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深海的色彩

科學松鼠會_96
・2012/12/13 ・2927字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 459 ・五年級

海是什麼顏色的?

你可能在上海附近見過混雜著泥沙的黃色的海;你也可能見過因為很多浮游植物而呈現綠色的海,不過我想大多數人對於「海的色彩」這個話題,第一反應還是「藍色」。為什麼是「藍色」?海真的是藍色的嗎?

要解答這個問題,就讓我們先來看看光線在水中的傳播吧。當陽光照射在海面上時,紅光、橙光這些波長較長的光,基本上就是直接一頭紮進水中,勇往直前 直至被完全吸收。而藍光、紫光這些波長較短的光,卻是只要稍微碰壁,就會向四周散射或者反射回來,只有少量會被吸收。我們看到的大海的藍色就是這些被散射 和反射回來的藍色光。另外,紅光、橙光、黃光這些長波長的光能量較低,它們能穿透海水的距離很短,到水深100米處就被吸收得差不多了;而綠光和藍光的能 量比較高,也就能穿透更多的海水,到達大約水深200米的地方。所以海水越深,我們看到的藍色也就越深。

▲水在海水中的傳播

但,就是這些反射到我們眼睛裡的藍光矇蔽了我們,讓我們忽略了一個重要的事實——由於大多數的光線無法穿過比200米更深的水域,所以,在我們所能看到的藍色以下,還存在著一個更為廣闊的幽暗世界,那,就是深海。

地球上的海洋的平均深度是3800米,最深的馬里亞納海溝甚至深達10911米,就算把世界最高峰珠穆朗瑪峰(海拔高度8844米)填進去,也還差 2000多米無法將其填滿。然而,這佔到海洋總體積85%的巨大空間,卻長期以來處於被忽略的狀態。事實上,如果考慮到深海佔據了海洋的大部分,我們應該 說「黑色的大海」比「藍色的大海」更加確切。

不,我們也不能就此說深海就是全然的一片漆黑世界。就像宇宙空間存在著眾多發散著光芒的星辰一樣,深海也閃爍著星星點點的光芒。那是什麼?請別忘 記,地球是一個充滿了生命奇蹟的星球。深海也同樣如此。這一廣闊的空間是地球上最大的生物棲息地,也是地球上最大的生命儲存庫。到目前為止,科學家已知的 動植物種數是約200萬種,而據估計,深海中可能還有1300萬到3000萬個物種尚待我們發現。而這些生物的色彩,也構成了深海色彩的一部分。接下來, 我們就看看水深200米以下那些生物的色彩吧。

無色

在一個沒有隱蔽所可供躲藏的地方,最簡單的隱藏策略就是把自己變成透明的。大量的動物都想方設法把自己變得更加透明,讓別人難以看見。比如玻璃章魚,全身上下唯一不透明的地方就是它的腸道。而這些腸道總是維持垂直,讓其製造出的陰影減到最少。

▲玻璃章魚

而對於一些無法變得透明的部位,一些生物會使用一項叫做「發光消影」的技術,用生物光來消除不透明部分的陰影,通過調整發光器的亮度,它能把自身體 色調到與周圍環境的光線亮度一致,這也能起到「透明化」的作用。這項技術對於那些在不同水層間上下遷徙的深海生物尤其有用,能讓它們不論是在明亮的海水上 層還是幽暗的海水中層都能遊刃有餘。銀斧魚Argyropelecus olfersi和圓罩魚Cyclothone是使用這項技術的個中好手。遠在人類第二次世界大戰在飛機上利用這項技術之前,它們就早已將其利用得爐火純青 了。

然而,「道高一尺、魔高一丈」這句話在生物界中可謂屢試不爽。捕食者總有相應的策略來對付獵物的小伎倆。——某些魷魚戴著偏光鏡,可以看到那些幾乎完全透明的生物;也有一些動物戴著黃色濾鏡,這會讓對方的發光器呈現綠色從而暴露行蹤。

