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數位音樂科技(三):以前怎麼保存聲音?

Muzik Online
・2014/12/08 ・1524字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 455 ・五年級

作者:官大為(Wiwi)

上一篇文章,我向你介紹了人類史上第一個可以把聲音記錄下來的機器 – 由法國人 Édouard-Léon Scott de Martinville 在 1859 年發明的「Phonautograph」
(上一篇文章閱讀:數位音樂科技(二): 人類歷史的第一個錄音?

這台機器可以把聲音畫到紙上面,但沒有辦法回放聲音,雖然後人運用電腦光學掃瞄重建了人類歷史上的第一個「錄音」,但是 Scott 的這個發明還是不能算是人類史上的第一個「真正」的錄音器。

第一台「真正」的錄音器

在 Scott 發明 Phonautograph 的十八年之後,終於有另外一位更強大的宅男,成功的做出了可以錄音也可以放音的機器,這位宅男不是別人,就是那位帶給我們電燈泡和攝影機的、歷史上最偉大的發明家之一,湯瑪斯・愛迪生(Thomas Edison, 1847-1931)。

1877 年,愛迪生用了和 Scott 類似的想法(漏斗、振膜、筆狀物和紙),做出了一台可錄音可放音的機器,稱作「留聲機」(phonograph)。

愛迪生的發明跟 Scott 最大的不同是,Scott 的錄音器是利用筆狀物把白紙上的煤灰刮掉,而愛迪生的錄音器是用針刺在錫箔紙上面。沒錯,就是你會放進烤箱裡的那種錫箔紙,愛迪生居然想得到要把它拿來當作錄音媒材!

因為針在錫箔紙上劃過去之後,會產生真正的凹痕,所以當你把針放在已經有凹痕的錫箔紙上,錫箔紙就會反過來去震動針,進而帶動與針相連的振膜,然後反過來從漏斗處發出聲音。

因為錫箔紙錄音容易破裂、不耐久,播放幾次之後就不能用了,所以沒有辦法量產。後來他們把錄音媒材改成蠟,更後來改成使用塑膠。

 

接下來的這個 YouTube 影片,就是一台與愛迪生類似的圓筒式留聲機撥放的樣子,聲音內容是愛迪生最早的錄音之一,首先是一段小號獨奏,然後有愛迪生的講話聲。

形狀不好

一直到目前為止,留聲機錄音媒材的形狀都是圓筒狀的,不過有些人認為,把錄音做成圓筒狀的很笨(又不是洋芋片),加上因為聲音是記錄在圓筒的外側,所以你必須用看起來很笨的方式拿它才不會刮到(如下圖)。

 

於是終於有一個叫做 Emile Berliner (1851-1929) 的德國人看不下去了,他覺得錄音不應該長得像品客洋芋片,應該要長得像下面這樣子:

 

1889 年,圓盤狀錄音發明,他跟圓筒狀錄音並存了一小段時間,後來就全面取代了圓筒狀錄音,一直到 2014 年的現在,你依然可以在唱片行買到這一種圓盤狀錄音,它可以說是人類歷史上被使用最久的錄音媒材了。

磁帶

時間快轉到 1960 年代,人們發現聲音除了可以刻在塑膠圓盤上,也可以刻在磁帶上。首先被發明的是這種大錄音帶,因為它可以儲存八軌聲音,所以被叫做「8-track tape」;隨後又出現了迷你錄音帶(compact cassette),一直到 1990 年代都還有許多人在使用。

在五十年前,車上有磁帶播放器可是超酷炫的阿!

 

然後就是您熟悉的了

1980 年,Sony 和 Philips 公司發明了 CD 唱片(compact disc),音樂從此正式進入用數字來保存的時代。1994 年,MP3(MPEG Audio Layer III)檔案格式發明,MP3 有特殊的壓縮方式,讓它只要使用大約五分之一到十分之一的數字量,就可以達到類似 CD 唱片的音質。

時間真的過得很快,在我小的時候還算是最新科技的 CD 唱片,現在也要面臨被淘汰的命運了。在未來人類會怎麼儲存聲音呢?搞不好哪一天 MUZIK ONLINE 上會賣一種藥丸,你只要吞下去,整個古典音樂資料庫就會被輸入到你的大腦可以隨時播放也說不定,誰知道呢?

