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突然畢業了,阿雷西博天文台將永久關閉QQ

科學大抖宅_96
・2020/11/24 ・4201字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 536 ・七年級

2020 年 11 月 19 日,美國國家科學基金會(National Science Foundation, NSF)宣布,史上最知名的望遠鏡之一——位於波多黎各(Puerto Rico)的阿雷西博天文台(Arecibo Observatory)即將永久關閉,震驚學界。

阿雷西博天文台乃隸屬於美國國家天文學和電離層中心(National Astronomy and Ionosphere Center, NAIC)的無線電望遠鏡,其最顯著的特徵包括直徑 305 公尺的球面反射器盤(spherical reflector dish),以及懸吊在盤面上方 137 公尺、重約 900 噸、由三座鋼筋混凝土高塔連結 18 條鋼纜所撐起的儀器平台。

俯瞰阿雷西博天文台。圖/Wikipedia

從 1963 年建成以來,阿雷西博天文台一直保持著世界最大單孔徑望遠鏡的紀錄,直到 2016 年為止。它是波多黎各主要的科學教育中心,也培育出許多天文學家和工程師,甚至出現在流行文化裡,如電影《接觸未來》(Contact)和 007 電影《黃金眼》(GoldenEye)。

007 電影《黃金眼》中出現阿雷西博天文台的片段

然而,就在 2020 年 8 月和 11 月,阿雷西博天文台的兩條鋼纜先後斷裂;考量到維修的困難與高風險,這座產出許多科學研究的標誌性天文望遠鏡,面臨被拆解的命運……在這感傷之際,讓我們一起追憶阿雷西博天文台的一生。

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冷戰的雷達需求促成天文台誕生

1945 年,因應二戰後的局勢,美國成立了空軍劍橋研究實驗室(Air Force Cambridge Research Laboratories)[1]。在冷戰背景下,其於 1949 年發明了利用電話數據機傳輸數位資料的技術(即早期網際網路傳輸所使用的方式)。1951 年,空軍劍橋研究實驗室的工程師首度發表文章,討論利用球面接收器接收電磁訊號的可能性;同時,美國國防部也因為遠程雷達和通訊的需求,對建造世界最大的天線來研究電離層很有興趣——這促成 1959 年空軍劍橋研究實驗室和康乃爾大學(Cornell University)簽署了成立阿雷西博天文台的合約。

天文台位於波多黎各北海岸的自治市阿雷西博;其設計和建造,由時任康乃爾大學教授的戈登(William Edwin Gordon,1918 – 2010)負責籌劃,於 1963 年落成。

望遠鏡的反射器盤建基於天然形成的滲穴之中,1974 年升級後由 38778 片穿孔鋁板製成;從遠處不同方位過來的電磁波會被盤面反射,分別聚焦於不同位置,懸吊於上空的接收器便會依據觀察目標移動到適當的接收點。

從不同方位過來的電磁波(綠色和紅色平行線條)會被反射器盤反射並聚焦於不同焦點,所以可以藉由接收器的移動來接收天空中不同方向來源的電磁波。圖/Physics today, Volume 66, Issue 11

一如當初的計畫,阿雷西博天文台的主要功用在研究地球的電離層、接收來自遙遠宇宙的無線電波訊號,以及使用雷達技術探索太陽系土星軌道之內的天體。幾十年來,阿雷西博天文台經歷數次升級,一直是天文學和大氣科學的研究重鎮:它擁有世界最大的電磁波接收區(也就是反射器盤);當其他無線電望遠鏡花費數小時才能收集到足夠的電磁波訊號,阿雷西博天文台只需要幾分鐘。

發現脈衝雙星,間接證實重力波

阿雷西博天文台開始運作之後,做出的科學貢獻多不勝數。例如,1964 年天文學家彼騰吉爾(Gordon H. Pettengill, 1926 –)的團隊藉由雷達脈衝發現水星的自轉週期為 59 天,有別於原先認為的 88 天;1968 年,洛夫萊斯(Richard V.E. Lovelace)利用阿雷西博天文台,提供了蟹狀星雲脈衝星(Crab Pulsar, PSR B0531+21,自轉週期 33 毫秒)存在的確切證據,也是第一顆被確認為跟超新星殘骸有關的中子星。

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1974 年,赫爾斯(Russell Alan Hulse, 1950 –)和泰勒(Joseph Hooton Taylor Jr., 1941 –)發現第一對脈衝雙星(脈衝星和中子星)系統;之後,其被用來作為廣義相對論的高精度測試——這一項發現成為廣義相對論中,重力波存在的間接證據,也是他們獲得 1993 年諾貝爾物理學獎的重要原因。

1990年,波蘭天文學家沃爾茲森(Aleksander Wolszczan, 1946–)從阿雷西博天文台發現了脈衝星PSR B1257+12,並於兩年後,發現有兩個行星(之後又找到第三個)繞行PSR B1257+12,這也是人類史上第一次發現太陽系外的行星。

除此之外,阿雷西博天文台也能拿來研究天體的地貌:1989 年 8 月,趁著小行星 4769 Castalia 經過,離地球的最近距離僅 4,029,840 公里(約地球到月球距離的 11 倍),科學家利用天文台雷達描繪出小行星 4769 Castalia 的 3D 樣貌;至今,阿雷西博天文台已經研究過數百個近地小行星(near-Earth asteroids, NEAs),除了可以分析它們撞擊地球的可能性,也能幫助我們理解太陽系的起源和演化。1994 年,阿雷西博天文台則被用來研究水星南北極隕石坑內可能存在的冰層。

阿雷西博天文台亦針對星系進行無線電波頻率的大範圍掃描,並於 2008 年發現星系阿普 220(Arp 220)中存在有機化合物分子。另外,在大氣物理學領域,它增進了我們對高層大氣,特別是電離層的認知與理解。

