而去探索未知,這是第一步;第二步是開發,第三步是交付,也就是成為產品。科學家的嘗試,後來變成社會的常識,就是進步。在以前,這一二三步分得很清楚,如今循環越來越快,雖然分工還在,但不同部會觀察循環時自然會更注意效益,也就是各自的社會使命跟責任。

陳良基直言,大家也不希望資源投入時亂槍打鳥,如果能知道其他部會的目標,方向才準確。他認為科技部的位置還是在最前沿,扮演每個部會的前哨去「面對未知,先搞清楚怎麼做,然後再交給其他部會。」

陳良基表示,如今變動來的又快又急,科技部身為政府單位在前沿投入,得多想一下可不可能產生什麼效益,但他認為跟經濟部還是很不一樣。

「我以前在大學教創新,重點就是價值鏈。在價值鏈中,每個人貢獻一部分,那誰可以掌握最高的價值?答案是循環最快的才能掌握價值,能夠越快交付,才能掌握整個價值鏈的最大產出。」

這幾年你可能也覺得前沿科學獲得應用,產品化或服務化的速度越來越快。我們不也一直期待政府能夠轉得快一些,別像《動物方城市》裡頭的樹懶那樣慢慢來。只是這轉啊轉的,是不是有什麼東西被甩出去了呢?例如……學術倫理與研究誠信?

陳良基部長認為科技部的位置還是在最前沿,扮演每個部會的前哨去「面對未知,先搞清楚怎麼做,然後再交給其他部會。」圖/泛科學

要讓想用科技騙科技部的錢的人付出代價

台大前陣子發生的論文造假事件餘波盪漾,對與台大有深厚淵源的陳良基來說,他以一貫的工程人思維把問題分成兩類:一是發明,二是發現。發明,也就是做出東西來,當然要確保可以再現,造假的機會少。而發現就比較複雜,有時一位科學家可能是全世界第一個發現某件事的,可是萬一只是「推測」為發現,又急著發表,就會出問題。萬一這個現象不是真的,誰看到算數?大家都說有圖有真相,然而圖片處理技術快速提升,也讓真相撲朔迷離,不過若想抓出造假,也得靠科技。陳良基說:

「我們要對納稅人交代。只要抓到造假,用錢的人跟用錢的單位,就要把所有科技部的錢吐回來。學校拿科技部的錢可能是幾億,這樣壓力很大。嚇阻是為了預防,造假者想得名得利,就要讓他們名利都得不到。」

陳良基認為,科技部設立研究誠信辦公室,重要的工作是跟國際上其他學術倫理單位能對接,國際上風吹草動,台灣要能掌握,但是針對研究有沒有造假,還是要回到各個專業領域來判別,也才符合科技部強調專業的本色。陳良基得知在天文研究領域,因為天文科學研究設備都超級昂貴,所以非常要求資料公開與共享,所有的實驗研究資料,都要登錄到一個單位,由一個獨立法人來管理。他想或許其他領域也可以效法,會請國研院邀請各領域專家來看看是否可行。

科學傳播是門專業

要是希望民眾對科學界的印象不要被幾樁醜聞給搞壞,或許科學傳播就是關鍵。在今年 7 月 28 日舉辦了一場公聽會,立委黃國書等人針對科學技術基本法修正之後增加的科學普及經費用途跟用法做了討論,包括泛科學在內的諸多台灣科學傳播與教育公司都到了現場提出意見,兩個多小時的溝通,陳良基全程參與。他認為科學普及或科學轉譯是門專業,自己也驚訝於台灣有那麼多人投入科普,他認為科技部應該邀請這些專家來規劃,在專家的想法上往前跑,第一步就從成立諮詢委員會做起。

近來諸多社會爭議都有科學面向,科學家介入解釋的角色吃重,陳良基認為科技部培育了不同領域的科學家,他們若願意,可以對這些議題發聲,不只是自然與應用科學,像是同婚議題就需要社會科學領域專家的意見,讓專家告訴大家,專業對這些議題的想法是什麼。「我們會鼓勵。如果部會需要專家,科技部可以提供名單」,陳良基快速算了一下表示,國內有 48,000 多位教授,科技部每年支持約 30,000 名研究者,這些人都可以提供社會往前邁進所需的知識。

實際上的情況或許沒那麼樂觀。在台灣,科學傳播對教授來說算不上吸引人的差事,儘管科技部的確有科教學門,但升等是由教育部來決定,無法列為升等條件的科學傳播工作對年輕的助理教授或副教授來說甚至有負面影響。陳良基認為,學門經費怎麼用,還是由領域內專家自己決定為妥。如果專家認為科學傳播值得鼓勵,那自然就會列入。專家可以研究科學傳播,或是投入人才培育,不過這都要由專業學者來決定。

那到底誰來決定?不只是科學傳播,科技部計畫的審查制度也不乏批評。陳良基為解決這問題,要求所有科技計畫的審查委員都必須公開,而且要年輕化。

「我對外說過,當過政務官、大學校長、或掌握過較高權勢的,都不可以再來擔任科技部的審查委員。」

他上任之後要求科技部的審查委員會的審查委員必須有一半以上年紀低於 50 歲。

問題會發生,通常是環境造成,就像田裡的作物長不好,怪在作物上頭沒意義,他認為不該執著於個案,而是要從改變環境著手。

那又是什麼樣的環境造就了陳良基呢?在他念小學時,兩位華人科學家楊振寧、李政道的成就讓他迷上了科學,從小也喜歡動手自己做,更早早立下了當個工程科學家的志向,如今也貫徹始終地達成了。但如果在另一個平行宇宙有重新選擇的機會,他會希望自己的人生走上別條路、做些別的事情嗎?他想了想:

「我還是喜歡做東西,看到問題,就去想怎麼做個東西來解決掉」。

「所以不改其志囉?」我問。

「不改。」他堅定地說。

但當上科技部長,能夠不改其志嗎?若是非得執行某些政治上有壓力,但是卻「不科學」的任務,該怎麼辦呢?他笑著表示,目前還沒有遇到,但是「如果我有夠清楚的資料,我還是會反應」。

由於各項任務正在加緊腳步推展,陳良基說每天真的太忙了,沒什麼時間看書,大概就是翻翻《科學人》、《科學發展》,以及專業的科學期刊,許多跟人工智慧有關,因為其實他在台大時就開始研究人工智慧晶片,加上現在推行的任務,都得對研究趨勢有所掌握。

對他來說,做研究是自己喜歡的事,但研究的辛苦還是不在話下,所以當他看到假新聞、偽科學流傳,總忍不住氣憤,覺得自己做研究那麼累,卻總是有人胡說八道,有時在 LINE 上頭收到朋友傳來這類訊息,也覺得頭疼。他開玩笑說還好當部長之後「沒什麼朋友了」(P 編:驚!)。

跟外星人交朋友吧

「網路真的太多錯誤訊息」說到這,還以為他要痛斥某個案例,但他卻接著說「但這也代表大家對於科學議題有好奇心,不然大家也不會被這些偽科學吸引,所以其實可以正面思考。」他認為有些人聳動地說 AI 會讓人沒有工作、甚至毀滅世界,他就不認為這是正確的論述(P 編:Elon Musk ,你攻跨邁?),若他有機會能傳遞更多正面且正確的訊息,一定會把握。

好吧,人工智慧會不會毀滅世界,這問題我們看著辦。

但說到世界毀滅的原因,外星高等文明也是選項之一。知名科學家霍金就曾警告人類,別跟外星人聯絡,「閉上嘴巴」,不然可能重蹈哥倫布到達美洲後,美洲原住民曾遭遇的悲劇。而科幻作家劉慈欣在著名小說《三體》中提出的黑暗森林法則,如今也成為對費米悖論的一種主流回答。

「如果部長是全世界唯一一個在地球上發現高等外星生命的,會怎麼做呢?」

訪問到最後,我很跳痛但認真問陳良基這個問題,因為我自己也時常自問會怎麼做:我要趁「他」不注意下手幹掉「他」嗎?我要把「他」囚禁起來嗎?還是跟政府報告把「他」拿去做研究呢?種種殘忍的選項在我腦中始終沒有個結論,我想知道身為科技部長的他會選哪一個殘忍的選項。出乎我意料地,陳良基說:

「我會表達地球人的歡迎之意,表達好客,有閒來坐啦!」

他接著說,

「可能是因為我成長的背景在窮困的鄉下,看到的陌生人都是比我們有錢的,對人家表示歡迎還是比較可以避免侵犯的方式啦!」

嗯,真是個正面思考的部長啊。

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為什麼飛機不會玩「碰碰車」?全都是飛航管制在撐腰──《飛航管制的祕密世界》

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故事要從日本最忙的機場說起

談到飛航管制到底是在研究什麼,讓我將舞台移至東京的天空來說明。

東京國際機場(通稱羽田機場)是日本最繁忙的機場,尖峰時刻每兩分鐘就有一班航機起降。只要站在羽田機場的瞭望台,就能看見一架架排列整齊的飛機,不間斷地起飛降落。

東京國際機場(通稱羽田機場)是日本最繁忙的機場,尖峰時刻每兩分鐘就有一班航機起降。圖/By 梓設計, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons

比較世界各國機場截至 2014 年 9 月的單年度旅客量,排名第一的是美國亞特蘭大國際機場,其次是中國北京首都國際機場,第三名是英國倫敦希斯洛機場,接續在後的正是榮登全球第四的羽田機場(資料來源:ACI Annual World Airport Traffic Report)。羽田機場 2014 年的起降架次共計 44 萬 7 千次,總旅客量約 7 千 2 百萬人。一窺反映出東京上空航空交通狀況的雷達螢幕,就可發現螢幕被密密麻麻的飛機覆蓋。

2014 年 12 月,羽田機場的 C 跑道向南側延長為 3 千 360 公尺(原為 3 千公尺)。日本政府為了因應 2020 年的東京奧運,目標新增 3 萬 6 千至 3 萬 9 千次起降架次,且為了滿足未來需求,甚而考慮是否增設第 5 條跑道。

壓力最大的職業:別讓大家撞機啊!

天空中就算有許多飛機一同飛行,卻不會發生碰撞等意外事故,都歸功於我們稱為「航空管制員」(正式名稱為飛航管制員)的人致力於管理空中交通。航空管制員負責讓航機安全順利飛行,緊盯對應空中交通狀況的雷達螢幕,從地面向機師下達準確的指令。

一般汽車駕駛可觀察窗外,透過鏡子與其他車輛保持安全距離,掌握周邊交通狀況。他們打開導航就能指引路徑,也可使用智慧型手機程式來了解交通事故和壅塞路段的資訊。

另一方面,操作航空器的機師現實中處於不太自由的狀態。他們無法透過駕駛艙的窗戶,正確掌握附近的飛機正在飛往哪裡或要飛向何地。正因如此,才需要管制員常駐地面管制中心,在盡量不延誤抵達時間、減少油耗量或噪音的考量下,出聲指示機師調整高度和速度等。駕駛艙中的機師根據耳機裡傳來的管制員指示操作飛機。我們稱這種種作業為飛航管制,正式名稱是航空交通管制。

以日本為例,民航機的飛航管制大致分為四類:負責太平洋上空的越洋管制(oceanic control)、負責距機場較遠處天空的航路管制(en route control)、負責機場周邊上空的終端雷達管制(terminal radar control),以及設於機場負責引導在機場滑行的航機並發出進離場指示的機場管制(aerodrome control)。

羽田機場周邊的終端雷達管制設於機場之內,越洋管制則隸屬福岡航空交通管理中心管轄範圍,因此日本的管轄空域稱為「FUKUOKA」(福岡)。航路管制由札幌、東京、福岡、那霸四地的航空交通管制部負責。其中東京管制部管轄的空域最廣,平均每日需處理約 3 千 7 百架班機,航空管制員的作業責任隨之益發沉重。肩負眾多生命的航空管制員,被認為是現今世界上壓力最大的職業。

航空管制員被認為是現今世界上壓力最大的職業。圖/美聯社

想解決龐大航班?來點科學吧!

在背後支撐空中旅行的,包括各種硬體、電腦軟體等地面基礎設施及飛機備品,居中則有航空管制員、航空公司的機師和飛航管理人員等,共同維持空中交通安全,有效率地實行管理,這些都屬於飛航管制研究課題之一的「飛航管制系統」。我在研究所主修的航空工程學是以航空器本身為研究對象,飛航管制的研究範圍則涉及所有關於航機交通的部分,研究主題更廣泛。

作用於人類社會中的軟硬體等技術的集合體,或是在技術的集合體中包含人類社會的系統都稱為「社會技術系統」(sociotechnical system),而飛航管制系統正是其中的代表。

為了讓飛航管制這樣集大成的技術,透過與人類社會的複雜相互作用來推動莫大的系統,背後需要的是結合資訊科學、機械工程、數學、物理學、航空工程學、心理學、社會學等各式專門領域而成的學門。

今後全球航空交通需求預估仍會持續增加,僅憑藉航空管制員或因循經驗法則處理,似乎已無法應對未來的航空交通量,在這種危機感之下,催生出嘗試以科學觀點切入飛航管理的研究――「飛航管制科學」。

為了解決複雜的航空問題,我們需要科學。圖/Yokota Air Base

系統化操作,讓你飛得更安全

1980 年代,以加州矽谷的 NASA 艾姆斯研究中心〈Ames Research Center)為舞台,飛航管制科學正式拉開序幕,當時蘋果麥金塔電腦逐漸普及至一般使用者。

艾姆斯研究中心的海因茲.艾茲伯格博士〈Dr. Heinz Erzberger)率先想到:「運用電腦開發出可協助飛航管制員的工具程式,或許有助於實際工作?」他找來一名志同道合的系統工程師,齊心協力投入研究,著手研發協助飛航管制員處理作業的電腦介面。

當時飛航管制還稱不上是專業學門,研究成員只有這兩人。

飛航科學從NASA展開,當時只有兩位研究人員。圖/NASA

他們最終開發完成名為 TMA〈Traffic Management Advisor,空中交通管理諮詢)的航機到場管理系統,可將部分的飛航管制員知識性業務自動化,由系統規定到場航機的先後順序,提供何時、哪架班機應降落跑道的資訊。

美國聯邦航空總署在 1990 年代中期注意到 TMA,並於 1996 年在達拉斯/沃斯堡國際機場〈Dallas/Fort Worth InternationalAirport)實驗性地運行 TMA。實驗結果證明,採用 TMA 可讓機場的到場航機維持一定的峰值〈peak value)。

其後,為了管理到場交通流,美國全境主要機場的地面管制中心引進 TMA,至今仍活躍於第一線,已逾二十年。2010 年,TMA 更名為 TBFM〈Time-Based FlowManagement,以時間為基礎的流量管理),引進至美國各主要機場管理進離場班機的管制中心。

拜 TMA 的發明之賜,飛航管制被認為是可活用科學觀點進行研究的領域,並於艾姆斯研究中心設置專門研究部門。這門新興學門,就此逐漸融入航空產業興盛的歐美。NASA 目前約有三百名飛航管制科學研究員。


本文摘自《飛航管制的祕密世界:從地面到天空,從管制台到駕駛艙,飛航第一線直擊全紀錄》臉譜出版。

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如何讓空中航班不打結?用數學來模擬一下吧!──《飛航管制的祕密世界》

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用數學來創造航空交通的模型吧!

本文將簡單介紹我進行的 TOPAZ 相關工作。例如,導入 ASAS 之類的新航行模式的未來航空交通流,該如何在電腦中進行模擬呢?讓現實中的系統得以虛擬化,在電腦中模擬重現交通流的作業,稱為「創造模型」。TOPAZ 就是應用數學手法,創造出未來航空交通的模型。

TOPAZ 使用的數學模型源自德國學者卡爾.亞當.佩特里(Carl Adam Petri)在 1960 年代提出的理論計算模型「佩特里網」(Petri net)。佩特里網用以記述並分析資訊的流動和控制,適用於複數個事件並行、非同步發生的系統。它可檢驗「狀態變遷」(state transition)的情況,所以適合用於模擬。此外,佩特里網可表現出並行性、非同步性,具有可驗證系統整合性、容易找出變更下的影響範圍等優點,在飛航管制科學領域是極好用的計算模型。

要利用電腦模擬空中交通流的情形,數學必不可少。圖/By Wallpoper , Public Domain, wikimedia commons

利用計算模型,咖啡也能喝得很科學!

