現代化學之父:門得列夫 (Dmitri Mendeleev)

門得列夫 (Dmitri Mendeleyev, 1834 – 1907) 是沙皇時期的俄國人。他一生堅持實行母親的遺願:「小心幻覺,努力研究,尋找神聖與科學的真相。」母親用盡一生精力,帶著兒女們四處走訪,為的是要令兒女得到正確、優良的教育。 門得列夫是個勤奮、好學、對科學充滿熱忱的人。他終其一生都努力不懈,勇於嘗試,他明白教育及經濟發展是唯一帶領人民走出貧窮的道路。他一生都沒有遺忘母親的教導,日以繼夜研讀化學,在中學及大學都一直名列前茅。很快地他就成為了世界頂尖的科學家之一。 門得列夫與其他化學家如德尚寇特斯 (B. de Chancourtois) 一樣,認識到看似混亂的化學元素之間必然隱藏著規律。跟其他化學家不同的是,門得列夫性格勇往直前,不計較自己的名聲。當他發現自己預測的「元素週期律」與元素的(猜測)原子量不相符時,他選擇去改動原子量而非否定週期律。當然,他的這種作風並不為人所接受,他被人認為是不能理解、不科學甚至是幼稚。但他堅守著自己的信念,向著自己認為能開闢科學新道路的方向進發。他說:「兩者只能擇一,要麼就是認定週期律完全正確,並且以形成新的化學研究方法,否則就是全盤否定。」 當他排列好他的化學元素週期表之後,他就預測了新元素的發現,就像勒維耶 (Leverrier) 預測海王星的存在一樣。最後,當門得列夫預測的元素「類鋁」即「鎵」(Gallium, Ga) 被發現後,除了原子量之外,其他性質如比熱、密度與熔點等都非常正確。而門得列夫仍堅持是鎵的發現者德.布瓦博德朗 (Lecoq de Boisbaudran) 的測量有誤。後來德.布瓦博德朗在重複實驗後驚訝地發現,門得列夫的預測比他第一次的測量還要準確。 化學元素週期表不單止為世人打開了原子祕秘密的大門,更使化學成為一門成熟的科學。這個週期表的重大意義在於,它給了人們預測的能力,而預測正是科學最重要的元素之一。化學元素週期表造就了現代化學及醫學發展,提供了合成及製造新化合物的方向,為後世化學發展打下了堅定的基礎。 門得列夫於一九零七年冬天因肺炎病逝,享年七十二歲。數以百計的學生於喪禮大道兩旁守候著,並驕傲地抬著他的棺木,以及他所發現的化學元素週期表。門得列夫一生正直,並努力與堅毅地守著他母親的願望,最終讓它成真。他不單在科學上熱心奮鬥,而且也幫助推動了俄國的民主教育。而這個一生節儉樸實,在他人眼中的「獨特多髮的人」,卻可能並不會因此而覺得感動,倒可能會說:「很好,那麼我們繼續工作。」 ====== 此為筆者於星匯點 2010 年 3 月號會訊所撰之文章,經過修改 ======

什麼是 the imitation game?

