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《比宇宙更遠的地方》及其背後的科學——你不可不知的科幻動畫(一)

科學大抖宅_96
・2021/07/31 ・3920字 ・閱讀時間約 8 分鐘

我們距離宇宙有多遠?如果你開車往正上方的天空行駛,以高速公路的行車速度,一個小時就能抵達外太空。

大氣層與外太空的分界線,目前並沒有全球統一的認定標準。國際航空聯盟(Fédération Aéronautique Internationale, FAI)將其定為海平面上方 100 公里處;美國空軍、以及美國國家航空暨太空總署(NASA)則以海拔 80 公里為交界——這麼近的距離,根本簡簡單單開車就到了呀!(不要瞎掰好嗎)

相較於宇宙的近,南極雖然在地球上,但是對絕大多數人來說,距離卻相當遙遠。2007 年,日本前太空人毛利衛被招待至南極的昭和基地後,講了句感想:「只要數分鐘就能抵達宇宙,到昭和基地卻要花數天;簡直比宇宙還要遠呢。」《比宇宙更遠的地方》(宇宙よりも遠い場所)這部動畫作品,描述的就是一群高中女學生努力突破現實困難,來到比宇宙更遠的地方——南極的故事。

《比宇宙更遠的地方》宣傳照。

(以下微科學劇情雷)

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日本的南極觀測任務

《比宇宙更遠的地方》並不是刻板印象中的科幻片,劇情中沒有機器人、沒有太空船,也沒有外星人或宇宙基地;但它確實是有著紮實科學背景設定的幻想故事。主角們搭乘的破冰船企鵝饅頭號,設定上為退役的日本碎冰艦第二代「白瀨」(しらせ)改造而成;實際上,這艘日文名字發音跟主角之一相同的船,現今仍在服役,支援著日本的南極觀測任務。

現實世界的第二代白瀨。圖/wikipedia

至於動畫中,位於南極的昭和基地,也是完全參考自現實世界的昭和基地;其於 1957 年開設,目前仍為日本在南極的主要觀測基地。與劇情類似,南極地域觀測隊會不時跟日本當地,如博物館和各級學校等單位,進行衛星連線科普活動。以年為單位,每個梯次的觀測隊員約在百名以下,包括公家機關成員,以及民間專業人員;其中又區分成在南極待上一整年、每年二月交接的越冬隊,和只駐紮夏天期間的夏隊,以及少數的同行者(如記者、外國科學家、大學生等)。

可惜的是,到目前為止,南極地域觀測隊從來沒有女高中生參與;最年輕的成員為大學生。過去,女性觀測隊員鳳毛麟角,近年才有逐漸增加的趨勢,最多可達十幾人;而且,一直要到 2018 年,才首度有女性擔任隊長職務。在《比宇宙更遠的地方》裡,重要幹部/角色幾乎都是女性,一方面或許是為了跟主角們的性別身份呼應;另一方面,可能也是一種期許吧?

現實中的昭和基地看板。圖/wikipedia

南極的天文台

在動畫劇情中,觀測隊的重要目標,乃在南極內陸建立天文台;而現實世界裡,日本目前並沒有這樣的計畫,但確實有透過國際合作架設天文台的未來展望。

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現在於南極洲運作的天文望遠鏡,最有名的當屬美國阿蒙森–斯科特南極站(Amundsen-Scott South Pole Station)的南極望遠鏡(South Pole Telescope, SPT);它位於地理南極、海拔 2800 公尺的高原上,口徑 10 公尺,可觀測的電磁波段包括了微波、毫米/次毫米波,也是事件視界望遠鏡的參與機構之一。事件視界望遠鏡是全球性的大型望遠鏡陣列計畫,協調世界各地電波望遠鏡獨立觀測特定目標,再將數據整合,形成口徑等同地球一樣大的虛擬望遠鏡。2019 年事件視界望遠鏡所發布,轟動全球的超大質量黑洞 M87 觀測照片,即有來自南極望遠鏡的貢獻。

南極望遠鏡。圖/wikipedia

為什麼選擇在南極內陸進行天文觀測?

