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科學家眼中的科幻──2019泛知識節

泛知識節
・2019/06/16 ・2518字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 574 ・九年級

  • 活動記錄/簡克志

科幻電影裡的現象,常和我們日常生活所見有巨大差異,這也是科幻電影吸引人的很大一個主因。如果我們擁有高超的科技,這些情景是有可能真實發生的嗎?或它們已經違反物理定律,是無法實現的呢?

科幻電影提供大家想像的空間。圖/pxhere

2019泛知識節邀請到香港天文物理學家余海峯,余海峯是《物理雙月刊》副總編輯及《泛科學》專欄作者,他也和朋友合著了天文學科普書籍《星海璇璣》,是難得的香港科研與科普專家。在泛知識節的演講中,他透過物理的角度,探討電影劇情真實發生的可能性,與大家分享他對科幻的看法。

主題一:「瞬間轉移」——蟲洞、量子穿隧效應與量子糾纏效應

在演講中,第一個討論的科幻主題是「瞬間轉移」。余海峯認為可以將之分為三類。

第一類是哆啦A夢的任意門類型,就是對應科學概念中的蟲洞。雖然愛因斯坦的相對論不允許超光速移動,如果能把時空中的兩點直接接通,就可以瞬時穿越非常遠的距離。

蟲洞是廣義相對論方程組的解,所以理論上宇宙中是可以存在蟲洞的。不過,物理學家還不知道在什麼情況下,蟲洞才會形成。而且,在瞬間轉移的時候,要如何保持打開的蟲洞,也是未知之數。

余海峯在說明多拉a夢任意門存在的可能性。圖/活動紀錄照片

第二類是《星艦迷航記》(Star Trek) 裡面的傳送裝置。科幻影集裡面,傳送裝置會把人分解成基本粒子,然後傳送到目的地再設法重組。余海峯認為傳送過程中對應科學概念中的「量子穿隧效應」,把分解出的基本粒子發射出去,可以穿越非常遙遠的距離。

但是近期一份投稿《Nature》期刊的科學研究顯示,量子穿隧效應的速率依然是光速,故無法達到瞬間轉移的效果。另外,余海峯提到,就算全宇宙的原子都變成電腦,也不足以記憶人體身上所有資訊,所以再重組為人是不太可能的。

第三類是運用量子糾纏效應的傳送裝置。這種科幻裝置不需要傳送基本粒子本身,只需要傳送粒子的資訊即可,把人分解之後存取資訊,告訴目的地如何重組,直接在目的地製造新的人。因為要瞬間轉移,就必須要超越光速,所以傳送資訊的方式對應「量子糾纏效應」,兩個量子態互相糾纏的粒子,他們會互相記得對方的狀態。無論距離多遠,只要確定某一方的狀態,即可瞬間對應地確立另一方的狀態。

將這種對應關係予以精細編碼,就可以拿來傳送科幻裝置的人體資訊,然而不僅要告訴目的地如何重組,還需要告訴目的地人體有哪些基本粒子,目前在科技上仍難以實現。

期待能利用量子糾纏效應,將量子態互相糾纏的粒子關係精細編碼,用以傳送人體資訊,達成瞬間轉移。圖/pxhere

第二類和第三類這兩種瞬間移動的傳送裝置,還會引發一個哲學問題:因為原本的人已經被分解了,傳送過去的人還是原來的那個人嗎?可以在科幻作品發掘科學與哲學的反思,是科幻有趣的地方。

「巨大化」與「縮小化」的可能性

接下來談論的第二個科幻主題是「巨大化」。余海峯認為可以分成兩類,其一是把身體按比例放大,原子總數量不變,原子總體積增加,身體重量增加,無視物理定律。另一類是在變大的時候,原子大小不變,透過瞬間傳送很多原子,把空缺填滿,余海峯認為此類在未來較為可能實現。

