《科學月刊Science Monthly》2017-10月號 574期 音樂心理

574 2017 / 10

墜下 鍬形蟲從高樓 會不會受傷？

音樂心理

探索大腦 藉由音樂 人類情感 深入了解 本質 與思考的

紅外線 自 如何協 動相機 助 生 態 研究？

火山 臺灣大屯 漿庫？ 岩 是否存有 NT180 ISSN:0250-331X

10

9 770 250 331 001

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574 Contents

756 人類協調互動之謎

認知科學家 如何用音樂做研究 張詠沂（Andrew Chang）

764 英國音樂治療教育與實務

研究與實踐的 現況與展望 王俐晴

754

音樂 心理

2017 / October

770 在歐洲研究音樂與大腦

音樂家 肌肉張力不全 鄭蓓欣

776 藝術與科學跨領域研究

臺大音樂認知心理學教授 蔡振家專訪 文詠萱

Vol.48 No. 10

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9:36 am

9:52 am

10:03 am

10:11 am

10:16 am

10:19 am

10:21 am

10:26 am

10:37 am

10:46 am

11:13 am

11:30 am

日食過程隨着時間太陽的變化，日全食發生在 10:19 am 到 10:21 am 之間。

令人屏息凝神— 奧勒岡州 美德拉斯鎮

2017 年 8 月 21 日的日全食，從西北岸的 奥勒岡到東南方的南卡羅來納，共通過全美 14 州。

724

SCIENCE MONTHLY 2017.10

日全食發生時雖然是上午 10:19 am，但四周景致像是到了晚上。

圖 ． 文 ｜ 崔倫、劉珍 今年 8 月 21 日發生在美國本土的日全食，從西岸的奧勒岡州橫跨到東岸的南卡羅來納州。 我們有幸在全美觀望日全食最好的地點之一，奧勒岡州的美德拉斯（Madras）親眼目睹了這 難得的景象。在這裡，整個日食的過程超過兩個半小時，從當地時間 9:06

am 月球出現在太 陽的右上角開始，到 11:41 am 完全結束。高潮的日全食發生在 10:19 am 到 10:21 am 之間 共 2 分 2 秒，在這兩個多小時的時間裡我們經歷了非常大的光線和氣溫變化。原本萬里無雲

的天空開始漸漸變暗，氣溫愈來愈低。在月球完全遮住太陽的兩分鐘，太陽只剩柔和的一圈 銀環，旁邊金星浮現，感覺上已經入夜。四周除了觀望者的讚歎聲，瞬時安靜了下來。當全 食結束，剎時光明再現，太陽的威力即使只露出百分之一，也能讓周圍景致完全明亮起來。 之後氣溫逐漸上升，地球又回復到原有的規律。

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725

非關

科學

再見「迪皮」， 歡迎「希望」

英國倫敦自然史博物館（Natural

726

History

同的文化記憶。英國民眾甚至為它取了

Museum）著名的梁龍全身骨架模型，長

個暱稱叫「迪皮（Dippy，來自梁龍的學

久以來佇立在正門大廳迎接遊客，早已

名 Diplodocus）」。 隨 著 博 物 館 展 場 最

成為博物館標誌性的象徵。這副梁龍化

近一波大規模整修，陪伴倫敦居民超過

石的複製品，是美國企業家「鋼鐵大王」

一世紀的迪皮終於功成身退，於 2017 年

黃相輔 倫敦大學學院科學史博士，現任中央

卡內基捐贈的禮物，在 1905 年揭幕，如

初向大家告別，踏上巡迴全英展示的「退

研究院近代史研究所博士後研究人員。

今已超過百年的歲月，成為倫敦居民共

休之旅」。

SCIENCE MONTHLY 2017.10

非關

科學

翅鯨等大型鯨類，由於體型龐大加上游 泳迅速，獵捕上相當困難，它們的生存 在早期還未受人類威脅。直到 19 世紀 後期，蒸汽動力輪船、魚叉等新科技引 入捕鯨業，情勢才大幅改觀。據估計，

1800 年時全世界還有 25 萬條藍鯨，在 商業捕鯨急速擴張不到百年後，1966 年 時藍鯨的數量僅剩下約 400 條，瀕臨絕 種的情況十分嚴峻。1970 年代起，世界 各國開始推動保育與禁制商業捕鯨；到 目前為止的保育努力小有成就，藍鯨的 數量已回復到約 2 萬條。 新展示的藍鯨骨架代表了這段歷史的縮 影，也象徵人類改變環境、塑造地球未來 的能力。館方將它命名為「希望（Hope）」， 向大眾傳達了強烈的期許。博物館館長 狄克森爵士（Sir Michael Dixon）表示： 「我 們活在關鍵的時刻，這個世代所作的決 定將會為世界帶來前所未有的衝擊……， 塑造一個永續的未來，就在人類彈指一 念之間。」 除了教育意義外，藍鯨也有科學上獨特 的魅力──它們是地球上最大的動物，在 海洋生態系扮演重要角色，也代表一樁 生物演化歷程中精采的案例。4 千多萬 年前，早已移居陸地的哺乳動物竟重蹈 老祖宗的足跡，回歸海洋，重新適應了 水中的生活，成為我們今日所見的鯨魚。 在 1859 年的初版《物種起源》中，達爾 文推測鯨魚是「從熊演化來的」，因為他 曾聽說黑熊會在河裡游泳捉魚。達爾文 大膽假設的方向有幾分正確，雖然他弄 （黃相輔攝影）