為什麼在南極建立天文台這麼重要呢?要做,在自己國家做不就好了嗎?《比宇宙更遠的地方》又為何要設定成,去南極內陸建天文台,而非建在靠海的昭和基地?事實上,位處南極洲中央的南極高原,擁有其他地方無可比擬的天文觀測優勢

因為空氣中的水分子會吸收電磁波(程度依波段而異),所以觀測某些特定電磁波段的望遠鏡,必須建在特別乾燥的地方,避免觀測結果受到水氣影響。南極氣候嚴寒,空氣中的水份極少;加上內陸高原平均海拔 3000 公尺,空氣稀薄又乾淨――這些因素都讓南極內陸的天文觀測,可以最大程度地避免地球大氣層的干擾。

不僅如此,在地理南極附近,每年有六個月的永夜,星星亦不會東升西落――意味著,天文台可以不間斷地連續進行觀測、獲取數據,不會受到打擾。

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阿蒙森–斯科特南極站座落在地理南極(紅線圈起來處);右上方黑框處可見昭和基地(Syowa)。圖/Wikipedia

南極的科學研究

不只黑洞觀測,南極的許多科學研究計畫都得到豐碩成果。1982 年,日本在昭和基地的越冬隊發現,南極上空的臭氧隨時間快速減少,甚至一度懷疑儀器出了問題。兩年後,觀測隊成員在研討會中發表調查結果,成為史上第一份南極臭氧層破洞的報告;《蒙特婁議定書》也才因此誕生,要求禁用氟氯碳化物等破壞臭氧層的化學物質。

臭氧層破洞的發現,於劇中(右上畫面)也有交代。圖/twitter

除了大氣層臭氧濃度的變化之外,南極也對我們理解遙遠過去的地球氣候貢獻卓著。眾所周知,南極大陸地表覆蓋著深厚的冰層,最厚處甚至超過 4 公里;它們是在漫長的歲月之中,逐漸堆積形成。換言之,在冰層的越深處,年代越久遠。藉由挖掘深層的冰柱樣本(稱為冰核,Ice Core),科學家就能分析出隱藏在冰裡的昔日氣候資訊,如當時氣溫和大氣的二氧化碳濃度等。目前人類挖出的冰核,最深超過三公里,可回溯至接近八十萬年前。

挖掘冰核的過程,以及冰核照片。圖/Nasa Earth Observatory

作為人類最後才踏足的大陸,南極帶給我們許多科研調查上的驚喜。至 2016 年為止,美國在南極找到約 22000 顆隕石,日本也回收超過 17000 塊隕石,對地質學研究貢獻甚鉅。在生命科學,如生態系觀察、環境污染調查、南極湖底苔蘚植被的發現等等,皆不容小覷。在物理學,目前有微中子(質量極小又難以和其他物質作用的次原子粒子)的大型觀測計畫正在進行。除了上述議題之外,還有其他諸多研究領域或主題,也在南極展開。

至於台灣,雖然本身並沒有南極的研究站,但科研人員可藉由跨國合作前往南極進行研究;如中央大學太空科學與工程學系的林映岑老師,就曾前往南極長駐一年,是目前國內唯一擁有南極研究經驗的女性科學家。此外,台灣也有為南極的部分研究設施貢獻過心力,像是事件視界望遠鏡的調校、台大物理系暨天文物理所的陳丕燊老師推動的微中子天文台「天壇陣列」(Askaryan Radio Array, ARA)等。

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一起去南極吧!

植基於現實中的南極科學考察活動,《比宇宙更遠的地方》以四位女高中生為主角,展開她們青春的一頁。主角們在破冰船上、在南極的生活種種,都顯示出動畫製作公司花了相當大的心力,做足功課,才能有如此忠實的呈現。

動畫中,科學性的設定不單是用來搭配全劇的布景,甚至也可以說是讓故事更顯真實的重要點綴:包括研究計畫可能面臨的人力、物力短缺,和計畫執行前的準備和訓練等,劇情中都有一定篇幅的交代。雖然就自己身為科學研究人員的角度來說,會覺得科學內容的說明太少,不夠過癮,但這畢竟是給大眾看的動畫――就科學調查活動的呈現、角色的塑造、以及劇情的娛樂性等不同面向,個人認為比例拿捏得很不錯。

以南極為目標的主角們,透過一次次的努力,克服困難,想方設法來到南極,還要面對許許多多人際關係的衝突與學習;隨著旅程的開始和結束,她們得到的不只是一段獨特的旅行經驗,也是每個人的成長,和彼此之間的友誼。《比宇宙更遠的地方》曾榮獲紐約時報「2018 年最優秀電視節目獎」;它沒有深奧難懂的設定、沒有燒腦的情節;以溫馨勵志的內容溫暖人心之餘,其細緻的南極生活刻畫,也讓人心神嚮往,恨不得親自去一趟南極了呢!

