Scientific American Traditional Chinese Edition 科學人中文版

台灣少子化趨勢明顯，每個家庭的孩子都是父母眼中的寶貝，「該如何教養孩子」也成為現代父母的一大教養難題。網路資料繁多，人人都有手機，孩子更容易接收到新的資訊，父母很難逐一過濾篩選，數十年前「努力讀書，考上好大學」這種命令式教育顯然過時。 本期《科學人》推出新專欄「教養好科學」（ 請見110頁），希望從科學證據幫助家長、老師、學校如何與孩子共成長，透過有科學基礎的教養方式，讓孩子學習正確觀念，得以良好適應未來更複雜的世界。首先登場的是「這不公平！」，孩子最喜歡大喊不公平，但情況到底是不公平或是不滿意？此外，社經地位也會影響孩子對公平的看法。然而，究竟要如何教導孩子關於公平與不公平這回事，就不多說，留待讀者朋友翻閱並與好友及家人分享。…

2018 年2 月6 日的下午，在美國弗羅里達州甘迺迪太空中心的39A 發射台上，由三支獵鷹九號排列結合而成的「獵鷹重型」（ Falcon heavy ）火箭，同時啟動下方總數27 顆引擎，巨大的火焰向下噴出，大地震動，火箭咆哮升空。 這是「獵鷹重型」火箭的首次測試飛行，太空探索科技公司（ SpaceX ）的老闆馬斯克（ ElonMusk）說：「這次試飛，火箭有50% 的機會在空中爆成一團美麗的火球，所以這次飛行就不接受別人委託發射衛星。」但是送個空筒子到地球軌道上也沒有意思，為了增加視覺效果和創造話題，馬斯克決定將他自己的櫻桃紅色特斯拉跑車送上太空。 這輛敞篷跑車的駕駛座上坐了一個假人，假人左邊架著一台攝影機，拍攝駕駛；引擎蓋前方挑高架著一台攝影機，拍攝全車畫面；假人後方也有一台攝影機，拍攝車子前方；這三台攝影機在發射過程中全程傳送這輛車的即時畫面。 這次發射的實況轉播的確精采，火箭升空不久，左右兩邊的獵鷹九號助推器燃料燒完，與中央火箭分離，調頭飛回發射場，接近地面再轉頭向上，緩慢落下，幾乎像跳雙人芭蕾般地同步優雅著地，穩穩站在地面上各自的圓心中間。 鏡頭回到中央這支火箭前端的酬載艙內，在昏暗的燈光下，隱約能看到跑車和假人的剪影，這讓正在收看實況的人充滿期待，此時火箭前端的兩片隔熱罩瞬間爆開分離，亮麗的陽光灑在跑車和假人接下來的幾個小時，在正前方的攝影機中，我們看到這輛跑車穩定停留在畫面中央不動，地球卻快速繞著這輛跑車轉動！學生看到這個畫面覺得很奇怪：「不是應該跑車繞著地球轉嗎？怎麼是地球繞著跑車轉？」殊不知這個畫面在天文教學上極為有用！可以讓我們瞬間明白為什麼從托勒密到哥白尼的1400 年裡，人們一直以為「太陽繞著地球轉」！身上，跑車正式進入軌道，車上音響同時開始播放大衛•鮑伊（ David Bowie ）的搖滾歌曲「太空怪談」（Space Oddity ），這首曲子是這位擅長搞怪的華麗搖滾歌手在1969 年發表的，從那之後這首歌就成為進入太空時的儀式歌曲。 我們站在地球上，每天看著太陽東昇西落，以為自己不動，是太陽繞著地球轉。同樣地，攝影機架在跑車上，所以我們覺得跑車不動，是地球繞著跑車轉！這支影片對「日心說vs. 地心說」的教學很有幫助，但在把跑車射入地球軌道的這件事裡，也只有這段影片有一點正面價值 這輛跑車在兩天後超越了月球軌道，在八個月後超越了火星軌道，從那之後，這輛跑車就在一個大橢圓的軌道上繞日運行，近日點接近地球軌道，遠日點跨過火星軌道，大概可以運行個10 億年。太陽根本不知道，自己突然間多了一個「跑車行星 學生聽了傻眼：「這樣做合法嗎？」