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屬於自己的科學旅程

2013/11/24 | | 標籤:

11 月 10 日是著名天文學家、天體物理學家與科普作家卡爾‧薩根 (Carl Sagan) 的 79 歲冥誕。從他撒手人世、回歸人類起源的星塵之後,迄今已將近十七年了。我第一次接觸到卡爾,是 1980 年的秋天,就在我過完十一歲生日沒幾周後。那年秋天,他主持的《宇宙》(Cosmos) 節目首次播出,我爸媽當時不知怎麼想到的,讓我坐到家裡那台四四方方的電視機前面收看節目。卡爾對於現在、過去和未來的一切事物,都有一股充滿詩意的激昂熱情,讓我深深著迷。

《宇宙》並不像我們大部分人印象中的自然課那樣,充滿枯燥艱澀的內容。卡爾善於揭曉科學的奧妙,而且似乎完全不怕表達內心對自然世界之美的驚喜讚嘆。他用天賦才華和翩翩風度,帶領我們一同踏上他自己的科學旅程。我那些研究科學的同僚之中,很多人認為《宇宙》那種抒情的敘述方式令人厭煩、不夠真誠。他們認為《宇宙》小看了科學,忽略了我們致力探索自然之謎的部份深刻意義。但對我而言,我覺得這個節目相當令人振奮,能夠鼓舞精神;時至今日,《宇宙》仍然有股讓我陶醉入迷的魔力。語言就和科學一樣,是通往人心的門戶,也是我們唯一能對其他人傳達宇宙奇異奧妙之處的管道。我這樣說可不是在誇大;這句充滿熱忱的話,是要說明大自然的啟迪與奧妙影響深遠,是如何促使了我們踏上科學家一途。

若要說看了《宇宙》對我有什麼實際的影響,那就是往後我閱讀任何有關科學的作品,腦海中響起的都是卡爾的聲音。當我的教授重重地甩了我耳光、當我對於美國現今的科學素養感到洩氣,或是當我需要一點心靈慰藉,我都會求助於《宇宙》,它能讓我振奮起來,提醒我自己是為了什麼投入這個領域、為什麼獻身於科學,提醒自己那最開始的初衷。就許多方面而言,《宇宙》也是我每個月在這個部落格撰寫文章的原因。我盼望自己也能提供一種機制,讓誰能夠藉此發現科學的樂趣,就像卡爾讓我明白科學之樂一樣。

所以,為了紀念卡爾的生日,讓我來跟你們談談科學的錦繡萬象之中,一根小小的織線。這個故事在我心中激起了一點對自然世界的好奇之心,也讓我驚異於年輕科學家們豐沛的好奇心所帶來的創新能力。這個故事,是有關我們如何發現物質那宛如寶石的美麗結構。

現代科學的奇蹟之一,就是我們大幅拓展了自己的能力,遠遠超出十億年來的進化過程中大自然給予我們的感官,讓我們可以見識到原本看不見的事物。好奇心帶領著我們探索種種未知,而這些事物原本是我們自身的感官無法辨識的範疇,大至瞭望廣闊無垠的宇宙,小至深入觀察這世界上的微觀構造,皆是如此。在這兩個領域,我們都發明了能用來觀測的科學技術。

如果深入觀察物質內部,我們周遭的物質是由什麼組成的?又是以什麼結構組成的?物質的微觀性質,跟我肉眼所能看見的絨毛兔子拖鞋、玻璃酒杯還有蒼蠅拍這些東西,是否也有關呢?我們大多都在學校學過,這個世界是由「原子」組成的,還會學畫那個經典的示意圖,把原子畫成一個點 (原子核),周圍環繞著許多由其他小圓點 (電子) 串成的橢圓形。我們學到的另一個定理是,世界上的物質其實是由一組組連結在一起的電子構成的,這樣連接在一起的一組電子稱為「分子」。我們是怎麼知道這些事情的呢?

圖片1

食鹽結晶呈現立方對稱 (cubic symmetry,左圖),而雪花呈現六角對稱 (hexagonal symmetry,右圖)。

物質具有基礎結構這一點,在你觀察某些物體的時候其實就很明顯了。食鹽結晶擁有極為標準的立方對稱;雪花則精準地呈現了六角對稱。許多物質狀態會形成規律的結構,物理學家稱之為「晶格」。晶格實際的形狀和排列方式,依組成的原子性質而定。食鹽結晶是由鈉原子與氯原子交替排列組成的。原子將電子當成鉤子一樣,用來與其他原子連結 (我們化學界的朋友稱之為「價鍵」(valence bond)),而這些鉤子的位置,就會影響原子所組成的分子形狀。鈉原子和氯原子能夠以直線連結,堆疊在一起時自然就形成矩形。

