Tag 科學史上的今天

8月20日—發現左右腦各司其職的人

如果用眼罩遮住左眼，只用右眼辨認某樣新事物，之後再將眼罩換到右眼，左眼仍能辨識剛剛右眼學會的事物。大腦是怎麼做到的？ 出生於1913年8月20日的美國神經心理學家斯佩里（Roger W. Sperry）一直對此感到好奇，為了搞清楚，他於1959年帶領加州理工學院的研究生，用貓進行「裂腦實驗」。 首先切開貓的頭蓋骨，將左眼通往右腦的視神經剪斷，再對右眼通往左腦的視神經也如法炮製，左、右兩眼所見的影像便只能各自傳到左腦與右腦。接著將連結左右兩個半腦的胼胝體也切斷，如此一來，就能確保接收到的影像不會經由胼胝體傳到另一個半腦。手術完成後，就能進行下個階段的實驗了。 先用眼罩遮住貓的右眼，讓牠只用左眼學會分辨三角形與正方形。訓練好後，將眼罩移往左眼，結果改用右眼的貓竟然就無法區分三角形與正方形。若再將眼罩移到回右眼，貓用左眼就又能正確辨識了。同樣地，改用右眼學習也是如此，左眼無法辨識右眼剛剛習得的。 斯佩里證明了貓的左右腦有各自獨立的感知與學習系統，而且必須靠胼胝體的連結，才能將經驗移轉給另一半大腦。接下來就是如何對人進行裂腦實驗，畢竟人的心智運作才是我們最想一窺究竟的。 當然不可能為了實驗打開一個人的大腦，做像貓那樣的手術。不過，當時有些嚴重的癲癇患者為了免於癲癇發作之苦，會接受胼胝體切除手術，這些現成的「裂腦人」便是最佳的實驗對象。 1961年，剛好有個即將接受胼胝體切除手術的病患願意參與實驗，斯佩里便派了剛進研究所的葛詹尼加（Michael Gazzaniga）前往醫院，進行測試。 葛詹尼加讓這位代稱WJ的病患每次只能看到左邊或右邊，結果當圖片在右視野一閃而過（此時只有左腦可以察覺到），WJ可以正確回答閃過的圖片是什麼，但是當圖片是在左視野閃過（只有右腦可以察覺到），病患卻說什麼都沒看見。但奇怪的是，若要求他用左手畫出來，或是用左手靠觸覺選出圖片中的物品，卻又能成功做到。 這代表右腦的確看到了圖片，但由於胼胝體已切除，右腦無法將影像傳遞給語言中樞所在的左腦（註一），因此左腦就回答什麼都沒看見。但因為右腦負責空間與圖形辨識，所以還是能指揮左手畫出圖形或摸出正確的物體。 斯佩里開啟了後續一連串的裂腦實驗，因而發現了「大腦側化」，也就是左腦與右腦各自掌管不同的功能（註二），他因此於1981年與另外兩位研究視覺系統如何處理訊息的神經科學家，共同獲頒諾貝爾生理學或醫學獎（二分之一歸於斯佩里）。 不幸的是，畢生研究腦部神經的他，後來卻罹患運動神經元病變的「漸凍症」，而於1994年過世，享年80歲。 註一：其實約有10%的人，其語言中樞是在右腦，而這些人大部分是左撇子。 註二：後來研究發現左、右腦雖然看似分工，卻不是獨立作業，而是彼此合作，不宜再用「理性左腦、感性右腦」的簡單二分法。事實上，也有裂腦人的右腦後來發展出語言能力；而視障或聽障的人，原本負責視覺或聽覺的區域也會發展出不同功能，證明大腦的神經迴路並非固定不變。 參考資料：

