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第121期 2012/1/05

個體為本模型
agent-based model

是一種計算模型用來模擬獨立存在的個體(一個個體,或者一個群體)的行為或者個體間的互動。

計算未來
出自<<科學人2012年1月號>>






 

 
發燒主題-改造世界10大奇招
   
專題文章-發掘天然氣
   

科學馬戲團-微中子並沒有超光速

 

改造世界10大奇招
有什麼極富創意的科技奇招,正準備改變我們的生活?
重大變革往往出自非常簡單的創意。當年,一位叫做賈伯斯的年輕發明家因為想讓「沒有用過電腦,也不特別想擁有電腦的人們」體驗電腦的能力,帶領了我們脫離難以掌握的大型主機和一長串指令,邁向使用起來輕鬆愉快的麥金塔和iPhone。他的點子從此改變了我們跟科技的關係。
還有哪些簡單但極富革命性的創意還在實驗室裡,等著一炮而紅的時機來臨?這次我們精選了10項新科技,並介紹這些科技的內涵,以及它們可能如何改造世界。這些新科技包括運算方式跟人類思維相同的電腦、能在加油站充電的電池、以巨量資料製成的「水晶球」。你也可以說,這次的報導是我們向簡單創意的強大力量致敬。

醫 學
健康監測器不離身
智慧手機能隨時監控生命跡象,一有問題立即發出警訊。
 
撰文/史沃波達(Elizabeth Svoboda)

  大多數人胸絞痛或發現可疑腫塊時會立刻求醫,但等這些跡象出現才看醫生,往往為時已晚,時時監控才能即早發現症狀,而手機正可派上用場。健康掃描系統能持續從手機取得資料流,有助於早點發現症狀,避免延誤診斷;行動裝置還能幫助醫護人員在病情惡化且醫療成本變高之前,找出問題並有效治療。這種隨時待命的預警系統,理論上可降低慢性疾病75%的醫療費用,並能預防百萬件健康危機,延長病患的壽命。

  現在手機市場上充斥著各種與健康有關的應用程式,雖然大多是噱頭,但有幾個出色的系統真的能幫助使用者控制慢性病或盡早發現警訊。例如AliveCor的iPhone心電圖,可能在2012年初取得美國食品及藥物管理局(FDA)許可,它是一個塑膠手機外殼,背面有兩條金屬電極,只要使用者兩手握住電話或將它緊貼胸前,即可記錄心跳節律,並將即時的心電圖資料告知使用者,或傳輸給家人、醫生,警告他們是否有心律不整的狀況。開發這套裝置的生醫工程專家艾伯特(David Albert)說:「它不僅能提供預警,還省下了傳統心電圖儀器的相關花費。」法國Withings公司則開發了同樣能與iPhone相容的血壓計,使用者戴上光滑的白色袖套,30秒內,手機螢幕上即顯示出血壓讀值,讀值不正常時還會出現警告標誌。

  另外由WellDoc醫療保健公司開發的糖尿病管理系統(DiabetesManager),已獲得FDA核准,患者可輸入各種即時數據到手機內,像是血糖值、攝取了多少碳水化合物及服用的糖尿病藥物,軟體在分析所有因子後,會提出如何讓血糖維持在健康範圍內的建議,例如注射胰島素或吃點東西。2011年9月發表的臨床試驗結果顯示,糖尿病管理系統的使用者長期葡萄糖控制明顯較佳。

  這些新系統都是互相獨立的,而且許多仍在開發中。無線通訊健康專家說,它們代表行動健康監測系統的時代已經開始,未來這些系統將合作無間,讓使用者和他們的醫生在各項數據支持下通盤了解健康狀況。斯克里普斯轉化科學研究所所長托波爾(Eric Topol)說:「只要按下電話的一個按鍵,然後說:『我要看現在的生命跡象』即可,這在技術上是可行的。」

  目前開發者最大的障礙是感測技術。傳統偵測血糖的方法需刺穿皮膚,而且沒有人願意走到哪裡身上都貼著電極或穿戴著血壓計袖套,但不久後我們將有更方便的替代品,日本科學家最近就開發了可監測血糖的注射型螢光纖維。托波爾說,未來各式各樣的奈米粒子科技感測器能與智慧型手機連接,提供更可靠的生命跡象監測系統,最吸引人的是,它們還能偵測抗體等疾病標記。舉例來說,感測器可偵測腫瘤標記,然後立刻將警訊送到行動裝置,讓病患可選擇接受預防性化療,杜絕癌細胞侵害的機會。此外,當行動健康監測器變得越簡單,也越能吸引消費者。2010年一項調查顯示,40%的美國人願意每個月付費訂購行動裝置的服務,將他們血壓、血糖或心跳數據傳送給醫生。

