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夜空為何那麼暗?|科學史上的今天:10/11

張瑞棋_96
・2015/10/11 ・1179字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 491 ・五年級

夜空為何那麼暗?連小學生都知道是因為太陽下山了;月亮又不是恆星,可以自己發光,而星星微弱的光芒也不足以照亮夜空,所以夜才那麼黑啊!嗯,你可能不會想到,這個看似簡單到近乎幼稚的問題,其實遠比表面看起來還要深奧。

抬頭所見的夜空並不如理論上推測的被星光所布滿。圖片來源:google

是這樣子的,宇宙如果無限大,那麼無論往天空哪個方向望過去,應該至少都有一顆星星,也就是說整個夜空應該被密密麻麻的星星照亮才對啊?你或許會說距離太遠的星星過於黯淡,所以看不見。的確,照度與距離平方成反比,但相同視角內,越遠的星星也越多,數量與距離平方成正比,兩者的效應恰好彼此抵消,因此距離並不是問題。那麼夜幕為什麼不是整片泛著亮光呢?

相同視角內,越遠的星星越多,數量與距離平方成正比,兩者恰好彼此抵消,也就是說整個夜空理應被密密麻麻的星星照亮才對。圖片來源:Kmarinas86@wikipedia

這個疑問是今天生日的德國天文學家奧伯斯(Heinrich Olbers, 1758-1840)於1823年正式提出的,如今我們稱之為「奧伯斯悖論」。他自己對此提出一個解釋,認為是星際間充滿塵埃,阻擋了遠方的星光所致。但果真如此的話,星際塵埃恆久下來所吸收累積的輻射能,也早就發光發熱了,因此這也不是真正原因。
其實奧伯斯並不是第一位思考此問題的人。克卜勒在1610年就提出類似的疑問,而認為是宇宙大小有限;一百年後哈雷則認為是遙遠的星體太暗,但幾年後,瑞士天文學家迪·薛索(Jean-Philippe de Chéseaux)即計算出前面所說距離的兩種效應彼此抵消,否定了此一解釋。

也不能怪奧伯斯與諸多天文學大師被這問題打敗,因為「穩態宇宙」這個根深蒂固的觀點注定尋不著正確解釋。得等到1929年哈伯證實宇宙正在膨脹,而且宇宙背景輻射於1964年發現而證實大霹靂理論後,答案才終於揭曉。

宇宙並非無始無終,而是有年紀的。宇宙誕生於137億年前的大霹靂,但大霹靂並非像爆炸那樣物質飛離四散,而是空間膨脹將物質拉遠,看起來就像是星系快速飛離我們。根據哈伯定律,星系遠離我們而去的速度與它和我們的距離成正比,因此超過某個距離以外的星系,遠離我們的速度就會比光速還快(這並未違反相對論,因為這是空間膨脹的速度,不是星系本身在運動)。於是乎這些星系的光就永遠到不了地球,所以宇宙中只有部分恆星所發出的光會映入我們眼簾,有限的星星無法填滿整個夜空。

有趣的是,最早猜對答案的竟不是科學家,而是作家愛倫坡。他在1848年的詩作中就寫道:「……,我們只能假設那些看不見(星星)的背景距離如此遙遠,以至於彼處的光線仍無法到達我們這裡。」

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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來自137 億年前的訊息!透過重力波,一窺「宇宙誕生」的真相──《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》
台灣東販
・2022/08/09 ・4055字 ・閱讀時間約 8 分鐘

重力波不只能提供星體的資訊!

說到重力波,一般人可能會想到黑洞、中子星、超新星這三個引發話題的星體。不過,只有在這些星體事件發生的「瞬間」,才會產生重力波,就像宇宙中的一場秀一樣。而當重力波通過後,就無法再偵測到這些資訊。

discoveries GIF
圖/GIPHY

譬如,LIGO 在 2015 年 9 月捕捉到的就是「來自 13 億光年外星體的重力波」。不過,和宇宙年齡相比,這其實是相對較年輕的星體事件。

我們有沒有辦法捕捉到很久很久以前,宇宙剛誕生時產生的重力波,也就是暴脹時期產生的重力波呢?

為什麼宇宙正在急速膨脹?

