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這個男人,用物理學挑戰山寨 seafood 的超能力--山川健次郎參上!(2)

物理雙月刊_96
・2017/11/28 ・5714字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 514 ・六年級

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  • 文/高崇文|中原大學物理系教授

上一回的阿文開講,介紹了山川健次郎的前半生,但是他的人生故事還沒結束喔!讓我們來看看,在一路追求「文明開化」的時代中,他又遇到了什麼有趣的事。

追趕西洋科技的腳步

1895 年底,倫琴發現 X 光的消息轟動整個物理界,當時正在柏林的長岡半太郎很快地就將這個消息傳回日本,長岡也是第一個親眼看到第一張 X 光人體(手)照片的日本人。很快地,日本的物理界開始嘗試複製倫琴的實驗。

第一組成功的團隊正是東大的山川健次郎與他的助手鶴田賢次。當時實驗用的克魯斯管(Cathode ray tube,陰極射線管)還是鶴田自製的呢。第一高等學校的教授,也是長岡的同學水野敏之丞在 1896 年 3 月 25 日在東洋學藝雜誌登了一篇文章,除了介紹倫琴的發現,也提到山川與鶴田的 X 光實驗,而 5 月 17 日在東京數學物理學會年會中,山川還給了一場演講介紹 X 射線,展示了一些用 X 光照在小刀的照片。

在京都的村岡也不甘示弱,在島津製作所的島津源藏、源吉兄弟的幫助下,在 10 月 10 日成功照了日本第一張 X 光人體照片!當時他們所使用的克魯斯管,現在被珍藏在京都大學中。1897 年島津製作所就做出日本第一台教育用的 X 光機,1909 年更作出第一台日本製醫療用的 X 攝影機。日本的物理學者努力迎頭趕上西洋的拼勁在 X 光這件事可見一斑。

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關於鶴田賢次還有一件趣聞。看過夏目漱石的《我是貓》的讀者,一定還記得書中的理學士天天在研究室磨珠子,還被主人翁苦沙彌問到「天天磨珠子可以拿博士嗎?」之前阿文介紹過,寒月其實是寺田寅彥,但是天天在研究室的其實是寺田的同事鶴田。鶴田在 1899 年到歐洲留學,1903 年回國後成為教授,看來磨珠子不僅可以拿博士,還能當教授呢!

日本第一張X光人體照片。圖/SHIMADZU

「技術に堪能なる士君子」

山川在明治 34 年(1901 年)在菊池大麓的強力推薦下,成為東京帝國大學的總長。之前他已經是東京大學理科大學長(相當是理學院院長)。許多曾經背過「朝敵」之名的會津藩士聽到這個消息後都流下欣慰的眼淚。他在三年後成為貴族院勅選議員。貴族院勅選議員是由天皇任命的終身職,日本帝國議會在設立之時就設置了  61 個名額,資格是對國家有勳勞、或有學識的 30 歲以上的男子。

但是,健次郎的總長只做了 4 年。明治 38 年(1905 年)日俄戰爭後,由於日本沒有從戰敗的俄國身上取得賠款,東大的法科教授.戶水寬人反對樸資茅斯和約,而向宮內省提出上奏文,這惹怒了當時的文部大臣久保田讓。先前戶水曾在開戰前夥同其他六名教授在報上刊登意見書,對政府遲遲不敢對俄開戰提出質疑,之後戶水在日俄戰爭中就不斷提出煽動民眾要求俄國割土賠款,而遭到久保田讓以文官分限令而將戶水休職。這一次,久保田居然強迫山川健次郎辭職。山川無法接受這種作法,憤而提出辭呈,四個月後久保田批准山川的辭呈,任命農學部教授松井直吉擔任總長,這馬上引發了東京帝大與京都帝大的教授集體辭職,松井上任十天就受不了辭職了。久保田讓騎虎難下,只好黯然下台,而戶水寬人則在隔年一月復職,但山川堅拒重回總長的位子,而由濱尾新擔任新的總長。

但是賦閒之後的山川很快又有新的任務。北九州以礦業起家的實業家安川敏一郎,邀請健次郎出任他出資成立的明治專門學校(今天九州工業大學的前身)的校長。安川敏一郎是福岡藩士出身,他的生平也十分傳奇,他的長兄徳永織人在明治四年因為假鈔事件切腹以示負責,他原本在東京的慶應義塾就讀,但是他的三兄幾島徳在明治七年的佐賀之亂中身為官軍小隊長戰死,他只好回鄉。他後來從事礦業發了大財、還支持孫文的革命活動,不但提供孫文藏身之處,還給他每月五百元當生活費呢。他的事業版圖擴張到港口、電機、鐵道、製鋼等等,形成安川財閥。當時日本還沒有私人興學,安川可以說是創風氣之先,成立一所以採礦、冶金、機械三學科為主的四年制專門學校。

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但是山川健次郎主張的教育理念,卻是「技術に堪能なる士君子」,就是擁有精湛技術的 gentleman。除了知識的灌輸,山川還特別地強調「德育」的重要。他對明治末期社會汲汲營利、以文明開化之名而枉顧道義,時有貪贓枉法的傳聞的不良風氣有相當嚴厲的批判。這所學校在 1909 年 4 月 1 日正式開學,大正十年(1921 年)改成國營,戰後改稱九州工業大學。山川在擔任明治專門學校校長時,數學、物理、化學等基礎科目時數是官立大學的一倍半以上呢。反觀現在一些台灣的大學的工科一直削減普通物理學的時數,甚至兩學期變成一學期,真是叫人搖頭!