我苦笑：「沒有不合法，因為無法可管！」只有這些太空先進國家的大企業家能做到的事，他們會去立個法綁住自己？但這樣做合理嗎？試想今天這些學生的下一代，大學畢業要去畢業旅行，家境普通的去趟月球，家境富裕些的就去趟火星，太空船正飛著，突然看到一輛櫻桃紅色的跑車從面前高速駛過，你會作何感想？除了嚇出一身冷汗，也會好奇，我們的先人篳路藍縷以啟太空，應該很辛苦，怎麼會在太陽系中留下這種搞笑又無益的大型垃圾？ 這期《科學人》中的〈新循環經濟！回收太空垃圾〉，講的就是人類對地球近太空環境的污染。從1957 年至今將近70 年，太空科技雖然日新月異，但人們發射火箭的態度卻仍然是只管「順利射上去」，不管「安全帶回來」，也難怪如今地球被人造碎片團團包圍，環繞赤道的上方已經出現一圈人為的「土星環」，看了讓人哭笑不得。 危機就是轉機，轉機就是商機，清除太空垃圾和修復故障衛星已經成為往後10 年太空事業最大的商機之一，許多太空企業都在打造各種清除太空垃圾的工具。最常用的作法，就是派出「夾娃娃機」，夾住軌道中橫向高速移動的大型碎片，轉手往下甩去，讓碎片高速進入地球大氣燒掉 這個清除方式乍聽之下十分合理，在大氣中燒光了就對地面人畜無害，但「燒光了」是個什麼概念？物質不滅，大型碎片看似燃燒消失，卻轉成了無數個奈米等級的氧化鋁粒子，這些金屬粒子將會長期漂浮在平流層中，對臭氧層持續造成破壞。 當然也有人從源頭開始改進，日本最近把一個木頭做的立方衛星送上國際太空站，懸在站外測試木質的表面能否承受軌道中每日劇烈的溫度變化，以及宇宙射線毫不留情地長期轟擊。以木質取代金屬做為衛星包材有兩大好處，一個是當衛星退役之後墜入大氣燃燒，幾乎能燃燒殆盡，不會留下金屬殘屑；另一個好處是木質表面不會阻絕無線電波，和地球聯絡的通訊天線以及收發電波訊號的設備可以隱藏在衛星內部，對設備來說安全得多。 有人想著清除垃圾，還太空一片靜土，有人卻想把太空開發成為極樂世界，美國有一間「太空極樂」（ Elysium Space ）殯葬公司，收費將亡者的骨灰用小金屬盒子裝著，用衛星送上太空，然後給逝者的親友手機上裝個App，隨時提醒你「親人已經出現在地平線上了！」你沒時間去掃墓，墓就對著你飛過來，讓你能在親人過頭頂的時候追思膜拜，每天16 圈，這也算是這個時代高科技應用在太空的奇葩了！…

今年的3 月忽冷忽熱，白天豔陽高照，氣溫飆升到30℃ 以上，入夜後下滑至10 幾℃，平均溫差達15℃，天氣變化之無常，比往年猶有過之，更加見證俗語所說「春天後母面」，喜怒變臉剎那間（ 據說避免爭議，氣象界已經改稱「春天囡仔面」）。除了溫差，更特殊的是濕度大降，形成又熱又乾的氣候，許多人不堪靜電奇襲。我也是頭一遭碰到，從一早到學校，過門禁卡碰到金屬，像觸電一樣，嚇了一跳；走到電梯前按鈕，碰到金屬片又是一陣麻。進入電梯內，學乖了，掏出棉質手帕包住手指再按樓層鍵；出電梯後，趕快到洗手間打濕手掌和手臂，果然就不再受到靜電襲擊！心裡有些開心，覺得平日的科普常識還是很有用的。 從戶外的熱，走進室內，馬上感受到昨夜殘留的冷空氣，把脫掉的夾克穿上，打開研究室的窗，坐了一會兒又開始熱了。冷熱、熱冷，好像在享受免費的三溫暖！伸個懶腰，坐下來開始工作。為了參加由教育部、勞動部和國科會共同支持、交由台師大教育學院主辦的第一屆中高齡教育國際研討會，我很認真把與會學者的報告摘要研讀一遍。 這個會議之所以值得重視，是因為討論的主題富有時代意義。