個人的相變－《物理才是最好的人生指南》

本文與財團法人臺灣生活美學基金會合作。 

AI 有可能造成人們失業嗎？還是 AI 會成為個人專屬的超級助理？

隨著人工智慧技術的快速發展，AI 與人類之間的關係，成為社會大眾目前最熱烈討論的話題之一，究竟，AI 會成為人類的取代者或是協作者？決定關鍵就在於人們對 AI 的了解和運用能力，唯有人們清楚了解如何使用 AI，才能化 AI 為助力，提高自身的工作效率與生活品質。

有鑑於此，目前正於臺灣當代文化實驗場 C-LAB 展出的「2024 未來媒體藝術節」，特別將展覽主題定調為奇異點（Singularity），透過多重視角探討人工智慧與人類的共生關係。

C-LAB 策展人吳達坤進一步說明，本次展覽規劃了 4 大章節，共集結來自 9 個國家 23 組藝術家團隊的 26 件作品，帶領觀眾從了解 AI 發展歷史開始，到欣賞各種結合科技的藝術創作，再到與藝術一同探索 AI 未來發展，希望觀眾能從中感受科技如何重塑藝術的創造範式，進而更清楚未來該如何與科技共生與共創。

從歷史看未來：AI 技術發展的 3 個高峰

其中，展覽第一章「流動的錨點」邀請了自牧文化 2 名研究者李佳霖和蔡侑霖，從軟體與演算法發展、硬體發展與世界史、文化與藝術三條軸線，平行梳理 AI 技術發展過程。

藉由李佳霖和蔡侑霖長達近半年的調查研究，觀眾對 AI 發展有了清楚的輪廓。自 1956 年達特茅斯會議提出「人工智慧（Artificial Intelligence））」一詞，並明確定出 AI 的任務，例如：自然語言處理、神經網路、計算學理論、隨機性與創造性等，就開啟了全球 AI 研究浪潮，至今將近 70 年的過程間，共迎來三波發展高峰。

第一波技術爆發期確立了自然語言與機器語言的轉換機制，科學家將任務文字化、建立推理規則，再換成機器語言讓機器執行，然而受到演算法及硬體資源限制，使得 AI 只能解決小問題，也因此進入了第一次發展寒冬。

之後隨著專家系統的興起，讓 AI 突破技術瓶頸，進入第二次發展高峰期。專家系統是由邏輯推理系統、資料庫、操作介面三者共載而成，由於部份應用領域的邏輯推理方式是相似的，因此只要搭載不同資料庫，就能解決各種問題，克服過去規則設定無窮盡的挑戰。此外，機器學習、類神經網路等技術也在同一時期誕生，雖然是 AI 技術上的一大創新突破，但最終同樣受到硬體限制、技術成熟度等因素影響，導致 AI 再次進入發展寒冬。

走出第二次寒冬的關鍵在於，IBM 超級電腦深藍（Deep Blue）戰勝了西洋棋世界冠軍 Garry Kasparov，加上美國學者 Geoffrey Hinton 推出了新的類神經網路算法，並使用 GPU 進行模型訓練，不只奠定了 NVIDIA 在 AI 中的地位， 自此之後的 AI 研究也大多聚焦在類神經網路上，不斷的追求創新和突破。

從現在看未來：AI 不僅是工具，也是創作者

隨著時間軸繼續向前推進，如今的 AI 技術不僅深植於類神經網路應用中，更在藝術、創意和日常生活中發揮重要作用，而「2024 未來媒體藝術節」第二章「創造力的轉變」及第三章「創作者的洞見」，便邀請各國藝術家展出運用 AI 與科技的作品。

例如，超現代映畫展出的作品《無限共作 3.0》，乃是由來自創意科技、建築師、動畫與互動媒體等不同領域的藝術家，運用 AI 和新科技共同創作的作品。「人們來到此展區，就像走進一間新科技的實驗室，」吳達坤形容，觀眾在此不僅是被動的觀察者，更是主動的參與者，可以親身感受創作方式的轉移，以及 AI 如何幫助藝術家創作。