轉載自MUZiK ONLiNE 名家隨筆

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聲音的DNA:聲紋辨識
雅文兒童聽語文教基金會_96
・2023/01/14 ・2473字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

  • 文/洪萱眉 雅文基金會聽語科學研究中心 助理研究員

在如今這個網路時代,人人在日常生活中都常要透過帳號、密碼來辨識身份,不管是提款卡、行動裝置(手機、筆電、平板)、網路銀行、行動支付等,都需設定一組帳號密碼來辨識自己的身份。

為了不讓自己的帳號被駭,每次都得抓破頭來設定,太簡單擔心被破解,太複雜又怕自己記不住。更煩人的是,每個平台的密碼設定都有自己的規則,有些要求要有特殊符號,有些則要求英文大小寫和數字都要有。

於是,為了兼顧安全與便利性,越來越多廠商使用指紋辨識來解鎖,這樣既不用擔心忘記密碼,也不容易被盜用。然而,你知道,我們的聲音其實和指紋一樣,也能進行身份辨識嗎?

專屬個人的聲音密碼

每個人的聲音都有獨特性,和指紋一樣能進行身份辨識。圖/freepik

聲音跟指紋一樣,都有獨一無二的特定性,而在利用聲音的特性做辨識時,就稱為聲紋辨識。我們接到熟識親朋好友來電時,他們不用說他是誰,我們只要一聽到聲音就能辨識。這是因為每個人的說話特性不同,聽聲音就能辨識說話者。而我們的語音訊號中可供辨識的因素,主要可分為三個面向[1]

  • 發音器官的差異:因每個人的發音器官差異,如口腔形狀、聲帶長短粗細不同,造成每個人的聲音特性有所不同。例如,當小朋友前排乳牙掉了時,說話時會有俗稱「漏風」的感覺,就是因為口腔的共鳴特性變了而造成的;而男生的聲帶比女生的要長且粗厚,振動頻率較低,因此聲音較低沈。
  • 說話方式的差異:每個人的說話習慣的不同,像是說話的語速、語氣、抑揚頓挫、咬字清晰度、口音等等。比如電話一接通,就聽到大聲又連珠炮似的說話,馬上就知道是樓上的王阿姨要找媽媽。或是一聽到緩慢溫柔充滿感情的台灣國語,就知道是阿嬤從台南打電話來了。
  • 說話內容的差異:生長背景、教育程度、社經地位的不同,使說話內容有所差異,例如:用詞、句型等等。像巷口賣水果的阿伯和他讀中文系的女兒,同樣要向顧客自賣自誇鳳梨有多甜,女兒也許會說「那甜蜜的滋味藏著一絲微微的酸,就像那年夏天的初戀」,阿伯則可能會說「帥哥偶謀騙你,這粒旺來跟我女兒的笑容一樣甜啦!」

上述的這些差異都可作為我們辨識說話者的依據。而其中說話方式和內容可能被他人學習、模仿,只有發音器官的差異是天生的,無法被模仿且在分析,所以許多辨識系統是採用發音的聲學特徵(acoustic features),例如,聲音頻率(高/低)、音色(如:輕柔、渾厚)等特性都可作為辨識的依據[1]

聲紋比對辨身分

聲紋辨識和指紋一樣,皆為生物辨識的一種。從人類的身上萃取出具有身份鑑別能力的特徵,如:指紋、聲音,將此特徵經處理、分析後儲在系統裡,日後可依據此特徵來辨識使用者的身份。利用我們獨特的聲音來辨識身份的聲紋技術,亦可稱為「語者辨認」或「說話人辨認」(speaker identification)[2]

聲紋辨識的過程包含兩個階段:1. 聲紋提取(voiceprint extraction)。2. 聲紋比對(voiceprint comparison)。在確認說話者的身分之前,要先有說話者的聲音語料,依說話者提供的聲音語料進行分析,並建立專屬他的聲紋模型

一般在處理語音訊號時,會將音檔切割成小區段的方式來處理、進行分析,透過聲譜圖上的資訊來分析說話者的聲音頻率、音強、抑揚頓挫等建立專屬他的聲紋模型,並將其聲紋資訊存到系統裡。就像將我們的指紋存到手機的系統裡一樣,可以比對我們登錄系統裡的生物資訊來進行身份的核對。

