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演化、宇宙、人

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內容簡介

138億年前大爆炸的一瞬間,物質和反物質等量產生並滿溢於宇宙之中。
在下一瞬間,物質和反物質應當相互抵銷湮滅,一切於焉不存。
但竟然還有些許物質留存下來,經過一連串神祕的偶然與巧合,最終演化出「人」。

  人類能認知自身的存在,本身是一大奧秘。在好奇心驅使下,人類試圖理解自身所處的世界,以及如何在天地間自處,但越認知宇宙的浩瀚,就越想追問自己在宇宙中究竟是孤單的,還是另有同伴?

  我們從地球的生物演化證據出發,驚異於生命的奧秘,轉而探詢生命何以能夠存在於這宇宙?將眼光擴展到太陽系、銀河、銀河系以外的尺度,甚而探尋銀河系成形之前的時間、直到宇宙初始的形成,我們從欣賞的角度來認知我們的宇宙是何等驚人。國立台灣大學講座及物理系特聘教授侯維恕的《演化、宇宙、人》將以科學知識為中心展開對下列問題的探討。

  演化論究竟是什麼?從綜觀演化的證據入手,突顯其具有可預測性的科學理論特性,同時略探起源問題。演化論所揭櫫的「沒有設計師的設計」是否與信仰有所衝突呢?

  演化需要超越人類想像的漫長時間,而這一切都仰賴太陽無盡能源的供應,「太陽為什麼能發光這麼久?」變成了相當自然的問題,我們將從大物理學家凱耳文的挑戰出發──在創造的大倉庫中,是否有我們所不知道的新能量源頭呢?

  當我們體會人類的出現在漫漫時間中如何渺小,開始追問人類如何能夠認知過去所發生的事。這樣的「自覺意識」如何產生?地球上的生命在浩瀚宇宙中是否是孤單的呢?這些問題的探究將讓我們驚訝地認知到生命能從星塵中誕生背後是有多少的巧合條件。

  最後,我們將認識隱含著空間與時間的「宇宙」本身,乃是誕生自極短時間的熾熱起源。當我們真正認知宇宙之大,而我們對其所有的理解又如此之少,人類將會自然學會謙卑,同時體悟生命格局的恢宏,要由自己來塑造。

  《演化、宇宙、人》結集自侯維恕 自2009年春季延續至今的台大通識課程,將「演化、宇宙、人」三項互相關聯的題材結合──宇宙的演化機制孕育出今天的人,而人卻又回頭認識到演化及宇宙發展的過程,在思索自身地位的同時理解「人」才是貫穿三項深奧議題的中心。或許,人能認知生命及宇宙的起源,並非偶然,盼望本書能幫助追尋生命意義與價值的學子定位人生,塑造出恢弘而謙卑的人本精神。
 
 

作者介紹

作者簡介

侯維恕


  美國加州大學洛杉磯分校物理博士,中華民國物理學會會士,現任台灣大學講座及物理系特聘教授,並主持高能實驗室。專業領域為粒子物理理論與實驗,專注於「味道」物理與CP破壞,特別關切可測現象及與實驗之互動,近年亦探討電弱對稱破壞與質量產生,並宇宙反物質消失問題。2010年獲國科會「攻頂計畫」,在大強子對撞機LHC搜尋極重夸克,加入CMS實驗第一階段升級「畫素偵測器」之製作,並進一步推動第二階段升級「高粒度量能器」之研發。

  2010年獲教育部學術獎肯定, 2012年再得教育部國家講座殊榮。作者學術著作頗豐,已發表的個人理論論文約150篇、CMS物理論文約700篇、Belle論文約500篇。著有《Flavor Physics and the TeV Scale》及《夸克與宇宙起源》。
 
 

目錄

緒論

演化 Part I
第一章─演化、科學與信仰
第二章─綜觀演化證據

生命 Part II
第三章─太陽系內生命
第四章─自覺意識
第五章─我們是星塵

宇宙 Part III
第六章─宇宙之大
第七章─回探起初
第八章─黑洞
第九章─加速膨脹──暗能量?!
第十章─宇宙這道菜
卷尾
 
 

