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光子計時透視法! How to see around corners

Scimage
・2012/06/26 ・417字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 510 ・六年級

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傳統上攝影機要成像,要讓物體發出或是反射的光線經由鏡頭聚焦投影到感光元件。所以,當光線被擋到的話物體就看不到了!但是那些物體真的用光就「看」不到嗎?

聰明的科學家發展了一個新的技術,不用物體發出來的光來聚焦成像,而是計算如果在特定時間丟出一堆光子,分析這些光子在哪些時間被反彈回來,用這樣的方式來「看」空間中的物體。因為光子可以散射,所以表現上像是打了很多超音波脈衝,即使物體不在光直徑的的路線上,經由光線的散射,空間中的區域都可以被偵測,然後只要在各個不同的方向放出脈衝,計算所有脈衝回來的時間分布就可以反推空間中有什麼樣的東西。

當然這樣的偵測技術需要很好的演算法還有很好的偵測器,因為光一秒走幾萬公里,所以如果想要有公釐的分辨程度,就必須要能計算光走10¯¹²秒內的差距,要有一台很好的時間解析度偵測器。這樣的技術如果能被應用推廣,或許以後光學的偵測設計可以有新的革新!

轉載自科學影像Scimage

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情緒有它存在的必要嗎?「心情」可以幫助我們更快做決定——《情緒的三把鑰匙》
大塊文化_96
・2022/09/30 ・4096字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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現代科學對「情緒有其必要」的看法並不一致,也有人認為情緒比反射行為好不到哪兒去。

事實上,不到半個世紀以前,認知心理學家艾倫.紐厄爾(Allen Newell)和諾貝爾獎經濟學家司馬賀(Herbert Simon,但他並非以這個題目獲獎)等學者仍堅信人類思考乃是以反射為基礎。一九七二年,紐厄爾和司馬賀讓受試者回答一系列邏輯、西洋棋與代數謎題,要求他們一邊解答、一邊交代自己的思考過程。[1]

紐厄爾和司馬賀讓受試者回答一系列邏輯、西洋棋與代數謎題,要求他們一邊解答、一邊交代自己的思考過程。圖/Pixabay

「思考」的過程,其實只是一種反射動作?

兩人把受試者解謎的過程錄下來,煞費苦心地一段段分析,試圖找出規律性。他們的目標是找出並描述每一位受試者的思考法則及特徵,藉此建立人類思考的數學模型,期望利用這套模型深入了解人類心智,找出發明「智慧型」電腦程式和超越邏輯線性極限的方法。

紐厄爾和司馬賀認為,人類的理智行動——也就是「思考」——其實就是比較複雜的反射系統罷了

說得更精確一點,兩位學者相信思考可以用「生產規則系統」(production rule system)這套模型來解釋:意即思考是一套邏輯嚴謹的「條件陳述式」(if-then)規則集合,而「思考」這種反射就是執行這套規則所得到的結果。

譬如西洋棋有一條規則是:如果對方將了你的國王,你得立刻移走國王。生產規則系統讓我們在面對抉擇時更容易做出選擇,繼而影響行動(比如我們或多或少會不經意採用「如果有人向我乞討,直接忽略即可」這條法則)。

西洋棋有一條規則是:如果對方將了你的國王,你得立刻移走國王。圖/Pixabay

假如人類思考當真只是一套大型生產規則系統,那麼我們跟那些成天跑大數據的電腦應該沒什麼不同。不過,紐厄爾和司馬賀的想法並不正確,兩人的努力自然付諸東流。

若能了解兩位學者假設失敗的原因,或許就能更明白情緒系統的目的和功能。

用例題試想「生產規則系統」為何失敗

一組生產規則指令如何產出可應用於簡單系統的完整行動策略?假設屋外氣溫不到零度,而你想寫一套恆溫程式,讓室溫維持在一定範圍內——就設定在攝氏二十一到二十二度之間好了,那麼只要利用以下兩條規則就能辦到:

