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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

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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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科學月刊_96
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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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從昏迷到死亡錯覺:摩托車事故後的科塔爾症候群——《大腦獵奇偵探社》
行路出版_96
・2024/08/24 ・3933字 ・閱讀時間約 8 分鐘

摩托車事故後的幻覺

一九八九年十月,二十八歲的股票經紀人,姑且稱之為威爾(Will),發生了嚴重的摩托車意外。他腦部受到重創,陷入昏迷,雖然幾天後恢復意識,但他在醫院裡住了好幾個月,治療腦傷以及其他損傷引起的感染。

到了隔年一月,威爾的復原情況非常良好,已經可準備出院。他的身上有些問題永遠好不了,例如右腿行動困難以及喪失部分視覺。但是最困擾他的問題發生在他的腦袋裡:他相當確定自己已經死了。威爾的母親為了幫助兒子早日康復,帶他去南非度假。但南非的炎熱讓威爾相信這個地方就是(真正的)地獄,因此更加確定自己必定是個死人。母親難以置信地問他是怎麼死的,他說了幾個可能的死因。有可能是血液感染(這是治療初期的風險),也有可能是他之前打黃熱病疫苗之後的併發症。此外他也提出自己可能死於愛滋病,雖然他沒有感染 HIV 病毒或愛滋病的任何跡象。

威爾康復出院,但堅信自己已經死亡。連他母親帶他去南非度假,都被他認為自己身在地獄。 圖/envato

有一種強烈的感覺纏上威爾,揮之不去─他覺得身旁所有東西都……這麼說好了……不是真的。車禍前熟悉的人和地方,他現在都不太認得,所以他愈發覺得自己住在一個奇怪又陌生的世界。連母親都不像真的母親。其實在南非度假的時候,威爾就曾這麼說過。他認為真正的母親在家裡睡覺,是她的靈魂陪伴他遊歷陰間。

喪失現實感:大腦如何捏造非理性的死亡解釋

四十六歲的茱莉亞(Julia)有嚴重的雙相情緒障礙症(bipolar disorder),入院時她相信自己的大腦和內臟都已消失。她覺得她早已不存在,只剩下一副空殼般的軀體。她的「自我」消失了,所以她(無論從哪個意義上看來都)是個死人。她不敢泡澡也不敢淋浴,因為怕自己空空如也的身體會滑進排水孔流走。

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三十五歲的凱文(Kevin)憂鬱的情況愈來愈嚴重,幾個月之後,腦海中的念頭漸漸演變成妄想。一開始,他懷疑家人正在密謀要對付他。接著,他認為自己已經死了,也已經下地獄,只是身體仍在人間。現在這副身體是空殼,裡面一滴血液也沒有。為了證明自己的想法沒錯,他從岳母家的廚房裡拿了一把刀,反覆戳刺手臂。他的家人明智地叫了救護車,將他送進醫院。

科塔爾症候群患者的大腦顯然有問題。發病之前,通常發生過嚴重的神經系統事故(中風、腫瘤、腦傷等等),或出現精神疾病(憂鬱症、雙相情緒障礙症、思覺失調症等等)。不過這些情況導致科塔爾症候群仍屬少見,神經科學家尚未找到明確原因,可以解釋科塔爾症候群患者的大腦為何如此與眾不同。再加上每個患者的症狀都不太一樣,判斷起來更加困難。話雖如此,有些共同症狀或許能提供蛛絲馬跡,幫助我們了解這種症候群。

科塔爾症候群的患者經常說,他們身處的世界莫名其妙變得很陌生。多數人看到自己曾邂逅多次的人事物時,大腦都能點燃辨認的火花,但這件事不會發生在科塔爾症候群的患者身上。舉例來說,患者可能認得母親的臉,但就是莫名的感到陌生。她似乎缺乏某種無形──但重要的─個人特質,所以患者即使看到這個生命中最重要的人,卻無法產生預期中的的情感反應。

患者也可能會有疏離感,彷彿自己是這世界的旁觀者,而不是參與者。術語叫做人格解離(depersonalization)。此外,周遭的一切都散發超現實的氣氛,讓患者相信自己生活在擬真的夢境裡─這是一種叫做喪失現實感(derealization,亦稱失實症)的症狀。科塔爾症候群患者體驗到的陌生感、人格解離、喪失現實感,都會嚴重扭曲他們眼中的現實世界。不難想像這會讓大腦難以負荷。

