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澆不息的中二魂!從物理年會誕生的動畫電影《重甲機神 Baryon》重磅登場──《泛科幻獎》論壇紀實

旻諭_96
・2018/07/06 ・3220字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 520 ・七年級

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《泛科幻獎》論壇邀請傻呼嚕同盟 Jo-Jo 老師和 ZERO 老師來聊熱血巨大機器人電影《重甲機神 Baryon》如何誕生!圖/TW

科幻是什麼?《泛科幻獎》論壇邀請傻呼嚕同盟 Jo-Jo 黃瀛洲老師和 ZERO 許經夌老師談談科幻題材怎麼應用在動畫製作,告訴你全世界第一部屬於臺灣的科幻動畫——《重甲機神 Baryon》如何誕生,實踐物理阿宅多年來的夢想!

短短兩個月《重甲機神》在 FlyingV 平台上獲331人響應,募得超過1,200,000元,達標率高達221.8%,創下 FlyingV 動畫類募資的最高紀錄。

ZERO 老師:「這個故事要從2007年物理年會開始說起……」圖/TW

全世界第一部誕生於物理年會的動畫電影

故事開始於 2007 年在中央大學舉辦的中華民國物理年會。在這個國內物理學界的大拜拜,其中「大型研究計畫論壇」報告該計畫購買許多大型貴重儀器,包括中子束、同步輻射先進光源、高磁場超導磁鐵等,於是兩個有中二魂的物理學家 AIplus 施奇廷老師和 ZERO 老師就在台下開始夢想:

「ㄟ我們把這些全部湊起來是不是就可以變成一個巨大機器人!」
「如果靠這個來打敗外星人多棒啊!!」
「好!就來做看看!」

Jo-Jo 老師:「你們是認真的嗎?」圖/TW

沒想到十一年後,全世界第一個誕生於物理學會年會,並由兩位物理學家擔任編劇的巨大機器人動畫電影《重甲機神 Baryon》,終於在2018年物理年會上正式亮相!喔不,是……發布「論文摘要!」

〈誕生於物理年會的動畫電影:重甲機神 Baryon 〉
Kip Thorne 根據他在天文物理、重力理論的專業,構思「星際效應」的故事長達二十年,終於在 2014 年與名導演 Christopher Nolan 合作,拍出了一部叫好又叫座的巨片,Thorne 教授更在三年後,榮獲 2017 年的諾貝爾物理獎。雖說相較於 Thorne 與「星際效應」來說是小巫見大巫,不過台灣也有台灣的故事。

其實很多物理學家都是好萊塢的科學顧問!

AIplus 老師論文摘要一開始就拿諾貝爾物理獎得主 Kip Thorne 來嚇大家,他和知名導演 Christopher Nolan 合作的《星際效應》,就是一個根據自己物理上的研究成果來進行創作,穿越「蟲洞」的太空冒險故事。

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不只有《星際效應》是物理學家和影視圈的跨界合作,美國國家科學院在 2008 年發起「Science and Entertainment Exchange」計畫,試圖橋接影視圈及科學圈,讓頂尖科學家和好萊塢一起打造強檔科技電影,超級英雄情節吸睛又不失去科學真實性!

這也使得科學界和影視界合作越來越頻繁,像是美國羅徹斯特大學 Adam Frank 教授參與《奇異博士》製作,還有《復仇者聯盟》也找來南加州大學 Clifford V. Johnson 教授來做物理學考證跟科學顧問。

電影《復仇者聯盟》。圖/imdb

從這個趨勢看來,科幻與科學的結合似乎是理所當然的,國外好多電影都有物理學家來助陣,台灣當然也不例外!

科幻的舞台在臺灣——《重甲機神》場景設定

Jo-Jo 老師說,創造《重甲機神》時遇到的第一個困難就是:「為甚麼故事發展在臺灣?」試想,當一個外星人說他想要征服世界、統治宇宙,然後他說他要攻打臺灣。

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圖/取自 giphy

你一定覺得這個人是怎麼了??走錯路!!