緒論

  懵懂到年少輕狂

  我自幼愛抓蟲,八到十歲住陽明山,之後住外雙溪,雖然在台北成長,卻不缺摸蝦、釣魚的經驗,可說是對生物好奇心的初期啟蒙。我記得小時候還在華岡時,有一次過年後,天氣濕濕冷冷,我獨自在一棵柏樹下發現了一個鈣化成白色的蝸牛殼,如獲至寶。

  這樣的「化石」給了我很大的想像空間:過去無限遙遠的時間與廣大空間,其中有過多少多采多姿的生命存在。當時的我,是何等渴望能觸摸到真實的遠古化石啊!

  家父有個小型圖書館。小學六年級的某一天,我在書架上找到一本《進化論綱要》,是1932年大陸出版,1966年台灣商務印書館重印的小書。

  當年對於文字底蘊背後的歧視爭議還不甚敏感,用的是「進化」而非現在慣用的「演化」。但這本薄薄的小書給了我很大的震撼,不僅體會到生物的奧秘、更感受到科學的馭繁於簡,從而啟發了我對生物與科學的興趣。

  進入初中後,生物課本的編寫方式強調記憶,讓我興味索然。我在學校圖書館偶然翻到另一本小書,《反物質與宇宙論》,又無心插柳開啟了另一扇知識的大門。廣大的宇宙引發了我對天文的興趣,而大家熟悉的愛因斯坦方程式E = mc2,這指明「質量本身就是能量」的算式,則給予我物理學的震撼。當年還是私中初一生的我,有一天竟老老實實計算「一公克物質若全轉化為能量可煮沸多少水?」這道題目。質能的巨大與轉換的奧秘真令人震撼,而背後是超乎想像的光速之快、之大。

  不過,當我得意地告訴座位周邊的同學時,似乎沒有人能感染到我的興奮。畢竟,這數字背後的奧妙是得親身去體驗的!但若看過「天使與魔鬼」的電影或小說,你便知道,只要將不到一克的反物質釋放出來,便足可毀滅整座梵諦岡教廷城!而太陽每秒將等價於四百萬噸的質量轉換成能量!銀河系約有兩千億顆星,每顆若時時刻刻都釋放太陽般的能量,這是何等鉅大的質能!

  若想親身感受,我還有一個較小的題目鼓勵你計算一下:我們所在的銀河系直徑有十萬「光年」(光走一年的距離,即9,460,730,472,580.8、或約9.5兆公里),若以當下噴射客機時速1000公里持續飛行,需要幾個一生(以一甲子60年算)才能走完呢?這些數字和其反映的時空尺度,都是難以想像的。

  存在的奧秘

  升上高一,十六歲的我十分害怕死亡。我意識到死亡代表著自己有一天將不再有意識!這使我開始思索人的生與死,也因此接觸了宗教和哲學,亟欲尋找個人、或人類,在這個浩瀚宇宙中存在的意義與定位。但因為自己正往科學的路上走,心中的質疑驅使自己定位在「不可知論」,簡單說就是人不可能窮盡真相、不可能知道有沒有鬼神。當時我欣賞禪宗所說的「直指人心,見性成佛」。然而佛是佛,人是人,也可以說佛知人事但人不知佛事。總之,在我們頓悟之前,有條鴻溝註定無法跨越,這條鴻溝也包含了生與死。

  位在加里寧格勒的康德之墓,其紀念碑上寫著:

  「有兩件事讓心中滿溢日增的敬畏──我頭頂的星空,並我內在的道德律。」

  為了對先哲表示敬意,我略加刪減,節錄德文的原文:

  “Zwei Dinge erfüllen das Gemüt

  mit immer zunehmender Ehrfurcht:

  der bestirnte Himmel über mir

  und das moralische Gesetz in mir.”

