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沒有二分法,就沒辦法分類?把多樣性放在哪裡了?——《像科學家一樣思考》

商周出版
・2020/05/19 ・3195字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 作者/史坦利.萊斯 (Stanley A. Rice);譯者/李延輝

月亮上,全部都是黑色和白色。晚上是晚上,白天是白天,沒有灰色地帶。但在地球上,因為大氣層分散了日光,所以會出現晨光與暮光的灰色陰影。地球具有多樣性,科學也在研究多樣性,上述只是幾乎無數種呈現方式中的第一種。

不是白天也不是黑夜的黃昏之時。圖/IMDb

但人類心靈並不是一直輕易就接受多樣性。人類心靈有二元偏見,我們看待事物非黑即白,但科學必須抗拒這種偏見,就像抗拒其他許多偏見一樣。

即使人類心靈並未以二元的方式看待世界,也會以分類的方式看待:即使現實往往包含連續體而非各自獨立的類別,我們仍喜歡將所有事物分類。二元思考是分類思考的兩類別子集合。想知道一些分類和連續思考的例子嗎?這就是本章涵蓋的內容。

分類思考就是只能分兩類?

或許人類偏向分類思考是因為我們是兩兩對稱的生物。我們有左右手、腳和很多其他東西,也有上和下、前和後。相較之下,水母就是放射對稱,它有前和後,但除此之外其他部分都從中心點放射而出對稱。假如水母可以思考,它可能會將世界看成充滿各種可能性,而不只是「這個」相對於「那個」。

動物和人類祖先必須迅速決定是否該採取行動,例如是否要逃離老虎,是否要吃某種食物,這可能是我們演化出二元思考的原因。生死交關的決定往往是二元對立的,甚至對水母來說也是如此。

不是「這個」就是「那個」?圖/giphy

一方面,人類往往會將世界視為非黑即白,不是這個就是那個,非左即右,不是這裡就是那裡,非上即下,不是我們就是他們。另一方面(延續我二元對立的隱喻),我們也承認有許多多樣性無法納入分類思考的框架中。(世界上有兩種人:會將事物分類的人和不會將事物分類的人。)人類常常努力在分類思考和連續思考間取得平衡,但這是假設我們能將所有思考分類為分類或連續思考。

再者,二元對立也符合我們的公平感。記者就有強烈的偏見要「平衡雙方報導」,即使有兩方以上或其中一方顯然行事荒唐也是如此。

微世界中的多樣性

在科學家研究的物理、化學、生物和人類世界中,少有事物在分類上是絕對的。極少數二元對立的事物之一就是原子粒子的電荷。電子具有負電荷,而質子具有正電荷。但連電荷都是一種夸克的衍生特性,而夸克就構成了電子和質子粒子。其他事物無論是可分類或連續的,都以許多不同可能性的形式存在。

元素符號都一樣,中子、電子數目不一樣

縱使元素符號相同,性質也有可能不同。圖/pixabay

以原子為例,「原子」一詞代表不可分割的事物。原子會分裂,但一旦發生分裂,原子就會喪失其特性,所以「它們」不可能分裂但仍維持原樣。

我們可能會認為所有的碳原子都很類似,全都屬於一種類別。但並不是這樣。它們的原子核都有六個質子。大多數也會有六個中子(使它們成為 12C 或碳-12)。但少數碳原子多了一個中子,重量更重(13C 或碳-13)。再更少數的碳原子多了兩個中子,原子核變得不穩定,因此具有放射性(14C 或碳-14)。不同元素的同位素具有相同數目的質子,但中子的數目不同。

同樣地,純粹的鐵原子具有 26 個質子和 26 個電子。但許多鐵原子已經失去了它們的電子。亞鐵離子失去了兩個電子,而三價鐵離子則失去了三個。這讓它們具有不同的電荷。同一元素的不同離子具有相同數目的質子,但電子數目則不同。因此,每一種元素組成的類型都不同。

拉著電子不放的氧,讓水分子也「黏」在一起

我們可能會想,在這些類別中,原子都很相似。但連這也不是完全正確,因為原子絕對不會獨立存在。

舉例來說,思考一下兩個氫原子和一個氧原子組成了水分子(H2O)。分子內的原子都自由分享它們的電子,但也不能說完全自由。氧分子就是出了名的渴求電子。在水分子內,自由移動的電子時間大多花在氧原子上,而較少花在出了名軟弱的氫原子上。

