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又一個黑科技：由腦神經訊號直接轉譯出合成語音，成真啦！

活躍星系核・2019/05/01 ・1344字・閱讀時間約 2 分鐘・SR值 470

・五年級

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原文自東海大學應用物理系臉書

上周（4月24日）剛出爐，熱騰騰的「 Nature 」，有一篇論文「 Speech synthesis from neural decoding of spoken sentences 」（利用神經解碼技術對整句口語的語音合成），是由加州大學舊金山分校神經外科系的 Edward F. Chang 領導的研究團隊所發表。

心領神會不是神話？

研究團隊與腦袋裡已經為了治療癲癇而植入電極陣列的病人合作，讓他們講數以百計的句子，利用植入的電極紀錄腦部活動，將句子的內容、說這些句子時發音器官（舌頭、嘴唇、下顎等）的運動模式、以及對應的大腦電訊號的紀錄，作為遞迴神經網路（ recurrent neural network ）的訓練資料集，然後讓受試者在心中默唸句子，再將此時記錄到的腦波輸入訓練好的神經網路。神經網路的不是直接輸出句子，而是由腦訊號先轉成「發音器官的運動」，再以這些器官的動作模擬出合成語音。

測試結果顯示，聽了 101 句由腦波直接轉譯的句子，測試者可以分辨出 70% 左右。

物理學家史蒂芬‧霍金，因罹患漸凍人症，做了氣切手術無法說話，所以得靠語音輔助系統與別人溝通，必須一個字母一個字母輸入，然後合成語音，這種方式講話超慢，大約每分鐘只能講十個字，本研究可以達到正常講話的速度，每分鐘約 150 個字。

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過去類似的技術只能轉譯一個一個的單字，這次能夠說出整個句子，是技術上的一大突破。由於人工智慧輸出的不是變化繁複之極的人類語言，而是相對單純的發音運動，所以不需要太大的訓練資料集。

https://www.nature.com/articles/d41586-019-01328-x

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1. https://www.nature.com/articles/d41586-019-01328-x

0:16

你聽懂了嗎？由腦波轉譯的語音檔。音源：Nature News Credit: Chang lab, UCSF Dept. of Neurosurgery

鋼彈故事中的科技逐漸成真

鋼彈世界裡面的兩大不可思議黑科技：「米諾夫斯基粒子」，與能夠讀取駕駛員腦波，並增幅直接操控機體的「精神感應框體 Psycho Frame 」。上回講了米諾夫斯基核融合爐（只是內容物不含米諾夫斯基粒子）；今天的報導告訴我們，距離製造出 Psycho Frame 與「強化人間」的日子又接近了一步！

獨角獸鋼彈Psycho Frame的暴走，不過這已經是超自然現象了，不是一般的Psycho Frame。圖／Sunrise, BANDAI 。

只是想起來有點恐怖的是，以前拷問俘虜的時候用的是嚴刑拷打與自白劑，有了這個技術，只要電極一接，腦袋裡想什麼就可以直接讀取，根本就是反烏托邦世界……

什麼？跟物理學無關？以電極讀取神經電訊號的神經電生理學、由發音器官運動模擬聲音的聲學，當然都是物理學啊！超有關的好不好！

資料來源

Brain signals translated into speech using artificial intelligence
Anumanchipalli, G. K., Chartier, J., & Chang, E. F. (2019). Speech synthesis from neural decoding of spoken sentences. Nature, 568(7753), 493.

本文轉載自東海大學應用物理系粉絲頁，歡迎追蹤！

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活躍星系核

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活躍星系核（active galactic nucleus, AGN）是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍，在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文，都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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聲音的DNA：聲紋辨識

雅文兒童聽語文教基金會・2023/01/14 ・2473字・閱讀時間約 5 分鐘

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文／洪萱眉雅文基金會聽語科學研究中心助理研究員

在如今這個網路時代，人人在日常生活中都常要透過帳號、密碼來辨識身份，不管是提款卡、行動裝置（手機、筆電、平板）、網路銀行、行動支付等，都需設定一組帳號密碼來辨識自己的身份。

為了不讓自己的帳號被駭，每次都得抓破頭來設定，太簡單擔心被破解，太複雜又怕自己記不住。更煩人的是，每個平台的密碼設定都有自己的規則，有些要求要有特殊符號，有些則要求英文大小寫和數字都要有。