138 億年前,宇宙在超高溫、超高壓下,以「火球」的樣貌誕生,這就是所謂的「大霹靂」。在這之後,隨著宇宙的急速膨脹,溫度與密度逐漸下降,然後演變現在的樣貌。

這就是大霹靂宇宙論,也是目前多數學者支持的標準宇宙論。

那麼,為什麼會產生「火球宇宙」這個超高溫、超高壓的世界呢?為什麼宇宙不是一直保持原樣(不是保持相同大小),而是會急速膨脹呢?目前有一個較被接受的說法,那就是前面提過許多次的「暴脹理論

在這個理論中,宇宙初期並沒有任何物質或光,而是一個充滿能量的真空。透過這些真空能量,宇宙用比光速還快的速度,呈指數函數膨脹。

而在暴脹時期結束後,這些真空能量轉變成了光(火球),於是產生了超高溫、超高壓的宇宙,這就是所謂的大霹靂。

目前科學界的研究和觀測結果大多支持大霹靂學說。圖/NASA

不過,如果空間中存在許多能量的話,應該會存在像重力這樣使空間收縮的力才對。為什麼空間會以超越光速的速度迅速膨脹,進入暴脹時期呢?

學者們用「暴脹子場」這種量子場中的真空能量,說明暴脹時期。

暴脹子場是個未證實存在的純量場。就目前而言,它的存在仍處於假說階段。

目前已知的純量場,譬如 2012 年時,由瑞士日內瓦的歐洲核子研究組織 CERN 在 LHC 實驗中發現並發表,由希格斯玻色子產生的希格斯場。研究者們也因此而獲得 2013 年諾貝爾物理學獎,各位應該還記憶猶新。

137億歲的宇宙,至今仍然不斷膨脹

暴脹子場與希格斯場在質量與粒子的結合力上,都有著很大的差異。暴脹子場的真空中,會產生長時間的負壓。而這個負壓會造成宇宙加速膨脹。

這點與目前的暗能量機制十分類似。有人猜想暗能量可能是未發現的純量場。與暴脹時期相同,目前的宇宙中可能存在著未知純量場的真空能量,就像暗能量般,佔了全宇宙能量的 70%。

宇宙中佔了 30% 能量之物質,與佔了 0.1% 的光會產生引力,但比不過真空能量所產生的斥力,所以目前宇宙正在加速膨脹。

宇宙仍在不斷的擴大。圖/NASA

順帶一提,即使物質與光的能量佔宇宙的 100%,宇宙也只是減速膨脹而已,並不會收縮回去。因為膨脹初期的速度過快,所以宇宙只會持續膨脹下去。

宇宙誕生的第一步——「原始重力波」

暴脹時期結束後,空間能量會迅速轉變成物質能量,使宇宙轉變成超高溫、超高壓、充滿輻射的狀態。這就是大霹靂「火球」。暴脹理論說明了幾點。

首先是前面提到的「膨脹速度超越光速的宇宙」

這造成了我們現在看到的(宇宙視界內的)宇宙溫度擁有各向同性,在 10 萬分之 1 的精度下,為絕對溫度 2.723K(約 3K 的宇宙微波背景輻射(CMB))。

在大霹靂學說中,宇宙微波背景輻射是宇宙誕生時所遺留下來的熱輻射。圖/ESA

第二,這個急速膨脹,使宇宙的形狀在幾何學上變得相當平坦,就像膨脹的氣球一樣。

再者,暴脹子場的量子擾動,是宇宙初期物質擾動的來源,也就是3K宇宙微波背景輻射所觀測到的溫度擾動。暴脹子場也含有量子的擾動。這些小小的擾動在短時間內暴脹過程中,急速膨脹,延伸至宇宙視界的彼端,造成現今宇宙中不同區域的密度差異,這也是形成星系的種子

CMB 觀測到的「溫度擾動」,正是暴脹時期產生之暴脹子場的量子擾動。

另外,在重力波方面,暴脹時期不僅會產生前述密度(溫度)的擾動,也會產生「時空擾動」。急速膨脹的過程中,真空會一直變化,成對產生重力子,這與黑洞周圍產生霍金幅射的機制類似。

學者們認為這種重力波現今仍存在,稱其為「原始重力波」。因為整個宇宙都存在這種重力波,所以也叫做背景重力波。若能檢出這種背景重力波,不只能成為暴脹理論的證據,也會是宇宙起源相關研究的一大步。

