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科技複製時代的捕風捉影──讀《複製邪惡》

活躍星系核_96
・2015/06/17 ・4718字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 524 ・七年級

文/劉佳林(上海交通大學人文學院中文系教授)

(前方爆雷注意!本文有提及故事內容與結局。)

 

 

在《理想國》中,柏拉圖講過一則洞穴寓言:一些人被囚禁在洞穴裡,他們的頭腳動彈不得,只能終日面對洞穴的石壁。而在他們的身後有亮光從通道照射進來,將外面世界各種物體的影像投射到洞壁上。囚徒們談論著這些影像,認為這就是實物本身。直到有一個人走出洞穴,眼睛逐漸適應了太陽照耀下的世界,才開始認識到,他以前看到的一切、相信的一切都不過是真相的投影。

shadow.1 from pixabay
Source from pixabay

柏拉圖想透過這個寓言告訴我們,可見世界僅僅是理想世界的影子,只有當我們的靈魂能夠從可見世界的洞穴中上升到絕對真實的理想世界時,我們才能夠看到善的理想。可是,柏拉圖有所不知的是,他在這裡恰恰是借助於影像來敘述真理的,因為我們知道,寓言其實就是真理的影子,它依憑相似性獲得生命。因此,具有反諷意味的是,儘管需要非凡的智慧和領悟能力,但捕風捉影有時竟也可以成為通達真相的一種途徑。凱文.吉佛伊的《複製邪惡》就是要為我們摹寫這種途徑,摹寫它的曲折分岔,它的通暢淤滯,它的危險不歸。

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雖然《複製邪惡》的題材是關於複製的,但作者吉佛伊並沒有像早期描寫複製問題的科幻小說家那樣,把情節安排成一次關於科技倫理或複製人有沒有靈魂等問題的論爭,他吸收了科幻、懸疑、驚悚、偵探等多種小說元素,在編織曲折離奇的故事情節時,把注意力始終放在關於凶手真實身分的追查上。與傳統的偵探小說偏重於邏輯推理不同,在揭示事實真相的過程中,《複製邪惡》的主人公更依賴現代科技手段。小說中加強地展示了兩種高科技的複製手段:生物複製網路世界的複製

生物複製是複製一個生命體,其合理性初衷是為了滿足不孕,或因遺傳疾病等原因而無法生育的夫妻擁有孩子的願望。但在小說中,戴維斯複製賈斯汀的真正目的,卻是為了透過複製人而查到罪犯。作者對戴維斯這種有違複製的倫理,甚至是犯罪的做法似乎並無意譴責,儘管讀者都十分清楚,即使是在一個虛擬的複製行為合法化的國家,賈斯汀的生命也已經淪為別人的工具和手段。

對作者來說,複製體與被複製體之間的相似性,成了一個重要問題。首先,二者之間體貌上的相似性是唯一的嗎?戴維斯在網上發布了修飾過的賈斯汀照片後,有人宣稱他找到了這個相似的人,結果證明這種相似只是相似而已。其次,二者之間的內在自我也是相似的嗎?賈斯汀確實不但在身體特徵上酷似山姆.科恩,而且在智力、暴力傾向、思維方式上也與他的原型十分相似。因此,他根據有關犯罪事實並結合自己對罪犯的合理想像與揣摩,做出精彩的案情分析,就具有相當的說服力。可是,如果我們只是一般性地表達A與B極為相似的觀點,如果我們的論證僅僅停留在理論猜想的層面,那麼相似性本身並不會造成什麼危害,但如果僅根據這種相似性,來追究另外一個孿生體的法律責任,甚至剝奪他的生命,那麼相似性就變得十分危險。

戴維斯根據複製體試圖追本溯源、根據DNA的投影去追蹤原型的做法,其結果證明不但是不可靠的,並且由於誤入歧途造成許多誤會,比如把不相關的人當作是賈斯汀的原型加以追查,進而引起新的誤會,導致戴維斯的妻子懷疑丈夫有了私生子,這些誤會又直接或間接地導致了一名私家偵探,以及戴維斯妻子的死亡。而賈斯汀對案情的想像與模仿,則釀成了更大的悲劇,比如他為了製造現實生活中的罪證,竟姦殺了一個女子。並且,隨著情節的進一步展開,讀者將會發現,悲劇還不僅止於此。

