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December 12, 2013

同位素發現百年紀念

國立臺灣大學科學教育發展中心特約編譯 郭冠廷

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Frederick Soddy在一百年前的這個月發現：元素可以有幾種原子量。

1913年的12月4日，輻射化學家Frederick Soddy（弗雷德里克·索迪，1877年9月2日－1956年9月22日）提出「同位素」的概念。而Soddy也因此獲得1921年諾貝爾獎的殊榮。

一位早熟的少年

Soddy出生在1877年9月2日英國的Eastbourne，他是一位早熟的少年。在18個月大時，就面臨母親的去世，由信仰加爾文傳統（Calvinist tradition）[1]的堂妹扶養長大，也因此培養出索迪獨立於當代社會與宗教的獨立性思考模式。Soddy曾在Eastbourne學院、Aberystwyth學院Wales分院、Merton學院、Oxford大學就讀。而後於1898到1900之間，在Oxford大學進行獨立研究。

放射性蛻變的發現

1900年Soddy在McGill大學時，成為一名化學界的示威者。與英國物理學家Rutherford共同研究物質的放射性。而在當時，對放射性的瞭解可說是少之又少，而Soddy與Rutherford就已經意識到，放射性的存在，是肇因於元素的衰變。元素衰變時會釋放α-, β-, and γ-radiation。Soddy用化學方法來辨別出衰變的產物。並於1900到1902年之間的時8個月當中，Soddy和Rutherford共同出版了九篇歷史性的文章，文章當中提出了：原子分裂後可以產新的物質。而這正是古代煉金術師們的夢想，因此Soddy稱這個過程為煉金用語中的「蛻變（transmutation）」。

Rutherford和Soddy的放射性理論，解釋了蛻變的發生。他們是首位計算出放射性蛻變的過程中，會伴隨大量能量釋放過程的學者。可惜的是，Soddy因為被誤認為僅是Rutherford底下的年輕助手，而非工作伙伴。因而在這項發現當中，Rutherford獲得大部分的榮耀，而Soddy也因此與1908年的諾貝爾化學講擦身而過。

兩位學者共同提出放射線的存在，並從Uranium-92和Thorium-90出發。這兩個元素的最終產物都是Lead-82。因此兩位學者主張，Helium應該是Radium-88的衰變產物。

1903年，Soddy離開加拿大前往London大學，與蘇格蘭化學家Sir William Ramsay一同工作。Soddy和Ramsay利用光譜分析的結果證明，Helium就是Radium衰變過程當中所釋放出來的α-particles。而這當中的Radium也是Soddy和Rutherford稍早所提出，並且第一個以實驗證明自然情況下產生蛻變的元素。α-particles帶有兩個正電荷與兩個中子，並具有與Helium相同的原子核，也就是He2+。

「同位素」概念的提出

從1904年到1914年，Soddy在Glasgow大學擔任講師。1908年與Winifred Beilby結婚。可惜的是這對夫妻沒有孩子，而Soddy認為，他的不孕與工作環境中的放射性有密切的相關。

在Glasgow中，Soddy發表著名的「位移定律（group displacement law」：隨著α-particle從放射性元素的釋出，會導致該元素在週期表上向左平移兩個位置；而隨著β-particle的釋出，則會導致元素在週期表上往右平移一個位置。而一個元素如果同時發出α-particle和兩個β-particles，就會回到週期表上原本的位置。而該元素會展現出與原本元素相同的化學性質，唯一的差別在於「質量」的不同。

很快的，Soddy開始厭倦將這種元素稱為「一種化學性質相同，且不可用化學方法分離的元素。（elements chemically identical and non-separable by chemical methods）」因而他在1913年一封給知名雜誌Nature的信中描述，他將這種元素稱為「同位素（isotope）」。用來描述具有相同原子序數目，但是卻具有不同原子量的元素。

1914年，Soddy、Henry Hyman、Maurice Curie、Marie Curie's nephew、Otto Honigschmid、Stephanie Horovitz、Theodore William Richards、Max Ernst Lembert，都證明了同位素的概念，表示Lead可已經由Radium的分裂而產生，而這個Lead與天然的Lead[2]具有不同的原子量。

Soddy也終於獲得1921年的諾貝爾化學獎：他對人類的貢獻在於：帶來放射性物質的知識，與調查出同位素的起源。Soddy在諾貝爾獎的致詞當中說：同位素的原子具有相同的外表，不同的內在。他已經認知到，雖然他的同位素概念，是源自於對放射性元素的研究。但是同位素很快就會被發現存在於其它非放射性元素當中。而這個預測很快的就被1922年諾貝爾化學獎得主Francis William Aston所驗證。