佩特里網模型的系統可用「○」、「□」、「→」、「●」四種符號來表現:

  • ○(庫所〔 place 〕)表示系統狀態
  • □(變遷〔 transition 〕)表示狀態間的變遷(顯示變遷時的條件)
  • →(有向弧〔 arc 〕)表示聯繫狀態與變遷之間的方向性
  • ●(令牌〔 token 〕)表示系統的當前狀態

或許大家腦海中還是無法形成整體概念。但我必須說這是相當優異的模型,甚至可將我們的日常生活整理成模型來表現。下面舉例說明:

假設「我」正在離家最近的星巴克寫作。由於今天是週六,我在比平日稍晚的九點起床,帶著筆電走到星巴克。抵達後,邊吃早餐邊喝咖啡歐蕾,開始敲打文字。我計畫先努力寫到十二點,再暫時回家午睡。我在正午前的這些活動,可以用簡單的佩特里網模型表現如下方圖 3。

用佩特里模型喝杯科學的咖啡吧。圖/《飛航管制的祕密世界》

首先,將我的狀態分成「在家」、「徒步移動中」、「在星巴克」三個選項。在這個假設中,各項活動會因時間不同而產生變化,因而設定時間為變遷條件。早上九點起床,九點三十分離開家,步行兩分鐘後抵達星巴克,也就是說從「在家」變遷到「徒步移動中」狀態,是基於「時間九點三十分」的條件。

同理,狀態從「徒步移動中」變遷到「在星巴克」,於「時間九點三十二分」的條件下成立。反向變遷亦然,條件「時間十二點」促使狀態從「在星巴克」變遷到「徒步移動中」;條件「時間十二點二分」,狀態從「徒步移動中」變遷到「在家」。我目前「在星巴克」,當前狀態(token)處於「在星巴克」的系統狀態(place)。

化繁為簡,航空交通不困難

接下來利用相同邏輯,試著設計簡單的航空交通模型。

首先試想從「出發地機場」起飛直到降落「目的地機場」的航機模型。將航機狀態設定為「在出發地機場」、「爬升中」、「巡航飛行中」、「下降中」、「在目的地機場」或「在替代機場」等六種情況。因為天候不佳等因素無法降落目的地機場時,飛機將降落於事先決定好的替代機場;或者,有時因飛行中發生緊急狀況,無法降落目的地機場,可能折返出發地機場或降落替代機場。

考量上述六種系統狀態的變遷,假設共有七種狀況,個別給定如圖 3 所示的變遷條件(下方圖 4 的航機模型亦同)。

在這個模型中,需要考慮的是一旦發生緊急狀況,航機該折返出發地機場或降落替代機場。

因為對機師做出允許變更飛行路徑指示的是管制員,為了讓飛機順利降落,必須思考下列兩者如何動作,一是管制員,一是與管制員通訊後在駕駛艙輸入飛行指令的機師。這些互動過程可以統整成如圖 4。繪製出管制員與機師各自的簡易模型,再附加在航機模型上。

附加飛航管制員和機師的模型。圖/《飛航管制的祕密世界》

接下來我們先做出管制員與機師的簡易模型,再試著連結航機模型,聯繫三者的線段稱為「有向弧」,表示聯繫的兩端之間有資訊流通,且資訊是來自繪有黑點的模型。

為了簡化模型,將管制員的狀態設定為「指示飛往目的地機場」和「指示緊急降落替代機場」兩種;機師的狀態則有「飛往目的地機場」、「請求緊急降落替代機場」、「進行緊急降落替代機場操作」三種選擇。

管制員模型從「指示飛往目的地機場」變遷到「指示緊急降落替代機場」的條件設定為「機師請求緊急降落替代機場」。管制員狀態呈現「指示緊急降落替代機場」時,機師模型的當前狀態會變遷為「進行緊急降落替代機場操作」。

有了模型,不怕航班亂成打結的蜘蛛網

運用佩特里網即可表現出管制員與機師間的相互影響,兩者互動所產生的決定反映為航機的狀態。航機在ASAS下自主飛行等情況,可將機師與飛航管制員視為同一「人為操作者」(human-operator)團體(即代理人〔agent〕)。模擬複數代理人相互影響的狀態的模型,稱為「多代理人模型」(multi-agent model)。

透過前述做法,可在 TOPAZ 中將未來的航空交通編寫成數學模型。真實系統的模型比前面介紹的更繁複,因此佩特里網在模擬系統的相互影響上就更加便利了。

全球航線無比複雜,需要模擬模型才能讓空中交通更為順利。圖/By Martin Grandjean, CC-BY-SA

佩特里網的最大優點是,可以將長篇大論的文字說明化為一張圖示;只要再將個別狀態的變遷條件記錄在說明手冊上,參與計畫的所有成員就可共享資訊。

也就是說,捨棄文字說明這類容易招致誤解的表現方式,依事先訂定的規則記錄模型。再者,還可組合各類數值,如航機高度這類連續變化的值、飛航管制員的判斷等離散變化的值,或機師和管制員的反應延遲、稀少事件發生等導入機率論來表現的值。福克公司的航空器模型也是運用佩特里網結合航空交通模型,模擬在交通流中的航機動態。


本文摘自《飛航管制的祕密世界:從地面到天空,從管制台到駕駛艙,飛航第一線直擊全紀錄》臉譜出版。

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四維航跡操作真的能讓飛機完美飛行嗎?──《飛航管制的祕密世界》

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完美掌握四個維度,飛機會聽話嗎?

艾姆斯研究中心有些研究員有自用飛機的駕駛執照,史帝夫.格林博士(Dr. Steve Green)就是其中一位。

史帝夫年紀與哈利相當,是年約五十的權威學者。1996 年時,他與哈利一起參與將 TMA 導入達拉斯/沃斯堡國際機場的計畫。做為專事飛航管制科學的研究領域創設初始成員之一,他深得海因茲的信賴。像是要表現他的姓氏「Green」一樣,史帝夫總是穿著招牌綠色襯衫。最初跟他搭話時,我的開場白便是:「不愧是格林先生,很適合綠色!」

2008 年,我和史帝夫在一場於西班牙塞維亞舉行的國際會議中相遇。會議的主題是在國際民航組織計畫於 2030 年正式投入使用的航機上,推行「四維航跡操作」(4-dimensional trajectory-based operation, 4DTBO)可能遇到的課題。

四維航跡操作真的能讓航管更順利嗎?圖/法新社

四維航跡是以時間(速度)、緯度、經度、高度四個維度所定義的航跡,四維航跡操作則是指操作航機沿航行效率良好的航跡飛行。航機依機種和風向等條件,存在可使燃料消耗量降至最低的「最適」四維航跡。航機從機場出發直到抵達目的地機場為止,如果引導航機沿航行成本最低、維持準點抵達的四維航跡飛行,將是理想的飛航管理,但在實際運用之前仍有幾個需探討的課題。

課題之一是航機能否沿四維航跡飛行。要達成理想的航行,必須由機師等航空公司相關人員與管制員等飛航管制服務的提供者共同協商出四維航跡。然而,航機飛行中遇到天氣變化等情況,不得不變更原先規劃好的航跡。此時,駕駛艙內的電腦與地面的管制中心,兩者如何在分隔空地兩端的情況下,分享新的四維航跡資訊呢?縱使能利用新的數據鏈路通訊,問題又回到目前的航機有辦法沿規定的四維航跡飛行嗎?

只差了一度,飛機就飛走啦!

其實,我有個無論如何都想請教史帝夫的問題,所以常有意無意路過他的辦公室,但他好像很忙,不容易遇到。史帝夫的研究夥伴吉伯特(Gilbert)來向我搭話,我說明自己有事請教史帝夫。他告訴我說史帝夫最近異常忙碌,連他都很少見到,如果願意的話,可以先跟他商量。我想請教史帝夫的問題是:

「目前的航機有辦法遵循外部規定的下降路徑,持續下降直到降落跑道嗎?」

簡單舉個例子,航機從開始下降能夠保持三度的下降角度持續下降嗎,諸如此類的問題。理論上雖然可行,利用數學模型在電腦中建構的虛擬航機模擬可如此飛行,但實際上機師能否如實操作是另一回事,原因是機師在各自駕駛艙內所操作的機器規格不盡相同。這讓我們日復一日深陷在這樣棘手的問題中煩惱不已。

「嗯~我以前做過實驗,搭載在塞斯納飛機上的 FMS(Flight Management System,飛航管理系統)中,設有讓機師輸入下降角度的功能。也聽過波音 787 上的 FMS,具有讓機師輸入下降角度的功能。但波音 777、737 的 FMS 有沒有這樣的功能就不清楚了。」吉伯特歪著腦袋說。FMS 是統合掌控航機飛行的電腦等的系統,正是所謂高科技航空器的頭腦。

「就是這樣呢。有沒有辦法從外部在 FMS 中輸入下降角度,也會影響未來的管制操作吧。」我學他歪著腦袋回應。

我的問題源自於,設想為實際運用能源效率佳的下降方式 CDO,固定下降角度是否可行。航機一旦開始下降即採 CDO,而不採水平飛行;然而,如果套用在高運量空域則會產生問題,因為依航機種類不同,燃料消耗效率最佳的 CDO 的下降角度也有差異。

在下圖 8-1 中,試著並列數架航機的 OPD(optimized profile descent,最佳軌跡下降)垂直路徑。雖然同時會受到風速和風向影響,但如波音 777 的下降角度多設在 2.5 度上下,就算最大也約莫是 3.5 度。升阻比(lift-drag ratio)優於波音 777 的波音 787,下降角度通常較平緩。升阻比是升力與阻力的比值,數值越大表示飛機越容易起飛。

固定下降角度是否可行?圖/《飛航管制的祕密世界》

雖然多數人可能會想,不過就是一度之差。實際上,一度之差確實會造成懸殊的結果。例如,當航機自 4 萬英尺處開始下降,下降角度設為 2 度或 3 度,這一度之差,會讓從下降開始的飛行距離差距約 63 海里(約 117 公里)。

假如因為個別航機的航跡各異而連帶使得預測困難的話,管制員很可能為了確保安全,指示過於寬鬆的航機間隔距離,最終將縮減空域和跑道的容量,使得高運量空域無法付諸實現。

我的想法是如圖8-2,事先規劃指定下降角度的路徑,在確保準時抵達下控制速度沿該路徑飛行,如此一來,既讓管制員得以預測航機的四維航跡,某種程度亦促使航機以較佳的能源效率下降。雖然自認為這是不錯的概念,但實際上自動駕駛的飛機是否真能沿指定下降角度的四維航跡飛行卻不得而知。拜訪對航機自動化系統 FMS 的機制知之甚詳的史帝夫,正是想問他這個問題。

事先規劃指定下降角度的路徑,飛機真的會延軌跡飛行嗎?圖/《飛航管制的祕密世界》

固定航行角,讓下降更順利

「原來是這樣啊⋯⋯目前的航行中並未使用像這樣的固定航行角下降(fixed-flight path angle (FPA) descent)。的確,比起航空公司的機師,史帝夫或許知道得更多。」他接著說,他也對我的概念感興趣,想加入我們的討論,並承諾遇到史帝夫時會幫忙促成會面。

幾個月後,我幾乎忘記這件事時,史帝夫造訪了我的辦公室。 「聽說妳一直在找我。之前實在太忙了,雖然已經過了好一段時間,我這星期五的下午空著,如果妳有空的話,來我辦公室討論吧。」他說道。 週五午後,吉伯特和我一同前往了史帝夫的辦公室。

史帝夫認真聽我們說話,一邊翻閱起波音公司的操作手冊。 「我查了下波音 777、737 上的 FMS 的設計,妳的想法是有可能實現的。但因為 FMS 不具有直接輸入下降角度的功能,必須由機師從座艙顯示器(cockpit display unit, CDU)設定並輸入假定航點(waypoint)和設定高度。」

史帝夫認為波音 777和737 上的 FMS 的設計可以實現理想。圖/By Ronnie Macdonald, CC BY 2.0, wikimedia commons

座艙顯示器是搭載在機長與副機長間的顯示器,機師可在顯示器輸入航點的位置和高度等,讓 FMS 記憶飛行路徑。開始下降後旋即經過的地點,由機師設定為假設航點並輸入顯示器,也就是以設定高度的方式讓航機自假設航點開始持續下降飛行。因為高度會反映在下降角度上,從開始下降的航點直到降落為止,設定航機途經的航點高度,等同於設定下降角度。

「這麼說來,機師的確能夠事先在飛行路徑上設定新的航點。可以在設定時將高度一併輸入 FMS。」如此一來,自動駕駛能更新成新的飛行路徑。

「下降路徑是以直線連結每一航點的設定高度。在這樣的設定下,自動駕駛沿下降路徑引導航機飛行。」 史帝夫繼續說著,一邊開始在報告紙上振筆疾書。 「其實,我以前曾經想找個時間,在大型飛機上驗證固定下降角度的 CDO(FPA下降),只是礙於沒有時間。」他說完後,繼續在紙上寫著。

「像是這樣,替巡航高度不同的航機,設定高度相異的閘口。FL360 以上的航機,從 FL350 進入 FPA 下降的路徑。只要提供幾個可供選擇的下降角度,就能配合風向及各機種的性能。順風較強的時候,降低下降角度。」〔譯注:FL為flight level(飛航空層)的縮寫,由一標準大氣壓所推算出的飛行高度,FL360(飛航空層360)代表 3 萬 6 千英尺〕史帝夫撕下那頁他手寫的備忘錄,朝我遞過來。

「能夠在航空公司的飛行模擬器上實驗就好了。妳有機會的話,請去驗證看看吧。」

我向史帝夫表示謝意,說著會把這當做未來的研究方向之一。正當我打算離開的時候,史帝夫微笑著對我說:「抱歉讓妳等這麼久。」

帶著備忘錄,再次起飛吧!

隔天,我一如往常在住家附近慢跑後回到家中,同住的 NASA 同事一臉嚴肅地等在餐廳。

「就在剛剛接獲通知,史帝夫.格林過世了。」

我不敢相信,我們昨天才在一起討論而已。那天夜裡,我盯著史帝夫給我的備忘錄茫然不已。

簡單的備忘錄竟成遺言,但旅程尚未結束。圖/By congerdesign @Pixabay

 

週末過後的星期一,研究領域主任請我一起來到聚集史帝夫同事的會議室。「正如大家接到的通知,我們敬愛的史帝夫.格林驟逝。實在令人深感遺憾,讓我們一起來說說關於他的事,以追悼懷念他。」主任起頭說道。艾姆斯研究中心的同伴紛紛分享有關史帝夫的故事。待同事寬厚且深得大家信賴的史帝夫是何其出色的那些話語,讓溫暖的氛圍滿溢會議室。

正當我準備起身離席時,主任來到我的面前。「妳和吉伯特及史帝夫的討論,就這麼變成他最後一件工作。我想你們可能很震驚,心情如果無法平復的話,請找艾姆斯研究中心專屬的醫生談談,他可以幫你們做心理諮商。」

約兩週後的某天,我來到吉伯特的辦公室探看,看到他一如往常坐在桌前的樣子,總算感到安心。「嗨,吉伯特。」打過招呼後,他落寞地述說自己仍處於混亂狀態。面對同事的英年早逝,確實使人難受,何況是長年共處同一研究團隊的人,益發令人悲慟難耐。

「吉伯特,我想再跟你商量一件事。史帝夫留給我的備忘錄,我該怎麼處理呢?感覺好像被託付了研究課題一樣。」

「那張備忘錄,史帝夫已經交給惠理了,希望妳能慎重對待。」吉伯特聽完,靜靜地回答。

那天晚上,我把已經變成遺言的史帝夫備忘錄,貼在預計帶回日本的研究筆記本上,決心要實際驗證史帝夫留下的想法。雖然他的時間已驟然停止,我的人生仍未止息。


本文摘自《飛航管制的祕密世界:從地面到天空,從管制台到駕駛艙,飛航第一線直擊全紀錄》臉譜出版。

 

 

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犯罪剖繪科學嗎?《破案神探》的背後

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  • 文/Leon Huang|執業律師、司法行為科學研究者。

20 年前,我還在紐約大學(NYU)心理系就讀,其時正在學校附設醫學中心精神科跟著教授研究思覺失調(Schizophrenia;當年中文名為精神分裂)。某日,一個特殊消息透過系主任傳到我這裡:有執法機關來學校進行封閉式(by invitation/reference only)校園徵才會談,系上推薦了我。

當時我還納悶:執法機關?我一個非公民的國際學生,找我做徵才會談,找錯人吧?

後來才知道:徵才單位正是聯邦調查局(FBI)轄下的一個特殊小組;當年這個小組為了因應新興的跨文化 / 移民相關重大犯罪研究,需要徵集通曉雙語 / 雙文化以上的心理研究者進行訓練,並在通過考核之後任職分析師(Analyst)。

會談結束後,我興沖沖地問了前來會談的探員(雖然我忍住衝動沒問他 how special,但名片上真的是 Special Agent),分析師可以配槍出勤嗎?他略顯無奈卻又諒解地說了句:恩,這不是沈默的羔羊(Silence of the Lamb),你知道吧?分析師屬於內勤職務,原則上不會有戰術外勤(Tactical field duty)的機會。看到我的反應,他隨即又補了一句:不過,任職一段期間後,或許有機會依據表現申請調職。

沈默的羔羊。圖/ By Global Panorama @ flickr

這個單位,正是 FBI 的行為分析小組(BAU;Behavioral Analysis Unit);主要任務是運用行為科學分析的手法,來協助犯罪調查。時報出版重新出版的「破案神探 Mindhunter」一書(下稱「本書」),講的正是其中一位探員 John Douglas(也是主要的共同作者)試圖利用類似行為科學的手法,也就是犯罪剖繪(Criminal Profiling; CP),協助犯罪調查的經歷。

時報出版重新出版的「破案神探 Mindhunter」一書。圖/時報文化

什麼是犯罪剖繪?