於是，為了兼顧安全與便利性，越來越多廠商使用指紋辨識來解鎖，這樣既不用擔心忘記密碼，也不容易被盜用。然而，你知道，我們的聲音其實和指紋一樣，也能進行身份辨識嗎？

專屬個人的聲音密碼

聲音跟指紋一樣，都有獨一無二的特定性，而在利用聲音的特性做辨識時，就稱為聲紋辨識。我們接到熟識親朋好友來電時，他們不用說他是誰，我們只要一聽到聲音就能辨識。這是因為每個人的說話特性不同，聽聲音就能辨識說話者。而我們的語音訊號中可供辨識的因素，主要可分為三個面向^[1]：

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發音器官的差異：因每個人的發音器官差異，如口腔形狀、聲帶長短粗細不同，造成每個人的聲音特性有所不同。例如，當小朋友前排乳牙掉了時，說話時會有俗稱「漏風」的感覺，就是因為口腔的共鳴特性變了而造成的；而男生的聲帶比女生的要長且粗厚，振動頻率較低，因此聲音較低沈。
說話方式的差異：每個人的說話習慣的不同，像是說話的語速、語氣、抑揚頓挫、咬字清晰度、口音等等。比如電話一接通，就聽到大聲又連珠炮似的說話，馬上就知道是樓上的王阿姨要找媽媽。或是一聽到緩慢溫柔充滿感情的台灣國語，就知道是阿嬤從台南打電話來了。
說話內容的差異：生長背景、教育程度、社經地位的不同，使說話內容有所差異，例如：用詞、句型等等。像巷口賣水果的阿伯和他讀中文系的女兒，同樣要向顧客自賣自誇鳳梨有多甜，女兒也許會說「那甜蜜的滋味藏著一絲微微的酸，就像那年夏天的初戀」，阿伯則可能會說「帥哥偶謀騙你，這粒旺來跟我女兒的笑容一樣甜啦！」

上述的這些差異都可作為我們辨識說話者的依據。而其中說話方式和內容可能被他人學習、模仿，只有發音器官的差異是天生的，無法被模仿且在分析，所以許多辨識系統是採用發音的聲學特徵（acoustic features），例如，聲音頻率（高/低）、音色（如：輕柔、渾厚）等特性都可作為辨識的依據^[1]。

聲紋比對辨身分

聲紋辨識和指紋一樣，皆為生物辨識的一種。從人類的身上萃取出具有身份鑑別能力的特徵，如：指紋、聲音，將此特徵經處理、分析後儲在系統裡，日後可依據此特徵來辨識使用者的身份。利用我們獨特的聲音來辨識身份的聲紋技術，亦可稱為「語者辨認」或「說話人辨認」（speaker identification）^[2]。

聲紋辨識的過程包含兩個階段：1. 聲紋提取（voiceprint extraction）。2. 聲紋比對（voiceprint comparison）。在確認說話者的身分之前，要先有說話者的聲音語料，依說話者提供的聲音語料進行分析，並建立專屬他的聲紋模型。

一般在處理語音訊號時，會將音檔切割成小區段的方式來處理、進行分析，透過聲譜圖上的資訊來分析說話者的聲音頻率、音強、抑揚頓挫等建立專屬他的聲紋模型，並將其聲紋資訊存到系統裡。就像將我們的指紋存到手機的系統裡一樣，可以比對我們登錄系統裡的生物資訊來進行身份的核對。

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當系統裡存有說話者的聲紋資訊後，其實就就能快速的進行一對一的說話者身份驗證（speaker verification），或是進行一對多的說話者辨認（speaker identification），從眾多人找出誰是說話者^[3]。

聲紋辨識不只可以抓犯人，還可以……

上述的聲紋辨識，是不是會讓你聯想到在看影集時，劇中的刑警從報案中心的人聲或是搜集回來的錄音檔中，辨識出報案人或犯人的身份。一般大家的印象會覺得聲紋辨識只會出現在刑事調查中，但其實日常生活中已經有用到聲紋來辨識身份囉！比如，智慧型手機的語音助理，只要說出關鍵詞：「嘿，Siri」、「OK Google」就能啟動AI回應。

其實，這個過程就是擷取聲音特徵，並與之前登錄的音檔互相比對，進行說話者的身份認證。除此之外，越來越多的金融機構也開始引進這項技術，憑聲音來確認身份，這樣除了可以取代回答冗長的問題來確認客戶身份、提高便利性外，也同時提高了安全性^[4]。

