為何明明是唸科學學位，卻成了哲學博士（Ph.D.）呢？——《物理雙月刊》

• 作者／賴昭正｜前清大化學系教授、系主任、所長；合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒，那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬．霍金（Stephen Hawking）　英國理論物理學家

大約在八十年前，當第一台數位計算機出現時，一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧；但七十年後，還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」（Artificial Intelligent，簡稱 AI）的能力最近十年突然起飛，在許多（所有？）領域的測試中擊敗了人類，正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元（graphic process unit，簡稱 GPU）是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia（英偉達）股票從每股不到 $5，上升到今天（5 月 24 日）每股超過 $1000（註一）的全世界第三大公司，其創辦人（之一）兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳（Jenson Huang）也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人！可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎？到底是時勢造英雄，還是英雄造時勢？

在回答這問題之前，筆者得先聲明筆者不是學電腦的，因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事，不是我們外行人需要了解的；但作為一位現在的知識分子或公民，了解基本原理則是必備的條件：例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析，即可判斷永動機是騙人的；又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上，它們不用往室外排廢熱氣，就可以提供屋內冷氣，讀者買嗎？

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」（central process unit，簡稱 CPU）。CPU 是電腦的「腦」，其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務，如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作；但為了簡單化，我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作（arithmetic and logic unit，簡稱 ALU），如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下，CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時，CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後，CPU 開始顯示心有餘而力不足：例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素（pixel），每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年，英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定／裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」（註二）定位為「世界上第一款 GPU」，「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU，GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作，快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢？因每一時刻只能做一件事，所以其步驟為：

• 計算 7×5；
• 計算 6/3；
• 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢？很多工作便可以同時（平行）進行：

• 同時計算 7×5 及 6/3；
• 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間，但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢？單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間（16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間），而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間（1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間）！

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了，如何將它擺正成右圖呢？ 一句話：「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點（座標 x, y）組成的，所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了：每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算！如果每一運算需要 10^-6 秒，那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉，便需要 6 秒，這豈是電動玩具畫面變化所能接受的？

人類的許多發明都是基於需要的關係，因此電腦硬件設計家便開始思考：這些點轉換都是獨立的，為什麼我們不讓它們同時進行（平行運算，parallel processing）呢？於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 10⁶ 運算，那上圖的轉換只需 10^-6 秒鐘！

GPU 的興起

GPU 可分成兩種：

• 整合式圖形「卡」（integrated graphics）是內建於 CPU 中的 GPU，所以不是插卡，它與 CPU 共享系統記憶體，沒有單獨的記憶體組來儲存圖形／視訊，主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上；早期英特爾（Intel）因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤，在這方面的研發佔領先的地位，約佔 68% 的市場。
• 獨立顯示卡（discrete graphics）有不與 CPU 共享的自己專用內存；由於與處理器晶片分離，它會消耗更多電量並產生大量熱量；然而，也正是因為有自己的記憶體來源和電源，它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年，英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後，科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化，在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效，因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理，不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化，也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬（註三）等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分，正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲，遠遠落在英偉達（80%）及超微半導體公司（Advance Micro Devices Inc.，19%，註四）之後，大約只有 1% 的市場。

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」，而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心（core）單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心，因此其核心功能不如 CPU 核心強大，但它們能同時高速執行大量相同的指令，在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心；GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書，不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等，也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺，它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是：嘴巴在講，腦筋思考已經不知往前跑了多少公里，常常為了追趕而越講越快，將不少學生拋到腦後！這不表示筆者聰明，因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技，因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣（matrix）的讀者應該知道，如果用矩陣和向量（vector）表達，上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的（註五）。而矩陣和向量計算正是機器學習（machine learning）演算法的基礎！也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在！因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石：它們的架構就是充分利用並行處理，來快速執行多個操作，進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」（deep learning）。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂：「下一次工業革命已經開始了：企業界和各國正與英偉達合作，將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升，幫助企業降低成本和提高能源效率，同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子：下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後，讀者是不是認為筆者該退休了？

GPU（圖形處理單元）和 AI（人工智慧）之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力，特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步，使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率，使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐，而且使其更具成本效益，因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展，GPU 的角色可能會變得更加不可或缺，推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標，這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作，使我們能夠執行複雜的任務，例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外，研究表明，與非人類動物相比，人類大腦具有更多平行通路，這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上，一邊聽音樂一邊做飯，或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技，因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵：透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

（註一）當讀者看到此篇文章時，其股票已一股換十股，現在每一股約在 $100 左右。

（註二）組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」（GeForce 256）插卡吧?

