如果睡眠不足，大腦會開始自己吃自己？ - PanSci 泛科學

所以人類大腦也會出現一樣的狀況嗎？長期睡眠不足的膠質細胞會崩潰多久（咦）？已經熬夜五天現在睡覺還來得及嗎？膠質細胞大吃特吃的狀況跟神經退化疾病有直接關係嗎？ 0 0 0 文字 分享 友善列印 繁| 简 0 0 0 學園都市必備 科快訊 如果睡眠不足，大腦會開始自己吃自己？ valeriehung ・2017/06/09 ・1500字 ・閱讀時間約3分鐘 ・SR值480 ・五年級 ＋追蹤 相關標籤： 熱門標籤： 量子力學(47) CT值(8) 後遺症(3) 快篩(7) 時間(38) 宇宙(84) 國小高年級科普文，素養閱讀就從今天就開始!! 首圖來源：MaxPixel 你可能聽過一些為什麼睡覺很重要的說法，例如熬夜會造成身體代謝混亂，以及大腦需要趁睡覺時清垃圾與修剪白天的記憶等，如果這些都嚇不倒你（咦），現在有新研究發現，如果睡眠不足，大腦會更積極清理突觸，而且積極到了「自己吃自己」的程度？ 在大腦中，有各種輔助神經系統運作的膠質細胞（glialcell），如負責修剪神經元前端的突觸、協助神經網路重新塑形的「星形膠質細胞（astrocyte）」，以及會吃掉腦內壞東西與老舊細胞的「微膠細胞（microglialcell）」等。

而義大利馬爾凱理工大學（MarchePolytechnicUniversity）研究團隊透過小鼠實驗發現，睡眠不足會刺激這群膠質細胞超量工作，詳細研究發表在第21期《神經科學期刊》（JournalofNeuroscience）。

可是，清理老舊細胞與修整神經網路對大腦運作都有幫助，那這些細胞拼命工作不是好事嗎？短期看起來是沒錯，但神經學家兼研究團隊領導人米歇爾．貝萊希（MicheleBellesi）表示，長期「超量工作」會對大腦造成傷害。

這或許可以解釋為什麼長期睡眠不足會增加罹患神經退化疾病的風險－－因為大腦中該清理的、不該清理的都被清掉啦！ 為了理解睡眠不足對大腦的影響，研究團隊將小鼠的睡眠狀況分成四組，再比較牠們腦內星形膠質細胞的活躍程度： 第一組讓小鼠自由睡上六到八小時（正常睡眠組） 第二組的小鼠會定期從睡眠中被喚醒（自發性清醒組） 第三組的小鼠連續八小時不能睡覺（急性睡眠不足組） 第四組的小鼠連續五天只能睡平常1/3至1/4的睡眠時間（模擬人類長期睡不夠的慢性睡眠不足組） 科學家發現，如果小鼠睡眠完全不受干擾，大腦中5.7%神經突觸的星形膠質細胞會顯得活躍；如果小鼠定期從睡眠中被喚醒，7.3%突觸的星形膠質細胞表現活躍；而對急性睡眠不足組與慢性睡眠不足組的小鼠來說，大腦中星形膠質細胞活躍的範圍就更廣了，分別是8.4%與13.5%。

此外，科學家注意到當小鼠連續八小時不能睡覺與更長時間睡眠不足，會促使星形膠質細胞更積極修剪老舊的突觸，甚至出現類似微膠細胞的吞噬行為（phagocytosis）－－也就是大腦開始自己吃自己啦。

「這是我們第一次呈現部分的神經突觸，因為缺乏睡眠被星形膠質細胞『吃掉了』」 但其實跟家具用久了比較容易壞，需要時不時補個漆、換個桌腳椅腳。

星形膠質細胞主要的下手目標，也是腦中最大、最成熟也最常使用的突觸，所以被分解掉不一定是壞事。

但是，科學家發現比較尷尬的是，長期的睡眠不足也刺激了大腦的微膠細胞，讓它們出現失控的吞噬行為，這情形跟罹患神經退化疾症的大腦有點像。

法國波爾多大學（UniversityofBordeaux）2009年曾發現「缺乏睡眠讓人更容易癡呆」，也許這就是原因之一。

所以人類大腦也會出現一樣的狀況嗎？長期睡眠不足的膠質細胞會崩潰多久（咦）？已經熬夜五天現在睡覺還來得及嗎？膠質細胞大吃特吃的狀況跟神經退化疾病有直接關係嗎？這些問題都得靠科學家繼續研究啦。

  原始論文： MicheleBellesi etal.SleepLossPromotesAstrocyticPhagocytosisandMicroglialActivationinMouseCerebralCortex, JournalofNeuroscience24May2017,37(21)5263-5273;DOI:https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.3981-16.2017 參考資料： Thebrainstartstoeatitselfafterchronicsleepdeprivation,NewScientist,[23May2017] TheBrainLiterallyStartsEatingItselfWhenItDoesn’tGetEnoughSleep,ScienceAlert,[26May2017] 發表意見 文章難易度 剛好 太難 所有討論 0 登入與大家一起討論 valeriehung 39篇文章 ・ 2位粉絲 ＋追蹤 興趣多多，書籍雜食者，喜歡問為什麼，偶爾也愛動手嘗試。

