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太空梭任務三十週年

蔡 志浩
・2011/04/13 ・1507字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 571 ・九年級

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美國國家太空總署(NASA)在 1981 年 4 月 12 日進行了第一次太空梭任務,到 2011 年 4 月 12 日這天剛好滿三十年。巧合地是,五十年前的這天,前蘇聯太空人 Yuri Gagarin 成為全世界第一個上太空的人。NASA 為此特別製作了一個專題網站。過去幾年我也寫過不少與太空任務有關的文章,就利用這一天作個彙整吧!

太空任務的人性啟發(2011-01-02):

《從地球出發:NASA 任務 50 年》是探索頻道於 2008 年播出的一系列六集紀錄片,從人性而非科技的觀點回顧美國國家太空總署(NASA) 1958 年成立五十年來載人太空任務的歷史。當初電視播出時我曾寫下心得:〈當我們離開地球〉。最近買了這套紀錄片的 DVD,利用 2011 年元旦假期從頭到尾重新看了一次。本文彙整了這次觀看時記錄下來的印象深刻的片段。

2010 太空漫遊(一):從地球出發(2010-12-26):

或許和我出生成長於阿波羅任務的年代有關,我一直都對太空探索很感興趣。時值 2010 歲末,我將過去兩年在 Twitter 上分享的關於太空探索的觀察與感想彙整為兩部分的〈2010 太空漫遊〉特輯。

本文為第一部分:「從地球出發」,共 40 則,以地球軌道範圍內的任務為主。內容分成八類:動機、歷史、影子生物圈、國際太空站、繞軌載具、全球衛星定位系統、哈伯太空望遠鏡、銥衛星對撞意外。

2010 太空漫遊(二):月球及無垠蒼穹(2010-12-26):

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本文為第二部分:「月球及無垠蒼穹」,共 52 則,以月球及更遠範圍的任務為主。內容分成八類:月球、小行星、水星與金星、火星、木星、土星、冥王星、黑洞。

太空站與部落格(2009-03-24):

我很喜歡以太空站來類比部落格,因為兩者都是為了「存在」:建造太空站的目的是讓人類能夠永久存在於太空中,經營部落格的目的則是讓個人永久存在於網路上。兩者都是長期的工程,成果是逐漸累積的。有必要時,兩者也都會面臨銷毀舊站、重建新站的決定。

我的太空夢(2009-02-19):

如果有一天一覺醒來,發現天上掉下十億台幣在自家門口,我只會想用這筆錢做一件事:聯絡俄羅斯太空總署談個好價錢,讓我可以搭乘聯合號太空船到國際太空站住個 10 天,再回到地球。這一趟旅程的花費約在 2000 至 2800 萬美金之間,換算成台幣大約是 6 億 8000 萬至 9 億 5000 萬。

當我們離開地球(2008-10-06):

《從地球出發:NASA 任務 50 年》是探索頻道製作的紀錄片,回顧美國國家太空總署(NASA)自 1958 年成立至今 50 年載人太空任務的歷史。美國與台灣的首播日分別是 2008 年 6 月 8 日與 9 月 7 日。全系列共六集皆以人為中心,從人性而非科技的觀點看太空任務。這是我看過最好的太空任務紀錄片。

飛行的感覺(2008-04-27):

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彷彿被催眠般,時光開始倒流,我回憶起小時候想當太空人的夢想。我想像置身國際太空站內,在無重力的環境下看著我們居住的這顆藍色行星。我想像置身 NCC-1701 企業號太空船內,即將航向浩瀚無垠、充滿未知的宇宙。

中國以神舟改變形象(2003-10-17):

前蘇聯在一九五七年發射了全世界第一枚人造衛星,而中國在不久之後的一九七○年,也發射了人造衛星。就技術而言,中國不需要等到二○○三年才有能力實現載人太空任務。這段延誤,一大部分是財務的原因。但來得早不如來得巧,中國選在這個時候送第一位中國人上太空,展現國力或塑造一個英雄來發揚民族主義的政治動機固然有之,但心理層面的影響力還是最大的。

本文作者為蔡志浩,原發表於個人部落格 Taiwan 2.0

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蔡 志浩
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圖形處理單元與人工智慧
賴昭正_96
・2024/06/24 ・6944字 ・閱讀時間約 14 分鐘

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  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒,那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬.霍金(Stephen Hawking) 英國理論物理學家

大約在八十年前,當第一台數位計算機出現時,一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧;但七十年後,還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」(Artificial Intelligent,簡稱 AI)的能力最近十年突然起飛,在許多(所有?)領域的測試中擊敗了人類,正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元(graphic process unit,簡稱 GPU)是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia(英偉達)股票從每股不到 $5,上升到今天(5 月 24 日)每股超過 $1000(註一)的全世界第三大公司,其創辦人(之一)兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳(Jenson Huang)也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人!可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎?到底是時勢造英雄,還是英雄造時勢?