動畫中的破冰船,第二代白瀨。圖/IMDb

參考文獻

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科學大抖宅_96
36 篇文章 ・ 1796 位粉絲
在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/

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如何靠溫度控制做出完美的料理?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/06/21 ・2766字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 Panasonic 委託,泛科學企劃執行。 

炸雞、牛排讓你食指大動,但別人做的總是比較香、比較好吃?別擔心,只要掌握關鍵參數,你也可以做出完美料理!從炸雞到牛排,烹調的關鍵就在於溫度的掌控。讓我們一起揭開這些美食的神秘面紗,了解如何利用科學的方法,做出讓人垂涎三尺的料理。

美味關鍵 1:正確油溫

炸雞是大家喜愛的美食之一,但要做出外酥內嫩的炸雞,關鍵就在於油溫的掌控。炸雞的油溫必須維持在 160 到 180℃ 之間。當你將炸雞放入熱油中,食物的水分會迅速蒸發,形成氣泡,這些氣泡能夠保證你的炸雞外皮酥脆而內部多汁。

水的沸點是 100℃,當麵衣中的水分接觸到 160℃ 的熱油時,會迅速汽化成水蒸氣。這個過程不僅讓麵衣變得酥脆,也能防止內部的雞肉變得乾柴。

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如果油溫過低,麵衣無法迅速變得酥脆,水分和油脂會滲透到食物中,使炸雞變得油膩。而如果油溫過高,水分會迅速蒸發,使麵衣變得過於硬或甚至燒焦。

油炸時,麵衣水分會快速汽化。圖/截取自泛科學 YT 頻道

美味關鍵 2:焦糖化與梅納反應

另一道美味的料理——牛排。無論是煎牛排還是炒菜,高溫烹調都會帶來令人垂涎的香氣,這主要歸功於焦糖化反應和梅納反應。

焦糖化反應是指醣類在高溫下發生的非酵素性褐變反應,這個過程會產生褐色物質和大量的風味分子,讓食物變得更香。而梅納反應則是指醣類與氨基酸在高溫下發生的反應,這個過程會產生複雜的風味分子,使牛排的色澤和香氣更加迷人。

要啟動焦糖化反應和梅納反應的溫度,至少要在 140℃ 以上。如果溫度過低,無法啟動這些反應,食物會顯得平淡無味。

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焦糖畫反應。圖/截取自泛科學 YT 頻道


焦糖化反應與梅納反應。圖/截取自泛科學 YT 頻道

油溫與健康

油溫不僅影響食物的風味,也關係到健康。不能一昧地升高油溫,因為每種油都有其特定的發煙點,即開始冒煙並變質的溫度。當油溫超過發煙點,會產生有害物質,如致癌的甲醛、乙醛等。因此,選擇合適的油並控制油溫,是保證烹調健康的關鍵。

說了這麼多,但是要怎麼控制溫度呢?

各類油品發煙點 。圖/截取自泛科學 YT 頻道

科學的溫度控制

傳統電磁爐將溫度計設在爐面下,透過傳導與熱電阻來測溫,Panasonic 的 IH 調理爐則有光火力感應技術,利用紅外線的 IR Sensor 來測溫,不用再等熱慢慢傳導至爐面下的溫度計,而是用紅外線穿透偵測鍋內的溫度,既快速又精準。

而且因為紅外線可以遠距離量測,如果甩鍋炒菜鍋子離開爐面,也能持續追蹤動態。不會立即斷開功率關掉,只要鍋子放回就會繼續加熱,效率不打折。

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好的溫度感測還要搭配好的溫度控制,才能做出一流的料理。日本製的 Panasonic IH 調理爐,將自家最自豪的 ECONAVI 技術放進了 IH 爐中。有 ECONAVI 的冷氣能完美控制你的室溫,有 ECONAVI 的 IH 調理爐則能為你的料理完美控溫。

有 ECONAVI 的 IH 爐不只省能源、和瓦斯爐相比減少碳排放,更為料理加分。前面說了溫度就是一切的關鍵,但是當我們將食材投到熱鍋中,鍋中的溫度就會瞬間下降,打亂物理與化學反應的節奏,阻止我們為料理施加美味魔法。

