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見證奇蹟的幕後— 科學魔法術背後的秘密

科學月刊_96
・2012/04/30 ・5107字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

科學魔術背後的原理,除有助於了解我們在觀看魔術時大腦運作的機制,也可驗證日常所學的科學原理與知識在魔術表演時所扮演的角色。

李偉俊

台灣近幾年所掀起的魔術風潮共計有兩波,第一波為大衛‧考伯菲(David Copperfield)的大型拉斯維加斯式的舞台魔術秀(如穿越萬里長城與消失的自由女神像),第二波則為各大電視台的綜藝性節目所掀起的魔術秀風潮,也成功造就了如劉謙等專業魔術表演者,由台灣紅遍到全亞洲地區,而魔術究竟有什麼魔力讓人如此為之著迷?是因為魔術師真的有特殊的魔力還有法術嗎?一個專業的魔術表演的背後隱藏了什麼科學原理與因素,導致觀眾眼前發生了一種無法以常理或邏輯判斷的結果而感到驚奇與有趣。本文即為探討一些近距離魔術背後所蘊藏的科學原理。

魔術的源起

魔術,一種距今四千多年前源自古埃及時代的戲法或幻術,其定義有狹義與廣義之分。狹義的定義為以特殊的技巧、手法和設備,營造產生出觀賞者的錯覺和認知偏誤,以達到娛樂觀眾並使他們覺得很不可思議的一種表演藝術;而廣義的定義為以各種的專業手法或技巧,讓人們覺得歡樂高興且覺得很不可思議的一種活動或表演。本文主要探討的不是魔術師慣用的熟練手法和道具設備所呈現的娛樂效果,而是一些有運用到科學原理的魔術,並探討其隱藏於魔術背後的科學原理與科學知識。其所涉及的科學原理如物理、數學和人體生心理學等的層面,亦將透過實際舉例來說明與驗證。

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魔術的基本效果

依據美國魔術師達瑞爾‧費茲奇(Dariel Fitzkee)在其著作《魔術腦》(The Trick Brain)首將魔術區分為十九種基本效果:(一)變出術(production)、(二)反自然物理現象(physical anomaly)、(三)變去術(vanish)、(四)使觀眾失敗(spectator failure)、(五)易位術(transportation)、(六)控制術(control)、(七)變形術(transformation)、(八)辨認術(identification)、(九)穿透術(penetration)、(十)讀心術(thought reading)、(十一)破壞還原術(restoration)、(十二)他心通術(thought transference)、(十三)自動術(animation)、(十四)預言術(prediction)、(十五)反地心引力術(anti-gravity)、(十六)第六感術(extra-sensory perception)、(十七)同時共鳴術(sympathetic reaction)、(十八)特技術(s k i l l )、(十九)不能傷害術(invulnerability)。

其中直接涉及物理的為「反自然物理現象」,例如將物體(人或物)懸空或易位,以及「反地心引力術」,例如魔術師能飄浮或輕鬆做出反地心引力的動作等。這兩種魔術效果的呈現,主要是先從引導觀眾的認知錯覺開始,然後再搭配一些能讓觀眾大腦視覺產生錯覺的手法,如以透明的細線加上障眼法,讓眼前的觀眾其大腦認知與視覺均產生錯覺而成,可以說是相當高段的手法與設計,這是從魔術道具的設計與從觀眾的觀賞角度所思維的一種魔術表演程序。

總之,進行魔術表演時將會同時蘊藏兩種心理思維面向,一種是從觀賞魔術表演觀眾的思維面向,通常為邏輯性與線性的思維模式,以致於在發生與常理不同的現象時(違反邏輯或科學原理),觀眾會感到驚奇與不可思議;另一種則是魔術師本身對魔術程序安排和進行魔術動作的思維面向,其實是一種後設性思考(meta-thinking)的心理思維,例如要騙過觀眾的眼睛,其表演動作要迅雷不及掩耳並採用障眼法或道具遮掩等手法的魔術程序思考,以及上述所言的錯覺引導或是迷思導引也是一種後設性思考的思維表現,以造成魔術(或稱之為魔幻術)的表演效果。