黃仁勳出席2016年台北國際電腦展
Nvidia 的崛起究竟是時勢造英雄,還是英雄造時勢?圖/wikimedia

在回答這問題之前,筆者得先聲明筆者不是學電腦的,因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事,不是我們外行人需要了解的;但作為一位現在的知識分子或公民,了解基本原理則是必備的條件:例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析,即可判斷永動機是騙人的;又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上,它們不用往室外排廢熱氣,就可以提供屋內冷氣,讀者買嗎?

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」(central process unit,簡稱 CPU)。CPU 是電腦的「腦」,其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務,如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作;但為了簡單化,我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作(arithmetic and logic unit,簡稱 ALU),如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下,CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

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在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時,CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後,CPU 開始顯示心有餘而力不足:例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素(pixel),每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年,英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定/裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」(註二)定位為「世界上第一款 GPU」,「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU,GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作,快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢?因每一時刻只能做一件事,所以其步驟為:

  • 計算 7×5;
  • 計算 6/3;
  • 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢?很多工作便可以同時(平行)進行:

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  • 同時計算 7×5 及 6/3;
  • 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間,但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢?單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間(16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間),而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間(1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間)!

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了,如何將它擺正成右圖呢? 一句話:「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點(座標 x, y)組成的,所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了:每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

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即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算!如果每一運算需要 10-6 秒,那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉,便需要 6 秒,這豈是電動玩具畫面變化所能接受的?

圖形處理的例子

人類的許多發明都是基於需要的關係,因此電腦硬件設計家便開始思考:這些點轉換都是獨立的,為什麼我們不讓它們同時進行(平行運算,parallel processing)呢?於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 106 運算,那上圖的轉換只需 10-6 秒鐘!

GPU 的興起

GPU 可分成兩種:

  • 整合式圖形「卡」(integrated graphics)是內建於 CPU 中的 GPU,所以不是插卡,它與 CPU 共享系統記憶體,沒有單獨的記憶體組來儲存圖形/視訊,主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上;早期英特爾(Intel)因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤,在這方面的研發佔領先的地位,約佔 68% 的市場。
  • 獨立顯示卡(discrete graphics)有不與 CPU 共享的自己專用內存;由於與處理器晶片分離,它會消耗更多電量並產生大量熱量;然而,也正是因為有自己的記憶體來源和電源,它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年,英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後,科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化,在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效,因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理,不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化,也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬(註三)等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分,正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲,遠遠落在英偉達(80%)及超微半導體公司(Advance Micro Devices Inc.,19%,註四)之後,大約只有 1% 的市場。

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典型的CPU與GPU架構

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」,而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心(core)單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心,因此其核心功能不如 CPU 核心強大,但它們能同時高速執行大量相同的指令,在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心;GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書,不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等,也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺,它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是:嘴巴在講,腦筋思考已經不知往前跑了多少公里,常常為了追趕而越講越快,將不少學生拋到腦後!這不表示筆者聰明,因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技,因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣(matrix)的讀者應該知道,如果用矩陣和向量(vector)表達,上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的(註五)。而矩陣和向量計算正是機器學習(machine learning)演算法的基礎!也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在!因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石:它們的架構就是充分利用並行處理,來快速執行多個操作,進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」(deep learning)。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂:「下一次工業革命已經開始了:企業界和各國正與英偉達合作,將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升,幫助企業降低成本和提高能源效率,同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子:下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後,讀者是不是認為筆者該退休了?

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GPU(圖形處理單元)和 AI(人工智慧)之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力,特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步,使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率,使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐,而且使其更具成本效益,因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展,GPU 的角色可能會變得更加不可或缺,推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標,這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作,使我們能夠執行複雜的任務,例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外,研究表明,與非人類動物相比,人類大腦具有更多平行通路,這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上,一邊聽音樂一邊做飯,或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技,因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵:透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

(註一)當讀者看到此篇文章時,其股票已一股換十股,現在每一股約在 $100 左右。

(註二)組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」(GeForce 256)插卡吧?

