演化、宇宙、人

緒論（節錄）

懵懂到年少輕狂
我自幼愛抓蟲，八到十歲住陽明山，之後住外雙溪，雖然在台北成長，卻不缺摸蝦、釣魚的經驗，可說是對生物好奇心的初期啟蒙。我記得小時候還在華岡時，有一次過年後，天氣濕濕冷冷，我獨自在一棵柏樹下發現了一個鈣化成白色的蝸牛殼，如獲至寶。
這樣的「化石」給了我很大的想像空間：過去無限遙遠的時間與廣大空間，其中有過多少多采多姿的生命存在。當時的我，是何等渴望能觸摸到真實的遠古化石啊！
家父有個小型圖書館。小學六年級的某一天，我在書架上找到一本《進化論綱要》，是1932年大陸出版，1966年台灣商務印書館重印的小書。
當年對於文字底蘊背後的歧視爭議還不甚敏感，用的是「進化」而非現在慣用的「演化」。但這本薄薄的小書給了我很大的震撼，不僅體會到生物的奧秘、更感受到科學的馭繁於簡，從而啟發了我對生物與科學的興趣。
進入初中後，生物課本的編寫方式強調記憶，讓我興味索然。我在學校圖書館偶然翻到另一本小書，《反物質與宇宙論》，又無心插柳開啟了另一扇知識的大門。廣大的宇宙引發了我對天文的興趣，而大家熟悉的愛因斯坦方程式E = mc2，這指明「質量本身就是能量」的算式，則給予我物理學的震撼。當年還是私中初一生的我，有一天竟老老實實計算「一公克物質若全轉化為能量可煮沸多少水？」這道題目。質能的巨大與轉換的奧秘真令人震撼，而背後是超乎想像的光速之快、之大。
不過，當我得意地告訴座位周邊的同學時，似乎沒有人能感染到我的興奮。畢竟，這數字背後的奧妙是得親身去體驗的！但若看過「天使與魔鬼」的電影或小說，你便知道，只要將不到一克的反物質釋放出來，便足可毀滅整座梵諦岡教廷城！而太陽每秒將等價於四百萬噸的質量轉換成能量！銀河系約有兩千億顆星，每顆若時時刻刻都釋放太陽般的能量，這是何等鉅大的質能！
若想親身感受，我還有一個較小的題目鼓勵你計算一下：我們所在的銀河系直徑有十萬「光年」（光走一年的距離，即9,460,730,472,580.8、或約9.5兆公里），若以當下噴射客機時速1000公里持續飛行，需要幾個一生（以一甲子60年算）才能走完呢？這些數字和其反映的時空尺度，都是難以想像的。

存在的奧秘
升上高一，十六歲的我十分害怕死亡。我意識到死亡代表著自己有一天將不再有意識！這使我開始思索人的生與死，也因此接觸了宗教和哲學，亟欲尋找個人、或人類，在這個浩瀚宇宙中存在的意義與定位。但因為自己正往科學的路上走，心中的質疑驅使自己定位在「不可知論」，簡單說就是人不可能窮盡真相、不可能知道有沒有鬼神。當時我欣賞禪宗所說的「直指人心，見性成佛」。然而佛是佛，人是人，也可以說佛知人事但人不知佛事。總之，在我們頓悟之前，有條鴻溝註定無法跨越，這條鴻溝也包含了生與死。
位在加里寧格勒的康德之墓，其紀念碑上寫著：
「有兩件事讓心中滿溢日增的敬畏──我頭頂的星空，並我內在的道德律。」
為了對先哲表示敬意，我略加刪減，節錄德文的原文：
“Zwei Dinge erfüllen das Gemüt
mit immer zunehmender Ehrfurcht:
der bestirnte Himmel über mir
und das moralische Gesetz in mir.”
─ Immanuel Kant,
Kritik der praktischen Vernunft
（《實證理性批判》）

