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高中生就成為第一作者!?難道發現新物種很容易嗎?——以華萊士命名的新種象鼻蟲

蕭昀_96
・2018/07/17 ・4243字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 553 ・八年級

不曉得大家的高中生活怎麼過的呢?以筆者來說,我的高中生活不外乎就是上課、讀書、考試、被念的四階段循環,然後不知不覺地就上了大學,高中生有可能參與一個科學研究並正式發表嗎?

高中生有可能參與一個科學研究並正式發表嗎?《男子高校生的日常》劇照。 圖/IMDb

話說從頭,筆者歷經了「失落的四個月」後,去年(2017)退伍那天回系上找柯俊成老師敘舊,一進實驗室看到一個陌生男孩,還以為才消失四個月實驗室的人都不認識了。後來老師介紹說這是正要升高三的學生曾偉哲同學,想要來實驗室以昆蟲分類學做一個專題。他受研究象鼻蟲的徐振輔同學指導,而後我也加入協助這個研究。經過了接近一年的形態研究和論文寫作,今年 6 月 22 日以曾偉哲同學為第一作者,順利將研究成果刊載國際動物學期刊《Zootaxa》(動物分類群),這個研究的重點之一,就是提出了一個象鼻蟲的新種。

華萊士圓榕象鼻蟲 Omophorus (Sinomophorus) wallacei 發表資訊頁。 圖/Zootaxa 論文原文

新種圓榕象鼻蟲:華萊士圓榕象鼻蟲與亞屬修訂

那麼這個華萊士圓榕象鼻蟲 Omophorus (Sinomophorus) wallacei 是什麼呢?首先這個新物種隸屬於象鼻蟲(Weevils),也就是象鼻蟲總科(Curculionoidea)的通稱,是甲蟲中多樣性最高的類群。典型的象鼻蟲頭部有著象鼻狀的構造,如同長了一根長鼻子;蘭嶼和綠島上有著天青色條紋或斑點,並且因翅膀退化、翅鞘癒合,進而無法飛行的球背象鼻蟲就是象鼻蟲家族的成員喔!

而這個來自婆羅洲馬來西亞屬沙巴州的新種象鼻蟲則是隸屬於圓榕象鼻蟲屬(Omophorus)的成員,這個屬別的象鼻蟲外型渾圓,體表有粗糙點刻且體側和腹面表面有著淡黃色蠟狀物質,本屬跟桑科榕屬植物伴生關係密切,而非洲的種類(O. stomachosus)有危害無花果樹而造成未成熟的果實提早落果的紀錄,本屬分為三個亞屬共七個物種,間斷分布於撒哈拉以南非洲、中國西南、巴布亞紐幾內亞。

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中華圓榕象鼻蟲 Omophorus Sinomophorusrongshu Wang et al., 2011  圖/ Zookeys 論文原文

透過比較形態學以及動物地理分布等資訊,華萊士圓榕象鼻蟲被認為屬於 2011 年發表的中華圓榕象鼻蟲亞屬(Sinomophorus)[1],這個亞屬目前僅知其模式種中華圓榕象鼻蟲 O. (S.) rongshu(種小名就是「榕樹」發音)。值得額外一提的是,一般而言對於屬(亞屬)的定義往往需要由比較複數個成員間的形態而來,藉由比較支系中不同物種的形態來找出屬級單位的鑑定特徵;也就是說,只有一個種類的屬級會由於缺乏比較基礎,會無法區分出此屬的共有特徵。可以想見,當一個單模屬別在日後發現其餘成員時,也就是本次中華圓榕象鼻蟲亞屬Sinomophorus 遭遇的情況,極有可能一併發現當初所界定的特徵不適用的情形。而在這次的研究中,進行形態比對時我們也發現了如前述的特徵衝突,因此發表時也重新對本亞屬的鑑定特徵進行了修訂。

其實分類學家的工作除了探索發現未知的生物,持續對於現有鑑定系統的改進訂正也是很重要的喔!

新種圓榕象鼻蟲──華萊士圓榕象鼻蟲 Omophorus (Sinomophoruswallacei 圖/原始論文

新種圓榕象鼻蟲種小名為 “wallacei“,以阿爾弗雷德.羅素.華萊士(Alfred Russel Wallace)命名。華萊士曾深入馬來群島進行物種踏查和採集,以構想演化論而聞名 (與達爾文一同發表相關論文),同時為生物地理學的權威,被譽為「生物地理學之父」。獻名給華萊士,除了本種為東印度群島的物種外,更是因為圓榕象鼻蟲屬擁有特殊的生物地理學分布,與身為生物地理學的先行者的華萊士有相得益彰之妙。

