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9個亞斯伯格症名人-為什麼他們能夠一展長才?

王晴瑩
・2015/02/11 ・4200字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 509 ・六年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

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亞斯伯格症兒童的興趣專一,像是對分子排列的喜好。圖片來源:wikipedia

台北市長柯文哲的媒體旋風,讓社會開始關注亞斯伯格症。你是否好奇,還有哪些人也有亞斯伯格症呢?

亞斯伯格症候群是泛自閉症中的其中一種,患者會有社交及溝通障礙、固執或興趣狹隘的症狀。他們可能對常規無法理解,不能領會非語言的溝通。因為許多亞斯伯格症患者的興趣專一且執著,所以常表現出特殊的天賦,有不少名人都是亞斯伯格症患者。

自稱有亞斯伯格的名人

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圖片來源:朱德庸

一、 朱德庸

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台灣著名漫畫家朱德庸自述是亞斯伯格症患者,他的代表作包含《雙響砲》、《澀女郎》與《醋溜族》。朱德庸的童年生活因為常聽不懂老師的指令、和同學無法相處而很不快樂。他小時候就很喜歡畫畫,以畫畫當作他人生的出口。他在接受中國雜誌《人物》專訪時說,會畫漫畫是因為「小時候受到的歧視,讓我看清楚世界的假像。」他在53歲時被診斷有亞斯伯格,讓他對過去的自己開始釋懷,原諒自己在童年時和其他孩子不同,他說如果有時光機可以回到過去,「我只想抱一抱童年的自己,給他一點鼓勵。」

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Susan Boyle。圖片來源:wikipedia

二、 蘇珊大嬸(Susan Boyle)

蘇珊大嬸在英國選秀節目Britain’s Got Talent中以悲慘世界主題曲《I Dreamed A Dream》走紅,並於2009年推出專輯,全球銷量超過九百萬張。她在受訪時向《觀察家報》(The Observer)透露,她小時候因為和同學「不同」而遭受校園霸凌。當時醫師的診斷為出生時缺氧造成的腦損傷,直至52歲時才被診斷為亞斯伯格症。她時常感覺被別人觀看和評論著,反而在台上演出的時候她覺得自己是不一樣的人,感到非常自在。她表示,被診斷出這個疾病並不會改變她的生活,「我想人們會更瞭解我和我的行事作風。」

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Temple Grandin。  圖片來源:wikipedia

三、 天寶葛蘭汀(Temple Grandin)

葛蘭汀博士是科羅拉多大學家畜權利保護學者,也是泛自閉症啓蒙活動的倡議者。她小時候就被診斷有高功能自閉症,她常會爬到沙發座墊下或是用棉被裹緊自己,外在物理性的壓力可以幫助她解除焦慮,因此她大學時發明了擁抱機器(hug machine),後來被證實可以有效減輕感官過度敏感患者的壓力。另外,她發現屠宰場中有很多細節都可能會驚嚇到動物,包含飄揚的旗幟、積水、聲音。她在屠宰場中設計了「天堂的路徑」(stairway to heaven),以圓弧通道來減輕牛隻在被屠宰前所受到的壓力,保障動物在死前仍能夠有尊嚴的活著。近年來,她持續演講為泛自閉症患者發聲。她的故事被神經科醫師奧立佛·薩克斯寫進《火星上的人類學家》,也被HBO拍成電影《星星的孩子(Temple Grandin)》。

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圖片來源:柯文哲

四、 柯文哲

台北市長、前臺大醫院重症加護病房主任柯文哲肆無忌憚的發言、大刀闊斧的風格,成了他最鮮明的特色。在2013年《時代週刊》的報導中,柯文哲表示:「我兒子有亞斯伯格症。後來,醫師告訴我,從我的說話方式及一些行徑,判定我也有亞斯伯格症。」他個性固執、不善察言觀色,日前對英國交通部官員懷錶的「破銅爛鐵說」也引起了軒然大波。不論柯文哲市長是否有確診亞斯伯格,他直白而誠懇的性格、對事不對人的處事作風,為他贏得了高支持度。

還有哪些名人被「懷疑」有亞斯伯格呢?

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Bill Gates  圖片來源:Wikimedia

五、 比爾蓋茲(Bill Gates)

比爾·蓋茲被懷疑有亞斯伯格,《時代》雜誌<診斷比爾·蓋茲>一文中提到他有些特質很像亞斯伯格,像是聽到反對的意見時會突然震怒、坐在椅子上時會來回晃動身體、避免視線接觸、不喜歡社交活動等。他和韓國總統朴槿惠握手時另一手插在口袋裡也被拿來大作文章,懷疑這是亞斯伯格症的社交障礙。但並沒有證據證實比爾蓋茲就是亞斯伯格症患者。

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圖片來源:Brian Solls @ flickr

六、  馬克祖克柏(Mark Zuckerberg)

根據《經濟學人》雜誌專欄,臉書創始人馬克·祖克柏也被指稱「有點亞斯伯格的特質」,前臉書工程部主管黃易山提到祖克柏「在聽別人說話的時候不太會給予回應。」在電影《社群網戰》中,祖克柏被刻劃成一個直斷、不擅與人相處的大學生,因此不少人認為他在劇中的角色也有些許的亞斯伯格特質,但並沒有證據證實馬克·祖克柏就是亞斯伯格症患者。

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圖片來源:Meagan @ flickr

七、 田尻智(Satoshi Tajiri)

「去吧,皮卡丘!」田尻智是神奇寶貝的原案企劃,主角小智就是以他命名的。他是電子遊戲製作人並創辦遊戲開發公司Game Freak。據傳在他的傳記《田尻智:神奇寶貝創造者》一書中,提到他是位亞斯伯格症患者。他個性內向,從小就非常著迷於昆蟲,花大量的時間蒐集並仔細瞭解牠們的習性,因此同學們都稱他「昆蟲博士」,而他蒐集昆蟲的興趣衍生成了收服神奇寶貝的概念,成了風靡全球的電玩遊戲。

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米開朗基羅於西斯汀大教堂的作品創世紀。圖片來源:wikipedia

八、 米開朗基羅(Michelangelo)

(什麼?十五世紀的米開朗基羅也有亞斯伯格?名單列到這裡你一定覺得這太誇張了,我也覺得這比扯鈴還扯,但拜託先別急著按上一頁離開!)

