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發現混沌系統:龐加萊誕辰│科學史上的今天:4/29

張瑞棋_96
・2015/04/29 ・980字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 563 ・九年級

從十九世紀末到二十世紀初的世紀交替之際,出現許多極具天賦之科學家,造就現代科學的風起雲湧。其中法國數學龐加萊(或譯龐卡赫)是個異數,不但在代數、數論、微分方程、幾何、拓樸學等不同領域都做出開創性的成果,又能思考其物理意義而提出超越時代的深刻洞見,是難得一見的全面性天才。

龐加萊於 1887 年針對瑞典國王的懸賞而著手研究三體問題(三個天體在相互重力作用下如何運動)。他發現即使將問題簡化為其中一個天體為質量近乎零的質點,微分方程組仍太過複雜而無法求解,不過他卻成為史上最先發現混沌系統的人。混沌系統對於初始條件極為敏感,以致於「差之毫釐,失之千里」;正如他在 1908 年發表的著作《科學方法》中所寫的:

「有時初始條件的微小差異,將造成最終現象的極大改變。前者的小誤差,會造成後者極大的錯誤。預測將成為不可能的事。」

三體就是混沌系統。因此無法預測其軌道如何運行。不用等到海森堡祭出測不準原理,龐加萊就將拉普拉斯的惡魔打回原形。不過龐加萊窺見的是來自未來的理論,一直要到七、八十年後,科學家們才注意到他早就揭櫫的混沌現象而開始研究,並且仍要藉助於他的一些方法與概念。

愛因斯坦的狹義相對論是以勞倫茲轉換為基礎推演而來,然而勞倫茲轉換其實得助於龐加萊的不少貢獻。他早在 1898 年就建議應該將光速視為恆定不變,甚至在愛因斯坦發表論文之前,就闡述了類似的相對性原理,只是龐加萊的理論架構還是以以太存在為前提,才未能捷足先登。

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龐加萊於 1904 年提出的「龐加萊猜想」更是高懸百年的數學難題[註]。這個猜想涉及四維空間的拓樸學,在眾多數學家試圖證明其真偽的過程中,竟也發展出物理中的弦論在處理高維空間時所需的數學工具。

龐加萊一生發表的論文近五百篇,著作三十部,幾乎涵蓋數學所有領域以及原來沒有的領域。而他跨足的物理也涵蓋廣闊,包括天體力學、流體力學、電磁學、熱力學、……等等。難怪他會被譽為繼高斯之後,對於純數學及其應用均具有全面知識之最後一人。

  • 註:龐加萊猜想最後終於在 2006 年確認俄國數學家佩雷爾曼(Grigori Perelman)在 2002 至 2003 年所完成的證明正確無誤。但此人卻隱居起來,還拒領一百萬美元的獎金。

 

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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Intel® Core™ Ultra AI 處理器:下一代晶片的革命性進展
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/21 ・2364字 ・閱讀時間約 4 分鐘

本文由 Intel 委託,泛科學企劃執行。 

在當今快節奏的數位時代,對於處理器性能的需求已經不再僅僅停留在日常應用上。從遊戲到學術,從設計到內容創作,各行各業都需要更快速、更高效的運算能力,而人工智慧(AI)的蓬勃發展更是推動了這一需求的急劇增長。在這樣的背景下,Intel 推出了一款極具潛力的處理器—— Intel® Core™ Ultra,該處理器不僅滿足了對於高性能的追求,更為使用者提供了運行 AI 模型的全新體驗。

先進製程:效能飛躍提升

現在的晶片已不是單純的 CPU 或是 GPU,而是混合在一起。為了延續摩爾定律,也就是讓相同面積的晶片每過 18 個月,效能就提升一倍的目標,整個半導體產業正朝兩個不同方向努力。

其中之一是追求更先進的技術,發展出更小奈米的製程節點,做出體積更小的電晶體。常見的方法包含:引進極紫外光 ( EUV ) 曝光機,來刻出更小的電晶體。又或是從材料結構下手,發展不同構造的電晶體,例如鰭式場效電晶體 ( FinFET )、環繞式閘極 ( GAAFET ) 電晶體及互補式場效電晶體 ( CFET ),讓電晶體可以更小、更快。這種持續挑戰物理極限的方式稱為深度摩爾定律——More Moore。

