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五隻在科學界功不可沒的動物們

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Photo by Noah Silliman on Unsplash
有句名廣告詞是這麼說的:「喝咖啡吃甜食,又讓你胃食道逆流了嗎?」,而在文組的世界裡,大家也口耳相傳的流傳著這句話:「看物理算數學,又讓你生不如死了嗎?」,如果你是念文組卻從沒聽過這句俗語……那是正常的,因為是我瞎掰的。不過最近鄉民間流傳的這句「人生會背叛你,但數學不會,不會就是不會」總該不陌生吧!

從小對於數字與公式就很不敏銳的我來說,科學實在是讓我非常頭痛的科目,只要一接觸到繁雜的計算公式與科學名詞,我的腦袋就會開始lag,最後變成一顆死當的白蘋果,這應該是許多文組朋友心中共同的痛!

然而,撇除學習數學與科學是為了應付升學之外,我相信很多人並非對這些項目毫無興趣,相反的,我們對於地球如何運作,與自然生態的運行抱持著好奇心。
我們生活在這世界上,就注定與物理化學脫離不了關係,周遭的一舉一動都有物理包含其中,甚至是我們自己就是一種生物,都是科學的一部分。而數學,又被稱作科學之母,是支撐眾多理論的基礎,更是科學發展過程中不可或缺的重要基石。看過真實故事改編的電影《關鍵少數》嗎﹖主角凱薩琳.強森在NASA裡,一次又一次次在2層樓高的黑板前用粉筆計算出一長串複雜的計算公式,根本堪稱「人肉電腦」,她負責開發各種太空路線,計算各種至關重要的航空軌道參數,是水星計畫、阿波羅登月計畫中不可或缺的角色,只要稍有差池,整個太空任務就可能完全失敗甚至造成太空人死亡。

關鍵少數劇照
圖片取自網路

別以為只有太空計畫中的數學才偉大,我們在生活中也時常運用數學,不論是買東西時計算打折後的價格、修整房屋時要測量面積大小、買咖啡時20fl oz到底是幾ml,究竟要帶多大的隨行杯才夠用,亦或是算出最短路徑節省通勤時間等等,數學與生活息息相關,長大後才發現,學好數學真的很重要,恨不得回到過去叫醒在課堂上打瞌睡的自己。
但是,俗話說的好,活到老學到老,我們不妨用輕鬆的角度,透過這些在科學界裡佔有一席之地的動物們,讓牠們帶領你進入科學的奇幻國度,也許看完你也會覺得,科學真有趣!

一、薛丁格的貓───量子力學的詭論

這隻大名鼎鼎的貓相信許多人應該都有聽過吧!這是來自奧地利物理學家厄文.薛丁格在1935年提出的實驗,他假設將一隻貓關進密閉箱子,裏頭有放射性物質與裝有致命的氰氧氫的燒瓶,若放射性物質的原子發生衰變,就會使燒瓶釋放出毒氣,讓貓死亡。但是,我們無法預期原子會不會發生衰變,因此在打開箱子前,貓同時是「又死又活」的狀態。貓怎麼能這樣?沒錯,這是薛丁格用來反駁量子疊加理論的假說,他認為此假說不能用在真實世界,否則便會出現這類混沌狀況。薛丁格的貓讓後人不斷辯論,1957年有人提出「多世界詮釋」,亦即平行時空來解釋:在A宇宙中,貓是活的,在其他宇宙則是死的,然而,至今仍無確切答案能夠證明此理論,這隻貓也成為量子力學界的難題之一。
嗯……但這印證了寵物界中「貓就是難搞」的理論!

