Loading [MathJax]/extensions/tex2jax.js

3

16
5

文字

分享

3
16
5

狩獵隱身巨獸:天文學家發現沉默的恆星質量黑洞?

EASY天文地科小站_96
・2021/03/01 ・3189字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 561 ・九年級

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

  • 文/林彥興:EASY 天文地科團隊總編輯,現就讀清大理學院學士班

說到黑洞,多數人對它的印象總是黑暗、神秘而難以捉摸。但去年(2020)五月,歐洲南方天文台(ESO)的團隊發表論文,宣稱他們在距離地球僅 1000 光年的 HR 6819 恆星系統中,發現了一個沉默的黑洞,同時刷新了已知離地球最近黑洞的紀錄。

一張典型的黑洞想像圖(點擊連結看GIF動圖)。圖/NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman

如何捕捉看不到的巨獸?

可是,黑洞體積又小、又不發光,這樣的天體到底要怎麼觀測得到呢?確實,想要直接看到一個不會發光的天體幾乎是不可能的任務。不過,天文學家可以從黑洞對周圍造成的影響來間接地尋找與分析它們。

舉例來說,當有物質被吸入黑洞時,會在黑洞周圍堆積成「吸積盤(Accretion Disk)」繞行黑洞。在吸積盤上,這些物質會在環繞的同時緩緩地向黑洞落去,將損失的重力位能以摩擦、碰撞、磁場等各種方式轉變成各種波段的電磁波、宇宙射線散發出去。此外,黑洞還可能藉由磁場或一種稱為「潘羅斯過程(Penrose Process)」的機制,將物質以接近光速的高速向黑洞的兩極噴出,產生「相對論性噴流(Relativistic Jets)」,並以同步輻射發射出無線電波。黑洞本身雖然不發光,但它與周圍物質交互作用時,卻能夠發出橫跨各種波段的強烈的光線。

黑洞「進食」時的典型狀態。圖/C. Goddi, Z. Younsi, J. Davelaar/M.Kornmesser/ESO   / C. Goddi et al. 2019, The Messenger, 177, 25  / Event Horizon Telescope Collaboration

但如果黑洞沒有在吸入物質,那黑洞就真的不會發出什麼光線了。這時候,天文學家往往只能靠著黑洞的重力對周圍星體造成的影響來尋找它們。最著名的例子當數根策爾(Genzel)與蓋茲(Ghez)兩組團隊,從 1990 年代開始利用甚大望遠鏡與凱克天文台進行觀測,發現銀河系中心恆星繞行著一個望遠鏡看不見、直徑不到 125 天文單位,但是卻擁有約四百萬太陽質量的星體運動,成為黑洞存在的一大重要證據,因此獲得 2020 年諾貝爾物理獎的殊榮。

這次用於發現 HR 6819 系統中黑洞的方法,與上述發現銀河系中心超大質量黑洞的方法原理類似,但是在細節上有諸多不同。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

鎖定目標:HR 6819!

HR 6891 在天空中的位置圖。圖片中的實線格線標記的是赤經(單位是小時)與赤緯(單位是度);虛線格線標記的是各個星座的區域;星點的大小代表了星體的亮度;而 HR 6819 就位於望遠鏡座的西南角。圖/ESO, IAU and Sky & Telescope

HR 6819 是一顆位於望遠鏡座(沒錯,真的有這種奇葩星座)的變星(編按:即從地球上觀察,其亮度(視星等)有起伏變化的恆星),視星等在 5.32 到 5.39 之間變動。這個亮度約與天王星最亮時相當,可以在沒有光害的地區用肉眼直接看到。只可惜它的位置相當接近天球南極(赤緯約為 -56 度),因此它不僅出現在地平面以上的時間少,即使出現了仰角也總是低於十度,在台灣相當難以觀測。不過要是有機會到南半球旅遊,就可以試試尋找它的身影。