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大腦碰到如此矛盾的情況會拚命尋找原因。對大腦來說,能夠合理解釋各種生活事件是非常重要的。若找不到合理的解釋,世界很快就會變成無法預測、無法理解,最終變得無法忍受。因此為了清楚解釋所經歷的事情,大腦會無所不用其極。如果在經驗裡出現大腦難以合理解釋的元素,它會退而求其次:自己捏造合理的答案。

每個人的大腦都會這麼做,而且隨時隨地都在做,只是我們察覺不到。例如有研究發現,我們每天做的決定不計其數─從什麼時間吃點心,到要跟誰出去約會──但我們做這些決定時總是不假思索。我們好像大部分的時間都處於自動駕駛模式。可是每當有人問我們為什麼做這樣的決定時,大腦幾乎總能想出好答案來合理化我們的選擇。但有時候,它想出來的答案完全不合理。

有一項研究讓男女受試者看兩名女性的照片,請他們選出比較好看的那位。受試者做出決定之後,研究人員隨即將照片放在他們面前,要他們解釋為什麼選這個人。但受試者不知道的是,研究人員會偷偷調換照片(占比約二十%),要受試者解釋自己為什麼挑中這個(他們明明沒挑中的)人。大多數受試者都沒有識破研究人員的詭計。他們通常不會質疑照片上的人不是自己選的那個,而是當場想出合理的答案,說明為什麼覺得眼前照片上的人比較好看,例如「她看起來很辣」,或是「我覺得她比較有個性」(兩張照片差異甚大,所以受試者不是單純的認錯人)。

這種非刻意的捏造叫做虛談(confabulation),大腦做這件事的頻率比你以為的更高。虛談的原因可能有百百種,但這似乎是大腦遇到自己無法明確解釋的事件時,會使用的策略。神經科學家相信,科塔爾症候群患者的大腦也做了類似的事情。從這個角度來說,科塔爾症候群的起點,是前面提過的幾種狀況(例如創傷、腫瘤等等)導致大腦功能異常。

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大腦合理性檢查機制失靈

大腦功能異常導致現實感喪失與人格解離,進而使患者覺得周遭的一切很陌生,欠缺他們預期中的「真實感」。於是患者的大腦努力理解這樣的經驗,瘋狂尋找合理的解釋。基於不明原因,科塔爾症候群患者容易把注意力轉向內在,認為如果外在經驗不對勁,毛病可能出在自己身上。

結果基於某些更加不明的原因,大腦找到的解釋是他們已經死了、正在腐爛、被邪靈附體,或其他稀奇古怪的、與存在有關的原因。這一連串環環相扣的假設聽起來有點誇張。畢竟,喪失現實感這樣的症狀沒那麼少見;很多人(某些估計高達七十五%)會有類似的─但非常短暫的─喪失現實感的經驗。但有這種經驗的人,幾乎都不會認為自己已經死了。

顯然,科塔爾症候群患者的大腦裡還發生了別的事情。神經科學家相信,或許是重要的合理性檢查機制(plausibility-checking mechanism)沒有發揮作用。大腦偶爾會錯誤解讀生活裡發生的事,但我們通常不會想出一個明顯不合理的解釋。

或許是因為大腦錯誤解讀現實,讓科塔爾症患者對現實理解出現錯覺。 圖/envato

大腦似乎有一套用來評估邏輯的機制,確保我們的邏輯可以通過合理性的檢驗。在多數有過喪失現實感或人格解離等症狀的人身上,這套合理性檢查機制能使他們立刻否決「我感覺到自己脫離現實,是因為我已經死了」的想法;大腦認為這個提議很荒唐,很可能再也不會想起它。但是在科塔爾症候群的患者身上,這套合理性檢查機制顯然壞掉了。大腦將脫離現實的感覺歸因於他們已經死了,這個想法不知為何保留了下來,而大腦也認為這個解釋站得住腳。於是在其他人眼中絕對是妄想的念頭,成了他們深信不移的答案。

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醫生在為科塔爾症候群患者(以及後面會介紹的另外幾種行為古怪的精神障礙患者)尋找腦部損傷時,經常發現腦傷位於右腦。神經科學家因此假設合理性檢查機制位於右腦。大腦分為兩半,叫做大腦半球(cerebral hemispheres)。左腦半球和右腦半球的劃分簡單有力,因為有一道裂縫將大腦一分為二。乍看之下,左右兩邊一模一樣,但受過訓練的神經科學家用肉眼就能看出兩者並非完全對稱。透過顯微鏡觀察,差異更加顯著。因此左腦與右腦的功能有差異或許不足為奇。