當系統裡存有說話者的聲紋資訊後,其實就就能快速的進行一對一的說話者身份驗證(speaker verification),或是進行一對多的說話者辨認(speaker identification),從眾多人找出誰是說話者[3]

聲紋辨識不只可以抓犯人,還可以……

上述的聲紋辨識,是不是會讓你聯想到在看影集時,劇中的刑警從報案中心的人聲或是搜集回來的錄音檔中,辨識出報案人或犯人的身份。一般大家的印象會覺得聲紋辨識只會出現在刑事調查中,但其實日常生活中已經有用到聲紋來辨識身份囉!比如,智慧型手機的語音助理,只要說出關鍵詞:「嘿,Siri」、「OK Google」就能啟動AI回應。

其實,這個過程就是擷取聲音特徵,並與之前登錄的音檔互相比對,進行說話者的身份認證。除此之外,越來越多的金融機構也開始引進這項技術,憑聲音來確認身份,這樣除了可以取代回答冗長的問題來確認客戶身份、提高便利性外,也同時提高了安全性[4]

除了辨識身份,聲紋辨識其實也能應用在其他地方。現在也有許多研究團隊開發各種聲紋科技的應用,例如:透過大數據的聲音比對,由電腦判斷出鳳梨的好壞[5]、或是辨識青蛙叫聲的APP [6]等,這些也都是運用到聲紋辨識的原理。想必聲紋科技的發展會是一種趨勢,未來會有越來越多的場合都能運用此技術,讓我們拭目以待!

現今生活中越來越多使用聲紋辨識技術。比如,現代人不可分開的智慧型手機,對手機的語音助理說出關鍵台詞,就能啟動AI的回應。圖/freepik

參考資料:

  1. 王小川。(2009)。說話人辨認。語音訊號處理(第二版,頁12-2 – 12-12)。全華圖書。清華大學電機系。淺談語者辨認http://web.ee.nthu.edu.tw/p/404-1175-11508.php?Lang=zh-tw
  2. Phonexia. (n.d). What Is Voice Biometrics?https://www.phonexia.com/knowledge-base/voice-biometrics-essential-guide/
  3. 緒方憲太郎。(2022)。語音科技將會如何改變未來。聲音經濟學(林詠譯,頁159-191)。商周出版。
  4. 洪明生、蘇晟維。(2022/12/11)。大數據聲紋比對判斷好壞 選鳳梨用「聽」的! Yahoo!新聞。取自:https://bit.ly/3Vrh2Hf
  5. 上游新聞市集。(2022/8/25)。現在是哪隻青蛙在叫?「蛙抵家」APP幫你聽聲認蛙!青蛙辨識軟體,揪你幫台灣錄蛙聲。取自:https://today.line.me/tw/v2/article/7NjZrr8
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沒有樂器,也可以有音樂!人類與音樂的悠久故事——《傾聽地球的聲音》
商周出版_96
・2022/12/14 ・3239字 ・閱讀時間約 6 分鐘

人類的音樂比任何樂器都古老

早在我們雕刻象牙或骨頭之前許久,肯定已經使用聲音戲耍出旋律、和聲與節奏。現代人類所有族群都會唱歌、演奏樂器和舞蹈。

這種普遍性意味著我們的祖先早在發明樂器以前,已經是音樂的愛好者。如今所有已知的人類文化之中,音樂都出現在類似情境裡,比如愛情、搖籃曲、治療和舞蹈。這麼說來,人類的社會行為通常少不了音樂。

如今所有已知的人類文化之中,音樂都出現在類似情境裡,例如搖籃曲。圖/pixabay

化石證據同樣顯示,五十萬年前的人類已經擁有能發出現代口語和歌聲的舌骨。因此,在我們製造樂器之前幾十萬年,人類的喉嚨就已經能夠說或唱出語句或歌詞。

口語和音樂何者先出現,目前還無從確定。其他物種也具有感知語言和音樂所需的神經組織,顯示我們的語言和音樂能力只是原有能力的精緻化。

左右腦的劃分

人類以左腦處理口說語言(其他哺乳類或許也是在同樣的部位處理同類的聲音),其他聲音則是傳送到負責處理音樂的右腦。或許左右腦共同處理,左腦利用聲音在不同時間呈現的細微差異理解語義和語法,右腦則用音頻的差異來捕捉旋律和音色等細節。

