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2019搞笑諾貝爾獎獎落誰家?辣個台灣科學家又得獎啦!

PanSci_96
・2019/09/13 ・3939字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 477 ・五年級
相關標籤: 搞笑諾貝爾獎

  • S編、y編

2019 年第 29 次第一屆搞笑諾貝爾獎終於在 9 月 13 號中秋節這天早上登場啦!(沒錯,y編和S編一早就起來「過節」。)

這次的頒獎典禮主題是「習慣」,得獎者會拿到特製的「習慣獎盃」:沒錯,這個獎盃上頭聚集了一切讓人上癮的元素:煙、外帶咖啡杯、口香糖、樂透彩券、手機、牙刷 (?),另外,還可以外帶一張紙製獎狀(沒錯就是如此樸實無華),當然,也絕對不會少了「十兆」元辛巴威幣獎金。

今年的獎盃,滿滿戒不掉的「習慣」啊!

今年出席典禮的「正統」諾貝爾主得獎者有:理察‧羅伯茨 Richard Roberts(1993年諾貝爾生理醫學獎得主)、艾瑞克‧馬斯金 Eric Maskin(2007 年經濟學獎得主)、傑洛姆‧傅利曼 Jerome Friedman(1990 年諾貝爾物理學獎得主)等人。

話不多說,就讓我們來看看今年的得獎研究吧!

《醫學獎》:這個研究很義大利

義大利披薩的好,世人都知道,不過,除了又香又好吃外,這些披薩還有沒有什麼神奇功效呢?

研究者們發現,如果人們規律地吃披薩,有機率降低罹患消化系統癌症的機率,只要你是在義大利吃義大利製的披薩(嚼嚼)。雖然這些結果可能是地中海飲食所帶來的整體好處,不過,得獎者還是開心地表示:多吃點披薩吧,只要大家記得「鳳梨是邪教」!(嗚嗚但夏威夷披薩好吃欸)

鳳梨是邪教?source:Sinchen.Lin

《醫學教育獎》:訓練外科醫生的正確方式?

「響片訓練(Clicker training)」是一種利用操作制約來訓練動物的方式,讓獎勵和響片聲響做連結,藉此讓動物做出特定行為。這方法被普遍的利用在狗狗的行為訓練,而對其他動物也是有效的,比如說貓咪、馬兒、海豚、鴿子,以及這次搞笑諾貝爾醫學教育獎讓我們知道它也能用在訓練外科醫生(正色)。

2015年發表的這篇研究,實驗讓響片聲會在醫學生操作正確時響起、作為正向肯定,這樣的交流方式不止簡潔明瞭快速,研究者也認為相較於傳統的示範教學方式更讓學生比較不容易緊張、操作複雜動作時能更快速獲得回饋。

今年的其中一個音樂劇的橋段,便是演示「響片訓練」。

《生物學獎》:小強怎麼又是你?

小強除了讓人害怕外,其實有不少特殊技能,比如說:牠們似乎可以偵測到磁場,而牠們自己也可以被磁化。

生物學獎的得獎團隊發現到:磁化死蟑螂跟磁化活蟑螂的消磁速度會不一樣喔~磁化活蟑螂消磁的速度快得多了。

邊說著,研究者還秀了一段影片,將磁化蟑螂抓去當冰箱貼,證明磁化死蟑螂比較適合當冰箱裝飾品,因為牠可以吸在上面比較長時間。(不要玩小強啊啊啊)

《解剖學獎》:郵差先生表示羞 >///<

由於來自法國的得獎者無法親臨現場,美國的郵差上場代打,他認真地表示:大家都知道郵差很酷,但我們現在可以知道他們到底有多「cool」啦。

這個研究的重點在於解釋為什麼明明是裝在同一件褲子裡,陰囊的溫度卻有可能不一樣?

他們讓郵差們穿上衣服/脫下衣服,反覆測量各種溫度後發現:不管有沒有穿衣服、擺放位置或是正在做的動作,陰囊的溫度都可能存在差異,而研究人員認為,這種熱差異有可能會導致外生殖器官不對稱。

一個像夏天一個像秋天啊(大誤)圖/giphy

《化學獎》:一公升的眼淚、半公升的口水

小孩子張著大眼,嘴角流著口水的呆萌模樣最討人喜歡了,不過,一個五歲小孩一天到底可以製造出多少口水呢?讓 Watanabe 的實驗團隊告訴你。

這個 1995 年進行的實驗,找來了一群 5 歲的孩子,讓他們咀嚼不同的食物:飯、香腸、馬鈴薯泥、餅乾、蘋果等等,咀嚼完後,研究者會將食物重新秤重,跟未經咀嚼的食物原重相比,就能得出他們分泌了多少唾液。

總而言之,五歲孩子一天平均會製造出 500 毫升 (ml) 左右的口水。不相信?沒關係,研究者把他的兒子也一併帶來了,在 20 多年後重現了這個實驗,吃香蕉、嚼嚼嚼,一本正經吐出來,再讓我們秤個重。(科學家老爸真的是超過份的啊啊啊XD)

兒子一本正經地在上百人的會場吃香蕉(嚼嚼),一切都是為了科學(吧)

《工程學獎》:打開機器然後放入嬰兒

想要躲避幫小孩換尿布的苦痛,除了直接不包尿布外(大誤),如果發明個「換尿布機」聽起來怎麼樣?有位來自伊朗的傢伙就這麼做了,設計出來的機器看起來很挺有回事的呢。

沒錯,就是這台機器。

這個專利宣稱:只要把嬰兒本人放進裝置中,裝置就可以自動進行各種步驟,不需要操作者親自接觸到嬰兒或尿布,同時「還能省水呢」,是不是很令人心動啊?