犯罪剖繪,也稱為加害者剖繪(Offender Profiling),本質上是一種透過蒐集、分析與歸納犯罪相關資訊,試圖演繹出未知身分加害者(Unknown Subject;UNSUB)的推論歷程。需要哪些犯罪相關資訊呢?基本上必須包括盡可能完整的:犯罪現場與鑑識跡證(crime scene and froensic evidence)、被害者的特徵與生活資訊、以及先前類似案件的全部資料。

影集《破案神探》劇照。source:IMDb

不過,先拋開犯罪剖繪的科學爭議(這正是為何上面我說是「類似行為科學的手法」)不談,犯罪剖繪的運用範圍,其實與大眾從電影(如沈默的羔羊系列)電視(如雙面人魔 Hannibal,以及犯罪心理 Criminal Minds 系列)所得到的無所不能印象,有著巨大差異。事實上,犯罪剖繪手法的運用範圍,大多侷限於幾類特殊類型案件:包括連續殺人(serial murder)、性侵害(sexual assault),以及縱火(arson)等。

之所以如此,以本書作者 Douglas 的話來說,主要是這些類型的犯罪似乎會透過靜態的作案「個人特徵」(亦即 signature;呈現隱性、一貫)以及動態的作案手法(MO;亦即 modus operandi;呈現顯性、會演化),從而展現出不明加害人的 DMC 慾望––Domination(支配),Manipulation(操弄),以及Control(控制)––並因而呈現一種可以被外界行為研究者解讀的模式(behavioral pattern that can be read)。

這正是為何本書作者 Douglas 在書中屢屢強調「行為,反映個性」,還提出所謂「Organized 組織型 vs Disorganized Offender紊亂型犯罪者」的犯罪行為人分析觀(事實上這樣的模糊觀點,也飽受科學界批評)。

犯罪剖繪仍有其風險,熱血崇拜前請先詳閱公開說明書

書中的故事,如果當作小說來讀,其實真的挺有娛樂性––這本書在 2000 年第一次在台出版時,我就看過一次;現在應邀讀第二次(聽說是為了搭配 Netflix 的新戲 Mindhunter),仍覺如此。畢竟,誰不想當福爾摩斯?單憑雙眼一瞪,眉頭一皺,就可以娓娓道出「犯人是一個白人男性,介於 25 到 30 歲之間,大約五呎七寸到六呎高度,從事的應該是夜班的清潔工作或者可以遠離人群,不受注意卻又能近距離觀察人的工作,語言能力可能有明顯的障礙……」對於人性中的鍵盤柯南來說,多帥啊,你看。

誰不想當帥氣的福爾摩斯啊。source:IMDb

只可惜,熱血的讀者們必須理解:犯罪剖繪使用的手法雖然「類似」行為科學,但它是否真的科學,還有相當的爭議存在。至少,司法心理學界(Forensic Psychology)便曾針對本書描述的那一種犯罪剖繪手法,提出過下列科學性的質疑與警告:

效度不佳:犯罪剖繪很少依賴有規模的、詳實的研究;就算有研究,這些研究者多半也未經行為科學實驗方法論的訓練。其次,就外部效度而言,這些針對「犯罪者」的質性訪談研究,通常也只有特定喜歡表達意見的類型犯罪者作為訊息來源;但這片面的資訊來源推斷所得的結論,卻常常被用在通案進行犯罪剖繪。

欠缺控制組:犯罪剖繪的「結論」通常只針對單一系列案件內的不明犯罪者依據犯罪相關資訊進行推斷,卻欠缺對於犯罪者/非犯罪者之間的組間行為分析研究;因此這樣的「結論」很可能根本上是一種偏見。

武斷、模糊而欠缺實證支持的推論,卻被大量用於人權相關的案件偵審過程,容易入人於罪,也削弱民主基石的「無罪推定」與「正當程序」原則:例如 1992 年加拿大境內的 Guy Paul Morin 冤案,正是因為當局完全採用了 FBI 的犯罪剖繪結論所得的結果。事後檢視案件資料發現:剖繪過程曾出現為了配合已經逮捕的嫌犯而更動剖繪所得結論的狀況。

其實,當代的犯罪剖繪並非完全沒有存在的空間:作為偵(調)查科學(Investigative Science)的一類,如果以迅速釐清案情、排除不相關人為主要目的(而不是「尋找特定犯嫌」–因為可能出現確認偏誤的重大問題)將犯罪剖繪的手法搭配犯罪地域與人口分析學(Criminal topography and demographics)進行大量的數據回歸演算與分析,要針對特殊類型犯罪得出「作案特徵-作案手法-行為人」之間的關聯性(Correlation),甚至建構模型(model construction),並非做不到。事實上近年 FBI 的國家暴力犯罪分析中心 NCAVC 幾乎已經將 CP 的重心移轉於大數據演算與建構模型,便是將犯罪剖繪回歸正統實證數據分析與模型建構的一例。

換言之:犯罪剖繪可以是一種奠基於個人主觀經驗的藝術,但這樣的藝術,必須大規模地、紮實地扎根在行為科學理論基礎,以及實證研究方法與倫理之上。可惜,本書的犯罪剖繪觀,就停留在大約二十年前,跟當今的科學觀點略有距離。

反觀在熱血有餘,科學不足的台灣,當多數司法與科學專業人士都還難以理解司法行為科學為何必須同時受到科學倫理與正當法律程序/人權保障拘束時,我們要提防的或許不是為何檢警無法即時宣佈破案,法院宣布重判,而更多是:以「類」科學與正義之名,我們的熱血與理盲,又添加了多少冤案的新風險?

影集《破案神探》劇照。source:IMDb

原文為原作者於臉書撰寫之網誌《行為,反映個性:簡評「破案神探」》,經編修後刊登。

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理組和文組為何水火不容?如果尊重專業,我們又何必戰文理?

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作者/林品婕(amolin),對於「聊科學」始終很有興趣的人。

在網路上,我們常常會在某篇錯誤的報導,或是透露不正確科學觀念的文章底下,看見「文組不意外」、「文組誤國」等留言,因而引發各種戰文組、戰科系的討論。難道理組與文組,又或是所謂的科學與文學(註一),就這真如此水火不容、處處針鋒相對嗎?

兩種文化:科學與文學

為什麼科學與文學這兩種文化會走向決裂呢?圖/Matt Collins

早在 1959 年,英國學者史諾(Charles P. Snow)在劍橋大學著名的「瑞德講堂」(The Rede Lecture)演講中,就已經提出「兩種文化」(Two Cultures)的概念,這兩種文化分別代表了文學知識份子與自然科學家。因此,要說史諾是戰理組文組的先驅確實也不為過(開玩笑 der)。史諾認為這兩種文化的背景差異大,兩者交集之處應能激發出無限的想像力與創造力。然而在當時,這兩種文化的人竟彼此猜忌、相互仇視而嚴重缺法理解,在雙方都無能和對方交談的情況下,不僅會加劇兩類知識份子的分裂、消弭創意激盪的可能,甚至會阻礙了人們運用科技改善問題的願景。

敢提出如此見解的史諾,當然也不是省油的燈。史諾本身為科學家,受過正統科學教育,更於英國劍橋大學拿到物理博士學位;另一方面,史諾也是一位小說家,熱愛寫作的他也出版過不少暢銷小說,可說是當時少數跨越文學與科學領域的人物之一。由他來點出兩種文化間的衝突,確實是再適合不過了!

Portrait of Charles Percy Snow (1905-1980), English author, physicist, and diplomat. Undated photograph. — Image by © Bettmann/CORBIS

為什麼科學與文學這兩種文化會走向決裂呢?史諾認為其中一個因素,就是教育的專業化。這並非只存在於當時的英國,時至今日的臺灣也有相同的問題。長期關注科學傳播的謝瀛春老師就曾說:「學校教育過早分化人文及科學科目,當學生選擇了某一類組,便不會放太多心思在另一類組的科目上。」對學生而言,閱讀不同領域的科目只是為了應付考試,這樣的現象伴隨著升學制度延伸到大學或研究所,使得大學或專科畢業生對於科學或人文知識相當陌生。因此,現在各大校園所提倡的通識教育正是作為天秤的另一端,以維持科學科目與人文科目的平衡。

但是,科學和文學真的有如史諾所述,這麼分野鮮明嗎?

第三種文化:讓開!讓專業的來!

The Big Bang Theory。圖/By Shane Olga Ocampo

其實,史諾在〈兩種文化:重新審視〉(註二)表示,他發現某些學科已逐漸出現新的聲音,這些領域的學者不再只耽溺於文獻探索,而是從實證出發並關心人類的生存景況,這讓他樂觀地認為,一種可以與科學對話的「第三種文化」彷彿正在成形。直到 1995 年,布羅克曼(John Brockman)借用史諾的詞,正式提出「第三種文化」,他在書中表示:

第三種文化囊括了實證(empirical)領域的思想家和科學家。他們以本身的研究和明白易曉的文字,正逐步取代傳統知識份子的地位,向一般人揭示生命的奧秘,並且重新定義我們是誰,生命是什麼。

不同的是,史諾的「第三種文化」認為文人和科學家會開始願意交談,布羅克曼所描述的現況則是「文人知識份子此刻並沒有跟科學家溝通意見;科學家正直接跟大眾交流」,他認為第三種文化的科學家不僅僅互相分享彼此成就和思想,更「透過他們的著作,和受過教育的社會大眾分享。

發現重點了嗎?在布羅克曼的想法中,科學家是擔任傳播任務的重要角色!

發現第二個重點了嗎?科學家傳播的對象,是「受過教育」的社會大眾!(註三)

所以,這是什麼意思呢?穿了就是,史諾和布羅克曼都忽略了電視的重要性,以及其對大眾造成的影響。當布羅克曼提出「第三種文化」的概念時,他指的是由第三種文化知識份子,以一種「由大學教授向下書寫」來與大眾靠近的傳播模式,而這種做法顯然沒有將媒體列入考量。隨著電視逐漸普及,觀看電視成為當時民眾主要的休閒活動,許多電視頻道也開始向大眾暢談科學、製作諸多經典之科學節目,如英國 BBC Horizon、美國 PBS NOVA。因此,儘管布羅克曼認為科學早已是一種大眾文化(頁  5),這卻不能完全歸功於科學家的著作。

因此,我們可以發現一個矛盾卻有意思的現象:科學家開始將自己的研究著作成書,試著與大眾直接交流,但所顧及的閱聽眾群須具備一定程度的知識背景,才能理解箇中滋味;然而,媒體從業人員多為文科出身,將科學知識轉化為通俗易懂的方式傳達給大眾,坐擁比前者更多的收視群。這麼說來,若我們從大眾傳播範疇切入,「兩種文化」似乎悄悄地在科學家與媒體人的合作與互動中,敲響第二回合的鈴聲了!(叮叮叮叮——)

科學傳播:當科學家遇上媒體人

科學文本不同於一般小說文本,內容較注重邏輯的一致性與段落間的因果關係,有時甚至會有相當抽象的概念或專有名詞。要消化這些資訊,對於一般人來還是有些吃力,因而需要媒體的介入,從中擔任轉譯者的角色。黃俊儒老師與簡妙如老師以社會性科學議題(Socio-Scientific Issue,縮寫為 SSI)角度切入,認為民眾所接觸到的 SSI,通常是經由兩層論述語言的包覆:第一層是由科學詞語論述而成的「科學語言」;第二層則是經過媒體中介、修飾轉譯後的「媒體語言」,如下圖所示。(註四)

社會性科學議題包覆模式。圖/(黃俊儒、簡妙如,2010)

在此雖然沒有要深入解析這篇研究的打算,但透過這張圖,我們可以更好理解,為什麼溝通對於科學家與媒體人而言如此重要。不同領域間本來就存在著該領域的共通語言,在各別專業領域的語言體系裡,常常一個單詞所承載的意思可能又包覆著其他基礎,就像是俄羅斯娃娃一般。例如,有一個人愁眉苦臉地「我跑 gel 一直跳海,好煩。」這句話內行人一聽就知道發生什麼事,因為他早就知道這是電泳實驗,也知道電泳的原理和應用、gel 是什麼東西、是什麼東西在「跑」,band 是代表什麼,跳海是什麼意思,才能在不到一秒的時間回:「會不會是你的 buffer 沒配好?」(然後旁邊的人依舊是滿頭的黑人問號)

「我跑 gel 一直跳海,好煩。」的意思是??????

所以,當非科學背景的媒體人要將科學語言轉譯為媒體語言時,要面對的困難與挑戰可想而知。

最近因為工作的關係,有幸參與一場有科學家、傳播學者,以及節目製作方出席的會議。有趣的是,起初我以為科學家會認為媒體人的文字太過淺顯、對於科學的原理解釋不清,但出乎我意料的是,在場有科學家認為腳本的文字太過艱澀,既不口語又不易懂,這樣的結果完全顛覆原本的想像!後來才知道,原來有些媒體人深怕自己把科學知識寫錯、解釋有誤而不敢放手去寫,呈現出來的內容反而更難懂;另外,科學家有時候對於節目內容也會有自己的想像,會天馬行空地提出一些點子,希望加到節目裡面,卻忽略節目內容的安排強調的是前後情節間的流暢度。由此可知,兩者之間要有共識,確實還有重重關卡需要克服。

戰文理?何必呢!

與其拿手中的石頭互砸,不如想想彼此手中的石頭,能夠擦出什麼有趣的火花!圖/Frits Ahlefeldt

不過,我對於雙方之間的合作仍然抱持著相當的樂觀程度!像是電影《星際效應》(Interstellar)、影集《生活大爆炸》(The Big Bang Theory)、迷你電視影集《麻醉風暴》等,雖以故事為主,但因具劇情一定的知識乘載度,亦帶給觀眾精神上的富足感;另外像 BBC 在 2014年推出的科學紀錄片《大世界小動物》(Hidden Kingdoms)則透過後製營造故事的高潮迭起,新穎的視覺體驗亦顛覆一般人對科學節目的想像。這些都是需要科學家與媒體人的協力合作,我們才能看到如此精彩的內容!

《大世界小動物》source:IMDb

以之前才播映完畢的影集《世紀天才:愛因斯坦》(Genius)為例,單就看愛因斯坦的科學成就或許會很乏味,但透過劇組的安排與影像的魅力,觀眾可以跟著劇情知道愛因斯坦是如何觀察、如何想像、如何提問、如何堅持自己的論點,並且為自己的想法找出答案。影集拍出了科學家思考科學的方式,比起課本直接告訴你「愛因斯坦提出相對論」的事實,這種面對科學的態度與精神,才是科學教育真正應該帶給我們的,不是嗎?

《世紀天才:愛因斯坦》source:IMDb

因此,史諾的話還是有其道理的,確實在差異極大的兩種文化交集之處,是最有機會激發出無限想像力與創造力的地方。我想,無論這兩種文化是科學與文學、科學與媒體,或是其他兩兩差距極大的領域,彼此都不應是對立而是合作關係。而兩種文化之間的合作應奠基於,雙方擁有共同的目標,以平等之姿尊重彼此專業領域的基礎下,維持良好的溝通互動關係。

所以,與其拿手中的石頭互砸,不如想想彼此手中的石頭,能夠擦出什麼有趣的火花!

註解

  • 註一:
    此處的科學指的是自然科學,如物理、化學、生物等;文學則包含人文社會等學科。
  • 註二:
    由於史諾在 1959 年的演講主題〈兩種文化與科學革命〉(Two Cultures and the Scientific Revolution)太過精彩,在國內外皆引起廣大迴響,面對接踵而至的粉絲和酸民來信與指教,史諾在 1963 年撰寫了〈兩種文化:重新審視〉(Two Cultures: And A Second Look)一文作為回應。隔年劍橋大學出版社便將演講內容與這篇補充文章結集出版,書名為《兩種文化》。
  • 註三:
    英國劍橋國王學院天文物理學家馬丁·里斯(Martin J. Rees),在接受布羅克曼的訪問曾表示:「大多數的媒體編輯主管受的教育以文科為主,他們的背景和興趣,現在已經愈來愈不能代表一般的聰明讀者。」由此可知,里斯和布羅克曼都認為,高品質的新聞媒體早就有超過半數以上的讀者受過科學訓練,他們需要的是對普遍議題有相當難度的討論。
  • 註四:
    兩位老師在研究論文中表示,一般社會公民若要透徹理解一件 SSI 的事件核心,必須如剝洋蔥般一層一層拆解這兩層語言的意涵,方能據此參與該類議題之討論。此外,民眾同時也必須具備相對應的「媒體素養」及「科學素養」,才有能力了解媒體訊息的組成方式,接著解析科學意象背後意義。對兩位老師研究有興趣的人,可於資料來源中閱讀整篇論文。

延伸閱讀

  1. 五十年後的「兩種文化」- C. P. Snow《兩種文化》再探,黃春木,通識在線。
  2. 【一頁物理】兩種文化?,高涌泉,CASE報科學。
  3. 從「兩種文化」到「第三種文化」的省思,石弘毅,科技與文化。

資料來源

  1. 兩種文化》(Two Cultures),查爾斯·博斯·史諾,林志成、劉藍玉譯,貓頭鷹出版。
  2. 第三種文化:跨約科學與人文的鴻溝》,約翰·布羅克曼,唐勤、梁錦鋆譯,天下文化。
  3. 在科學與媒體的接壤中所開展之科學傳播研究: 從科技社會公民的角色及需求出發〉,黃俊儒、簡妙如,《新聞學研究》第 105 期,頁 127-166。
  • 本文原刊載於「叮叮咚創作研究室」。叮叮咚是由一群正與個人作品和論文奮戰的研究生共同創立,我們在此分享所見所思,也作為往後研究的筆記。

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最西的南島語族:非洲與亞洲在「馬達加斯加」交會

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南島的最西端,班圖的最東方

馬達加斯加是個超大型島嶼,面積約 59.3 萬平方公里(沒有概念?台灣的面積是 3.6 萬),世界島嶼面積排名第四(前三名分別是格陵蘭、新幾內亞島、婆羅洲)。它位於非洲旁邊,距離非洲東岸大概 400 公里,居民稱作馬拉加斯人(Malagasy),其語言馬拉加斯語卻屬於南島語系。

多數台灣人聽到馬達加斯加時,第一時間的印象或許是……《馬達加斯加》。圖/IMDb

語言屬於南島語系的族群,定義上都可以叫作南島語族(Austronesian-speaking peoples),因此,馬拉加斯人算是在地理上,分佈最西端的南島語族。儘管屬於南島語族,不過馬拉加斯人不論遺傳、語言或文化,在南島之外,都明顯還有來自非洲東部的班圖成分。

班圖語族(Bantu-speaking peoples)是人口龐大的農夫族群,起源自非洲內陸,分佈於撒哈拉以南的非洲各地;而南島語族,從台灣出發以後,縱橫於印度洋與太平洋的島嶼 [1]。馬達加斯加是世界級的兩大語族,擴張到最遠時的交會之處;島上兩群人融合形成馬拉加斯人,不過,他們都不是最早抵達島上的人。

馬達加斯加上的馬拉加斯人,是分佈最西端的南島語族。圖/取自賈德.戴蒙經典小短文〈Linguistics: Taiwan’s gift to the world

各方勢力究竟何時抵達馬達加斯加,至今仍爭議連連,能肯定的是,島上至少 1300 年前已經出現村落。考古記錄顯示,馬達加斯加最早的人類活動跡象,距今已有 4000 多年之久。[2]

馬達加斯加最初的居民沒有農業,是依賴森林與海岸資源過活的採集狩獵族群,總人口很少,也沒有引發島上動物大批滅絕。或許因為存在感很低,所以長期遭到忽視,直到最近考古學家才比較確定,島上更早以前就有人存在;然而他們的命運如何,仍沒有人知道。