錯細節了，而且當時也沒什麼證據。如 果達爾文身後有靈，相信他看到騰空躍

新的展場已經在 2017 年 7 月開放。接

身骨頭來收藏。修復好的藍鯨骨架，原

替迪皮成為迎賓焦點的龐然大物，是一

本陳列在館內其中一個展示廳，這次的

條藍鯨的全身骨架。這條藍鯨有個悲慘

大翻修工程，館方便決定將它移到正廳

的故事：它是一條成年的雌鯨，於 1891

取代迪皮，成為自然史博物館在新世紀

年在愛爾蘭海岸擱淺。當地漁民宰殺這

的象徵。

條擱淺的雌鯨，發了筆橫財。當時甫成

人類獵捕鯨魚作為食用或其他經濟用途

立剛滿十年的自然史博物館，買下了全

有長久的歷史。然而藍鯨、長鬚鯨與大

入人海的「希望」，也會會心一笑。

延伸閱讀

1. Museum unveils 'Hope' the blue whale skeleton, The Natural History Museum official website, 2017/7/13.

2. Diplodocus: this is your life, The Natural History Museum official website, 2016/1/1.

3. 張鈞翔等人，〈古鯨奇觀─一場重返海洋的演化歷 程〉，《科學發展》第 505 期第 42-46 頁，2015 年。

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727

非關

科學

科學雙凹盤

潛藏在 紅血球中的 微小差異 李依庭

喜愛各種 冷門知識，

對不完美情有獨鍾，本刊編輯。

由臺北市所主辦的第二十九屆夏季世界 大學運動會（XXIX Summer Universiade）

（Shutterstock）

已精彩落幕，期間除了守在電視機前搖 旗吶喊或熱血的應援團前往賽事場地為 國手們加油外，各項賽事的張力更是讓 人時而屏息觀戰、時而血脈賁張。隨著選 手的亮眼表現、優異的成績，也讓這股世 大運旋風感染周遭的每個人。除了賽場上

有趣的是，此血型在高加索人種中是十 分罕見的（0.012 ％），而在東亞人種則

數龐大的血型系統。而最主要的抗原有 4

依地區有不同的機率（2~6 ％）。然而在

種，分別為 M、N、S、s，與 MN 有關的

這次世大運意外受到矚目的原住民族群

醣蛋白稱為血型醣蛋白 A（glycophorins

裡，米田堡血型的發生率則相對的高，

subtype III），也意外地引起了討論。

A, GPA），與 Ss 有關的稱為血型醣蛋白 B（glycophorins B, GPB）， 而 米 田 堡 血

阿美族為 88.4 ％、達悟族為 34.3 ％、卑

血型，是對血液的分類，主要針對紅血

型，則屬於此系統的一種亞型。

球表面的某些抗原進行分類，而這些抗

米田堡血型的抗原，是由血型醣蛋白 A

尚未對米田堡血型與無氧呼吸進行相關

與血型醣蛋白 B 混合成的一種雜交蛋白

的研究，因此並無法把在運動項目中需

（hybrid

protein），從此蛋白的結構上 分析，科學家推論可能由 GYPA 基因與 GYPB 基因在同源基因重組事件中，演變 出的單一基因（GYP.B-A-B）所轉譯出的

倚重爆發力、世大運中表現突出的短跑、

醣蛋白。

絕對的優勢。除了先天的生理條件外，

的君子之爭，場下選手們的特殊血型系 統——米田堡血型（Miltenberger antigen

原主要是來自於同一基因上不同等位基 因的產物進行區隔，這些產物可以是蛋 白、醣蛋白或醣類等，構成一種特定的 血型系統。目前，科學家所發現的血型 系統中，已被國際輸血協會承認的系統 多達 30 種，其中在醫療上最常被使用的 為 ABO 血型系統，Rh 型血型系統則次之。

ABO 血型系統，除了是最常使用的分類 外，也是第一個被發現的系統，1900 年 由維也納大學病理研究所的蘭德施泰納 （Karl

Landsteiner）所 發 現， 之 後 也 陸

續與其他科學家共同發現更多種血型系 統，像是 Rh 血型系統、MNS 血型系統， 並於 1930 年獲得諾貝爾生醫獎的殊榮。

728

科學家所找到的抗原多達 40 種以上，有 許多不同的亞型與變異型，形成一個為

不過目前的研究僅在有氧呼吸下進行，

研究發現，米田堡血型的紅血球表面相 較於對照組而言，含有更多的 Band 白。Band

3蛋

3 蛋白是一種運輸蛋白，主要

負責紅血球上碳酸氫鹽（HCO3-）與氯離 子（Cl-）進出的通道，且控制二氧化碳的 代謝效率。研究更找了 188 名受試者進 行運動後二氧化碳的代謝試驗，發現米 田堡血型的受試者能更快速的將體內的

而 1927 年由蘭德施泰納與列文（Philip

二氧化碳排出，代表此血型的人應會有

Levine）所發現的 MNS 血型系統，目前

較良好的呼吸代謝與耐力。

SCIENCE MONTHLY 2017.10

南族為 21.2％。

舉重等選手們畫上等號。儘管對米田堡 血型的人而言，在生理上可能擁有較佳 的呼吸代謝，不過並不代表選手們具有 更重要的是努力不懈的精神與持之以恆 的毅力，才是邁向獲勝的唯一機會。 延伸閱讀

1. Broadberry R.E. and Lin M, The distribution of the MiIII (Gp.Mur) phenotype among the population of Taiwan, Transfus Med, Vol. 6(2): 145-148, 1996.

2. Hsu K et al., Miltenberger blood group antigen type III (Mi.III) enhances the expression of band 3, Blood, Vol. 114(9): 1919-1928, 2009.

3. Hsu K et al., Expedited CO2 respiration in people with Miltenberger erythrocyte phenotype GP.Mur, Sci Rep, Vol. 5:10327, 2015.