（註三）筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時，就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士（fellow）」Enrico Clementi 的團隊：因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層，我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦（非 IBM 品牌！）與一大型電腦連接來做平行運算，進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

（註四）補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商：英偉達及 ATI（Array Technology Inc.）。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立，2006 年被超微半導體公司收購，品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐（Lisa Tzwu-Fang Su）博士為執行長後，股票從每股 $4 左右，上升到今天每股超過 $160，其市值已經是英特爾的兩倍，完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色，正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題：超微半導體公司現任總裁（兼 AI 策略負責人）為出生於台北的彭明博（Victor Peng）；與黃仁勳及蘇姿豐一樣，也是小時候就隨父母親移居到美國。

（註五）或。

延伸閱讀

• 「熱力學與能源利用」，《科學月刊》，1982 年 3 月號；收集於《我愛科學》（華騰文化有限公司，2017 年 12 月出版），轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
• 「網路安全技術與比特幣」，《科學月刊》，2020 年 11 月號；轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。

• 作者 / 陳瑞麟｜中正大學哲學系教授，對於理解我們生存的自然與社會世界有高度的興趣，相信理解世界最好的方式是結合哲學與科學。

什麼是「科學哲學」？哲學家心中的科學哲學，與科學家心中的科學哲學是一樣的嗎？想了解科學哲學，首要的問題就是「科學是什麼」，為此我們需要一個分類人類活動的認知理論，再建立一個科學哲學理論，才能完整地回答這個問題。而在 19 世紀前，科學和哲學尚未分家，科學就是自然哲學；到了 20 世紀後，也仍有許多科學家對哲學深感興趣，並將其科學／自然哲學思考寫入科普著作中，展現他們的科學哲學思考。

筆者是個科學哲學的專業研究者，每年都會在哲學系開設相關課程，也經常有理工與社會科學系的同學來選修。根據經驗，歷來修過這堂課程的同學大致有兩種反應：一種在課業表現上優於哲學系同學；另一種則逐漸地消失在課堂上。

我沒有機會調查後者的反應，但我猜測可能是教學內容與他們預先期待的有所落差，也許他們心目中的科學哲學不是哲學系課堂所授的模樣？

你心中的科學哲學是什麼？

或許科學哲學有兩種？一種是哲學家的科學哲學，另一種是科學家的科學哲學。兩者的思想並非截然不同，而是密切相關，只是關注的重點略有不同。

科學家透過測量、觀察、實驗、數學、模擬、計算等各種科學方法，發現自然的定律或機制，並建立科學假說與理論來認識與理解我們生存的世界。

然而，這些科學方法通常運作在抽象符號或數量上，它們表示什麼意義？揭示了什麼樣的世界實況 （reality）？科學家必須提供說明與詮釋，而他們的詮釋構成自然哲學的傳統。

哲學家一方面想認識與理解我們生存的世界，另一方面則對科學家的活動與詮釋深感好奇，雙重興趣使他們採取比較迂迴的路線。

那便是透過閱讀、分析、反思，比較過去與現在科學家的種種理論、思想、活動來了解科學，從而認識、理解並反思科學所揭示與詮釋的世界，甚至進一步建立哲學家自己的世界觀，形成了今天所謂的「科學哲學」。

哲學家的科學哲學

科學哲學的首要問題是「科學是什麼」，其反面則是「科學不是什麼」，兩者共同蘊涵了「科學與非科學」的區分。

很多科學家十分在意非科學的從業者，例如占星者或算命者，偽稱自己的行業是科學，因此如何分辨科學與偽科學就成了科學哲學的一個核心任務。

哲學家波普（Karl Popper） 用「可否證性」 （falsifiability） 來定義「科學性」，主張能被否證的理論或假設才有資格成為科學。

但我們又該如何否證一個科學假設呢？只要找到一個反例就行了，例如「所有生物體都由細胞構成」的假設，會被一個「不是由細胞構成的生物體」否證。

然而，做為科學性定義的「可否證性」本身會不會有反例？就像我們似乎無法找到反例，以否證宇宙起源的大霹靂 （Big Bang） 假說？反過來說，如果現代占星家承認自己的預測可以否證，是否就可以被列入「科學」的行列之內？

事實上，我們很難透過一個簡單的定義來回答「科學是什麼」。

回答任何「 X 是什麼」的問題總是免不了分類系統的建立，例如在科學上我們想回答「現代智人 （homo sapiens） 是什麼」就得了解關於「人種、人屬、人科」的分類與相關理論。

回答「科學是什麼」的問題亦然，我們甚至需要一個「分類人類活動的認知理論」，並建立一個科學哲學理論，才能完整地回答這個問題。波普的可否證性也不是一個簡單的定義，而是一個系統性的否證論。

科學進展到現在已經發展出一個龐大的系統，包含大量形形色色的知識，諸如假說、理論、定律、模型等，以及產生那些知識的種種方法和工具，還有建立與應用知識的活動或實作，概括了探索、說明、解釋、預測、實驗、模擬、干預、控制、改造等，並構成一個複雜而長遠的歷史，發生過革命性的變遷。