所以常常有好的廚師會告訴我們食物要分批下,避免溫度產生太大變化。Panasonic IH 調理爐,只要透過 IR Sensor 一偵測到溫度下降,就能馬上知道有食材被投入並立刻加強火力,讓梅納反應與焦糖化反應能持續發揮變化。而當溫度回到設定溫度,Panasonic IH 調理爐也會馬上將火力轉小,透過電腦 AI 的迅速反應,掌握溫度在最完美區間不劇烈起伏。

不僅保證美味關鍵,更不用擔心油溫超過發煙點而導致油品變質,讓美味變得不健康。

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透過 IR Sensor 精準測溫並提升火力。圖/截取自泛科學 YT 頻道
IH 調理爐完美控溫 。圖/截取自泛科學 YT 頻道

舒適的烹飪環境

最後,IH 爐還有一個大優點。相比於瓦斯爐,因為沒有使用明火,加熱都集中在鍋具。料理過程更安全,同時使用者也不會被火焰的熱氣搞得心煩意亂、汗流浹背,在廚房也能過得很舒適。而且因為熱能集中,浪費的能源也更少。

因為沒有使用明火,料理過程安全又舒適。圖/截取自泛科學 YT 頻道
Panasonic IH調理爐火力精準聚集在鍋內。圖/Panasonic提供

為了更多的功能、更好的效能,我們早已逐步從傳統按鍵手機換成智慧型手機。一樣的,在廚房內,如果你想輕鬆做出好料理,同時讓烹飪的過程舒適愉快又安全。試試改用 Panasonic IH 爐,一起享受智慧廚房的新趨勢吧!👉 https://pse.is/649gm5

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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
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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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臺灣整體空氣品質有變好嗎?有,但還需要解決臭氧這個隱藏角色!
研之有物│中央研究院_96
・2022/09/15 ・4323字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文/陳儀珈
  • 責任編輯/簡克志
  • 美術設計/蔡宛潔

有變好,但還遠遠不夠好

空氣雖然平常摸不到也看不到,但是它大大影響我們的生存空間,例如每日上下班聞到的汽機車廢氣、巷口小吃店的油煙,以及其他隱藏在社區的 PM2.5 污染源等。這些年下來,臺灣整體的空氣品質是變好還是變壞?中央研究院「研之有物」專訪院內環境變遷研究中心研究員兼空氣品質專題中心執行長周崇光,請他深入談論空氣污染物 PM2.5 和臭氧的變化趨勢,以及都市區空氣品質的首要難題:「衍生型 PM2.5」。

臺灣的空氣品質到底有沒有進步?

2012 年 5 月,環境保護署發布「空氣品質標準修正草案」正式將 PM2.5 納入臺灣空氣品質管制,從圖表中可以看到,自 2012 年以來,PM2.5 的平均濃度的確有逐年降低的趨勢。

從數據來看,PM2.5 的平均濃度有逐年下降的趨勢,但是秋冬季節的污染衝擊依然顯著。圖中每個資料點代表一個月的平均值。圖/研之有物

PM2.5 除了逐年降低之外,大家也可以觀察到, PM2.5 其實有非常強的「季節性」。

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一般而言,秋天、冬天時,中西部大多位於中央山脈的背風面,風速微弱不易將污染物吹散,污染濃度相對高;反之春天、夏天時,因為擴散條件好,污染濃度就相對低。

因此,夏天時,臺灣各縣市的污染狀況差異不大,但一進入秋冬,污染濃度在空間分佈上就呈現出非常明顯的差異:中南部特別嚴重。

從數據來看,臺灣各縣市的能見度在夏天時差異不大,但是中南部在秋冬時的能見度仍然不佳。圖中每個資料點代表一個月的平均值。圖/研之有物

隨著時間推進,PM2.5 污染正在逐漸改善,但整體而言,污染情況還是很嚴重,尤以中南部更為嚴峻。我們可以說,臺灣空氣品質在眾人努力之下慢慢變好,但我們離好的空氣品質仍然有一段很遙遠的距離。

「在變好,可是遠遠不夠好」周崇光這麼說。

大家的濃度都在降,除了臭氧?

前面已提到 PM2.5 濃度逐年降低,其他空氣污染物諸如非甲烷碳氫化合物(NMHC)、氮氧化物(NOx)的數據都有逐年下降的趨勢,但臭氧(O3)一枝獨秀,不僅沒有變少,有時甚至還會有上升的跡象。

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這到底發生了什麼事?