8月14日—發現由電生磁的人

1800年，伏打將銀片與鋅片交替堆疊，每對之間以浸了鹽水的布片隔開，創造了史上第一個電池──伏打堆。有了這個可持續產生穩定電流的裝置，科學家紛紛用來做各種實驗，包括電解、電鍍，甚至有人拿來電療，但不管是物理、化學或生物實驗，都沒有人發現電力與磁力有任何關係。直到1820年，丹麥的物理學教授奧斯特（Hans C. Ørsted）才做出石破天驚的宣告：電流可使磁針偏轉。 奧斯特於1777年8月14日出生在丹麥一個小鎮，由於鎮上沒有正式的學校，他都是在家自學，直到考上哥本哈根大學。由於父親是藥劑師，自己開設藥局，他本想繼承父業而主修藥學，卻發現自己對物理、化學與哲學更有興趣。結果他大學時還以兩篇物理和美學的論文得獎，1799年的博士論文《自然形上學的架構》則是基於大哲學家康德的論點。 奧斯特本想在哥本哈根大學謀得教職，卻未能如願，但隔年申請到一筆為期三年的獎學金，便於1801年前往德、法等國遊學。他在德國遇到大他半歲的青年化學家里特（Johann Ritter），兩人都在藥局當過學徒，也都是自學，因此相談甚歡。 里特向奧斯特介紹自己用伏打堆做的許多實驗，並闡述各種物理現象背後必有所關聯的理念，包括電與磁之間也是。對身為康德信徒的奧斯特而言，這剛好符合康德所說的「自然的一體性」（unity of nature），因此他也相當認同，1804年回到丹麥後，更熱衷於研究科學。 1806年，奧斯特獲聘為哥本哈根大學的物理學教授，他在教學之餘，也開始嘗試用伏打堆和磁針進行各種實驗，但始終沒有結果。1820年4月21日，他在上物理課時，神奇的事發生了。當他將電線接上伏打堆的瞬間，放在電線旁邊的羅盤指針竟然動了一下，讓他大為驚喜，電和磁果然互有關聯！ 隨後三個月，奧斯特展開一系列的實驗。他將磁針放在導線的不同位置，畫出磁針偏轉的方向；並測量磁針距導線不同距離時的偏轉角度，來估算電流作用於磁針的強弱。最後他終於在七月發表以拉丁文寫成的論文，震驚了全歐洲的科學家。安培聞訊後也投入研究，才發現安培定律，正式揭開了電磁學的序幕。 奧斯特一舉成名後仍持續其科學教育工作，他於1824年成立自然科學推廣學會；1829年成立新的科技學院，擔任校長直至辭世。丹麥的科學發展幾乎是靠他一己之力才跟上歐洲的主要國家；為了紀念他，丹麥1999年發射的第一顆人造衛星就以他為名。而國際電工委員會（IEC）也在1930年將磁場強度的單位取名為「奧斯特」，以表彰他在電磁學的貢獻。 後記：義大利的羅馬格諾西（Gian Domenico Romagnosi）於1802年就率先發現電流會影響羅盤，但他是用義大利文在本國發表，因此完全沒有引起注意。 參考資料：

