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如何測量蘇格蘭的海岸線與科羅拉多河?—《股價、棉花與尼羅河密碼》

PanSci_96
・2016/10/25 ・2563字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 547 ・八年級

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碎形幾何理論中最引人注目的,恐怕是對空間的獨特看法

自歐幾里得以來,數學家一直認為「點」是零度空間,「線」屬於一度空間,「平面」屬於二度空間,而我們所熟悉的環境則是三度空間。愛因斯坦則提出了第四度空間,也就是「時間」。數學上可以繼續以此類推,舉出假想的五度、六度,甚至七度空間,雖然只是假想的理論,但是對於解決工程、經濟或物理方面的問題很有幫助。

拓樸學是數學領域裡研究「表面」的一支,提供了相當有趣的新發現。就拓樸學的觀點而言,黃瓜和橘子是一樣的,因為不需要切割黃瓜的表面就可以將它重新塑造成橘子的形狀,反之亦然。一個圓的圓周跟曲曲折折的海岸線一樣,同屬一度空間。圓周和鋸齒線都是連續的線,將鋸齒線展開、攤平再彎曲,可以形成一個圓;同樣的,將圓周拉直再加以曲折,可以形成鋸齒線——都不需要切割。

拓樸學中的莫比烏斯帶。圖 / By David Benbennick @ Wiki
拓樸學中的莫比烏斯帶。圖 / By David Benbennick @ Wiki

然而,所謂的空間,真的就如此而已嗎?

拿一顆線球當例子。首先,以歐幾里得的觀點來看:假設這個線球的直徑是五英寸,而線的粗細遠不及一英寸。若站在很遠的地方,幾乎看不到球;根據古典幾何學,可以說它是個零度空間的點。若握在手中,這個線球則確實是三度空間中的立體物件。近一點看,會發現它其實是由一團一度空間的線所纏成的。再更近一點看,會發現這線其實也是立體的,屬於三度空間。這麼追根究柢下去,一直到在電子顯微鏡下觀察到原子,才又回到零度空間的點。那麼,這線球到底是零度空間、一度空間,還是三度空間?答案依個人觀點而異。

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線球到底是零度空間、一度空間,還是三度空間?圖 / By Anadem Chung @ flickr

就自然界中複雜的形狀而言,空間是相對的。空間的定義隨著觀察者的角度而改變。同一個物體可隸屬於不同維度的空間,看你觀測的角度與用途為何。維度不必然是整數,也可以是分數。這樣的觀點賦予古老的空間觀念一個嶄新的定義。

維度不該是死板而一成不變的,而是應測量的需求而有所改變。那麼,你要怎麼測量某個東西呢?要量一條直線的長度,你可以用尺;要測量曲線,你可以用稍短的尺,順著曲線弧度一小段一小段地測量,然後將結果加總。用的尺越短,測量的結果就越準確,測得的長度也比較長(參見下面關於「碎形維度」的解說),當然過程較為繁瑣費時。隨著量尺越來越短,最後得到的結果最接近實際,我們就將此結果當做曲線的長度。

如果遇到曲折的鋸齒線或不規則曲線,該怎麼辦?蘇格蘭的海岸線又如何測量?可以用測量員的測量鏡,測量岬角與岬角間的距離,這是較粗略的方法。也可以用極長的軟尺測量點與點之間的距離,或者用碼尺、彎腳規或顯微鏡。但這都是白費工夫。嶙峋的海岸線跟圓滑曲線不同,測量結果往往因用途而異,並沒有一個「最好」的答案。隨著地圖比例尺的大小或政治動機的不同,測量結果也不一樣。

蘇格蘭海岸線到底有多長?圖 / By Jonathan Stonehouse @ flickr
蘇格蘭海岸線到底有多長?圖 / By Jonathan Stonehouse @ flickr