而第四章「未完的篇章」則邀請觀眾一起思考未來與 AI 共生的方式。臺灣新媒體創作團隊貳進 2ENTER 展出的作品《虛擬尋根-臺灣》，將 AI 人物化，採用與 AI 對話記錄的方法，探討網路發展的歷史和哲學，並專注於臺灣和全球兩個場景。又如國際非營利創作組織戰略技術展出的作品《無時無刻，無所不在》，則是一套協助青少年數位排毒、數位識毒的方法論，使其更清楚在面對網路資訊時，該如何識別何者為真何者為假，更自信地穿梭在數位世界裡。

透過歷史解析引起共鳴

在「2024 未來媒體藝術節」規劃的 4 大章節裡，第一章回顧 AI 發展史的內容設計，可說是臺灣近年來科技或 AI 相關展覽的一大創舉。

過去，這些展覽多半以藝術家的創作為展出重點，很少看到結合 AI 發展歷程、大眾文明演變及流行文化三大領域的展出內容，但李佳霖和蔡侑霖從大量資料中篩選出重點內容並儘可能完整呈現，讓「2024 未來媒體藝術節」觀眾可以清楚 AI 技術於不同階段的演進變化，及各發展階段背後的全球政治經濟與文化狀態，才能在接下來欣賞展區其他藝術創作時有更多共鳴。

「畢竟展區空間有限，而科技發展史的資訊量又很龐大，在評估哪些事件適合放入展區時，我們常常在心中上演拉鋸戰，」李佳霖笑著分享進行史料研究時的心路歷程。除了從技術的重要性及代表性去評估應該呈現哪些事件，還要兼顧詞條不能太長、資料量不能太多、確保內容正確性及讓觀眾有感等原則，「不過，歷史事件與展覽主題的關聯性，還是最主要的決定因素，」蔡侑霖補充指出。

舉例來說，Google 旗下人工智慧實驗室（DeepMind）開發出的 AI 軟體「AlphaFold」，可以準確預測蛋白質的 3D 立體結構，解決科學家長達 50 年都無法突破的難題，雖然是製藥或疾病學領域相當大的技術突破，但因為與本次展覽主題的關聯性較低，故最終沒有列入此次展出內容中。

除了內容篩選外，在呈現方式上，2位研究者也儘量使用淺顯易懂的方式來呈現某些較為深奧難懂的技術內容，蔡侑霖舉例說明，像某些比較艱深的 AI 概念，便改以視覺化的方式來呈現，為此上網搜尋很多與 AI 相關的影片或圖解內容，從中找尋靈感，最後製作成簡單易懂的動畫，希望幫助觀眾輕鬆快速的理解新科技。

吳達坤最後指出，「2024 未來媒體藝術節」除了展出藝術創作，也跟上國際展會發展趨勢，於展覽期間規劃共 10 幾場不同形式的活動，包括藝術家座談、講座、工作坊及專家導覽，例如：由策展人與專家進行現場導覽、邀請臺灣 AI 實驗室創辦人杜奕瑾以「人工智慧與未來藝術」為題舉辦講座，希望透過帶狀活動創造更多話題，也讓展覽效益不斷發酵，讓更多觀眾都能前來體驗由 AI 驅動的未來創新世界，展望 AI 在藝術與生活中的無限潛力。

展覽資訊：「未來媒體藝術節——奇異點」2024 Future Media FEST-Singularity 
展期 ▎2024.10.04 ( Fri. ) – 12.15 ( Sun. ) 週二至週日12:00-19:00，週一休館
地點 ▎臺灣當代文化實驗場圖書館展演空間、北草坪、聯合餐廳展演空間、通信分隊展演空間
指導單位 ▎文化部
主辦單位 ▎臺灣當代文化實驗場