但身為在臺灣土生土長的人類,當然還是希望故事的舞台發生在臺灣,這個問題該怎麼解決呢?Jo-Jo 老師說,「臺灣是二流國家的最前面,外星人先把一流國家全打敗了,拯救世界的重責大任理所當然就是由臺灣接手了!」

為了解決這個難題,Jo-Jo 老師和 ZERO 老師還特別去查了中華民國的軍力強度:

各國軍力排名列表。圖/2018.6.20 截圖自 維基百科

ZERO 老師說,「如果是合理的外星人,一定是先把最強者幹掉!」從這個軍力強度表來看,第一波打下去當然要把臺灣以上的國家全部消滅!「所以這樣就可以合理的解釋為甚麼故事場景發生在臺灣,因為其他強國全部都死光光了嘛,我們不得不領導這個世界!(笑)」

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《重甲機神》的製作剛開始也有向文化部申請圓夢計畫,當時被要求需要加入臺灣的文化要素。

臺灣文化要素是甚麼?101 大樓?原住民?

對 Jo-Jo 老師而言,「臺灣文化要素是海洋,我們是少數幾個被海洋包圍的國家,但我們往往對自己國家周圍的海不了解。」他說,「我們的機器人動畫跟一般的動畫不一樣,你平常看到的機器人的故事場景在天上,或是在宇宙中,在陸地上。我們不要,我們讓他在海裡,因為這最能夠代表臺灣意象。」因此《重甲機神》的故事發展在釣魚台,也可以讓觀眾多認識臺灣附近的海洋。

會把故事場景定在海洋,其實還因為 AIplus 老師和 ZERO 老師這些物理宅覺得,在海底機器人才站的起來(噗哧)

教練阿,我真的好想好想做動畫

確定故事場景就在釣魚台之後,企劃書也隨之誕生!

這就是為甚麼釣魚台有這麼多國家搶著要的原因,因為底下有個鸚鵡螺市啊!!圖/2018.6.20 截圖自 重甲機神 FlyingV募資計畫

《重甲機神》的主要角色海納臺灣人、中國人、美國人和日本人(可謂一部具有國際能見度的動畫片呢!),同時也能從角色名稱中看到不少物理梗,例如「重甲機神」的英文名字「Baryon」就是「重子」;重甲機兵「Proton」是「質子」;重甲機二、三號分別代表「魅夸克」、「奇夸克」;曾任 NASA 物理學家「司空弦」博士的名字來自物理學上的「弦論」。其中 ZERO 老師最特別拿出來介紹的角色:研究助理「朝永航一郎」的名字,是日本物理學家也是諾貝爾獎得主的「朝永振一郎」,和 ZERO 老師喜歡的漫畫家「安永航一郎」的合體!(這組合還真的是物理宅才想得出來)

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小時候的愛影響你的一生——《重甲機神》誕生的使命

很多人小時候可能看過《星際大戰》或《星艦迷航記》,從小的夢想就是去 NASA 當太空人。ZERO 老師說,他小時候也是因為《科學小飛俠》決定一生的志向! 因為故事中的反派角色—辛格萊爵士,不但是加州柏克萊大學物理博士,還是「第一名畢業的天才,製造機械鐵獸以征服世界!」這讓小小年紀的 ZERO 老師了解到,原來念物理可以征服世界!(但後來才發現讀物理通常不能征服世界,只變成了兩個隨處可見的阿宅,呵呵。)

鋪梗鋪這麼久到底想說什麼呢?這就回到《重甲機神》誕生的使命了!AIplus 老師和 ZERO 老師在《重甲機神》的論文摘要中說:「近年來選讀理工科系、特別是物理系的人數逐年減少,藉由推出這種富含科技元素的高度娛樂性作品,是否有可能提升本地年輕人選擇理工科系、特別是物理系的興趣呢?」美國人小時候看《星際大戰》,日本人小時候看《鋼彈》,那未來的臺灣小朋友就是看《重甲機神》無誤!