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科技社會在生物複製之外,又提供了另外一種仿真的方式,即虛擬的網路世界對真實世界的複製。《複製邪惡》中的「影子世界」就是現實世界的複製體,它和我們所生活的世界一模一樣,有全世界三千五百個城市裡的每棟建築、每座公園、每個公共汽車站和每家商店。泰洛軟體公司的程式設計師都加入了遊戲,不斷升級,並且還在不斷增加細節。甚至真實世界裡剛開始飄飛的雪花也會立即在「影子世界」墜落。相應地,遊戲玩家們也在這個世界裡複製自己的生活,成為記者,參加派對,戀愛,謀殺。

這讓關注謀殺案件、喜歡刨根問底的賈斯汀產生了一個念頭:「如果我們在『影子世界』中發現是誰殺了那些女孩,也許能引導我們找出真實世界中的凶手。」戴維斯在真實世界裡追尋不得的凶手,將會由賈斯汀在芝加哥城的虛擬版本裡被尋獲。但儘管網路世界有許多「真實原型玩家」,卻也同樣存在一些「幻想型玩家」,他們只是借助虛擬世界來釋放在現實世界中無法釋放的欲望

matrix.2 from Hersson Piratoba
Source from Hersson Piratoba

正如戴維斯所說:「巧合不意味著就是證據。」但在認定山姆是凶手的定見上,賈斯汀卻固執己見:即使山姆不是殺害安娜的元凶,他也一定做過其他什麼壞事,傷害過其他的女孩,因為賈斯汀曾親眼目睹山姆企圖對自己的母親施暴。於是他和莎莉.巴威克在「影子世界」跟蹤山姆,並找到許多邏輯上可以成立的證據:山姆是安娜的同學;當山姆在「影子世界」中殺人時,現實生活中的「威克惡魔」就像人間蒸發了一樣;當山姆發現被跟蹤時,他在真實世界裡找上了莎莉的門。似乎更有說服力的是,複製使得一個自我有可能同時存在於兩個身體中,既然賈斯汀體驗到了一種難以控制的惡的衝動,他的這個自我應該也就是科恩的自我。理論上成立的證據鏈,終需在現實世界還原,因為法律不能根據相似律來懲處凶手,可人們並不能在真實世界中找到山姆留下的任何犯罪痕跡。出於強烈的正義感和責任心,賈斯汀最終在真實世界裡複製了「威克惡魔」的犯罪情節,並懷著非凡的勇氣結束了自己的生命。

兩種高科技的複製,現場DNA的鐵證,山姆.科恩終於被判死刑。可是,幾乎讓所有人出乎意料的是,殺害戴維斯女兒的凶手其實並不是山姆。山姆只是一個性虐待狂,他與安娜的偷歡、其他人碰巧的介入,給世人造成了一種先姦後殺的假象。《複製邪惡》在敘寫戴維斯、賈斯汀等人追查殺人凶手這條主線的同時,還安排了一條看似無關的副線,即「上帝之手」成員米基四處出擊、追殺複製人士。正是米基在非常偶然的機會裡,在安娜與山姆偷歡之後殺害了安娜。小說謀篇布局的最大卓越之處就在於,這個謎底是在篇末人物的閒談和文件整理中,不經意地抖落出來的。於是,一直與主情節平行而又貌似無足輕重的副情節突然在小說的結尾將主情節推翻,讀者最後瞠目結舌地發現:案件有關當事人的全部行動都不過是一場徒勞的捕風捉影。

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於是,如何進入世界、如何認識並理解事件真相,又重新成為一個問題擺在我們面前。高科技手段會讓我們的世界變得易於掌控而更顯清晰嗎?它們會讓罪惡更加昭然若揭嗎?科技時代的人們所習慣的那種理性與自我交託的責任會幫助我們明辨是非嗎?高科技複製時代的人們是更有智慧了?還是更加狂妄無知?