紅色

海洋中水深200-1000米的地帶被稱為「微光帶」,光合作用在這裡已經無法進行。但仍然存在白天和黑夜的分野。很多生活在這裡的生物都是紅色的——由於不存在可以把紅色反射出來的紅光,它們看起來就是黑色的,這讓它們得以完美地融入環境之中。

▲來自新西蘭的深海魚—橘棘鯛,一些洗髮乳含有從它身上提取的油

為什麼不乾脆變成透明的?有時候不透明也很有必要。比如說一種最近才發現的水母Lampocteis cruentiventer(意為「血紅色肚皮的水母),它的胃是深血紅色的,目的是為了掩蓋它吃進肚子裡的生物所發出的生物光,不讓自己在大塊朵頤之際 變成其他生物的獵物。

同樣,捕食者也針對這些紅色生物開發了相應的秘密武器。比如巨口魚,它能用發射紅外光的方法,去照亮這些本應消彌於黑暗中的紅色生物,讓它們再無所 遁形。由於大多數的深海魚類對紅光都不敏感,這些發出紅光的捕食者能夠得以悄悄接近獵物而不被其發現,它們簡直就像戴了夜視鏡一樣。

藍色

水深1000米以下,就再沒有任何光線可以穿透進來了。由於捕食、防衛和吸引配偶的需要,很多生活在這裡的生物都會發出藍色的生物光,為什麼呢?想 想我們剛才說的內容就知道了——因為藍光是在海中能夠傳得最遠的光,當然發藍光效果最好啦。也因為如此,這裡的大多數生物也都只能分辨出藍光。

顯眼的藍色可以成為很好的報警訊號。環礁水母在受到驚擾的時候,身上會像放焰火一樣發出一圈圈閃亮的光芒,其亮度可吸引100米外的掠食者的注意。這種焰火表演就像警鈴一樣,足以把接近它的生物嚇一大跳。不想被隨後趕來的捕食者吃掉?那還是趕緊溜之大吉吧。

▲環礁水母的煙火秀

黑色

在一片漆黑的大背景下,把自己的體色變成黑色是一件理所當然的事,幾乎和變成透明具有一樣的效果。有好幾種鮟鱇和章魚是近乎黑色的,也就不那麼奇怪 了。也有很多生物採取的是將透明與黑色相結合的策略,比如黑水母:除了透明的凝膠組織以外,它還有一個深黑色的絨布狀傘膜,兩者的配合讓它成了一個像黑洞 一般的物體,能吞噬所有觸及它的光線。

另一個值得說說的動物是凸眼玻璃烏賊。它遇到敵害的時候,首先採取的策略是通過往體腔裡注水的方法,讓自己變得透明。如果這招沒有效,它才採用烏賊 通常採用的墨汁策略,只不過一般烏賊噴墨汁是往體外噴,而這種章魚卻是往自己肚子裡噴,噴墨汁的結果就是讓自己整個變成黑色,隱入漆黑的深海當中。

▲凸眼玻璃烏賊

黃色

黃色光在深海是一種很少見的光,因此大多數深海生物都無法察覺到它。然而,屬於環節動物的浮蠶Tomopteris sp偏偏就利用了這種顏色的光作為自己生物發光的色彩。浮蠶本身的顏色並不固定,它們身體的色彩往往取決於最近吃的什麼食物。然而,那道流動於它們附肢末 端的黃色光芒卻是辨認這些動物的標誌。科學家至今不知道這種生物光的作用,這難道是它們在黑暗中辨認同伴的秘密信號?

