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《科學的故事I：科學的序曲：觀天象》Astronomy- the first science



全台灣最會說故事的科學家、「吳大猷科普獎」常勝軍

徐明達史詩級科普鉅作《科學的故事》首部曲，從天空開始──

他擅長將科學的知識說到人人都懂、寫到人人都入迷，將豐沛的專業思維帶入我們的生活。暌違多年，他終於在退休之際開始執筆，寫作這部科學的史詩計劃。繼《病毒的故事》、《細菌的世界》之後，這一次徐明達教授為普羅大眾帶來更詳實、更細膩的科普著作《科學的故事》，為所有曾經對科學有興趣卻不得其門而入讀者，完整說明科學與現代文明的萌發和由來。《科學的故事》為一系列科普套書，首部曲《科學的序曲：觀天象》從古代天文學切入，闡述人類如何從身邊的自然現象開始，在漫長的觀測、紀錄、推理過程中累積起現代科學的基礎，並且從中衍伸出現代文明世界中的各種知識體系。

「現在科學也和人文分成兩個世界，互不往來，這實在很可惜，因為科學思想的原動力是來自心靈深處的感性，這個感性就是來自一個人對事物的深切感受累積而成的，這是人文和科學的共同語言和基礎。只有透過這種摸索累積的感性，才會有偉大的人文或科學的創作......感性是科學的靈魂，而理性是科學的肉體，我們必須兼顧這兩方面的發展，才能讓人類文明繼續向前邁進。我寫這本書的目的就是希望從科學思想及伴隨的人文歷史的發展角度來討論現代科學的觀念是如何慢慢建立起來的。」──徐明達

徐教授在《科學的序曲：觀天象》一書中從感性的靈魂出發，以理性觀點細述古代人類是怎麼從天文現象的觀測經驗中，建立起科學研究的觀念及方法，從而也豐富了人類的宗教、哲學、神話、文學、音律等人文領域的發展。不僅梳整天文史與科學之間的來龍去脈，更透過眾多的歷史器物、文獻、建築、傳說等紀錄，以人類的文明活動足跡呼應科學史的發韌，並從中比較古今中外天文學的發展走向。

【古代天文學小故事】

千年來，天空承接了一代代人的注視。多少人曾經仰望星空，寫出最重要的故事、曆法、神話、算式。我們無法生活在空中，生命卻確確實實地因天空而意趣無窮。這些故事，你可知道？

●第一位提出地球自轉概念的阿耶波多，西元499年寫出Aryabhatiya時才23歲。他算出來的自轉時間和現在我們所知的只差0.02秒；比開卜勒早1200年預言了行星運行的軌道是橢圓形，甚至用沒有人知道的方法算出了π和地球周長，和現值只差70英里。

●埃及神話中荷魯斯（Horus）和塞斯（Seth）相爭王位，塞斯把荷魯斯的左眼挖出，是月亮在每月初消失的原因。而托特（Thoth）帶領十四位神祇修復，每個月第十五天，月亮就圓滿了。

●古代蘇美人認為七是個神祕的數字，也是最早把七天當作一星期的民族。但因為「七」這個數字無法用當時的六十進位處理，發展出六天休息一天的安息日制度，直到現在我們都還在使用。

●七還有個神祕的數學特質，就是不管用什麼有理數去除，都會出現142857這六個數字的循環；也就是，七之後接的一定是一，安息日之後一定會有開始。

●許多動物都是趁著月光出來找東西吃，滿月時尤其活躍。獵人、漁夫因此在夜間受月亮指引，也用月亮位置來估算時間；月亮對漁獵時期的人類來說可說是相當重要。希臘神話中的阿緹米絲（Artemis）就同時是月神、狩獵神和生殖神。

●日神崇拜都和鳥圖騰有密切的關係，可能是因為蛋黃看起來和太陽有幾分神似，且鳥在天空中飛行，彷彿太陽的同類。中國古代五帝之一的少昊是太陽神，圖騰便是鳥。山東日照地區，古代也是「鳥夷」部族所在地。

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《科學的故事》首部曲，隆重登場

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  作者介紹

  
  
  
  
  
  