從數據來看,空氣污染物例如非甲烷碳氫化合物(NMHC)、氮氧化物(NOx)都逐年降低,然而臭氧(O3)濃度卻沒有變少的趨勢。圖中每個資料點代表一個月的平均值,「12 移動平均」表示污染物在該年連續 12 個月的平均值。圖/研之有物

若想要了解箇中原因,我們必須回顧臭氧的形成機制,與都市的光化學煙霧(Photochemical smog)有關(見下圖)。

首先,氮氧化物(NOx)和揮發性有機化合物(VOCs),是形成臭氧(O3)的主要前驅物。

二氧化氮(NO2)在紫外線的照射下(hν 表示能量),會分解成一氧化氮(NO)和一顆氧原子(O),當這顆氧原子碰到氧氣(O2)時,就跑出臭氧(O3)。

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當揮發性有機化合物(VOCs)碰上氫氧自由基(OH·)時,會被氫氧自由基氧化形成有機過氧自由基(RO2·),有機過氧自由基隨後會氧化一氧化氮(NO),並使二氧化氮(NO2)再生回來,由此可在大氣中循環產生臭氧。

光化學煙霧是空氣污染物的混合物,是由氮氧化物(NOx)和揮發性有機化合物(VOCs)與陽光發生一系列反應而成,而臭氧(O3)就在反應路徑中不斷循環。圖/研之有物

等等,那臭氧持續上升的原因是?

雖然 NO2 被紫外線分解後會產生 NO 和 O3,要注意的是 NO 碰上 O3 時,又會反應為 NO2,於是 NO—NO2—O3 在大氣中保持著動態的平衡關係,因此當我們減少一氧化氮的污染時,上述的光化學平衡就會有利於增加臭氧的濃度。

而在過去這些年,我國的污染防制使得大氣中氮氧化物濃度一直在減少,一氧化氮也相應下降,當一氧化氮越來越少的時候,也越來越少的臭氧會被轉化成二氧化氮,使得累積在空氣中的臭氧變多了。

因此,我們在下圖可看到,代表臭氧的紅線上升了,而代表二氧化氮的綠線下降了。

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臺灣的污染防制使得大氣中氮氧化物濃度一直在減少,一氧化氮也就相應下降,當一氧化氮越來越少的時候,也表示越來越少的臭氧會被消耗轉化成二氧化氮,使得累積在空氣中的臭氧變多了。圖中每個資料點代表一個月的平均值,「12 移動平均」表示污染物在該年連續 12 個月的平均值。圖/研之有物

既然無論空氣品質變好或變壞,臭氧的濃度都很高,甚至都會變高,那麼研究人員到底該怎麼確認整體空氣品質真的有所改善?

周崇光指出,事實上,只要將「臭氧和二氧化氮的濃度加起來」,統合為「大氣氧化劑的濃度」,並和其他污染物進行比對,就可以從數據中確認:即使臭氧的濃度上升,但兩者總和的數據是減少的、空氣品質的確正在改善!不過還要更加努力才能克服上述的困境,進而成功降低大氣中臭氧的濃度。

衍生型 PM2.5:都市空氣品質的挑戰

我們總是用 PM2.5 來統稱粒徑小於或等於 2.5 微米的細懸浮微粒,用 PM10 統稱粒徑小於或等於 10 微米的懸浮微粒,也就是說,它指的是粒徑在某個尺寸內的粒子濃度。

然而,你有沒有想過,這些懸浮微粒到底包含了哪些東西呢?

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周崇光笑著說,「裡面五花八門,什麼怪東西都有啦!」,懸浮微粒的成分可是高達上百種呢!

臺灣的 PM2.5 組成非常複雜,像是海鹽、元素碳(也稱黑碳,EC)、硝酸離子(NO₃-)、硫酸離子(SO₄²-)、銨離子(NH4+)、重金屬、以及各式各樣的有機化合物等等,不同縣市的組成分布也有所差異。

比較中研院過去(2003-2009)與環保署最近(2017-2021)各自調查的 PM2.5 化學組成,近五年來雖然臺灣 PM2.5 整體濃度下降了,但是 PM2.5 主要的組成分布則沒有明顯改變。

中研院與環保署調查了臺灣 PM2.5 整體濃度與組成,圓餅圖中心為該地區的 PM2.5 平均值,近五年來,同一地區 PM2.5 整體濃度下降,但化學組成無明顯改變。圖/研之有物

周崇光提到,要解決臺灣的 PM2.5 空污問題,減少衍生型 PM2.5 才是主線!