但這個劃分並非絕對,顯示語言和音樂之間沒有明確的分隔線。語言的抑揚頓挫和音韻會啟動右腦,歌曲的語義內容卻是點亮左腦,那麼,歌曲和詩文讓我們左右腦的運作相互交織。

所有的人類文化都有這種現象,都將文字融入歌曲裡,而口說語言的意義有一部分來自語言本身的音樂性。在嬰兒時期,我們根據母親聲音的速度和音頻辨識她。成年以後,我們用音頻、拍子、力度、音質和音調傳情表意。

在文化的層面,我們結合音樂和語言,將最珍貴的知識傳遞下去:澳洲的歌行(song line);中東與歐洲的禱文吟誦、聖歌和詩篇;桑族(San)入神舞的「呼喊敘事」;以及全世界不同族群各異其趣的詠唱方式。

在文化的層面,我們結合音樂和語言,將最珍貴的知識傳遞下去。圖/pixabay

這麼說來,器樂(instrumental music)性質特殊,跟歌曲和口語有所區分。它是一種完全脫離語言的音樂。最早的製笛師也許研究出如何創造超越語言特性的音樂。在這方面,他們或許跟其他動物找到了共通性。

動物們也有音樂和語言

昆蟲、鳥類、蛙類和其他物種的聲音也許有自己的文法和句式,卻肯定不屬於人類語言的範疇。如果器樂確實讓我們感受到超越語言或先於語言的聲音,那麼這是一種矛盾的體驗。

人類對工具的使用為時不久又獨一無二,透過這樣的活動,我們超越語言,體驗到聲音的含義與細節。我們的動物親族或許仍然這樣體驗聲音,演化成為人類之前的祖先肯定也是。器樂或許帶領我們的感官回到工具和語言出現之前的體驗。

打擊樂的出現可能也早於口語或歌曲。由於鼓的材質多半是生活中常見的皮革或木頭,不耐久存、容易腐朽,考古學上的證據因此相當稀少。已知最早的鼓只有六千年歷史,出現在中國,但人類打鼓的歷史應該久遠得多。

在非洲,野生黑猩猩、倭黑猩猩和大黑猩猩都使用鼓聲做為社交信號。這些猩猩表親使用雙手、雙腳和石頭敲擊身體、地面或樹木的板根。

這意味著我們的祖先可能會擊鼓,或許用來傳達身分或領域訊息,在此同時凝聚成團結合作、節奏一致的群體。相較於其他類人猿,人類鼓聲的節拍更有規律,也更精準。有趣的是,對許多黑猩猩族群而言,用石塊敲擊樹木可說是一種儀式。

黑猩猩會選擇特定樹木,在選定的每個地點疊出石堆。牠們不但把石頭存放起來,還會將它們拋或扔向樹木,發出砰或喀嗒聲。牠們敲擊樹木時,通常一面發出洪亮的「噓喘」,一面用手腳擊打樹幹。那麼,黑猩猩和人類都會將敲擊聲、嗓音、社會展演和儀式結合在一起。

黑猩猩和人類都會將敲擊聲、嗓音、社會展演和儀式結合在一起。圖/pixabay

這個現象告訴我們,人類音樂的這些元素,歷史比我們的物種更悠久。

最古老的緣起仍成謎

人類音樂最古老的根源究竟從什麼時間點開始,目前還是個謎,器樂與其他藝術形態之間的關係卻比較清楚。世上已知最古老的樂器,就埋葬在已知最古老的具象雕像旁,二者都來自洞穴裡人類遺跡的最底層。

它們底下的沉積層已經看不到人類的痕跡,而後,在更深處是尼安德塔人的工具。在地球上的這個位置,器樂和具象藝術同時出現,就在解剖學意義上的現代人最早抵達歐洲冰雪大地的時刻。

樂器與具象雕刻品有個共通概念,那就是物質經過三度空間的修改,可以變成活動的物件,刺激我們的感官、心靈和情感,如今我們稱之為「藝術的體驗」。笛子與雕像的並置告訴我們,在奧瑞納文化時期,人類的創意不只展現在單一活動或功能上。工匠的技藝、音樂的創新與具象派藝術彼此連結。