然而,巨大化之後呢?余海峯重述之前發表在的文章〈《進擊的巨人》物理學(上):變身巨人的那一刻就註定了人類的勝利?〉的概念  :陸上生存的動物不可以太高太重,否則就算沒被自身體重壓碎內臟,肌肉也不夠力量移動身體。這是因為站立行走受的壓力是以長度平方遞增,但體重則是以長度立方遞增,所以越巨型的動物就越需要粗壯的腳部支撐身體,體型亦越笨重。

如果像《進擊的巨人》那樣把人按比例放大,理論上是站不起來的,身體肌肉無法支撐身體的重量。所以目前全世界體型最大的動物-藍鯨,因為生活在有浮力的環境,才能稍稍解放重力帶來的限制。

藍鯨。浮力可以減緩重力對體重的限制。圖/flickr

第三個科幻主題的「縮小化」,例如科幻電影「蟻人」。余海峯認為一樣可以分為兩類,其一是等比例縮小構成物體的原子總體積,但是這改變了基本力的作用方式,違反物理定律。其二是保持原子原本的物理特性,透過拿走原子來達到縮小化的效果,但是生物身體一旦缺少資訊,例如大腦少了很多神經元,生物也難以維持縮小前的認知能力。

有可能有超光速飛行嗎?

第四個科幻主題是「光速或超光速飛行」,例如Star Trek裡面的Warp Drive(曲速引擎)。光速飛行本身就已經不可能,質量非零的物體不可能到達光速,因為要加速到光速需要的能量為無限大。如果要達到超光速,通常是以空間翹曲或空間折疊來達成,類似任意門的概念。

那麼,如果真的到達超光速,會發生什麼事?時間會倒流。但是,余海峯說他學生問了一個問題:到達超音速時,聲音會延遲,好像時間倒流,事實上並沒有。那麼,到達超光速時,時間會倒流會不會只是一種錯覺?目前並沒有答案。

太空中的失重並不等於無重力

第五個科幻主題是「無重力狀態」,例如《2001太空漫遊》裡面的太空殖民地,很常看到太空沒有重力的描述。余海峯認為是極大的錯誤,因為重力場是沒有邊界的,太空依然有重力,地球才能環繞太陽旋轉。

「無重力狀態」這個詞不夠精準,太空人離開地球在太空飄浮,其實是自由落體的「失重」,只是因為太空船有推進速度,才不至於掉落地表,形成圍繞地球的圓周運動。

在地球上模擬失重狀態的中性浮力實驗室。圖/pxhere

科幻電影裡的戰爭武器

第六個科幻主題是「雷射劍和雷射槍」。但是根據波粒二象性,光具有波動特性,光劍是不可能格檔其他光劍的,劍與劍會互相穿越。雷射槍按理說是敵人見光即死,但是《星際大戰》角色卻可以用光劍格檔雷射槍攻擊,頗不合理。

第七個科幻主題是「太空戰爭」。太空戰爭其實不會像電影那樣呈現史詩級場面,因為太空是真空狀態,碎片會到處亂飛,只要有一方攻擊,大家都會被碎片砸死。最後,余海峯認為科幻帶來的科學與哲學上的思考,仍然相當有趣。

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泛知識節
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從「科學太重要了,所以不能只交給科學家」,到「科學家太重要了,所以不能只懂科學」,再到「知識太重要了,所以不能讓它關在牆裡」,「泛知識節」為泛科知識召集之年度大型活動,承繼 PanSci 泛科學年會的精神與架構,邀請「科學」「科技」「娛樂」「旅行」四個領域的專家與耕耘者,一同談說、分享、攻錯。 這是一個大型的舞台,我們在此治茶拂席,虛位以待,請你上座。

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千萬別說《千萬別抬頭》有幫科學說了什麼——《科學月刊》
科學月刊_96
・2022/04/08 ・2534字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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  • 黃俊儒/中正大學通識教育中心特聘教授,物理學出身,學術研究專長為科學傳播與大眾科學教育,喜歡讀書與追劇。