如果我們想徹底了解「科學是什麼」，就得探討上述各個主題，也就是科學知識的本質、科學方法的本質、各種科學活動的特性、科學的歷史演變等，其相應的名目就是「科學方法學」、「科學知識論」、「科學實作的哲學」、「科學史的哲學」等，這一切構成了「科學哲學」這門領域的內容。在這方面，國內已經有不少紙本書籍與線上文章能供讀者參考，可見文末的資訊欄。

進行哲學思考的科學家

在 19 世紀之前，科學和哲學尚未分家，科學就是自然哲學。

專業的科學哲學也是建立在 19 世紀末如馬赫 （Ernst Mach） 、龐加萊 （Henri Poincaré） 、杜恩 （Pierre Duhem） 等科學家手上，然後在 20 世紀上半葉發展成一門專業，至今已有 100 多年的歷史。

雖然今日多數在思考、談論、教學、研究科學哲學的人是哲學家，但這並不意味科學家沒有貢獻。 20 世紀之後仍有許多科學家對哲學深感興趣，他們經常將自己的科學／自然哲學思考寫在其科普著作中，形成一個深厚的傳統，例如：

• 海森堡 （Werner Heisenberg） 的《物理學與哲學》（Physics and Philosophy: The Revolution in Modern Science）
• 薛丁格 （Erwin Schrödinger） 的《生命是什麼？》（What Is Life?）
• 莫納德 （Jacques Monod） 的《偶然與必然》（Chance and Necessity: Essay on the Natural Philosophy of Modern Biology）
• 道金斯 （Richard Dawkins） 《自私的基因》（The Selfish Gene）
• 維爾澤克 （Frank Wilczek） 《萬物皆數》（A Beautiful Question: Finding Nature’s Deep Design）和《物質之輕》（The Lightness of Being: Mass, Ether, and the Unification of Forces）
• 葛林 （Brian Greene） 的《眺望時間的盡頭》（Until the End of Time: Mind, Matter, and Our Search for Meaning in an Evolving Universe）

然而對於專業科學家來說，他們更感興趣的是「世界的起源」、「物質的起源」、「生命的起源」、「心智／意識的起源」、「語言的起源」、「宗教信仰的起源」等在傳統上屬於形上學 （metaphysics）^[註]的問題，他們企圖透過各個相關的科學理論推論並回答。

不管答案的依據是什麼，他們的思想和論述都超出了科學的界限，進入哲學的層次，換言之，科學家此時在作科學哲學、科學形上學。

臺灣的科學哲學

其實臺灣同樣也有科學家在進行哲學書寫，例如天下出版社「科學文化」書系的幾位策劃人林和、李國偉、周成功等寫作的科普譯書導讀，又如物理學家高涌泉的《科學人：非物理不可》與他在《科學人》雜誌中的長期專欄「形上集」，以及免疫學家楊倍昌更偏向學術性的科學哲學作品《變遷：生醫實驗室的知識拼圖》，並與臺灣的科學哲學家對話。

筆者相信這些臺灣的科學家，在「科學家的科學哲學」上，已經提供可資學習的典範，期待透過《科學月刊》的引介，臺灣未來有年輕一代的科學家走上哲思之道，持續發展本土科學家的科學哲學。

註解

• 哲學的核心部門，研究最根本與最抽象的「存在」、「實在」、「世界」、「時空」、「範疇」、「物質」、「心智」、「個體」、「共性」等概念的哲學。

尋找更多科學哲學的資訊

筆者已經在網路上刊過一些介紹性的文章，以下分成三部分提供資訊，希望有興趣的讀者能按圖索驥，以探索更多科學哲學內容。

一、關於科學與偽科學的區分問題

• 陳瑞麟，〈【科哲絮語】占星學的巫術性與科學性〉，《想想副刊》， 2018 年 4 月 29 日。
• 陳瑞麟，〈【科哲絮語】怎樣才算是科學？或者，一門學問的科學性程度有多高？〉，《想想副刊》， 2018 年 11 月 4 日。
• 陳瑞麟，〈第三問  如何寫自然哲學與科學史？科學編史方法學的問題〉，《人類怎樣質問大自然》，八旗文化， 2020 年。

二、科學哲學的理論與歷史：

• 陳瑞麟，《科學哲學：理論與歷史》，群學， 2010 年。
• 陳瑞麟，《科學哲學：假設的推理》，五南， 2017 年。
• 陳瑞麟，《人類怎樣質問大自然》，八旗文化， 2020 年。
• 陳瑞麟，〈當代科學哲學的發展〉，哲學新媒體， 2021 年。
• 線上《華文哲學百科》「科學哲學」部分現有的每個詞條。

三、科學家的科學哲學：

• 陳瑞麟，〈科學家的哲學思考，探討世界起源的科普書寫──《眺望時間的盡頭》〉，故事 StoryStudio ， 2021 年。
• 林義宏，〈科普能改變文化？中正陳瑞麟破解科普書籍暢銷秘訣〉，人文・島嶼， 2021 年。

