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我們與「真」的距離──疫情之中該如何看待相關的學術研究成果

科學月刊_96
・2020/06/23 ・2654字 ・閱讀時間約 5 分鐘
  • 林翰佐/銘傳大學生物科技學系副教授,科學月刊總編輯。

在科學研究中,知識分為假說、學說及定理等名詞,不同的名詞代表知識的不同位階。在科學家找出事物的真理前,知識需要不斷地驗證、推翻及更新。而在近日的疫情下,生命科學的研究成果仍具有許多不確定性,而學界、當權者及民眾之間的資訊傳遞,有賴於良好的溝通與宣達,社會大眾仍不妨以持平的心態看待相關的研究,藉由時間的驗證與不斷思考釐清相關的真實性。

新冠病毒的相關研究備受矚目。圖/pexels

新冠病毒疫情全球肆虐是當今社會上最為關注的重要議題,連帶周邊相關的科學研究議題也成為大眾關切的焦點。在各種媒體及討論平台上,諸如戴口罩的防疫效果、病毒的起源、需不需要進行普篩、各種消毒水的使用方法及效果等,每每引起大眾熱烈的討論。

但是,越是鑽研這些學術發表,越發覺得這些文獻往往無法給出爽快的答案,大多數呈現模稜兩可的結果,有時候不同團隊的研究結論根本南轅北轍,讓人莫衷一是。科學研究為何如此的不確定?人們該以什麼樣的角度來看待科學研究所呈現出來的結果?藉由目前社會大眾的「科學心」大爆發,一起來談論此議題。

假說、學說、定律:知識可信賴的層級之分

讀者應該都聽說過假說(hypothesis)、學說(theory)及定律(law)等科學相關名詞,如牛頓運動定律與生物學中的內共生學說(endosymbiotic theory)等。這些名詞上的使用並不是學術界人士的故弄玄虛,而是一種知識的區別,如同部隊中的階級,標示出不同知識內容的穩固性。

舉例來說,假說是科學知識當中最為低階且最容易被新證據挑戰及顛覆。假說等級的知識,大部分建立在科學家基於目前知識的理解,對於當前面臨的議題及現象提出的一種解釋與說法。有時這類的解釋只是一種說明,並沒有更進一步的實證試驗加以驗證。定律則是所有科學知識當中最為堅實的,一項被冠以定律的科學知識,意味著該知識在絕大多數的科學實驗中能一再地被證明無誤,且大多數的專家均認同此說法。

熟悉專利申請的讀者可能對永動機(perpetual motion machine)有鮮明的概念,某些人士宣稱永動機在不需要外界能量輸入下可以不斷運動並對外做功,此機械一直是人類熱衷研製,也是發明界的「聖杯」。然而,永動機的概念顯然與目前的熱力學定律相牴觸,所以宣稱具備永動機要件的發明專利申請並不會被世界大多數國家所受理,臺灣也包括其中。

儘管永動機顯然不符合既有的科學定律,仍激發不少人浪漫的想像。圖/wikipedia

科學定律當然也並非真理,當有新的科學證據出現時,同樣也可以對既有的科學定律進行挑戰,不過這也意味著新的論點也必須接受一再的實踐證明。基於定律等級的知識幾乎普世科學家都接受,想要推翻需有相當程度的證據力。

談到這裡讀者會發現,目前人類所累積的知識,其實並非像是由某位不世出的天才所發現,再廣為大家所接受。事實上,即便是目前各界已廣為認同的科學知識,在提出的當下均需要相當程度的捍衛,甚至會有被指涉成為異端的可能,例如義大利科學家伽利略(Galileo Galilei)等人的遭遇。

民眾對知識的理解是緩慢的,大家對於根深蒂固的想法往往難以更動,加上很多科學知識的理解均超越「眼見為憑」的傳統認知經驗,需要靠精確的辯證,甚至於實驗室工作及數學公式的推導與計算中驗證,對於一般大眾而言均是理解上的障礙。

生命總有例外,生命科學難有定律

敏感的讀者會發現,在生命科學界,似乎不同於物理化學的物質科學有許多的定律。生命科學中的知識大都停留在學說等級,這意味著學界對於某種生命科學現象的解釋,不像物理學家解釋物理現象時來的堅若磐石。

筆者認為造成此現象的原因很多,而生命體的運作相較於物理學更為複雜,加上「生命中會找到出路」,挑戰大眾對多數生命體研究歸納後所得到的知識,以致透過分析與論證的說法總有一些漏網之魚的例外,進而降低這些學說在涵蓋面向的完美性。在生命科學之中,找到「萬物服膺之準繩」是有難度的。

研究文獻多需專家判讀與討論

回到本文嘗試討論的焦點,基於生命科學中有相當的複雜及不確定性,所以一項知識的確定需要更長的時間,更多的研究加以證明或否定,例如人類大腦中在成年以後到底有沒有幹細胞的問題,不同專家之間就會有相當的歧見。