最後的採集狩獵者:Mikea 族

南島和班圖語族都是農業族群,相當程度依賴馴化植物、動物維生。近代有記錄以來,馬達加斯加島上的採集狩獵者,只剩下西南部森林中的一群 Mikea 族。有關他們的來歷眾說紛紜,早期記錄者覺得,他們是古早採集狩獵族群的後裔;卻也有人認為 Mikea 人的血緣,和其他馬拉加斯人並無不同,之所以生活方式不同,是後來轉型所致。

Mikea 男生與狐猴。圖/取自 ancientpath.com

為了研究馬達加斯加最後的採集狩獵者,遺傳學家取得了 21 位 Mikea 人的基因組,以及島上另外兩個族群,24 位斐索人(Vezo)和 24 位 Temoro 人作為比較。若是 Mikea 人遺傳上和其他馬拉加斯人差異很大,支持 Mikea 人源自古早的採集狩獵者;假如沒什麼差異,表示他們是後來才由移民到島上的農夫,轉變為純採集狩獵族群。[3]

將 3 個馬達加斯加族群,以及一大堆非洲、亞洲族群擺在一起比較親戚關係,結果相當明顯,不論跟誰比較,Mikea、斐索、Temoro 三群人,彼此在遺傳上都沒多少差別。

遺傳學結果表示,Mikea 人和島上早期的採集狩獵者無關,他們的祖先本來也和其他馬拉加斯人一樣是農夫,後來才進入森林討生活,轉型為採集狩獵的生產方式。這也是目前已知的「非洲族群」中,唯一由農牧式生活,又轉型為採集狩獵的。

和其他地方族群比較,馬達加斯加的 Mikea、斐索、Temoro 三群人(上下兩列都在左二、左三、左四),遺傳組成彼此間都沒多少差異。圖/取自 ref 3

馬拉加斯人是由南島與班圖兩大主軸組成,由 DNA 看來一目瞭然。三個馬達加斯加族群的基因組中,平均有 60% 多祖源(ancestry)源自東非的班圖語族,剩下 30% 多則可以追溯到南島語族,特別是西印尼一帶的南島族群,這也和語言關係的結果一致。綜合看來,馬達加斯加人是東非的班圖語族,以及西印尼的南島語族,各自移民到島上以後,融合而成的全新族群。

另外特別提醒,用「農夫」指稱南島、班圖,和 Mikea 族之外的馬達加斯加人,只是為了方便描述。馬拉加斯農夫與台灣人一般印象中,那種種稻、麥、玉米的農夫很不一樣。

斐索人會划船出海捕魚,不過歸類上,他們還是屬於「農夫」。圖/取自 wiki

以生產方式看,只要是大部分定居,相當程度依靠馴化生物的人,都可以視為農夫。例如論文中用於研究的樣本來源,斐索人,顯然就十分不像台灣的漢人傳統農夫。

族群史:兩性有別

source:wikimedia

馬達加斯加島上有很多族群,Mikea、斐索、Temoro 三群人有其代表性,不過還不夠全面。2017 年發表的論文,大手筆搜集了全島內外,一共 257 個地點、2704 位男男女女的遺傳樣本,包括 2691 個粒線體、1554 個 Y 染色體,以及 700 個基因組,深入分析全島族群的遺傳史。[4]

粒線體是母系遺傳、Y 染色體是父系遺傳,靠著上頭 DNA 特定位置的變異,定義出的單倍群(haplogroup),以及更細分的單倍型(haplotype),各自能夠代表母系與父系的部分歷史。

馬達加斯加全島族群的粒線體型號中,約有 50.1% 源自南島、42.4% 來自班圖; Y 染色體則是班圖約 70.7%、南島約 20.7%(剩下應該是別的地方來的,如中東)。顯而易見,馬達加斯加人源自班圖與南島,但兩性比例並不一致,班圖比南島貢獻過更多的男性血緣。

馬達加斯加各地族群的遺傳分佈,愈深色代表比例愈高。上半部是源自亞洲的祖源,下半部是源自非洲的祖源;由左至右分別是基因組、粒線體、Y 染色體各自分佈的狀況。圖/取自 ref 4

經歷至少幾百年混血後,如今全島馬拉加斯人皆為兩支血脈的後裔。在基因組方面,總平均大約有 36.6% 能追溯到南島,59.4% 班圖;不過各地族群,源自南島或班圖的比例不一樣。大致上,南島祖源在島中央的高地區域比例較高,班圖祖源則以周圍靠海區域較多。

亞洲與非洲,在馬達加斯加交會

除了計算祖源比例之外,這篇今年發表的論文,還做了非常多十分詳盡的分析,方法令人歎為觀止。對於人類族群遺傳有興趣的讀者,可以自行深入鑽研。

有了全島詳細的 DNA 資訊,加上更進步的統計方法,可以得到比 2014 年只有三個族群時,更明確的估計。結果是,馬達加斯加人的南島祖源最接近婆羅洲南部的族群,在約 2000 到 3000 年前分家;班圖祖源方面,最接近的族群位於東南非,大概分開 1500 年左右。

遺傳學視野下的馬達加斯加族群遺傳史。圖/取自 ref 4

然而,遺傳上分家過了多久,不能直接等同於移民抵達島上的年代。島上居民與其他地方假如遺傳上分開 1500 年,也有可能是島民的祖先,先與其他人中斷遺傳交流後,又過了一段時間才抵達島上。光靠 DNA 證據,並不足以了解馬達加斯加遺傳史的全貌。

想釐清遺傳史,永遠要考慮考古證據。馬達加斯加的文化,可以區分為亞洲與非洲兩種來歷,假如能得知南島與班圖風格的文化,各自出現在島上的年代,不就能解答問題嗎?

然而,根據目前考古挖掘的判斷,狀況似乎沒那麼單純。南島與班圖都是農夫族群,有自己的農作物。遺址中若是辨識出屬於非洲的生物,應該無疑來自班圖;要是源於亞洲,卻不一定與南島語族有關。亞洲很大,馬達加斯加又是中世紀時,印度洋海上貿易網的一員,與中東、南亞、東南亞都有交流。

向非洲方向航行,南島語族曾划的更遠?

去年發表的論文,比較東非沿岸(現在的肯亞、坦尚尼亞、莫三比克)、馬達加斯加,以及一系列位於其間的小型島嶼,介於西元 300 到 1200 年的遺址中,殘留農作物的種類。費了一番功夫辨別來歷後,只能看出馬達加斯加島上來自亞洲,確定屬於南島風格的農作物-稻和綠豆,最早出現的年代是 10 世紀左右。[5]

遺址位置,遺留農作物的種類。圖/取自 ref 5

不過該論文中,馬達加斯加島上的遺址很少,而且有些南島語族的農作物,像是芋頭,根本不會留下記錄。因此這些結果只能佐證,南島語族在 10 世紀時已經抵達島上,卻無法排除更早的可能性。

東非沿岸與其他小島在那段時間,主要出土屬於非洲的馴化植物,例如御穀(pearl millet)、穇子(finger millet)等等。令人驚訝的是,比馬達加斯加更接近非洲大陸的島嶼葛摩(Comores),南島農作物至少在 8 世紀時已經現蹤,年代比馬達加斯加更早。

非洲東岸、馬達加斯加、葛摩,以及其他小島遺址中,農作物種類的簡化示意圖。圖/取自〈Ancient crop remains record epic migration to Madagascar

葛摩目前的語言屬於班圖語系,居民的 DNA 也接近班圖族群。南島語族一開始向非洲方向移民時,抵達葛摩比登陸馬達加斯加更早嗎?他們曾在葛摩建立殖民地,只是後來失敗了嗎?依現有資訊仍無法釐清。我們現在只知道,在南島與班圖兩大語族擴張、交會的邊陲地帶,人口變遷史相當複雜。

馬達加斯加,不只是夢工廠 3 集動畫電影,還是世界上兩大古老語族,交織著複雜歷史的真實國度。

參考文獻

  1. 憑什麼小小臺灣是世界四億南島語族的發源地!只是這「南島語族」可能跟你想像的不一樣……
  2. Dewar, R. E., Radimilahy, C., Wright, H. T., Jacobs, Z., Kelly, G. O., & Berna, F. (2013). Stone tools and foraging in northern Madagascar challenge Holocene extinction models. Proceedings of the National Academy of Sciences, 110(31), 12583-12588.
  3. Pierron, D., Razafindrazaka, H., Pagani, L., Ricaut, F. X., Antao, T., Capredon, M., … & Letellier, T. (2014). Genome-wide evidence of Austronesian–Bantu admixture and cultural reversion in a hunter-gatherer group of Madagascar. Proceedings of the National Academy of Sciences, 111(3), 936-941.
  4. Pierron, D., Heiske, M., Razafindrazaka, H., Rakoto, I., Rabetokotany, N., Ravololomanga, B., … & Raharijesy, M. A. (2017). Genomic landscape of human diversity across Madagascar. Proceedings of the National Academy of Sciences, 201704906.
  5. Crowther, A., Lucas, L., Helm, R., Horton, M., Shipton, C., Wright, H. T., … & Picornell-Gelabert, L. (2016). Ancient crops provide first archaeological signature of the westward Austronesian expansion. Proceedings of the National Academy of Sciences, 113(24), 6635-6640.

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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從電力傳輸到磁浮列車,超導體的未來研發趨勢在哪裡?

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「超導體,我研究了一輩子!」電力傳輸、儲能系統、醫療設備、微波通訊、磁浮列車······你知道都能運用超導體技術嗎?隨著科學界對超導體相關現象的理解越來越深,以及「高溫超導」的發現,超導材料將在生活中扮演不可或缺的角色。本文專訪中研院吳茂昆院士,聊聊超導體目前的進展及未來。

這不是魔法,而是超導體(Superconductor)的完全反磁現象。圖中是一高溫超導體懸浮在磁鐵之下。 圖片來源/吳茂昆提供

超導體:永久電流、完全反磁

超導材料是指當溫度低於某個程度,該材料就會顯現出超導現象。超導現象主要會呈現兩大特性:一個是「電阻為零」,即電流在超導體內部流動時,不會有損耗而能一直流通,成為永久的電流;另一則是「完全反磁現象」,若外加磁場在超導體上,超導體會排除磁場,使磁力線完全不能通過。

超導體自發現以來就被視為極為有發展潛力的科學現象,但早期發現的超導材料如水銀(Hg)、鉛(Pb)、錫(Sn)等超導臨界溫度都低於攝氏零下 260 度,經過科學家幾十年的努力,只將溫度提升了 10 度左右,超導體的研究開始陷入泥淖。

但就在 1986 年, IBM 發現了一種氧化物超導臨界溫度為零下 238 度,相關研究又開始有了進展。隔年,朱經武與吳茂昆團隊發現了「釔鋇銅氧的氧化物」擁有超導特性,震驚了世界!

吳茂昆團隊於 1987 年發現的「釔鋇銅氧的氧化物」,超導形成溫度高於氮的沸點(氮在空氣中佔了 78%)。從此以後,科學家研究超導現象就可使用量多且便宜的液態氮來冷卻。 資料來源:〈高溫超導的鐵器時代─從「銅基超導」到「鐵基超導」〉,作者:吳茂昆。圖說重製/柯旂、張語辰

2008 年時,吳茂昆團隊又發現硒化鐵(FeSe)擁有超導特性,此鐵─硫族系統在製程上較簡易,且毒性相比其他超導材料較低,生物相容性也較高,在應用前景上非常被看好。而更有趣的是,近年來吳茂昆團隊發現鐵硒材料中「鐵的空缺」是開啟超導關鍵的因素之一。

超導體的最新研究趨勢

Q:科學家對「超導體」最新的理解是?
A:目前超導材料有兩個主要的系統:一個是以銅氧化物為主體的,像是我們在 1987 年發現的「釔鋇銅氧的氧化物」,一個是用鐵取代銅的化合物。

銅的氧化物是目前被探究、應用最多的超導材料,很多的元件,包括「超導電纜」都被做出來了,推出於市面指日可待。

由於超導體「零電阻」的特性,使用超導電性傳輸電流將不會有損耗。 資料來源:TED x Taipei ─ 熱情點燃超導體,講者:吳茂昆(影片)。圖說重製/柯旂、張語辰

一般來說我們熟知的氧化物像陶瓷材料等等應該是不導電的,因此這個銅氧化物導電的機制跟一般金屬是不同的,當然它還是以電子電洞來帶動電流,但是電子離子如何引進來、如何運作,這是目前重要的課題,科學家稱這個為「強關聯電子體系(Strongly correlated electronic systems)」,在超導材料中,電子跟電子的交互作用是非常強的。

另一個重要的體系則是用鐵取代銅,成為全新的超導材料架構,像我們最近的研究就發現「鐵」跟「硫化物」形成的化合物也出現了有趣的超導現象,雖然這個體系的超導臨界溫度沒有很高,但是因為結構較簡單,讓我們更加了解超導產生的機制。

「室溫超導」從學理上來看是存在的,問題是存在於什麼樣的材料體系和架構中,現在全球科學家們都還在研究。

Q:團隊的超導體研究,有看見什麼有趣的事嗎?
A:我們自 2008 年發現「鐵硒超導」後,那就成為團隊的重點研究項目之一,當然銅氧化物方面我們也在跟其他團隊合作超導線的應用等等,但科學上重點放在鐵硒相關系統。

雖然「鐵硒超導」架構簡單,但我們發現到鐵跟硒形成的平面體中,很容易出現鐵有空缺的架構,比如說我們目前最常見的是,每四個鐵排列後,第五個鐵就空缺了,然後再重複同樣結構。

鐵硒超導的原子排列圖。鐵硒形成的二維平面結構中,「鐵的空缺」是超導特性的關鍵產生因素之一。 資料來源:吳茂昆提供。

β-Fe4Se5(一種鐵硒超導)的單晶結構示意圖,綠色是鐵原子,粉紅色是硒原子,可以看出鐵原子有規律的空缺。 資料來源:〈高溫超導的鐵器時代─從「銅基超導」到「鐵基超導」〉,作者:吳茂昆。

我們用一些方法來操控鐵空缺的排列,例如控制壓力、控制溫度(急速降溫),發現鐵空缺跟超導的形成是有關係的,同時這個結果也可以用來解釋銅氧化物的一些機制。這也衍伸了我們未來的研究,去尋找有鐵空缺特性的過渡金屬,看有沒有機會形成超導體。

圖 (a) 為K2Fe4Se5的電阻與溫度關係圖,顯示鐵空位呈有序態時材料在低溫呈現金屬至絶緣的轉變。藍色曲線是在攝氏 300 度退火的電阻率隨溫度變化圖。紅色曲線是相同樣品經過攝氏 750 度退火,顯示電阻率明顯下降。 圖 (b)(c) 為添加少量鐵的 K2Fe4+xSe5 (x=0.1, 0.2) 經高溫退火並快速降溫材料的電阻與溫度關係圖,明顯在低溫呈現超導性(呈現零電阻狀態)。 圖 (d)(e)(f) 為樣品的磁化率與溫度關係。 (f) 明確顯示其抗磁性(超導性)之強弱與燒退火溫度的相關性。 資料來源:〈高溫超導的鐵器時代─從「銅基超導」到「鐵基超導」〉,作者:吳茂昆

超導體能成為夏季限電的解方嗎?

Q:台灣夏天會面臨的限電難題,超導體是否能有助解決?
A:目前我們使用傳輸電力的銅線,傳輸時會有 10% 左右的電力損耗,特別是台灣有很多老舊的線路,若改用零電阻的「超導電線」,就可以避免那 10% 耗電,讓被浪費掉的電成為可運用的電。

另一個概念則是「超導體儲能器」。電是很難儲存的,目前我們主要是靠水庫儲電,能儲存的電力有限。但若用超導材料繞成線圈,由於零電阻,電流會永久流動,產生的磁場就是一種能量,我們可以把太陽能發電及風能發電儲存在裡面,要使用時再拿出來用。

運用超導材料繞成線圈的儲能器,運用零電阻的優勢,可以將再生能源發出多餘的電力儲存在裡面,需要時再拿出來使用。 資料來源:Why the wind industry should cheer superconductivity;圖說重製/柯旂、張語辰

另外,也可運用「超導馬達」做成風力發電機,由於超導磁場較強,尺寸可以做比較小、噪音也比較小。我們有個構想,若能用超導馬達做個小型風力發電機,然後運用超導儲能器儲能,就能放在中研院運用、展示。

Q:台灣在超導體領域領先全球的地方為何?
A:由於我們發現了「鐵硒超導材料」,所以這塊以及「鐵空缺」的概念算是有一部分領先的,不過科學也很難說誰領先誰落後,各有千秋,但是基本上我們在這領域不是落後別人就是了。

從七星潭邊的物理少年,到超導物理專家

研究超導體一輩子的吳茂昆,最喜歡讀武俠小說,可以在幻想的世界中翱翔,讓思考不受侷限。 攝影/張語辰

Q:什麼時候開始對「物理」產生興趣?
A:我們那個年代的小孩子主要是受到楊振寧和李政道的影響,唸小學時聽學校廣播他們拿諾貝爾獎,那時候我也搞不懂什麼是諾貝爾獎,但就是激起了對科學的熱情(笑)。

至於為什麼會選擇研究「超導體」,大四時學校有門課是讓同學自己選個主題去了解,我有個同學選了超導,他跟我聊了超導體後,我發現這門學問真有趣,所以後來唸研究所就決定研究超導體,一讀就是一輩子。

其實我的學術生涯算很順利,也還蠻平淡的,但是有很多興奮的發現,很有成就感,其實我算是很幸運的人。

雖然做研究要靠一點運氣,也要看一個人有沒有足夠的知識準備,當實驗過程中看到一些現象,能不能把握住。

 

Q:1987 年發現「釔鋇銅氧」有超導特性時,是什麼心情?
A:那種感覺很難用言語形容,我在猜可能跟中樂透的人心情很像,不過我是沒有中過樂透(笑)。

但是得到錢的感覺,跟科學上發現新東西還是不同的。我們夢想了很久的東西,沒想到就突然出現了,這是對科學發展有貢獻而獲得的快樂,我覺得從事研究工作最大的回報是這個。我讀博士班時,第一次將材料變成有超導性質也獲得了這種類似的快樂。

Q:會不會覺得現在研究物理比以前方便多了?
A:現在當然是方便很多,不過我覺得以前算是很好的訓練,順練如何在圖書館查資料,如何從一大本目錄中去查論文,利用有限的資源去尋找需要的資料。

以前確實是很辛苦,但是方便也有方便的壞處,我就唸過我們實驗室的學生,不要把機器架好、電腦打開,用自動控制去搜集數據,就去睡一覺隔天再回來看結果,這樣會有個缺失。

當實驗數據某個時刻發生變化,你隔天才看結果,會不清楚這是因為環境變化?還是一個重要的材料特性訊號?

