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諾貝爾獎和那些被賣掉的獎牌:科學研究背後的名與「利」

賴昭正_96
・2017/12/03 ・4892字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

「一個人在長期思索神秘宇宙之美妙時,他已在尋找及發現的過程中得到了足夠的回報,因此他不應該再獲得慶祝個人成就的褒獎。」——愛因斯坦

諾貝爾獎牌示意圖,本圖為化學獎獎牌。圖/Adam Baker@Flickr

每年的 12 月總有少數的一些科學家、作家及和平運動者,因諾貝爾獎而發了一筆「大」財。如果你獲得諾貝爾獎,你將可得到一枚用黃金做的獎牌、一張獎狀,以及一筆可以自由使用的獎金。這筆獎金是用諾貝爾基金投資所賺的錢、以瑞典克朗(kronor)來頒發的,因此每年金額不定。因通貨膨脹,若換算成 2016 年的水平,第 1 年(1901 年)的獎金金額大約在 800 萬克朗左右;最差的一年是 1919 年,只有 230 萬克朗;最好的一年則是 2001 年,幾乎高達 1200 萬克朗!今年是 900 萬克朗,約等於 110 萬美金。

因為現在許多公司、大學和政府的高官每年薪水都已超過百萬美金,因此就金額來講,這個獎金應已不再是那麼吸引人的「大」;可是正如筆者在「諾貝爾獎的爭議性」(註 1)裡所評到的:一旦被諾貝爾獎委員肯定了,便似乎高人一等,因此雖然不一定「富」,但「榮華」確實是一定有的!

諾貝爾獎獎狀,圖/by Dannybalanta 2011-04-16@wikipedia commons。

這筆獎金雖然可以自由使用,但不少得獎者——尤其是和平獎——都是將它們全數捐給慈善機關的,例如美國前總統歐巴馬(Obama,2009 年,140 萬美金)、特蕾莎修女(mother Teresa,1979 年,19 萬美金)等。不少物理及化學獎得主則捐給學校或研究機構,用來推廣科學;當然也有不少留做家用,來補助子女教育、購屋置產、或買奢侈品的。家喻戶曉的愛因斯坦則在得獎前兩年,就已背書將未來的全部獎金給正在辦離婚的妻子米列娃(Mileva Marić,大學同班同學)及兩個兒子。今年(2017)諾貝爾經濟獎得主是芝加哥大學的沙勒兒(Richard Thaler),他認為人類的經濟活動是非理性的(註 2),因此當有人問他將如何使用這筆 110 萬美金時,他回來說:「我將盡量非理性地花掉它!」

那些被拍賣的諾貝爾獎獎牌

事實上得獎者還有一個可以賺錢的方法,那就是賣諾貝爾獎牌!

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1962 年諾貝爾醫學獎得主之一的克利克(Francis Crick)。source:wikimedia

因發現 DNA 雙螺旋構造而獲得 1962 年諾貝爾醫學獎得主之一的克利克(Francis Crick),其後代為紀念他發現雙螺旋構造 60 週年,決定於 2013 年將他的獎章及一些遺物拍賣,部份收入用來補助建設在倫敦的克利克醫學研究所(Francis Crick Institute)。總部設在上海之百慕迪再生醫學科技有限公司(Biomobie Technology)董事長 Jack Wang 以 227 萬美金購得該枚金牌。這筆錢應比當時克利克所得之 1/3 的獎金多得多,但卻不是最高的!這最高拍賣獎金的榮譽應歸於與克利克同時得獎的華生(James Watson)。

1962 年諾貝爾醫學獎得主之一的華生(James Watson)。source:wikimedia

在抵達英國推銷其書《避免乏味之人:從科學生涯中取得的教訓》的前一天(2007 年 10 月 17 號),華生這樣說道:

「所有的社會政策均假設非洲人的智慧與我們一樣——雖然所有的測驗均說明事實不是,因此(我)內心為非洲的前途感到憂鬱。」

此言一上報,他便相繼地被所有的公司踢出董事會,到處的演講也被取消;從此以後不但聲名掃地,銀行的存款也慢慢見底。2014 年 10 月,86 歲的華生告訴英國經濟時報謂:他已變成「不是人」(unperson),除了學校的薪水外沒有其他的收入,因此想拍賣其諾貝爾金牌,將部分收入捐給培育了他職業生涯的學府。12 月,一位匿名氏在電話中以 475 萬 7000 元美金購得華生的諾貝爾金牌!