原始重力波就像是背景雜訊一樣,在宇宙四處飄蕩

黑洞雙星的合併會產生重力波,不過當重力波通過地球,被 LIGO 觀測到時,該事件便已結束。不只是黑洞,中子星雙星的合併、超新星爆發也一樣。

不過,暴脹時期產生的重力波並非如此。當時整個宇宙充滿了重力波。不過這種重力波就像白噪音般的存在,很難分析這種波的狀態,所以也叫做背景重力波。若依波的種類來分,可以將其算在駐波。如何找到這種駐波,是我們現在的課題。

重力波可以分成兩種,來自近期星體活動的重力波,以及來自宇宙誕生的背景重力波。圖/台灣東販

與光波不同,重力波的偏振方式可以分成十字形(+)與交叉形(×)2 種,如下圖所示。十字形的偏振會往縱向與橫向伸縮、交叉形偏振則會往斜向伸縮,如其名所示。這兩種波疊合後,會變成圖中右方的樣子,往外傳播。

隨著時間的經過,來自黑洞的重力波會持續前進;但暴脹時期產生的重力波為「背景重力波」,是一種駐波,就像噪音一樣充滿在整個宇宙中。如果能發現這種波,就能證明暴脹理論。

重力波由十字形、交叉型兩種偏振方式所組成。圖/台灣東販

宇宙之窗:暴脹子場是什麼?

暴脹時期產生的「暴脹子場」究竟是什麼樣的東西呢?

重複一次,暴脹子場被認為是某種未知、很重的純量場,其質量上限在 1013GeV 以下。目前這個低能量宇宙中,已經不存在暴脹子場。即使透過粒子對撞,產生目前可達到的最高能量(數 10TeV,相當於數 10 京度的溫度),也沒辦法產生這種場。

每種基本粒子都有著伴隨其出現的「量子場」。

譬如希格斯場會伴隨著希格斯玻色子出現。就希格斯場這種純量場而言,其存在機率最高的期望值稱做場值(真空值),是希格斯玻色子的位置。而場值周圍存在所謂的量子擾動。這種量子擾動只有在微觀尺度下有意義。

在我們生活的巨觀尺度下,幾乎察覺不到任何量子擾動,所以我們平常的生活並不會意識到它們。

我們周圍有許多電路會用到二極體。在微觀尺度下看這些電路,會看到粒子般的電子周圍有量子擾動,這種量子擾動對二極體來說相當重要。

在這種量子擾動下,電流只能沿著電路中可跳躍量子擾動的方向流動,二極體才有如此特別的性質,可見量子論也是現代科技中的重要理論。

所以說,考慮初期宇宙中暴脹子場的量子擾動,可以知道當宇宙還很小時,暴脹並非在宇宙中的各個地方同時間發生。宇宙中各個地方開始暴脹與結束暴脹的時間都不一樣。

量子擾動除了會造成時間擾動,在某些條件下,我們也可以在巨觀視界下感受到密度和溫度的擾動。圖/台灣東販

量子擾動會造成時間擾動,不過在暴脹這種急速膨脹後,會轉變成超越視界的古典擾動,所以我們會在巨觀視界下觀察到,各個地方都有著不同的密度。這就是所謂的「密度擾動」或「溫度擾動」。

總而言之,最初產生量子擾動後,隨著空間的急速膨脹而迅速延伸,轉變成了空間性的密度擾動。

備註

  • 暴脹理論與大霹靂的名稱

1981 年,佐藤勝彥在大統一模型的框架下,提出真空相變會造成宇宙呈指數函數膨脹的理論。同年,古斯也發表了同樣的想法。自宇宙誕生的瞬間起(依大統一理論,約為 10−38 秒後~10−36 秒後)宇宙會以超越光速的速度,呈指數函數膨脹,然後轉變成大霹靂的「火球」宇宙。

1980 年時,為修正愛因斯坦的重力觀點,學者們提出了以指數函數膨脹中的宇宙。

而在 20 世紀初,多數學者認為「宇宙永遠不會改變」(宇宙穩態論),沒有開始,沒有結束,大小也永遠不會改變。不過宇宙穩態論的擁護者霍伊爾(Fred Hoyle)曾在某個廣播節目中說「宇宙的開始?那是大霹靂的觀點(the ‘big bang’ idea)」,於是「大霹靂」這個名稱就定了下來。