華萊士 圖/wikipedia

圓榕象鼻蟲屬的衣索匹亞區和東方區的間斷分布

間斷分布意為親緣關係接近的類群,卻擁有著大範圍隔離的分布格局。這樣的情況出現在很多的昆蟲類群,例如跨洋分布的  Limnogonus 屬水黽 [2];亞洲東部 – 北美間斷的長扁朽木蟲(請見「冷門中的大冷門、甲蟲大家族中小支系的「長扁朽木蟲」有什麼新發現呢?」一文);地中海─南非間斷的 Scarabaeus 屬糞金龜 [3];歐洲大陸─中美洲間斷的 Eubria 屬扁泥蟲 [4];以及衣索匹亞區 – 東方區的間斷分布的寄生性蜂類 Eupetersia 屬 [5]。

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而圓榕象鼻蟲屬便是主要以非洲衣索匹亞區和亞洲東方區呈現間斷分布,屬於所謂的岡瓦那式格局分布

在這種分布格局來說,早前一些岡瓦那分布的生物類群的相關研究如石蠅、蘋果螺、 鸚鵡 [6] [7] [8] 顯示這種分布可能與岡瓦那大陸起源有關,尤其圓榕象鼻蟲屬在撒哈拉以南非洲的物種多樣性又是最高的。順便一提,閱讀相關研究時也發現關係緊密的榕屬也有著岡瓦那起源的祖先,而 Rocha (2017) [9]未發表的博士論文也發現圓榕象鼻蟲所屬的這個族分歧時間約在 97.0 Mya,跟晚白堊紀東岡瓦那陸塊的分離的時間約相當呢!

不過呀,除了岡瓦那的割裂造成的隔離分化(Vicariance)其實還有很多原因會造成間斷分布的現象。例如「長距離傳播」(Long-distance dispersal),象鼻蟲雖然看起來小小圓圓笨笨的,但意外在遷移上很有一套;圓榕象鼻蟲所屬的魔喙象鼻蟲亞科(Molytinae)中的知名害蟲棉子象鼻蟲就被發現有著長距離傳播現象 [10],而有些不會飛如球背象鼻蟲、Rhyncogonus 屬種類甚至會用跳島方式在島嶼間 Bon! Bon! Bon! 的傳播呢 [11] [12]。此外還有「區域性滅絕」(Localized extinction),也可以解釋現今看起來是間斷分布的類群,實際上在遠古時代是廣泛連續性分布的;化石證據往往能提供這部分佐證(請見「逝者如斯,但昆蟲化石仍在生物地理學的研究中不捨晝夜」一文),如同樣呈現岡瓦那分布的澳洲蕈蟲科(Boganiidae),近日就被發現了中侏儸紀道虎溝生物群的化石物種,也就是該科在過去的分布顯然更加廣袤 [13]。

最後,基礎分類研究工作的不足,也會造成這種「看似」的間斷分布;因此圓榕象鼻蟲屬的間斷分布到底是怎麼回事?這個議題實際上相當複雜,未來還有很長一段路要走。

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圓榕象鼻蟲屬 Omophorus 的全球分布圖。 圖/原始論文

高中生當第一作者,所以發現一個新物種很簡單嗎?

話說,本篇研究的第一作者曾偉哲是個高中生,所以額外得到不少注意力。不熟悉物種發表的夥伴可能因此會有疑問:發現一個新物種是不是很簡單?從發現到發表需要多久呢?

發現新物種的過程並不是表象的這麼簡單,並非是玩玩沙子就挖到新種了。

不,通常不是這樣發現的。圖/《哆啦 A 夢》劇照

大部分情況下,科學家在野外考察發現值得研究的物種時,得先把它們帶回博物館或標本室,然後必須詳細檢索文獻和比對模式標本(模式標本詳見:分類學家偵探事件簿:不存在的某櫛角菊虎?),確保之前沒人已經發現過這個物種,確認後撰寫文章並投稿至專業學術期刊讓專家同行審批,最終才得以發表刊登。前述這段時間將耗費數年,甚至數十年的時間,《當代生物學(Current Biology)》 的一篇文章就指出物種從第一次樣本採集到正式命名發表,平均需要 21 年時間 [14],可見得發現物種並非表面來的簡易迅速,綜觀發表新物種的要素主要包含了以下三點:

  1. 取得研究樣本,採不到就是採不到(當你在穿山越嶺的另一邊,我在孤獨的路上沒有盡頭 QAQ);
  2. 仔細檢視、解剖,甄別差異,確認新種,驀然回首,那蟲卻早已被發表(是什麼讓我不再懷疑自己?是什麼讓我不再害怕失去? QAQ);
  3. 論文撰寫,通過審批而刊登專業期刊,審查時間天長地久,等到花兒也謝了(直到現在我還默默的等待 QAQ)