你之所以能夠讀到這篇文章,電腦之父艾倫.圖靈 (Alan Turing) 居功至偉。在電影「The Imitation Game」裡面,我們看到圖靈建造了一部巨型機器用以破解德軍密碼。電影中幾次提到的問題「究竟機器能否思考?」究竟有甚麼意義? 在電腦出現以前,所有的機器都是不能被重新編程的,意思就是說一部機器只能夠做一件事情。換句話說,不把它全部或部分零件拆掉、重組,就不能夠做其他工作。其實,人類很早就發明了能夠計算簡單算術的計算機。它們與電腦的分別,就是電腦使用電子方式而非機械方式去進行計算,令到它們可以被重新編程。圖靈提倡並研究「能夠被重新編程的計算機」,開創了電腦科學這一整個學科,因此你與我現正使用的電腦和智能電話,全部都是圖靈機器 (Turing Machine)。 那究竟甚麼是 the imitation game? 其實,the imitation game 是圖靈在他的一篇論文之中提出的一個用以判斷「機器能否思考」的測試,現在叫做圖靈測試 (Turing Test)。換句話說,能夠通過圖靈測試的機器就會被定義為人工智能。測試原理非常簡單:我們要測試兩個「人」,問他們一些問題,其中一個是人類,另一個是電腦。測試只能以輸入字句的形式進行,因此我們不能憑聲音判斷哪一邊是人類或電腦,只能夠根據雙方的回答來判斷。如果我們無法根據任何回答分辨出人類和電腦,就代表這部電腦能夠思考。 現在的圖靈測試有很多不同版本,需要受測試的電腦騙倒一定數量的人才算通過,不過其基本原則都一樣。現時為止 (2015 年 3 月) 仍未有電腦成功通過圖靈測試。 這個簡單的概念為人工智能的研究打下了基礎,同時啟發了科學家去問更多新的問題。究竟機器能否思考?如果答案是肯定的,那人類就要面對很多科幻故事裡面提出的問題:擁有意識的人工智能,算不算擁有生命?有意識的電腦會不會像人類一樣,會說謊?我覺得電影之中,圖靈的一句對白是對這個問題的呼應: “When people talk to each other, they never say what they mean. They say something else and you’re expected to just know what they mean.” 這就是科學,解決了一個問題,往往代表有更多的問題等待解決。

「政治只是一時;方程卻是永恆。」

「政治只是一時;方程卻是永恆。」 “Politics are for the moment. An equation is for eternity.” – 愛因斯坦 Albert Einstein 愛因斯坦在研究廣義相對論之後,愈來愈熱中於猶太復國主義,並幫助以色列立國。 愛因斯坦一生對金錢、物質、名譽等不感興趣,他喜愛的東西大概可說只有物理和女人。他希望找出大自然的終極奧秘,並以優美、永恆不變的數學方程式表達出來。愛因斯坦覺得「政治只是一時,方程式卻是永恆」。他曾說他不喜歡政治,但他在一生中卻經常對種族平等、世界和平等政治大議題作公開演講。因此他也引來許多人對他的政治立場表達不滿。在許多政治家眼中,他可說是一個有著巨大名氣的「麻煩製造者」。 當以色列的第一任總統魏茲曼於1952年逝世時,繼任首相古理安建議邀請愛因斯坦擔任第二任總統。耐人尋味的是,古理安卻有著這樣一個憂慮:「告訴我該怎麼辦,如果他接受的話!我必須要提出這項職務給他,因為沒有理由不這麼做。但是如果他要接受,那我們就有麻煩了。」1可見愛因斯坦雖然對以色列恩重如山,而且更為在以色列建立希伯來大學而四處奔波募捐,但其實他那堅定的政治立場也使以色列頭痛不已。 最後邀請函還是送到了愛因斯坦家中。其實如果古理安清楚愛因斯坦的為人的話,他根本不必擔心,因為愛因斯坦根本不會接受離開物理學家的位子而去當個總統。對他來說,思考物理比解決國家事務有趣得多,也容易得多。於是他寫了一封回信,感謝並婉拒古理安的邀請1: 「受到我們的城邦以色列如此盛情的邀請,我確實非常感動,隨即感到悲傷與羞怯,我無法接受這項提議。我終其一生都在面對外在、物質的事務,因此缺乏那份與人們適度相處、交涉的天性與經驗,以及官方職務的實際經驗。對於現在這些狀況我尤其感到苦惱,那是因為自從我充份了解我們的處境在世界上的國家中是如此不安定,我與猶太同伴的關係已經變成我最強韌的人性牽絆。」 ====== 此為筆者於星匯點 2009 年 12 月號會訊所撰之文章,經過修改 ====== 1《愛因斯坦——百年相對論》中譯本,安德魯.羅賓遜 (Andrew Robinson) 編著,林劭貞、周敏譯,好讀出版,2007年。

