科學是文明的DNA
在大眾的心中對於科學往往會有著一種謎樣的矛盾:一方面有一種本能驅使的好奇心存在著,極度冀望能夠瞭解科學驅使的文明世界;另一方面又會因為過往經驗裡的挫折感,因而覺得科學是難以理解和接近的「數理世界」。回顧過去的歷史可以發現,人類社會不斷地透過觀察自然環境、理解自然現象,例如星象、氣候、季節、生物的生長繁殖或是物候等科學活動的本體, 來保障生活平順、預期未來,盡可能地趨吉避凶,這便是生物所演化出來尋求生存最佳化的本能。隨著時代的邁進,人們除了累積環境的觀察與歸納自然秩序之外,還發展出了透過科學來改善生活條件、創造便利的工具和設施,於是文明出現快速的躍升(手機與網路都是最新的文明躍進展現)。扼要地說,科學就是文明的DNA,沒有科學就不會有人類文明!那麼作為一個科學家,又要如何協助大眾解開這種對於科學的矛盾心情呢?
其實,這種矛盾心結的來由經過剖析是很容易可以理解的。打個比方來說,數學、物理和化學可算是建立科學第一層次的烈性剛強三兄弟,大哥是數學,而後面跟著的物理和化學是孿生兄弟;三個兄弟彼此合作、互相支援,就構成了科學的基本內涵。科學第二層次則是由兩個溫柔婉約的連體孿生姐妹來主持, 一個是地球科學、另一個是生物科學(比較新穎的說法是生命科學),而讓她們連體的就是生態學,這是一門理解生命世界和非生命世界兩者間互動的學科。雖然「數、理、化」三兄弟的剛烈讓人比較難接受,但他們為科學所打造的地基卻是創造人類文明最關鍵的基礎工程;不論是地球科學或生物科學的知識都需要透過三兄弟打下的根基,才能夠去嘗試分析、探究與理解。再換個角度,若把事情顛倒過來看的話,「生物、地科」連體姐妹所著墨的課題,都是屬於透過系統內的成員(包括化學分子、原子,甚至是次原子的電子等)相互作用才會產生的新特質,和原先各成員單獨具有的特性均不一樣,是比較綜合性、全面性且複雜的,也就更加難以捉摸和預測了。這樣的特質就有如在地下找尋湧出地下水的泉口一般難以預測與掌握,因此被稱為湧現性質(emergent properties)。也正是因為這樣的特性,難怪生物、地科常被解讀為囉唆、冗長、難以記住……等。
舉個實際例子來說明湧現性質。在天氣預報上,颱風和降雨都是很難精準預測的;而在生物學上,幹細胞的發育運作也是相當不容易掌握的。兩者不但都需要透過無數次的觀察或實驗來獲得數據,還需要廣泛地採用統計學方式來進行描述和分析,而且最終獲得的結果還都只是表示一個事件發生的機率值而已呢!
儘管科學世界各學門之間盤根錯節、層層遞進,讓大眾往往會望其卻步,但科學的重要性是無庸置疑的。它雖然是推動著文明向前的極大動力,但也極有可能是一把雙面刃。只有從層次上去理解科學的本質,再加上熟悉文明和科學的關聯,才是消除大眾矛盾心結的不二法門!讓大眾接受科學、理解科學,甚至願意從事科學,推展出一個有反省、有前瞻的文明,並同時避免自我毀滅的厄運降臨,是現今社會非常重要的課題。
有鑑於此, 第25期臺大科學教育發展中心的探索基礎科學系列講座特別規劃了「妙趣痕聲——聲彩繽紛的STEAM」這個主題,介紹聲學(acoustics)這一門研究聲波的傳播原理與應用、既古老又新穎的學問。聲波是藉由介質(medium)的彈性(elasticity)來傳遞動能所形成的一種波動,是日常生活當中最普遍接觸到的物理現象。不過聲學的運用卻是無遠弗屆地,從樂器的發聲、音樂的錄製、認知心理和行為,到海洋探測、地震預警、醫用超音波(聲波與光波的轉換) 都與其息息相關。此外, 多種動物為溝通所發出的聲波(或超音波)以及應對聲響的行為反應,不僅是人類行為最佳的自我投射,也是驅使我們探究原始自然界的好奇心的初衷,更是模仿生物來創新發明的泉源。無疑的,本書絕對是「妙趣痕聲」!
最後,「妙趣痕聲」是我擔任臺大科學教育發展中心主任之後,第一個「原創」的探索系列講座題目。這不僅是因為我小學時參加過合唱團,也是大學就讀動物系時接觸青蛙叫聲所留下的印痕至今依然難以忘懷的結果。能夠讓時光倒流,再度享受昔日對聲音感到愉悅的經驗, 最應該感謝的便是本期探索系列講座的三位顧問教授——李百祺、劉雅瑄、蔡振家,以及貢獻本書各章節的講師們。唯一遺憾的是,講師李琳山院士(講題為「芝麻開門:語言的聲音開啟人類文明的無限空間」)因故而無法參與出版,在此一併致謝。
臺大科學教育發展中心主任
于宏燦