我念土木系，現在在做科學計算軟體──「不務正業」徵文

面對氣候災難，做最好的準備、最壞的打算

氣候調適還有一個面向值得更多關注，那就是我們需要做最壞的打算。

氣候科學家已確定了可能加速氣候變遷的許多臨界點。舉例來說，如果海床上含有大量甲烷的冰狀結晶體變得不穩定並破裂，短時間內災難恐怕就會在世界各地發生，導致我們對抗氣候變遷時疲於招架。氣溫愈高，就愈可能達到臨界點。 

我們看似正朝臨界點邁進，而接下來要說明一套大膽 （有人認為幾近瘋狂）的方法，這些都是所謂「地球工程」(geoengineering) 的範疇。雖然這些方法尚未得到證實，也引發道德爭議，但我們應該趁仍有餘裕時加以研究與辯論。 

地球工程屬於「緊急情況」下的尖端技術，基本概念是暫時改變地球的海洋或大氣層，以降低地球溫度。這些改變並不是為了豁免我們減少碳排的責任，只是幫我們爭取時間，以便藉此好好振作。

多年來，我一直都在資助地球工程的研究（與我支持的減緩與調適措施相比，這筆資金根本微不足道）。大多數地球工程技術都是基於一個想法：為了彌補我們釋放到大氣層中溫室氣體所造成的暖化，我們得把照射到地球的陽光總量減少 1% 左右。

有許多方法可以達成目標。其中之一是在大氣層上層分布極細顆粒，每個顆粒的直徑只有數百萬分之一英寸。科學家知道這些顆粒會反射陽光，導致地球降溫，因為他們已見證過類似的情況：大型火山爆發時，都會噴出類似的粒子，使得全球溫度明顯下降。

另一項地球工程是增亮雲層。由於陽光會被雲層頂部反射，我們可以使雲層更亮。方法是運用鹽霧讓雲層反射更多陽光，從而讓地球降溫。而且也不需要大幅增亮：想減少 1% 的陽光，只要將覆蓋地球面積 10% 的雲層增亮 10% 就可以了。 

還有其他類型的地球工程，但都有三個共同點：第一，相較於問題的規模，這些方法的成本相對較低，所需前期資金成本低於 100 億美元，而且執行費用極低。第二，雲層增亮的效果可持續一星期左右，所以我們可以依需求加以使用或停止，不會產生長期影響。第三，無論這些方法可能面臨何種技術問題，相較於必定會遭遇的政治障礙都不算什麼。有些批評人士抨擊，地球工程是把地球當成大型實驗品。

人類對地球的大型實驗：已經開始很久了！

不過正如支持者所指出，我們排放大量的溫室氣體，早就在對地球進行大規模的實驗了。

持平來說，我們需要更了解地球工程的在地潛在衝擊。這確實是合理的擔憂，值得多方研究，之後再考慮於現實世界大規模地測試。此外，由於大氣層屬於全球的問題，任何國家都不能自行決定嘗試地球工程。我們需要建立各國的共識。 

如今，很難想像如何要世界各國同意以人工方式決定地球溫度，但地球工程是唯一已知的方法，我們希望可以在數年、甚至數十年內降低地球溫度，卻又不至於癱瘓整體經濟。未來有一天，我們也許別無選擇，因此最好現在就做好準備。

身為消費者可以做的事：告訴市場，我們需要低碳的方案

市場受供需關係所宰制，身為消費者，你可以站在需求的那方來發揮影響力。如果我們所有人各自改變購買與使用的產品，只要專注於有實質意義的改變，整體就會產生很大的作用。舉例來說，如果你有能力安裝智慧型溫控器，減少不在家時的能源消耗，那麼裝就對了。此舉也會同時減少電費與溫室氣體的排放。 

但減少個人碳排放稱不上最有效果的事。你還可以影響市場動向，告訴市場你需要零碳的替代品、也願意付費。你只要多付錢買電動車、熱泵或素漢堡，形同表明：「這東西有市場，我們真的會買。」如果夠多人採取相同的舉動，企業就會加以因應。根據我的經驗，因應速度相當快。他們會把更多資金和時間投入於製造低碳排的產品，便有助這類產品的價格下降，到頭來也有助低碳產品的普及。這會提升投資人的信心，更願意資助正在設法創新的公司，幫助我們實現零碳排。 