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地中海型氣候應是四季宜人，氣溫只會小幅變動。

附近青翠的山谷裡，穿山越嶺曲折流過的溪流，應是飲用水的來源。

山脈旁的森林應適合狩獵鹿、瞪羚、犀牛、野豬。

再向外，在毗連狹長海岸平原及撒馬利亞山脈的開闊荒野地帶，應生長著史前品種的穀物及果樹。

四周的溫暖氣候、多樣性生態及生食材料，應使迦密山洞穴成為萬千年來，無數狩獵採集族群的理想家園。

這些古代洞穴，如今是聯合國教科文組織（UNESCO）的人類演化世界遺產，從中挖掘出的遺物確實證明，在數十萬年間，這裡曾有一連串史前人類棲息地，同時智人與尼安德塔人（Neanderthals，譯注：遺跡最早在德國尼安德河谷被發現的史前人類）可能曾經相遇，引人遐思。

1920年查爾斯．R．奈特(CharlesR.Knight)所畫的，想像中的史前人類。

　圖／wikimedia 在此地和世上其他遺址的考古發現，顯示遠古及早期現代人類，是緩慢但持續學會新技能，善於用火，打造出越來越精細的刀刃、手斧、黑燧石及石灰石工具，也創作藝術作品。

這些文化與技術進步，逐漸成為人類特徵，使我們有別於其他物種，而關鍵的推力之一，是人類腦部的進化。

人腦為什麼能發展得如此特別？ 人類的腦部非比尋常：容量大且經壓縮，比所有其他物種的腦部都複雜。

人腦的大小在過去六百萬年裡長大三倍，這種變化大都發生於二十至八十萬年前，以智人出現前為主。

在人類歷史的長河中，人腦的能力為何能擴展到如此強大？答案乍看之下或許不言而喻：頭腦發達顯然使人類可以達到地球上沒有其他生物辦得到的安全與繁榮水準。

然而，事實真相要錯綜複雜得多。

要是像人腦那樣的腦部，真的如此明確有益於生存，那其他物種經過數十億年演化，為何未發展出類似的腦部？ 我們暫且來看看其間的差別。

以眼部為例，它是沿幾條演化路徑獨立發展。

有脊椎動物（兩棲類、鳥類、魚類、哺乳類、爬蟲類）的眼部，頭足類動物（烏賊、章魚、墨魚）的眼部，還有較簡單形式：單眼，見於蜜蜂、蜘蛛、水母、海星等無脊椎動物。

這種現象稱為趨同演化（convergentevolution），就是不同物種各自演化出相似的特徵，而非來自共同祖先的既有特徵。

眼部之外的例子不勝枚舉，像是昆蟲、鳥類、蝙蝠都有翅膀，魚類（鯊魚）與海生哺乳類（海豚）為適應水下生活而體形類似。

顯然不同物種是各自發展而獲得近似的有利特徵，但是能夠創作文學、哲學、藝術傑作，或發明耕犁、輪子、指南針、印刷機、蒸汽引擎、電報、飛機、網際網路的頭腦，卻是例外。

這種頭腦只演化過一次，在人體上。

人腦隨著演化發展與進化。

圖／pixabay 這麼強大的腦部，具有明顯的優勢，為何在自然界絕無僅有？ 這個謎題的解答，有部分要歸咎於腦部的兩大缺點。

一來人腦需消耗龐大能量。

它只占人體二％的重量，卻要消耗二○％的能量。

其次人腦很大，使新生兒頭部很難通過產道。

因此比其他動物的腦部，人腦更壓縮或更「褶皺」，並且人類嬰兒出生時，腦子只有「半熟」，需要好多年的微調才能成熟。

所以人類嬰兒無生活能力：許多動物的幼兒出生後不久就會走路，也很快就能自己覓食，人類卻需要兩年時間才能穩穩地走路，至於物質上自給自足，還要很多年。

既然有這些缺點，那當初是什麼因素導致人腦的發展？ 研究者曾認為，或許有數種力量共同促成這一過程。

生態假說（ecologicalhypothesis）主張，人腦是出於人類暴露在環境挑戰下而進化。

當氣候起伏不定，附近動物的數量隨之增減，腦部較發達的史前人類更能夠找到新的食物來源，設計捕獵採集策略，發展烹煮及儲存技術，使他們在棲息地生態條件不斷變動下依舊能夠生存並興旺。

反之，社會假說（socialhypothesis）主張，在複雜的社會結構中日益需要合作、競爭、交易，這促成更精進的腦部，才更有能力去理解他人的動機，預期他人的反應，於是成為演化優勢。

同理，能夠說服、操弄、恭維、敘述、娛人，這些都有利於個人社會地位，也有它本身的好處：刺激大腦發展及說話、論述能力。

文化假說（culturalhypothesis）則強調人類吸收及儲存資訊的能力，使資訊能夠代代相傳。

依此觀點，人腦的獨特優勢之一是能夠有效率地學習他人經驗，養成有利的習慣與偏好，不必仰賴緩慢許多的生物適應過程，即可促進在各種環境下存活。

換言之，人類嬰兒雖然身體上無能為力，但是頭腦裡備有獨特的學習能力，包括能夠領會及保留，曾幫助祖先存活、也將協助後代興盛的行為規範，那就是文化。

另一種可能進一步推動腦部發展的機制，是性選擇（sexualselection）。

即使對腦部本身沒有明顯的演化優勢，但人類也許形成了對頭腦較發達的配偶的偏好。

這些先進的頭腦或許具有對保護及養育子女很重要的隱形特質，有意找這種配偶的人，從可辨認的特徵像是智慧、口才、思慮敏捷或幽默感，能夠推斷出這些特質。

科技進步下越來越聰明的大腦！ 人類獨有的進步以人腦進化為主要推力，尤其在於它有助於帶來技術進步：以日益精進的方式，把周遭自然物質及資源轉為我們所用。

技術進步又塑造繼起的演化過程，使人類得以更成功的適應不斷變動的環境，從而進一步推動新科技及加以利用。

這種重複且具強化作用的機制引導著科技加速向前邁進。

隨著技術進步大腦也更快速發展。

圖／pixabay 尤其有人主張，越來越熟諳用火的早期人類開始烹煮食物，因而減少咀嚼和消化所需的能量，以致熱量充裕，並空出原本由顎骨和肌肉占據的頭顱空間，更加刺激腦部成長。