這位匿名氏是當時最富有的蘇俄企業家烏斯馬諾夫(Alisher Usmanov)。他說:「華生是人類歷史上最偉大的生物學家之一,⋯⋯我不能看到這麼偉大的科學家的金牌成為販賣的東西。⋯⋯對我來說,買金牌的錢用於支持科學研究,而金牌還是由應得的人保存著是很重要的」,因此他將金牌歸還給華生。

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1988 年諾貝爾物理獎得主雷德曼(Leon Lederman)。source:wikimedia

另外一位在活著的時候就賣諾貝爾獎金牌的是筆者在《微中子的故事》(註 3)裡所提到之雷德曼(Leon Lederman)。他在 1962 年因發現微中子而穫得 1988 年諾貝爾物理獎,為一知名的科普作家,但不幸晚年得了癡呆症,為了支付高昂的醫藥費,於 2015 年初在網路上拍賣其諾貝爾獎金牌,取得了$ 765,002。

圖/作者提供。

1936 年的諾貝爾和平獎得主阿根廷外交部長拉馬司(Carlos Lamas)的金牌,在 1959 年他死後就不知所蹤。1993 年有人把它當做普通金幣,以低價賣給南美一家當舖;當舖老闆發現其稀有性後,這金幣便在不同的收藏家中轉來轉去,最後總算有人看出其價值,於 2014 年在拍賣場裡以 110 萬美金收購。

英國生化科學家克雷斯(Hans Krebs)爵士因 1937 年發現檸檬酸在體內的循環過程而獲得 1953 年諾貝爾醫學獎。他的兒子認為與其將獎章留在家裡堆積灰塵,不如讓它再為科學盡點力量,因此將其獎章於 2015 年 7 月拍賣,將拍賣所得之 42 萬美金作為生化科學博士生及難民化學家(註 4)的獎學金。

上面只是一些在不同情況下拍賣諾貝爾金牌的例子。事實上,拍賣諾貝爾金牌似乎慢慢變成一種趨勢。理論物理學家威爾森(Kenneth G. Wilson)在 1988 年因固態物理而獲得諾貝爾獎,他大概是第 19 位拍賣諾貝爾獎章的得獎人。然而,2016 年 5 月的拍賣它竟然沒有達到底價的 45 萬美金;2016 年 10 月再度拍賣、以 22.5 萬美金起跳,就筆者所知好像也沒賣出去。難道是市面上的諾貝爾獎金牌已經太多了不值錢?還是雖然同是諾貝爾獎得主,知名度還是很有關係?

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獎金居全球之冠的「科學奧斯卡」:突破獎

米爾納(Yuri Milner)。source:TechCrunch

俄國猶太後裔米爾納(Yuri Milner)1985 年畢業於莫斯科大學物理系,在繼續攻讀基本粒子的博士學位時,因「對自己成為一個物理學家感到不滿意」,而轉到美國賓州大學主修企業管理(碩士學位)。經過幾年的奮鬥後,現今已經成為俄國最具影響力的科技風險投資家(現住加州矽谷)。因在美國以及蘇俄投資了許多成功的網路公司,他成為了擁有 35 億美金資產的企業家。

他認為科學家的成就並不亞於電影明星、歌星或職業球員,但卻沒有多少人知道,例如前面所提到的雷德曼,就曾經在其科普書上說了下面一則故事:

在離開芝加哥之一擁擠的通勤火車停站時,一護士帶了一群當地醫院出來的精神病人上車。在我之周圍坐定後,護士便開始清點人數:一、二、三 ⋯⋯ ,數到我時,護士突然停止,問道:「你是誰?」我一時不知所措地回答説:「我是理翁雷德曼,諾貝爾獎得主,費米實驗室主任。」護士哦了一聲,悲天憫人地從我開始繼續地數下去:四、五、六⋯⋯。

因此 2012 年 7 月,米爾納與夫人成立了獎金高達美金 300 萬元之基本物理「突破獎」(Breakthrough Prize),以「慶祝最佳的科學成就以及激勵下一代的科學家」!一年後,科技新貴:Google 創辦人之一的布林(Sergey Brin)夫婦(現已離婚)、臉書創辦人祖克伯(Mark Zuckerberg)夫婦、以及阿里巴巴創辦人馬雲夫婦也加入陣營,並將突破獎領域擴大至數學及生命科學。

除了會讓人跌破眼鏡的全世界最高額科學獎金外,每年在加州矽谷舉行的慶祝活動還請了一大堆的電影明星、歌星、及名人來頒獎與助陣;並由「國家地理頻道」現場實況直播,節錄後的一小時典禮則由「國家地理頻道」及其他電台向全世界 171 個國家用 45 種語言轉播,因此被稱為是「科學的奧斯卡」(Oscars of Science)!