米開朗基羅是文藝復興時期傑出的雕刻家、藝術家和建築師。都柏林三一大學的Muhammad Arshad醫師和Michael Fitzgerald教授刊登在《醫學傳記期刊》(Journal of Medical Biography)的研究中,他們進行文獻回顧並分析米開朗基羅的行為,與亞斯伯格症患者及診斷標準進行比較。文章中提到米開朗基羅工作流程單調、興趣極少、社交和溝通障礙都和幾位亞斯伯格症患者的行為非常類似。

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Albert Einstein  圖片來源:wikipedia

九、 愛因斯坦(Albert Einstein)

劍橋大學自閉症研究中心的Baron-Cohen教授指出,愛因斯坦小時候不喜歡與人相處,在七歲前他會執著地重複某些句子,分析後認為他有亞斯伯格症。當然,這樣的診斷也有人不認同,加州大學舊金山分校的心理醫師Glen Elliott就不買帳。他認為這種傳記式的行為紀錄並不足以當作診斷的依據,有太多可能可以解釋這些行為背後的理由,像是高智能本身就可以解釋愛因斯坦的行為特質。他也說:「愛因斯坦很幽默,這在亞斯伯格患者中並不常見。」

除此之外,你還知道那些絕頂聰明的名人有亞斯柏格症嗎?

為什麼這麼多名人被「懷疑」有亞斯伯格?

原因除了媒體想挖掘名人的隱私之外,亞斯伯格的診斷有他複雜的故事。

我們先來談談亞斯伯格症與自閉症的歷史。Eugen Bleuler醫師是第一位提出「自閉症」(autism)概念的醫師,1911年他使用這個名詞來指出一小部分的精神分裂症患者。1943年Leo Kanner醫師具體描述情緒或社交障礙兒童的案例,1944年亞斯伯格(Hans Asperger)醫師也發表了類似的發現,並稱之「自閉性性格違常」(autistic psychopathy)。不過因為亞斯伯格醫師以德文發表他的論文,直至1980年代後才開始獲得廣泛的關注與討論,1990年代才列入ICD-10(世界衛生組織編碼的診斷)與DSM-IV(美國精神醫學學會的精神疾病診斷與統計手冊第四版),成為明確的診斷名稱。

時光快轉到現在,亞斯伯格症已經是個「失落的歷史診斷」。研究指出,亞斯伯格症的特異性及診斷一致度都不高,學界不再以次分類來區分自閉症患者,而是認為光譜比較適合來呈現泛自閉症的嚴重程度。2013年5月出版的精神疾病診斷與統計手冊第五版(DSM-V)中,已經正式取消了亞斯伯格症這個診斷名稱,將其歸類於「自閉症譜系障礙」或譯為「泛自閉症障礙」(Autism spectrum disorder, ASD)。

自閉症譜系障礙在DSM-V中大略的診斷標準如下:

  1. 在任何情境下,社交溝通及社會互動上的缺損,不考慮一般性的發展遲緩
  2. 侷限、重複的行為、興趣及活動
  3. 症狀必須在童年早期出現
  4. 症狀造成日常生活功能的缺損

這個在近20年內興起又消失的診斷,幫助了許多學者及醫師瞭解自閉症的特徵。有些回顧性的研究分析那些遠古的名人(例如十五世紀的米開朗基羅)是否為亞斯伯格患者,但真實的狀況都已不可考且眾說紛紜。(大概只有觀落陰去問診才能得到真正的答案吧!)重要的是,我們透過這些可能有些亞斯伯格「特質」的名人,來瞭解並進一步包容有社交或溝通障礙的患者吧。

《經濟學人》專欄中提到,「有些亞斯伯格症的特質和電腦工程師非常類似:執著於細節、對數字、規律或機器有熱情、喜歡重複性的任務、對社會缺乏敏感度。」亞斯伯格症或其他自閉症患者並不都是智能不足或者都是天才,但他們專注、執著的特點發揮在工作上,時常能夠一展長才、發現常人容易忽略的細節呢!


參考資料:

  1. 2015/01/30. 柯文哲的媒體效應,讓社會有機會認識亞斯伯格。NPOst公益交流站。
  2. Asperger Syndrome. Wikipedia
  3. 2004/06/02. What Asperger’s syndrome has done for us. BBC Online Magazine.
  4. 2014/11. 漫畫家朱德庸:亞斯伯格 讓我更能安頓自己。親子天下。
  5. 2013/12/08. Susan Boyle: my relief at discovering that I have Asperger’s. The Guardian.
  6. Temple Grandin. Wikipedia.
  7. Temple Grandin’s Web Page
  8. 2003/04/30. Einstein and Newton showed signs of autism. New scientist.
  9. 2012/06/02. In praise of misfits. Economist.
  10. 1994/01/24. Diagnosing Bill Gates. Time.
  11. Arshad M, Fitzgerald M. Did Michelangelo (1475-1564) have high-functioning autism? J Med Biogr. 2004 May;12(2):115-20.
  12. Retrospective diagnoses of autism. Wikipedia.
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科學家與庶民的距離!麻疹疫苗流言煽情轟炸,冰冷論證滅不了火 │科學家與媒體的橋樑(三)
新興科技媒體中心
・2020/08/31 ・4320字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 581 ・九年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

