試閱 1/2

讓人生從此改變的科學思考

〈「降雨機率三○%」是什麼意思?〉

好的,科學講座開始!

一聽到「科學」這兩個字,你說不定會認為「這又不關我的事」。也許求學時期的理科成績就不好,事到如今,也沒有自信與力氣回過頭重讀那些寫滿難懂符號與公式的理化課本,所以你會覺得,科學這種事,交給專家就好了。

然而我們每天都會遇上「從科學角度看待事物」的時刻。早上出門前,很多人應該都會透過網路或電視天氣預報確認「今日降雨機率」,來判斷是否要帶傘吧?假設預報顯示「降雨機率三○%」……

這個數字代表的究竟是什麼意思呢?

天氣預報的天氣圖上都畫著高氣壓與低氣壓吧?氣象機構為了做出預報,會從龐大的資料庫中,找出過去有相同氣壓分布的天氣圖,並計算在這些天氣圖中,共下過幾次雨。假設同樣的天氣圖出現過一百次,其中有三十次下雨,這就是「降雨機率三○%」的涵義。無論是氣象原理還是機率概念,都是典型的科學思考。換句話說,科學概念早已在我們的日常生活中扎下深厚的根基。

和許多人一樣,我是文科出身,以前只要一看到科學的專業書籍,就會嚇得直發抖。然而當我接下NHK《兒童新聞週刊》的主持棒後,就再也不能說這種話了。

在這個節目裡,我曾接到許多有關天氣的觀眾提問,從「降雨機率」的意義,到「氣壓」究竟是什麼,都必須仔細說明。凡是有本國科學家獲頒諾貝爾物理獎或化學獎的時候,也必須以孩子聽得懂的方式,解說最尖端的理論。

包括氣象在內的所有科學知識,我都必須在閱讀專業書籍或聽專家講解後,以自己的方式理解基本原理與機制,並使用較易懂的「比喻」,用自己的話來說明。

像這樣開始試著親近科學後,我再度發現,不只天氣預報等日常生活情境,就連國際情勢,甚至是國家的未來,這各方各面都與科學思維及概念密不可分。

畢竟若沒有物理學的發展,就不會出現左右當今國際情勢的核武;如果不懂生物學,勢必無法理解也許會決定醫界未來的再生醫學;思考「未來三十年內發生機率七○%」的首都直下型地震時,地質學的知識也是不可或缺的。這些重大新聞的背後,正是廣闊的科學世界。

如此看來,科學怎麼可能「不關我的事」呢?

在日常生活中,我們必須充分理解各種媒體所報導的新聞,透過自己的大腦確實領會與思考社會應有的樣貌、國際情勢,甚至是地球的未來。為此,本書將嚴選必要的科學知識,並為大家介紹。


〈「科學」到底是什麼?〉

話說回來,科學到底是什麼?

所謂的「科學」,就是「理論」或「定律」。也許有人馬上就會想到學校曾教過的「萬有引力定律」或「相對論」。雖然我們往往以為理論或定律「百分之百正確」,但事實上,科學理論或定律並非「絕對真理」。

許多電視節目經常以「揭露驚人的事實!」這種方式,把話說得斬釘截鐵,但在自己負責的節目裡,我卻總是要求大家最好別用這種方式表達,因為這樣會讓觀眾誤以為「百分之百正確的絕對真理確實存在」。人類看待事物的觀點並非完美,當然不可能掌握百分之百的正確事實(能做到這一點的,大概只有全知全能的神吧)。

科學也一樣。「真理或許存在。既然如此,至少要盡可能接近。」我認為科學便是運用有限的認知與手段,一點一滴逼近真理的行為。

那麼,科學是如何接近真理的呢?