與黑碳、海鹽這些直接來自大自然或人為產生的「原生」微粒不同,大部分硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽和有機微粒是在大氣中經過複雜化學反應「衍生」而成的,因此稱為「衍生型 PM2.5」。

衍生型微粒的生成,除了需要有特定的前驅氣體,例如:SO2 氧化後產生硫酸鹽、NO2 氧化後產生硝酸鹽,以及有機氣體氧化後產生有機微粒等;還需要有促成反應的大氣氧化劑,例如:臭氧(O3)和氫氧自由基。

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這顯示出臺灣的 PM2.5 跟臭氧是一體兩面的空污難題。

由於高濃度的衍生型 PM2.5 在人類肉眼來看宛若煙霧一般,再加上是由一系列光化學反應而成,因此又稱為光化學煙霧。

洛杉磯是受光化學煙霧汙染的著名案例,大英百科全書提到,光化學煙霧又可稱為洛杉磯煙霧(Los Angeles smog)。圖/photos_mweber

中研院團隊過去幾年持續在臺灣地區進行的 PM2.5 的化學特徵調查,研究顯示,衍生型 PM2.5 在細懸浮微粒污染中佔據了非常大的比例(>70%)。然而可惜的是,礙於儀器技術的關係,團隊無法在全臺灣遍布監測 PM2.5 成分的儀器。

若是想要將不同來源的 PM2.5 化學成分準確即時的分析出來,這樣的儀器造價不菲。因此周崇光表示,在光化學煙霧的議題上,大氣科學家的目標並非獲得長期連續的監測資料,而是在關鍵的幾個研究站中,致力於找出光化學煙霧的基礎理論架構和反應機制,並協助政府機關制定防制策略。

中研院 2019 年 3 月曾在高屏地區的都市區進行 PM2.5 的化學特徵調查,共取樣 8 個地點,平均結果如上圖。銨鹽、硝酸鹽、硫酸鹽和有機微粒這些衍生型 PM2.5 的比例佔了七成以上,可看到都市區的硝酸鹽和有機微粒的比例有明顯增加。圖/研之有物

就在臺中!全臺第一座都市空氣污染研究站

為了釐清城市臭氧和 PM2.5 濃度變異的物理化學機制,中央研究院環變中心底下的空氣品質專題中心於 2021 年底,在臺中建立了全臺第一座整合都市氣象學和大氣化學的研究站,是國內目前最完整的大氣物理化學監測站。

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在這個研究站中,大氣科學家除了可以即時監測 PM2.5 的濃度,也可以掌握懸浮微粒的化學成分,包括量測揮發性有機物、二氧化氮、二氧化硫、一氧化氮、臭氧等微粒前驅污染物的濃度變化,藉此釐清都市空品的關鍵因子,協助研擬污染防制策略。

然而,為什麼要將研究站設立在臺中呢?周崇光表示,「無論是人口、能源、地理位置,還是大氣科學的角度,臺中均有著特殊的價值和意義」。

在空氣品質不佳的中西部之中,臺中不僅是人口數最多的都市,地理位置也讓臺中的邊界層條件具有相當高的複雜性,若能破解臺中盆地大氣環流的詳細機制,將對都市氣象學帶來可觀的突破,而臺中火力發電廠的污染和牽涉的能源議題,更是國內社會相當關注的重要焦點,因此,中研院空品專題中心最終決定將研究站設立於臺中。

中研院空品專題中心預計在三年後(2025 年),於臺中研究站取得第一階段的經驗和資料,隨後延伸應用至臺灣的其他城市,希望能透過學術研究與各單位協作逐步解決都市空氣品質的問題,突破當前空氣污染防制的瓶頸。

中央研究院空氣品質專題中心於 2021 年底,在臺中建立了全臺第一座都市空氣污染研究站,希望找出臺灣都市區空氣品質的關鍵因子。圖/周崇光
研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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《比宇宙更遠的地方》及其背後的科學——你不可不知的科幻動畫(一)
科學大抖宅_96
・2021/07/31 ・3920字 ・閱讀時間約 8 分鐘

