科學人觀點

心磁感應,有腦為證

黑洞在天邊,心動在腦間。文明進展使人類漸漸走進「人在磁中不知磁」的境地,科學研究證實了黑洞的存在,也讓我們看見了「以為無磁,卻是有磁」的真相。

撰文/曾志朗

科學人觀點

心磁感應,有腦為證

黑洞在天邊,心動在腦間。文明進展使人類漸漸走進「人在磁中不知磁」的境地,科學研究證實了黑洞的存在,也讓我們看見了「以為無磁,卻是有磁」的真相。

撰文/曾志朗


1969年7月20日午夜,我站在美國賓州州立大學旁的大街上,和一大群師生、路人以及從路邊停車陸續走來的各樣人士,圍在電器行所展示的大電視機前,和全世界數億觀眾共同見證人類第一次成功登陸月球。當阿波羅11號緩緩下降,船腳著陸的瞬間,圍觀民眾齊聲歡呼,所有的人都知道那是人類歷史上最耀眼的一刻。然後艙門打開了,太空人阿姆斯壯走出來,踏著梯子,每下一步,都震撼著屏息以待的群眾心弦。當他踩上地面時,偌大街道滿滿人潮竟鴉雀無聲,氣氛顯得莊嚴神聖,而當他跨出另一隻腳站穩後說出經典名言:「我的一小步,卻是人類的一大步!」群情沸騰,美國國歌響徹深夜街頭。人類真的以實際的腳步,探索宇宙的神秘境地!


2019年4月10日早上,我恰好在美國耶魯大學哈斯金實驗室開會,和一群同仁圍在會客廳的大電視前,盯著螢幕上烏黑黑背景中一個金色甜甜圈。那是人類利用架設在世界不同地區的八個頂尖望遠鏡,以特長基線干涉技術同時觀測黑洞的不同方位,整合出口徑等同一個地球大的虛擬望遠鏡,以10年時間搜集數據,再花兩年分析所得出的第一張「黑洞」照片。在人類登陸月球的50年之後,這又是人類對太空知識的一項偉大突破。看著那金色暈開的「毛毛的」圓圈圈,這群神經科學家也感動得目瞪口呆,不約而同高喊:「Black hole!Black hole!」興奮之情,溢於言表。


我拿出手機拍下這動人的一幕,分享給華盛頓特區的一位物理學家,順便詢問金色圈圈怎麼來的?果然他也正帶著學生看直播,回訊說:「那是物質被大吸引力拉進的過程中,物質的能量也不停增加,必須把多餘的能量(光子)放出的結果。這些物質一直往一個有超重力的『點』前進,到某一個界限,就沒有回頭路了。除了中心的『黑洞』外,外面的光景模糊,因為這些照片是曠時攝影,每一個數據都是幾個月甚至幾年數據的整合。」這使我想起霍金生前參與的最後一篇論文,講到這臨界處的「軟毛」(soft hair),看來真的很可愛!


想起來真的很幸福,我們目睹了人類科學史上的兩次大突破。登陸月球和捕捉到距離地球5400萬光年外的「黑洞」影像,絕對是人類智慧發揮極大功能,眾志成城,建構高效能的工程平台,完成了異想天開的不可能任務。古代射日是神話,50年前登月是事實,而今黑洞由虛擬的假設變成眼前的實境,怎不令人緬懷背後推手的大科學家們?手機忽然又震動,原來是朋友意猶未盡說:「的確,這是一個令人相當振奮的科學成果,至少就人類文明和對宇宙及自然的探知。更讓人對許多偉大的科學家,如愛因斯坦、海森堡、霍金,由衷佩服。他們在許多年前,單憑一支筆和紙,用美麗的數學來描述這些景象。今天發佈的這些合成數據,表達出來的形態,竟然跟他們的預測那麼吻合。數學,真是人類最美麗的聖經。可惜霍金去年過世了,諾貝爾?委員會就是一直在等待這個發展來贈與他應得的榮耀啊。」


「談到相位陣列雷達,讓我再炫耀一下,看過美國新的朱諾級輕巡洋艦沒有?艦上看不到任何雷達天線的蹤跡,因為所有天線都像壁紙般貼在船體的外表了!還有,黑洞影像合成的程式裡,有個重要程式是來自印第安納州一個女高中生參加科學競賽時的構想。她的天才受到注意,被送往約翰霍普金斯大學應用物理實驗室接受指導,進了密西根大學,再取得麻省理工學院博士,博士後就到哈佛大學史密森尼天文物理中心發展整合的算則!」這個女孩就是如今風靡全世界的鮑曼(Katie Bouman),29歲的她和200多位程式工程師齊心協力,用這個算則成功捕捉到黑洞的影像。當金色甜甜圈出現螢幕時,她雙手摀頰的驚喜笑容令人心折,儼然成為女性數學家的典範。