我們都是星塵:卡爾.薩根 (Carl Sagan)

卡爾.薩根 (Carl Sagan, 1934 – 1996) 是著名的天文學家,同時亦是一位出色的教育家,終生致力向社會推廣科學。儘管大家可能從未聽過他的名字,但其實大部分人都會聽過他所說的名句:「我們都是星塵。」(“We are all star stuff.”) 其實他就是當年一部著名天文科學電影《超時空接觸》(Contact) 原著小說的作者。 卡爾.薩根是芝加哥大學天文物理學博士,曾為康乃爾大學天文學與太空科學鄧肯講座教授,並主持行星研究實驗室。他最重要的科學成就包括金星溫室效應、火星沙塵暴、土衛六有機物質研究等等。他也深入探討過核子戰爭會對環境造成的長期影響以及地球生命起源等等一些在科學和社會中都有重要意義的課題。他參與過多項無人行星探測任務,包括水手號、維京人號、旅行者號和伽俐略號等太空計劃。他亦是最早投入外星智慧生物搜尋工作的研究先驅。 卡爾.薩根一生致力於科學普及和教育工作,著有三十多部作品,曾獲頒普立茲獎。其代表作就是第一代《宇宙:個人遊記》(Cosmos: A Personal Voyage) 系列一共十三集電視紀錄片。第二代《宇宙時空之旅》(Cosmos: A Spacetime Odyssey) 於 2014 年播放,由 Neil deGrasse Tyson 主持,他於節目中講述當年卡爾.薩根如何鼓勵他成為科學家,令人感動。 《宇宙:個人遊記》被編成《宇宙.宇宙》(Cosmos) 一書,筆者也就是這樣認識卡爾.薩根這一個科學教育家。書中從星系、星雲、恆星和太陽系等大尺度的結構開始,以探討生命起源、進化的可能性貫通全書;他沒有把概念和資料強行塞給讀者,而是希望讀者由科學角度自行思考生命的起源與意義,思考人類自身的存在意義;在生物學以至社會大眾的角度探索人類及地球上其他生物如何看待地球這個宇宙中唯一的家;以至於與外星文明溝通時所會遇到的問題;也討論了科學與宗教、道德、核戰等等與我們切身相關的問題,可謂一本不可多得的科普讀物。他示範了如何從理性角度去思考複雜的科學、社會問題,卻又不會流於死板;如何從感性角度欣賞這個富生命力的地球,卻不忘警醒我們必須保護家園,這個上億物種共存的唯一的家。事實上,他的思維方式影響筆者甚深,筆者在講講座、寫文章遇到這些科學或哲學問題時,經常會重新閱讀這本書尋找靈感,而每一次閱讀都總令我感動莫明,帶來新的體會。 他的著作《超時空接觸》在 1997 年被導演 Robert Zemeckis 拍成電影,亦是筆者最愛的電影之一。這套電影講述一個女天文學家 Eille (由 Jodie Foster 飾演) 自小受父親薰陶,在第一次見到金星之後就愛上了天文學。她長大後終於成為天文學家,並努力不懈尋找外星生命;然而包括她的上司在內的絕大部分科學家都認為她只是在浪費時間。然後有一天,她終於發現了外星人傳來地球的訊息,但接下來困擾她的除了訊息解碼以外,卻是政治、道德、宗教等社會問題。她在阿雷西博天文台 (Arecibo Observatory) 工作時認識了一班好同事,更認識到後來任白宮神學顧問的神學研究者 Palmer Joss,兩人有過一夜關係。原來外星人 (電影中說訊號來自 Vega,即織女星) 傳來的是一種宇宙交通工具的設計藍圖,在後來爭取成為地球人代表,上太空與織女星人見面的事件中,Joss 也不斷幫助她。筆者就不再劇透了,有興趣就自己找來看看吧。不過現在全香港只餘下英文版 DVD 有售,有興趣的朋友可以私下詢問筆者。可惜的是,卡爾.薩根未能親眼看到他的電影上映,就因肺炎病逝了。 這套電影的主題雖然環繞地球人與外星人的接觸,但其內容卻遠遠不同於一般科學或科幻電影。卡爾.薩根希望告訴大家,一旦真的發現外星智慧時,人類應該怎麼辦、社會又會有甚麼反應。其實,科學也是社會的一部分,科學家也是人,也會有互相爭取利益的時候;而科學發現與政治、道德、宗教之間往往也有著某種關係。現實中科學不能夠從社會中分裂出來,科學發現實在與全人類都有關係。我們應該時常反思,如何把科學及社會的比例恰當地調整。每個人的取向也不會完全相同,因此要作出一個決定時難免會有爭端、甚至衝突發生。片中描述了科學、政治、宗教之間的互不信任,各有自己的見解,最後更不幸地演變成流血衝突。究竟科學與宗教之間的關係,是互斥,還是互補?科學,講的是證據;而宗教,講的則是信心。兩者真的不可能共存嗎?這真的值得我們細細反思。…… Continue reading 我們都是星塵:卡爾.薩根 (Carl Sagan)