《經濟學獎》:貴國的錢錢有點髒?

錢真的超級髒,有的時候接過錢時那種黏黏的感覺,很容易讓人擔心摸多了會不會生病,於是,研究團隊便嘗試了解金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、萬古黴素抗藥性腸球菌 (VRE):

  1. 細菌可以在錢上面存活多久
  2. 這些細菌是否有在受試者經手的過程中傳播

在多種貨幣中,似乎是來自羅馬尼亞的錢(列伊)最髒,因為細菌留存率較高,而且也是唯一一個在經過一天乾燥後,上面還是存有 VRE 的貨幣。這個研究的限制在於,每國國民的衛生狀況不同,貨幣本身的材質也有所不同,所以仍存在許多變量。

好啦,大家也不能因為錢很髒就隨便「洗錢」吧,研究者建議:那不如,就把你手上那白花花的鈔票折成紙飛機射給我們吧!保你平安健康不生病喔啾咪^.<

真的啦,錢髒髒的,所以還是給我吧(伸手)

《和平獎》:我可是在維護世界和平!(騷

抓癢真的是讓人身心愉悅的一件事情啊!但到底抓癢有多快樂呢?2012 年的研究中,團隊利用一種名為 cowhage 的熱帶豆類在在前臂、腳踝、背部等等多個部位引起搔癢,再好好地抓一抓。

結果發現,在前臂和腳踝這兩個部位,如果越癢,抓起來越爽。

我抓抓抓抓抓抓。

《心理學獎》:所以到底是怎樣?

根據心理學中的「臉部回饋假說」(the facial-feedback hypothesis),我們的情緒會因為臉部的表情而變化,也就是說,你快樂會微笑,反過來也一樣,你沒特別情緒的時候,微笑會使你快樂。

咬筆微笑會讓人快樂嗎?好像還需要更多研究呢。圖/flickr

不過,多年以後科學家們嘗試重現這個實驗結果,卻沒有成功,這完全反駁了原本的研究嗎?也不見得,讓我們期待更多相關的研究吧!

原始研究:From Data to Truth in Psychological Science. A Personal Perspective.

《物理學獎》:我的便便好方便?

這次的物理獎得主中,出現台灣人的身影啦啊啊啊!他們的研究主題是關於:袋熊的便便為何是方形的?(科學家楊佩良(Patricia Yang)胡立德(David Hu)為我們擔任便便本人)

由科學家本人扮演便便。

團隊發現到,袋熊之所以可以方便便,是因為他們的腸子的形狀和靈活性,而牠們生活的環境相對乾燥,也會影響糞便成形。

你可能會想問:啊研究這個是會有什麼用?難說喔,說不定哪天我們想生產方型手機的時候就會用到了(?)

這是袋熊本熊。

另一方面,這個團隊中令人眼睛一亮的是,其中有兩位成員都是「第二次」獲得搞諾了,2015 年他們也曾獲得搞諾物理獎,當年的得獎理由是:哺乳類動物的尿尿時間都是21秒?

原始研究: How do wombats make cubed poo? 

今年的獎項到此就告一個段落了,如果你想知道那些年台灣人得過的搞笑諾貝爾獎,可以看這兩篇《》、《》,更多關於搞諾的介紹在這邊,其他年的得獎內容這裡有

頒獎典禮的全紀錄影片在這裡:

讓我們一起期待明年第 30 次第一屆的搞笑諾貝爾吧!

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你的世界我來扛!拯救世界的無名英雄:認識「植物健康年」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2020/07/10 ・3343字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 550 ・八年級

本文由 動植物防疫檢疫局 委託,泛科學企劃執行

在 1845 至 1862 年短短的十幾年內,愛爾蘭面臨了非常重大的危機,原有的 800 萬居民中有一百多萬人死亡、兩百多萬人移民,影響當地超過三分之一人口的生計。究竟發生了什麼事呢?經歷過 COVID-19 疫情的我們,會很自然聯想到「傳染病」,但這個答案只對了一半。當時造成災難的傳染病並不會感染動物或人類,而是一種以植物為寄主的疾病:「馬鈴薯晚疫病」(Potato Late Blight)。

晚疫病主要的寄主是馬鈴薯與番茄,當時大規模的傳染,使得原以馬鈴薯為主食的愛爾蘭人失去糧食,加上後續許多連帶效應,導致了嚴重的「大饑荒」。有句愛爾蘭俗諺流傳至今:「世界上有兩種東西開不得玩笑:一個是馬鈴薯,另一個是婚姻。」