回到柏拉圖的洞穴寓言,我們發現,戴維斯、賈斯汀等人依然不過是頭腳被縛的囚徒,他們費盡心機的偵查不過是在捕風捉影,而讓他們走上迷途不歸路的那道亮光,正是科技時代生成的工具理性,存在主義那有著濃厚的個人主義色彩的責任說、選擇觀,則從哲學上給了他們的虛妄之舉的理論支持。複製賈斯汀是戴維斯出於一個父親為女兒復仇的責任,追查山姆是一個複製人,是證明複製體可以具有獨立價值的責任,但不管他們的動機是多麼的善良,他們承擔責任時的態度是多麼的堅定,他們從根本上都是把他人和自我當作工具,他們並不明白生命本身就是目的。

他們的行為首先遭到敵對勢力的嘲諷。在真正的凶手米基看來,聰明人幾乎都是一些理性的傢伙,正是他們使這個世界迅速墮入地獄,因為理性的人不相信是與非。但我們不能說戴維斯他們不相信是非,他們始終在努力弄清是非,只是在試圖建立投影與真相的聯繫時,他們依憑的是自己褊狹的頭腦,和把一切當作手段的工具理性。這與米基信奉的上帝乃是非、正義之化身發生了矛盾,也跟作者曖昧不明的信仰發生了矛盾。

對米基四處捕殺複製人士的行為,作者並沒有表達自己的觀點,有時似乎是在透過米基的自我辯護進行肯定。米基宣稱他的行為是正義的,這是上帝的正義:「不是我自己選擇要殺阿里醫生、丹比醫生或者弗里德曼醫生,這是我的使命,你們也有自己的使命。我用我的整個人生來完成這個使命,為了人類犧牲自己,這樣才能完成上帝的意願。」按照米基的解釋,是上帝選擇製造矛盾的,現代聖人和現代殉道者都是矛盾的,「因為在你我這場對抗當代世俗主義的戰鬥中,你找不到坐在上帝那一方的聖人。你會發現真正的聖人,真正的殉道者在地獄深處。因為他們不僅為了同胞的幸福獻出了生命,而且還犧牲了永恆的靈魂。」面對法律在複製問題上的兩難態度,狂熱的宗教分子用極端的方式,去阻止從倫理上來看也是侵犯人的多樣性、唯一性與尊嚴的科學行為,似乎有些道理,但從根本上說,米基的行為恰恰違反了最基本的宗教教義:勿以暴力對抗邪惡

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也許,從更具有普世價值的道德倫理的角度看,小說中的另外一個人物更值得關注,那就是戴維斯的同伴、後來的妻子瓊.伯頓醫生,她的在場是對戴維斯的一種校正。瓊並不像書中的其他主要人物那樣執著於科學理性,也對許多事情保持隱忍的態度。她曾經遭到強暴,因此知道安娜的性怪癖,她了解戴維斯在利用活人的DNA進行複製,她默默地愛著戴維斯但並不吐露。

她勸戴維斯從女兒被害的悲痛中擺脫出來,不要沉溺於過去。她說:「這世上到處都是邪惡,一個壞人死去,就形成一個真空,另一些人會被吸進去。消滅了那些做壞事的人並不代表就消滅了邪惡,又會有一些人代替他們。邪惡就像地心引力一樣永遠存在。我們可以採取的最好辦法,就是盡量讓我們自己和我們所愛的人,都站在正義的一邊。」乍看瓊的理論並沒有什麼說服力,但就是這種隱忍和純粹的宗教態度,使得她能夠始終沒有偏離正義。當她最終無意間發現警方對山姆的問訊紀錄、從而表明山姆根本不是凶手的那些材料時,深愛著戴維斯的瓊「用長長的棕色膠帶把每個箱子的內容都埋藏了起來」。她心底十分清楚,就像生物複製打開了潘朵拉的盒子、戴維斯複製賈斯汀推倒了罪惡的多米諾骨牌一樣,如果她再次讓過去暴露,罪惡的機器將會再一次啟動。