這種良性循環或許促進烹飪技術更多創新，繼而又使腦部進一步成長。

不過腦部並非人類與其他哺乳類唯一有別的器官。

人的手也是其一。

與腦合作的雙手，也在一定程度上為回應技術而演化，尤其受益於製作及使用狩獵工具、針、烹飪器皿。

特別當人類長於雕刻石頭、製作木矛等技術時，能夠強力使用並正確加以改良的人，存活的可能性就增加。

擅長狩獵的人能夠更可靠地養家活口，扶養更多子女長大成人。

相關技能的世代傳承，使人口中能幹的獵人比例增加。

再來，進一步創新的好處，如更堅硬的矛和後來更強的弓、更尖的箭等，又提高狩獵技藝的演進優勢。

類似性質的正面回饋循環，見於整個人類歷史：環境變遷與技術創新，促進人口成長，引發人類去適應變化中的棲息地和新工具，這些適應增強人類操縱環境、創造新技術的能力。

在後面會看到，這種循環是理解人類歷程，解開成長謎團的關鍵。

———本書摘自《人類的旅程》，2022年10月，商周出版。

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——愛因斯坦（AlbertEinstein），1921年諾貝爾物理獎得主 在「畢業求職碰壁，在伯爾尼專利局思索的愛因斯坦」裡，筆者提到了1905年愛因斯坦在專利局一口氣寫了五篇諾貝爾獎級的論文，投到德國名雜誌《物理年鑑》（AnnalenderPhysik），創造了理論物理界的一個「奇蹟年」。

愛因斯坦曾希望他在《物理年鑑》這傑出期刊上的大量論文能夠讓他擺脫默默無聞的三流專利審查員，獲得一些學術認可，甚至找到一份學術工作；但是事與願違，反應卻是非常冷淡。

正在絕望之際，愛因斯坦於1906年3月突然收到了一位物理學家的反應；令他驚奇的是：這位物理學家竟然不是別人，而是當時歐洲受人尊敬的理論物理學大師普朗克（MaxPlanck）！ 馬克斯．普朗克（MaxPlanck）。

圖／維基百科 普朗克寫信告訴他說那篇題爲「關於運動物體的電動力學」（ZurElektrodynamikbewegterKörper）論文「立即引起了我的熱烈關注」。

在該論文出版後，普朗克立即在柏林大學講授相對論！由於他的影響，這個理論很快在德國被廣泛接受，並公開地為愛因斯坦理論辯護，反對一波又一波的懷疑論者，終於使這篇完全改變牛頓之時空觀念的論文與量子力學一起開創了近代物理學（詳見「除了發現量子力學，普朗克還有第二個重大發現是什麼？」）。

可是愛因斯坦真的是首位發現狹義相對論的物理學家嗎？ 馬克斯威方程式：用簡單的公式解釋電磁學 在「近代物理的先驅：馬克斯威」裡，筆者提到曾被評選為有史以來第三大物理學家馬克斯威用簡潔數學方程式闡釋了當時已知的電磁現象。

從那些簡潔的方程式中，他看出了原來的安培定律只適用於穩定的電流情況，因此人為地加進去一個現在稱為「位移電流」（displacementcurrent）的項目！此「位移電流」不但解決了時變電場如何產生（誘導）磁場的問題（安培—馬克斯威定律），也讓馬克斯威看出電、磁本是一家人的對稱關係，使他成為第一位統合了自然界兩種不同作用力的科學家！也就是這一項令他在1865年導出電磁波的存在，並證明光事實上就是一種電磁波！ 詹姆士．克拉克．馬克士威（JamesClerkMaxwell）。

圖／維基百科 這現在所謂的「馬克斯威方程式（Maxwell′sEquations）」事實上有一個很大的問題：與具有300多年歷史之牛頓力學衝突！在牛頓力學裡，速度是「相對」的；但馬克斯威方程式中卻包含與光源運動無關的「定值」光速（讀者注意到沒：牛頓第二定律公式只含加速度、沒有速度）！因此儘管後者在解釋電磁現象的成功是無可置疑的，不少理論物理學家還是想修正它使其能容於牛頓力學；其中最著名的就是眾所皆知的：認為空間充滿了絕對靜止的「以太」，「光速為定值」就是相對於這一固定的「以太」而言——這不但解決了光速問題，還使電磁波有個「機械」的基礎（像聲波需要靠空氣來傳播）。

於是實驗物理學家開始設計各種實驗來偵測這一「以太」或者地球在這一「以太」中的運動速度；不幸的是各種實驗都是空手而歸：偵測不到地球在「以太」中的運動速度（其中最著名的就是1887年之麥可森—莫利（AlbertMichelsonandEdwardMorley）實驗）。

