【2018年諾貝爾物理學獎】劃開時代的雷射物理工具

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。

本文轉載自顯微觀點

2018 年，陽明大學生醫光電研究所教授高甫仁在台北的「未來科技展」上，展示出一種直徑遠小於市面產品的內視鏡，只有不到 0.5 公厘。「內視鏡就像是帶著車頭燈的攝影機。」高甫仁說。這種小型攝影機像是條細長的電線，能夠透過微創手術深入人體內部，檢查呼吸道、腸胃系統或各種器官，藉由鏡頭前端的光源看見病灶影像。

「可是你會發現，光源沒有辦法做得更小。」內視鏡受限於發光二極體（LED）的體積，似乎難以再改良。然而，高甫仁利用比頭髮更細的光纖導入雷射，取代 LED 作為光源，大大減少內視鏡體積。如此一來，就能進一步縮小手術傷口，加快恢復時間。而且只需要一至兩根光纖，亮度就會超過好幾顆 LED。

雷射是一種能量集中的光束，再加上亮度高的特性，常被應用在光學儀器上。事實上，這已經不是第一次高甫仁利用雷射作為光學儀器的光源。鑽研雷射超過 20 年的他，深知這項技術所具備的潛力。

超快雷射結合顯微技術

其中一項重要的應用領域便是超快雷射，這種雷射的持續時間極短，甚至可達到飛秒（10-15秒）的程度，能夠形成瞬間能量極強的光，「超快雷射能夠達到的能量密度，可能是一般雷射的百萬倍以上。」高甫仁解釋。

1990 年代，超快雷射技術崛起，開始應用在各種科學場域上。當時高甫仁正在美國康乃爾大學攻讀博士班，主要研究的領域是固態物理，例如探討原子或分子間的交互作用，讓他也有機會學習使用與架設超快雷射。

然而固態物理的實驗十分昂貴，常常需要在超低溫、高磁場、超高真空等環境下進行。因此當高甫仁從美國回到台灣從事研究工作時，便面臨到經費不足的困境，「太空實驗、高能物理都不是一個人或一個團隊能夠負擔的，因此我思考，是不是能透過個人創意，在比較簡單的實驗室就能做出特別的東西。」

超快雷射除了應用在固態物理，也逐漸在顯微領域上嶄露頭角。因此高甫仁認為，若超快雷射能夠與光學顯微鏡結合，就有機會做出一番成果。於是在陽明大學的近代光學實驗室裡，高甫仁成功自製出應用超快雷射作為光源的雙光子顯微鏡，「很多以前只是在教科書上看到的非線性光學效應，跟顯微鏡結合後，居然真的實現了；本來看不到的東西，現在直接就看得到。」

一般使用傳統的螢光顯微鏡時，會採用較高能量、短波長的光子照射樣品，使螢光分子發出低能量、長波長的光子。若使用超快雷射作為光源，就能夠將能量低的光子轉換為高能量的光子，「就像用兩個五塊錢換一個十塊錢，可是兩個五塊錢要在同一時間打到同一個點，普通光源做不到這件事。」雙光子顯微鏡讓研究者可以觀測到深層組織，並降低雜訊干擾。

能量高、亮度高的超快雷射，還可以用來捕捉快速發生的自然現象，就像我們使用單眼相機拍照時，可以調控快門速度來清楚拍攝物體，「機械快門通常可達千分之一秒，電子快門可達萬分之一秒，但如果想要更快的快門，就得從光源下手，例如使用特殊的閃光燈，在百萬分之一秒內凍結影像。」若使用超快雷射，就能抓住兆分之一秒的瞬間。

「我一直對顯微鏡很著迷，做科學不是只有數據，而是能看到很漂亮的圖像、看到想要的東西。」高甫仁真切地說，「如果有一幅影像全世界沒有人拍過，而我是全世界第一個做出來的，就會感到非常振奮。」他說，二十多年前，他第一次看到氮化鎵（gallium nitride）所形成的光電流影像，當下的感覺無可比擬。

科學與藝術

「顯微鏡需要最尖端的科技，呈現的影像又具有藝術性，很少有領域同時具有這樣的特性。」高甫仁認為，顯微鏡所呈現的影像，就像哈伯天文望遠鏡所觀測的宇宙般令人驚豔，即使兩種科技的尺度天差地別，但都是透過光學成像技術映照出前所未見的世界。

從生物樣品到半導體元件等各種樣本，高甫仁都曾用顯微鏡觀察過，對於光學成像已有自己的一套心得，「所有的光學成像離不開三個原則：挑選與使用光源、如何用光學元件成像，以及如何偵測影像。」