當時連愛因斯坦都相信宇宙穩態論,否定膨脹宇宙。不過在觀測結果陸續出爐後,哈伯(Edwin Hubble)、勒梅特(Georges Lemaître)等人成功說服了愛因斯坦接受宇宙正在膨脹。

——本文摘自《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》,2022 年 6 月,台灣東販,未經同意請勿轉載。

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台灣東販股份有限公司是在台灣第1家獲許投資的國外出版公司。 本公司翻譯各類日本書籍,並且發行。 近年來致力於雜誌、流行文化作品與本土原創作品的出版開發,積極拓展商品的類別,期朝全面化,多元化,專業化之目標邁進。

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多重宇宙存在嗎?物理學的探索極限——《解密黑洞與人類未來》
天下文化_96
・2022/01/02 ・1880字 ・閱讀時間約 3 分鐘

  • 作者 / 海諾.法爾克 (Heino Falcke)、約格.羅默(Jörg Römer)
  • 譯者 / 姚若潔

在今天已經建立的宇宙模型中,我們對無限的窺視終止於大霹靂。大霹靂開啟了我們的時間和歷史;所有將會發生的事物都包含在裡面。大霹靂是一種超額的密集能量。我們現在看見的所有事物(所有形式的物質或能量,甚至我們自己),最終都可以追溯回到這份原始能量。

現今宇宙中的各種天體、物質與能量,都可以追溯到大霹靂這份原始能量。圖/WIKIPEDIA

一個近乎無限小的空間忽然在 10−35 秒內指數膨脹。純能量和光的原始閃電誕生,基本粒子的量子糖漿從閃電中開始結晶成形。質子和電子形成,物質有了基本構成單元。過了三十八萬年,質子和電子配對形成氫,充滿了宇宙。物質和光忽然彼此區分,走向各自不同的道路。暗物質在自身的重力影響下變得集中:暗星系從大霹靂的殘骸中出現,並把氫聚集到自己周邊。星系就此形成,產生了發光的星星,創造出新的元素,並透過巨大的爆炸再度把這些元素擲回太空。

從這最早的恆星之灰中,誕生了新的恆星、行星、衛星與彗星。星辰的生命循環開始,最終也誕生出我們的地球。水落在地球上匯聚起來,加上星塵,形成了菌類、單細胞動物,還有植物。這些新生命改變了世界,大氣開始形成,雲朵綻開,動物演化。最後出現了人類,在日、月、眾星的俯視之下繁衍,征服地球,建造都市,瞭解世界、時間、太空,並寫了關於這一切的書——這都要感謝大霹靂帶來的宇宙級大騷動。

描述大霹靂後宇宙膨脹的藝術構想圖。圖/WIKIPEDIA

我們的宇宙竟然能夠運作,整件事實在太過驚人、太過不可思議。宇宙的產生就像是走在物理學的鋼索上,需要微妙的平衡。如果重力再強一點,恆星都會塌縮成黑洞;如果再弱一些,暗能量會使所有東西分崩離析。如果電磁力更強,恆星就不會發光。宇宙機制的各個齒輪彼此相互影響,而生命竟可能在此出現,是恆久以來最偉大的奇蹟。如果有人可以目睹大霹靂並預測自己將會從那堆混亂之中誕生,一定會被視為瘋子。物理學教科書不允許物質忽然開始思索自我,形成個性與觀點,甚至發揮創意——儘管如此,我們就在這裡。

這道謎題有個解釋相當受人歡迎,就是宇宙實際上不只一個,而是許多個,它們就像原野上的花朵那樣誕生又凋零,只是每個宇宙都略為不同。我們只是正好出現在這裡,生活在這一個誕生了生命的宇宙,因為這是我們唯一可見的宇宙。

我們能否更把思考尺度變得更大?我們有沒有可能在自己的宇宙裡找到古老宇宙的遺跡,例如兩個宇宙相互碰撞後留下的大型結構?我自己願意如此猜測:超超大質量(hypermassive)的黑洞有可能是古宇宙留下來的化石——畢竟,像我們這種宇宙最後殘留下來的,應該就是超超大質量黑洞。目前為止還沒有人找到任何證據。不過,也還沒有任何跡象顯示平行宇宙真的存在,可以讓我們觀測。