除了辨識身份，聲紋辨識其實也能應用在其他地方。現在也有許多研究團隊開發各種聲紋科技的應用，例如：透過大數據的聲音比對，由電腦判斷出鳳梨的好壞^[5]、或是辨識青蛙叫聲的APP ^[6]等，這些也都是運用到聲紋辨識的原理。想必聲紋科技的發展會是一種趨勢，未來會有越來越多的場合都能運用此技術，讓我們拭目以待！

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現今生活中越來越多使用聲紋辨識技術。比如，現代人不可分開的智慧型手機，對手機的語音助理說出關鍵台詞，就能啟動AI的回應。圖/freepik

參考資料：

王小川。（2009）。說話人辨認。語音訊號處理（第二版，頁12-2 – 12-12）。全華圖書。清華大學電機系。淺談語者辨認。http://web.ee.nthu.edu.tw/p/404-1175-11508.php?Lang=zh-tw
Phonexia. (n.d). What Is Voice Biometrics?https://www.phonexia.com/knowledge-base/voice-biometrics-essential-guide/
緒方憲太郎。（2022）。語音科技將會如何改變未來。聲音經濟學（林詠譯，頁159-191）。商周出版。
洪明生、蘇晟維。（2022/12/11）。大數據聲紋比對判斷好壞選鳳梨用「聽」的！ Yahoo！新聞。取自：https://bit.ly/3Vrh2Hf
上游新聞市集。（2022/8/25）。現在是哪隻青蛙在叫？「蛙抵家」APP幫你聽聲認蛙！青蛙辨識軟體，揪你幫台灣錄蛙聲。取自：https://today.line.me/tw/v2/article/7NjZrr8

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雅文兒童聽語文教基金會

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雅文基金會提供聽損兒早期療育服務，近年來更致力分享親子教養資訊、推動聽損兒童融合教育，並普及聽力保健知識，期盼在家庭、學校和社會埋下良善的種子，替聽損者營造更加友善的環境。

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一起寫下圓周率迎接 π day！你可以寫到第幾位？

PanSci ・2021/03/14 ・346字・閱讀時間少於 1 分鐘・SR值 450

・四年級

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「π 等於 3.14 」這個觀念在學生時期深植人心，平時我們加以運算也多是套用這個數字，更後面的位數便較少為人所記得 (｡ŏ_ŏ)

一年一度的 3 月 14 日是圓周率日，它的確立首先由美國麻省理工學院倡議，到 2009 年美國眾議院正式通過將每年的 3 月 14 號設定為「圓周率日」（Pi day）。

3 月 14 日同時也是科學家愛因斯坦（Albert Einstein）和思想家卡爾．馬克思（Karl Marx）的生日，以及宇宙學家史蒂芬．霍金（Stephen Hawking）的忌日。

為了度過這個特別的日子，泛科學準備了一小活動！想和大家一起接力蓋樓慶祝 Pi day！

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參加方法如下：

1. 在本文底下留言任一數字進行接龍（你可以留了又留留了又留喔！）
2. 成功接到下一個數字的夥伴，留言框會出現藍色數字，表示你接到的位數
3. 接龍成功的科夥伴也有機會獲得我們的小獎勵ヽ(●´∀`●)ﾉ

