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未來可能會有這個職業嗎?創造創意與美感兼具的發明:未來藝術家——《拯救地球的工作者》

和平國際
・2022/11/05 ・1731字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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編按:現在的生活瞬息萬變,在未來的世代,可能會出現許多你想都沒想過的職業。讓我們與孩子一起發揮想像力,你覺得未來會有什麼樣的職業出現呢?

未來藝術家:創意的發明或許也是一種藝術

未來藝術家大賞總決賽即將開始,這個獎項是為了獎勵最有創意及具有藝術感的科學家。現在已經廝殺到總決賽的階段了,評審團必須從三件「作品」中選出首獎。這三件作品截然不同,但是都很創新,每位參賽者會發表演說,談談自己的創作理念,盡可能說服評審。

丹尼第一個發言,主題是手拿顯微鏡的大廚:「大家想像一下,把試管想成鍋子,把滴管想成湯勺,把蒸餾器想成烤箱,科學家不也是在做菜嗎?我在廚房實驗室調配無數特殊風味的菜餚,帶給大家前所未有的感官享受,有醣、碳水化合物,也有蛋白質,融合出全新的味道。我最自豪的藝術品是『植物肉』!吃起來就像肉,卻是在實驗室用馬鈴薯和大豆合成的。」

手拿顯微鏡的大廚。

第二位參賽者是莉雅,會不會有更驚人的作品呢?莉雅以「大自然設計師」為主題開始介紹:「超強力貼紙的靈感來自章魚的吸盤,火車頭是仿造鳥喙的形狀,超強光線感測器神似蝗蟲的眼睛。動、植物是豐富的生物圖書館,總會激發創意靈感。我的成名之作是這件『隱形斗篷』!我長年研究變色龍,研發出一種會隨著環境變色的布料。」

大自然設計師。

觀眾席的驚叫聲不絕於耳,現在輪到安妮塔上場了,她的主題是「微型雕塑家」。

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「你們有聽過奈米科技嗎?我運用最先進的顯微鏡,每天研究分子碎片,小到奈米量級,比髮絲纖細十萬倍。我運用科學為藝術服務,善用奈米粒子修復古老大理石雕像,以及受汙染侵蝕的神廟,終於有新工具可以拯救偉大的藝術遺產了。」

微型雕塑家。

比賽結果就快揭曉了,誰會是贏家呢?倒數計時,三、二、一……大型計分牆竟然顯示:平手!這是未來藝術家大賞第一次出現三位冠軍。

丹尼、莉雅和安妮塔開心相擁。等你長大,說不定也會成為未來藝術家喔!

未來藝術家的工具組

動態雕塑、磁吸繪圖、隨時間變換的調色、特殊眼鏡,都是未來藝術家的工具,將帶領我們體驗未知。未來數十年的藝術將會大洗牌,未來藝術家早已蠢蠢欲動,準備大顯身手,大膽的實驗和創作!

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什麼是科學料理?

科學料理的精髓在於「食譜藝術」,以生物化學的專業知識為基礎。目前最先進的研究莫過於研發人造肉,改善肉品產業密集的畜牧行為,提供更尊重環境和動物生命的替代產品。

什麼是生物統計學?

生物統計學是仿效生物的特徵(包括動、植物)來改善人類既有的科技,其中最著名的成品有新一代黏著劑、特殊顏料、先進布料。

什麼是奈米科技?

奈米科技是新的研究領域,善用極其微小的物質來設計特別輕盈的材料或肉眼看不見的裝置,工業用途廣泛。

未來藝術家要有的能力

○ 跳脫框架思考

○ 想像力

○ 具有觀察精神

○ 同理心

○ 美感

○ 有團隊合作的精神

——本文摘自《拯救地球的工作者》,2022 年 10 月,和平國際出版,未經同意請勿轉載。

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和平國際
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超壓縮的水會變成冰?!二維奈米薄冰能在室溫下穩定存在嗎?有什麼用途?——專訪中研院原分所謝雅萍副研究員
研之有物│中央研究院_96
・2024/03/10 ・4907字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 採訪撰文|張琬婷
  • 責任編輯|簡克志
  • 美術編輯|蔡宛潔

水能被擠壓成冰?

水在攝氏零度以下會結冰。然而,當水被擠壓到極限時,會形成二維的奈米薄冰,不僅室溫下穩定存在,還有從未見過的鐵電特性(Ferroelectricity),而石墨烯則是實現這種擠壓條件的關鍵。中央研究院「研之有物」專訪院內原子與分子科學研究所的謝雅萍副研究員,她與我們分享了實驗室如何意外發現這層特殊的二維薄冰,以及團隊如何利用二維薄冰的鐵電特性製作有記憶電阻功能的奈米元件,研究成果發表在科學期刊《自然通訊》(Nature Communications)。

奈米尺度下,物質特性會跟著改變?