▲浮蠶屬生物

白色

就像很多洞穴生物一樣,很多生活在深海底部的動物都由於缺乏色素而呈現出白色。它們和生活在深海中層的生物有一個很大的不同,就是它們有地方可以隱藏。海底的沙礫、以及一些固著生活的生物,都為生活在海底的生物提供了很好的隱蔽處。因此,擁有淺色的身體也就不那麼可怕了。

▲Yeti Crab,這個瓶刷子一樣的生物被翻譯成「基多長毛怪」,日本人一發現它,就立刻推出了以它為藍本的毛絨玩具,結果在市場上大賣

轉載自 科學松鼠會,作者:化石


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科學松鼠會_96
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科學松鼠會是中國一個致力於在大眾文化層面傳播科學的非營利機構,成立於2008年4月。松鼠會匯聚了當代最優秀的一批華語青年科學傳播者,旨在「剝開科學的堅果,幫助人們領略科學之美妙」。願景:讓科學流行起來;價值觀:嚴謹有容,獨立客觀


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既是科學家,也是樂團鼓手!──專訪數學物理學家程之寧

研之有物│中央研究院_96
・2022/03/11 ・5978字 ・閱讀時間約 12 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文|郭雅欣、簡克志
  • 美術設計|林洵安、蔡宛潔

在學術與搖滾的多重維度上行走

還記得美劇《The Big Bang Theory》嗎?劇中常常出現的物理名詞「弦論」,是描述物理世界基本結構的理論。中央研究院「研之有物」專訪院內數學研究所程之寧研究員,她正是研究弦論的科學家,也是熱愛音樂的搖滾樂團鼓手,這種跨領域身份並不衝突,兩邊都需要創造力與紀律。由於天生斜槓的性格,讓程之寧在數學和物理領域大展身手,透過數學的深入探討,她試圖將弦論更往前推進。最近程之寧更跨足到人工智慧領域,為學界提供理論物理上的貢獻。

中研院數學所程之寧研究員,主要研究 K3 曲面(特殊的四維空間)的弦論,她發現模函數和有限對稱群之間有 23 個新的數學關聯,稱之為「伴影月光猜想」(Umbral Moonshine)。圖/研之有物

萬有理論和難以捉摸的「月光」

世界從那裡來呢?物理世界的本質是什麼呢?回答這樣的大哉問,一直是理論物理學家所追求的目標。從牛頓力學(日常應用)、廣義相對論(探討很重的物質)到量子力學(探討很小的物質),隨著物理學不斷發展,我們似乎一步步接近答案,但至今卻還未走到終點。

舉例來說,如果有個東西很重又很小,就像「黑洞」,或是大爆炸時的宇宙,我們要怎麼用數學描述?於是科學家試圖整合廣義相對論和量子力學,找出所謂的「萬有理論」(Theory of Everything)──能完全解釋物理世界基本結構的核心理論。

程之寧研究的「弦論」就企圖發展成這樣一個萬有理論。弦論一如其名的「玄妙」,它設定宇宙所有的粒子都是由一段段「能量弦線」所組成,每一種基本粒子的振動模式不同,產生不同的粒子特性。

「人類一直以來的夢想之一就是,如果能用一句話解釋所有事情,那該有多麼美好。」中研院數學所研究員程之寧說道。

程之寧的研究牽涉到數學上的「月光猜想」(Moonshine)與弦論中 K3 曲面的連結。月光猜想是存在於模函數係數與特殊群之間的數學關聯,程之寧與其研究夥伴共發現了 23 個新的關連,並稱之為「伴影月光猜想」(Umbral Moonshine)。

基於弦論的假設,我們的世界是十維的,除了人們在日常生活中可以感知到的 3+1 維(空間+時間),還有六維是因為尺寸太小而無法用肉眼觀察的,這些看不到的維度影響著物理世界,最終也產生了我們這個物理世界所需的各種條件與特性。

綜觀程之寧的研究,橫跨了物理與數學兩個領域,她笑稱自己「天生斜槓」。在學術上,程之寧原先喜歡文學,之後卻走上數理研究的道路;在音樂上,程之寧喜愛搖滾樂,至今仍在自己的樂團裡擔任鼓手。

她如何看待自己一路走來的各種轉折?游徜在數學與物理之間,她又對這兩個領域的連結有怎樣的體會?在與「研之有物」的訪談中,程之寧侃侃而談她的經歷、想法,以及對學術研究的熱忱所在。

在弦論的設定中,宇宙所有的粒子都是由一段段「能量弦線」所組成,每一種基本粒子的振動模式不同,產生不同的粒子特性。圖/iStock
  • 請問您是如何對數學及物理產生興趣?從何時開始?