圖/重甲機神 Baryon 臉書粉專封面照片

《重甲機神》身為全世界第一部屬於臺灣的科幻動畫,在製作過程中也是飽受苦難!ZERO 老師說,《重甲機神》企劃書一出來之後,酸民的回應就像衛星一樣趴趴趴趴打下來,公布前導預告片時還有人在貼文底下留言「是美國人為甚麼講話會有台中腔?(噗哧)」經過了這麼多年的努力,《重甲機神》終於在今年成為台中國際動畫影展的開幕片(鼓掌!!)。ZERO 老師也感慨「終於可以坦然的用自己台灣的動漫來教科學了!」

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大學主修生科,研所跳槽科學教育,目前正努力想要聰明又科學的活著。

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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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OpenAI 新突破!為什麼 Sora 可以產出這麼流暢的動畫?你不可錯過的技術文件大解密!
泛科學院_96
・2024/02/26 ・2968字 ・閱讀時間約 6 分鐘

什麼?不需要拍攝團隊與剪輯師,一句話就可以生成短片?!

OpenAI 近來發布的短影片生成器——Sora,能依據各種「咒語」生成難分真偽的流暢影片。

是什麼技術讓它如此強大?讓我們來一探究竟吧!

你被 Sora 了嗎?這幾天 Sora 佔據了各大版面,大家都在說 OpenAI 放大絕,不止 YouTuber,連好萊塢都要崩潰啊啊啊!

但真有這麼神嗎?我認真看了下 Sora 的官方說明以及參考資料,發現這東西,還真的挺神的!這東西根本不是 AI 取代人或單一產業,而是 AI 變成人,根本是通用型人工智慧 AGI 發展的里程碑啊!

別怕,要讓 Sora 為你所用,就先來搞懂到底是什麼神奇的訓練方法讓 Sora 變得那麼神,這就要從官網說明中唯一的斜體字——diffusion transformer 說起了。

這集我們要來回答三個問題,第一,Sora 跟過去我們產圖的 Midjourney、Dall-E,有什麼不同?第二,Diffusion transformer 是啥?第三,為什麼 Diffusion transformer 可以做出這麼絲滑的動畫?

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最後,我想說說我的感想,為什麼我會覺得 Sora 很神,不只是取代坐在我旁邊的剪接師,而是 AI 變人的里程碑。

我們已經很習慣用 Midjourney、Dall-E 這些 Diffusion 模型產圖了,從 logo 到寫真集都能代勞,他的原理我們在泛科學的這裡,有深入的解說,簡單來說就像是逐格放大後,補上圖面細節的過程。不過如果你要讓 Diffusion 產影片,那後果往往是慘不忍睹,就像這個威爾史密斯吃麵的影片,每一格影格的連續性不見得相符,看起來就超級惡趣味。

要影格連續性看來合理……咦?像是 GPT-4 這種 tranformer 模型,不是就很擅長文字接龍,找關聯性嗎?要是讓 transformer 模型來監督 Diffusion 做影片,撒尿蝦加上牛丸,一切不就迎刃而解了嗎?

沒錯,OpenAI 也是這樣想的,因此才把 Sora 模型稱為「Diffusion transformer」,還在網站上用斜體字特別標示起來。

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圖/OpenAI

但說是這樣說啦,但 transformer 就只會讀文本,做文字接龍,看不懂影片啊,看不懂是要怎麼給建議?於是,一個能讓 transformer 看懂圖片的方式——patch 就誕生啦!

ChatGPT 理解內容的最小單位是 token,token 類似單詞的文字語意,ChatGPT 用 token 玩文字接龍,產生有連續性且有意義句子和文章。

那 Patch 呢?其實就是圖片版的 token,讓 ChatGPT 可以用圖片玩接龍,玩出有連貫性的圖片。

Sora 官方提供的訓練說明圖上,最後所形成的那些方塊就是 patch,這些 patch 是包含時間在內的 4D 立體拼圖,可以針對畫面與時間的連續性進行計算。

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圖/OpenAI

那這個 patch 要怎麼做呢?以 Sora 提供的參考文獻 15 來說明會比較容易懂,patch 是將影像切成一樣等大的區塊後,進行編碼、壓縮,產生類似 ChatGPT 能分析的文字語意 token。

有了這些 patch 後,Transformer 就可以計算 patch 之間的關聯性形成序列,例如論文中被分割在中上與右上的兩塊藍天,就會被分類在天空,之後算圖的時候,就會知道這兩塊 patch 是一組的,必須一起算才行。