• 〈本文選自《科學月刊》2021 年 8 月號〉
• 科學月刊／在一個資訊不值錢的時代中，試圖緊握那知識餘溫外，也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。

文／洪廣冀｜臺灣大學地理環境資源學系

《大自然的藝術：圖說世界博物學三百年》是本「很好看」的書。說這本書好看，並不只是因為作者朱蒂絲．瑪吉讓人折服的生花妙筆，也不只是因為該書收錄的上百幅活靈活現的博物學插畫──更重要的，我認為，這是一本把「看」──或者說「觀察」（observation）──當成全書核心的書。

科學與藝術的一線之隔？

正如瑪吉所說的，「雖然博物學插畫家在繪製標本時，總是盡可能力求逼真，但是，成為描繪題材的對象，總是經過精挑細選的。不同程度的比例更動，操控描繪題材以符合設計，將描繪題材與其他沒有自然關聯的動植物並置，以及將藝術家本身對其他不同地域的植物相、動物相、景觀、人民的先入之見投射在描繪題材上，都無可避免地影響了博物學的展現方式」。

「博物學藝術可以說是一種從歐洲人的觀點來觀看自然世界的方式」，瑪吉強調，「而且其所揭露的，不只是它所描繪的博物學而已，同時也展示出了歐洲的文化史」。

就初次接觸到博物學（natural history）此詞彙的讀者而言，對瑪吉這段描述或許會感到驚訝。難道「博物學插畫家」的工作不就是把所見事物如實地「複寫」到圖紙上嗎？

如果說「博物學藝術」反映的是「歐洲人的觀點來觀看自然的方式」，那麼，這樣帶有觀點的博物學是不是一點都不「客觀」？更不用說是種「科學」了。更進一步，當各位翻閱瑪吉悉心挑選的圖片，在讚嘆其精美與精準度之餘，會不會油然而生一類慨嘆：在攝影技術如此普及的今日，這樣講求精準與精確、卻無可避免地帶有特定觀點的「博物學藝術」，想必早已式微、成為收藏在博物館中、等待如瑪吉這樣的專家方能揭露其過去的「藝術品」了吧？

從科學史的角度，諸如此類的驚訝與慨嘆其實涉及一個更根本的問題：到底以觀察、分類與描述為基礎的博物學在什麼程度上算作一種科學？長期任職於倫敦自然史博物館、且出版數本叫好又叫座之科學史著作的瑪吉，實際上已在書中提供了一個非常科學史的答案──只是，由於《大自然的藝術》是以亞洲、非洲、美洲這樣的地理區域來劃分，讀者不見得能夠從瑪吉提供的眾多細節中拼湊出博物學在十七至十九世紀這三百年間的發展軌跡。有鑒於此，這篇導讀希望能協助讀者著手如此拼湊的動作。

博物館學發展軌跡　實驗哲學的重要性

讓我們先回到瑪吉所稱的博物學插畫「開始大量出現」的十八世紀。當時的博物學者，在努力栽培來自世界各地的奇花異草、編纂各地的植物誌與動物誌，從而發展一種完全奠基於自然、無人為主觀因素涉入的「自然分類法」之餘，不時得運起全身功力抵禦著來自「自然哲學家」的批評。為什麼呢？因為，從自然哲學家的眼光看來，「博物學」這學科不過就是採集、觀察與記錄，其得到的知識是破碎的，難以放諸四海皆準；與幾何學──少數為當時自然哲學家認可的知識形態──強調的演繹、推理、證明等方法相較，博物學完全沒有資格被稱為自然哲學的一支。

不過，正所謂「敵人的敵人就是我的朋友」──第一代的博物學者們，與其花時間跟這些眼中只有數字與證明的自然哲學家們打交道，選擇了與當時正逐漸挑戰傳統自然哲學之正當性的另一門哲學：「實驗哲學」。

所謂的實驗哲學，正如英國自然哲學家波義耳（Robert Boyle, 1627-1691；波義耳定律的發現人）主張的，即研究的目的與價值並不只是透過推理與證明來獲得放諸四海皆準、顛仆不破的普遍知識而已。在實驗室中孜孜矻矻地做實驗，儘管實驗器材常出狀況、做了十次實驗只有七次結果相互一致諸如此類的問題，透過實驗得到的知識──或者說「事實」（matter of fact）──本身還是有其價值。因為大自然是一個精巧的機械，要了解此機械的運作機制，除了做實驗一途外，別無其他。更重要的，如果說做實驗是理解自然此精巧機械的唯一手段的話，那麼，實驗室便是一扇重要的窗，讓研究者得以窺見此機械的打造者──或者說造物者──的心靈。