最早期的人類藝術也為藝術形式之間的相關性提供佐證。已知最早的繪畫是抽象的,而非具象。這些繪畫來自七萬三千年前,掩埋在南非布隆伯斯洞窟(Blombos Cave)的沉積層裡。在那個洞穴裡,有人用赭石筆在易碎的岩石上畫出交叉陰影圖案。這個圖案所在的沉積層還有其他創意作品存在,比如貝殼珠子、骨錐、矛頭和赭石鐫刻的作品。

布隆伯斯洞窟的貝殼珠。圖/wikipedia

只是,現階段的紀錄顯示,德國南部洞穴立體藝術品製作工藝發展的速度,可能與使用顏料的具象藝術不一樣。笛子和小雕像似乎沒有經過刻意著色,它們所在的洞穴也沒有壁畫裝飾。在這個地區,要等到更後期的馬格達連文化(Magdalenian,大約這些笛子出現後再經過兩萬年),才有明顯以赭色顏料塗畫的岩石裝飾。

馬格達林洞穴壁畫。圖/wikipedia

歐洲另一個奧瑞納文化遺址、西班牙北部的埃爾卡斯蒂洞窟(El Castillo),發展軌跡卻是不同。洞穴裡的圓盤壁畫時間超過四萬年,在同一面牆壁上有個三萬七千年前的手掌圖案。不過,據我們目前所知,這個時期在這個地區並沒有立體藝術創作。

同樣的,蘇拉威西洞穴的具象壁畫也跟任何已知雕刻作品無關。這些差異透露的,是考古紀錄有欠完整,而不是人類藝術的發展歷程。目前看來,立體藝術作品(雕像與笛子)最早發展的時間和地點似乎與繪畫不同。

見證音樂的悠久歷史

這段悠久的歷史重塑我們對更近期藝術的體驗。望著舊石器時代的笛子和小雕像,我想到大英博物館、紐約大都會藝術博物館和羅浮宮的人潮。有時我們會排隊幾小時,只為了看一眼人類藝術與文化的重要時刻。但在德國鄉間這座小博物館裡,我們見識到藝術更深遠的根源。

我張開雙臂。假設我雙手之間的距離是已知人類音樂與具象藝術存在的時間,冰河期的笛子和雕刻品的位置會在我左手指尖,跟蘇拉威西的洞穴壁畫一起。各大博物館裡的主要藝術品的位置則在我右手伸直的指尖,是過去一千年來的產物。

這絕不代表過去幾百年來的藝術創作不重要,相反的,紀錄遠古人類精湛藝術的遺址和博物館既與更近期的作品相得益彰,也為人類的藝術創作尋根溯源。藝術在與每個地區的動物和環境的關係中誕生,又藉著舊石器時代人類的高超技藝與想像力向上提升。

—本文摘自《傾聽地球之聲》,2022 年 11 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

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探討量子力學,該是「發明」還是「發現」?
賴昭正_96
・2022/12/14 ・4432字 ・閱讀時間約 9 分鐘

  • 文/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

西方科學的發展基於兩大成就:希臘哲學家發明了形式邏輯系統(歐幾里得幾何),以及發現了通過系統實驗找出因果關係的可能性(文藝復興時期)。 在我看來,中國的先賢們沒有邁出這一步,也就不足為奇;令人驚訝的是這些發現出現了!——愛因斯坦,1921 年諾貝爾物理獎

在「思考別人沒有想到的東西—誰發現量子力學?」一文之意見裡,有些讀者認為應該用「發明」,而不是「發現」:

  • 量子力學該是發明而非發現的。量子現象是物理學家發現的,因此發明了一套理論來解釋——管用但非常不直覺。
  • 科學被認為一種發現,然而「詮釋」與「解釋」則似乎更像是一種「創造」或「發明」。
  • 所說「發明了一套理論來解釋」不夠清楚。應該說發明了一條方程式——薛丁格的波方程式。之後推演出一整套原子軌域只是數學上的發現必然如此,而且經實驗驗證,大自然確實如此運作。
  • 在概念上個人是以德布洛伊所「發明」的物質波為一個界線…… 對於本文所探討的誰發現量子力學?可以存在著另一個見解為薛丁格「發現」且「找到」或「猜測」出了量子波動方程;波爾、海森堡、波恩等人「發明」了量子力學。