謝雅萍的主要研究題目之一就是合成新穎的二維材料,這是奈米科技的領域。奈米是什麼?奈米(nanometer)是長度單位,即 10-9 公尺,一根頭髮的直徑長度約為 1 奈米的十萬倍。奈米尺度之下,很多物質的特性會隨之改變,最常見的例子是「蓮花效應」,因為蓮花葉上具有奈米等級的表面結構,為蓮葉賦予了疏水與自我清潔的特性,髒污與水珠都不易附著在蓮葉上。

電腦模擬圖(左)和實際照片(右),蓮葉上密集的微小突起,讓大顆的水珠和灰塵不易附著,這讓蓮葉具有疏水與自我清潔的特性。
圖|William ThielickeGJ Bulte

奈米材料(nanomaterial)是指三維尺寸的材料,至少有一個維度的尺寸小於 100 奈米。只縮小一維,就是平面的二維材料(2D),例如石墨烯;縮小兩個維度,就是奈米線(1D);三維都縮小,就是零維的奈米顆粒(0D)。

奈米科技(nanotechnology)的概念最早可追溯到 1959 年美國物理學家理查費曼(Richard Feynman)在演講中提出的願景「為什麼我們不能把大英百科全書全部寫在一根針頭上呢?」。1974 年日本科學家谷口紀男則是首度創造「奈米科技」這個詞的人,他認為奈米科技包括原子與分子層次的分離、固定與變形。

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過去有不少科學家嘗試奈米材料的研發,但受限於製造技術不成熟,而無法順利製作出精細製程的奈米材料。1981 年,在掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope, STM)發明之後,不僅有助於材料的微觀分析,操縱單個原子和分子也成為可能,奈米科技也逐漸實現。

2013 年 IBM 研究人員使用 STM 顯微鏡將上千個一氧化碳分子製作成原子等級的動畫「男孩與他的原子」,目前是金氏世界紀錄最小的定格影片。

無處不在的奈米科技?

我們生活周遭的奈米科技俯拾即是,從大賣場商品到半導體產業的電子元件都有。謝雅萍舉例:防曬霜之所以是白色,是因為裡面有二氧化鈦的奈米顆粒;許多塗料與噴漆亦會以奈米添加物,來增進耐蝕、耐磨、抗菌與除汙的特性,例如汽車鍍膜或奈米光觸媒;羽球拍或牙醫補牙會使用奈米樹脂,讓球拍和補牙結構更堅固。

至於半導體產業,奈米科技更是關鍵。透過縮小元件尺寸以及調整奈米元件的幾何形狀,以便於在單一晶片上乘載更多電晶體。「當今的電晶體大小皆是奈米等級,製作電子元件就等同在處理奈米科技的問題」,謝雅萍說道。

IBM 展示 5 奈米技術的矽奈米片電晶體(nanosheet transistors),圖中堆疊起來的一顆顆橢圓形結構是電子通道的截面,IBM 設計立體結構以因應愈來愈小的元件尺寸。
圖|IBM

實驗中的難題,反而促成驚奇發現?

鐵電性是什麼?二維奈米薄冰有哪些可能的應用方式?

對謝雅萍來說,發現二維的奈米薄冰是個意外的驚喜。最初謝雅萍團隊其實是要製作以石墨烯為電極的開關,畢竟石墨烯是實驗室的主要研究項目,理論上當兩層石墨烯很靠近時,分別給予兩端電壓會是導通的「ON」狀態,沒電時就是斷開的「OFF」狀態。

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然而,實驗過程中團隊卻發現當電壓為零時,石墨烯開關仍會導通,甚至要給予負電壓時才會成為 OFF 狀態。這個奇特的現象讓研究團隊苦惱許久,嘗試思考了各種可能性,但都無法完善的說明此現象。

「原本以為實現石墨烯開關應該是一件能夠很快完成的題目,沒想到過程中卻出現了這個意料之外的難題,因此這個研究比預期多花了一兩年」,謝雅萍無奈地笑道。

靈感總是突如其來,某次謝雅萍在與朋友討論研究時,突然想到一個可能的方向:「一直以來都有人猜測水是否為鐵電材料,但都沒有真正證實。臺灣氣候潮濕,開關關不緊會不會就是水的影響?」

設計實驗跑下去之後,謝雅萍團隊終於擺脫了一直以來的疑雲。原來,兩層石墨烯結構中,真的有水分子的存在!「一般水分子用手去捏,還是會維持液體的狀態。但是我們發現,當水被兩層石墨烯擠壓到剩下原子厚度時,水分子就會變成具有鐵電特性的二維薄冰!」,謝雅萍開心地說道。

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換句話說,當極限擠壓之下,水會結成冰,而這層超薄的平面奈米薄冰會轉變成鐵電材料,而且可以在室溫下穩定存在!