沒有在第一時間看到實驗變化的話,會降低對數據的掌握度及靈敏度。我還是鼓勵測量時要盡量即時去觀察數據的情況。

Q:從小在花蓮成長的經驗,對研究生涯有沒有影響?
A:由於生長在花蓮,生活比較悠閒,學生也不多,老師給的壓力也不大,讓我能夠自由發揮,自由涉獵知識,不會說為了升學就什麼不准做,這讓我的思維比較不受限制。

吳茂昆回憶,當年讀花蓮高中時沒有圍牆,中午休息時大家都跑到學校邊的太平洋岸,和大自然沒有距離。因為熟悉自然界的運作,學物理時就有助於理解物理規則,而非死背定律。

吳茂昆回憶,當年讀花蓮高中時沒有圍牆,中午休息時大家都跑到學校邊的太平洋岸,和大自然沒有距離。因為熟悉自然界的運作,學物理時就有助於理解物理規則,而非死背定律。圖/billy1125@Flickr

在研究科學中,這點其實很重要,不要被某個理論、某個框框鎖在裡面。我覺得這也是教一個小孩比較好的方式,給他一個環境,讓他自由地發揮。

延伸閱讀

CC 4.0

本著作由研之有物製作,以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

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2017搞笑諾貝爾獎結果出爐!同時處於固態和液態的貓咪?

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文/v編、珮琦

2017 年「27 次」第一屆搞笑諾貝爾獎[1]的頒獎典禮(是的,永遠都是第一屆!),在台灣時間今天(9/15)清晨六點,於美國哈佛大學的桑德斯劇場(Sanders Theater)盛大開場啦。

和即將在 10 月公布,藉以表彰對全人類做出巨大貢獻的國際級大事諾貝爾獎相比,搞笑諾貝爾獎則是頒給那些「乍看之下引人大笑,笑完後發人深省」的研究,希望藉此讓看似嚴肅的實驗與學術研究,凸顯其詼諧與幽默的部分。而每年讓人嘴角上揚的創意獎盃,觀眾殺紅眼般的丟紙飛機開場,以及甜便便小姐如何阻止得獎者長篇大論,以及呼應主軸的表演小劇場等精心橋段,可是讓大家發現科學家要搞笑起來不會輸任何人啊!

2017 年搞笑諾貝爾獎的…獎盃。圖片來源:The 27th First Annual Ig Nobel Prize Ceremony

今年的典禮主題是「不確定性(Uncertainty)」(主辦單位對媒體解釋,我們也不確定為何會選出這個主題呢)。開場就由一群穿著西裝的打字機樂團,認真演示抽象實驗「無限猴子定理(Infinite monkey theorem)」,這定理的基本描述是:讓一隻完全不懂文字的猴子在打字機上隨機地按鍵,當按鍵時間達到無窮時,幾乎必然能打出任何給定的文句,也就是說,只要等夠久,任何機率不等於零的事情都有可能發生!

呼應主題不確定性的開場表演:人類打字機樂團!。圖片來源:The 26th First Annual Ig Nobel Prize Ceremony

除了穿插在獎項儀式中間的各種爆笑表演,「24/7:自己的研究自己說」也是值得關注的亮點:數位頂尖的大科學家被找上台,先運用 24 秒盡可能詳盡且專業地解釋自己的工作(時間一到就有老爺爺大聲吹哨制止),然後再給出 7 個英文單詞,用最淺白的方式再次解釋,如下圖的醫學家伊莉莎白·漢斯基(Elizabeth Henske)就幽默總結:「生醫對健康有益(Biomedical research is good for your health)。」

所以今年是哪些研究獲得了這項至高無上的殊榮呢?

歡呼吧貓奴們!第一個物理學獎頒給了 Marc-Antoine Fardin,受到網路上各種「流體貓」照片的啟發,他決定用流體力學來探討「貓咪能同時處於固態和液態嗎?」這個問題,並在得獎時,特別對貓咪們表達了由衷的感謝。[2]

我既是固體也是液體喔?喵。

獲得和平獎的團隊由 Milo Puhan、Alex Suarez、Christian Lo Cascio、Alfred Zahn、Markus Heitz 及 Otto Braendli 所組成,他們的研究證明,規律地演奏迪吉里杜管(didgeridoo)有助於減緩睡眠呼吸中止以及打鼾的症狀。所以,未來你的床伴打呼時,請別急著拿菜刀,塞上一支樂器可能是比較和平的解決方式。[3]

臥室裡的和平,就靠多練習迪吉里杜管。圖片來源:The 27th First Annual Ig Nobel Prize Ceremony

經濟學獎頒給了 Matthew Rockloff 及 Nancy Greer,他們發現與活鱷魚的接觸會影響人們的賭博意願。原本這個獎項的演示將由一隻受過賭博訓練的活鱷魚上場,不過後來擔心鱷魚會受到傷害所以取消了XD。對此,大會表示:除非你是位受過訓的科學家〈或是一隻鱷魚〉,否則請別輕易在家裡嘗試此實驗。[4]

第四個解剖學獎,由James Heathcote 以「為何老人有著大耳朵?」的研究獲獎,不過,對於他的研究結果,大會表示有部分長著一雙完美耳型的年長同事們表示抗議。[5]

生物學獎的得主團隊 Kazunori Yoshizawa、Rodrigo Ferreira、Yoshitaka Kamimura 和 Charles Lienhard ,他們在巴西洞穴裡發現一種有趣的洞穴昆蟲Neotrogla,這些蟲子的雌性具有「陰莖」結構,而雄性則具有「陰道」結構,交配時雌性以「陰莖」進入雄性「陰道」吸取精液。(嗯…寫到這可以想像某些本本讀很多的人的表情)[6]

生物學獎得獎者一臉嚴肅講解的片段笑死大家XD 圖片來源:The 27th First Annual Ig Nobel Prize Ceremony

流體力學獎頒給了 Jiwon Han,他的研究主題可說是非常實用:「如果你拿著咖啡向後走會發生什麼事?」,現場,研究者特別為大家展示如何在倒退走的情況下,依然能保有最多咖啡的拿法「鷹爪手勢」[7]

「來!根據流體力學,倒退走時拿咖啡的手勢就是這樣」圖片來源:The 27th First Annual Ig Nobel Prize Ceremony

營養學獎由 Fernanda Ito、Enrico Bernard 和 Rodrigo Torres 的團隊獲得,他們針對人類血液在毛腿吸血蝙蝠「食用菜單」上所扮演的角色,進行了一番研究。 [8] (感覺好複雜啊,到底該期望是好吃還是難吃的那一邊呢…)

醫學獎的得獎團隊由 Jean-Pierre Royet、David Meunier、Nicolas Torquet、Anne-Marie Mouly 和 Tao Jiang 組成,他們能利用腦部掃描的技術知道某些人到底有多討厭起司。[9]

認知學的得獎人是 Matteo Martini、Ilaria Bufalari、Maria Antonietta Stazi 及 Salvatore Maria Aglioti,他們發現:許多同卵雙胞胎其實並沒有比其他人更擅長一眼辨出照片中的那張臉,究竟是自己還是自己的兄弟姊妹呢?[10]

最後的產科學獎,由 Marisa López-Teijón、Álex García-Faura、Alberto Prats-Galino 和 Luis Pallarés Aniorte 獲得,他們的研究發現:相較於在媽媽肚皮上撥放的音樂,發展中的人類胎兒對於在母親「陰道內」播放的音樂會有更強烈的反應。[11](不意外地,現場展示橋段被立即中止XD)

如果你還想知道每年搞笑諾貝爾獎各種妙趣橫生的橋段和小遊戲的意義,這麼狂的得獎名單怎麼來,甚至想要自己提名自己,那千萬別錯過「最無俚頭的研究 搞笑諾貝爾獎這樣玩」囉!想知道過去還有哪些超幽默研究,歡迎參考泛科學的「搞笑諾貝爾特輯」。最後,來享受 2017 年搞笑諾貝爾典禮的完整風采吧。

參考資料:

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把能源跟用電問題講清楚,有那麼難嗎?

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本文由科技部、經濟部贊助,泛科學策畫執行

圖/Pixabay

今年(2017 年)8 月 15 日,正當夏日炎熱之時,臺灣突然陷入一片漆黑,全臺各地接連發生無預警停電,從北到南,臺北、桃園、新竹、雲林……,因為大規模的突發停電事件,加上前陣子才出現「729 限電危機」事件,使能源與用電問題再次浮上檯面(台灣人的檯面上好擁擠啊…..)。

但討論能源政策,只有全盤綠能、重啟核能這兩種極端選擇?

政府、台電、民間團體、企業公司、網路鄉民各方討論得沸沸揚揚,從廢核能到再生能源議題,似乎都沒有很好的定論,為什麼政府和民間的對話總是有落差?

「洞見發展與機會:能源政策之橋與溝通論壇」邀請到長期研究氣候變遷與政策審議的臺灣大學政治系副教授林子倫、持續針對能源議題發聲的綠色公民行動聯盟副秘書長,同時也是行政院能源及減碳辦公室委員的洪申翰,與石化業與化石能源議題專家,成功大學資源工程學系副教授謝秉志,分別從全球政治、民間行動者、石化能源產業三方角度來看現在臺灣能源政策遇到的困境:為何這議題那麼難講清楚?。

三管齊下、開啟對話

討論能源政策,只有全盤綠能、重啟核能這兩種極端選擇?圖/tenz1225 @ Wikimedia commons

臺灣大學政治系林子倫副教授認為,在討論政府與民間的溝通問題時,首先要再次思考「風險」的概念。過去政府推出新政策前,會根據理性計算的「風險評估值」來進行判斷與評估,但這樣的方式,在現今卻已無法解決經濟開發所產生的衝突問題了。

最主要原因來自,現代社會具有更多元的價值、認知,以及利益關係,若探討議題時,沒有把在地化、差異化、特殊化等社會脈絡容納進來,便容易出現雙方認知落差。特別是,環境與能源議題具有複雜多變與高度不確定性的特質,當議題的討論變成實質上的執行時,又牽涉到更多層面的考量了。

「大家都同意全球需要更多的綠能開發,但當你家隔壁要建設太陽能電廠時,會馬上答應嗎?」,林教授問道。

此外,隨著資訊時代的發達,政府不再是唯一的資訊來源,民眾可以透過更多管道接觸到各種資源,而民間的專業知識與當地社會脈絡,使得政府的權威受到挑戰,對風險的認知亦出現落差。面對社會型態的改變,林子倫教授建議,對此應該發展出去中心化、更透明、更多元、更多層次的討論,「是不是可以把民眾放到跟決策者一樣的情境中,了解共同困境,重新設定討論的機制呢?」針對開啟能源政策對話的可能性,林子倫教授建議了三種方式:

  1. 資訊公開透明、建立信任:透過資訊公開透明的方式,建立雙方的信任,當彼此有一定的信任基礎,便會從質疑轉向支持。
  2. 開放決策參與過程:民眾的不信任大多來自資訊不完整,但若有足夠資訊和了解亦不會被外界的錯誤資訊誤導。同時,讓民眾有足夠地參與同樣能建立彼此的信任。
  3. 能源在地化:每一個地區都有特殊性,除了政策要與當地進行更在地的溝通外,也可以思考如何將區域和當地做更好的經濟連結來創造雙方的利益。

而延續上方能源在地化討論,林子倫教授提出「社區再生能源」推廣的重要性,他認為「綠能不只是能源的轉型,更是可以幫助傳統產業如漁村、農村轉型的機會。還有很多更有創意的推廣方式值得我們來思考,提供社區不只是經濟上的誘因,而是更多元的誘因機制,創造更多的可能性」。

最後,林子倫教授呼應到本次論壇「溝通」的主題上,指出公民討論不應該只出現在大型的政策會議,而是可以透過更小的討論開始,慢慢建立雙方的信任,讓對抗轉向對話。

大家都同意全球需要更多的綠能開發,但當你家隔壁要建設太陽能電廠時,會馬上答應嗎?圖/Pixabay

政府與民間的斷點在哪裡?

綠色公民行動聯盟副秘書長洪申翰則表示,政府一直都很強調與民間的溝通.但過去的「溝通」大多都是政府向政府體外的溝通,然而,能源轉型的問題不僅是能源配比的問題,更多其實來自政府治理的困境。對應本次論壇「橋接」主題,洪申翰提出四項政府在能源政策上遇到的「斷點」問題:

  • 中央與地方的斷點
  • 社會基礎的斷點
  • 既有行政分工的斷點
  • 能源資訊與教育的斷點

首先,中央與地方執行出現落差。舉例來說,在節電宣導政策中,服務業者並非屬於中央經濟部的能源局可以管理得來,必須透過地方政府的協助,藉由縣市政府的產發局、經發局甚至是工務局的投入才能擬定出合宜的政策並執行。而當中央政策無法落實到地方政府時,便出現中央與民間的落差。

其次,新政府提出許多能源政策目標,如離岸風電 2025 年要達到 3GW,政府為了努力達到目標,進行不少大規模的建設開發,「但這樣是很脆弱的」洪申翰指出。如果不能讓民眾成為社會轉型的一份子,一旦發生爭議時,民間對政府的不信任、懷疑的反撲力量就會很強烈,如同 815 大停電事件所引發的後續效應。

再者,既有的公部門行政分工上也出現斷點。洪申翰舉例,現在討論能源稅議題時,到底該由財政部,還是能源局主責?在目前的行政體系中,容易造成政策討論找不到主責單位,導致議題被擱置、無法推動。

最後,政府雖擁有專業的智庫團隊,但提供的專業知識和資訊是否能與民間對話?「政府近年來持續推出各種科普知識,但資訊仍然是單向的,依舊是『政府想告訴民眾什麼,而不是民眾需要什麼』」洪申翰點出造成資訊斷點的關鍵。

洪申翰再次強調,應重新思考民間在能源轉型中的角色到底是什麼?推動政策時,不只是政府與民間的溝通問題,更多來自體制性的斷點,要如何重新連接,改變現有的行政僵化問題會是一大考驗。此外,現在有許多民間與民間的交流,但要怎麼轉化成實際可執行的方案?都是必須持續改善的問題。

重新思考民間在能源轉型中的角色到底是什麼?圖/Richy@Wikimedia commons

未來石化能源的出路

能源議題,除了政府與民間的溝通問題外,根本還是回到能源資源的狀態本身。成功大學資源工程學系謝秉志副教授指出,在 2016 年全球使用的能源中 85.5% 來自化石燃料能(石油 33.3%、天然氣 24.1%、煤 28.1%)其次為水力及再生能源,佔了 10.0%,核能則佔了 4.5%。在可見的未來,全世界仍會相當依賴化石燃料能,天然氣的角色會更加重。

實際上,過往我們被告知需要擔心的石油蘊藏量,隨著科技進步,除了開發出新的油田外,更使過去沒辦法利用的資源獲得重新再開發,像是美國的頁岩氣、加拿大的油砂,使未來油氣資源不只足夠,更是能源供應的主要來源。

回看臺灣現況,根據臺灣 2016 年能源供給資料,自產能源僅佔 2.05%,97.95% 仰賴進口能源。其中,石油占比更是高達 48.93%,簡言之,臺灣不僅非常仰賴進口能源,還非常依賴石油。

然而,臺灣有近 50% 的能源被用於發電,即是導致台灣的「能源問題」常被看成是「發電問題」,「要討論能源政策時,要先搞清楚是要討論能源政策裡的石油問題,還是能源裡的發電問題?」謝秉志教授說道。

釐清了能源分配和資源後,再探討到電力問題。根據台灣 2016 年電力資料,火力發電提供 81.99 % 的電力,其次為核能發電 11.99 %,再生能源則是 6.02 %,其中火力發電,主要使用煤炭,再來為液化天然氣。

圖/Pixabay

然而,在這樣的電力配比下,目前政府提出的 2025 非核家園政策,儘管停用核能發電,提升再生能源發電,但因為媒與燃油的使用仍佔大宗,導致二氧化碳排放問題依舊無法被解決。而根據「溫室氣體減量及管理法」,臺灣 2050 年的溫室氣體排放量要降為 2005 年的 50% 以下,代表臺灣未來 35 年需要進行實質的減碳工作並不容易。

在這樣雙重的壓力下,謝秉志教授提出「20-30-50」的改善建議,即 20% 再生能源、30% 媒、50% 天然氣的能源使用分配,以天然氣取代煤炭使用,來同時達到降低碳排放量與新能源政策的目標。

不過目前臺灣天然氣已達最大供氣能力,若要擴大天然氣使用,必須從上到下做出完整的規劃,包含上游要穩定購買天然氣合約,同時尋求低價天然氣、增加自產天然氣;中游則必須興建運輸管線、擴增儲氣設備、興建接收站、提早與居民溝通;下游則要興建或擴增天然氣發電廠,以及最重要的:提早與居民溝通。在管理上必須注意維持供氣順暢、維護運輸管線、維護發電設備、主動對民眾公開資訊等。

謝秉志最後回應林子倫教授與洪申翰的建議,再次強調政府應提供民眾信任感及安心感,不管是雙方的溝通、在地的了解、政策的規劃都必須與民眾有更直接的接觸,不僅讓是在政策上的推動更順暢,同時也是發現新機會和可能性的重要關鍵。

聽完三位的意見,你認為台灣政府在溝通能源議題與政策上頭還有哪些不足、且值得改進之處嗎?歡迎來泛答跟我們分享你的看法

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全民學程式真的能提升台灣的「軟」實力嗎?不如讓工程師保留赤子之心吧!