行星.生命.演化

左圖:達爾文於 1878 年之照片。右圖:道金斯。 行星:生命的起源 生命從哪裡來? 研究顯示生命大概源自太陽系內,而且要看你如何定義「生命之源」。 生命的源頭是第一個微生物?這個「微生物」與現代的微生物很可能大不相同。還是組成這個微生物的第一個有機化合物?如果你認為生命的源頭是碳原子,哪麼你甚或會認為生命源於太陽系外,畢竟我們都是星塵。 有些天文學家認為地球上的有機化合物是來自一些過去曾撞擊地球的小行星。也有科學家認為這些化合物是從地球上的古代大海之中,由比較細小的原子、份子通過吸收閃電、火山的能量組合而成。當然,這些情況也可能發生在其他行星之上,然後經由星體碰撞被拋進太空,變成隕石抵達遠古時的地球。 生物學家道金斯 (Richard Dawkins) 認為,生命源於地球的古代大海。各種不同、擁有自我複製能力的化學物質互相爭奪大海中的資源。然後到了資源差不多耗盡之時,因為某一次的自我複製出現了錯誤,而這個錯誤的效應是使這新份子擁有拆散其他份子的能力,從而把它們 (牠們?) 變成複製自己的材料。 這應該就是地球上第一個獵食者了。當然,也有一些錯誤複製的結果是致命的,使得新份子的求生覓食能力比其他份子低,而這些份子就會被大自然淘汰。其實在現今,這種錯誤複製也一直在我們 (或任何物種) 體內發生,我們稱之為突變 (mutation)。擁有突變後的DNA的個體如果比其他個體更能適應環境變化、擁有更多的後代的話,就會演化出新的物種。 回到過去的海洋。隨著時間一路推移,這些複製錯誤的份子互相爭奪資源、獵物。自我複製速率高、拆解對手能力高的一方,就會成為最後的大贏家。然而,贏家的代價就是再找不到食物,因為差不多所有的對手、所有的食物都被牠們吸收掉了。這時,這種份子就會開始大量死亡,因為沒有食物就等於沒有能量供應。寫到這裡我在想,如果人類再繼續逼死其他生物、再不斷砍伐山林,我們的結果會否跟這種取得「勝利」的份子一樣? 當這種份子數量大量降低以後,其他份子就有機會出頭了。於是戰爭又再繼續。有些份子演化出保護自己的外殼,可能是類似細胞膜的東西;也有一些演化出破壞這些外殼的方法;有一些更可能演化出殺死外殼裡頭的份子,取而代之的獵食方式。 這場演化戰爭一直發展下去,直到DNA終於演化出來,成功打敗了採取其他生存戰略的份子,並且發展出許多利用不同環境、不同獵食方法的分支。為甚麼我會知道DNA是唯一的大贏家?因為在地球上所發現的生命,包括所有動植物、原生生物、原核生物及真菌,體內的都是DNA。 當然,我們也可以假設DNA是比較近期才演化出來,然後收拾掉一切非DNA的生物。只是,這個假設比較不可能發生,原因是地球上的生命形式實在是太多了,DNA要如何在「近期」的短時間內從空中、陸上、水中以至深海的物種間進行種族大清洗呢? 不管是哪一物種,要生存、繁殖都必須要有充足的能量供應。否則能夠生存卻不夠養份繁殖、能夠繁殖下一代卻不夠養份生存,就是得個桔。地球是我們唯一知道的有生命存在的行星,它提供了生命所需的一切:空間供給居住、大氣層供應氧氣及二氧化碳、抵擋紫外線、磁場阻隔太陽風及宇宙射線,還有大海、土地為生物儲存養份等等。當然,地球上生物的大部份能量來源是太陽光,只有少部份來自地熱。所以,行星是生命能夠演化傳承的舞台。 但是,生命並非生存在一個一成不變的舞台上。自然環境孕育生命,生命同時也塑造大自然。 在遠古時代,地球是沒有這麼多氧氣的。活在地球上的生命,大多都是厭氧生物。牠們不喜歡氧氣,因為氧氣對牠們來說是劇毒。由於地殼不穩,大量的二氧化碳隨著火山爆發被噴入大氣之中。年月累積下來,地球的二氧化碳含量就愈來愈高。 可是這樣一來就有利於靠二氧化碳與陽光進行光合作用的生物了!