非關

科學

變得相當安定，在論文中研究人員提到： 「白噪音能幫助嬰兒睡眠，但僅限肚子 不餓的嬰兒。」 而根據 Söderlund 等人的研究表示，白 噪音能調節腦內多巴胺，並證實白噪音 能用以協助注意力不足過動症（ADHD）

科學噪音

者控制病情；另外，有研究顯示白噪音

能幫助睡眠的噪音？ 文詠萱

能有效地增強不同腦區的連接性，增強 記憶力。

本刊主編。

還有相當多對於白噪音與人體影響的相 關研究，而目前尚未有研究證實白噪音

（Shutterstock）

你是否有因為馬路車流、工地施工等環

觀察這兩組新生兒在 5 分鐘內入睡的狀

境 噪 音， 打 擾 到 夜 間 睡 眠 品 質 的 經 驗

況（入睡的定義為新生兒閉上眼睛以及

呢？也許白噪音（white noise，白雜訊）

心跳穩定）。結果發現，暴露在白噪音下

可以幫助你！

的新生兒，有 16 位在五分鐘內熟睡，而

你可能聽過有些人表示，若沒有聽著電 風扇運轉的聲音，他們沒有辦法入睡， 這是因為電風扇發出的噪音與白噪音 （white

noise，白雜訊）相近，而由於

白噪音能屏蔽影響睡眠的噪音，因此許 多人認為他能夠幫助睡眠，增加睡眠品 質。另外相近的聲音還有電視故障發出 的聲音（電視故障聲音較刺耳是因為其含

對人體是否有害，也許今晚您就能試試 看聽著白噪音入眠，看看是否真的能幫 助提升睡眠品質，但請注意音量，過量 將會影響聽力。

沒有暴露在白噪音環境下的新生兒，則

延伸閱讀

僅有 5 位在五分鐘內自發性地睡著，因

1. Spencer J. A. et al., White noise and sleep induction, Arch Dis Child, 1990.

2. Rausch, V. H., Bauch, E. M., and Bunzeck, N.. White noise improves learning by modulating activity in dopaminergic mid brain regions and right superior temporal sulcus, J. Cogn. Neurosci, 2014.

3. Söderlund, G. B. W., Sikström, S., and Smart, A., Listen to the noise: noise is beneficial for cognitive performance in ADHD, J, Child Psychol. Psychiatry, Vol. 48, 840-847, 2007.

此推論白噪音對於穩定新生兒有一定的 幫助。而這項研究論文中提到一則相當 有趣的事，在實驗中，兩組新生兒皆有 一位在實驗的五分鐘後仍哭鬧不止，研 究人員與母親發現哭鬧的原因為嬰兒肚 子餓了，而在餵食完新生兒後，他們就

較多高頻率的聲音），而大自然中類似的 聲音包含雨聲、海浪聲等。在科學上，白

0

噪音起源於數學與工程學，今日常應用

-5

於聲學、電子學等，其訊號在每一個頻 段上的功率相等，也就是說在同一段聲

-10

之所以被稱為白噪音，是因為白光是由

-15

強度

音中，每一個頻率的功率都是均勻的。

各種頻率（顏色）的光組成，因此在頻譜 性質上被稱為「白色的」，另外，因頻譜 特性不同，還有粉紅雜訊、灰雜訊等等。

1990 年，Spencer 等人想了解白噪音是 否能幫助新生兒睡眠，因此在新生兒母 親的同意下，找了 40 位剛出生 2~7 天 的新生兒，並平分為兩組，研究人員將 能發出白噪音的儀器放在實驗組 20 位新 生兒的頭部旁邊、距離新生兒 12~20 吋

白噪音

︵

︶ dB

-20 -25 -30 -35 -40

100

10000

頻率（Hz）

（約 30~50 公分），另外 20 位新生兒則 放置在沒有白噪音的環境下，研究人員

1000

白噪音頻譜。（wikipedia）

Vol.48 No. 10

729

NEWS FOCUS

聽快樂的音樂可以增加創造力

制組則安排在寂靜的環境。研究人員請 他們在播放音樂後，進行創造力測試。 若對問題提出多項、有用的解決方案的 受試者則會增加其創造力擴散性創造力 （divergent

creativity）的 分 數； 若 是

提出單一最佳解的受試者，則增加聚斂 性 創 造 力（convergent

creativity）的 分

數。結果發現，聽快樂歌曲的受試者擴 散性創造力分數比在寂靜環境下受試者 要高。研究人員表示，根據實驗結果， （Pixabay）

創意、創造力是人類的複雜行為之一，

荷蘭奈梅亨大學（Radboud

University）

科學家研究如何增加創造力的方法已有

研究人員為了了解音樂對人類創造力的

相當長的歷史，而也有許多針對音樂是

影響，他們找來 155 位受試者、平均年

如何影響人類認知的研究，但對於音樂

齡為 22 歲，將他們分組，實驗組分別

是如何增加人類創造力的影響相當少。

聽快樂、悲傷、冷靜、焦慮的音樂，控

300 種不同結構的低密度冰分子 地表上冰的結構大部分為六角晶體構

別為富勒烯冰（space fullerenes ices）與

造， 也 曾 在 高 空 中 發 現 立 方 體 構 冰

沸石冰（zeolitic ices），富勒烯冰的密度

ice）， 而 地 球 自 然 環 境 中 僅 存

是正常冰密度的 80％，而沸石冰的密度

這兩種型態的冰。除此之外，至今已發

（cubic

則是正常冰密度的 50 ~ 90 ％。Masakazu

現 17 種冰的類型，而它們存在於系外行

Matsumoto 的研究團隊主要以沸石冰為

快樂的音樂可以增加人腦的創造性，未 來將進一步探索不同環境音如何影響創 意，也將研究不同年齡層、不同文化下 的受試者是否有不同結果。 Simone M. Ritter and Sam Ferguson, Happy creativity: Listening to happy music facilitates divergent thinking, PLOS, 2017/9/6.

基礎，重新配置所有沸石冰的結構使其密 度更低，最後模擬出超過 300 種不同的 奈米結構，而這些超低密度結構沸石冰多 存在於絕對零度與極低壓力的環境下。 Takahiro Matsui, Communication: Hypothetical ultralow-density ice polymorphs, The Journal of Chemical Physics, Vol. 147, 2017.