這段話或許耳熟能詳，但就在2008年，我走訪義大利卡布里島開會，在島的西南端有個「哲學家公園」，我參觀完後出來往海邊走，驀然看見一塊石頭上寫著這段康德的話，心中的震撼迴盪至今。
論到神秘的內在經驗，愛因斯坦說道（黑體或斜體都來自我的加強）：「我們能有的最美體驗是神秘感，那站在真藝術與真科學濫觴的根本情緒。不曾認識它，不再能驚異、不再能讚嘆，那人就如死去一般，他的眼睛黯淡了。是神秘的經驗──雖然夾雜著恐懼──產生出宗教。即便我們的心智僅能感受到皮毛，但認知到有我們不能參透的事物存在，體會最深切的理性、最奪目的美麗：是這樣的知識與這樣的情感構成了真宗教情懷。在這個意義上、也只有在這個意義上，我是一個虔信的人……我滿足於生命永恆的奧秘，認識與感受存在的構造奇妙──以及卑微的試圖理解那將自己彰顯於自然的理性，縱使只有一丁點。」
愛因斯坦這篇雋永的小品文，不僅提及藝術和科學的根源，也提到生命永恆的奧秘與存在的驚奇。而他用英文大寫的 Reason（理性），則正是康德兩本「理性批判」鉅著標題中的Vernunft。這個半擬人化的「理性」，中文頗難翻譯，但愛因斯坦明顯把對那「將自己彰顯於自然的理性」的認知，放在神秘體驗的最高層次。
這兩段哲人的話，正呼應了韓濤教授對本書課題的評論：“That’s Religious!”儘管我在獲得物理博士學位之後不久受洗成為基督徒，在課程與本書中，我都不會涉入宗教和哲學的範疇，僅純粹討論科學的知識，挑戰「人」的認知。但透過這些偉大思想家的話，希望學生與讀者能夠親身感受愛因斯坦所說的Mysterious──人類所能有的最美經驗與最高價值。
在希臘德爾菲的阿波羅神殿，登殿匾額上當年刻著箴言：
“ΚΝΩΘΙ ΣΕAΥΤΟΝ” (“Know Thyself”)
「認識自己！」，或謂這是西方哲理的核心。在東方則有老子說「自知者明」，可惜在現今日常用語中的「自知之明」已失去了原本的深刻意義。對我而言，認識自然，我們存在的根源與其蘊含的神秘法則，是人類「認識自己」的絕佳之路。
試問你自己我是誰？ 我追尋的人生意義是什麼？「人」的意義是什麼？

