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搞懂「通用圖靈機」的第一站——康托爾的「無限樂園」 │《電腦簡史》數位時代(十二)

張瑞棋_96
・2020/12/07 ・3891字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 532 ・七年級

本文為系列文章,上一篇請見現代電腦從此展開——馮紐曼與馮紐曼架構 │《電腦簡史》數位時代(十一)

數學能不能判定?圖靈機的源起

在美國那些電腦先驅著手設計電腦之前,英國劍橋大學有位研究所新生已經發表論文,率先指出通用型電腦的可能性。這位學生就是後來有「電腦之父」、「人工智慧之父」等美譽,還在二戰期間發明電腦破解德軍密碼的天才——圖靈。

38 歲的圖靈。圖:Wikipedia

圖靈撰寫那篇論文的初衷極為特殊,與實際計算毫無關聯。之前介紹過的那些電腦先驅,若不是因為在就學期間經歷計算之苦,就是工作上遇到瓶頸,才會一頭栽入計算機的研究,希望透過機械化與自動化讓計算更快速、更準確。但圖靈都沒遇到這些狀況,他也沒想要解決實務上的技術問題。事實上,他的論文根本無關乎計算,而是要回答一個極為抽象的大哉問:數學是否可以判定?

什麼叫可以判定?這與計算機有什麼關係?要說清楚這來龍去脈,也為了搞懂圖靈所設想出來的通用圖靈機是什麼,得先探究另一個數學問題——「無限」。

象徵無限的符號。圖:Wikipedia

無限是什麼?康托爾挑戰數學界千年共識

從亞里斯多德以降,無限向來被視為一種潛無限 (potential infinity),是進行中的未完成狀態,不能當成實體看待,更不能比較大小,否則就會出現矛盾。

例如伽利略便曾舉出一個悖論:自然數 (1、2、3、……) 與平方數 (1、4、9、……) 哪個比較多?照理說自然數當然遠比平方數還多,可是如果用一個蘿蔔一個坑來想的話,每個自然數都有個平方數與之對應 (1🡪12、2🡪22、3🡪32、……),表示有多少自然數,就有多少平方數,兩者一樣多,這不就前後矛盾了嗎?因此伽利略主張等於、大於、小於這些關係不能應用於無限。數學王子高斯也嚴正表示:「我反對將無限量看成真實的實體來運用,這在數學之中是永遠不被允許的。無限只是一種說法而已。」這句話可以說代表了所有數學家的共同看法。

沒想到 1874 年,不到 30 歲的德國數學家康托爾 (Georg Cantor) 竟然跳出來說:不對,無限大可以當成實體做比較,而且可區分大小,例如實數的集合就比自然數的集合大!

康托爾當然有所本才敢公然挑戰數學界長久以來的信念,不過他所提出的證明是用集合論的方法,不好解釋,我們改用他後來在 1891 年提出的「對角線法」來做說明。這不只是因為這個方法更簡潔易懂,更因為它影響深遠,啟發圖靈解決了判定問題,也才誕生出極具開創意義的「通用圖靈機」。

德國數學家康托爾 (Georg Cantor,1845-1918)。圖:Wikipedia

騙肖ㄟ,有理數和自然數一樣多?

首先讓我們重溫一下怎麼比較集合的大小。基本上只要集合所含的元素一樣多,它們就是一樣大,例如A={1,2,3},B={2,4,6},兩者的元素都是 3 個,所以 A 與 B 大小相等。問題是無限數列沒有止盡,要怎麼數有幾個?沒關係,同樣用一個蘿蔔一個坑的概念,只要兩個集合的元素彼此一一對應,就代表這兩個集合大小相等。所以按照這個定義,伽利略悖論就解決了:自然數的集合與平方數的集合一樣大。

那麼自然數與有理數呢?可以用分數表示的數就是有理數,而光在 0 和 1 之間就有無限個分數,當然是有理數遠多於自然數啊!等等,且看康托爾怎麼巧妙地列出所有有理數:

1/1

1/2、2/1

1/3、2/2、3/1

1/4、2/3、3/2、4/1

…………以此類推

第一行是分子與分母相加為 2 的有理數,第二行是分子與分母相加為 3 的有理數,第三行相加為 4、第四行相加為 5,……以此類推,便可以列出全部的有理數,一個都不漏。然後我們再由上往下,一行一行的由左向右依序為每個有理數編號:1、2、3、4、……,如此一來,有理數不就與自然數一一對應了嗎?所以有理數的集合與自然數的集合也是一樣大。(如果要涵蓋負的有理數,只要依樣放在這個三角形列表的右半部就行了)

到目前為止,我們看到自然數、平方數、有理數這些集合,雖然乍看明明大小不同,結果卻證明無限是不分軒輊的。那麼同樣是無限多的實數,憑什麼就比它們都來得大呢?

比無限大還大?康托爾祭出對角線法

實數除了有理數,還包括無理數,也就是無法用分數表示的數,例如 \(\sqrt{2}\)、π、……等等,所以我們得用小數來列舉實數。先來看 0 與 1 之間的所有實數,也就是純小數。絕大部分的數字小數點後有無限多位數,所以沒辦法像有理數那樣依序一一列舉,不過沒關係,我們就不按大小順序而是任意列舉,例如:

  1.  0.541592653……
  2.  0.041719652……
  3.  0.862235975……
  4.  0.640194231……
  5.  0.234178276……

……

反正我們姑且假設所有純小數都在這張無限長的表格裡了,因此都有個自然數與它對應。現在對角線法要上場了。我們從第一行取小數點後第一個位數,第二行取第二位數,以此類推,可以得到一個小數:0.54217……。然後我們將每個位數都加上 1,會得到一個新的小數:0.65328……。

這個新的小數很特別喔,因為它和每一行的數字都有一個位數不符,表示它絕對不在這張表裡面,也就是這個小數沒被自然數對應到,前面假設所有純小數都在這張表並不成立。

你可能會說:那還不簡單,再把這個新的小數加進去這張表就好啦。可是加了之後,我們仍然可以用剛剛的對角線法,又產生一個不在表中的新數字,因此永遠有自然數對應不到的小數,足以證明小數的集合比自然數還要大。

康托爾把自然數、有理數這類可列舉的數稱為「可數無限」,是最初級的無限,算是第 0 級。小數則是「不可數無限」,是第 1 級無限,比第 0 級無限還要大(註一)。就這樣,長達兩千年的普遍信念,一夕之間被康托爾徹底顛覆了,無限不再是無從比較的概念,而是可以明確區辨的實體。

現在你知道什麼是對角線法,已經可以直接到下一站,看看圖靈如何構思出計算機。不過康托爾還有許多令人驚奇的把戲,何不繼續往下一探究竟,看看自己有多少錯誤的迷思?

無限的無限的無限……——冪集合的威力

我們已經知道無限有分等級,而純小數的無限等級比自然數或有理數還大。那有比純小數更大的無限嗎?例如 0 到 100 之間的實數?既然實數屬於特殊的不可數無限,不能用前面證明有理數與自然數一樣多的列舉對應方式,那麼範圍更大的實數是不是無限等級就比較大? 

直接宣布答案:不,都一樣大。即使是從負無限大到正無限大,涵蓋所有實數的集合仍然與 0 與 1 之間的純小數一樣大。怎麼證明?如下圖,我們畫一個直徑為 1 的半圓,在它下方畫一條代表往兩端無限延伸的直線。從這條直線上的任一點畫一條線與圓心相連,會與半圓相交於一點。這個點對應到直線上的位置一定會落在 0 與 1 之間,表示任一實數都會有一個純小數與之對應,所以所有實數的集合與純小數的集合一樣大。