二、巴夫洛夫的狗───習得反應與古典制約

你有過一聽到要考試,肚子就突然開始痛起來的經驗嗎?這代表你可能被身體制約了。俄國生理學家巴夫洛夫發現,當穿著白袍的助手送食物給狗吃時,狗就會開始分泌唾液、流口水,即是反射動作,他想知道若是換做其他與食物無關的訊號,狗是否也會有一樣的反應,因此每當要餵食前,他會打開節拍器給予刺激,實驗久後發現,當狗聽到節拍器聲響時,便會自動開始流口水,儘管沒拿到食物也一樣,他稱為制約反應。最後,他在開啟節拍器時,讓鈴聲同時響起,這麼一來,狗會因為節拍器分泌唾液,也會把鈴聲跟食物連結,之後只要搖鈴就能讓狗流口水,儘管鈴聲根本不曾用來作為食物出現的訊號,這是「古典制約」的由來,也為心理學界投下震撼彈,影響後世無數研究,著名反烏托邦小說《美麗新世界》也以制約反射為主題。

圖片取自網路

三、費波納契的兔子───自然界的數列

你有養過兔子嗎?西元1202年,著名數學家費波納契從這些毛茸茸的小傢伙身上找到有趣的數列。他提出一個假設:有一對幼兔在出生後第一個月還沒有繁殖能力,等到第二個月月底時,生育能力成熟生出一對小兔子,這對小兔子也在出生第二個月後,繁殖出第三對小兔子,之後的兔子也是重複這行為,試問,每個月最初會有幾對兔子?由於在頭兩個月只有當初第一對兔子,因此數列會是1,1,2(小兔子出生),3,5,8,13,21…,而每個數字都是它前面兩個數字相加產生的,大家不妨動筆驗證。這個數列還有一些有趣的特質,比如說,每三個數就出現一個可以被2整除的數字,每四個數就有可被3 整除的數,每五個數就有可被5整除的數,這些數列還出現在巴斯卡三角形、質數相乘數列、「黃金比例」圖形等等,下次可以仔細尋找,它無所不在。

四、勞倫茲的蝴蝶───蝴蝶效應

我最初是從艾希頓.庫奇在2004主演的電影《蝴蝶效應》認識這個名詞,故事敘述男主角透過跳越時空的能力,試圖回到過去來重新做選擇,然而發現每個看似微小的改變,都會對未來造成巨大影響,是部燒腦神片。不過上述提到的超能力畢竟是電影情節,其實是將勞倫茲的原意加以誇示放大,勞倫茲原先想表達的是複雜系統中的小事件,帶來的效應可能很小也很大,且不可能算出是哪一種結果。那麼,「蝴蝶效應」這個詞又是怎麼出現的呢?起因為勞倫茲在氣象年會上的演講,題目為「一隻在巴西的蝴蝶拍打翅膀,會在德州掀起龍捲風嗎?」,這原先只是想引起觀眾集中精神的花招,總結小事件有可能引發極大變化的觀點,並非實際研究,然而,蝴蝶效應的想法真的開始流行,這是勞倫茲沒料想到的,某方面來說,蝴蝶效應已經成了自身的隱喻。
蝴蝶效應
圖片取自網路

五、托爾曼的老鼠───認知地圖

美國教授托爾曼想知道,動物的思考與記憶能力可以到達哪種程度,因此他專門設計一座老鼠迷宮,供二組老鼠測試。終點在迷宮的右上角,迷宮內共有六個T字形的路口,要全走對才能離開,第一組老鼠只要走到終點,就一定會得到食物,結果發現他們找尋出口的時間一天比一天短,到第七天完全都不會迷路了;第二組老鼠在前六天都不會在終點得到食物,因此他們都在亂晃閒逛,然而第七天開始有食物會出現在終點後,老鼠們很快就找到出口,接下來的幾天更直奔食物,沒有迷路。這代表著,雖然老鼠沒有趕赴終點的理由,但當牠們在到處亂晃時,應該就已經在腦海中形成認知地圖,記下物品所在的相對位置。由此可知,當我們想著從A點走到B點時,其實也是在使用同套認知地圖,幫助我們找到更快速的捷徑!

看完五個科學界上有名的動物們,大家有沒有覺得科學其實也是很平易近人的呢?當然還有更多有趣的實驗尚未提到,等待各位一一發掘!

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►相關書籍:大石文化《費波納契的兔子:50個改變歷史的數學大觀念》,亞當‧哈特-戴維斯 著