作為生活在地球上的一份子,我們每日的生活都脫離不了植物。從熱帶雨林豐富多樣的熱帶植物,到荒涼沙漠中強韌耐旱、逢雨連夜繽紛盛開的沙漠植物,甚至是冰原之下不畏霜雪的苔蘚;每個生態系的組成,植物都在其中擔任要角。

保持「植物健康」既是地球生態系統的基礎,對維繫生命至關重要,更是人類糧食安全的保障。2018 年聯合國大會決議,宣佈 2020 年為「國際植物健康年」(International Year of Plant Health),旨於「保護植物,保障生活」提升全球對於「保護植物健康」之意識,進而遠離飢餓及貧窮、保護環境及促進經濟發展。

2020 國際植物健康年

植物的健康與我們的關係:糧食、環境、經濟

植物供給了我們每時每刻呼吸所需的氧氣、調節環境的溫度與濕度、也提供了絕大多數的食物。早餐的冰豆漿來自於黃豆,火腿蛋餅的原料包括小麥製作的麵皮,火腿與雞蛋等葷食追根溯源也來自於植物的養育;上班上課前換上的衣服,可能是棉花製成的牛仔褲以及亞麻材料的上衣。

植物在我們的生活中時時可見,但在都市化生活的今日,對很多人來說植物往往是「最熟悉的陌生人」:雖然在生活中不可或缺,卻也是「相見不相識」。這樣的生活模式,讓人們對於植物的貢獻常常視若無睹,更視為理所當然。

我們倚靠植物提供糧食、空氣以及其他生活中的各種所需,而當植物生病了,自然也會影響到我們的生活。而這樣的影響,可以非常龐大,正如前面提到過的「晚疫病」 就是個著名的例子。時至今日,植物的健康依然影響著人類的生活。依據聯合國糧農組織(Food and Agriculture Organization, FAO)的估計,全世界每年有高達 40% 的糧食作物因植物病蟲害而損失,造成數百萬人沒有足夠的食物可吃,並嚴重損害了農業、影響許多貧困地區的主要收入來源。

圖/Mabel Amber@Pixabay

植物的健康到底面臨了那些危機呢?

植物的健康與否,對人類的生活與經濟至關重要;而植物健康的維繫,則與人類的活動息息相關。近年來,氣候變遷以及人類活動讓許多生態系變得脆弱,植物健康也因此更容易受到危害。另一方面,國際間貿易與交流在過去十年內增加了三倍,許多病蟲害更有機會藉此傳播。外來疫病蟲害往往沒有能夠相互制衡的天敵,如果入侵後得以適應當地的氣候條件而立足,容易對植物及生態環境產生嚴重危害,進一步造成嚴重的糧食以及經濟損失。

植物的健康到底面臨了哪些危機呢?圖/Pexels@Pixabay

秋行軍蟲(fall armyworm, FAW)的擴散,是2019 年最受矚目的議題之一。秋行軍蟲學名 Spodoptera frugiperda,俗名草地貪夜蛾,原分布於美洲大陸,在 2016 年入侵非洲後,短短 3 年內,從非洲入侵到亞洲甚至東北亞,成為全球化的入侵種,被聯合國糧食及農業組織 (FAO) 列為全球預警的重要農業害蟲。據 FAO 統計,2019 年秋行軍蟲摧毀許多地區的農作物,危害多種經濟作物,包括玉米、高粱、水稻、棉花、十字花科、葫蘆科、茄科植物等,造成了龐大的經濟損失。

而植物的健康,除了影響農業以至於糧食的生產、經濟的損失,也會從其他意想不到的地方影響我們的生活。舉例來說,由於臺灣 2019 年初乾燥少雨,荔枝、龍眼的開花率較低,眼看收成不豐連帶影響果園管理,也因此造成某些地域主要危害荔枝及龍眼的荔枝椿象Tessaratoma papillosa大發生,此昆蟲再擴散到都市地區,甚至危害某些行道樹。此外荔枝椿象受到驚擾時會分泌毒液,人體皮膚沾染後會有紅腫過敏的情況,因此也造成了一些人生活的困擾。

「植物健康」離人們的生活並不遙遠,確保植物的健康既是確保生態環境的健康,也是確保人們擁有充足的糧食、安全的生活環境,並且維持重要的經濟命脈。那麼,在 2020 植物健康年,我們又可以怎麼樣維繫植物健康呢?

植物的健康,也是人們的健康

圖/lumix2004@Pixabay

植物健康的維繫與人類活動息息相關,在日常生活中,有許多選擇都可以做出改變。除了關懷環保議題,節能減碳救地球,對於植物健康,還有許多事我們可以一同努力。跟所有的健康議題一樣,「預防」永遠比治療來得有效。因此,為了維繫臺灣的植物健康,我們應阻止國外植物的疫病害蟲傳入、減少國內疫病害蟲的傳播,並且鼓勵更多人與團體也多關心植物健康。

在國內,農委會防檢局即推行許多政策維繫植物健康,如:

  1. 推廣健康種苗病害驗證制度:以防止系統性病害隨種苗傳播,目前推動的作物包括豇豆、馬鈴薯、草莓、甘藷、柑桔、綠竹、百香果及香蕉等 8 種作物。
  2. 作物有害生物整合性管理(IPM)示範與推廣:除了在作物生長期間定期辦理病蟲害監測,定期追蹤重大疫病蟲害如東方果實蠅、斜紋夜蛾、水稻稻熱病等的發生情形及共同防治。並且加強推動作物有害生物整合性管理(IPM)示範與推廣,目前結合農委會所屬試驗改良場所選定水稻、草莓、瓜類、番荔枝及茶等具有地區重要性的作物,擬定各種管理措施,適度導入各種非化學農藥資材,防治病蟲害的同時減少農藥使用、兼顧農業生產的安全。
  3. 外來入侵生物的防控:以荔枝椿象為例,在研究單位協助下,已針對荔枝椿象不同的階段訂出防治策略,依據作物生長期及椿象的生長階段,分別採取物理、化學或生物等防治方法,可望以最有效率的策略控制疫情、保護植物健康。
  4. 持續落實邊境檢疫把關,防杜疫病害蟲藉由進口貨物、入境旅客、國際郵件包裹傳入。

本次泛科學特別訪問到動植物防疫檢疫局鄒慧娟副局長,除了分享防檢局採行的政策,她也表示,一般民眾對於植物健康,當然可以盡一份心力。除了認識並關心植物健康,還可以多了解並遵守國內用以保護農業生產及生態環境,促進農產品安全的相關法規,例如植物防疫檢疫法農藥管理法等規定。並且在攜帶、網購或郵寄境外產品時,積極遵守植物檢疫相關規定及程序。另外,也可以多追蹤留意農委會動植物防疫檢疫局粉絲專頁之宣導事項,積極配合,若是發現疑似外來植物有害生物時,便能配合通報等。我們也可以透過消費來鼓勵企業多使用對環境友善之產品,促使他們在貿易及運輸植物或植物產品時,遵守植物檢疫的相關規定。

「植物是我們的好朋友,不管是食物、糧食、經濟,它都是人們不能或缺的夥伴。它的健康,跟我們的健康息息相關。」鄒慧娟副局長表示。

在享受每一天的同時,也別忘了感謝這個世界上的植物,多多關心它們的健康福祉。畢竟最終,身為動物的我們,需要靠植物才能獲取能量、拯救世界啊!

參考資料

本文感謝動植物防疫檢疫局鄒慧娟副局長接受採訪並提供資料。

本文由 動植物防疫檢疫局 委託,泛科學企劃執行

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AT 力場全開!如何在擁擠的車站通道中不被別人撞到?——2021 年搞笑諾貝爾物理獎
超中二物理宅_96
・2021/09/30 ・6642字 ・閱讀時間約 13 分鐘

並沒有,但朗之萬公式是今天的主角。

這兩年全世界都被 COVID-19(特殊嚴重傳染性肺炎、新冠肺炎、武漢肺炎)疫情搞得雞飛狗跳。除了疫苗之外,「口罩、洗手、社交距離」堪稱「物理防疫三神器」。我們剛度過了第二個疫情下的中秋假期,看到各大交通轉運樞紐人山人海的群聚,不禁讓人擔心,擠成這副德性,樣怎麼保持社交距離啊?

最近頒發的 2021 年「第 31 次的第一屆」搞笑諾貝爾物理獎,也跟「社交距離」有關:在行人十分擁擠的通道上,大家如何互相閃躲以避免相撞,並且順利通行?

疫情前,大家在生活中碰到這種情境的經驗應該很頻繁,反正就順著人流走,有人擠過來過互相閃一下(然後心裡暗譙一下…有時候啦),經過一個不怎麼舒服的過程後,通常能順利通過。

但是這種在生活中看起來簡單的過程,有沒有辦法以物理學來理解呢?

圖/Pixabay

物理學的主流是「化約主義」:希望用最簡單的理論來解釋各種現象。例如古典物理中用一個牛頓第二定律「F = ma」來解釋物體如何運動,用馬克斯威爾的四條方程式解釋一切電、磁與光的現象。物理學家的終極目標就是找出可以用一條方程式理解整個宇宙的過去、現在與未來的「萬物理論(The Theory of everything)」,所謂的萬物,當然是包含「人類行為」在內囉!

但是其他領域的學者可不吃這一套!比如說「人類的社會行為」,牽涉到神經科學、心理學、社會學等領域,每個領域都十分複雜,怎麼可能用物理學的化約主義來研究呢?

物理學家才不管這些,先做了再說!荷蘭 Eindhoven 科技大學、加州州立大學長灘分校以及義大利 Vergata 大學組成的研究團隊,探討了「擁擠的車站內通道的行人動力學」。其中加州州立大學的成員,是來自台灣的女科學家 Chung-min Lee 教授。

遊戲機變成高效的姿態感測器!