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另一種則是將含有數億個電晶體的密集晶片重新排列。就像人口密集的都會區都逐漸轉向「垂直城市」的發展模式。對晶片來說,雖然每個電晶體的大小還是一樣大,但是重新排列以後,不僅單位面積上可以堆疊更多的半導體電路,還能縮短這些區塊間資訊傳遞的時間,提升晶片的效能。這種透過晶片設計提高效能的方法,則稱為超越摩爾定律——More than Moore。

而 Intel® Core™ Ultra 處理器便是具備兩者優點的結晶。

圖/PanSci

Tile 架構:釋放多核心潛能

在超越摩爾定律方面,Intel® Core™ Ultra 處理器以其獨特的 Tile 架構而聞名,將 CPU、GPU、以及 AI 加速器(NPU)等不同單元分開,使得這些單元可以根據需求靈活啟用、停用,從而提高了能源效率。這一設計使得處理器可以更好地應對多任務處理,從日常應用到專業任務,都能夠以更高效的方式運行。

CPU Tile 採用了 Intel 最新的 4 奈米製程和 EUV 曝光技術,將鰭式電晶體 FinFET 中的像是魚鰭般阻擋漏電流的鰭片構造減少至三片,降低延遲與功耗,使效能提升了 20%,讓使用者可以更加流暢地執行各種應用程序,提高工作效率。

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鰭式電晶體 FinFET。圖/Intel

Foveros 3D 封裝技術:高效數據傳輸

2017 年,Intel 開發出了新的封裝技術 EMIB 嵌入式多晶片互聯橋,這種封裝技術在各個 Tile 的裸晶之間,搭建了一座「矽橋 ( Silicon Bridge ) 」,達成晶片的橫向連接。

圖/Intel

而 Foveros 3D 封裝技術是基於 EMIB 更進一步改良的封裝技術,它能將處理器、記憶體、IO 單元上下堆疊,垂直方向利用導線串聯,橫向則使用 EMIB 連接,提供高頻寬低延遲的數據傳輸。這種創新的封裝技術不僅使得處理器的整體尺寸更小,更提高了散熱效能,使得處理器可以長期高效運行。

運行 AI 模型的專用筆電——MSI Stealth 16 AI Studio

除了傳統的 CPU 和 GPU 之外,Intel® Core™ Ultra 處理器還整合了多種專用單元,專門用於在本機端高效運行 AI 模型。這使得使用者可以在不連接雲端的情況下,依然可以快速準確地運行各種複雜的 AI 算法,保護了數據隱私,同時節省了連接雲端算力的成本。

MSI 最新推出的筆電 Stealth 16 AI Studio ,搭載了最新的 Intel Core™ Ultra 9 處理器,是一款極具魅力的產品。不僅適合遊戲娛樂,其外觀設計結合了落質感外型與卓越效能,使得使用者在使用時能感受到高品質的工藝。鎂鋁合金質感的沉穩機身設計,僅重 1.99kg,厚度僅有 19.95mm,輕薄便攜,適合需要每天通勤的上班族,與在咖啡廳尋找靈感的創作者。

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除了外觀設計之外, Stealth 16 AI Studio 也擁有出色的散熱性能。搭載了 Cooler Boost 5 強效散熱技術,能夠有效排除廢熱,保持長時間穩定高效能表現。良好的散熱表現不僅能夠確保處理器的效能得到充分發揮,還能幫助使用者在長時間使用下的保持舒適性和穩定性。

Stealth 16 AI Studio 的 Intel Core™ Ultra 處理器,其性能更是一大亮點。除了傳統的 CPU 和 GPU 之外,Intel Core™ Ultra 處理器還整合了多種專用單元,專門針對在本機端高效運行 AI 模型的需求。內建專為加速AI應用而設計的 NPU,更提供強大的效能表現,有助於提升效率並保持長時間的續航力。讓使用者可以在不連接雲端的情況下,依然可以快速準確地運行各種複雜的 AI 算法,保護了數據隱私,同時也節省了連接雲端算力的成本。

軟體方面,Intel 與眾多軟體開發商合作,針對 Intel 架構做了特別最佳化。與 Adobe 等軟體的合作使得使用者在處理影像、圖像等多媒體內容時,能夠以更高效的方式運行 AI 算法,大幅提高創作效率。獨家微星AI 智慧引擎能針對使用情境並自動調整硬體設定,以實現最佳效能表現。再加上獨家 AI Artist,更進一步提升使用者體驗,直接輕鬆生成豐富圖像,實現了更便捷的內容創作。