編按:充斥在新聞媒體或社群上的偽科學謠言,或似是而非的「新發現」,通常都以誇張聳動的標題吸引讀者的目光,並讓多數人深信不疑。誰能擔任這個破除迷思的角色,成為科學家與媒體傳播間的橋樑,為閱聽者導正視聽呢?這一系列文章,將介紹英國科學媒體中心(SMC)如何運作,打擊新聞上的偽科學、假訊息。

如這個系列的第二篇所述,麻疹、腮腺炎及德國麻疹混合疫苗MMR 「爭議」,是英國科學媒體中心(Science Media Centre,SMC)的第一場戰役。1998年,英國醫生韋克菲爾德(Wakefield)發表造假學術文章,文中僅用 12 個個案觀察為方法,宣稱他觀察到孩童接種 MMR 疫苗之後,出現身體不適、自閉症等症狀,他推測是三合一疫苗的毒性太強所致。

然而,1998 年至 2002 年的新聞媒體,不斷提及「MMR 疫苗與自閉症」的關聯性,民眾對疫苗的懷疑之火蓄積而延燒。當時因為大眾已不再相信政府、政治人物與專家意見,2002 年才剛成立的英國科學媒體中心,明顯錯過了第一時間向外澄清的好機會,這時已難扭轉媒體環境中茁壯有力的疫苗懷疑論調。

英國科學媒體中心成立的第一個月,便針對 MMR 疫苗事件召集各方人士前來會談,其中包括科學家、媒體人、政府單位與政治人物。這場聚集各界精英的會議,為往後英國科學媒體中心的成敗,產生不可小覷的影響。

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媒體有報導正確資訊,但民眾為什麼吸收不進去?

要說英國科學媒體中心能屹立近17年,還相繼影響了澳洲、德國、美國、紐西蘭等國家仿效,各位重要人士在這場會議中聚首、暢所欲言,實然功不可沒。但是,這項「行動」不過就是場閉門會議,2個小時之中到底談了什麼?

與會人士都清楚,支持「MMR 疫苗與自閉症有關」的科學證據只有韋克菲爾德一篇論文,在那之後,沒有一位科學家、沒有一個研究團隊,能透過科學方法支持這項結論,而這再明白不過的道理,卻在大眾心中長成全然不同的樣貌。

一場閉門會議在大眾心中形成了各自的看法。
圖/pixabay

媒體上不全然是錯誤的資訊與報導,但顯然民眾接收到的訊息不足以回應他們心中的擔憂。當時會議的文件〈MMR 疫苗的一堂課:由英國科學媒體中心主持的會議報告〉[1](以下簡稱 SMC 會議報告)舉出幾個媒體所呈現、說服大眾接種 MMR 疫苗的訊息範例,如:

  1. MMR 疫苗安全無虞。
  2. 罹患麻疹的風險遠遠高於接種 MMR 疫苗的風險。
  3. 相信專家。
  4. 三合一疫苗(即 MMR 疫苗)的效果比單支麻疹疫苗的效果來得好,這是為什麼家長沒有被授與讓孩子接種單一疫苗的選擇權利。
  5. 韋克菲爾德的研究很可疑,其研究結果是科學中的少數。
  6. 免疫率(Immunisation rate)沒有下降,不具危機。

仔細研究這些訊息,似乎都傳遞了「應該接種 MMR 疫苗」以及「接種 MMR 疫苗很安全」,這類必須傳達的資訊;然而,MMR 疫苗事件緊接在當時的狂牛症疑雲後,大眾已不信任政府、政治人物與專家,各類訊息在大眾心中既無法判別輕重,也無法由大眾信任的管道發布。而與上述相左的訊息當然很多,所有訊息都被「公平」地呈現在媒體上,但大眾接受到什麼?

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《Health, Risk and News: The MMR Vaccine and the Media》書封。
圖/Amazon

2007 年出版的《健康、風險與新聞:MMR 疫苗及媒體》(Health, Risk and News: The MMR Vaccine and the Media )一書,分析了 2002 年 4 月至 10 月之間,電視媒體和報紙在報導 MMR 疫苗時,整個新聞事件是如何被「設定」的。

作者塔米.博伊斯(Tammy Boyce)觀察到,當媒體提到 MMR 疫苗,有 40% 的新聞同時提及了「爭議」(controversy)這個詞,甚至在每一則《星期日郵報》(Mail on Sunday)或半數的《每日郵報》(Daily Mail)中,一旦提及 MMR 疫苗,都被貼上「具爭議性」的標籤。

4成英媒拿「例外」當指標,閱聽眾被偏頗數據引上鉤

這一「具爭議性」並非指涉韋克菲爾德的造假論文,而是指 MMR 疫苗的安全性。有4成的媒體露出都提到「MMR 疫苗接種比例在下滑,因為父母親對疫苗的焦慮感日漸升高」,卻忽略了其實大多數的父母還是讓孩子接種 MMR 疫苗。那麼這所謂接種比例在下滑的數據從何而來?許多媒體引用倫敦的數據,卻不提及這僅是地區性數字。

倫敦一向都是全英國族裔最豐富、移民最盛的首都,因為人員流動頻繁及各種因素,接種比例常常顯著低於英國其他地區,但倫敦這一異數卻被當成了英國接種 MMR 疫苗的指標,吸引閱聽眾上鉤。