將科學的成果用於慈善用途

1919年到1936年之間，Soddy擔任Oxford大學的教授。但是他的興趣轉移到科學對社會的影響。從經濟、商業、金融、社會、政治、環境等都在他所關心的範圍當中。在第一次世界大戰期間，Soddy受到年輕物理學家Henry Gwyn Jeffreys Moseley的死所激怒。戰死沙場的Henry，曾在1913年提出原子序的想法，對週期表帶來革命性的影響。

Soddy在給Sir Daniel Hall所著，1935年出版的《科學的無奈》（The frustration of Science）中贈序寫道：「現代科學已經給現代社會帶來偉大歷史中輝煌時代也無法比擬的燦爛。（It is modern science which has made the modern world great, with greatness that the illustrious epochs of history cannot match.）」Soddy認為他要致力於將科學的成果直接導向慈善用途。

Soddy很早就意識到，理論上核能在未來社會將成為主流能源。在Soddy自己在1926年所出版的書《財富、虛擬財富、債務》（Wealth, Virtual Wealth, and Debt）[3]中，他自問當原子能面世後的世界會是什麼樣的樣貌？「如果原子能明天被發現。將不會有一個國家不拋出他們自己的心臟和靈魂，將原子能應用於戰爭當中。就像他們現在正在做的化學武器毒氣戰。……假如（這）在現有經濟條件下來到，將給現代科學文明帶來反證（reduction ad absurbdum）[4]，科學文明會迅速崩毀，而不是漸進式的崩壞。」[5]

1936年，Soddy因為妻子的辭世而提早退休。他的晚年充滿著不愉快。他認為有一些理由，來自於他晚年的貢獻沒有受到承認。而於1956年9月22日，享年79歲，於英國Brighton離開這個世界。為紀念他的貢獻，放射性鈾礦（Soddyite）和月球背面的小坑洞（Soddy crater）[6]，都被以Soddy的名子來加以命名。

Soddy將他的遺產成立「弗雷德里克·索迪信託（Frederick Soddy Trust）」。將二萬五千英鎊的教育基金，致力於青少年的旅行和體驗不同社會群體的生活。Soddy里程碑的成就──同位素的發現──直到發現滿百年的今年。他已經造福數百組的青年們。而這群青少年透過旅行和體驗，也承襲Soddy的理念，持續解決Soddy生前所關注的諸多社會問題。

編譯來源：Celebrating The Isotope

[1] 加爾文主義（Calvinism），是16世紀法國宗教改革家、神學家約翰·加爾文畢生的許多主張和實踐及其教派其他人的主張和實踐的統稱，在不同的討論中有不同的意義。──維基百科

[2] 鉛有四種自然的、穩定的同位素：Pb-204（1.4%）、Pb-206（24.1%）、Pb-207（22.1%）和Pb-208（52.4%）。後三種是鈾-238、鈾-235和釷-232經過一系列裂變後的最終產物。這些反應的半衰期分別是4.47×109年、7.04×108年和1.4×1010年。只有204Pb是自然存在的、非衰變產物。

Pb-208在穩定的同位素中質量最大。──維基百科

[3]《財富、虛擬財富及負債》是諾貝爾化學獎得主弗雷德里克·索迪於1926年撰寫的一本經濟類書籍。它討論了貨幣政策、社會以及能量在經濟體系中所扮演的角色。──維基百科

[4] 反證法（又稱歸謬法、背理法）是一種論證方式，他首先假設某命題不成立（即在原命題的條件下，結論不成立），然後推理出明顯矛盾的結果，從而下結論說原假設不成立，原命題得證。反證法常稱作Reductio ad absurdum，是拉丁語中的「轉化到不可能」，源自希臘語中的「ἡ εις το αδυνατον παγωγη」，阿基米德經常使用它。──維基百科

[5] If the discovery were made tomorrow, there is not a nation that would not throw itself heart and soul into the task of applying it to war, just as they are now doing in the case of the newly developed chemical weapons of poison-gas warfare. … If [it] were to come under existing economic conditions, it would mean the reductio ad absurdum of scientific civilization, a swift annihilation instead of a lingering collapse.