長期以來,一直有人拿這些差異做文章,用錯誤的方式來解讀左腦和右腦的不同,以偏概全又過於誇大。例如斬釘截鐵地說,有些人較常使用右腦,也就是「右腦人」,所以擅長創意思考,「左腦人」則比較有邏輯。這是大家耳熟能詳的觀念,但神經科學家認為這只是迷思。實際上,我們使用大腦時不會特別偏左或偏右,而是完整使用兩個半腦。不過有些功能(例如語言的某些能力)會比較依賴某一個大腦半球。所以科塔爾症候群與右腦損傷有關的假設,並非全然不可能。

但科塔爾症候群(可能也包括合理性檢查機制)與右腦的關聯性依然只是假設,只不過許多(但不是所有)神經科學家深入研究過的科塔爾症候群案例,都支持這項觀察結果。無論合理性檢查機制確切位於何處,但在推演患者如何發展出科塔爾症候群的通用模型中,這個假設的機制扮演著重要角色。首先,大腦功能異常造成疏離症狀,例如喪失現實感與人格解離。大腦出於習慣,會先試著為眼前的情況找答案。問題是,仔細檢查並淘汰不合理答案的能力也受損了,於是大腦只好捏造稀奇古怪的答案,告訴自己身體已經死了(或是邪靈附體、正在腐爛等等),而且不會因為這個答案不合理而淘汰它。

有人認為,這種階段性的妄想形成過程也適用於另一些妄想症。這些妄想症的症狀也很古怪,不亞於科塔爾症候群。

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——本文摘自《大腦獵奇偵探社:狼人、截肢癖、多重人格到集體中邪,100個讓你洞察人性的不思議腦科學案例》,2024 年 7 月,行路出版,未經同意請勿轉載。

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她堅信自己已死:中風婦人的幻覺揭開科塔爾症候群的面紗——《大腦獵奇偵探社》
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・2024/08/22 ・2792字 ・閱讀時間約 5 分鐘

海爾妲的中風與奇異妄想

十八世紀末,七十歲的丹麥婦人海爾妲(Hilde)正在家中煮飯時,大腦突然缺血,情況不妙。海爾妲運氣很差,因為人類的腦細胞對缺血的耐受度近乎於零。少了血液,神經元(大腦裡的主要細胞)很快就會缺少氧與葡萄糖等必需物質;神經元會在短短幾分鐘內開始死去。若持續缺血,神經元會以驚人的速度消亡──每分鐘死掉將近兩百萬個。這一分鐘內消亡的神經纖維長度可達約十二公里(神經纖維是神經元向外延伸的軸突,負責在細胞之間傳遞訊號)。 簡言之,缺血會摧毀大腦。這種可怕的情況叫做中風,海爾妲中風了,她因此陷入昏迷。

海爾妲的案例細節來自一篇發表於一七八八年的科學論文。這篇論文沒有提到海爾妲的家人對她昏迷四天後醒來做何反應,但可以想見他們應該如釋重負。不過聽到海爾妲堅稱自己是死人,剛剛放下心中大石他們大概再次遭受暴擊。請注意,海爾妲說的不是她有瀕死經驗──看見隧道盡頭的那道光,最後一刻又被拉回人間──不是,她在與家人交談的時候說自己不是活人。

海爾妲並非是因為經歷過頻死經驗,才認定自己已死,而是談話時說自己不是活人。 圖/envato

我們是透過十八世紀瑞士科學家查爾斯.邦納(Charles Bonnet)的文章認識海爾妲的。 邦納是專業律師,但如同那個年代大部分的天才人物,他涉獵多個不同領域,決定投入科學研究就像我們現在決定追新劇一樣輕鬆隨意。令人驚訝的是,儘管態度輕鬆隨意,他的研究可是成果豐碩。

例如,邦納記錄了蚜蟲的無性繁殖過程,率先證實性別不是繁殖的先決條件(園丁都很熟悉也很討厭這種惱人的小蟲子)。他的其他昆蟲學研究,也為發現昆蟲如何呼吸提供重要助力。後來他的興趣轉向植物學,他的研究為後來發現二氧化碳與氧經由葉子進出植物奠定了基礎。以一個沒受過正式科學訓練、研究科學僅是嗜好的人來說,他還算厲害。

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我們運氣不錯,因為邦納也對異常的人類行為有興趣,例如海爾妲。老實說,海爾妲不是她的真名。也有可能是。邦納在描述她的情況時從未提到她的名字。如同科學文獻裡的許多醫學案例,邦納沒有寫下海爾妲的真名大概是為了保護她的隱私。我在此用這個常見的丹麥名字,方便我們討論她。

