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科學家意外發現的晶體與它的藝術美學

dr. i
・2014/08/25 ・2812字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 531 ・七年級

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(本文同時刊載於 dr. i 部落格 Facebook

一個平凡的下午,工作累了捧著一杯剛煮好的咖啡走到陽台,看到的是對面大樓外牆排列得井然有序的長方形窗戶,和陽台邊的柵欄,一樣是有規律地重複著同樣的間隔。環顧我們的生活空間,好像規律性的結構無所不在,例如樑柱、磚瓦和地磚等等的各種人造物體,很容易地讓人誤以為只要是有規律的結構,一定就是人造的。而大自然中難道就不存在這樣的規律嗎?其實有的,最典型的例子就是晶體(Crystal)。

什麼是晶體?講講生活中常見的例子很多,料理中常用到的糖和鹽都是晶體,還有金屬、水晶和寶石等等。

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圖 1 鹽的晶體

意外發現不凡的晶體

一般人認為,晶體是所有固體最基本的特徵,並且是由「原子或分子按照一定的週期性,在空間排列成具有一定規則的幾何外形的固體。」至少很多教科書都還是這麼寫著。

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但是在1982年的一項發現,顛覆了這個說法,而這個發現就是「準晶體(Quasicrystal)」。

1982年四月的一天早晨,當時在美國標準技術研究所(NIST)客座研究的以色列籍科學家丹.舍特曼(Dan Shechtman)在實驗室中用晶體學觀測鋁錳合金時,發現了一個不可能出現的繞射圖(圖2)。繞射圖是材料學家常用的一種技術,他們用高能量的光線像是X射線或是電子束照在晶體上,當這些光線穿透過晶體後打在螢幕上,所得到的就是晶體繞射圖,而分析它就能夠得知這個晶體的型狀和結構。

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圖2 舍特曼在實驗室所觀測到的晶體繞涉圖(左圖),分析過後可見五角形的結構(右圖)

話說回來,為什麼舍特曼所觀察到的繞射圖不可能出現呢?因為長久以來,科學家認為晶體必須要是有週期性地排列,才能延續性地填滿整個平面或空間,而如圖3所示,某些幾何形狀像是五角形是不可能週期性地排列,所以被認定無法成為晶體。而舍特曼在實驗室裡看到的繞射圖顯示晶體擁有五角形的對稱性,正是先前科學家認為不可能存在的晶體結構。

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圖3 中看的出來3、4和6角形都可以週期性地延伸,但五角形卻沒辦法。

舍特曼十分瞭解這個發現所蘊涵的意義,當下很興奮地從實驗室衝到外面走廊上,找人想要分享這個天大的消息,但是走廊上空無一人,他只好再乖乖地回實驗室做進一步地確認。接下來不管他用什麼方式去確認,證據都確實顯示了這個突破性的發現。

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 排山倒海而來的質疑

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圖4 以色列籍科學家丹.舍特曼

若你以為科學界會因為舍特曼的發現而歡聲雷動,那可就大錯特錯。當時所有科學家都強烈斥駁他的實驗結果,很多人第一時間斷定是實驗出錯才有可能得到這個結果。

而接下來兩年的時間,他不斷辛苦地捍衛自己的實驗結果,並持續承受其他科學家包括同事們的批評甚至輕蔑,嚴重到當時研究機構的負責人將他趕出團隊,認為整個團隊因他而蒙羞。另一位強烈的反對者是鼎鼎大名的物理學家,並且得過諾貝爾獎兩次的萊納斯.鮑林(Linus Pauling),他到死前都公開嚴厲地反對特舍曼的研究主張。

一直到兩年後,才陸續有科學家願意接受他的發現,並提出佐證。後續研究顯示,原來該晶體的結構跟另一種數學家所發現的結構相同,叫做「潘洛斯圖案(Penrose Tiling)」(圖5)。

penrosetiling
圖5 潘洛斯圖案(Penrose tiling)

準晶體的特性

潘洛斯圖案(圖5)是由英國劍橋大學的數學物理學家羅傑.潘洛斯(Roger Penrose)所發現。這個圖案有什麼樣的特性呢?其中很重要的就是它的對稱性。

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這個世界所存在的對稱性分為三種,第一種對稱是所謂的「平移對稱(Translational symmetry)」,就是把一個圖案往某方向直線移動,如果它能和原來的圖案重疊,我們就說它有平移對稱性。除了平移對稱外,還有「旋轉對稱(Rotational symmetry)」和「鏡像對稱(Reflection Symmetry)」,前者是指你可以對著某中心旋轉圖案某固定角度,它能和原來的圖案重疊,而後者是指將圖案對著一條線對折後,圖案可以重疊。所有的對稱都可以用這三個項目來分類。

很特別地,潘洛斯圖案具有「五角形旋轉對稱(5-fold rotational symmetry)」和「鏡像對稱」,但是卻沒有「平移對稱」,也就是說它沒有一般科學家對於晶體所要求的週期性。這個圖形全由兩種菱形不斷地拼接而成,而且如果有人在一個固定面積裡數這兩種菱形的數目,它們的比例會剛好趨近於著名的「黃金比例(Golden Ratio)」。

舍特曼的實驗終於漸漸地被世界各地的科學家重複,並找到相同的結論。事實上很多人曾經觀測到它,但是卻因為不相信自己實驗的結果而放棄深入追究,所以這也告訴了我們相信自己的實驗是多麼重要。

後來科學家們不只驗證了舍特曼是對的,他們更發現了自然界中更多種合金材料有著相同的結構和對稱性,為了有別於以前傳統科學家對於晶體所下的定義,他們稱這種非週期性的晶體為「準晶體(Quasicrystal)」。科學家並發現,有擁這種結構晶體的合金材料特別堅硬。

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quasicrystal
圖6 準晶體材料表面的模擬圖。

這個革命性的發現改寫了所有的教科書。1992年國際晶體學協會把原先對於晶體的定義:「一個由原子、分子或離子,規律且重複性排列所組成的三維圖形」正式改為「任何具有干涉條紋的固體(Any solid having an essentially discrete diffraction pattern)」。舍特曼也因此在2011年獲得諾貝爾化學獎。

藝術與設計

造型和結構均是藝術和設計中不可或缺的元素,不管藝術家對什麼結構有興趣,它一定也被科學家研究過,反之亦然。因此,常常會看到晶體在藝術作品中出現。準晶體特別的對稱性讓它看起來不規律,但其中又暗藏著規律,是很多藝術家或設計師喜歡的圖案,也可以說是科學和藝術交匯的最佳範例。

台灣也看得到由準晶體所啓發的藝術作品。dr. i 今年(2014)在台北信義區的五星級飯店「寒舍艾美酒店(Le Meridien Taipei)」(台北市信義區松仁路38號) 內的一樓大廳,完成了一項動態光雕作品《潘洛斯之夢》,歡迎有興趣的讀者可以前去觀賞!

作品說明:「藝術家以英國天文物理學家羅傑.潘洛斯的潘洛斯圖案為發想,特地為台北寒舍艾美酒店量身設計的動態光影裝置。畫面由兩種平行四邊形所組成,圖案的律動與組合無限延伸,呈現科學與藝術的跨領域交匯,以及藝術家對宇宙間美麗定律的探索。」

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Camera 360

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台北寒舍艾美酒店一樓大廳由筆者所設計之動態光影藝術(by 劉辰岫)
ostwald
皇家墨爾本科技學院(by Michael J. Ostwald)
penrose.tiles
皇家墨爾本科技學院(by Michael J. Ostwald)

參考文獻:

  1. The Nobel Prize in Chemistry 2011
  2. N. G. de Bruijn, “Algebraic theory of Penrose’s non-periodic tilings of the plane”, Mathematics, Proceedings A 84, 1, (1981)
  3. A. L. Mackay, “Crystallography and the Penrose pattern”, Physica 114A, 609, (1982)
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文章難易度
dr. i
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小時候的啓蒙師父是小叮噹,偶像是馬蓋先,並崇拜發明燈泡的愛迪生,當時志向是發明會飛的車。在歐洲旅居十二年後回台灣,目前投身科技與藝術的跨界整合以及科學教育和傳播,現任國立台灣師範大學科技與文創講座兼任助理教授。dr. i 一輩子最大的幻想,是能夠使用時光機和隱形風衣。如果您恰巧擁有其中一項,請拜託用以下的連絡方式連絡!http://facebook.com/newartandscience

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拆解邊緣AI熱潮:伺服器如何提供穩固的運算基石?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/05/21 ・5071字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文與 研華科技 合作,泛科學企劃執行。

每次 NVIDIA 執行長黃仁勳公開發言,總能牽動整個 AI 產業的神經。然而,我們不妨設想一個更深層的問題——如今的 AI 幾乎都倚賴網路連線,那如果哪天「網路斷了」,會發生什麼事?

想像你正在自駕車打個盹,系統突然警示:「網路連線中斷」,車輛開始偏離路線,而前方竟是萬丈深谷。又或者家庭機器人被駭,開始暴走跳舞,甚至舉起刀具向你走來。

這會是黃仁勳期待的未來嗎?當然不是!也因為如此,「邊緣 AI」成為業界關注重點。不靠雲端,AI 就能在現場即時反應,不只更安全、低延遲,還能讓數據當場變現,不再淪為沉沒成本。

什麼是邊緣 AI ?

邊緣 AI,乍聽之下,好像是「孤單站在角落的人工智慧」,但事實上,它正是我們身邊最可靠、最即時的親密數位夥伴呀。

當前,像是企業、醫院、學校內部的伺服器,個人電腦,甚至手機等裝置,都可以成為「邊緣節點」。當數據在這些邊緣節點進行運算,稱為邊緣運算;而在邊緣節點上運行 AI ,就被稱為邊緣 AI。簡單來說,就是將原本集中在遠端資料中心的運算能力,「搬家」到更靠近數據源頭的地方。

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那麼,為什麼需要這樣做?資料放在雲端,集中管理不是更方便嗎?對,就是不好。

當數據在這些邊緣節點進行運算,稱為邊緣運算;而在邊緣節點上運行 AI ,就被稱為邊緣 AI。/ 圖片來源:MotionArray

第一個不好是物理限制:「延遲」。
即使光速已經非常快,數據從你家旁邊的路口傳到幾千公里外的雲端機房,再把分析結果傳回來,中間還要經過各種網路節點轉來轉去…這樣一來一回,就算只是幾十毫秒的延遲,對於需要「即刻反應」的 AI 應用,比如說工廠裡要精密控制的機械手臂、或者自駕車要判斷路況時,每一毫秒都攸關安全與精度,這點延遲都是無法接受的!這是物理距離與網路架構先天上的限制,無法繞過去。

第二個挑戰,是資訊科學跟工程上的考量:「頻寬」與「成本」。
你可以想像網路頻寬就像水管的粗細。隨著高解析影像與感測器數據不斷來回傳送,湧入的資料數據量就像超級大的水流,一下子就把水管塞爆!要避免流量爆炸,你就要一直擴充水管,也就是擴增頻寬,然而這樣的基礎建設成本是很驚人的。如果能在邊緣就先處理,把重要資訊「濃縮」過後再傳回雲端,是不是就能減輕頻寬負擔,也能節省大量費用呢?

第三個挑戰:系統「可靠性」與「韌性」。
如果所有運算都仰賴遠端的雲端時,一旦網路不穩、甚至斷線,那怎麼辦?很多關鍵應用,像是公共安全監控或是重要設備的預警系統,可不能這樣「看天吃飯」啊!邊緣處理讓系統更獨立,就算暫時斷線,本地的 AI 還是能繼續運作與即時反應,這在工程上是非常重要的考量。

所以你看,邊緣運算不是科學家們沒事找事做,它是順應數據特性和實際應用需求,一個非常合理的科學與工程上的最佳化選擇,是我們想要抓住即時數據價值,非走不可的一條路!

邊緣 AI 的實戰魅力:從工廠到倉儲,再到你的工作桌

知道要把 AI 算力搬到邊緣了,接下來的問題就是─邊緣 AI 究竟強在哪裡呢?它強就強在能夠做到「深度感知(Deep Perception)」!

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所謂深度感知,並非僅僅是對數據進行簡單的加加減減,而是透過如深度神經網路這類複雜的 AI 模型,從原始數據裡面,去「理解」出更高層次、更具意義的資訊。

研華科技為例,旗下已有多項邊緣 AI 的實戰應用。以工業瑕疵檢測為例,利用物件偵測模型,快速將工業產品中的瑕疵挑出來,而且由於 AI 模型可以使用同一套參數去檢測,因此品管上能達到一致性,減少人為疏漏。尤其在高產能工廠中,檢測速度必須快、狠、準。研華這套 AI 系統每分鐘最高可處理 8,000 件產品,替工廠節省大量人力,同時確保品質穩定。這樣的效能來自於一台僅有膠囊咖啡機大小的邊緣設備—IPC-240。

這樣的效能來自於一台僅有膠囊咖啡機大小的邊緣設備—IPC-240。/ 圖片提供:研華科技

此外,在智慧倉儲場域,研華與威剛合作,研華與威剛聯手合作,在 MIC-732AO 伺服器上搭載輝達的 Nova Orin 開發平台,打造倉儲系統的 AMR(Autonomous Mobile Robot) 自走車。這跟過去在倉儲系統中使用的自動導引車 AGV 技術不一樣,AMR 不需要事先規劃好路線,靠著感測器偵測,就能輕鬆避開障礙物,識別路線,並且將貨物載到指定地點存放。

當然,還有語言模型的應用。例如結合檢索增強生成 ( RAG ) 跟上下文學習 ( in-context learning ),除了可以做備忘錄跟排程規劃以外,還能將實務上碰到的問題記錄下來,等到之後碰到類似的問題時,就能詢問 AI 並得到解答。

你或許會問,那為什麼不直接使用 ChatGPT 就好了?其實,對許多企業來說,內部資料往往具有高度機密性與商業價值,有些場域甚至連手機都禁止員工帶入,自然無法將資料上傳雲端。對於重視資安,又希望運用 AI 提升效率的企業與工廠而言,自行部署大型語言模型(self-hosted LLM)才是理想選擇。而這樣的應用,並不需要龐大的設備。研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,體積僅如後背包大小,卻能輕鬆支援語言模型的運作,實現高效又安全的 AI 解決方案。

但問題也接著浮現:要在這麼小的設備上跑大型 AI 模型,會不會太吃資源?這正是目前 AI 領域最前沿、最火熱的研究方向之一:如何幫 AI 模型進行「科學瘦身」,又不減智慧。接下來,我們就來看看科學家是怎麼幫 AI 減重的。

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語言模型瘦身術之一:量化(Quantization)—用更精簡的數位方式來表示知識

當硬體資源有限,大模型卻越來越龐大,「幫模型減肥」就成了邊緣 AI 的重要課題。這其實跟圖片壓縮有點像:有些畫面細節我們肉眼根本看不出來,刪掉也不影響整體感覺,卻能大幅減少檔案大小。

模型量化的原理也是如此,只不過對象是模型裡面的參數。這些參數原先通常都是以「浮點數」表示,什麼是浮點數?其實就是你我都熟知的小數。舉例來說,圓周率是個無窮不循環小數,唸下去就會是3.141592653…但實際運算時,我們常常用 3.14 或甚至直接用 3,也能得到夠用的結果。降低模型參數中浮點數的精度就是這個意思! 

然而,量化並不是那麼容易的事情。而且實際上,降低精度多少還是會影響到模型表現的。因此在設計時,工程師會精密調整,確保效能在可接受範圍內,達成「瘦身不減智」的目標。

當硬體資源有限,大模型卻越來越龐大,「幫模型減肥」就成了邊緣 AI 的重要課題。/ 圖片來源:MotionArray

模型剪枝(Model Pruning)—基於重要性的結構精簡

建立一個 AI 模型,其實就是在搭建一整套類神經網路系統,並訓練類神經元中彼此關聯的參數。然而,在這麼多參數中,總會有一些參數明明佔了一個位置,卻對整體模型沒有貢獻。既然如此,不如果斷將這些「冗餘」移除。

這就像種植作物的時候,總會雜草叢生,但這些雜草並不是我們想要的作物,這時候我們就會動手清理雜草。在語言模型中也會有這樣的雜草存在,而動手去清理這些不需要的連結參數或神經元的技術,就稱為 AI 模型的模型剪枝(Model Pruning)。

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模型剪枝的效果,大概能把100變成70這樣的程度,說多也不是太多。雖然這樣的縮減對於提升效率已具幫助,但若我們要的是一個更小幾個數量級的模型,僅靠剪枝仍不足以應對。最後還是需要從源頭著手,採取更治本的方法:一開始就打造一個很小的模型,並讓它去學習大模型的知識。這項技術被稱為「知識蒸餾」,是目前 AI 模型壓縮領域中最具潛力的方法之一。

知識蒸餾(Knowledge Distillation)—讓小模型學習大師的「精髓」

想像一下,一位經驗豐富、見多識廣的老師傅,就是那個龐大而強悍的 AI 模型。現在,他要培養一位年輕學徒—小型 AI 模型。與其只是告訴小型模型正確答案,老師傅 (大模型) 會更直接傳授他做判斷時的「思考過程」跟「眉角」,例如「為什麼我會這樣想?」、「其他選項的可能性有多少?」。這樣一來,小小的學徒模型,用它有限的「腦容量」,也能學到老師傅的「智慧精髓」,表現就能大幅提升!這是一種很高級的訓練技巧,跟遷移學習有關。

舉個例子,當大型語言模型在收到「晚餐:鳳梨」這組輸入時,它下一個會接的詞語跟機率分別為「炒飯:50%,蝦球:30%,披薩:15%,汁:5%」。在知識蒸餾的過程中,它可以把這套機率表一起教給小語言模型,讓小語言模型不必透過自己訓練,也能輕鬆得到這個推理過程。如今,許多高效的小型語言模型正是透過這項技術訓練而成,讓我們得以在資源有限的邊緣設備上,也能部署愈來愈強大的小模型 AI。

但是!即使模型經過了這些科學方法的優化,變得比較「苗條」了,要真正在邊緣環境中處理如潮水般湧現的資料,並且高速、即時、穩定地運作,仍然需要一個夠強的「引擎」來驅動它們。也就是說,要把這些經過科學千錘百鍊、但依然需要大量計算的 AI 模型,真正放到邊緣的現場去發揮作用,就需要一個強大的「硬體平台」來承載。

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邊緣 AI 的強心臟:SKY-602E3 的三大關鍵

像研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,就是扮演「邊緣 AI 引擎」的關鍵角色!那麼,它到底厲害在哪?

一、核心算力
它最多可安裝 4 張雙寬度 GPU 顯示卡。為什麼 GPU 這麼重要?因為 GPU 的設計,天生就擅長做「平行計算」,這正好就是 AI 模型裡面那種海量數學運算最需要的!

你想想看,那麼多數據要同時處理,就像要請一大堆人同時算數學一樣,GPU 就是那個最有效率的工具人!而且,有多張 GPU,代表可以同時跑更多不同的 AI 任務,或者處理更大流量的數據。這是確保那些科學研究成果,在邊緣能真正「跑起來」、「跑得快」、而且「能同時做更多事」的物理基礎!

二、工程適應性——塔式設計。
邊緣環境通常不是那種恆溫恆濕的標準機房,有時是在工廠角落、辦公室一隅、或某個研究實驗室。這種塔式的機箱設計,體積相對緊湊,散熱空間也比較好(這對高功耗的 GPU 很重要!),部署起來比傳統機架式伺服器更有彈性。這就是把高性能計算,進行「工程化」,讓它能適應台灣多樣化的邊緣應用場景。

三、可靠性
SKY-602E3 用的是伺服器等級的主機板、ECC 糾錯記憶體、還有備援電源供應器等等。這些聽起來很硬的規格,背後代表的是嚴謹的工程可靠性設計。畢竟在邊緣現場,系統穩定壓倒一切!你總不希望 AI 分析跑到一半就掛掉吧?這些設計確保了部署在現場的 AI 系統,能夠長時間、穩定地運作,把實驗室裡的科學成果,可靠地轉化成實際的應用價值。

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研華的 SKY-602E3 塔式 GPU 伺服器,體積僅如後背包大小,卻能輕鬆支援語言模型的運作,實現高效又安全的 AI 解決方案。/ 圖片提供:研華科技

台灣製造 × 在地智慧:打造專屬的邊緣 AI 解決方案

研華科技攜手八維智能,能幫助企業或機構提供客製化的AI解決方案。他們的技術能力涵蓋了自然語言處理、電腦視覺、預測性大數據分析、全端軟體開發與部署,及AI軟硬體整合。

無論是大小型語言模型的微調、工業瑕疵檢測的模型訓練、大數據分析,還是其他 AI 相關的服務,都能交給研華與八維智能來協助完成。他們甚至提供 GPU 與伺服器的租借服務,讓企業在啟動 AI 專案前,大幅降低前期投入門檻,靈活又實用。

台灣有著獨特的產業結構,從精密製造、城市交通管理,到因應高齡化社會的智慧醫療與公共安全,都是邊緣 AI 的理想應用場域。更重要的是,這些情境中許多關鍵資訊都具有高度的「時效性」。像是產線上的一處異常、道路上的突發狀況、醫療設備的即刻警示,這些都需要分秒必爭的即時回應。

如果我們還需要將數據送上雲端分析、再等待回傳結果,往往已經錯失最佳反應時機。這也是為什麼邊緣 AI,不只是一項技術創新,更是一條把尖端 AI 科學落地、真正發揮產業生產力與社會價值的關鍵路徑。讓數據在生成的那一刻、在事件發生的現場,就能被有效的「理解」與「利用」,是將數據垃圾變成數據黃金的賢者之石!

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【2011 諾貝爾化學獎】與確立的知識奮戰:黃金比例的晶體——準晶體
諾貝爾化學獎譯文_96
・2022/07/03 ・5569字 ・閱讀時間約 11 分鐘

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本文轉載自諾貝爾化學獎專題系列,原文為《【2011諾貝爾化學獎】具有黃金比例的晶體 — 準晶

  • 譯者/蔡蘊明|台大化學系名譽教授
  • 圖/曹一允|美國德州農工大學 Karen Wooley 教授指導下取得博士,現於日本萊雅公司進行研究。

十重對稱的黃金比例

當丹尼.謝西曼(Daniel Shechtman)將這個讓他得到 2011 年諾貝爾化學獎的發現登記於實驗記錄簿上時,在後面寫下了三個問號,因為從那些在他眼前的晶體裡面的原子,產生了一個不可能的對稱性,那就好像一個足球——一個球面 ——不可能只由正六邊形組成。從此之後,有趣的馬賽克圖案(Mosaic)、數學裡面的黃金比例以及藝術,幫科學家們解釋了謝西曼那令人困惑的觀察。

「Eyn chaya kazoo」,丹尼.謝西曼用希伯來語告訴自己「不可能有這種東西」。時值 1982 年 4 月 8 號的早晨,他正在研究的物質,是一個由鋁和錳組成的混合物,看起來很奇怪,因此他用電子顯微鏡,企圖從原子的層次來觀察,但是透過電子顯微鏡得到的圖像,卻違反了所有的邏輯:他看到一些同心圓,每一個都是由十個相互等距的亮點所組成(圖 1)。

謝西曼迅速地將灼熱的熔化金屬冷卻下來。這種溫度的突然改變應該會讓原子的排列混亂,但是他所觀察到的圖案,卻說出了一個完全不同的故事:那些原子以一種違反自然定律的方式而排列。謝西曼一再重複地數著那些點,四個或六個點是可能的,但十個是絕不可能。他在實驗記錄簿上寫下:十重對稱???

一個未知的發現

為了瞭解謝西曼的實驗結果,以及為何他會如此驚訝,讓我們想像下面的一個課堂實驗:一位物理老師讓光通過一個鑿有縫隙的金屬板,一個被稱為繞射光柵的物體(圖 2),當光波通過這個光柵時,它會產生折射,就好像海浪的波紋通過一個防波堤的開口一般。

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在光柵的另一邊,波紋以一個半圓方式散開,並與其它的波紋相交,波峰與波谷相互地加強或減弱。在繞射光柵後面的螢幕上,一種具有明暗的紋路出現,稱為繞射圖紋。

這就是謝西曼在 1982 年 4 月早晨所得到的那種繞射圖紋(圖 1),只不過他的實驗是不同的:他不是用光,而是用電子(註:電子具有波的性質),而他的光柵就是那個快速冷卻了的金屬原子之間的縫隙。

此外,他的實驗是三度空間的,而非平面的。

圖 1:丹尼.謝西曼的繞射圖紋具有十重對稱:將此圖轉動十分之一的圓周角度時(36 度)可得到相同的圖案。圖/諾貝爾獎官網
圖 2:光通過一個繞射光柵產生散射,產生的波相互干涉得到繞射圖案。圖/諾貝爾獎官網

那個繞射圖紋顯示,在那金屬之內的原子是排列成一個整齊有序的晶體。這當然不意外,幾乎所有的固體物質,不論是冰塊或金子,都具有整齊的晶體。雖然謝西曼使用電子顯微鏡非常有經驗,然而,一個由十個亮點排列成的圓形,卻是過去他從未看到過的。

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更有甚者,這樣的晶體並沒有被列在國際晶體規格表之內,那是一個結晶學的主要參考指引。在當時的科學,明訂了一個由十個亮點排列成的圓形圖紋是不可能的,而其證明是非常簡單而明顯的。

違反所有邏輯的圖紋

在一個晶體中,原子是以固定而重複的方式排列的。決定於化學的組成,它們會具有不同的對稱性。在圖 3a 中,我們可以看到每一個原子是由三個原子圍繞著,而形成不斷重複的排列圖案,產生一個三重對稱;將此圖案轉動 120 度,又會得到相同的圖案。

同樣的原理發生在四重對稱(圖 3b)以及六重對稱(圖 3c),圖案不斷重複。當你個別地轉動 90 度或 60 度,相同的圖案會重複出現。

圖 3:晶體中不同的對稱性。具有五重對稱的晶體結構單元無法重複。圖/諾貝爾獎官網

然而,五重對稱(圖 3d)是不可能的,某些原子之間的距離會小於其它原子之間的距離,也就是說,相同的圖案不會重複。科學家認為這足以證明五重對稱不可能存在於晶體中。同樣的原因存在於七重對稱或更高重的對稱。

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謝西曼卻發現,他的圖案轉動一個圓的十分之一的角度(36 度)時,又可得到相同的圖案。他的確看到了一個被認為不可能的十重對稱,因此,不意外地,他在實驗記錄簿上寫下了三個問號。

基本假設出錯了

在美國國家標準局(NIST),謝西曼從他的辦公室向外探頭,望了望走廊,希望能看到某一個可以與他分享發現的人,但是走廊空無一人,所以他回到電子顯微鏡前,對那個晶體繼續進一步的實驗。其中他重複地確認所得到的不是巒晶(twin crystal):兩種共生的晶體享有相同的晶面,而導致了奇怪的繞射圖紋;但是他無法找到任何的跡象顯示那是巒晶。

除此之外,他將電子顯微鏡下的晶體轉動,看看到底要轉多少度可以讓這個十重對稱的繞射圖紋重複出現。實驗顯示晶體的對稱性與圖紋的十重對稱不同,但仍然是一個不可能的五重對稱。謝西曼的結論是:科學界的基本假設是錯誤的

當謝西曼告訴科學家們他的發現時,他面對了完全的否定,一些同事們甚至認為這根本是無稽之談,許多人宣稱他所得到的是巒晶。實驗室的主管丟給了他一本結晶學教科書,建議他讀讀。謝西曼當然知道教科書裡面說了什麼,但是他更相信自己的實驗。

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根據謝西曼的回憶,所有的騷動終於導致他的老闆要求他離開那個研究小組,狀況變得非常難堪。

與已知奮戰

謝西曼是在以色列科技大學(Technion-Israel Institute of Technology)修得博士學位的。在 1983 年,他引發了在他母校任職的伊蘭.布雷契(Ilan Blech)對這個研究的興趣,他們合力企圖解釋此一繞射圖紋,並轉譯成為原子在晶體內的排列模式。

於 1984 年夏,他們送了一份論文稿到應用物理期刊(Journal of Applied Physics),但是該稿似乎在收到當日,就即刻被編輯退回。

接著,謝西曼向約翰.康(John Cahn)提出要求。康是一位著名的物理學家,也是當初邀聘謝西曼到 NIST 的人。謝西曼希望康能看看他的數據。這位通常很忙的學者終於答應,接著,康與一位法國的結晶學家丹尼斯.格拉提亞斯(Denis Gratias)諮詢,看看謝西曼是否忽略了什麼,但是根據格拉提亞斯的檢驗,謝西曼的實驗是可以信賴的,格拉提亞斯如果親自做那些實驗,也會使用同樣的方法。

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在 1984 年的十一月,偕同了康、布雷契與格拉提亞斯,謝西曼等人終於在 Physical Review Letters 這份期刊中,共同發表了他的數據。這篇論文像顆炸彈一般,投在結晶學者之間。它質疑了他們的科學學門中的最基本教條:所有的晶體具有重複的週期性結構模式。

揭開知識的迷障

現在這項發現觸及了更多的讀者,而謝西曼成為了更多批評的目標。不過,在此同時,全世界的結晶學者們都產生了一種似曾相識的感覺,許多人在分析一些其它的物質時,也曾經得到過類似的繞射圖紋,但是當初,他們都將之視為巒晶的證據。現在,他們開始翻箱倒櫃,找出以前的實驗記錄簿,很快發現有些其它的晶體也會產生這種看似不可能的圖紋,譬如八重和十二重的對稱。

在謝西曼發表了他的發現之後,他仍然不知道那個奇怪的晶體內部結構到底如何。顯然地,它的對稱性是五重的,那是何種堆疊方式呢?這個答案卻從另一個未曾料到的領域而得:數學中的馬賽克遊戲。

用以解謎的馬賽克

數學家們喜歡用迷團和邏輯問題來挑戰自我。於 1960 年代,他們開始思索是否可以用有限數目的圖案塊,舖出不會重複的馬賽克圖案,創造一種所謂的「非週期馬賽克」。

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頭一個成功的嘗試是在 1966 年,由一位美國的數學家所發表,但是他需要超過兩萬種圖案塊來做到,這很難讓著迷於精簡的數學家滿足。當更多的數學家投入這項挑戰,需要的不同圖案塊數目穩定下修。

終於,在 1970 年代中期,一位英國數學教授羅傑.潘洛斯(Roger Penrose)對此問題提出了一個最漂亮的解答。他用僅僅兩種圖案塊創造出非週期馬賽克,例如一胖一瘦的菱形(圖 4-1)。

潘洛斯的馬賽克在好幾個不同方面啟發了學界,其中之一是他的發現被用來分析中世紀伊斯蘭綺理(Girih)圖案。我們也發現阿拉伯藝術家早在 13 世紀就創造出了非週期馬賽克,這種馬賽克裝飾著非凡的西班牙阿罕布拉宮,還有伊朗 Darb-i Imam 寺廟的入口和穹頂。

結晶學者艾倫.馬凱(Alan Mackay)運用潘洛斯的馬賽克於另一個方面,他想探究構成物質的原子是否也能如同非週期馬賽克的圖案般排列。他做了一個實驗,用代表原子的圓圈放置在潘洛斯的馬賽克圖案的交點位置(圖 4-2),然後用這樣的圖案作成繞射光柵,來看會得到何種繞射圖案,結果得到一個十重對稱——十個光點圍成一圈。

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馬凱的模型與謝西曼的繞射圖紋之間的關聯性,接著被物理學家保羅.史坦哈特(Paul Steinhardt)與多夫.李凡(Dov Levine)所發現。謝西曼的論文在 Physical Review Letters 這份期刊上發表之前,編輯將該文稿交由其他的科學家審核,在這個過程中,史坦哈特有機會看到這份文章,他早就對馬凱的模型熟悉,因此體認到馬凱的理論模型,存在現實世界中,亦存在於謝西曼在 NIST 的實驗室裡。

在 1984 年的聖誕夜,就在謝西曼的論文出刊後的四週,史坦哈特與李凡發表了一篇論文,其中描述了準晶體(quasicrystal)以及它的非週期馬賽克排列。在這篇論文中,準晶體得到了它的名字。

關鍵的黃金比例

準晶體與非週期馬賽克具有一項共同的迷人特質,那是一個在數學與藝術中不斷出現的黃金比例,亦即數學常數 tau。例如:在潘洛斯的馬賽克中,胖的和瘦的菱形數目的比例是 tau;類似地,準晶體中原子間的不同距離的比例,總是與 tau 相關。

13 世紀的義大利數學家費布那西(Fibonacci),從一個有關兔子繁殖的假設性實驗中找到的一系列數字中,描述了這個數學常數 tau。在這個著名的數列中,每一個數字是前兩個數字之和:1、1、2、3、5、8、13、21、34、55、89、144 等等。如果將一個費氏數列中較大的數字除以前一個數字,例如 144/89,你就會得到一個接近黃金比例的數字。

當科學家想要用一個繞射圖紋來描述準晶體中的原子排列時,費氏數列與黃金比例對他們是很重要的。費氏數列也可以解釋 2011 年的諾貝爾化學獎所表彰的發現,為何改變了化學家對晶體結構的規律性之看法。

費氏數列解釋了為何準晶體改變了化學家對晶體結構規律性的看法。 圖/seventyfourimages

不會重複的規律

先前,化學家解釋晶體的規律性在於一個週期性不斷重複的模式。費氏數列雖然不會重複,卻也是規律的,因為它遵守一個數學的規則。

在準晶體中,原子間的距離與費氏數列相關,原子以規律的方式排列,化學家可以預測一個準晶體中的結構是何樣,不過這種規律性與具有周期性結構的晶體是不同的。

在 1992 年,這個認知導致了國際結晶學會改變了他們對晶體的定義。先前對晶體的定義是「一個物質,其中組成的原子、分子或離子以一個整齊而且重複的方式堆疊成立體的型態」,現在新的定義是「任何固體,基本上具有可區別的繞射圖紋」,這個定義比較寬廣,而且允許未來可能發現的其它種晶體。

準晶體也存在於…

從他們 1982 年的發現之後,數以百計的準晶體在全球許多實驗室中被合成,但一直到了 2009 年的夏天,科學家才第一次報導了天然的準晶體。他們發現了一種採自東俄的哈吐卡(Khatyrka)河的樣本中之礦石。這種礦石是由鋁、銅和鐵組成,具有一個十重對稱的繞射圖紋。它被稱為二十面石(icosahedrite),此名源自於二十面體(icosahedron),那是一種具有 20 個正三角形面的幾何固體,黃金比例存在於其幾何結構中。

準晶體也被發現存在於一種世界上最耐用的鐵當中。在嘗試不同組合的金屬時,一家瑞典的公司成功的製備出一種鐵,具有許多令人驚訝的良好特質。分析它的原子排列結構時,顯示它具有兩種相:硬鐵的準晶體嵌在一種較軟的鐵中,此一準晶體具有一種盔甲的功能。現在它被用於刮鬍刀片,以及眼睛手術的細針等產品中。

準晶體現在也被用在刮鬍刀中。 圖/Pressmaster

除了特別堅硬外,準晶體能像玻璃般輕易的碎裂。

由於其特殊原子排列結構,它們也是很差的熱與電的導體,以及含有不具黏性的表面。其低熱傳導的性質可以讓它們成為有用的熱電材料,能將熱轉為電,發展這種材料的目的在解決熱能的再利用,例如用在汽車與卡車上。現在科學家們正在實驗將準晶體用做像是煎鍋,以及節能的發光二極體(LED)之表面塗料,或是作為引擎的隔熱等等。

保持開放的心

謝西曼的故事並非唯一。

在科學的歷史中,一再地有研究工作者被迫與已經建立的「真理」作戰。事後看來,那些真理不過是一些假設。謝西曼和他的準晶體所面對過的最嚴厲批評,來自於鮑林(Linus Pauling),他曾得過兩次諾貝爾獎。這很清楚地顯示,即使是我們最偉大的科學家,也無法免疫於被陷在舊教條當中。

保持一個開放的心態,勇於質疑已經建立的知識,實際上可能是科學家們最重要的性格特質。

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諾貝爾化學獎譯文_96
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「諾貝爾化學獎專題」系列文章,為臺大化學系名譽教授蔡蘊明等譯者,依諾貝爾化學獎委員會的新聞稿編譯而成。泛科學獲得蔡蘊明老師授權,將多年來的編譯文章收錄於此。 原文請參見:諾貝爾化學獎專題系列

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電腦裡的生命遊戲,等你挑戰讓生命無限延續!
艾粒安鈉
・2016/03/23 ・2997字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 534 ・七年級

相信大家對蝴蝶效應butterfly effect)耳熟能詳,最簡單的譬喻大概是:台灣美濃的一隻蝴蝶輕拍一下翅膀,可能造成影響美國佛羅里達州的颶風。由於氣候系統是動態的,初始條件微不足道的變化,可能造成影響整個系統的巨大連鎖反應。可是這個蝴蝶變颶風的「實例」說得簡單,實際上卻很難想像和驗證啊!不打緊,只要我們打開電腦或平板,玩一玩生命遊戲Game of Life),就能在螢幕上看到蝴蝶效應了!

康威生命遊戲中的泛科學跑馬燈!
康威生命遊戲中的泛科學跑馬燈!

遊戲規則

生命遊戲是由英國數學家約翰.何頓.康威(John Horton Conway)發明,刊登在《科學人》雜誌的數學遊戲專欄。生命遊戲的名稱,來自遊戲模擬的就是真實世界當中的生物。首先假設一個方形的棋盤格,每一格都是一個細胞的空間;遊戲開始時,我們可以扮演「上帝」的角色,任意決定棋盤上哪些細胞是活的。之後細胞就遵循下列規則,與周圍相鄰的8個細胞互動:

  • 假如一個活細胞周圍有 2~3 個活細胞,這個活細胞就能繼續存活到下一世代。
  • 假如一個活細胞周圍 <2 個或 >3 個活細胞,這個活細胞就會因為「資源不足」或「過度擁擠」,在下一世代死亡。
  • 假如一個死細胞周圍恰好有 3 個活細胞,這個死細胞就會在下一世代復活,象徵「細胞繁殖」。

同一個世代的每個細胞同時依照以上三個規則運算後,就產生下一世代的細胞圖,如此周而復始。大家有沒有注意到了:生命遊戲開始之後,不需要玩家插手,就可以一直繼續玩下去了!所以這是一個零玩家遊戲,只要初始條件設定好,我們就可以泡杯咖啡,靜靜觀察這些細胞自我繁殖的過程。

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生命遊戲的多變圖案

康威當初在設計生命遊戲時,經過許多實驗精心考慮規則,使細胞不會爆炸性繁殖,又能從相對簡單的初始條件,產生難以預測的結果。生命遊戲更具有「不可決定性」的特點:給定任意起始條件 A 和最終條件 B,判斷 A 的後續世代中是否會造成 B 的演算法是不存在的。因此上述的規則看似簡單,卻能衍生出非常複雜又引人入勝的圖案。一個穩定繁殖中的圖案,往往只要稍微改變幾個細胞,就會產生骨牌效應,把整個系統搞砸,或者產生出令人意想不到的結果!數學家與電腦科學家們往往會用現實生活中的物品,為他們發現的圖案命名。

首先最單調的就是靜物(still lifes),也就是世世代代都不動如山的圖案,最簡單的圖案有下面幾種,其中白色圓點代表活細胞,藍色空白處為死細胞:

game of life-still lifes

我們可以用上面的規則檢查看看,上面每個圖案中,是不是所有的細胞都會維持原本狀態呢?

稍微有趣一點的是振盪器(oscillators),顧名思義,就是在世代發展的過程中,會在幾個不同圖案之間循環。振盪器可以有不同週期,數學家已經發現了很多週期的振盪器,但卻還找不到週期為 19、23、34、38、41 的,這是個非常有趣而具有挑戰性的問題。

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game of life-oscillators

太空船(spaceships)就更有意思了,這些圖案會隨著世代發展在棋盤格上移動或「飛行」。太空船中最有名的大概就是滑翔翼(glider,下圖左)了,只要路線上沒有東西阻礙,就會沿著對角線永無止境地滑翔。由於許多程式設計師喜歡玩生命遊戲,結構簡單的滑翔翼被許多駭客們當作標誌。各種太空船的速度不盡相同(下圖右),但就像現實生活中所有物體移動和資訊傳播都沒辦法超越光速,生命遊戲中也有「光速」(一樣用 c 表示):由於一個細胞每世代只能影響到相鄰的細胞,所以生命遊戲中的光速就是每世代一格,所有太空船都沒辦法超過這個速度。

Game_of_life_animated_glider     Animated_spaceships

康威曾經懷疑,生命遊戲中是否有圖案能夠永無止盡繁殖下去(穩定產生越來越多的活細胞),還懸賞了50英鎊給第一個發現可無限繁殖圖案的人。這樣的圖案很快就被美國數學家比爾.高斯帕(Bill Gosper)發現了,他設計了一種可以不斷產生滑翔翼的裝置,稱為滑翔翼機關槍(glider gun),之後數學家又發現更多可以不斷發射出太空船的構造,仿照高斯帕原本取的名字統稱為「槍」(guns)。另外一般的太空船,船過水無痕,但有些特殊的太空船會邊走邊「慶煙」,在軌跡上留下「廢氣」,被數學家暱稱為「蒸汽火車」(puffer train)。

Gosper's glider gun (來源)
Gosper’s glider gun。圖/wikipedia

除了以上的「生物」之外,還有可把其他生物吃掉的大胃王(eaters)、可以反射太空船的反射板(reflectors)、甚至可以邊走邊產生無數「二級結構」,這些二級結構又可以不斷產生「三級結構」,使活細胞數量成二次方生長的繁殖器(breeder)等等多采多姿的不同結構。數學家與電腦科學家利用這些結構的組合,可以在生命遊戲中製造相當於現實生活中的許多機械。

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一台繁殖器(來源)
一台繁殖器。圖/wikipedia

生命遊戲的應用

讀到這邊,大家可能會出現一些疑惑:這種純粹欣賞的零玩家遊戲,除了當螢幕保護程式之外,有什麼具體用途嗎?首先由於生命遊戲規則簡單,卻能產生非常複雜的結果,因此不論是初學者或高階程式設計者都經常接觸它。假如記憶體和運算時間沒有限制,生命遊戲可以用來模擬所有的運算過程;換句話說生命遊戲本身就等於一台電腦。筆者也是在大學的基礎 MATLAB 程式設計課程中,首次認識生命遊戲的,最近重新讀到,頓時興致大發,就在生命遊戲中建立一個泛科學跑馬燈:

生命遊戲屬於一個更大範疇的模型──細胞自動機(cellular automaton),泛指所有規律格狀的系統,每格處於有限種類的狀態,而這些狀態是由上一世代的相鄰格子狀態來定義出來的。細胞自動機依照演化方式可粗略分成 4 大類,其中最複雜的第 4 類中,幾乎所有初始狀態都會演化成複雜、渾沌和接近隨機的狀態,生命遊戲也屬於第 4 類。由於以上的特性,細胞自動機可以模擬生物過程、物理粒子的交互作用,甚至地理學、經濟學和社會學;甚至有不少科學家提出了一個問題:整個宇宙是否也是個細胞自動機呢?

織錦芋螺(Conus textile)外殼顯示出如細胞自動機般的外觀
織錦芋螺(Conus textile)外殼顯示出如細胞自動機般的外觀。

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1986 年法國藝術家奧利維爾.奧柏(Olivier Auber)更提出了「真人版」生命遊戲──Poietic Generator:在傳統生命遊戲中,每個細胞下一回合的命運,純粹由鄰近的細胞決定;而在 Poietic Generator 中,每位玩家一次可以更改點陣圖中其中一格的顏色,由不同玩家透過網路連線共同創作。在這個遊戲中,沒有所謂的輸贏,主要的目標在欣賞和參與大家的創作過程,共同創造出動態的藝術品。

X-00
Poietic Generator X-00

想玩玩看生命遊戲嗎?網路上有許多利用 JavaScript 寫成的模擬器,另外假如想要深入了解生命遊戲和更多規則各異的細胞自動機,筆者建議下載 Golly 這個免費模擬器,在電腦、iPad與Android多平台上都可以使用喔!

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艾粒安鈉
7 篇文章 ・ 1 位粉絲
主修有機合成。對化學、天文、幾何學、地理、氣候、統計學、語言學、心理學、社會學、音樂和烹飪都有興趣。不願一生為學術研究爆肝,而熱愛為感興趣的學科認真寫科普文章,並用創意比喻和爛梗讓大家喜歡科學。多元性別,最高心跳210,海豚音到重低音一手包辦。