Take Home Message

  • 《千萬別抬頭》是去年充滿話題性的科學題材電影。片中以極為誇張的劇情,諷刺現今社會與政治環境對於科學議題的反應及現象。
  • 黃俊儒認為,電影的敘事手法有引發高馬效應之虞,導演以高高在上的姿態來訓誡觀眾,但這樣的做法卻可能引起更多的爭議及分裂,無助於釐清真相。
  • 雖然許多人表示這類的電影能引發更多對於科學的關注,但黃俊儒表示,若媒體僅「提到」科學就算是「關心」科學,而非協助閱聽眾進行理解與轉譯,將無法實質幫助到科學知識傳播。

無疑的,Netflix 於去(2021)年末推出的科幻電影《千萬別抬頭》(Don’t Look Up)極具話題性,更一舉獲得今(2022)年奧斯卡獎最佳影片入圍。

可能是感動於科學議題難得被如此大規模地盛情對待,此片在科學圈裡也引起了相當程度的關注,包括片中的科學主題、科學家的處境、科學家與媒體的互動,甚至連科學家與公關的關係也有人提出討論。我們能否真的藉由一部電影,令觀影人從此更加關注科學、留意地球環境?

《千萬別抬頭》獲得今(2022)年奧斯卡獎最佳影片入圍。圖/IMDb

荒誕卻又既視感十足的戲碼

看過影片的人應該可以在片中感受到一種滿滿的既視感,例如彗星撞地球的災難,幾乎是各種現存科技爭議的翻版;誇張的美國女總統如同世界上任何一位無視科學證據、一意孤行的民粹式領導者;科學家的角色充滿了不諳人情世故,且夾雜社交恐懼的刻板形象;媒體所顯示的則是充滿了嗜血,以及熱衷配合政治炒作的投機本質等,難怪許多網友更直呼這部片根本就是在講臺灣的現況。

《千萬別抬頭》或許會給觀影者滿滿的既視感。圖/IMDb

種種昭然若揭的片段,滿足了大家心中的各種「不意外」,但是如果冷靜下來想想,這些情緒所反應的只是大家對於現況不滿的集結,體現一種酸民式的語彙邏輯。但劇情滿滿的酸味,恐怕也稀釋了深入咀嚼本片的機會。

過度嘲諷的劇情與現實脫節

在政治與科學傳播的研究領域中,有個「高馬效應」(high horse effect)理論。

這個說法的起源與古代戰爭有關,不論是東方或西方,戰時的將領總是會騎一匹特別高大的駿馬,給人一種睥睨常人的威嚴與氣勢。而在現代,高馬效應則經常描述假消息傳播時所造成的影響,例如有人在群組上義正辭嚴地駁斥另一個人所張貼的假消息,原本這個指正應該是對的,但是因為當事人用高高在上的姿態訓誡他人,導致受訓誡的人心生不滿。

除了不領情之外,甚至可能將錯就錯地故意用更極端的方式回應當事人。這種高馬效應所造就的結果,經常不是事情的真相因此被釐清,而可能適得其反地造成了更大的分裂及衝突。

這部影片就充滿了高馬效應的風險。即使以科學作為主要的討論題材,但片中卻充滿了粗糙、線性且誇大的影射手法。從電影中可以強烈感受到導演急著凸顯某些荒謬感,結果卻微妙地轉化成滿滿的說教感,彷彿只有導演才是這些光怪陸離現象背後的先知,其他人都是被意識形態矇在鼓裡的傻瓜。

而這些說理的不成功,除了基於大量猛爆性的嘲諷之外,一部分則來自於對科學活動的脫序描述,不僅讓觀眾頻頻出戲,更無法感受到電影敘事的誠意。如果彗星撞地球這麼外顯的天文現象發生,全世界卻只能仰賴「兩個」科學家去確認並奔走,我想許多天文或地球科學界的學者都要氣到翻桌了。

以現在的科技,人們非得用肉眼看見頭頂上的長尾巴星象,才相信彗星已經朝我們而來,就跟非得看見狂風暴雨才相信颱風要來是一樣的,這是停留在遠古時代的荒謬想像。這些刻畫讓人在觀影過程中很難引發同理心,反而充斥著一種酸民邏輯下難以言喻的不舒適感。