2024 年台灣40 歲以上和以下的人口數差不多是50：50，充份顯現高齡社會的樣貌；而人口統計顯示65 歲以上佔總人口的20%，已達超高齡社會結構的指標。再想想另一端，又是非常明顯的少子化。2024 年是龍年，但龍年效應已不再，出生人數連續九年負成長，而且又創史上最低。整個社會的生產力結構呈現不平衡狀態，總體經濟當然受影響。面對如此頭重腳輕、倒三角型態的社會人口結構，有識之士只有集結眾人之智，想方設法解決未來可預見的經濟和社會等多重危機。而很明顯且刻不容緩的行動方案之一，就是從教育切入，強化中高齡人的生產力，以補足少子化所造成的生產力空缺。 舉個例子，女性因為生產或照護家中（ 自家或夫家）兩老和年幼在學的小孩，辭去原來表現優秀的工作，當兩老仙去而小孩也長大了，她們如何重返或轉戰職場，去貢獻生產力？國科會要請專家學者研究再教育的內容，勞動部要補助職場再教育的經費，教育部要責成大學開設再教育的課程，鼓勵跨領域的研修實習，而民間的社會公益團體要扮演街鄰互助、提供各項教育資訊的平台。 再舉個例子，屆齡退休的高齡人，擁有幾十年的職場經驗和能力，但健康且活躍的高齡人，比例越來越高，他們豐富的閱歷和專業的職場知識，只需經過適當的再教育，配合新的科技知識，就可以提升生產力，至於開發新的創意理念，也是可期的。在兩天國內外學者的研究報告和不同議題的討論中，我學習不少，見證了活到老學到老的真諦！ 因為會議的主辦單位熟知我的研究團隊一直在進行高齡的認知神經發展和老化研究，也知道我對這方面的研究文獻都盡量跟上，便邀請我在開幕典禮上致詞並介紹一些新近的老化研究。我用最近一份深受矚目的老化研究，來詮釋這個會議的重要性：研究者從人體老化的巨量資料中發現，老化的年紀有兩個高峰，分別在44 歲左右和60 出頭，前者正值中年危機期，後者則是面對即將退休的憂心期。所以這個研討會鎖定中高齡的再教育，實在是太正確了，也是其來有自！ 我接著分享最近關注的老化研究。眾所周知，經由眼部檢查，已可提早發現心血管疾病、高血壓、糖尿病等疾病，而目前有越來越多的研究者，利用人工智慧（ AI ）程式，結合巨量資料和視網膜成像技術，試圖找到失智症和各種神經退化疾病的早期徵兆，以便偵測出高風險族群，為患者和家屬爭取更多時間去因應疾病，包括提早介入或治療。 很多人是從眼睛出現問題後，開始意識到自我老化的事實。我自己在15 年前動左眼白內障手術，但右眼白內障不那麼嚴重，就沒開刀，視力保持近視350 度，慢慢訓練左眼看遠、右眼看近，兩眼自動轉換。看書、看螢幕靠右眼，不必戴老花眼鏡，就是容易疲累，最困擾是打羽球時，看到對方從後場打出高球，我準備好要跳殺，左眼看著遠球過來，計算好殺球的球拍位置，等到球來到眼前，換成右眼看，但右眼計算的位置和左眼出現落差，常常用力揮拍，沒有打在球拍中央，而是碰到了邊框。殺球變成點球，對方以為我要扣殺，沒想到球卻貼網翻落，讓他重心不穩，來不及撲網救球。他很不服氣問我，什麼時候學會了球后戴資穎的網前詐球之術？我只有哈哈大笑了！ 蘇格蘭愛丁堡大學和格拉斯哥卡利多尼亞大學的研究團隊，研發新的AI 演算法，從收集到的近百萬張眼睛驗光的掃描影片中，去分析視網膜微血管的健康狀況，結果發現血流量減少與血管形態異常，和老化失智有明顯的相關。理由很簡單，因為人一出生，張開眼睛就主動觀察外界的環境變化，視網膜微血管活動和大腦血流供應息息相關；視網膜微血管異常，當然反映出大腦血管和神經的衰微或異常。研究人員表示這項檢測失智症早期跡象的技術，預計在今年會完成原型，明年開始推廣至各個眼科診所和驗光所，納入眼部的常規檢查。 