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MMR 疫苗事件還開啟了另一個戰場:父母有無權利選擇單支疫苗而非 MMR 三合一疫苗。

2002 年2月的《太陽報》(The Sun)所下標題便是「MMR 疫苗醜聞:缺乏選擇」[2],文中指出「民眾沒有權利,為自己的孩子選擇3劑單支疫苗,而不打有爭議的 MMR 疫苗」,甚至用全形大寫的字體在文末疾呼:「我們的讀者受到二等公民的對待!」如此扣連 MMR 疫苗與選擇的權利,最初是來自於韋克菲爾德論文毫無根據的論述,他認為孩童的抵抗力太低,沒有辦法抵擋三合一疫苗的威力,所以單支疫苗較好,只是他當然不會提及自己受到這些單支疫苗公司的金援。

而媒體在比較 MMR 疫苗與單支疫苗的安全性時,並無提及打疫苗本身就具風險,順理成章將單支疫苗包裝成「不會置你的孩子於自閉症風險之中」的安全疫苗,這個新聞設定下,韋克菲爾德的呼籲照顧了擔驚受怕的父母,而政府禁用三劑單支疫苗取代 MMR 疫苗的政策,則變成剝奪大眾權利的淡漠舉措。

SMC 會議報告中,出現了這樣的一個問題:如果政府早一些開放單支疫苗的選項,會不會就能儘早平息這整個 MMR 疫苗的爭議事件?為什麼不呢?

會議報告書中寫道:也許第一時間可以下這個決定,但這麼一來似乎釋放出的訊息,是默認了 MMR 疫苗不安全以致開放這個選項。更有科學家語重心長,MMR 三合一疫苗在流行疫病學上的地位,是拯救數千萬人免於患病的重要發明,有其實際意義。若開放單支疫苗,一旦三種流行病分頭傳散,將不便掌握與計算。

因為MMR三合一疫苗的發明,使疫病幾近消失,讓民眾忘卻麻疹、腮腺炎和德國麻疹曾經重重劃下的歷史傷痕;然而不施打 MMR 疫苗可能引發的危害,又有多少人在決策過程中考量到了?

靠印象來決定!媒體輪番轟炸的偽科學,成家長決策依據

博伊斯用焦點團體訪談的方式[3],去比較選擇給孩子施打 MMR 疫苗或選擇單支疫苗,甚或是完全不給孩子施打疫苗的父母,究竟是依賴什麼樣的訊息做決策,而這些訊息的來源又是哪裡?

焦點團體中的父母都坦承受到媒體影響,認為 MMR 疫苗可能連結到自閉症,連願意給孩子施打 MMR 疫苗的家長也不例外。選擇單支疫苗、不給孩子施打疫苗,或只打首劑 MMR 疫苗卻不願給孩子施打第二劑的父母,都處於「害怕孩子會因此罹患自閉症」的恐懼中。

「如果我為孩子做了這個選擇,卻讓他得到自閉症,我不會原諒自己。」那你不怕孩子得到腮腺炎嗎?「什麼炎?」其中一位家長反問。

當媒體鋪天蓋地將 MMR 疫苗與自閉症連結在一起,即使新聞不會說「打了 MMR 疫苗就會讓你的孩子得自閉症」如此絕對的定論,但這模糊的印象卻成了急需做決策的父母親,在替孩子決定是否施打疫苗時,最可觸及的訊息。

「可利用性法則」(availability heuristic)正是人們在資訊癱瘓時的浮木,我們所有人,並不是每件事都會仔細搜尋各項資訊、衡量利弊、權重得失,再從容下決定。生活中大大小小的事,我們有意無意地,依靠最容易浮出腦海的資訊,以其為最終決策依據。而 MMR 疫苗與自閉症的(偽)關聯性不斷在媒體上被提及,那其中所隱含的訊息,日漸累積而成為閱聽眾對 MMR 疫苗的清晰印象。

民眾難道除了 MMR 疫苗與自閉症,沒有接受到其他訊息嗎?若回頭看當時其他媒體報導,並不全部都控訴 MMR 疫苗不夠安全,裡頭當然包含如本文一開始所提到,支持 MMR 疫苗與安撫惶惶人心的各種資訊。科學界慣常抱怨媒體報導不盡正確,如搞錯相關與因果、名詞的正確性,又或是斷章取義等等不符合學術論文標準的書寫。但是新聞有其特性,它必須簡潔摘要民眾需要的資訊,它也必須提供民眾「能夠吸收」的資訊。

科學家顧著斟酌用詞,忽略與讀者的連結,出現反效果

一則新聞若不可讀、不與生活有關、不易與人的情感連結、不即時、不有趣,它的新聞性也就消失了。

我們必須承認,新聞中的專業訊息愈密集、離生活愈遙遠,它所能傳播的範圍就愈有限。焦點團體的訪談中,父母多不知道能顯示 MMR 疫苗與自閉症有關的證據非常微弱,他們甚至沒聽過大名鼎鼎的韋克菲爾德。民眾接受了訊息之後,留存在心底的是模糊印象。這個印象不一定有科學細節,那留存下來的,通常是成功的新聞議題設定。

當科學家錙銖必較正確用詞,卻忽略這些用語在多數民眾心裡可能毫無所別,閱聽眾所受的是別的影響:什麼訊息和什麼訊息經常同時出現,這些訊息之間的關聯性是什麼,訊息彼此連結的次數,以及受眾依照自己的經驗、周遭朋友的經驗,所篩選出的殘餘訊息。

那麼,新聞中就能忽略這些具科學正確性的訊息嗎?科學家是否就應不計較這些錯誤,讓訊息繼續傳播?

