裸露的奇異點

2009/03/27　第154期　訂閱╱退訂　看歷史報份 深度報導 裸露的奇異點 發燒新鮮事 大腦為何這麼皺 科學馬戲團 遭到誤解的達爾文 本月優惠活動 知識報訂戶獨享過刊特惠 好康報報 『科學不簡單講座』電漿火箭前進太空

裸露的奇異點 　 撰文╱約希（Pankaj S. Joshi） 翻譯╱李沃龍 　 我們總以為吸納所有物質的黑洞核心——奇異點永遠神秘地藏匿在黑洞裡，其實它也可能赤裸裸地呈現在我們眼前？ 重點提要 ■ 傳統看法認為大質量恆星最終會坍塌成黑洞，但有些理論模型卻預測那會形成所謂的「裸奇點」，這是天文物理上懸而未決的重要問題。 ■ 裸奇點的發現會為物理學上的統一理論提供直接的觀測，對該理論的影響甚鉅。 現代科學已把許多奇怪的概念昭告天下了，但其中最詭異的，莫過於大質量恆星到達其生命盡頭時所面臨的命運。在燃燒了億萬年後，恆星的燃料耗盡，無法再支撐自身的重量，於是開始災難性的崩塌。像太陽這類大小適中的恆星會在崩塌成較小體積時，再度穩定下來；但若是質量更大的恆星，它的重力將壓過所有阻止坍塌的力量，使得恆星從原本數百萬公里的大小，塌縮成比英文字母" i "上的一點還微小。 多數物理學家與天文學家認為這個結果就是黑洞──一種具有強大重力而沒有任何東西能夠逃離其近旁的天體。黑洞的核心是個奇異點（singularity），恆星上頭所有的物質都縮進了這個體積無限小的點，環繞在奇異點周邊的就是物質無從逃脫的空間，其邊界稱為「事件視界」。任何物體一旦進入事件視界之內，就永遠無法離開這個區域，就連物體所發出的光也會陷落其中，因此外界的觀測者再也看不到它。墜入的物體最終將撞毀在奇異點上。 然而這個描述是否真確？從已知的物理定律，我們清楚知道奇異點會形成，但不怎麼確定事件視界的存在。大部份物理學家採行的假設是視界必須存在，只因為以視界做為科學的屏障是非常誘人的概念。物理學家尚未完全釐清奇異點上究竟怎麼了：物質是被壓垮了，但變成了什麼呢？事件視界將奇異點藏匿起來，也阻隔了我們對它的探索；奇異點上可能發生各種未知的事情，但對外界不產生任何效應。天文學家在描繪行星與恆星軌道時，完全不必考慮奇異點的影響，因為不論在黑洞裡發生什麼事情，都只會留在黑洞裡。 但是，越來越多的研究質疑著這個一向被視為理所當然的假設。在許多關於恆星坍塌的學說中，事件視界並未形成，因此奇異點其實就暴露在我們眼前，物理學家稱它為「裸奇點」，物質與輻射可墜入也可彈出這個區域，也就是說，以往我們以為造訪黑洞裡的奇異點是趟有去無回的旅程，但其實你卻可以在非常接近裸奇點後全身而退，並敘述你此行的見聞。 假如欠缺事件視界的裸奇點真的存在，在奇異點附近發生的神秘事情將會衝擊外在的世界。裸奇點可以用來解釋天文學家已觀測到卻無法解釋的高能現象，並提供了一個探索時空最精細結構的實驗室。…more 【欲閱讀更豐富內容，請參閱科學人2009年第85期3月號】