也就是說,畫面上的這塊天空已經被鎖定,必須一起動。

雖然這篇論文只提圖片,但影片的處理只要再加上 patch 間的先後順序,這樣就能讓 transformer 理解隨時間改變的演化。

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同樣是上面被鎖定的天空,多了先後順序,就相當於是增加了前一個影格與後一個影格限制條件,讓這塊天空在畫面中移動時,被限縮在一定範圍內,運動軌跡看起來更加合理。

而他的成果,就是在 Sora 官網上看到的驚人影片,那種絲滑的高畫質、毫無遲滯且高度合理、具有空間與時間一致性的動作與運鏡,甚至可以輕易合成跟分割影片。

不過啊,能把 Sora 模型訓練到這個程度,依舊是符合 OpenAI 大力出奇跡的硬道理,肯定是用了非常驚人的訓練量,要是我是 Runway 或 Pika 這兩家小公司的人,現在應該還在咬著牙流著血淚吧。別哭,我相信很多人還是想要看威爾史密斯繼續吃義大利麵的。

在訓練過程中,Sora 從提取影像特徵,到形成有意義的 patch,到最後串聯成序列,如果你接觸過認知心理學,你會發現這其過程就跟認知心理學描述人類處理訊息的過程如出一轍。都是擷取特徵、幫特徵編碼形成意義、最後組合長期記憶形成序列,可以說 Sora 已經接近複製人類認知過程的程度。

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這邊是我的推測,影片中那些逼真的物理效果,不是有特定的物理模型或遊戲引擎在輔助,而是在 patch 的訓練與序列推理中,就讓 Sora 理解到要讓物體這樣動,看起來才會是真實的,這跟 GPT-4 並不需要文法引擎是一樣的,只要玩文字接龍,就能生成流暢又有邏輯的文字跟代碼。但這也是為什麼,GPT 依舊很會胡說八道,產生幻覺。如果不是這樣,我很難想像 Sora 會算出這種影片。

Sora 能理解並產生人類眼睛能接收的視覺影片,同樣的技術若能做出聽覺、觸覺等其他人類感官,這樣我們被 AI 豢養的時刻是不是就越來越近了呢?

後 Sora 時代到底會發生什麼事,老實講我不知道,上面提到的 diffusion transformer 或 patch,都是近一年,甚至是幾個月前才有研究成果的東西。

臉書母公司 Meta 的首席人工智慧科學家 Yann Lecun 也在他自己的臉書公開抨擊 Sora 這種基於像素預測的技術註定失敗,但這篇感覺比較像是對自己的老闆 Zuckerberg 喊話:「欸這沒戲,不要叫我學 Sora,拿寶貴的運算資源去搞你的元宇宙。」是說今年初就有新聞說祖老闆 2024 年預計買超過 35 萬顆 H100 處理器,這明顯就是要搞一波大的吧,這就是我想要的血流成河。

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而且,從去年 ChatGPT 出來開始,我感覺就已經不是討論 AI 會怎麼發展,而是要接受 AI 必定會發展得越來越快,我們要怎麼面對 AI 帶來的機會與衝擊。

我們去年成立泛科學院,就是希望跟大家一起,透過簡單易懂的教學影片,把對 AI 的陌生跟恐慌,變成好奇與駕馭自如。Sora 或類似的模型應該可以協助我把這件事做得更好,可惜的的是目前 OpenAI 僅開放 Sora 給內部的 AI 安全團隊評估工具可能帶來的危害與風險,另外就是與少數外部特定的藝術家、設計師跟電影製片人確保模型用於創意專業領域的實際應用,若有新消息,我會再即時更新。

最後也想問問你,若能用上 Sora,你最想拿來幹嘛呢?歡迎留言跟我們分享。喜歡這支影片的話,也別忘了按讚、訂閱,加入會員,下集再見~掰!

更多、更完整的內容,歡迎上科學院的 youtube 頻道觀看完整影片,並開啟訂閱獲得更多有趣的資訊!