向宇宙發送訊息,等待外星文明回應

阿雷西博天文台的 305 公尺孔徑紀錄,雖然在 2016 年被中國的五百米口徑球面射電望遠鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST, 簡稱天眼)超越,但阿雷西博天文台的地位卻無法被取代——其中一個很大的原因是,天眼只有接收訊號的功能,沒有發射訊號的設計;而阿雷西博天文台不僅可以接收,也能發射訊號(所以具有雷達的功能)。

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最有名的例子,是 1974 年,天文學家德雷克(Frank Drake, 1930–)和其他研究者——包括天文學家兼科普作家薩根(Carl Sagan, 1934 – 1996),設計了知名的阿雷西博訊息(Arecibo Message),內容包含人類的 DNA 結構,和太陽系的介紹等等,以強力的電磁波從阿雷西博天文台發送向距離地球 25000 光年的球狀星團 M13。雖然無法期待在不久的將來能收到回覆,卻是人類主動接觸外星文明的重要嘗試。

反過來說,阿雷西博天文台接收到的無線電波,也能拿來分析是否包含外星智慧文明發出的電磁訊號。於是,在早期美國國家航空暨太空總署(National Aeronautics and Space Administration, NASA)的搜尋地外智慧計畫、或者民間著名的 SETI@home 計畫[2],分析所用的數據,部分便來自阿雷西博天文台。

阿雷西博訊息。顏色為分類、方便閱讀之用,原始訊息不包括顏色。圖/Wikipedia

結構不穩,無可奈何的退役決定

儘管功績卓著,且有著不可替代性,阿雷西博天文台仍然面臨拆除的命運。雖然有在定期維護,但經費的短缺加上歲月的流逝和地震、颶風的侵襲,都增加了望遠鏡結構的不確定性。

首先是 2020 年 8 月 10 日,一根連結到儀器平台、安裝於 90 年代的輔助鋼纜從托座鬆開,破壞了反射器盤面邊緣的鋁板;工程師在檢查損壞狀況時,發現儀器平台的 12 根主要支撐鋼纜中,有一根鋼纜的組成鋼線存在少許損壞,但評估後認為對安全性不造成影響。怎知到了 11 月 7 日,該主要支撐鋼纜從中間斷裂,在靠近反射器盤面中心的區域撕開了大裂口——既然原本認為安全的鋼纜斷了,剩下的鋼纜是否真的安全無虞?又能支撐多久?沒有人知道。

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現在,任何時刻都可能有更多鋼纜斷裂或鬆脫,一旦最壞的狀況發生,整個儀器平台將掉落到望遠鏡盤面上,或者損害附近的建物;甚至,任何想要穩定或測試鋼纜的努力都可能加速剩下鋼纜的損壞。為此,美國國家科學基金會正在研擬計畫,在可控的狀況下拆除儀器平台——這是個艱難的決定,但一切以安全為優先。

事實上,出於經濟考量,美國國家科學基金會前些年都在為阿雷西博天文台的經費苦惱:在 2017 年,美國國家科學基金會和國家航空暨太空總署一年分別提供高達 800 萬和 360 萬美元的營運費用,所費不貲;到了 2018 年,才由中佛羅里達大學(University of Central Florida, UCF)承擔阿雷西博天文台的營運,並補足美國國家科學基金會逐年縮減的天文台經費。沒想到人算不如天算,阿雷西博天文台被迫永久關閉,這無疑是科學界的一大損失。

現在阿雷西博天文台的反射器盤面破了一個大洞。圖/University of Central Florida/Arecibo Observatory

研究暫停,無可取代的電波望遠鏡

阿雷西博天文台自 1963 年啟用以來,對天文學、大氣科學和行星科學貢獻良多;它是第一個發現系外行星的望遠鏡,也是搜尋地外文明的重要工具。它在科學教育面向深受好評,每年有十萬人到阿雷西博天文台參觀,包括許多學生;那兒不僅有天文學、高層大氣物理學的展覽,還有可以俯瞰巨大反射器盤面的觀景平台。

儘管年紀大了,但阿雷西博天文台持續升級,原本也預定在接下來數年安裝新儀器,像是將大幅提高望遠鏡靈敏度、價值 580 萬美元的天線――這一切都成為泡影。阿雷西博天文台退休後,許多研究都必須暫停,只有部分計畫得以找到替代設施,或是能夠留在天文台原址繼續進行。往後,我們只能在記錄中,緬懷這座極具歷史意義的無線電望遠鏡,令人唏噓。

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註解

[1] 空軍劍橋研究實驗室於 2011 年被整併,最終演化成現今美國空軍研究實驗室(Air Force Research Laboratory)的一部份。空軍研究實驗室致力於領導航太作戰科技的發明、發展和整合,計畫空軍的科學、科技方案並執行,以及為美國空中、外太空和網際空間的部隊提供作戰能力。

[2] SETI@home,是一個通過網際網路利用個人電腦處理天文數據的分布式計算項目;其試圖通過分析無線電望遠鏡收集到的無線電信號,搜尋地外智慧生物存在的跡象。

參考資料

  1. Alexandra Witze, Legendary Arecibo telescope will close forever — scientists are reeling, Nature, Nov. 19 (2020).  
  2. Alexandra Witze, Arecibo telescope wins reprieve from US government, Nature, Nov. 16 (2017) 
  3. Daniel Clery, Famed Arecibo telescope, on the brink of collapse, will be dismantled, Science, Nov. 19 (2020).
  4. Daniel Clery, Adrian Cho, Iconic Arecibo radio telescope saved by university consortium, Science, Feb. 22 (2018).
  5. Daniel Altschuler, Chris Salter, The Arecibo Observatory: Fifty astronomical years, Physics Today 66, 11, 43 (2013).
  6. Paul H. Carr, Early history of Arecibo Observatory, Physics Today 67, 6, 11 (2014).
  7. Telescope Description about Arecibo Observatory
  8. Air Force Research Laboratory – Wikipedia
  9. Arecibo Observatory – Wikipedia
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科學大抖宅_96
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在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/

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除了蚯蚓、地震魚和民間達人,那些常見的臺灣地震預測謠言
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/02/29 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

災害性大地震在臺灣留下無數淚水和難以抹滅的傷痕,921 大地震甚至直接奪走了 2,400 人的生命。既有這等末日級的災難記憶,又位處於板塊交界處的地震帶,「大地震!」三個字,總是能挑動臺灣人最脆弱又敏感的神經。

因此,當我們發現臺灣被各式各樣的地震傳說壟罩,像是地震魚、地震雲、蚯蚓警兆、下雨地震說,甚至民間地震預測達人,似乎也是合情合理的現象?

