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從「已知用火」到駕馭太陽 紀念光研究一千年

劉珈均
・2015/02/02 ・6349字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 545 ・八年級

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奧芬堡大學媒體資訊傳播系學生為光之年製作的海報。 Christian Schaller© Offenburg University cc

一千年前的1015年,生於今日伊拉克南部的阿拉伯學者伊本海瑟姆(Ibn al-Haytham)寫了七冊《光學之書》(Kitab al-Manathir,英文Book of Optics),為人類首篇光學研究,敘述眼睛構造、視覺理論與光的物理特性。海瑟姆被視為第一個科學家,因其所得皆透過謹慎的實驗與紀錄而來。海瑟姆提出人能觀看,是因為光線照射到物體後反射至眼睛,而非過往認為的眼睛發出光線照亮物體;他也提出大氣使光偏折,研究出光在曲面折射的數學公式,並試圖做實驗解釋彩虹、日食與月食等現象。

一千年後,人類發明各種光源點亮夜晚、發射衛星捕捉星光、用光纖網路串聯起全世界,短短一百多年的時光,光學科技改造了人類的文明與生活,也改變了運作千萬年的地球生態。

一千多位科學家與各方人士1月19、20日齊聚「光之城」(City of Light)巴黎,正式為「國際光之年(International Year of Light, IYL)」拉開序幕。聯合國教科文組織(UNESCO)將2015定為國際光之年,以此紀念千年來人們在光領域的研究足跡及各種光技術的發展。2015恰逢許多光學里程碑的周年:1015誕生首篇光學研究、1815菲涅爾提出光的波動性、1865年馬克士威發表光電磁傳播理論、1905愛因斯坦提出光電效應與1915廣義相對論、1965彭齊亞斯與威爾遜測量到宇宙微波背景輻射。

包含台灣在內,全球共71個國家地區共襄盛舉光之年,用一整年時間舉行光學科技相關的演講與活動,提醒光在人類生活扮演的重大角色,並討論如何以光科技解決當前問題。

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海瑟姆的光學之書。(圖:維基)
海瑟姆的光學之書。(圖:維基)

從「已知用火」到光纖網路、駕馭太陽:光科技與人類文明

夜幕降臨,華燈初上,人工光源徹底改變了人類的夜晚活動型態。在夜晚光源只有星星和月亮的年代,夜晚的可見度大約只有幾公尺,對人們而言,晚上意味著一天的勞動與社交互動告一段落,所有人都要從戶外回到屋內,會在外遊蕩的只有危險與不良份子。晚上出外遊走這件事最早可追溯到17世紀法王路易十四頒布法令,將巴黎街頭掛上燈籠,接下來的公共照明系統還有燃燒鯨魚油的燈具、19世紀出現的煤氣燈、刺眼的弧光燈,直至19世紀末電燈登場。隨著工商時代發展,漸漸地人們在夜晚工作、從事娛樂活動、發展各式24小時服務。

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photo credit: prashant maxsteel [ read profile ] via photopin cc

LED是另一波照明革命,三位日本科學家赤崎勇、天野浩與中村修二於1990年代開發出高品質藍光LED,在此之前的半世紀只有紅光與綠光LED,藍光的加入得以配製出白光LED,延伸應用於照明、液晶螢幕、手機面板螢幕的背光晶片等。LED照明節省了90% 的能源,發光效率可達每瓦200流明,壽命可輕而易舉達到幾萬小時,遠遠長於其他照明技術(一般白熾燈泡發光效率約每瓦24流明,平均壽命約1000小時),三位科學家也因此貢獻共同獲得2014諾貝爾獎。

「醫學影像技術的突破從光學開始。」台大光電工程所教授孫啟光說,光學望遠鏡讓人類往天空探索,從此知道地球非宇宙中心;而光學顯微鏡是第一個醫學影像儀器,讓人開始了解人的內部組成,也造就了細胞病理診斷。醫學影像技術讓醫師觀察人體內部構造、協助診斷與分析病情,其他常見的醫學影像儀器還有核磁共振、X光、電磁斷層掃描(CT)等等,除核磁共振外,也都與光有關,只是並非一般所看到的可見光。

1960年梅曼(Theodore Harold Maiman)製出第一台雷射,雷射發明逾半世紀,在醫療到消費性電子產品、通訊、軍事科技等領域皆扮演舉足輕重的角色,例如運用雷射治療眼科、皮膚科與牙科疾病;常見的用品如DVD播放器、條碼讀取機;軍事武器以雷射標定瞄準等。雷射也是尖端研究的重要工具,目前有十幾位諾貝爾獎得主的研究與雷射有關,除了雷射本身,還有全像片、雷射冷卻、玻色─愛因斯坦凝聚態。