科學實驗看起來是一個較為客觀的解決方法,但事實上生命科學的實驗,中間涉及的細部環節很多,例如進行動物試驗時選用哪種品系的小鼠,要使用多大年齡、性別的小鼠,飼養方式所使用的飼料等,均可能使研究成果相左,這些研究結果的判讀往往需要受過訓練,從事相關領域的專家進行文獻的閱讀與討論進行推斷。即便是專家,但如果不是在該領域中浸淫許久的研究者,往往也無法從中得到研究中透漏的真實訊息。

防疫視同作戰,將帥無能會累死三軍

藉由個國家全體人民的相互理解與配合,才能達到防疫的目的。圖/pixnio

「防疫視同作戰」雖說是一句口號,但筆者認為話語中其實相當具有深意。帶兵打仗需要群體一致的認知與行動,所以對內資訊的傳遞,有效的溝通其實相當的重要。臺灣此次疫病防治的成效,絕大部分的成功在於一般民眾能夠接受並執行相關的防疫措施,這點在自由度甚高的歐美地區,要在一定的時間內透過居民的理解而後配合,就有較高的難度。

「兵無常勢,水無常形。」面對新型疫病,有相當的不確定性,因此在相當的時間壓力下,要如何消化有限的資訊辨別期間的意涵,有賴政府邀集相關領域的專家進行討論形成決策執行。決策的訂定其實涉及的層面很廣,除了科學面向之外,也須顧慮到民眾的心理及經濟層面等面向,需要考量的範圍需要更為寬廣與周全。

新冠肺炎諸多科研發表,有待時間沉澱考驗其真實性

大眾對疫情及相關科學研究的關注,長遠來看是相當好的事情。從這次疫情當中,很明顯的可以看出一個國家的國民對科學知識的理解程度,是對抗疫情蔓延的重要關鍵之一。但對於相關科學研究進展的新聞,筆者認為仍需持平以待,人們正處於新冠肺炎疫病研究的學術前沿,風暴的中心點,即便是學術研究仍是虛虛實實,真實性究竟如何有待時間的沉澱與考驗。

延伸閱讀

  • 林翰佐,〈大腦神經再生陷論戰-狼煙再起〉,《科學月刊》第591期,14~15頁,2019年。

〈本文選自《科學月刊》2020年6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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災難片成真!?小行星「貝努」行蹤飄忽,撞地球的機率有多大?

EASY天文地科小站_96
・2021/09/19 ・2765字 ・閱讀時間約 5 分鐘
  • 文/陳子翔(現就讀師大地球科學系, EASY 天文地科團隊創辦者)

知名物理學家史蒂芬.霍金(Stephen Hawking)認為,小行星撞擊是宇宙中高等智慧生命最大的威脅之一。而回首地球的過去,六千五百萬年前的白堊紀末期,造成恐龍消失的生物大滅絕,也肇因於一顆直徑約十公里的小行星撞擊。那麼,我們應該擔心小行星帶來如同災難片場景的巨大浩劫嗎,人類又能為這件事做什麼準備呢?

我們該擔心哪些小行星,小行星撞擊能被預測嗎?

太陽系中的小行星不可勝數,但並非所有小行星都對於地球有潛在的危害。那麼,哪些小行星是應該注意的呢?

我們可以簡單從兩個條件,篩選出對地球有潛在威脅的小行星:第一是小行星的軌道,第二則是小行星的大小。如果一個天體的運行軌道與地球的運行軌道沒有交會,那也就不需要擔心它會部會撞到地球了。而直徑越大的小行星,撞擊地球產生的災害就會越大,例如一顆直徑 10 公尺的小行星墜落能造成小範圍的建築物受損,而直徑 50 公尺的小行星撞擊,其威力則足以摧毀整座大型城市。

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/59/Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg/1024px-Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg
2013 年俄羅斯車里亞賓斯克小行星墜落事件,隕石在空中爆炸的震波震碎大片玻璃。圖/Nikita Plekhanov

過去天文學家透過遍布世界的天文台,不斷在夜空中尋找近地小天體,並持續監測它們的動向。而透過觀測資料推算其軌道,就可以算出這些危險的小鄰居未來與地球發生「車禍」的機率有多大,而這篇文章的主角「貝努」,就是一顆被認為有較大機會撞擊地球,因此被重點關注的對象。

貝努撞地球會是未來的災難嗎?