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突破獎得主Charles Kane,圖/by Kadoshim@wikipedia commons。

不同於諾貝爾獎的是出錢的老爺們也都會上場亮相,因此有人批評說:自我標榜的意義可能大於提高科學家的知名度。對此筆者非常同意:例如在「突破獎基金會」網站裡有關慶禮的報告上,我們將看到電影明星、歌星、名人、及出錢老爺的名字,但看不到應該是最重要的:誰得了獎。事實上在 Breakthrough Prize  網站裡,要找出誰得獎或者是因為什麼樣的工作而得獎是相當困難的!

還有另外一個可能讓人「詬病」的地方是篩選得獎人的過程不夠嚴謹:任何人都可以在其網站提名,然後由過去的得獎人決定最後的得主,容易形成學閥互相標榜。例如,自第 1 屆的基本物理突破獎由本想攻讀基本粒子博士學位的米爾納自本人篩選起,每年給理論物理學家的突破獎完全由「弦論」(string theory)科學家包辦!「弦論」認為所有的基本粒子均只是「弦」的一種振動狀態而已,當它在 1980 年代出現時,曾一度被認為是解決所有物理問題的理論(theory of everything);但 30 多年過去了,它還是停留在紙上談兵的地步,因此早就爭論甚多(註 5)!但米爾納強辯:有時提出問題比解決問題更重要。因為缺少學術氣氛,因此表揚的理由常是誇大其辭的籠統形容,不像諾貝爾獎一樣有詳細的解說。

諾貝爾獎最多只能同時給三個人,但 2016 年的基本物理突破獎卻同時發給研究「微中子擺動」(註 1及註 5)的七位不同團隊領導人及其 1370 位團員(2015 年的諾貝爾物理獎只頒給團隊的兩位領導人)!同樣的,2016 年的「特別基本物理突破獎」也是同時發給發現重力波(註 6)的三位領導人及其 1012 團隊成員(2017 年的諾貝爾物理獎只頒給其中的兩位領導人以及另一「外人」)!筆者同意近代的大型研究是常需要合作的,因此決定真正貢獻的多寡可能是很困難,而造成不公平的現象(註7);但在研究論文上隨便就可掛名的情況下(註8),筆者很難相信那上千人都同時有突破性的貢獻(其中有些可能只是幫忙組裝儀器的研究生)!因此筆者認為其不公平程度與諾貝爾獎相比或許更有過之而無不及。

科學獎獎金的精神與反思

2018 年的突破獎頒獎典禮也將在 12 月初舉行;今年共有 5 人各得 300 萬美金的生命科學突破獎、3 人分得 300 萬美金的基本物理科學突破獎、一人獨得 300 萬美金的數學突破獎——共 2100 萬美金!自從 2012 年成立到 2016 年,「突破獎」已發出了接近兩億美元的獎金!不少人懷疑這高額獎金真的能夠鼓舞年輕人進入科學界、或讓科學家成為明星嗎?在政府對基礎科學研究的輔助越來越少的情況下,他們認為將這筆錢拿來當獎學金或者直接補助研究可能更具實效。

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Fields Medal獎章,圖/by Stefan Zachow of the International Mathematical Union; retouched by King of Hearts@wikipedia commons。

與突破獎相比,今年諾貝爾六個獎共花了不到 700 萬美金;另一個被稱為諾貝爾數學獎的菲爾茲獎(Fields Medal)每四年才發一次,其獎金更是難以啓口(註 9)。儘管如此,諾貝爾獎及菲爾茲獎還是一般人以及科學家所最尊敬與重視的獎章。老實說,若不是筆者住在加州矽谷的話,可能也將沒聽過什麼獎金高達美金 300 萬元的「突破獎」!而如果讀者是因為想得這 300 萬元而讀科學的話,那筆者勸你還是像米爾納一樣早日改行從商,發財與成名的機會將大的多。

因發現碳之六角形平面原子結構石墨烯(graphene)而獲得 2010 年諾貝爾獎之一的英國物理學家海姆(Andre Geim)說得好:「我不知道任何諾貝爾獎得主認為此獎的金錢部份值得一提。但我碰過幾個人,他們除了奶奶及家當外,將不顧一切來獲得此獎。 錢對我們是不重要的;但像其他獎一樣,用純金做的獎牌總比鍍金的好。 」看來本文寫那麼多或許都是多餘的了?