如果消費者沒有發出這類需求訊號，政府和企業投資的創新就會被束之高閣，或根本沒機會被開發出來，只因為沒有生產的經濟誘因。以下是個人可以採取的具體步驟：

1.向公用電力事業申請綠色定價方案。部分公用事業允許家庭和企業支付額外費用選擇清潔電力。美國目前有 13 個州的公用事業必須提供綠色定價方案 (green pricing program)。這些方案的用戶支付較高電費，以彌補再生能源的額外成本，即每千瓦時平均一至二美分，等於一般美國家庭每月平均多支出 9 至 18 美元。當你參與這些方案時，就等於在告訴公用事業：你願意支付更多費用因應氣候變遷。這是十分重要的市場信號。但是，這些方案並不能抵銷碳排放，也無助電網中再生能源發電量的實質成長，這點只有政府政策和投資才能辦得到。

2.減少自家碳排。根據你能騰出的金錢與時間，你可以用 LED 替換白熾燈泡、安裝智慧型溫控器、幫窗戶做好隔熱、購買高節能電器，或用熱泵代替冷暖空調系統（只要確保環境的氣候可以讓空調正常運轉）。如果你是在外租屋，就在許可範圍內做出改變，例如更換燈泡，同時鼓勵房東來進行其餘的減碳工作。如果你正在蓋新家或翻新舊家，可以選擇回收鋼材，運用結構隔熱層板、隔熱混凝土模板、閣樓或屋頂輻射阻隔物、反射隔熱材料和地基隔熱材料，來提高自家的節能效率。 

3.購買電動車。電動車的成本與性能已有長足進步，雖然可能並不適合每個人（例如不適合太多長途公路旅行，而且也不是每個人都方便在家充電），但對於許多消費者來說，電動車的價格愈來愈實惠。就此來說，消費者行為便可以產生巨大影響。如果民眾購買大量電動車，廠商就會跟著大量生產。 

4.嘗試吃植物漢堡。我承認，素食漢堡的味道有時差強人意，但新一代的植物性蛋白質替代品有大幅進步，更接近真肉的味道與口感。你在許多餐廳、商店甚至速食餐廳都買得到。購買這些產品清楚表明了一件事，即生產植物肉是明智的投資。此外，每周只要吃一、兩次植物肉（或者乾脆不吃肉），就能減少自己的碳排量。對於乳製品也可以採取相同的原則。

「發現」是看到別人所看到的，但思考著別人所沒想到的。（Discovery is seeing what everybody else has seen, and thinking what nobody else has thought.）

　

Albert von Szent-Györgyi Nagyrápolt——1937 年諾貝爾醫學獎

科學史上那些來自「意外」的大發現

許多謮者可能覺得科學的進展是有條有理的：每年向國科會提出研究計劃，然後按部就班地完成。但事實上科學上的許多大發現可以說大都是「意外」的：例如德國理論物理學家普朗克 (Max Planck) 謂他是靠「幸運的直覺 (lucky intuition) 」而意外地敲響了量子力學革命之鐘聲！一位名不見經傳，任教於東巴基斯坦的講師玻色 (Styendra Bose) 也以一篇 1500 字的論文糊里糊塗地意外開啟了量子統計力學之大門（見「量子統計的先鋒——波思」）！

除了上面那類「意外」外，科學上還有一種靠天幫忙的「機緣巧合幸運的意外發現」（英文稱為 serendipity ）。

例如諾貝爾 (Alfred Nobel) 炸藥之發現，有一傳說是因為儲存的硝化甘油意外泄漏，與用來包裝儲存鐵桶之板狀矽藻土混合，使他想到了試用此板狀矽藻土。經實驗後，他發現兩者相混之固體不但安全可靠（硝化甘油為液體，非常不穩定，一不小心就爆炸），而且還可保持原有之爆炸威力──這不正是他研究甚久而未能找到的「穩定炸藥」嗎（見「量子統計的誕生」）？！

醫學上這類的幸運發現更是層出不窮。例如 1889 年，為了瞭解胰臟的功能，法國兩位外科手術醫生梅倫 (Joseph von Mering) 及明考斯基 (Oskar Minkowski) 將狗的胰臟割除，發現這隻可憐狗整天口渴及隨地小便。