當然,也有人對於支持這部電影,特別是國外有些氣候科學家,認為這部片忠實地呈現了他們數十年來被忽視的無奈。也會有人認為好不容易讓這些大卡司代言科學議題的電影,至少可以喚起大家的關注。

有些人認為這些大卡司代言科學議題的電影,至少可以喚起大家的關注。圖/IMDb

這些基於媒體對科學的經常性忽視,而好不容易被投以關愛眼神時油然而生的感謝,是無可厚非的。在筆者過往分析過的案例中,就經常感受到科學家在這類事情上的客氣,即使媒體把研究的成果報錯、報歪了,只要有稍微提及,科學家們就會覺得「沒關係,有提到就好」。

然而除了卑微的期待之外,真正嚴肅的問題應該是:這部片真的能夠引發大眾對於相關議題的關心嗎?

電影真能喚起大眾關注科學?

如果透過片中反諷與嘲笑的方式,就可以推進我們對於科學現況的關心及投入,甚至因此更願意去了解氣候變遷、疫苗施打、能源轉型等科學議題,那我是滿滿的悲觀。因為透過網友的鍵盤,除了一時帶風向的效果之外,我不認為有真正協助科學改變了什麼,反而更擔心透過導演高高在上的視角,不要再製造出更多的分裂與對立就已經是萬幸了。

「科學是一個很長的故事,媒體要的卻只是快門的一瞬間。」這是科學傳播研究裡面一句十分經典的話語。媒體如果要為科學講一個動人的故事,需要花足精神進行理解與轉譯,如果「提到」就算是「關心」科學,那只能說是大家的寬容。

所以千萬不要相信《千萬別抬頭》真的有幫科學說了些什麼,如果今年 3 月 28 日的奧斯卡金像獎,真的把最佳影片頒給了這部片,我只能佩服評審們媚俗的勇氣;如果沒有得獎,那就算是剛剛好而已。

  • 〈本文選自《科學月刊》2022 年 4 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。
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科學月刊_96
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水熊蟲真的能跟量子位元「量子糾纏」嗎?
linjunJR_96
・2022/01/20 ・2131字 ・閱讀時間約 4 分鐘

身形嬌小的水熊號稱地表最強生物,能夠透過獨特的「隱生」能力在最極端的環境下存活。這種狀態有點類似冬眠,遇見不利生存的條件時將所有代謝活動停止。

近期,有一國際研究團隊宣稱這種生物還有另一種出乎意料的能耐:和超導量子位元進行量子糾纏。用生物體做量子糾纏可是前所未聞,讓大家都嚇壞了。不過這個實驗究竟做出了什麼結果,讓作者可以做出這種宣稱?科學家沒事又為什麼要去抓水熊來糾纏呢?

掃描式電子顯微鏡下的水熊成蟲。圖/EOL

什麼是量子糾纏?

量子糾纏是量子力學獨有的一種描述,至於實際上到底是在「糾纏」什麼,可以參考先前這篇文章[2]

儘管名字聽起來很神祕,但量子糾纏並不只存在於科幻電影和內容農場,現今在實驗室中造出糾纏的粒子對早已是稀鬆平常的技術。量子計算和量子傳送等應用領域就是以糾纏作為基礎發展至今。

雖然這樣說,但利用糾纏粒子將物品或人類在星際間傳送的夢想可能還得再等等。因為目前能夠成功被「糾纏」的都是個別的金屬離子、奈米大小的粒子、和鑽石結晶這類易於控制,結構簡單的微小目標物。

相對於這些乾淨整齊的系統,生物體的結構可說是極為雜亂複雜,難以成為量子實驗的對象。

此外,為了減少物質本身熱能所帶來的振動影響,糾纏的實驗程序時常需要在接近絕對零度的低溫環境下進行。在這種溫度下不只生命無法延續,許多物質的特性也都已經改變。

因此,儘管實驗方面已經發展許久,要對活生生的生物進行量子糾纏仍是相當遙遠的目標。對量子力學來說,整個生物世界太亂又太熱,完全不會想靠近一步。正因如此,這篇拿水熊做實驗的文章才引起了大家的關注。