在 SMC 會議報告與博伊斯的書中,都呼籲科學家不僅不應該失望而噤聲,更應該掌握民眾最需要正確科學理解的契機,主動出擊。但是,與其丟給媒體研究數據或具繁複邏輯辯證的語句,不如用專家的話簡短摘要重點、區分敵我論述的差別;相較於冷硬的數據,更應該考慮如此論述是否能增加新聞性。

這絕不是過度推論研究成果只為求與民眾相關,而是更貼近民眾生活經驗,讓論述能打動人。可惜當時這些支持 MMR 疫苗的眾多資訊,都不太吸引人,或已出現反效果。當一邊不斷連結 MMR 疫苗與自閉症,還夾著許多「受害者的眼淚」,另一邊只是冷靜道出「MMR 疫苗安全無虞」,雙方的情感溫度在呈現上立即高下有別,閱聽眾心裡所能惦起的份量已有顯著落差。

科學呈現和新聞呈現,應該找到一個平衡點。
圖/pixabay

本文到此,萬萬不是宣揚要以激動煽情的方式呈現科學訊息,而是深切提醒:若你與我無關,我便無法與你連結。這並不只是人與人之間的互動要件,這也是科學與人的關係、新聞與人的關係,甚至是科學家與記者的關係,只是我們必須找出「科學與新聞」共同與人的連結,才可能讓媒體有效藉重科學專業、科學專業善用媒體,在必要的時候互為助力,以勾勒更為完整的事件真相。

系列報導

消滅狂牛症驚悚謠言,催生英國科學媒體中心│科學家與媒體的橋樑(一)

麻疹疫苗致自閉症的流言是怎麼開始的?「平衡報導」如何讓偽科學盛行│科學家與媒體的橋樑(二)

注釋

本文轉載自新興科技媒體中心《英國研究如何成為報紙頭條(三)SMC 的第一戰 MMR 疫苗爭議

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人類也能擁有上帝視角,宇宙中的天然放大鏡:重力透鏡——《蔚為奇談!宇宙人的天文百科》
活躍星系核
・2019/12/22 ・3269字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 551 ・八年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

  • 文/國立臺灣師範大學物理系副教授 李沃龍

重力透鏡的基礎是光在空間中傳播時,因受到區域重力場影響而發生偏折的效應,此效應是愛因斯坦等效原理的直接體現。

想像一下,當你乘坐一臺無窗電梯時可能遭遇的兩種狀況:加速向上與自由落下。當電梯加速向上的瞬間,你的身體因為慣性而靜止於原來的高度上,但電梯硬把你往上推,你會感受到體重似乎驟然增添了不少;另一方面,當你搭電梯下樓時,在電梯從靜止開始下降的瞬間,慣性試圖將你保持在原來的高度上,但當電梯突然下降時,身體失去支撐,你就誤以為身處在自由落下的狀態,重力的牽引倏忽消失,體重好像瞬間歸零。

行星們為什麼會轉彎?

這就是愛因斯坦在 1907 年發現的等效原理:引力造成的效應與物體加速運動時的效應是相等的!

愛因斯坦據此悟出引力其實算不上是一種「作用力」,運動中的物體所感受到的引力大小基本上與其質量無關,而是受到空間彎曲的影響。當空間中存在具有質量的物體時,它就會成為重力場源,並且使周圍的空間彎曲。

空間彎曲的程度取決於重力場源的質量:重力場源的質量愈大,代表重力場的強度愈強,會使空間彎曲得愈厲害。

若將空間視為有彈性的橡皮膜,可看出行星軌道的成因是來自太陽周遭空間被其龐大質量所扭曲,迫使原本直行的行星因應彎曲空間的形狀運動,形成會順勢轉彎的軌道。圖/三民提供

太陽系的行星軌道就可以用這種概念來理解:太陽的龐大質量會造成整個太陽系空間發生彎曲1,當行星在太陽所產生的重力場中移動時,我們以為它們是自己向前直行的,事實上這些行星卻是被迫因應彎曲的空間形狀而運動,順勢轉彎形成各自的繞日軌道。

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當位於太陽後面的恆星所發出的光緊鄰著太陽旁邊通過時,其運動路徑會因受到太陽重力場的影響而偏折。由於地球上的觀測者總是想像光是沿直線傳播過來,因此會認定發光的恆星位在直線延伸的正前方。圖/三民提供

光在空間中傳播時,會受到區域重力場的影響而發生偏折,這種現象也可以用相同的方式解讀。由於重力不是一種「作用力」,因此被重力吸引的物質,無論是否具有質量,在向前直行的移動過程中,都會受空間彎曲的影響而順勢轉彎,造成運動路徑的偏折。

愛因斯坦曾經因此預言:「當星光緊鄰著太陽周邊通過時,會受太陽重力場扭曲而偏折。」

此現象在 1919 年天文學家觀測日食的時候被證實為真,愛因斯坦本人更因此而聲名遠播。

擺在宇宙中的天然放大鏡:重力透鏡

重力透鏡成像的基本原理:遙遠光源所發出的光,經大質量天體造成偏折後,在另一端聚焦成像。圖/三民提供

當遙遠光源發出的光行經大質量天體周邊的空間時,會受到該天體的重力場影響而產生偏折,在另一端聚焦成像,這就如同光線通過透鏡時會發生的現象,因此我們將此效應稱為重力透鏡。另外,造成光線偏折的天體被稱為透鏡天體,而光線在偏折聚焦後有可能形成光源的多重影像。