數日後，一位助手覺得實驗室內的蒼蠅好像突然多了起來⎯⎯尤其是在狗小便過的地板處。分析狗尿及其血液後，梅倫及明考斯基很驚奇地發現裡面充滿了糖份！顯然地，胰臟具調解體內糖份的功能，它一旦受損，將導致糖尿病！就這樣，梅倫及明考斯基無意中發現了「困擾」人類三千多年之糖尿病的病源（見「胰島素與生技產業誕生的故事」）。

在「認識病毒全攻略！病毒的發現、與細菌的不同、科赫假說和致病機制」一文裡，筆者提到了抗生素的發現是醫學史上最重要的突破之一。但多少謮者知道英國細菌學家弗萊明 (Alexander Fleming) 是靠機緣巧合及運氣而發現第一個抗生素——盤尼西林（ penicillin，或稱「青黴素」）——嗎？

發現青黴素還把專利交給政府的辣個男人

弗萊明 (1881-1955年) 出生於蘇格蘭的洛克菲爾德 (Lochfield) 小城，七歲時父親去世。 弗萊明在當地學校接受了良好的基礎教育，13 歲時跟隨同父異母兄弟前往倫敦，十幾歲的時候就在攝政街理工學院 (Regent Street Polytechnic) 上課。在貨運公司工作了四年後，進入倫敦聖瑪麗醫院醫學院 (St. Mary′s Hospital Medical School)。

原想成為一名外科醫師；但 1906 年在疫苗治療的先驅賴特 (Almroth Wright) 爵士帶領下的研究使他確信他的未來在於細菌學的新領域。他於 1908 年獲得學位後，便留校當講師，直到 1914 年因第一次世界大戰而從軍擔任陸軍醫療隊的上尉。1918 年回到了聖瑪麗醫學院，1928 年昇等為該學院教授，1943 年當選為皇家學會會士 (fellow) ，1948 年當選為倫敦大學細菌學名譽教授，於 1944 年獲封為爵士。 

1999 年，弗萊明被《時代》雜誌評選為 20 世紀的 100 位最重要人物；2002 年，他在英國廣播公司 (BBC) 的電視民意調查中被選入為 100 個最偉大的英國人。弗萊明爵士不是因為發現了可拯救數百萬生命的抗生素而非常受人尊敬，而是他並沒有因專利成為一個很有錢的人。

相反地，他了解青黴素具有克服梅毒、壞疽、和結核病等疾病的潛力，必須將其釋放給世界，以服務更大的群眾。因此在第二次世界大戰前夕，弗萊明將專利移交給了美國和英國政府，使他們能及時大量生產青黴素，救治了那場戰爭中的許多傷員。

在「胰島素與生技產業誕生的故事」一文裡，筆者也提到了發現胰島素之加拿大多倫多大學講師班廷 (Frederick Banting) 也應可賺大錢，但卻在取得胰島素萃取的專利後，將其使用權完全免費地轉給加拿大多倫多大學！這種清高的學術研究，在今日生物研究已成為一場金錢遊戲的社會裡（見「你的基因是別人的專利？生技產業的金錢遊戲由此開啟」）已經幾乎看不到，實在讓筆者非常懷念象牙塔的學府！

粗心致培養皿發霉，竟意外發現盤尼西林

弗萊明是一位粗心的實驗室技術員，1928 年夏在研究葡萄球菌¹的某一天，他忘了將含有葡萄球菌培養物的培養皿放在培養箱中，留在實驗室工作台上就匆匆忙忙地離開實驗室去度假。命運就是這樣作弄人：那時室內的溫度及濕度均適合霉菌（mold，或譯「黴菌」）的生長；因此兩個禮拜回來後，弗萊明發現在敞開窗戶旁的培養皿因未加蓋而發霉。

一般的研究者大多會將這些被霉菌孢子污染的培養皿丟掉；但弗萊明這次卻心血來潮⋯⋯。他回憶說：

基於以前「溶菌酶」的經驗，也像許多細菌學家那樣，我應會把污染的培養皿丟掉，⋯⋯某些細菌學家也有可能（早就）注意到我（那時）看到的相似變化，⋯⋯但是在對天然產生的抗菌物質沒有任何興趣的情況下，都會順手地將培養物丟棄。⋯⋯但（這次）我沒有找個藉口丟掉受污染的培養液，相反地，我做了進一步的探討。