將近一個世紀之前,英國心理、物理學家路易斯.理查森(Lewis Fry Richardson)就曾針對這個問題加以研究。他根據官方資料上的國界長度測量結果進行研究,發現西班牙政府測量該國與葡萄牙的邊界長度是 987 公里,而葡萄牙政府的測量結果卻多達 1214 公里。至於荷蘭跟它那面積較小、經濟能力較差的鄰居比利時,荷蘭政府測得的邊界是 380 公里,而比利時政府則聲稱有 449 公里。

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那麼,東西有多長?由上述例子可以看出,這個問題沒有多大意義。解決方法之一,是將不同長度的尺所測得的結果畫成圖表。當然了,測量的結果會隨著尺的長度縮短而增加。可喜的是,測量結果幾乎是以一定的比例增加。以一條直線為例:假設用來測量的第一把尺剛好跟該直線等長,第二次用的尺比較短,正好是直線的一半,因此測量結果是尺長的兩倍,第三把尺是上一把尺的一半長,因此測量結果直線是尺的四倍長,依此類推。

接著,測量前面提到的鋸齒狀海岸線。隨著使用的尺越來越短,我們可以觀察到不尋常的現象:

測量結果增加的幅度,要高過尺縮小的幅度。用來測量這個現象的度量衡,就叫做碎形維度(fractal dimension)。

從簡單的例子講起:一條直線的碎形維度是一,而直線正好屬於一度空間。然而,英國海岸線的碎形維度卻是 1.25。這講得通嗎?那當然!崎嶇的海岸線比一度空間的直線來得複雜,但不論海岸線多麼曲折,還不至於複雜如二度空間。

不只這樣。澳洲的海岸線沒有英格蘭西南部康瓦爾地區的那麼曲折,所以它的碎形維度只有 1.13。相形之下,平滑的南非海岸線碎形維度更低,只有 1.02,只比直線高一些。

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河流是另一個很好的例子。美國地質調查局(U.S. Geological Survey)研究美國境內大型河流的路徑,發現東部的河流碎形維度大約是 1.2,西部曠野的河流則是 1.4。這項調查結果恰好符合大眾的認知——西部的科羅拉多河(Colorado River)蜿蜒曲折,而東部的查爾斯河(Charles River)較為平順。

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西部的科羅拉多河蜿蜒曲折。圖 / By K.Oliver @ flickr

再舉一例:觀察肺臟內部支氣管錯綜複雜的表面,這些表面的面積加起來足足有一個網球場那麼大,這些錯綜複雜表面的碎形維度將近三。這層薄膜非常彎曲、有很多皺褶,因此幾乎有如三度空間。

以上種種說明了什麼呢?一個新的度量工具誕生了,不是測量長度、重量、溫度或分貝,而是測量物體曲折或不規則的程度。終於,科學界有了第一個測量「不規則」形狀的工具。


書封:股價、棉花與尼羅河密碼

 

本文摘自《股價、棉花與尼羅河密碼》,早安財經出版社。

 

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揭開 GaN 的力量:理解電路拓樸在設計中的重要性
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/08/31 ・2948字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文由 德州儀器 委託,泛科學企劃執行。

從 IC 之父 Jack Kilby 在德州儀器發明世上第一顆積體電路,到現在已過了 65 年,而這項科技已經成為我們的日常,並且還在不斷進步。德州儀器不僅是積體電路的先驅者,更長期投資氮化鎵 (GaN) 的電源應用,例如資料中心伺服器電源、再生能源、或是小體積的電源供應器等,開發許多獨創的電路結構。在已到來的次世代半導體浪潮中,德州儀器早已站穩了腳步,成為高壓半導體領域的領導者。

氮化鎵作為新材料的崛起,已成為充電領域的新寵,甚至打敗了傳統的矽 (Si) 基充電頭。然而,要充分發揮氮化鎵的潛力,需要量身定制相對應的策略和戰術。

何謂電路拓樸?電路設計要考量什麼?