貝努在 1999 年被發現,是一顆直徑約 500 公尺的小行星,它以橢圓軌道繞行太陽,公轉週期大約 437 天。由於貝努的軌道與地球相當接近,它每隔幾年就會接近地球一次,而本世紀貝努最接近我們的時刻將會發生在西元 2060 年,不過別擔心,該年貝努與地球最接近時,距離預計也還有七十萬公里,大約是地球至月球距離的兩倍,撞擊風險微乎其微。

綠色為地球軌道,藍色為貝努軌道。圖/University of Arizona

然而天文學家真正關注,撞擊風險較大的接近事件則會發生在下一個世紀。根據目前的軌道計算,貝努在西元 2135 年和 2182 年的兩次接近,會有較大的撞擊風險。說到這裡可能許多讀者會覺得,既然我們都活不到那個時候,何必去操心那些根本遇不到的事情呢?

那麼,讓我們想像一個情境:

如果今天天文學家突然發現了一顆與貝努一樣大的小行星,並算出它將在一年後撞上地球,那身為這個星球上「最有智慧的物種」,我們能怎麼應對呢?

很遺憾的:我們很可能對於撞擊束手無策。當前人類並沒有任何成熟的技術,能夠在這麼短的時間內改變小行星的軌道。這時候人們可能就會希望前人早點望向星空,調查小行星,好讓人們能夠有多一百年的時間準備應對的方法了!

小行星軌道計算不就是簡單的牛頓力學,為什麼算不準?

那麼貝努在未來 100〜200 年到底會不會撞擊地球呢?其實天文學家也說不太準,只能給出大概的機率而已,而且時間越久,預測的不確定性就越大。

你也許會想,天體的運行軌道不就只是簡單的牛頓力學,三百年前的人就已經掌握得很好了,在電腦科技發達的現代怎們會算不準呢?確實,如果要算地球與火星在 100 年後的相對位置,那電腦還能輕鬆算出相當精確的答案,但如果是計算小行星 100 年後的位置,事情就變得棘手多了……

由於小行星的質量很小,就算是相對微小的引力干擾還是足以改變其運行方向,而混沌理論(Chaos theory)告訴我們,任何微小的初始條件差異,都能造成結果極大的不同。因此要對小行星軌道做長期預測,就不能只考慮太陽的引力,而是必須把行星等其他天體的引力也納入計算,才能獲得比較準確的結果。尤其是當這些小行星與地球擦肩而過時,即使只有幾百公尺的位置偏差,受到的引力也會有相當的不同,使得小行星的未來軌跡出現巨大的差異。

而更令天文學家們頭痛的是,有些問題甚至不是萬有引力能夠解決的,其中一個因子就是「亞爾科夫斯基效應」(Yarkovsky Effect)。這個效應是這樣的:當陽光照在自轉中的小行星上,陽光會加熱小行星的受光面,而被加熱的這一面轉向背光面時,釋放的熱能會像是小小的火箭引擎一樣推動小行星。這個作用的推力非常小,但長期下來還是足以對質量很小的天體造成軌跡變化,也讓軌道預測多了很大的不確定性。

亞爾科夫斯基效應的動畫。影片/NASA

OSIRIS-REx 任務揭露貝努的神秘面紗,也讓軌道推估更精確

為了更深入了解貝努,NASA 在 2016 年發射 OSIRIS-REx 探測器探查這顆小行星。OSIRIS-REx 主要的任務包括從貝努表面採取樣本並送回地球分析、對整顆小行星做完整的調查,以及評估各種影響貝努運行軌道的因子,改善貝努軌道的預測模型,評估將來的撞擊風險。

在軌道分析方面,OSIRIS-REx 一方面能在環繞貝努的過程中緊盯貝努的「一舉一動」,讓天文學家透過精確的觀測結果反推貝努的軌道特性。另一方面,要評估亞爾科夫斯基效應對小行星軌道的影響,也需要考量小行星的地形地貌、反照率等等因素,因此 OSIRIS-REx 的各項觀測資料,也有助於建立更精確的軌道預測模型。

OSIRIS-REx 探測器。圖/University of Arizona/NASA Goddard Space Flight Center

目前 OSIRIS-REx 的任務還沒有結束,但是在取得更準確的軌道預測模型與撞擊風險評估上,已經有了初步的成果。根據這次任務提供的觀測資料,天文學家將預測貝努未來軌道的時間極限,從原本的西元 2200 年延長至 2300 年。而西元2300年之前,貝努撞上地球的機率大約是 0.057% (1/1750),最危險的一次接近則會發生在西元 2182 年

「知己知彼,百戰不殆」。面對像貝努這樣的危險鄰居,唯有盡可能認識它的一切,才越能夠掌握其未來的動向,進而在將來思考要如何面對小行星的撞擊的風險。另外,目前 OSIRIS-REx 也正在返航地球的旅途上,期待 2023 年 OSIRIS-REx 能順利的帶著貝努的樣本回到地球,帶給我們更多有關小行星的重要資訊!

參考資料

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EASY天文地科小站_96
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