這樣在科學史中會被歸為「機械論」或「自然神學」的立場，在很大程度上成為十八世紀博物學得以興起、且在歐美社會誘發出一陣陣採集熱的「理論基礎」。正如十八世紀著名的自然神學家佩利（William Paley, 1743-1805）所說的，如果你在路上看到一個錶，你絕不會認為這個錶是憑空冒出來的──你一定會假設某個鐘錶匠製造了這個錶，然後將它遺留在路上的。同樣的，當你看到自然界中的種種構造精妙的生物及其對環境的完美適應，你必得假設自然界中存在個鐘錶匠（watchmaker）。

換句話說，就十八世紀博物學者的角度，當他們漫步在野地採集蕨類、在海邊收集貝殼、與駐守博物館的學者們通信、與同好交換標本的時候，這些狀似瑣碎的「實作」之所以有意義，便是因為他們相信，這世界是設計過的，只要你依循一定的準則，你就可以逐步發現隱藏在大自然背後的藍圖。

林奈分類法為何能廣為人知？

教導世人如何發現這大自然藍圖的關鍵人物為瑞典博物學家林奈（Carl Linnaeus, 1707-1778）。眾所週知，林奈以其在命名學（nomenclature）與分類學（taxonomy）上的貢獻聞名於世──較少為人知的是，林奈之所以能做出這些貢獻，關鍵或許不是他提出一個完全客觀、放諸四海皆準（或說讓四海心悅誠服）的分類體系。

科學史家已經告訴我們，林奈的成功其實仰賴特定的「書面技術」，才得以讓其倡議的以花朵（或說植物的生殖器官）為中心的「性分類體系」（sexual system of classification）得以為大眾所接受。在解說由美國採集家威廉．巴特蘭（William Bartram, 1739-1823）繪製的富蘭克林茶（Franklinia alatamaha）時，瑪吉提供了一個極佳的案例，說明林奈的「書面技術」到底是什麼回事。

「這一幅描繪富蘭克林茶的畫作」，瑪吉寫道，「完全符合一幅植物插畫所應具備的所有必要條件。這樣一種繪畫風格，通常被稱作林奈繪圖法（Linnaean method），或者說，是一種繪製插畫的習慣性做法──在這些插畫中，就如同約瑟夫．班克斯所言，『每張圖都試著回答植物學家就植物的形態結構而想問的問題。』」。

另一讓林奈分類法得以廣為人知的作品為羅伯特．桑頓（Robert Thornton）於一七九九年至一八〇七年出版的《佛洛拉之神殿》（The Temple of Flora）。佛洛拉為神話中掌管植物的女神，而林奈則將之引申為「植物相」的代名詞。

之所以做如此的引申，按照林奈的觀點，某地的植物相為造物者按照該地的自然環境所打造，而研究植物相的目的便是彰顯造物者在撮合植物與其生育地間時的「完美設計」。為了闡明這樣的觀點，正如瑪吉指出的，桑頓精心繪製了「將近三十幅大型的花卉彩色版畫，它們是首度擺置在描繪植物之自然棲息地的景致中的花卉插畫」。

的確，在這些版畫中，我們看到的不僅是關於「花」這個生殖器的細緻描寫，也可體會該植物與環境間的一種和諧、靜謐甚至超然的氛圍。簡言之，不論巴特蘭，抑或桑頓，他們關心的與其說是要「如實地」呈現這些植物於自然中的模樣，倒不如說它是一幅地圖。

想像你來到一個陌生的地鐵站，你覺得自己被困在熙攘的人群中而手足無措。這時你會怎麼做？一個選項便是找到該車站的示意圖，從確定自己的相對位置出發，按圖索驥地找到你鎖定的出口。同樣的，十八世紀的博物學採集者或藝術家之所以要大費周章地繪製插圖或製作版畫，目的之一便在於推廣甚至是「標準化」（standardize）一種「看的方式」，讓有志於從事自然採集或觀察的民眾不會迷失在大自然彷彿無窮無盡的細節中。大自然有其藍圖，十八世紀的博物學者與他們的粉絲告訴我們，但它不會自然而然地浮現在眼前。

浪漫主義：用身體丈量的洪堡式科學

這樣建構在機械論與自然神學上的博物學與博物學藝術並不乏批評者。十九世紀上半葉，對機械論有所不滿的博物學者逐漸集結在一個以歌德（Johann Wolfgang von Goethe, 1749-1832）、席勒（Friedrich Schiller, 1759-1805）為中心的知識傳統下：浪漫主義（Romanticism）。

為了反對機械論者把自然視為造物者打造的精密機械，浪漫主義者堅稱必然有種帶有神性的能量，於自然中自然而然地流動；為了反對機械論者主張的、探究自然意味著把自然拆解開來、以各類儀器一一剖析，浪漫主義者主張整體必然有其獨立、不可化約為部分之加總的性質。我們得把自己想像成一顆「透明的眼球」（transparent eyeball），浪漫主義者主張，因為身體是萬物的尺度。