示意圖,當水受到兩層石墨烯的極限擠壓之下,會形成單原子厚度的二維奈米薄冰,這層薄冰是鐵電材料,而且可以在室溫下穩定存在。
圖|之有物(資料來源|謝雅萍)

鐵電材料乍聽之下很抽象,謝雅萍表示:「相較於會吸磁鐵的鐵磁材料,大多數人對鐵電材料比較不熟悉,其實概念十分相似」。她說,鐵磁材料經過外加磁場的「磁化」之後,即使不加磁場仍可維持原本的磁性。相對地,鐵電材料經過外加電場的「極化」之後,即使不加電場仍可維持原本的電荷極化方向。

謝雅萍團隊發現的二維冰具有鐵電性,這意味著水分子的正負極在外加電場之下會整齊排列,形成一個永久的電偶極,並且在電場消失後保持不變。

鐵電材料經過外加電場的「極化」之後,即使不加電場仍可維持原本的電荷排列方向。圖片顯示為順電狀態,極化方向和外加電場相同,箭頭表示每一小塊區域(Domain)的平均極化方向。
圖|之有物(資料來源|Inorganics

接著,謝雅萍發現,二維冰的鐵電性只存在於單層原子,增加多層原子之後,鐵電性會消失,變成普通的冰,這是因為多層原子的交互作用會打亂原本的極化排列。因此研究團隊發現的二維冰,是非常特殊的固態水,不是手搖飲加的冰塊那麼簡單。

因為石墨烯的擠壓和固定,二維冰可以在室溫下穩定存在,不會蒸發。謝雅萍團隊實驗發現,要升溫到攝氏 80 度,被夾住的二維冰才會變成水。如此大範圍的操作溫度,這讓謝雅萍開始思考將二維冰作為鐵電材料使用的可能性。

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於是,謝雅萍團隊嘗試開發新型的電子元件,他們將二維冰與石墨烯整合成機械式的奈米開關。由於二維冰具有鐵電特性,在施加不同外加電壓之後,元件可以維持上次操作的電阻值,並保留至下次操作,有這種特性的元件稱為「憶阻器」(memristor)。

憶阻器這個詞是由記憶體(memory)與電阻(resistor)組合而成,字面上的解釋便是:具備記憶先前電阻值的能力。

謝雅萍表示:「我們可以藉由不同的外加大電壓寫入電阻值,再以微小電壓讀取之前的電阻值,允許快速存取」。而單獨一個二維冰奈米開關可以記住 4 個位元的資料,具備未來記憶體的發展潛能。

此外,二維冰奈米開關也是很好的開關裝置,團隊驗證導通電流和截止電流的比值可以達到 100 萬,開路和斷路的功能極佳,並且允許雙向操作。而開關的功能經過 1 萬次循環還不會衰減,相當穩定。

謝雅萍團隊是全世界第一個證實二維薄冰鐵電性的團隊,並實現第一個以石墨烯為架構的二維冰機械式憶阻器。她的團隊將往新穎二維材料的方向繼續邁進,目前實驗室有和台積電(TSMC)合作,希望透過產學合作,將更多奈米技術的應用落地實現。

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謝雅萍與研究團隊用意外發現的二維奈米薄冰,以石墨烯為架構,做出了全世界第一個機械式的憶阻器。
圖|之有物

與二維材料實驗的相遇?

謝雅萍目前除了是中研院原分所的副研究員,同時也是國立臺灣大學 MY Lab 實驗室的共同主持人,她和人生伴侶 Mario Hofmann 教授共同指導的 MY Lab 發揮了 1+1>2 的效果,創意與想法的激盪和交流,是產生傑出研究的關鍵。

回到碩博士時期,謝雅萍都在臺大物理所,鑽研材料的光電性質與新穎光電元件的機制。她回憶:「當時我們都要向化學系要材料,他們給什麼我們就得用什麼,但難以了解整個材料製造的細節。」後來她體認到,擁有製造材料的調控能力才能真正突破元件設計上的侷限。

謝雅萍在博士班時申請到了千里馬計畫,讓臺灣博士生獲得國科會補助前往國外頂尖研究機構,進行為期約半年至一年的研究。「我認為這個計畫非常好,也可以幫助學生建立重要人脈!」在指導教授引薦下,謝雅萍因緣際會進入美國麻省理工學院(MIT)的二維材料實驗室,自此與二維材料結下不解之緣,她認為:「好材料與好元件是相輔相成的,前瞻材料更是如此。」

「我到了 MIT 之後,深刻體悟到他們做研究的態度與臺灣學生的不同。臺灣學生像是把研究當作一份工作,然而我在 MIT 時就感受到他們學生對於自身研究的熱忱。討論風氣也非常盛行,學生之間會互相分享自己的研究內容,互相幫忙思考、激盪出新想法」,謝雅萍分享自己在 MIT 時期的觀察。