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  • 文/Ming|曾經夢想走在文學的道路上,成為一個文人,卻意外撞進理工的世界,最後竟成了軟韌體工程師,但依舊對於自然科學保有好奇心,對社會及環境依舊關心,期望能將工程師的世界與普羅大眾的搭上軌,拉近彼此陌生的距離。

近幾年學程式的風潮盛行,好像不學程式就落伍似的。坊間各種電腦補習班林立、政府也大力推動,甚至連國中、小都要開始推行程式教育;彷彿不會程式,我們就會被這個大環境給淘汰。從大數據、雲端網路再到工業4.0,整個城市似乎都在程式的浪潮當中。矽谷最搶手!IT 新兵訓練營 程式設計夯「客製」課程難度 文學系也學大數據「高教深耕」教部規劃50%大學生學程式設計資訊教育從小紮根!「不插電」學習法 幼稚園學程式語言」……,這樣的新聞資訊,在這幾年來多的可怕,但我們靜下來思考與分析,這樣的熱潮與推行真的能改變我們電腦科學素質與精神嗎?

台灣的電腦科學素質好嗎?好像也還不錯吧!曾經號稱「電腦王國 」,目前市面上也有幾家國際知名的電腦大廠,例如:宏碁、華碩……等,在電腦硬體產業的發展,倒也頗有幾分樣子,但電腦科學,只有硬體嗎?那軟體上的發展呢?咦!好像沒甚麼印象!似乎不太清楚,到底電腦科學的靈魂「軟體」我們發展的如何呢?

台灣的電腦科學發展史

我們可以先回過頭來,快速地回顧一下台灣的電腦科學發展史。電腦於 1940 年代被發明,於 1960 年代開始商業普及,而台灣也在同一個時期將電腦引入台灣。 1970 年代,由有「中文電腦之父」之稱的朱邦復先生創造了倉頡輸入法,這是兩岸三地最早普及的型碼輸入法。而在 1983 年更完成了直到了今天,我們依舊在仍然可能會使用的—「大五碼」(Big5)。

簡單來說「大五碼」就是電腦編碼裏頭,專門收錄中文的字元集。英文最常見的就是ASCII碼,但英文只有26個字母,再加上一些符號,所以編碼很簡單;相比之下,中文字的編碼複雜太多了,所以早期的中文系統很亂,各家有各家的編碼方式,造成很多應用軟體是不能互通,這個概念很像現在微軟和蘋果的作業系統常常軟體不互通的感覺。因此在台灣能在電腦發展初期,就發展出一套統一的編碼方式,這其實是一件很厲害的事情!

另外,宏碁於 1981 年發表了「小教授一號」,這是一款針對 Zilog Z80 微處理器所開發的訓練用電腦,也因為我們很早開始了電腦科學的發展,所以台灣在電腦科學一直存在一定的影響力。

時間到了 1990 年代,那是台灣大補帖盛行的年代,也是台灣電腦軟體最鼎盛的年代,在台北光華商場你很容易可以看到電腦相關的書籍,當時電腦旋風剛席捲全台,電腦遊戲盜版採用大補帖的情況非常嚴重(這當然不是好事,但也代表很夯)。

這也正是台灣軟體最興盛的時期,當時還創立了幾款列為中文世界史上經典的 RPG 遊戲,例如大名鼎鼎的「仙劍奇俠傳」,就是那個後來被寫成小說、改編成電視劇以及不斷再版的「仙劍」,在當時出現的還有另一個並駕齊驅的「軒轅劍系列」,後來也是被中國大陸改編、拍成電視劇。在當時的電腦還是 DOS 作業系統的年代,台灣的遊戲軟體實力可以稱得上是中文世界的霸主。

中文世界史上經典的RPG遊戲,大名鼎鼎的「仙劍奇俠傳」。圖/作者電腦遊戲擷取

而在 1998 年的時候,一隻由台灣開發名叫「CIH」的電腦病毒冒了出來,且在後來的幾年更造成全球無數的電腦遭受感染,引發一場軒然大波。CHI 病毒,因為被設定在 4 月 26 日,剛好與車諾比核災的時間相同,所以也被稱為「車諾比病毒」。

source:Wikimedia

這隻病毒可以說是台灣軟體實力巔峰的證明,當年由台灣大同工學院(現在的大同大學)資工系的學生陳盈豪所開發,當初開發的目的只是單純的想證明,那時很多防毒軟體都號稱可以百分百防毒的謊言(就是這麼單純的原因),卻因為陰錯陽差的意外讓這款病毒造成全球的大感染。這隻病毒最厲害的地方在於他除了能破壞電腦硬碟,也會造成資料的毀壞、還能攻擊電腦的 BIOS (可以把 BIOS 想成電腦的心臟),造成整台電腦根本開不了機,必須更換晶片才行。這是史上第一隻會因為讓電腦中毒,而害得電腦需要維修硬體的電腦病毒,你能想像嗎?因為軟體寫出來的幾行程式碼,造成整台電腦幾乎報銷,如果沒有對整個電腦系統軟、硬體架構有通透的了解,是不可能辦到的

電腦科學的發展需要怎樣的環境?

從上面我們可以看到,台灣在電腦軟體科學上的發展曾是如此的輝煌,不僅僅是電腦硬體的成功才造就的所謂的「電腦王國」,軟體也是曾經有過一片天空的。但為何在最近的十幾年間,除了硬體產業能代表科技業,台灣的軟體業似乎就只能沾著科技業的邊緣、在那裏載浮載沉;為何電腦科學發展到了今天,似乎開始越來越無力,還成了必須由政策來大力推廣的情境呢?

如果電腦科學的興盛,是一棵欣欣向榮的大樹,電腦硬體就是樹木的主幹和樹枝,軟體技術就是那些茂盛的葉子,而開花結果就像是能夠銷售的產品;那現在我們的這棵電腦科學樹,似乎開不了花、結不了果、葉子似乎也長得不太好,這到底是什麼原因造成的呢?我們也許應該集中探討關於培養軟體所需要的土壤到底是什麼,讓我們回到整個問題最根本的因素:是什麼樣的環境才能造就興盛的軟體科技產業,是什麼樣的因素才能驅使人們創造出舉世驚人的軟體作品?

Google首頁搜尋欄位輸入「do a barrel roll」,會看到網頁開始翻轉。圖/Google 網站擷取

不知道大家是否有注意到目前最大的搜尋平台「Google」,常常會在特定的節日動不動就搞一堆有的沒的「驚喜」,有的時候是有趣的動畫,偶爾還會伴隨簡單的遊戲。除此之外,Google 也在他的搜尋引擎藏著幾個「彩蛋」。比如說,現在請在你的 Google 首頁搜尋欄位輸入「do a barrel roll」,應該會看到你的網頁開始翻轉,這是因為任天堂有一款遊戲「星戰火狐 64」,其中一個技能是快按Z 或 R 兩下,就可以翻滾的快速飛轉彈開子彈,所以你如果搜尋「 Z or R twice」效果其實是一樣的!「Zerg Rush」是「星海爭霸」裏頭一種快速複製去攻擊敵人的一種蟲,因此在首頁搜尋欄輸入「Zerg Rush」,你會看到你的網頁開始被吃掉了。如果你於圖片搜尋欄位輸入「Atari Breakout」,則會出現一個復古的打磚塊遊戲。

圖片搜尋欄位輸入「Atari Breakout」,會出現一個復古的打磚塊遊戲。圖/Google 網站擷取

到底 Google 搞這些有的沒的事情,有什麼原因嗎?如果你仔細探究,你會發現答案竟然只是因為這樣很好玩,這看起來也許很幼稚的原因。難道你認為只有 Google 才做這種事嗎?只有現在才這樣做嗎?不!大名鼎鼎的微軟也做過這種事,最著名的彩蛋,莫過於微軟的 Microsoft Excel 2000 隱藏了一個賽車遊戲 Dev Hunter,除此之外,我們現在常用的壓縮軟體「WinRAR」裏頭的也藏有也許大家認為毫無意義的彩蛋(如下圖,如在「關於WinRAR」的那本書,給他點兩下,那本書會掉下去)
。做這些事情的基本原因就是因為他很有趣,他很好玩,這也是許多軟體設計師的起心動念,台灣 90 年代的軟體啟蒙,也是這樣開始的。

圖 / 作者提供

回頭我們再來探討,本文一開始要重新思索的問題,怎樣才是提升電腦科學的環境,培養軟體人才的重要養分呢?從上述這些例子中我們可以歸納觀察出,不管是目前國外軟體人、還是早期國內的軟體人,這些人之所以會投入軟體的開發、熱衷於電腦科學,不外乎在於電腦是一個很有趣的東西。就是因為他很好玩,不管你是想開發它來玩遊戲,或是拿來開發病毒(當然好孩子不應該這樣),最根本的驅使因素,都是那最原始的頑皮與童趣的吸引力,電腦就是一個好玩的東西!因為他很好玩、很有趣,所以才有這麼多人願意投入,也因為這樣才會創造出有價值並吸引人的產品。

今天我們的新政策,竟然開始要把它納入必要的課程,而又讓許多非電腦資訊背景的老師們,教我們的學生如何寫程式,如何學習電腦科學,把它當成我們八股考試的一環,填鴨教育的一個課程,這樣電腦科學還能在我們的環境下,保有它那最初「有趣」的動機與本質嗎?這樣的推行,到底是在幫我們「提升」軟體環境,還是摧毀我們的軟體人才呢?

要讓我們的軟體土壤繼續發芽,請先保有你的赤子之心吧!圖/By PublicDomainPictures @ Pixabay

們無法輕易的改變政策,但我們可以先改變自己,電腦科學最讓人流連忘返的地方,就是他自由自在地發揮你的想像力與創造力,利用「程式」把你內心的想法創作成作品,而且這個作品是可以很直接地與大眾互動的,當人們無法自由地發揮你的想像力和創造力的時候,即便你學會寫程式,也就只是拿到一個無用的工具,這樣的培養並不會造就更好的軟體人才,也不會提升我們的軟體實力,不論你是希望培養孩子擁有程式語言能力的家長,還是正在教授資訊相關科學的老師,又或者只是自己想要成為程式設計的追夢人,都請先讓自己變成一個有趣的人,改變自己以及影響你周圍的人,要讓我們的軟體土壤繼續發芽,請先保有你的赤子之心吧!

參考資料

 

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今年夏天,讓我們把實驗室裝在手機上!

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還記得你小時候的暑假嗎?在還沒有平板的日子裡,我們在公園裡找蟬蛻、在河濱騎腳踏車、在海邊踩踏浪花,大自然在仲夏時分總是感覺離我們特別近,是一伸手就能碰到的距離。而如今,手機卻像是一堵無形的牆,橫亙在我們與蟲魚鳥獸之間。

但是,如果就此將手機視為自然的敵人,也未免太不公平了,在泛科學院與億觀生技合作辦理的夏日 STEAM 營中,手機也能搖身一變成為顯微鏡,讓孩子們隨身帶著實驗室。

校園生物大探險,出動前先約法三章

出門之前,裝備要帶齊、規則要說清。圖/活動紀錄

在教室中,只見學生們個個裝備齊全、蓄勢待發,投影幕前老師細心地告知學生出外觀察的注意事項,事先約法三章,以避免孩子們一興奮起來便不管不顧。「如果想要觀察螞蟻該怎麼辦呢?」老師出了情境題。「跟在牠後面,小心不要傷到牠。」學生理所當然地回答。

雖然校園中可見無非尋常花草,然而,學生們卻依然謹慎小心,老師更是耳提面命,提醒學生在採集葉片前要謹慎思索,不可隨意摘取以免浪費。

在這裡,「尊重生命,愛護環境」四個字不再只是投影片的標語,更是學生們根深柢固的認知。

輕翻葉背,才能發現滿滿寶藏

在老師宣布解散後,學生們立即四散開來,三五成群地在草叢中探索生物。將低倍率的行動顯微鏡放在手機的鏡頭之上,彷彿就可以看到一個截然不同的新世界:葉脈紋路顯得無比清晰、樹皮的紋路像是充滿故事,矮仙丹叢中更有甜蜜的秘密。

這時,老師又分享了一個小秘密:

其實真正的寶藏都藏在葉背,若不仔細尋找,可能會錯失很多珍貴的觀察機會。

究竟,翠綠葉子後面的寶藏是什麼呢?原來,除了可能藏身在葉背的小型昆蟲之外,小小的「珍珠」更是可遇不可求的珍貴之物,那些或金或白的蟲卵是一個個尚未孵化的生命,像是嵌在葉上的星星一樣,等待自己閃耀的一天。

蟲卵就像是葉上的珍珠一般。圖/By Sascha Kohlmann@flickr

挖到寶啦!是會跑的紅寶石

話才剛說完,小小尋寶家就已經找到了大獎。大家興奮不已地圍成一圈,既小心又開心地觀察紅寶石般的小蟲。

「那是椿象!」老師開心地笑。

紅姬緣椿象(Leptocoris augur)又被稱為「台灣欒樹下的小精靈」,是台灣十分常見的昆蟲,尤其是在冬末春初、氣溫回暖時,行道上常常看見牠們大量聚集的身影。學生們七嘴八舌地討論自己以前遇到椿象的經歷,但誰都沒有這樣近距離地觀察過這模樣討喜的小蟲。

紅色的椿象是台灣行道樹上的常客。圖/By 石川 Shihchuan @flickr

而一旁角落的學生則興味盎然地仔細觀察著一隻螞蟻,「原來牠的觸角長這樣啊……」男孩喃喃說道。在家中可能被「一指神功」輕易輾壓的小生命,在此刻的環境下卻是最好的學習素材。

回到教室之後,學生還特別跑來分享:「我觀察時還有用手機錄影,然後就小心地把牠放走了喔,沒有傷害牠。」透過了手機顯微鏡的鏡頭,平凡的事物都像是有了神奇的魔力,再也不是我們可以隨意輕賤的東西。

找到寶藏了嗎?圖/活動紀錄

想看什麼?用貼紙把它們通通黏起來吧

結束了戶外觀察,老師像是變魔術般拿出各式玻片,讓學生練習用高倍率的行動顯微鏡進行觀察。蝴蝶翅膀、蜜蜂口器、蒼蠅四肢……每位學生拿到的玻片中都有著不一樣的驚喜,於是孩子們開啟了「交換玻片」大會,想在時間內盡可能看到更多樣本。

只是,光看老師做可還不夠,學生更要自己採樣,製作出屬於自己的玻片樣本。在過去的實驗課中,蒐集樣本總要小心翼翼,又是載玻片、又是蓋玻片,一不注意就只剩滿地的玻璃碎片;相較之下,學生手中拿著的光學貼紙可就強大多了。千萬別小看那似乎不太起眼的貼紙,它可以用來取代傳統的蓋玻片,只要將想觀察的東西輕輕黏住,就可以放到手機鏡頭下觀察。

只見學生行雲流水地採集香水百合的樣本,再使用強力磁鐵,將玻片迅速確實地固定於載台,一連串動作熟練的就像是專業大師一般。更有學生將觀察完的光學貼紙轉而黏在貼紙簿上,一本小小的手冊轉眼便成為超厲害的觀察研究筆記。

看到厲害的東西就是要記錄下來啊!圖/活動紀錄

觀察課程在走,一點運氣要有

看過了陸地上的各色生物,接下來就要挑戰水中的微生物了,老師發下先前採集的池水樣本後,學生們小心翼翼地利用鑷子將樣本置於玻片之上,整個過程都需要屏氣凝神,不容許些微差錯。

等等會不會中獎呢?圖/活動紀錄

「看到了!看到了!」

就像是過年時的樂透開獎一般,觀察的結果實在是幾家歡樂幾家愁,有些孩子一下就找到了水中的生物,有些孩子則苦尋不著,教室之內形成了兩股完全不同的氛圍,而決定心情的大獎就是生物課本中的重量級巨星──草履蟲。在手機螢幕上,小小的草履蟲快速地游來游去,調皮的小玩意兒常常一眨眼就不見了蹤影,真是令人又愛又恨。

不過,就算少了點運氣也沒關係,老師們獨家推出「葉脈印章」,讓學生們人人有獎!學生將透明的水晶膠塗在收集來的葉片背面,而後將葉子翻模成獨一無二的印章,不僅刻下葉脈的紋路,同時也留住最美的回憶。

蓋下專屬印章,收藏回憶吧!圖/活動紀錄

念念不忘,必有迴響

在早上的課程過後,助教聊起了課程準備的種種。面對年齡層較低(4年級)的學生,如何取捨課程的難度可不是件容易的事。另一方面,若要將國高中的課程內容提前帶給孩子,沒有精心的設計辦不到;既要指令明確、步驟簡潔,卻也不可以過度簡化或扭曲實驗流程,在這些條件下,教學的方式常需要一再調整。

至於短短的夏令營過後,學生還能記得多少課程內容,也絕非老師能夠決定的。對於學生學習的成效,老師的看法灑脫淡然,教學者們並不期望學生像是背誦教科書般強記下實驗步驟和注意事項,只求這些過程帶給孩子快樂而充實的回憶。

「或許就像是種下種子一樣吧。」助教岱恩說道。

的確,這樣的營隊並不會讓孩子們一朝成為科學家,然而,第一次觀察自然的興奮和悸動必定會留下印記,而這顆種子是否會發芽、發芽後會長成什麼模樣,我們雖無法事先知曉,可也正因如此,才特別令人充滿期待啊!

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高速公路何時何地塞最大?多的是,ETC數據知道的事!