今日,我們就要來破解這些常見的地震預測謠言。

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漁民捕獲罕見的深海皇帶魚,恐有大地震?

說到在坊間訛傳的地震謠言,許多人第一個想到的,可能是盛行於日本、臺灣的「地震魚」傳說。

在亞熱帶海域中,漁民將「皇帶魚」暱稱為地震魚,由於皇帶魚身型較為扁平,生活於深海中,魚形特殊且捕獲量稀少,因此流傳著,是因為海底的地形改變,才驚擾了棲息在深海的皇帶魚,並因此游上淺水讓人們得以看見。

皇帶魚。圖/wikimedia

因此,民間盛傳,若漁民捕撈到這種極為稀罕的深海魚類,就是大型地震即將發生的警兆。

然而,日本科學家認真蒐集了目擊深海魚類的相關新聞和學術報告,他們想知道,這種看似異常的動物行為,究竟有沒有機會拿來當作災前的預警,抑或只是無稽之談?

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可惜的是,科學家認為,地震魚與地震並沒有明顯的關聯。當日本媒體報導捕撈深海魚的 10 天內,均沒有發生規模大於 6 的地震,規模 7 的地震前後,甚至完全沒有深海魚出現的紀錄!

所以,在科學家眼中,地震魚僅僅是一種流傳於民間的「迷信」(superstition)。

透過動物來推斷地震消息的風俗並不新穎,美國地質調查局(USGS)指出,早在西元前 373 年的古希臘,就有透過動物異常行為來猜測地震的紀錄!

人們普遍認為,比起遲鈍的人類,敏感的動物可以偵測到更多來自大自然的訊號,因此在大地震來臨前,會「舉家遷徙」逃離原本的棲息地。

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當臺灣 1999 年發生集集大地震前後,由於部分地區出現了大量蚯蚓,因此,臺灣也盛傳著「蚯蚓」是地震警訊的說法。

20101023 聯合報 B2 版 南投竹山竄出蚯蚓群爬滿路上。

新聞年年報的「蚯蚓」上街,真的是地震警訊嗎?

​當街道上出現一大群蚯蚓時,密密麻麻的畫面,不只讓人嚇一跳,也往往讓人感到困惑:為何牠們接連地湧向地表?難道,這真的是動物們在向我們預警天災嗎?動物們看似不尋常的行為,總是能引發人們的好奇與不安情緒。

如此怵目驚心的畫面,也經常成為新聞界的熱門素材,每年幾乎都會看到類似的標題:「蚯蚓大軍又出沒 網友憂:要地震了嗎」,甚至直接將蚯蚓與剛發生的地震連結起來,發布成快訊「昨突竄大量蚯蚓!台東今早地牛翻身…最大震度4級」,讓人留下蚯蚓預言成功的錯覺。

然而,這些蚯蚓大軍,真的與即將來臨的天災有直接關聯嗎?

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蚯蚓與地震有關的傳聞,被學者認為起源於 1999 年的 921 大地震後,在此前,臺灣少有流傳地震與蚯蚓之間的相關報導。

雖然曾有日本學者研究模擬出,與地震相關的電流有機會刺激蚯蚓離開洞穴,但在現實環境中,有太多因素都會影響蚯蚓的行為了,而造成蚯蚓大軍浮現地表的原因,往往都是氣象因素,像是溫度、濕度、日照時間、氣壓等等,都可能促使蚯蚓爬出地表。

大家不妨觀察看看,白日蚯蚓大軍的新聞,比較常出現在天氣剛轉涼的秋季。

因此,下次若再看到蚯蚓大軍湧現地表的現象,請先別慌張呀!

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事實上,除了地震魚和蚯蚓外,鳥類、老鼠、黃鼠狼、蛇、蜈蚣、昆蟲、貓咪到我們最熟悉的小狗,都曾經被流傳為地震預測的動物專家。

但可惜的是,會影響動物行為的因素實在是太多了,科學家仍然沒有找到動物異常行為和地震之間的關聯或機制。

遍地開花的地震預測粉專和社團

這座每天發生超過 100 次地震的小島上,擁有破萬成員的地震討論臉書社團、隨處可見的地震預測粉專或 IG 帳號,似乎並不奇怪。

國內有許多「憂國憂民」的神通大師,這些號稱能夠預測地震的奇妙人士,有些人會用身體感應,有人熱愛分析雲層畫面,有的人甚至號稱自行建製科學儀器,購買到比氣象署更精密的機械,偵測到更準確的地震。

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然而,若認真想一想就會發現,臺灣地震頻率極高,約 2 天多就會發生 1 次規模 4.0 至 5.0 的地震, 2 星期多就可能出現一次規模 5.0 至 6.0 的地震,若是有心想要捏造地震預言,真的不難。 

在學界,一個真正的地震預測必須包含地震三要素:明確的時間、 地點和規模,預測結果也必須來自學界認可的觀測資料。然而這些坊間貼文的預測資訊不僅空泛,也並未交代統計數據或訊號來源。

作為閱聽者,看到如此毫無科學根據的預測言論,請先冷靜下來,不要留言也不要分享,不妨先上網搜尋相關資料和事實查核。切勿輕信,更不要隨意散播,以免造成社會大眾的不安。

此外,大家也千萬不要隨意發表地震預測、觀測的資訊,若號稱有科學根據或使用相關資料,不僅違反氣象法,也有違反社會秩序之相關法令之虞唷!

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​地震預測行不行?還差得遠呢!