專業魔術與科學魔法術的異同

由於許多專業的魔術師手法與道具的設計相當複雜,且有其職業機密和道德規範,無法一一細數與詳細解說其背後魔術原理,在此將以本人所會與常運用的「科學魔法術」(Science Magic Tricks)為例,並一一說明其隱藏其背後的科學原理。首先要特別說明的是,本文所言的魔術表演效果,與運用科學原理所展現的科學魔法術有所差異,專業的魔術表演強調的是魔術工作者的表演魅力和舞台效果,常會利用人類認知與視覺錯覺等認知神經科學的限制來呈現,且觀眾無法理解與進行複製;而本文所稱之科學魔法術強調的是科學原理的運用與辨識真偽科學的能力,觀眾若能掌握與理解其科學原理或要點,便可複製與成功表現,且其所展現的魔術效果與專業魔術是相當的。以下就舉四個例子,說明科學魔法術的魔術表現型式與隱藏其背後的科學原理。

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示例一:魔戒套鍊之控制術

1.道具:30~40 公分之長珠鍊、內徑3公分白鐵環一只。

圖一:將鐵環由下向上穿過珠鍊至手掌下方。

 

圖二:鐵環以自由落體方式落下後,受珠鍊裹繞後纏住。

2.呈現手法:左手虎口張開將珠練由內展開放至手指中段,右手持鐵環由下向上將珠鍊放至鐵環當中(圖一),兩手相近時,將右手鐵環順勢落下,珠鍊將白鐵環纏住,完成表演(圖二)。

3.其所運用的科學原理,計有位能與動能能量轉換、自由落體、能量守恆定律、摩擦力、旋轉動量。其中最關鍵的地方為旋轉動量,因此在表現這個科學魔法術時,應思考如何將白鐵環在落下時能在空中進行轉動(圖三)。旁人在觀看這個表演時,是看不清楚白鐵環是有轉動的;等到看到時,白鐵環已被珠鍊纏住,形成令人感到驚奇與不可思議的魔術效果。

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圖三:白鐵環能纏住的祕訣,在於落下時於空中能「轉動」。

此時不明白的觀眾,如果依樣畫葫蘆表演,但卻不明白其所牽涉的科學原理,大多數將會使白鐵環直接落地,無法被珠鍊纏住。主要原因乃是,白鐵環沒有在空中進行轉動之故。因此本科學魔法術的秘訣是以虎口平放白鐵環時,在白鐵環欲落下之時,持環的中指應稍稍突出於食指下方,當白鐵環落下時自然就會碰到中指的指尖,便造成白鐵環能在空中旋轉的現象,順利完成此魔術表演與效果。

示例二:橡皮筋之穿透術

1.道具:兩條橡皮筋。

2.呈現手法:將兩條橡皮筋,在觀眾眼前呈現其一前一後(圖四),任其仔細檢查其配置。然後透過表演者快速的手法,呈現橡皮筋穿透另一橡皮筋出來的效果,完成此魔術表演(圖五)。

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圖四:兩條橡皮筋呈現前後交疊的現況並向外拉扯證明。

 

圖五:經過快速的手法,橡皮筋自另一橡皮筋穿透出來了。

3.這個魔法術所牽涉與運用的科學原理,有包括橡皮筋的彈力和視覺錯覺(即視覺暫留現象)。它是一個相當經典的魔術表演,表演過的專業魔術師,知名者如美國的大衛考柏菲,以及台灣的劉謙等。尤其是在2009 年在中國大陸春節晚會的開場魔術表演秀時,由劉謙與兩位大陸觀眾所合作表演的近距離橡皮筋魔術,便是這個表演並造成網路討論的風潮。劉謙本人也相當推崇此一魔術,因其運用了生活中隨時可方便取得的橡皮筋。