海爾妲中風之前,心理健康不曾出過大問題,所以她的奇特行為更加令人費解。家人想說服她相信自己並不是死人,畢竟她正好好坐在那兒跟大家講話。她康復了,這應該是對生命心懷感恩的時刻。但海爾妲一點也不開心。她變得暴躁易怒,責怪家人沒有為她舉辦告別式,實在太不像話。她要求家人幫她換裝,把她放進棺材裡,舉辦一場配合她身分地位的葬禮。

大家都希望海爾妲的幻覺會漸漸消失,但她的堅持有增無減,還開始口出威脅。似乎只有順從她的意願才能真正安撫她。她的家人半推半就地同意了。他們用裹屍布包裹她(十八世紀的丹麥顯然流行使用裹屍布),假裝正在為她安排葬禮。海爾妲對裹屍布的包法百般挑剔,用老師的嚴格口吻抱怨裹屍布不夠潔白,最後她終於安穩躺下、漸漸入睡。

家人為她脫掉裹屍布,把她挪到床上,希望這場鬧劇可以到此為止。沒想到海爾妲醒來之後依然故我,立刻堅持自己必須下葬。家人不願意真的把海爾妲埋進土裡(即使只是為了安撫這位吵鬧不休的病人,他們也不肯假裝將她下葬),所以他們只剩一條路可走:等待這奇怪的幻覺自動消失。

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後來幻覺真的消失了──可惜只是暫時的。每隔幾個月,幻覺就會從頭再來一遍,海爾妲深信她已經死了,不明白為什麼只有她看清這個事實。

海爾妲在認知現狀時,對於自己是「已死」的狀態深信不疑。 圖/envato

科塔爾症候群:明明活著,卻堅稱自己死了?

在邦納記錄這個事件之前,科學文獻裡沒有出現過海爾妲這樣的案例。但在那之後,科學文獻收錄了許多類似案例。由於類似案例夠多,我們可以相信海爾妲不是神經學上的偶發特例,這是一種症狀明確的神經疾病,而且症狀或可預測。這種疾病非常罕見,很難預估可靠的發生頻率,但沒有罕見到無人知曉,它的名字是:科塔爾症候群(Cotard’s syndrome)

病名源自法國神經學家朱爾斯.科塔爾(Jules Cotard),他生活於十九世紀下半葉。一八七四年,科塔爾在巴黎近郊的一個小鎮工作,碰到一名患者說自己沒有腦、神經和腸子。她宣稱自己不需要吃東西也能活著,而且感覺不到疼痛。關於疼痛的部分似乎可信:科塔爾的文字紀錄說他「把大頭針深深刺進」她的皮膚裡,她卻毫無反應(和現在相比,十九世紀的醫生不用太擔心醫療糾紛)。

科塔爾稱這位病患為 X 小姐,她的情況不是相信自己是死人,而是認為自己處於某種中間狀態──既非生,亦非死。她擔心自己會永遠困在這種不明不白的狀態裡,所以渴望真的死去。她認為只有活活燒死──雖然缺少有力的證據──才能讓她得到真正的死亡。她試著自己動手證明這個想法,所幸沒有成功。科塔爾對 X 小姐的情況很感興趣,他查找過去有沒有類似案例,沒想到居然找到好幾個。有人說自己正在慢慢腐爛,有人說自己沒有血液或是沒有身體,還有人被拋進永恆的虛無裡,或是處於某種存在的分歧狀態。

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科塔爾認為,他們的症狀屬於同一類疾病。他稱之為否認妄想(délire de negations)。妄想指的當然是患者對明顯虛假的事情深信不疑,科塔爾用否認一詞來形容這些病患最顯著的特徵:他們否認自己擁有(對多數人來說)生存不可或缺的東西。

科塔爾過世幾年後,另一位科學家在寫到否認妄想時,稱這種疾病為科塔爾症候群。從那之後,這種疾病曾被稱為科塔爾症候群、科塔爾妄想症,有時也叫做活死人症候群。科學家大多避免使用「活死人」這個詞,因為自稱死亡只是科塔爾症候群的諸多表現方式之一(而且這種不科學的誇飾用語,大部分科學家一聽就尷尬),前面介紹過的幾種存在狀態反而比較常見。

科塔爾症候群還有許多其他症狀,例如冷漠、感覺變敏感或變遲鈍、感覺不到飢餓或口渴(並因此絕食或脫水)、出現幻覺、焦慮、嚴重憂鬱、自戕、有自殺傾向等,這裡列出的僅是一小部分。患者否認自身存在,這讓他們的病情聽起來像小說情節。

——本文摘自《大腦獵奇偵探社:狼人、截肢癖、多重人格到集體中邪,100個讓你洞察人性的不思議腦科學案例》,2024 年 7 月,行路出版,未經同意請勿轉載。

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