研究者將四部微軟電視遊樂器 X-BOX 用來捕捉玩家身體姿態動作的影像捕捉週邊設備「Kinect」裝設在 Eindhoven 火車站的通道上方,用以記錄通過這個通道的人群動態。這條通道一頭是市中心,另一頭則是巴士總站。

圖一:(a) Eindhoven 車站的通道平面圖,以及 Kinect 感測器(K)配置。(b) 實景照片,上方白色橫樑可見四支 Kinect 感測器。

利用這四部 Kinect 拍攝到的行人影像,搭配影像辨識以及追跡演算法,可以同時標定每個進入畫面的行人,並且一路追蹤其軌跡直到離開畫面為止。整套系統從 2014 年 10 月到 2015 年 3 月,不間斷的記錄了六個月的時間,一共得到大約 500 萬人次的行人軌跡。

數據太複雜?別擔心,物理學家最擅長「化約」了

這些紀錄是貨真價實的複雜人類行為:有的是勇往直前一直線,有些左右搖擺,有些因為某些原因走到一半掉頭,也有真的就跟別人撞成一團的…物理學家如何發揮「化約主義」本色,將這些複雜的行為化簡成可以分析的數學形式呢?

研究團隊採取的方法是用將這長達六個月,累計數百萬行人來來去去的影片轉換成一個由一組「節點」(node)以及節點與節點之間的連線(edge)所組成的「圖」(graph)。

圖中每個節點都代表一個行人以及通過通道時的相關資訊,如行徑方向與軌跡長度。如果兩個行人(節點)在同一時間出現在同一畫面中,則這兩個節點就用線連起來,這條線的資訊包含它連結了哪兩個節點、兩節點間最大與最小的距離、同時在畫面上的時間等等。

圖二:將影像轉變為圖形,每個節點(以帶數字的圓圈表示)都是一個行人,如果兩個行人同時在鏡頭裡就會有一條連線。(a) 從影像轉來的原始圖形示意圖,這個圖可以分成四個子圖。(b) 把雖然有同時入鏡,但是距離太遠,不太可能會互相影響的兩個節點間的連線去掉(以虛線表示),讓圖形更進一步簡化。(c) 「只有一條線連結兩個節點」的子圖。(d) 行進方向相同,不需考慮迴避碰撞,所以把連結拿掉。(e) 最後剩下的「雙節點子圖」。圖/參考文獻 1

假設一個情境如下(請拿出您的耐性,搭配圖二 (a) 看):天剛亮時第 ① 個行人被攝影機捕捉到,接著第 ② 個行人跟在①後面進來,① 離開畫面後,③ 跟 ④ 分別從兩側走進來,在 ② 跟 ③ 離開畫面後,一班火車進站 ⑤⑥⑦ 先後進入畫面,然後人都離開了,中間的空檔只有 ⑧ 獨自通過,接著又有一班火車進來,⑨~⑫ 一起入鏡,最後一個離開鏡頭的 ⑫ 出鏡前瞬間 ⑬ 進來了,⑫ 離開後,⑭⑮ 進入,接著 ⑬⑭⑮ 先後出鏡,然後 ⑯ 獨自通過。

看起來有點煩,對不對?

不過轉換成圖二 (a) 的表示法,是不是就一目了然了呢?這就是「化約」的威力。即使如此,六個月累積下來的圖,上面會有 500 多萬個節點,節點間的連線數目可能上千萬,還是非常複雜。不過我們可以把這一大張圖拆成幾個「子圖」(subgraph):每個子圖包含的節點可以靠彼此的連結連成一片,不同子圖之間則完全沒有連線。

以圖二 (a) 為例,可以分成四個子圖:一、節點 ①~⑦;二、節點 ⑧;三、節點 ⑨~⑮;四、節點 ⑯。只有子圖內部的節點可能彼此有交互作用。

但是即使把整張幾百萬個節點的超大圖拆成許多節點數較少的子圖,可能還是很難分析,像圖二 (a) 的「子圖一」包含了七個節點,要分析這七個行人怎麼互動,怎麼彼此調整行進的路線,還是太複雜了。考慮實際狀況,可以再進一步簡化:

兩個人即使同時出現在畫面中,如果距離很遠或接觸時間很短,幾乎不可能影響彼此,就把這兩人之間的連線拿掉,比如前面的例子「⑫ 出鏡前瞬間 ⑬ 進來了」的情形,就可以拿掉連線。如圖二 (b) 所示,這種太弱的連線(以虛線表示)拿掉後,會把圖形分成更多、更小的子圖。以圖二 (b) 來說,變成 8 個子圖,其中最大的也只有四個節點。

接下來,這篇論文只探討最簡單的兩種子圖:只有一個節點的,如圖二 (b) 中的 ⑧、⑬、⑯,以及兩個節點的 ①②、③④、以及 ⑭⑮,如圖二 (c)~(e)。其中 ①② 為同方向,不需要迴避相撞,所以也把這條連結拿掉,就變成各自落單的單一節點子圖了。

實際上「單節點子圖」一共有 47122 個,「雙節點子圖」一共有 9089 個。

A 編按:圖2 (a) 上「節點上的數字」代表「進入鏡頭的順序」,「節點間的連線」代表「兩人是否同時出現在同一畫面」,透過這種方式組成的圖 2 (a),可以明確區分出那些序列是有可能相撞的。

接著再細部分析每個連線,如果距離太遠或接觸時間太短,就不可能產生碰撞或閃避行為,將符合此條件的連線設為「虛線」,形成圖 2 (b)。

最後考慮圖 2 (b) 內,每個有實線連結的節點行徑方向,如果是兩節點的行徑方向相同,就不會發生碰撞或閃避行為,可以排除不用分析,得到圖 2 (e) 的圖。

雖然我們物理學家經常吹噓物理很厲害,不過事實上我們能夠解出精確答案的力學問題,只有「一個粒子的運動」跟「兩個彼此交互作用的粒子的運動」而已,碰到「三個彼此交互作用的粒子的運動」就沒輒了,只能有近似解或是用數值模擬,所以才會有像「三體」這種科幻作品的出現啊!