文／何健民｜美國維奇塔州立大學物理系榮譽講座教授

從 1913 年，荷蘭物理學家、超導現象發現者海克．昂內斯（Heike Onnes）受頒諾貝爾物理獎以來，陸續有眾多科學家也獲得諾貝爾桂冠，表揚他們在研究液氦、超流相、超導及其他低溫物理方面的成就。

超導是自然現象：當一電導體降溫到它的特定超導轉變溫度 （superconducting transition temperature，簡稱 Tc），電阻會完全消失。

從有到無的突變，似乎很難想像。但水蒸氣會在它的冷凝點 100 ℃ 變成水、水在凝固點 0 ℃ 又變成冰，我們司空見慣，沒有人會訝異。而從有電阻的正常態到零電阻的超導態，和這些氣態、液態、固態間的突變，都屬於自然科學中的相變。其他類似的突變，就我們已知的包括鐵磁（ferromagnetism）或反鐵磁 （antiferromagnetism），鐵電（ferroelectricity）或反鐵電（antiferroelectricity），以及液氦的超流態。

這些自然界奇特現象，在被發現以前，沒有人會知道它們的存在，也絕不可能經由技術去發明。一旦被發現後，科學家才經由研究去瞭解。無可否認的，除了液氦的超流態以外，各種相變都已有了很多應用，促進工業、經濟進展，提升人類生活品質。

一直到今天的高科技時代，任何物質的相轉變溫度，都無法預測，仍得靠實驗數據。當然了，要是有一個新材料，可以是合金或化合物，只要不會因熱分解，我們都能從經驗，大致猜到它的熔點。看似例外的二氧化碳，在極低溫下是俗稱乾冰的固體；升溫到 -78 ℃，不經過液體而直接氣化；但在高壓，超過 5.1 大氣壓時減溫，氣態仍是先變液體、再變固體。

從這裡，可以領悟到：

「壓力」和「溫度」在熱力學中佔同等地位，我們習慣的常溫、常壓在自然界中並沒有絕對意義。

這也指明，為什麼科學研究必需延伸到高、低溫及高、低壓。在技術上，改變溫度比改變壓力容易得多，所以一般實驗是由升、降溫著手。有進一步需求時，再調整壓力。類似溫度有不同的溫標，文獻中壓力也有不同的通用單位：bar、atm（標準大氣壓）、及 Pascal （簡稱 Pa）。

• 高壓換算：1 kbar = 0.987 katm = 0.1 GPa （k 是 10³、G 是 10⁹）。

鐵磁轉變

無論如何，除非會在加熱時分解，幾乎所有物質，在適當的壓力情況下都會有固態、液態、氣態間的相變。相對的，超流態相變只發生在液氦。

介於兩者之間的鐵磁轉變，有材料的限制：它們的原子必須帶有磁矩 （magnetic moment）。鐵磁轉變溫度 （例如純鐵的 770 ℃）以上是順磁性（paramagnetism）：在外加磁場中，只有隨溫度而定的部分磁矩順著磁場方向排列。轉變溫度以下，不需要外加磁場，原子磁矩就會同方向排列，成了鐵磁性。鐵磁性也就是永久磁鐵的基本特質。

反鐵磁性是指在轉變溫度以下，原子的磁矩正、反相間排列，抵消為零。鐵電及反鐵電與鐵磁及反鐵磁相似，只是原子磁矩被電偶（electric dipole）取代，也是限於少數材料。

超導體

至於超導體，一般分為兩類：1987 年出現所謂「高溫」超導體（high-Tc superconductors）的銅氧化物，有 100K （-173 ℃）附近的轉變溫度，遠超過了傳統超導體（traditional superconductors）的 20K 左右上限。有關的文獻很多，不在這裡贅述。只是指出，儘管傳統超導理論已在所有相變中最為完美，但仍無法預測任一物質是否會有超導轉變、更不必談超導轉變溫度了，還是得靠實驗。