無獨有偶，英國倫敦大學城市聖喬治學院的研究人員也開發出一款AI 程式，可以測量視網膜上細微動脈和靜脈血管的形狀和寬度。他們針對6 萬3000 多名40 ~ 69 歲的受試者進行眼部掃描，然後讓受試者做一連串包括記憶、反應速度和智力測驗等實驗，再和視網膜影像進行分析比較。結果發現視網膜血管變窄且呈現特定扭曲模式的受試者，認知作業的成績較差。研究團隊以此建立視網膜血管變化和認知能力的關聯，並表示只需短短幾秒鐘就能辨識出血管變化，找出認知衰退的早期跡象。 西方哲人將眼睛比喻為靈魂之窗，孟子也有句名言：「聽其言也，觀其眸子，人焉廋哉？」而如今，科學家發現視網膜微血管的活動量和形態，可以扮演大腦病症的先知，預測大腦老化的各項疾病，做為預防的關鍵守護者。 問題來了，有一天你去驗光，結果驗光師告訴你：「你可能失智喔！」你是否會想知道呢？這可是個值得深思的倫理問題！…

在東太平洋熱帶海域的深處，綿延起伏的珊瑚礁交織成一片絢麗的水下景觀，這些珊瑚依賴共生藻類所進行的光合作用獲取能量。然而，1980 年代初期，由於聖嬰現象引發海洋熱浪，珊瑚礁經歷了一場破紀錄的大規模白化事件，超過九成的珊瑚礁成了一片毫無生機的蒼白。這些已與珊瑚宿主共生數百萬年的藻類，竟再也無法安居其中。 1990 年代晚期和2015~2016年間，強烈的聖嬰現象再次導致太平洋水域升溫， 但科學家發現，這幾次熱浪對珊瑚礁的影響不再如先前嚴重。在最近一次白化事件後，美國邁阿密大學海洋生物學家帕拉西奧（Ana Palacio ）潛入水中，發現部份珊瑚似乎正在抵抗白化或是從中恢復。她認為，或許牠們已找到適應的方法。 大多數成年珊瑚都固定生長在自己構築的礁體，無法游向較涼爽的水域，使牠們在面對氣候變遷時特別脆弱。然而，珊瑚也有其韌性，科學家正在探索牠們如何適應氣候變遷。有些珊瑚會更換共生藻類，轉而與更耐熱的藻種共存；其他珊瑚則利用體表成排的微小纖毛，「搧走」共生藻類在熱緊迫下產生有害的過量氧氣；此外，某些珊瑚幼生能調節自身的新陳代謝來適應海溫上升。科學家希望利用這些天然的適應機制，保護這一關鍵的生態系。 在2015~2016 年的熱浪過後，帕拉西奧與研究團隊調查珊瑚礁，發現東太平洋熱帶海域的主要造礁珊瑚鹿角珊瑚屬似乎驅 逐了原本與之共生的藻類，並接納更耐熱的藻類物種。 帕拉西奧解釋：「隨著海溫持續上升，珊瑚開始改變其共生藻類群落，並與一種名為硬藻的耐熱藻類建立更密切的關係。」該物種的屬名源自於拉丁詞彙 durus ，意思為粗糙或堅韌。大多數共生藻類在熱緊迫下會產生致毒濃度的氧氣，迫使珊瑚將其驅逐，但硬藻能把氧氣濃度維持 在珊瑚可承受的範圍內。 然而，研究人員發現，珊瑚並非總是依賴共生藻類來避免氧氣過量，有時牠們能夠自行解決問題。珊瑚體表排列整齊的微小纖毛可充當珊瑚的「個人通風系統」，透過擺動把多餘的氧氣驅散至濃度較低的區域。 2022 年，當時任職於德國不來梅大學研究員的帕切雷斯（Cesar O. Pacherres ）與阿默 坎普（ Soeren Ahmerkamp）發現，這些快速擺動的纖毛能在水中產生微小漩渦，使氧氣四處流動，防止在某區域過度累積，而對珊瑚造成傷害。雖然所有珊瑚都具備這種通風系統，但使用程度因物種而異。科學家目前預計測試，澳洲大堡礁中部份較脆弱的珊瑚物種是否會在海溫升高時加速纖毛擺動，適應環境變化。 此外，珊瑚並非完全固定 不動，珊瑚幼生在定居前能在海洋中自由漂浮，這是物種遷徙至較適居水域或擴散耐熱基因的關鍵機會。