於是理論物理學家就開始尋找各種理論來解釋這些失敗的原因……。

其中「最簡單的解釋」是：馬克斯威方程式適用於在「以太」中做等速運動的任何慣性系統（inertialframe）——稱為「相對性原理」（principleofrelativity）。

相對性原理——伽利略 法國數學、物理、工程、哲學家龐加萊（HenriPoincaré）於1904年將「相對性原理」定義為：根據該原理，物理現象的定律無論是對於固定的觀察者，或等速平移運動的觀察者，都應該是相同的；所以我們沒有、也不可能有任何方法來辨別我們是否正在做這樣的運動。

事實上早在1632年，伽利略（GalileoGalilei）在「關於兩個主要世界系統的對話」（DialogueConcerningtheTwoChiefWorldSystems）中，即已明確地闡述這一原理。

正是因為這一個原理，所以我們沒有感覺到地球自轉及圍繞太陽運行（加速不夠快，所以大約是一個慣性系統）；因此不管你什麼時候在台北或北京做實驗，所得到的結果或定律都應該是一樣的。

伽利略．伽利萊（GalileoGalilei）圖／維基百科 到了19世紀末、20世紀初，物理學家已經完全接受這一原理。

在數學上，他們謂牛頓力學定律必須符合「伽利略坐標轉換」（Galileantransformation）公式：物理定律不應因從甲坐標轉換到另一慣性系統之乙坐標而改變。

馬克斯威方程式不符合這一坐標轉移，因此上面所提到的「最簡單的解釋」顯然不對！所以光速為定值還是一個謎。

洛倫茲與龐加萊 洛倫茲（HendrikLorentz,1902年諾貝爾物理獎得主）毫無疑問是十九世紀下半葉和二十世紀上半葉最偉大的物理學家之一。

由於測不出地球在以太中的運動，洛倫茲提出理論謂：設備通過以太時，可能導致設備在運動方向上沿其長度方向收縮（空間收縮）。

他進一步假設運動系統的「局部虛擬」時間[註1]也必須相應地改變（時間膨脹），導出了馬克斯威方程式必須符合的「洛倫茲（坐標）轉換」（Lorentztransformation）公式。

事實上龐加萊在1898年時即已意識到：「科學家必須將光速的恆定性作為一個假設，才能為物理理論提供最簡單的形式。

」在相對性原理或洛倫茲轉換的物理解釋，龐加萊的貢獻至少比愛因斯坦早了5年；而在其它方面，他們的許多貢獻則可以說是同時發生的：例如不少科學家認為龐加萊1905年6月在法國科學院所宣讀的「關於電子動力學（Surladynamiquedel’électron）」）刪節版，似乎「預見」了愛因斯坦1905年的相對論。

朱爾·亨利．龐加萊（法語：JulesHenriPoincaré）圖／維基百科 愛因斯坦 1905年，愛因斯坦在題為「關於運動物體的電動力學」的論文引言裡，開宗明義地謂「不要爭辯」光速了： 我們建議將「相對性原理」這個猜想（conjecture）提升到一個公設（postulate）的地位，並引入另一個表面上與前者不調和（irreconcilable）的公設，即光是在真空中的傳播速率為一與發射體運動狀態無關的定值c[註2]。

這兩個假設足以（讓我們）透過適用於靜止物體（狀態）之馬克斯威理論，導出一個簡單且不矛盾（consistent）的電動力學理論。

然後開始討論「運動學」，以光在任何等速坐標中都相同為出發點，用簡單的數學討論同時性的定義、關於長度和時間的相對性、從一個固定系統到另一個系統的時間與空間之坐標轉換理論、運動剛體和運動時鐘方程的物理意義、及速度的組成（相對運動的速度相加）。

在這一章節裡愛因斯坦不需任何極端近似，就能推導出「洛倫茲轉換方程式」、時間膨脹（timedilation）、「洛倫茲—傅玆久拉空間收縮」Lorentz－FitzGeraldcontraction）等等學物理的都耳熟能詳想的的觀念。

第二章「電動部分」所用的數學就複雜多了。

愛因斯坦在這裡將新的空間和時間理論應用於馬克斯威電動力學，證明電場與磁場是一物的兩面，因運動者的觀點而不同；馬克斯威實際上是遵循慣性運動的相對性原理：但因為我們一直認為空間和時間具有牛頓性質，而不是狹義相對論，故我們沒有注意到它而已。

狹義相對論的關鍵是同時性的相對性，只有在相對運動速度很小的情況下，牛頓的絕對時間和空間觀念才能（近似地）適用。

所以原來是牛頓力學，而不是「馬克斯威方程式」錯了！所以愛因斯坦在該論文的最後一節裡「修正」牛頓第2運動定律，得到電子[註3]的動能： 式中v為電子的運動速度，m0為電子的質量。

愛因斯坦只指出「（所以）大於光速的速度……，沒有存在的可能性」[註4]。

所以，到底是誰發現相對論？ 德國物理學家郭夫曼（WalterKaufmann）可能是第一個注意到愛因斯坦這篇論文之一的人：1905年，他比較了洛倫茲和愛因斯坦的理論，謂大部分的物理學家可能會較喜歡後者的方法，但他認為這兩種理論在觀察上是等價的，因此他把相對性原理稱為「洛倫茲—愛因斯坦理論」。

這算是客氣的了！1953年，英國數學、物理、歷史學家魏達克爾（EdmundWhittaker）爵士在總體評價上是正面的「以太和電理論史」（AHistoryoftheTheoriesofAetherandElectricity）一書中聲稱：相對論是龐加萊和洛倫茲的創造，愛因斯坦的貢獻並不大。

