《秋季展望》探索宇宙起源 物理的新使命
 

記者孟祥傑/台北報導


100多年前,物理與生命科學各行其道,如今兩個領域已緊密結合;生命科學研究需要大量物理知識與計算,宇宙演化及外星生命研究,也要援引生命科學基礎,兩個領域在新世紀將共同激發更多科學的火花。
由國科會與聯合報、公共電視、科學人雜誌、中廣公司、News98合辦、中央大學理學院科學教育中心承辦的「2005展望演講秋季系列—物理光耀世界,紀念1905物理奇蹟年的100周年(Ⅱ)」,第三場由中央大學物理系教授李弘謙主講「物理與起源」。

李 弘謙說,19世紀中葉前,世界上只有宗教觀,沒有科學觀,哲學就是唯一的科學;達爾文25歲時搭船到新大陸,研究5年後發現,有些鳥與舊大陸的鳥形態極為 類似,但又不太一樣,開始懷疑原本相同的物種,在不同環境中會衍生出另一物種,但因達爾文是虔誠的天主教徒,深信生命是上帝創造的,所以拖了20年才發表 論文。

當時達爾文認為,所有物種是由一個或一小群共同祖先,經由「天擇」慢慢演化而來;雖然達爾文也在書裡詳述社會上不同的意見,但仍引發社會極大爭議,直到今日,仍有許多人反對達爾文的觀點。

生命演化 受制於物理定律

在1926 年首創量子力學的薛定格,在1944年寫下「生命是什麼?」一書,大膽預言數碼化的遺傳機制;英國科學家華生與克立克在1953年,依據1張X光照片,連 夜做出DNA模型,不僅開啟生命科學研究,還獲得諾貝爾獎,後人更依據兩人研究,逐步確認DNA就是數碼化遺傳機制,證實了薛定格的假設。

李弘謙表示,早期生命科學與物理領域,幾乎沒有重疊之處,但現今生科研究也需蒐集大量數據資料,用數學物理方法分析,並用理論與模型反覆驗證同一批數據,亦即生命的起源與演化,也受制於物理定律,且愈早期的生命愈簡單,也愈容易用基本物理原理加以探索。

李弘謙還說,每個物種各有獨特的基因圖譜,人類基因圖譜在21世紀初完成測序,並證實是在23對染色體上,每個人的演化歷史和生長藍圖,就寫在每個人的基因圖譜上;人類基因圖譜是由4大鹼基組合成數億個字母的巨大資料,若未結合物理分析,不可能完成測序。

每個物種從胚胎到成年,都會把演化過程重走一遍;李弘謙說,最有趣的現象是,不同物種的胚胎,像魚、龜、豬、雞、牛、兔、人等,在最早期時長得極為相近,後來卻會分別長成完全不同模樣,顯示每個物種的基因圖譜裡,有極為不同的演化痕跡。

相對論 讓生科與物理結合

李 弘謙認為,在達爾文1859年發表「物種演化」前,生命只是哲學問題,並非科學問題,達爾文首度將生命起源問題帶進科學範疇,但僅限於地球上的生命;人類 直到愛因斯坦於1905年發表狹義相對論後,才開始思考宇宙起源與演化問題,生命科學與物理也才逐漸結合,並不斷出現爆發性的發展。

李弘 謙進一步指出,在20世紀前,宇宙被認為是靜態的,沒有人想到宇宙也有起源與演化過程,直到愛因斯坦發表狹義相對論,賦予宇宙是動態的觀點後,科學界才陸 續提出宇宙動態觀理論,像勒梅特1927年的「大霹靂假設」、哈伯1929年的「宇宙在膨脹」及1960 年代陸續發表的宇宙溫度、脈衝星、類星體、黑洞等,都說明了宇宙在演化。

李弘謙說,物理學是不受時空限制的科學,宇宙間最大的物件—宇宙 本身、宇宙間最小物質—蛋白質,都是物理的研究對象,兩者尺度相差了10的35次方;宇宙中最古老的事件,即137億年前的宇宙大霹靂及存活時間僅十億億 萬之一秒的基本粒子,也都是物理研究範疇,顯示物理的研究對象無所不包。

而目前物理最重要的研究,就是宇宙的起源與演化及尋找外星生命,李弘謙說,若沒有生命科學的基礎,即使發現外星生命,也無法進一步證實,所以在新世紀的科學發展中,生命科學與物理必須更緊密結合,才能開創出更多令人驚異的科學成就。