但說穿了,這是一個以魔術師快速的手法,和運用觀眾在視覺錯覺上的魔術表演,關鍵在於,表演者的手法要能不著痕跡的欺騙觀眾的視覺。其實這是一種魔術師常用的手法,尤其是空手在空中漂亮出牌或瞬間變出鴿子等表現手法均屬之,也就是要在1/18~1/24 秒內完成,才不會漏出破綻,並讓觀眾產生視覺錯覺。

而什麼是「視覺暫留」呢?視覺暫留現象乃是由比利時物理學家尤瑟夫‧普拉托(Joseph Plateau)於1835年時在觀察太陽的實驗中所發現的。簡單的現象原理解釋是:當物體在快速運

動時,人眼所看到的影像消失後,人眼仍能繼續保留其約0.1~0.4 秒左右的圖像影像。人眼在觀看物體時,成像於視網膜上,並由視神經輸入人腦便能感覺到物體的像,但當物體移去時,視神經對物體的印象是不會立即消失,而是會有持續0.1~0.4 秒的時間;魔術師的很多手法便是運用人眼的這種被稱為「眼睛的視覺暫留」特性,來達到欺騙觀賞者大腦與眼睛並達到視覺錯覺的現象之魔術效果。因此如果手法不夠快或太慢,就會看出此魔術的秘密,當然橡皮筋本身彈性與彈力的運用,也是搭配此演出的重要關鍵之一。

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示例三:賽德克巴萊之反地心引力魔法術

圖六:20 元硬幣正面的莫那魯道肖像。

1.道具:鐵製衣架一支、一枚或數枚20元硬幣(上有莫那魯道肖像,圖六)。

圖七:將硬幣置於衣架頭上方。

2.呈現手法:將鐵製衣架由中間向外拉開,形成菱形,然後調整掛勾處的尖端與菱形端點形成一直線。將衣架上的橡膠頭用美工刀修平後,即完成準備工作。表演時,由表演者將20 元硬幣小心放到衣架頭(圖七,此時可請觀眾協助以確認硬幣上和衣架頭上沒有任何的機關與接著劑),表演者以食指轉動衣架和硬幣數圈後在觀眾的驚呼聲中,順勢停止(圖八),只見硬幣依然在其上紋風不動,此時可輕抖衣架或以口吹讓硬幣自然落下,以表示硬幣和衣架頭的接觸點處上沒有任何黏著或機關,完成此科學魔法術的表演。

3.本表演所運用的科學原理,乃牛頓第一及第二運動定律。當硬幣在衣架上旋轉數十圈而不墜的科學原理為牛頓第二運動定律,此時表演者的施力要一致且旋轉速度不可忽快忽慢,不然硬幣會有偏力產生,而造成沿旋轉運動的切線方向飛出以致表演失敗;另一個表演關鍵為將硬幣旋轉後停止,表演者要能事先覺知到牛頓第一運動定律的慣性作用,在欲停止時,能預先做出抵制與緩衝的動作,如此將可完美的呈現此一科學魔法術。本魔法術還有進階的表現方法,為將數枚硬幣堆疊其上並旋轉不墜,本人曾嘗試成功以三枚20 元硬幣完成此魔法術。

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圖八:以食指轉動衣架數圈後停止,硬幣依然能保持不墜。

以上為本人所設計的科學魔法術的三個示例,此外本人也設計了茶包天燈魔法術(熱對流原理)、奇音響杯魔法術(聲音傳導原理)、轉不停釋迦陀螺魔法術(電磁學原理)、氫氣槍與酒精槍魔法術(低碳能源概念)、光碟氣墊船魔法術(作用力與反作用力原理),以及吸管穿透魔法術(拓撲學原理)等。基於數學是科學之母,以下將接著介紹一種運用數學原理的科學魔法術。

 

示例四:數字卡之讀心術

1.道具:六張數字卡(圖九)。

2.呈現手法:表演者先請觀眾心中決定一個介於1~60 的數字,或是請其將之寫入一張紙片中,並折疊收好。隨後,表演者取出先預備好的數字卡,一一請觀眾檢視其心中所決定的數字有無出現於卡片中。在觀眾檢視完畢後,表演者便可馬上說出觀眾心中所想的數字,完成此讀心術的表演。