約伯是耶和華的僕人,完全正直、敬畏神,卻屢遭撒旦的試探,被奪去了財產、親人,從腳掌到頭頂長滿毒瘡。他不明白這一切都是為了什麼,於是不斷地懷疑申訴,但他始終不背棄上帝。他這樣說:「智慧從何處來呢?聰明之處在哪裡呢?是向一切有生命的眼下隱藏,向空中的飛鳥掩蔽……神明白智慧的道路,曉得智慧的所在。因他鑒察直到地極,遍觀普天之下。要為風定輕重,又度量諸水。他為雨露定命令,為雷電定道路。那時他看見智慧,而且述說;他堅定,並且查究。他對人說:『敬畏主就是智慧,遠離惡便是聰明。』」

複製邪惡_正面書封+書腰_建檔版 (1)也許,《複製邪惡》也想告訴我們,敬畏自然生命的神聖和現實生活的神祕蕪雜,我們才能夠認識善的理念,站在正義的一邊。這是我們進入世界、在世界中存在的最恰當的方式。

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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被垃圾科學耽誤的人生:哈沃德的冤獄與平反——《法庭上的偽科學》
商周出版_96
・2024/01/04 ・4615字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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紐約市沃斯街四十號,無辜計畫

哈沃德的故事:因被冤枉身陷囹圄三十四年

基思.艾倫.哈沃德可以說是一名倖存者。他被維吉尼亞州錯誤定罪,但是逃過死刑執行。而且還是兩次。梅克倫堡矯正中心在一九八四年爆發了所謂的「大逃亡」(The Great Escape)1,那是有六名死囚越獄的空前維安漏洞,哈沃德面對其後的嚴密禁閉也倖存了下來。哈沃德面臨過殘酷的獄警、僅存的希望全被澆熄、父母的死訊,他的身分也被侵蝕到只能淪為 1125797 號罪犯,但是他倖存了下來。

他在維吉尼亞州刑罰體系中所有最嚴酷的監獄裡倖存下來了,先是梅克倫堡,接著是奧古斯塔(Augusta),然後又在蘇塞克斯二監(Sussex II)待了十年,還有現在的諾托韋,他在諾托韋那樣環境惡劣的監獄醫務室裡進行了重大的腸道手術,並且活了下來。雖然很勉強。

圖/unsplash

在被錯誤監禁的三十四年裡,哈沃德排的這條等待救援的隊伍從未向前移動。大量監禁讓他身邊的囚犯如雨後春筍般湧現,因此這條隊伍只會越排越長。他最初因為傑西.佩隆的入室謀殺案和對他妻子特蕾莎.佩隆的性虐待案而被關到梅克倫堡時,維吉尼亞州每十萬名居民中有大約一百五十人遭到監禁。

當我們發現特蕾莎用過的性侵採證套組、把它送去做 DNA 檢驗時,維吉尼亞州的監禁率已經超過每十萬名居民有四百五十多名囚犯,每十萬名黑人居民則是超過兩千四百人。2在那個看不見的國度裡,到底住著多少無辜的 1125797 號囚犯,我們不會知道。但是統計顯示,在維吉尼亞州和全國有數千名無辜的人被關在牢裡;他們大部分人都永遠不會再拿回他們的名字了。

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圖/unsplash

維吉尼亞州剝奪了哈沃德生命中的每一個里程碑。他沒能結婚,沒有小孩,沒有做過除海軍之外的其他職業。他在二十幾歲之後,除了監獄檔案的照片,就只有一張自己的照片。他具有指標意義的生日,三十歲……四十歲……五十歲……六十歲,都是在鐵牢裡度過的,他只是沒死而已。