這些生物會愈來愈多,因此愈來愈大量的二氧化碳會被吸走,取而代之的是氧氣。於是那些原本雄霸一方的厭氧生物,就只好往海底下去找安身之所了。現在,我們可以在海底的火山口附近發現許多厭氧的微生物,相信就是這些古厭氧生物的後代了。 植物演化出來之後,依賴氧氣的動物也在某個時候演化出來,兩者就一直合力維持地球大氣中化學成份的平衡。當其中一方數量過多,就會放出過多不利於自己、但有利於對方生存的氣體,於是大自然就會發揮一個天然的負反饋作用 (negative feedback),令兩者數量比例再次回復平衡。 所以,地球本身其實亦是積極參與生命演化的一份子。根據林超英先生的講法,地球本身就是一個生命啊! 演化:生命的延續 演化是物種之間互相轉變的方法,也是生命由簡單趨向複雜的方法,更是生命得以在地球上傳承至今的不二法門。在今天,除了演化論,根本沒有另一個可以同樣成功解釋生物界多元化且展現物種間環環相扣的現象的科學理論。 達爾文 (Charles Darwin) 於一八五九年出版《物種起源》(On The Origin of Species) ,提出物種會演化的理論,至今已經超過一百五十年了。在這百多年之間,很多人出版過《物種起源》不同的版本,有一些更加入了出版者本身的意見;亦有很多人寫書、文章去評論這個理論;也有人寫書說別人的書如何誤解了演化論的意義,之後對方就再寫書說那些人寫書說他們寫的書如何誤解了他們沒有誤解演化論的意義……總之就是在科學界引起了軒然大波,尤其在百多年前,科學界仍然將生命起源留給上帝的時代。 在這篇文章中,我不準備討論演化論有甚麼意義、對科學和宗教又有甚麼影響等等。這些也許我會在以後再討論。現在我只把它當成一個普通的科學理論看待 (它根本就是一個普通的科學理論嘛,演化論與相對論沒甚麼分別,而且相當容易理解),嘗試為讀者解釋演化論的內容。這可以說是我讀完《物種起源》與其他演化論書藉後的分析,也可以說是一個物理及天文專業自學生物演化的讀書報告。 第一步:突變 (Mutation) 不管是由甚麼原因引起,突變是指生物的某些基因 (genes) 突然發生變異。變異可以是以任何方式改變了本身基因的排列,例如基因互換位置。這些變異可以是對該生物外在的表徵,或是內在的改變,又或者可以是完全沒有任何改變。但只要這些變異會造成任何可觀察的影響,這些影響就會改變這個體在環境中的適應力,大自然就會自動判斷對這個變異是「好」還是「不好」。 至於基因是指DNA的不同段落,可以把它們想像成電腦指令,雖然不太精確。有些人會形容DNA像是生命的藍圖,可是我認為這個比喻很容易令人誤解。你可以從一張藍圖看出所要建造的東西的所有細節,但你不可能只看DNA就知道這個體的所有細節。就好比你不可能只看一個電腦程式的source code就了解整個程式如何運作吧。比較精確的比喻是DNA就好像菜譜,它記載了你需要甚麼材料、材料的份量、何時該加熱等。菜譜本身包含了這個菜式的一切資訊,可是若不把它煮出來就永遠無法知道它的味道。生命也是一樣。 第二步:適者生存 (Struggle for existence) 生物因為體內的基因發生突變,導致一些外在或內在的改變。一開始可能這些改變並不明顯,對該生物的生存及繁殖沒有太大的影響,因此得以傳遞到下一代。經過世代傳遞,這些改變就會愈積愈多,最終所有這些改變的共同效應會影響這物種第N代的生存機會。如果其影響是減低了該物種對生存、繁殖的競爭力的話,這種變異體就會很快消失,因為牠們的後代數目將會快速減少;反之,若此等競爭力等到提昇,該物種的後代數目就會不斷上升。…… Continue reading 行星.生命.演化