拓樸電路是氮化鎵最好的後勤部隊,能讓它發揮 100% 的力量。但這個拓樸電路又是什麼呢?

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先來談一下比較陌生的名詞「拓樸」。拓樸是幾何學中重要的概念,主要在研究物體在連續變化下時的不變性質。舉個數學家最愛的例子,就是研究如何把一個帶手把的馬克杯變成甜甜圈。這是什麼鬼題目?這就像問炭治郎什麼時候要開 5 檔,八竿子打不著吧?但對數學家來說,這個題目是可能的,因為帶手把的馬克杯和甜甜圈有個共通特徵,就是有一個洞!只要有這個共同特徵,我們確實就可以透過一系列的數學運算,將馬克杯變成甜甜圈。

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在拓樸學中,有一個手把的馬克杯和甜甜圈是相同的。圖/wikimedia

舉例來說,漫威電影中班納博士變身成浩克,如果希望浩克的身上能看得出班納博士的影子,就必須用拓樸學先將班納博士的五官這些「特徵」定位好,製作成大家常看到有如網格的 3D 建模,變身成浩克時才不會整個走鐘(台語),臉部比例亂成一團。沒錯,拓樸解決的,是在兩種形狀間切換時,這些特徵與圖案的比例不會隨便亂跑,成為四不像的東西。

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用拓樸學先將班納博士的特徵定位好,製作成大家常看到有如網格的 3D 建模。出處:tutsplus

回到我們的氮化鎵電路,難道我們要利用拓樸學,把電路板的形狀變成一個甜甜圈或是浩克嗎?當然不是,這邊指的是用更少的元件、更低的延遲與漏電的設計,把相同功能的電路重新改寫配置。

簡單來說,電路拓樸就像是電路板上的藍圖,告訴我們如何把各種電子元件,比如電阻、電容、電感、電晶體等組織在一起,來完成我們想要的任務。

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每種電路拓樸都有它的優點和適用的場合。例如,Buck轉換器可以將輸入的電壓降低,適合用在需要較低電壓的應用上。Boost轉換器則可以提升電壓,適合用在需要較高電壓的應用上。LLC轉換器具有高效率和寬輸入電壓範圍的特性,適合用在需要高效率和靈活性的應用上。PFC(Power Factor Correction)則是一種用來提高電源效率的技術,它可以使輸入電流與電壓同步,減少能量損失等等。

Boost轉換器。出處:德州儀器
Buck轉換器。出處:德州儀器

然而,這些都是以矽為主的拓樸電路,為了充分發揮氮化鎵百分之百的潛力,我們不能僅僅依賴傳統的電路設計方法和拓樸,而是要重新塑造!

GaN+電路拓樸=最強?

那麼,我們要如何重新塑造才能全部發揮 GaN 的實力呢?讓我們以一種常見的電路拓樸—功率因數校正 PFC 為例。

PFC,是電路中的交通指揮,負責將電路中電流與電壓同步,以達到最佳的效率。在電訊號經過漫長電路之後,常常導致輸出的電流與電壓波形出現時間差,不再同步。我們知道功率等於電壓乘以電流,因此兩者好好配合,才能發揮最大效益,如果兩者沒有同步,就會降低整體電路的有效功率。

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高功率因數。出處:wikimedia
低功率因數。出處:wikimedia

PFC 功率因數修正電路,現在看到在做的事情,就是讓它們好好同步,降低無謂的能量浪費。目前世界各地許多法規都直接要求在電路中加入 PFC,提升用電效率。

那麼問題來了,同樣是 PFC 電路拓樸,現在我們有兩種設計,下方的圖 1-雙升壓 PFC,跟下方圖 2-圖騰柱 PFC。

圖 1、雙升壓 PFC。出處:德州儀器
圖 2、無橋接式圖騰柱 PFC。出處:德州儀器

依照我們希望體積盡可能小的需求,直覺來說你要選哪一個呢?