[6] Soddy (crater)：http://en.wikipedia.org/wiki/Soddy_(crater)

February 25, 2014

採訪‧撰文│郭冠廷

攝影│郭冠廷

大腦研究將成為顯學。因此，科學教育發展中心將以〈大腦、演化與學習〉為主題舉辦一系列的「探索講座」。讓對人體最重要的器官──大腦──有興趣的民眾，能進一步探其奧秘。並從最新的研究結果，來重新認識自己，甚至重新定位人在自然界中的位置。人類真是備受上蒼恩寵的物種嗎？經過數百萬年的演化，真的是得天獨厚、遙領萬物嗎？人類有哪些行為是優越感作祟下做出來的？若這一切都是老天無心插柳，萬物本無高下，人類又該如何自處？科學的發展，迫使我們重新審視自我。現在，讓我們開始進行一場人類精神意識的演化思辨。首先，和大家介紹〈靈長類的大腦演化與人類的生存適應〉的講師──王弘毅老師。

因緣際會的研究生涯

王弘毅老師，臺大臨床醫學研究所副教授。目前從事之工作主要是運用族群遺傳學的方法來研究病毒的演化。而之所以會走上這條路，可以追溯到老師在大學時期對某門課的喜愛──從微觀角度頗析遺傳學的「族群遺傳學」。

雖然「族群遺傳學」在整本教課書當中的篇幅不重，但王老師對其深感興趣。而「族群遺傳學」主要是探討：造成族群內「等位基因」頻率改變的動力的一門學問；是能用以解釋族群分化、物種適應或形成的理論。從此奠下基礎，後來進入「分子演化學」的研究領域。隨著知識的累積，又適逢基因體學為當代顯學，遂更擴大其專業領域到基因體學。

老師相當謙虛的表述自己的成就，是由無數的機緣與貴人相助而成。自取得博士學位後，王老師到中央研究院擔任博士後研究員。並有幸在沈哲鯤與吳仲義兩位教授的幫忙之下，參與中研院的計畫。這計畫，一開始是先以日本獼猴為材料，研究基因演化的速率。結果卻出乎意料，人類大腦蛋白質改變的速率比獼猴還要慢；再與黑猩猩比較，也得到一樣的結果，打破傳統人類長久因優越感而產生的迷思。詳細的內容，老師表示會在演講中，以淺顯易懂的方式，從核心概念著手，讓非生物領域的民眾也能夠輕鬆掌握。

這次研究日本獼猴與大猩猩大腦的機會是相當難得。「受限於研究資源取得不易，至少短時間內無法再繼續做類似的研究。現下此類型的計畫，規模普遍都很大，由國家級的機構主持。」近年美國甚至已經禁止以黑猩猩從事生物醫學的相關研究。

但老師的研究歷程並未因此中斷。在SARS風暴當中，陳培哲教授的邀請下，王老師另用族群遺傳學的方法，研究SARS病毒的演化。之後更進入臺大醫學院，開始著手進行病毒相關研究。他以演化學與遺傳學的方法，來研究病毒的演化，SARS之後又推廣到其它疾病的病原，如：Ｂ型肝炎病毒，腸病毒等。

不過，老師在醫學院的研究並非一路順遂。從演化學的領域跨到醫學；雖然有其相同之處，但在專業的領域當中，還是需要重頭學起。在過去，自己專業的領域中，能夠掌握許多的細節，知道每一個環節的緣由。但剛進來醫學院從事研究，有時會不明白為什麼大家要做某些操作，但在他人的眼中都是最基礎的事情；甚至，溝通上也產生一些困擾。「有時候兩個人在對話，但是講大半天才發現不對勁。同一個單字，其意義在演化學領域和醫學的領域，卻又有些許的不同。因此我們講話都要講得很仔細，確保用字的意思是雙方認知中的意思。」老師虛心以對，下苦心重新學習基礎。

為紓解研究工作的壓力，並給自己沉澱的機會。老師保有自大學時期就有的興趣──釣魚。「釣魚需要等待，等待可以想事情，或者就放空自己。」老師很喜歡戶外活動，喜歡在野外露營，在週末也會騎腳踏車運動身心。

演化的隨機性

發現人類大腦基因的演化速率較黑猩猩等動物慢的事實後，人類對自我價值的認同與優越感受到衝擊。王老師解釋，演化的發生是「隨機」發生。因此，人類演化至此，也只是一種機運的結果。「只是剛剛好演化成人類現在的樣子」，並不是上天特別眷顧人類，或代表著人類就比萬物優越。王老師引《伊甸園外生命的長河》中的話：「大自然既不慈悲，也不慘忍，它只是冷漠。」人類未必就是最先進的物種。老師並推薦這本科普書籍，有興趣的讀者可以加以閱讀。