在三大難題的包圍下,團隊分工合作在分類學研究上顯然是必須的。舉例在這次的發表中,樣本的發現者,也是共同通訊作者之一的徐振輔扮演了開拓者的角色,並且在研究前期注意到本種的形態差異,指導象鼻蟲在形態分類學上的細節技術;我在中後期協助科學文章的撰寫修改以及投稿事宜;而曾偉哲同學無疑是執行、完成這個研究工作不可或缺的核心。除了耗費時間的細部檢視解剖,文獻和模式標本的比對,為此曾偉哲同學並曾主動向肯亞、匈牙利和瑞典的博物館聯繫請求協助,以及文章初稿寫作工作和訂正;此間顯然除了一定的語言能力外,還需要有相當的毅力和耐性。如果不是真正有興趣而只是蜻蜓點水,甚至只為取得升學甄試的備審經歷,想必是不能完成此成果的。

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新物種的發表並沒有想像中容易,而高中生要能有如此成果,更是相當難得。(掌聲下!)

參考文獻:

  1. Wang, Z.-L.; Alonso-Zarazaga, M.A.; Ren, L. & Zhang, R.-Z. (2011) New subgenus and new species of Oriental Omophorus (Coleoptera, Curculionidae, Molytinae, Metatygini). ZooKeys 85: 41–59.
  2. Ye, Z.; Zhen, Y.-H.; Zhou, Y.-Y. & Bu, W.-J. (2017) Out of Africa: Biogeography and diversification of the pantropical pond skater genus Limnogonus Stål, 1868 (Hemiptera: Gerridae). Ecology and Evolution 7: 793–802.
  3. Carpaneto, G.M. (2008) The Mediterranean-southern African disjunct distribution pattern in the scarab beetles: a review (Coleoptera Scarabaeoidea). Biogeographia 29: 67–79.
  4. Barr, C.B. & Shepard, W.D. (2017) Eubria mesoamericana Barr and Shepard (Coleoptera: Psephenidae: Eubriinae), a New Psephenid Species from Central America with an Enigmatic Generic Distribution. The Coleopterists Bulletin 71: 437–444.
  5. Pauly, A. (2012) Three new species of Eupetersia Blüthgen, 1928 (Hymenoptera, Halictidae) from the Oriental Region. European Journal of Taxonomy 14: 1–12.
  6. Wright, T.F.; Schirtzinger, E.E.; Matsumoto, T.; Eberhard, J.R.; Graves, G.R.; Sanchez, J.J.; Capelli, S.; Müller, H.; Scharpegge, J.; Chambers, G.K. & Fleischer, R.C. (2008) A Multilocus Molecular Phylogeny of the Parrots (Psittaciformes): Support for a Gondwanan Origin during the Cretaceous. Molecular Biology and Evolution 25: 2141–2156.
  7. Hayes, K.A.; Cowie, R.H. & Thiengo, S.C. (2009) A global phylogeny of apple snails: Gondwanan origin, generic relationships, and the influence of outgroup choice (Caenogastropoda: Ampullariidae). Biological Journal of the Linnean Society 98: 61–76.
  8. McCulloch, G.A.; Wallis, G.P. & Waters, J.M. (2016) A time-calibrated phylogeny of southern hemisphere stoneflies: Testing for Gondwanan origins. Molecular Phylogenetics and Evolution 96: 150–160.
  9. Rocha, L. P. (2017) Sistemática e biogeografia de besouros curculionídeos (Curculionoidea; Coleoptera) associados a figueiras (Ficus; Moracae). PhD Thesis, University of São Paulo, São Paulo, Brazil: 116 pp. http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/59/59131/tde-21062017-174238/ (accessed 24 Jun 2018).
  10. Kim, K.S. & Sappington, T.W. (2013) Population genetics strategies to characterize long-distance dispersal of insects. Journal of Asia-Pacific Entomology 16: 87–97.
  11. Claridge, E.M.; Gillespie, R.G.; Brewer, M.S. & Roderick, G.K. (2017) Stepping-stones across space and time: repeated radiation of Pacific flightless broad-nosed weevils (Coleoptera: Curculionidae: Entiminae: Rhyncogonus). Journal of Biogeography 44: 784–796.
  12. Tseng, H.-Y.; Huang, W.-S.; Jeng, M.-L.; Villanueva, R.J.T.; Nuñeza, O.M. & Lin, C.-P. (2018) Complex inter-island colonization and peripatric founder speciation promote diversification of flightless Pachyrhynchus weevils in the Taiwan–Luzon volcanic belt. Journal of Biogeography 45: 89–100.
  13. Liu, Z.-H.; Ślipiński, A.; Lawrence, J.F.; Ren, D. & Pang, H. (2018) Palaeoboganium gen. nov. from the Middle Jurassic of China (Coleoptera: Cucujoidea: Boganiidae): the first cycad pollinators? Journal of Systematic Palaeontology 16: 351–360.
  14. Fontaine, B., Perrard, A., Bouchet, P. (2012). 21 years of shelf life between discovery and description of new species. Current Biology 22: pR943–R944.