首先第一步,就從「懷疑」開始。

「大家都認為是A,但這是真的嗎?」

「為什麼會發生這種事呢?」

無論自然科學或社會科學,凡是抱持科學態度的人,都不會對周遭的意見照單全收,而是會懷疑意見的真實性,提出「為什麼?」「怎麼會這樣?」等疑問。

提出疑問後,接下來就是為了解答(回答)問題建立假說,並進行探討。如同字面上的意思,假說是「假設性的說明」,必須經過確認,才能知道它是否正確;換句話說,假說要成立,就必須「驗證」。

驗證的方法很多,最簡單明確的就是實驗。如果實驗結果證明了假說的真實性,應該就能判斷這個假說是「較接近」真理的說明;當然,實驗也可能得出與假說不同的結果。

如果沒辦法得到符合假說的實驗結果,就必須對假說進行修正,並且再度驗證修正後的假說是否正確。就像這樣,再三反覆進行假說修正與驗證,想辦法盡可能接近真理的過程,就是科學。

〈燃料電池為何受到矚目?〉

隨著化學相關研究與日俱進,人類也開始應用其成果,製造出各式各樣的人造物質:塑膠袋、寶特瓶、尼龍、電池⋯⋯如果沒有化學的恩賜,我們的日常生活就無法順利運作。

地球上自然存在的元素有九十二種,除此之外還有二十幾種人工合成的元素。就算把所有元素都加起來,地球上發現的元素也不到一二○種,然而若將這些元素以化學方式結合在一起,就能創造出數千萬種物質,這也算是一種類似煉金術的概念吧!人類雖然做不出人造黃金,但還是可以不斷創造出新物質,我們也在幾乎數不清的化學物質陪伴下生活。

元素可以組合成新的物質,物質也可以反過來分解成為元素。舉例來說,水是氫與氧形成的化合物,在國高中的理化課中,大家應該也都做過將水電解成氫與氧的實驗吧?

那麼,如果將分解過程逆轉的話,會發生什麼事呢?這裡所謂的「逆轉」,就是使氫與氧產生化學反應並生成水,而此時與水一起生成的還有電。近年來的熱門話題「燃料電池」,就是利用這個原理製造出來的裝置。

一般的電池是將電貯存起來使用,但燃料電池與一般電池不同,其原理是從氫與氧的反應中得到電,所以應該將它當成一種小型的發電裝置來看。

燃料電池為什麼會受到矚目呢?

「環保」是一般的解釋。燃料電池的產物只有電與水,不會排放二氧化碳,使得燃料電池被視為對抗全球暖化的王牌,因此飽受期待。關於全球暖化的問題,第六堂課會再提到。

此外,地球上有大量的氫。宇宙最早生成的元素是氫,接著是氦,如果運用得當,不就能從自然界當中取得無限的能源,而且也不必害怕核電廠可能發生的危險了嗎?由此可知,燃料電池被視為一種乾淨的能源,並備受期待。


〈邁向氫社會的課題〉

使用氫能源的燃料電池,也可以應用在家庭中。各家戶以類似室外機的方式安裝燃料電池,使用它所生成的電力。除了家庭用電,無論是燃料電池車,甚至是各種產業,都可以考慮活用氫能源。

「以氫能源為中心的社會」—這就是「氫社會」這個名詞所代表的意義。

不過,為了實現氫社會,還有許多問題必須克服。其中最大的問題就是「該如何生產氫」。

地球上的氫並非單獨存在,而是以水、植物、化石燃料等化合物形式呈現。

那麼該如何從這些化合物當中提取氫呢?

雖然電解水可以將氫提取出來,但電解需要用到電,這些電又該從哪裡取得呢?如果電解使用的電是由火力發電廠產生,就必須為了發電而排放二氧化碳,是一種捨本逐末的行為。

或者也可以從石油與天然氣等化石燃料(碳氫化合物)中取出氫,但如此一來,石化燃料中的碳就會與空氣中的氧結合,同樣會排放二氧化碳。

目前認為最有可能的方式,是從化學工廠與石油化學工廠中,蒐集生產過程所產生的氫。這些多餘的氫是副產品,原本就需要處理,因此可說是一舉兩得。現在採用的方式,是將氫經過高壓冷卻處理後,以液態方式來運送,不過也開發出從化學工業區鋪設管線,透過管線將氫運出的方法。

另外還有一個方法,是使用太陽能與風力等自然能源進行電解。

過去即便使用可再生能源發電,也很難以電池的形式貯存,搬運到遙遠的地方;就算能夠貯存,多半也因為貯存效率不佳而導致自然放電。如果使用這些多餘的電力將水分解,單純只儲存分解後的氫,就能在任何需要的時候發電,同時也能搬運到其他地方。這項技術要是真的能夠實現,可說是劃時代的創舉。