  • 規則一:若室外氣溫低於攝氏二十一度,啟動暖氣。
  • 規則二:若室外氣溫高於攝氏二十二度,關閉暖氣。

不論你家的暖氣是快要散架的老東西、抑或聰明的現代系統,這兩條規則都是溫控的基礎原則。

假設屋外氣溫不到零度,而你想寫一套恆溫程式,讓室溫維持在一定範圍內。圖/Pixabay

早期的生產規則系統就是靠這類條件式指令建構出來的,複雜程度更高的任務也可以利用規模更大的指令集合來完成。譬如小學生學的減法,包括「減數數字若大於被減數的數字,要從被減數左方借一位來計算」在內的運算法則少說十來條。

某些複雜的應用軟體甚至需要數千條規則指令。電腦科學家運用這些規則指令打造出所謂的「專家系統」expert system)——專為特殊用途設計(譬如醫療診斷、抵押承保等),可模擬人類決策的程式系統。生產規則系統應用在這些領域勉強還算成功,但成果有限,且不適合作為模擬人類思考的基本模型。

紐厄爾和司馬賀的根本錯誤在於,他們忽視人類生活的豐富程度。大腸桿菌這類構造簡單的生物確實能靠幾條反射規則過活,但生活條件更複雜的物種根本辦不到。

生活中看似簡單的任務也沒辦法系統化

就拿「如何避開腐敗或有毒食物」這種看似簡單的任務做例子吧。

這類食物有的能靠氣味辨別出來,但「不好聞」的氣味實在多不勝數;其他時候或可利用外觀、味道或觸感作為「不可食」的信號,但這類特質也同樣能以多種形式呈現(譬如酸掉的牛奶和發霉的麵包不論外觀或氣味皆截然不同)。

酸掉的牛奶和發霉的麵包不論外觀或氣味皆截然不同。圖/Pixabay

此外,這類判斷指標的「程度」也很重要:如果眼前有一道看起來可疑、聞起來還算可以的餐點,各位可能會依找到其他食物的挑戰程度和可能性,選擇接受或不接受這份餐點。

又或者,就算味道聞起來完全沒問題,各位仍舊可能會因為食物外觀太詭異而選擇放棄;再不然就是你無論如何都會吃掉它,因為你餓壞了,你的身體需要養分。若要將這套非黑即白、定義狹隘的死板規則套用在各種可能的「情境—反應」組合上,大腦肯定會燒掉,因此我們需要另一套辦法。

另一套辦法就是情緒

在反射架構下,特定誘因——譬如「牛奶聞起來有點酸,但我已經好幾天沒吃東西,附近大概也找不到其他食物和飲水了」——會自動產生一個專門處理這種狀況的反應(譬如「喝掉牛奶」)。

但情緒完全不是這樣運作的。引發情緒的誘因大多模稜兩可(牛奶看起來/聞起來怪怪的),且誘發的直接產物並非「動作」,而是某種程度的情緒(隱約感到噁心)。

這時,大腦會琢磨這股情緒,一併考量其他因素(我好幾天沒吃了,而且附近可能沒有其他食物),然後計算如何反應——此舉免除了動用「誘因—反應」制式規則此一浩大工程,並且納入更多彈性:我們可能會想出許許多多、各式各樣的做法(「不為所動」也算),然後做出深思熟慮的決定。

人可能會因為好幾天沒進食,而且附近可能沒有其他食物,而選擇吃下壞掉的食物。圖/Pixabay

在決定透過哪種反應回應情緒時,大腦考量的因素很多,就前述例子來說即是「飢餓程度」、「是否願意冒險、繼續尋找其他食物」及其他情境條件。

情緒會影響我們的行為模式

這時理智就來湊一腳了:一旦情緒被挑起,心智就會根據事實、目標、原因理由和情緒等幾項元素進行計算,產生行為。若情況複雜,這種結合情緒和理智的反應路徑能更有效率地提供可行解方。