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蕭昀_96
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澳洲國立大學生物學研究院博士,在澳洲聯邦科學與工業研究組織國立昆蟲標本館完成博士研究,目前是國立臺灣大學生態學與演化生物學研究所博士後研究員,曾任科博館昆蟲學組蒐藏助理。研究興趣為鞘翅目(甲蟲)系統分類學和古昆蟲學,博士研究主題聚焦在澳洲蘇鐵授粉象鼻蟲的系統分類及演化生物學,其餘研究題目包括菊虎科(Cantharidae)、長扁朽木蟲科(Synchroidae)、擬步總科(Tenebrionoidea)等,不時發現命名新物種,研究論文發表散見於國內外學術期刊 。

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地震之島的生存法則!921地震教育園區揭開台灣的防災祕密
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/09/20 ・4553字 ・閱讀時間約 9 分鐘

為什麼台灣會像坐在搖搖椅上,總是時不時地晃動?這個問題或許有些令人不安,但卻是我們生活在這片土地上的現實。根據氣象署統計,台灣每年有 40,000 次以上的地震,其中有感地震超過 1,000 次。2024年4月3日,花蓮的大地震發生後,台灣就經歷了超過 1,000 次餘震,這些數據被視覺化後形成的圖像,宛如台北101大樓般高聳穿雲,再次引發了全球對台灣地震頻繁性的關注。

地震發生後,許多外國媒體擔心半導體產業會受影響,但更讓他們稱奇的是,台灣竟然能在這麼大的地震之下,將傷害降到這麼低,並迅速恢復。不禁讓人想問,自從 25 年前的 921大地震以來,台灣經歷了哪些改變?哪些地方可能再發生大地震?如果只是遲早,我們該如何做好更萬全的準備?

要找到這些問題的答案,最合適的地點就在一座從地震遺跡中冒出的主題博物館:國立自然科學博物館的 921地震教育園區。

圖:跑道捕捉了地震的瞬間 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

下一個大地震在哪、何時?先聽斷層說了什麼

1999年9月21日凌晨1點47分,台灣發生了一場規模7.3的大地震,震央在南投縣集集鎮,全台 5 萬棟房子遭震垮,罹難人數超過 2,400 人。其中,台中霧峰光復國中校區因車籠埔斷層通過,地面隆起2.6公尺,多棟校舍損毀。政府決定在此設立921地震教育園區,保留這段震撼人心的歷史,並作為防災教育的重要基地。園區內兩處地震遺跡依特性設置為「車籠埔斷層保存館」和「地震工程教育館」。

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車籠埔斷層保存館建於原操場位置,為了保存地表破裂及巨大抬升,所以整體設計不採用樑柱結構,而是由82根長12公尺、寬2.4公尺、重約10噸的預鑄預力混凝板組成,外觀為曲線造型,技術難度極高,屬國內外首見,並榮獲多項建築獎。而地震工程教育館保留了原光復國中受損校舍,讓民眾親眼見證地震的驚人破壞力,進一步強調建築結構與安全的重要性。毀損教室旁設有由園區與「國家地震工程研究中心」共同策劃的展示館,透過互動展示,讓參觀者親手操作,學習地震工程相關知識。

國立自然科學博物館地質學組研究員蔣正興博士表示,面積上,台灣是一個狹長的小島,卻擁有高達近4000公尺的山脈,彰顯了板塊激烈擠壓、地質活動極為活躍的背景。回顧過去一百年的地震歷史,從1906年的梅山地震、1935年的新竹-台中地震,到1999年的921大地震,都發生在台灣西部,與西部的活動斷層有密切關聯,震源位於淺層,加上人口密度較高,因此對台灣西部造成了嚴重的災情。

而台灣東部是板塊劇烈擠壓的區域,地震震源分佈更廣。與西部相比,雖然東部地震更頻繁,但由於人口密度相對較低,災情相對較少。此外,台灣東北部和外海也是地震多發區,尤其是菲律賓海板塊往北隱沒至歐亞板塊的隱沒地震帶,至沖繩海槽向北延伸,甚至可能影響到台北下方,發生直下型地震,這種地震因震源位於城市正下方,危害特別大,加上台北市房屋非常老舊,若發生直下型地震,災情將非常嚴重。

除了台北市,蔣正興博士指出在台灣西部,我們特別需要關注的就是彰化斷層的影響,該斷層曾於1848年發生巨大錯動。此外,我們也需要留意西南部的地震風險,如 1906 年的梅山地震。此兩條活動斷層距今皆已超過 100 年沒活動了。至於東部,因為存在眾多活動斷層,當然也需要持續注意。