關於余海峯

獅子仔Simba的爸爸,天體物理學家,德國馬克斯普朗克地外物理研究所天體物理學博士,前瑞典皇家理工學院博士後研究員,現香港大學理學院助理講師。曾任香港電台《五夜講場-真係好科學》節目主持、台灣物理學會《物理雙月刊》副總編輯、以及《立場新聞》科學顧問。著有《宇 – 這個天體物理學家不離地》、《宙 – 天文物理時空之旅》、《星海璇璣》(皆花千樹出版),以及《David博士21個宇宙大探索》(筆求人出版)。 《宙 – 天文物理時空之旅》(2019年出版) 曾獲頒奬項: – 第三屆香港出版雙年奬《生活及科普》出版奬(2021年) – 教協第31屆中學生好書龍虎榜十本好書(2020年) – 商務印書館年度選書(2019年) 《星海璇璣》(2017年出版) 電視: ViuTV《晚吹 – 就係唔科學》 香港電台《地球事圓的-圓來如此》 香港電台《早辰。早晨-讀字快樂》 香港電台《五夜講場 – 真係好科學》 香港電台《香港故事 – 邊緣探戈》 無綫電視《新聞透視》 電台: 商業電台《口水多過浪花》 新城電台《阿肥與阿比》 新城電台《我講你信唔信》 報章: 香港01《【流行科學】多元宇宙原來有科學根據?專家拆解「穿越時空」方法》 眾新聞《【港台五夜講場】港大理學院講師余海峯:主持齊上齊落 科普節目激發思考 社會進步先要人進步》 明報教育《天體物理學:探索宇宙》 明報星期日副刊《通識導賞:物理講師看《天能》 路蘭的逆行世界存在嗎?》 果籽《香港人的天體物理學》 星島中學教育《站在巨人肩上  閱讀科學》 星島小學教育《【STEM與生活】地球可以出走嗎?》 香港01《由搖籃到墳墓 瑞典福利何以哉?》 都市日報《追星男人   擁抱天文》 蘋果日報《外太空放屁會爆炸? 太空人祕密大公開》 蘋果日報《內地霧霾薰黑高鐵車頭?港專家話未必…》 果籽《【落地生根?】逃亡的香港人:我還是想回去》 Curriculum Vitae Ph.D. Dissertation HKU…… Continue reading 關於余海峯