註解

  1. 諾貝爾獎的爭議性,科學月刊,2016 年 12 月號。
  2. 經濟學是科學嗎,科學月刊,2014 年 5 月號。諾貝爾經濟獎於 1969 年設立,在 48 年的頒獎中,總共有 24 年均有當時在芝加哥大學任教或研究的經濟學家。沙勒兒是第 34 位獲此殊榮的芝加哥大學學者,但他的理論卻完全與「芝加哥經濟學派」(Chicago school of economics)的理性經濟學說相反!
  3. 微中子的故事,科學月刊,2016 年 11 月號。
  4. 克雷斯是一位逃離納粹德國的猶太難民。
  5. 「量子的故事」:第二版,2005 年,凡異出版社。
  6. 愛因斯坦其實沒那麼神,泛科學,2016 年 3 月 16 日。
  7. 發現能治療糖尿病的胰島素——胰島素與生技產業的誕生(上),泛科學,2017 年 2 月 15 日。
  8. 從陳震遠事件看學術界,科學月刊,2014 年 9 月號。
  9. 菲爾茲獎的獎金為 1 萬 5 千加拿大幣,只發給 40 歲以下的數學家。

參考資料

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  • 「我愛科學」:2017 年 12 月(預),華騰文化有限公司出版。收集了筆者在科學月刊及其他雜誌發表過的文章(如上面六篇)。歡迎購買,全部收入將捐給科學月刊。
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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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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

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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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愛因斯坦的光速魔術
賴昭正_96
・2024/10/05 ・7055字 ・閱讀時間約 14 分鐘

  • 作者/賴昭正 前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

起初神創造了天地。大地空虛混沌; 深淵的表面一片黑暗;神的靈運行在水面上。神說,「讓它有光」,於是就有了光。 神看見光是好的;神將光明與黑暗分開。 -創世紀 1:3

1905 年愛因斯坦在題為「關於運動物體的電動力學」(On the Electrodynamics of Moving Bodies)的論文引言裡謂:

我們建議將「相對性原理」這個猜想(conjecture)提升到一個公設(postulate)的地位,並引入另一個表面上與它不調和(irreconcilable)的公設,即光在真空中的傳播速率為一與發射體運動狀態無關的定值 c。這兩個假設足以(讓我們)透過適用於靜止物體(狀態)之馬克斯威(James Maxwell)理論,導出一個簡單且不矛盾(consistent)的電動力學理論。

愛因斯坦真大膽:一個可以用實驗來確定的光速,怎麼可以定為「公設」呢?光速與發射體運動狀態無關不是完全違反了我們日常生活的經驗(如聲速)嗎?

更令人難以相信的是:當時的物理與天文學家因為馬克斯威方程式(Maxwell Equation)的成功,都認為空間充滿了絕對靜止的「以太」,「光速為定值」僅是相對於這一固定的「以太」而言;而愛因斯坦竟初生之犢不畏虎,開宗明義地謂不要爭辯了,我們將光在真空中的速度「公訂」為與發射體運動狀態無關的定值 c!幸運地,在「立即引起了我的熱烈關注」下,當時歐洲受人尊敬的理論物理學大師普朗克(Max Planck)立即在柏林大學開始講授相對論,並公開為愛因斯坦的抽象概念理論辯護!由於普朗克的影響,這篇愛因斯坦根本沒想到是「革命性的」、完全改變牛頓之時空觀念的論文終於與量子力學一起開創了近代物理學。

當然,我們現在知道實驗上已經證明了這一「公設」的正確性;愛因斯坦怎麼那麼「神」呢?

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愛因斯坦以大膽創新思維,突破常規,開創物理學新紀元。 圖/wikimedia

「光」逐流

第二次世界大戰結束後不久,愛因斯坦受邀在「在世哲學家圖書館」(Library of Living Philosophers)撰寫一篇知識分子自傳(註一)。在該《自傳筆記》(Autobiographical Notes)裡,愛因斯坦開張寫道:「我坐在這裡是為了在 67 歲時寫一些類似於我自己之訃文的東西」,然後以無與倫比的溫暖和清晰解釋了他的思想路徑:從年輕時對幾何的興趣,轉向馬克斯威、馬赫(Ernst Mach)、和波爾(Niels Bohr)等哲學、科學家對他自己之理論發展的影響。此書是愛因斯坦留給我們的唯一個人自傳筆記,為科學史上的一部經典著作。

在講述導致狹義相對論的發展時,愛因斯坦在《自傳筆記》中回憶道:

…..我在十六歲時就已經遇到了一個悖論:如果我以速度c(真空中的光速)追逐上一束光,我應該觀察到其電磁場將是靜止不前進,只是在空間上振盪而已。然而,無論是根據經驗,還是根據馬克斯威方程組,這現象似乎不存在。(因此)從一開始,我就直覺地清楚看到,從這樣一個觀察者的角度來看,一切都必須按照與相對於地球靜止的觀察者相同的定律發生。第一個觀察者如何知道或能夠確定他處於一快速、等速的運動狀態?從這個悖論中可以看出,狹義相對論的種子已經包含在內。

愛因斯坦如何解決這悖論呢?