我們的存在即便渺小，卻是一件非常特別的事，因而生命如此無價，我們該好好活，不要輕易拋棄。每一個人有她/他獨特的一生，務必走完！
現在，讓我們藉反物質的發現，突顯「宇宙反物質」這個大謎題（Mystery!）神秘的E = mc2和反物質
保羅‧迪拉克（Paul Dirac）在1928年結合了愛因斯坦的狹義相對論和已發展了20多年的量子力學，從而發現了人類未曾知道的反物質，我簡易說明如下。熟悉的E = mc2，其實是E2 = p2c2 + m2c4，在「動量」p = 0的化簡。動量在我們平常經驗的世界，是質量乘以速度，是有方向性的，即上下、左右、前後，亦即都有正負號。我們由此注意到愛因斯坦方程式中，存在著E > 0及E < 0的解。也就是說，負的能量也可以滿足此一方程式。如何說明有反粒子的存在，原本也困擾著迪拉克，因為正反能量之餘，應當是相同質量m，但這「顯然」在周遭不存在。迪拉克曾很努力的要把比電子重近兩千倍的質子解釋成E < 0的解，但無法成功。還好卡爾•安德森（Carl Anderson）在1932年實驗發現「正子」，與電子質量一樣、但電荷相反，因此帶一單位正電荷。實驗與理論的互相印證，確認迪拉克方程式隱含著「另一顆」: 反電子質量 = 電子質量（質量相同） 反電子電荷 = ̵ 電子電荷（電荷相反） 是為反物質的藍本。人類發現反物質存在，且還有如下的一個特性。 要知道反粒子不是科幻，而早已真真實實進入現實生活中：反電子 e +或稱正子，已廣泛用於許多醫院的「正子造影中心」。正子和電子的質量完全相同，但電荷相反，因此電子和正子相遇時相互湮滅產生 γ-射線，也就是返回E = mc2的純粹能量。此純能量不再有正負電荷，而正子、電子相反的電性也正好抵銷。正子造影的醫療技術就是應用正子與電子相互湮滅所產生的兩顆光子來造影，是能抓到最小腫瘤的利器。在電影「天使與魔鬼」中，故事背景就是人類製造出0.25公克的反物質，若釋放出來與物質接觸時，湮滅的能量將可摧毀整個梵諦岡教廷城，於是朗登教授出動……。 讓我們回到宇宙的初始──138億年前的大爆炸，那生出宇宙的原初極大純能量事件。認知到反物質的存在，我們驀然發現「我們」的存在變得非常奇特！ 因為在大爆炸的一瞬間，物質和反物質應當等量產生並滿溢於當時的宇宙。在下一瞬間，物質和反物質應當相互抵銷湮滅，一切於焉不存。但竟然還有些許物質留存下來，而構成你我的物質存在，正是演化出你我的基本要件。從日常生活我們可以清楚體會到：周遭並沒有大量反物質的存在。何以如此？那些宇宙反物質最後去了哪裡？至今，這仍是難以詮盡的問題。這個問題，本身則更是驚人。德爾菲的神喻勸誡人“Know Thyself!”，是何等的貼切。人的存在，本身即是極大的奧秘。因為能這樣沈思、追本溯源的我們，在最初的宇宙並不存在。宇宙的初始並沒有生命，而生命的最初也沒有人類。即使是人類，也是在存在數百萬年後才演化出智人（Homo Sapiens）；直至幾百年前，人才真正開始探索宇宙；而真切地提問宇宙大爆炸初始、以及反物質消失的問題，又是近80年的事了。經過這麼多複雜的發展，才有現代人類回頭思考自身起源與存在的問題。我們並沒有親身參與這些探索，但同為人類群體，我們的知識是共同擴展的，也共同享有知識的成果。 蘇聯氫彈之父安得烈‧沙卡洛夫（Andrei Sakharov）在1967年提出了「三條件」來說明宇宙大爆炸後反物質的消失，以致於今日我們能夠存在。這個「沙卡洛夫三條件」包括： 1）重子數不守恆；2）C及CP破壞；3）偏離熱平衡。 若符合此三條件，則宇宙起初將有些許反物質變成物質。就今日的瞭解，應有十億分之一的反物質變成物質，最終遺留下來，成就了今日的我們。其餘的反物質則和物質相互湮滅，產生的純粹能量最終注入了光子，在 38萬年前從渾沌的宇宙中釋放出來，從此自由運行。這個大湮滅的「悶響」如今依舊迴盪在「宇宙背景輻射」之中。而經過138億年才出現的我們，回頭思索、理解這一切，真是一件太稀奇（Mysterious）的事。 沙卡洛夫三條件之一的CP破壞，正是我多年來的主要研究課題：對於最初宇宙大爆炸的10−9這樣的比例，我們是否能夠提出適當的當代解釋？ 我的研究 台大高能實驗室藉著參與日本高能實驗室（KEK）「B介子工廠」的Belle實驗，我自1994年開始在台大推動成立高能實驗組。 我在辦公室中放的那隻紙鶴，正代表著我和日本的長期合作關係。Belle實驗研究的主要目標正是CP破壞，探討宇宙在起初變成物質完全當道的這個奧秘環節。B介子工廠是一個正、負電子對撞機，其成果導致小林誠與益川敏英獲得2008 年諾貝爾物理獎。但有趣的是，小林先生在領獎時坦承他與益川的「三代夸克」CP破壞機制不足以解釋前述的10−9。事實上，兩者落差竟有100億倍以上呢！若第四代夸克存在，CP破壞強度則可增強千兆倍！ 位在瑞士日內瓦侏羅山腳的歐洲高能研究中心CERN的大強子對撞機LHC，則探索另一個「起源」問題，也就是質量之源的研究。質量本身就是能量。若物質皆由夸克和電子所組成，那麼這些質量，以及背後的能量，究竟都從哪裡來呢？ LHC以尋找「神之粒子」、即希格斯粒子為標竿。LHC加速器比日本的 KEKB加速器週長大了10倍，達27公里，進行的是極高能的質子-質子對撞。2012年的盛事，便是在約134倍質子質量找到了希格斯粒子！2013年的諾貝爾物理獎也正是頒給原始理論貢獻者方思瓦‧盎格列（Francois Englert）及彼得‧希格斯（Peter Higgs）。 讓我介紹一下LHC，以及台大所參與的CMS實驗。在上圖☺圓圈的位置，被稱做 Point 5、或第五點，往地下深約100公尺之處是LHC的一個對撞點。在這裡放著CMS偵測器。台大與中大在 2000 年代參與了前置簇射器Preshower子系統的建造與運作，在這個跨國的環球合作中佔有一席之地。 台大又自2010年起藉「飛越小林•益川──探尋第四代夸克」的國科會／科技部「學術攻頂計畫」參與CMS像素偵測器 Pixel 第一階段升級，預計2017 年初抽換現行像素偵測器，以適應更高的輻射劑量。目前台灣正在規劃下一階段偵測器升級建造的參與，預計於2025年開啟第二階段運轉。 雖然LHC第二階段運轉時，我應該已經退休，但從現今知天命之年走向耳順的我回首來時路，感到很幸福，因為 Doing my Hobby, and Getting Paid for It ! 祝福你也找到如是的幸福，過你充實的一生。