重力透鏡產生壯觀的多重影像。圖中透鏡天體的強大重力場,對同一個背景星系製造出3個不同影像,另對一個遙遠的類星體製造出 5 個不同影像。(Image credits: NASA/ESA/K. Sharon (Tel Aniv University)/E. Ofek (Caltech)) 圖/三民提供

任何具有質量的天體,都可能使行經其周遭的光線發生偏折,因此在各種不同尺度上,都可能觀察到重力透鏡的現象。根據尺度與效果的差異,天文學家一般將重力透鏡分為三類:微重力透鏡弱重力透鏡強重力透鏡

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微重力透鏡:

當透鏡天體的質量僅相當於恆星等級時,所造成的重力透鏡效應比較微弱,因此被稱作微重力透鏡。

當行星或矮星等暗淡天體經過觀測者與背景光源之間時,會造成背景光源的光度發生增長性的變化,此即所謂的微重力透鏡效應。(Reference: The Planetary Society; illustration design: macrovector/Freepik) 圖/三民提供

由於微重力透鏡天體的重力場不夠強大,一般無法讓我們觀測到微透鏡成像,但足以在光譜上呈現出背景光源光度瞬間增強的現象。天文學家利用這項背景天體光度變化的特性來搜尋分布在銀河系中的暗淡天體,包括黑洞、中子星、白矮星、紅矮星、棕矮星,甚至是系外行星等。

弱重力透鏡:

目前宇宙學的主流模型認為太空中布滿了數量龐大的暗物質。由於這些奇異的暗物質並不與電磁波作用,我們只能透過重力作用辨識它們的存在。

遙遠星系發出的光在穿越廣闊空間抵達地球的途中,必然會遭遇暗物質,因此理論上來說,大多數星系的影像都經過暗物質重力場的扭曲,發生大約 1% 程度的形變,這就是所謂的弱重力透鏡效應。

透過統計星系團的平均透鏡效應,我們不需要知道星系團中個別星系的影像究竟遭受多大程度的扭曲,就能量測弱重力透鏡。為達此目的,宇宙學家必須先假設就整體而言,星系團裡所有的星系大致都呈現橢球狀外觀。另外,還需假設這些星系形狀的方位在太空中隨機分布,並不遵循一定的走向。

左側圖案顯示星系形狀的方位分布並無規律;右側圖案則顯示星系形狀的方位大致朝東北—西南的走向排列。圖/三民提供

倘若該天區真的出現了弱重力透鏡效應,當透鏡會聚光線時,會將所有星系的影像朝某一方向拉伸,這樣一來,該天區星系形狀的方位便會朝某一特定走向排列,偏離原本無規律分布的形態。宇宙學家可據此測量出弱重力透鏡的大小,利用弱重力透鏡效應,做為探測宇宙間暗物質分布的利器。

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強重力透鏡:

當重力透鏡效應強大到可讓我們直接看見天體影像的形變或多重影像時,稱為強重力透鏡效應。

(a) 愛因斯坦環;(b) 愛因斯坦十字架;(c) 深空笑臉;(d)Abell 2218 星系團的強大重力扭曲了背景星系的影像,並形成多重影像。(Credits:(a)NASA/ESA/HST;(b)NASA/ESA/STScl;(c)NASA/ESA/JPL¬Caltech;(d)NASA/A. Fruchter (STScI) et al./WFPC2/HST) 圖/三民提供

強重力透鏡通常發生於大尺度的宇宙範疇裡,由質量巨大的星系團與其擁有的暗物質來扮演透鏡天體的角色。當更遙遠的背景星系發出的光通過這些透鏡天體時,往往會被其強大的重力場大角度偏折,星系的影像因而被劇烈扭曲,造就出外形詭異卻異常壯觀的天文奇景,例如愛因斯坦環、愛因斯坦十字架、深空笑臉及多重影像等。

搜尋宇宙早期形成的星系

重力透鏡效應除了作為暗物質存在的直接證據外,更可用來搜尋宇宙早期星系的蹤影。由於重力透鏡的聚焦功能,非常遙遠的大質量星系團基本上就等同於宇宙級放大鏡,有如上帝手中的終極望遠鏡,映照出大霹靂後 5 億年內即已形成的星系影像。

NASA 在 2018 年初宣布,透過星系團 SPT­CL J0615­5746 的聚焦,哈伯太空望遠鏡觀測到在早期宇宙所形成的一個胚胎星系 SPT0615­JD 的影像。

胚胎星系 SPT0615-JD 的透鏡影像。SPT0615-JD 在大霹靂後 5 億年內即已形成,是一個質量、寬度皆遠遠不及現代星系的宇宙早期胚胎星系。(Credits: NASA/ESA/STScI/B. Salmon) 圖/三民提供

通常在如此遙遠的深空裡拍攝到的星系都只是點狀光影,無法透露更多早期星系的物理特性。但 SPT­CL J0615­5746 星系團不僅放大了 SPT0615­JD 的影像,更將其外貌扭曲延展成一個長約 2 弧秒2的拱形天體。

在分析這個透鏡影像後,天文學家發現 SPT0615­JD 的質量不超過 30 億倍太陽質量,約為銀河系質量的 1% ;而其真實大小則不及 2,500 光年,大約只有我們銀河系的衛星星系小麥哲倫雲的一半左右。可見早期星系的性質,與我們銀河系這種現代星系大相逕庭。未來,隨著觀測到愈來愈多這類胚胎星系的透鏡影像,相信我們終能掌握星系形成的祕密!