乍看之下,HR 6819 只是一顆普通的明亮恆星。但魔鬼總是藏在細節中,天文學家在仔細分析了 HR 6819 的光譜之後,發現這個它的光譜中居然有兩組各自獨立的吸收譜線。這代表,HR 6819 應該是一顆雙星──也就是由兩顆恆星互相繞行組成的系統。而我們之所以只看到一個光點,是因為組成 HR 6819 的兩顆恆星距離實在太近了,沒有任何的望遠鏡可以將兩顆星解析開來。這樣的天體,被稱為「光譜雙星(spectroscopic binary stars)」。

光譜雙星示意圖。不同類型的恆星都有各自獨特的光譜特徵。因此當兩顆恆星雖然互相繞行,卻因為繞行得太近使得天文學家沒辦法直接從影像中看出這是兩顆星時,使用光譜進行分析就是判斷這個天體究竟是不是雙星的好辦法。圖/Wikipedia

而當雙星中的兩顆恆星互相繞行時,他們的軌道速度就會使兩組光譜各自發生都卜勒頻移。藉由觀測兩組光譜如何移動,天文學家就能夠反推出兩顆恆星的運動速度、公轉週期、兩顆恆星各自的質量[1]等資訊。

光譜雙星示意影片。恆星的譜線會因為都卜勒效應而平移。(Spectroscopic Binary Star

結果,當天文學家們仔細一看 HR 6819 的光譜,卻發現事有蹊俏:如果它真的是一顆雙星,那兩組吸收譜線的的移動方向應該要是相反的(正如上方的影片所展示的,當一顆恆星在接近地球的時候,另一顆必然在遠離)。但他們看到的卻是一顆恆星的譜線以大約 40 天的週期變化,但另一顆恆星的譜線卻幾乎沒有任何移動。這是怎麼一回事呢?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

他們提出的解釋是:HR 6819 並不是一個雙星,而是一個階層式的三星系統(hierarchical triple)!

三星系統的中心,是由一顆恆星與一顆黑洞組成,週期約 40 天的雙星系統。而在更遠處,還有另一個恆星環繞著這個雙星運行,因此被稱為「階層式」的三星。看起來沒有變化的那組譜線,來自系統中最外側、軌道週期最長的那顆恆星。因為它的軌道週期長、移動速度慢,所以在觀測的時間中幾乎沒有任何速度變化;而三星系統的中心,與黑洞互相繞行的那顆恆星,則產生了那組變化週期 40 天的譜線。如此一來,不僅漂亮的解釋了奇怪譜線的謎團,更令人興奮的是,這將會是史上觀測到離地球最近的黑洞!

HR 6819 系統「想像」圖,由兩顆恆星與一顆黑洞組成的三星系統。圖/ESO/L. Calçada

對這篇論文的質疑

然而,事情並沒有這麼簡單。

這篇由歐南天文台的天文學家 Th. Rivinius 為首的團隊所撰寫的論文(簡稱 Rivinius et al. (2020))自 2020 年五月刊登在天文與天體物理學報(A&A)上短短半年多的時間裡,就有五篇正式發表在一流天文物理期刊(ApJ、MNRAS、A&A等)的論文反駁 Rivinius et al. (2020) 的說法。有些人重新分析 HR 6819 的光譜資料,認為看似沒有發生都卜勒效應的那組譜線實際上是有移動的,因此 HR 6819 應該只是個普通的光譜雙星 [2] ;有些人藉由理論模擬,發現考慮恆星演化的過程,要出現像是 HR 6819 這樣包含黑洞的系統是相當困難的 [3] 。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

HR 6819 真的是一個包含黑洞的三星系統嗎?現在看來,有可能不是。但在追尋答案的過程中,天文學家們也更仔細而深入的探討了我們對雙星、恆星與黑洞演化的理解,完善了各種分析與模擬的工具,並對未來類似資料的分析提供了重要的範例。科學正是在這樣的過程中,不斷演進。

註解

[1] 嚴格的說,一般情況下單憑軌道週期的分析只能得到整個系統的質量函數,詳情參閱 Binary mass function

[2] Is HR 6819 a triple system containing a black hole?. An alternative explanation