【回顧歷史】汞是第一個被昂內斯在 1911 年發現的超導體。一個世紀後，今天已知的超導體，種類繁多，尤其是合金，可以連續改變成分的比例，使得超導體的數量，沒有了有意義的答案。

電導體異於絕緣體，因為有部分電子可以在整個固體中自由運動。超導體除了必然是導電的固體外，有其他要求嗎？到底超導可被認為是自然界中很特殊（類似液氦的超流），或是很普通（類似固態、液態、氣態間相變）的現象？與其給一個似是而非的答案，不如就從週期表中，簡單的看一看，多少元素有超導轉變？都是意料中的嗎？其他非超導體的，是否有易於被接受的理由？

從週期表看超導體

有一點可以肯定，純元素都屬於傳統超導體。這一類超導體的理論機制，主要是晶體中的離子，經由與自由電子的交互作用、形成瞬間生成和消失的「虛聲子（virtual phonon）」，而虛聲子導致兩個有相同動量值，但方向相反的自由電子成為零動量的電子對（electron pair）。因此，當電流通過超導體，雖仍有電子和離子間的交互作用，但不產生電子整體的能量減少，或是晶挌振動的能量升高，也就是為什麼，從整體現象來看，就沒有了電阻或是熱的產生。

儘管這裡的討論著重定性，只有一些特殊情形，才會比較超導轉變溫度的高底。但是不妨提一下，已知的超導元素中，以鈮（Nb）的 9.2K 為最高，而鎢 （W） 的 0.015K 為最低。也順便說明，同一元素可以因晶體結構不同，有不同的超導轉變溫度。例如鑭（La）的六方密排體（hexagonal-close-packed）或面心立方體（face-centered-cubic）分別為 4.9K 或 6.0K。再有一點，對理論和應用都有相當貢獻的是薄膜和塊材間性質的差異。例如錫（Sn）的 Tc，塊材時是 3.7K，但在 1,000埃 （Å）左右的薄膜中可以達到 4.6K。為台灣科技產業奠基的元老李國鼎先生，早於 1936 年，就參與英國劍橋大學對液氦中錫薄膜的研究，是華人在低溫、超導工作的先驅。

在週期表中，標明呈現超導的元素。利用元素間的週期性，可以大致作出一些結論：

 1. 從氫（H）到銤（Am）的 95 個元素，有超過半數的 54 個超導。其中 30 個，轉變在常壓下發生；23 個需要在高壓下；而唯一在薄膜中才會發生的是鉻（Cr）。

 2. 第七週期，從鋦（Cm）開始後段的元素，只能在高能實驗中形成，量少、放射性強而不穩定，至少目前還無法形成可用以量測的固體試樣。因此，它們是否會有超導轉變，仍是未知數。

 3. 最後一族的 6 個不與其他物質發生化學反應的惰性氣體，氦（He）到氡（Rn），雖然可在低溫固化，但是它們沒有自由電子，也就不會超導。

 4. 理論上，超導與鐵磁不能共存，因為在超導態中，形成電子對的兩個電子有相反的自旋（electron spin）。離子磁矩若有序排列呈鐵磁性，就會破壞這種組合。屬於這類的非超導體有過渡元素中的鈷（Co）和鎳（Ni）。鐵（Fe）應該也是一樣，它的超導性（Tc ≈ 2K），是因為在 150 kbar 以上，原有產生鐵磁性的磁矩由於離域狀態（delocalization）消失。鑭系中，除了銪（Eu）之外，從鐠（Pr）到鐿（Yb）也都帶有相當磁矩。

 5. 高壓引發的超導態，主要是因為壓力導致固態晶體結構改變，使得在常壓下不見的轉變在新結構中發生。例如第五族的磷（P, Tc = 5.8K）、砷（As, 0.3K）、銻（Sb, 3.6K）分別需要 17、15、8.5 kbar 的高壓。