一開始考大學時,其實我想去念中文系(笑)。不過,因為我高中是選理組,而且只念了一兩年,對文科考試比較沒把握,加上對工程科系沒興趣,最後就選擇臺大物理系就讀。

後來發生兩個轉折,第一個是我很認真的去修了大學中文系的課,結果發現真的沒有想像中容易。第二個就是我發現物理系的課還蠻有趣的,像量子力學和相對論,讓我覺得還想再多學一點、多知道一點。

我開始覺得如果念完臺大物理系就停下來,好像有一種小說沒讀完的感覺,所以就想繼續讀碩士班。那時還沒有覺得自己會走上學術研究的路,單純抱著想把故事看完的想法。

  • 後來是如何接觸到弦論?弦論是如何引起您的興趣?

後來我去荷蘭念碩士,指導教授是諾貝爾物理獎得主 Gerard ’t Hooft。他其實蠻不認同弦論,但他對於如何處理量子力學與相對論很有興趣。

當時 ’t Hooft 教授在建議我碩士題目時就說:「你也知道我不太認為弦論是一條正確的道路,不過聽說弦論最近真的在量子重力這一塊有一些成果。不如妳去讀一讀,看看是不是真的有一些東西在那裡,也可以比較一下其他量子重力理論。」

在我很認真的比較各個量子重力理論之後,就變成弦論派了(笑)。’t Hooft 教授對此也保持開放態度,他有幾個不錯的博士生後來也變成弦論學家,之後我在 Erik Verlinde 的指導下念博士時,就完全以弦論為研究主題了。

  • 研究理論物理會影響您對現實世界的理解嗎?

蠻多人會問我說,妳學了量子力學,是不是就會比較了解這個世界不是非黑即白?或問我量子力學跟宗教是不是有關?可是我覺得我分得很開,我不會去做這樣的連結,我還是活在現實裡,走路時大部分都在專注於自己不要跌倒之類的。

如果真的要講,我蠻感激我們的存在,因為我所學的東西讓我知道這是沒有必然性的。我們能這樣以一種人形的很奇怪的生物的形式存在,然後在這樣一個環境過一輩子,是機率很低的事情,而且我還蠻開心我是當人,而不是奇怪的阿米巴蟲或外星生物!有些人會從這裡連結到宗教或轉世,但我不會,我就停在這裡。

  • 來談談您的研究,伴影月光猜想與 K3 曲面弦論之間是什麼關係?

弦論中有很多的可能性,我們可以挑選特定的四維,然後假設這四維空間是個 K3 曲面。例如說,我們可以把兩個甜甜圈乘起來,在上面做特殊的奇異點,來製造出一個 K3 曲面。這個曲面有一些很有趣的對稱性。從弦論的角度來講,我們可以透過這個過程,找出一個解釋為何有伴影月光猜想的框架。

「把維度乘起來」這個概念很難想像,但這在數學上是成立的。我舉例一個我們能想像的「乘起來」:如果有一個空間是一條線,另一個空間是一個圓,乘起來就變成一個圓柱形,從一個方向剖面可以切出圓,另一個方向則切出線。而在數學上,不管幾維,能不能在紙上畫的出來,都可以這樣操作。

程之寧向「研之有物」採訪團隊解釋「把維度乘起來」的概念。圖/研之有物
  • 如何透過計算,發現捉摸不定的「月光」?

有時候這看似湊巧,一個數學上的函數正好就是弦論某個問題的答案。但其實並不是真的那麼巧,弦論看起來很有彈性,好像什麼都可以解釋,但它其實有非常多結構及限制。

當我在計算一個弦論理論時,它的內部結構可能原本就具有某些特定的性質,然後我再去觀察數學中,有這樣性質的函數可能就只有一兩個,只要再初步算一下,就能知道哪一個是答案。弦論學家日常的計算常常是這樣的,所以這是巧合嗎?是也不是。

  • 您曾經發現 23 個新的伴影月光猜想,您對這類題目特別有興趣嗎?