8月13日—整救無數產婦卻被逐出醫界的人

產褥熱，泛指孕婦分娩時因病菌感染而高燒不退，甚至死亡的疾病。產婦發燒的病例自古即有，本是零星的個案，但到了十八世紀，隨著都市化而紛紛設立醫院後，越來越多孕婦赴醫院分娩，產褥熱的病例也快速增加，成為產婦死亡的主要原因。 當時在醫院分娩的死亡率高達兩成，醫療人員又還不知道有細菌這種東西，因此對於造成產褥熱的原因毫無頭緒，也不知如何預防或加以改善。孕婦赴醫院迎接新生命的同時，只能聽天由命，賭上自己的性命。這個無解的困境一直要到十九世紀中期，才被一位來自匈牙利的醫生塞默維斯（Ignaz Semmelweis）打破，讓無數產婦脫離產褥熱的死亡陰影。 死亡率差異 塞默維斯於1818年7月1日出生在匈牙利王國的布達（Buda），父母都是德國裔。他到維也納大學原本讀法律系，發現興趣不合，才改念醫學院。1844年畢業後本想當內科醫生卻未能如願，才轉到產科。兩年後，他到維也納綜合醫院就任，很快注意到一個奇怪的現象。 維也納綜合醫院的產科有兩個診所，但產婦在第一產科診所因產褥熱死亡的比例卻總是比第二產科診所高，而且高非常多。塞默維斯調閱1841 – 1846這六年的記錄，以年平均而言，第一診所的產褥熱死亡率從6.9%～15.8%不等，而第二診所的孕婦死亡率卻只有2%～7.6%。若以單月來看，第一診所最高還曾到31.4%，塞默維斯決定展開調查。 他比較了各種可能因素，包括兩邊的空氣、擁擠程度、接生方法、……等等，甚至連有無宗教信仰都納入考慮，但都沒發現有何不同。就在塞默維斯百思不解之際，1847年發生一件意外讓他靈光一閃。 屍體毒素 維也納綜合醫院也是教學醫院，有一天他的好友法醫學教授科萊奇卡（Jakob Kolletschka）在進行屍體解剖的教學時，不小心被學生的解剖刀劃傷，沒幾天即過世。驗屍發現其遺體的病理狀況與因產褥熱而死的產婦相似，塞默維斯因此聯想到產褥熱會不會是屍體的毒素所造成？ 由於醫科學生會到第一診所觀摩實習，但第二診所始終只有助產士，那麼很可能是學生解剖完屍體後，直接過來第一診所檢查孕婦，而把屍體的毒素帶給孕婦，而第二診所的助產士並不會接觸屍體，所以兩個診所的死亡率才會相差這麼多。 為了驗證自己的猜測，塞默維斯規定上完解剖課的學生，在檢查孕婦或進到產房之前，一定要用含氯的漂白水洗手。結果實施後的第二個月，死亡率就從1847年4月的18.3%，降到6月的2.2%，之後也都一直在2%以下，證實屍體的毒素會造成產褥熱。 反噬 塞默維斯實施洗手的成效得到醫學雜誌的報導，他的學生也寫了幾篇論文投稿，他原以為其他醫療機構將會群起效尤，不料卻沒有引起什麼迴響。一則是這不符合當時所認為的：疾病都是因為體內的四種體液失衡所致，再則，洗手也並沒有完全消弭產褥熱。但或許更主要的原因在於，一旦接受塞默維斯的理論，等於承認是之前病逝的產婦是死於醫生的雙手。 1848年，匈牙利革命運動蔓延到維也納，塞默維斯的出生背景使得他被懷疑支持革命，因此他在維也納綜合醫院任期於1849年3月到期後，即未獲續聘。他向其它醫療機構與大學叩門，也都沒有回音，隔年只好黯然返回匈牙利。 塞默維斯於1851年接任佩斯（Pest）一家小醫院的主任，他再度實施洗手的規定，結果直到1855年這五年期間接生的933個產婦中，只有8人死於產褥熱，不到1%。即使如此，醫界仍對他的呼籲視若無睹，塞默維斯終於忍無可忍，他在1861年出版的《產褥熱的的病因、概念和預防》中，除了詳細列舉統計數據做為佐證，還炮火猛烈地批判多位醫界大老，結果只是引來更多對他個人的反擊與嘲笑。 殞落 塞默維斯變得越來越偏激，公開指責批評他的醫生都是殺人兇手、不學無術。他自己也開始酗酒、召妓，不知是否因為感染梅毒，行為越來越失控。1865年7月底，他被送進維也納的一家精神病院，以緊身衣綑綁，關在緊閉室內。8月13日，塞默維因感染引起的敗血症死亡，享年47歲。驗屍發現他的身上與內臟有多處傷害，肯定在院內曾遭到虐待毒打。 兩天後他葬於維也納，參加葬禮的只有寥寥數人；就連他家鄉的匈牙利醫師協會也完全未提及他的死訊。可憐的塞默維斯，貢獻重如泰山，卻死得輕如鴻毛，與他的學說一樣沒有人在乎。。 其實在他死前幾年，巴斯德（Louis Pasteur）已經證明微生物的存在，並發明巴斯德消毒法；而受巴斯德啟發的英國醫師李斯特（Joseph Lister），則恰好從塞默維斯過世那個月開始，用石碳酸溶液消毒開刀器材，大幅降低手術的死亡率。無奈塞默維斯英年早逝，來不及見到他大聲疾呼的洗手的政策，終於自1880年代開始廣為醫療院所採用。 參考資料：