瑪吉引用了德國探險家與自然哲學家洪堡（Alexander von Humboldt, 1769-1859）的一段話來說明浪漫主義者試圖以身體來「丈量世界」的企圖：「他『受到一種未知的渴望所驅策，一種對於遙遠與未知事物的渴望，一種對於可以激發我所想像之事物的渴望：在海上遭遇的危險、對冒險的渴望，以及從一個無趣的日常生活轉換至一個奇妙、不可思議的世界的可能性』」。

的確，如果說林奈是十八世紀博物學的教主，十九世紀的博物學便是由洪堡獨領風騷，其在科學界與社會大眾間的影響力甚至還高過達爾文。同樣的，洪堡的影響力仰賴特定的「書面技術」。對此，瑪吉挑選了收錄在洪堡《自然圖像》（Tableaux de la Nature）中的插圖。與前述巴特蘭與桑頓的植物圖相較，我們可看出，讓洪堡關切的，與其說是個別植物與其生育地的關係，倒不如說是這些植物構成的群體（或說「植群」）與緯度、生育地海拔等自然條件間的關係。

精準地分類與描述自然界中的個別物種儘管重要，洪堡告訴他的讀者，更重要的是超越以物種為單位的分析取向，以身為度地掌握自然界整體的性質。這樣被科學史家稱為「洪堡式科學」（Humboldtian science）影響了一整代的博物學者，包括在洪堡過世的一八五九出版《物種原始》（On the Origin of Species）的達爾文，乃至於自稱為達爾文之天擇（natural selection）的信徒、其對自然的態度卻更接近法國自然哲學家拉馬克（Jean-Baptiste Lamarck, 1744-1829）之「用進廢退說」的海克爾（Ernst Haeckel, 1834-1919）。

瑪吉的分析即停在海克爾，特別聚焦在其以形式（form）為主要關懷的博物學與書面技術。當然，這並不意味著博物學與其多樣的書面表現便自此成為科學史中的一頁。或許在當今的學術分類中已沒有博物學存在，而是分化為植物學、動物學、生理學、演化學等學科，但強調觀察、分類與描繪的博物學傳統，以及讓該傳統得以成為一門嚴肅學問的書面技術，於今日的科學研究中依然強勁──光看晚近台灣生醫界因圖像的重置、重製與修正衍生的巨大爭議便可略知一二。

當然，在這個圖像表現的方式、手法與媒介均與十八、十九世紀大有不同的今日，到底出現在科學論文中的圖像是如何「揭露」自然界背後的藍圖，乃至於此揭露手法反映何種視覺文化，就是另一個故事了。

隱形的技師與繪畫的觀看者

說《大自然的藝術》是本「很好看」的書還涉及另一個層次：到底誰在執行這些「看」的動作？的確，瑪吉提及了一些在科學史中大名鼎鼎的人物，像是林奈、洪堡、達爾文、華萊士與海克爾等人，但瑪吉的興趣其實是放在如巴特蘭、桑頓這些名不見經傳的採集者、畫師或藝術家（事實上，即便瑪吉的確提及達爾文這樣的科學明星，焦點往往放在他們出道前的經歷）。就科學史的角度，這樣視角的調整實為過去二、三十年來研究與寫作上的重要突破。

正如科學史大家史蒂芬．謝平於〈隱形的技師〉（invisible technician）一文中指出的，長久以來，科學史研究者花費大量心神分析科學家如何自實驗數據或標本中提煉出關於大自然的理論，卻對協助科學家從事實驗的「技師」視而不見。不過，謝平指出，這樣對技師的忽略也不見得是科學史研究者的錯：畢竟，證諸已出版的科學著作，這些技師如果不是被抹去其臉孔、成為論文謝詞中的一個名字，便是被「被戴上」一張張不在意酬勞、一心只想獻身科學、散發著小天使般聖潔光輝的面具。謝平認為，這樣將技師予以缺席的科學寫作與十八世紀興起的「紳士科學」（gentlemanly science）息息相關。

如前所述，當時的實驗科學家，為了要應付來自自然哲學家的批評，主張「眼見為憑」的「事實」應為科學研究的核心。但所謂的「眼見為憑」到底是誰說了算呢？答案是被當時社會認為最可信賴的「紳士」。不過，你或許會問，除了信賴度以外，有沒有什麼更具體的判準，讓人們可以一眼鑒別誰是紳士、誰只是尋常的販夫走卒？

有的。如果你的家境富裕，讓你可在閒暇時刻全心投入研究工作、而不用靠研究謀生的話，你就有更高的機會會被認定為言而有信、知行合一的紳士科學家。在這樣的氛圍下，無怪在實驗室工作中的技師──或者以十八世紀的術語，以其在研究中的勞動投入換取工資的「僕役」──沒有在科學著作中的一席之地。