物理學者 v.s. 當代超能力者

最能彰顯山川一絲不苟,事實求是的事蹟末過於喧騰一時的「千里眼」事件了。明治四十二年(1909年)8 月 14 日的東京朝日新聞以斗大的標題「不思議なる透視法」描述在熊本一位 23 歲的婦人.御船千鶴子擁有不可思議的透視神通,可以看到人體內部來醫病,甚至還能尋找礦藏!

明治四十二年(1909年)八月十四日的東京朝日新聞:不思議なる透視法。圖片來源:『新聞集成明治編年史. 第十四卷』,国立国会図書館

隔年,東京大學文科大學的心理學助教授福來友吉開始展開通信實驗。他將裝有名片的信封用漿糊黏好封口,再蓋上自己的印鑑,信封裡面的名片,部分用錫箔包覆名片的一小部份,部分用錫箔完整地包覆。這些信封也是完全不透光的,無法從外面看到名片的內容。他準備了19封這樣的信封,寄給千鶴子進行實驗。

千鶴子後來回寄了 7 封信,並且附上自己對信封裡內容的觀察,少掉的 12 封信,千鶴子宣稱 3 封是在打瞌睡時不小心掉到火盆裡燒毀了,9 封是因為透視時太過疲勞所以中止了,但這 9 封信也沒有寄回給福來。最後福來博士收到的就只有 7 封信。但是這 7 封透視的結果令人驚訝,因為幾乎大抵都答對了,有些地方有了錯字,像把「深井虎藏」看成了「深水虎藏」,福來博士似乎不在意這些瑕疵,非常滿意於這樣的結果,結果他親自前往熊本,與千鶴子進行面對面的實驗。

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兩個月後,福來友吉與在京都大學專研精神醫學的今村新吉兩個人再次來到熊本,讓千鶴子做透視封印的實驗。一開始沒有成功,後來他們改變方式後,居然成功了!興奮的福來友吉回到東大後報告結果,轟動一時,引起山川健次郎的興趣。

今村新吉、井芹経平、御船千鶴子、清原猛雄、福来友吉。圖/『日本「霊能者」列伝』(宝島社)

所以明治 43 年(1910 年)9 月 14 日,御船千鶴子在東京接受山川的測試。山川放了 20 個鉛管,裡頭有一捲紙,上頭有字。採用鉛管的原因是連 X 光都無法透過。千鶴子對著一個鉛管看了半天,最後說裏頭的字是「盜丸射」,當場將鉛管鋸斷拿出紙捲,上面果然是「盜丸射」三個字!但是山川卻百思不得其解,因為他預備的 20 個鉛管中的紙捲根本沒有這三個字!結果似乎是福來拿給千鶴子練習用的鉛管。這引起山川的懷疑。

接下來 9 月 15 日與 17 日,實驗持續進行,雖然結果好壞參半,但是比起第一天的實驗,後來實驗的嚴謹程度大大不如,舉例來說,千鶴子透視時宣稱四周不可以有人,最後一次實驗千鶴子更是以身體不適為由來解釋其失敗,所以社會的反應由熱轉冷,甚至有人認為這只是一場騙局。

不久又出現了一位自稱能以念力在照相板上感光的四十歲婦人長尾郁子,甚至還對千鶴子冷嘲熱諷。福來與今村在 11 月到香川測試長尾郁子的「超能力」,明治 44 年 1 月 4 日,山川再次出馬,親自來到香川丸龜市檢驗長尾是否真的能「念寫」。同行的還有東京帝国大学物理学教室講師藤教篤。結果發現長尾的超能力疑點重重,長尾郁子堅持測試必須測試者必須先將題目放到她安排的「預備室」,還不准修改,放問題的信封也不許封起來,念寫的字還必須由長尾郁子指定。山川還發現透視用的封筒居然還可以開啟的!而念寫的實驗山川則是搞了個烏龍,助手忘了裝照相版! 不過長尾的超能力是假的傳聞卻已喧囂塵上。更慘的是,八天後爆發長尾郁子與投宿她家的催眠師有婚外情的八卦,結果大眾的眼光全轉移到了八卦,而超能力是真是假已經被拋諸腦後了。

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明治 44 年(1911年)1 月 19 日,不堪大眾異樣眼光的御船千鶴子服下重鉻酸鉀自殺,而長尾郁子也在 2 月 26 日因為急性肺炎而一命嗚呼。福來友吉依然醉心於超能力的研究,還寫了本《透視と念写》,被當時的東京文科大學長上田萬年給「休職」了。而藤教篤則出了一本《千里眼實驗錄》,山川還為這本書寫了序文。台灣的看官們應該還記得「隔空抓藥」被抓包的往事吧。阿文我就不多說了。