(註三)筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時,就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士(fellow)」Enrico Clementi 的團隊:因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層,我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦(非 IBM 品牌!)與一大型電腦連接來做平行運算,進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

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(註四)補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商:英偉達及 ATI(Array Technology Inc.)。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立,2006 年被超微半導體公司收購,品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐(Lisa Tzwu-Fang Su)博士為執行長後,股票從每股 $4 左右,上升到今天每股超過 $160,其市值已經是英特爾的兩倍,完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色,正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題:超微半導體公司現任總裁(兼 AI 策略負責人)為出生於台北的彭明博(Victor Peng);與黃仁勳及蘇姿豐一樣,也是小時候就隨父母親移居到美國。

(註五)

延伸閱讀

  • 熱力學與能源利用」,《科學月刊》,1982 年 3 月號;收集於《我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版),轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
  • 網路安全技術與比特幣」,《科學月刊》,2020 年 11 月號;轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。
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賴昭正_96
43 篇文章 ・ 54 位粉絲
成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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SmartReading 科普閱讀力大賽——打造新世代自主閱讀指標,培養學子適性成長!第三屆頒獎典禮暨第四屆賽事啟動!
PanSci_96
・2022/09/26 ・3811字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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108 課綱開啟全新閱讀素養時代。

科學素養不再侷限於考試的解題方法,學生閱讀科學讀物時,如何在氾濫資訊中找到高品質、適合學習程度的科學素材,是教育現場至關重要的課題。

臺灣師範大學 SmartReading 團隊將 AI 讀物難度分級技術,透過測驗、選書、閱讀、讀後回饋四大功能,完整記錄孩子的學習歷程,提升中小學生科普閱讀動機,成為自律自主的科普學習者。

臺灣師範大學於 110 年至 111 年間,與國科會、新北市、臺中市等單位合作,連續辦理三屆「SmartReading 科普閱讀力大賽」,每屆競賽歷時半年。競賽組別以國小三年級至高中一年級共分七個組別。參賽學校涵蓋臺北市、新北市、臺中市、臺南市、高雄市、花東等十九縣市,報名參賽人數累計八千餘人。

國立臺灣師範大學第四屆科普賽將擴大辦理,邀請PanMedia泛科學馮瑞麒總經理、數感實驗室賴以威教授、臺大科教中心賴亦德執行長,持續提供參賽者更生活化、趣味化的科普文章。圖/國立臺灣師範大學

由系統建置適合學生閱讀的兩千多本科普讀物

競賽期間,參賽學生使用「SmartReading 適性閱讀」系統,透過精準快速的中文閱讀能力診斷,將閱讀程度與讀物難度適配。藉由系統已建置,適合國小三年級至高中一年級的 2,180 餘本科普讀物,不僅能激勵其學習動機,更可有效提升選擇的效率,降低科學閱讀恐懼。第三屆科普閱讀力大賽不受疫情波擾,採實體與線上兩種施測方式,於 111 年 5 月份圓滿完成賽事。

111 年 9 月 24 日於臺灣師範大學舉行頒獎典禮,邀請新北市教育局張明文局長、臺北市教育局鄧進權副局長、臺灣閱讀協會陳昭珍理事長、康橋國際學校秀岡校區卓意翔副校長、親子天下兒童產品事業部副總經理林彥傑、新北市信義國小陳桂蘭校長到場擔任頒獎嘉賓。參賽學校師生、家長齊聚典禮會場,為優秀的得獎同學喝采。

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111 年 9 月 24 日於臺灣師範大學舉行頒獎典禮,邀請新北市教育局張明文局長、臺北市教育局鄧進權副局長、臺灣閱讀協會陳昭珍理事長、康橋國際學校秀岡校區卓意翔副校長、親子天下兒童產品事業部副總經理林彥傑、新北市信義國小陳桂蘭校長到場擔任頒獎嘉賓。參賽學校師生、家長齊聚典禮會場,為優秀的得獎同學喝采。圖/國立臺灣師範大學

臺師大宋曜廷副校長表示,數位閱讀邁向新時代,團隊使用「SmartReading 適性閱讀」系統作為科普賽競賽平台,期望在知識爆炸的時代,藉由測驗、選書、規劃的「智慧閱讀三步驟」,培養學子的跨領域閱讀力與閱讀習慣,讓學生們手握知識大門的鑰匙,成為自律自主的「SmartReader」。