當然是圖 2,因為他看起來比較簡單嘛。可惜的是,市面上大多矽基半導體的 PFC,都是選擇圖 1 方案。因為圖 2 方案的簡約設計,前提是關鍵的二極體必須具備低的「反向恢復時間」。

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所謂反向恢復時間,指的是電晶體在電源切斷的瞬間,電晶體內仍有殘留電荷,會反向放電,造成電路阻塞。而矽基半導體過長的反向恢復時間,會導致電源損耗上升。反之,氮化鎵因為反向恢復時間為零,可以完全適應高效的圖騰柱 PFC。

這邊提到的 PFC 只是氮化鎵的其中一種運用,別忘了,除了零反向恢復時間外,它還有著能承受高電壓與高溫的特性,再加上低漏電率的關鍵被動技能,在目前的半導體戰場上,可說是最強的挑戰者。未來在各種電源供應器上,應該很快都能看見它的身影。

當然,講到這邊,都僅止在題本作答。在實際的晶片設計中,各元件間的距離與電路安排,都需要經過多次的試驗和調整,才能找到最適合的電路拓樸和元件配置,而這也正是德州儀器所擅長的領域。

德州儀器設計出的電源供應器,已經遍佈全世界的重要設備中。除了提供高效的能源供應,節省下的能源,也直接減少了許多碳排。根據估計,對一個 100 MW 的資料中心來說,換上 GaN FET 之後,就算只有提升 0.8% 的效率增益,在 10 年內就能節省多達 700 萬美元的能源成本。尤其在 AI、量子電腦等科技發展蓬勃的現在,在「節流」這一塊的投資,真的非常重要!

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看到這鋰,如果你也想訓練這個「黑科技」氮化鎵,打造更強的電路、為世界的節能貢獻一份心力。或甚至像 IC 之父 Jack Kilby 那樣,發展全新的電路架構,做出足以改變世界的創舉,德州儀器歡迎所有熱血人才加入,一起來改變世界吧!

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圓形 = 三角形?形狀之間的秘密關係——《不用數字的數學》
經濟新潮社
・2022/09/27 ・1427字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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數學家通常都想很多,這是我們的習性。我們會分析對稱或相等這類大家都知道的基本概念,試圖找出更深層的意義。

形狀就是一個例子。我們多少都知道形狀是什麼。我們看到一個物體時,很容易就看得出它是圓形、方形還是其他形狀。但數學家會問:形狀是什麼?構成形狀的要素是什麼?我們以形狀分辨物體時,會忽略它的大小、色彩、用途、年代、重量、誰把它拿來的,以及最後誰要負責歸位。我們沒有忽略的是什麼?當我們說某樣東西是圓形時,看到的是什麼呢?

形狀百百種,可以量化嗎?

當然,這些問題沒什麼意義。就實際用途而言,我們對形狀的直覺理解就已經夠了——生活中沒有什麼重大決定是需要仰賴我們對於「形狀」的確切定義。但如果你有空又願意花時間來想一想,形狀倒是個很有趣的主題。

假設我們現在要思考了,我們或許會問自己這個問題:

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世界上有多少形狀?圖/經濟新潮社

這個問題很簡單,但不容易回答。這個問題有個比較精確和有限的說法,稱為廣義龐卡赫猜想(generalized Poincaré conjecture,或譯龐加萊猜想)。這個猜想提出至今已經超過一百年,目前還沒有人解答出來。嘗試過的人相當多,有一位數學家解出這個問題的大部分,因此獲得了100萬美元獎金,但還有許多種形狀沒有找到,所以目前我們還不知道世界上一共有幾種形狀。