一場風暴

愛因斯坦在瑞士專利局任職時,經常與「奧林匹亞學院」(Olympia Academy)的成員討論光速之謎。1905 年 5 月中旬,他突然想到光速之謎的答案就隱藏在用於測量時間的程序中,他回憶說:「我的腦海中掀起了一場風暴」。隔天一大早碰到一位工程師同事就迫不及待地告訴說:「我已經徹底解決了這個問題。對時間概念的分析是我的解決方案:時間不能是絕對的,時間和訊號速度之間存在著密不可分的關係。」

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在風暴中,愛因斯坦匆匆忙忙地在數週內完成了那革命性的狹義相對論論文。在此讓我們看看為什麼他認為「時間和訊號速度之間存在著密不可分的關係」。

愛因斯坦同步程序

要測量光速,必須讓光訊號在已知距離內從一個位置跑到另一個位置,然後透過起點和終點的時鐘讀數之差異來確定傳播時間。因此用於測量傳播時間的時鐘必須同步,否則它們之讀數差異將毫無意義。可是我們卻需要利用光速來同步化兩個不同地方之時鐘,這顯然是「雞生蛋、蛋生雞」的循環邏輯問題。

愛因斯坦的風暴就是他終於想出了可以避免循環邏輯的同步化假想實驗:在 tA 時從 A 發出一道光線,當它在 tB 到達 B 時立刻讓它反射回去,於 t’A 時到達 A;如果

則我們稱 A、B 兩地的時鐘精確地同步化了。例如 A 在 1:00 發出光信號,1:10 收到反射回來的光信號,如果 B 收到光信號的時刻是 1:05(或者將它調到 1:05),那麼 A、B 兩地的時鐘便是同步。今天的物理學家將此方法稱為「愛因斯坦同步程序」( Einstein Synchronization Procedure )。

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光速定值的「公

愛因斯坦接著說:「另外,根據經驗,我們進一步要求

為普適常數(真空中的光速)。」這是根據經驗計算光在兩點間之平均速度的方法,毫不起眼,但卻隱藏著一個非常不尋常的「陰謀」?

邏輯告訴我們:如果我們用另一毫不起眼的 tB 定義去測單方向的光速(A 到 B或 B 到 A),其值一定是 c ( 註二 )!因此愛因斯坦說:「…我們根據定義確定,光從 A 傳播到 B 所需的時間等於光從 B 傳播到 A 所需的時間。」也就是說愛因斯坦在這裡從「平均速度」及「愛因斯坦同步程序」的定義,魔術般地導入了他的公設:光在任何方向的速度都是一樣的 c 值!

為什麼這是個「陰謀」呢?在愛因斯坦的假想實驗中,我們既然不需要知道光的速度,為什麼不用聲音呢?答案很簡單:因為我們知道聲速會受到 A、B 兩點與空氣之相對速度的影響;如果風從 A 吹到 B,那麼 B 收到聲音的時間將比愛因斯坦之 tB 早! 可是那時候幾乎所有的物理學家都相信光是在「乙太」中傳播的(見後),愛因斯坦怎麼知道光速不會受到 A、B 兩點與「乙太」之相對速度的影響?

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愛因斯坦透過同步程序巧妙定義光速,避開了「乙太」的影響。圖/wikimedia

歷史上最「失敗」的實驗

在「近代物理的先驅:馬克斯威」裡,筆者提到曾被評選為有史以來第三大物理學家馬克斯威用簡潔數學方程式━「馬克斯威方程式」━闡釋了當時已知的電磁現象。1865 年,馬克斯威透過其方程式導出電磁波的存在,並證明光事實上就是一種電磁波!光既然是一種波動,那像水波及聲波一樣應該有傳播的媒體(介質),物理學家開始尋找這一稱為「乙太」的媒體,並測試地球在這一媒體中的運動狀態。

這些實驗中最有名的是後來被稱為歷史上最「失敗」的實驗:1887 年,邁克爾森(Albert Michelson)與莫利(Edward Morley)用光干涉儀測量地球與乙太的相對運動速率。邁克爾遜和莫利預計會發現:分道揚鑣的兩道光束在不同時間回到探測器,從而可以計算出地球在乙太中的運動速度。但他們非常失望地發現:無論光向哪個方向傳播,它總是以相同的速度移動,因此下結論説:如果乙太存在,地球與乙太的相對運動速率為零!他們認為這有兩種可能的解釋:(1) 在地球表面之乙太被地球拖著走;或 (2) 根本沒有乙太(參見「乙太存在與否的爭辯」)。但更簡單的解釋應該就是愛因斯坦的不要爭辯「公設」;可是誰敢提出這種違反常識的論調呢?或許只有當時還是默默無聞的瑞士專利局小職員吧?

