戴森生日｜科學史上的今天：12/15

本文由 高柏科技 合作，泛科學撰文

林唯耕剛回台灣任教時，曾在清華大學的實驗室裡用一立方公分的「氨」做實驗。沒想到氨氣意外洩漏，那股刺鼻的氣味瞬間瀰漫整棟大樓，引來眾多師生抗議。

「從此以後，我再也不敢在實驗室裡用氨了。」他在《思想實驗室》的訪談中，帶著笑意回憶這段往事。

這段插曲聽來像是一則工程師的寓言：在理論模型中，氨是太空熱控系統的理想介質；但在現實的辦公大樓裡，它首先是逼人逃竄的臭味。公式本身沒有錯，但現實世界永遠比公式更複雜——它包含了人、成本、風險，以及必須為後果負責的工程師。

高柏科技技術專家、清華大學榮譽退休教授林唯耕 ，曾任職於美國 OAO 工程部熱流組，深耕電子構裝散熱與熱管技術多年。隨著 AI 浪潮席捲全球，他鑽研一輩子的老問題再次被推向科技產業的核心：當晶片運算速度無止境攀升，那股伴隨而生的熱，究竟該往哪裡去？

熱不會讀新品發表會

科技巨頭在發表會上熱衷於談論大型語言模型、GPU 規格與驚人的算力。這些詞彙在投影片上光鮮亮麗，彷彿進步毫無邊界。然而，每一次數位運算都紮實地發生在實體晶片上。晶片會發熱、材料會疲勞老化，一旦設備過熱，系統便會降頻保護。在物理現實面前，再動聽的發表會敘事也必須低頭。

回顧個人電腦發展早期，晶片幾乎不需專屬散熱元件。隨後，鋁製鰭片、風扇、熱管到均溫板逐一登場。這段歷程常被視為技術升級，其實更像是對空間的極限勒索：晶片功率翻倍，發熱源的面積卻沒變大，機箱空間也不可能無限擴張。

林唯耕指出，散熱設計的核心只有三要素：功率、熱源面積與空間限制。他舉例，在標準的 1U 機箱中，若發熱面積約為三十乘三十毫米，氣冷系統在達到八百瓦時就會面臨瓶頸。這並非固定的物理常數，而是取決於空間、面積與氣流的動態平衡。最現實的代價在於，風扇轉速提升的背後，是噪音、電力損耗與空間占用。

因此，「液冷技術」的興起並非單純為了追求酷炫，而是算力密度提升後的必然選擇。它能更精準地帶走晶片廢熱，卻也將新的挑戰帶入機房：漏液風險、流道堵塞、材料相容性，以及維運時的難度。工程的進步，本質上鮮少是徹底消滅問題，更多時候是選擇一組「比較值得承擔」的新問題。

太空教他的，不是把答案搬回地面

太空熱控工程之所以迷人，是因為它剝奪了地球上最常見的散熱工具。在真空宇宙中，沒有空氣能讓風扇製造對流；受光面溫度破百度，陰影處卻極度嚴寒。工程師必須純粹仰賴熱傳導、熱輻射，以及熱管與環路型熱管（LHP）來搬移熱能。

熱管運作的關鍵在於「相變」——液體蒸發時吸收大量潛熱，冷凝後重回循環。林唯耕比較了銅與水的熱傳導能力：在他設定的特定條件下，實心銅塊約能傳導 120 瓦的熱能；但若每秒有一立方公分的水發生蒸發相變，移熱量可瞬間拉升至 2.4 千瓦（kW）。他強調「每秒」的觀念，因為散熱談的是動態流動速率，而非靜態的冷卻魔法。

儘管如此，太空科技並不能直接套用到地面。太空元件因考量重量、功耗與維修難度，偏好無馬達幫浦的被動式設計；但地面 AI 伺服器面臨更高的熱負載與環境溫度，往往仍需幫浦驅動流量。當年那場「氨氣洩漏」事故正是最好的提醒：技術是否「先進」，與它是否「適合」當下的場景，始終是兩回事。