山川所使用的20個鉛管其中之一。圖/『日本「霊能者」列伝』(宝島社)

據理力爭的國家主義者

古河財閥在 1906 年提出「福岡工科大學、仙台理工大學、札幌農科大學」建築建設的捐贈金,因為資金籌措的困難,一直遲遲無法設立的九州帝國大學的設置有了轉機。明治 44 年九州帝國大學成立後,找來山川成為第一任總長。山川原本一直婉拒,但是最後還是勉為其難地上任了。

但就在他即將回任東大總長之前,發生了「不敬事件」。這件事是起因於明治四十四年 11 月 10 日,明治天皇的火車在門司驛發生列車出軌的意外,隔天負責的鐵路員工清水正二郎留下遺書臥軌自殺以示負責。當時社會一片讚美之聲,福岡的玄洋社甚至主張蓋一個彰顯碑。但是 12 月 2 日福岡日日新聞刊登了山川的文章,引起一陣撻伐--山川反對建碑,對鐵路職員的自殺表示同情但並不贊同,更談不上讚美。他還在文中抨擊學校火災時老師搶救學生前,居然先去搶救天皇照片(御聖影)的做法,玄洋社的《九州日報》因此不斷攻擊山川,連文部大臣在帝國議會都遭到眾議員荒川五郎的責難。所幸當時的首相西園寺公望支持山川的說法才大事化小,但山川從未收回他的意見。雖然這件事差點造成他無法回任東大總長,但是最後他還是成功地回到東大擔任總長。那年 12 月他被封為男爵,不過他的哥哥山川浩早在明治 31 年(1898 年)就以軍功被授以男爵了。

雖然山川是一個強烈的國家主義者(他在明治專門學校以及九州帝大都要求學生上軍訓呢),但是與後來昭和時期的國家主義者不同的是:山川也是學術獨立、大學自治最堅定的支持者。當京都大學總長澤柳政太郎以刷新教學為由一口氣免了七位教授的職務,其中包含了村岡範為馳!這件事引發京都法科大學對澤柳的抗爭,爭執的關鍵是教授的任免權是由教授會決定,而非官派的總長。

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最後澤柳總長於 4 月 28 日引咎辭職,而由山川健次郎兼任京都帝大的總長一直到隔年的 6 月。而這件事也成了日後校長直選的契機。大正七年他還曾到荻市,還特地去參拜恩人奧平謙輔的墓。在他心目中,奧平是真心愛國的志士,不是反賊。在他留下來的遺稿中,還有《奥平謙輔先生》一文。

山川人物史番外篇:鹿鳴館之花

比起健次郎,他的妹妹山川捨松(原名咲子)恐怕更為傳奇。她比健次郎小六歲,是家中的么女。當黑田清隆派出留學生時特地選了一些女留學生,這在當時是破天荒之事。山川捨松就是第一批五個女留學生之一。到了美國之後,她在 Leonard Bacon 牧師家中寄宿四年,學習英語以及美國社會習俗。之後她進入Vassar College 就讀,三年後以magna cum laude 的榮譽畢業,還擔畢業典禮的畢業生代表。

可是,當她意氣風發地回到日本就處處碰壁。就在一起留學的同學永井繁子的婚宴上,她遇到了新近喪妻的陸軍卿大山巖,大山巖是維新功臣西鄉隆盛的表弟。他見到捨松後驚為天人,探聽之後知道是山川家的女兒後,馬上央請表弟西鄉從道向山川家提親。大哥山川浩當場以「山川家乃賊軍的家臣」為由婉拒,不料西鄉從道卻表示:「大山與我都是逆賊的家人」。話都說到這份上,山川浩也只好點頭了。(西鄉隆盛是在六年後才被特赦,當時還是被視為逆賊)。明治16年(1883年)11月8日,兩人結為連理。

山川捨松(圖片來源:Wikimedia Commons)

據說大山巖的薩摩腔太重,所以兩人是以英語溝通,因為大山巖也曾經在歐洲留學過。當時日本為了將幕府時期簽訂的不平等條約積極發展外交,甚至蓋了鹿鳴館當做宴席外交的場所,向西洋諸國展示為新後的日本是文明的近代國家,所以在鹿鳴館舉辦西洋式舞會是國家外交的一環。無奈當時日本的官員不黯西洋禮節,穿上西洋服裝卻顯得格格不入,被戲稱為在跳「滑稽な踊り」。但是面容姣好身材高佻的大山捨松在其中卻顯得悠游自在,再加上她受過西洋高等教育,還能講英語、法語與德語,讓各國使節驚嘆不已,所以捨松被稱為「鹿鳴館之花」。而大山巖在日清、日俄兩場戰爭後戰功彪炳,位極人臣。

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兩人之間生有兩男一女。長男大山高不幸在海軍兵学校畢業後,在松島艦服役時在台灣馬公附近因意外沉沒而殉職。次男大山柏則是在軍旅生涯不得意後,成為日本史前史考古學的權威。女兒久子則是嫁給男爵井田磐楠。與捨松一起到美國留學的津田梅子,後來開設了津田塾大学的前身津田英学塾。