氫鍵。圖/giphy

水分子具有一個中性電荷,電荷中共有 18 個質子和 18 個電子,但它有三極:兩個正氫極和一個負氧極。一個水分子的正極會吸引其他水分子的負極,讓水分子稍微黏在一起。

水分子的黏性是造成冰會漂浮的重要特性,也會使液態水最後煮沸前保留許多熱度,並在蒸散作用時透過植物將水往上拉,還有其他許多事物,少了這些事物,生命就不可能存在。

這些「氫鍵」也將 DNA 的股鏈結合在一起,強韌到足以保存分子完整性,但又寬鬆到足以讓各股鏈分解再重新聚集。(DNA 是細胞內儲存遺傳訊息的分子。為了讓這些資訊可以供細胞使用或是傳給下一代,股鏈必須能夠彼此分離,顯示出其隱藏的訊息。)因此,一個原子的特性取決於哪個或哪些其他的原子與其結合。

壁虎不貼牆也能爬牆,也是原子搞的鬼?

一個原子或分子可以互相改變,甚至不必結合也可以做到。用個隱喻來說,一個分子的電子可以嚇跑其他鄰近分子的電子,造成電荷差異,讓分子可以互相吸引。

在哪種平面都能爬行的壁虎。圖/wikimedia

這種「凡得瓦力」(Van der Waals forces)也讓壁虎不用真的黏在牆上就可以爬上牆。2014 年,國防高等研究計畫局(Defense Advanced Research Projects Administration, DARPA)宣布要發展壁虎裝,使用這樣的力量讓軍人可以爬牆,就算不像壁虎一樣輕而易舉,也可以勝過其他軍人。在每個原子的離子或同位素類別中,有一整個可能特性的連續體,這取決於其他可能與其結合的原子,甚至是那些恰好接近它的原子。

向左旋,向右旋,性質大不同!

許多分子可以以一種以上的構造存在,例如就像彼此的鏡像一樣。(這種分子只有兩種可能的鏡像,這可能是宇宙中除了電荷外,少數二元對立的性質之一。)這會造成很大的差異。

「左旋」的胺基酸組成的蛋白質讓我們維持生命,「右旋」的蛋白質則常有毒。左旋和右旋的胺基酸混合起來造成不穩定的蛋白質。因此,自然淘汰已經排除任何結合左旋和右旋型態的蛋白質。地球上的生命恰好是以左旋胺基酸開始,右旋胺基酸只好扮演壞人的角色。在火星的生命非線性死亡之前,火星上如果有蛋白質,或許就是由右旋胺基酸組成。

溫度也來參一咖

變化越來越多了。想一下有一堆同樣種類的分子,電荷和左右旋都沒有差異。分子集合在一起會具有特定溫度。溫度來自於移動的能量,或分子的動能。但沒有任何兩個分子具有一模一樣的動能。每個分子都有自已獨特的能量狀態,有些移動得多,有些移動得少。你可以把溫度想成是分子的平均動能,但這不是嚴格數學定義下的平均。

溫度也會讓原子或分子帶來多樣的表現。圖/giphy

水一煮沸,平均動能就足以造成分子在液體中不再彼此黏合,自由地以氣態移動飛散。但早在水煮沸之前,許多水分子就已有足夠的能量可以蒸發。連冰都有一些水分子,可以進入氣態,以美麗的科學術語來說,這種過程稱為昇華,但這種例子很罕見。所以甚至連一杯水裡的水分子也有多樣性,而且是連續的多樣性。分子並不是屬於動能的類別。

可能存在的分子種類數目理論上是無窮無盡。在真實世界中,這並非無窮無盡,但當然也超越人類心靈所能理解的範圍,至少我無法理解。1976 年,我在有機化學拿了 C,後來每況愈下。

所以這就是多樣性、多樣性、多樣性,且常是連續而非可分類——而且我們還只是在講分子而已。

——本文摘自泛科學 2020 年 5 月選書《像科學家一樣思考》,2020 年 4 月,商周出版

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