科普閱讀競賽的三大特色

一、適配閱讀能力與圖書難度,擴增多元書籍與文章素材

參賽學生首先須參加中文適性閱讀能力診斷(DACC),依據診斷結果,配合其當前閱讀能力的科普推薦書單,讓學生選書有依據、個人化。本競賽目前共有「推薦書單」、「推薦文章」等 2 種閱讀素材,主題包含植物/動物、數學、天文地科、物理/化學等 8 大類別。「推薦文章」功能,則與「PanSci 泛科學」及「數感實驗室 Numeracy Lab」合作評選,當前提供 600 餘篇線上科普短文,競賽期間提供已超過 4,000 人次的瀏覽次數。

二、綜合性閱讀五力分數,開啟學生全方位閱讀力

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本競賽賽程為期半年,學生透過「前測、閱讀任務挑戰、後測」三個階段。競賽期間,系統詳細記錄每週閱讀歷程,並產出線上「閱讀五力分數」報表。自主規劃閱讀期間計算為「規劃力」;讀後評量填答結果計算為「執行力」;閱讀多元書籍類別的結果計算為「博學力」;閱讀單一書籍類別的深化成果則計算為「精進力」;前後測成長結果計算為「成長力」。將閱讀能力數據化、可視化。

三、閱讀任務徽章,深化學生文化素養與科普閱讀興趣

本競賽內建徽章蒐集系統,參賽者於指定時間依據提示完成閱讀任務,即可獲得期間限定的特色科普徽章。任務內容包含閱讀指定的書單及文章類別、世界性科普節日、科學家生辰、台灣重要節慶與其他隱藏任務。本屆各年級累計獲得徽章達 20423 枚,因設計活潑及任務類型多樣,大受參賽者好評。

競賽結果發現學生的閱讀偏好

一、科普閱讀參與,國小男性最踴躍

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活動期間參賽者共完成約 21,153 本的書籍評量。以不同學習階段來看;國小參賽者整體閱讀平均本數為 24 本,男生平均閱讀本數為 28 本,女生平均閱讀本數為 20 本。國、高中參賽者因科普讀本難度較高,需要較長的閱讀時間及一定的科學基礎知識,國中參賽者整體平均閱讀書籍數為 10 本;高中參賽者中女性平均閱讀本數多於男性,整體平均閱讀書籍數為 7 本。

總閱讀量/本人數平均閱讀量/本
全體學生21,1531,10019
8,05150516
13,10259522
國小學生17,47971624
6,47432520
11,00539128
國中學生3,45935510
1,4611669
1,99818911
高中學生215297
116148
99157
活動期間參賽者共完成約 21,153 本的書籍評量。表/國立臺灣師範大學

二、學生偏好閱讀動物/寵物類與地球生態/天文類書籍

整體參賽學生對於科普書籍的喜愛程度,以植物/動物類(男生 28.19%、女生 27.91%)最能引起學生的閱讀興趣(如:《昆蟲老師上課了!:吳沁婕的超級生物課》、《小島上的貓頭鷹》、《神奇樹屋》等系列)。在次要類別,男女皆喜好生態/生命科學類的書籍(男生 15.20%、女生 16.87%)。

整體參賽學生對於科普書籍的喜愛程度,以植物/動物類最能引起學生的閱讀興趣。在次要類別,男女皆喜好生態/生命科學類的書籍。圖/國立臺灣師範大學

三、參賽學生閱讀歷程的質與量均佳,表現令人驚豔

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本次參賽學生皆積極參與競賽。

以三年級組第一名得主,臺北市立大同國小的林靖軒同學為例,競賽期間閱讀書籍本數高達 383 本,書籍讀後評量的通過率更高達 95%,書籍不僅讀得多,更是能讀得要領。

四年級組第一名為第二次參賽的新北市信義國小謝秉言同學,本次競賽期間共閱讀 427 本書。

其中五年級組為本次競爭最激烈的一組,臺北市立長春國小的黃葦川同學以及高雄市立集美國小的吳勁毅同學,兩者僅以極小的分數差距位居第一及第二名。

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此外,第一次參與競賽的高雄市立正義國小的孫政遠,競賽期間閱讀 281 本書籍,通過率達到 97%。