山川捨松於大正8年(1919年)因染上當時大流行的流感而過世,隔年健次郎自東大退任。昭和6年(1931年)因胃潰瘍過世。

他晚年專心著作的《会津戊辰戦史》在死後昭和七年才出版。在山川的心目中,自己應該一直都是會津藩士。據說他的女兒小時候如果成績不好、達不到父親的要求,健次郎就會對她大吼:「你是武士家的女兒嗎!」如果女兒沒有回應,健次郎就會繼續用同樣的話吼她,直到女兒大聲回答:「是!我是武士的女兒。」的確,山川健次郎一生沒有亮眼的學術成就,然而他就像一個盡責的武士默默地將物理這個學科種在日本的土壤上。世人多稱譽明治維新是弱勢文明中現代化最成功的典範,然而要深入了解明治維新成功的秘訣,是不是該先瞭解熱情、負責、篤實、甘於平淡、不畏艱難的傳統武士魂呢?

參考資料

  1. 中文 日文 英文 維基相關條目
  2. 日本近代政治史 第二卷,信夫清三郎著,周啟乾譯
  3. 山川健次郎とSheffield Scientific School–初期日米科学交渉史の一面,渡辺正雄著
  4. 山川健次郎初代総長パンフ – 九州大学
  5. 門司駅員の引責自殺と山川健次郎言責事件 : 二つの忠君愛国をめぐって.  小股憲明著

延伸閱讀

  1. 山川健次郎(上): 開創明治物理的白虎隊士
  2. 1901年諾貝爾物理獎:威廉・倫琴
  3. 在一戰中動員的美國物理學(Mobilizing US physics in World War I)
  4. 理研的故事之明治的物理學家

本文摘自《物理雙月刊》 ,更多文章請見物理雙月刊網站

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物理雙月刊_96
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《物理雙月刊》為中華民國物理學會旗下之免費物理科普電子雜誌。透過國內物理各領域專家、學者的筆,為我們的讀者帶來許多有趣、重要以及貼近生活的物理知識,並帶領讀者一探這些物理知識的來龍去脈。透過文字、圖片、影片的呈現帶領讀者走進物理的世界,探尋物理之美。《物理雙月刊》努力的首要目標為吸引台灣群眾的閱讀興趣,進而邁向國際化,成為華人世界中重要的物理科普雜誌。

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人與 AI 的關係是什麼?走進「2024 未來媒體藝術節」,透過藝術創作尋找解答
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/10/24 ・3176字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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。

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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。

圖一、1956 年達特茅斯會議提出「人工智慧」一詞

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。

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圖二、1957-1970 年迎來 AI 第一次爆發

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。

圖三、1980 年專家系統的興起,進入第二次高峰

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。

圖四、2010 年發展至今,高性能電腦與大數據助力讓 AI 技術應用更強

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。

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圖五、「2024 未來媒體藝術節——奇異點」展出現場,圖為超現代映畫的作品《無限共作3.0》。圖/C-LAB 提供

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。

圖六、「2024 未來媒體藝術節——奇異點」分成四個章節探究 AI 人工智慧時代的演變與社會議題,圖為第一章「流動的錨點」由自牧文化整理 AI 發展歷程的年表。圖/C-LAB 提供

「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。

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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

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從認證到實踐:以智慧綠建築三大標章邁向淨零
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/11/15 ・4487字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 建研所 委託,泛科學企劃執行。 


當你走進一棟建築,是否能感受到它對環境的友善?或許不是每個人都意識到,但現今建築不只提供我們居住和工作的空間,更是肩負著重要的永續節能責任。

綠建築標準的誕生,正是為了應對全球氣候變遷與資源匱乏問題,確保建築設計能夠減少資源浪費、降低污染,同時提升我們的生活品質。然而,要成為綠建築並非易事,每一棟建築都需要通過層層關卡,才能獲得標章認證。

為推動環保永續的建築環境,政府自 1999 年起便陸續著手推動「綠建築標章」、「智慧建築標章」以及「綠建材標章」的相關政策。這些標章的設立,旨在透過標準化的建築評估系統,鼓勵建築設計融入生態友善、能源高效及健康安全的原則。並且政府在政策推動時,為鼓勵業界在規劃設計階段即導入綠建築手法,自 2003 年特別辦理優良綠建築作品評選活動。截至 2024 年為止,已有 130 件優良綠建築、31 件優良智慧建築得獎作品,涵蓋學校、醫療機構、公共住宅等各類型建築,不僅提升建築物的整體性能,也彰顯了政府對綠色、智慧建築的重視。

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說這麼多,你可能還不明白建築要變「綠」、變「聰明」的過程,要經歷哪些標準與挑戰?