星或是其他行星大氣中。近期在《化學 物理學期刊》（The Journal of Chemical Physics）上， 日 本 岡 山 大 學 Masakazu Matsumoto 等人發表文章表示，固態水 的分子排列方式可能多達 300 種。 在大氣壓力或是更高的壓力下，水分子會 被擠壓成比普通冰更結實的固體，而當壓 力低於大氣壓力（溫度也需控制）時，水 分子內就會含有較多空氣，成為密度較低 的分子。而目前已知兩種低密度冰，分

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SCIENCE MONTHLY 2017.10

（shutterstock）

NEWS FOCUS

火星上 發現硼元素 Los Alamos National Laboratory, Discovery of boron on Mars adds to evidence for habitability, 2017/9/5.

由於科學家推測硼酸鹽擔任宇宙中簡單

好奇號於 2011 年發射，主要任務為探測

有 機 分 子 到 RNA 創 造 過 程 中 的 重 要 橋

火星氣候與地質、火星環境等。這次研

梁，因此天文學家將行星上是否有硼元

究是利用好奇號經過蓋爾環形山（Gale crater）時 蒐 集 的 硫 酸 鈣 礦 脈（calcium sulfate mineral vein）資料，分析後發現

素存在，視為可能發展生命起源的重要 線索。美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory）的研究團隊

硼元素，這代表硼可能存在於火星地下

利用好奇號的資料，在火星火山口發現

水中，進而增加蓋爾環形山下生物居住

這個生命誕生所需重要元素──硼。

的可能性。

（NASA）

擁擠的天王星衛星 未來將相撞 距太陽第 7 顆行星天王星，截至目前為止發現

少的行星。而最新分析資料表示，天王星

擁有 27 顆衛星，為目前所知太陽系中衛星數最

至少有 2 顆衛星在數百萬年後將相撞。 科學家利用地面望遠鏡與旅行者 2 號 （Voyager

2 spacecraft）蒐 集 的 資 料，

並 計 算 其 與 天 王 星 η 環， 推 算 出 天 衛 九（Cressida）的 質 量， 且 發 現 天 衛 九 的 引 力 使 η 環 呈 現 三 角 形， 亦 推 算 出 天衛九即將在數百萬年後撞上天衛十 （Desdemona）。

（NASA）

Science, Uranus’ s moons set on collision course with one another, 2017/9/6.

η 環為天王星內側的 窄環之一，核心約為

1~2 公 里， 外 層 約 橫 跨 40 多公里。

Vol.48 No. 10

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專欄文章

甲狀腺結節腫：成因、診斷與治療 李明蒼

畢業於臺大醫學系，現任亞東醫院

新陳代謝科主治醫師。閒暇時愛好閱讀及旅 行，對醫學史特別感興趣。

這 位 畫 像 中（ 圖 一 ） 的 英 國 貴 婦， 名 叫 博 林（Anne

Boleyn）。也許這樣的圖片加介紹，大家還是不知道她 是何許人也，但是她有個鼎鼎大名的丈夫，及同樣赫赫有 名的女兒：丈夫是英國國王亨利八世。亨利八世為了娶 博林而和羅馬教庭決裂（當時的教皇不允許他和元配離 婚），因而創立英國國教。而她的女兒，就是後來的女王 伊莉沙白一世。 傳說中，博林有 6 根手指，而且還有甲狀腺腫大。不過這 張圖應該是美化過的畫像，看不出來有大脖子的樣子。話 說回來，博林已經是 500 年前的人了，可見甲狀腺腫大 這個疾病的歷史，一定更遠遠的超過 500 年。 大脖子一詞，其實是甲狀腺腫大的俗稱，但是其實很多甲 狀腺疾病都會使脖子腫大，而且在某些正常生理情況下， 如青春期或懷孕，也可能發生甲狀腺腫大。

認識甲狀腺 在介紹甲狀腺腫大之前，讓我們先談談甲狀腺的構造（圖

圖一：安妮．博林。（wikipedia）

二）。甲狀腺是位於頸部前方的皮膚之下，解剖學上而

思是盾甲，所以中文也就翻譯成甲狀腺。但是它的形狀

言是在環狀軟骨下方，氣管軟骨之前。甲狀腺的名稱由

事實上比較像一隻貼在氣管前面的蝴蝶。蝴蝶的兩邊翅

來，是因為英文名稱 thyroid 是由希臘字衍生而來，意

膀就是甲狀腺的左右兩葉，兩葉中間由峽部所連結，也

742 SCIENCE MONTHLY 2017.10

生 物 |

Biology

物中含有致甲狀腺腫物質（即致腫原）或頭頸部曾接受過 甲狀軟骨

放射線照射。老一輩的人常誤以為甲狀腺腫就是碘攝取不 足，所以一但甲狀腺腫大就要多吃海苔，但這樣的觀念是 錯誤的。自從民國 56 年食鹽全面加碘後，缺碘性甲狀腺 腫已很少見，目前成因大多以家族遺傳體質為主。

右邊甲狀腺

左邊甲狀腺

超音波下的甲狀腺結節腫 如果患有甲狀腺結節腫，接下來要如何診療呢？一般而 言，可能需要經過理學檢查（即觸診）、驗血、超音波、 細針穿刺或核子醫學等進一步的檢查，才能確定病因。就 前文所描述的解剖位置，甲狀腺是位於皮膚以下的器官淺 氣管