弗萊明細心觀察到：霉菌掉落處周圍的瓊脂凝膠 (agar gel) 被溶解和清除；他隔離霉菌並鑑定其為由「真核細胞」組成的青黴屬成員。進一步研究後他發現抑製或預防細菌生長的不是黴菌本身，而是霉菌產生的某些「黴汁 (mold juice) 」，因為產生它的霉菌為 Penicillium notatum，故將之稱為 Penicillin（盤尼西林）；中文因為是由藍綠色黴菌分離出來的黴素，故又稱為「青黴素」。

在隨後的十年中，因在分離和穩定青黴素方面遇到的困難，弗萊明只能專注於青黴素作為傷口和表面感染的局部殺菌劑。

在哈密瓜上發現大量生產青黴素的方法

因之當時弗萊明本人並沒有真正意識到他的發現有多麼重要；而醫學界也很少注意到他發表在《英國實驗病理學雜誌》 (British Journal of Experimental Pathology, 1929 年 6 月) 上的論文。

1938 年由牛津大學的弗洛里 (Howard  Florey) 和錢恩 (Ernst Chain) 領導的化學家團隊終於分離和純化了青黴素²，生產足夠做臨床試驗的青黴素，於 1940 年證明青黴素可以用作抵抗多種細菌性疾病的治療劑［抗生素 (antibiotic)³］。1945 年，弗萊明、弗洛里、與錢恩因「青黴素的發現及其在各種傳染病中的療效」獲得諾貝爾醫學獎。

弗萊明後來回憶說：

有時候，人們會發現不是自己在找的東西。我 1928 年 9 月 28 日拂曉後醒來時，當然沒打算通過發現世界上第一個抗生素或細菌殺手來徹底改變所有藥物。 但是我想那正是我（當時）所做的。

早期青黴素無法大量生產，弗萊明實驗室一個月所生產的青黴素，僅能供一個病人治療用，因此如何大量生產青黴素便成為重要關鍵。大量生產之方法的發現事實上也是屬於「機緣巧合意外的發現」。

為了趕上可能救治二次世界大戰傷兵的需求，弗洛里還飛到美國諮詢如何提取及製造青黴素。1943 年的一天，在伊利諾州皮奧里亞 (Peoria) 的農業部北部區域研究實驗室 (NRRL) 工作的亨特 (Mary Hunt) ，無意中在一雜貨店裡發現了一顆表皮長滿漂亮及金色青黴的哈密瓜。

將它帶回實驗室，篩選出能大量分泌青黴素的菌株後，她發現該菌株產生的青黴素數量是 notatum 的 200 倍——她因之贏得「發霉瑪麗 (Moldy Mary) 」的綽號。在許多研究團隊紛紛加入菌種及製造方法的改良後，青黴素產量由 1943 年只能醫治不到 1000 人，一下子跳到 1944 年時，已有足夠的青黴素來治療每位需要的士兵，為第二次世界大戰提供了功不可沒的貢獻！也啓動了尋找其他抗生素的研究，開創了醫學的新紀元。

結論

青黴素被稱為是一種「神奇藥物 (wonder drug) 」，而事實也確名副其實： 在發現青黴素之前，今天看起來非常小的傷害和疾病（不管是由被感染的小傷口或是由鏈球菌性咽喉炎等疾病引起的），那時候都可能導致死亡；而梅毒和淋病等性病則更不用說。

因此在二次世界大戰後，青黴素以及其他抗生素的使用成幾何級數地增加，導致細菌耐藥性也以驚人的速度增強。 2019 年，世衛組織因此將細菌耐藥性增強列為對全球健康的十大威脅之一。事實上早在 1945 年，在諾貝爾獎領獎典禮的演講中，弗萊明就已經警告說: 「過度使用青黴素可能會導致細菌耐藥！」