動手把形狀畫出來

我們來試著解答這個問題。世界上有幾種形狀?如果沒有更好的點子,有個不錯的方法是畫出一些形狀,看看會有什麼結果。

我們可以試著畫出一些形狀。圖/經濟新潮社
我們可以試著畫出一些形狀。圖/經濟新潮社

看來這個問題的答案取決於我們區分形狀的方式。大圓和小圓是相同的形狀嗎?波浪線(squiggle)應該全部算成一大類,還是應該依彎曲的方式細分?我們需要一種通用規則來解決這類爭議,才不用每次都需要停下來爭論。

從幾何學到拓樸學

可用於決定兩個形狀是否相同的規則相當多。如果是木匠或工程師,通常會希望規則既嚴謹又精確:必須長度、角度和曲線都完全相等,兩個形狀才算相同。這樣的規則屬於幾何學(geometry)這個數學領域。在這個領域裡,形狀嚴格又精確,經常做的事情是畫垂直線和計算面積等等。

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決定兩個形狀是否相同的規則相當多。圖/經濟新潮社

但我們的要求比較寬鬆一點。我們想要找出所有可能的形狀,但沒時間慢慢區分幾千種不同的波浪線。我們想要的是在比較兩個形狀是否相同時比較寬鬆的規則,它能夠把所有的形狀分成若干類別,但類別的數量又不至於太多。

所以三角形可以等於圓形。圖/經濟新潮社




——本文摘自《不用數字的數學:讓我們談談數學的概念,一些你從沒想過的事……激發無窮的想像力!》,2022 年 9 月,經濟新潮社,未經同意請勿轉載。

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沒有「引力」,只有「時空扭曲」——《高手相對論》
遠流出版_96
・2022/04/30 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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廣義相對論的基本

廣義相對論,簡單地說就是兩點。

  • 第一,一個有質量的物質,會彎曲它周圍的時空。這是「物質告訴時空如何彎曲」。
  • 第二,在不受外力的情況下,一個物體總是沿著時空中的測地線運動。這是「時空告訴物質如何運動」。

這裡根本沒有引力的事,根本不需要引力。

這個畫面是這樣的。你可以將時空想像成一張彈簧床,本來彈簧床是平的,往上面放幾顆球,彈簧床上有球的地方周圍就變成彎曲的了——這幾顆球,彎曲了各自周圍的時空。

地球為什麼繞著太陽轉?牛頓認為那是因為太陽對地球有引力。但是廣義相對論認為,地球根本不知道太陽在哪裡,只是太陽把時空彎曲得比較厲害,地球是根據自己所在時空的測地線運動而已。就好像彈簧床上的小球可以繞著大球滾動,而你知道大球並沒有吸引小球,那只是因為彈簧床上大球的周圍有凹陷。

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廣義相對論認為,地球根本不知道太陽在哪裡,只是太陽把時空彎曲得比較厲害,地球是根據自己所在時空的測地線運動而已。

同樣的時空,每個物體的速度不一樣,它們遵循的測地線也不一樣。有的物體會直接掉向太陽,有的會繞著太陽做橢圓運動,有的與太陽擦肩而過,這些都只不過是物體在沿著自己的測地線運動而已。

同一個時空不同的物體,測地線也不一樣。

當然,每個有質量的物體在彎曲時空當中運動的同時,也是在彎曲著自己周圍的時空,只是彎曲的程度不同。時空的形狀由這些物質共同決定,而所有物質都會沿著自己周圍時空的測地線運動。

用彈簧床打比方是不得已而為之,物質彎曲時空並不是如同小球在彈簧床上往下「壓」的結果,而是自然地彎曲周圍所有方向上的時空,所造成的結果。而且請注意,被彎曲的不僅僅是空間,還有時間,只是這部分,我們留到後面的章節再細說。

在這裡,我還要澄清一點。你也許會有這樣的疑問:既然高速運動物體的質量會增加,那多出來的質量是不是也會彎曲空間呢?答案是不會。廣義相對論裡說的「物質彎曲了空間」,可以理解成是物質的「靜止質量」在彎曲空間,靜止質量是所有座標系都同意的不變數。時空的內在幾何形狀是絕對的,但是時空在不同的座標系中被看成了不同的樣子。