好論文，為什麼仍可能造不出好產品

學術研究致力於證明「可行性」，而工業現場則要求「可重複性」——不僅要能運作，還得確保每台出廠的設備都不漏水。林唯耕將此定義為「從 0 到 1」與「從 1 到 100」的差別。後者涉及良率、成本、公差與客戶信任。論文中那次最完美的實驗數據，在產線上往往未必管用。

他從不避談失敗。在高柏科技早期與學界合作時，也曾遇過實驗數據無法複製，或研究方向偏離產業需求。這未必是雙方努力不夠，而是彼此對「成功」的標準不同。為了解決這道鴻溝，高柏科技推動「柏苗啟航創新培育計畫」，每年投入逾千萬資金與成大、中山、台科大等校合作，並指派專業人才在過程中持續微調、校正，確保研發貼近產線現實。

他分享了近期一項液冷工質校正專案。團隊使用非侵入式的超音波流量計進行觀測，但由於儀器預設以「水」校正，換成其他化學流體後讀數便出現誤差。最初嘗試用幫浦壓差推算，卻發現缺乏重複性，數據甚至推導出不合理的蒸發率。最後團隊回歸基本面，改用秤重法搭配能量平衡進行交叉驗證，才讓數據成功收斂。

這個故事真正的價值不在於「產學雙贏」的口號，而在於那段不夠優雅的挫折：假設失效、數據混亂、方法砍掉重練。也正是在這種時刻，企業需要的不只是會算數的人才，而是能洞察研究何時「走鐘」，並有權力喊停、要求重來的關鍵決策者。

林唯耕坦言，過去在校園裡總認為「技術第一、成本第二」，進入商界後才驚覺行銷與信任關係往往才是關鍵。這番話雖然不如科技突破那樣動聽，卻是產品能否進入市場的殘酷真相。再卓越的散熱設計，若無法穩定生產或贏得客戶信任，也僅止於一份精美的報告。

AI 會給答案，誰來負責出貨？

訪談尾聲，主持人國威提出了一個時代難題：假設 AI 能在彈指間生成散熱架構、材料配方與流道設計，企業該選擇全面擁抱 AI 的速度，還是保留緩慢但穩定的工程驗證，以規避潛在的失效風險？

林唯耕拒絕落入二選一的框架。他的觀點是：兩者並存。AI 擅長處理資訊、生成草案；但工程師仍須實作原型，進行嚴苛的性能與可靠度測試，最終由人決定是否出貨。這並非盲目崇拜人類直覺，而是基於一項事實：AI 的資料庫裡，通常沒記載下一次「意外洩漏」或「材料疲勞」的細節，且模型永遠無法為量產結果擔負法律與商業責任。

在 AI 時代，最稀缺的未必是熟練下指令（Prompt）的人，而是具備這種能力的人：能預判答案可能在哪裡出錯、能設計實驗將問題「逼」出來，並且願意為最終的量產品質負起責任。

大眾習慣將雲端想像成輕盈、無重量的空間。但現實中，雲端是由龐大的機房架構而成，裡面裝滿了晶片、管線、泵浦與冷卻液。虛擬算力的每一次擴張，都會在實體世界留下發熱的足跡。散熱工程師的價值，就是不讓這筆物理帳單，被埋沒在光鮮亮麗的投影片背後。

即使再怎麼模仿，AI 終究無法以與生物相同的方式思考吧？畢竟電腦的電子元件和我們大腦中的神經細胞結構截然不同。再怎麼模仿，AI 終究無法以與生物相同的方式思考吧？

錯，可以。

2024 年諾貝爾物理學獎跌破所有專家的眼鏡，頒給了兩位研究機器學習的科學家——約翰·霍普菲爾德（John Hopfield）和傑佛瑞·辛頓（Geoffrey Hinton）。他們以「人工」的方法打造了類神經網路，最終模擬出生物的「智慧」，奠定了當代深度學習的基礎。

為什麼解決人工智慧發展瓶頸的，竟然會是物理學？物理要怎麼讓 AI 更像人類？

從巴甫洛夫的狗到赫布理論：理解學習的基礎

為了解答這個疑問，我們需要一些背景知識。

20 世紀初，俄羅斯心理學家巴甫洛夫發現，狗在食物還沒入口前，就會開始分泌唾液。他進行了一系列實驗，改變食物出現前的環境，比如讓狗習慣在聽到鈴聲後馬上得到食物。久而久之，狗只要聽到鈴聲，就會開始分泌唾液。