層器官，屬於超音波檢查的良好標的，因此，甲狀腺超音 波和細針穿刺細胞學檢查已經變成檢查甲狀腺構造異常最

圖二：甲狀腺解剖位置及構造。

廣泛也最普遍的方法之一。

就如同蝴蝶的身體。正常成人的甲狀腺約重 15~20 公克，

接下來，我們簡單介紹醫用超音波的原理。「音波」和「超

兩葉各約 1~2 公分厚，2~3 公分寬，3~4 公分長。一般

音波」有什麼不一樣？一般人所能聽到的聲音範圍（也就

右葉比左葉略大，左葉的下方有食道通過，中間的峽部

是音波的頻率）為 20~20000 赫茲。赫茲是音波或電波每

較小，只有 0.5 公分厚。

秒震動次數的單位，而 20000 赫茲就是每秒震動 20000 次，超出這個頻率的音波，就叫超音波。就醫用超音波而

什麼是甲狀腺結節腫？

言，依應用在不同的器官有不同的頻率，但是至少都有

就甲狀腺常見疾病而言，大致上可以分為功能異常或形態

300 萬赫茲以上。如此高頻的音波，在空氣中幾乎不傳導，

異常，當然也有可能兩者同時存在。功能異常的疾病，常

但在固體、液體中傳導能力甚佳，因此可以用來檢查身體

見的如甲狀腺機能亢進（過多的甲狀腺激素）或甲狀腺機

的軟部組織及腹部內器官。在檢查之際，檢查人員將探頭

能低下（缺乏甲狀腺激素）。而依形態異常來分，甲狀腺

在皮膚之上，超音波由此發出。當超音波遇到阻礙物，或

的疾病有單一結節、多發性結節腫或瀰漫性甲狀腺腫等情

是介質改變時，部分或全部的音波會反射回來，再由探頭

形。而結節可以是良性，也可以是惡性的，故依結節內容

上的接受器加以記錄，最後呈象在螢幕上，成為我們看到

又可分（1）甲狀腺囊腫（2）甲狀腺腺瘤（3）甲狀腺癌。

的檢查影像。

上述這些甲狀腺形態異常的疾病在尚未明確診斷時，我們 又可統稱為「甲狀腺結節腫」。

圖三是正常的甲狀腺在超音波下的影像。甲狀腺超音波 的第一個步驟，是把探頭放在脖子前方，也就是甲狀腺

造成甲狀腺結節腫的原因很多，大致上包括以下因素：家

的上方。然而，要怎麼樣告訴報告閱讀者這個探頭是怎

族遺傳體質、自體免疫性疾病、碘攝取不足、飲用水或食

麼擺的呢？這時候可以參考下方的小圖示（圖三的左下

Vol.48 No. 10

743

專欄文章

大屯火山下有岩漿庫？ 宋聖榮

國立臺灣大學地質科學系教授。

專長於火山學、岩石學和地球化學。目前 從事地熱能源探勘和開發的研究。

岩漿的儲存和演化

包溫反應系列是描述岩漿冷卻過程中各種火成礦物在一大

岩漿從地函上升到與其比重相似的岩體附近，即會滯留在

氣壓、不同溫度下結晶的順序和岩漿分異作用等。其是由

地殼深處形成岩漿庫。若此時有裂隙直通到地球表面時，

實驗岩石學家包溫（Norman L. Bowen）首先提出，以解

岩漿會直接噴至地表形成火山，此階段所產生的岩石較基

釋岩漿冷卻過程中，礦物形成的先後順序。包溫反應系列為

性，接近玄武岩，氣體的成分較低，故噴發的行為較溫和，

解釋岩漿冷卻、分異與形成各種火成岩時的重要參考依據。

以產生熔岩流為主，美國夏威夷群島的火山和冰島大部分 的火山，就是屬於此類型的火山噴發。

火成岩中的岩漿結晶分異作用可依據包溫反應系列來說 明，主要是早期先形成的礦物與殘留的岩漿分離不再反應

若無裂隙通到地表，岩漿則滯留在地底下岩漿庫內，並受

或不完全反應來進行。控制結晶分異作用的可能機制主

到周圍岩石較低溫度的影響，開始冷卻結晶形成含鐵鎂質 較高的礦物，如橄欖石、輝石和磁鐵礦等，遵行「包溫反 應系列（Bowen's reaction series）」使得岩漿成分產生

岩漿庫

變化，形成較酸性的岩漿（二氧化矽的含量較高，鐵鎂質 石英（後期）

長石

含量較低，圖一）。滯留在岩漿庫的時間越久，岩漿成分 越酸性，形成安山岩質和流紋岩質的液態，氣體成分的比

雲母

例也隨著岩漿演化而增加，故常常產生較劇烈的噴發行 為，以產生火山碎屑岩為主。此種岩漿噴發大都發生在 隱沒帶火山島弧、大陸邊緣或大陸內部較酸性岩漿的噴 發，如 1980 年美國西部華盛頓州的聖海倫斯火山（Mt.

St. Helens）的噴發、1991 年菲律賓皮納吐坡火山（Mt.