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我是泛科學院的AJ,有15年的軟體測試與電腦教育經驗,善於協助偏鄉NPO提升資訊能力,以Maker角度用發明解決身邊大小問題。與你分享人工智慧相關應用,每週更新兩集,讓我們帶你進入科技與創新的奇妙世界,為未來開啟無限可能!

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快速通道與無盡地界:科幻作品裡的黑洞——《超次元.聖戰.多重宇宙》
2046出版
・2024/02/08 ・4430字 ・閱讀時間約 9 分鐘

星際捷徑

一個無底深淵怎能成為星際飛行的捷徑呢?原來按照愛因斯坦的理論,黑洞是一個時空曲率趨於無限大——也就是說,時空本身已「閉合」起來的區域。但往後的計算顯示,若收縮的星體質量足夠大的話,時空在閉合到某一程度之後,會有重新開敞的可能,而被吸入的物體,將可以重現於宇宙之中。只是,這個「宇宙」已不再是我們原先出發的宇宙,而是另一個宇宙、另一個時空(姑毋論這是甚麼意思)。按照這一推論,黑洞的存在,可能形成一條時空的甬道(稱為「愛因斯坦-羅森橋接」),將兩個本來互不相干的宇宙連接起來。

這種匪夷所思的推論固然可以成為極佳的科幻素材,但對於克服在我們這個宇宙中的星際距離,則似乎幫助不大。然而,一些科學家指出,愛因斯坦所謂的另一個宇宙,很可能只是這一宇宙之內的別的區域。如果是的話,太空船便可由太空的某處飛進一個黑洞之內,然後在遠處的一個「白洞」(white hole)那兒走出來,其間無須經歷遙遠的星際距離。把黑洞和白洞連結起來的時空甬道,人們形象地稱之為「蛆洞」、「蛀洞」或「蟲洞」(wormhole)。

科幻作品裡常以穿越蟲洞作為星際旅行的快速通道。圖/envato

「蛆洞」是否標誌著未來星際旅行的「捷徑」呢?不少科幻創作正以此為題材。其中最著名的,是《星艦奇航記》第三輯《太空站深空 9 號》(Deep Space Nine, 1993-1999),在劇集裡,人類發現了一個遠古外星文明遺留下來的「蛆洞」,於是在旁邊建起了一個龐大的星際補給站,成為了星際航運的聚散地,而眾多精彩的故事便在這個太空站內展開。

我方才說「最著名」,其實只限於《星艦》迷而言。對於普羅大眾,對於「蛆洞」作為星際航行手段的認識,大多數來自二○一四年的電影《星際效應》(Interstellar,港譯:《星際啟示錄》),其間人類不但透過蛆洞去到宇宙深處尋找「地球 2.0」(因為地球環境已大幅崩壞),男主角更穿越時空回到過去,目睹多年前與年幼女兒生離死別的一幕。電影中既有大膽的科學想像,也有感人的父女之情,打動了不少觀眾。大家可能有所不知的是,導演基斯杜化.諾蘭(Christopher Nolan, 1970-)邀請了知名的黑洞物理學基普.索恩(Kip Thorne, 1940-)作顧問,所以其中所展示的壯觀黑洞景象,可不是憑空杜撰而是有科學根據的呢!

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星際效應裡的黑洞景象。圖/wikimedia

那麼蛆洞是否就是人類進行星際探險的寄託所在呢?

然而事情並非這麼簡單。我們不要忘記,黑洞的周圍是一個十分強大的引力場,而且越接近黑洞,引力的強度越大,以至任何物體在靠近它時,較為接近黑洞的一端所感受到的引力,與較為遠離黑洞的一端所感受到的,將有很大的差別。這種引力的差別形成了一股強大之極的「潮汐張力」(tidal strain),足以把最堅固的太空船(不要說在內的船員)也撕得粉碎。

潮汐張力的危險不獨限於黑洞,方才提及的中子星,其附近亦有很強的潮汐力。 拉瑞.尼文(Larry Niven, 1938-,港譯:拉利.尼雲)於一九六六年所寫的短篇〈中子星〉(Neutron Star),正以這一危險作為故事的題材。