  徐明達
  
  臺灣大學化學系學、碩士，加州理工學院化學生物學博士，專長領域為分子生物學、腫瘤基因及電子顯微鏡。
  
  曾任美國洛克菲勒大學副教授、紐約西奈山醫學院教授、中研院生物醫學研究所特約研究員、陽明大學生科院院長、通識中心主任、陽明大學副校長。榮陽基因體研究中心主任。現任生化及分子研究所特聘講座教授、著有《病毒的故事》、《細菌的世界》、《廚房裡的秘密》、《禽流感大戰疫》。《病毒的故事》和《細菌的世界》均獲選為2004年開卷十大好書，並分別獲得第三、第七屆吳大猷科普著作銀籤獎；《病毒的故事》和《廚房裡的秘密》均獲推薦為科普百大好書。
  
  


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推薦序一

我認識作者超過半世紀，我們是大學同班同學。他治學嚴謹，凡事追根究柢，頗有科學家風範。近年來他更發揮教育家的精神，寫了好幾本科普書，以淺顯易懂的文字來描述深奧的科學原理，造福普羅大眾。這也很明顯的反映在這本書中；我們現在認為理所當然的「時間」，起源是從何而來，最後又是如何定義的？從古老時代人類的細心觀看，再以累積得來的觀察結果，建立假說看看是否符合觀察所得；整體過程是經過如此漫長的歲月，無限的經驗累積，才有今日的「理所當然」。書中細述來龍去脈，包括古今中外的發展及比較，甚至還穿插了精美的圖片，有的是取自藝術名畫，也有的是作者自己親筆畫作，更能加深讀者的印象。若欲一探任何現象之究竟或滿足你的好奇心，這絕對是本最佳選擇研讀及參考的讀物。實在佩服作者認真的求證推理且細心又生動的描述，非常符合實驗科學的精神。就如同作者在書中所說：「感性是科學的靈魂，而理性是科學的肉體。」以科學思想伴隨著人文歷史的發展來寫這本書。期望讀者在享受現代文明之際，也能充分暸解現代文明漫長發展之過程。在你欣賞這本《科學的故事I ──科學的序曲：觀天象》後，一定會迫不及待的期待閱讀第二個故事：《歐洲科學革命及牛頓定律》；接著第三個故事：《波的概念》及第四個故事：《物質》。仔細讀完這一系列的故事後，相信你將對世界萬物之組成會有通盤暸解。在此極力推薦本系列故事，並預祝大家快樂閱讀欣賞。

王瑜

中央研究院副院長

臺大化學系特聘研究講座

於臺北

推薦序二

徐明達院長是我高中時的同窗好友，毗鄰而坐，經常一起討論問題。他的認真、勤奮和對教育的關心，讓我非常欽佩。大學時，他在化學系，我在物理系，常一起修課，讀研時，同在加州理工學院，也時常連絡。在這些時期，明達兄一直保持認真、勤奮和關懷教育的精神。

本月19 日畢業五十年重聚會在臺大體育館舉辦，二十餘年未見，短暫的告知現狀，欣聞其在過去十幾年寫了好幾本科普的書籍：《病毒的故事》、《禽流感大戰疫》、《廚房裡的秘密：飲食的科學及文化》、《細菌的世界》。徐明達院長一向關注科學的起源和科學的方法，一直想用實際的發展和例子將科學的起源和方法有趣並條理分明的介紹給一般大眾。

徐教授退休後，把以前收集的資料整理出來，準備寫成一系列以科學故事為基礎的科普書籍，以闡明科學的起源和方法。觀天象令人感到自然現象的規律與持續，在人文上啟發了「天行健，君子以自強不息」的精神，在應用上推定了農時。對日月星辰運行的觀測、計算和預測，引發了古代天文學的發展。這是科學的故事第一集的主要內容。古代天文學可以說是現代科學的濫觴，經過哥白尼、第谷、伽利略、克卜勒、牛頓等人的繼續發展，形成了牛頓力學的世界體系，定量化了時間、方位和運動的概念，是科學方法應用的一個典型和重要的例子。這是科學的故事第二集的內容。牛頓力學的世界體系，可以說是科學界第一次的集大成，影響了世界兩百餘年。到了十九世紀下半，牛頓力學逐漸不能說明所有的觀測和實驗，開始了狹義相對論和廣義相對論對時間空間觀念的修正，和量子力學對物質亦是波動的嶄新闡述。量子力學的發展及應用促使了我們對凝態的瞭解，並促成了半導體、固態電子、光電的產業革命，繼而促成了電腦、資訊與大數據的二次革命。