黑洞, 黑色的, 洞, 虫洞, 虫, 量子, 物理, 爱因斯坦, 星系, 大量的, 无穷, 空间, 星光体
如果能找到超超大質量黑洞,或許能證明古老宇宙或是多重宇宙的存在。圖/Pixabay

另外,只因為我們的宇宙非常不可能存在,就要推論「必定有許多宇宙存在,才讓我們宇宙的存在成為可能」,這樣的關聯不見得正確。如果我的鄰居中了樂透,不表示他一定已經買過百萬次彩券。我們頂多可以說自己正好住在那個真實幸運兒的隔壁。如果我們只買過一張彩券,又不太清楚它的運作方式,那我們並無法論斷買了彩券的人有多少——或者有多少宇宙存在。

由於無從得知多重宇宙的證據,倒是引出這樣的問題:多重宇宙的存在與否,究竟屬於物理學還是形上學的問題?我們既無法回溯得比自己宇宙誕生的奇異點更早,也無法看穿宇宙的邊緣。就算主張多重宇宙不只是妄想,而是真實的物理學,這個問題仍然未解:多重宇宙是哪裡來的?我們所做的,只不過是把自己的無知推到物理學的無人之境。

——本文摘自《解密黑洞與人類未來》/ 海諾.法爾克、約格.羅默,2022 年 1 月,天下文化

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天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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夜空為何那麼暗?連小學生都知道是因為太陽下山了;月亮又不是恆星,可以自己發光,而星星微弱的光芒也不足以照亮夜空,所以夜才那麼黑啊!嗯,你可能不會想到,這個看似簡單到近乎幼稚的問題,其實遠比表面看起來還要深奧。

抬頭所見的夜空並不如理論上推測的被星光所布滿。圖片來源:google

是這樣子的,宇宙如果無限大,那麼無論往天空哪個方向望過去,應該至少都有一顆星星,也就是說整個夜空應該被密密麻麻的星星照亮才對啊?你或許會說距離太遠的星星過於黯淡,所以看不見。的確,照度與距離平方成反比,但相同視角內,越遠的星星也越多,數量與距離平方成正比,兩者的效應恰好彼此抵消,因此距離並不是問題。那麼夜幕為什麼不是整片泛著亮光呢?

相同視角內,越遠的星星越多,數量與距離平方成正比,兩者恰好彼此抵消,也就是說整個夜空理應被密密麻麻的星星照亮才對。圖片來源:Kmarinas86@wikipedia

這個疑問是今天生日的德國天文學家奧伯斯(Heinrich Olbers, 1758-1840)於1823年正式提出的,如今我們稱之為「奧伯斯悖論」。他自己對此提出一個解釋,認為是星際間充滿塵埃,阻擋了遠方的星光所致。但果真如此的話,星際塵埃恆久下來所吸收累積的輻射能,也早就發光發熱了,因此這也不是真正原因。
其實奧伯斯並不是第一位思考此問題的人。克卜勒在1610年就提出類似的疑問,而認為是宇宙大小有限;一百年後哈雷則認為是遙遠的星體太暗,但幾年後,瑞士天文學家迪·薛索(Jean-Philippe de Chéseaux)即計算出前面所說距離的兩種效應彼此抵消,否定了此一解釋。

也不能怪奧伯斯與諸多天文學大師被這問題打敗,因為「穩態宇宙」這個根深蒂固的觀點注定尋不著正確解釋。得等到1929年哈伯證實宇宙正在膨脹,而且宇宙背景輻射於1964年發現而證實大霹靂理論後,答案才終於揭曉。

宇宙並非無始無終,而是有年紀的。宇宙誕生於137億年前的大霹靂,但大霹靂並非像爆炸那樣物質飛離四散,而是空間膨脹將物質拉遠,看起來就像是星系快速飛離我們。根據哈伯定律,星系遠離我們而去的速度與它和我們的距離成正比,因此超過某個距離以外的星系,遠離我們的速度就會比光速還快(這並未違反相對論,因為這是空間膨脹的速度,不是星系本身在運動)。於是乎這些星系的光就永遠到不了地球,所以宇宙中只有部分恆星所發出的光會映入我們眼簾,有限的星星無法填滿整個夜空。