四、教育主管機關、學校師長及家長支持鼓勵,帶動學生優異表現

新北市教育局致力於推動智慧閱讀教育,不遺餘力,成果豐碩。本屆競賽全台共 2,104 人報名參與,全國賽獎項獲獎學生共計 36 人,其中新北市得獎學生便囊括 14 位,表現相當亮眼。

家長與學校師長共同陪伴,使得學生能專注於本次競賽,並有相當卓越的成果,例如新北市康橋國際學校、臺中市明道中學、臺中市葳格國際學校、臺北市東山中學等校,皆因全力推廣閱讀活動,才能有優異的競賽成果。以新北市康橋國際學校國中部為例,此次七年級組參賽者,全國賽前5名得主中,康橋中學就獲有 3 名的佳績。

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臺師大華語文與科技研究中心洪嘉馡教授說明第三屆科普閱讀力大賽成果。圖/國立臺灣師範大學

第四屆科普閱讀力大賽即將開跑

延續前三屆廣受好評之科普賽事,第四屆科普賽將擴大辦理,邀請「PanMedia 泛科知識股份有限公司」馮瑞麒總經理、「數感實驗室 Numeracy Lab」賴以威教授、「國立臺灣大學科學教育發展中心」賴亦德執行長,持續提供參賽者更生活化、趣味化的科普文章,預期第四屆科普閱讀力大賽將能讓全球讀者有更高品質的閱讀體驗和更充實的閱讀收穫。

活動詳情請參閱官方網站
新聞聯絡人:高等教育深耕計畫辦公室——鄭德蓉 02-2366-0916 #111

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地球軌道上最大的衛星——國際太空站
臺北天文館_96
・2022/01/24 ・4522字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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  • 文/徐麗婷|政大應用物理所兼任助理教授

國際太空站(International Space Station,ISS)是地球軌道上最大的衛星,也是太空中最大的人造物體,其大小約有一個足球場這麼大,有時候我們從地表用肉眼就可以看到它快速地在夜空中劃過。國際太空站在距離地球表面 400 公里高的低地球軌道上運行,並且以每秒約 7.7 公里的速度繞行地球。以這個速度繞地球一圈只需要 93 分鐘,所以太空站每天會繞行地球 15.5 圈(這也表示太空站上的太空人每天可以看 15 次以上的日出與日落)。

圖 1. 由奮進號太空梭(Endeavour)於 2010 年執行任務時所拍攝的國際太空站。圖片來源/NASA

冷戰時代的太空競賽

設置國際太空站的目的,主要是作為太空實驗室、天文臺,以及為未來可能的月球和火星登陸計劃提供運輸、維護和中繼站的服務。在 2010 年美國國家太空政策中,國際太空站更被賦予了為商業、外交和教育服務的額外目的。

然而,最初設立太空站的想法,其實是源自於冷戰時期美國與蘇聯的太空競賽。蘇聯在 1980 年代已經率先發射了模組化的太空站到地球軌道上,而美國政府擔憂蘇聯擁有比美國更強大的核武攻擊力量,因此在 1984 年提出了「戰略防禦計畫」,又稱為「星戰計畫」(Strategic Defense Initiative, 或稱 Star Wars Program),其目標是要建造太空中的反彈道飛彈系統,以阻止敵方的洲際飛彈和太空飛行器。美國太空總署提出的自由號太空站(Space Station Freedom)計劃就是這個「星戰計畫」的一部分,雷根總統更在 1984 年宣示將在 10 年內完成太空站的建設。

但是由於太空站預算龐大、加上 1986 年挑戰者號太空梭的爆炸意外,太空站計劃不斷地被延宕。一直到 1991 年蘇聯解體後,冷戰正式結束,美國和蘇聯的太空競賽也失去了意義。冷戰結束後,美國總統柯林頓於 1993 年宣布結束自由號太空站的計劃。同年,在美國副總統高爾的推動下,美國太空總署開始與俄羅斯聯邦太空總署協商合作建立太空站的構想,這也促成了兩國初步的太空合作計畫:「太空梭–和平號計劃」。

國際太空站的前身:太空梭–和平號計劃(1993–1998)

國際太空站的成立主要分為二個階段:第一階段是從 1993 到 1998 年,由美國太空總署(NASA)和俄羅斯聯邦太空總署(Roskosmos)所合作的「太空梭–和平號計劃」(ShuttleS–Mir Program),而這個計劃也可以說是國際太空站的前身(見圖 2)。

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圖 2. 1995 年,俄羅斯「和平號」太空站(Mir)和美國的太空梭「亞特蘭提斯號」(Atlantis)對接。圖片來源/wiki