  ─  Immanuel Kant,

  Kritik der praktischen Vernunft

  (《實證理性批判》)

  這段話或許耳熟能詳,但就在2008年,我走訪義大利卡布里島開會,在島的西南端有個「哲學家公園」,我參觀完後出來往海邊走,驀然看見一塊石頭上寫著這段康德的話,心中的震撼迴盪至今。

  論到神秘的內在經驗,愛因斯坦說道(黑體或斜體都來自我的加強):「我們能有的最美體驗是神秘感,那站在真藝術與真科學濫觴的根本情緒。不曾認識它,不再能驚異、不再能讚嘆,那人就如死去一般,他的眼睛黯淡了。是神秘的經驗──雖然夾雜著恐懼──產生出宗教。即便我們的心智僅能感受到皮毛,但認知到有我們不能參透的事物存在,體會最深切的理性、最奪目的美麗:是這樣的知識與這樣的情感構成了真宗教情懷。在這個意義上、也只有在這個意義上,我是一個虔信的人……我滿足於生命永恆的奧秘,認識與感受存在的構造奇妙──以及卑微的試圖理解那將自己彰顯於自然的理性,縱使只有一丁點。」

  愛因斯坦這篇雋永的小品文,不僅提及藝術和科學的根源,也提到生命永恆的奧秘與存在的驚奇。而他用英文大寫的 Reason(理性),則正是康德兩本「理性批判」鉅著標題中的Vernunft。這個半擬人化的「理性」,中文頗難翻譯,但愛因斯坦明顯把對那「將自己彰顯於自然的理性」的認知,放在神秘體驗的最高層次。

  這兩段哲人的話,正呼應了韓濤教授對本書課題的評論:“That’s Religious!”儘管我在獲得物理博士學位之後不久受洗成為基督徒,在課程與本書中,我都不會涉入宗教和哲學的範疇,僅純粹討論科學的知識,挑戰「人」的認知。但透過這些偉大思想家的話,希望學生與讀者能夠親身感受愛因斯坦所說的Mysterious──人類所能有的最美經驗與最高價值。

  在希臘德爾菲的阿波羅神殿,登殿匾額上當年刻著箴言:

  “ΚΝΩΘΙ ΣΕAΥΤΟΝ” (“Know Thyself”)

  「認識自己!」,或謂這是西方哲理的核心。在東方則有老子說「自知者明」,可惜在現今日常用語中的「自知之明」已失去了原本的深刻意義。對我而言,認識自然,我們存在的根源與其蘊含的神秘法則,是人類「認識自己」的絕佳之路。

  試問你自己我是誰? 我追尋的人生意義是什麼?「人」的意義是什麼?

  我們的存在即便渺小,卻是一件非常特別的事,因而生命如此無價,我們該好好活,不要輕易拋棄。每一個人有她/他獨特的一生,務必走完!

  現在,讓我們藉反物質的發現,突顯「宇宙反物質」這個大謎題(Mystery!)神秘的E = mc2和反物質

  保羅‧迪拉克(Paul Dirac)在1928年結合了愛因斯坦的狹義相對論和已發展了20多年的量子力學,從而發現了人類未曾知道的反物質,我簡易說明如下。熟悉的E = mc2,其實是E2 = p2c2 + m2c4,在「動量」p = 0的化簡。動量在我們平常經驗的世界,是質量乘以速度,是有方向性的,即上下、左右、前後,亦即都有正負號。我們由此注意到愛因斯坦方程式中,存在著E > 0及E < 0>
  反電子質量 = 電子質量(質量相同)

  反電子電荷 =  ̵  電子電荷(電荷相反)

  是為反物質的藍本。人類發現反物質存在,且還有如下的一個特性。

  要知道反粒子不是科幻,而早已真真實實進入現實生活中:反電子 e +或稱正子,已廣泛用於許多醫院的「正子造影中心」。正子和電子的質量完全相同,但電荷相反,因此電子和正子相遇時相互湮滅產生 γ-射線,也就是返回E = mc2的純粹能量。此純能量不再有正負電荷,而正子、電子相反的電性也正好抵銷。正子造影的醫療技術就是應用正子與電子相互湮滅所產生的兩顆光子來造影,是能抓到最小腫瘤的利器。在電影「天使與魔鬼」中,故事背景就是人類製造出0.25公克的反物質,若釋放出來與物質接觸時,湮滅的能量將可摧毀整個梵諦岡教廷城,於是朗登教授出動……

  讓我們回到宇宙的初始──138億年前的大爆炸,那生出宇宙的原初極大純能量事件。認知到反物質的存在,我們驀然發現「我們」的存在變得非常奇特!