筆者不甚苟同,因此想在這裡拋磚引玉,談一談筆者的看法。

在中文或英文裡,發現(discovery)與發明(invention)均顯然有非常不同的意義。

我們說哥倫布發現新大陸;因為新大陸早就存在自然界,所以我們不會說哥倫布發明新大陸。造紙術、指南針、火藥、及印刷術並不存在於自然界中,所以我們說這是中國古代的四大發明,而不是四大發現。從這裡我們可以看出在日常用語中,發現與發明的分別主要在於該「東西」是不是已經存在於自然界中。

月亮總是存在的,所以只能被發現,而非被發明。圖/Pexels

「存在」的物理意義

可是什麼是「存在」於自然界中的呢?相信大部分的人都持與馬赫(Enerst Mach, 1838-1916,奧地利物理學家、哲學家)一樣的看法:只五官的感覺是真實的、是「存在」的。馬赫的一句名言是:「我不相信原子的存在!」

因此儘管道爾頓(John Dalton)在 19 世紀初就提出原子論,19 世紀中期後化學家成功地將它應用於解釋化合物的組成及化學反應現象,但大部分的物理學家到 20 世紀初還是不相信原子的存在!

1905 年,當愛因斯坦還是瑞士專利局的一位小職員時,發表一篇論文謂液體中看不到的原子會轟擊懸浮粒子,導致可以在顯微鏡下直接觀察到布朗運動(Brownian Motion)。1908 年 5 月,愛因斯坦發表了第二篇關於布朗運動的論文,提供了細節,及可透過實驗檢驗他的理論的方法。

同年,法國物理學家佩蘭(Jean Perrin)進行了一系列實驗後,寫道:「(我的結果)毫無疑問嚴格且準確地證實了愛因斯坦的(預測)公式」。佩蘭的實驗不但說服了許多物理學家相信原子的存在,他也因之獲得了 1926 年諾貝爾物理獎。

法國物理學家,尚.巴蒂斯特.佩蘭(法語:Jean Baptiste Perrin) 圖/wikimedia

可是有人「看」過原子嗎?1955 年,美國賓夕法尼亞州立大學的穆勒(Erwin Muller)和巴哈杜爾(Kanwar Bahadur)終於透過場離子顯微鏡(field ion microscope)在尖銳的鎢樣品尖端觀察到單個鎢原子,可是這並不是肉眼直接看到的,而是透過理論「解釋」所觀察到的。像前面提到之一些讀者的意見一樣,馬赫認為科學理論是用來描述與歸納觀感,它存在於感觀之外,與現實無關;但大部分的物理學家都認為這是哲學的問題,他們是「看到」了原子!物理理論是存在於宇宙中的,等待我們去發現。

在「微中子的故事」一文裡,筆者提到了 1930 年包立(Wolfgan Pauli)為了解救能量不滅定律免於破壞,在「非常絕望下」下提出了一個後來被稱為「微中子」(neutrino)的觀念。當時「微中子」根本不存在宇宙中,我們不知道包立是否認為這是一種發明;但1995年諾貝爾物理獎發給「……通過實驗證明……微中子的存在」之物理學家來內士(Frederick Reines)。

老實說,筆者想破大腦都不知道這一個在基本粒子標準模型裡不帶電、沒有質量、不是電磁波、沒有人直接觀感過、只有能量的「東西」會是什麼「東西」?更令筆者難以相信及理解的是:它竟然還有兩位兄弟姐妹!

發現」還是「發明」?

我們現在就用上面那些觀點來探討,到底牛頓是發現還是發明萬有引力?萬有引力是抽象的、不是「東西」,牛頓當然不可能用眼睛發現;牛頓發現的只是蘋果往地上掉及宇宙中星球之有規律的運動(現象),從中推論出萬有引力(解釋)。因此對牛頓而言,他或許認為萬有引力不存在於自然界中,是他的創造出來的,所以要說是一種發明,好像也沒什麼反對的理由。

牛頓到底是發現還是發明萬有引力?圖/Envato Elements

可是萬有引力真的不存在於宇宙中嗎?1798 年,英國科學家卡文迪許(Henry Cavendish)在實驗室中不但測出兩個物體間的引力,也準確地量得萬有引力常數!所以眼睛看不到的「東西」並不代表不存在於宇宙中——牛頓顯然是發現、而不是發明萬有引力定律!