[3] The Nearest Discovered Black Hole Is Likely Not in a Triple Configuration

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

延伸閱讀與參考資料

  1. ESO Instrument Finds Closest Black Hole to Earth | ESO
  2. A naked-eye triple system with a nonaccreting black hole in the inner binary
  3. 邵思齊。〈在事件視界望遠鏡前, 人們怎麼觀測黑洞?〉。科學月刊。https://www.scimonth.com.tw/tw/article/show.aspx?num=2476
  4. 歐柏昇、蔡松翰、陳科榮。〈2020諾貝爾獎——黑洞存在嗎?〉。https://pb.ps-taiwan.org/catalog/ins.php?index_m1_id=5&index_id=622&fbclid=IwAR2_NipRGChtiECq4CbKjhxclsxNyAg-lUPq4cgG9RTlMNedfUxd2iR2D5o
  5. AAS NOVA: “Casting Doubt on a Nearby Black Hole”
-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度
所有討論 3
EASY天文地科小站_96
23 篇文章 ・ 1575 位粉絲
EASY 是由一群熱愛地科的學生於 2017 年創立的團隊,目前主要由研究生與大學生組成。我們透過創作圖文專欄、文章以及舉辦實體活動,分享天文、太空與地球科學的大小事

0

2
0

文字

分享

0
2
0
從門得列夫到 118 種元素:元素週期表是怎麼出現的?
F 編_96
・2025/01/04 ・2302字 ・閱讀時間約 4 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

F 編按:本文編譯自 Live Science

「氫鋰鈉鉀銣銫砝、铍鎂鈣鍶鋇镭…」相信很多人離開高中很多年,都還朗朗上口。

列著 118 種已知化學元素的「元素週期表」(Periodic Table),雖然唸起來像咒文,但有了它之後便能夠快速查詢原子序(proton number)、價電子(valence electrons)數量,以及元素可能的化學性質,成為各領域科學家與工程師設計實驗、預測物質反應必不可少的工具。

有趣的是,元素週期表並非一蹴可及。縱觀歷史,化學家們歷經數世紀的摸索、爭論與資料整理,才在 19 世紀後半葉逐漸確立。

我們現在看到的元素週期表,是在 19 世紀後半才逐漸確定。 圖/unsplash

週期表之父:門得列夫的突破

19 世紀中葉,已知的化學元素約有 63 種,許多化學家嘗試找出元素間的共同點,卻苦無系統性整理。當時能區分「金屬」與「非金屬」,或利用價電子概念將一些元素歸類,但要涵蓋大多數元素仍顯不足。俄國化學家門得列夫在撰寫《化學原理》教科書時,因接觸各元素的資料而產生新思路。他索性把已知元素各種性質寫在紙卡上,再一一比對它們的原子量(類似當今的原子量或原子序概念)與化學性質。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

確切的靈光乍現時刻,如今已無從完全重現,但我們知道門得列夫最後觀察到:「如果按照原子量(或後來的原子序)由小到大排列,某些化學性質就會呈週期性重複。」進一步來看,元素的價電子數量通常也會對應到表格的「欄位」或「族群」。於是,在 1869 年,他將研究結果發表,提出了第一版週期表的雛形,更大膽預言了尚未被發現的元素「eka-aluminium」(後來證實即鎵 gallium)及其他四種元素的性質。

讀懂週期表:原子序、符號與原子量

今日的週期表之所以能快速讓人獲得豐富資訊,關鍵在於三個核心欄位:

  1. 原子序(Atomic Number)
    代表該元素核內所含質子數。如果一原子核有 6 顆質子,就必定是碳(C),無論其他中子或電子數如何。此序號由上而下、由左而右遞增,貫穿整張表格。
  2. 元素符號(Atomic Symbol)
    多為一至兩字母縮寫,如碳(C)、氫(H)、氧(O)。但也有如鎢(W,因「Wolfram」得名)或金(Au,取自拉丁文「Aurum」)等較不直覺的符號。
  3. 原子量(Atomic Mass)
    表示該元素在自然界中各同位素的加權平均值,故通常是帶小數的數字。對合成元素則標示最常見或最穩定同位素的質量,但由於這些元素壽命極短,數值往往會被不斷修正。

舉例來說,硒(Se)在週期表中顯示原子序 34,屬於第 4 週期、第 6A 族,表示它有四層電子軌域,其中最外層(價電子層)有 6 顆電子。有了這些資訊,科學家可快速判斷硒的化學傾向、可形成何種化合物,乃至於在生物或工業應用中可能扮演的角色。