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我們之所以擔心某些斷層,是因為這些區域可能已經累積了相當多的能量,一旦達到臨界點,就會釋放,進而引發地震。地質學家通常會沿著斷層挖掘,尋找過去地震的證據,如受構造擾動沉積物的變化,然後透過定年技術來確定地震發生的時間點,估算出斷層的地震週期,然而,這些數字的計算過程非常複雜,需要綜合大量數據。

挑戰在於,有些斷層的活動時間非常久遠,要找到活動證據並不容易。例如,1906年的梅山地震,即使不算久遠,但挖掘出相關斷層的具體位置仍然困難,更不用說那些數百年才活動一次的斷層,如台北的山腳斷層,因為上頭覆蓋了大量沉積物,要找到並研究這些斷層更加困難。

儘管我們很難預測哪個斷層會再次活動,我們仍然可以預先對這些構造做風險評估,從過往地震事件中找到應變之道。而 921 地震教育園區,就是那個可以發現應變之道的地方。

圖:北棟教室毀損區 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

921 後的 25 年

在園區服務已 11 年的黃英哲擔任志工輔導員,常代表園區到各地進行地震防災宣導。他細數 921 之後,台灣進行的六大改革。制定災害防救法,取代了總統緊急命令。修訂了建築法規,推動斷層帶禁限建與傳統校舍建築改建。組建災難搜救隊伍,在面對未來災害時能更加自主應對。為保存文化資產,增設了歷史建築類別,確保具有保存價值的建築物得到妥善照料。

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最後,則是推行防災教育。黃英哲表示,除了在學校定期進行防災演練,提升防災意識外,更建立了921地震教育園區,不僅作為教育場所,也是跨部門合作的平台,例如與交通部氣象署、災害防救辦公室、教育部等單位合作,進行全面的防災教育。園區內保留了斷層線的舊址,讓遊客能夠直觀地了解地震的破壞力,最具可看性;然而除此之外,園區也是 921 地震相關文物和資料的重要儲存地,為未來的地震研究提供了寶貴的資源。

堪稱園區元老,在園區服務將近 19 年,主要負責日語解說工作的陳婉茹認為,園區最大的特色是保存了斷層造成的地景變化,如抬升的操場和毀壞的教室場景,讓造訪的每個人直觀地感受地震的威力,尤其是對於年輕的小朋友,即使他們沒有親身經歷過,也能透過這些真實的展示認識到地震帶來的危險與影響。

陳婉茹回憶,之前有爸媽帶著小學低年級的小朋友來參觀,原本小朋友並不認真聽講,到處跑來跑去,但當他看到隆起的操場,立刻大聲說這他在課本看過,後來便聚精會神地聽完 40 分鐘的解說。

圖:陳婉茹在第一線負責解說工作 / 圖片來源:921地震教育園區

除了每看必震撼的地景,園區也透過持續更新策展,邀請大家深入地震跟防災的各個面向。策展人黃惠瑛負責展示設計、活動規劃、教具設計等工作。她提到,去年推出的搜救犬特展和今年的「921震災啓示展」與她的個人經歷息息相關。921 大地震時的她還是一名台中女中的住宿生,當時她儘管驚恐,依舊背著腿軟的學姊下樓,讓她在策劃這些展覽時充滿了反思。

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在地震體驗平臺的設計中,黃惠瑛強調不僅要讓觀眾了解災害的破壞力,更希望觀眾能從中學到防災知識。她與設計師合作,一樓展示區採用了時光機的概念,運用輕鬆、童趣的風格,希望遊客保持積極心態。二樓的地震體驗平臺結合六軸震動臺和影片,讓遊客真實感受921地震的情境。她強調,這次展覽的目標是全民,設計上避免了血腥和悲傷的元素,旨在讓觀眾帶著正向的感受離開,並重視防災意識。

圖:地震體驗劇場 / 圖片來源:921地震教育園區

籌備今年展覽的最大挑戰是緊迫的時間。從五月開始,九月完成,為了迅速而有效地與設計師溝通,黃惠瑛使用了AI工具如ChatGPT與生成圖像工具,來加快與設計師溝通的過程。

圖:黃惠瑛與設計師於文件中討論設計/ 圖片來源:921地震教育園區

蔣正興博士說,當初學界建議在此設立地震教育園區,其中一位重要推手是法國地質學家安朔葉。他曾在台灣指導十位台灣博士生,這些博士後來成為地質研究的中堅力量。1999年921大地震後,安朔葉教授立刻趕到台灣,認為光復國中是全球研究斷層和地震的最佳觀察點,建議必須保存。為紀念園區今年成立20週年,在斷層館的展示更新中,便特別強調安朔葉的貢獻與當時的操場圖。

此外,作為 20 週年的相關活動,今年九月也將與日本野島斷層保存館簽署合作備忘錄(MOU),強化合作並展示台日合作歷史。另一重頭戲則是向日本兵庫縣人與自然博物館主任研究員加藤茂弘致贈感謝狀,感謝他不遺餘力,長期協助園區斷層保存館的剖面展品保存工作。