尤有甚者,即使太空船能抵受極大的潮汐力,在黑洞的中央是一個時空曲率趨於無限,因此引力也趨於無限的時空「奇點」(singularity)。太空船未從白洞重現於正常的時空,必已在「奇點」之上撞得粉碎,星際旅程於是變了死亡旅程。

然而,往後的研究顯示,以上的描述只適用於一個靜止的、沒有旋轉的黑洞,亦即「史瓦西解」所描述的黑洞。可是在宇宙的眾多天體中,絕大部分都具有自轉。按此推論,一般黑洞也應具有旋轉運動才是。要照顧到黑洞自旋的「場方程解」,可比單是描述靜止黑洞的史瓦西解複雜得多。直至一九六三年,透過了紐西蘭數學家羅伊・卡爾(Roy Kerr, 1934-)的突破性工作,人類才首次得以窺探一個旋轉黑洞周圍的時空幾何特性。

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圖/envato

旋轉的黑洞

科學家對「卡爾解」(The Kerr solution)的研究越深入,發現令人驚異的時空特性也越多。其中一點最重要的是:黑洞中的奇點不是一個點,而是一個環狀的區域。即只要我們避免從赤道的平面進入黑洞,理論上我們可以毋須遇上無限大的時空曲率,便可穿越黑洞而從它的「另一端」走出來。

不用說,旋轉黑洞(也就是說,自然界中大部分的黑洞)立即成為科幻小說作家的最新寵兒。

一九七五年,喬.哈德曼(Joe Haldeman,1943-)在他的得獎作品《永無休止的戰爭》(The Forever War, 1974)之中,正利用了快速旋轉的黑洞(在書中稱為「塌陷體」——collapsar)作用星際飛行——以及星際戰爭得以體現的途徑。

由於黑洞在宇宙中的分佈未必最方便於人類的星際探險計劃,一位科學作家阿德里安.倍里(Adrian Berry,1937-2016)更突發奇想,在他那充滿想像的科普著作《鐵的太陽》(The Iron Sun, 1977)之中,提出了由人工製造黑洞以作為星際轉運站的大膽構思。

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要特別提出的一點是,飛越旋轉黑洞雖可避免在奇點上撞得粉碎,卻並不表示太空船及船上的人無須抵受極強大的潮汐力。如何能確保船及船員在黑洞之旅中安然無恙,是大部分作家都只有輕輕略過的一項難題。

此外,按照理論顯示,即使太空船能安然穿越黑洞,出來後所處的宇宙,將不是我們原先出發的那個宇宙;而就算是同一個宇宙,也很可能處於遙遠的過去或未來的某一刻。要使這種旅程成為可靠的星際飛行手段,科幻作家唯有假設人類未來對黑洞的認識甚至駕馭,必已達到一個我們今天無法想像的水平。

然而,除了作為星際飛行途徑,黑洞本身也是一個怪異得可以的地方,因此也是一個很好的科幻素材。黑洞周圍最奇妙的一個時空特徵,就是任何事物——包括光線——都會「一進不返」的一道分界線,科學家稱之為「事件穹界」(event horizon)。這個穹界(實則是一個立體的界面),正是由當年史瓦西計算出來的「史瓦西半徑」(Schwarzschild radius)所決定。例如太陽的穹界半徑是三公里,也就是說,假若一天太陽能收縮成一個半徑小於三公里的天體,它將成為一個黑洞而在宇宙中消失。「穹界」的意思就是時空到了這一界面便有如到了盡頭,凝頓不變了。

圖/envato

簡單地說,穹界半徑就是物體在落入黑洞時的速度已達於光速,而相對論性的「時間延長效應」(time dilation effect)則達到無限大。對太空船上的人來說,穿越界面的時間只是極短的頃刻,但對於一個遠離黑洞的觀測者,他所看到的卻是:太空船越接近界面,船上的時間變得越慢。

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而在太空船抵達界面時,時間已完全停頓下來。換句話說,相對於外界的人而言,太空船穿越界面將需要無限長的時間!