週期表的內部結構:週期、族與軌域

門得列夫最初按照原子量遞增排列元素,現代則依靠原子序(即質子數)來分類。橫向稱為「週期」(Period),從第 1 週期到第 7 週期;縱向稱為「族」(Group),目前總共有 18 組。週期數量在於顯示該元素電子軌域有幾層;而同一族則代表外層價電子數相同,故有相似化學性質。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

例如,第 18 族常被稱作「貴氣體」或「惰性氣體」,如氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)等皆不易與其他元素起反應。另一個顯著群體是位於第一族的鹼金屬(Alkali Metals),如鋰(Li)、鈉(Na)等,因外層只有 1 顆電子,極容易失去該電子而形成帶 +1 價的陽離子,故與水猛烈反應。

此外,在表格中央有一塊「過渡元素」(Transition Metals)區域,包括鐵(Fe)、銅(Cu)、鎳(Ni)、金(Au)、銀(Ag)等。它們具有部分填充的 d 軌域,使得該區域的元素呈現多樣性質,例如具有金屬光澤、可塑性或導電性等,被廣泛應用於工業及工程領域。

同一族的外層價電子數相同,因此大多有著相似化學性質。圖/unsplash

再進化:從 63 種到 118 種

當門得列夫在 1869 年發表週期表時,已知元素只有 63 種,表格中甚至留有空白以預留「未來或存在尚未發現的元素」。他果然預測到了鎵(Ga)以及日後證實的日耳曼ium(Ge)等新元素性質,贏得舉世矚目。隨後,有越來越多元素透過科學發展,尤其是光譜分析與放射性研究而被發現,例如鐳(Ra)和氡(Rn)等。

到 20 世紀後期,隨著粒子加速器的誕生,人類可以合成更重的超鈾元素(Atomic Number > 92)。這些人工合成元素往往極度不穩定,壽命僅能以毫秒或微秒計,但仍證實存在、並填補週期表後段空白。如今,週期表已收錄到第 118 號元素「鿆(Og,Oganesson)」,但科學家預測或許還能繼續向上延伸;只要能合成更重、更穩定的原子核,我們就能拓展週期表的新邊境。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

一般認為,隨原子序遞增,原子核內部的質子數目激增,原子愈趨不穩,往往在極短時間內衰變成較輕元素。然而,一些理論物理學家提出「島狀穩定性」(Island of Stability)的概念:也許在某特定質子與中子數量組合下,能出現意外長壽的「穩定」重元素。

是否真能在表格上方再增添「第八週期」甚至更高週期的列,仍有待更多實驗來驗證。但無法否認的是,週期表一直是科學家檢驗自然規律的試驗場,也見證了人類探索未知的無盡熱情。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

討論功能關閉中。

F 編_96
22 篇文章 ・ 1 位粉絲
一個不小心闖入霍格華茲(科普)的麻瓜(文組).原泛科學編輯.現任家庭小精靈,至今仍潛伏在魔法世界中💃

0

1
0

文字

分享

0
1
0
人類的「長跑」很厲害?靠「跑」在荒野中脫穎而出
F 編_96
・2024/12/26 ・3048字 ・閱讀時間約 6 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

F 編按:本文編譯自 Live Science

在美國加州死亡谷(Death Valley)「魔鬼鍋爐」般的炙熱溫度下,每年夏天都舉行一場被稱為「世上最極端越野賽」的經典賽事:Badwater 135。選手需在攝氏 49 度、下方為北美洲海拔最低的地帶上,跑步或走完 217 公里的山路,一路衝向位於美國本土最高峰(聖女峰)附近的終點。這聽來猶如天方夜譚,但每年仍有近百人勇敢挑戰。許多四足動物在此高溫下可能早已中暑倒地,為何人類卻能憑藉一雙腳在此環境中堅持下去?