今年2 月11 日美國雷射干涉重力波天文臺（LIGO，Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory）在預定的記者會上，宣布LIGO 團隊和Virgo（義大利和法國在Pisa 地區建造的3 公里臂長重力波天文臺）團隊以LIGO 兩個相距3000 公里、臂長4 公里的重力波干涉儀探測到了距離我們約13 億光年的兩個大約為30 太陽預購年菜好吃嗎質量黑洞的合生所產生的重力波。這次的合生是在2015 年9 月14 日探測到的，信號持續的時間為0.2 秒。合生時最大的重力波亮度大於可觀測到宇宙所有恆星亮度的總合。因其合生時的距離，最大的重力波應變達到探測器時為10-21，對4 公里臂長的應變為4am（attometer；atto 為10-18之義），即約為鋁原子核的千分之一。LIGO 團隊和Virgo 團隊正在分析其它的合生信號。重力波的首探開啟了天文學新的領域，進一步的發展可使一個靈敏的干涉儀探測大部分的宇宙，無需以管窺天，可以說是人類科學發展上的極至。而這極至的達成有賴上述基本物理定律的建立和近代儀器的發展。

在高中、大學時，常看各種書籍，很想多瞭解一些科學的發展和起源。然而，啟蒙和較有系統的中文書難尋。徐教授這一系列書籍可以對現在的年輕人和科學愛好者提供了很好的科學發展啟蒙和有系統的概念介紹，可以為現在的年輕人和科學愛好者慶幸，其第一冊《科學的序曲：觀天象》更是重要的開始。

倪維斗

清華大學退休榮譽講座教授台灣伴手禮展

2016 年3 月於清華大學

第一章地球的小時鐘

光明與黑暗的週期

日夜交替是我們最直接感受到的自然時間週期，這個週期給人們的感覺就是光明與黑暗，這個感受對於在北極或南極圈的住民特別深刻，漫長黑暗的冬季讓人們盼望光明的到來。光明與黑暗的對立在許多西方古老的宗教都是代表善與惡的鬥爭，許多創世紀神話也是認為世界誕生時是從黑暗到光明，因此也代表生與死，這個二元對立價值的觀念就是西方哲學的基礎，相對的，在中國則從自然的日夜週期發展出陰陽的哲學，陰陽不是對立而是互補輪迴的概念，是一體的兩面，這是東西方哲學最不同的地方。在西方，互補的二元觀念要到波爾（Niels Bohr，1922 年諾貝爾物理獎得主）才開始用來解釋量子力學中一個物質同時有波及粒子的對立性質，波爾因此把中國的太極圖作為他的家族盾徽。



生物的日夜週期

事實上動植物甚至一些細菌的細胞裡也都有一個生理時鐘，讓生物可以適應日夜的週期變化，我們大腦視丘下部（hypothalamus）裡還有一個標準時鐘來校正身體其他部位的時鐘，這些生理時鐘都是不同分子迴路作成的大小分子「齒輪」來運作。這個日夜生理時鐘對生物的運作

影響至關重要，如果出了問題就會產生生理錯亂及疾病，生理時鐘在胚胎發育過程中也扮演很重要的角色。



地球自轉的週期

日夜週期是因為地球自轉的關係，地球自轉是在四十幾億年前地球形成時產生的，但我們怎麼知道日夜週期是因為地球自轉？事實上古代很少人去思考這個問題，太陽每天從東方升起在西方下落，很自然的讓人們認為太陽每天繞地球轉，然而古代天文學家認為太陽是繞著地球每年轉一次，但太陽怎麼會每天又每年繞地球一週？住在較高緯度的人，晚上看星星會注意到靠近北極星的星星會繞著北極星旋轉，古代天文學家認為這是因為星星繞著地球轉，但有一些早期的希臘哲學家例如菲勞洛斯（Philolaus, 470-385BC）則認為與其讓那麼多星星費功夫繞著地球轉，還不如讓地球自轉而星星不動簡單得多了，但在沒有證據下只是一個相對運動的哲學問題而已，並沒有繼續探討這個問題。