其中俄羅斯在 1986 年升空開始興建的和平號太空站(space station Mir),是世界上第一個模組化的太空站,也是第一個讓人類可以長期居住的太空研究中心。在這個「太空梭–和平號計劃」其間,NASA 一共執行了 11 次太空梭任務,並且派了 7 名美國太空人長駐在和平號上(累計將近 1000 天)向俄羅斯太空人學習長時間的太空生活經驗、操作太空站、太空漫步訓練、和進行各種科學實驗。其目的就是為了建造之後的國際太空站而作準備。

2001 年,因為和平號太空站的設備老化且缺乏維修經費,俄羅斯聯邦太空總署決定將其墜毀於地球大氣層,而其碎片則是掉入南太平洋海域中,結束它長達 15 年的太空服役生涯。

國際太空站(1998–現在)

國際太空站目前由五個太空機構聯合運作,包括美國太空總署(NASA)、俄羅斯聯邦太空總署(Roscosmos)、日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)、加拿大太空總署(CSA)和歐洲太空總署(ESA)。最初在命名國際太空站時是提議稱之為「阿爾法太空站」,但是俄羅斯方面並不贊成「阿爾法」(Alpha,α 是希臘字母表裡的第一個字母)這個名字,因為「阿爾法」有表示「第一個」的意涵。事實上俄羅斯的和平號才是第一個模組化的太空站,所以他們認為國際太空站的名字應該稱作「貝塔」(Beta,β 是希臘字母表裡的第二個字母)會更合適。在各國商談之後才決定直接定名為「國際太空站」(International Space Station)。

1998 年 11 月,國際太空站的第一個模組:俄羅斯的曙光號功能貨艙(Zarya)發射升空;同年 12 月,美國的團結號節點艙(Unity)發射進入軌道並與曙光號連接;2000 年 7 月,俄羅斯的星辰號服務艙(Zvezda)升空與太空站連接。星辰號服務艙主要是提供太空人的生命維持系統,包括太空人睡眠的區域、健身器材、飲用水裝置、廚房設備、廁所以及其他衛生設施。這些設備都是為了 2000 年 11 月首批登上國際太空站的太空人做準備。(圖 3 的三張照片可以看到最初三個模組陸續建構太空站的演進。)

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圖 3a. 1998 年從奮進號太空梭上拍攝的曙光號功能貨艙(Zarya),這也是第一個升空的國際太空站組件。圖/Wikipedia
圖 3b.1998 年從奮進號太空梭上所拍攝的曙光號功能貨艙(Zarya)和團結號節點艙(Unity)。 圖/NASA
圖 3c. 2000 年從亞特蘭提斯號太空梭上所拍攝的曙光號功能貨艙(Zarya)、團結號節點艙(Unity)和星辰號服務艙(Zvezda)。圖/Wikipedia

國際太空站的架設工作一直持續到 2002 年。不幸的是,在 2003 年發生了哥倫比亞號太空梭(Columbia)的失事事件,NASA 停飛了所有的太空梭,國際太空站的建設也因此受到拖延。在太空梭停飛的兩年半裡,太空人的物資完全依賴俄羅斯聯盟號(Soyuz)太空船的輸送,一直到 2005 年 NASA 太空梭才再度重返太空。之後太空梭連續運送了大量的桁架與太陽能板到太空站上組裝(見圖 4)。日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)於 2008 年也加入了建造國際太空站的行列,陸續在太空站增設了希望號實驗艙(Kibo);2012 年,美國太空探索科技公司(SpaceX)發射了第一艘商業用太空船飛龍號(Dragon spacecraft)。

圖 4. 2006 年,太空人正在安裝桁架,桁架是用來安置太陽能板和艙外機器的結構。圖/Wikipedia

國際合作太空站的組裝

目前國際太空站的空間大小約為 1,000 立方公尺,總質量約 41 萬公斤。整個站體長約 108 公尺,寬約 74 公尺(大概是一個足球場的大小)。要建造完整的太空站,需要 40 多次的太空飛行任務才能達到。到 2020 年為止,NASA 太空梭一共執行了 36 次任務來運送國際太空站的模組,另外負責運送模組的還包括俄羅斯的質子號(Proton)和聯盟號(Soyuz)運載火箭,以及美國太空探索科技公司的「獵鷹 9 號」(SpaceX Falcon–9)。太空站的模組主要是先在地面上建造完成,再運送到太空中組裝。