8月11日—神奇的尼可拉斯

論及現代天文學的起點，毫無疑義地都會指向哥白尼的日心說，他在1543年臨終前出版的《天體運行論》，扭轉了人類數千年的宇宙觀，也為科學革命邁出一大步。但其實在這一百年前，德國（當時仍是神聖羅馬帝國）的樞機主教尼可拉斯·庫薩（Nicholas of Cusa）就已經主張地球繞著太陽運行，此外，他還提出了許多超越時代的創見。 尼可拉斯於1401年在現今德國境內的庫斯（Kues, 其拉丁文Cusa因而冠入他的姓氏）出生，1423年在義大利的帕多瓦大學（University of Padua）取得教會法法學博士後，回到家鄉以教士的身分講授教會法的同時，也鑽研原始史料。他於1430年成為神父，之後一步步地於1448年當上樞機主教。 雖然致力於神學，但尼可拉斯在帕多瓦大學時接觸到的天文學與數學，讓他發展出相當全面的論點。他於1440年出版《論博學的無知》（De Docta Ignorantia），書名顯然是呼應蘇格拉底的名言：「我唯一知道的就是我什麼都不知道」。他的立論根據基於人類有限的心智能力無法企及上帝的無限性，只能不斷的逼近。 他在書中藉由數學來探討無限這個概念，例如正多邊形的邊若不斷增加，就會越來越接近圓形，只不過真實世界不可能有真正的圓。他還請讀者想像一條與圓相切的直線，隨著圓越來越大，它的圓周越來越不彎曲而趨近於直線，而當圓無限大時，圓周便會和這條相切的直線重合。他也探討了化圓為方的問題，這些數學上的探討都給後人帶來啟發。 延續這種「有限／無限」的觀點，尼可拉斯與柏拉圖一樣，認為真實世界必不完美，因此除了主張地球不是宇宙中心，而是繞著太陽旋轉，還認為地球本身不會是完美球形，公轉軌道也不可能是正圓形。雖然他的論點並非基於對天體的實際觀測，卻對克卜勒有所啟發，克卜勒在書中就特別提及尼可拉斯這不凡的見解。 在天文學上，尼可拉斯也曾建議修改曆法以因應閏年，但未獲教廷採納。另外，他還創下許多第一，例如： ——他對神聖羅馬帝國版圖的研究，導致了第一張歐洲現代地圖的誕生； ——雖然十三世紀末就已經出現凸透鏡片製成的眼鏡，但這只能讓遠視或眼睛老花者受惠，直到1451年，尼可拉斯才率先用凹透鏡矯正近視； ——他從植物生長的研究，得出植物從空氣中吸收營養的結論，這不但是第一個現代的生物學正式實驗，也是第一個空氣本身有重量的證明。 尼可拉斯雖身在教廷，卻是日耳曼地區對於文藝復興人文主義支持最力的人，在政治上他也認為政府是建立在被統治者同意的基礎上，並對神聖羅馬帝國的改革提出許多意見。他曾在自己所轄教區推動改革，卻得罪了奧地利公爵而在1460年遭到囚禁。雖然經教宗出面後，平安回到羅馬，健康狀況卻已大不如前。 560年前的今天（1464年8月11日），尼可拉斯死於旅途中，享年63歲，留下橫跨哲學、天文學、數學、光學、生物學等不同領域的大批著作。無奈如今世人多已不知這位比達文西還早半世紀、同樣既是全才又超越時代的「文藝復興人」。 參考資料：