第一章─演化、科學與信仰
本章藉由介紹演化論，示範科學講求檢驗與證據的根本精神。我們從「案例」入手，突顯演化論具有預測、推敲以致發現關鍵證據的能力。演化論是生物學的中心準則，解釋了生物多樣性、並地球眾生命乃同屬一個大族譜。所有地上四足動物的共同祖先在不到四億年前出現、二億多年前哺乳類出現、靈長類約在七千萬年前出現、人類始祖約四百萬年才出現，而我們智人（Homo Sapiens）來到世上才不過二十萬年！對生物演化論的認知，部分回答了本書主軸的「起源問題」。起源問題則觸及信仰，而演化論揭示「沒有設計師的設計」，是否與信仰有衝突呢？

Tiktaalik的發現：從案例入手
脊椎動物、四足動物：「魚足類」？
提到「脊椎動物」，你腦海浮現的多半是像人類這樣的生物。然而，脊椎動物其實以魚類為大宗，四足動物（Tetrapods）這個標籤才更貼近我們這樣的大型陸上生物。那麼，四足動物的四肢究竟是如何從最初以魚類為主的構造發展而來呢？這個變化是上陸之前就已發生，還是之後呢？
若你看過關於「提克塔里克」（Tiktaalik）的文章，就會常常讀到Fishapod這個以fish（魚）取代Tetra（四足）的字。例如由德施勒（E.B. Daeschler）、舒彬（N.H. Shubin）與堅肯斯（F.A. Jenkins）發表於《自然》（Nature）雜誌的文章 1 ：〈一種像四足動物的泥盆紀魚、與四足動物身體構造的演化〉(A Devonian tetrapod-like fish and the evolution of the tetrapod body plan)，標題宣告討論焦點是
一種魚，卻又與四足動物相近，而核心提問正是：「重要的四足動物特徵是如何、並以怎樣的次序演變的？」生命是從水中慢慢往陸地發展、擴張，如果魚類是脊椎動物中較早並且大量出現的生物，我們也許可以合理推敲在陸生四足動物
（Tetrapod）與水生魚類間，還有一類介於兩者之間、被遺忘的族類：魚足類。
讓我們想想重要的四足動物特徵，除了「四足」之外還有甚麼？譬如，你看過會轉頭的魚嗎？應該沒有。魚能轉身、迴游，卻不能轉頭。你可以再好好觀察一下，動物的脖子如何能夠轉動？能夠轉動的頸脖構造是否能算是四足動物的一個特徵？這些特徵是怎麼來的？它出現的次序是甚麼？