有趣的是,最早猜對答案的竟不是科學家,而是作家愛倫坡。他在1848年的詩作中就寫道:「……,我們只能假設那些看不見(星星)的背景距離如此遙遠,以至於彼處的光線仍無法到達我們這裡。」

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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神乎其技的下棋機器人,是場世紀騙局?!│《電腦簡史》 齒輪時代(十三)
張瑞棋_96
・2020/05/18 ・2589字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 503 ・六年級

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機器人在 18 世紀後不斷推陳出新,擬真的程度令人嘖嘖稱奇,而其中,最令人矚目的一台會下西洋棋的「土耳其人」,甚至打敗歐美多位好手與名人。等等,難道先前在《電腦簡史》 楔子中提及的深藍電腦並非第一台下棋機器人?這台令人匪夷所思的土耳其人隱藏著怎樣的黑科技?或是幕後暗藏著一場騙局……

本文為系列文章,上一篇請見:如果上帝是鐘錶匠,當然我們也能?│《電腦簡史》 齒輪時代(十二)

「仿生」機器人:出神入化的擬人動作

在沃康松之後,許多鐘錶匠也運用他們擅長的齒輪工藝,打造仿生機器人,栩栩如生的程度更勝以往。尤其是瑞士的鐘錶世家雅克德羅 (Jaquet-Droz) 家族,於 1768 年到 1774 年間設計的三具機器人更令人讚嘆。

第一具是「鋼琴家」,會用十指彈奏真的鋼琴,同時跟著節奏搖頭晃腦,胸口也隨之起伏,彷彿真人在演奏。第二具是「繪圖員」,它手握鉛筆,會在紙上畫出四種圖畫。包括法國國王路易十五的肖像、路易十六伉儷的肖像、駕著戰車的邱比特,以及一隻站立的小狗。同樣地,繪圖員在畫圖時也會如真人般,注視著圖面,頭跟著筆尖來回轉動。

最精巧複雜的是「作家」機器人。它體內有超過四千個零件,能拿著鵝毛筆,伸進墨水瓶中蘸墨水,然後在紙上寫出三行詩。最特別的是,詩句並非固定不變,只要更換字母組件,就能讓作家機器人寫出四十個字以內的任何字句。這項「可編程」的功能比起音樂盒,又更接近現代電腦了。

「作家」機器人能夠寫字,甚至是詩句,擴增了「可編程」的功能。圖\wikipedia

在 IBM 的深藍電腦之前,早已出現下棋機器人?!

雅克德羅家族打造的這三具機器人已經堪稱登峰造極之作了,沒想到, 1770 年出現更令人匪夷所思的自動機器——會下棋的機器人。是的,早在 IBM 的深藍電腦兩個世紀之前,就有這麼一台號稱會下西洋棋的齒輪裝置。

這個機器人是由奧地利的鹽礦總監坎佩倫 (Wolfgang von Kempelen) 一手打造。它就如真人大小,身穿傳統的土耳其袍,頭頂戴著頭巾,因此被稱為「土耳其人」 (The Turk) 。不過主要零件不在它的身體,而是在它面前的一個矮櫃中。土耳其人就坐在矮櫃後方,一手拿著長長的煙管,一手撐在櫃子上。

坎佩倫所設計的「土耳其人」 (The Turk) 真正的機關均藏於櫃子內部。圖\wikipedia

土耳其人首度亮相是在奧地利宮廷,當著女皇面前與在場官員對奕。棋賽開始前,坎佩倫先打開櫃子前後的門,讓觀眾看到裡面只有錯綜複雜的齒輪與連桿。為了證明中間沒有暗藏夾層或鏡子,坎佩倫特地手執點燃的蠟燭,到櫃子後方來回晃動,讓觀眾可以一眼看穿,以示前後透通。

展示完後,他關起櫃子的門,從下方的抽屜拿出棋子,在矮櫃檯面上的棋盤一一擺好位置。挑戰的棋手就位後,坎佩倫便轉動櫃子側面的搖柄,上緊發條。在嘎嘎作響的齒輪聲中,土耳其人緩緩抓起一只棋子,下在棋盤上,開始了人類史上首見的人機大戰。原本大家還等著看坎佩倫出洋相,畢竟也沒見他發明過什麼機器,頂多在礦坑摸索過抽水的蒸汽機。結果出乎眾人意料,棋賽最後竟然是土耳其人大勝!