水熊和超導量子位元的糾纏

水熊一般只有幾百微米大,算是「巨觀」生物中相對微小的種類,要做量子實驗的話較好下手;更重要的是水熊能夠以隱生狀態度過嚴苛的實驗環境,爾後再重新恢復活力,如此一來要是成功便也算是對生物體進行量子糾纏了。

實驗團隊於是將一隻水熊放到了絕對溫標 0.01 度(也就是只比絕對零度高 0.01 度),同時接近真空的環境中,在此和兩個超導量子位元進行實驗。他們將水熊放入其中一個量子位元零件中,並觀察到位元的共振頻率產生改變。接著他們用常見的量子計算程序將兩個位元進行糾纏,並測試糾纏結果。

根據測試的結果,作者宣稱水熊和兩個量子位元形成了三個位元的組合態。也就是說,水熊在這裡變成了第三個等效的量子位元,和另外兩個超導位元糾纏在一起!實驗結束後,水熊周遭的溫度和壓力被緩慢恢復至適合生存的範圍,最後重新開始代謝活動。

作者宣布他們突破了以往的實驗限制,打開了通往量子生物學的大門,並以「水熊和超導量子位元的糾纏」為題,將文章的預印版放上了 arXiv 網站,引起科學界一片譁然。

圖/GIPHY

等等,這其實不用量子力學也能解釋

雖然實驗相當有趣,媒體也爭相報導,但是許多物理學家認為這份研究的標題過為聳動,突破性恐怕也是過於誇大。

超導量子位元其實跟一般電子零件一樣,裡面有電容、電感等等基本單元所組成的電路;而接近絕對零度的水熊,基本上能當成一小團冰塊。

實驗團隊將冰塊放到電容裡面,會改變它的共振頻率等特性其實不足為奇。如果電容裡面掉進了一些灰塵,其電路性質也會受到類似的影響。

不論零件中放入冰塊,灰塵,還是螞蟻,這些影響都是「傳統」的電磁學可以描述的,並非量子現象。

也就是說,作者宣稱的「整隻水熊做為一個量子位元進入了量子糾纏態」這個解讀不只言過其實,甚至有誤導之嫌。這篇文章目前還未投稿至期刊,因此沒有經歷同行科學家的審查,還不算是夠格的科學實驗結果。

關於這份研究有哪些方面需要改進,目前仍是備受爭辯的有趣問題。不過有件事是大部分人都同意的,那就是這次實驗再度刷新了水熊生存能力的極限。或許將來某天,水熊的隱生能力真的能成為生物世界和量子物理之間的橋樑。不過就目前而言,好奇心滿點的物理學家得再更努力些。

編按:該如何驗證量子糾纏,可以參考〈驗證量子纏結的貝爾不等式 │ 科學史上的今天:06/28〉,此論文的主要問題是不能藉由實驗設計,來確認三者共振頻率改變是源自於量子糾纏。

參考資料

  1. 看過「水熊蟲」走路嗎?——牠的步態與 50 萬倍大的昆蟲很相似!
  2. 照出黑洞不算什麼,科學家連量子纏結都能拍到!?
  3. 水熊和超導量子位元的糾纏(原文)
linjunJR_96
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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掉進黑洞怎麼辦?跳入蟲洞來逃脫吧!前提是你找得到它——《解密黑洞與人類未來》
天下文化_96
・2021/12/31 ・1799字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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  • 作者 / 海諾.法爾克 (Heino Falcke)、約格.羅默(Jörg Römer)
  • 譯者 / 姚若潔

我小時候和父母住在一大棟公寓裡。公寓後方的庭院有一個沙坑和一小片草地,整個庭院由堅不可摧的牆圍住。我很想知道牆的另一邊有什麼,因此終於忍不住開始用指甲和棍子在石板之間挖了一個洞。對我的小手來說,這是極其艱辛的工作。我趁著大人沒注意的時候祕密進行了幾個月。洞漸漸變大,但我一直沒有成功穿牆,那堵牆實在太堅固了。