「以太和電理論史」（AHistoryoftheTheoriesofAetherandElectricity）一書出版於1910年。

圖／維基百科 事實上我們應該放棄優先權的無意義爭論，探討不同方法之間的異同才能看出愛因斯坦的貢獻。

愛因斯坦徹底消除了在物理學中沒有任何作用的以太，以光在任何等速坐標中都相同為出發點，探討了「同時」、空間、和時間的相對性。

相比之下，龐加萊認為以太是一種定義了「真實」空間和時間的特殊參考系統，其它框架中測量的空間和時間則只是「表面的」。

愛因斯坦從他的兩個假設，用最少的數學知識，導出了當時需要幾個極端近似的洛倫茲轉換式；而龐加萊則因這樣的轉換可使馬克斯威方程式保持不變，而「被動地」反向導出這些轉換。

愛因斯坦的論文不是因為要解釋實驗結果而東拼西湊出來的，它是「從公理開始，然後從中進行推論……」的美麗又簡單的理論。

從他的假設中準確地推導出了當時需要幾個極端近似才能得到的結果。

洛倫茲在十年後終於完全意識到他自己的論點和愛因斯坦的論點之間的區別，謂「如果我現在必須寫最後一章，我當然應該給愛因斯坦的相對論一個更突出的位置……。

（他的）運動電磁現象理論系統具有我無法達到的簡單性。

」儘管如此，洛倫茲（1853～1928）從未接受愛因斯坦的相對論觀點——這讓愛因斯坦非常傷心，因為洛倫茲是他最敬佩的四位物理學家之一（其他三位是伽利略、牛頓、馬克斯威）。

愛因斯坦與洛倫茲於1921年的合影。

圖／維基百科 閔可夫斯基時空 愛因斯坦在那篇論文裡一共提了15次的「空間」，但從來沒有將它和「時間」連在一起，所以他當時應該沒想到在他的新運動學裡，空間和時間處於完全相同地位。

將時間和空間組合成一個現在稱為「閔可夫斯基時空（Minkowskispace或spacetime）」之嶄新觀念的功勞歸於他在蘇黎世聯邦理工學院就讀時的數學老師閔可夫斯基（HermannMinkowski）。

這一新觀點奠定了相對論的數學基礎，完成了近代物理學家所熟悉之（狹義）相對論形式[註5]。

愛因斯坦在理工學院就讀時，常常表現出一副無所不知的態度，不但很少注意閔可夫斯基的課，也常翹課，因此閔可夫斯基稱他為「懶狗（lazydog）」。

愛因斯坦發表相對論後，閔可夫斯基評論道「我真不敢相信他能做到」。

而愛因斯坦則一開始就反對閔可夫斯基所提之時空為一體的新觀念；在他第一次聽到它時甚至貶低它，謂那是「多餘的博學」，並抱怨「自從數學家入侵相對論後，我自己也搞不懂了」！誰又想到如果不是這一新觀念及其數學，他後來的廣義相對論將永遠發展不出來！ 1908年9月21日，閔可夫斯基（已經被挖角到德國哥廷根大學）在第80屆德國自然科學家和醫師大會上的演講謂： ……，擺在你們面前的空間和時間觀是從實驗物理學的土壤中產生的，因此蘊含著它們的力量。

它們是革命性的（radical）。

從此，空間本身和時間本身注定要消逝於虛無之中，唯有兩者的某種結合才能保持獨立的現實。

在閔可夫斯基時空裡，單獨的空間和時間都不再是絕對的，而是因觀察者的運動狀態而異；但一體的時空則還是絕對的（詳見「牛頓的水桶」），比如所有觀察者測量得到的「兩點時空之距離」都是相同的。

有兩件事似乎說明了閔可夫斯基獨立地得出了愛因斯坦的狹義相對論和時空概念： 閔可夫斯基不可能那麼快的就於1908年報告、並發表59頁的成熟四維時空物理學，其內容充分地顯示了他對所有實驗都未能檢測到相對於絕對空間之均勻運動的原因有最深刻的理解；他的學生玻恩（MaxBorn，1954年諾貝爾物理獎得主）的回憶也證實閔可夫斯基獨立地在思考平面時空物理學。

玻恩回憶說：在1905年初夏的一次內部研討會上，閔可夫斯基「偶爾提到」他的時空研究；「（但）因為他希望先弄清楚其所有輝煌的數學結構，因此沒有（提早）發表它們」，而讓愛因斯坦搶得先機。

」 結論 從上面的分析看來，愛因斯坦那篇文章所討論到的幾乎都「古已有之」[註7]；因此像普朗克與波思（SatyendraBose）一樣，愛因斯坦可能根本沒想到該篇電動力學論文是「革命性的」。

知己莫若己，1905年，在寫給好友哈比希特（ConradHabicht）的信中，他只說「第一篇涉及輻射和光的能量特性，非常具有革命性：……第四篇論文現在還只是一個粗略的草稿，它是對時空理論進行修改之運動體的電動力學。

」以「馬後砲」之明來看，第一篇光量子的假設只是量子力學發展中（或許是很重要）的一個螺絲而已，但第四篇相對論則是一下子推翻了三百多年古典物理中的時空觀念，讀者說那個具有革命性呢？所以愛因斯坦真的知道他發現了革命性的相對論嗎？ 愛因斯坦解釋廣義相對論的手稿。