可是愛因斯坦回憶說:「在我自己的發展中,邁克爾遜的結果並沒有(對我)產生很大的影響。我甚至不記得當我寫第一篇關於這個主題的論文時(1905 年),我是否知道它。」然而愛因斯坦也在許多場合中曾經反覆使用「可忽略不計」、「間接」、「非決定性」等詞彙來形容邁克爾遜實驗對他思想的影響…。看來「愛因斯坦當時是否知道邁克爾遜實驗結果」這個問題將永遠是個懸案。但可以肯定的似乎是:即使愛因斯坦知道邁克爾遜的結果,它對愛因斯坦理論的起源貢獻應該是非常小和間接的,絕對不是他發現相對論的主要推動因素。

事實上前面提到:愛因斯坦根本可以不需要知道,因為在他的時鐘同步程序下,光速一定是定值,與實驗結果或「乙太」是否存在無關。相反地,如果愛因斯坦清楚不用時鐘同步化的邁克爾遜-莫利實驗,那風暴可能就不會產生了!

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時鐘同步化與光速無關

測量單方向光速實際上並不需要同步化的兩個時鐘(即沒有循環論證的問題)。例如 A、B 兩地皆在赤道上,A 在 1:00 發出光信號,B 在收到光信號後等 12 小時再發射回去,如果 A 在收到 B 光信號的時間是 13:04,那麼因為地球 24 小時自轉一次的關係,AB 距離除以 0.02 便是光單方向(相對於宇宙)的速度。在這一個實驗中,A、B 兩地的時鐘根本不必要同步化,只要它們的精確度是一樣就可以了。

人類早在 18 世紀初就已經知道如何製造相當精確及穩定的時鐘:哈里森(John Harrison)是英國的一名木匠,自學了鐘錶製作;在 1720 年代中期,他設計了一系列卓越的精密長殼時鐘,其精確度已經高達一個月僅差一秒(註三)。我們可以將兩個 Harrison-IV 時鐘在 A 處校正,然後慢慢(原則上無限地慢)將其中一個移到它處,不但可以用它來同步化這些地點的時鐘,還可以用來直接測量單方向的光速。

還有,首次確鑿證明地球在動的布拉德利(James Bradley)早在 1729 年就已經透過「星光像差」(stellar aberration)測得高達 0.4% 精確度的光速;而發明「傅科擺」(Foucault pendulum)來證明地球在自轉的傅科(Léon Foucault)則在1862年透過旋轉鏡與單鐘測得 0.6% 精確度的光速。

馬克斯威方程式也告訴我們,不需要使用任何時鐘,透過測量自由空間的磁導率和介電常數即可間接計算光速,完全避開愛因斯坦的循環論證邏輯。事實上馬克斯威 1865 年就是用這兩個實驗數據計算出電磁波的傳播速度為每秒鐘 310740000 公尺,接近當時光速的(傅科)實驗值。馬克斯威認為這不會是巧合,謂:「我們幾乎無法避免這樣的結論:光存在於同一介質的橫向波動中,這是電和磁現象的原因」,因此他預測光是一種電磁波。

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上面這些說明了 20 世紀黎明前,科學家就已經知道了:時間(校時)和訊號速度之間並不存在著密不可分的關係。事實上愛因斯坦更應該知道,因為當他被問到是否站在牛頓的肩膀上時,他回答說:「不,是站在馬克斯威的肩膀上!」所以不知道愛因斯坦是否故意沒想到這些,以便透過陰謀來創造相對論?在今天,愛因斯坦那篇沒有任何參考資料的相對論論文是不可能被接受發表的!

愛因斯坦的規定

在愛因斯坦同步程序下,無論光的實際速度是多少,光速測量起來總是定值 c。難道愛因斯坦不知道這「魔術」充滿了漏洞嗎?一個可能的解釋是 19 世紀末電報線和鐵路將整個歐洲連接成一個巨大的網絡,為了以確保訊息、乘客、和貨物的順利流動,同步時鐘是非常實際的考慮;愛因斯坦是專利局電訊操作設備的技術專家,負責審查時鐘同步的網路電磁設備之專利申請,因此他一定在思考時鐘同步問題,加上經年累月地為光速所困,似乎很自然地便往這牛角尖裡鑽。