我讀著這些訊息,抬頭直視金色甜甜圈,不禁喟嘆,當物理學家可以精準計算出遠在天外的星雲積年累月的活動型態時,我們這些心理科學家對會做出精確計算,會設計建造分佈各處的相位陣列雷達的無形天線,並整合出黑洞相片的人類腦神經運作,卻仍停留在一知半解的狀態。120億個腦神經細胞的成長、聯結和複雜的運作方式,決定了人類過去、現在和未來的命運。但人性為何?哲學千年,提出的問題,至今難有一致的答案。什麼是情(緒)?什麼是意(識)?什麼是信仰?人有自由意志嗎?問題的核心就是心物二元或一元,也就是心智與腦之間可分離或不可分離的大哉問!


可喜的是這半個世紀以來,神經科學進展神速,在許多新創高科技儀器的協助下,科學家不必打開腦殼,就可以測量到大腦皮質上或皮質下,以及小腦等不同區域的神經細胞活動。也就是說,當受試者進行某項認知作業時,認知神經科學家已經可以即時測量到腦神經細胞的活動,包括激發的位置在哪些區域,以及相互聯結的時間順序。看到黑洞照片,想到腦顯影圖像,也許我們也可以用數學模式,在實證數據上找到心腦對應的運作機制。黑洞在天邊,心動在腦間。我們這一代的科學家也能做出「天人合一」的實驗,來證實人在天體運行中的各項反應吧!


做什麼?怎麼做?首先問問,天體運行中有些什麼?重力和磁場無疑是基本核心的兩大支柱。人和重力的關係,已經有數不清的實驗和生活中的現象可以證實。但人對磁場有感應嗎?這問題並非無跡可尋,無論是地底下的昆蟲或地鼠、水裡的游魚或蝦蟹,還是天上飛的候鳥,許多動物都有能力利用對地球南北磁場的感應,定出正確的方位。最顯明的例子是賽鴿,來自各地的鴿子被帶往幾百公里外的陌生地方釋放,在空中盤旋幾大圈後就紛紛往自己遠方的「住家」飛去。我曾寫過一篇文章〈小小鴿子要回家〉,說明鴿子能利用生理時鐘來觀日影、定星座,更能利用頭額內的鐵質來感應地磁方向。那人呢?我們也會產生心「磁」感應嗎?過去也有很多研究,卻都沒有確切的答案,因為缺乏一致的實驗結果可以讓科學家有信心的下結論,好像人類對磁場的反應能力,在演化的過程上因用進廢退而消失無形。


當然,實驗的負面結果,可能來自實驗的方式不對,或操弄磁場變化的設備不夠精準、對反應的測量敏感度不足,或受限於分析方法而導致失敗。最近加州理工學院的研究者就針對這三個方面加以改進,除了新的分析方法,他們建構了一個六面牆的實驗室,牆上安插了傳導的線圈,可以精準操弄磁刺激出現的方位和旋轉的方向(順時針或逆時針),測量反應的方式也改為以腦電圖(EEG)測量腦波變化做為指標,這是因為腦波不受行動影響的緣故。


實驗的結果很有趣。當磁場發生南北逆時針方向旋轉時,受試者並不知道這些變化,但EEG的α波頻率(通常出現在沒有集中注意力的放鬆狀態時)會忽然掉了60%,表示腦內的神經元對磁場的變化有所感應。這結論告訴我們,人類的祖先在狩獵時期的遊牧活動時,對走動的方位定向,可能依靠的就是對地磁的感應。


對浩瀚的宇宙而言,地球不過是個微不足道的粒子。人類和其他動物在這小粒子中生存了千萬年,也都會受到地球物理性質的影響,文明演進卻使人類漸漸走進「人在磁中不知磁」的境地。科學研究證實了黑洞的存在,也讓我們看見了「以為無磁,卻是有磁」的真相。科學的進展不是一蹴可幾,而是無懼失敗的修正。黑洞在天,磁在人間,這些研究實在給我們無比的信念:科學才能使我們探知人性!