此外,地球中存在最多氫的地方,其實就是大海,如果能找出由海水提煉氫的方法,想必能擁有無窮無盡的能源。


〈基因改造作物有危險嗎?〉

科學家解讀了包含人類在內、各種動植物所擁有的基因後,接下來,他們開始想透過實際的基因改造,為人類帶來助益。而「基因改造作物」就是他們的嘗試之一。

仔細想想,長期以來,人類一直都在進行品種改良,譬如利用不同品種的交配,培育出在寒冷地區也能種植的稻米,或不容易受病害侵襲的蔬菜。因此就結果來看,品種改良與基因改造並沒有什麼不同。

不過品種改良屬於自然配對,因此有成功的時候,也有失敗的可能。既然要花那麼多時間摸索,不如以人工方式製造出新的基因,還來得更有效率。這就是生物科技的概念。

在這個概念下創造出來的就是基因改造作物。

譬如透過基因改造,製造出對除草劑具有強烈抗藥性的玉米。過去如果噴灑大量除草劑,不只雜草,就連玉米也會枯萎,但如果能改造玉米的基因,讓它對除草劑具備強烈抵抗力,就能以飛機噴灑大量除草劑,消滅所有的雜草,卻不傷害玉米的生長。

除了抗除草劑玉米之外,科學家也開始大量製造其他各種不同的基因改造作物,例如更美味的品種、能結出大量果實的品種等。此外,基因改造的玉米與大豆,也開始進口到世界各地。

不過基因改造食品在許多國家的風評並不太好,想必有不少人都對基因改造作物心懷抗拒吧?

我曾向東京工業大學的老師請教:「如果吃下了基因改造的大豆,會發生什麼事呢?」

他給我的回答是:「大豆不管有沒有經過基因改造,都是蛋白質,進入體內後,都會被分解成胺基酸,然後再一次構成新的蛋白質,所以不應該會造成危害。」

但另一方面,基因改造的食物在分解後,也可能會製造出未知的蛋白質,成為過敏的原因。如果吃下去的基因改造蛋白質立刻被腸胃消化、分解成胺基酸,也許不會造成任何問題;但要是沒有經過充分分解就進入血液中,說不定會使一部分人產生過敏反應。

事實上,自然界的物質常常引發過敏反應,但我們可以透過過敏原檢測,得知什麼東西會造成過敏;然而如果是未知的蛋白質,就無法事先預防。有些人基於這樣的風險反對基因改造,他們認為,至少要讓消費者有足夠的資訊判斷,自己吃的是不是基因改造食品。

聽到了這樣的呼聲,使用非基因改造原料的食品開始確實地標示出這一點。


〈全球暖化的災害〉

那麼,全球暖化如果繼續發展下去,會產生哪些災害呢?

就東北亞地區而言,或許會有瘧疾流行的危險。瘧疾屬於重大傳染病,媒介是瘧蚊。因為目前氣溫的關係,這種蚊子只能生存在亞熱帶和熱帶地區;但如果氣溫因暖化上升,瘧蚊也可能會逐漸往北遷徙。如此一來,就會產生瘧疾大規模傳染的危險性。

除了瘧疾之外,海平面上升也是嚴重的問題。有一點必須事先說明,以免造成誤解:北極的冰即使因溫度升高而融化,海平面也不會上升。由於北極沒有大陸,冰都浮在北極海上,所以融化對海平面高度沒有影響。就像冰水的冰塊融化,杯中的水面高度也不會改變一樣。至於南極大陸與西伯利亞等地的冰層位在陸地上,因此融化流入海裡後,當然會使海水量增加,造成海平面上升。

但造成海平面上升的最主要原因,並非陸地冰層融化,而是暖化造成的海水溫度升高。海水的體積因溫度升高而膨脹,海平面便因此上升。

南太平洋索羅門群島的泰羅島上,已有大約一千位居民因海平面上升、島嶼受到海水侵蝕,而決定移居其他島;除此之外,還有許多島嶼因此有淹沒之虞,譬如吐瓦魯島與吉里巴斯。未來將有許多南太平洋的島民,被迫離開居住地。

目前索羅門群島的居民暫時搬遷到其他島嶼,但如果其他島嶼無法收留時該怎麼辦呢?我想,將來或許也會出現這種情況,到時候大概只能移民澳洲了吧!但澳洲即使只是收容一般難民,就已經民眾造成反彈,未來真的有辦法收容大批環境難民嗎?