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圖九:表演者進行「讀心術」表演所使用之數字卡。

3.此數學魔法術所涉及的數學原理,其實是數學二進位的數字規則運用。數字規則如表一所示,了解此數字規則後,以共同擁有的數字排列組合,設計出六張5× 6(如上述道具數字卡)的卡片,便可透過各數字卡有或沒有(二進位規則)來知道其心中所想的數字。

表一:數字卡之讀心術的數字規則

※根據以上數字的規律,將分別以含有1 、2 、4 、8 、16 、32 為首的元素所代表的數字依序填入5 × 6 的數字方格中便可完成六張數字卡片。 ※請觀眾要誠實說出有或沒有存在的數字卡後,將有出現的數字卡的字首數字加總即得其心中所想數字。

科普教育的三化思維

「生活處處是科學、科學可以變魔法」,本人從事大眾科學教育十餘年來,得到許多前輩學者專家的提攜與相關同好者的研討交流,以致於研發了許多科學魔法術,並於台東縣台糖文創園區內創設全國第一所非營利組織的美塔魔法學校(Meta Magic School)。此學校的創辦並非以教導魔術為目的,而是以透過科學魔法術的表演,吸引學習者或觀眾對科學魔法術的興趣與欲主動探究其科學原理的動機,達到「科學魔法只是手段、科學教育才是目的」的科普教育理念,以全面和大力推展生活中的科學普及教育與大眾科學教育,並讓大眾能了解科學中的生活性與趣味性,藉以達到全民科學普及化、樂趣化、生活化的三化思維取向的科學教育目標,這也是本人所創立的「美塔學」理論中的「美」(即良善美好)以及「塔」(升高察思與創意展現)的主要體現。

因此在每一個完美表演的科學魔法術背後之設計與表現,其實就是魔術表演者基於「美塔思考」(Meta thinking)下的思維產物。因為魔術表演帶來驚奇與歡樂(也就是美塔的「美」意)以及所呈現魔術效果不可思議性和創意(也就是美塔的「塔」意)。總之,好的魔術表演是會使人著迷與讚嘆的,除了愉悅大眾的功能外,若能將之多方面運用到教育推廣的功能上(如科普教育推廣與活動),將會有意想不到的效果。(本文圖片由作者提供)

李偉俊:任教台東大學教育學系

原發表於科學月刊第四十三卷第四期

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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瀕死大腦的最後波紋——人生跑馬燈的科學證據?
YTC_96
・2023/08/09 ・2578字 ・閱讀時間約 5 分鐘

最後波紋。圖/imdb.com

JOJO 的奇妙冒險中,西撒.安德里歐.齊貝林臨死前的「最後波紋」代表著生者最後的思念與力量,是讓 JOJO 粉痛哭流涕的名場景。最後的波紋看似只是作者荒木飛呂彦大師的創作,沒想到神經科學家記錄了瀕死的人類大腦的活動,發現死亡的當下出現有節律的高頻波紋。這些波形和做夢、記憶回憶以及冥想期間發生的腦電圖相似,也彷彿說明最後的波紋是真的存在!

此外,據說人在彌留時能瞬間看到過往的種種回憶,就像人生跑馬燈般快速回顧一生。這些在生死間徘迴所產生的不可思議現象一直是科學家們感興趣的議題。究竟心臟停止後的瀕死狀態(near-death experience (NDE))和大腦活動與意識狀態的關係是什麼?大腦在瀕死狀態時發生了什麼?這是否又能解釋人生跑馬燈的現象呢?