  無線生命科學聯盟副總裁桑尼爾(Paul Sonnier)指出,如果健康監測系統能納入遺傳分析,那麼就更容易盡早解決健康問題。例如帶有易罹患糖尿病或癌症基因的病患,可戴著隱藏式感測器,只要體內有任何異常發展,感測器即可送訊號到手機。托波爾說:「你可以在胰島細胞首度遭到攻擊或第一個癌細胞出現前,先裝上嵌入式奈米感測器。」如果行動健康監測系統真的能發揮效果,將是隨時待命的哨兵,在人們還不知道身陷危險前保護他們。

資訊科技
學人腦思考的晶片
類神經電腦將輕鬆解決難倒傳統電腦的所有任務。
撰文╱敏斯(Christopher Mims)

  微晶片架構設計師莫達(Dharmendra S. Modha)的團隊,也許是世上唯一包括了精神科醫師的。此舉並非為了維護工程師的心理健康,而是他的合作對象──由五所大學及IBM五個實驗室所組成的聯盟,正在研發一種模仿神經元運作的微晶片。

  他們稱之為「認知計算」,2011年8月首度發表研究成果:兩顆各由256個人工神經元組成的微晶片。現在這些晶片只能在乒乓遊戲中擊敗對手,或走出簡單的迷宮,然而他們有個野心勃勃的最終目標:把人腦的神經計算功能放進小小的矽晶片中。這個由美國國防高等研究計畫署資助的計畫稱為SyNAPSE,正在研發擁有100億個神經元和100兆個突觸的微處理器,約相當於人的大腦半球的規模,預計體積不超過兩公升,耗電相當於10個100瓦的燈泡。


本文轉載自《科學人雜誌》2012年1月號

發掘天然氣
相較於煤或石油,天然氣是排放二氧化碳較少的一種能源,因此越來越受到各界重視。但是天然氣產於地底深處,我們要如何發現?又如何開採?

撰文╱李名揚



   由於造成全球暖化的二氧化碳排放量與日俱增,2011年12月11日在南非德班舉行的聯合國氣候會議,首次強迫美國、中國、印度等排碳大國未來均須減排。主成份為甲烷(CH4)的天然氣因為含碳比例低於煤和石油,燃燒時排放的二氧化碳較少,因此在再生能源技術尚未完全成熟的現在,天然氣發電成為能源的重要選項。

   石油與天然氣常相伴形成,台灣產油不多,卻開採出不少的天然氣。之所以會以天然氣為主,與千萬年前石油和天然氣生成時的環境條件有關:台灣附近是開闊的海域,沉積物主要是從中國大陸沖到海裡的植物,有機質含量低,這類陸相沉積物主要形成天然氣,只有極少量石油;石油則是封閉淺海裡的藻類和浮游生物沉積到地底的結果,例如現在盛產石油的北非到中東一帶,即是如此。

特殊結構,封存天然氣
   天然氣田必須有能夠儲存天然氣的地層結構,首先要有孔隙率較高的砂岩,讓天然氣可以儲藏在其中;接著,在砂岩層的上面要覆蓋孔隙率低的緻密岩石如頁岩、泥岩或鹽岩,而且這種沉積岩構造要在天然氣形成之前就已經存在,如此才能將天然氣封存起來。儲存油氣的地質構造有背斜構造、斷層封閉、地層封閉等三種,在台灣主要分佈在西部新竹到高雄的平原地區。

   要知道某處地底是否封存有天然氣,首先要知道該處的地底結構是否屬於上述三種構造。最基本的方法是進行地面地質調查,如果某處兩側的地層露頭分別向下傾斜,好似地底有個倒過來的碗狀背斜構造,就有機會封存有天然氣。不過由於土地大量開發,現在已經不容易直接看到地層的露頭。

   因此,探勘人員會以地球物理測勘方法,利用各種先進的儀器,從地表探勘地底的構造,他們會先以精確度較低、但較便宜的方式進行探勘,隨著對地底的地層結構掌握更清楚、研判含有天然氣的可能性夠高,再改用比較精密的方式進一步確認。

   探勘人員起初先在地表以重力計偵測地底產生的重力強度,由於不同岩石的密度不同,可以計算出各種岩層的深度,綜合起來,即可得知地底的地層結構。利用電阻儀和磁力儀則可測量電阻和磁場強度,因為地底岩石成份不同,所含的礦物不同,因而具有不同的電阻,也會產生不同的磁場強度,可以據此推估地層結構。

   但是在地表測量到的數值,不論重力、電阻或磁場強度,都是從地底深處一直到地表的綜合效應,僅能獲得粗略的結果,因此對於可能蘊藏天然氣的地區,探勘人員會進一步進行「反射震測」測勘,即在地面使用「振盪震源車」上的金屬塊撞擊地面產生震波,再在另一處接收,由於不同岩層的界面均會反射震波,只要分析反射波的波形和傳遞的時間,即可推估地質構造。