講到這裡,你大概會以為無限就分兩種:自然數、有理數這類可數無限屬於第 0 級無限,小數、實數這類不可數無限屬於第 1 級無限。往上不會有更大的無限,畢竟實數都已經涵蓋所有數字了。沒想到康托爾就像魔術師從空無一物的帽子變出兔子般,竟然端出了比第 1 級無限更大的無限:冪集合

冪是次方的意思。一個包含 n 個元素的集合,它的子集合個數為 2n,把這些子集合當成元素全部集合在一起,就成為原來那個集合的冪集合。例如集合 A={1,2,3},那麼 A 的冪集合就是由空集合、{1}、{2}、{3}、{1,2}、{1,3}、{2,3}、{1,2,3},這 8 個集合為元素所構成的集合。

康托爾於 1891 年證明無限集合的冪集合是更大的無限(註二),例如自然數的集合是第 0 級無限,它的冪集合就是第 1 級無限;同理,實數的冪集合則是第 2 級無限。還沒完喔,實數的冪集合又可以組成更大的冪集合(就像上面舉例的 A 集合,它的冪集合的冪集合就有 28 =256 個元素),而誕生出第 3 級無限。

你會想這樣不是沒完沒了嗎?沒錯,新的冪集合不斷衍生,無限的等級也越來越大,永無止盡。

康托爾掀起巨浪,自己卻反遭吞噬

原本一片渾沌的無限,經康托爾大刀一揮,不但有大小之分,而且宛如侏儸紀公園裡的恐龍,一隻比一隻巨大,更可怕的是完全沒有極限。不過康托爾革命性的創見並未獲得當時的主流認同,尤其他的老師公開嚴厲批判,不但造成康托爾謀求教職不順,更重創他的心靈。

1884 年開始,康托爾數度精神崩潰住院治療。出院後他曾一度放棄數學,轉而研究歷史與神學,但後來還是「雖千萬人吾往矣」,繼續打破無限的迷思,發明出影響深遠的對角線法。1900 年代初期,康托爾的研究成果終於逐漸獲得肯定,無奈 1917 年他最後一次進入療養院時,德國因為一次世界大戰戰情吃緊,實施食物配給。康托爾因此營養不良而健康惡化,隔年就在院內過世,享年73歲。

好了,無限樂園的導覽到此告一段落,下一章我們就要介紹圖靈。他的悲慘命運不下於康托爾,也是做出了無與倫比的貢獻,最後卻以悲劇結束一生。

註一:康托爾相信並不存在大小介於第 0 級與第 1 級之間的無限。但這至今仍無法證明,因此稱為「連續統假設」。

註二:康托爾就是為此而發明對角線法。證明方式與前面證明純小數比自然數多的做法類似,先假設冪集合可以與原來的集合完全對應,再證明冪集合中永遠有對應不到的元素,所以冪集合的無限等級又大一級。

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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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買樂透真的可以賺錢?大數法則揭示了賭博的真相!——《統計,讓數字說話》
天下文化_96
・2023/03/05 ・2394字 ・閱讀時間約 4 分鐘

  • id S. Moore、諾茨 William I. Notz
  • 譯者:鄭惟厚、吳欣蓓

什麼是大數法則?

期望值的定義是:它是可能結果的一種平均,但在計算平均時,機率大的結果占的比重較高。我們認為期望值也是另一種意義的平均結果,它代表了如果我們重複賭很多次,或者隨機選出很多家戶,實際上會看到的長期平均。這並不只是直覺而已。數學家只要用機率的基本規則就可以證明,用機率模型算出來的期望值,真的就是「長期平均」。這個有名的事實叫做大數法則。

大數法則
大數法則(law of large numbers)是指,如果結果為數值的隨機現象,獨立重複執行許多次,實際觀察到的結果的平均值,會趨近期望值。

大數法則和機率的概念密切相關。在許多次獨立的重複當中,每個可能結果的發生比例會接近它的機率,而所得到的平均結果就會接近期望值。這些事實表達了機遇事件的長期規律性。正如我們在第 17 章提過的,它們是真正的「平均數定律」。