神秘的瀕死經驗

根據瀕死經驗科學研究的奠基者,且有瀕死經驗科學研究之父之稱的布魯斯.葛瑞森醫師(Bruce Greyson),瀕死經驗是一個深刻的主觀心理經驗,通常發生在接近死亡的人身上,處於嚴重的身體,或情緒危險的情況下。這種體驗超越個人自我的感覺,是一種神聖或更高原則的結合。包括脫離身體、漂浮的感覺、完全的寧靜、安全、溫暖、絕對溶解的體驗和光的存在。又甚至可能經歷包括痛苦、空虛、毀滅和巨大空虛的感覺[1-3]

瀕死體驗中反復出現的常見元素是看到一條黑暗的隧道,經歷明亮的燈光,寧靜祥和的感覺。該圖為荷蘭畫家耶羅尼米斯·波希 (Hieronymus Bosch) 的Ascent of the Blessed。圖/wikimedia

即時記錄瀕死的人類大腦活動

過去認為心臟停止後大腦是低活動的狀態,直到約 15 年前左右(西元 2009 年),才記錄到死亡前電流激增(end-of-life electrical surges (ELES))的現象。 但這些紀錄僅來自回溯瀕死期間的測量值,並不是即時記錄臨終患者腦電圖[4]

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大約 10 年前,密西根大學研究員吉莫波吉金(Jimo Borjigin)和其團隊進行老鼠實驗,發現在心臟停止後的前 30 秒,gamma 振盪與 alpha 和 theta 之間的相位耦合在大腦皮質與心臟,以及大腦前端和後端的連接性有增加的現象。這些神經振盪原本都只存在於清醒的生物上,但在瀕死狀態下,這些高頻神經生理活動卻超過了清醒狀態下的水平[5]。 這也說明了在動物在臨死前可能經歷了特殊的體驗。

第一次在人類大腦進行從瀕死到死亡過渡階段的連續腦電圖記錄,則在去年 2 月發表在「老化神經科學前沿」( Frontiers in Aging Neuroscience)。愛沙尼亞塔爾圖大學的勞爾維森特(Raul Vicente)博士及其同事使用連續腦電圖檢測一名 87 歲的患者癲癇並同時進行治療。雖然很遺憾,最後患者心臟病發作並去世了,但他們測量了死亡前後 900 秒的大腦活動,並調查心臟停止跳動前後 30 秒內發生的情況。結果發現,就在心臟停止的前後,出現了 gamma 振盪、theta 震盪、alpha 震盪以及 beta 神經震盪的變化。這結果就和之前的老鼠實驗相當類似[6]

在瀕死狀態下,這些高頻神經生理活動卻超過了清醒狀態下的水平。 這也說明了在動物在臨死前可能經歷了特殊的體驗。圖/ Pixabay

瀕死之際大腦活動激增能否解釋人生跑馬燈?

雖然以上的研究說明,人在死亡前大腦會產生類似清醒狀態時才有的腦波反應,但這些證據並不足以證明人生跑馬燈的存在。為了證實這個現象的可能性,之前提到進行老鼠實驗的吉莫波吉金(Jimo Borjigin)在人類使用相同的計算工具來分析腦電圖信號,並關注腦電圖功率的時間動態、低頻和高頻振盪之間的局部和遠程相位-振幅耦合,以及所有頻段的功能性和定向大腦皮質連接。簡單來說,就是想要知道瀕死時人類大腦和意識以及認知功能相關的腦區是否產生變化。

他們對四位已陷入昏迷的病人進行紀錄,在死亡前,兩名在前額和中央皮質區出現廣泛的 beta 和 gamma 波增加。這兩名病人隨後出現了顳葉中反復出現的大型 beta 和 gamma 波活動,並涉及到體感皮質(somatosensory cortex, SSC)。高頻 gamma 波的振幅與慢速 beta 波的相位之間的關聯是發生在背外側前額皮質(dorsolateral prefrontal cortex)和體感皮質之間。更值得注意的是,gamma 波激增的位置是在和意識緊密相關,由顳葉-頂葉-枕葉皮層組成的後皮質熱區(posterior cortical hot zone)[7]

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一名 24 歲昏迷婦女在移除呼吸器後的的腦電圖變化。
S1:該婦女有呼吸器維持生命,因心臟驟停引起缺氧損傷。
S2: 開始時移除呼吸機,此時出現高頻和高振幅活動。
患者的最後一次心跳發生在右側的 S11 末尾。圖/National Library of Medicine