註解:

  1. 比起太陽的質量,各行星的質量太小而可忽略。
  2. 弧秒:arc second,量測角度的單位,又稱為角秒。1 度等於 60 角分,1 角分等於 60 角秒。

——本文摘自泛科學 2019 年 12 月選書《蔚為奇談!宇宙人的天文百科》,2019 年 11 月,三民出版

 

 

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活躍星系核
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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愛因斯坦建構重力方程式,背後的「藏鏡人」是幾何學家?
研之有物│中央研究院
・2019/10/26 ・4285字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 531 ・七年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 採訪編輯/郭雅欣,美術編輯/林洵安

愛因斯坦的廣義相對論中,以重力方程式來描述時空中的物質如何影響整個時空的幾何,顛覆了牛頓的古典時空概念,並成為廣義相對論的核心。科學家用重力方程式預測了黑洞存在、宇宙膨脹、重力波等等現象,後來一一獲得驗證。

不過,在愛因斯坦建構重力方程式的過程,幾何學家在背後擔任著「藏鏡人」的角色……中研院數學所研究員鄭日新,在 2019 年院區開放日的科普演講「幾何學–重力研究的好幫手」,跟民眾暢談愛因斯坦與幾何學家的故事。

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先別管相對論了,你真的懂幾何學嗎?

大家都聽過「一個成功的男人,背後一定有個偉大的女人。」但你應該沒想過,一個成功的物理學家,背後可能有著好幾個偉大的幾何學家──愛因斯坦在重力方程式上的成功,就是一個經典的例子。2

愛因斯坦「驚人」的重力方程式,是建立在度規張量、最小變分方法等等幾何學成就之上。 圖說設計/黃曉君、林洵安 圖片來源/維基百科

「幾何學,不就是數學課上教過的那些三角函數、充滿各種性質的各種圖形?怎麼會跟相對論扯上關係呢?」

我們一般認知的幾何屬於「歐氏幾何」,是以西元前 330~275 年古希臘數學家歐幾里德所撰寫的《幾何原本》做為基礎,歐氏幾何的一切性質都是建立在平面上的。但近代許多數學家紛紛找出不同的幾何,例如:建立在球面上的正曲面幾何、馬鞍形狀曲面上的負曲面幾何等等。其中一個突破性的概念,就是黎曼於 19 世紀中葉提出的「黎曼幾何」。

黎曼幾何中,所有度量的幾何量和選取的座標無關,例如兩點間的「長度」,是存在於黎曼幾何的內在性質,而不是我們一般認為的從外觀去判斷、測量而得。

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黎曼幾何這個「和座標無關」的特性,後來成為愛因斯坦重力方程式誕生的重大關鍵。

伯恩哈德·黎曼 (Bernhard Riemann,1826~1866) 年德國數學家,黎曼幾何學創始人。黎曼幾何中,所有度量的幾何量和選取的座標無關,成為愛因斯坦發展廣義相對論最重要的數學工具之一。 圖片來源/維基百科

不受座標影響的重力

愛因斯坦在 1905 年完成狹義相對論後,便一直想解決重力的問題。在牛頓所發展的古典力學中,空間中的質量分布會產生重力場,也就是一旦知道了空間中每一點的質量分布,就能找出每一點的重力位能。

然而,如果將愛因斯坦的狹義相對論加入考量,立刻產生問題。狹義相對論為了解決光速恆定,推導出質量會隨著速度而改變,這意味著,當兩個人所在的慣性座標不同——例如一人靜止於地面,另一人在等速前進的火車上,兩人看待的物體質量也會不同。

那麼,宇宙中的質量分布及重力場,不就會受到座標的不同影響了嗎?

由於在愛因斯坦發展重力理論之前,著名的數學物理學家馬克士威 (James Clerk Maxwell) 已經在 19 世紀中葉提出完整的電磁學理論──馬克士威方程式組。這組方程式不論在任何慣性座標下,數學形式都不會改變,稱為符合「勞倫茲轉換」(Lorentz transformation)。

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因此愛因斯坦深信,重力理論一定也有符合某種廣義的勞倫茲轉換的方程式,不會因為座標改變而不同。於是,愛因斯坦踏上了尋找重力方程式的路程。

重力場和因電磁感應而產生的電場類似,其存在只有相對的意義。因為對於一名從屋頂自由落下的觀測者而言,至少在他的附近,重力場並不存在。——愛因斯坦

黎曼幾何裡的寶藏

愛因斯坦以一個二階張量來描述質量分布,此二階張量是一個四乘四的對稱矩陣,包含了 10 個分量,速度、動量等等項目都能含括進去,才能完整的描述質量分布。

牛頓古典力學中,質量分布是重力場(位能) 二次微分的結果,所以愛因斯坦希望能找到另一個(也必須是二階) 張量,其二次微分可以得到描述質量分佈的張量,此外又符合某種廣義的勞倫茲轉換。

他找了自己的大學同學格羅斯曼 (Marcel Grossmann) 幫忙,格羅斯曼的研究專長是黎曼幾何。如之前所說,黎曼幾何的一大特點便是度量與座標無關,建立在稱為「度規張量」的基礎上。

因此,如果能從黎曼幾何中找到符合所需的張量,或許就能完成愛因斯坦想要的「不隨座標改變的重力方程式」。

你一定要幫我,不然我要瘋了!——愛因斯坦給格羅斯曼的信

馬塞爾·格羅斯曼 (Marcell Grossmann,1878~1936 年),猶太數學家,愛因斯坦的大學同窗和好友,專長是黎曼幾何,建議愛因斯坦將黎曼幾何中的里奇曲率張量納入重力方程式。 圖片來源/維基百科