無限延長的痛苦

了解到這一點,我們便可領略波爾.安德遜(Poul Anderson, 1926-2001)的短篇〈凱利〉(Kyrie, 1968)背後的意念。故事描述一艘太空船不慎掉進一個黑洞,船上的人自是全部罹難。但對於另一艘船上擁有心靈感應能力的一個外星人來說,情況卻有所不同。理由是她有一個同樣擁有心靈感應能力的妹妹在船上,而遇難前兩人一直保持心靈溝通。由於黑洞的特性令遇難的一剎(太空船穿越穹界的一剎)等於外間的永恆,所以這個生還的外星人,畢生仍可在腦海中聽到她妹妹遇難時的慘叫聲。

安德遜這個故事寫於一九六八年,可說是以黑洞為創作題材的一個最早嘗試。

短篇〈凱利〉便是利用黑洞的特性——遇難的一剎等於外間的永恆——使生還者感受無盡的痛苦。圖/envato

太空船在穹界因時間停頓而變得靜止不動這一情況在阿爾迪斯一九七六年寫的《夜裡的黑暗靈魂》(The Dark Soul of the Night)中,亦有頗為形象的描寫。恆星的引力崩塌,在羅伯特.史弗堡(Robert Silverberg)的《前往黑暗之星》(To the Dark Star, 1968)之中卻帶來另一種(雖然是假想的)危險。故事中的主人翁透過遙感裝置「親身」體驗一顆恆星引力塌陷的過程,卻發覺時空的扭曲原來可以使人的精神陷於瘋狂甚至崩潰的境地。

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以穹界的時間延長效應為題材的長篇小說,首推弗雷德里克.波爾(Frederik Pohl, 1919-2013)的得獎作品《通道》(Gateway, 1977),故事描述人類在小行星帶發現了由一族科技極高超的外星人遺留下來的探星基地。基地內有很多完全自動導航的太空船,人類可以乘坐這些太空船穿越「時空甬道」抵達其他的基地,並在這些基地帶回很多珍貴的,因此也可以令發現者致富的超級科技發明。

故事的男主角正是追尋這些寶藏的冒險者之一。他和愛人和好友共乘一艘外星人的太空船出發尋寶,卻不慎誤闖一顆黑洞的範圍。後來他雖逃脫,愛人和好友卻掉進黑洞之中。但由於黑洞穹界的時間延長效應,對於男主角來說,他的愛人和好友永遠也在受著死亡那一刻的痛苦,而他也不歇地受著內疚與自責的煎熬。

故事的內容由男主角接受心理治療時逐步帶出。而特別之處,在於進行心理治療的醫生不是一個人,而是一副擁有接近人類智慧的電腦。全書雖是一幕幕的人機對話,描寫卻是細膩真摯、深刻感人,實在是一部令人難以忘懷的佳作。

圖/envato

由於這篇小說的成功,波氏繼後還寫了兩本續集:《藍色事件穹界以外》(Beyond the Blue Event Horizon, 1980)及《希徹會晤》(Heechee Rendezvous, 1984)。而且兩本都能保持很高的水準。

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時間延長效應並非一定帶來悲劇。在先前提及的《永無休止的戰爭》的結尾,女主角正是以近光速飛行(而不是飛近黑洞)的時間延長效應,等候她的愛侶遠征歸來,為全書帶來了令人驚喜而又感人的大團圓結局。

七○年代末的黑洞熱潮,令迪士尼(Walt Disney)的第一部科幻電影製作亦以此為題材。在一九七九年攝製的電影《黑洞》(The Black Hole)之中,太空船「帕魯明諾號」在一次意外中迷航,卻無意中發現了失蹤已久的「天鵝號」太空船。由於「天鵝號」環繞著一個黑洞運行,船上的人因時間延長效應而衰老得很慢。這艘船的船長是一個憤世疾俗的怪人,他的失蹤其實是故意遠離塵世。最後,他情願把船撞向黑洞也不願重返文明。

比起史提芬.史匹堡(Steven Spielberg, 1946-)的科幻電影,這部《黑洞》雖然投資浩大,拍來卻是平淡乏味,成績頗為令人失望。除了電影外,科幻作家艾倫.迪安.霍斯特(Alan Dean Foster, 1946-)亦根據劇本寫成的一本同名的小說。

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——本文摘自《超次元.聖戰.多重宇宙》,2023 年 11 月,二○四六出版,未經同意請勿轉載。

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