事情一開始不是這樣的。他也曾經奮鬥過。他從獄中出庭為自己辯護一事,曾經讓他的有罪判決遭到撤銷。為他贏來一次重新審判的機會、再一次讓真相大白的機會。但是當陪審團第二次做出有罪判決、上訴法院也維持這個裁決時,哈沃德體內的鬥志突然被掏空了。他決定放棄,讓餘生都在監獄裡度過。就像他有一次對我說的:「我就待在牢裡等死算了。」

重新審判:不可靠的咬痕證據

就訴訟而言,二○一六年發現了性侵採證套組,州也同意進行檢驗,這使得前進的道路變得清晰。哈沃德和史蒂夫.錢尼不同,他不需要維吉尼亞州法院或是其他法院承認咬痕證據完全不可靠。他不需要新法律或是定罪完善小組就可以重返法庭。也不需要當初把哈沃德的牙齒和特蕾莎.佩隆大腿上的咬痕「配對」的六名牙醫取消他們的證詞。

圖/unsplash

哈沃德很幸運:他有 DNA 。檢測開始之後,就會像是一顆小圓石被丟出來,滾下山坡引起 被壓住的真相一波又一波的雪崩。其規模之大,會讓哈沃德甚至不需要重回法庭。

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他幾乎立刻就被排除在可能的嫌疑人之外,也就是說所有檢驗項目,包括性侵採證套組、凶手蓋在特蕾莎頭上的尿布,以及她被性侵時的沙發墊,上面的生物證據都不可能是他的。

我的辦公室裡傳來更多歡呼聲。這種感覺不同於最初發現物證箱時的那種驚喜。是好消息,但也是預期中的結果。無辜計畫法律團隊的每個人都相信基思.哈沃德是清白的,也都知道他是清白的。

圖/unsplash

之前在訴訟中移交的文件就已經證明了:刑事專家不實宣稱在犯罪現場收集到的血清證據,根據在 DNA 之前的血型技術無法確定。其實在審判之前就可以將哈沃德排除在取樣之外了。後來他又被排除在 DNA 證據之外,就是理所當然的了。

接著,我們得知 DNA 分析人員可以從保存的生物樣本中發展出完整的基因輪廓。這表示除了可以排除哈沃德是 DNA 的來源,甚至還有可能得知到底是誰的 DNA ;不同於史蒂夫.錢尼案中的 DNA 已經受到毀損,只能夠做到排除錢尼。

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圖/unsplash

從每一件證據中提取的 DNA 輪廓都沒有更新的資訊。它們都來自同一名男性,既不是基思.哈沃德,也不是特蕾莎的丈夫傑西。反而是一名陌生人把他的 DNA 留在整個犯罪現場。發現證據的位置和特蕾莎的證詞完全一致,因此顯得更有說服力,這份證據也與哈沃德自己的陳述一致;哈沃德說他從來沒有進過佩隆家。

證人誤認是錯誤定罪一大主因?

這在大多數州就足以推翻有罪判決了。但也還是有可能出現荒謬的「沒被起訴的共同射精者」理論。不過,這個案件中有一名受害者還活著。特蕾莎強忍著痛苦和性侵她的人共度了三小時。她知道那天晚上只有一個入侵者。一名殺了她丈夫的凶手。一個「咬了她的人」。

圖/unsplash

早在 DNA 排除哈沃德之前,特蕾莎本人就為哈沃德的清白提供了最有說服力的證據:她拒絕指認哈沃德。哈沃德是因為咬了他的女朋友而被逮捕,而且還戴著手銬,在這樣容易誤認的情境中,特蕾莎都沒有指認哈沃德就是毀了她家庭的那名水手。

她的這個立場在兩次審判中都沒有絲毫動搖。許多犯罪受害者很可能會接受暗示,或是不論有意或無意,急著指認被警方確信是凶手的那個人。的確,證人指認時的誤認,通常是因為警方的建議而導致的無心之過,是錯誤定罪的一大主因。

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除了咬痕,另外的唯一證據就是駐衛指認了哈沃德。然而,即使在當時,他的證詞也是勉強得來而且不可靠的,我們得知在取得他的證詞時,用了可以「強化」記憶的祕密催眠,因此顯然缺乏可信度。