綠建築標章智慧建築標章綠建材標章
來源:內政部建築研究所

第一招:依循 EEWH 標準,打造綠建築典範

環境友善和高效率運用資源,是綠建築(green building)的核心理念,但這樣的概念不僅限於外觀或用材這麼簡單,而是涵蓋建築物的整個生命週期,也就是包括規劃、設計、施工、營運和維護階段在內,都要貼合綠建築的價值。

關於綠建築的標準,讓我們先回到 1990 年,當時英國建築研究機構(BRE)首次發布有關「建築研究發展環境評估工具(Building Research Establishment Environmental Assessment Method,BREEAM®)」,是世界上第一個建築永續評估方法。美國則在綠建築委員會成立後,於 1998 年推出「能源與環境設計領導認證」(Leadership in Energy and Environmental Design, LEED)這套評估系統,加速推動了全球綠建築行動。

臺灣在綠建築的制訂上不落人後。由於臺灣地處亞熱帶,氣溫高,濕度也高,得要有一套我們自己的評分規則——臺灣綠建築評估系統「EEWH」應運而生,四個英文字母分別為 Ecology(生態)、Energy saving(節能)、Waste reduction(減廢)以及 Health(健康),分成「合格、銅、銀、黃金和鑽石」共五個等級,設有九大評估指標。

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我們就以「台江國家公園」為例,看它如何躍過一道道指標,成為「鑽石級」綠建築的國家公園!

位於臺南市四草大橋旁的「台江國家公園」是臺灣第8座國家公園,也是臺灣唯一的濕地型的國家公園。同時,還是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築,其外觀採白色系列,從高空俯瞰,就像在一座小島上座落了許多白色建築群的聚落;從地面看則有臺南鹽山的意象。

因其地形與地理位置的特殊,生物多樣性的保護則成了台江國家公園的首要考量。園區利用既有的魚塭結構,設計自然護岸,保留基地既有的雜木林和灌木草原,並種植原生與誘鳥誘蟲等多樣性植物,採用複層雜生混種綠化。以石籠作為擋土護坡與卵石回填增加了多孔隙,不僅強化了環境的保護力,也提供多樣的生物棲息環境,使這裡成為動植物共生的美好棲地。

台江國家公園是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築。圖/內政部建築研究所

第二招:想成綠建築,必用綠建材

要成為一幢優秀好棒棒的綠建築,使用在原料取得、產品製造、應用過程和使用後的再生利用循環中,對地球環境負荷最小、對人類身體健康無害的「綠建材」非常重要。

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這種建材最早是在 1988 年國際材料科學研究會上被提出,一路到今日,國際間對此一概念的共識主要包括再使用(reuse)、再循環(recycle)、廢棄物減量(reduce)和低污染(low emission materials)等特性,從而減少化學合成材料產生的生態負荷和能源消耗。同時,使用自然材料與低 VOC(Volatile Organic Compounds,揮發性有機化合物)建材,亦可避免對人體產生危害。

在綠建築標章後,內政部建築研究所也於 2004 年 7 月正式推行綠建材標章制度,以建材生命週期為主軸,提出「健康、生態、高性能、再生」四大方向。舉例來說,為確保室內環境品質,建材必須符合低逸散、低污染、低臭氣等條件;為了防溫室效應的影響,須使用本土材料以節省資源和能源;使用高性能與再生建材,不僅要經久耐用、具高度隔熱和防音等特性,也強調材料本身的再利用性。


在台江國家公園內,綠建材的應用是其獲得 EEWH 認證的重要部分。其不僅在設計結構上體現了生態理念,更在材料選擇上延續了對環境的關懷。園區步道以當地的蚵殼磚鋪設,並利用蚵殼作為建築格柵的填充材料,為鳥類和小生物營造棲息空間,讓「蚵殼磚」不再只是建材,而是與自然共生的橋樑。園區的內部裝修選用礦纖維天花板、矽酸鈣板、企口鋁板等符合綠建材標準的系統天花。牆面則粉刷乳膠漆,整體綠建材使用率為 52.8%。

被建築實體圍塑出的中庭廣場,牆面設計有蚵殼格柵。圖/內政部建築研究所

在日常節能方面,台江國家公園也做了相當細緻的設計。例如,引入樓板下的水面蒸散低溫外氣,屋頂下設置通風空氣層,高處設置排風窗讓熱空氣迅速排出,廊道還配備自動控制的微噴霧系統來降溫。屋頂採用蚵殼與漂流木創造生態棲地,創造空氣層及通風窗引入水面低溫外企,如此一來就能改善事內外氣溫及熱空氣的通風對流,不僅提升了隔熱效果,減少空調需求,讓建築如同「與海共舞」,在減廢與健康方面皆表現優異,展示出綠建築在地化的無限可能。

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島式建築群分割後所形成的巷道與水道。圖/內政部建築研究所

在綠建材的部分,另外補充獲選為 2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學新建工程,其採用生產過程中二氧化碳排放量較低的建材,比方提高高爐水泥(具高強度、耐久、緻密等特性,重點是發熱量低)的量,並使用能提高混凝土晚期抗壓性、降低混凝土成本與建物碳足跡的「爐石粉」,還用再生透水磚做人行道鋪面。

2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學。圖/內政部建築研究所
2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學。圖/內政部建築研究所