大約 50 年後，神經科學家赫布（Donald Hebb）提出了一個假說：大腦中相近的神經元，因為經常同時放電，會產生更強的連結。這種解釋稱為「赫布理論」，不僅奠定了神經心理學的發展，更成為現代深度學習的基礎。

然而，赫布理論雖然描述了鄰近神經元的關係，卻無法解釋大腦如何建構出如此複雜的聯想網路。

霍普菲爾德網路：物理學家對神經網路的貢獻

然而，赫布理論雖能描述神經元之間的關係，卻缺乏數學模型。物理學家約翰·霍普菲爾德從數學家約翰·康威（John Conway）的「生命遊戲」（Game of Life）中獲得靈感，試圖建立一個可以在電腦上運行的記憶系統。

「生命遊戲」由數學家康威（John Conway）發明，玩家開始時有一個棋盤，每個格子代表一個細胞，細胞可以是「活」或「死」的狀態。根據特定規則，細胞會根據鄰居的狀態決定下一次的生存狀態。康威的目的是展示複雜的系統不一定需要複雜的規則。

霍普菲爾德發現，這個遊戲與赫布理論有強大的關聯性。大腦中的大量神經元，在出生時處於初始狀態，經過刺激後，神經元間的連結會產生或斷裂，形成強大的記憶系統。他希望利用這些理論，創造一個能在電腦上運行的記憶系統。

然而，他面臨一個難題：赫布理論沒有明確的數學模型來決定神經元連結的規則。而在電腦上運行，必須要有明確的數學規則。

物理學的啟發：易辛模型

霍普菲爾德從物理學的研究中找到了類似的模型：易辛模型（Ising Model）。這個模型用於解釋鐵磁性物質的磁性特性。

在鐵磁性物質中，電子具有「自旋」，自旋產生磁矩。電子的自旋方向只有「向上」或「向下」，這就像生命遊戲中細胞的「生」或「死」。鄰近的電子會影響彼此的自旋方向，類似於細胞之間的互動。

易辛模型能用數學描述電子間的相互影響，並通過計算系統能量，得出自旋狀態的分佈。霍普菲爾德借用了這個概念，將神經元的互動視為電子自旋的互動。

他結合了康威生命遊戲的時間演化概念、易辛模型的能量計算，以及赫布理論的動態連結，創造了「霍普菲爾德網路」。這讓電腦能夠模擬生物大腦的學習過程。

突破瓶頸：辛頓與波茲曼機

然而，霍普菲爾德網路並非完美。它容易陷入「局部最小值」的問題，無法找到系統的全局最優解。為了解決這個問題，加拿大計算機科學家傑佛瑞·辛頓（Geoffrey Hinton）提出了「波茲曼機」（Boltzmann Machine）。

辛頓將「模擬退火」的概念引入神經網路，允許系統以一定的機率跳出局部最小值，尋找全局最優解。他還引入了「隱藏層」的概念，將神經元分為「可見層」和「隱藏層」，提高了網路的學習能力。

受限波茲曼機（Restricted Boltzmann Machine）進一步簡化了模型，成為深度學習的基礎結構之一。這些創新使得 AI 能夠更有效地模擬人類的思維和學習過程。

AI 的未來：跨學科的融合

霍普菲爾德和辛頓的工作，將物理學的概念成功應用於人工智慧。他們的研究不僅解決了 AI 發展的瓶頸，還奠定了深度學習的基礎，對現代 AI 技術產生了深遠的影響。因此，2024 年諾貝爾物理學獎頒給他們，並非意外，而是對他們在跨學科領域的重大貢獻的肯定。

AI 的發展，離不開物理學、生物學、數學等多學科的融合。霍普菲爾德和辛頓的工作，正是這種融合的典範。未來，隨著科學技術的進步，我們有理由相信，AI 將越來越接近人類的思維方式，甚至可能超越我們的想像。

1990 年，NASA 的航海家 1 號完成任務時，在 64 億公里外回首拍攝一張照片。地球，好似一粒漂浮在深空中的塵埃。該照片被命名為《蒼藍小點》（Pale Blue Dot），天文學家卡爾・薩根（Carl Sagan）隨後寫下了這段經典的語錄：