   反射震測比重力、電阻、磁場強度可靠,但仍然是在地面間接測量的結果。當透過反射震測研判地底可能具有足以容納夠多天然氣的地層結構時,就會投入更多經費鑽井探測。至於多大的結構才叫做「夠大」,以台灣的陸上探勘而言,鑽一口井的成本近新台幣一億元,依成功機率及期望值估計,至少要評估該處地底含有價值超過成本數倍的天然氣,才值得鑽探。

   在鑽井的過程中,會把井下鑽碎的岩石碎屑帶上來,由此得知地底不同深度的岩性;若要更精確了解地層結構及過去的演變,可以取一段岩心進行分析,不過取岩心成本昂貴、減慢鑽井速度且易造成井壁崩塌,所以只會視情況執行。台灣已鑽獲天然氣的砂岩層位於地下900~5700公尺深處,在幾千公尺的鑽井過程中,通常每一口井只會依需要採取數段、共幾十公尺長的岩心,以供研判地層結構之用。

   鑽井之後,探勘人員會垂放精密儀器到井下偵測,稱為「井內測勘」。首先是測量γ射線強度,因為每種礦物都有不同的天然放射性,砂岩天然放出的γ射線強度比頁岩弱,因此只要垂放輻射感應器到井下,偵測不同深度的γ射線強度,就可判別砂岩層及頁岩層的分佈,而得知地底是否具有可以儲存天然氣的地質構造。另一種方式是發出聲波並偵測反射波,利用砂岩和頁岩密度不同、聲波傳送速度不同的特性,來判別地底岩層的分佈。

確認結構中有油氣
   經過這些偵測,可以確認地底是否具有合乎天然氣田條件的地質構造,但這並不表示其中一定有天然氣,萬一這樣的地質構造在天然氣產生之後才形成,那麼天然氣早就逸失了;或是雖然具有可以保存天然氣的結構,卻缺乏植物沉積物,根本沒有天然氣在此生成,也是無用。因此在進行井下偵測的時候,探勘人員還會......


【本文轉載自《科學人雜誌》2012年1月號】


微中子並沒有超光速
超越光速的粒子?物理學家說,其實沒那麼快。

撰文╱卡司塔維奇(Davide Castelvecchi)
翻譯/宋宜真

  如果你漏掉這則新聞,那我來告訴你。2011年9月,有個物理團隊發表了一份報告,表示微中子這種次原子粒子有可能違反愛因斯坦狹義相對論所設定的光速極限。參與「微中子振盪感光追蹤儀」(Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus, OPERA)實驗的研究人員表示,他們從瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究組織(CERN)朝義大利拉奎拉地底的格蘭沙索國家實驗室發射微中子束,根據他們的計算,微中子抵達目的地的時間,比光速還快了60奈秒。

  其他專家對此發出強烈警告,要求確認實驗數據是否精確,尤其先前實驗所獲得的結果是微中子的確遵守光速極限。9月29日,美國波士頓大學的科恩(Andrew Cohen)與格拉肖(Sheldon Glashow)在網路上發表了一篇簡要的論文,計算出微中子只要超過光速,便會放射出速度較慢的粒子,接著便喪失能量,並在後頭留下一道較慢粒子的軌跡,這些粒子則會由地殼吸收。這道軌跡就像是超音速噴射機呼嘯而過之後,在身後留下的音爆。

  不過,在義大利格蘭沙索國家實驗室所偵測到的微中子能量,卻跟剛從CERN發出的微中子差不多,科恩和格拉肖因而對於所測得的速度真實性感到懷疑。科恩解釋道:「當所有粒子具有同樣的最高速度,一個粒子就不可能因為放射出另一個粒子而喪失能量。但倘若這些粒子所擁有的最高速度並不相同,那麼這種情況就有可能發生。」

  這類效應其實並不陌生,當電子以較高速(光速)行進,而光本身則因為通過水或空氣之類的介質而慢下來時,也會出現類似情況。此時電子在該介質中的速度,會比光子在相同介質中所能達到的最高速度還快,電子這時會發射出光子而喪失能量。不同速度極限的粒子之間傳遞能量的現象,稱為之切侖科夫輻射,正是這種效應讓核能電廠的反應爐發射出偏藍的光。

  就微中子的例子而言,根據科恩和格拉肖的計算,微中子的尾波應該主要是由電子與正子這樣的物質和反物質對所組成。更重要的是,由於電子–正子對的產生率,一個超光速微中子從CERN飛行到格蘭沙索時,會損失大部份能量。何況,這些粒子的起始速度可能也不是超光速。

  美國亞利桑那州立大學的理論物理學家克勞斯(Lawrence M. Krauss)說:「這篇論文解答了一切,是一篇非常出色的論文。」所以,最後還是愛因斯坦對囉?既然愛因斯坦的相對論可以取代牛頓物理學,而物理學家自然也會竭盡所能想找愛因斯坦理論的碴。的確,科恩也說:「我們從未停止檢驗自己想法,即便是那些已經根基穩固的理論。」

【本文轉載自《科學人雜誌》2012年1月號】