同樣入選 2023 年綠建築的還有雲林豐泰文教基金會的綠園區,首先,他們捨棄金屬建材,讓高爐水泥使用率達 100%。別具心意的是,他們也將施工開挖的土方做回填,將有高地差的荒地恢復成平坦綠地,本來還有點「工業風」的房舍告別荒蕪,無痛轉綠。

雲林豐泰文教基金會的綠園區。圖/內政部建築研究所

等等,這樣看來建築夠不夠綠的命運,似乎在建材選擇跟設計環節就決定了,是這樣嗎?當然不是,建築是活的,需要持續管理–有智慧的管理。

第三招:智慧管理與科技應用

我們對生態的友善性與資源運用的效率,除了從建築設計與建材的使用等角度介入,也須適度融入「智慧建築」(intelligent buildings)的概念,即運用資通訊科技來提升建築物效能、舒適度與安全性,使空間更人性化。像是透過建築物佈建感測器,用於蒐集環境資料和使用行為,並作為空調、照明等設備、設施運轉操作之重要參考。

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為了推動建築與資通訊產業的整合,內政部建築研究所於 2004 年建立了「智慧建築標章」制度,為消費者提供判斷建築物是否善用資通訊感知技術的標準。評估指標經多次修訂,目前是以「基礎設施、維運管理、安全防災、節能管理、健康舒適、智慧創新」等六大項指標作為評估基準。
以節能管理指標為例,為了掌握建築物生命週期中的能耗,需透過系統設備和技術的主動控制來達成低耗與節能的目標,評估重點包含設備效率、節能技術和能源管理三大面向。在健康舒適方面,則在空間整體環境、光環境、溫熱環境、空氣品質、水資源等物理環境,以及健康管理系統和便利服務上進行評估。

樹林藝文綜合大樓在設計與施工過程中,充分展現智慧建築應用綜合佈線、資訊通信、系統整合、設施管理、安全防災、節能管理、健康舒適及智慧創新 8 大指標先進技術,來達成兼顧環保和永續發展的理念,也是利用建築資訊模型(BIM)技術打造的指標性建築,受到國際矚目。

樹林藝文綜合大樓。圖/內政部建築研究所「111年優良智慧建築專輯」(新北市政府提供)

在興建階段,為了保留基地內 4 棵原有老樹,團隊透過測量儀器對老樹外觀進行精細掃描,並將大小等比例匯入 BIM 模型中,讓建築師能清晰掌握樹木與建築物之間的距離,確保施工過程不影響樹木健康。此外,在大樓啟用後,BIM 技術被運用於「電子維護管理系統」,透過 3D 建築資訊模型,提供大樓內設備位置及履歷資料的即時讀取。系統可進行設備的監測和維護,包括保養計畫、異常修繕及耗材管理,讓整棟大樓的全生命週期狀況都能得到妥善管理。

智慧建築導入 BIM 技術的應用,從建造設計擴展至施工和日常管理,使建築生命周期的管理更加智慧化。以 FM 系統 ( Facility Management,簡稱 FM ) 為例,該系統可在雲端進行遠端控制,根據會議室的使用時段靈活調節空調風門,會議期間開啟通往會議室的風門以加強換氣,而非使用時段則可根據二氧化碳濃度調整外氣空調箱的運轉頻率,保持低頻運作,實現節能效果。透過智慧管理提升了節能效益、建築物的維護效率和公共安全管理。

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總結

綠建築、綠建材與智慧建築這三大標章共同構建了邁向淨零碳排、居住健康和環境永續的基礎。綠建築標章強調設計與施工的生態友善與節能表現,從源頭減少碳足跡;綠建材標章則確保建材從生產到廢棄的全生命週期中對環境影響最小,並保障居民的健康;智慧建築標章運用科技應用,實現能源的高效管理和室內環境的精準調控,增強了居住的舒適性與安全性。這些標章的綜合應用,讓建築不僅是滿足基本居住需求,更成為實現淨零、促進健康和支持永續的具體實踐。

建築物於魚塭之上,採高腳屋的構造形式,尊重自然地貌。圖/內政部建築研究所

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【2023 諾貝爾物理獎】什麼是「阿秒脈衝雷射」?能捕捉到電子運動的脈衝雷射?
PanSci_96
・2023/11/28 ・5966字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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林俊傑《江南》:「相信愛一天,抵過永遠,在這一剎那凍結了時間」

這一剎那持續了多久?這出自佛經的時間單位有多個解讀,其中最短,可以對應的國際單位制是阿秒。 1 阿秒又有多快呢? 1 阿秒等於一百萬兆分之一秒,是已經短到不行的飛秒的千分之一。在這段時間,別說是談戀愛了,連世界上行動最快的光,也只能移動一顆原子直徑的距離。

在阿秒的時間尺度裡,連光都得停下腳步,過去我們認為捉摸不定的電子,也終於將在我們眼前現身。 2023 年的諾貝爾物理學獎,正是頒給了三位帶領人類進入阿秒領域,探索全新世界的科學家。而這項技術,還可能讓電腦的運算速度加快一萬倍!