由於地底的環境太過複雜未知,即使科學家們已經致力於研究地震前兆和地震之間的關聯,目前地球科學界,仍然無法發展出成熟的地震預測技術。

與其奢望能提前 3 天知道地震的預告,不如日常就做好各種地震災害的防範,購買符合防震規範的家宅、固定好家具,做好防震防災演練。在國家級警報響起來時,熟練地執行避震保命三步驟「趴下、掩護、穩住」,才是身為臺灣人最關鍵的保命之策。

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和外星人的第五類接觸!《三體》中的微中子通訊是真的?
PanSci_96
・2024/04/08 ・6799字 ・閱讀時間約 14 分鐘

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不要回答!不要回答!不要回答!

Netflix 版「三體」終於上線了,你覺得與外星人接觸是安全的,還是冒險的?

其實啊,人類早就多次嘗試與外星文明接觸,三體中的「那個」技術,甚至也已經驗證成功了?到底誰能先與外星人取得聯繫?是中國還是美國?

接下來的討論可能會暴雷原版小說的設定,但應該不會暴雷 Netflix 版的劇情。

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如果你也有一點想跟外星人接觸,那就來看看人類到底已經跟外星人搭訕到什麼程度了吧!

我們與外星文明接觸過了嗎?

對於是否要與外星文明接觸,每個人都有不同想法。三體小說作者劉慈欣在小說中提出一種觀點,那就是人類太弱小,最好避免與外星文明接觸,以免招致不必要的風險。

但是回到現實世界,如果我們真的身處在三體的世界的話,那人類可真的是不停作死啊。早在 1974 年,科學家就利用阿雷西博天文台,向武仙座的 M13 球狀星團發射了一條著名的訊息,也就是「阿雷西博訊息」。這個目標距離地球不算遠,星星又多,被認為是潛在的外星文明所在。阿雷西博訊息中,則包含人類的 DNA 結構、太陽與九大行星、人類的姿態等資訊。每次想到總覺得是新開的炸雞排在發傳單攬客。

航海家金唱片。圖/wikimedia

除了無實體的電波訊息,人類還向太空中發送了實體的「信件」。1977 年,航海家探測器載著「航海家金唱片」進入太空。唱片中收錄了包含台語在內,55 種語言的問候語、大自然與鳥獸的聲音、115 張圖像、還用 14 顆銀河系內已知的脈衝星來標示出太陽系的位置。是一封向宇宙表達人類文明與友好意圖的信件。恩,如果接收到這個訊息的外星人不是很友善的話,那麼……。

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好吧,就算現在說應該要謹慎考慮接觸外星文明的風險,或許已經來不及了。對方是善還是惡,怎麼定義善或惡,會不會突然對我們發動攻擊,我們也只能聽天由命了。

反過來說,過了這麼久,我們收到外星文明的來信了嗎?

要確定有沒有外星文明,接收訊號當然跟發送訊號同等重要甚至更重要。1960 年,天文學家法蘭克.德雷克,就曾通過奧茲瑪計畫,使用直徑 26 公尺的電波望遠鏡,觀察可能有外星文明的天苑四和天倉五兩個恆星系統,標誌著「尋找外星智慧計畫」(the Search for Extraterrestrial Intelligence, SETI)的誕生。可惜,累積了超過 150 小時的訊息,都沒有搜尋到可辨識的訊號。

比較近的則是 1995 年的鳳凰計畫,要研究來自太陽附近一千個恆星所發出的一千兩百到三千百萬赫的無線電波。由於有經費支持,SETI 每年可以花五百萬美元,掃描一千多個恆星,但是目前還沒有任何發現。

中間有一個小插曲是,1967 年 10 月,英國劍橋大學的研究生喬絲琳.貝爾發現無線電望遠鏡收到了一個非常規律的脈衝訊號,訊號周期約為 1.34 秒,每次脈衝持續時間 0.04 秒。因為有可能是來自外星文明的訊號,因此訊號被開玩笑地取為 Little Green Man 1(LGM-1 號)。但後來他們又發現了多個類似的脈衝信號,最後證實這些脈衝是來自高速自轉的中子星,而非某個文明正在傳遞訊息。

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貴州天眼望遠鏡。圖/FAST

在中國也有探索外星生命的計畫,大家最關注的貴州天眼望遠鏡,直徑達五百公尺,是地球上最大的單一口徑電波望遠鏡。天眼望遠鏡在探索外星生命這件事,並不只是傳聞而已。2016 年 9 月天眼正式啟用後,也宣布加入 SETI 計畫。現在貴州天眼的六大任務之一,就包含探測星際通訊,希望能捕捉到來自其他星際文明的訊號。

而背負著地球最大單一口徑望遠鏡的名號,自然也引起不少關注。從 2016 年啟用到現在,就陸續出現不少檢測到可疑訊號的新聞。然而,這些訊號還需要經過檢驗,確定不是其他來自地面或地球附近的干擾源,或是我們過去難以發現的輻射源。可以確定的是,目前官方還未正式聲明找到外星文明訊號。

會不會是我們的通訊方法都選擇錯誤了?

即使電磁波用光速傳遞訊息,太陽系的直徑約 2 光年、銀河系直徑約 10 萬光年。或許我們的訊息還需要花很多時間才回得來,更別提那些被拋入太空的實體信件。航海家 1 號曾是世界上移動速度最快的人造物,現在仍以大約時速 6 萬公里的速度遠離地球,大約只有光速的一萬八千分之一倍。就算朝著最近的恆星——比鄰星飛去,最少也需要大約 7 萬 6 千年的時間才會到。

如果用電磁波傳遞訊息,又容易因為穿越星塵、行星、恆星等天體而被阻擋或吸收。不論是人類還是外星文明,都必須找到一個既快速,又不容易衰退的訊號,最好就是能以光速穿越任何障礙物的方式。

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在三體小說中,就給出了一個關鍵方法:微中子通訊。

微中子通訊是什麼?