事實上,速度上我們遠不及同等體型的動物,例如豹或馬,然而要比拼耐力,人類卻常能大放異彩。我們能在大草原中與野生動物「天荒地老」地消耗,即使我們在短程衝刺中會被輕易超越,仍可以憑藉馬拉松般的堅韌一路追趕,最終讓速度更快的對手因高溫與疲勞而甘拜下風。究竟人類為何會進化出這般特殊的耐久力?。

在跑步上,人類以耐力著稱,可透過拉長距離讓速度更快的動物因高溫與疲勞而屈服。圖/envato

人類長程奔跑的演化起源

人類的體質在遠古時期並非天生就能輕鬆長跑。據一種假說推測,大約 700 萬年前,類人猿的祖先於非洲開始「離開樹梢」,轉而在地面上覓食、移動。早期的兩足行走雖然看似笨拙,卻逐漸在持續的氣候變遷與草原化過程中展現優勢:

  1. 更廣闊視野:直立行走時,頭部位置提高,有利於觀察周遭環境,提早發現危險或獵物。
  2. 省力遷徙:兩足步態下,移動同樣距離所需能量相對降低,足以在開闊平原上長距離跋涉。

隨著數百萬年的進化,人科動物(hominids)在骨骼、肌肉與生理機制上更趨於適應長時間行走和奔跑。他們在廣袤的非洲大地上,並非以速度壓倒對手,而是依靠「耐力與持久追蹤」取得優勢。考古學家曾提出「持久狩獵」(Persistence Hunting) 的假設:古人類可能利用高溫時段在大草原上追趕羚羊或其他動物,待獵物體溫過熱而力竭之際,人類再上前制伏。一方面依靠長距離奔跑耐力,另一方面倚仗強大的散熱能力。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

足部與下肢結構:為奔跑而生的細節

哈佛大學的人類演化生物學家丹尼爾‧李伯曼(Daniel Lieberman)指出,人類的奔跑能力「從腳趾到頭頂」都有演化專門化的痕跡,稍加留意便能發現許多奧祕。

  1. 短腳趾與足弓結構
    • 人類的腳趾較短,是為了減少長距離奔跑時的折損機率。若腳趾過長,每次著地都更容易造成骨折或扭傷。
    • 足弓(包括足底肌腱與韌帶)則具備彈簧般的功能,可在踩踏地面時儲存彈性能量,接著釋放推力,減少肌肉能量消耗。
  2. 強力肌腱與韌帶
    • 跟腱(Achilles tendon)和髂脛束(IT band)都能吸收並釋放大量彈力,在跑步時有效節省體力。
    • 透過肌腱的彈性能量回饋,跑者在每一步落地與蹬地之間,都能減少額外的肌肉耗損。
  3. 臀部肌群的角色
    • 人類相較於猿類擁有更發達的臀大肌(gluteus maximus),能夠穩定軀幹,使身體不致向前傾斜或晃動得過於劇烈。
    • 這種「穩定性」非常關鍵,它能支撐直立姿勢,維持跑步時的協調和平衡。
人類發達的臀大肌穩定軀幹,得以支撐直立姿勢,提升跑步時協調與平衡的能力。圖/envato

軀幹與上肢:不容忽視的穩定器

奔跑並不只是腿部的事。上半身及頭部在跑動中也扮演著不可或缺的穩定與協調角色。

  1. 擺臂對頭部穩定的影響
    • 當我們在跑步時,雙臂自然擺動,有助於平衡腿部擺動帶來的轉動力矩;換言之,手臂的擺動能對沖下肢動量,讓我們在快速移動時仍保持穩定,頭部不至於過度搖晃。
    • 猿類上肢肌肉發達,卻沒有像人類一樣的大範圍肩關節「解耦」特性(能讓肩膀與骨盆分開晃動、頭部保持前方視線),這使得牠們在直立奔跑時更顯笨拙。
  2. 脊椎靈活度與呼吸節奏
    • 人類的脊椎與骨盆並非僵直連接,跑步時,骨盆能與肩部做出相對扭轉運動,使軀幹整體更靈活。
    • 這種結構也幫助人類在奔跑過程中匹配呼吸節奏:腳步落地的頻率能自然與肺部換氣形成同步節拍。

冷卻系統:靠「排汗」征服烈日

人類藉遍布全身的汗腺大量排汗散熱,透過蒸發有效降低體溫。人類藉遍布全身的汗腺大量排汗散熱,透過蒸發有效降低體溫。圖/envato

在非洲大草原上奔跑,面臨的最大挑戰之一便是高溫。人類為何可承受長時間高溫壓力,甚至能在午後與動物「耐力大戰」?