我們距離宇宙有多遠?如果你開車往正上方的天空行駛,以高速公路的行車速度,一個小時就能抵達外太空。

大氣層與外太空的分界線,目前並沒有全球統一的認定標準。國際航空聯盟(Fédération Aéronautique Internationale, FAI)將其定為海平面上方 100 公里處;美國空軍、以及美國國家航空暨太空總署(NASA)則以海拔 80 公里為交界——這麼近的距離,根本簡簡單單開車就到了呀!(不要瞎掰好嗎)

相較於宇宙的近,南極雖然在地球上,但是對絕大多數人來說,距離卻相當遙遠。2007 年,日本前太空人毛利衛被招待至南極的昭和基地後,講了句感想:「只要數分鐘就能抵達宇宙,到昭和基地卻要花數天;簡直比宇宙還要遠呢。」《比宇宙更遠的地方》(宇宙よりも遠い場所)這部動畫作品,描述的就是一群高中女學生努力突破現實困難,來到比宇宙更遠的地方——南極的故事。

《比宇宙更遠的地方》宣傳照。

(以下微科學劇情雷)

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日本的南極觀測任務

《比宇宙更遠的地方》並不是刻板印象中的科幻片,劇情中沒有機器人、沒有太空船,也沒有外星人或宇宙基地;但它確實是有著紮實科學背景設定的幻想故事。主角們搭乘的破冰船企鵝饅頭號,設定上為退役的日本碎冰艦第二代「白瀨」(しらせ)改造而成;實際上,這艘日文名字發音跟主角之一相同的船,現今仍在服役,支援著日本的南極觀測任務。

現實世界的第二代白瀨。圖/wikipedia

至於動畫中,位於南極的昭和基地,也是完全參考自現實世界的昭和基地;其於 1957 年開設,目前仍為日本在南極的主要觀測基地。與劇情類似,南極地域觀測隊會不時跟日本當地,如博物館和各級學校等單位,進行衛星連線科普活動。以年為單位,每個梯次的觀測隊員約在百名以下,包括公家機關成員,以及民間專業人員;其中又區分成在南極待上一整年、每年二月交接的越冬隊,和只駐紮夏天期間的夏隊,以及少數的同行者(如記者、外國科學家、大學生等)。

可惜的是,到目前為止,南極地域觀測隊從來沒有女高中生參與;最年輕的成員為大學生。過去,女性觀測隊員鳳毛麟角,近年才有逐漸增加的趨勢,最多可達十幾人;而且,一直要到 2018 年,才首度有女性擔任隊長職務。在《比宇宙更遠的地方》裡,重要幹部/角色幾乎都是女性,一方面或許是為了跟主角們的性別身份呼應;另一方面,可能也是一種期許吧?

現實中的昭和基地看板。圖/wikipedia

南極的天文台

在動畫劇情中,觀測隊的重要目標,乃在南極內陸建立天文台;而現實世界裡,日本目前並沒有這樣的計畫,但確實有透過國際合作架設天文台的未來展望。

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現在於南極洲運作的天文望遠鏡,最有名的當屬美國阿蒙森–斯科特南極站(Amundsen-Scott South Pole Station)的南極望遠鏡(South Pole Telescope, SPT);它位於地理南極、海拔 2800 公尺的高原上,口徑 10 公尺,可觀測的電磁波段包括了微波、毫米/次毫米波,也是事件視界望遠鏡的參與機構之一。事件視界望遠鏡是全球性的大型望遠鏡陣列計畫,協調世界各地電波望遠鏡獨立觀測特定目標,再將數據整合,形成口徑等同地球一樣大的虛擬望遠鏡。2019 年事件視界望遠鏡所發布,轟動全球的超大質量黑洞 M87 觀測照片,即有來自南極望遠鏡的貢獻。

南極望遠鏡。圖/wikipedia

為什麼選擇在南極內陸進行天文觀測?