微中子(Neutrino),中國通常翻譯為中微子,是一種基本粒子。也就是說它是物質的最基本組成單位,無法被進一步分割。這種粒子引起了廣泛關注,因為它與其他物質的交互作用極弱,並且以極高的速度運動。微中子能夠輕易穿過大部分物質,通過時幾乎不受阻礙,因此難以檢測。

在宇宙中,微中子的數量僅次於光子,是宇宙中第二多的粒子。有多多呢?地球上面向太陽的方向,每平方公分的面積,大約是你的手指指尖,每秒鐘都會被大約 650 億個來自太陽的微中子穿過,就是這麼多。但是因為微中子與物質的反應真的是太弱了,例如在純水中,它們平均需要向前走 250 光年,才會與水產生一次交互作用,以至於我們幾乎不會發現它們的存在。

藉由微中子撞擊氣泡室中氫原子裡的質子,進行微中子觀測,照片右方三條軌跡的匯集之處便是帶電粒子撞擊發生處。圖/wikimedia

但是對物理學家來說,更特別的是微中子展示出三種不同的「味」(flavor),也就是三種樣貌,電子微中子,渺子微中子和濤微中子,分別對應到不同的物理特性。 在粒子物理學裏,有個「標準模型」來描述強力、弱力及電磁力這三種基本力,以及所有基本粒子。在這個標準模型中,微中子是不具備質量的。 然而,當科學家發現微中子竟然有三種味,而且能透過微中子振盪,在三種「味」之間相互轉換,證明了微中子必須具有質量,推翻了標準模型中預測微中子是無質量的假設,表示標準模型還不完備。

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微中子在物理界是個非常有研究價值的對象,值得我們花上一整集來好好介紹,這邊就先點到為止。如果你對微中子或其他基本粒子很感興趣,歡迎在留言催促我們。

我們現在只要知道,微中子不僅推翻了標準模型。宇宙中含量第二多的粒子竟然有質量這件事情,更可能更新我們對宇宙的理解,以及增加對暗物質的了解。

但回到我們的問題,如果微中子幾乎不與其他粒子交互作用,我們要怎麼接收來自外星文明的微中子通訊呢?

要如何接收微中子?

Netflix 版《三體》預告片中,這個一閃而過,充滿金色圓球,帶有點宗教與科幻風格的大水缸,就是其中的關鍵。

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這個小說中沒有特別提到,但相信觀眾中也有人一眼就看出來。這就是位在日本岐阜縣飛驒市,地表 1,000 公尺之下,由廢棄礦坑改建而成的大型微中子探測器「神岡探測器」。

由廢棄砷礦坑改建而成,深達千米的神岡探測器。圖/Super-Kamiokande Construction

探測器的主要結構是一個高 41.4 米、直徑 39.3 米的巨大圓柱形的容器。容器的內壁上安裝有 11200 個光電倍增管,用於捕捉微小的訊號。水缸中則需灌滿 5 萬噸的超純水。捕捉微中子的方式是等待微中子穿過整座探測器時,微中子和水中的氫原子和氧原子發生交互作用,產生淡藍色的光芒。這與我們在核電系列中提到,核燃料池中會發出淡藍色光芒的原理一樣,是當粒子在水中超越介質光速時,產生類似音爆的「契忍可夫輻射」。

填水的神岡探測器。圖/Super-Kamiokande

也就是說,科學家準備一個超大的水缸來與微中子產生反應,並且用超過一萬個光電倍增管,來捕捉微小的契忍可夫輻射訊號。

但這樣的設計十分值得,前面提到的微中子可以在三種「味」中互相轉換,就是在這個水槽中被證實的。

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這座「神岡探測器」在建成後 40 幾年來,讓日本孕育出了 5 位的諾貝爾物理獎得主。

三體影集選在這邊拍攝,真的要說,選得好啊。

話說回來,有了微中子的捕捉方法之後,現實中還真的有人研究起了微中子通訊!

微中子通訊是怎麼做到的?

來自羅徹斯特大學與北卡羅來納州立大學的團隊,在 2012 年發表了一篇文章,說明它們已成功使用微中子,以接近光速的速度將訊息穿過 1 公里的距離,其中有 240 公尺是堅硬的岩石。訊息的內容是「Neutrino」,也就是微中子。

這套設備準備起來也不簡單,用來發射微中子的,是一部強大的粒子加速器 NuMI。質子在加速繞行一個周長 3.3 公里的軌道之後,與一個碳標靶相撞,發出高強度的微中子射束。

用磁場將微中子聚集成束的 NuMI。圖/Fermilab

用來接收微中子的則是邊長約 1.7 公尺,長 5 公尺的六角柱探測器 MINERvA,一樣身處於地底 100 公尺的洞穴中。

當然,這兩套設備的重點都是拿來研究微中子特性,而不是為了通訊設計的。團隊只是趁著主要任務之間的空檔,花了兩小時驗證通訊的可能性。

但微中子那麼難測量,要怎麼拿來通訊呢?團隊換了一個思維,目標只要能傳出0跟1就好,而這裡的0就是沒有發射微中子,而1則是發出微中子,而且是一大堆微中子。多到即使每百億個微中子只有一個會被 MINERvA 偵測到,只要靠著數量暴力,探測器就一定能接收到微中子。最後的實驗結果,平均一秒可以傳 0.1 個位元的訊息,錯誤率 1%。

MINERvA 實驗中的中微子偵測器示意圖。圖/wikimedia

看起來效率並不實用,卻是一個好的開始。

因為微中子「幾乎能穿透所有物體」的特性,即便我們還沒有其他外星文明可以通訊,或許還是有其他作用。例如潛水艇的通訊、或是與礦坑深處的通訊。進一步說,他幾乎可以在地球上的任一兩點建立點對點的直線通訊,完全不用擔心中間的阻礙。而對於現在最夯的太空競賽來說,月球背面的通訊問題,微中子也可以完美解決。

那麼,在微中子的研究上,各國的進度如何了呢?