高等動物的情緒還有另一個重要角色:延長反應時間。在情緒被事件挑起之後,這段空檔能讓理性思維介入,策略性地緩和或延遲我們對該事件的直覺反應,等待更適當的反應時機。

比方說,假設你的身體需要營養,而你剛好看見一袋玉米片;若是反射主導,你一定會不假思索、抓來就吃。但演化在這道反射程序中多加了一道關卡,故即使身體需要營養,你也不會想都不想、看到什麼吃什麼——你會餓。

飢餓會使你想進食[註],但你對這個情境的反應不再是不假思索、自動發生。你會評估狀況,然後決定放棄玉米片,這樣才有肚子容納晚上要吃的雙層培根起司堡。

又或者,你打給電信公司詢問某項服務,但對方有夠愛理不理的。如果人類完全靠反射行事,這時你大概會直接抓狂、飆出「去死啦! 你這白癡」這種話;但事實上,對方的態度只會引發你憤怒或挫折的情緒。

如果人類完全靠反射行事,生氣時你大概會直接抓狂、飆出「去死啦! 你這白癡」這種話。圖/Pixabay

情緒會影響大腦消化處境的方式,也讓你的理智得以發聲。所以你說不定還是會抓狂,但至少不會氣到腦筋一片空白;你或許會漠視抓狂的衝動,深呼吸,然後告訴對方:「我明白你們的規定,不過請容我告訴你為什麼我的狀況可能不適用這條規定。」

情緒也適用在其他動物身上

情緒在非人動物身上也有同樣的功能,其中又以靈長類最明顯——譬如行為學家法蘭斯.德瓦爾的《黑猩猩政治學:如何競逐權與色?》(Frans De Waal, Chimpanzee Politics: Power and Sex Among Apes)。假如你是黑猩猩,肯定邊讀邊冒冷汗。

書中描述,年輕的公黑猩猩若是被某一頭母黑猩猩給撩到了,牠會等待時機,在母黑猩猩配合下避開大頭目耳目,偷偷與之相好(理由是牠可能因此受懲罰)。[2]

另一方面,大頭目一個一個幫小弟們理毛時,如果遭到某年輕公黑猩猩挑戰,當下牠可能置之不理,然後在隔天發動報復攻擊。還有,如果黑猩猩媽媽的小寶寶被另一隻年輕母黑猩猩搶走,牠會躡手躡腳欺近,在不傷到孩子的前提下伺機搶回來。

情緒在非人動物身上也有同樣的功能。圖/Pixabay

任教於加州理工學院、同時也是美國國家科學院院士的大衛.安德森教授(David Anderson)這麼說:「『反射』是由非常特別的刺激所引發的特定反應,而且這個反應是立即的。如果我們一輩子就只會遇到這些刺激、只需要這類反應,那沒問題;然而在演化的某個節骨眼上,生物體需要更多彈性來應付環境刺激,因此才發展出形形色色的『情緒』積木,補足這一塊。」 [3]

註解

近代的研究將飢餓、口渴和疼痛歸類為「原始」或「穩態」情緒(primordial / homeostatic emotion),負責維持生理平衡。

參考資料

  1. Richard M. Young, “Production Systems in Cognitive Psychology,” in International Encyclopedia of the Social and Behavioral Sciences (New York: Elsevier, 2001).
  2. F. B. M. de Waal, Chimpanzee Politics: Power and Sex Among Apes (Baltimore: Johns Hopkins University Press, 1982).
  3. 2018 年 6 月 13 日安德森訪談紀錄。

——本文摘自《情緒的三把鑰匙:情緒的面貌、情緒的力量、情緒的管理-情緒如何影響思考決策?》,2022 年 8 月,網路與書出版,未經同意請勿轉載。

大塊文化_96
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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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解析黑洞的種類與結構!——黑洞旅行團,出發!(中)
ntucase_96
・2021/12/19 ・2978字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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  • 撰文/劉詠鯤