我覺得數學有兩種,有些數學家喜歡系統性的事情,就像蓋房子一樣,在數學裡建造一個很美麗、非常有系統性的結構,可以把很多事情都放入這個結構來理解。

另一種比較少數的,就是喜歡獵奇,去收集分類奇奇怪怪的特殊東西,例如有這些性質的函數在哪裡?可能你算出來就是 5 個,你也不知道為什麼。月光猜想很明顯就屬於這一類。

兩種的樂趣感覺是不一樣的,我覺得應該都很棒,但我可能是屬於偏好獵奇的這種。

  • 您的研究連結了物理上的弦論與數學上的月光猜想,您怎麼看待這兩個知識體系的互動?

弦論是一個需要很多數學理論配合的物理理論,它是一個有點繁複的框架,我們什麼都要會一些,才能看懂這個理論。當你把許多不一樣的學門的知識加起來,有時候就會在某一個學門──例如幾何──有意想不到的收穫。

弦論在數學上也扮演探索與找尋新方向的角色,讓數學家有新的發現。雖然最後數學定理的證明還是得仰賴傳統數學方法,但在這二三十年間,我們一直從弦論身上找尋數學研究的新方向或有趣的猜想,看到了弦論與數學之間的互動。

數學家有兩種,一種人喜歡建立美麗又有系統性的結構,另一種人喜歡尋找和收集奇怪特殊的數學物件(比如函數),程之寧表示自己屬於後者。圖/研之有物
  • 剛才一開始提到,您高中只念了一兩年,是因為對學校沒有興趣嗎?

其實我一直都覺得上學很無聊。我小時候臺灣教育和現在很不一樣,一班 50 幾個人,老師必須盡量軍事化管理,大家最好都一模一樣,比較好管理。我和學校一直處於互相磨合的狀況,我自認已經努力配合學校,但學校一直覺得我在反抗,這可能是一個認知上的差別。

舉例來說,我小學的時候不想睡午覺,可是老師說大家都一定要睡午覺,不睡午覺的人要罰抄課文,所以我早上到學校時就會把已經抄好的課文交給老師。我覺得我這樣做是在配合老師的規定,可是以老師的立場會覺得我在反抗,學校教育中我遇到了很多類似的情況。

還有就是不喜歡高中的升學氛圍,同學和老師好像都只有一個活著的目標,就是「考大學」。我當時無法習慣升學氛圍,感覺好像活在平行宇宙一樣。

  • 高中休學後,您去唱片行工作,可否談談當時的想法?

我國中開始聽音樂,這是我除了看書之外的重要興趣,我也很快就喜歡上了搖滾樂。高中休學的時候,我唯一的謀生技能可能就是我對音樂的各類知識吧!所以我就去了唱片行,這是唯一一個我會做又有興趣的工作,還好那時候還有很多唱片行(笑)。

  • 對音樂的熱忱,讓您與朋友共組了樂團,並擔任鼓手。您是否比較過樂團生活和學術研究之間的異同之處?

有些人覺得我這樣很跳 tone,但我自己覺得還好。音樂和學術都是我發自內心覺得好玩的東西,兩者也有相同之處,例如它們都需要創造性,也都有需要了解的框架。數學需要嚴謹的證明,音樂演奏也需要遵循結構,例如不能掉拍。

音樂領域還有一點和數學類似──玩樂團的圈子也是以男性為主。我們樂團則是只有一個男生,其他都是女生,可能我真的天生對框架有點遲鈍,玩團之後才發現:「怎麼大家都是男生?」

程之寧表示,學術界仍有許多性別不平等問題未受重視。圖/研之有物
  • 也就是說,目前數學學術圈仍是男性主導,在研究路上,您有因為性別而感受到一些衝擊或眼光嗎?您怎麼面對?