圖片2

食鹽的晶格模型 (氯化鈉,左圖) 與水分子的模型 (右圖)。

相反地,雪花是由水分子所組成,水分子則是由一個氧原子與兩個氫原子結合而成。氧原子的鉤子結構,會讓氫原子無法以直線連結,所以最後形成的分子會以 120 度的角度彎曲,而這個角度正是六角形的一個對稱角!當你把水分子放在一起組成雪花的冰晶,它們會自然而然地形成著名的六角對稱,因為這是它們最容易結合的方式。

聽起來頭頭是道,但我們究竟是怎麼知道的?原子和分子實在過於微小,無法用肉眼分辨,但我們師法自然,瞭解到如何借助其他物理現象進行探測,藉此揭開我們單憑肉眼辨識無法解讀的謎團。光線就是我們可以拿來運用的現象之一,尤其是我們無法看到的光,像是 X 光。X 光的能量很強,而且可以進入非常小的空間中 (比方說原子之間的空間!)。如果有人用 X 光照射一個物體,例如食鹽結晶,光線會穿透原子之間的空間,然後穿出結晶體,與其他從結晶體不同地方穿出的光線結合。結果就是出現排列成陣的閃亮光點,這些光點排列出來的間距和幾何圖形,就反映了出這個結晶體的結構。

圖片3

食鹽結晶 (左圖) 被 X 光照射時,會出現代表結晶體基礎結構的幾何圖形。

你可以自己在家中用 CD 和雷射筆做做看類似的實驗。如果你把雷射筆照射在 CD 表面,再看看反射在牆上的光,就會看到一排光點,光點的間距會依據 CD 上面燒錄歌曲的軌跡結構而定。

圖片4

在家裡就能用雷射筆研究 CD 的結構。這個圖樣稱為「繞射圖樣」(diffraction pattern)。

用這種技術拍攝物質的照片當中,最著名也最具啟發性的圖片,大概就是「第 51 號照片」(Photo 51) 。這是在 1952 年,由一位名叫羅莎琳·富蘭克林 (Rosalind Franklin) 的年輕科學家和她的研究生雷蒙·葛斯林 (Raymond Gosling) 一起拍攝的。這是首度拍攝到 DNA 的照片,而 DNA 就是組成地球上所有生命型態最主要的分子。在富蘭克林的研究之前,都還沒有人知道 DNA 的雙股螺旋結構。

圖片5

羅莎琳·富蘭克林 (左圖) 與揭露 DNA 雙股螺旋結構的「第 51 號照片」(右圖)。

當時 DNA 的結構已有跡可循,但還不清楚是什麼樣的幾何圖案與外形。富蘭克林首先意識到雙股螺旋骨幹上的核苷酸鹼基是朝內的,她曾親自向法蘭西斯·克里克 (Francis Crick) 和詹姆斯·華生 (James Watson) 提到這個事實。在富蘭克林不知情的狀況下,華生看到了「第 51 號照片」,這成了一個轉捩點,讓華生和克里克最終推論出雙股螺旋結構。1953 年,《自然》(Nature) 期刊同時登出三篇 DNA 結構研究論文,其中一篇就是富蘭克林和葛斯林的論文。富蘭克林後來繼續進行成像研究,特別是研究脊髓灰白質炎病毒的分類。令人惋惜的是,她在 1958 年死於卵巢癌,逝世時年僅 37 歲。華生和克里克,以及他們的同事莫里斯·魏爾金斯 (Maurice Wilkinson),因為發現 DNA 結構的貢獻,在 1962 年共同獲頒諾貝爾獎。

富蘭克林的故事,就和許多科學發現背後的故事軼聞一樣,不復為人所知,隨著她的死亡一同消散。我們無法得知,當初她和葛斯林看到雙股螺旋的影像在底片上逐漸浮現時究竟是如何驚奇,但我們可以試著去想像。在科學發現的光芒早已褪去的現在,重要的就是這樣的想像力。想像在一場屬於你個人的漫長旅程之後,終於找到新發現的純粹喜悅;想像那樣珍貴難得的片刻,世上只有你一個人參透了深藏在自然中的秘密,沒有別人知道。那是對人類意義重大的時刻,當我們科學理性的內心充滿了令人快樂的腦內啡,被新發現所帶來的喜悅完全淹沒——就是這樣的時刻,我們就是為此存在的。

*譯註:原文寫作時間為 2012 年 11 月 10 日,有鑑於與譯文刊登時間相隔一年,文中已做相應修改。卡爾‧薩根逝於 1996 年 12 月 20 日。

原文〈A Personal Voyage〉刊登於 2012 年 11 月 10 日 作者:Shane L. Larson
翻譯:Ankh Huang 黃于薇,現為兼職譯者(ankhmeow@gmail.com

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