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右圖:法國巴黎居禮大學安朔葉教授。左圖:兵庫縣立人與自然博物館主任研究員加藤茂弘
/ 圖片來源:921地震教育園區

前事不忘,後事之師

盡力保存斷層跟受創校舍,只因不想再重蹈覆徹。蔣正興博士表示,921地震發生在車籠埔斷層,其錯動形式成為全球地質研究的典範,尤其是在研究斷層帶災害方面。統計數據顯示,距離車籠埔斷層約100公尺內,住在上盤的罹難率約為1%,而下盤則約為0.6%。這說明住在斷層附近,特別是上盤,是非常危險的。由於台灣主要是逆斷層活動,這一數據清楚告訴我們,在上盤區域建設居住區應特別小心。

2018年花蓮米崙斷層地震就是一個例證。

在921地震後,政府在斷層帶兩側劃設了「地質敏感區」。因為斷層活動週期較長,全球大部分地區難以測試劃設敏感區的有效性,但台灣不同,斷層活動十分頻繁。例如 1951 年,米崙斷層造成縱谷地震,規模達 7.3,僅隔 67 年後,在 2018 年再次發生花蓮地震,這在全球是罕見的,也因此 2016 年劃設的地質敏感區,在 2018 年的地震中便發現,的確更容易發生地表破裂與建築受損,驗證了地質敏感區劃設的有效性。

圖:黃英哲表示曾來園區參訪的兒童寄來的問候信,是他認真工作的動力 / 圖片來源:921地震教育園區

在過去的20年裡,921地震教育園區不僅見證了台灣在防災教育上的進步,也承載著無數來訪者的情感與記憶。每一處地震遺跡,每一項展示,都在默默提醒我們,那段傷痛歷史並未走遠。然而,我們對抗自然的力量,並非源自恐懼,而是源自對生命的尊重與守護。當你走進這座園區,感受那因地震而隆起的操場,或是走過曾經遭受重創的教室,你會發現,這不僅僅是歷史的展示,更是我們每一個人的責任與使命。

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來吧,今年九月,走進921地震教育園區,一起在這裡找尋對未來的啓示,為台灣的下一代共同築起一個更堅固、更安全的家園。

圖:今年九月,走進921地震教育園區 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

延伸閱讀:
高風險? 家踩「斷層帶、地質敏感區」買房留意
「我摸到台灣的心臟!」法國地質學家安朔葉讓「池上斷層」揚名國際
百年驚奇-霧峰九二一地震教育園區|天下雜誌

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多重宇宙真的存在?艾弗雷特三世(Hugh Everett III)的多世界詮釋
PanSci_96
・2024/07/28 ・2651字 ・閱讀時間約 5 分鐘

在前一篇我們聊到,為了反駁量子力學的機率詮釋和疊加態的說法,薛丁格提出著名的思想實驗:「薛丁格的貓」。既然貓在現實中不可能既生又死,所以量子理論一定有不夠完備的地方。

延伸閱讀:物理學四大神獸「薛丁格的貓」,其實是在嘲諷量子力學?物理學家對波函數機率詮釋的爭辯

然而,真的是這樣嗎?有沒有既符合量子理論又能解釋這個實驗的說法呢?

測量問題:量子系統的確定性

在量子力學中,量子系統的狀態在被測量前是不可確定的,所有可能狀態以機率的形式共存,這時系統處於所有狀態的疊加態。只有當我們進行測量時,系統才會變成某個特定狀態。

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例如,原子裡的電子並沒有一個確定的位置,它可能出現在任意地方,像波一樣散佈於空間中。當你測量它,它有一定機率出現在某處。愛因斯坦曾問:「是不是只有當你在看它的時候,月亮才在那兒呢?」對他而言,月亮不管有沒有人在看,都懸掛在天上,他認為量子系統應該也是如此,總是有個確定的狀態,只是我們還沒搞清楚而已。

而薛丁格在與愛因斯坦討論後提出「薛丁格的貓」思想實驗。薛丁格利用貓不可能處於既生又死的疊加態來質疑量子理論,雖然引起了話題,但並未成功反駁量子理論。

量子力學的理解不斷累積,我們知道了許多愛因斯坦和薛丁格當時不知道的事情,因此在某種程度上,回應他們的質疑已經不再是問題。

多世界詮釋:分岔的宇宙

1957 年,美國普林斯頓大學的博士生艾弗雷特三世(Hugh Everett III)提出了一個大膽的想法。他認為,宇宙的一切可以由單一個宇宙波函數(universal wave function)來描述,遵循量子力學的波動方程式。當我們進行測量時,例如檢查「薛丁格的貓」實驗結果,不同的子系統(如貓、毒藥瓶和測量者)會在交互作用下彼此連動,呈現出兩組狀態:貓死亡、毒藥瓶打破、測量者看到貓死亡,或貓活著、毒藥瓶沒破、測量者看到貓活著。