不難理解，如謝平描述的現象也同樣出現在十八世紀以降的博物學研究中。正如瑪吉所說的，「沒有哪一個時期的藝術家，可以比十八世紀的藝術家更有希望藉由描繪大自然來為自己謀取生存的機會」，這一方面意味著隨著博物學研究的風行、懷有一身絕技卻往往身無分文的藝術家可勉強維持水準以上的生活；另方面，相較於洪堡、達爾文這樣家境富裕的「紳士博物學家」，這些希望透過博物學藝術求得溫飽的藝術家，在博物學研究中取得一席之地之餘，相當弔詭的，他們的身影往往在博物學史寫作中遭到抹去。就如同謝平於〈隱形的技師〉中試著為實驗室中工作的技師翻案，瑪吉的《大自然的藝術》為結合大量史料、讓博物學藝術家可以與他們的作品一同現身的傑出作品。

《大自然的藝術》是本很好看的書──希望這篇導讀能提供一些線索，讓讀者可按圖索驥，摸索一套方法來看這本很好看的書。最後，還是要提醒各位，瑪吉試圖描繪的年代並沒有離我們遠去。當我們戲謔地在朋友的臉書發文下留下「發文不附圖，此舉不可取」等文字，當我們煞費苦心地搜索圖片、為即將來臨的口頭報告配圖，當我們努力地調整身體與手機間的角度、以嘟嘴與小臉的自拍留下「到此一遊」的證據時，我們仍然活在那個眼見為憑的世界。

正如瑪吉所說的，「文字可能是抽象的、模擬兩可的，而且容易誤解或誤譯，相對地，憑藉純熟技巧與高超精準度所繪製的圖像，卻可以描繪出與所有人息息相關的現實。圖像提供了親眼可見的事實，因此可以主張，文字將會成為圖像的附屬品」。

本文摘自《大自然的藝術：圖說世界博物學三百年》，暖暖書屋出版。

文／何健民｜美國維奇塔州立大學物理系榮譽講座教授（旅美退休物理講座教授）

博士：知識的追求者

我怎麼會是哲學博士？

想當年，我在大學唸了四年化工，又在研究所唸了四年化學，就成了哲學博士（Doctor of Philosophy，簡稱 Ph.D.） 。不少朋友、同事也有這麼一個頭銜。偶爾想一想，這個頭銜有點奇怪：哲學問題在我意識中，泛及人道、人本、生命、生存、或是倫理。 我只能說是似懂非懂，更不要說它們和我從事的低溫物理研究拉不上什麼關係。至於博士：唸研究所、以及畢業後工作，都講究專、精，偶而有些人可以精而博，倒底是少數。

所以在這裡自問自答「我怎麼會是哲學博士？」。順便在後文中提出一項相關、或可供思考的議題。

先說「博士」，在這裡是一個翻譯名詞，拉丁文中 Doctor 的原意是教師，也代表他們對知識的追求。可是在我們文化裡，一般把讀書人、尤其是作研究的，認為知識淵博，天文地理無所不通。

這種代表群體的觀念，應該不適合在個人。但任何有歷史性的名詞，都免不了這種經久、時過境遷後，名實不符的現象。例如：今天在西方可能有素食的屠夫（Slaughter）女士 、或是手無縛雞之力的鐵匠（Blacksmith）先生，他們的姓氏只是反應祖先曾有的職業，不改也罷。何況新的科學產生新的技術、儀器；而新的技術、儀器又導致更新的科學。人類的知識層面隨時間變得寬廣，只要不太挑剔，我們對繼續延用博士一詞也就無可厚非吧？

哲學：探求萬物之真理

再說「哲學」：假如把哲學換成科學，問題可以說就少了一半，因為我是在作科學研究。有些學校確實頒授科學博士 （Doctor of Science）學位，對學科和研究的要求和哲學博士學位要求沒有實質上的差別。所以讓我們看一看科學和哲學的歷史淵源。哲學一詞源自古希臘文，意謂對智慧的熱愛（Love of wisdom）。

我們稱亞里斯多德（Aristotle, 384-322 B.C.）為哲學家，他寫了很多有關在今天會屬於物理、天文、生物、化學及心理的文章。經過千、百年的發展，哲學的多向分枝中出現了一枝所謂的自然哲學（Natural philosophy）。牛頓（Isaac Newton，1643-1727）在 1686／1687 年出版自然哲學的數學原理（Philosophiae Naturalis Principia Mathematica），反應自然哲學一詞在當時被使用，相當於對自然界系統研究的通稱。

15 – 17 世紀間，歐洲文藝復興，自然哲學成就突飛猛進，人才輩出，除了牛頓，其他有絕對貢獻的包括哥白尼 （Nicolaus Copernicus, 1473-1543）、布拉赫（Tycho Brahe，1546-1601）、布魯諾（Giodano Bruno，1548-1600）、培根（Francis Bacon，1561-1626）、伽利略（Galilio Galilei， 1564-1642）、克卜勒（Johannes Kepler， 1571-1630）、波義耳（Robert Boyle， 1627-1691），尤其是伽利略引進數學分析、以及培根提出基於經驗（觀察、實驗中取得客觀事實）和理性（邏輯、歸納）的科學方法，對以後的研究產生極大影響。