高甫仁也提及，隨著人工智慧（AI）的普及，顯微鏡也已開始採用 AI。現階段顯微攝影已具備快速拍攝大量影像的技術，然而如何分析與處理影像，成為當前各研究人員急欲解決的問題，「AI的運算能力加上深度學習技術，可以分析上千張影像之間的關聯性。」高甫仁認為透過 AI，將能夠補足傳統光學顯微術的不足之處。

此外，高甫仁表示，未來還可能會出現量子光學，掀起另一波的顯微技術革命。「利用量子狀態的相關性，可以讓取像時間大幅縮短。」就像量子電腦可以利用量子位元提升運算速度，解決當前棘手的問題，「利用量子光學，只需要更少的光子，就達到同樣的精準度。」

高甫仁認為，「顯微鏡的目的，就是透過影像連結尖端科學。」影像裡所述說的故事，以及所負載的科學意義，將會持續推動科學家鑽研更新的技術，發現更多前所未見的世界。

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今年的物理獎表揚了得主們在雷射物理領域的貢獻。所謂雷射，便是「通過受激輻射產生的光放大」，這種密度高的窄小光束，可以在極小的範圍內以高能量切割、鑽孔……。不但可用於各式手術，甚至是各項娛樂燈光秀，可說是改變了我們的生活。　

來自美國的得主 Arthur Ashkin 得獎的理由是發明了光鉗 (Optical Tweezers) 與其在生物系統上的應用。什麼是光鉗呢？它是一種通過高度聚焦的雷射光束可以移動極~微小物體的裝置。（能量量級通常為皮牛頓級）

這種技術可以用於移動細胞或病毒顆粒，把細胞捏成各種形狀，或者冷卻原子。由於光鉗可以精準地直接作用於細胞甚至更小的目標，在光鉗生物學方面的應用越來越廣泛，比如在對的時間、對的控制下，自動化地連結不同的細胞，去製造新的組織和器官，它可以用來研究和操作DNA、蛋白質、酶甚至是單個分子。

至於另一組得獎者──來自法國的 Gérard Mourou 以及有史以來第三位獲得物理獎的女性得主 Donna Strickland 則是在光纖雷射啁啾放大系統 (Chirped Pulse Amplification, CPA) 方面有卓越貢獻。（在這邊一定要多說一下 Donna Strickland 有多厲害 (?)，她這次獲獎的研究基礎是她的博士論文！）

CPA 系統突破了過去的瓶頸、增強了雷射脈衝，讓它的峰率得以指數成長。使得雷射可以應用的範圍更加廣泛，包括目前在醫療與工業已經相對常見應用在精密雷射手術如眼科手術、除斑與精密材料切刻。

泛科小教室~：光鉗原理

雷射光為同方向性的光，透過透鏡聚焦後會產生類似腰身的東西，而這腰身使得粒子受到光子撞擊的方向不再是同方向。

左圖表示當雷射光的光子撞擊到微粒時，左邊與右邊的光子會進入微粒，並產生偏折與變慢；變慢表示動量下降，這些光子損失的動量會給微粒，因此造成移動。而匯聚過的雷射光聚有腰身，因此原本的1號光會跑到中間線的另一邊，對微粒造成的力會是前面的相反，這樣粒子會來回震盪，最後停留在腰身點上。

簡單的說就是，透過透鏡會聚的雷射光打到微粒上時會前進一下、通過腰身後會得到一個反方向的力、然後停在固定的位置上，因此可以將一個微粒擺在固定位置；這種感覺就是將一道有腰身的雷射光變成一條纏在微粒上的彈簧，最終彈簧停止運動後，會停在腰身那個點上，這就是「光鉗原理」。

• 作者／照護線上編輯部
• 本文轉載自 Care Online 照護線上《白內障手術一併處理近視、老花、散光，全焦段散光矯正人工水晶體，眼科醫師解說（圖文懶人包）》，歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持 Care Online 喔
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「那是一位 50 多歲的女士，原本近視將近一千度，而在出現白內障後，近視的狀況又急速惡化，於是決定接受白內障手術。」花蓮慈濟醫院眼科部視網膜科主任何明山醫師表示，「經過詳細討論後，患者選擇使用全焦段散光矯正人工水晶體，希望解決白內障並同時矯正近視、散光、老花眼。」

手術完成後，患者順利恢復。何明山醫師說，全焦段散光矯正人工水晶體能夠提供遠、中、近連續視力同時矯正散光，讓患者不用再戴近視眼鏡，也不需要戴老花眼鏡，生活與工作都方便許多。

白內障是因為眼睛裡面的水晶體老化，而影響光線進入眼球。何明山醫師指出，水晶體就像照相機的鏡頭，當鏡頭變混濁，進到眼睛的光線便會減少，所以在比較昏暗的狀況下，會覺得視力模糊、顏色改變。由於光線進入白內障後會散射，讓電燈、車燈散開，所以容易出現眩光。