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當年二維材料還在萌芽階段,她所在的 MIT 實驗室已是此領域的佼佼者,她也因此立下了目標:「希望未來我有能力時,能夠自己掌控自己的材料做出好元件!」如今,謝雅萍正走在自己目標的道路上,過去認識的朋友也都是各頂尖大學的二維材料實驗室主持人,直到現在都還會互相幫忙。

從物理到二維材料,身處這些男性為主的學術環境,謝雅萍顯得自在,而且積極參與討論和交流。「我發現女科學人會把自己變得較中性,讓自己融入整個以男性居多的環境中,才不會在團體中有突兀的感覺」,她分享道。

謝雅萍的實驗室 MY Lab,是與臺大物理系 Mario Hofmann 教授共同主持的奈米科技實驗室,他們除了是工作上的夥伴,更是人生中的最佳拍檔!當初兩人就是在美國麻省理工大學 MIT 相識,再一起回到臺灣。

讓「研之有物」團隊好奇的是:這種共同主持的模式與一般實驗室相比,是否有特別之處?

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「從多個面向而論,我認為都是 1+1>2 的」,謝雅萍說道,「實驗室會有兩倍的資源、儀器、計畫與兩倍的人脈。遇到一個題目,兩個人思考時會從不同的觀點切入。即便是夫妻,我們在研究上看的面向也都不一樣,因此可以激盪出許多有趣的想法」。

她補充,不僅對實驗室本身而言,對學生也有很大的好處,「因為學生的研究必須同時說服我們兩個人,代表學生的研究成果會非常扎實,也可以為學生帶來信心。」重要的是,「學生也會得到兩倍的照顧與關愛,我覺得我們的學生是蠻幸福的」,謝雅萍笑笑地說。

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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素肉怎麼做?讓菌絲體開啟素食新境界!——《真菌大未來》
積木文化
・2024/02/23 ・2964字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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以菌絲體作為食物

意外誕生的美食?

人類應用發酵已有很長一段歷史,也產生許多令人驚訝的結果,其中一個令人愉快的意外之作就是天貝(tempeh)。天貝是 1800 年代初起源於印尼的一種素食主食 1。歷史學家經考究認為,天貝是無意間產生的食物,很可能是在試圖將大豆隔夜保存免受熱影響時被發現的。2

天貝是 1800 年代初起源於印尼的一種素食主食。圖/wikipedia

在保存大豆的過程中,少孢根黴菌(Rhizopus oligosporus)的孢子落到大豆上,引起發酵過程並形成天貝的緻密餅狀物。少孢根黴菌將大豆或其豆類基質結合在一起,形成 100 % 可食用又富含蛋白質、礦物質和維他命的網狀棉質菌絲體。

靠真菌製造的最佳素食漢堡?

諾馬餐廳(Noma)前發酵負責人大衛・齊爾伯(David Zilber)將天貝帶往新的境界。素食運動的推動,讓世界各地的廚師都在嘗試使用肉類替代品來複製漢堡中的牛肉餅。齊爾伯開發出一種由藜麥製成的天貝,作法是將藜麥穀物接種菌絲體,並在露天下發酵以降低水分含量,只留下足以在烹飪時保持多汁的水分,最後在天貝上塗抹一層諾馬餐廳以真菌發酵自製的酵母魚醬和蠶豆醬油,就大功告成了。

這款漢堡被品評專家譽為「最佳素食漢堡」。齊爾伯對此評論:「三種真菌和一種穀物,證明也許只要掌握一點技巧,好的烹飪就可以幫助拯救和養活一個需要療癒的世界」。3

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天貝富含蛋白質、碳水化合物、來自大豆的脂肪以及種人體無法合成的必需氨基酸、纖維、維他命和礦物質,熱量低且不含膽固醇。圖/unsplash

是什麼讓天貝富含營養?又為什麼,它會成為一種神奇的食物?天貝不僅含有飲食中的一些基本成分,也就是蛋白質、碳水化合物和來自大豆的脂肪,其中的菌絲體,更提供類似於菇類的益處:富含全部九種人體無法合成的必需氨基酸、纖維、維他命和礦物質,熱量低且不含膽固醇。天貝的例子讓我們瞭解到,不僅菇類可以吃,菌絲也是可以吃的。最棒的是,一些真菌菌絲體與肉的質地非常相似,成為素食饕客餐盤裡的熱門選擇。

菌絲體革命:植物肉的新面貌

溫斯頓・丘吉爾(Winston Churchill) 1931 年發表的文章〈五十年後〉(Fifty Years Hence)裡,他預測「將發展出新的微生物菌株,並為我們量產化學物」,並總結道「當然,未來也將會使用合成食品」。4 現在看來,丘吉爾的說法完全正確。