同樣的道理,普朗克根本沒發現什麼量子「現象」,他只是看到了黑體輻射的光譜分佈,便提出能量量化的觀念,在當時顯然是一種發明,但後來的發展(如原子的光譜)不是證明了「能量量化」存在於宇宙中嗎?量子力學成功地解釋和預測了這些現象,因此也被認為是存在於宇宙中的。

當然,我們知道物理理論或定律是可能被推翻或修正的,但這只代表我們的發現錯了。哥倫布不是以為他到了印度群島嗎?

德布洛伊(Louis de Broglie)「發明」物質波嗎?1927 年貝爾實驗室的戴維森(Clinton Davisson)和格默(Lester Germer)在實驗室中,發現被鎳金屬晶體表面散射的電子顯示出干擾圖案後,大部分的科學家都相信物質波的存在,因此諾貝爾獎委員「敢」將 1929 年物理獎頒發給德布洛伊,1937 年物理獎頒發給戴維森和格默了。

格默(右)和戴維森(左)共同合作,證明了物質的波粒二象性。圖/wikimedia

「是不是已經存在於自然界中」事實上也正是中外專利局判斷是否頒發「發明專利」的基礎;台灣專利法謂:「發明專利是指利用自然界法則之技術思想的創作,對於欲解決之問題,使用適宜的技術手段,產生其功效,達成所預期的發明目的。

發明專利必須具有技術性,不具技術性之發明,例如單純的發現、科學原理、單純之美術創作等,都不符合發明的定義。」在這一法規下,萬有引力、相對論、量子力學…… 等等科學原理都是發現,不能申請發明專利。

量化量子化

既然在這裡談到科學用詞,我們不妨也來談談「能量量化」的意義。

在「天才愛因斯坦曾和諾貝爾獎擦身而過? 相對論也不曾得過諾貝爾獎」的泛科學影片裡,有聽眾建議將「普朗克提出能量量化的觀念」中之「能量量化(quantization)」改為「能量量子(quanta)化」。

筆者認為「能量量子化」中的「子」字有「微粒子」的意義在內;但普朗克在他那篇「開創量子力學」的文章中,只認為空心黑色球體內任一頻率(n)輻射能量均不是連續的,而是由 hn 單位組成的,輻射的發射和吸收必須以hn進行,從沒提過「能量量化」的觀點,更甭說具有「微粒子」之意的「能量量子化」了。因此我們只能從以後的發展來判斷。

在古典力學裡,氫原子中的電子可能具有的能量應該是連續的;但後來發現只能存在某些能階上才可以解釋光譜——這應該說是一種「能量量化」的現象,而不是「能量量子化」的現象!讓我們在這裡用一個日常生活的例子或許更能說明其間的差異:實數是連續的(質),但我們用它來數人頭時,卻發現它只能存在於整數的「數階」上(量)。讀者覺得用實數被「量化」了、或是被「量子化」了比較適合?

結論

愛因斯坦謂「西方科學的發展基於兩大成就:希臘哲學家發明了形式邏輯系統,以及發現了通過系統實驗找出因果關係的可能性」。

從這名言裡,我們可以看出愛因斯坦顯然認為因果是存在於宇宙中的,將它們連在一起的形式邏輯系統(formal logical system)才是一種發明;所以我們可以說薛丁格發明了「波動量子力學」;海森堡(Werner Heisenberg)、伯恩(Max Born)和喬丹(Pascual Jordan)發明了「矩陣量子力學」;狄拉克(Paul Dirac)發明了希爾伯特(Hilbert)空間上的「算子(operator)量子力學」——他們以不同的數學形式表達了物理學家所發現的量子物理(理論)。

在「不用數學就可以解釋—相對論的著名想像實驗「雙胞胎悖論一文裡,筆者提到了時間及空間是人類製造出來便利溝通的語言。為了解釋觀察到的現像,不同運動者對時間便必須有不同的認知,否則就會發生像「雙胞胎悖論」(twin paradox)一樣的矛盾。

「雙胞胎悖論」提及:當太空旅行者回到地球後,發現自己比留在地球的雙胞胎手足更年輕。圖/Pexels

同樣地,作家在寫一篇文章時,也必須假設讀者對主題具有某些程度的了解與認知。如果假設不對,那便像內人讀筆者的文章一樣,不管筆者是用發明或發現,對她來說都是「不知所云」!而如果能在讀者心中起了共鳴呢?則不管筆者是用發明或發現,相信讀者都能心領筆者事實上是在有意或無意中表達了對某一物理觀念的看法。

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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。