圖／維基百科 後記 1915年，愛因斯坦又發表了後來讓他一夜成名的廣義相對論，改寫了牛頓萬有引力理論；但也好事多磨，曾發生與非常傑出的數學物理學家、閔可夫斯基好友希爾伯特（DavidHilbert）[註6]爭吵發現廣義相對論之頭銜。

愛因斯坦也沒有因廣義相對論而獲得諾貝爾獎；他之獲得諾貝爾獎主要還是因他那自認為「非常具有革命性」的論文。

爭論如此之多，愛因斯坦為什麼要發表相對論呢？知己莫若己，且聽他道來：「我有時會問自己，我是如何發展相對論的。

我認為其原因是：一個正常的成年人從不去思考空間和時間的問題——這些都是他小時候就想到的；但我的智力發育遲緩，因此長大後才開始思考空間和時間。

」什麼？愛因斯坦發育遲緩？怪不得筆者曾為文謂愛因斯坦其實沒那麼神？反觀筆者自己，小時候從沒想過空間和時間，長大後也只知「生活空間」及「善用時間」而已，真是白痴一個！ 註解 在愛因斯坦發表相對論之前，一般物理學家都認為只有一個絕對的時間。

愛因斯坦從來沒有說明為什麼要第二個光速為定值的假設，因為這似乎是多餘的：如果馬克斯威理論謂光速在一（靜態）體系內為c，那麼依照第一個「相對性原理」的假設，在任何其它慣性坐標體系內的光速不應也是c麼？在網絡上有許多猜測與討論，但筆者認為是因為當時馬克斯威理論尚不容於古典之故。

又，光速是一個實驗可以測出來的物理量，怎麼可以「假設」呢？因為可以假設物體帶有非常微量的電荷，所以愛因斯坦大膽地認為其結論適用於「所有物體」。

當電子的運動速度比光速小多時，該公式就得回牛頓的動能公式。

該公式暗示電子的質量會因運動而增加，因此在網路上可以看到許多誤認為該文提出了「質能相等」的觀念（洛倫茲等人也早就「暗示」了）。

事實上愛因斯坦在該文中從未提及這些字眼；而在幾個月後又發表了一篇短文，從該公式推導出「物體的質量是其能量含量的量度：如果能量變化為L，則質量在相同意義上的變化為L/c2」，但也沒提及「質能相等」的觀念——儘管如此，物理學家還是將提出E=mc2的功勞歸於愛因斯坦（詳見「愛因斯坦其實沒那麼神？」）。

這篇短文事實上一開始就在邏輯上受到批評，而第一位批評的不是別人，竟然正是「發掘」他的普朗克！正像波爾（NielsBohr）等人在普朗克及愛因斯坦之後完成了近代物理的量子力學一樣（詳見《量子的故事》）。

正是他將閔可夫斯基挖角到德國哥廷根大學，使得該校成為當時全世界之數學物理學重鎮。

可惜閔可夫斯基英年早逝，1909年元月，正當相對論起飛時死於急性盲腸炎，時年才45歲。

不少物理學家及歷史學家都認為如果要發諾貝爾相對論獎，則除了愛因斯坦外，也應該包括洛倫茲及龐加萊。

延伸閱讀 賴昭正：《我愛科學》（華騰文化有限公司，2017年12月出版）：裡面收集了：「乙太存在與否的爭辯」(科學月刊，2017年5月號）、「牛頓的水桶」(科學月刊，2013年8月號）、「愛因斯坦其實沒那麼神？」（泛科學，2016／03／16）等。

「近代物理的先驅－馬克士威」（科學月刊，2019年3月號）。

「「懂廣義相對論的第三者是誰」（泛科學，2021／02／19）。

「畢業求職碰壁，在伯爾尼專利局思索的愛因斯坦」（泛科學，2021／05／18）。

「思考別人沒有想到的東西——誰發現量子力學？」（泛科學，2022／06／01）。

「抱歉了愛因斯坦，但我真的沒辦法頒獎給那個酷理論—為何相對論與諾貝爾獎擦身而過？」（泛科學，2021／07／28）。

「愛因斯坦其實沒那麼神？」（泛科學，2016／03／16）。

「除了發現量子力學，普朗克還有第二個重大發現是什麼？」（泛科學，2022／07／16）。

《量子的故事》，新竹凡異出版社，第二版（2005）。

「數理化科學裡有天才嗎？」（科技報導，2018年11月號）。

發表意見 所有討論 0 登入與大家一起討論 賴昭正 33篇文章 ・ 33位粉絲 ＋追蹤 成功大學化學工程系學士，芝加哥大學化學物理博士。

在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。

一直想回國貢獻所學，因此畢業後不久即回清大化學系任教。

自認平易近人，但教學嚴謹，因此穫有「賴大刀」之惡名！於1982年時當選爲清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長；但壯志難酬，兩年後即辭職到美留浪。

晚期曾回台蓋工廠及創業，均應「水土不服」而鎩羽而歸。

正式退休後，除了開始又爲科學月刊寫文章外，全職帶小孫女（半歲起）；現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。

首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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在我進一步翻閱描寫貴民族的重要文獻「沙丘」這套書，並且跟這套文獻典籍的其他同好討論過後，對於沙蟲有了更多的了解和體會，但也產生了更多的疑問。

最新的厄拉克斯星球生態人文記錄片2021年在地球上映了，規模之盛大，甚至還有預告片可以看呢！ 冒昧寫這一封信給您，是希望能夠透過貴民族第一手的觀察和說明，解答我對沙蟲的一些疑惑。