圖/unsplash

即使用催眠誘導的指認可以相信,不過駐衛也只是說在襲擊案發生當晚,他有看到哈沃德回到基地。是的,他是說那個人穿了血跡斑斑的制服,不過那人其實不是基思.哈沃德,而且在當時的紐波特紐斯,喝醉酒的水手在酒吧跟人打架,然後滿身是血回到船上,也不是什麼罕見的事。歸根究柢,不論證人指認的這番話具有多少分量,它都不代表哈沃德那天晚上有進入佩隆家。只有洛威爾.萊文和阿爾文.凱吉的專家證人證詞明確說出了這一點。而 DNA 也證明了兩位牙醫是錯的。

真正的兇手到底是誰!?

哈沃德的案件已經走向崩解。真正的證據(affirmative evidence)不是指向他有罪,而是指向另一個第三人。無論在哪一州,這個「新發現」的證據應該都對推翻任何一個有罪判決綽綽有餘了,但是維吉尼亞州和大多數州都不一樣。維吉尼亞州是全美國對無罪主張最有敵意的州之一。被判無期徒刑的囚犯很少有活著走出來的。要讓無辜者重獲自由,通常前提是必須破案。

然後「聯合 DNA 索引系統」(CODIS)就找到他了:在訴訟中喊出了「將軍!」

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圖/unsplash

根據美國的 DNA 數據庫「聯合 DNA 索引系統」,確定性侵取證套組、沙發墊和尿布上的 DNA 是來自一名叫做傑里.克羅蒂的人。在這起性侵謀殺案發生時,克羅蒂是卡爾文森號航空母艦的一名水手,這艘航空母艦當時停泊在紐波特紐斯的船塢。

基思.哈沃德也在這艘船上服役。克羅蒂和哈沃德長得有點像,他曾經因為綁架罪而在俄亥俄州的監獄服刑,並在十年前死於獄中。在哈沃德入獄期間,他還犯下其他暴力犯罪,但是都沒有像一九八二年對佩隆一家的暴行那樣殘忍;當然,除非克羅蒂還犯了其他沒有被偵破的案件,或是被以為已經破案的犯罪。

全美國對無罪主張最有敵意的州?

媒體壓力再次升高。但不是像一九八二年那樣,當時行凶的水手逍遙法外,因此有兩名美國參議員敦促要盡速逮捕他;這次的壓力是要推翻多年前因為媒體推波助瀾而造成的有罪判決。

圖/unsplash

弗蘭克.格林(Frank Green)是《里奇蒙時報》(Richmond Times-Dispatch)的記者,他長期以來都對維吉尼亞州對無辜者的敵意有批判性觀察,他詳細報導了哈沃德的故事,從聲請推翻他的有罪判決的那一刻起。連諾托韋裡面的囚犯都注意到了。

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哈沃德在監獄裡的朋友們都為他打氣。他們開始從監獄圖書館的報紙上剪下與哈沃德案件有關的新聞剪報,並保留給他。隨著哈沃德的案件從一團混亂的垃圾科學訴訟,轉變成教科書等級的 DNA 平反案件,格林的報導刊登位置也越來越靠近頭版。當哈沃德的聲請在等待維吉尼亞州最高法院的決定時,他成了頭版新聞,而當 DNA 檢驗證明哈沃德是無辜的時候,他直接登上頭條。

圖/unsplash

既然已經在「聯合 DNA 索引系統」找到符合者了,但凡有一點基本的正當程序概念,都會覺得繼續監禁哈沃德是不可接受的。他顯然是無辜的。任何殘存的反對意見都消失無蹤了。

總檢察長在一場匆忙召開的新聞發布會上,公開承認哈沃德是無罪的,並要求該州高等法院盡速對其聲請做出裁決。維吉尼亞州最高法院在第二天就宣布基思.哈沃德是一個無辜的人。