1985 年,馬洛食品(Marlow Foods)推出闊恩素肉(quorn),這是一種以真菌菌絲體製成的素食派餅產品系列,品牌名稱為「真菌蛋白」(Mycoprotein)。「真菌蛋白」的商業成功歸功於鑲片鐮孢菌(Fusarium venenatum),其能迅速將澱粉轉化為高含量的蛋白質。

該公司對這種生產工藝的專利已在 2010 年過期,所以其他有興趣的廠商可以進入生產真菌蛋白的領域了。然而,如今闊恩素肉在超市中仍隨處可見,且提供越來越多的無動物肉類和大豆成分所製造的禽肉、牛肉和魚肉。

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如今闊恩素肉在超市中仍隨處可見,且提供越來越多的無動物肉類和大豆成分所製造的禽肉、牛肉和魚肉。圖/pexels

艾本・拜耳(Eben Bayer)和蓋文・金泰爾(Gavin McIntyre)於 2007 年創立生態創新生物技術公司(Ecovative),正利用真菌製造用於包裝、紡織品和肉類替代品的菌絲體材料。他們最新的獨創觀念是「最終食品」(atlast food),也就是控制溫度、氣流、二氧化碳供應和濕度,藉以促使菌絲體的纖維組織長成各種形狀的合成肉。這個複雜過程也是一種發酵形式,使菌絲體在十天內就能形成具有不同質地、強度和纖維的成分,口感類似於動物肉。

菌絲體肉的開發,是希望能減輕畜牧業對地球造成的負擔。「最終食品」的生產設施由垂直農業基礎設施組成,與傳統肉類生產相比,土地需求少了十倍、產生的二氧化碳也降低許多。「最終食品」的第一個產品「菌絲體培根」,其用水量就比傳統豬肉生產少了一百倍。

菌絲體肉的開發,是希望能減輕畜牧業對地球造成的負擔。「最終食品」的第一個產品「菌絲體培根」,其用水量就比傳統豬肉生產少了一百倍。圖/unsplash

生物技術的進步使該工業能找到可行的解決方案,為未來創造永續的食物來源。如果可以使用更少的資源,且對自然造成更少的傷害來人工種植食物,就不必再從大自然中做擷取。當時拜耳對所有等待菌絲體肉的人們說,希望三年內就能實現全球供應。5 菌絲體革命即將到來。

如何自製維他命 D 營養補充品?

只要十五分鐘,幫你補充滿滿維他命 D?

維他命 D 對於保持骨骼、牙齒和肌肉健康來說相當重要。《澳洲醫學雜誌》(The Medical Journal of Australia)建議,如果無法曬太陽,那每天至少要補充 400 IU6 的維他命 D。對於照射陽光不足的人來說,菇類是唯一天然、非動物性的維他命 D 來源。只要將菇類暴露在陽光下就可以產生維他命 D 7,這是在家裡就可以辦到的工作。

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把菇類放在窗臺上讓菌褶朝向陽光,放置 15 分鐘後再烹調,這樣的簡單步驟即可將菇類變成維他命 D 的絕佳來源。圖/pexels

把菇類放在窗臺上讓菌褶朝向陽光,放置 15 分鐘後再烹調,這樣的簡單步驟即可將菇類變成維他命 D 的絕佳來源。僅 84 公克新鮮、暴露於紫外線的洋菇,就含有超過 600 IU 的維他命 D,且與維他命 D 營養補充品一樣容易被身體吸收。8

註解

  1. William Shurtleff and Akiko Aoyagi, History of Tempeh and Tempeh Products (1815– 2020): Bibliography and Sourcebook, Soyinfo Center, Lafayette, 2020, p. 351. ↩︎
  2. Marianna Cerini, ‘Tempeh, Indonesia’s wonder food’, The Economist, 23 January 2020, <economist.com/1843/2020/01/23/ tempehindonesias-wonder-food>. ↩︎
  3. @david_zilber, ‘Biomimicry is a fascinating way⋯’ [Instagram post], David Chaim Jacob Zilber, 26 May 2020,<instagram.com/p/ CAptR8qpN-T> . ↩︎
  4. Winston Churchill and Steven Spurrier, ‘Fifty years hence’, Strand Magazine, issue 82, no. 49, 1931. ↩︎
  5. 摘自作者於 2020 年對艾本・拜耳的訪談。 ↩︎
  6. IU 為國際單位,用於計算或測量維他命 效力和生物有效性的標準化單位之一。 1 IU = 0.025 微克麥角鈣化醇(維他命 D2 )。 ↩︎
  7. Mary Jo Feeney et al., ‘Mushrooms— biologically distinct and nutritionally unique’. ↩︎
  8. Victor L Fulgoni III and Sanjiv Agarwal, ‘Nutritional impact of adding a serving of mushrooms on usual intakes and nutrient adequacy using National Health and Nutrition Examination Survey 2011–2016 data’, Food Science and Nutrition, vol. 9, issue 3, 2021, <doi.org/10.1002/fsn3.2120>. ↩︎