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photo credit: Twistiti via photopin cc

現代生活大量依賴的網路、雲端服務,就靠光纖傳送大量訊息,1966年高錕研究發現,減少玻璃雜質,便能解決光藉著玻璃全反射傳送的途中,訊號嚴重衰減的問題,進而達到長程通訊,此研究克服了光通訊長久以來的障礙。光纖具有體積小、訊號衰減低的優點,且光纖不受電磁干擾,每條光纖可用不同波長的頻段獨立傳送訊息,因此光纜能傳送的訊號大量而準確,被譽為光纖之父的高錕獲2009諾貝爾獎。

人類一直嘗試駕馭太陽的能量,早在1839年,法國物理學家貝克雷(Alexandre-Edmond Becquerel)就發現了光伏效應,即某些材料照到光時會產生微小電流,但要等到一百多年後的1954,三位貝爾實驗室的科學家才發明出第一個能有效將太陽能轉換為電能的矽基太陽能電池,當時該電池在太陽直射下的效率只有6%左右,現在先進的太陽能電池已可達到40%。太陽能發電的應用觸角開始延展,例如太陽能車、海水淡化系統等。現今太陽能應用尚未成為主流,但氣候變遷的威脅愈來愈緊迫,帶動替代能源的需求,國際能源總署(IEA)估計,到2060年,太陽能科技可望提供世界三分之一的能源。

情歌與舞蹈的顏色:光與藝術

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photo credit: Sam Breach via photopin cc

光也撩撥著人們的情感。畫家以光影描繪情感的氛圍與張力;自4世紀開始,彩繪玻璃將自然光化為燦爛奪目的藝術品,教堂、古蹟、清真寺常以彩繪玻璃述說古老的傳說故事,光彷彿是具有生命的精靈,觸碰人們靈魂深處的悸動;演唱會、主題樂園,常見雷射光激發高昂情緒與驚呼聲;攝影與電影捕捉當下的光,讓時空與光線永恆駐足。而若要說以玩弄光影為業、融會各種藝術元素的魔術師,大概莫過於劇場燈光設計師,自15世紀的文藝復興時期,便開始有藝術家認知燈光設計的重要,利用燈光調節影響觀眾情緒。

「其實我比較看重的是影子,未必是光,」劇場燈光設計師車克謙說:「光的角度或是光在物件上造成的陰影對我吸引力比較大。我觀察影子的構成,去發現光源是什麼。」車克謙經驗豐富,曾操刀高雄世界運動會主場的開閉幕式、幾米音樂劇《向左走,向右走》、《地下鐵》等各式戲劇與大型戶外展演。

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「光可以幫助一個物件,也可以毀了它。」而燈光設計就是讓觀眾看到想讓他看見的細節,隱藏不想讓人注意到的地方。運用燈光的亮度與色澤導引、加強觀眾的情緒是設計師的基本功。舞台上的演員在說故事,燈光也在說故事,燈光協助帶出戲劇的動線,有時也暗示戲劇的隱喻與伏筆,車克謙笑著說:「有時候燈光還要克制表演慾,不要太『愛講話』。」過多過強的光會失去焦點,或讓觀眾一片昏花,什麼也看不到。不同展演需要的光不一樣,如舞蹈表演大部分只有簡單布幕,幾乎全靠光影創造出山林、海洋、竹林等意象,帶領舞者與觀眾穿梭不同空間。

車克謙說,平常會強迫把眼睛當照相機,從環境中記錄光的狀態和屬性,如冬天的光、紐約城市的光、午後咖啡店的光。對聲音的感受也是創作靈感來源,聽著旋律,車克謙便不自覺在腦中編織場景的顏色與氛圍,他舉例,例如搖滾樂大概就是紅色、黃色、橙色加上一些閃爍效果,情歌則要看是男聲或女聲、或熱戀或憂鬱,紫色、藍色、粉色都有可能。

「No light, there is no space.(少了光,就沒有空間存在)」知名劇場設計師羅伯˙威爾森(Robert Wilson)常將這句話掛在嘴邊。他認為,「因為有光,黑暗才真的變黑。因為黑暗,才感受得到光線的明亮。這就是空間的基本概念,也是空間的原理。」光決定了許多事物,形成敘事結構與節奏,「它可以跟音樂合作或是對抗,讓事物變得明顯或晦暗,為動作定下秩序。」[1]

全球光害地圖的反思:我們正在失去夜晚

夜晚地球(2)
夜晚的地球。photo credit: NASA Goddard Photo and Video via photopin cc

燈光點亮了人類的文明與生活方式,我們用人造燈光點亮夜晚至今不過一百多年,已顛覆了人類與生態經過千萬年演化而適應日夜交替的習性,人工照明改變人類生活型態,但也帶來各種問題,一些國際組織與研究單位發起各式活動呼籲大眾正視光汙染。