  因為在大爆炸的一瞬間,物質和反物質應當等量產生並滿溢於當時的宇宙。在下一瞬間,物質和反物質應當相互抵銷湮滅,一切於焉不存。但竟然還有些許物質留存下來,而構成你我的物質存在,正是演化出你我的基本要件。從日常生活我們可以清楚體會到:周遭並沒有大量反物質的存在。何以如此?那些宇宙反物質最後去了哪裡?至今,這仍是難以詮盡的問題。這個問題,本身則更是驚人。德爾菲的神喻勸誡人“Know Thyself!”,是何等的貼切。人的存在,本身即是極大的奧秘。因為能這樣沈思、追本溯源的我們,在最初的宇宙並不存在。宇宙的初始並沒有生命,而生命的最初也沒有人類。即使是人類,也是在存在數百萬年後才演化出智人(Homo Sapiens);直至幾百年前,人才真正開始探索宇宙;而真切地提問宇宙大爆炸初始、以及反物質消失的問題,又是近80年的事了。經過這麼多複雜的發展,才有現代人類回頭思考自身起源與存在的問題。我們並沒有親身參與這些探索,但同為人類群體,我們的知識是共同擴展的,也共同享有知識的成果。

  蘇聯氫彈之父安得烈‧沙卡洛夫(Andrei Sakharov)在1967年提出了「三條件」來說明宇宙大爆炸後反物質的消失,以致於今日我們能夠存在。這個「沙卡洛夫三條件」包括:

  1)重子數不守恆;2)C及CP破壞;3)偏離熱平衡。

  若符合此三條件,則宇宙起初將有些許反物質變成物質。就今日的瞭解,應有十億分之一的反物質變成物質,最終遺留下來,成就了今日的我們。其餘的反物質則和物質相互湮滅,產生的純粹能量最終注入了光子,在 38萬年前從渾沌的宇宙中釋放出來,從此自由運行。這個大湮滅的「悶響」如今依舊迴盪在「宇宙背景輻射」之中。而經過138億年才出現的我們,回頭思索、理解這一切,真是一件太稀奇(Mysterious)的事。

  沙卡洛夫三條件之一的CP破壞,正是我多年來的主要研究課題:對於最初宇宙大爆炸的10−9這樣的比例,我們是否能夠提出適當的當代解釋?

  我的研究

  台大高能實驗室藉著參與日本高能實驗室(KEK)「B介子工廠」的Belle實驗,我自1994年開始在台大推動成立高能實驗組。

  我在辦公室中放的那隻紙鶴,正代表著我和日本的長期合作關係。Belle實驗研究的主要目標正是CP破壞,探討宇宙在起初變成物質完全當道的這個奧秘環節。B介子工廠是一個正、負電子對撞機,其成果導致小林誠與益川敏英獲得2008 年諾貝爾物理獎。但有趣的是,小林先生在領獎時坦承他與益川的「三代夸克」CP破壞機制不足以解釋前述的10−9。事實上,兩者落差竟有100億倍以上呢!若第四代夸克存在,CP破壞強度則可增強千兆倍!

  位在瑞士日內瓦侏羅山腳的歐洲高能研究中心CERN的大強子對撞機LHC,則探索另一個「起源」問題,也就是質量之源的研究。質量本身就是能量。若物質皆由夸克和電子所組成,那麼這些質量,以及背後的能量,究竟都從哪裡來呢?