——本文摘自《法庭上的偽科學》,2023 年 12 月,出版,未經同意請勿轉載。

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原文注釋

  1. Bill McKelway, “From the Archives: How the 1984 Escape from Virginia’s Death Row Happened,” Richmond Times-Dispatch, May 30, 2009,瀏覽日期二○二一年七月五日,richmond.com/from-the-archives/from-the-archives-how-the-1984-escapefrom-virginias-death-row-happened/article_19ea1684-9af2-5d24-86ab-5875eaf2068c.html。 ↩︎
  2. Prison Policy Initiative, Virginia profile,瀏覽日期二○二一年七月五日,www.prisonpolicy.org/profiles/VA.html。 ↩︎
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我們需要覆蓋率更高的網路!低軌道衛星通訊的好處在哪?臺灣有機會發展自己的「星鏈」嗎?
PanSci_96
・2023/12/04 ・6233字 ・閱讀時間約 12 分鐘

要是海底電纜被截斷,馬斯克的星鏈又不幫忙?台灣會不會成為資訊孤島?

近年 SpaceX 不斷發射 Starlink,看起來野心滿滿,多到都成為光害了。

在烏俄戰爭爆發後,Starlink 為烏克蘭提供的不間斷網路服務,更讓全世界看見低軌道衛星通訊的重要性。

通訊戰已經逐漸打到太空,台灣也不遑多讓。今年 11 月 12 日,鴻海與中央大學合作的兩枚低軌道通訊衛星珍珠號,以及成功大學與智探太空合作的立方衛星「IRIS-C2」已經成功升空,三顆衛星都已經取得了聯繫。台灣,也能很快擁有自己的星鏈嗎?我們還欠缺哪些關鍵技術呢?

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什麼是低軌道衛星?它可以取代海底電纜嗎?

在全民都會上網的現代,我們的電腦網路依靠光纖等實體線路,手機、WIFI 通訊則仰賴周遭的基地台,因此只要手機離基地台太遠,就會收不到訊號。未來,這些問題低軌道通訊衛星都能解決。這些在天上快速移動的衛星,只要數量夠多,就能覆蓋整個地球表面。因此不論你是在遠離基地台的深山,甚至是高空中的飛機,都能透過通訊衛星來連線上網。

除此之外,在 5G 通訊逐漸成熟的現在,下一代通訊技術 B5G 追求更快、更低延遲的數據傳輸,也會需要低軌通訊衛星來解決傳統基地台功率與覆蓋性不夠的問題。

但因為人口密集、土地面積小,台灣現在的無線網路服務覆蓋率已經很高了。台灣需要擔心的另一個問題是對外的海底電纜斷裂,使我們與世界失去聯繫手段。

除了要擔心戰爭爆發時敵人為了封鎖台灣消息,而主動破壞電纜以外。台灣周邊的電纜也常因為底拖網、抽砂船作業時被破壞,甚至天災都可能導致電纜被破壞。例如 2006 年恆春地震發生時,高屏海底峽谷就產生海底濁流,也就是海底的土石流。這股海底濁流一衝而下,破壞了呂宋海峽的數條電纜,不只影響了整個東亞以及東亞到美國、英國之間的通訊,包括許多跨國銀行交易。海底電纜斷裂的影響層面非常廣,2006 年恆春電纜斷裂事件發生後,還被聯合國國際減災策略署(ISDR)形容為「現代新型態災難」。

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2006 年恆春地震震央與海底電纜位置。圖/wikimedia

不論海底電纜斷裂的原因會是什麼,我們都需要有充足的準備來應對,而低軌道通訊就是其中的首選。

目前全球有在發展低軌道通訊的不只有 SpaceX 的 Starlink,其他還有 Amazon 的 Kuiper、加拿大的 Telesat 和由美國、歐洲、日本等企業投資的 EutelSat OneWeb 等等。