受限於道德倫理以及醫學技術,科學家們無法直接驗證瀕死大腦產生的腦波狀態是否就是產生瀕死經驗。但至少能確定的是,哺乳動物的大腦可以在瀕死時產生與增強的意識處理相關的神經關聯。

結論

《論語‧先進篇》子曰:「未知生,焉知死?」雖然孔子曾說,活人的事情道理都還不明白,又怎能清楚死亡是怎麼一回事呢?但探討人在生死間徘徊的現象不僅僅是一個科學問題,更代表著意識研究、臨床應用和倫理議題的突破。

透過更精細且長時間的腦電波紀錄追蹤,有許多證據觀察到在人們跨越生死那一瞬間,大腦會試圖做最後的掙扎。人生在世短短數十載,轉眼間便煙消雲散,瀕死的大腦在跨越生與死那鴻溝之前的體驗也是人生謝幕前的最後一次演出。

從瀕死經驗探討人性的電影-別闖陰陽界(Flatliners)。圖/IMDB

參考資料

  1. Greyson, B. (2000). Near-death experiences. In E. Cardeña, S. J. Lynn, & S. Krippner (Eds.), Varieties of anomalous experience: Examining the scientific evidence (pp. 315–352). American Psychological Association.
  2. https://en.wikipedia.org/wiki/Bruce_Greyson
  3. https://en.wikipedia.org/wiki/Near-death_experience
  4. Chawla, L. S., Akst, S., Junker, C., Jacobs, B., and Seneff, M. G. (2009). Surges of electroencephalogram activity at the time of death: a case series. J. Palliat. Med. 12, 1095–1100. doi: 10.1089/jpm.2009.0159
  5. Borjigin, J., Lee, U. C., Liu, T., Pal, D., Huff, S., Klarr, D., et al. (2013). Surge of neurophysiological coherence and connectivity in the dying brain. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 110, 14432–14437. doi: 10.1073/pnas.1308285110
  6. Vicente R, Rizzuto M, Sarica C, Yamamoto K, Sadr M, Khajuria T, Fatehi M, Moien-Afshari F, Haw CS, Llinas RR, Lozano AM, Neimat JS and Zemmar A (2022) Enhanced Interplay of Neuronal Coherence and Coupling in the Dying Human Brain. Front. Aging Neurosci. 14:813531. doi: 10.3389/fnagi.2022.813531
  7. Xu G, Mihaylova T, Li D, Tian F, Farrehi PM, Parent JM, Mashour GA, Wang MM, Borjigin J. Surge of neurophysiological coupling and connectivity of gamma oscillations in the dying human brain. Proc Natl Acad Sci U S A. 2023 May 9;120(19):e2216268120. doi: 10.1073/pnas.2216268120.
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從大學部到博士班,在神經科學界打滾超過十年,研究過果蠅、小鼠以及大鼠。在美國取得神經科學博士學位之後,決定先沉澱思考未來的下一步。現在於加勒比海擔任志工進行精神健康知識以及大腦科學教育推廣。有任何問題,歡迎來信討論 ytc329@gmail.com。

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只要將大腦上傳到電腦中,複製出另一個你,就可以實現永生嗎?——《千腦智能新理論》
星出版
・2023/06/28 ・1983字 ・閱讀時間約 4 分鐘

假設在未來某個時候,我們有能力瞬間取得在電腦中重新創造一個人所需要的全部資料,假設我們的電腦有足夠能力模擬你和你的身體。果真如此,我完全不懷疑基於電腦的大腦會有意識和知覺,就像你一樣。但這會是你想要的嗎?也許你正在想像下列這種情境。

假設我們的電腦有足夠能力模擬你的身體、意識和知覺,這會是你想要的嗎?圖/Pixabay

你正處於生命的盡頭,醫師說你只剩下幾個小時的生命。此時你按下一個開關,你的大腦隨即一片空白。幾分鐘後,你醒過來,發現自己活在一個基於電腦的新身體裡。你的記憶完好無損,你覺得自己恢復了健康,展開新的永恆生命。你大喊:「耶!我還活著!」

現在想像一個稍微不同的情境。假設我們有技術可以複製你的生物大腦而不影響它,現在你按下開關之後,你的大腦被複製到一台電腦上,而你沒有任何感覺。幾分鐘後,電腦說:「耶!我還活著。」但是,你,那個生物你,還是存在。現在有兩個「你」,一個在生物身體中,一個在電腦身體中。電腦那個你說:「現在我已經上傳了,不需要原本那個身體了,請把它處理掉。」生物那個你說:「等一下,我還在,我不覺得有任何改變,我不想死。」我們應該如何處理這個問題?