這場棋賽很快傳遍歐洲,各方人士紛紛希望能前來挑戰。但坎佩倫一律予以回絕,只有一次在女皇的堅持下,土耳其人才再度亮相,與英國使節對弈。在這之後土耳其人便從此塵封,直到女皇的兒子繼任王位後,希望藉由土耳其人拓展外交關係,才下令重啟。於是坎佩倫自 1783 年開始帶著土耳其人巡迴歐洲,展開為期兩年的巡演。這期間除了偶而敗給西洋棋高手幾場,土耳其人仍贏過諸多官員使節、政商名流;美國開國元勳富蘭克林當時擔任駐法大使,也成為土耳其人的手下敗將。

坎佩倫算是圓滿完成國王交代的外交任務,來自奧地利的土耳其人不僅傲視歐洲所有的機器人偶,更展現了前所未有的齒輪科技。當然,還是有很多人不相信齒輪機器會思考,認為一定有人躲在櫃子裡操縱土耳其人。但是這些懷疑只是風言風語,畢竟那麼多場公開表演在眾目睽睽下也都沒露出馬腳,其中有一場甚至是在法國科學院舉辦,當場那麼多科學家也都沒看出破綻。

拆穿謊言:土耳其機器人原來是場世紀騙局?!

坎佩倫返國後,再度將土耳其人束之高閣,在他 1804 年過世前都未再解封。第二年,坎佩倫的兒子將土耳其人轉賣給一位樂器發明家梅爾策 (Johann Nepomuk Mälzel) ,土耳其人才又重出江湖。

梅爾策重新整修土耳其人後,帶著它橫跨歐美,展開更大規模的商業巡演,其中於1809年跟法國皇帝拿破崙的對弈,尤其令人津津樂道。這次巡演前後長達三十年,仍令觀眾嘖嘖稱奇,但也有更多人表示懷疑。例如推理小說鼻祖愛倫坡,在親臨現場仔細觀察後,特地寫了長長一篇揭密文章,附上圖解詳述可能的手法。但同樣地,這只能算是他個人的片面猜測,愛倫坡與其他質疑者始終拿不出一刀斃命的證據。

土耳其人的傳奇就這麼延續長達八十幾年。直到 1857 年,梅爾策過世十幾年後,他的兒子才將土耳其人的秘密公諸於世。

愛倫坡所著的一篇文章 (Maelzel’s Chess Player (1836)) 中提及土耳其人實質上是由人躲在櫃子中進行操縱,而非機器自動運行。圖\wikipedia

是的,土耳其人根本不是什麼自動機器。那些齒輪機件只不過是障眼法,並無實際功用,一切都是由躲在櫃子裡的西洋棋高手操控的。坎佩倫與梅爾策不過是用舞台魔術常見的手法,讓觀眾相信櫃子裡絕不可能藏著人,而以為真的是齒輪在運作。

以我們現在的眼光來看,可能會覺得相信土耳其人會下棋未免也太過愚昧。但是當時自動機器就是一種高科技,對信以為真的人而言,機器人偶既然已經能像真人般彈琴、畫畫、寫字,那麼同樣是齒輪打造的土耳其人會下棋,也不是不可能吧。

相對而言,在拿不出直接證據的情況下,如何證明土耳其人不過是個騙局?要主張齒輪機器不可能思考,勢必要回答這些問題:何謂思考?人類如何思考?如果誠如十七世紀的哲學家霍布斯所言:「推理即計算」,那麼在土耳其人出現之前,能做加減乘除的計算器已經問世許久,為什麼不能有推理棋步的機器?

這些問題日後在電腦發展史上將不斷出現。也因為這樣的爭辯與思索,人類才會持續探索機器的極限,從計算機進展到電腦,再到人工智慧。事實上,設計出史上第一部通用型計算機的英國數學家巴貝奇(Charles Babbage),就是和土耳其人對弈後沒多久,開始著手設計計算機。不過在往下說這個故事之前,讓我們先回顧十七世紀,看看四則運算的計算器是如何發明的。

張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。