愛因斯坦或許因長期研究時鐘同步問題,導致忽視光速測量的漏洞。圖/wikimedia

我們知道魔術是騙人耳目與大腦的,不能用在科學上。光速是可以量的,怎麼可以根據定義確定(光從 A 傳播到 B 所需的時間等於光從 B 傳播到 A 所需的時間)?因此在其 1916 年之科普《相對論:狹義理論與廣義理論》一書中,愛因斯坦辯說:「(假設 M 在 A、B 兩處之正中間)實際上光需要相同的時間穿過路徑 AM 和穿過路徑 BM,這既不是關於光之物理性質的假設(supposition)、也不是假說(hypothesis,註四),而是我可以根據自己的自由意志做出的規定(stipulation),以便得出同時性的定義(註五)」。換句話說,愛因斯坦認為光速恆定是一種「規定」,與物理無關,無需解釋其真偽(註六)。且聽「創相對論紀 1:3」道來:

19 世紀中旬馬克斯威創造了馬克斯威方程式。大地充滿了乙太;深淵的裡面測不出地球的運動;愛因斯坦的靈運行在其中。愛因斯坦說,「讓光速為定值」,於是光就依定值傳播。愛因斯坦看見定速是好的;愛因斯坦將定速與乙太分開。

圖/作者提供

結論

從上面的分析看來,愛因斯坦這「光速為定值的規定」似乎是建基於錯誤的認知上,所以顯然愛因斯坦其實沒有那麼神

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開玩笑的,事實上愛因斯坦是筆者佩服的極少數科學家之一!在「思考別人沒有想到的東西──誰發現量子力學?」一文裡,筆者指出:當普朗克還一直在努力地想讓他的量子解釋能容於古典力學時,愛因斯坦已認識到量子不連續性是普朗克黑體輻射理論的重要組成部分!也只有愛因斯坦能看出波思(Satyendra Bose)一篇被英國名物理雜誌退稿、題為「普朗克定律及光量子的假設」的重要性,開創了量子統計力學!更奇怪的是:他被證明是錯的「EPR 悖論(EPR Paradox)」竟推動了許多如量子密碼學、量子計算機、量子資訊理論、量子遠程傳送等的研究;而他自認是一生中最大錯誤的「宇宙論常數」則成為研究近代宇宙的主要工具。……因此筆者總覺得愛因斯坦雖然像常人一樣犯錯,但對物理卻具有一般人所沒有的第六感!或許愛因斯坦心裡早就預感光速應該是定值(註七),其同步程序只是設計出來「證明」光速恆定的妙計?

雖然以卓越教學而備受讚賞的慕尼黑大學理論物理學教授薩默費爾德 ( Arnold Summerfeld ) 曾於 1907 年對愛因斯坦的公設提出「微辭」,但現在物理學家從未公開批評該相對論公設,只是默默地屏棄此一公設,改採將光速恆定作為可以實驗驗證的物理定律(經驗基礎):光速恆定不是規定,而是根基於實驗的自然界基本定律。

如果光相對於愛因斯坦的速度永遠為c, 那麼他將永遠無法隨「光」逐流看到光駐波,愛因斯坦不但終於解決了他16歲時所迷惑的悖論,還開創了相對論!

註釋

(註一)《世哲學家圖書館》系列的第七卷(Paul Arthur Schilpp編輯,美國紐約市 MJF Books 出版,2001 年元月一日重印版)。單行本:《阿爾伯特·愛因斯坦:哲學家-科學家》(Albert Einstein: Philosopher-Scientist;Open Court,3rd edition,December 30, 1998)。

(註二)筆者讀過多次愛因斯坦同步程序,從沒想到被騙;視而不思,真是書呆子一個!

(註三)2023 年初可攜帶型的商業原子鐘精確度高達 10-11%。

(註四)大英百科全書:科學假設是對自然界中觀察到的現像或一組狹窄現象提出初步解釋的想法。

(註五)參見『不用數學就可以解釋──相對論的著名想像實驗「雙胞胎悖論」』。

(註六)這種不顧物理的隨心所欲「規定」使筆者想到了波爾於 1913 年提出的:「電子雖然如行星繞日,但它的軌道卻不能隨便,而必須適合一個新的條件,即量子條件(quantum condition)。在這種軌道條件下的電子是穩定的,它可不服從電磁理論,因此也就不須放射出電磁波。」波爾輕而易舉地用「規定」的方法解決了拉塞福 ( Rutherford ) 原子模型與電磁理論的衝突(參見「原子的構造」)。當然,波爾原子模型的成就不只解決這衝突而已,它事實上解釋了當時存在的部份光譜問題,推動了新力學的迅速發展。同樣地,愛因斯坦的規定不只提出了「同時」是相對的觀念,還開創出一個新的力學。

(註七)用兩個簡單的公設就可推導出當時已知的洛倫茲轉換方程式(Lorentz transformation)、時間膨脹(time dilation)、洛倫茲—傅玆久拉空間收縮(Lorentz-FitzGerald contraction )等公式,這絕對不可能是一個巧合。

延伸閱讀

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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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時間與空間的顛覆!如何用簡單的方式了解「相對論」?——《物理角色圖鑑》
azothbooks_96
・2024/09/16 ・2086字 ・閱讀時間約 4 分鐘

時間不再絕對?牛頓與愛因斯坦的時間觀差異

川村老師,請用簡單的方式告訴我「相對論」是什麼?