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文 / Louis|畢業於台大土木所交通組,高考交通技術及格,交通工程技師及格

在《塞車:看不見的時間小偷》一文中,我們已經討論過交通壅塞的基本觀念,本文將用實際數據來描繪交通壅塞的情形。另外,在交通管理的工作中,會使用一些圖形工具來觀察時間、空間以及交通量之間的關係,這些工具相當直覺易懂,也將於本文中一併介紹。

那我們就開始囉!

所以說那個「交通車流數據」呢?

source: Wikimedia

自 2014 年起高速公路改採計程電子收費,除使車流更順暢外,其附加價值是產生大量的交通資料,供政府單位交通管理、學術單位研究或是民間介接使用。有關高速公路局交通資料蒐集支援系統(Traffic Data Collection System,TDCS)所提供之交通資料,可至交通資料庫或是政府資料開放平臺免費下載使用。

順帶一提,為能妥適應用由 ETC 所蒐集的交通資料,高速公路局透過創意競賽的手段並結合民間共同參與,以期激盪出 ETC 資料在交通管理之創意發想與應用。目前該競賽正舉辦第三屆,主題為「資料視覺化應用」,歡迎對交通科學或是資料科學有興趣的讀者朋友可以嘗試挑戰。

目前所有縱向高速公路佈設的 ETC 偵測站超過 300 座,且高速公路車輛使用 ETC 的比率達 92%,所蒐集之交通資料相當綿密,並有很好的品質,相當適合用來進行資料探勘。而本文所有數據、圖形也皆是以ETC交通資料分析繪製。

塞車,總是在不斷地重現歷史?

由於高速公路肩負中長程運輸的重要任務,根據經驗,整體而言高速公路最壅塞的時間會發生在連續假期第一天的南下方向。圖一是以今年 228 連續假期第 1 日(106 年 2 月 25日)國道 1 號南下方向的資料繪製,橫軸編號代表國道 1 號由北至南各路段,縱軸代表的是時間(0-24時),而每一個格子的顏色深淺,代表該路段-時段的平均速率,顏色越深代表速率越低,這張圖我們稱之為「時空圖」

我們在此將高速公路交通壅塞的發生,定義為速率低於每小時 40 公里以下且持續超過 2 個小時以上的路段。藉由圖一的觀察,106 年 2 月 25 日首先發生壅塞現象為湖口-竹北路段(橫軸編號 24),時間大致從早上 7 點開始,下午 5 點結束。

圖一、106 年 2 月 25 日國道 1 號南下時空圖。圖/作者提供。

回顧一下去年228連續假期第 1 日(105 年 2 月 25 日,如圖二)以及今年一般假日星期六(106 年 2 月 18日,如圖三)國道 1 號南下的交通情形。可以發現,今年 228 連續假期第 1 日的車流狀況與去年 228 第 1 日較為相似,而與一般假日(如星期六)有很大的差異。我們可以知道,時間絕對是分析交通壅塞現象的重要變數,而交通壅塞現象仍是不斷的重現。

圖二、105 年 2 月 27 日國道 1 號南下時空圖。圖/作者提供。

圖三、106 年 2 月 18 日國道 1 號南下時空圖。圖/作者提供。

塞車發生的又快又急交通量與速率的關係

為方便分析,以下分析交通量,均先將 5 分鐘交通量換算成 1 小時的流率。既然壅塞是由湖口-竹北路段開始發生,便進一步針對該路段做分析。圖四為 106 年 2 月 25 日每 5 分鐘的平均速率與交通量(5 分鐘交通量換算成 1 小時)所繪之雙軸圖,從上午 6 時 40 分(虛線部份)平均速率開始快速下降,不到 60 分鐘的時間便由時速 94 公里降至低於 40 公里,隨後則是長達 5 小時的低速率。而在 6 點 40 分至 7 時 20 分之間,路段卻維持相當大的交通量(5,500~6,000 輛)。

圖四、106 年 2 月 25 日湖口-竹北路段每 5 分鐘速率。圖/作者提供。

若將前述資料以散佈圖呈現,橫軸為交通量,縱軸為平均速率,其分佈會近似於二次式線型(如圖五)。我們將 6 點 40 分至 7 點 20 分之間的樣本特別以紅色標記,可以發現這些樣本約略是線型的極值,也就是該路段經常能夠通過的最大交通量,又稱之為「容量」。

若路段交通量能夠一直接近容量,將會達到相當大的效率。但事與願違,交通量接近容量時,路段上的車間距已經達到臨界值,其狀況相當不穩定,一點擾動就會造成壅塞開始發生,因此無法長時間的維持,相關內容請參閱前文《塞車:看不見的時間小偷》。

圖五、106 年 2 月 25 日湖口-竹北路段交通量-速率流圖。圖/作者提供。

是哪裡來的車被塞在路上?

車輛被塞在路上的同時,本身也是塞車的成因,這便是所謂的外部成本。以下分析關鍵的 106 年 2 月 25 日 6 點 40 分至 7 點 20 分通過湖口-竹北路段交通量的組成,究竟這些車輛是從哪裡來,往哪裡去,並且是從何時出發的呢?

圖六橫軸代表車輛由該縣市進入高速公路(起點),縱軸代表車輛離開高速公路(迄點),方格顏色代表旅次數量(起點至迄點的車輛數),顏色越深代表旅次數量越多,這張圖在交通管理的應用中,稱為「旅次起迄表」(O-D table)。由圖六可以知道,最多的旅次為桃園市至台中市(11%),其次為新北市至台中市(7%),再來則是新竹縣至新竹市及新竹縣縣內旅次(5.3%、5.1%)。

圖六、旅次起迄表。圖/作者提供。

圖七橫軸代表車輛由該縣市進入高速公路(僅列旅次數量前 3 名,新北市、桃園市及新竹縣),縱軸為車輛進入高速公路的時間,格子顏色越深代表旅次數量越多。我們藉此觀察早上 6 點 40 分至 7 點 20 通過湖口-竹北路段的車輛進入高速公路的時間。從新北市進入高速公路的時間集中分佈於6:00–6:40、桃園市分佈於6:15–7:00,新竹縣分佈於6:30–7:15。

圖七、起點縣市與出發時間。圖/作者提供。

若將觀察維度由縣市更進一步至交流道,最多車輛由五股交流道(13.7%)進入,第 2 名為湖口交流道(13.6%),第 3 名為機場系統交流道(9.6%),第 4 名為林口交流道(7.8%),第 5 名為桃園交流道(7.6%)。圖八為所有交流道做為旅次起點的排名(由大至小)。

圖八、旅次起點交流道排名。圖/作者提供。

圖九橫軸為車輛進入高速公路交流道的前 5 名(五股、林口、桃園、機場系統、湖口),縱軸為車輛進入高速公路的時間,車輛由五股交流道進入高速公路的時間集中分佈於 6:05–6:40,林口交流道分佈於 6:10-6:50,桃園交流道分佈於 6:15–6:50,機場系統交流道分佈於6:20–6:55。

圖九、起點與進入高速公路的時間。圖/作者提供。

想要阻止塞車,還需要多少努力?

ETC 交通資料是根據車輛通過偵測站而蒐集,通過單一門架可以蒐集到交通量資料;通過相鄰兩門架可以蒐集路段的平均旅行時間、平均旅行速率;通過多個偵測站集到旅次資料,如車輛的起迄點、起迄時間、旅次長度等。本文以 106 年 2 月 25 日的 ETC歷史交通資料分析壅塞路段、時間以及路段容量,亦介紹了一些交通管理應用上的圖形工具。

在《塞車:看不見的時間小偷》一文中探討了交通壅塞的發生以及一些基本車流知識,我們可以知道當路段交通量接近容量時,也亦謂著壅塞即將發生。

既然路段的交通壅塞現象可能不斷重現,我們是否可以利用歷史資料的分析,改善現有的交通控制策略,並於路段交通量接近容量時,適時的於上游匝道減少車輛進入,阻止壅塞現象的發生?

「匝道儀控」係藉由號誌管制匝道車輛進入高速公路,目標是在不影響高速公路主線交通的前提下,使匝道通過最多的車輛,以緩和交通壅塞並紓解平面道路。我國於民國 87 年  8月 1 日開始實施,目前已經有許多關於「匝道儀控」的研究,但是在過去的研究中,資料來源多是根據單點偵測的交通資料。理論上從 ETC 交通資料中取得車輛旅次起點進入高速公路的時間,將可以更有效的分配壅塞路段上游匝進入的車輛。

理想的情況下,我們可以透過 ETC 所蒐集的交通資料,進行科學化的分析精進匝道儀控的實施,但是在實際上該如何執行,以及執行上可能面臨的一些問題,我們將在未來的文章中再繼續探討。

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天然 ê 尚好?三分鐘搞懂食品加工到底是在加什麼! ──「PanSci TALK:我們為什麼需要食品加工?」

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本文由衛生福利部食品藥物管理署委託,泛科學企劃執行

撰文/李允誠 │ 自由寫手

「多吃天然食物,不要吃加工過的食品」、「這幾種加工食品添加劑,對健康傷很大」,這樣的新聞標題你一定不陌生,但是,食品加工到底「加工」了什麼?如果真的如此萬分邪惡,為什麼人類還是離不開加工食品?食安系列講座第三場「PanSci TALK:我們為什麼需要食品加工?」,我們邀請到臺大食科所的丁俞文老師,與大家分享食品加工技術的功能與目的,以及一般民眾甚至媒體,對加工食品常有的誤解。

「回歸最基本的定義,只要你改變食材的原貌,就是食品加工。」丁俞文老師在分享一開始便簡明扼要地說明。

好比在家裡切洋蔥,就是一種基本的食品加工;只是這個動作放到食品工業中會較為複雜,使用如切丁機、切片機、粉碎機等機具,到了研究上甚至會使用「奈米濕磨機」,將食品磨製成奈米顆粒的大小。簡而言之,只要改變了食品的原本樣貌,就是食品加工,「它不是什麼可怕的步驟,而是人們為了某種目的,例如增加營養價值、保存或方便食用,而針對食材所做的改變。」丁俞文老師說明。

「食品加工」這件事,可以從人類的祖先原始人說起。在食物盛產的季節要獲得食材很容易,然而一旦進入冬季,動物紛紛冬眠,原始人就會遇到缺少食材的情況,因此他們發明出日曬法,將食材進行乾燥,藉此保存更久的時間,這就是一種非常簡單、傳統的加工。隨著時代演進,人類又研發出醃漬、高溫、冷凍等加工方式,造就了現在市面上常見的加工食品。

丁俞文老師和大家分享加工食品的基本概念。圖 By PanSci

為什麼要加工,天然ㄟ食物不是尚好嗎?

食品加工的目的為何呢?丁俞文老師說,首先便是改善食品保存性。以鮮奶為例,一般鮮奶只能保存 13 天左右,且剛擠出來的鮮乳還需要經過層層殺菌步驟才適合食用;若是保久乳,經過超高溫殺菌處理,內部幾乎是無菌狀態,在常溫下可保存 6 個月;奶粉則與前兩者不同,在保留營養價值的前提下,去除了水分,因此能夠保存高達 18 個月。

第二個目的則是提高可食性。比如未加工過的稻子難以食用,在經過了不同程度的加工後,能夠得到糙米、玄米、胚芽米及白米,一般我們說的「白飯」是僅剩下胚乳部分的精白米,胚芽米則還保留胚乳及胚芽。「白米的營養價值雖然較低,但是軟硬度較適中,可食性高,對於咀嚼有困難、或是偏好這樣口感的人來說,白米就是比較好的選擇。因此,生產者也可能是為了讓消費者更願意購買這項食品,而進行加工。」

目的三,是增加營養價值。像黃豆經發酵後成為納豆,會增加維生素 K2 的含量,同時提高蛋白質的消化吸收率,「黃豆的發酵過程中,微生物就會先消化一部分的蛋白,讓人類食用後的整體吸收比率提高,營養素的可利用率也會增加。」丁俞文老師說道。

稻子經過不同程度的加工後會得到白米、胚芽米、糙米。圖/Maksim@wikipedia, CC BY SA 3.0

「第四個目的是提高便利性。較容易腐敗的食物例如魚肉,難以在長途旅行中妥善保存,此時若將這類食材製成罐頭,能夠在有需求時方便使用,增加便利性。」丁俞文老師舉漢堡為例,漢堡將肉類、蔬菜等食材整合在一起,對於消費者來說,是一種能夠同時攝取多項營養素的選擇。

最後一項目的則是符合生理需求。「乳糖不耐症患者缺乏代謝乳糖的能力,但又需要獲得其中營養如鈣質、蛋白質時,就可以利用酵素作用將乳糖去除,讓這個原本不能喝牛奶的族群,在經過食品加工後,便能獲取所需的營養素。」

大家有沒有發現,食品加工在整個人類演化、提高生活品質的過程中,其實帶來的更多是正向影響。那麼,為何現在食品加工常常被講得像壞事,全都只是商人為了降低成本的陰謀呢?丁俞文老師說,造成此現象的原因或許是「食品添加物」。事實上,食品添加物是加工食品存在的必要條件,許多食材無法自然混和在一起,便需要利用添加物的方式去調配、結合。值得一提的是,食品添加物在臺灣屬於正面表列,根據「食品添加物使用範圍及限量暨規格標準」,目前合法的添加物可依功能性分為 17 種。

利用酵素作用將乳糖去除,乳糖不耐症患者也可以喝牛奶了。圖/Ukko-wc@wikipedia, CC 3.0

那麼,什麼是食品添加物?

依據食品衛生管理法第 3 條對「食品添加物」之定義,係指食品之製造、加工、調配、包裝、運送、貯存等過程中用以著色、調味、防腐、漂白、乳化、增加香味、安定品質、促進發酵、增加稠度、增加營養、防止氧化或其他用途而添加或接觸於食品之物質。

丁俞文老師強調,食品添加物雖然有「添加」兩個字,但有時不見得是刻意添加進去的。她將添加物分成兩種,第一種屬於「添加型」,是人們刻意為了某種功能性而使用某些物質,如麵包的膨脹劑、零熱量飲料的代糖等;另一種則為「接觸型」,是某些無法被避免的成分在與食物接觸時附著混入。兩種添加物在食品檢驗時都會一併檢查,包括殘留農藥、汙染物質等。接著,她也介紹了幾種常見的食品添加物:

1.著色劑

合法著色劑有紅色、黃色、綠色及藍色幾種,功用在於讓食品的視覺感受變得可口,例如馬卡龍、冰淇淋等。丁俞文老師說明:「人們對某些食品會有既定印象,這些調色便是為了滿足一般消費者對食物視覺上的想像,讓他們更能接受與想要購買。」一個常見的例子是豆乾,大家對豆乾的印象是黃褐色,無添加的白色豆乾銷量反而較差,從而促使著色劑的使用。

2.抗氧化劑

抗氧化劑最主要的目的就是減緩或防止氧化變質,可以分為天然與人工兩種,天然抗氧化劑有維生素 E 與維生素 C,人工的則是 BHTBHA 等等,主要用於富含脂質的食品中,像是乳酪、奶油、馬鈴薯片等。而油脂氧化除了會產生「油耗味」外,更會影響食品的可食用性,因此利用抗氧化劑,在抗氧化的同時也能增加保存期限。

富含油脂的食品常會添加抗氧化劑,避免產生油耗味與影響保存期限。圖/PDPics@Pixabay, CC0 Creative Commons

3.防腐劑

有一個歷久不衰的都市傳說是這樣的:「防腐劑吃多了會變木乃伊。」

「現在許多食品業者都知道民眾不喜歡防腐劑,紛紛開始利用其他加工製程來取代。」但是以超商販售的飯糰為例,其中的金黃色葡萄球菌 ── 在沒有添加防腐劑的情況下 ── 約 60 小時就會超過可能中毒致病的量,倘若添加了 0.2% 的已二烯酸(防腐劑的一種),則可以維持住菌數的數量,不讓其成長。「防腐劑的目的主要在於抑制有害菌種的生長,避免食物中毒,是個重要的存在。」丁俞文老師說。

4.乳化劑

它的功能非常簡單:混合油和水!大家都知道油水會分離,這時候便需要乳化劑的協助,形成穩定乳濁液,讓兩者平均分散在液體中;另外也能達到人們想要的口感,增加食用意願。添加乳化劑的經典實例是牛奶,乳化不完全的牛奶,油脂與水分就會分離。丁俞文老師也說明,現在有很多天然乳化劑像是卵磷脂、蛋白,都具備親油親水的兩親性。

新聞案例解剖!

食安新聞層出不窮,加工食品更是榜上的常客,但我們到底該如何判讀這些新聞、網路文章、傳言的正確性呢?這裡,丁俞文老師整理了幾個近期、或反覆受到討論的新聞案例,帶著大家一起分析,遇到這種資訊時能從哪裡下手檢驗。

案例一、舊石器時代飲食

舊石器時代飲食推崇減少穀物、豆類、奶製品與其他精緻加工食品。圖/截自網站

近幾年出現一種「舊石器時代飲食」,其主要論述是加工食品太不健康,應該要盡量吃得跟原始人一樣,如烤過的肉、煮過的蔬菜,盡量避免穀物、豆類及奶類與其他精緻加工食品。但是,「舊石器時代」是沒有穀物、豆類、奶類的,這樣的飲食聽來天然,對不方便咀嚼肉類的老年人而言卻缺少攝取澱粉與鈣質的管道,容易骨質疏鬆;同時,此飲食法由於攝取大量蛋白質,會有過多飽足感,造成食慾下降、整體熱量攝取不足;兒童、青少年也會有熱量、鈣質不足的問題;素食者方面更是幾乎沒有優質蛋白質的來源。

丁俞文老師指出,除了不同族群可能會有營養不均衡的問題外,若沒有現代保鮮設備像是冰箱等,食品中的微生物將難以抑制,得多加留心。

案例二、泡麵與木乃伊

前面提到的都市傳說還有個變形版本:「泡麵吃多了會變木乃伊!」

「這樣的說法源於許多人都認為泡麵中添加了大量防腐劑,以達到長期保存的效果。」丁俞文老師說明,「不過食藥署早已解釋過,泡麵內是規定不能加防腐劑的。之所以能長期保存,是因為麵體利用蒸煮及油炸方式高溫殺菌,同時使泡麵脫水、減少其麵體水分含量,讓微生物便無法繁殖,達到延長保存期限的目的。泡麵不需要也不能添加防腐劑的。」

對於泡麵,她說自己更介意的其實是其他面向。「泡麵多用油炸的方式去除水分,加上內附調理包、調味品,可能會讓消費者食入過多的油脂、鹽分,而且沒什麼蔬菜,長期食用泡麵,會造成營養不均衡的問題。」

泡麵能夠長期保存是因為麵體經過蒸煮或油炸加工處理,並非添加防腐劑。圖 By PanSci

案例三、香腸為何要添加亞硝酸鹽?