2月27日—提出宇宙暴脹的人

1979年12月7日清晨，32歲的博士後研究員古斯（Alan Guth）一起床就趕緊穿好衣服，小心不要吵醒隔壁房間還在熟睡的妻子與兩歲兒子，打開房門跨上自行車，奮力直奔他在史丹佛大學的研究室。抵達後他習慣性地看了手錶，只花了9分32秒，哇，遠超乎之前的記錄。 古斯坐到桌前，翻開筆記本，興奮地寫下 「驚人頓悟： 這種過冷現象可以解釋為什麼今天的宇宙會平坦到如此驚人的程度，也因此可以解答迪克（Bob Dicke）在愛因斯坦紀念日演講時指出的精細弔詭。」 接著他繼續寫出計算公式。讓古斯如此興奮的原因，除了他很可能破解了宇宙之謎，也因為他終於看到自己的學術生涯終於出現曙光。 古斯的研究之路並不順遂。他在普林斯頓大學的博士論文題目是關於束縛夸克的作用力，但就在1972年論文完成之際，另一種全新觀點的量子色動力學已經用「色荷」提出完整的解釋，讓他的四年努力形同白費。他取得博士學位後找不到教職，便留在普林斯頓做博士後，繼續研究基本粒子的理論。 在普林斯頓兩年期滿後，古斯到哥倫比亞大學做博士後研究，重新學習最新的「規範場論」。他偏偏選了磁單極粒子（目前所有磁鐵都同時有南北兩個磁極，磁單極粒子則是只有一個磁極）做為研究題目，這種粒子在理論上雖然是可能的，但現實中是否真的存在，卻有極大的爭議。古斯在哥倫比亞大學三年沒有具體成果，又到康乃爾大學待了兩年，1979年他來史丹佛已是第八年的博士後，史丹佛只給他一年的時間，如果再無成績，他的學術生涯就岌岌可危了。 古斯在康乃爾大學時認識也來做博士後的戴自海，來自香港的戴自海是研究弦論的，他向古斯建議：既然四大作用力在宇宙誕生之初是統一的，磁單極肯定存在，何不轉而研究為何現今看不到磁單極粒子？於是古斯又再次跨入他不熟悉的領域，讀起宇宙學，沒想到他當初研讀規範場論時掌握的對稱性破缺、希格斯場此時都派上用場。當他到了史丹佛大學，繼續思考宇宙大爆炸怎樣才會讓磁單極粒子減少，忽然之間一切就都水到渠成了。 宇宙大爆炸最初是1920年代時，幾位物理學家分別根據廣義相對論的解，以及哈伯觀測到的宇宙膨脹，而提出來的可能性。這個主張一直未被認真看待，直到1964年發現的宇宙微波背景符合大爆炸理論所預測的餘燼，學界才接受宇宙誕生於一場大爆炸。 不過大爆炸理論卻無法解釋一些現象。為什麼宇宙各處的背景輻射溫度幾乎相同？為什麼整體而言，宇宙的物質分布如此均勻，以致於空間曲率超乎尋常的平坦？這意謂著太初之始的物質密度與膨脹速率都必需恰好在一個臨界值，小數點後 15 位的細微差異，就會造成粒子分離四散，所有天體都無法形成；或使得宇宙在生命出現之前就已塌縮崩陷。這就是古斯在筆記本上所寫天文學家迪克指出的精細弔詭，而包括迪克在內的許多人還因此認為這是上帝微調的結果。 古斯就是在12月6日夜裏思索這些問題時，驀然出現「Eureka!」時刻，想到如何予以解釋。他提出宇宙暴脹的理論，主張大爆炸之前的宇宙不但比大家以為的還要小（遠比原子還小），而且一開始先歷經指數性倍增的暴脹，在10的32次方之一秒內就暴增到10的26次方倍，之後膨脹速度才放緩。由於瞬間暴脹，我們這個宇宙才會如此均勻、如此平坦。而原本存在的磁單極粒子被稀釋到超出我們視界的其它宇宙後，在我們這個宇宙中就寥寥無幾了。 1980年1月底古斯發表宇宙暴脹的演說後，立即引起熱烈討論，當年春天他就脫離博士後研究員的身分，獲得麻省理工學院的副教授職位。他也因此獲得許多獎項，包括1996年獲頒愛丁頓獎章（Eddington Medal）、2009年獲頒「艾薩克·牛頓獎章」（Issac Newton Medal），以及2012年獲得當年創立的突破獎（Breakthrough Prize）。不過由於目前尚無證據可證實暴脹理論，至今他仍未獲得諾貝爾獎；今天（2月27日）是他77歲生日，且祝他能像希格斯那樣，在有生之年見到暴脹理論的證據，並獲得諾貝爾獎。 參考資料：