  LHC以尋找「神之粒子」、即希格斯粒子為標竿。LHC加速器比日本的 KEKB加速器週長大了10倍,達27公里,進行的是極高能的質子-質子對撞。2012年的盛事,便是在約134倍質子質量找到了希格斯粒子!2013年的諾貝爾物理獎也正是頒給原始理論貢獻者方思瓦‧盎格列(Francois Englert)及彼得‧希格斯(Peter Higgs)。

  讓我介紹一下LHC,以及台大所參與的CMS實驗。在上圖☺圓圈的位置,被稱做 Point 5、或第五點,往地下深約100公尺之處是LHC的一個對撞點。在這裡放著CMS偵測器。台大與中大在 2000 年代參與了前置簇射器Preshower子系統的建造與運作,在這個跨國的環球合作中佔有一席之地。

  台大又自2010年起藉「飛越小林•益川──探尋第四代夸克」的國科會/科技部「學術攻頂計畫」參與CMS像素偵測器 Pixel 第一階段升級,預計2017 年初抽換現行像素偵測器,以適應更高的輻射劑量。目前台灣正在規劃下一階段偵測器升級建造的參與,預計於2025年開啟第二階段運轉。

  雖然LHC第二階段運轉時,我應該已經退休,但從現今知天命之年走向耳順的我回首來時路,感到很幸福,因為 Doing my Hobby, and Getting Paid for It !

  祝福你也找到如是的幸福,過你充實的一生。
 

詳細資料

  • ISBN:9789570850826
  • 叢書系列:圖解
  • 規格:平裝 / 224頁 / 17 x 23 cm / 普通級 / 單色印刷 / 初版
  • 出版地:台灣
 

內容連載

第一章─演化、科學與信仰
 
本章藉由介紹演化論,示範科學講求檢驗與證據的根本精神。我們從「案例」入手,突顯演化論具有預測、推敲以致發現關鍵證據的能力。演化論是生物學的中心準則,解釋了生物多樣性、並地球眾生命乃同屬一個大族譜。所有地上四足動物的共同祖先在不到四億年前出現、二億多年前哺乳類出現、靈長類約在七千萬年前出現、人類始祖約四百萬年才出現,而我們智人(Homo Sapiens)來到世上才不過二十萬年!對生物演化論的認知,部分回答了本書主軸的「起源問題」。起源問題則觸及信仰,而演化論揭示「沒有設計師的設計」,是否與信仰有衝突呢?
 
Tiktaalik的發現:從案例入手
 
脊椎動物、四足動物:「魚足類」?
 
提到「脊椎動物」,你腦海浮現的多半是像人類這樣的生物。然而,脊椎動物其實以魚類為大宗,四足動物(Tetrapods)這個標籤才更貼近我們這樣的大型陸上生物。那麼,四足動物的四肢究竟是如何從最初以魚類為主的構造發展而來呢?這個變化是上陸之前就已發生,還是之後呢?
 
若你看過關於「提克塔里克」(Tiktaalik)的文章,就會常常讀到Fishapod這個以fish(魚)取代Tetra(四足)的字。例如由德施勒(E.B. Daeschler)、舒彬(N.H. Shubin)與堅肯斯(F.A. Jenkins)發表於《自然》(Nature)雜誌的文章 1 :〈一種像四足動物的泥盆紀魚、與四足動物身體構造的演化〉(A Devonian tetrapod-like fish and the evolution of the tetrapod body plan),標題宣告討論焦點是
 
一種魚,卻又與四足動物相近,而核心提問正是:「重要的四足動物特徵是如何、並以怎樣的次序演變的?」生命是從水中慢慢往陸地發展、擴張,如果魚類是脊椎動物中較早並且大量出現的生物,我們也許可以合理推敲在陸生四足動物
 
(Tetrapod)與水生魚類間,還有一類介於兩者之間、被遺忘的族類:魚足類。
 
讓我們想想重要的四足動物特徵,除了「四足」之外還有甚麼?譬如,你看過會轉頭的魚嗎?應該沒有。魚能轉身、迴游,卻不能轉頭。你可以再好好觀察一下,動物的脖子如何能夠轉動?能夠轉動的頸脖構造是否能算是四足動物的一個特徵?這些特徵是怎麼來的?它出現的次序是甚麼?

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