美國華盛頓大學海洋生物學家哈夫梅爾（ArianaHuffmyer ）特別關注珊瑚幼生如何適應高溫環境。近期，她與美國夏威夷海洋生物學研究所的研究團隊合作發現，珊瑚幼生在實驗室中於高溫海水暴露三天，便能主動調節自身的新陳代謝，因應熱緊迫並避免白化。 珊瑚通常會提供少量氮給共生藻類，共生藻類則為珊瑚供應有機碳做為能量來源。哈夫梅爾說：「為了維持（ 共生藻類的）生存並提供宿主所需的養份，珊瑚與共生藻類之間形成了錯綜複雜且精密的營養交換關係。」然而在壓力環境下，珊瑚會產生過量的氮，導致藻類過度繁殖並快速分裂，進而囤積碳，而非回饋給珊瑚宿主。哈夫梅爾發現，短 時間內經歷熱緊迫的珊瑚幼生能夠調節自身的養份供應，保留多餘的氮而不過度分享給共生藻類，從而維持穩定的共生關係。 帕切雷斯提醒，這類適應機制的保護仍然有限。他說：「這些生物確實擁有工具來對抗環境變化，但超過臨界點後，牠們所能做的就非常有限。例如，人類在炎熱天氣下可以靠流汗來散熱，但如果氣溫過高，我們仍會面臨致命風險。當散熱達到極限時，單靠流汗已經無法調適。」 無論珊瑚具備何種耐熱機制，都有助於科學家制定保育策略。能承受環境壓力的珊瑚幼生對珊瑚保育至關重要，因為牠們可在不同珊瑚礁之間遷徙，並在新環境中擴散耐熱基因。保育科學家柯爾頓（Madhavi Colton ）曾在非營利組織珊瑚礁聯盟研究珊瑚保育科學策略，她說：「這些珊瑚幼生已在一定程度上預先 適應升溫環境，因此我們必須保護牠們，在某種意義上，牠們代表了珊瑚生態系的未來。」 珊瑚的適應能力也可做為直接介入措施，例如在苗圃培育經過「耐熱鍛鍊」的珊瑚，再將其移植回海洋珊瑚礁。帕拉西奧說：「我們需要培育更具存活機會的個體。」如果研究人員能促使珊瑚接受耐熱藻類，或是活化可對抗熱緊迫的基因，將有助於提升珊瑚在未來海洋熱浪中的存活率。 哈夫梅爾說：「當我潛入水中，看見一片生機勃勃、色彩繽紛的珊瑚礁，那種置身於異世界般的狂喜仍讓人難以忘懷。當珊瑚經歷白化後，我回到同一片海域，目睹一片死寂，這著實令人心碎。然而，這種衝擊感也成為一股動力，驅使了我利用自己的專長與熱情，為珊瑚的未來盡一份心力。」…

新研究指出，大氣中的閃電可能會觸發低地球軌道上的高能「致命電子」（killer electron ）雨，形成有害的輻射流。過去，科學界普遍認為，這些致命電子僅會出現在與地 表相距遙遠的外輻射帶（ outerradiation belt ）。發表於2024年10 月《自然．通訊》（ Nature Communications ）的一項研究卻顯示，閃電也能把這些電子從與地表相距更近的內輻射帶中釋放出來。 論文共同作者、美國科羅拉多大學波爾德分校的天文物理學家布魯姆（ Lauren Blum）說：「這些高能粒子對太空船和太空人構成威脅，了解內輻射帶何時會出現這些高能電子，將有助於避開這個區域。」 地球磁場把帶電粒子固定在環狀輻射帶，當帶電粒子遭受擾動而脫離時，會發生電子沉降（ electron precipitation ）。論文第一作者費恩蘭德（MaxFeinland ）當時是科羅拉多大學波爾德分校的大學生，在分析美國航太總署（NASA）專門追蹤高能粒子的衛星計畫「太陽異常和磁層探測器」（SAMPEX）任 務資料時， 注意到1996~2006年「微爆」（ microburst ）的異常記錄，這些「微爆」是指高能電子沉降激增的現象。 費恩蘭德設計了一套演算法篩選這些異常峰值資料，驚訝發現內輻射帶中存在高能電子的跡象。