本文轉載自 CASE 科學報黑洞旅行團,出發!(中)–黑洞種類與結構

各位旅客好,在上一篇行前通知<黑洞旅行團,出發!(上)>文章中,我們介紹了本次旅行即將探訪的目的地:黑洞,它附近龐大的重力,會造成光線極度的扭曲,形成各種在地球上從未見過的獨特景象。現在就讓我們出發前往這趟旅程的目的地:CASE 星系中心的超大質量黑洞。

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宇宙中有著數以億計的各式天體,其中也包含了大大小小的黑洞。圖/Pixabay

「航行天數 3915 日:鄰近麒麟座 X-1 黑洞。」

「各位沉睡許久的旅客,請活動活動筋骨,和我一同用 X 光望遠鏡,向外看去。在各位視線中有個非常明亮的光點,那裡便是距離地球最近的黑洞:麒麟座 X-1,距離地球約 3000 光年。由於它附近環繞物質的劇烈高速運動,彼此互相摩擦後形成極高溫的區域,而放出強烈的 X 光。」

「在廣大的宇宙中,分布著無數的黑洞,其質量分布差距非常大。從數十個太陽質量的恆星級黑洞,一直到數十億太陽質量的超大質量黑洞都存在。前者的體積小,數量也相對較多,在星系裡四處分布著;後者則是巨無霸,通常只會出現在星系的中心。」

「導遊!為什麼我們要將目的地設在數量十分稀少,且距離地球十分遙遠的超大質量黑洞呢?好不容易來到這個 X-1 黑洞,何不把我們的親近黑洞行程安排在這?」

「因為恆星級別的黑洞,它附近有非常狂暴的『潮汐力』,會撕碎任何意圖接近它的傢伙!」

潮汐力是什麼?

黑洞是由非常龐大的質量壓縮在一個極小的區域所形成,舉例來說,要形成黑洞,要將太陽的質量壓縮在約台北市大安區大小的區域[1]。龐大的質量貢獻了極強的重力;十分緻密的分佈,則導致黑洞附近極大的重力變化。當我們站在地球上時,會感受到重力(地心引力)的作用;而且由於重力與距離平方成反比,我們距離地球越遠,受到的重力會越小。因此,準確來說,當我們站在地上,我們腳所受的重力其實會比頭所受到的力稍稍來的大,只是這個「稍稍」我們完全感覺不出來(如圖一)。但是在恆星級別黑洞附近則不是這麼回事,由於龐大的質量集中在很小的區域,在靠近該黑洞表面時,頭到腳這樣的距離就足以產生非常明顯的重力差距,大到可以將各種物體直接撕裂。這種力由於是因為某一物體兩端所受重力大小不同所造成,和潮汐的成因相似,因此又被稱為「潮汐力」。

圖一、潮汐力成因示意圖(未按比例繪製)。地球附近之重力場較為均勻,頭與腳所受的重力大小差距並不明顯。但在恆星級黑洞附近,頭與腳所受力有明顯差異,人會被拉長,因此也稱作「義大利麵效應」。

「航行天數 20xxx 日:目的地就在您的正前方」

「各位旅客午安,請大家往窗外看(圖二),外面明亮具有光環的天體,便是我們這趟旅程的目的地。」

圖二、具有自旋的黑洞附近景象模擬圖。來源:筆者電腦模擬

黑洞的特徵

「黑洞看起來都長得差不多,它們有什麼特徵嗎?」

「如同看到一隻可愛的狗,我們會依照牠的毛色、體型、五官等等特徵加以分類:這隻是黃金獵犬,那隻是邊境牧羊犬…。那黑洞該如何分類呢?黑洞其實是個單純的天體,儘管它吞噬、吸收了各式各樣的物質,但最後都只化成三種特徵:質量、角動量以及電荷,或是白話一點說,就是他吃了多少東西、轉得有多快、帶有多少電。這便是著名的『黑洞無毛定理』,描述黑洞就像個光禿禿的球,表面不帶有任何複雜的資訊,所有吞噬的物質,最終都轉化成這幾種特徵。不同種類的黑洞,由於其扭曲周圍時空的方式不一樣,因此會使得周遭景色出現差異。」