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國際暗空協會(International Dark-Sky Association, IDA)致力於保護夜間環境、推動適當照明,IDA將光害定義為:「所有人工照明的負面影響,包括天空輝光(sky glow)、刺眼的強光(glare)、無端闖入的光線(light trespass)、雜亂的光線(light clutter)、夜晚受損的能見度以及浪費的能源等。」光汙染的影響層面不只是我們再也看不到經典老歌所唱的「Starry Starry Night」,光害也代表著浪費能源、干擾生態,全世界至少有三成左右的脊椎動物、六成左右的非脊椎動物屬於夜行性,再加上習於暮色或清晨出沒的生物,就不難想像光害的影響層面有多廣闊。[2]

IDA製作的影片〈Losing the Dark〉:

美國國家光學天文台(National Optical Astronomy Observatory, NOAO)也發起國際性的公民科學家活動「全球光害地圖計畫(Global at Night)」,介面有20幾種語言,號召全球公民上傳資料,描述自己所在地區的夜空明亮度、天氣狀況,藉此蒐集全球光汙染資料。去年2014共有來自94個國家、17,500次的觀測數據,八年下來已從115個國家累積了近十萬筆觀測數據。[3]

中央大學光電系教授孫慶成說,照明的服務對象是眼睛,但我們現在有許多照明發出的光都是不必要的,而這些多餘的光就四處亂竄,闖入夜空、干擾視線等,例如一般路燈,有五分之一的光浪費在打往水平或天空方向,造成天空輝光。要解決光害其實沒那麼困難,孫慶成說,要達到適度照明,透過調整照明裝置設計就能改善,孫慶成帶領的中央大學團隊設計的LED照明可讓98%的光與能源都貢獻於照亮街道,而非照亮夜空,節能達40%至60%。孫慶成認為,良好的照明應該是:「照亮回家的路,也將天空留給星辰。」

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照明設計對照
(上)一般常見的路燈照明;(下)改良後的照明。(圖/孫慶成提供)

現實生活中也有類似例子,國立科學博物館植物園的燈光造景即是一例,每天入夜後兩個小時半,植物園外的LED燈將七彩變幻光芒投射到八層樓高的溫室桁架與玻璃帷幕,周末的燈光秀以234組燈具將植物園妝點為光雕藝術品。這些LED燈來自回收燈具,一天電費不超過新台幣35元,且燈光照射角度經過設計,光線只落在建築物上,不會進入夜空,也不會進入溫室影響植物作息;舊金山一家叫作民間暮光(Civil Twilight)的公司讓路燈隨月亮光線而自動調節亮度,讓夜間的亮度維持平衡,尋回夜晚自然氛圍,並減少四分之三的照明費用。

讓光更人性:光對人體的影響

光之年海報(2)
奧芬堡大學媒體資訊傳播系學生為光之年製作的海報。photo credit:Waldemar Schmidt © Offenburg University cc

「光對人類有直接、長遠、且重要的影響,光無所不在。」孫啟光說,首先就是視覺,人類如何看到萬物便是藉由光線照射物體後,反射進入眼睛的視網膜、視神經,到大腦解讀。他開玩笑地說,他不清楚一般人如何感受光,他自己被太陽曬的時候就很有感覺。

孫啟光研究專長為非侵入式的生醫影像,他說,開發光電醫材必須確認許多事情,才能進到臨床實驗、對病人負責。現在許多生醫影像技術使用的是與雷射手術差不多波段的光源,但作為非侵入式觀測人體與動手術(破壞組織的)的光源應該要分開,使用不同顏色(波段)的光。「身為一個科學家,我想要了解更多人與光的互動關係。」孫啟光對於光和人體的互動特別感興趣,光如何影響人體?有的光波段會傷害人體,有的不會,劑量也可能造成差別;不同組織對光的反應也不同,例如光可以穿透眼球到達視網膜,卻不能穿透人體其他部分,我們的基因演化設計了不同器官對光有不同反應,目的又是什麼?