「凝視著這個淡藍小點：就是這裡。這就是家園。這就是我們。在這個小點上，每一個你愛的人，每一個你認識的人，每一個你曾聽聞的人，每一個人類、都曾經生活於此。我們一切的快樂和掙扎，萬千種引人自豪的宗教信仰、思想體系、經濟法則，每一位獵人與騎兵，每一位英雄與懦夫，每一個文明的締造者與摧毀者，每一位君王與農夫，每一對陷入愛河的年輕伴侶，每一位為人父母者、充滿希望的孩子們、發明家與探險者，每一位靈魂導師，每一位貪腐政客，每一個所謂的「超級巨星」，每一個所謂的「偉大領袖」，每一位歷史上的聖人以及罪人⋯⋯我們的一切一切，全部存在於——這顆懸浮在一束陽光中的渺小塵埃上。」

在浩瀚的宇宙中，地球確實是一粒渺小沙塵，也是我們唯一確定有智慧生命居住的世界。那麼，在茫茫太空中、銀河系的彼端、抑或是更遙遠之處，是否還有其他生命、乃至於文明正在活躍著？在這偌大而寂寥的宇宙中，人類又是否是孤獨的存在？

地球是否特別？平庸與殊異的爭辯

《蒼藍小點》這張影像意味著：地球不過是宇宙空間億萬顆星體中的一粒微塵，在近幾十年來，實驗觀測更指出宇宙比我們想像中來得更大、且正在持續擴張中。從演化論的視角來看，人類並非特別，我們所擁有的聰慧恰恰就是有機化學中基因序列的一種結果。

這些證據指向了一個事實——地球並不特別，只不過是一顆普通的行星。這樣一種看法在哲學上面被稱作「平庸原理」（mediocrity principle）。

然而，對此有不少科學家抱持反對意見，而這一系列說法被稱之為「地球殊異假說」（Rare Earth hypothesis）。他們認為，地球的形成、板塊運動、大氣、海洋、乃至於生命的誕生、演化——這些都並非輕而易舉就能產生的。英國天文學家霍伊爾（Fred Hoyle）爵士曾如此形容：

「生命自發形成的機率，宛若一陣龍捲風掃過垃圾場、從中隨機拼湊出一架波音 747 那樣渺茫。」

確實，一系列有機分子纏繞結合成蛋白質、再組成基因序列、構成原始細胞這一段程序，這機率是非常微小的。而科學家們同時也提出了地球恰恰位在「適居帶」（habitable zone），這些條件決定了生命是否得以形成並且演化：

1. 星系適居帶：恆星系統若接近星系中心，由於超大質量黑洞影響，會導致輻射、宇宙射線、以及星體撞擊的干擾，從而難以形成生命；若過於遠離核心，則會使重元素（例如：鐵、碘）難以形成，這些重元素是組成複雜生命分子的條件。太陽系位在銀河系第三旋臂上，恰好座落在適居帶。
2. 太陽系適居帶：對於一個恆星系統而言，行星與恆星的距離將主宰生命誕生的條件。比如：水星、金星溫度過高，便不適合生命形成；火星、木星外側的行星距離太陽偏遠，則不會有液態水的存在；而地球位處金星、火星之間，不僅溫度適宜、有液態水存在，更有足夠大氣層可以擋避隕石與輻射，使得碳循環得以建立，恰好符合生命形成的條件。
3. 行星適居帶：與前者類似，行星必須在恆星的一定範圍內，才能有良好的溫度環境、使得液態水可以存留。

超級適居行星的發現

所謂的「超級適居行星」（superhabitable planet），顧名思義，就是指位居在適居帶的行星。請注意，不少人常常將其誤解為「超級地球」（super-Earth），但這兩者是不一樣的。

首先，超級地球的判斷依據僅僅是質量，而非適居帶等條件，亦即比地球大出許多的岩質行星、但通常遠比天王星或海王星小。

而另一個相關的數據稱為地球相似指數（Earth Similarity Index, ESI），指的是一行星的大小、質量、溫度等條件與地球的相似程度。以地球的 ESI=1 為標竿，目前所發現 ESI 最高的行星為位在 1,075 光年外的 KOI-4878.01，其 ESI 值高達 0.98，但存在性還在評估中。