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廣義相對論就是這麼簡單。

自然運動狀態

愛因斯坦再一次看破了紅塵。什麼是引力?可以說根本沒有引力,有的只是時空的彎曲。

或者也可以說,所謂引力,就是在大尺度下才能看出來的、時空的彎曲。鯨魚的身體是曲線型的,但是如果近距離看,它身上每個地方都近似一塊很平的小平面。局部的測地線就是很直很直的直線,這就是為什麼我們上一章說「局部沒有引力」。

如果近看鯨魚,會覺得只是一塊平面(?)圖/envato elements

講到這裡,我們要重新定義「自然運動狀態」這個概念。所謂自然運動,就是在沒有任何外力干擾的情況下,一個物體自由自在的狀態。

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亞里斯多德(Aristotle)認為自然的運動狀態是靜止。這符合我們的生活經驗——沒有外力干擾的東西好像都是靜止不動的。

後來,伽利略和牛頓說這不對,力並不是讓物體運動的原因,力其實是改變物體運動狀態的原因。一個物體在光滑的平面上滑動,如果沒有任何摩擦力干擾,它就會一直這樣運動下去。所以等速直線運動和靜止沒有差別,它們都是自然運動。

貓咪推了球之後,如果沒有任何摩擦力,球就會永無止盡的運動下去。圖/envato elements

而現在,愛因斯坦表示,一切沿著測地線的運動,都是自然運動。

可以想像太空中有一個周圍非常空曠、沒有任何星體的地方,這裡的時空是平直的,測地線是完美的直線,所以物體沿著測地線運動,正好就是等速直線運動。

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如果時空是彎曲的,太空人就會繞著地球轉,而失控的電梯就會直接掉下去,這兩個運動看似不同,但其實都是自由落體運動,它們謹守本分地沿著自己的測地線運動。所以它們雖然有加速度,仍然是自然運動。

自由落體運動、等速直線運動,以及靜止,它們沒有本質上的差別。你在一個封閉的實驗室裡不管做什麼實驗,都沒有辦法區分它們。愛因斯坦表示它們是同一回事,都是沿著測地線運動,都是自然運動。

反過來說,你站在地面不動,站一會兒就累了,這其實是一種不自然的運動。你本來想沿著測地線往下掉,可是地板阻止了你。想要體驗真正的自由,你應該做自由落體運動。

都怪地板阻止了我們自由落體!(⋯⋯?)圖/envato elements

為什麼引力質量正好等於慣性質量,為什麼一輕一重兩個鐵球會同時著地?現在,廣義相對論給這個巧合提供了一個解釋——因為只要質量沒有大到能與地球相提並論、足以顯著影響周圍時空的形狀的程度,測地線就只和物體的初始速度有關,與質量無關!

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回頭再看上一章中講的兩個想像實驗。不管你是在加速的火箭上,還是站在地面不動,都有一個外力在阻止你沿著測地線走,所以它們是一樣的。

無論是在地球附近自由落體,還是在太空中空曠、沒有任何星體的地方做等速直線運動,都是沿著該地測地線的自然運動,所以它們也是一樣的。

無論是在地球附近自由落體,還是在太空中空曠的地方做等速直線運動,都是沿著該地測地線的自然運動。圖/envato elements

只要你接受時空尺寸是相對的,你就能接受狹義相對論;只要你接受時空可以彎曲,你就能接受廣義相對論。接受了時空的這兩個性質,光速為什麼不變、慣性質量為什麼等於引力質量、引力到底是不是真實的存在⋯⋯這些問題就不用再糾結了。

所以,相對論是個簡單理論,它只是相當深刻;其實我覺得廣義相對論比狹義相對論還容易理解,它只是美麗非常。

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也許下次看見鯨魚的時候,你可以想起廣義相對論。

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