現在已經來到小數點後 324 位囉！

共有 58 位科夥伴，用 672 則留言，一起寫下圓周率！

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代糖大胖子 2021/03/14 1

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代糖大胖子 2021/03/14

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臨竭澤 2021/03/14 116

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臨竭澤 2021/03/14 118

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Homo sapiens 2021/03/14

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雷雅淇 / y編 2021/03/14 119

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Homo sapiens 2021/03/14

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臨竭澤 2021/03/14

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Homo sapiens 2021/03/14 120

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Homo sapiens 2021/03/14

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臨竭澤 2021/03/14

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Homo sapiens 2021/03/14 121

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臨竭澤 2021/03/14

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臨竭澤 2021/03/14

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Homo sapiens 2021/03/14

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微雨 2021/03/14

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臨竭澤 2021/03/14

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微雨 2021/03/14

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微雨 2021/03/14

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雷雅淇 / y編 2021/03/14

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微雨 2021/03/14

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雷雅淇 / y編 2021/03/14

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微雨 2021/03/14

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微雨 2021/03/14

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雷雅淇 / y編 2021/03/14

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hahaha666 2021/03/14

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Peggy Sha／沙珮琦 2021/03/14

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Peggy Sha／沙珮琦 2021/03/14

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Peggy Sha／沙珮琦 2021/03/14

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windmill 2021/03/14

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陳子翔 2021/03/14

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Jane 2021/03/14

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無法留言😨

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剛剛為什麼會無法留言😶

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一次留太多我們家系統有點緊張XD

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Peggy Sha／沙珮琦 2021/03/14

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阿游 2021/03/14

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有力氣的女子 2021/03/14

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Ａ編編 2022/03/11

#667

sci-1 2022/03/11

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可以笑一下嗎？猜到第九次才中。哈。

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昨天我和一群人在下午1:59一起大喊
“Happy Pi day!”
然後一起吃派慶祝
挺有意思的

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在所有可能性中尋找不存在黑洞的宇宙——《時空行者史蒂芬．霍金》

大塊文化・2020/11/07 ・3096字・閱讀時間約 6 分鐘・SR值 552

・八年級

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為了解決資訊遺失的問題，霍金設想以一種特殊的方式，把一大群粒子集中射向同一個地方，這樣，當它們相遇時，它們將具有足夠的物質和能量去形成一個黑洞。然後，他研究在理論上，所有這些粒子發生交互作用後可能出現的情況。

2004 年，霍金決心要解決對於黑洞資訊悖論的賭注。圖／Wikimedia common

他在都柏林演講中說：「人們從無窮遠處（即，很遠的地方）發出粒子和輻射，再回去測量無窮遠處發生了什麼事。」「人們永遠不會在中間（發生複雜交互作用的地方）去探測場的強度。」

儘管概念很簡單，但分析過程卻很複雜。為了做到這一點，霍金使用了費曼的方法：歷史總和法。記住，造就某一個可測量到的結果，背後都有無限多種可能的歷史途徑，而費曼的方法是要求你把這所有可能的歷史途徑全部加總起來：對於你正在研究中的系統的所有粒子，每個粒子可能出現「歷史」軌跡。

福爾摩斯說：「在排除所有可能性後，剩下的無論多麼不合乎情理，那就是真相。」是歷史總合法的一種解釋。圖／pixabay

在追蹤碰撞過程中可能發生的演變時，霍金說，儘管絕大多數可能的歷史都會被包含進黑洞形成的過程，但有少數的歷史軌跡是不會有黑洞形成的。霍金說，這是他的主要頓悟。「我將證明資訊可以透過這種可能性而保留下來」，他說。

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在那些沒有形成黑洞的歷史軌跡中，顯然不會發生黑洞資訊遺失的現象，因此，他大部分的談話內容都集中在論證，當我們把所有的歷史以費曼總和法相加時，這一小部分的歷史子集合將使得資訊可以復原：資訊透過未形成黑洞的歷史軌跡，而偷偷潛逃回來。

當然，這個簡單的邏輯背後的數學計算可以困難到是一場噩夢，而且讓霍金得出這個結論的計算過程有點神秘。

就某方面而言，為了能夠進行數學運算，霍金必須做出的幾個可疑的近似值，可謂是「極大的簡化」。他在演講中介紹了這些內容，而且承諾稍後將會把所有的細節寫成論文發表。

在描述了他的想法之後，霍金承認他賭輸了。他宣布自己錯了，資訊不會遺失，而且公正性和量子理論都是有效的。他向普雷斯基爾獻出了他應得的賭注：一套「可以從中隨意回收資訊」的百科全書。

研討會結束後，與霍金站在同一立場、認為資訊會遺失的索恩，拒絕遵循霍金的想法與認輸。「從表面上看，這是一個可愛的論點。」索恩說：「但是我還未看到細節。」普雷斯基爾接受了霍金的認輸與百科全書，但他也沒有接受霍金的論點。「說實話，」他說：「我聽不懂他所說的內容。」他說：需要看到更多細節，我才能被說服。

他們的反應是物理學家的典型反應。無論是贊成或反對霍金的人，都在等待他的細節。以前的霍金應該可以提供這些細節，但「新的霍金」卻認為他沒有足夠的時間去堅持嚴謹性的問題，他並沒有實際上去計算這些細節。