 6. 超導元素中，最令人訝異的可說是我們賴以生存的氧。常壓下，氧在 90K 液化、55K 固化，由雙原子分子（O₂）構成的晶體沒有自由電子，根本是不導電的絕緣體。但壓力超過 950 kbar，會有晶體結構改變，同時引發金屬性。再高到 1,000 kbar （近 100 萬大氣壓），就成了有 0.6K 轉變溫度的超導體。

 7. 最有趣的問題：為何在常溫下最好的電導體，包括銅（Cu）、銀（Ag）、金 （Au）反倒不超導？其實這也可從傳統超導理論中，找出原因：超導態中自由電子形成電子對，是依靠虛聲子的生成和消失，而虛聲子則是受電子和離子交互作用激發。好的導體，電阻小，是因為電子和離子交互作用弱，反而使得虛聲子、及電子對不易生成。當然也有可能，超導態會在比今天可達到的低溫更低的溫區出現。既然理論無法決定，只有靠時間，等待技術的提升了。

 8. 最有挑戰性的是高壓下的固態氫。理論上，在所有元素中，它有最輕的離子和最大的自由電子密度，有助於虛聲子和電子對的形成，成為超導體，並且有相當高轉變溫度的可能，但是實驗一直沒有成功。直到 2015 年後期，有研究報告，在極高壓下，固態硫化氫（H₂S）呈現金屬性。而在 1,500 kbar（差不多是 150 萬大氣壓）下，冷卻到 203K（-70 ℃）時，就有了超導轉變。203K 是今天所有超導轉變溫度最高的記錄。這份令人驚喜的結果，被認為有可能，來自主要成分氫的貢獻。

其他元素，例如鈉（Na）、鉀（K）、鎂（Mg）、鉑（Pt），不超導並沒有任何理論上的支持。或許只是有限的實驗尚未達到適當的高壓和低溫。讓我們拭目以待。

往回看，許多現象，包括超導，雖然它們在自然界中，極為普遍，但是假如沒有低溫科技，我們就不會知道它們的存在。更不會利用到它們，對人類生活可以有重大貢獻的潛力。也許這就是自然法則：要求新、要突破、就必需儘可能向前所未知的領域深入研究。低溫科技如此，太空、奈米、生物科技又何嘗不是？

本文摘自《物理雙月刊》38 卷 10 月號 ，更多文章請見物理雙月刊網站。

《物理才是最好的人生指南：讓宇宙定律為你效勞》（Physics for Rock Stars: Making the Laws of the Universe Work for You）是本很搞怪的書，它的英文原名直譯過來其實該是「給搖滾巨星的物理課」，由此可見作者克莉絲汀．麥金利（Christine McKinley）鎖定的讀者群原來是夜店裡的男女XD

讀了這本書，還真是輕鬆愉快，因為《物理才是最好的人生指南》裡頭的物理學，其實只有初中程度而已（美國的高中程度），比起大一理工科程度的《我在MIT燃燒物理魂》（For the Love of Physics : From the End of the Rainbow to the Edge of Time—A Journey Through the Wonders of Physics），還有大學通識課程度的《給未來總統的物理課：從恐怖主義、能源危機、核能安全、太空競賽到全球暖化背後的科學真相》（Physics for Future Presidents: The Science Behind the Headlines）來說，顯得很不「物理」（請參見〈我在MIT燃燒物理魂－教學的典範！〉和〈給未來總統的物理課－必須面對的科學真相〉）。

就因為《物理才是最好的人生指南》實在非常淺顯易懂，它太適合文科生來讀了！夠簡單到完完全全不需要任何理科基礎！可是卻能夠從數理裡學到一些人生智慧。而理科生呢？當然可適合來讀這本書，因為裡頭談到的物理原理，連我這個對物理有點恐懼的理科生，也沒有負擔，還讓我回想去過去在普物實驗室裡的糗事。即使是主修物理的朋友，更應該來讀這本書，認識一下物理定律如何展示了讓人生更美好所應遵循的法則！