「黑洞外圍可以大致分為數個區域[2],請各位看向這張圖(圖三)。最靠近黑洞的地方有一圈被稱為「事件視界」的邊界,這個邊界是一個絕對的單向道,任何事物只要進入事件視界,便會被龐大的重力吸入黑洞中心,即使連光也無法逃離。因此,有時候事件視界也會被稱作是黑洞的表面。」

圖三、黑洞附近的結構示意圖。來源:筆者修改自 ESO 原圖。

「那黑洞裡面有什麼?」

「有趣的是,根據目前的物理理論,黑洞裡什麼都沒有,他所吸收的全部質量,全部都集中在正中心一個被稱為『奇異點』的地方。由於在極小的區域擁有極大的質量,現存的物理理論在那無法適用,是目前最前沿的物理研究感興趣的地方。如果要說那裡有什麼,我想肯定會有一群物理學家吧!」

「如果我們從事件視界往外走,會碰到『光子球層(Photon Sphere)』。當光靠近黑洞時,路徑會被曲折、彎向黑洞,在這個半徑上,重力大小恰好將光的軌跡彎曲成環狀,使得光就如同人造衛星環繞著地球一般前進。但這個軌道十分不穩定,任何擾動都可能使光落入黑洞或逃至外太空。有趣的是,若是各位前往此處(當然實際上無法,請別這麼做!),由於光線會繞著黑洞前進,因此你背後的光會繞黑洞一圈來到前方,也就是你可以直接看到自己的後腦勺!」

「若是我們再向外走,就會來到物質的最內穩定軌道,從此處向外,黑洞龐大的重力吸引著無數的物質環繞著黑洞運行,形成如同土星環般的盤狀構造,我們稱其為『吸積盤』。這裡各種物質以十分高速環繞黑洞運行,它們彼此之間的相互摩擦,會產生極高的溫度,而放出強烈的光…」

「感謝各位參與我們的黑洞旅行團,由於時間限制,今天的導覽行程就到此暫告一段落。我們這次從一個俯瞰的視角,了解黑洞附近的結構。下一個行程,我們則要想像自己化身為一道光,從遠處向著黑洞方向前進,看看最後會落入黑洞,陷入一片漆黑?或是順利逃離黑洞引力束縛,奔向附近絢爛的星系?甚至是恰到好處的進入光子球層,在黑洞附近不知疲憊的繞圈圈?這些不同的光線,組成了黑洞附近特殊的景象,也將是我們下一篇文章的重點:黑洞光線追蹤。有興趣的旅客,請盡速預約行程。」

延伸閱讀

本系列文章:
黑洞為什麼不黑?彎曲的光與重力透鏡——黑洞旅行團,出發!(上)
巨大的黑洞反而不危險?——黑洞旅行團,出發!(中)
怎麼模擬出真實的黑洞樣貌?光線追蹤技術——黑洞旅行團,出發!(下)

註解

參考資料

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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。

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海和天為什麼是藍的?——水的散射│環球科學札記(25)
張之傑_96
・2021/05/05 ・1588字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 440 ・四年級

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  • 作者 / 張之傑

我們這趟環球之旅,很少遇到陰雨天氣,特別是在紅海和地中海期間,晴空無雲,天藍得透亮,沒有一點兒雜質;海藍得像面鏡子,閃耀著藍寶石似的光影。

若干年長或行動不便的乘客,喜歡鎮日坐在八樓長廊的沙發上,望著舷窗外的碧海藍天打發時光。我常帶著筆電在八樓長廊寫作,累了就眺望著海天一色的海平線。由於地球是圓的,海平線以一個很大的弧度中消失在視線中。