除了前面提到的超級神岡,世界上還有幾個有趣的微中子探測器,例如位於加拿大的薩德伯里微中子觀測站(SNO),它有特殊的球體設計並且改為填充重水,專門用來觀測來自太陽的微中子。

薩德伯里中微子探測器。圖/wikimedia

而位於南極的冰立方微中子觀測站,則是將探測器直接埋在南極 1450 到 2450 公尺的冰層底下,將上方的冰層直接作為捕捉微中子的水。非常聰明的設計,這也讓冰立方成為地球上最大的微中子探測器。

除了已經在使用的這幾個探測器之外,美、中、日也即將打造更先進、更強大的探測器。

預計在美國打造的國際計畫——地下深處微中子實驗(Deep Underground Neutrino Experiment),預計成為世界上最大的低溫粒子偵測器。接收器位於南達科他州的地底一公里深處,用作研究的微中子訊號源則來自 1300 公里外的費米實驗室,百萬瓦等級的質子加速器,將產生有史以來最強的微中子束。這台地下深處微中子實驗(Deep Underground Neutrino Experiment)的縮寫非常有趣,就是 DUNE,沙丘。

中國呢,則預計在廣東的江門市,用 2 萬支 51 公分光電倍增管和 2 萬 5000 支 7.6 公分光電倍增管,在地底 700 公尺深處,打造巨大球形的微中子探測器-江門中微子實驗室,內部可以填充兩萬噸的純水。最新的消息是預計 2024 年就能啟用。

最後,經典的超級神岡探測器也不會就此原地踏步,日本預計打造更大的超巨型神岡探測器。容積將提升 5.2 倍、光電管從 11200 個變成 4 萬個,進一步研究微中子與反微中子之間的震盪。

超巨型神岡探測器設計圖。圖/Hyper-Kamiokande

結論

這些微中子探測器的研究目標必然是微中子本身的特性。但既然微中子通訊是有可能的,在任務之餘研究一下這個可能性,也不是說不行吧。

雖然我們現在還沒連繫上我們的好鄰居,但很難說明天就有哪個外星文明終於接收到我們對外宣傳的訊息,發出微中子通訊問候,甚至按圖索驥跑來地球。

至於那時我們應該怎麼辦呢?我們的網站上有幾篇文章,包括介紹黑暗森林法則,以及從《異星入境》看我們要如何與語言不通的外星文明溝通。有興趣的朋友,可以點擊資訊欄的連結觀看。在外星人降臨之前,也不妨參考我們的科學小物哦。

最後問問大家,你覺得我們應該主動聯繫外星文明嗎?

  1. 當然要,我相信探索一定是好的,我覺得引力波通訊更有機會!
  2. 先不要,我已經可以想像被外星文明奴役的未來了!
  3. 為了維繫美中之間的平衡,由台灣來率先接觸外星人,當仁不讓啊!

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中央研究院化學研究所陳玉如博士,榮獲「2023 年第16屆台灣傑出女科學家獎
PanSci_96
・2023/03/06 ・5586字 ・閱讀時間約 11 分鐘

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全台第一、更是唯一專為表揚女科學家卓越貢獻的「台灣傑出女科學家獎」已邁入第 16 年。2007 年台灣萊雅聯合吳健雄學術基金會共同發起設置「台灣傑出女科學家獎」,以樹立典範,啟發並推動更多女性投入科學領域,促使科學界多元參與及發展,此獎項多年來的方向與成果更接軌國際聯合國永續發展目標(SDGs)之性別平等目標。

有台灣「女性諾貝爾獎」之美名的台灣傑出女科學家獎,截至 2023 年,本獎項共表揚傑出獎及新秀獎共計 49 位優秀台灣女性科學家。參照全球傑出女科學家獎模式的主辦單位,台灣萊雅總裁師逸樺表示,希望透過表彰台灣傑出女科學家,社會大眾看見多位女性科學家不但在科學界擔任團隊領導者,對科學研究領域有傑出成就,更在推動友善人才制度進步和培育科研領域人才發展均深具貢獻。

2023 年第 16 屆「台灣傑出女科學家獎」由中央研究院化學研究所特聘研究員陳玉如博士獲得最高榮譽「傑出獎」[1]之殊榮。為支持優秀年輕女科學家而設立的「新秀獎」,則頒發給中央研究院天文及天文物理研究所研究員林俐暉博士臺灣大學電機工程學系電子工程學研究所副教授胡璧合博士。鼓勵具科學潛力之年輕博士班學生的「孟粹珠獎學金」,則由中央大學物理研究所博士班謝妮恩同學(目前任職於日本北海道大學低溫科學研究所博士後研究員)獲得。

第十六屆「台灣傑出女科學家獎」得主與主辦單位合影(由左至右):台灣萊雅陳家祥永續長、新秀獎得主林俐暉博士、傑出獎得主陳玉如博士、新秀獎得主胡璧合博士、孟粹珠獎學金得主謝妮恩博士、吳健雄學術基金會林明瑞執行長

「傑出獎」得主 中央研究院化學研究所陳玉如特聘研究員

  • 由美國與全球 13 個國家合作的「癌症登月計畫」,台灣隊由她領軍

在中研院化學所任職,專長儀器設計、質譜分析的陳玉如博士,因深受蛋白質體學的奧秘所吸引,跨領域由生物分子的分析,轉換跑道長期投入蛋白質體的探索,她的研究成果不僅創造領先國際之分析技術,在台灣建立世界級的蛋白質體研究技術,也提供生醫研究全新的研究路徑及轉譯經驗,進而獲得重大疾病關鍵突破。

陳玉如團隊開發了以質譜儀全面性定量細胞膜蛋白體的方法,可幫助科學家了解膜蛋白質如何造成疾病的機制,更進一步建立第一個癌症病人個人化的分析,開發疾病檢測或是藥物標靶蛋白質。以癌症為例,現在使用的癌症標識分子(biomarker)大多數是膜蛋白質。