弗萊明意識到自己的發現是偶然與機遇，他因此謙虛地說：「青黴素的故事蘊含著十足的浪漫色彩，有助於說明機遇及命運在一個人職業生涯中所佔有的影響。」

但儘管如此，因為「命運較照顧已有準備的人」⁴，請不要痴痴地等著機遇及命運來敲門！勸君惜取少年時，多一份準備，免得黃金掉到家門前都不知道！

註解

1. 葡萄球菌感染是由葡萄球菌引起的「疾病」；在少數情況下，這些細菌只會導致皮膚感染。但是如果細菌深入到體內，進入血液、關節、骨頭、肺、或心臟，則葡萄球菌感染可能致命。
2. 牛津大學的 Dorothy Crowfoot Hodgkin 於 1945 年用 X 光晶體繞射確定了青黴素的化學構造（獲 1964 年諾貝爾化學獎）；因為合成困難，麻省理工學院的John C. Sheehan 遲至 1957 年才完成了青黴素的首次化學合成。
3. 早在 19 世紀，人類就已經觀察到某些細菌和黴菌之間的拮抗作用，並且將這種現象稱為「抗生作用 (antibiosis) 」。
4. 「Fortune favors the prepared mind」出自因接種疫苗、微生物發酵、和巴氏滅菌法原理的發現而聞名的法國生物學家、微生物學家、和化學家巴斯德 (Louis Pasteur) 。

延伸閱讀

1. 「量子統計的先鋒——波思」、「量子統計的誕生」、及「胰島素與生技產業誕生的故事」的內容，均收錄在《我愛科學》（華騰文化有限公司，2017年12月出版）一書中。
2. 有關量子力學發展的故事請參考《量子的故事》（第2版，新竹市凡異出版公司, 2005年），及《我愛科學》內的相關物理內容。

參考文獻

1. Roberts, R. M. (1989). Serendipity: Accidental discoveries in science. Published by Wiley
2. 賴昭正（1982）。〈量子統計的先鋒——波思〉，收入於《科學月刊》1982 年第 13 卷第 4 期，總卷號 148 期，39頁。
3. 賴昭正（2015）。〈量子統計的誕生〉，收入於《科學月刊》2015 年第 46 卷第 1 期，總卷號 541 期，73頁。
4. 發現能治療糖尿病的胰島素——胰島素與生技產業的誕生（上） – PanSci 泛科學
5. 你的基因是別人的專利？生技產業的金錢遊戲由此開啟 – PanSci 泛科學
6. 認識病毒全攻略！病毒的發現、與細菌的不同、科赫假說和致病機制 – PanSci 泛科學

為了解決資訊遺失的問題，霍金設想以一種特殊的方式，把一大群粒子集中射向同一個地方，這樣，當它們相遇時，它們將具有足夠的物質和能量去形成一個黑洞。然後，他研究在理論上，所有這些粒子發生交互作用後可能出現的情況。

他在都柏林演講中說：「人們從無窮遠處（即，很遠的地方）發出粒子和輻射，再回去測量無窮遠處發生了什麼事。」「人們永遠不會在中間（發生複雜交互作用的地方）去探測場的強度。」

儘管概念很簡單，但分析過程卻很複雜。為了做到這一點，霍金使用了費曼的方法：歷史總和法。記住，造就某一個可測量到的結果，背後都有無限多種可能的歷史途徑，而費曼的方法是要求你把這所有可能的歷史途徑全部加總起來：對於你正在研究中的系統的所有粒子，每個粒子可能出現「歷史」軌跡。

在追蹤碰撞過程中可能發生的演變時，霍金說，儘管絕大多數可能的歷史都會被包含進黑洞形成的過程，但有少數的歷史軌跡是不會有黑洞形成的。霍金說，這是他的主要頓悟。「我將證明資訊可以透過這種可能性而保留下來」，他說。

在那些沒有形成黑洞的歷史軌跡中，顯然不會發生黑洞資訊遺失的現象，因此，他大部分的談話內容都集中在論證，當我們把所有的歷史以費曼總和法相加時，這一小部分的歷史子集合將使得資訊可以復原：資訊透過未形成黑洞的歷史軌跡，而偷偷潛逃回來。

當然，這個簡單的邏輯背後的數學計算可以困難到是一場噩夢，而且讓霍金得出這個結論的計算過程有點神秘。

就某方面而言，為了能夠進行數學運算，霍金必須做出的幾個可疑的近似值，可謂是「極大的簡化」。他在演講中介紹了這些內容，而且承諾稍後將會把所有的細節寫成論文發表。

在描述了他的想法之後，霍金承認他賭輸了。他宣布自己錯了，資訊不會遺失，而且公正性和量子理論都是有效的。他向普雷斯基爾獻出了他應得的賭注：一套「可以從中隨意回收資訊」的百科全書。