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艾弗雷特三世(Hugh Everett III)提出的多世界詮釋,之後成為許多科幻題材的靈感來源。圖/wikimedia

延伸閱讀:首創平行世界理論,艾弗雷特三世誕辰|科學史上的今天:11/11

測量會讓宇宙波函數分岔出兩個不同的分支,或說兩個平行世界。在其中一個宇宙,貓會活著;另一個宇宙,貓則會死亡。兩個宇宙都真實存在,沒有貓既死又活的事情。

在艾弗雷特的詮釋中,宇宙波函數隨著時間演化,就像一株大樹,每當有測量發生,就會分出不同的枝幹。每個枝幹代表一個獨立的平行世界或平行歷史,這就是著名的多世界詮釋(many-worlds interpretation)。歷史上每次的測量或選擇都會分裂出不同的世界,產生超級龐大的平行世界數量,彼此之間無法溝通或交換資訊。

雖然我們在這個世界買樂透沒中獎,但在另一個平行世界裡,我們可能是中頭獎的大富翁。多世界詮釋的優點是,它與量子理論沒有矛盾,能解決薛丁格的貓等悖論。

然而,儘管有人曾提出過驗證多世界詮釋的方式,現今的科技無法做到。艾弗雷特的博士論文沒有受到學界的多大關注,他之後改從事與物理研究無關的工作。直到1970年代,多世界詮釋才開始受到注意,並在艾弗雷特於1982年去世後,變得越來越受歡迎,甚至被科幻作品挪用。

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量子去相干:量子特性的喪失

量子去相干(quantum decoherence)是另一種解決方法。在雙狹縫干涉實驗中,同一波源的波從兩個狹縫出來並產生干涉條紋,代表它們存在相干性(相互干涉的性質)。若對其中一道狹縫的光波進行干擾,相干性會消失,干涉條紋不會出現,這就是去相干。

在量子力學裡,微觀粒子具有波的特性,也會發生相互干涉。波函數隨外在環境存在許多不同可能狀態,彼此相干。在電子的雙狹縫實驗中,電子以波的形式通過兩個狹縫,接著彼此干涉,形成干涉條紋。當我們測量電子的路徑,就會讓系統不同可能狀態的相干性消失,這就是量子去相干。

只要一個量子系統沒有完全孤立,與外界有交互作用,就算是干擾。想像將熱水和冷水倒在一起,熱水分子和冷水分子會互相作用,交換熱能和動量,最終達到平衡——一杯溫水。原本的每個熱水分子和冷水分子可以視為孤立系統,但當它們互相作用,改變狀態,就必須將整杯水視為整體。

量子系統的測量就像這個例子,測量者和量子系統之間的交互作用會導致量子系統與外界交換資訊,無法再用原本的波函數描述,最終逐漸喪失量子特性。

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現實中的量子去相干

在電子的雙狹縫干涉實驗中,若要知道電子通過雙狹縫時的確切位置和路徑,就必須偵測它,與之產生交互作用,導致量子去相干,干涉條紋消失。量子去相干的概念下,測量是一種交互作用,會引起量子去相干現象。隨著交互作用程度不同,量子系統會逐漸失去量子特性。

在現實世界中,所有量子系統都不可能完全孤立,與外界互動後,時間久了必然去相干。現實生活中的所有物體,雖然由量子系統組成,但當原子構築成更大的結構,會因彼此的交互作用喪失量子特性。因此,愛因斯坦問的「是不是只有當你在看它的時候,月亮才在那兒呢?」我們可以回答:「並不是這樣。」因為月亮已經不是量子系統。

薛丁格的貓不可能存在?

在「薛丁格的貓」實驗中,當作為量子系統的不穩定原子核被偵測到衰變後,交互作用就完成了,量子系統的狀態就確定了,貓也就死定了。此外,貓自身因量子去相干的關係,不會是量子系統,不可能同時處於生和死的狀態。

目前量子相關科技,如量子電腦、量子通訊等,在研發上遇到的困難,部分來自於量子去相干現象。量子電腦使用的量子位元必須保持在隔絕於外界、不受干擾的環境中,才能維持在量子態。一旦有風吹草動,量子位元可能出錯。隨著量子位元數目變多,要同時維持全部的量子態也變得更加困難,這些就是當前技術需要克服的挑戰了。

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物理學四大神獸「薛丁格的貓」,其實是在嘲諷量子力學?物理學家對波函數機率詮釋的爭辯
PanSci_96
・2024/07/27 ・2152字 ・閱讀時間約 4 分鐘

在上一篇,我們探討了德布羅意提出物質波的概念,指出微觀粒子如電子也具有波的特性,這一點已被實驗所證實。

延伸閱讀:量子革命的開端——物質波的發現

然而,故事並未因此結束。隨著相關研究的深入,物理學家對物質波的啟示展開了激烈辯論。一些在量子力學發展初期做出卓越貢獻的物理學家並不認同量子理論的主流觀點,甚至提出了薛丁格的貓這一思想實驗,愛因斯坦也曾言道:「上帝不會擲骰子。」

究竟,發生了什麼事情呢?

