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尼奧斯湖一夜滅村事件 │ 科學史上的今天:08/21

張瑞棋_96
・2015/08/21 ・984字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 524 ・七年級

【科學史上的今天】8/21——尼奧斯湖一夜滅村事件

1986 年 8 月 21 日的夜晚,非洲喀麥隆西北部一座火山下的居民多已進入夢鄉。一片靜謐中,驀然山頂的傳來彷彿是悶雷的隆隆聲;縱然有人被它吵醒,也因為地面毫無晃動,天空亦無火光而大都不以為意,繼續闔眼入睡。

聲音來自火山口的尼奧斯湖(Lake Nyos),只見湖面噴出高達一百公尺的氣體,在半空集結成雲,逐漸擴大的雲氣沿著地形往山下沉降,無聲無息地逼近村莊。被雲霧包圍的村民隨即無法呼吸而昏死過去,牲畜亦未能免;彷彿死神張起巨大的斗篷,拂過之處,一片死寂。

這團雲氣造成了方圓 25 公里內一千七百名居民當場死亡,三千五百頭牲畜也倒地暴斃。究竟是什麼致命的氣體一夜之間奪走那麼多生命?

就只是二氧化碳。因為二氧化碳比重比空氣大,所以才下沉至地面;往前流動推進時,又把原來的新鮮空氣推擠至上方,二氧化碳的濃度只要超過 15%,就會使人在幾分鐘之內窒息而亡。問題是,那麼大量──估計至少有 1.2 立方公里──的二氧化碳從何而來?

科學家對此有不同意見,一派認為是當天直接從火山內部爆發出來,另一派認為二氧化碳累積在湖底已久,直到當晚才像打嗝一樣傾洩而出。幾年之後,科學家量測二百米深的尼奧斯湖,發現底部有一層湖水富含二氧化碳,而且高度隨著時間過去而增加,證明二氧化碳是從火山內部慢慢滲漏至湖底,當趨近飽和時,一點外力就會破壞平衡,使得蓄積已久的二氧化碳像開香檳那樣噴發出來。事發當時,極可能就是湖邊的一處山壁崩落,岩石墜落湖底而觸發。

事實上,在此次事件兩年之前,就在尼奧斯湖東南方一百公里處的莫撓恩湖(Lake Monoun)也爆發同樣事件,造成 37 人死亡。這是目前歷史上僅有的兩次紀錄,然而科學家發現位在剛果與盧安達交界的基輔湖(Lake Kivu)也富含甲烷與二氧化碳,其水深是尼奧斯湖的兩倍,代表能蓄積更多的二氧化碳,而周圍又有兩百萬人口,一但爆發將更致命。因此科學家已在該處設立多處監測站,監測二氧化碳濃度,希望能發揮預警的作用。

尼奧斯湖附近倖存的居民,仍不願意離開祖靈之地。法國團隊於 2001 年與 2011 年先後在尼奧斯湖立起三根排氣管,讓二氧化碳平時就能宣洩,希望能有效避免悲劇再度發生。

 

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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《2001太空漫遊》首映|科學史上的今天:4/2
張瑞棋_96
・2015/04/02 ・1392字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 591 ・九年級

科幻小說家亞瑟・克拉克編劇、庫柏力克導演的科幻電影《2001太空漫遊》。圖/Flicker

1968 年的今天,由科幻小說家亞瑟・克拉克 (Arthur Clarke) 編劇、庫柏力克 (Stanley Kubrick) 導演的科幻電影《2001太空漫遊》(2001: A Space Odyssey) 在美國首都華盛頓首次公開放映。上映後影評家的反應兩極、毀譽參半。無論如何,沒有人預料到它會成為史上最經典的科幻電影,將近半世紀過去,至今仍然難以超越。

庫柏力克與克拉克於 1964 年著手拍攝時,距離蘇聯送上第一位太空人不過三年,民眾對於太空旅行的了解仍相當有限。在尚無電腦特效可用的情況下,庫柏力克不但打造出栩栩如生的太空場景,還力求符合科學原理,因此特地找了天文學家卡爾・薩根、人工智慧專家閔斯基 (Marvin Minsky) 等人擔任顧問。就這點而言,《2001太空漫遊》可算是史上第一部真正有科學成分的科幻電影。而片中設計的場景、情境、道具,乃至角色也屢屢被後來的科幻電影參考效仿。例如藉由旋轉產生人工重力的太空站、漂浮在太空艙內的筆、太空人在冬眠醒來後發現危機潛伏、具有人工智慧的電腦,甚至電腦說話的語調也為日後科幻電影的人工智慧電腦定了調。