——本文摘自《真菌大未來:不斷改變世界樣貌的全能生物,從食品、醫藥、建築、環保到迷幻》,2023 年 12 月,積木文化出版,未經同意請勿轉載。

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探討量子力學,該是「發明」還是「發現」?
賴昭正_96
・2022/12/14 ・4432字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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  • 文/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

西方科學的發展基於兩大成就:希臘哲學家發明了形式邏輯系統(歐幾里得幾何),以及發現了通過系統實驗找出因果關係的可能性(文藝復興時期)。 在我看來,中國的先賢們沒有邁出這一步,也就不足為奇;令人驚訝的是這些發現出現了!——愛因斯坦,1921 年諾貝爾物理獎

在「思考別人沒有想到的東西—誰發現量子力學?」一文之意見裡,有些讀者認為應該用「發明」,而不是「發現」:

  • 量子力學該是發明而非發現的。量子現象是物理學家發現的,因此發明了一套理論來解釋——管用但非常不直覺。
  • 科學被認為一種發現,然而「詮釋」與「解釋」則似乎更像是一種「創造」或「發明」。
  • 所說「發明了一套理論來解釋」不夠清楚。應該說發明了一條方程式——薛丁格的波方程式。之後推演出一整套原子軌域只是數學上的發現必然如此,而且經實驗驗證,大自然確實如此運作。
  • 在概念上個人是以德布洛伊所「發明」的物質波為一個界線…… 對於本文所探討的誰發現量子力學?可以存在著另一個見解為薛丁格「發現」且「找到」或「猜測」出了量子波動方程;波爾、海森堡、波恩等人「發明」了量子力學。

筆者不甚苟同,因此想在這裡拋磚引玉,談一談筆者的看法。

在中文或英文裡,發現(discovery)與發明(invention)均顯然有非常不同的意義。

我們說哥倫布發現新大陸;因為新大陸早就存在自然界,所以我們不會說哥倫布發明新大陸。造紙術、指南針、火藥、及印刷術並不存在於自然界中,所以我們說這是中國古代的四大發明,而不是四大發現。從這裡我們可以看出在日常用語中,發現與發明的分別主要在於該「東西」是不是已經存在於自然界中。

月亮總是存在的,所以只能被發現,而非被發明。圖/Pexels

「存在」的物理意義

可是什麼是「存在」於自然界中的呢?相信大部分的人都持與馬赫(Enerst Mach, 1838-1916,奧地利物理學家、哲學家)一樣的看法:只五官的感覺是真實的、是「存在」的。馬赫的一句名言是:「我不相信原子的存在!」

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因此儘管道爾頓(John Dalton)在 19 世紀初就提出原子論,19 世紀中期後化學家成功地將它應用於解釋化合物的組成及化學反應現象,但大部分的物理學家到 20 世紀初還是不相信原子的存在!

1905 年,當愛因斯坦還是瑞士專利局的一位小職員時,發表一篇論文謂液體中看不到的原子會轟擊懸浮粒子,導致可以在顯微鏡下直接觀察到布朗運動(Brownian Motion)。1908 年 5 月,愛因斯坦發表了第二篇關於布朗運動的論文,提供了細節,及可透過實驗檢驗他的理論的方法。

同年,法國物理學家佩蘭(Jean Perrin)進行了一系列實驗後,寫道:「(我的結果)毫無疑問嚴格且準確地證實了愛因斯坦的(預測)公式」。佩蘭的實驗不但說服了許多物理學家相信原子的存在,他也因之獲得了 1926 年諾貝爾物理獎。

法國物理學家,尚.巴蒂斯特.佩蘭(法語:Jean Baptiste Perrin) 圖/wikimedia

可是有人「看」過原子嗎?1955 年,美國賓夕法尼亞州立大學的穆勒(Erwin Muller)和巴哈杜爾(Kanwar Bahadur)終於透過場離子顯微鏡(field ion microscope)在尖銳的鎢樣品尖端觀察到單個鎢原子,可是這並不是肉眼直接看到的,而是透過理論「解釋」所觀察到的。像前面提到之一些讀者的意見一樣,馬赫認為科學理論是用來描述與歸納觀感,它存在於感觀之外,與現實無關;但大部分的物理學家都認為這是哲學的問題,他們是「看到」了原子!物理理論是存在於宇宙中的,等待我們去發現。

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在「微中子的故事」一文裡,筆者提到了 1930 年包立(Wolfgan Pauli)為了解救能量不滅定律免於破壞,在「非常絕望下」下提出了一個後來被稱為「微中子」(neutrino)的觀念。當時「微中子」根本不存在宇宙中,我們不知道包立是否認為這是一種發明;但1995年諾貝爾物理獎發給「……通過實驗證明……微中子的存在」之物理學家來內士(Frederick Reines)。

老實說,筆者想破大腦都不知道這一個在基本粒子標準模型裡不帶電、沒有質量、不是電磁波、沒有人直接觀感過、只有能量的「東西」會是什麼「東西」?更令筆者難以相信及理解的是:它竟然還有兩位兄弟姐妹!