《物理才是最好的人生指南》在每一章末都有些非常有趣、富娛樂性的小習題。雖然有不少打諢插科，可是裡頭的物理卻一點也不馬虎。《物理才是最好的人生指南》也算是麥金利的半自傳，她想原本當一個壞女孩，後來被迫念教會學校當乖乖女，充滿夢想的女生時期，在高中物理課堂天馬行空地用物理定律來進行各種幻想，這是否也讓人回憶起過去青澀並敢於作夢的青少年時期呢？

物理不是冷冰冰的科學嗎？怎麼會和人生扯上了關係呢？難道物理公式能夠幫忙我們回答各種人生的問題呢？物理能教我們如何把妹嗎？（這不是生物學和心理學嗎？）物理能讓我們擺脫失戀之痛嗎？（這不是要靠化學嗎？用乙醇啊XD）物理能為我們茫茫的前途作出指引嗎？物理能教我如果應付壓力嗎？物理能告訴我們選哪個科系和工作嗎？……《物理才是最好的人生指南》就是要用幽默有趣又易於理解的方式告訴你，當然有可能！不過首先先要乖乖上課XD

回想當年，我最害怕的科目就是物理。初中在馬來西亞的放牛班，決定一定要念理科班，否則我就當一個壞學生，可是物理老師連精神都有問題，只好硬著頭皮自己K書，也勉強K到剛好及格，雖然全班似乎也只有兩三個人及格。到了高中，我們窮學校師資嚴重不足，老師只能把三大冊物理課本的力學和幾何光學教完，到了大學卻遇到普物老師實驗新課本，用了研究所程度的醫學物理，完全沒有學過任何電磁學和近代物理，只能被同學白眼、低聲下氣跟老師求情才勉強過關Orz 大二上物理化學時我最開心的一件事不是還拿了不錯的成績，而是以後再也不需要再碰物理了XD

不過人生還真奇妙，最恐懼和討厭的科目，往後可能要靠它吃飯。我碩班論文就是用物理的方法研究生物現象（蜜蜂磁鐵），部分實驗場所就在物理館；導師說他大學時最討厭的課是遺傳學，後來卻念了遺傳學博士班，我聽到時心裡OS想說這絕對不會發生在我身上，因為我在生科系最討厭的課是遺傳學，沒想到我也拿了遺傳學博士XD

言歸正傳，《物理才是最好的人生指南》的內容頗豐富，用能量守恆定律來讓人生切莫空轉、用原子的吸引與鍵結來知道自己是哪一型、理想氣體定律叫你別穿內衣應門、無所不在重力讓大家都有一樣的加速度、力與力圖分析來用工程方法規畫人生、利用機械利益來幫自己找根槓桿、利用浮力想辦法別讓自己沉下去、利用流體讓逃命時也要很有型、熱力學第二定律告訴你人生的混亂在所免、利用物質的相變產生一飛沖天需要累積能量、飄忽不定的電子教你培養神祕感、相對性教你尊重其他觀點、四種基本作用力讓你享受漫漫旅程……

在讀《物理才是最好的人生指南》的時候，真的會一直驚嘆「什麼！降都可以！」。所以，人生啊，何必劃地自限？我們擁有的可能性，說不定比亞佛加厥常數還多！只是機運像電子雲，我們有適合自己的軌域。宇宙萬物都有其運行的道理，只要用對了方法和摸對了條件，就只要順手推舟了吧？

書摘：

• 個人的相變－《物理才是最好的人生指南》
• 當車子掉進水裡，腦袋和鞋子千萬要保住－《物理才是最好的人生指南》
• 能量守恆定律－《物理才是最好的人生指南》

本文原刊登於The Sky of Gene。