工研院光電所設有台灣首座國際級的人因照明實驗室,研究在不同情境與時間下,各種光線配置對人的清醒程度、情緒、工作效率、神經系統等生心理影響,探討適合的人因照明參數。市售照明光源常見眩光與LED藍害問題,當眼角餘光直接或經物體反射看到光源(如書頁上的小光點),刺目的燈光導致無法清晰的觀看物體,此干擾為眩光,眩光會讓眼睛不適,易疲勞、注意力不集中;藍害則會讓視網膜變質,甚至造成白內障,為不可逆的傷害,但相反的,藍光也可用於治療季節性憂鬱,端看如何適切地使用光源。光源閃爍也漸受重視,有研究指出閃爍的燈光可能造成偏頭痛,也有較為極端的例子,日本曾有光敏癲癇症患者因看了神奇寶貝卡通,承受不住皮卡丘放電時劇烈的光線變化而送醫。

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工研院光電所工程師趙偉成說,光對人的影響主要可分為視覺、心理、生理、生物四個層面,視覺是指對於眼睛的影響,例如藍害與眩光;心理與生理層面是人體照光後的「生理回饋」,如心跳、血壓、皮膚阻抗、腦波訊號等,與神經系統有關;生物層面則是對賀爾蒙的影響,如現在常見學者研究照明對褪黑激素、生理時鐘的影響。後三者難以完全切割,不過生物效應與生心理層面之間的交互影響、運作機制尚未有充足的研究。

良好的光線對人如此重要,在某些地區,照明是急待解決的經濟與健康議題,世界上約有15億人口依賴蠟燭或是會產生對人體有害氣體的煤油燈度過漫漫長夜,這些人口多為發展中國家的居民,夜晚缺乏足夠照明使得白天須工作貼補家計的孩童無法夜晚學習讀寫,學業落後,甚至醫院也無法於夜晚運作。UNESCO光之年的重要計畫之一便是在這些地區推廣可攜式的太陽能LED照明,以期打破當地的惡性循環。

光科技的未來

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孫慶成說,未來光電科技將與物聯網、雲端的概念合流。(圖:維基)

「台灣的光電產業產值大約占了全世界五分之一!」兼任光電學會副理事長的孫慶成說,台灣的光電產業舉足輕重,其中又以LED照明、顯示器、太陽能為主。對於光科技的發展趨勢,孫慶成勾勒一連串的藍圖:「未來大概是眼睛張開所看到的一切東西都與光相關!」光科技深入資訊(含顯示與感測)、能源、照明領域,光既是能量來源,也是訊號。試著想像這些場景:或許車子不再需要人為駕駛,而是雲端控制;可能所有資訊濃縮於一副眼鏡上;可能手機只有一片指甲般大小,這些藍圖必須利用無數感測器以及取得、傳輸、顯示、儲存大量資訊的技術,這便是奠基在光電技術之上,與物聯網、雲端的概念合流。

孫啟光希望,國際光之年能喚起大家對光的重視,了解光的多面向,特別是光對人的影響,也希望台灣能進一步發展更多人本應用之光電產業。光電學會以提出光電效應的{“type”:”block”,”srcClientIds”:[“3499b1ad-7165-43f2-8256-e5dd5686e0a6″],”srcRootClientId”:””}愛因斯坦為主角,設計了光之年主燈擺在三月台中的元宵燈會。光電學會秘書長黃建璋說,接下來的一年會舉行50至100場巡迴演講,並與各大學光電系所合作辦營隊。台北天文科學教育館一月底也舉辦為期七個月的「光的奧秘」特展,內容包括以LED與投影建構模擬宇宙大霹靂的通道、展出太陽能應用與福衛五號的光學望遠鏡,也有利用光線折射、反射原理設計的視覺遊戲。

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1999諾貝爾化學獎得主阿米德˙齊威爾(Ahmed Zewail)在巴黎光之年開幕式上呼籲大家對話以解決世界的需求。歐洲物理協會會長、IYL策劃委員會會長約翰˙杜德里則說,光科技在生活中的角色如此重要,這是光學與光電社群與大眾交流知識的機會,「我們只有一次機會,舉行慶祝很不錯,不過我們得盡快開始工作了!」

備註

  1. 耿一偉,《羅伯˙威爾森──光的無限力量》,台北:國立中正文化中心,2009。
  2. Paul Bogard,陳以禮譯,《夜的盡頭》,台北:時報文化,2014。
  3. 全球光害地圖計畫中文版介面的光害地圖

訪問之外的參考資料

  1. UNESCO 國際光之年官網
  2. Optical Society,〈New LED Streetlight Design Curbs Light Pollution〉,2013
  3. Clifford A. Pickover,顏誠廷譯《物理之書》,台北:時報文化,2013。
  4. 光之年巴黎開幕報導編譯來源:〈Light Is Power, Inspiration, Source, Say International Year of Light Speakers〉〈Solutions enabled by light inspire at International Year of Light celebration〉
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劉珈均
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PanSci 特約記者。大學時期主修新聞,嚮往能上山下海跑採訪,因緣際會接觸科學新聞後就不想離開了。生活總是在熬夜,不是趕稿就是在屋頂看星星,一邊想像是否有外星人也朝著地球方向看過來。

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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

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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。

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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。

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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。

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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。

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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💃

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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

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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。

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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。

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  • 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。

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F 編_96
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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💃

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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

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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。

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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。

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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。

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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。

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F 編_96
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