但雖然說演化沒有方向性是隨機發生；老師在受訪中也提到「尋找紅皇后的故事」，來說明在冷漠的演化之中，生物如何憑藉著彼此競爭以求繼續留存在這世界上。這是出自《愛麗絲夢遊仙境》續集《鏡中奇緣》中的故事，故事當中的愛麗絲進入鏡子的世界，但是鏡中的進退動作卻和現實世界大不相同。愛麗絲在鏡中世界尋找紅皇后，卻怎麼怎都找不著。因為在這世界中「前進只不過是為了要維持在原地而已。」當愛麗絲轉過身，往回走沒幾步，紅皇后就在眼前。「在生物上也是如此，生物間彼此競爭，只不過是為了維持當下的平衡。」因為落後的一方將慘遭淘汰出局。

為使讀者觀眾能進一步瞭解這次的演講，除上述《伊甸園外生命的長河》，老師也推薦天下文化所出版的《達爾文大震撼》和《貓熊的大姆指：聽聽古爾德又怎麼說》。在熊貓的大拇指中，就說明因為拇指關節的靈活度，會直接反映在手的功用上。如人類的拇指關節能夠做大幅度的轉動，因此人類能夠從事縫紉或做許多精細的工作；同時，也影響到握東西時的緊密度。因此，在演化上，現代的熊貓，就有「第六隻手指」，來讓熊貓握竹子的時候，能夠更穩更扎實。

這是宿命，也充滿著無奈。不競爭，不往前進，就沒辦法繼續生存在這個世界上。前進，不是為了追求更好，只是為了最基本的生存。既然如此，筆者不經提出疑惑？那為什麼不大家說好，一起不向前跑呢？這樣就不會存在鏡中世界的悖論，靜止就真的是靜止了。王老師以熱帶雨林和共產制度的崩解，來說明這生存競爭的必然性。

生存適應下的軍備競賽

在齊頭式平等下「只要比別人贏一點點」就可以得到非常大的優勢；因此，不斷競爭，直到其受到物理的限制。如熱帶雨林的樹木，彼此不斷競爭，愈長愈高，把樹葉愈擴愈大，以獲取更多的太陽光能。直到因為植物體中水分的運輸受到物理的限制，大家都停留在十公尺左右的高度為止；但此時卻已是繁茂蒼綠的林相。

齊頭之下，一點點的不同，就是很大的不同。像共產世界中，只要少做一點點，其實就造成很大的影響。接著，每個人都著少做一點點，最後這整個系統將會崩解。所以在自然界，萬物會透過不斷的變動，以追求不變的可能。「盡全力的奔跑，只不過是為了要維持在原地而已。」

盲目的優越感

人類大腦蛋白質改變的速率比獼猴還要慢；再與黑猩猩比較，也得到一樣的結果，打破傳統人類長久因優越感而產生的迷思。「我們總是傾向接受自己願意相信的事情。心理作祟加上以前技術上的侷限，或所選取的參考基準不正確，造成我們長久以來的誤解。」以前的生物技術還不是那麼發達，外加研究的對象多是哺乳類的老鼠。但是老鼠和人其實親源關係已經有一段距離。老師將會在這次的演講中說明，實際得出來的結果，是人類大腦蛋白質改變的速率是較為慢的。

不僅僅於此，誠如先前《鏡中奇緣》所說，在鏡中世界「前進」與「後退」認知的重新定義。在人的出生過程，也有本質上相同的事情發生。「頭是否愈大愈好？」神經愈發達，分布的表面積會愈大，頭圍也會隨之增加。「但這卻增加我們生產的難度。」使得生產時「母難」的危險性大幅提升。這就是人類增加智慧所伴隨而來的代價之一。

雖然從事的是科學研究，講求數據與資料的精確。但老師也有科學研究外的面。工作之餘，或許是釣魚之際，也可能是在露營野炊之時，從裊裊炊煙中，看出演化樹的支脈。透過不斷的去反思自身研究出來的結果，衝擊既有的認知；並藉此來使民眾能夠以一個全新的角度來看待自己──人類，在萬物中的應有位置。不高傲，與萬物和平共存。