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從確定性到不確定性

在 20 世紀以前,古典物理學基於決定論,認為掌握某一時刻系統中所有物體的狀態,就能根據物理定律預測系統未來的演變。比如,當一顆蘋果從樹上掉下,我們可以根據物理法則計算出它掉到地面的時間和速度。

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然而,量子力學的觀點則不同,認為量子系統的行為無法完全確定,只能用機率描述。這一觀點源自德布羅意提出的物質波概念。

1926 年,奧地利物理學家薛丁格發表了薛丁格方程式,用來描述物質波的波函數。他成功地用該方程式解釋了氫原子的光譜能量,開啟了量子力學的新篇章。然而,波函數的物理意義一度難以被理解。

幾個月後,德國物理學家玻恩提出了波函數的機率詮釋,認為波函數與量子系統的狀態機率有關。當我們測量量子系統時,系統可能呈現不同狀態,其機率由波函數決定。這一觀點對當時的物理學界造成了巨大衝擊。

決定論的終結?波函數的機率詮釋與衝擊

玻恩的機率詮釋表明量子系統在測量後呈現的狀態無法事先確定,只能了解系統可能狀態的機率大小。這種理解框架革命性地挑戰了決定論的世界觀,部分物理學家因此感到不滿。德布羅意和薛丁格對此持保留態度,而愛因斯坦則認為量子力學還不夠完備,堅信「上帝不會擲骰子」。

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儘管有反對聲音,量子力學的機率詮釋在經過多次驗證後成為主流觀點。量子系統在測量前的狀態是未確定的,所有可能狀態以疊加形式同時存在,而測量後才會呈現其中一種。這一觀點對傳統的決定論提出了挑戰。

根據量子力學的主流說法,量子系統的狀態在測量之前是未確定的,所有可能狀態以疊加形式同時存在,測量後才會呈現其中一種。這就像在抽卡時,不同的卡都有一定機率會出現,但具體出現哪一張卡,要等抽取後才知道。

此外,在量子系統中,有些物理量無法同時精確測量,例如粒子的位置和動量,這稱為不確定性原理。對愛因斯坦等支持決定論的科學家來說,無法確切預測和精確測量物理系統狀態的量子理論是不夠完備的。他們認為在量子力學背後,應該還有一些隱藏的變量,導致我們無法完整預測和測量量子系統。

1935年,愛因斯坦在與薛丁格的通信中,提出一個想法來質疑量子理論的疊加態概念:想像一桶品質不穩定的火藥,經過一段時間後,可能會爆炸,也可能不會爆炸,那麼這桶火藥豈不是處於爆炸與未爆炸之間的疊加狀態?

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受到愛因斯坦的啟發,薛丁格進一步提出了「薛丁格的貓」思想實驗:把一隻貓放進鐵製房間,裡面有測量輻射的偵測器和少量放射性物質。放射性物質衰變是隨機的,處於衰變與未衰變的疊加態。如果放射性物質衰變,偵測器會觸發機關釋放毒氣,貓就會死亡;如果沒有衰變,貓則活著。整個系統的波函數處於貓活著和貓死亡的疊加狀態。

薛丁格提出了著名的思想實驗「薛丁格的貓」,反駁量子力學的疊加態說法。圖/Envato

這一思想實驗引發了人們對量子理論的深刻思考。薛丁格提出這個實驗,是為了強調量子疊加態的荒謬性,反對量子理論的測量詮釋。對愛因斯坦和薛丁格來說,物理真實應該是確定的,而不是機率和疊加的。

世界是決定論還是機率論?

薛丁格的貓思想實驗提出後,引發了更多的討論和質疑。例如:既然量子系統的狀態要測量之後才會確定,那麼貓的死活是要我們打開房間觀察後才會知道嗎?還是說,貓自己本身就可以是一個測量者呢?需要有一個生命意識去測量它嗎?到底,貓的死活是在什麼時候確定的呢?

儘管目前學界對測量問題還不算有一致公認的答案,但我們對量子力學的認知,已經比薛丁格那個時候增加許多,所以愛因斯坦和薛丁格對量子力學的質疑,以及薛丁格的貓引發的疑竇,我們已有能力給出大致確定但不完全塵埃落定的答覆。

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在下一集,我們將繼續探討這些問題,「上帝真的不玩骰子嗎?」

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