發現」還是「發明」?

我們現在就用上面那些觀點來探討,到底牛頓是發現還是發明萬有引力?萬有引力是抽象的、不是「東西」,牛頓當然不可能用眼睛發現;牛頓發現的只是蘋果往地上掉及宇宙中星球之有規律的運動(現象),從中推論出萬有引力(解釋)。因此對牛頓而言,他或許認為萬有引力不存在於自然界中,是他的創造出來的,所以要說是一種發明,好像也沒什麼反對的理由。

牛頓到底是發現還是發明萬有引力?圖/Envato Elements

可是萬有引力真的不存在於宇宙中嗎?1798 年,英國科學家卡文迪許(Henry Cavendish)在實驗室中不但測出兩個物體間的引力,也準確地量得萬有引力常數!所以眼睛看不到的「東西」並不代表不存在於宇宙中——牛頓顯然是發現、而不是發明萬有引力定律!

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同樣的道理,普朗克根本沒發現什麼量子「現象」,他只是看到了黑體輻射的光譜分佈,便提出能量量化的觀念,在當時顯然是一種發明,但後來的發展(如原子的光譜)不是證明了「能量量化」存在於宇宙中嗎?量子力學成功地解釋和預測了這些現象,因此也被認為是存在於宇宙中的。

當然,我們知道物理理論或定律是可能被推翻或修正的,但這只代表我們的發現錯了。哥倫布不是以為他到了印度群島嗎?

德布洛伊(Louis de Broglie)「發明」物質波嗎?1927 年貝爾實驗室的戴維森(Clinton Davisson)和格默(Lester Germer)在實驗室中,發現被鎳金屬晶體表面散射的電子顯示出干擾圖案後,大部分的科學家都相信物質波的存在,因此諾貝爾獎委員「敢」將 1929 年物理獎頒發給德布洛伊,1937 年物理獎頒發給戴維森和格默了。

格默(右)和戴維森(左)共同合作,證明了物質的波粒二象性。圖/wikimedia

「是不是已經存在於自然界中」事實上也正是中外專利局判斷是否頒發「發明專利」的基礎;台灣專利法謂:「發明專利是指利用自然界法則之技術思想的創作,對於欲解決之問題,使用適宜的技術手段,產生其功效,達成所預期的發明目的。

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發明專利必須具有技術性,不具技術性之發明,例如單純的發現、科學原理、單純之美術創作等,都不符合發明的定義。」在這一法規下,萬有引力、相對論、量子力學…… 等等科學原理都是發現,不能申請發明專利。

量化量子化

既然在這裡談到科學用詞,我們不妨也來談談「能量量化」的意義。

在「天才愛因斯坦曾和諾貝爾獎擦身而過? 相對論也不曾得過諾貝爾獎」的泛科學影片裡,有聽眾建議將「普朗克提出能量量化的觀念」中之「能量量化(quantization)」改為「能量量子(quanta)化」。

筆者認為「能量量子化」中的「子」字有「微粒子」的意義在內;但普朗克在他那篇「開創量子力學」的文章中,只認為空心黑色球體內任一頻率(n)輻射能量均不是連續的,而是由 hn 單位組成的,輻射的發射和吸收必須以hn進行,從沒提過「能量量化」的觀點,更甭說具有「微粒子」之意的「能量量子化」了。因此我們只能從以後的發展來判斷。

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在古典力學裡,氫原子中的電子可能具有的能量應該是連續的;但後來發現只能存在某些能階上才可以解釋光譜——這應該說是一種「能量量化」的現象,而不是「能量量子化」的現象!讓我們在這裡用一個日常生活的例子或許更能說明其間的差異:實數是連續的(質),但我們用它來數人頭時,卻發現它只能存在於整數的「數階」上(量)。讀者覺得用實數被「量化」了、或是被「量子化」了比較適合?