三個、四個、五個…粒子的問題物理學家不會算,但是當粒子數目成千上萬或更多時,「熱力學」就登場了,物理學可以回答「很多粒子的平均行為」,並且拿來解釋熱、溫度與壓力等現象。

回歸正題,人類行為顯然比質點複雜太多,所以先從「一個人」跟「互相作用的兩個人」的行為模式著手,以此為基礎來探討「很多人的集體行為」,是相當合理的策略。

行人的軌跡其實不是直線,曲折的像是水裡的灰塵

先從最簡單的「一個人的動力學」開始,在沒有其他人的影響下,行人的軌跡大多會呈現頻率約 1 Hz(每秒一次)的小幅度「抖動」,這個很容易理解,因為這大約是人類的步伐頻率;除此之外,少數軌跡也會有比較大的晃動,甚至轉頭往回走的情形。研究團隊發現,這個行為模式跟「布朗運動」——把花粉、灰塵這些細小的物體放在水中,會被亂跑的水分子撞來撞去也跟著亂跑——類似。

既然如此,就用解釋布朗運動的「朗之萬」方程式(Langevin equation,對,就是那位跟偉大的瑪麗‧居禮傳出緋聞的朗之萬)試試看吧!

圖/Pixabay

所謂的朗之萬方程式其實也很簡單,就是在物體「本來的運動傾向」之外,加上「流體的阻力」,以及「隨機的力量」。

什麼是這些行人「本來的運動傾向」呢?因為這是一條連通兩端的通道,不管是為了節省力氣或趕時間,絕大部分的人都是沿著平行通道的方向從一端以最短距離走向另一端,而不會斜著走;其次是多數人用正常速度走,但也有相當比例的人因為趕時間是快走或小跑步,其平均速率分別為每秒 1.29 與 2.70 公尺(換算成時速是 4.64 與 9.72 公里);最後就是兩個方向都有人走。以上這些「運動的傾向」,可以寫成牛頓第二運動定律的方程式。

接著是「流體的阻力」,當行人開始偏離原來的行進路線時,會受到一個與垂直原方向的速率成正比的阻力,要將這個人「推」回原來的路線。

各位在向台北車站這類擁擠的走道上時可能有助益到:雙向行人會構成「層流」的結構,走同一個方向的人自動排起來列隊前進,這是阻力較小,也會比較省力的走路方式,偏離你所在的隊伍,就可能跟隔壁的隊伍發生摩擦甚至碰撞而難以通行,所以除非有強大的改變路徑的原因,不然我們自然就會回到原來的路徑上。

最後就是「隨機的力量」,我們周圍的其他行人隨時都有狀況,停下來拿東西的、路線突然歪掉的、腳扭了一下、忘記東西回頭的…我們必須眼觀四面,耳聽八方,隨時對這些狀況做出反應,以避免可能的衝撞,同時也造成路徑的改變。

寫下了運動方程式後,就可以在電腦裡面進行模擬,然後來跟攝影機拍到的行人真正的行為比較。結果出來了,人類的行為,可能沒有比空中的灰塵,水中的花粉更高明…

圖三:行人在 (a) 平行通道人流方向速率、(b) 垂直於人流方向的速率、與 (c) 偏離路徑的程度的統計分布。實際觀察結果(紅點)與電腦模擬數據(黑圈)的比較。 圖/參考文獻 1

圖三為「一開始朝著巴士站方向走」的那些「單一節點」(沒有受到旁人影響)的運動狀況統計,紅點是攝影機拍到的真實行為,黑色圈圈是朗之萬方程式模擬的結果。

圖三 (a) 為平行通道方向的速率分布(本來的運動傾向),可以發現真實行為與模擬結果相當吻合!最多人是用秒速 1.29 公尺前進,有少數人是用跑的,所以在超過秒速兩公尺處也有一個小高峰,還有極少數的人會往回走(速率是負的),唯一沒抓到的特徵是在速率為零(停止)的附近。因為行人偶爾會因為種種原因而在路上停下來一段時間,但是布朗運動中的微小粒子只有在轉向的瞬間才會測得速率為零。

圖三 (b) 為垂直於行進方向的速率(流體的阻力),圖三 (c) 為偏離原來行進路線的距離(隨機的力量),兩者也都相當吻合。

結論是:如果行人的密度相當稀疏,不需要互相閃避時,行人的行為基本上跟水中的花粉進行的布朗運動很類似,可以用朗之萬方程式模擬出來。

接下來,就是考慮「兩個人互相靠近,需要互相迴避,但附近沒有其他人攪局」,也就是如圖四的狀況。

圖四:兩個互相接近的行人彼此閃避的示意圖。灰色實線是各自原來的預定路徑,黑色實線是真正走的路線,會有點隨機擾動,但基本上跟預定路徑同方向,(i) 發現彼此可能相撞之後,開始調整路徑,改走虛線,到 (ii) 時兩者靠得最近,此時距離為 d,(iii) 擦身而過後進入互相遠離,又會把路徑調整到與通道平行的方向,但是跟原來的預定路徑有個平移。 圖/參考文獻 1