海和天為什麼是藍色的?這和散射有關。陽光射到地球,會碰到空氣和懸浮在空中的小水珠(雲),使得天空的顏色經常展現變化。晴天的時候,射到地球上的光線碰到空氣中的氮分子或氧分子,就會引起散射作用,藍光的波長較紅光短,散射得較厲害,看在我們眼裡,天空就成為藍色的。

這個道理看起來好像很簡單,但是人類明白這個道理是十九世紀末葉的事。一八七三年,英國物理學家瑞利(Lord Rayleigh)是第一位看天看出名堂的人。他的散射理論——瑞利散射,使我們了解了天色的秘密。

瑞利像。圖/wikipedia

在陽光的七種色光中,紅、橙、黃光的波長較長,藍、靛、紫光的波長較短。所謂波長,就是兩個波峯間的距離;而波峯,是指物質振動最大的地方。舉個例子,當我們扔一塊石頭到水裡,會激起一圈圈漣漪。兩圈漣漪間的距離就是波長。當然啦,光波的波長比漣漪的波長小得多了,波長最長的紅光,不過十萬分之七、八公分,藍光不過十萬分之四、五公分而已。

瑞利發現,散射不會改變射入光的波長,只會改變射入光的方向。那麼散射又怎麼會造成天空的各種顏色呢?原來散射的作用截面,既與散射粒子的大小有關,也與被散射光的波長有關。空氣中的氧分子、氮分子,大小恰好可以散射波長較短的藍光,藍光散了一天,天空當然呈藍色的。

到了傍晚,夕陽西下,陽光打斜裡射過來,較接近地面,而地面的空氣含有較多的水氣和灰塵,粒子比氧分子、氮分子大得多,較容易散射波長較長的紅光、橙光或黃光,艷麗的晚霞就是這樣散射出來的。

如果天上水浮著小水滴,也就是雲,那又是另一種景象。小水滴比灰塵大得多,各種波長的色光都能被它散射,結果,雲就成了白色的。如果雲層較厚較密,陽光穿不過去,就變成了灰色或黑色。白雲蒼狗,不過是陽光玩的把戲而已!

當雲聚成雨滴的時候,顆粒就更大了,大得具有稜鏡的作用。倘若一邊已經出太陽,一邊還在下雨,陽光穿過雨滴,就會形成我們看到的虹。噴泉和瀑布上也可以出現虹,原理是一樣的。此次環球之旅,我們看到過幾次彩虹,印象最深刻的一次是在復活節島。公路靠海的一側,忽然出現拱門似的彩虹,距離我們目測不到五十公尺。站在彩虹下照相,宛如置身彩虹之下呢!

陽光照到水裡,又是一番景況。較深的水都是藍色的。水原本透明無色,水分子的大小可讓波長較長的紅色繞過去,而波長較短的藍光被散射,所以較深的水莫不是藍色的。水愈深,散射、反射的藍光就愈多,看起來就愈藍了。

同樣是水,為什麼海是藍的,而浪花卻是白的?為什麼驚濤拍岸,會捲起千堆雪?道理很簡單,所謂浪花,其實就是小水滴,可以散射各種波長的光,所以浪花就和白雲一樣,變成白色的了。

就像看天一樣,人類真正懂得看海也是晚近的事。印度物理學家拉曼(Sir Chandrasekhara Raman),從印度搭船去英國。天連海、海連天的景況,使他悟出海水和天空的顏色,都是光線散射所造成的。一九二一年,拉曼在英國《自然》上發表了一篇論文,提出他的散射理論,題目是〈海的顏色〉。古今中外,多少人有過「看海的日子」,卻只有拉曼獨具智眼,看出別人看不出的道理。

拉曼像。圖/wikipedia