有。那感覺很明顯,日復一日地要去面對,尤其是年紀還比較輕、還必須每一天去證明自己的能力的時候,特別有感。

我遇到時的反應就是,在心裡暗罵一句髒話,然後繼續做我要做的事。我不會想改變別人的想法,感覺那是浪費時間,就算環境給我的阻礙是這樣,我還是繼續去做該做的事。

可是有些事情沒那麼簡單,現在我也當過老師,有時候會看到年輕女生在學術界因為性別而被欺負,或遭到不公平待遇、甚至騷擾。

對此我感到心痛,覺得為何我們學術領域還是這樣的狀況?甚至為什麼性騷擾至今還是一個議題?可以確定的是,學術界許多性別不平等問題未受到重視。

  • 您現在已經有傑出的研究成果,還會因為性別而遭受質疑嗎?

我現在比較會遇到一個狀況反而是來自學生的質疑。我在荷蘭阿姆斯特丹大學教書時,有時候學生會因為我是女教授,而且我的外表在許多歐洲人眼中看起來就像小妹妹,所以比較容易去挑我的毛病。

在課堂上,下面坐的可能都是男學生,只有一兩個女學生,那個氣氛就會變得很奇怪。例如說偶爾會聽到學生評論我的身材或樣貌。

我有和其他一些在歐洲或美國的女性教授聊過這樣的問題,似乎不少人都有類似的不太愉快的經驗。感覺不是很好。

  • 看到您最近的研究和人工智慧(AI)有關,為何會想往這個方向發展?

我有兩個動機。一個就是我真的想深入了解人工智慧。我也可以像普羅大眾,看看 AI 下圍棋,讚嘆「哇!好厲害!」這樣就好,可是我覺得我一定可以真的去理解它,這可能就是數學家的自大吧!

另一方面,我知道對科學研究來說,未來 AI 將會是一個非常重要的工具。這是「在職訓練」的概念,我可能會用到這個新工具,或以後我可能會需要教這樣的課,因為學生是下一代的科學家。因為這些原因,我覺得我需要去訓練自己使用新的工具。在我的領域裡,也有一些有趣的、還沒被解答的科學問題,是 AI 有可能幫得上忙的,我看到了一些潛力。

  • 弦論和 AI 感覺差距很大,AI 也可以應用到弦論的研究嗎?

乍看之下,弦論的確比較抽象,也不像其他許多實驗會產生大量數據。但其實弦論有大量的可能性,我認為使用 AI 來在這些巨量的可能性當中搜尋特別有趣的理論,是一個有潛力能夠加深我們對弦論理解的新的研究方法。

而且 AI 的應用絕不僅限於巨量資料。如果是面對一些比較新的挑戰,在沒有現成的演算法可以用的情形之下,可以自己做出需要的功能嗎?這過程我覺得也非常很有趣,而且應該是會有成果的一條路。這種不是那麼顯而易見的事情,我覺得很有挑戰性,也蠻好玩的。

除了用 AI 來幫助物理跟數學的研究之外,我也試著物理研究當做靈感來源,找出新的 AI 的可能性,我覺得這也是一個很有趣的研究方向。我現在有和 AI 的學者合作,嘗試做出一些創新的演算法,真的還蠻有趣的。

  • AI 對您而言是全新的領域,您如何面對跨領域遇到的門檻?

一開始會覺得真的要去碰這個新的領域嗎?其實現在也還是偶爾會有這樣的懷疑。我在弦論領域可能已經是專家,但去了一個新的領域,我學得不會比二十歲的人快,要怎麼去跟人家競爭?是不是在浪費時間?

但也會想,與其想這麼多,不如先做再說。到目前為止我做了兩年多,感覺還蠻好的,我有學到東西,也有做出小小的貢獻。

其實我還蠻感激有這樣的學習機會。對我來說當科學家最大的好處就是,去搞懂一個新的東西就是工作的一部分。當科學家雖然蠻辛苦,但就結果論來說,我還蠻開心能當一位科學家!

延伸閱讀

  1. Moonshine Master Toys With String Theory | Quanta Magazine
  2. Mathematicians Chase Moonshine’s Shadow | Quanta Magazine
  3. 林正洪教授演講 一 怪物與月光(Monster and Moonshine),《數學傳播》

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