大數法則解釋了:為什麼對個人來說是消遣甚至是會上癮的賭博,對賭場來說卻是生意。經營賭場根本就不是在賭博。大量的賭客贏錢的平均金額會很接近期望值。賭場經營者事先就算好了期望值,並且知道長期下來收入會是多少,所以並不需要在骰子裡灌鉛或者做牌來保證利潤。

賭場只要花精神提供不貴的娛樂和便宜的交通工具,讓顧客川流不息進場就行了。只要賭注夠多,大數法則就能保證賭場賺錢。保險公司的運作也很像賭場,他們賭買了保險的人不會死亡。當然有些人確實會死亡,但是保險公司知道機率,並且依賴大數法則來預測必須給付的平均金額。然後保險公司就把保費訂得夠高,來保證有利潤。

  • 在樂透彩上做手腳

我們都在電視上看過樂透開獎的實況轉播,看到號碼球上下亂跳,然後由於空氣壓力而隨機彈跳出來。我們可以怎麼樣對開出的號碼做手腳呢? 1980 年的時候,賓州樂透就曾被面帶微笑的主持人以及幾個舞台工作人員動了手腳。

他們把 10 個號碼球中的 8 顆注入油漆,這樣做會把球變重,因此可保證開出中獎號碼的 3 個球必定有那 2 個沒被注入油漆的號碼。然後這些傢伙就下注買該 2 個號碼的所有組合。當 6-6-6 跳出來的時候,他們贏了 120 萬美元。是的,他們後來全被逮到。

歷史上曾有主持人在樂透上做手腳,後來賺了 120 萬美元隨後被逮捕。圖/envatoelements

深入探討期望值

跟機率一樣,期望值和大數法則都值得再花些時間,探討相關的細節問題。

  • 多大的數才算是「大數」?

大數法則是說,當試驗的次數愈來愈多,許多次試驗的實際平均結果會愈來愈接近期望值。可是大數法則並沒有說,究竟需要多少次試驗,才能保證平均結果會接近期望值。這點是要看機結果的變異性決定。

結果的變異愈大,就需要愈多次的試驗,來確保平均結果接近期望值。機遇遊戲一定要變化大,才能保住賭客的興趣。即使在賭場待上好幾個鐘頭,結果也是無法預測的。結果變異性極大的賭博,例如累積彩金數額極大但極不可能中獎的州彩券,需要極多次的試驗,幾乎要多到不可能的次數,才能保證平均結果會接近期望值。

(州政府可不需要依賴大數法則,因為樂透彩金不像賭場的遊戲,樂透彩用的是同注分彩系統。在同注分彩系統裡面,彩金和賠率是由實際下注金額決定的。舉例來說,各州所辦的樂透彩金,是由全部賭金扣除州政府所得部分之後的剩餘金額來決定的。賭馬的賠率則是決定於賭客對不同馬匹的下注金額。)

雖然大部分的賭博遊戲不及樂透彩這樣多變化,但要回答大數法則的適用範圍,較實際的答案就是:賭場的贏錢金額期望值是正的,而賭場玩的次數夠多,所以可以靠著這個期望值贏錢。你的問題則是,你贏錢金額的期望值是負的。全體賭客玩的次數合起來算的話,當然和賭場一樣多,但因為期望值是負的,所以以賭客整體來看,長期下來一定輸錢。

然而輸的金額並不是由賭客均攤。有些人贏很多錢,有些人輸很多,而有些人沒什麼輸贏。賭博帶給人的誘惑,大部分是來自賭博結果的無法預測。而賭博這門生意仰賴的則是:對賭場來說,結果並非不可測的。

對賭場來說,贏錢金額期望值為正。圖/envatoelements
  • 有沒有保證贏錢的賭法?