不過，ESI 值高並不代表行星中有生命（畢竟有可能遠離行星適居帶）。真正意味著有可能會有生命存在的，便是「超級適居行星」。目前，葛利斯 370b、葛利斯 581c、葛利斯 581d、葛利斯 581g、葛利斯 832c、克卜勒 22b、克卜勒 62e、克卜勒 62f、克卜勒 69c、克卜勒 186f 和克卜勒 442b 等等，皆是超級適居行星的代表。為了探究這些星球是否有生命存在，最具表性的行動莫過於「搜尋地外文明計畫」（SETI）。

地球數以萬億計的物種中，人類算得上是最具高等智慧的生物。但假設——遙遠的某顆行星上也有「智慧生命」的存在，那麼，對方是否有可能比我們先進？他們能透過量子力學的應用而發明電子產品嗎？他們能掌握陽光、電磁等能源嗎？他們是否有完善的醫療、教育、經濟、社會結構？又或者，他們是否已然可以達成人類難以觸及的瞬時旅行？

在探討這個問題之前，先讓我們回到「人類」身上。人類是因為達成了哪些「成就」，而擁有了智慧呢？

費米悖論：我們為何從未接觸過外星智慧？

或許宇宙深處已然有著科技程度比我們先進數百萬年的高等文明，那些 III 型文明或許早已可以駕馭光速飛行、甚至能掌握時空動力學跳脫距離限制到訪地球。根據「德雷克公式」（Drake equation），銀河系中可能與我們接觸的先進文明數量大約可以表示為：

其中，等號右側從左至右依序為：銀河系恆星形成速率、恆星系統有行星的可能性、位於適居帶行星的平均數目、行星上發展出生命的可能性、生命演化成為智慧文明的可能性、智慧文明得以進行通訊的可能性、以及該智慧生命的預期壽命。根據估算，可能與人類通訊的智慧文明在銀河系中最少一千、最多則高達一億個。

我們總是如此預估：在擁有 137 億年歷史的廣袤宇宙中，與地球類似的星體非常多，先進地外文明的存在性相對而言也非常高，而德瑞克公式更意味著本銀河系中便可能有成千上萬個智慧文明存在。於是，一個矛盾產生了：

既然宇宙的尺度與年齡意味著高等文明應當存在，那麼——為何這個敘述迄今沒有得到充分的科學證據支持？

更簡潔的說法，便是：

宇宙中高等文明存在的可能性極高，然而為什麼這些智慧生命至今尚未與我們接觸過？

這便是著名的「費米悖論」（Fermi paradox）。關於這項提問，也出現了各種不同的說法或解答。

第一種答案認為，目前其實並沒有外星文明存在，因為：

• 生命誕生的條件是極其稀罕的，有可能進化失敗、又或許尚未崛起（地球殊異假說）。
• 自我摧滅：智慧生命在能完成恆星際旅行之前，便可能因為核戰爭、生化戰爭、或是資源枯竭等災難而自我毀滅了。

第二種則認為，外星文明其實存在，卻因為：

• 尺度限制：受限於空間限制，使得智慧生命不容易前來；此外，也有可能是外星生命已經接獲人類的訊號，只是訊號尚未返回地球。
• 技術因素：外星文明未必比地球文明進步；又或是，人類找尋外星生命的方法有誤，也有可能外星技術現象與自然現象過於雷同而難以區辨。
• 刻意緘默：「動物園假說」（zoo hypothesis）意味著外星智慧有可能已經收到人類訊息，但為了觀察人類舉動而不願回答；或者，科幻作家劉慈欣提出的「黑暗森林法則」認為，在尚未分別對方意圖之時、為保有宇宙資源等利益，刻意隱匿行蹤，必要時可能摧毀對方文明；又或者，基於技術奇點（technological singularity），與人類差別太遠從而無法有效答覆。
• 已然接觸：外星智慧已然與人類接觸，但可能因為維度差異、或者隱匿行蹤，致使人類尚未發覺。例如文章中所提及的「馮紐曼探測器」（von Neumann probe）預示著：智慧文明可能透過奈米乃至於原子尺度的探測針、散播並且監控著地球人的舉動。