科幻預言總不免會過於樂觀,如今已過了《2001太空漫遊》設定的 2001 年十幾年,但我們仍未建造出具有人工重力的太空站,也還沒有人工冬眠技術。不過,片中對於未來的設想有許多已經成真,例如視訊電話、平板電腦(三星在與蘋果的專利訴訟中,還摘錄電影片段為自己辯護)。電腦的人工智慧雖然還沒到片中 HAL 9000 那樣能自己思考的程度,但語音辨識與理解能力也已有很大的進展,例如 iPhone 的Siri;IBM 的超級電腦「華生」更是在 2011 年的電視益智問答節目中,與該節目有史以來最厲害的兩位參賽者公平競賽,結果打敗人腦拿到冠軍。

《2001太空漫遊》片中這些科學、科技方面的元素最主要是為了帶出幾個大哉問:我們人類的智能自何處來?未來的命運會往何處去?電腦若能像人類一樣思考,會成為人類的幫手或是像 HAL 9000 一樣帶來威脅?具有自我意識的電腦與人何異?這些至今仍是科學家與哲學家不斷省思的問題;例如當代最聰明的物理學家霍金與最聰明的創業家 Elon Musk,就都對於人工智慧可能給人類帶來的危害感到憂心。

有科學基礎的豐富想像、對人類命運之終極關懷所引發的哲思,加上極具開創性的美學(看過電影的人永遠都記得片頭在理查・史特勞斯的「查拉圖斯特如是說」交響詩宏偉的樂聲中,太陽自月球後方緩緩升起;以及人猿將作為武器的大骨拋向空中,緩緩落下後,直接跳接至四百萬年後在漆黑宇宙中的太空船),使得《2001太空漫遊》成為獨一無二的經典電影,以致於喬治・盧卡斯坦承自己的《星際大戰》遠不及它;史蒂芬・史匹柏稱它是「我們這一世代的『大霹靂』」;雷利・史考特則直言在《2001太空漫遊》之後,已經沒有什麼是原創的,所有元素都在這部電影出現過了!

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
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複製羊桃莉誕生 │ 科學史上的今天:07/05
張瑞棋_96
・2015/07/05 ・781字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 544 ・八年級

1996 年的今天,一隻小羊在英國羅斯林研究所(The Roslin Institute)悄悄誕生。七個多月後,當這隻名叫桃莉(Dolly)的母羊公開亮相時,震驚全球,不但上了全世界媒體的頭條新聞,所挑起的各項針鋒相對的爭論更是久久不息,因為牠的誕生方式似乎預告了人類的未來。

桃莉沒有父親,卻有三個媽媽;第一個媽媽提供乳腺細胞核,第二個媽媽提供去掉細胞核的卵子,兩者結合分裂成胚胎後,再放入第三個媽媽的子宮裡。基本上桃莉的 DNA 與第一個媽媽一模一樣,也就是說牠是一隻複製羊。

雖然早在 1952 年,英國的生物學家葛登(John B. Gurdon)就用類似的方法成功複製了青蛙,但桃莉成為史上第一隻成功複製的哺乳動物,才令人不由得擔心人類是否也能如法炮製,原本只是科幻題材中的複製人,如今似乎可能在現實世界中出現?!