〈勾勾手,簽下《巴黎協議》〉

接著到了一九八八年,聯合國在世界各國專家的協助下,以調查氣候變遷為目的,成立了名為「政府間氣候變遷小組(IPCC : Intergovernmental Panel on Climate Change)」的組織。其中的「小組」指的是「小組討論」的小組,帶有「所有參加者」的意思。

接著到了一九九二年,聯合國也擬定公約,名為《聯合國氣候變遷綱要公約》,開始採取對策。聯合國使用的詞彙是「氣候變遷」,而非「全球暖化」。締結這份公約的一九五個國家與地區,每年都會召開會議,稱為「締約國會議(COP : Conference of the Parties)」。

第三屆會議(COP 3)於一九九七年在京都召開。會議中訂出目標—將大氣中的溫室氣體含量穩定在一個適當的水準,規定三十六個工業國家在二○一二年前,要減少六種溫室氣體的總排放量,並低於一九九○年排放量的九五%以下。這就是《京都議定書》的內容。

極力促成這份協定的,是當時柯林頓政權的副總統高爾,正因為有他促成,《京都議定書》才得以簽署。後來高爾在美國總統大選中落敗,由小布希勝選。他收取了石油產業的高額政治獻金,站在重商的角度質疑「全球暖化」的相關科學證據,並認為這麼做將損害美國的經濟,於是退出了《京都議定書》。

然而受《京都議定書》目標規範的,只有部分先進國家,發展中國家並未參與,美國也已退出。這些規定了減排目標的國家,其二氧化碳排放量加起來,只占了全球的四分之一左右;而且光是美國與中國的排放量,就占了全球的四成。

這樣的話,《京都議定書》不就沒什麼實際作用了嗎?不過,二○一四年,在祕魯首都利馬召開的第二十屆會議(COP 20)讓事態終於有了改變。無論是先進國家還是開發中國家,都在這場會議中達成共識,根據所有國家共通的規則,訂出溫室氣體的減排目標。

就這樣,世界各國在二○一五年十一月底於巴黎召開的第二十一屆會議(COP 21)中約定,以工業革命前(約一七五○年)的全球均溫為標準,氣溫升幅要控制在攝氏兩度以內,並以一.五度以內為努力目標。這就是《巴黎協議》。

為什麼在京都簽訂的是「議定書」,而在巴黎簽訂的就叫做「協議」呢?

這其實是為了配合美國的需要。

「議定書」屬於國際條約,就美國的情況而言,即使總統同意,也必須經過國會批准才能生效。但當時美國國會無論是參議院還是眾議院,都由共和黨占多數(注:共和黨的能源政策反映的是依賴化石能源推動經濟成長的觀念,認為執行嚴格的環境政策會傷害經濟發展,環保設施的興建也會耗損經濟資源),所以《京都議定書》並未獲得美國承認。但另一方面,如果是「協議」,就不需要國會批准。

換句話說,巴黎「協議」因為考量到美國的國內情勢,所以才稱為「協議」。

再回到前面提到的IPCC,這個組織至今為止已發表了五次正式評估報告,說明溫室氣體增加,將對地球環境產生多大的影響。

最新的報告中提出警告,如果全球不對暖化問題採取任何對策,到了二一○○年,地球的平均氣溫最多將升高四.八度。反之,如果竭盡所能、在相關對策上盡最大努力,則有可能將溫度升幅控制在○.三度到一.七度。

前面已經提過,地球的平均氣溫自產業革命以來持續上升,《巴黎協議》採納了IPCC「必須將溫度升幅控制在兩度以內」的建議,並以此為目標制定規則。世界各國也終於能齊心協力共同面對暖化問題。

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