  1. 排汗與體溫調節
    • 大多數動物主要依賴氣喘(如狗的哈氣)或有限的汗腺冷卻。人類則擁有遍布全身、數量龐大的汗腺;這使我們可藉由大量流汗帶走熱量,再透過汗液蒸發達到降溫效果。
    • 雖然我們也會因此流失水分與電解質,但只要能適度補充,便能持續散熱。而某些大型哺乳動物,在持續奔跑一段時間後,往往因過熱而只能停下休息。
  2. 無毛皮膚與蒸發效率
    • 相較於其他哺乳類,人體毛髮主要集中在頭部與部分身體區域,大片皮膚裸露,有助於排汗時的蒸發散熱。
    • 這種「裸皮」極可能是長距離奔跑與日間活動的選擇性演化結果,確保人類能在炎熱的白天進行移動或狩獵,而不因過熱而必須在陰涼處長時間停留。

呼吸方式:維持長距離的關鍵

另外值得注意的是人類高效率的呼吸節奏。四足動物在奔跑時,呼吸通常與四肢步態高度耦合,比如馬或犬類在衝刺中必須配合四肢的震動節奏吸氣和吐氣,較難隨意變換節拍。而人類因直立姿態,使得呼吸與跑步步伐能保持更大程度的自主調控。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
  • 獨立呼吸調節
    • 能依跑者自主需求來決定吸氣與吐氣的頻率,不一定要剛好配合腿部的落地次數。
    • 這讓人類在長時間奔跑或耐力賽中,能以相對節能的方式調節氧氣和二氧化碳的交換量。
  • 嘴巴與鼻子的雙重進氣
    • 為支撐長時間有氧運動,跑者多半會同時用鼻子與嘴巴呼吸,以便快速補充氧氣並排出二氧化碳。
    • 相較之下,某些動物在喘氣散熱時犧牲了進氣效率,一旦體溫飆升,便難以同時維持高強度奔跑。

即使進入現代社會,大多數人不必再於烈日下持久追蹤獵物,我們仍可在馬拉松、越野超馬等各式比賽中看見古老遺傳「跑步基因」所迸發出的潛力。從波士頓馬拉松、超級鐵人三項,到極端氣候下的 Badwater 135,人類透過持續的鍛鍊與後勤補給,一次又一次突破極限。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

討論功能關閉中。

F 編_96
22 篇文章 ・ 1 位粉絲
一個不小心闖入霍格華茲(科普)的麻瓜(文組).原泛科學編輯.現任家庭小精靈,至今仍潛伏在魔法世界中💃

0

1
1

文字

分享

0
1
1
運動員的大腦跟一般人不一樣?從腦科學看體力之外的奪冠秘笈
F 編_96
・2024/12/17 ・2098字 ・閱讀時間約 4 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

F 編按:本文編譯自 Live Science

是不是常聽人家講「運動天賦」?這種天賦到底是什麼?運動員哪裡跟我們不一樣?這個問題現在科學家或許可以給你一個答案。近年透過腦科學研究發現,運動員的大腦與普通人的大腦存在顯著差異,這些差異塑造了他們在比賽中的敏捷反應、精確動作及卓越判斷能力。

所以現在運動選手不只比體力,還要比腦力了嗎?這些差異具體差在哪裡?