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December 16, 2014

■達爾文的《物種原始》，膾炙人口，我們自以為已經懂這一本書，可是王道還老師嚴肅的警告我們，其實我們有「文字障」。

_MG_4224講者｜中研院史語所 王道還助理研究員

撰文｜郭冠廷

原來，我們都有閱讀障礙？

狹義相對論我們聽不懂，搞不清楚為什麼總是霧裡（物理）看花。但是，王道還老師更進一步更正我們對知識的假設，以達爾文膾炙人口的《物種原始》為例，大多數的讀者都有「文字障」，連書名也搞不懂！

物種原始很不三不四，科學界也要吊書袋！

《物種原始》（On the origin of species）在談什麼？很原始的物種？對於18世紀末到19世紀歐洲科學家而言，這些詞彙就好似成語，只要看書名就知道這本書的核心宗旨。說穿了就是「物種問題(species problem)[1]」，物種有什麼問題？就是在說「自然史（natural history）」。出乎意料地，我們可能連「史（history）」這個國中單字也不認識，因為「history」在希臘文中是「inquiry」的意思。所以，自然「史」就是自然「研究」。就是在蒐集海外生物、 地質標本、調查生物地理分佈、搜集地質資訊等等。 自然史根本問題，就是「物種原始問題」，簡稱「物種問題」。

可以靠封面作弊？重點都寫在書的封面上！

每一年大考生物都必考的「天擇理論（natural selection）」究竟在考什麼？又為什麼達爾文要寫一個又湊又長的副標題在書名之下？天擇理論就是「適者生存（ survival of the fittest）」 我們今天朗朗上口的「天擇」，在當時代是非常新的詞彙，需要被解釋。達爾文當然要直接對這個詞彙下註解：「生存競爭中，受青睞的個體（適者）才能傳種。」（ the preservation of favoured races in the struggle for life）。

達爾文說為「自然選擇（ natural selection）」，但這詞容易讓人誤會，會讓人聯想與人工選擇相對，認為是自然在選擇，是上天的安排。在1864年，達爾文接受了斯賓賽的提議，使用科學性較強烈，目前廣泛採用的「適者生存(survival of the fittest)」一詞。

出國要簽證，不肖子孫演化當然也要VISA啦！

在生存競爭中，受青睞的個體才能傳種。篩選就是理性的過程，一個非理性的過程，透過一個理性的過程，才能夠創造出精彩的生物適應。這就是著名的「達爾文主義（Darwinism）」，在達爾文的理論中，沒有上帝與Master，只有VISA。生物透過隨機性的「突變（Variation）」、「血緣（Inheritance）、非隨機的「選擇（Selection）」、「適應（Adaptation）」等四個VISA概念來進行演化。達爾文並沒有將演化寫成「evolutionism 」而是「transmutation」。

在鍊金術當中， 把一種金屬變成另一種金屬的過程，就叫「transmutation」。而他更對這個過程下註解提出：「descent with modification」，用來註解這一段自然的選擇過程。「descent」就是強調血緣、遺傳，強調這是一個自然的過程。

知名生物學者苗徳歲先生將這段解釋[2]翻譯成「兼變傳衍」，而達爾文的演化論，核心概念就是「選擇」。表示演化並非亂槍打鳥，是有條件的，是一種理性的過程。若我們以我們人類的行為來舉例，現實模型就是「育種」的經驗，這就有人工選擇的意涵。

不要問我人類何去何從？請認真的活在當下！

讀演化，難免會讓我們驚恐。人類何去何從？1898年距今都已超過100年，聽眾忍不住發問：「人類未來會演化成什麼樣子呢？」道還老師無奈地表示，「人類個體的存在是短暫的，100年來的變化我們都不太了解了。而人類四萬年都沒有發生變化，未來多少萬年，會有多少變化？」

讀歷史，不是為了讓我們沈浸在過去，或遙想未來。其實是希望透過歷史的進程，讓我們更能掌握當下的每一個時刻。涌泉老師，建議我們不妨到思亮館的大廳，將發言權交給在座的老師與學生。關心人類未來的發展，不如先讓我們喝杯下午茶，用點點心，來聊一聊科學教育，與教育現場的每個當下吧！如果有一天，有人的科學夢想因為CASE得以獲得啓發，那我們就成功了。

參考資料：

[1]The origin species　http://en.wikipedia.org/wiki/On_the_Origin_of_Species

[2]苗徳歲譯：《物種起源》，譯林出版社， 南京， 2013年10月。