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陳玉如博士首創全世界第一個「奈米探針質譜檢測技術」,發現癌症中血清蛋白多重結構變異作為新型癌症標誌物的實用性,成為首例以單一蛋白質多重異構物結合演算法作為新型癌症檢測技術,應用於早期癌症檢測,該技術於 2022 年獲得國家新創獎。

「我不抽菸,為什麼也會得肺癌?」這是許多亞洲國家肺癌患者共同的疑問。肺癌是全球癌症死亡的主因,即使藥物治療近年有長足的進展,存活率仍低,長期為我國癌症死亡的頭號殺手。肺癌傳統上被認為與吸菸畫上等號,但在東亞地區,不吸菸者患病的比率卻遠高於吸菸者。

為釐清不吸菸肺癌患者可能的致病機轉,2017 年,陳玉如博士主持推動與美國臨床蛋白基因體學腫瘤分析聯盟(CPTAC)合作的「台灣癌症登月計畫」,讓我國成為該計畫首度國際合作國家之一。

陳玉如認為,癌症研究的跨國分享非常重要,因為即使是同一種癌症,也會因為地域、人種及生活型態而有所差異,因此預防、檢測、治癌和預後方式可能不同。

陳博士發揮善於溝通、整合資源的人格特質,整合學術、政府資源及與醫院臨床合作,建立東亞第一個肺癌之蛋白基因體大數據,解析亞洲不吸菸肺癌患者的致病機制,開發新穎癌症精準醫療策略。該計畫利用深度蛋白質基因體技術和多體學數據整合分析,解析台灣不吸菸病人與西方不同的基因突變特徵、尋找內生性與外在環境致病機轉,並發現癌症早期出現的類晚期蛋白質分子特徵,為全世界第一個完整剖析東亞肺癌的研究。研究論文已發表於頂尖期刊《細胞》(Cell),並榮登當期封面,享譽國際。

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陳玉如博士曾任中研院化學所所長,也是有史以來第一位女所長;於 2019 年獲選全世界最大的國際性蛋白質體學術組織(HUPO)理事長,為該組織 20 年來最年輕,更是亞洲第一位女性理事長,為台灣爭取第 15 屆世界蛋白體組織會議及亞太蛋白體組織會議;2020 年受邀為分析化學領域排名第一國際期刊 Analytical Chemistry 的副主編至今,是台灣有史以來唯一獲此榮譽職位者。她也見證了各國代表在台灣宣示啟動癌症登月計畫之歷史時刻,協助台灣成為質譜學及蛋白質體學社群交流重鎮。

陳玉如博士的學術歷程及成就凸顯了唯有基礎數理研究的突破,方能以創新的分子視野揭露人類複雜疾病的成因與進展,開啟生醫學界及產業發展新穎癌症檢測的新策略。

  • 不設限、敢冒險,學習與溝通打通一關又一關

年少時喜愛作家三毛的陳玉如博士,從國中開始即養成寫日記的習慣,大學時期曾一度憧憬寫作的美好世界,成為科學家後,「寫作基因」帶給陳玉如博士敢於想像與冒險的念頭,讓她從設計質譜儀到分析 DNA,進而再挑戰以質譜儀開發更好的蛋白質體分析法,從摯愛的化學與跨領域到應用面、執行癌症醫學相關研究。

陳博士笑著說:「科學研究也是一種寫作,陳述一個完整的故事,讓人願意讀下去。」

除了如寫作敘事般建構規劃與想像,陳博士在研究上也發揮她善於溝通的特質,陳玉如博士表示,癌症研究是整合型的分析,需要蛋白體和基因分析技術、資訊分析、臨床醫學等各領域的專家跨領域合作,但要整合這麼多領域的領袖談何容易?陳玉如努力學習基因,並理解臨床醫師想問的問題及研究基因體學的科學家在做什麼,然後一起把基因和蛋白質的數據、以及臨床症狀整合、連貫起來,並不斷與不同領域的專家溝通,讓彼此互相了解,才打通一關又一關,取得研究成果。在學生眼中,積極熱情、樂於學習且執行力高的陳博士,是他們的精神領導,也是像媽媽和朋友的溫暖存在,永遠抱持正向開放的態度,鼓勵並協助他們堅持直至成功。

「新秀獎」得主 中央研究院天文及天文物理研究所林俐暉研究員

  • 用光學及電波望遠鏡觀測宇宙奧秘,她是入選台灣女科學家新秀獎的首位天文學者

林俐暉博士於中央研究院天文及天文物理研究所擔任研究員,研究著重在大尺度環境對於星系演化的影響,包括星系之間的交互作用以及星系團中星系的性質。利用多波段的天文觀測,有系統地探討星系與星系碰撞的頻率、星系交互作用期間對於恆星形成之效應,以及星系碰撞與大尺度環境的相關性。

而近年來,林俐暉博士結合地面最大電波望遠鏡 ALMA 以及光學史隆巡天計畫第四代的「艋舺」(MaNGA)觀測計畫,領導近三十位國際天文學家,進行 ALMaQUEST(ALMA-MaNGA QUEnching and STar formation)的國際合作計畫。林俐暉博士是第一位入選台灣女科學家新秀獎的天文學者。

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  • 「當你覺得別人都很厲害的時候更應該欣喜,表示自己還有進步的空間,這個世界可以更好!」正向態度讓她隨心選擇不設限

受雙親為物理學者的家庭環境薰陶,林俐暉博士雖自小接觸物理領域,但林博士的志向卻未因此設限。學生時期的她,除了是數理資優生,也喜歡古典文學,兼具理性與感性的她,一路從探索物理科學、宇宙星系到中國文學,累積了廣泛的興趣,豐富她的人生,也讓她對下一代的教育,延續原生家庭保持自由且開放的態度。此外,林博士分享印象很深刻的一句話:「當你覺得別人都很厲害的時候更應該欣喜,表示自己還有進步的空間,這個世界可以更好。」對林博士來說,有學習典範是科研路上一件很棒的事情。