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他提出了自己的想法，然後把它分配給一名研究生，在他的監督下去進行這份艱巨的計算。不幸的是，這位學生還沒完成這份工作。索恩說：「他不是一個強到可以嚇人的學生。」

在霍金報名參加都柏林的研討會時，當時所完成的計算已經夠多，讓他有信心認為這個想法會成功。然而，證明它真正可行的研究成果，卻從未完成，但對霍金而言，他對這個答案深信不疑，因此，他不願意再花費自己在這個地球上的有限時間去對此進行補救。所以，他在都柏林會議上那段籠統含糊的演講，以及發表在該研討會論文集裡的摘要短文，就是他對這個所表達過的全部想法與意見。

霍金的這場演講以及他認輸的宣言，立刻成為全球的頭版新聞，但這僅僅是一場媒體秀，算是小題大作。在他發表這段演講時，幾乎所有物理學家都已經開始相信，這些資訊並沒有遺失，但是包括霍金本人在內，沒有任何人可以證明這一點。而對於那些尚未得出結論的人來說，也沒有人因為霍金的一席話，就開始跟著他而改變想法。

看到「標籤的力量」實在令我驚訝。在霍金成名之前，陌生人有時會根據他的外表而把他看成是一個身心都有缺陷的人，而不自覺地把視線移開。但是，一旦他被宣稱為是「現代愛因斯坦」，媒體則開始大量報導他所說過的任何事情。

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如果沒有他這麼一位出名的人物來參加這次的都柏林會議，那麼這將會是一場絕佳的思想漩渦，讓物理學家圍繞著這個話題進行深度討論，但是卻不會在任何報紙上出現相關報導。然而，由於有了霍金，所以這次的談話就成了一場媒體圈的「大拜拜」。

對於霍金本人來說，他的這項轉變算是一個重大時刻，甚至是一個歡樂的時刻。

對於大多數人來說，自己證明自己犯了錯，大概不會成為是件值得開香檳慶祝的事，但是，就像澤爾多維奇終於弄懂了霍金輻射的感覺一樣，霍金最為關心在意的事情始終是真相，他為了解了自己原本不了解的某件事而感到高興，特別這又是一件對物理學而言非常重要的事。

今天，距離都柏林那場研討會已經十五年了，距離霍金發現霍金輻射更是超過四十年了，相信資訊會遺失的人愈來愈少了。誠如霍金所言：幾乎所有的物理學家都相信，「如果你跳入黑洞裡，你的質能 (mass energy) 將會回歸到我們的宇宙裡」，儘管會是以一種殘破的形式，但是仍會「包含著關於你先前狀態的資訊」。儘管我們認為資訊不會丟失，但是仍然沒有確切的解釋可以說明實際發生的情況。

2015 年，霍金在斯德哥爾摩海濱會議中心舉行的演講。圖／Wikimedia common

除了霍金提出的方案之外，還有非常多的各式各樣理論，數量之多，讓物理學家撰寫評論文章時，已經不會列出個別理論，只會列出不同的理論類別而已，而每個類別都還包含許多不同的變體。轉換過立場的霍金所堅持的立場，與大多數人所認同的觀點一致，但未必與他最初的原始想法相同—他仍持續在研究可以得出這一結論替代性理由。

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雖然是斷斷續續，但是直到他過世之前，他都沒有放棄對這個問題的研究。而這也成為他最後一篇物理學術論文的主題，該論文於二○一八年在霍金辭世之後發表。

——本文摘自泛科學2020年11月選書《時空行者史蒂芬．霍金：從漸凍人到當代最偉大物理學家，他的工作、生活、愛情、友情，與思考演進的側寫》，2020年 9月，大塊文化。

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Jian 2021/01/29

包含資訊的質能說不定是以另一種我們目前的技術觀測不出來的交互作用回歸到宇宙當中，又或者是說我們需要新的理論來佐證實際發生的事件。

大塊文化

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由郝明義先生創辦於1996年，旗下擁有大辣出版、網路與書、image3 等品牌。出版領域除了涵括文學（fiction）與非文學（non-fiction）多重領域，尤其在圖像語言的領域長期耕耘不同類別出版品，不但出版幾米、蔡志忠、鄭問、李瑾倫、小莊、張妙如、徐玫怡等作品豐富的作品，得到讀者熱切的回應，更把這些作家的出版品推廣到國際市場，以及銷售影視版權、周邊產品的能力與經驗。

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