輝石

橄欖石（最先）

氧化鐵（早期）

Pinatubo）的噴發、大陸東北長白山的天池火山、以及 印尼吐坡（Toba）火山，都是屬於岩漿演化較久，噴發 行為較劇烈的火山。

750

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圖一：岩漿庫中岩漿冷卻過程造岩礦物的結晶順序。

天 地 |

Earth Science

要為重力分異作用，早期結晶的鐵鎂礦物如橄欖石和輝

物會出現在圖上的上半部，而較低溫結晶的礦物會出現在

石、或鈣含量高的斜長石，其密度都較液態岩漿高，結

圖的下半部。包溫的岩石學實驗顯示當礦物從岩漿冷凝結

晶形成後因重力的關係會下沉到岩漿庫底部而無法與殘

晶析出後，並未停止發生反應變化。早期晶出的礦物可以

餘岩漿再反應，故剩餘的岩漿其成分就與原有的岩漿成

和冷卻中殘餘的熔融物質繼續不斷的發生反應而改變其成

分不同，演化成含二氧化矽較高的酸性岩漿。火山岩中

分和結晶構造，形成新的礦物。基本上，岩漿中矽酸鹽礦

常可觀察到聚晶組織（glomeroporphyritic）和純橄欖

物結晶析出的順序主要受控於晶體構造的複雜程度、陽離

岩（dunite）的聚晶岩（cumulates），以及岩漿因後來

子半徑大小和濃度。其中，晶體構造越簡單越容易先形

的移置層狀貫入所形成的層狀礦物分布，都是岩漿重力

成，例如最早結晶的橄欖石為最簡單的矽酸鹽礦物結構。

分異作用的典型代表。

另外，陽離子顆粒越小或濃度越高，也越容易早期晶出。

包溫反應系列可簡單的被分為連續及不連續反應系列兩

包溫反應系列最原始的岩漿為玄武質岩漿，矽酸鹽礦物從

種。在圖二中，右邊一支為連續反應系列，左邊一支則為

玄武質岩漿冷卻晶出過程中，可以分為兩大系列：一為以

不連續反應系列。圖中靠上方的礦物其熔點較高、結晶溫

鐵鎂質礦物（包括橄欖石、輝石、角閃石和黑雲母等礦物）

度也較高；然後由上而下溫度逐漸降低，故高溫結晶的礦

為主的不連續反應系列；另一為以斜長石為主的連續反應

溫度

火成岩類型

橄欖石 輝石

角閃石

黑雲母

結晶作用的連續序列

鈣富集 斜長石 斜長石

結晶作用的不連續序列

高溫 1200 ℃ ~

包溫反應序列

鈉宮集 斜長石

玄武岩類 （基性）

玄武岩類 （基性）

安山岩類 （中性）

鉀長石

+

低溫 ~ 750℃

白雲母

+

花崗岩類 （酸性）

石英 圖二：包溫反應系列分連續系列和不連續系列與岩漿和岩石種類的關係。

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COVER STORY

理 心 音樂

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COVER STORY

1

人類協調互動之謎－

認知科學家 如何用音樂做研究

張 詠 沂（Andrew Chang）／ 現 為 加 拿 大 McMaster 大學心理學博士候選人 研究專 長為聽覺與音樂的認知科學與神經科學

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COVER STORY 1 認知科學的一個難題：協調互動

協調互動，也讓科學家難以釐清協調互動

認知科學（cognitive science）是一門新興的科學領域，研究人類行為

背後的機制。這類「生態效度」和「實驗

以及其背後的心理與神經機制。人與人之間的協調互動（interpersonal

控制」的兩難，是認知科學研究上經常會

coordination 或 joint action）是認知科學中的重要研究主題（Hari et al.,

遇到的難題，更是研究協調互動時必然會

2015, Neuron; Hasson et al., 2012, TiCS; Sebanz et al., 2006, TiCS）。此

遭遇到的巨大挑戰。

能力在日常生活中處處可見，看似簡單，其實涉及很多複雜的認知歷程以 及快速的行為反應。無論是進行單純的「多人一起搬重物」，到複雜且抽 象的「人與人交談」、「共同演奏音樂」、「球隊組織進攻」，人與人

A

之間都需要不斷地「察覺他人行為」、「即時交換動作意圖」、「微調 自身的動作以保持與他人同步」。此外，社會性的因素也對協調互動有 很大的影響力，例如在多人合作的情況下，常會需要一個領導者來發號 施令，統整個別成員的動作與意圖。因此，協調互動涉及了知覺、溝通、

心理 ∕ 神經活動

生物個體的 自然行為

某種特定心理 ∕ 神經活動

某種特定的 自然行為

某種特定心理 ∕ 神經活動

某種特定的 非自然行為

執行功能、社會心理、動作控制等各層面複雜的心智功能，而我們至今 仍然對此所知不多。

B

為求科學研究上的嚴謹，科學家在研究協調互動時，會偏好使用有良好 控制的小實驗室進行研究。通常，參與實驗的受試者會進入一小間實驗 室，而科學家會事先用電腦程式規劃好要呈現的刺激材料，以及記錄受 試者反應的方式。在這樣的實驗設計中，科學家完全地掌控受試者所身 處的協調互動環境、受試者執行動作的方法，因此得以清楚地檢驗操作 變項對於協調互動的影響。

C 然而，在這類小實驗室的環境中，時常難以成功營造出人類真實的互動 環境。對於認知科學，我們最感興趣的是人類行為對應的心理與神經機 制（圖一 A，Krakauer et al., 2017, Neuron）。在研究的設計上，科學 家會希望藉由實驗的設計，研究某種特定行為，以及其背後的心理、神 經機制（圖一 B）。然而，在小實驗室中如果無法營造出足以貼近自然 情境的的協調互動行為，就算研究出心理和神經的機制，但這樣的機制 卻是用來執行一個「非自然」的人類行為，距離理解人類在真實世界中 的協調互動行為仍有一段距離（圖一 C），缺乏「生態效度（ecological

validity）」。畢竟，人類心智演化至今，不是為了適應「與虛擬人物做 互動」的演化壓力。（題外話：但或許在未來，和虛擬人物的互動真的 會變成人類新的演化壓力也說不定？）

圖一：此為認知科學研究的示意圖（Krakauer et al.,

2017, Neuron）。（A）認知科學的目標在研究人類 的心理或神經活動，以及其對應的自然行為。（B） 一個理想的實驗，可以研究某種特定的心理 ∕ 神經 活動是如何對應到某種特定的自然行為。（C）然 而，在小實驗室中如果無法營造出足以貼近自然情 境的的協調互動行為，就算研究出心理和神經的機