白內障的形成主要與年紀有關，在過去白內障大多出現在 50 歲以上的患者。不過還有許多原因可能導致白內障提早發生，危險因子包括高度近視、糖尿病、眼睛外傷、紫外線曝曬、長期使用類固醇等。

何明山醫師說，「隨著 3C 產品的普及，長時間使用 3C 產品的人越來越多，臨床上也發現白內障有年輕化的趨勢，有些患者在 40 歲就開始有白內障。大家一定要多關心眼睛的健康！」

當白內障已經對日常生活造成影響時，便會建議接受治療。何明山醫師指出，放任白內障惡化，除了影響視力之外，還會影響眼睛的健康，因為過熟的白內障可能造成青光眼，嚴重會導致失明，而且當白內障過熟時，也會增加手術的困難度、增加出現併發症的風險。

利用人工水晶體解決近視、老花與散光

在白內障早期，可能會使用眼藥水，幫助延緩白內障惡化。何明山醫師說，待白內障成熟時，便需要利用手術移除混濁的水晶體，然後放入人工水晶體。

人工水晶體的選擇，主要由患者的用眼需求來決定。何明山醫師說，如果有近視、老花眼、散光等狀況，現在也可以一併用人工水晶體來矯正。

傳統的單焦點人工水晶體可以提供遠距離視力，而中、近距離便需要配戴眼鏡。何明山醫師說，隨著光學技術的進步，人工水晶體持續進化，陸續開發出多焦點人工水晶體、全焦段人工水晶體等。

多焦點人工水晶體能夠看清楚特定焦點處的物體，而全焦段人工水晶體能夠延長視覺景深，提供遠、中、近距離的連續視力，最近視距約 33 公分。何明山醫師說，中距離視力大約 60 公分，對患者非常重要，日常生活中經常使用中距離視力，例如開車看導航、煮飯、打電腦、打牌休閒娛樂等。擁有中、近距離的連續視力，能夠顯著提升便利性。

全焦段人工水晶體也能保有較佳的顏色對比度，減少夜間眩光。何明山醫師說，部分具老花矯正功能的人工水晶體有較明顯的夜間光學干擾，如果常有夜間駕車的需求，可考慮使用全焦段人工水晶體，提升行車安全。何醫師進一步表示，門診有幾位患者植入全焦段人工水晶體後，開長途車回診也都不是問題。

同時矯正散光，提升視覺品質

在台灣散光的盛行率很高，可能有四成至五成的患者有散光。何明山醫師說，散光超過 100 度便會影響視力清晰度，所以在進行白內障手術時，會建議一併矯正散光。

因為散光具有方向性，所以放入散光矯正人工水晶體時，必須固定在特定角度，才能發揮矯正效果。何明山醫師說，傳統散光人工水晶體需要經過一段時間後才能夠穩定，若在術後出現位移旋轉，便會影響散光矯正的效果。新一代散光矯正技術能夠提升術後穩定度，較不會產生位移，讓術後視力更清晰。

何明山醫師提醒，視力對生活與工作皆很重要，接受白內障手術前，請與醫師詳細討論，選擇合適的人工水晶體！

筆記重點整理

• 白內障的形成主要與年紀有關，不過還有許多原因可能導致白內障提早發生，危險因子包括高度近視、糖尿病、眼睛外傷、紫外線曝曬、長期使用類固醇等。

• 當白內障已經對日常生活造成影響時，便會建議接受治療。放任白內障惡化，除了影響視力之外，還會影響眼睛的健康，因為過熟的白內障可能造成青光眼，嚴重會導致失明，而且當白內障過熟時，也會增加手術的困難度、增加出現併發症的風險。

• 如果有近視、老花眼、散光等狀況，現在可以一併用人工水晶體來矯正。多焦點人工水晶體能夠看清楚特定焦點處的物體，而全焦段人工水晶體能夠延長視覺景深，提供遠、中、近距離的連續視力，顯著提升便利性。

• 全焦段人工水晶體能保有較佳的顏色對比度，減少夜間眩光，有助提升安全性。

• 散光超過 100 度便會影響視力清晰度，在進行白內障手術時，建議一併矯正散光。因為散光具有方向性，所以放入散光矯正人工水晶體時，必須固定在特定角度，才能發揮矯正效果。新一代散光矯正技術能夠提升術後穩定度，較不會產生位移，讓術後視力更清晰。

• 本文轉載自 Care Online 照護線上《白內障手術一併處理近視、老花、散光，全焦段散光矯正人工水晶體，眼科醫師解說（圖文懶人包）》，歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持 Care Online 喔
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