下面列出一些規模較大的太空站模組:

  • 曙光號功能貨艙(Zarya,於 1998 年11 月升空)
  • 團結號節點艙(Unity,於 1998 年 12 月升空)
  • 星辰號服務艙(Zvezda,於 2000 年 7 月升空)
  • 命運號實驗艙(Destiny Laboratory Module,於 2001 年 2 月升空)
  • 協和號節點艙(Harmony,於 2007 年 10 月升空)
  • 哥倫布號實驗艙(Columbus orbital facility,於 2008 年 2 月升空)
  • 日本希望號實驗艙(Japanese Experiment Module,又稱 Kibo,於 2008~2009 年間分批發射升空)
  • 綜合桁架結構與太陽能板(於 2000~2009 年間分批發射升空)
  • 科學號實驗艙(Nauka,於 2021 年 7 月升空)

國際太空站在繞行地球的過程中,高度會逐漸下降。為了維持太空站的軌道高度,會以太空站的推進系統、或是以來訪的飛行載具引擎來提供推力,藉此推高太空站的軌道高度。太空站所在的低地球軌道上,同時也存在很多太空碎片。前面所提到的改變太空站軌道高度的方法,也可以應用在避開太空碎片撞擊的操作上(Debris Avoidance Manoeuver, DAM)。萬一太空站來不及執行 DAM 以躲避太空碎片,那麼所有的太空人將會集合到俄羅斯的聯盟號(Soyuz)太空船上,若太空站受到嚴重破壞時就可以緊急撤回地球。這樣的緊急疏散事件在 2009、2011、2012 和 2015 年都虛驚過一次,但只有進入聯盟號,沒有撤離。

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圖 5. NASA 太空人 Nicholas Patrick 正在用太空漫步執行艙外任務,攝於 2010 年。圖片來源/wiki
國際太空站是怎麼運作的?影/YouTube

國際太空站上的實驗

由於國際太空站以高速繞著地球轉,太空站上的地心引力與離心力幾乎相互抵消。但是實際上,太空站上的重力環境其實並非是全然的「零重力空間」,而是還受到非常微小的重力影響,我們稱之為「微重力環境」(micro-g environment)。太空站設立的其中一個重要目的,就是做為在微重力環境下的實驗室,其研究領域包括天文生物學、天文學、氣象學、物理學、材料科學和太空天氣等。

在微重力的環境下研究植物生長、流體力學、材料合成、燃燒現象和結晶過程等,都有助於科學家更加了解在無重力下的各種物理現象。例如,圖 6 是非常著名的火焰實驗:在太空中燃燒的火焰會因為在微重力的環境下變成圓形的。另外一個重要的實驗,是研究長期在太空中生活對人體的影響,包括肌肉萎縮和骨質流失等問題。研究顯示長時間的太空旅行可能會造成太空人有重大骨折的風險,所以現在太空站上裝有為太空人設計的健身器材,讓太空人每天都能有固定的運動量,以防止肌肉萎縮及維持人體循環系統的健康運作。

圖 6. 左:在地表上的火焰形狀。右:在微重力環境下的火焰形狀。圖/Wikipedia

國際太空站的未來發展

在太空站上的各項實驗與儀器測試,對於 NASA 即將執行的重返月球計畫以及之後的火星登陸計畫尤其重要。除了累積在太空中操作與維修各種儀器的經驗之外,對於微重力、宇宙輻射和隔離對太空人身心健康的長期影響,也能研究出較可行的應對之道。

到 2010 年為止,國際太空站所花費的金額已經高達 1,500 億美金,遠遠超過了最初的預算。雖然很多人對國際太空站未來的持續運作抱持著反對的意見,但是基於考量到未來重返月球與登陸火星的計畫,2018 年美國國會還是通過相關法案,確定延長國際太空站的使用期限到 2030 年。

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YouTube 相關影片:

NASA/JSC 專家 陳啟明談「國際太空站」:人類地球之外的家。影/YouTube
國際太空站的組裝過程 。影/YouTube
太空人的日常生活 。影/YouTube
國際太空站從太陽前方飛越而過 。影/YouTube

參考資料:

  1. International Space Station
  2. Shuttle–Mir program
  3. Assembly of the International Space Station
  4. Strategic Defense Initiative
  5. 福爾摩沙衛星二號 10 週年專題報導-4
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臺北天文館_96
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