結論

愛因斯坦謂「西方科學的發展基於兩大成就:希臘哲學家發明了形式邏輯系統,以及發現了通過系統實驗找出因果關係的可能性」。

從這名言裡,我們可以看出愛因斯坦顯然認為因果是存在於宇宙中的,將它們連在一起的形式邏輯系統(formal logical system)才是一種發明;所以我們可以說薛丁格發明了「波動量子力學」;海森堡(Werner Heisenberg)、伯恩(Max Born)和喬丹(Pascual Jordan)發明了「矩陣量子力學」;狄拉克(Paul Dirac)發明了希爾伯特(Hilbert)空間上的「算子(operator)量子力學」——他們以不同的數學形式表達了物理學家所發現的量子物理(理論)。

在「不用數學就可以解釋—相對論的著名想像實驗「雙胞胎悖論一文裡,筆者提到了時間及空間是人類製造出來便利溝通的語言。為了解釋觀察到的現像,不同運動者對時間便必須有不同的認知,否則就會發生像「雙胞胎悖論」(twin paradox)一樣的矛盾。

「雙胞胎悖論」提及:當太空旅行者回到地球後,發現自己比留在地球的雙胞胎手足更年輕。圖/Pexels

同樣地,作家在寫一篇文章時,也必須假設讀者對主題具有某些程度的了解與認知。如果假設不對,那便像內人讀筆者的文章一樣,不管筆者是用發明或發現,對她來說都是「不知所云」!而如果能在讀者心中起了共鳴呢?則不管筆者是用發明或發現,相信讀者都能心領筆者事實上是在有意或無意中表達了對某一物理觀念的看法。

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延伸閱讀

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賴昭正_96
42 篇文章 ・ 50 位粉絲
成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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未來可能會有這個職業嗎?創造創意與美感兼具的發明:未來藝術家——《拯救地球的工作者》
和平國際
・2022/11/05 ・1731字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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編按:現在的生活瞬息萬變,在未來的世代,可能會出現許多你想都沒想過的職業。讓我們與孩子一起發揮想像力,你覺得未來會有什麼樣的職業出現呢?

未來藝術家:創意的發明或許也是一種藝術

未來藝術家大賞總決賽即將開始,這個獎項是為了獎勵最有創意及具有藝術感的科學家。現在已經廝殺到總決賽的階段了,評審團必須從三件「作品」中選出首獎。這三件作品截然不同,但是都很創新,每位參賽者會發表演說,談談自己的創作理念,盡可能說服評審。

丹尼第一個發言,主題是手拿顯微鏡的大廚:「大家想像一下,把試管想成鍋子,把滴管想成湯勺,把蒸餾器想成烤箱,科學家不也是在做菜嗎?我在廚房實驗室調配無數特殊風味的菜餚,帶給大家前所未有的感官享受,有醣、碳水化合物,也有蛋白質,融合出全新的味道。我最自豪的藝術品是『植物肉』!吃起來就像肉,卻是在實驗室用馬鈴薯和大豆合成的。」

手拿顯微鏡的大廚。

第二位參賽者是莉雅,會不會有更驚人的作品呢?莉雅以「大自然設計師」為主題開始介紹:「超強力貼紙的靈感來自章魚的吸盤,火車頭是仿造鳥喙的形狀,超強光線感測器神似蝗蟲的眼睛。動、植物是豐富的生物圖書館,總會激發創意靈感。我的成名之作是這件『隱形斗篷』!我長年研究變色龍,研發出一種會隨著環境變色的布料。」

大自然設計師。

觀眾席的驚叫聲不絕於耳,現在輪到安妮塔上場了,她的主題是「微型雕塑家」。

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「你們有聽過奈米科技嗎?我運用最先進的顯微鏡,每天研究分子碎片,小到奈米量級,比髮絲纖細十萬倍。我運用科學為藝術服務,善用奈米粒子修復古老大理石雕像,以及受汙染侵蝕的神廟,終於有新工具可以拯救偉大的藝術遺產了。」

微型雕塑家。

比賽結果就快揭曉了,誰會是贏家呢?倒數計時,三、二、一……大型計分牆竟然顯示:平手!這是未來藝術家大賞第一次出現三位冠軍。

丹尼、莉雅和安妮塔開心相擁。等你長大,說不定也會成為未來藝術家喔!

未來藝術家的工具組

動態雕塑、磁吸繪圖、隨時間變換的調色、特殊眼鏡,都是未來藝術家的工具,將帶領我們體驗未知。未來數十年的藝術將會大洗牌,未來藝術家早已蠢蠢欲動,準備大顯身手,大膽的實驗和創作!

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什麼是科學料理?

科學料理的精髓在於「食譜藝術」,以生物化學的專業知識為基礎。目前最先進的研究莫過於研發人造肉,改善肉品產業密集的畜牧行為,提供更尊重環境和動物生命的替代產品。

什麼是生物統計學?

生物統計學是仿效生物的特徵(包括動、植物)來改善人類既有的科技,其中最著名的成品有新一代黏著劑、特殊顏料、先進布料。

什麼是奈米科技?

奈米科技是新的研究領域,善用極其微小的物質來設計特別輕盈的材料或肉眼看不見的裝置,工業用途廣泛。

未來藝術家要有的能力

○ 跳脫框架思考

○ 想像力

○ 具有觀察精神

○ 同理心

○ 美感

○ 有團隊合作的精神

——本文摘自《拯救地球的工作者》,2022 年 10 月,和平國際出版,未經同意請勿轉載。

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和平國際
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