在各界的議論紛紛中,桃莉持續帶來驚奇。牠不但在羅斯林研究所內繼續順利成長,還與一隻公羊自然交配懷孕,自 1998 年起先後生下六名子女。然而桃莉其實並不像表面看起來那麼正常。正常羊的壽命是十二歲,但牠三歲起就出現衰老的現象,五歲半就得了老羊才有的關節炎,令人不禁懷疑牠是否一出生的生理年齡就已經六歲──提供 DNA 那個媽媽當時正是這年紀。

2003 年 2 月 14 日,鑒於牠日趨嚴重的肺炎無法治癒,為了讓牠免於折磨,將牠帶來這世上的科學家決定予以安樂死。就這樣,以人工方式獲得生命的桃莉也以人工方式失去生命。

桃莉的誕生帶來許多意義深遠的大哉問,包括生命的本質、操控基因的界限、複製生命引發的倫理道德與法律問題……等等議題,值得我們反省與思索。而牠的一生更是在在展示了生命的神奇奧妙與複雜難測,告誡我們面對生命始終要謙卑以對。

 

 

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傳奇的「數學王子」高斯 │ 科學史上的今天:3/30
張瑞棋_96
・2015/03/30 ・1272字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 521 ・七年級

有關高斯 (Carl Friedrich Gauss, 1777-1855) 自小即展露數學天份的傳奇故事,我們已經耳熟能詳:三歲時一旁觀看當水泥匠工頭的老爸計算給工人的薪資時,發現計算錯誤而當場糾正;十歲時老師在課堂上出了「由 1 加到 100」的算術難題想說可以圖個清靜,沒想到高斯竟然不到一分鐘就交卷,原來他從中看出首尾一一配對相加都等於 101 的對稱性(1+100、2+99、⋯⋯),很快算出答案等於 5050。十一歲時就自己導出二項式定理的一般展開式。

要繼續研究數學嗎?將圓十七等分的轉捩點

在費迪南公爵的資助下,家境貧困的高斯得以繼續升學,鑽研高等數學,並改進牛頓、歐拉等人的證明。然而考慮到生計問題,高斯一直不確定是否要成為數學家,直到 1796 年的今天,就在屆滿 19 歲前一個月,高斯用幾何作圖,也就是只有尺和圓規,解決了自歐幾里得以來兩千年無人能解的難題:如何將圓十七等分?這項重大的突破成為一個轉捩點,讓他立定志向將一生奉獻給數學,於是,我們才有了「數學王子」高斯。

自這一天開始,高斯將研究成果記錄在一本《日誌錄》中,直到 1814 年 7 月。這本一百年後才被發現,而今稱之為《科學筆記》的日記共有 146 則記錄,包括才相隔九天的第二則:「二次互反律」(Law of Quadratic Reciprocity)、一百天後的第十則:證明任何自然數最多只需用三個三角形數之和就能表示。他在前七個月就記載了超過四十則發現,完全展現了一位天才全力以赴下的創造力有多可怕。高斯第二年完成了前人無法完成的「代數基本定理」的證明作為他的博士論文,而且日後又作出另外三種不同方式的證明。1801 年,才 24 歲的高斯將幾年來研究數論的成果集結成書;霍金如此評價這本書:「在高斯完成這本劃時代鉅作《算術研究》之前,所謂數論其實只是蒐集許多孤立研究的成果。……因為高斯在《算術研究》中引進『同餘』的符號概念,這才建構出完整的數論。」

也是 1801 這一年,義大利天文學家皮亞齊發現小行星穀神星 (Ceres),不久後就因太陽遮蔽而失去它的蹤影。高斯卻能僅憑皮亞齊的三次觀測記錄,就用自己早就發明的「最小平方法」推算出它的運行軌道。後來果然在他預測的位置上發現穀神星,高斯因此更加聲名大噪,連望遠鏡都沒有的他躋身為第一流的理論天文學家。

高斯不凡的成就不勝枚舉,數學方面除了上述的貢獻之外,還發現代表常態分佈的高斯曲線、建立複數平面而賦予複數幾何上的意義、對於曲面的研究為非歐幾里得幾何奠下了基礎(最後由他的學生黎曼完成)。物理方面提出電磁學的高斯定理、與韋伯 (Wilhelm Weber) 共同發明第一台發報機並繪製第一張地球磁場圖,還發明廣泛應用於大地測量的鏡式六分儀。

高斯的研究範圍廣泛,其中許多成就光一項就足以讓他名留千古,不過高斯晚年最想要刻在墓碑上的還是將圓十七等份的正十七邊形,只是石匠認為刻好後看起來恐怕與圓無異才作罷。高斯會有此念,除了這是他選擇人生道路的轉捩點,更是因為當年解開千古數學難題的悸動令他永難忘懷吧?!

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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