綠草田附近的白色混凝土建築
庭院後方堅實的圍牆。圖/Pexels

後來我大到可以上學了,忽然能夠探索牆後的世界——因為學校正好在牆後。那個過去未知的神祕領域,不需要穿過牆,只要離開後院,繞過房子,然後穿過一道大門,就能夠抵達。有時我們就是得多點耐心,等長大以後才能瞭解直接穿牆並不是正確的道路,而正確的道路需要繞點路。

對界線另一邊的想像

直到現在,我對於牆和邊界仍有股同樣的好奇心。另一邊有什麼?我們能突破自己的極限嗎?我們有辦法繞過黑洞的黑暗之牆嗎?在事件視界的某處會不會有個缺口,讓我們可以窺視裡面,或甚至繞進去嗎?

愛因斯坦在 1935 年與助理羅森(Nathan Rosen)討論黑洞內側的情況時,也問了同樣的問題。就數學上來說,方程式也容許與黑洞相反的天體,稱為白洞,東西只出不進。讓事情更加複雜的是,理論上白洞與黑洞有可能藉著一條「橋」相互連接,於是就有了東西從黑洞進去,再從白洞出來的可能。

BH LMC.png
目前已經有許多證據顯示黑洞存在,但還沒有任何關於白洞存在的證據,圖為大麥哲倫星雲前方黑洞的模擬圖。圖/WIKIPEDIA by User:Alain r

在物理學上,這個架構後來稱為「愛因斯坦—羅森橋」(Einstein-Rosen  Bridge)。不過在五〇年代,普林斯頓教授惠勒透過一點聰明的行銷技巧,把這個假設性的結構重新命名為「蟲洞」(wormholes),此舉讓好幾代的科幻作家十分歡喜。根據愛因斯坦和羅森的建構,逃離黑洞不僅是可能的,蟲洞也能夠連接宇宙中相距遙遠的兩個區域,因而比光速更快的旅行也成為可能。甚至是穿越時間、拜訪另一個宇宙,也變得可以想像。

但是,數學上可能的事情,就是真的嗎?數學是一種抽象的敘述方法,是科學領域的神話,能夠描述真實經驗,也能夠同樣精采的描述神奇的幻想生物。存在於數學中的事物可能會存在於現實,但不是必然。而物理學家賴以維生的工作就是,區分可能與真實。

對於白洞和蟲洞,我們也面對同樣的問題:數學上兩者看似真實,但在物理上真的有意義嗎?我們還未找到宇宙間存在著蟲洞的線索。在產生 M87 的影像時,我們的確曾稍微考慮了一下那有沒有可能是個蟲洞,但它的大小並不符合預測。

讓事情更加棘手的是,蟲洞在數學上並不穩定,如果物質從裡面穿過,蟲洞會塌縮——至少根據理論是如此。為了避免蟲洞塌縮,必須發明一種可以產生反重力的新物質型態。反物質本身不符合這項要求,因為反物質和普通物質一樣,遵循同樣的重力定律。如果把反物質拋到空中,它也會落回地上——除非它在那之前就先發出一陣耀眼的毀滅性光芒,連同物質一起自我摧毀。

地面附近出現蟲洞的模擬圖。圖/WIKIPEDIA by CorvinZahn – Gallery of Space Time Travel

另一個問題是,就我們所知,能讓東西穿過的蟲洞無法自然形成。我們只能自己建造一個。對某些很有創造力的理論家來說,這不是問題,諾貝爾獎得主索恩(Kip Thorne)在《紐約時報》上宣稱:「既然我們對非常高級文明擁有的技術和材料完全沒有概念,我們物理學家就擁有無限的自由來建造可供穿越的蟲洞模型。」我對此持懷疑態度。即使蟲洞有可能存在,可是理論上也還無法保證它真的能實現所有神奇的特質。但我們仍可以抱持夢想。

——本文摘自《解密黑洞與人類未來》/ 海諾.法爾克、約格.羅默,2022 年 1 月,天下文化

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天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。