為什麼在南極建立天文台這麼重要呢?要做,在自己國家做不就好了嗎?《比宇宙更遠的地方》又為何要設定成,去南極內陸建天文台,而非建在靠海的昭和基地?事實上,位處南極洲中央的南極高原,擁有其他地方無可比擬的天文觀測優勢

因為空氣中的水分子會吸收電磁波(程度依波段而異),所以觀測某些特定電磁波段的望遠鏡,必須建在特別乾燥的地方,避免觀測結果受到水氣影響。南極氣候嚴寒,空氣中的水份極少;加上內陸高原平均海拔 3000 公尺,空氣稀薄又乾淨――這些因素都讓南極內陸的天文觀測,可以最大程度地避免地球大氣層的干擾。

不僅如此,在地理南極附近,每年有六個月的永夜,星星亦不會東升西落――意味著,天文台可以不間斷地連續進行觀測、獲取數據,不會受到打擾。

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阿蒙森–斯科特南極站座落在地理南極(紅線圈起來處);右上方黑框處可見昭和基地(Syowa)。圖/Wikipedia

南極的科學研究

不只黑洞觀測,南極的許多科學研究計畫都得到豐碩成果。1982 年,日本在昭和基地的越冬隊發現,南極上空的臭氧隨時間快速減少,甚至一度懷疑儀器出了問題。兩年後,觀測隊成員在研討會中發表調查結果,成為史上第一份南極臭氧層破洞的報告;《蒙特婁議定書》也才因此誕生,要求禁用氟氯碳化物等破壞臭氧層的化學物質。

臭氧層破洞的發現,於劇中(右上畫面)也有交代。圖/twitter

除了大氣層臭氧濃度的變化之外,南極也對我們理解遙遠過去的地球氣候貢獻卓著。眾所周知,南極大陸地表覆蓋著深厚的冰層,最厚處甚至超過 4 公里;它們是在漫長的歲月之中,逐漸堆積形成。換言之,在冰層的越深處,年代越久遠。藉由挖掘深層的冰柱樣本(稱為冰核,Ice Core),科學家就能分析出隱藏在冰裡的昔日氣候資訊,如當時氣溫和大氣的二氧化碳濃度等。目前人類挖出的冰核,最深超過三公里,可回溯至接近八十萬年前。

挖掘冰核的過程,以及冰核照片。圖/Nasa Earth Observatory

作為人類最後才踏足的大陸,南極帶給我們許多科研調查上的驚喜。至 2016 年為止,美國在南極找到約 22000 顆隕石,日本也回收超過 17000 塊隕石,對地質學研究貢獻甚鉅。在生命科學,如生態系觀察、環境污染調查、南極湖底苔蘚植被的發現等等,皆不容小覷。在物理學,目前有微中子(質量極小又難以和其他物質作用的次原子粒子)的大型觀測計畫正在進行。除了上述議題之外,還有其他諸多研究領域或主題,也在南極展開。

至於台灣,雖然本身並沒有南極的研究站,但科研人員可藉由跨國合作前往南極進行研究;如中央大學太空科學與工程學系的林映岑老師,就曾前往南極長駐一年,是目前國內唯一擁有南極研究經驗的女性科學家。此外,台灣也有為南極的部分研究設施貢獻過心力,像是事件視界望遠鏡的調校、台大物理系暨天文物理所的陳丕燊老師推動的微中子天文台「天壇陣列」(Askaryan Radio Array, ARA)等。

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一起去南極吧!

植基於現實中的南極科學考察活動,《比宇宙更遠的地方》以四位女高中生為主角,展開她們青春的一頁。主角們在破冰船上、在南極的生活種種,都顯示出動畫製作公司花了相當大的心力,做足功課,才能有如此忠實的呈現。

動畫中,科學性的設定不單是用來搭配全劇的布景,甚至也可以說是讓故事更顯真實的重要點綴:包括研究計畫可能面臨的人力、物力短缺,和計畫執行前的準備和訓練等,劇情中都有一定篇幅的交代。雖然就自己身為科學研究人員的角度來說,會覺得科學內容的說明太少,不夠過癮,但這畢竟是給大眾看的動畫――就科學調查活動的呈現、角色的塑造、以及劇情的娛樂性等不同面向,個人認為比例拿捏得很不錯。

以南極為目標的主角們,透過一次次的努力,克服困難,想方設法來到南極,還要面對許許多多人際關係的衝突與學習;隨著旅程的開始和結束,她們得到的不只是一段獨特的旅行經驗,也是每個人的成長,和彼此之間的友誼。《比宇宙更遠的地方》曾榮獲紐約時報「2018 年最優秀電視節目獎」;它沒有深奧難懂的設定、沒有燒腦的情節;以溫馨勵志的內容溫暖人心之餘,其細緻的南極生活刻畫,也讓人心神嚮往,恨不得親自去一趟南極了呢!

動畫中的破冰船,第二代白瀨。圖/IMDb

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科學大抖宅_96
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在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/