此外 Intel 也與眾多軟體開發商合作,針對 Intel 架構做了特別最佳化,讓 Intel® Core™ Ultra處理器將AI加速能力充分發揮。例如,與 Adobe 等軟體使得使用者可以在處理影像、圖像等多媒體內容時,能夠以更高效的方式運行 AI 算法,大幅提高創作效率。為各行專業人士提供了更加多元、便捷的工具,成為工作中的一大助力。

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張瑞棋:我想呈現科學家榮耀的背後,和常人無異的一面
梁晏慈
・2016/03/31 ・2235字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 517 ・六年級

「以古為鏡,可以知興替。」如果能在過去、現在兩點拉出一條直線的話,未來的趨勢也有機會在我們掌握之中;當我們遇到困難時可以透過過往的經驗,幫助我們下判斷。這就是歷史的重要性!同樣的,歷史的脈絡可以幫助我們學習科學,而且還有機會發現科學家並不是我們想像中的神聖不可侵。2015 年 12 月 22 日在胖地台北,泛科學的專欄作者張瑞棋帶著《科學史上的今天》,和我們分享科學家背後鮮為人知的小故事。

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「從小到大,科學家在我們心中非常偉大,無論是哥白尼的日心說,或者證明地心引力作用一樣的伽利略。這些科學家閃耀著光芒,直到越讀越多書後才發現,光芒的背後其實存在著陰影。這些科學家們的陰影來自信仰權威以及性別。」

信仰

普遍認為哥白尼的日心說之所以不被認可,是因為宗教的打壓。然而另一種觀點是由於哥白尼認為上帝創造的宇宙應該存在著完美對稱的幾何關係,也就是軌道應該是圓形的!但這會和他觀察到的天文現象不吻合,因此與其說日心說的發表示因為教會的壓力,其實哥白尼本身的執迷才是造成學說延宕的原因。又比如提出滅絕說的居唯葉,他認為物種會因為某些災難而滅絕,另一方面在創世後仍物種繼續被創造。由於他深信聖經的創世論,甚至抨擊達爾文的演化論,導致演化論的發展備受阻礙。

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讓我們一起來聽聽科學家背後鮮為人知的故事吧!

權威

除了信仰外,有時候科學家利用自身權威、堅持己見,抑制別派學說,亦會影響科學的發展。你能想像西元十六世紀,醫生們拿著的解剖經典是出自於西元二世紀的蓋倫,且內容漏洞百出嗎?蓋倫是根據其動物解剖的經驗來推斷人體的內部構造,當然和人體的構造有很大的出入。但許多人不改抵抗權威,使得錯誤流傳千年。直到維薩留斯的出現,人體的結構才終於被了解。維薩留斯憑藉著大量的人體解剖經驗,推翻了多年來的理論,加上他有美術的長才,得以將知識快速的更新、傳播。

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另一個為人所知的例子是牛頓萊布尼茲。在微積分發展上,英國推崇地位較高的牛頓提出的流數,而非萊布尼茲的微積分,這導致英國的數學研究落後其他歐陸國家。最後一個權威造成的悲劇,讓許多產婦賠上了性命。十九世紀,醫生塞默維斯發現由醫院接生的產婦死亡率遠遠高出了由助產士接生的。他推測原因是醫學系的學生在解剖完大體後沒有清潔,而將細菌帶給產婦。然而其他高傲的醫生們認為:醫生怎麼可能害人呢?而摒棄了塞默維斯的想法。

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性別

女性在科學界受到的打壓也不少:在代數領域有傑出成就的埃米諾特,竟因其性別而無法擔任大學教授;華生看了羅莎琳.佛蘭克林的 DNA  X 光繞射圖片,終於發現了 DNA 的雙螺旋結構,並以此得到了諾貝爾獎。雖然華生得獎的時候佛蘭克林已過世,然而我們可以想像,在當時的社會氛圍下,即便她在世,女性科學家的得獎機率仍然很低;發現脈衝星的喬瑟琳貝爾其成就在天文界有目共睹,然而諾貝爾物理獎的獎座是被指導教授赫維許拿走;吳健雄透過實驗證實宇稱不守恆,但最後是理論學家楊振寧及李政道是拿到了諾貝爾物理獎。