圖四中互相靠近的兩人,原本的預定路徑,也就是兩條灰色實線的距離太近,如果堅持往前走就會撞在一起,所以靠近到某一個距離就會開始調整方向,把路徑距離拉開避免碰撞(現實中還會有兩個人很有默契的往同一邊閃、再同時換邊、再同時換邊…一直閃不開的爆笑場景,這篇論文中倒是沒有討論),然後再互相遠離。

由於真實的路徑歪七扭八,加上每個人開始轉彎的時機也不盡相同,所以我們再度發揮「化約主義」的精神,把圖四簡化成圖五。

圖五:AB 兩人互相接近、閃避、遠離的簡化示意圖。 圖/參考文獻 1

我們採用直角座標系,把通道方向(也是人流移動的分向)定義為 X 方向,垂直 X 的為 Y 方向,當大家都沿著 X 方向移動時,「會不會碰撞」是由 Y 方向的距離所決定。當兩人進入畫面時,兩條路徑的距離為 Δyi,兩人擦身而過時的距離為 Δys,遠離後的路徑距離為 Δye

在物理模型方面,得在「一個人的朗之萬模型」裡面加上「兩個人的交互作用力」,這個力分為兩部分:

  1. 「遠遠看到前方有人走過來該準備閃了」的「長程力」
  2. 「靠快撞到了趕快閃」的「短程力」

兩者都可以用數學函數寫出來加進方程式,成為「兩個人的朗之萬模型」。

研究團隊量了所有「雙節點子圖」的 Δyi,Δys,Δyie;同時也以「兩個人的朗之萬模型」在電腦上模擬了行人的行為並且量測了這三個數值,然後畫了 e(Δys) 對 Δyi 的關係圖,其中 e(Δys) 為對應於同一個 Δyi 的所有 Δys 的平均值;以及 e(Δye) 對 Δys 的關係圖,分別為圖六 (a) 與 (b)。

再一次,真實世界的行人行為(紅點)與電腦模擬(虛線)相當吻合。此外,這個模型連「發生相撞」的頻率都可以預測得很準。難道人類行為真的跟隨波逐流的布朗運動一樣?!

圖六:(a) 兩個人擦身而過時的距離平均值與起始路徑距離的關係。(b) 兩人互相遠離後的路徑距離平均值與擦身而過時的距離的關係。紅點為真實世界的人類行為,虛線為電腦模擬結果,通過原點的點線為兩人都不改變方向直直往前走的情形。 圖/參考文獻 1

每個人都有 AT 力場,半徑 1.4 公尺

值得注意的是,當 Δyi 較小時,互相走近的兩人會開始調整方向,把距離拉開,讓兩人擦身而過時,不至於撞到(Δy > 0.6m)。有趣的是,這個現象從 Δyi < 1.4m 就開始發生,在 0.6m~1.4m 這個範圍內,即使不改變方向,也不會撞到,但是這個距離已經夠近,讓人感到「個人領域受到侵犯」的威脅,而開始迴避對方,把距離拉開。

也就是說,在擁擠的通道中,「讓人安心的社交距離」是 1.4 公尺(我是很想把它叫做「AT-Field 絕對領域」啦…),我們不太想讓陌生人靠近到這個距離以內。要提醒各位的是,這是「一大堆人的行為」的平均值,並不是每個人都是同一個數值。

雖然說得到的是「搞笑諾貝爾獎」,不過這個研究過程可是很嚴謹的,一點也不搞笑。這個研究也說明了,個人的想法跟行為很複雜,人與人之間的互動很複雜,但是一大堆人的行為平均起來,可能會呈現簡單的模式,可以用物理學的「化約主義」方法,來理解「人類群體的行為」。

當然這還是相當初步的研究,而車站裡移動的人潮,也不過是人類的社會行為中一個非常簡單的現象,所以想用物理學的方法論,來研究社會科學,還有很長的路要走(而且社會科學家可能也會不高興)。

但是在物聯網越來越盛行的今日,各式各樣的人類活動被轉換成大量的資料累積下來,可以預見研究人類行為的方式會越來越多樣化。到最後會不會出現像艾希莫夫的科幻經典「基地系列」中,可以預知人類未來命運,並且扭轉其方向的「心理歷史學」呢?讓我們繼續看下去——

※更多搞笑諾貝爾的相關介紹,請到泛科專題【不認真就輸了!搞笑諾貝爾獎】

參考文獻

  1. Alessandro Corbetta, Jasper A. Meeusen, Chung-min Lee, Roberto Benzi, and Federico Toschi, Physics-based modeling and data representation of pairwise interactions among pedestrians, Phys. Rev. E 98, 062310 (2018).
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可樂真的能殺精?尿尿時間都是21秒?那些年,臺灣曾得過的「搞笑諾貝爾獎」(下)
PanSci_96
・2019/09/11 ・1890字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 519 ・六年級

作者/周玟萱 執行編輯/郭宜蓁

2008 年「搞笑諾貝爾化學獎」

曾經有一段時間,民間流行「可樂殺精」這種說法,有人認為這是源自於美國 60 年代的性解放運動,當時避孕措施選擇不多,因此完事後的青年就突發奇想,便出現了此妙方;也有一說認為這原本是中南美洲婦女的流行。無論起源是什麼,可樂真的能有這種奇效嗎?