就讓我們一起來進入阿秒的領域吧,領域展開!

什麼是阿秒脈衝雷射?

今年諾貝爾物理學獎的三位得主分別是 Pierre Agostini 、 Ferenc Krausz 、和 Anne L’Huillier ,表彰他們對阿秒脈衝雷射實驗技術的貢獻。

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圖/X

所謂的阿秒脈衝雷射,指的是持續時間僅有數十到數百阿秒的雷射。當我們能使用脈衝雷射來觀察目標,就好比使用快門時間極短的相機對目標拍照,能捕捉到瞬間的畫面。

2018 年的諾貝爾物理學獎,就頒給了極短脈衝雷射的研究。短短 5 年後,雷射領域再次得獎,但這次是更快的阿秒雷射,能捕捉到電子運動的超快脈衝雷射。

世界上沒有東西能真正的觸碰彼此?看見電子能帶來什麼突破?

為什麼看見電子的運動那麼重要呢?我們複習一下原子的基本構造,在原子核之外,帶有微小負電荷的電子,被帶正電的原子核束縛住。量子力學告訴我們電子沒有確切的位置,而是以特定的機率分布在原子核周圍的不同地方,也就是所謂的電子雲。

圖/YouTube

雖然電子的體積比原子核小很多,但電子雲的範圍,卻占了原子體積的絕大部分。在物理或化學反應中,真正和其他原子產生交互作用的,幾乎都是這些外面的電子。在電影《奧本海默》中,當男女主角手心貼著手心,奧本海默這時卻說:「世界上沒有東西能真正的觸碰彼此,因為我們觸摸到的物體,都只是其中原子的電子雲和我們手上的電子雲產生的斥力。」

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圖/screenrant

對了,這種話也只有奧本海默跟五條悟可以講,一般人請不要隨便亂牽別人的手。

除了和心儀的他牽手,不同的電子排列狀態也會直接影響物質的化學活性、材料的導電導熱等基本性質,各種化學和物理過程都和電子息息相關。從非常實際的層面來說,電子可以說是物質世界最重要的基本單位。所以不難想像,如果我們能看見電子,甚至獲得可以操縱個別電子排列與能量的技術,我們能真正成為材料的創世神,許多不可能都將化為可能,是相當重大的突破。

捕捉電子運動有多困難?

但要操縱電子可不是什麼簡單的事,不只是因為電子非常小,更重要的是他們動得非常快。具體來說,電子在原子周圍跳動的週期時間尺度大約是十的負十八次方秒,也就是一阿秒。一顆原子的大小約是十的負十次方公尺,速度等於距離除以週期,換算下來,電子雲差不多是以光速等級的速度在原子核周圍跳動。

圖/wikipedia

如果要捕捉到阿秒尺度的電子運動,就必須將實驗的時間解析度也提升到阿秒等級,否則就會像是用長曝光鏡頭拍攝亞運競速滑冰比賽一樣,只能拍到一團糊糊的影像,而沒辦法分出勝負。

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可是,在 1980 年代,脈衝雷射最快只能達到十的負十五次方左右,還只有飛秒等級。而且光靠當時的技術和材料優化,已經沒辦法再縮短脈衝時間了,因此這時候,就要從原理上重新打造一套方法了。

如何製造更快的脈衝?

首先,要製造更快的脈衝並不是用頻率更高的電磁波就好。你想,我們在拍照時,想要讓曝光時間更短,要改善的不是把室內光源從可見光改成頻率更高的紫外光,而是調快快門的開闔速度,讓光一段一段進入感光元件中,變成影片一幀一幀的畫面。而這一段一段進入像機的光訊號,就像是我們的脈衝。

不論是皮秒雷射、飛秒雷射還是阿秒雷射,一直以來在做的都是同一件事,在整體輸出功率不變的情況下,讓每一次脈衝的持續時間更短,同時單一次的功率也會更高。簡單來說,就是要從無數次的普通攻擊,變成每一次都是集氣後再攻擊。

但要怎麼為光集氣呢?光和其他波動一樣,可以和其他波動疊加。把不同頻率的光疊加在一起,波峰和波谷會抵消,波峰遇上波峰則會增強。只要用特定的比例組合許多不同頻率的光,就可以在整體總能量不變的情況下,產生一個超級窄的波峰,其他地方全部抵銷。

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1987 年,本次諾貝爾獎得主之一的 Anne L’Huillier 教授發現,當紅外線雷射穿過惰性氣體時,氣體會被激發放出整數倍頻的光。也就是氣體放出許多不同頻率的光,而這些頻率都是原本光源頻率的整數倍,從兩倍三倍到三十幾倍以上的高倍頻光都有。而橫跨這麼大頻率範圍的光,就能組合出時間長度很短的脈衝光。

不過這聽起來未免也太好康了,真的有那麼簡單嗎?