提克塔里克生活在三億七千五百萬年前，它具有鱗、鰓、鰭等構造，絕對是生活在水裡的魚，不過也有許多不像魚的地方。首先，提克塔里克的化石有肺的痕跡，且具備異於魚類、可以轉動的頸骨構造。人類的頸子是因為肩胛骨、鎖骨、頭、頸骨等特化的發展才得以靈活轉動，是逐步演化出來的骨骼結構。
再看牠的鰭，可以發現提克塔里克不是那麼典型的魚類：牠屬於「肉鰭魚」（lobe-finned fish），而不是常見的輻鰭魚（ray-finned fish）。輻鰭魚顧名思義，魚骨呈輻射狀，而肉鰭魚骨則比較像人類的骨頭，以中央脊椎骨對稱延伸出兩側骨頭，已經可以看出些許四足動物的特徵。且提克塔里克的鰭還可以撐起身體撐往前「爬」，就像彈塗魚一樣。只不過提克塔里克長達120公分，宛如一個小學生，比彈塗魚巨大得多。
提克塔里克的化石呈扁平狀，外形有點像鱷魚。大多數魚類身軀呈流線型，方便在水中游泳前進，可是提克塔里克雙眼在頭部上方，嘴巴扁闊，看起來卻像喜歡趴著前進。
一般流線型的魚類難以在淺水區生存，可是提克塔里克因具備諸多特殊生理構造，使其得以有時上陸、有時安居於淺水中，從而開啟了嶄新的生活方式。
我們將遠古肉鰭魚到日後四足動物的骨骼逐一排列，就能清楚觀察從鰭到肢的一系列演變。圖左是三種不同的肉鰭魚鰭骨，骨骼構造和我們所熟悉的魚已經不太一樣。而圖的最右邊則是兩種類似青蛙、蠑螈的早期兩棲類動物，中間的過渡地帶，則是潘氏魚與提克塔里克的化石。我們可以清楚看見右邊四足動物的指頭，但左邊的肉鰭魚指頭構造卻不明顯。如果看著早期四足動物的肢體，想像那是我們的右手，在指掌下方的「腕」雖然尚不完備，但已可看出類似手臂的結構，也與提克塔里克的骨骼相對應。正是這樣一系列的發展，使我們可以以手支撐身體、將手臂和手掌分成兩部分靈活運動。從肉鰭魚到兩棲類，我們發現越往右邊，結構的特化越明顯，關節功能發展越多，不僅發展出手臂，手腕也於焉成形。
了解提克塔里克的身體構造之後，讓我們繼續看牠如何上陸及生物學家的發現故事。

從預測到發現：演化與古生物學的勝利
提克塔里克的前半身在2004年發現，2014年又再發現其骨盆化石。演化和考古學家都喜歡以提克塔里克作為經典案例，因為它的發現反映了演化學預測的過程。
考古學家預期在約三億七千五百萬年前，類似提克塔里克的物種在陸地與河、沼澤與淺灘間上陸，逐漸走向兩棲類的演化之路。牠們生活的淺水環境給予了不少上岸的驅力，一是水域優養化，二是食物來源。淺灘緩流的植物落葉在水中腐化，使水中氧氣減少，造成優養化。為了得到足夠的氧氣供應，魚類發展出一套鰓以外的呼吸系統，也就是可以直接利用氧氣、類似「肺」的器官。既然有落葉掉到河裡，就表示河濱上有植物、昆蟲等「食物」可吃。如果能善加利用這些已上陸的生物，就可延續自身的發展。於是一些肉鰭魚順應地形環境，在河、陸交界的淺灘灣流逐漸發展出扁平利於爬行的身體構造、可以呼吸的肺，以及宛如提克塔里克可以支撐軀幹上陸的鰭，引領了日後這一支脈漫長的演化。
根據古生物研究，我們已知三億八千萬年前淺灘魚類的發展，也知道三億六千五百萬年前，能在岸邊爬行的兩棲類已經誕生。只是從三億八千萬年前至三億六千五百萬年前這一千多萬年的空檔，卻尚未發現其他中間生物。因此學者推測這段期間應該有種介於淺灘魚類與兩棲類之間的生物。這個「失落的一環」
（Missing Link）究竟會在哪裡？古生物學家尋遍地質資料後，將探索目標鎖定在加拿大最北方的島嶼、跨越北緯80度的埃爾斯米爾島（Ellesmere Island），離北極已經不遠。
埃爾斯米爾島屬於「努納福特」（Nunavut）自治區，面積約有台灣的5.4倍，不過地廣人稀，僅住了百餘人，是有人長居的最北之地。島上除了監測部隊之外，就是伊努衣特人（Inuit）。島上夏季很短，也非常冷，不過至少沒有覆冰。古生物考古隊為這裡標記了一個地點，NV2K17。自上個千禧年末起，每年夏天都到島上從事短期探勘，歷經五次探勘之後，科學家們終於找到了他們所預測的生物化石。