新研究揭露了皮質皺摺是如何形成的，這項發現有助於自閉症、精神分裂症和其他精神疾病的診斷和治療。 　 大腦為何這麼皺 撰文╱希爾格泰戈（Claus C. Hilgetag）、巴巴斯（Helen Barbas） 翻譯╱涂可欣 　 重點提要 ■大腦皮質就是腦部最外層有著彎曲皺摺的部份，與人類的感知、思想、情緒和行為等高層次心智有關。 ■複雜的皺摺讓表面積增大的皮質可以裝入內部表面積有限的頭顱裡。 ■最新發現顯示，皮質上的隆起和溝壑是因皮質內神經纖維的拉力所造成的。 ■健康人和罹患源自胚胎發育時期的腦疾病（例如自閉症）患者的大腦皮質外觀不同，這些形狀差異顯示患者各個腦區間的聯繫也和正常者有別。 第一眼看到人類大腦，我們首先會注意到的就是那縱橫交錯的隆起和溝壑，這些有著彎曲皺摺的膠狀組織即為大腦皮質（又稱為灰質），約2~4毫米厚，裡面佈滿了神經元，負責調控認知、思想、情緒和行為。其他腦部較大的哺乳動物，像是鯨、狗和人類的近親大猿，也都有紋路獨特的皮層皺摺，腦部較小的哺乳動物和其他脊椎動物，腦部外觀則較平滑。這些擁有大型腦部的哺乳動物在演化過程中，皮質大幅擴增，事實上，如果把人類的大腦皮質鋪平，它的面積相當於一個特大號披薩，是頭顱內部表面積的三倍，因此人類和其他「腦大」的物種，要把皮質塞進頭顱的唯一辦法就是「摺疊」。 這些摺疊並不像將紙揉起來一樣隨便，每個人都循著一定的模式。這些摺疊原先是怎麼發生的？摺疊產生的形態是否透露了腦的功能？新研究顯示，在胚胎發育期間，神經纖維網絡會將柔軟的皮層拉扯出特定形狀，並且終生維持著，如果神經網絡在發育期間出錯，或之後因中風或創傷受損，就會對腦的形狀和神經傳訊造成深遠的影響，因此這項發現可引領診斷和與療一些精神疾病的新策略。 神經纖維的拉力造成皺摺 幾百年來，科學家不斷思索著腦部複雜的形狀。19世紀初期，德國醫生高爾（Franz Joseph Gall）提出從腦和頭顱的形狀可看出一個人的智力和個性的觀念，這個理論又稱為顱相學（phrenology）。儘管沒有科學證據支持，這個影響深遠的觀念卻讓科學界開始蒐集並研究「罪犯」、「變態」和「天才」的腦。到了19世紀後期，瑞士解剖學家西斯（Wilhelm His）提出假說，認為腦的發育受到一連串物理力量的引導。英國博物學家湯普森（D'Arcy Thompson）根據這個學說指出，不管是生物或無生命物質，許多結構都是物理性自我組織的結果。 這些早期學說雖然誘人，但最後卻日漸式微。人們認為顱相學是偽科學，在現代遺傳理論下，以生物物理來了解腦結構的方法相形失色，不過最近科學家使用全新的腦造影技術，並以先進的電腦分析為輔，反倒為19世紀的那些舊觀念提供了一些新鮮的證據。 1997年起，有一些線索指出西斯和湯普森有關大腦構造的想法並沒有錯。美國聖路易華盛頓大學的神經生物學家范艾森（David Van Essen）在《自然》上發表了一個假說，指出那些連結大腦皮質不同區域、負責訊息傳遞的神經纖維，會對這層膠狀組織造成一些微弱的拉力。在人類胚胎發育的前六個月，大腦皮質都維持平滑，新生神經元會伸展出細長的軸突（axon），鉤住位於皮質其他區域內的目標神經元的樹突（dendrite），然後繫縛在一起，當皮質擴增，軸突像橡皮筋一樣拉得又長又緊；到了懷孕中期尾聲，神經元繼續形成、移動並建立連結，大腦皮質也開始摺疊；到了出生時，皮質已大致發展完全，也有了典型的皺摺外觀。…more 　　　　　　　　　　 【欲閱讀更豐富內容，請參閱科學人2009年第85期3月號】

今年是達爾文的200歲冥誕，但許多人對演化及天擇仍有兩個迷思未解。 　 遭到誤解的達爾文 撰文╱薛莫（Michael Shermer） 翻譯╱潘震澤 　 1866年7月2日，天擇的共同發現人華萊士寫了封信給達爾文，發出如下喟嘆：「有那麼多聰明人完全無法看清或理解天擇這種自發且必要的作用，一再讓我驚訝。因此我得出結論，天擇這個用詞以及你的說明方式，雖然對我等而言既清楚又優美，但對一般自然學家而言，卻不是最能打動他們的方式。」華萊士繼續寫道：造成誤解之源，是天擇這個名詞；因為該詞暗指「有個不斷守望的智慧『挑選者』存在，就像你經常拿來做比較的『人擇』，以至於讓人以為在天擇的運作裡，思考及方向是不可或缺的。」華萊士建議改動天擇這個詞，而選用史賓塞的說法：「適者生存」。 華萊士不幸言中，由上述誤解引發的兩個演化迷思，持續至今；其一是演化具有既定的方向，其二是生存完全由你死我活的競爭優勢所決定。與頭一個迷思正好相反，天擇是種過程，而非推動該過程的力量；沒有什麼人在「挑選」適合生存的生物，無論溫和如養鴿人，為選秀品種選取討好的特徵；還是惡毒像納粹黨，為滅種在死亡集中營挑選犯人，都不是天擇。天擇沒有既定方向，它無法預期怎樣的改變對未來的生存有用。我女兒還小時，我試著向她解釋演化，把北極熊當成陸生與水生哺乳類之間的「過渡物種」看待；但那是錯誤的說法，北極熊並沒有朝水生哺乳類的方向「演化」，牠們只是對極地環境適應良好。 簡單地說，某些個體擁有更適合環境的變異特徵，將比適應較差的個體留下更多後代，這樣的結果稱為「生殖成就的差異」，也就是天擇。如照第二個迷思所言，長得更高大強壯、跑得更快和競爭起來更冷血無情的個體，將繁衍更多；只不過長得較細小瘦弱、跑得較慢以及善於社交合作的個體，同樣也可能存活並繁衍。…more 【欲閱讀更豐富內容，請參閱科學人2009年第85期3月號】