把賭博很當回事的賭客常常遵循某種賭法,這種賭法每次下注的金額,是看前幾次的結果而定。比如說,在賭輪盤時,你可以每次把賭注加倍,直到你贏為止—或者,當然,直到你輸光為止。即使輪盤並沒有記憶,這種玩法仍想利用你有記憶這件事來贏。

你可以用一套賭法來戰勝機率嗎?不行,數學家建立的另一種大數法則說:如果你沒有無窮盡的賭本,那麼只要遊戲的各次試驗(比如輪盤的各次轉動)之間是獨立的,你的平均獲利(期望值)就會是一樣的。抱歉啦!

  • 高科技賭博

全美國有超過 700,000 台吃角子老虎(拉霸)。從前,你丟硬幣進去再拉下把手,轉動三個輪子,每個輪子有 20 個圖案。但早就不是這樣了。現在的機器是電動遊戲,會閃出許多很炫的畫面,而結果是由隨機數字產生器決定的。

機器可以同時接受許多硬幣,有各種讓你眼花撩亂的中獎結果,還可以多台連線,共同累積成連線大獎。賭徒仍在尋找可以贏錢的賭法,但是長期下來,隨機數字產生器會保證賭場有 5% 的利潤。

——本文摘自《統計,讓數字說話》,2023 年 1 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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假藥也能治療?安慰劑效應的原因:「不」隨機化實驗!——《統計,讓數字說話》
天下文化_96
・2023/03/03 ・1932字 ・閱讀時間約 4 分鐘

  • 作者:墨爾 David S. Moore、諾茨 William I. Notz
  • 譯者:鄭惟厚、吳欣蓓

實驗法中「隨機化」的必要性

隨機化比較實驗是統計學裡面最重要的概念之一。它的設計是要讓我們能夠得到釐清因果關係的結論。我們先來弄清楚隨機化比較實驗的邏輯:

  • 用隨機化的方法將受試者分組,所分出的各組在實施處理之前,應該各方面都類似。
  • 之所以用「比較」的設計,是要確保除了實驗上的處理外,其他所有因素都會同樣作用在所有的組身上。
  • 因此,反應變數的差異必定是處理的效應所致。

我們用隨機方法選組,以避免人為指派時可能發生的系統性偏差。例如在鐮形血球貧血症的研究中,醫師有可能下意識就把最嚴重的病人指派到羥基脲組,指望這個正在試驗的藥能對他們有幫助。那樣就會使實驗有偏差,不利於羥基脲。

從受試者中取簡單隨機樣本來當作第一組,會使得每個人被選入第一組或第二組的機會相等。我們可以預期兩組在各方面都接近,例如年齡、病情嚴重程度、抽不抽菸等。舉例來說,隨機性通常會使兩組中的吸菸人數差不多,即使我們並不知道哪些受試者吸菸。

實驗組與對照組除主要測量變數外,其餘條件必需盡可能相似。圖/envatoelements

新藥研究上不隨機分組帶來的後果:安慰劑效應

如果實驗不採取隨機方式,潛藏變數會有什麼影響呢?安慰劑效應就是潛藏變數,只有受試者接受治療後才會出現。如果實驗組別是在當年不同時間進行治療,所以有些組別是在流感季節治療,有些則不是,那麼潛藏變數就是有些組別暴露在流感的程度較多。

在比較實驗設計中,我們會試著確保這些潛藏變數對全部的組別都有相似的作用。例如為了確保全部的組別都有安慰劑效應,他們會接受相同的治療,全部的組別會在相同的時間接受相同的治療,所以暴露在流感的程度也相同。

要是告訴你,醫學研究者對於隨機化比較實驗接受得很慢,應該不會讓你驚訝,因為許多醫師認為一項新療法對病人是否有用,他們「只要看看」就知道。但事實才不是這樣。有很多醫療方法只經過單軌實驗後就普遍使用,但是後來有人起疑,進行了隨機化比較實驗後,卻發覺其效用充其量不過是安慰劑罷了,這種例子已經不勝枚舉。