但如果為了追求良好的生態效度，在完全自然的環境中觀察人際互動， 各種真實環境中的因素（例如各種噪音）則容易意外地干擾人際之間的

制，但這樣的機制卻是用來執行一個「非自然」的 人類行為，我們仍不理解人類在真實世界中的協調 互動的心理 ∕ 神經機制。

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INTERVIEW

蔡振家 柏林洪堡大學音樂學博士（2000-2004） 澳洲新南威爾斯大學物理系「音樂聲學實驗室」訪問學生（2002） 國立臺北藝術大學傳統藝術研究所碩士（1994-1997） 國立臺灣大學物理系學士（1989-1994）

（《科學人》雜誌提供，王竹君攝影）

藝術與科學跨領域研究－

臺大音樂認知心理學教授 蔡振家專訪 文詠萱／本刊主編

音樂為人類行為中特殊的表達方式，且其能強烈的傳輸情感。而這牽涉 到人類大腦運作，因此研究人員多需要同時具有科學與音樂專長。《科 學月刊》本期邀請到目前為臺灣大學音樂學研究所專任副教授蔡振家老 師，談談他是如何投入此迷人跨領域世界，以及臺灣音樂科學研究現況。

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INTERVIEW 科學月刊（簡稱科） ：老師是在什麼樣的機緣下投入音樂科學的跨領域研究？

那以藝術創作來說，就牽涉到腦中比較高 階的迴路，也就是心理上的自我，「我到

蔡振家（簡稱蔡） ：我在碩士還沒有做跨界研究。但我到了德國後發現，

底要追求什麼、我的過去跟未來」，這種比

有人將自然科學與音樂結合研究，而在那個時候才知道世界上原來有這

較抽象的東西，這個面向在藝術創作、藝

種科學領域，於是便將我以前在物理系、理學院所學的力學等知識，結

術欣賞中也相當重要。

合音樂做研究。 而情感科學，顧名思義就是跟情感有關各種 洪堡大學做音樂科學跨界研究的傳統可追溯到 19 世紀，當時有個物理

學科的跨領域研究，除了心理學之外也牽涉

科學家──亥姆霍茲（Hermann von Helmholtz），他就是我們洪堡大

到資訊科學、生物學，例如神經反應的神經

學正門口的雕像，他在物理學、生理學、數學、心理學等相當有成就，

基礎或者是化學基礎。我比較熟的還是跟藝

其研究另外也包含音樂聲學，融合音樂與科學。

術相關的情感科學。例如從演化的觀點來 看，人做為比較複雜的動物，審美機制裡面

因此我決定跟隨他的方向，當時訂的研究題目是從心理學與物理學的角

有沒有什麼是在較原始物種中就已經出現的。

度，研究中國的笛子。主要是中國笛有個笛膜，小小的笛膜就讓中國笛

例如中腦，這是我比較感興趣的研究方向，

與西方的笛子很不一樣。在物理上，我研究笛膜的震動，在心理學上我

中腦是大腦比較原始的部位，遠在爬蟲類

就研究這個笛膜的震動對聲音的影響，還有對聽眾心理的影響。

就有這個神經迴路，我們在深受音樂感動 時，中腦居然會被活化，我覺得非常有趣。

科：老師曾在 2002 年博士在學時前往澳洲新南威爾斯大學物理系擔任 「音樂聲學實驗室」訪問學生，請老師談談其過程。

這也牽涉到生物音樂學在做什麼，他有三個 分支，第一個就是演化音樂學，主要在探討

蔡：會去「音樂聲學實驗室」也是一個緣份，因在研討會認識澳洲研究

音樂活動是怎麼開始的，地球生命演化史

人員，當我拿出中國笛跟對方介紹中國笛，並提到它有個笛膜，他們覺

上，大概什麼時候生物開始有音樂活動，絕

得相當好奇，因此歡迎我到澳洲音樂實驗室進行實驗。

對不是從人開始，一定是更早。除了演化音 樂學之外，還有神經音樂學，就我剛剛講

「音樂聲學實驗室」是全球少見以樂器為主的物理實驗室，全球以音樂

的研究音樂活動裡面的神經基礎。還有第

為主的物理實驗室不超過 5 間，而我到澳洲實驗是主要是研究中國笛，

三個分支就是比較音樂學，從宏觀的角度，

因之前他們研究長笛已經有相當基礎，我的許多研究方法就沿用長笛，

去看地球上各個音樂種類和音樂文化，看

因此實驗進行的相當順利，我大概做 2 個月就把數據收完了。

看有沒有什麼共通性或是差異性，藉由比 較的方式去認清各個音樂文化的內涵。

科：請老師簡述您的研究專長神經美學、情感科學、生物音樂學內容。 我主要還是做基礎研究，而一旦牽涉到應 蔡：這些都是跨領域的研究，每個講起來牽連的範圍都很廣。簡單來

用，要有更多的合作對象，例如說跟醫院、

說，神經美學即研究藝術活動背後的神經基礎，人或動物從事藝術活

醫生合作，這我比較少做。

動時，會用到大腦的哪些迴路，這就是所謂的神經基礎，它牽涉到 藝術活動裡面的背景知識，還有藝術作品的內容分析、欣賞者或創作

科 ： 那 這 些 研 究 領 域 的研究方式主要 有

者的身體運動或是身體感覺，另外還包含評價、決策以及情緒。

哪些？

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務局、特有生物研究保育中心以及

精選

協助執行環境影響評估的民間生態 調查顧問公司等，亦廣泛採用紅外

文章

線自動相機來協助執行相關調查研 究和環評計畫。

野生動物觀察趣—

紅外線自動相機

紅外線自動相機 紅外線指的是波長比可見光長的光， 根據波長還可區分成近紅外光（ 1 微 米左右）、中紅外光（ 5~10 微米左 右 ） 及 遠 紅 外 光。 根 據 黑 體 輻 射， 任何溫度大於絕對零度（攝氏 -273 度）的物體自然就會放射紅外線， 而溫度愈高則波長愈短。譬如太陽 表面攝氏 6000 度左右，大部分所發 出來的光落在 400~700 奈米的可見 光。哺乳動物體溫通常在攝氏 35 度