格羅斯曼翻閱圖書館的資料後,發現在黎曼幾何中有一個「里奇曲率張量」(Ricci curvature tensor),剛好符合愛因斯坦的需求。於是愛因斯坦把它納入方程式,於 1912、1913 年和格羅斯曼共同發表,並試著以這個方程式解決當時困擾科學家許久的「水星近日點進動之謎」。

行星是以橢圓軌道在繞行太陽的,太陽就位於橢圓軌道的其中一個焦點,而軌道上最靠近這個焦點的位置,就是行星的近日點。

不過行星的軌道並非完全穩定的,軌道本身也會慢慢的旋轉,也就是近日點的位置會一點點的改變,每一次行星繞到近日點時,位置都會和上一次有些許不同,稱為「進動」。

相較於多數行星的進動幅度都在每一百年 10 角秒以內,水星的近日點進動的幅度多達每一百年 43 角秒,牛頓所發展出的天體運動學一直無法解釋這個現象。

「當時的重力方程式雖然還沒有完整,但已經可以解決水星近日點進動之謎。」鄭日新繼續說故事:「不過,愛因斯坦當時並沒有成功解釋,可能是……他算錯了。」

總之,愛因斯坦的方程式還未完整,旅程還沒有結束。

重力方程式的最後一塊拼圖

原來,雖然找到了里奇曲率張量,但它可能只是用來描述重力場的方程式的最高項而已。後面應該還要加上其他項,才能讓方程式完整。

1915 年,愛因斯坦受邀到哥廷根科學院演講,邀請他的是一位幾何學專家希爾伯特 (David Hilbert),在那次見面交流的過程中,希爾伯特得知了愛因斯坦正在推導重力方程式。

接下來,希爾伯特也投入了尋找重力方程式的工作,並在一次信件往返中,向愛因斯坦提出可以利用變分方法最小作用量原理,來推導出完整的重力方程式。

大衛·希爾伯特 (David Hilbert,1862~1943年),德國數學家,19 世紀和 20 世紀初最具影響力的數學家之一,建議愛因斯坦以變分方法和最小作用量原理,推導完整的重力方程式。 圖片來源/維基百科

愛因斯坦於該年 11 月,發表了完整的重力方程式。由於希爾伯特也幾乎是同一時間提出了重力方程式,對於第一個找出重力方程式的人究竟是誰,也引起了許多討論。但可以確定的是,希爾伯特在數學上提供的協助,是重力方程式能成功誕生的一大關鍵。

哥丁根街上任何一個小孩對於四維幾何的了解都要強過愛因斯坦,儘管如此,做出廣義相對論的是愛因斯坦,而非數學家!——希爾伯特

從格羅斯曼到希爾伯特,幾何學一直在愛因斯坦研究重力方程式的過程中,擔任關鍵且不可或缺的角色。身為數學家的鄭日新,對於數學時常在物理研究提供重要協助,有怎樣的看法呢?

鄭日新,中研院數學所研究員,在 2019 年院區開放日的科普演講「幾何學–重力研究的好幫手」之中,與民眾暢談愛因斯坦重力方程式背後幾何學家的重大貢獻! 攝影/林洵安

您會怎麼形容幾何學在宇宙中所扮演的角色?

幾何學有點像宇宙的「法身」,這是宗教的用語,就是描述這個真正世界背後的道理,用的是數學的語言。我們看得見這個世界,但我們看不見數學語言,幾何學就是這樣隱藏在宇宙的道理之中。

許多數學概念最初只是純理論,後來卻在真實世界找到應用,您怎麼看?

因為如此,所以我們做理論的,有時候不太相信那些從數學公式推導出來的東西真的有物理意義。像重力波一開始被提出時,許多人都保持懷疑的態度,總覺得是從數學公式預測出來的,雖然理論上只要愛因斯坦的重力方程式是對的,應該可以測得到重力波。

但在真實的物理世界是不是真的有意義?真的有這樣的東西存在呢?我們無法確定。

後來天文觀測慢慢發現,宇宙中有許多中子星、黑洞等大質量天體,有些是以雙星的系統彼此繞行,才讓我們漸漸相信可能檢測得到重力波,後來也真的偵測到重力波的存在。

站在數學家的視角,您覺得宇宙是什麼樣子?

現在一般天文學家相信宇宙是膨脹的,無限且沒有邊界,但我喜歡「宇宙是有限但沒有邊界」這樣的說法。就像一個三維的球,也可以膨脹,它沒有邊界,但是有限的。

在數學上如果曲率夠大,是可以推論出宇宙是「有限無邊」的。而我們知道幾何學上的曲率,可以從愛因斯坦的重力方程式解釋成物理上的質量分布。

所以,如果我們能夠觀測到宇宙深處有很多稠密的質量分布,很可能宇宙真的是有限無邊的。

對於近代的科學研究中,數學或幾何學是否也可能扮演愈來愈重要的角色?

幾何學或數學不會只對重力有幫助,尤其是幾何學,它的核心是希望有一個觀念可以應用廣泛,或是統一解釋各種不同的現象。我覺得幾何學對生命科學也可能有幫助,只是生命科學的發展可能還很零散。

不過,就像早期科學家對於各種電、磁的現象也是零散的發現、研究,後來才慢慢統合成馬克士威方程式,或許未來生命科學的研究也會慢慢綜合起來,然後有人看出裡面好像有某個數學觀念,可以做為基礎來建立一個統一的理論。

如果是這樣,很可能那個「好的觀念」在數學裡已經有人建立了,正在靜靜等待下一個愛因斯坦來發現。

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為〈幾何學-愛因斯坦重力研究的好幫手〉泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook