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《沙丘》的沙子是流體還是固體?——「顆粒體」的運動原理

研之有物│中央研究院_96
・2022/06/18 ・6628字 ・閱讀時間約 13 分鐘

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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/黃品維、簡克志
  • 美術設計/蔡宛潔

顆粒體如何流動?

流沙、土石流、穀倉的米……這些顆粒體,究竟是如何流動的?過去,科學界對於「顆粒流」的研究起步非常晚,也一直缺乏統整型的理論。中央研究院「研之有物」專訪院內物理研究所蔡日強副研究員,他長年研究顆粒體的運動行為,實驗室透過自創的顆粒軟球實驗,試圖找到全新的方法來描述顆粒流,並為固體與流體兩個歷史悠久的學術領域,搭建出一個溝通的橋梁!

從流沙到洗米:隨處可見的「顆粒體」

「顆粒體的流動」(Granular flows)聽起來或許有點生硬,但它其實是我們生活中常見的現象,像是在廚房裡洗米、攪拌咖啡豆、或是在工地攪動砂石,都是顆粒流的一種。而如果以人類文明的發展來說,從古時候建造金字塔、到現在火星探測器的著陸,也都有顆粒流的現象參與其中。

然而,即使顆粒流與我們息息相關,科學家對它的了解卻少之有少。究竟,顆粒體是怎麼流動的?有沒有一個方程式,可以描述顆粒流的行為?中研院物理所的蔡日強副研究員,長年進行顆粒體相關研究,這一次,他希望透過全新的實驗,解開顆粒體的流動之謎!

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要如何描述顆粒體的流動呢?是固體?還是流體?圖/iStock

萌芽階段的顆粒流研究

不管是固態力學或是流體力學領域,都是「百年老店」,已經累積了上百年的歷史。相較之下,顆粒流的研究非常年輕,僅僅是最近幾十年的事情而已。造成這樣的原因,除了顆粒流本身的複雜性之外,也是因為它的定位,一直處於「三不管地帶」。

顆粒流很特別,它像固體一樣,能夠堆疊、擠壓,可是又會有流動的行為,若只用固體或流體的角度切入,都很難完整描述這樣的現象。然而在學術圈,固體和流體兩大流派,經過上百年的發展,都有各自根深柢固的作法、解讀現象的方式,彼此之間存在著很大的鴻溝。

「在學術界,Solid(固體)的人講 Solid 的語言,Fluid(流體)的人講 Fluid 的語言,兩邊的溝通其實非常少!」蔡日強笑著說「我以前參加過一個應用力學大會,大會裡的會議名稱,直接分成兩種開頭,一種是 S、另一種是 F,擺明了他們討論事情的角度,不是固體就是流體。」

對顆粒流來說,這樣的二分法顯得非常尷尬。蔡日強認為,如果可以從固體與流體領域,各自吸取一些精髓,或許能夠連接兩個學派,用不一樣的角度研究顆粒流!

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如何研究「顆粒體的流動」?

為了瞭解顆粒體如何流動,蔡日強設計了一套獨特的實驗方法,可以分為「顆粒體」與「容器」兩個部分。

在「顆粒體」方面,蔡日強採用醫用材料(PDMS),製作出許多顆粒軟球,硬度接近橡皮擦、大小約一公分。為什麼會採用「軟」球來代表顆粒體呢?

過去,在物理學家的理論中,常常會把顆粒體視為「剛體」。然而,剛體的假設在理論上不僅無法呈現顆粒體被壓縮的情況;而且實驗上,也很容易遇到麻煩!

如果採用剛硬的顆粒體做實驗,在緊密排列時,很容易「卡死」,不只完全動不了,也很可能讓珍貴儀器損壞。為了讓顆粒體可以緊密排列,又不會完全卡死讓儀器動不了,可以擠壓、變形的顆粒軟球,就成為了最好的實驗材質。

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影片為實驗室展示用,實際操作時液體會淹沒顆粒軟球,保持液體折射率和軟球一致,以便用光學攝影機記錄內部軟球的運動情況[註1]
資料來源/研之有物
上圖為蔡日強展示顆粒軟球與填充液體折射率一致的情況。圖/研之有物

至於在「容器」方面,蔡日強在裡面設計了齒輪狀的錐形圓盤:上方的錐形圓盤連接馬達,可以不斷旋轉;齒輪狀可以咬住顆粒軟球,帶動容器內的顆粒軟球一起轉動。

設計成錐形的用意,則是可以讓容器內的顆粒體,不論在什麼位置,切變率(shear rate)都可以維持一致。簡單來說,錐形圓盤試圖讓讓整體流動盡可能「均勻」,讓相鄰顆粒之間的速度不至於落差太大[註2]

齒輪狀的錐形圓盤,為了讓軟球盡量保持一致的切變率。圖/研之有物

每一次的實驗,錐形圓盤都會進行定速轉動(固定角速度,Ω),施以所有顆粒軟球固定的切變率。同時,研究團隊也會記錄,在馬達固定轉速時,系統需要多大的轉矩來對抗馬達。但初步實驗即出現了非常匪夷所思的現象!

匪夷所思的實驗結果

顆粒軟球實驗的示意圖與記錄,不同顏色的曲線記錄了顆粒軟球在不同轉速下的轉矩變化。圖/研之有物(資料來源|蔡日強)

從上圖的實驗數據顯示,在低轉速時(Ω = 0.0001 rps),系統產生的轉矩最高;在高轉速時(Ω = 0.05 rps),產生的轉矩反而偏低。

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這是什麼意思呢?你可以想像你在攪拌一碗綠豆,當你攪得越慢,遇到的抵抗卻越大;攪得越快,遇到的抵抗反而越小,聽起來是不是有點不合常理?

更奇怪的是,在兩種轉速之間,也就是中等轉速(Ω = 0.005 rps)的時候,轉矩出現了不規則劇烈起伏。從圖中的藍線可以看到,轉矩一次又一次的爬升、跌落、再爬升、再跌落,就像小型地震一樣,出現了大規模的「集體崩落」!

從鏡頭中看崩落現象

團隊在實驗時同步攝影,儀器每轉一定的角度(比如:每萬分之一圈),就將顆粒流的剖面擷取成影像。

實驗時容器內部剖面的圓球運動情況,顆粒軟球有加螢光染料顯影。資料來源/蔡日強

接著,將相片中每一格像素轉為對應數值,分別與上一時刻的照片相減,來得出顆粒體與上一時刻間的「差分影像」。

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差分影像(State α):高轉速,承受轉矩小。其中:紅色表示顆粒由此側離開,藍色表示顆粒向此側接近。資料來源/蔡日強
差分影像(State T):中轉速,轉矩劇烈起伏,有集體崩落現象。其中:紅色表示顆粒由此側離開,藍色表示顆粒向此側接近。資料來源/蔡日強
差分影像(State β):低轉速,承受轉矩大。其中:紅色表示顆粒由此側離開,藍色表示顆粒向此側接近。資料來源/蔡日強

藉由這些時變圖,我們得以更明確地判讀顆粒體的運動方式,了解顆粒軟球位移的方向、快慢、範圍。從影像中可以看到,相較於高轉速與低轉速,在中等轉速時,確實出現了大規模顆粒球同時位移的現象,綜合以上的實驗數據和影像,團隊總結了幾個問題:

  1. 一般而言,流體在速度越快的時候,阻力會越大。然而在這次的實驗中,轉速越快、轉矩反而變小,跟過往認知不一樣。
  2. 中等轉速時,為何會出現集體崩落的現象?
  3. 有沒有什麼指標,可以預判集體崩落的出現?

這些問題,讓團隊當時感到十分頭痛,蔡日強回憶「剛開始我也覺得怪怪的,不過我們常說,如果你發現一件比較奇怪的事情,那只有兩種可能:一種是你弄錯了,另一種是真的有個新發現了!」

摩擦係數不是常數?

那麼,在顆粒流切變率加快的同時,究竟有什麼物理性質跟著改變了?

為了解決這些疑惑,團隊進行了許多獨立實驗。其中一個關鍵的實驗,就是量測顆粒軟球材質的「摩擦力」。他們採用同樣是 PDMS 材質的半圓柱棒,兩兩接觸並以不同切面速度(U)拖行,觀察過程中摩擦力的變化。

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橫軸是拖行速度,縱軸是磨擦係數(摩擦力/正向力)。圖/研之有物(資料來源|蔡日強)

結果發現,當拖行速度較慢的時候,摩擦係數大約保持在定值,基本上就跟大家過往的認知一樣。但有趣的是,當速度超過一個臨界速度(VC)之後,摩擦係數卻像是坐溜滑梯一樣開始下降,換言之,顆粒軟球的表面突然「變滑了」。

從這個實驗可以確定,摩擦係數並非定值,而是會隨著速度增加而改變的數值。其實,「摩擦係數不是常數」的概念,並非什麼驚天動地的新發現,但過去許多顆粒流的研究,卻忽略了這個基本現象,只把摩擦力當成一般常數看待。

「摩擦係數不是常數」並非新觀念,但大家似乎都忘記這件事了。

而當我們把這個概念,重新應用在顆粒流實驗時,那些匪夷所思的現象,突然都有了合理的解釋!根據團隊的推測,當錐形圓盤轉速加快,快到一定程度的時候,有些顆粒軟球之間的速度,可能已經超過了 VC,導致顆粒軟球摩擦係數下降,才會讓量到的轉矩降低。而「集體崩落」的發生也可能是如此。

崩落現象的風向球:「slipperiness」

有沒有可能推估,顆粒流系統在受力之後,到底會偏向固體?流體?或是發生崩落現象呢?

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為此,團隊創造了一個無因次量(不帶物理單位的參數),姑且稱為「slipperiness」,希望可以做為顆粒流行為的「預測指標」。

S 代表 slipperiness,定義為顆粒直徑(d)乘上切變率,再除以臨界速度(VC)。圖/研之有物

slipperiness 可以大略解讀成系統「平均而言有多滑」,代表了顆粒之間相對速度與臨界速度 VC 的大小關係,以及摩擦係數減損的程度。

換言之,如果 slipperiness 遠大於 1 ,代表大部分顆粒體之間的速度大於 VC,摩擦係數近乎消失,難以構成橫向的受力,呈現幾乎「自由」的滑動,在這種情況下,顆粒體之間的液體成為阻力的主角,顆粒體的行為會比較偏向「流體」。

反之,如果 slipperiness 遠小於 1,顆粒體之間相對滑動即使有,速度也都不高,這種情況下摩擦係數接近定值,顆粒體之間可以很容易「消化」所有方向的力,扮演好整個系統承力的主角,顆粒體的行為會比較偏向「固體」。

然而,如果 slipperiness 剛好「不大不小」,代表這兩種極端情形有可能混搭,以局部或整體的方式交錯產生。最戲劇化的事件就會是前述的「集體崩落」,更正式的名稱可叫做「間歇流」。這危險區間的確切範圍,則有待更多細節來決定。

但有了 slipperiness ,蔡日強團隊至少搭出了第一座「橋梁」,連結過去難以相容的兩種觀點來看待顆粒流:一端是摩擦力完全沒打折,可視為「固體」(solid);另外一端,則是顆粒間摩擦力喪失殆盡,已經「完全液化」,可視為「流體」(fluid)。

然而,顆粒流的兩個極端之間其實有相當的過渡地帶,並不在原來習以為常的學術傳統裡。

雖然已發表的實驗還是非常簡化的版本,但蔡日強表示希望能透過論文提醒大家「摩擦力會改變」這件事,也希望拋磚引玉,「讓固體跟流體兩個學術社群,能夠有更多的對話」。

研究的下一步

現階段,團隊正著手改良實驗儀器並設計更多延伸實驗。舉例來說,如果顆粒軟球不一樣大,會發生什麼事?如果顆粒軟球不是圓球,行為會如何改變?如果軟球之間開始壓得不夠緊密的時候,「間歇流」的現象是否消失?這些問題,都是研究團隊接下來想了解的。

藥丸形狀的顆粒也許是團隊下一階段的研究對象之一。圖/研之有物

團隊也正積極透過電腦模擬,研究顆粒體在「無重力、無液體,僅考慮接觸力」的理想環境下,會有什麼樣的流動行為。

蔡日強說道「在實體實驗中,我們只有六個感測器可以推算顆粒流系統的受力反應,但在電腦模擬實驗中,等於有上千個感測器可以蒐集數據,真的是太棒了!」每一顆小球的受力、接觸、旋轉、位移等,在模擬中都看得一清二楚,讓團隊有機會作進一步的推論。

此為電腦模擬在中等轉速下的顆粒流變化。顆粒球之間的彈性能以顏色長棒標示,愈偏紅色那端、彈性能愈大、球和球之間愈緊;愈偏藍色那端、彈性能愈小、球和球之間愈鬆,顏色間的能量級距高達 10 的數次方 。影片中可以看到顆粒球發生集體崩落現象的「瞬間」,原本有很多紅橘色長棒,崩落之後幾乎都變成藍或綠,但長棒的數量只有些微增加,顯示彈性能隨著崩落事件大量釋放。資料來源/蔡日強

下圖是團隊正在統整的「三態圖」,顆粒流有三大區塊,分別是「固態」、「液態」,以及下方的「氣態(懸浮態)」。在緊壓(高密度、高壓力)的狀況下,固態和液態兩極端之間呈現一條「危險走廊」,可看到此案例在 slipperiness 介於 0.001 到 1 之間,發生集體崩落的現象。

「顆粒體三態」的示意圖,縱軸為每顆球「接觸多少鄰居」的平均值,橫軸為 slipperiness。接觸鄰居愈多,表示顆粒之間愈密合。反之,若接觸鄰居低於 2,就很難維持力學結構了。介於固態(紅)和液態(綠)兩個極端之間的過渡帶(橘),正是前述「集體崩落」現象發生的地方,也就是「間歇流」!圖/研之有物(資料來源/蔡日強)

不久之前,蔡日強也開始翻閱地震相關的書籍,想要了解顆粒流「集體崩落」的現象,與真正的地震和土石流,是否有可以互相參照的可能性?蔡日強的期待是讓「顆粒流研究」成為物理學家走入現實世界領域的另一個起點。

「我們離真正的戰場還很遠」,蔡日強笑著說:「但這一切,才正要開始!」

蔡日強(左1)與研究團隊嘗試用新的方式描述顆粒流行為,並為固體與流體兩個歷史悠久的學術領域,搭建出溝通的橋樑。圖/研之有物

註解

  1. 液體折射率和軟球一致是為了讓光線走直線,而不被球的表面偏折。這些膠球還會加上螢光染料,以便在光學攝影機下觀察。
  2. 切變率:在此指的是顆粒水平速度隨高度的變化率,更廣泛的定義參見延伸閱讀〈流沙、地震、土石,與沙漏裡的物理:「動靜之間」〉。

延伸閱讀

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純淨之水的追尋—濾水技術如何改變我們的生活?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/04/17 ・3142字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文與 BRITA 合作,泛科學企劃執行。

你確定你喝的水真的乾淨嗎?

如果你回到兩百年前,試圖喝一口當時世界上最大城市的飲用水,可能會立刻放下杯子——那水的顏色帶點黃褐,氣味刺鼻,甚至還飄著肉眼可見的雜質。十九世紀倫敦泰晤士河的水,被戲稱為「流動的污水」,當時的人們雖然知道水不乾淨,但卻無力改變,導致霍亂和傷寒等疾病肆虐。

十九世紀倫敦泰晤士河的水,被戲稱為「流動的污水」(圖片來源 / freepik)

幸運的是,現代自來水處理系統已經讓我們喝不到這種「肉眼可見」的污染物,但問題可還沒徹底解決。面對 21 世紀的飲水挑戰,哪些技術真正有效?

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19 世紀的歐洲因為城市人口膨脹與工業發展,面臨了前所未有的水污染挑戰。當時多數城市的供水系統仍然依賴河流、湖泊,甚至未經處理的地下水,導致傳染病肆虐。

1854 年,英國醫生約翰·斯諾(John Snow)透過流行病學調查,發現倫敦某口公共水井與霍亂爆發直接相關,這是歷史上首次確立「飲水與疾病傳播的關聯」。這項發現徹底改變了各國政府對供水系統的態度,促使公衛政策改革,加速了濾水與消毒技術的發展。到了 20 世紀初,英國、美國等國開始在自來水中加入氯消毒,成功降低霍亂、傷寒等水媒傳染病的發生率,這一技術迅速普及,成為現代供水安全的基石。    

 19 世紀末的台灣同樣深受傳染病困擾,尤其是鼠疫肆虐。1895 年割讓給日本後,惡劣的衛生條件成為殖民政府最棘手的問題之一。1896 年,後藤新平出任民政長官,他本人曾參與東京自來水與下水道系統的規劃建設,對公共衛生系統有深厚理解。為改善台灣水源與防疫問題,他邀請了曾參與東京水道工程的英籍技師 W.K. 巴爾頓(William Kinnimond Burton) 來台,規劃現代化的供水設施。在雙方合作下,台灣陸續建立起結合過濾、消毒、儲水與送水功能的設施。到 1917 年,全台已有 16 座現代水廠,有效改善公共衛生,為台灣城市化奠定關鍵基礎。

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圖片來源/BRITA

進入 20 世紀,人們已經可以喝到看起來乾淨的水,但問題真的解決了嗎? 科學家如今發現,水裡仍然可能殘留奈米塑膠、重金屬、農藥、藥物代謝物,甚至微量的內分泌干擾物,這些看不見、嚐不出的隱形污染,正在成為21世紀的飲水挑戰。也因此,濾水技術迎來了一波科技革新,活性碳吸附、離子交換樹脂、微濾、逆滲透(RO)等技術相繼問世,各有其專長:

活性碳吸附:去除氯氣、異味與部分有機污染物

離子交換樹脂:軟化水質,去除鈣鎂離子,減少水垢

微濾技術逆滲透(RO)技術:攔截細菌與部分微生物,過濾重金屬與污染物等

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這些技術相互搭配,能夠大幅提升飲水安全,然而,無論技術如何進步,濾芯始終是濾水設備的核心。一個設計優良的濾芯,決定了水質能否真正被淨化,而現代濾水器的競爭,正是圍繞著「如何打造更高效、更耐用、更智能的濾芯」展開的。於是,最關鍵的問題就在於到底該如何確保濾芯的效能?

濾芯的壽命與更換頻率:濾水效能的關鍵時刻濾芯,雖然是濾水器中看不見的內部構件,卻是決定水質純淨度的核心。以德國濾水品牌 BRITA 為例,其濾芯技術結合椰殼活性碳和離子交換樹脂,能有效去除水中的氯、除草劑、殺蟲劑及藥物殘留等化學物質,並過濾鉛、銅等重金屬,同時軟化水質,提升口感。

然而,隨著市場需求的增長,非原廠濾芯也悄然湧現,這不僅影響濾水效果,更可能帶來健康風險。據消費者反映,同一網路賣場內便可輕易購得真假 BRITA 濾芯,顯示問題日益嚴重。為確保飲水安全,建議消費者僅在實體官方授權通路或網路官方直營旗艦店購買濾芯,避免誤用來路不明的濾芯產品讓自己的身體當過濾器。

辨識濾芯其實並不難——正品 BRITA 濾芯的紙盒下方應有「台灣碧然德」的進口商貼紙,正面則可看到 BRITA 商標,以及「4週換放芯喝」的標誌。塑膠袋外包裝上同樣印有 BRITA 商標。濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣,並且沒有拉環設計,底部則標示著創新科技過濾結構。購買時仔細留意這些細節,才能確保濾芯發揮最佳過濾效果,讓每一口水都能保證潔淨安全。

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濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣,並且沒有拉環設計 (圖片來源 / BRITA)

不過,即便是正品濾芯,其效能也非永久不變。隨著使用時間增加,濾芯的孔隙會逐漸被污染物堵塞,導致過濾效果減弱,濾水速度也可能變慢。而且,濾芯在拆封後便接觸到空氣,潮濕的環境可能會成為細菌滋生的溫床。如果長期不更換濾芯,不僅會影響過濾效能,還可能讓積累的微小污染物反過來影響水質,形成「過濾器悖論」(Filter Paradox):本應淨化水質的裝置,反而成為污染源。為此,BRITA 建議每四週更換一次濾芯,以維持穩定的濾水效果。

為了解決使用者容易忽略更換時機的問題,BRITA 推出了三大智慧提醒機制,確保濾芯不會因過期使用而影響水質:

1. Memo 或 LED 智慧濾芯指示燈:即時監測濾芯狀況,顯示剩餘效能,讓使用者掌握最佳更換時間。

2. QR Code 掃碼電子日曆提醒:掃描包裝外盒上的 QR Code 記錄濾芯的使用時間,自動提醒何時該更換,減少遺漏。

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3. LINE 官方帳號自動通知:透過 LINE 推送更換提醒,確保用戶不會因忙碌而錯過更換時機。

在濾水技術日新月異的今天,濾芯已不僅僅是過濾裝置,更是智慧監控的一部分。如何挑選最適合自己需求的濾水設備,成為了健康生活的關鍵。

人類對潔淨飲用水的追求,從未停止。19世紀,隨著城市化與工業化發展,水污染問題加劇並引發霍亂等疾病,促使濾水技術迅速發展。20世紀,氯消毒技術普及,進一步保障了水質安全。隨著科技進步,現代濾水技術透過活性碳、離子交換等技術,去除水中的污染物,讓每一口水更加潔淨與安全。

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(圖片來源 / BRITA)

今天,消費者不再單純依賴公共供水系統,而是能根據自身需求選擇適合的濾水設備。例如,BRITA 提供的「純淨全效型濾芯」與「去水垢專家濾芯」可針對不同需求,從去除餘氯、過濾重金屬到改善水質硬度等問題,去水垢專家濾芯的去水垢能力較純淨全效型濾芯提升50%,並通過 SGS 檢測,通過國家標準水質檢測「可生飲」,讓消費者能安心直飲。

然而,隨著環境污染問題的加劇,真正的挑戰在於如何減少水污染,並確保每個人都能擁有乾淨水源。科技不僅是解決問題的工具,更應該成為守護未來的承諾。濾水器不僅是家用設備,它象徵著人類與自然的對話,提醒我們水的純淨不僅是技術的勝利,更是社會的責任和對未來世代的承諾。

*符合濾(淨)水器飲用水水質檢測技術規範所列9項「金屬元素」及15項「揮發性有機物」測試
*僅限使用合格自來水源,且住宅之儲水設備至少每6-12個月標準清洗且無受汙染之虞

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AI 能像人類一樣思考?諾貝爾物理學獎研究助力人工智慧模擬人類大腦
PanSci_96
・2024/11/14 ・2117字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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即使再怎麼模仿,AI 終究無法以與生物相同的方式思考吧?畢竟電腦的電子元件和我們大腦中的神經細胞結構截然不同。再怎麼模仿,AI 終究無法以與生物相同的方式思考吧?

錯,可以。

2024 年諾貝爾物理學獎跌破所有專家的眼鏡,頒給了兩位研究機器學習的科學家——約翰·霍普菲爾德(John Hopfield)和傑佛瑞·辛頓(Geoffrey Hinton)。他們以「人工」的方法打造了類神經網路,最終模擬出生物的「智慧」,奠定了當代深度學習的基礎。

為什麼解決人工智慧發展瓶頸的,竟然會是物理學?物理要怎麼讓 AI 更像人類?

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從巴甫洛夫的狗到赫布理論:理解學習的基礎

為了解答這個疑問,我們需要一些背景知識。

20 世紀初,俄羅斯心理學家巴甫洛夫發現,狗在食物還沒入口前,就會開始分泌唾液。他進行了一系列實驗,改變食物出現前的環境,比如讓狗習慣在聽到鈴聲後馬上得到食物。久而久之,狗只要聽到鈴聲,就會開始分泌唾液。

大約 50 年後,神經科學家赫布(Donald Hebb)提出了一個假說:大腦中相近的神經元,因為經常同時放電,會產生更強的連結。這種解釋稱為「赫布理論」,不僅奠定了神經心理學的發展,更成為現代深度學習的基礎。

然而,赫布理論雖然描述了鄰近神經元的關係,卻無法解釋大腦如何建構出如此複雜的聯想網路。

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霍普菲爾德網路:物理學家對神經網路的貢獻

然而,赫布理論雖能描述神經元之間的關係,卻缺乏數學模型。物理學家約翰·霍普菲爾德從數學家約翰·康威(John Conway)的「生命遊戲」(Game of Life)中獲得靈感,試圖建立一個可以在電腦上運行的記憶系統。

霍普菲爾德受「生命遊戲」啟發,嘗試建立電腦記憶系統。圖/envato

「生命遊戲」由數學家康威(John Conway)發明,玩家開始時有一個棋盤,每個格子代表一個細胞,細胞可以是「活」或「死」的狀態。根據特定規則,細胞會根據鄰居的狀態決定下一次的生存狀態。康威的目的是展示複雜的系統不一定需要複雜的規則。

霍普菲爾德發現,這個遊戲與赫布理論有強大的關聯性。大腦中的大量神經元,在出生時處於初始狀態,經過刺激後,神經元間的連結會產生或斷裂,形成強大的記憶系統。他希望利用這些理論,創造一個能在電腦上運行的記憶系統。

然而,他面臨一個難題:赫布理論沒有明確的數學模型來決定神經元連結的規則。而在電腦上運行,必須要有明確的數學規則。

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物理學的啟發:易辛模型

霍普菲爾德從物理學的研究中找到了類似的模型:易辛模型(Ising Model)。這個模型用於解釋鐵磁性物質的磁性特性。

在鐵磁性物質中,電子具有「自旋」,自旋產生磁矩。電子的自旋方向只有「向上」或「向下」,這就像生命遊戲中細胞的「生」或「死」。鄰近的電子會影響彼此的自旋方向,類似於細胞之間的互動。

易辛模型能用數學描述電子間的相互影響,並通過計算系統能量,得出自旋狀態的分佈。霍普菲爾德借用了這個概念,將神經元的互動視為電子自旋的互動。

他結合了康威生命遊戲的時間演化概念、易辛模型的能量計算,以及赫布理論的動態連結,創造了「霍普菲爾德網路」。這讓電腦能夠模擬生物大腦的學習過程。

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突破瓶頸:辛頓與波茲曼機

約翰·霍普菲爾德於1982年發明聯想神經網路,即「霍普菲爾網路」。圖/wikimedia

然而,霍普菲爾德網路並非完美。它容易陷入「局部最小值」的問題,無法找到系統的全局最優解。為了解決這個問題,加拿大計算機科學家傑佛瑞·辛頓(Geoffrey Hinton)提出了「波茲曼機」(Boltzmann Machine)。

辛頓將「模擬退火」的概念引入神經網路,允許系統以一定的機率跳出局部最小值,尋找全局最優解。他還引入了「隱藏層」的概念,將神經元分為「可見層」和「隱藏層」,提高了網路的學習能力。

受限波茲曼機(Restricted Boltzmann Machine)進一步簡化了模型,成為深度學習的基礎結構之一。這些創新使得 AI 能夠更有效地模擬人類的思維和學習過程。

AI 的未來:跨學科的融合

霍普菲爾德和辛頓的工作,將物理學的概念成功應用於人工智慧。他們的研究不僅解決了 AI 發展的瓶頸,還奠定了深度學習的基礎,對現代 AI 技術產生了深遠的影響。因此,2024 年諾貝爾物理學獎頒給他們,並非意外,而是對他們在跨學科領域的重大貢獻的肯定。

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AI 的發展,離不開物理學、生物學、數學等多學科的融合。霍普菲爾德和辛頓的工作,正是這種融合的典範。未來,隨著科學技術的進步,我們有理由相信,AI 將越來越接近人類的思維方式,甚至可能超越我們的想像。

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高速移動的話時間流速會不一樣嗎?時間暫停是可能的嗎?——《關於宇宙我們什麼都不知道》
天下文化_96
・2023/11/08 ・2746字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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我們都感覺到相同的時間嗎?

在二十世紀之前,科學認為時間是普適的:每個人和宇宙中的一切,都感覺到相同時間。那時的假設是,你如果在宇宙裡四處擺滿了一模一樣的時鐘,那麼每個時鐘在任何時刻都會顯示相同時間。畢竟,這就是我們在日常生活中遇到的情況。想像一下,如果每個人的鐘都以不同的速度奔跑,會是多麼混亂!

但後來,愛因斯坦的相對論把空間與時間結合成「時空」*1 概念,改變了一切。愛因斯坦強調,移動中的時鐘運行速度較慢。如果你以接近光速行駛至附近的星星,那麼你體驗的時間,將遠遠少於在地球上的時間。這並不是說你覺得時間過得很慢,像是「駭客任務」中的慢動作鏡頭那樣,而是說地球上的人和時鐘測量到的時間,會比宇宙飛船上的時鐘量到的更長。我們都以同樣的方式(以每秒一秒的節奏)體驗時間,但是如果我們彼此以相對高速移動,我們的時鐘就不會同步。

在瑞士的某個地方,製錶師剛剛心臟病發作。

一模一樣的時鐘卻以不同速度運行,似乎違背了所有的邏輯論證,但宇宙就是這樣運行的。我們知道這是真的,因為我們己經在日常生活中見證了。你的手機(或汽車、飛機)上的 GPS 接收器,會假定繞地球跑的 GPS 衛星時間走得較慢(衛星以每小時數千里的速度,在受地球巨大質量彎曲的空間中移動)。沒有這些資訊,你的 GPS 設備將無法從衛星傳輸的信號中,精確的同步和進行三角定位。關鍵是當宇宙遵循某個邏輯法則時,這些法則有時不見得如你所想。以這個案例來說,宇宙有個最高速限:光速。根據愛因斯坦的相對論,沒有任何東西、資訊甚至是外送披薩的旅行速率,可以比光跑得快。這個速率(每個時段所移動的距離)的絕對上限,會產生一些奇怪後果,並挑戰我們的時間概念。

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首先,先確定我們了解這個速率限制是如何運作的。最重要的規則是:從任何角度來衡量任何人的速率時,這個速率限制都必須適用。我們說沒有什麼東西可以比光速還快時,無論你用什麼觀點來看,就是「沒有」。

所以我們來做個簡單的思考實驗。假設你坐在沙發上並打開手電筒。對你來說,手電筒的光線以光速遠離你。不過,我們是否可以把你的沙發綁在火箭上,點燃火箭然後讓沙發以驚人的速度移動呢?如果此時你打開手電筒,會發生什麼事?如果把手電筒指向火箭前方,光線是否以光速再加上火箭的速率移動呢?

我們將在第十章〈我們能以超光速移動嗎?〉花更多時間在這些想法上。但重要的是,為了讓所有觀察者(在火箭上的你和我們其他在地球上的人)看到,手電筒的光線都是以光速移動的,於是某些東西必須改變,這個東西就是「時間」。

為了幫助你理解這個概念,讓我們回到把時間當做時空第四維度的想法。這個想法有助於想像物體如何穿越時間和空間,而把宇宙速限應用在你的總速率上。如果你坐在地球上的沙發裡,你沒有穿越空間(相對於地球)的速率,所以你穿越時間的速率可以很高。

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但如果你坐在火箭上,對地球而言,火箭的移動速度接近光速,那麼你穿越空間的速率是非常高的。因此,為了讓你穿越時空的總速率在相對於地球時,保持在宇宙速限之內,你的時間速率必須減少,在此所有的速率量測都使用地球上的時鐘。

還讀得下去嗎?

對於不同人可以回報不同時間長度,你可能很難接受,但這是宇宙的運作方式。更奇怪的是,人們可能會在某些情況下,看到事件以不同順序發生,而且都是正確的。舉例來說,兩位誠實的觀察者,如果以非常不同的速度移動,他們會對誰贏得直線競速賽有不同的看法。

如果你的寵物美洲駝和雪貂進行賽跑,那麼,依據你的移動速度和相對於比賽場地的距離,你可以看到心愛的美洲駝或雪貂贏得比賽。每隻寵物都會有屬於自己事件的版本,如果你的祖母能夠以接近光速的速率移動,她看到的比賽結果可能完全不同。而且,所有人都是正確的!(不過要注意的是,每個人的時間起始點都不相同。)

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圖/《關於宇宙我們什麼都不知道》

我們喜歡認為宇宙有絕對真實的歷史,所以不同人可以體驗不同的時間,是令人難以接受的想法。我們可以想像,原則上有人可以寫下宇宙至今發生的每一件事(這會是非常冗長的故事而且大半都超級無聊)。如果這故事存在,那麼每個人都可以根據自己的經驗來進行檢查,除非是無心之過或視力模糊,每個人讀的故事應該要一致。但愛因斯坦的相對論使得一切都是相對的,所以不同觀察者對於宇宙裡事件的先後順序,會有不同的描述。

最終我們必須放棄宇宙有絕對單一時鐘存在的想法。雖然因此我們有時會遇到違反直覺且看似荒謬的領域,但驚人的是,這種看待時間的方式已測試為真。與許多物理革命一樣,我們被迫拋棄自我的直覺,並遵循受時間主觀意識影響較小的數學之道。

時間會停止嗎?

打從一開始,人們就想排除時間會停止的概念。時間除了向前,我們從未見過它做過其他事,既然如此,時間怎麼可能還有別的選項呢?由於我們本來就不清楚為什麼時間要前進,所以很難自信的說,時間向前是永恆真理。

一些物理學家相信,時間的「箭頭」是根據熵必須增加的法則所決定。也就是說,時間的方向與熵增加的方向相同。但如果這是真的,當宇宙達到最大熵時會發生什麼事?在這樣的宇宙裡,一切都將處於平衡而且不能創造秩序。那麼,時間會在這一點停下來嗎?還是時間不再有意義?一些哲學家猜測,在這個時刻,時間的箭頭和熵增加的法則可能會逆轉過來,導致宇宙縮小到一個微小奇點。不過,這個說法比較像是深夜裡藥吃多了後激發的猜測,而不是實際的科學預測。

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還有理論提出大霹靂創造了兩個宇宙,一個時間向前流逝,一個時間向後奔流。更瘋狂的理論則提出時間不只一個方向。為什麼不呢?我們可以在三個(或更多)空間方向中移動,為什麼不能有兩個或更多的時間方向?真相為何?如往常一樣,我們不知道。

註解

  1. 愛因斯坦的天才並沒有展現在為事物命名上面。

——本文摘自《關於宇宙我們什麼都不知道》,2023 年 9 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

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天下文化_96
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