許多科學家過往認為，內輻射帶僅有能量較低、移動速度較慢的電子。他與指導教授布魯姆隨即開始探討可能的成因，費恩蘭德說：「科學家已知內輻射帶存在由閃電誘發的電子沉降，但觀察到移動如此迅速的電子還是頭一遭。」 研究團隊把這批微爆資料與美國國家閃電探測網（NationalLightning Detection Network ）的資料庫進行比對，發現內輻射帶中的電子爆發與閃電閃光存在顯著的統計相關性。當閃電發出 的電磁波沿著地球磁場向上傳播、進入內輻射帶時，其能量足以使高能電子脫離磁場束縛。 美國洛沙拉摩斯國家實驗室的太空天氣科學家莫利（ StevenMorley ）評論，這項成果相當引人注目，因為從未有人發現這樣的關聯。他補充道，由於SAMPEX 任務早在20 年前就結束，資料相當有限，但這項研究「令人非常興奮，並開啟了許多新的研究課題。」 布魯姆指出，這項發現猶如一記「警鐘」，顯示地球天氣與太空天氣密不可分。這種關聯可能對臭氧層、大氣化學、甚至氣候產生深遠影響。她說：「科學家不能只關注從太陽到地球之間的輻射帶動態，也需要了解地球大氣層內部和地面天氣系統之間的變化。」…

數十年來，食品和飲料產業長期尋找「測試味道」的自動化方法，應用在大規模產線與高速生產的過程。發表在2024 年10月《自然》（ Nature ）的一項研究中，研究團隊利用機器學習克服了化學感測器的一項限制，這意味著在你品嚐牛奶或梅洛葡萄酒的味道之前，機器舌頭就先評估過。 當液體（ 例如美味的飲料）之中的離子接觸到離子感測場效電晶體（ ion-sensitive fieldeffecttransistor, ISFET）的導電片時，依據該液體的確切成份以及其產生的電壓，流經的電流會發生改變，因此科學家可藉由ISFET 把化學變化轉換為電訊號。任何飲料的化學成份以及其口味，都會受到新鮮程度或污染的影響，而ISFET 能夠辨識這些改變。 美國賓州州立大學的工程師達斯（ Saptarshi Das ）說：「食品業在釐清食品是否摻雜不良或有毒成份上遇到許多問題。」第一代ISFET 早在50 幾年前便製作出來，但是這些感測器至今仍 未在商業廣泛應用。透過石墨烯這種理想導電材料，研究人員得以設計出可偵測特定化學離子的ISFET 感測器。但大問題依舊存在：不同感測器的讀數各不相同， 這些讀數也會隨著環境條件，例如溫濕度不同而改變。 在這項研究之中，達斯和同事藉由結合了ISFET 和人工神經網路，運用這些感測器的讀數，訓練一種機器學習演算法來分類不同的飲料，因而解決了這道難題。這套系統能夠分辨牛奶是否稀釋、區分不同的蘇打水品牌或咖啡配方，並同時判斷這些飲料的新鮮度。 在研發過程中，研究團隊曾使用人為選擇的資料進行訓練，但如果把所有感測器測量的資料提供給演算法，使其自行選擇資料特徵，進行辨識時會更為準確。人為選擇的特徵容易受到不同感器測的影響， 美國加州大學聖地牙哥分校工程師亞蘭（ Kiana Aran ）致力於把石墨烯商業化，也是石墨烯生物感測器公司的共同創辦人，她評論：「這些數據十分有說服力。」有別於人類透過偵測特定分子來判斷口味，這套ISFET 系統只藉由偵測化學變化，「這使辨識系統聚焦於特定的化學特徵」，例如品牌配方或新鮮度的程度。 未來， 達斯和同事將測試更大、更多樣化的訓練資料庫，以及更複雜的演算法，擴大系統的計算範圍。達斯說：「你能把這項技術應用於醫療保健上，包含血糖濃度與汗液偵測等，這是我們接下來想要探索的領域。」…