有些時候科學家對抗的不是來自外界的輿論、權威,反對的力量反而是來自科學界:牛頓打壓虎克及萊布尼茲;愛迪生堅持使用直流電系統,並利用交流電椅製造世人對交流電的恐懼,藉此反對特斯拉的交流電系統;發明氫彈的泰勒對前主管歐本海默落井下石,聲稱歐本海默對美國不忠……

我想呈現的不只是科學家的榮耀,還有其與常人無異的一面

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跟著《科學史上的今天》的腳步,我們可以發現科學家或許只在智力上比一般人高超,但其品性仍和常人一樣:他們也會忌妒、也會排擠別人、也會為了得到權力耍手段。如果大家能用平等的角度認識科學家,去了解理論後的時代背景,那學科學就不再只是背公式和定理,而是和一段段生命故事相遇的奇幻旅程。

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梁晏慈
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梁晏慈,台灣大學化學系研究所。 喜歡聽故事、說故事,還有貓。

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塞勒姆獵巫事件|科學史上的今天:2/29
張瑞棋_96
・2016/02/29 ・1053字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

1692 年,現今的麻塞諸塞州猶是英國的殖民地。2月29日這一天,靠近海灣的塞勒姆小鎮有三位女性同時遭到拘捕,她們是:黑人女僕蒂圖芭 (Tituba)、39 歲的遊民古德 (Sarah Good)、以及幾乎不上教堂的 39 歲婦人歐斯朋 (Sarah Osborne)。她們共同的罪名是──女巫。

賽勒姆巫審。圖片來源:wikimedia@United States Library of Congress

這起事件源自二月初,兩位 9 歲與 11 歲的小女孩突然全身痙攣,蜷伏桌下,大聲尖叫,亂扔物品。其症狀頗符合相傳的著魔現象,加上醫生檢查她們身體並無異狀,於是耳語開始在鎮上流傳。沒多久另幾位女孩也出現類似症狀,在大人的強力要求下,女孩們指認了這三位對她們作法的女巫。

雖然獵捕女巫不算新鮮事兒,早自十五世紀中期開始,歐洲各地就掀起了民間自發的獵巫運動,許多無辜女性被指與魔鬼訂定契約,使用巫術迷惑或傷害他人,因而被嚴刑逼供、慘遭處決。不過這股熱潮到十七世紀末已開始消退,英國本土更是自 1682 年之後就不再有人因為巫術罪名被處死,沒想到十年之後,反而在她的海外殖民地再現獵巫高潮。

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她們三人被拘禁後,事件並未就此平息,越來越多人被指控是女巫,對象擴及中上階層,最後連男性也難倖免,到了五月已有 62 人遭到拘禁(歐斯朋已死於獄中)。鑒於事態越演越烈,麻塞諸塞區的行政首長特別成立了由七人組成的法庭專門審理塞勒姆鎮的巫師案,但他們憑藉的卻多是《女巫之鎚》此類書籍中荒誕無稽、形同逼供的判別方法。

1692 年 6 月 10 日,一位愛著奇裝異服,不守清教徒習俗的婦人成為第一位被吊死的犧牲者;7 月 19 日,一次處決五位女性,之後每月都有人被處以絞刑。直到幾位哈佛大學的意見領袖公開抨擊法官採信幻覺、夢境等心靈證據,行政首長才在十月底解散特別法庭,並在半年後釋放所有被羈押的人,總計已有19人遭吊死,一人被刑求而死,還有數人死於獄中。

回顧這起獵巫事件,科學家推斷一開始那些女孩的症狀是因為食用了被麥角菌汙染的穀物;社會學家則從社會背景分析,指出當時原本安寧穩定的塞勒姆遷入大量新移民,一方面原來的居民對新來者懷有戒心,一方面貧富不均引發階級衝突,形成小鎮內部的緊張對峙,因而醞釀出一發不可收拾的獵巫事件。

即使過了三百多年,現今社會仍時時可見因族群、階級或政治立場不同而劃分敵我、亂扣帽子的亂象;鑑古推今,我們豈能不對披上各種不同外衣的獵巫運動保持警戒呢?!

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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。

 

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》。