這個看似魔法的實驗背後其實有著相當簡潔的物理圖像。電子原本是被電磁力束縛在原子中,當一道強度夠強的雷射通過氣體原子,原本抓住電子的電位能被雷射削弱。

雖然這道牆只是矮了一些可是還是存在,但此時,在電子的大小尺度下,量子力學發揮了作用。調皮的電子有機會透過量子穿隧現象,穿過這道束縛,暫時逃離原子核的掌控。關於量子穿隧效應的介紹,我們近期也會再做一集節目來專門介紹。

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但電子還來不及逃遠,雷射光已經從波谷翻到波峰。電磁波的波谷與波峰,不是指能量的高和低,而是指方向相反。因此在相反的電磁場方向下,不幸的電子被推回原子核附近,再度被原子核捕獲。但在這欲擒故縱、七擒七縱的過程後,電子並非一無所獲,他所得到的動能會以光的形式重新放出。

而因為這些能量最早都來自雷射,因此電子放出的光波長,也剛好會是雷射的整數倍。再說的細一些,你可以理解為這些電子在吸收一顆顆光子後,一口氣釋放這些能量,所以能量都是一開始光子的整數倍。

在 1990 年代,科學家已經掌握了這個現象背後的原理。但一直到千禧年過後。這次諾貝爾獎得主之一 Pierre Agostini 教授和他的研究團隊才終於在適當的實驗條件之下,利用高倍頻光打造出了一連串寬度只有 250 阿秒的脈衝。同時第三位得主 Ferenc Krausz 也使用不同方法,分離出 650 阿秒的脈衝。

最後,獲得阿秒脈衝這個祕密武器之後,我們的世界將迎來哪些變化呢?

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阿秒脈衝在各領域的應用

其實啊,有在關注諾貝爾獎都知道,諾貝爾獎通常不會頒給時下正夯的新興研究,前面講的研究,實際上都已經是二十多年前的往事了,而這些辛苦的科學家會在這麼多年後拿下諾貝爾獎的榮耀,正是因為阿秒雷射的發明經過了時間的考驗,成為非常普及的實驗技術,而且被大家公認為重要的科學貢獻。

當然,今年生醫獎的 mRNA 是個超快例外,有興趣的話,別忘了點擊下方影片,看看編劇都編不出來的 mRNA 研究歷程。

說了那麼多,阿秒雷射究竟對人類生活有什麼幫助呢?當然,它能讓我們更深刻了解物質還有光的本質,但是除了幫電子拍下美美的照片放在期刊的封面上,阿秒雷射可以用來做什麼?

在過去這二十年,許多研究已經找到了相當有潛力的應用。

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舉例來說,在醫療方面,阿秒雷射可以用來分析血液或尿液樣本。控制良好的超短脈衝可以精準的刺激生物樣本中的各種有機分子,讓這些分子震動並放出紅外線訊號。如果使用的脈衝長度太長,分子釋放的訊號就很容易和原本施加刺激的雷射混在一起,造成量測的困難。唯有阿秒等級的超短脈衝能夠實現這樣的量測。

這些紅外線光譜就像是質譜儀一樣,能幫助我們快速分析血液中的蛋白質、脂質、核酸等重點物質的關鍵官能基狀態。並透過機器學習的方式整合,成為個人化的健康狀態報表,或是做為診斷的依據,將精準醫療提升到全新的層次。

圖/attoworld

不只如此,發送超短脈衝的技術也可能革新當今的電腦運算。電腦運作的方式就是利用電晶體這種微小的開關,不斷的開開關關去發送一跟零的訊號,所以開關電流的速度便決定了你的運算速度。以半導體為基礎的電晶體,工作頻率通常不超過上百 GHz ,在時間上也就是十的負十一次方秒。

自從阿秒雷射技術普及之後,就有科學家想到:既然雷射脈衝的速度更快,那不如就別用半導體了,改用光學脈衝來控制電流作為運算的媒介。這個概念叫做光學電晶體(Optical Transistor)。

今年初,亞利桑那大學的團隊便發展示了如何利用小於十的負十五次方秒的超短雷射脈衝,來開關電流並傳送一與零的位元,這個頻率比現有半導體電晶體快了一萬倍以上。這顯示了光學方法的操作頻率可以有多快,或許能讓我們突破訊號處理和運算上的速度瓶頸。

看完這些便可以理解,阿秒等級的超快雷射脈衝的確是相當近代的一個科學里程碑。就像是科學革命時望遠鏡和顯微鏡的發明,讓人們看見那些最遠和最小的事物,超快脈衝用最快的時間解析度,讓我們看到許多人類從未看過的景象。

阿秒脈衝雷射的出現,是科學上的一個里程碑,讓我們能用更高的時間解析度,讓我們看到許多過去從未看到的景象。最後也想問問大家,在雷射這一塊,你最期待有哪些應用,或者最希望我們接著來講哪個主題呢?

  1. 為什麼醫美、眼科手術那麼喜歡用飛秒、阿秒雷射,真的有比較好嗎?
  2. 使用雷射脈衝的光學電晶體真的有可能取代傳統電晶體嗎?
  3. 除了光學電晶體,最近很夯的矽光子技術,聽說裡面也有用到雷射,可以一起來介紹嗎?

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參考資料

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PanSci_96
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