圖/《物理角色圖鑑》

老師:狹義相對論源自相對性原理(Principle of relativity,指物理定律〔Physical law〕適用於所有以等速直線運動的物體) 與光速恆定原理。根據這個理論,時間是相對的,依不同觀察者而有所差異。牛頓力學中的時間是絕對的,愛因斯坦則認為,可依不同的觀察者位置對時間進行不同定義。

圖/《物理角色圖鑑》

老師:之前在討論「力」時,也提過離心力。離心力是「慣性力」的一種,慣性力指物體在加速運動時感受到的與加速方向相反的力。置身在沒有窗戶的電梯中,當電梯向上加速,電梯內的人會受到向下的慣性力(譯注:因看不到外面,使得他無法判斷電梯的運動情況)。若加速度為 g,物體質量為 m,則物體所受慣性力為 mg,與在地面所受的重力 mg 相同。愛因斯坦無法區別這兩種 mg 的差異,所以視為等效。但無論慣性力的方向為何,物體都會往向量合成後的視重力場方向掉落。

時間在任何地方都固定不變嗎?

世界上最快的速度是光速。物體的移動速度若接近光速,它的時間進程就會變慢。也就是說,在接近光速的太空船上,時間會變得悠長。而且,接近光速的物體長度會朝行進方向收縮。

物體只要具有質量,即使在靜止狀態依然擁有能量(其能量 E mc2,稱為靜止能量(Rest energy)。

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提到光的運動,我們已經知道光的路徑會彎曲。

1919 年,天文學家觀測到恆星發出的光線在經過太陽附近時被偏折,這種現象稱為「重力透鏡效應」(Gravitational lens),有助於了解黑洞等宇宙中質量分布的情況。此外,天體物理學家也觀測到時間的延遲。簡而言之,接近地面的時鐘行進速度會比高處的時鐘慢,GPS 也是依據這種效應來進行校正。

圖/《物理角色圖鑑》
圖/《物理角色圖鑑》

時間

牛頓力學中的「時間」(也就是我們一般理解的時間)和相對論中的時間大異其趣。牛頓在《自然哲學的數學原理》(Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica,1687)中,假設空間是均勻平坦的;從過去到未來,在任何地方都平均延伸。在牛頓力學中,全宇宙的時間一致。

但相對論否定了這一點。

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圖/《物理角色圖鑑》

光速恆定原理指出,光的速度是固定不變的。這種狀況下,空間中不同地點發生的兩件事,對某個觀測者來說是同時發生,但對另一參考系的觀測者而言則非同時發生。也就是說,時間的前進速度並非在任何地方都相同。因此,時間和空間不能視為各自獨立的兩回事,應該一體化,視為四維空間(時空,Spacetime)。

不過,這是指物體移動速度接近光速時的情況。日常生活中,使用過去的時間觀不會有任何問題。

黑洞

黑洞(Black hole)是一種天體,因為密度極高,重力極強, 不只物質,連光都會被吸進去,無法逃逸。天體是宇宙中所有物體的總稱,具體來說,指太陽、恆星、行星、星團、星雲等。從相對論來看,黑洞周圍空間是扭曲的。照以下方式想像應該會比較容易理解:

把重物放在一大塊展開的薄橡皮布上,放置處就會凹下去,而這塊凹陷會影響到周圍。同樣的,黑洞所在之處會發生猛烈的空間扭曲,經過附近的天體會被極強的重力吸引,落入其中,連光也難逃魔掌。

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銀河系有許多黑洞,但具體數字不詳。2019 年,一個跨國研究計畫團隊首次拍攝到黑洞的「影子」,掀起一陣討論熱潮。

——本文摘自《物理角色圖鑑:用35個萌角色掌握最重要的物理觀念,秒懂生活中的科普知識》,2024 年 9 月,漫遊者文化,未經同意請勿轉載。

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azothbooks_96
55 篇文章 ・ 21 位粉絲
漫遊也許有原因,卻沒有目的。 漫遊者的原因就是自由。文學、人文、藝術、商業、學習、生活雜學,以及問題解決的實用學,這些都是「漫遊者」的範疇,「漫遊者」希望在其中找到未來的閱讀形式,尋找新的面貌,為出版文化找尋新風景。