曾有人在醫學文獻裡搜尋,經過適當的比較實驗研究過的療法,以及只經過「歷史對照組」實驗的療法。用歷史對照組做的研究不是把新療法的結果和控制組比,而是和過去類似的病人在治療後的效果做比較。結果,納入研究的 56 種療法當中,用歷史對照組來比較時,有 44 種療法顯示出有效。然而在經過使用合適的隨機化比較實驗後,只有 10 種通過安慰劑測試。即使有跟過去的病人比,醫師的判斷仍過於樂觀。

過去醫學史上常出現新藥實際沒療效,只能充當安慰劑效果的情況。圖/envatoelements

目前來說,法律已有規定,新藥必須用隨機化比較實驗來證明其安全性及有效性。但是對於其他醫療處置,比如手術,就沒有這項規定。上網搜尋「comparisons with historical controls」(以歷史對照組來比較)這個關鍵字,可以找到最近針對曾使用歷史對照組試驗的其他醫療處置,所做的研究。

對於隨機化實驗有一件重要的事必須注意。和隨機樣本一樣,隨機化實驗照樣要受機遇法則的「管轄」。就像抽一個選民的簡單隨機樣本時,有可能運氣不好,抽到的幾乎都是相同政治傾向一樣,隨機指派受試者時,也可能運氣不好,把抽菸的人幾乎全放在同一組。

我們知道,如果抽選很大的隨機樣本,樣本的組成和母體近似的機會就很大。同樣的道理,如果我們用很多受試者,加上利用隨機指派方式分組,也就有可能與實際情況非常吻合。受試者較多,表示實驗處理組的機遇變異會比較小,因此實驗結果的機遇變異也比較小。「用足夠多的受試者」和「同時比較數個處理」以及「隨機化」,同為「統計實驗設計」的基本原則。

實驗設計的原則
統計實驗設計的基本原則如下:
1. 要控制潛在變數對反應的影響,最簡單的方法是同時比較至少兩個處理。
2. 隨機化:用非人為的隨機方法指派受試者到不同的實驗處理組。
3. 每一組的受試者要夠多,以減低實驗結果中的機遇變異。

——本文摘自《統計,讓數字說話》,2023 年 1 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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強核力與弱核力理論核心:非阿貝爾理論——《撞出上帝的粒子》
貓頭鷹出版社_96
・2023/01/28 ・1733字 ・閱讀時間約 3 分鐘

非阿貝爾理論

量子色動力學與弱核力理論有個更為奇特的性質,兩者都是「非阿貝爾理論」 (non-Abeliantheories)。非阿貝爾的意思是強核力與弱核力理論核心(參見【科學解釋 6】)的對稱群代數是不可交換的。簡單來說就是「A 乘 B」不等於「B 乘 A」。

一般人的常識會告訴你,如果隨便拿兩個數字 A 和 B,用 A 乘 B 的結果永遠會和用 B 乘 A 一樣,你用計算機怎麼試答案都不變。一個袋子裝三塊錢、兩個袋子總共是六塊錢;一個袋子裝兩塊錢,三個袋子總共還是六塊錢。

如果隨便拿兩個數字 A 和 B,用 A 乘 B 的結果永遠會和用 B 乘 A 一樣。圖/pixabay

這件事對數字永遠都成立,是千真萬確的事實。然而,我們有個很好的方法能定義出一套數學架構,其中的 AB 不等於 BA。實際上,數學家已經鑽研這個領域很多年了。

條條大路通數學

或許更驚人的是,物理學家竟然也在許多地方應用這套數學,因為某些和物理學相關的事物也是 AB 不等於 BA。矩陣就是我們表示這些東西的一種方式。現在我在倫敦大學學院為新生上的數學方法課就有介紹矩陣力學。以前我的學校制定了一套「新數學」的課綱,所以我在年僅十五歲的時候就多少認識一點矩陣了。