對於地外文明的探索與展望

對於探索地外文明，人類的野心從未止息。1972 年，無人探測器先鋒號裝載了一塊鍍金鋁板，其中囊括一些有關人類科技的基本訊息，例如——人類的身材面貌、氫原子躍遷圖示（用以表示長度與時間單位）、太陽系位置、以及地球的所在地等等。這塊「先鋒號鍍金鋁板」（Pioneer plaque）雖然不是第一個離開太陽系的人造物件（第一個離開太陽系的是航海家一號），但卻是第一個攜帶了人類文明訊息離開太陽系的人造物件。

如同先前提及的，SETI 或許是最具代表性的團體。1974 年，SETI 透過無線電訊息發送了知名的「阿雷西波訊息」（Arecibo message）至遠在 25,000 光年外的 M13 球狀星團。這串訊息陣列包含了：二進位數字、DNA 序列、核苷酸、雙股螺旋、人類平均身高與人口、行星系統、以及望遠鏡結構。假設 M13 星團的外星文明接收到訊息，那麼根據傳播速度推算，人類接收到回覆大約是五萬年之後的事了。

1977 年，有鑒於先鋒號刻板基礎，以薩根為主的 NASA 委員會將地球上的 55 種語言、各種大自然的聲音、不同年代的音樂，以及有關於科學、人體構造、生態、建築物、交通建設、書信文物等 116 張影像，一併收錄至一張唱片裡，其中還包括時任總統卡特（Jimmy Carter）的書面信息，再透過航海家探測器發射至太空。這張「航海家金唱片」（Voyager Golden Record）預計 4 萬年後才會到達距離太陽系 1.7 光年的地方。

雖說上述訊息目前為止都尚未得到回覆，當然，就宇宙尺度而言恐怕要等到數萬年後才會有所答覆。不過，值得一提的是，近年來天文學家透過克卜勒望遠鏡觀測到 KIC 8462852（又稱 Tabby 星、博雅吉安星）的光度有異常變化。

關於這個變化，有人認為可能是新形成的恆星塵埃造成的，但是科學家在觀測後尚未發現相關跡象；有人認為是星體碰撞下的殘骸導致的，然而克卜勒望遠鏡觀測到此情況的機會亦非常低；也有人認為是彗星群受到重力影響而朝往該恆星方向運動，不過這說法無法解釋為何光度會顯著下降。

這光度異常不規律的起伏至今仍是謎團，而所有證據彷彿指向了另一個極端的可能性——人工巨型結構（即「戴森球」）。假設該恆星系統有高等文明存在，便得以透過「戴森雲」這類結構控制恆星能量。乍聽之下似乎無比驚人，然而，目前唯有這個說法可以合理解釋光度的異常變化，因此，科學家並不否定 KIC 8462852 存在先進外星文明。

作者註：目前 KIC 8462852 的光度變化，科學界基本上已經排除戴森球的可能性

我們期待這些有關外星智慧的謎團能夠解開，也期許人類文明能在短時間內擺脫戰亂、資源枯竭等危機，從而在本世紀末順利躍升成為第 I 型文明。最後，讓我們引用 1977 年收錄在航海家金唱片中、吉米・卡特前總統的一段語錄作為總結：

「這個禮物來自於有點遙遠的世界，夾帶著屬於我們的聲音、我們的科學、我們的圖像、我們的音樂、我們的思想、以及我們的感觸。我們嘗試永存現有的時光，好讓來日得以共生於你們所處的時光中。我們期望有朝一日，能夠共同解決彼此所面臨的難題，並且聯合組成一個星系文明。這張唱片象徵著我們的希望、我們的決心、以及我們的善意——在這浩瀚且壯麗的宇宙中。」

參考文獻

• 加來道雄，《穿梭超時空》，台北：商周出版，2013
• 加來道雄，《平行宇宙》，台北：商周出版，2015
• 卡爾．薩根，《宇宙・宇宙》，台北：遠流出版事業股份有限公司，2010
• 史蒂芬．霍金，《胡桃裡的宇宙》，台北：大塊文化，2001