研討會結束後，與霍金站在同一立場、認為資訊會遺失的索恩，拒絕遵循霍金的想法與認輸。「從表面上看，這是一個可愛的論點。」索恩說：「但是我還未看到細節。」普雷斯基爾接受了霍金的認輸與百科全書，但他也沒有接受霍金的論點。「說實話，」他說：「我聽不懂他所說的內容。」他說：需要看到更多細節，我才能被說服。

他們的反應是物理學家的典型反應。無論是贊成或反對霍金的人，都在等待他的細節。以前的霍金應該可以提供這些細節，但「新的霍金」卻認為他沒有足夠的時間去堅持嚴謹性的問題，他並沒有實際上去計算這些細節。

他提出了自己的想法，然後把它分配給一名研究生，在他的監督下去進行這份艱巨的計算。不幸的是，這位學生還沒完成這份工作。索恩說：「他不是一個強到可以嚇人的學生。」

在霍金報名參加都柏林的研討會時，當時所完成的計算已經夠多，讓他有信心認為這個想法會成功。然而，證明它真正可行的研究成果，卻從未完成，但對霍金而言，他對這個答案深信不疑，因此，他不願意再花費自己在這個地球上的有限時間去對此進行補救。所以，他在都柏林會議上那段籠統含糊的演講，以及發表在該研討會論文集裡的摘要短文，就是他對這個所表達過的全部想法與意見。

霍金的這場演講以及他認輸的宣言，立刻成為全球的頭版新聞，但這僅僅是一場媒體秀，算是小題大作。在他發表這段演講時，幾乎所有物理學家都已經開始相信，這些資訊並沒有遺失，但是包括霍金本人在內，沒有任何人可以證明這一點。而對於那些尚未得出結論的人來說，也沒有人因為霍金的一席話，就開始跟著他而改變想法。

看到「標籤的力量」實在令我驚訝。在霍金成名之前，陌生人有時會根據他的外表而把他看成是一個身心都有缺陷的人，而不自覺地把視線移開。但是，一旦他被宣稱為是「現代愛因斯坦」，媒體則開始大量報導他所說過的任何事情。

如果沒有他這麼一位出名的人物來參加這次的都柏林會議，那麼這將會是一場絕佳的思想漩渦，讓物理學家圍繞著這個話題進行深度討論，但是卻不會在任何報紙上出現相關報導。然而，由於有了霍金，所以這次的談話就成了一場媒體圈的「大拜拜」。

對於霍金本人來說，他的這項轉變算是一個重大時刻，甚至是一個歡樂的時刻。

對於大多數人來說，自己證明自己犯了錯，大概不會成為是件值得開香檳慶祝的事，但是，就像澤爾多維奇終於弄懂了霍金輻射的感覺一樣，霍金最為關心在意的事情始終是真相，他為了解了自己原本不了解的某件事而感到高興，特別這又是一件對物理學而言非常重要的事。

今天，距離都柏林那場研討會已經十五年了，距離霍金發現霍金輻射更是超過四十年了，相信資訊會遺失的人愈來愈少了。誠如霍金所言：幾乎所有的物理學家都相信，「如果你跳入黑洞裡，你的質能 (mass energy) 將會回歸到我們的宇宙裡」，儘管會是以一種殘破的形式，但是仍會「包含著關於你先前狀態的資訊」。儘管我們認為資訊不會丟失，但是仍然沒有確切的解釋可以說明實際發生的情況。

除了霍金提出的方案之外，還有非常多的各式各樣理論，數量之多，讓物理學家撰寫評論文章時，已經不會列出個別理論，只會列出不同的理論類別而已，而每個類別都還包含許多不同的變體。轉換過立場的霍金所堅持的立場，與大多數人所認同的觀點一致，但未必與他最初的原始想法相同—他仍持續在研究可以得出這一結論替代性理由。

雖然是斷斷續續，但是直到他過世之前，他都沒有放棄對這個問題的研究。而這也成為他最後一篇物理學術論文的主題，該論文於二○一八年在霍金辭世之後發表。