近年來,林俐暉博士擔任台灣物理學會女性委員會的成員之一,為培育下一代女性科學家盡一份心力。她鼓勵有志從事科學的女性學子,除了培養足夠的熱情和興趣,更重要的是,永遠保持正向的態度。她特別感謝同事的支持,讓她投入家庭的同時,仍然可以從事研究工作。

林博士談到,期望將台灣萊雅致力推動多元共融、堅信多元化與包容性的企業精神也帶入學術界,有朝一日讓所有的女性研究員,都能無後顧之憂地投入科研工作。

「新秀獎」得主 臺灣大學電機工程學系電子工程學研究所胡璧合副教授

  • 讓人類的世界更加安全便利,她獲台積電張忠謀親自頒獎

「你在英雄電影裡看見的未來高科技,就是我們想做的事情!」胡璧合博士的研究領域為前瞻奈米電子元件及記憶體電路設計,透過元件及電路的共同最佳化,使下世代電子元件及記憶體電路表現高密度、低功耗及高能效等特性。

談到最難忘的學術成就,胡博士於交通大學智慧型記憶體及晶片系統實驗室擔任助理研究員期間,擔任國科會計畫主持人,研究鍺通道鰭式場效電晶體靜態隨機存取記憶體之讀取寫入輔助電路設計,於 2014 年獲得台灣半導體產業協會頒發博士後研究員半導體獎,並由台積電董事長張忠謀博士頒發,該獎項給予胡博士在學術研究旅程中莫大的鼓勵。

半導體產業是台灣的支柱與優勢產業,為國家經濟與安全的基石。胡博士於頂尖國際會議及重要國際期刊的發表,展現其團隊豐沛的研究能量,研究成果具學理創新及前瞻性。在產業發展部份,胡博士持續與台灣半導體科技公司執行產學合作計畫,透過加強學界與業界的接軌,在電子元件及記憶體領域持續研發創新,共同培育未來半導體產業高階人才。

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  • 她是科學家,也可以是三寶媽!

胡璧合博士出生於台灣彰化,父母皆從事傳統產業。她感謝母親與婆婆的大力支持,讓她可以在孩子幼年時當假日母親,平日則全心投入研究工作。胡博士分享:「我們一直在做調整,在孩子2歲後接回身邊,由先生負責孩子上學,再由我接送放學,在實驗室,把兩張椅子併在一起,小孩也可以睡午覺。」這是身為女科學家,努力在工作與家庭之間取得平衡的生活面貌。

累積在中央大學與台灣大學任教的經驗,胡博士發現,碩士畢業後,許多學生會選擇投入產業端工作,繼續攻讀博士的人則越來越少。即使支持學生未來發展的選擇,但多數碩士人才都投入業界的情況也形成隱憂:「台灣的半導體產業有良好的發展環境,但需要有人不斷做研究找出方向,才能往前帶動整個市場持續蓬勃發展。」

另一方面,胡博士觀察到女性在成績和研究表現上都非常好,鼓勵女學生應保持自信和平靜的心態,關注自身的狀態和成長。同時也鼓勵女性加入實驗室,相信女性細心的特質,可以帶動實驗室的工作氛圍越來越好。

孟粹珠獎學金:中央大學物理研究所博士班謝妮恩同學

  • 研究一氧化碳冰晶光脫附作用,她為天文學界提供嶄新視角

謝妮恩同學於大學三年級即進行星際冰晶在真空紫外光與 X 射線照射下的光脫附作用與光化學反應之專題研究,並在天文學相關議題研究上的表現卓越,於 2019 年獲得科技部博士生千里馬計畫與台西計畫的補助,前往西班牙馬德里皇家天文生物研究中心進行訪問研究。

期間,她師承 Dr. Muñoz Caro 進行二氧化碳紅外光譜之詳細探討,提供完整光譜數據庫與星際冰晶生成溫度歷史之參考,對於天文觀測中的分子結構標定是不可或缺的。2022 年,以第一作者身分發表論文,建立一個描述生長溫度對於一氧化碳冰晶光脫附作用影響的模型。此模型指出分子的真空紫外光吸收截面、能量傳遞深度、單層冰晶的光脫附貢獻量與有效表面積等參數須同時考慮,方能提供冰晶分子光脫附一個嶄新的視角。

謝妮恩博士展現優秀的團隊管理能力,協助指導多名碩士生和專題生,帶領團隊解決研究上的難題,並逐一完成論文。謝博士參與研討會的經驗豐富,除了台灣物理年會之外,也在國際研討會上多次獲選為口頭報告講者,曾於 2020 年第五屆亞洲分子光譜年會榮獲 LiHong Xu Award 之殊榮。優異的研究成果榮獲 2019 年吳健雄獎學金及 2021 年中技社科技獎學金(研究組),在學生眾多的理工領域獲得這份殊榮實屬不易,更是對於謝博士的一大肯定與鼓勵。

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關於台灣傑出女科學家獎

16 年來,本獎項共表揚傑出獎及新秀獎共計 49 位優秀台灣女性科學家,包括 2 位前、現任中研院副院長、多位中研院院士及大專院校教授及研究中心研究員等。

根據教育部的數據顯示,女性投考科學類組的比例持續成長,從 2007 年到 2021 年,大專院校科技類女學生占比上升了 5.5%。然而在男女受教權均等的台灣,女性投入科研領域成為科學家的比例,與全球女性科學家占比同樣只有不到三分之一,性別比例尚有很大的差距,因而仍需要持續推動鼓勵女性參與科學,盼透過「台灣傑出女科學家獎」鼓舞更多有志科學的女性投入科研,促進科學界多元發展,加速台灣科技精進。

了解更多台灣傑出女科學家獎

2023 年第十六屆台灣傑出女科學家獎得主簡介


[1] 依據遴選辦法規定,按公元單雙數年,交替輪選物質科學、數學、與資訊科學領域(公元單數年)或生命科學(公元雙數年)領域的傑出研究者。今年為公元單數年,本屆各類獎項得主皆從「物質科學、數學、與資訊科學」領域的女科學家中選出。

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