張育 誠

東 海大學

生命科學系碩士。

羅昱超

中興大學

森林學系碩士。

農委會林

上下，所發出來的光波長大部分在

業試驗所蓮華池

幾 十 微 米， 屬 於 中、 遠 紅 外 光。 因

黃志堅

研究中心聘用助理 研究員。

此， 能 夠 感 測 紅 外 線 的 相 機， 即 可 偵測到動物是否接近。

紅外線自動相機調查可歸納出下列 李弘平 亞 燦 科 技

謝宗 宇 民 享 環 境

服務股份有限公司

生態調查有限公司

負責人。

副總經理。

幾項優點：

第 一、 延 長 野 外 調 查 工 作 時 間， 突 破人力調查工作時數之有限。

788

在臺灣，近 20 年來廣泛運用紅外線

結論未能順利確認雲豹族群是否仍

自動相機於野生動物資源調查或科

安然存在，但其成果記錄到如臺灣

第 二、 紀 錄 資 料 型 態 為 影 像， 為 直

學研究，是一種針對中大型哺乳動

黑 熊、 臺 灣 野 山 羊、 食 蟹 獴 等 許 多

接證據且可受第三方檢驗。

物或地棲性鳥類功效尤其顯著的生

珍貴稀有野生動物，著實讓人驚豔

態調查工具，例如屏東科技大學的

臺灣山林的豐富動物多樣性。此類

第三、半自動化調查工具監測相較

姜博仁博士研究團隊在 2001~2004

物種大多位於生態關係鏈結的中、

人為調查對動物的干擾較低。

年間為了調查雲豹蹤跡，長時間於

高 階 層， 部 分 物 種 更 為 保 育 類， 是

臺灣南部大武山區架設 10~20 台的

生 態 環 境 重 要 角 色 群。 因 此， 臺 灣

第四、自動相機調查短時間可掌握

底片型紅外線自動相機，雖然最終

生態保育權責相關機構如農委會林

調查區域棲息的普遍物種，長時間

SCIENCE MONTHLY 2017.10

測範圍中出現以及移動。紅外線感 測器可吸收動物本身所發散的紅外 線並照射到強導電體元件上，元件 吸收後產生熱及溫度變化，進而使 元件表面產生電荷變換成電氣信號 來啟動相機快門進行攝錄，特別適 用於自身具恆定體溫能放射紅外線 圖一：被動式紅外線動作感測器原理。圖左以動作感應範圍以 ① ~ ⑥ 區塊表示，動物溫度

的哺乳類和鳥類。而自動相機感測

感應區域以兩水平紅色透明帶表示。圖右表示相機可感測到動物所發散紅外線的水平與垂

恆溫動物發散出的紅外線進而啟動

直範圍。 （ RECONYX 授權引用）

快門方式如圖一左所示，動作感應

監測調查則可能記錄到稀有或過境

如高速公路上的測速相機，當機器

範圍以① ~ ⑥區塊表示，一定時間

穿越物種。

偵測到有車超速時，便會啟動相機

內藉由偵測動物在兩兩不同區塊間

拍 下 照 片， 證 明 超 速 的 事 實， 車 主

橫向移動，以及動物體溫不同於兩

第 五、 可 同 時 監 測 多 種 共 域 物 種，

就 會 收 到 照 片 與 罰 單。 野 外 用 的

條紅色透明帶的設定溫度來啟動相

能較完整瞭解調查區域中大型哺乳

紅 外 線 自 動 相 機， 主 要 就 是 利 用

機拍攝；圖一右則是動物可被自動

類與走禽類的生物資源現況。

紅外線來偵測野生動物是否接近

相機偵測到的上下左右範圍。

相 機 範 圍。 此類相機擁有「被動式 第六、近 10 年來發展數位型紅外線

紅 外 線 動 作 感 測 器（Passive Infra-

早期紅外線自動相機主要是用底片

自動相機，相較早期使用之底片型

Red Motion Sensor, or PIR motion

記 錄 影 像（ 圖 二 左 ）， 近 年 來 數 位

紅外線自動相機，不僅紀錄資料量

sensor）」，可感測到動物是否在觀

相機愈來愈廣泛，紅外線自動相機

大幅提升外，野外可運作時間較長， 錄影功能可獲得物種行為資料，可 更為瞭解野生動物生態習性。

透過紅外線自動相機不僅可獲得大 量的野生動物資料建置地理分布資 訊、彙整分析後能了解地區性物種 組成結構、目標物種的活動模式和 其動物生態行為、季節性的族群變 動趨勢，以及探討共域野生動物的 交互關係，提供更充足資訊來進行 後續物種保育或相關評估規劃。

紅外線自動相機的設計原理 所謂自動相機，指的是當發生特定 事 件 時， 相 機 會 直 接 自 動 照 相， 例

圖二：底片型紅外線自動相機（左）和數位型紅外線自動相機（右）內外觀。（張育誠攝影）

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科學月刊 期 精采預告 575

比特幣與區塊鏈的原理與應用 誕 生 才 八 年 的 比 特 幣 坐 實 了﹁ 數 位 黃 金 ﹂之 名 � 曾 經 直 逼 空 前 的 美 元� 4800

最近回跌到 美元�價値已超越貨幣史中地位悠久的黃金� 3800

每次聽到比特幣�總會提到區塊鏈�到底什麼是比特幣︵ ︶？什麼又 Bitcoin 是區塊鏈︵

︶？ 而區塊鏈是﹁ 區塊︵ ︶﹂了什麼 ？ 又﹁ 鏈 Block chain Block

︵ ︶﹂了什麼呢？ chain 哪些產業應用適合以區塊鏈技術來實現？實現的過程中又會遭遇什麼困難？是 不是參加過許多區塊鏈研討會�但是仍然覺得對區塊鏈一知半解︙︙