我完全理解沙蟲是弗瑞曼族人視為神的使者的存在，也請您相信我沒有一點點不敬的意思，我只想單純的從一個來自地球的沙蟲愛好者的角度，與族人分享我對沙蟲的理解、觀察和推測，並且期望族人們在尋找珍貴水源、躲避毒辣陽光、乃至與入侵者戰鬥的辛勞日常間，能夠撥冗提供我一點關於沙蟲的額外資訊和觀察，讓我確認我對沙蟲的觀察和推論是否合理或者大錯特錯，對我而言都會是莫大的鼓舞，我將不勝感激。

感謝您撥冗閱讀至此，接下來請允許我開始提出我對沙蟲的觀察、理解、以及讓我一籌莫展的困惑，誠摯期待您能夠分享弗瑞曼人與沙蟲共存千年的古老智慧和精準觀察，使我獲得解答。

拜託您了！ 首先，我的第一個問題是：沙蟲那麼大的體型，該如何應對龐大體重把自己壓垮、核心散熱不易、需要高效率的呼吸循環系統等困難呢？ 根據弗瑞曼人的重要文獻「沙丘」所述，中型的沙蟲體長已達200公尺左右，目測到最大的沙蟲可達400公尺之多，傳說中在厄拉克斯星球的南極甚至有750公尺乃至1公里長的超巨大沙蟲。

至於沙蟲的直徑，根據最新的生態人文記錄片「沙丘」還有歷來的生態人文記錄片畫面看來，中型沙蟲的嘴巴直徑至少就有13公尺左右，而且身體應該是呈現均勻的圓棒狀，身體後段也沒有看到明顯縮小延長的尾部。

沙蟲真的很大很大，幾可匹敵地球上最高的幾座建築物啊圖／ireddit 這麼巨大的體型，第一個難題當然是龐大的體重了。

在我們地球上已知的最大動物是藍鯨，長度只有30公尺、體高4-5公尺，但體重已經是150噸，這樣的重量讓藍鯨只能在水裡生活游動，一旦在海邊擱淺，自身的體重對於壓在底部的身體組織就會造成巨大的傷害。

相比之下，沙蟲直徑13公尺、長度200公尺的龐大軀體不僅是整天在沙漠中穿梭游動毫無水的浮力幫助，還能夠高舉頭部探出沙漠、甚至像鯨豚一樣躍出沙漠表面。

從生態人文記錄片「沙丘」裡弗瑞曼人活動的畫面看來，厄拉克斯星球的重力應該跟地球差不多才對，但沙蟲這麼龐大的體型居然得以不被自身體重壓垮、還能夠這麼輕巧的在沙漠表面跳躍活動，想來必定有特殊的結構和材質，讓沙蟲可以兼顧強壯又輕巧吧？ 擱淺的藍鯨，自身的體重就會對底部的身體組織造成巨大壓迫和傷害。

圖／wikimedia 容我猜想，沙蟲的身體或許類似地球上最大的現存樹種——世界爺一樣，以類似木質纖維素的複雜聚合物材質構成，這樣至少就有機會達到跟世界爺老樹乾材相仿的比重：0.3Kg/L。

如果沙蟲的身體主要由幾丁質構成，並且盡可能減少體內的含水率，那也大概可以達到0.3Kg/L這樣的比重。

世界爺，地球上最大的樹種。

圖／wikimedia 除此之外，我還有一個大膽的猜想：沙蟲龐大的身體裡面說不定其實充斥著許多氣囊和氣管系統，就好像地球上的飛行鳥類體內擁有的氣囊系統，再外加地球上眾多昆蟲體內的氣管系統一般。

這樣一來，沙蟲的身體就可以因為氣囊和氣管系統而更加大幅輕量化，減少被自身體重壓垮的機會，不但解決了體重難題，還可以依賴四通八達的氣囊、氣管與體表的氣孔，一併把龐大體型的核心餘熱排出體外，並且就近從周身的體表氣孔把氧氣帶進體內深處存在氣囊中，以備激烈運動時使用，形成高效率的呼吸系統與循環系統。

沙蟲的體內如果像中間的鳥類和底下的昆蟲一樣，具有許多氣囊和氣管，不僅能夠大幅減輕自身的重量，還可以解決核心的散熱問題以及呼吸系統的效率問題。

圖／wikimedia 更進一步而言，沙蟲體內如果充斥著氣囊和氣管系統，也能夠解釋沙蟲在沙漠中迅速游動的特殊移動能力：沙蟲藉著快速擠壓氣囊、從氣孔高速往前噴出氣流，就可以液化移動方向所在的沙團，於是得以像游泳一樣在沙漠中迅速悠遊。

這樣液化沙子的機制在地球上已經有許多實例（例如下列影片），若是再搭配沙蟲體表鱗片的震動，勢必能夠加成液化沙子的效果，讓沙蟲移動更加無往不利。

這樣的推測，不也貼切符合了生態人文記錄片中，沙蟲在沙漠表面之下高速移動時前方冒出的大量煙塵、以及沙蟲冒出地表時沙地滾動如沸騰的現象嗎？ 只要在沙中打入空氣，就可以讓沙子液化，沙蟲如果擁有氣囊、氣管與氣孔，往前大量高速噴氣應該就可以達成同樣效果，以在沙漠中游動。