這則絕對是年復一年 ── 尤其烤肉節中秋節又快要到了 ── 每年都會捲土重來的食安新聞,除了再次重申亞硝酸鹽本身並沒有被列為致癌物、是它和二級胺(不常出現在食品中)作用產生的硝酸胺才有之外,我們也來弄清楚,亞硝酸鹽到底為什麼要出現在香腸裡。

source:Wikimedia

丁俞文老師分析,在香腸中亞硝酸鹽的目的主要有三種:

  1. 保色:能夠讓香腸保持鮮紅,在視覺上看起來較為可口
  2. 保持醃漬肉味:同樣是為了滿足消費者對食品的想像,丁俞文老師就曾在研討會中遇過業者表示一旦缺少醃漬味,消費者便會對該香腸製品產生質疑,降低購買意願(跟白色豆干同病相憐啊……)
  3. 抑菌:最重要的一點,能夠有效的抑制肉毒桿菌。肉毒桿菌喜好生長於無氧的環境如真空包裝的食品。其危害不在細菌本身,而是肉毒桿菌毒素,只要 70 微克毒素就可致死。添加亞硝酸鹽,可以避免肉製品的肉毒桿菌中毒問題

丁俞文老師強調,亞硝酸鹽在食品規範中都會嚴格控管添加量,只要消費者不過量食用這些醃漬食品,整體來說對於健康都是沒有大礙的。

案例四、市售柳橙果汁糖分標示與實際檢測不同

今年七月,消基會以「手持式糖度計」檢測市售果汁的糖度含量,卻發現糖分標示與實際測試糖度不同,超出誤差值 20%。若要瞭解此則新聞的背景,就得先了解何謂濃縮果汁。市售果汁多為濃縮還原果汁,廠商將原果汁經過加熱、冷凍或過濾,去除一定比例的水分後,得到濃縮果汁,如此一來果汁的體積變小、重量變輕,能方便儲存、運送,到了需要加工時,再將去除的水分加進去,便稱為「還原果汁」,此時為了讓每罐果汁有一樣的風味,可能會添加糖、水、酸進行調味。

圖 By 丁俞文老師簡報

回到該則新聞,新聞中所使用的手持糖度計,檢測的是「可溶性固形物含量」,包含可溶於水的物質,像是糖、酸、維生素等,甚至果肉的纖維也可能影響折射率。「由此可見,這個果汁的案例中,糖度並不等於糖分。」一般而言,此儀器可以檢測的是同一種溶液的相對甜度,例如拿來比較兩顆同一品種的葡萄,但不能比較一顆葡萄與一顆蘋果。

案例五、焦糖色素可能致癌

2011 年,美國公眾利益科學研究中心(Center for Science in the Public Interest,CSPI)向美國食品藥物管理局(FDA)提出,可樂類飲品中所添加的「焦糖色素」在高壓、高溫下可產生致癌物質「4-甲基咪唑(4-methylimidazole,4-MEI)」,要求禁止使用;至 2012 年 3 月,CSPI 又再度聲稱,在動物實驗中發現焦糖色素的致癌物質令小鼠患上多種癌症,美國人恐面臨患癌風險。

丁俞文老師說明,焦糖可分為天然及人工兩種,天然焦糖就是把糖放在鍋內加熱,烤成黑褐色的焦糖;若要大量產生焦糖,無法費時地用鍋內加熱,此時就需要人工焦糖 ── 將砂糖、阿摩尼亞、亞硫酸鹽等原料,在高壓高溫下處理而成的焦糖色素。而焦糖色素又可分為四種:普通焦糖、亞硫酸鹽焦糖、銨鹽焦糖與亞硫酸 – 銨鹽焦糖。不同種類的焦糖有不同用途,第一類及第二類焦糖可用於各類食品,而第三類則適用於醬油、烏醋、咖啡,第四類適用於飲料(如可樂)、醬油、咖啡。

焦糖的致癌風險為何?主要被討論的是第三類及第四類焦糖色素,會產生可能導致老鼠罹癌的「甲基咪唑」。「但有一點要列入考量,這類實驗有時在研究計畫預算或時程的限制下,可能會為了加速成果的產生過量施打實驗物質,以便提早得知結果,再從短期推測長期的致癌劑量。雖然經過計算,但往往會與正常使用有所差別。」丁俞文老師解釋。而美國食品藥物管理局也指出,飲料(可樂)中的焦糖色素非常微量,須每日飲用達千瓶才可能攝取 4-MEI 達到致癌劑量,因此適量飲用並不會對人體造成危害。

焦糖色素可能致癌,但要每日飲用超過千瓶才會達到致癌劑量。圖/PxHere,CC0 Public Domain

一一解剖完這些新聞案例之後,為大家做個小結,在看到加工食品的食安新聞時,我們可以先問自己幾個問題:

  • 為什麼需要這個加工過程、這種添加物(別忘了添加物也是成本啊)?
  • 它能帶來什麼功能,是增添風味還是避免中毒?
  • 聽到某種添加物可能致癌時,嘗試思考是它本身被列為致癌物,還是它與別種物質的作用產物有致癌性?致癌情境是否容易觸發?
  • 若為致癌物,要吃多少才會到達危險劑量?

如此一來,就不會人云亦云、或者對什麼都感到恐慌了。

食品加工的未來:以製程改良取代添加物

分享後的問答時間,一位聽眾提問到:「經過老師講解,我們明白了食品添加物有存在的必要,那麼一般人能怎麼辨別其中好壞?哪些是比較好的加工食品,哪些是比較差的呢?」

丁俞文老師回答,這得先定義所謂「比較好的加工食品」為何。有些人認為好的食品是營養價值比較高,加工過程中營養價值流失少;有些人覺得越天然、越沒有添加就越好。

「以我們自己的『功能性加工食品實驗室』為例,主要探討功能性食品的實驗,會去試驗如何在不影響食品功能性的情況下去做加工。例如高溫可能使某些營養素降解,因此發展出常溫殺菌技術,保留營養素不被破壞,也更符合我們定義的高品質食品。所以這一題,最終還是要看消費者自身的偏好選擇。」丁俞文老師表示,這樣以食品加工製程的改良,減少或取代食品添加物,也是目前食品科技、食品科學領域努力的方向之一;而這對於廠商來說也是一大利多,若能在製程上改善進而減少添加物的使用,也就可以減少生產成本。

至於如何面對食品添加物、加工食品的食安資訊,丁俞文老師建議不妨參考這次分享中提到的方式,檢驗資訊中的關鍵字,甚至追根究柢地去翻找學術性文章、實驗數據,了解實際情形與風險,別再誤會食品添加物就一定是十惡不赦的壞東西啦。

活動現場照片。圖 By PanSci

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在一個炎熱的早晨,當不成勇者的我只好認真聊碰撞測試,並且為美好的車輛安全獻上祝福了!

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第一天上班要遲到了!條紋襯衫雖然有點皺,但只有這件洗過,先穿再說。剩兩個紐扣還沒扣上,先奔到玄關從鞋櫃找出很久沒穿的皮鞋,把右腳粗魯地塞進鞋裡……哎呀!烤好的吐司還放在桌上,來不及了!用左腳單腳跳進屋裡,拿了吐司,嘴巴咬著,再跳出來,背起背包,門一甩!就朝公司奔去!

好像忘了帶什麼,不過算了。天氣真好!第一天上班一定要有好的開始,趕快先更新 FB,讓好友(雖然沒幾個)來按個讚幫我集氣!好痛!?我怎麼倒在地上了?定睛一看,一個穿著制服的高中生也跌坐在地上,好像長得有點可愛。難道!難道這就是傳說中日本動漫的定番!?我的人生原來是這種設定啊!

「大叔!走路可以看路嗎?不要以為長得帥就可以那麼莽撞好嗎?」–這句話應該等等就會從她嘴裡說出來吧,我們兩個應該會就此成為不撞不相識的冤家情侶吧!一定是這樣的吧!

「你還好嗎?有哪裡受傷嗎?」一位長得蠻帥但沒有我帥的傢伙,帶著歉意下車,比我先一步扶起高中生。「我沒事,但對不起,為了我,你的車……」「沒關係,有保險,人沒事最重要。」看來這傢伙為了避免撞到人,緊急讓車子轉了彎,撞上了停在路旁停車格裡的車。沒想到那麼強的撞擊下,車子竟然只有前頭潰縮,車門完全沒受影響,人也好好的可以走下車。

車子在設計時要能用精準的材料、搭配精準的形狀,才能讓金屬、塑膠、或其他複合材料產生最好的潰縮效果,同時又能維持駕駛與乘客區的完整不變形,這就需要從物理學上著手。

身為科青的我,看這傢伙的車子前頭撞慘了,卻心中法喜充滿地覺得是一件好事。這當然不是因為他竟然先我一步扶起高中生,而是因為這代表撞擊時,大部分的能量都轉移到汽車上,並且由車體吸收了,而不是讓我(或他)那禁不起折騰的軟綿綿大腦跟內臟來承受。1950 年代以前,車廠都認為車子越剛硬越好,後來才發現要是真的只求一路硬到底,或許撞擊時車體真沒什麼事,反而把大部分的衝擊留給了坐在車子裡頭的駕駛跟乘客。車子在設計時要能用精準的材料、搭配精準的形狀,才能讓金屬、塑膠、或其他複合材料產生最好的潰縮效果,同時又能維持駕駛與乘客區的完整不變形,這就需要從物理學上著手。

一般來說,汽油車燃燒產生的能量中,只有 20% 是用來驅動,剩下都以廢熱型態流失了,但讓約兩噸重的車子快速移動起來,要花的能量還真不少。當遇到緊急狀況,這股能量就得轉移才停得住。要嘛車子可以安全煞停,把能量透過輪胎轉移到路面,不然就是得將能量轉移到車身上,彎折以金屬為主的外側車身結構。以車子前側結構來說,大約只有 50 公分左右的潰縮距離,根據我看過的 minutephysics 這部影片的計算,由於 E=½ mv^2,如果車子時速為 60 公里,那能量約為 28 萬焦耳,代表若在這情況下撞擊,50 公分的潰縮車身以及裡頭的元件約略得承受 60 公噸的力,相當於太空梭主引擎 ¼ 的的推進力。裡頭的駕駛跟乘客大概會體驗有如戰鬥機駕駛或太空人在離心力訓練時所承受的力,但由於衝擊分散、時間拉長,所以還能受得了。

如果車子超硬,以至於能量快速轉移到駕駛或乘客身上,那恐怕就得面對 15 倍以上的殺人力道了……哎呀,我真是的,怎麼突然就進入科普狀態了!?我該趕緊把這台車的車牌號碼跟車型給記起來,馬上報案,別讓這個自以為比我帥的傢伙跑了才對。我一看,原來是台納智捷U5,這不就是前些日子大陣仗把車送去西班牙,接受法規撞擊測試的那台新車嗎?我記得測試場叫做 IDIADA,是江湖七大武器…..阿不對是全球七大車輛測試中心之一,位於西班牙巴塞隆納近郊,是獲得 Euro NCAP 歐洲新車評測計畫組織認可、好棒棒的測試場。

IDIADA 是獲得 Euro NCAP 歐洲新車評測計畫組織認可的測試場。

說到 Euro NCAP,前陣子有網友到政府成立的公共政策網路參與平臺發起連署「臺灣增設TW-NCAP議題」,很快就超過附議人數 5,000 人之門檻,我當時也鍵盤支持了。畢竟在台灣,上市的車子只代表過了及格的基本關,但哪一台更能保障安全?因為到現在都還沒有車輛碰撞的透明資料,所以只能一邊抱怨一邊猜(然後一邊酸)。

IDIADA 成員。圖/資料來自 Euro Ncap 官網

因為有參與連署,我對 Euro NCAP 也算是略懂略懂。Euro NCAP 成立,至今剛好滿 20 年,他們由歐洲多個政府和多個汽車工業機構組成,雖是民間發起,但獲得政府支持,秉持「獨立性」與「公開性」原則,旨在帶來零傷亡的交通。要做到這點,NCAP 必須比法規還要嚴謹與完善,以 Euro NCAP 為例,共分有成人保護、兒童保護、行人保護及安全輔助等共 4 主軸,其中包含了 19 項主要的評價測試與 51 項的主觀評價。

各國 NCAP 比較。

撞擊測試中,最主要的兩種就是「正面 40% 偏位撞擊」跟「側面撞擊」,看看衝擊時產生的能量能否被保險桿、車廂周圍鈑件及車體結構樑(A、B、C 柱)給吸收,讓車裡的人受到的傷害降至最低。我印象深刻,納智捷U5的正面40%偏位碰撞結果令人驚艷:A、B 柱幾乎無變形,前、後車門均可正常開啟,前座椅也可順利前後滑移,駕駛可以順利脫離,沒隨著車體受到嚴重擠壓,滿分 16 分的前撞 ODB64 測試中,納智捷 U5 拿下 15.085 的高分。難怪這個傢伙車子雖然撞了,但人看起來一點事也沒有啊。

納智捷 U5 拿下 15.085 的高分。完整測試報告請見:Luxgen Motor粉絲專頁

比較台灣法規標準以及 Euro NCAP 的差異,以 40% 前置偏撞來說,Euro NCAP 採用的標準為時速 64 公里,跟台灣的時速 56 公里比起來,看別小看這每小時 8 公里差異,因為E=1/2mv^2,在這速度下,撞擊力量會差到 30%,要靠駕駛座前方 40% 的部分區域來集中吸收,這就是說車體要用的剛性強度要超過 30% 以上,這可沒辦法偷工減料啊。

另外,最重要的當然不是車子變形還是損毀,而是人還能不能好好的。在 Euro NCAP 的測試中,測試員會透過遍佈假人全身的感測器,計算出每個部位遭受到的傷害值,然後套用不同的計算方式,如法規標準、各國 NCAP 的不同規定,就可以得到合格還是不合格,或是各國 NCAP 的單項評價得分。以 Euro NCAP 胸部壓縮量的分數來舉例,若超過 42 mm 則為 0 分,低於 22 mm 即可以獲得滿分 4 分。納智捷U5在西班牙的測試結果中,在駕駛的胸部壓縮量為 25.02mm,副駕駛則為 18.19mm,算是落在非常高的標準內啊!

人偶的檢視項目極多,包含頭部傷害指數、頸部傷害指數、頸部彎曲力矩、胸部壓縮量、胸部壓縮速率、膝部壓縮量、大腿受力、小腿受力、小腿傷害指數等等。圖/參考 ARTC

不過若要拿 Euro NCAP 的最高五顆星,沒在歐洲上市的納智捷是辦不到的。要獲得 Euro NCAP 核可進行整套 Euro NCAP 條件測試,得先在歐洲上市才行,不然相關實驗室也沒有義務承接車廠委託進行 Euro NCAP 規格的碰撞,為車輛背書。另外,要在成人保護、兒童保護、行人保護及安全輔助四個項目的表現都各別拿到五顆星,才能算是真正的五顆星,這是為了防止有些車廠將資源集中投入於某一項目上,舉例來說,若某車的成人保護項目達到五顆星,但行人保護卻只有四顆星,車廠最高的星等也就只能獲得四顆星。

等等!我怎麼又開始科普起來了?!我該先幫還沒來的警察把目前的狀況更全盤掌握一下。雖然這傢伙人沒事,被他撞的那台車的側面就不太好了。看到這台車的樣子,只能說好險車上沒人。不過側面碰撞發生時,車體變形也無法吸收太多側撞的動能,所以車體結構就必須夠強,不然乘客的空間被入侵過多,下場都不會太好。側撞的檢視重點就是看車側支柱(也就是 B 柱)變形成什麼樣,還有車門跟座椅對乘客的影響多大。一般來說,車子設計時會將受力點盡量控制在 B 柱下半部,來減少頭部、頸部及胸腔的傷害,因此 B 柱從側邊看為特殊的S型。

說了這麼多,突然覺得身體好像涼涼的……咦?我的手怎麼變成透明的了???我的身體、我的腳,怎麼也都透明化啦???

「這位先生!這位先生!你醒醒啊!」那個開納智捷的傢伙語氣緊張地輕拍著我的身體,但我一動也不動。不對啊!我明明就在這裡啊!喂!!!我怎麼越飄越高了???

「剛才就是他,嘴裡咬著吐司、一邊看手機,一邊沒看紅綠燈就衝著過馬路,把我也撞到馬路上,還好你緊急避開了我們兩個。」

「雖然我沒撞到他,但他好像自己突然休克了啊!」開納智捷的傢伙跟高中生的對話聲音越來越小,我漸漸聽不到了……只聽到高中生的最後一句:「而且……他為什麼下半身只穿著內褲啊?」

這是《為美好的世界獻上祝福!》的劇情吧!?

圖/IMDb

早上出門真是太匆忙了啊!(用透明的手拍透明的額頭結果直接穿過去了啊!!)下輩子讓我開納智捷上班吧!(明明只是要寫文說明納智捷 U5 在西班牙的碰撞測試結果,結果一直想著 howhow!howhow!howhow!,寫出來就變成這樣了。)

《做車的人》系列內容由裕隆集團委託,泛科學企劃執行

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