數學的一個矩陣是一群按照行列排列整齊的數字。把兩個矩陣 A 和 B 相乘,會得到另一個矩陣 C,方法是把對應的列和行上面的數字依序相乘。

這種矩陣聽起來可能不像某部電影裡面那掌控一切、創造虛擬實境的超級電腦一樣迷人,卻有用的多。這部電影的角色身穿黑色皮衣,還有出現著名的慢動作躲子彈鏡頭

慢動作躲子彈鏡頭。圖/giphy

我來舉個例子。

你可以用一個矩陣來描述你移動某個物體的結果。相乘的順序(AB 或 BA)在這個例子有明顯的區別。物體先在原地轉九十度再向前直直走十公尺,和先走十公尺再轉九十度,兩種移動方式最後的終點顯然不會相同。假設矩陣B代表旋轉,矩陣 A 代表直行,那麼合在一起的「旋轉後直行」就是矩陣(C = AB);這和「直行後旋轉」的矩陣(D = BA)必定不會相同。C 不等於 D,所以 AB 不等於 BA。要是 AB 和 BA 永遠相同,我們就沒辦法用矩陣來描述這類的移動過程了。正是因為矩陣的乘法不可交換―非阿貝爾,這個工具才會如此有用。

數學和真實世界密不可分

在狄拉克試圖要找出能描述高速電子的量子力學方程式時,矩陣被證實是他所需要的工具。實際上,電子有某項特性讓狄拉克不得不使用矩陣來表示它,這項特性與他描述電子自旋的語言同出一轍;所有原子的行為和元素周期表的規律,都與自旋有深刻的關聯。除此之外,這個性質也啟發狄拉克去預測有反物質的存在。

數學和真實世界之間似乎有緊密的關係,這讓我讚嘆不已。優秀的研究要能解決問題、也要能提出好的問題。而問題永遠比解答還要多,為了研究我們要付出許多的時間和金錢,因此大家得做出抉擇。數學是威力極大的工具,能幫助科學家檢查實驗數據、並從結果當中尋找最有趣的新實驗方向。就算有些方法和結論,好比矩陣及反物質,看起來可是相當古怪的。

秉持著這份精神,我要在繼續討論希格斯粒子搜索實驗之前,先繞個路來講微中子,最後這回要介紹的是一個很重要的真實結果。2012 年 3 月 7 日,中國的大亞灣核反應爐微中子實驗(DayaBay Reactor Neutrino Experiment)發表了最新的研究成果。

One of the Daya Bay detectors.圖/wikipedia

他們的實驗結果不但對標準模型影響重大,也會決定粒子物理學未來的研究走向。如果你只想要繼續讀希格斯粒子的故事,大可跳過這一段沒關係,下一節再見。但是微中子的粉絲可千萬別錯過精彩好戲了!

——本文摘自《撞出上帝的粒子:深入史上最大實驗現場》,2022 年 12 月,貓頭鷹出版,未經同意請勿轉載。

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貓頭鷹自 1992 年創立,初期以單卷式主題工具書為出版重心,逐步成為各類知識的展演舞台,尤其著力於科學科技、歷史人文與整理台灣物種等非虛構主題。以下分四項簡介:一、引介國際知名經典作品如西蒙.德.波娃《第二性》(法文譯家邱瑞鑾全文翻譯)、達爾文傳世經典《物種源始》、國際科技趨勢大師KK凱文.凱利《科技想要什麼》《必然》與《釋控》、法國史學大師巴森《從黎明到衰頹》、瑞典漢學家林西莉《漢字的故事》等。二、開發優秀中文創作品如腦科學家謝伯讓《大腦簡史》、羅一鈞《心之谷》、張隆志組織新生代未來史家撰寫《跨越世紀的信號》大系、婦運先驅顧燕翎《女性主義經典選讀》、翁佳音暨曹銘宗合著《吃的台灣史》等。三、也售出版權及翻譯稿至全世界。四、同時長期投入資源整理台灣物種,並以圖鑑形式陸續出版,如《台灣原生植物全圖鑑》計八卷九巨冊、《台灣蛇類圖鑑》、《台灣行道樹圖鑑》等,叫好又叫座。冀望讀者在愉悅中閱讀並感受知識的美好是貓頭鷹永續經營的宗旨。