有人認為「可樂殺精」這種說法源自於美國 60 年代的性解放運動,因為當時避孕措施選擇不多,因此完事後的青年就突發奇想,便出現了此妙方。繪圖/周玟萱

1985 年,美國的婦產科醫生 Umpierre、Hill 和 Anderson 因為實在是太好奇了,他們便在裝有可樂的試管中,滴入冷凍精子,經過觀察之後發現,精子的數量真的變少了!然而當時並沒有哪位研究人員直接下過「可樂可以殺精避孕」這種結論,只是事情不知道為什麼還是傳開來了。

2008 年搞笑諾貝爾獎有 4 位台灣人榮獲化學獎。得獎者分別是萬芳醫院院長洪傳岳、吳珮芬、謝茶唱與姜必寧,他們便是在讀了 1987 年這篇可樂殺精的研究以後,紛紛眉頭一皺,覺得事情並不單純。

於是他們將混有精子的可樂滴在一層薄膜上,想看看精子是否可以順利穿過薄膜來到底下的食鹽水。兩小時後發現,有將近七到九成的精子都做到了,這也顯示大部份的精子不會被可樂殺死。況且可樂含有糖份,直接拿來沖洗生殖器官會造成細菌感染,聽起來絕對不是一個避孕的好方法。

當然,可樂殺精的神話,也衍伸出不少版本。另一種常見的說法是,男性直接透過喝可樂,減少精蟲活力達到避孕效果。

咦?真的有這麼方便的設定嗎?假的!因為可樂這類的碳酸飲料,除了糖以外,其餘的成份也許在誤打誤撞的情況下,真的會影響少部份的精子……不過對比幾千萬隻精子,這數量根本就只是冰山一角而已!況且碳酸飲料影響精子的最佳條件是,從精子離開體內之後,立刻將大量的碳酸飲料與精子接觸,完全不給精子游到子宮裡面的時間。

碳酸飲料影響精子的最佳條件是,從精子離開體內之後,立刻將大量的碳酸飲料與精子接觸,完全不給精子游到子宮裡面的時間。繪圖/周玟萱

所以如果只是用「喝」的,等到飲料通過腸道消化完畢,影響力更是微乎其微啊,假如還有誰真的想完全靠喝可樂來避孕,那也許就要跟喝白開水一樣,能喝就喝能灌就灌……欸,可是喝到這種程度,在解鎖避孕成就之前,你應該會先成功的胖起來,還是說這也算是另類的避孕方法?XD

你或許會想說,這都什麼年代了,怎麼還會有人傻到真的用可樂來避孕?是哪個沒知識又不多看泛科學的人啊?

然而,就這樣把問題全怪罪到誤信偏方的人身上,並無法讓這種「偽」知識消退。大家不妨想看看,為什麼現代社會無論成年與否,還有這麼多人一碰到跟「性」 有關的疑問,寧可躲起來滑西斯版或把各大成人影片網站的內容當作可靠的資訊來源,看完就以為自己獲得了正確的性知識了呢?

當孩子問了跟性有關的疑問,可能聽到的回答就是大人叫他們去讀書,不要問。繪圖/周玟萱

我們常感受到的是環境對「性」的避諱,讓很多人就算好奇也不敢問。再加上不知道要怎麼教小孩正確的觀念,導致他們到了青春期,依然對安全性行為以及避孕措施的重要性一無所知,自然而然也不知道有哪些風險,與如何避開風險。

回過頭看,問題的核心可能在於,我們的社會什麼時候才能成為一個讓人可以安心討論性知識的環境呢?

2015 年「搞笑諾貝爾物理獎」

2015 年的搞笑諾貝爾物理獎,由美國喬治亞理工學院楊佩良、流體力學專家胡立德獲獎,這是一個關於尿尿的研究。研究顯示,幾乎所有體重在3公斤以上的哺乳類動物,不論大小,牠們的排尿時間都落在 21±13 秒之內。

研究過程中,他們除了拍攝大量動物排尿的影片,進行觀察與作為數據來源,他們還回推公式,用簡單的物理模型:考慮重力、膀胱的大小、壓力、尿道長度,證明只要排尿系統的尺寸比例不變,體重超過3 kg的哺乳類動物,排空液體的時間都差不多。其中,重力是最關鍵的因素。而這份研究結果也被發表在美國國家科學院院刊。

看完這些得獎成就,你可能會覺得,知道哺乳類尿尿時間要做什麼?既不能加薪、也不能變得更漂亮(?)不過從以上這些研究結果來看,雖然像是一本正經的搞笑,對我們的生活或許也不會有什麼直接的影響,但是這些研究背後的反思性倒是讓我們可以去思考這個世界的其他樣貌。

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