快速反應:視覺處理能力

在團隊運動如足球或籃球中,快速處理視覺資訊並作出決策對勝負至關重要。一項 2013 年發表於《Scientific Reports》的研究發現,職業運動員比起業餘運動員或一般人更擅長處理動態視覺場景,例如追蹤快速移動的物體。這種能力能夠幫助運動員在瞬間解讀賽場上的複雜資訊,並迅速做出反應。

擁有快速的視覺處理能力,對團體運動來說至關重要。圖/envato

視覺處理能力的測試還可用於判斷運動員是否適合回歸賽場,例如在傷後復健階段,確保運動員在完全恢復判斷能力之前不會貿然上場。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

肌肉記憶:動作的自動化編程

對於體操選手或跳水運動員而言,肌肉記憶是完成複雜動作的關鍵。2023 年《Journal of Neuroscience》的一項研究表示,大腦如何通過訓練快速「壓縮」和「解壓縮」動作資訊,最終將動作序列整合成一個流暢的過程。這種訓練過程使運動員能夠無需刻意思考,便能完美執行複雜動作。

肌肉記憶的形成依賴於大腦皮層神經元的網絡活動,這種神經編程能力也同樣適用於訓練有素的音樂家或舞蹈家。

預測能力:球場上的決策利器

運動員擁有卓越的預測能力,例如棒球擊球手能根據投手的動作,快速判斷球的速度與方向。2022 年發表於《Cerebral Cortex》的研究發現,當擊球手預測投手的投球軌跡時,大腦左腹側顳葉皮質的神經元活動會根據預測結果而改變。

這種高效的預測能力源來於運動員在比賽中,學會透過關聯視覺線索與物體運動軌跡的技能。研究還發現,潛水選手等專業運動員的大腦中與動態運動解讀相關的區域,如上顳溝(STS),比普通人更厚,這也反映了運動訓練對大腦結構的塑造。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

平衡與空間感:身體控制的高峰

對體操選手來說,擁有非凡的平衡感與空間感知能力,兩者缺一不可,而這在科學上被稱為「本體感覺」(proprioception)。位於小腦的神經網絡讓運動員能迅速調整身體姿態,即使在空中失誤也能及時修正動作。

對體操選手來說,平衡感與空間感知能力非常重要。圖/envato

然而,當這套「安全網」失靈時,可能導致嚴重後果。如 2020 年東京奧運中,體操選手西蒙·拜爾斯(Simone Biles)因「扭轉失靈」而一度無法控制動作,凸顯了平衡能力在高風險運動中的重要性。

注意力與認知靈活性:多任務處理的關鍵

團隊運動要求運動員能快速在不同思維模式間切換,例如足球選手需在控球時預測對手動作並調整策略。2022 年《國際運動與運動心理學期刊》的一項研究顯示,運動員,特別是參與高強度間歇訓練的選手,擁有更強的認知靈活性和注意力分配能力。

研究也指出,這些能力的提升可能與長期訓練相關,但確切機制仍需進一步研究。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

抗衰老的秘密:運動對老年大腦的保護

這些運動訓練對大腦的影響,可不是只有相關區域的提升。運動對大腦健康的影響,可能會持續一生。一個典型例子是加拿大田徑選手奧爾加·科特爾科(Olga Kotelko),她在 95 歲時仍保持驚人的腦部健康,其白質結構完好程度甚至接近比她年輕三十多歲的普通人。科學家認為,持續的運動訓練可能是她保持記憶力與認知敏銳的原因之一。

運動不只是對身體的鍛鍊,對維持大腦健康也有影響。圖/envato

下一代的訓練策略:腦力與體力並重

隨著運動科學的不斷進步,科學家也開始呼籲教練更注重對年輕運動員的腦部訓練,例如提升記憶力與決策能力。西悉尼大學的運動科學家凱莉·斯蒂爾(Kylie Steel)指出,運動員的身體或許會訓練至極限,但在認知能力上仍擁有巨大的潛力提升。例如,足球訓練中可以鼓勵球員使用非慣用腳進行射門,以提升大腦靈活性,幫助他們在成年後更加出色地應對比賽挑戰。

近年研究讓我們重新認識了體育訓練對人體的深遠影響,運動改變的不僅是肌肉,還包括大腦。從視覺處理到肌肉記憶,再到抗衰老的腦部結構,透過運動與科學的結合,將為未來的運動員開啟全新可能性,也提醒我們,持續鍛煉不僅益於身體,也有助於大腦的健康。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

討論功能關閉中。

F 編_96
22 篇文章 ・ 1 位粉絲
一個不小心闖入霍格華茲(科普)的麻瓜(文組).原泛科學編輯.現任家庭小精靈,至今仍潛伏在魔法世界中💃