適當的震動沙子也能夠讓沙子開始表現出液態性質，沙蟲或許也能夠藉由震動鱗片來達到這樣的效果。

不僅如此，勇敢的弗瑞曼人歷代相傳的駕馭沙蟲之術，藉由鉤子嵌入沙蟲的鱗片縫隙，稍微撬開鱗片讓沙蟲不適而轉身讓該處朝上，更持續在沙漠表面巡弋而不下沉的高超神技，或許也是因為沙蟲的鱗片下方有許多產生震動的精細構造，更有連結表面氣孔和體內氣囊的複雜氣管系統，於是當鱗片被撬出縫隙時，為了避免沙子滲漏進去造成傷害和問題，沙蟲也只好轉身讓鱗片縫隙處朝上，於是成就了勇氣與技術兼備的傳說美技。

近30年前的厄拉克斯星球生態記錄片，錄下了弗瑞曼人難得一見的沙蟲駕馭過程，當時耆老族人的說明以及沙蟲背上的噴氣氣孔，也證實了「沙蟲體內應有大量氣囊氣管連接到表面氣孔，以此噴氣來在沙漠中游動」的猜想。

我理解，這樣的大膽猜想或許使您感到意外，但請容我再次強調，我對弗瑞曼人視為神的使者一般的沙蟲，絕對沒有任何不敬之意。

我只是根據貴民族的重要文獻加上歷年來的厄拉克斯星球生態人文記錄片對沙蟲的描述和記錄，再結合我對地球動物的粗淺理解，做出「沙蟲體內可能有類似地球上的飛行鳥類的氣囊與昆蟲的氣管系統」這樣的推論。

而且坦白說，這樣的猜想推測不也正與沙蟲怕水、碰水會產生燒灼痛感、接觸大量水分將導致死亡的弱點不謀而合嗎？如果沙蟲體內有諸多氣囊和氣管系統，哪怕只是一點點水的入侵，水的黏附力可能就會造成大片的氣囊與無數氣管堵塞或塌陷，使得沙蟲組織缺氧過熱而迅速壞死，甚至引發骨牌效應牽連整個沙蟲導致死亡，您說有沒有道理呢？ 當然無論如何，我畢竟只是遙遠地球上的一個沙蟲愛好者而已，我所能夠獲得的沙蟲資訊也相當有限，遠不及千百年來在厄拉克斯星球生活的弗瑞曼人您們切身經歷的萬一。

因此，如果可能的話，下次當您們以沙槌呼喚沙蟲前來、或者是又有哪位勇者騎上沙蟲的背橫越沙漠之時，麻煩幫我觀察一下，沙蟲體表是不是佈滿氣孔不斷吸吐空氣好嗎？ 哪一天看到死去的沙蟲時，在哀悼之餘請也幫我仔細瞧瞧，沙蟲體內是不是佈滿氣囊與綿密的氣管系統好嗎？ 噢對了，如果厄拉克斯星球大氣的氧氣濃度高於地球這邊的20％，對沙蟲的氣囊和氣管系統會更有助益，不過我從生態人文記錄片裡面看不出來氧氣濃度，重要文獻裡面也沒寫，所以我也無從得知，如果您們能夠測量大氣中的氧氣濃度，那就可以多一項資訊做為參考和推測了。

大氣中氧氣濃度與昆蟲氣管系統中能夠獲得足夠氧氣的深度有關，沙蟲如果擁有氣囊和氣管系統，大氣中高一點的氧氣濃度對其龐大體型會相當有幫助。

圖／ArizonaStateUniversity 行筆至此，也該是讓您的幽藍雙眼休息的時候了。

誠摯的感謝您撥冗閱讀此信，期待弗瑞曼人能夠與我分享更多的沙蟲訊息，我將靜候來自厄拉克斯星球的佳音。

祝弗瑞曼族人們健康平安。

來自地球的沙蟲愛好者敬上 發表意見 所有討論 0 登入與大家一起討論 YTLai 49篇文章 ・ 20位粉絲 ＋追蹤 也許永遠無法自稱學者，但總是一直努力學著 TRENDING 熱門討論 即時 熱門 一場虎年的中亞瘟疫，預示隨後黑死病的開端？ 1 2天前 洞窟裡的宇宙！拉斯科壁畫上的生命歌賦──《人類大宇宙》 1 2天前 臺灣的空污問題與眾不同，如何使空污預報更精確？先瞭解大氣邊界層和感測物聯網吧！ 1 5天前 不用數學就可以解釋——相對論的著名想像實驗「雙胞胎悖論」 5 6天前 使用「藍碳」捕捉二氧化碳的速度比森林快四倍！這個方法可行嗎？——《圖解全球碳年鑑》 3 2022/10/12 鑑識故事系列：對花粉過敏，卻吞桃自盡？！ 2 6天前 燕麥奶為什麼這麼好喝？如牛奶般微甜、絲滑的口感是怎麼來的？——解析燕麥奶的加工原理 2 2022/09/25 宇宙到底從哪來？從量子力學和相對論來看「宇宙起源」，解釋完全不一樣！——《宇宙大哉問》 2 2022/09/28 RELATED 相關文章 科學家模擬出《沙丘》行星的氣候模型：現實中的人類真的能在Arrakis生存嗎？ 美國沙丘足跡：白沙國家公園2萬多年前的人類腳印 地上的沙丘不說話，卻還是能互動？藏在沙漠神秘圖騰的秘密 天選之人！為什麼地球上只有我們是高智慧生命體？——《人類的旅程》 愛因斯坦是第一個發現狹義相對論的物理學家嗎？ 繁 简