解決這個難題的方法,或許就是讓生物那個你度過餘生,自然死亡。這似乎很合理。但是,在生物你死亡之前,世上有兩個你。生物你與電腦你會有不同的經歷,因此隨著時間推移,兩者漸行漸遠,變成了不同的人。例如,生物你和電腦你可能會發展出不同的道德與政治立場,生物你可能會後悔創造了電腦你,而電腦你可能不喜歡有一個生物老人聲稱是自己。

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在生物你死亡之前,世上有兩個你。隨著時間推移,兩者漸行漸遠,可能會發展出不同的道德與政治立場。圖/Pexels

更糟的是,你很可能會有壓力在你年輕時就上傳你的大腦。例如,想像一下,電腦你的智能健康,取決於大腦上傳時生物你的智能健康。因此,為了盡可能提高你的永生版本的生活品質,你應該在你心智健康最好時上傳你的大腦,譬如 35 歲時。你可能想在年輕時上傳大腦的另一個原因是,你以肉身活著的每一天都有可能意外死亡,因此失去永生的機會。因此,你決定在 35 歲時上傳自己。

請捫心自問:35 歲的生物你在複製了自己的大腦之後,可以安然殺死自己嗎?隨著你的電腦版本展開自己的生活,你(生物你)則慢慢衰老、最終死去,生物你會覺得自己已得到永生嗎?我認為答案是否定的。「上傳你的大腦」是個誤導的說法,你真正做的是把自己分裂成兩個人。

現在再想像一下,你上傳了你的大腦,然後電腦那個你立刻複製了三個自己。現在有四個電腦你和一個生物你,這五個你開始有不同的經歷,漸行漸遠。每一個你都有獨立的意識,你是否已得永生?那四個電腦你,哪一個是永生的你?生物你慢慢衰老、邁向死亡,看著四個電腦你過各自的生活。這裡沒有共同的「你」,只有五個個體,雖然起初有相同的大腦和記憶,但隨即成為獨立的存在,此後過著不同的生活。

想像一下,你上傳了你的大腦,然後電腦那個你立刻複製了好幾個自己,每個都有獨立的意識和不同的經歷,哪一個才是永生的你?圖/Pixabay

也許你已經注意到,這些情境與生孩子相似。當然,最大的不同是你不會在孩子出生時,上傳你的大腦到孩子的腦袋裡。然而,我們可說是在某程度上試圖這麼做,我們把家族史告訴孩子,教導他們,希望他們建立和我們一樣的道德觀和信仰。藉由這種方式,我們將我們的一些知識轉移到孩子的大腦裡。但隨著他們長大,他們會有自己的經歷,成為獨立的人,就像你上傳大腦產生的電腦你那樣。

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想像一下,如果你能把你的大腦上傳給你的孩子,你會這麼做嗎?如果你這麼做,我相信你會後悔。你的孩子將背負你的記憶,終其一生將致力忘記你做過的一切。

上傳大腦乍聽是個極好的主意,誰不想得永生呢?但是,藉由上傳大腦到電腦中來複製自己,其實無法實現永生,就像生孩子無法實現永生那樣。複製自己是開出一條岔路,而不是延伸原本的路。開出岔路之後,會有兩個擁有知覺和自我意識的存在,而不是只有一個。一旦你意識到這一點,上傳大腦的吸引力就會開始減弱。

——本文摘自《千腦智能新理論》,2023 年 5 月,星出版出版,未經同意請勿轉載。

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