即使如此，科學一詞仍停留在地位未明階段，可以從一張 17 世紀荷蘭萊頓大學（Leiden University）圖書館簡圖中看出來：大廳中兩行書架，每行 11 排，分別標明為數學一排；哲學、文學及醫學各兩排；歷史四排；法學五排；神學六排。顯然的，科學或是自然哲學仍被包含在哲學架上。凱爾文（Lord Kelvin，1824-1907）和泰特（Peter Tait，1831-1901）在 1867 年所完成，從能量觀點涵蓋大部分物理的專著， 仍是名為自然哲學論（Treatise on Natural Philosophy）。

想做自然科學？先來觀測、實驗

真正要到 19 世紀末期，對科學的觀念才會進展到現代形式。嚴格來說，其中唯有以觀測或實驗為依據的才是自然科學，它們源自對定量推理和解釋有必然要求的自然哲學。另外一些現代科學是基於定性及描述為主的自然歷史（Natural history），位於美國華盛頓的國家自然歷史博物館（National Museum of Natural History）、紐約的美國自然歷史博物館（American Museum of Natural History）及英國倫敦的自然歷史博物館（Natural History Museum）皆以之為名。當然，自然科學和自然歷史有密切關連，更有很多重疊。

既然科學的前身是「自然哲學」，除非有人堅持戰國時代公孫龍（c. 325-250 B.C.）的白馬非馬辯證法，不然把「哲學」按在我的頭銜上，也就說得過去了。

如此說來，「我怎麼會是哲學博士」的答案，有點像是「眾裡尋他千百度，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處」 。

從牛頓及凱爾文和泰特的論著中可以明顯看出：早期的自然哲學主要內容是物理。波義耳在 17 世紀後期就提出和煉金術（Alchemy）截然不同的觀念，但要到 19 世紀中葉，科學家才有物理、化學之分。不久又加入了生物和地質學，院校中開辦了相關科系。到了 20 世紀，科學知識大幅上升，為了「實際需要」，每一學門又經細分，例如天文、固態和核子物理；有機、無機和分析化學；分子、生態和遺傳生物；以及大地、地層和構造地質。再往後，物理學中又增加了量子、高能等領域。其他學門也是日新月異。

就再以物理為例：報告研究成果最主要的期刊是始於 1893 年的物理評論（Physical Review）。因應論文的增加，它在 1970 年將每期分為四冊：簡稱 PRA（原子、分子、光學）、PRB（固態）、 PRC（原子核）及 PRD（粒子）。1993 年又從 PRA 分出 PRE（統計）。PRB 也在 1978 年將固態（Solid State）擴展到凝聚體（Condensed Matter），20 年後再增訂為凝聚體及材料物理（Condensed Matter & Materials Physics）。研究生選擇領域愈來愈廣，結果使得博士們更加學有專精。

跨領域合作，令探索旅程更加豐富

就在整盤科學形勢大好的時候，巳經很少、幾乎沒有人可以或可能橫跨多種領域。同時也出現了一些難免的困擾：有人會說「我作遺傳生物研究，地質對我完全無用」、甚至「我是物理學家，我對化學完全沒有興趣」。久而久之，不同的學門間似乎有了相當的隔距。是否我們忘記了當初學門區分的原因只是為了「實際需要」。

教學與研究可以有純物理、純化學、甚至是純有機化學或是純量子物理的課題，但是想要暸解自然界中任何一環，就常需要從多方面入手，不然就像瞎子摸象。幸好合久必分、分久必合，跨領域的課程、例如生物物理和地質化學，逐漸被接受。再進一步，有了生物化學或類似的新科系，而材料學更使多種科學與應用為主的工程學門結合。

即使如此，針對某些課題，有時也需要兩、三或更多來自相同或不同系所、甚至不同院校或其他單位成員的組合，每人各有專長，互相取長補短，解決研究瓶頸。有了成果，撰寫報告論文時，大家同時列名為共同作者。這種作法可說是很有意義也很有實效，但不時由於人為因素，衍生一些爭論。或是共同作者間爭功；或是有名、位的人自動或被動列為作者之一，無功受祿，遇到論文發表後出了差錯，就又撇開責任。加上院校內行政操作中，遇到申請升遷，列舉研究成果時，共合發表的論文常會引起「你有多少貢獻」甚至「你有百分之幾貢獻」的疑問。

這種爭議的合理性，因事因人而異，本無可厚非。但是回顧科學源於自然哲學，對智慧的熱愛應該是哲學或科學家基本的性格，增進對自然界的整體瞭解應該是首要的目標，而我們已是專而不博，一加一大於二的合作應該受到鼓勵；相反的，太注重「功勞分配」、「名利歸屬」考量不免產生的負面影響，是否可以儘可能減低？至少這是我的希望。

本文摘自《物理雙月刊》39 卷 2 月號 ，更多文章請見物理雙月刊網站。