當然,其中最受矚目的當然還是 Starlink,而且它的發展速度真的有夠誇張。Starlink 在 2020 年才開始在北美提供服務, 去年 4 月我們製作了一集節目在介紹 Starlink,當時就已經總共有 2,000 顆星鏈衛星被發射上太空,服務使用者有 25 萬人。到了今年 8 月,短短又 16 個月經過,在低軌道運行的衛星數量,從兩千顆增加到了 4500 顆,用戶人數從 25 萬人暴增到突破 200 萬人,這肯定是打了針或是吃了藥。當然,訂閱 Starlink 的服務可能需要考慮考慮,但訂閱泛科學頻道,請不要再考慮了,就在這邊,趕快按下去吧! 然後別忘了,SpaceX 的野心,是在天上佈下總計 42000 顆的通訊衛星,大約是現在數量的再十倍,當這個目標達成時,我們的通訊手段可能將迎來天翻地覆的變化。

你可能好奇,這些距離地面遙遠的通訊衛星,能提供多快的上網速度?會不會衛星通訊到頭來只是個噱頭?在光纖電纜的技術進步下,海底電纜的速度確實已經非常快,傳輸速度是低軌衛星的五千到十萬倍左右,這根本是阿烏拉對上芙莉蓮,只有被虐的份啊!

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世界越快心則慢,但網路越慢心更急。Starlink 到底夠不夠用呢?依照 Starlink 實際用戶的實測回饋,雖然星鏈服務的 Ping 值多落在 15~60ms 左右,下載約 100 Mbps,上傳約 15Mbps,但對於一般消費者來說已經算是能接受的了。尤其對於偏遠地區、研究站的通訊,又或是未來 B5G、6G 物聯網中,與大量自動駕駛汽車、智慧裝置的連動,通訊衛星都將成為可考慮的另類選擇。

星鏈服務的 Ping 值多落在 15~60ms 左右,下載約 100 Mbps,上傳約 15Mbps。圖/PanSci YouTube

但如果我們未來不想只看馬斯克或是大公司的臉色,勢必需要發展屬於自己的通訊衛星。那麼,發展一顆通訊衛星,需要哪些技術呢?

低軌道有多「低」?低軌道通訊衛星需要哪些技術?

實際上,在低軌通訊衛星出現之前,我們早就有使用衛星進行通訊的經驗,例如衛星電視使用的廣播衛星。然而廣播衛星和低軌道衛星卻有著完全不同的設計邏輯,這是挑戰,也是機遇。

廣播衛星位於地球同步軌道,距離地面約 4 萬 2 千公里,優點是距離地面遠,因此一顆衛星的覆蓋範圍極廣,只要三顆衛星就能覆蓋地球大部分地區。缺點就是距離地面真的太遠了,就算以光速傳遞訊息,來回 8 萬 4 千公里,就有 0.28 秒的延遲,想必沒有人希望用這種速度來上網。 而低軌道衛星,例如 Starlink,就將他們的衛星分布在距離地面 350 至 1500 公里之間,只有地球同步軌道的 120 分之一到 28 分之一的距離和訊號延遲。反過來說,低軌道的優點是延遲短,缺點就是覆蓋面積小,因此才需要那麼多的衛星來覆蓋整個地球。

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再來,在天線的設計上也完全不同。接收廣播衛星訊號的天線,就是我們暱稱為小耳朵的衛星碟形天線,通常設計成凹面鏡的樣子。根據光學原理,平行光入射凹面鏡後,會聚焦在焦點。也就是說,接收器不是圓盤本身,我們會將接收器放置在焦點來接受最強的訊號。除了小耳朵之外,大型電波望遠鏡的設計,也是出於同樣的原理。

Starlink 的做法則不是這樣,因為用戶不只有接收訊息,還需要發送訊息。Starlink 的天線,是一個稱作 Dishy McFlatface 的小圓盤,只是後來變成方形了就是了。當你在自家屋頂或庭院設置了 Dishy,它內建的 GPS 會鎖定自己與附近 Starlink 衛星的位置,並且建立點對點的雙向資料傳輸。

Starlink 的方形天線。圖/PanSci YouTube

重點來了,要做到點對點的傳輸,代表這些電磁波訊號不能再是廣播衛星那種廣發的波狀訊號,而是要聚集到一條又窄、能量密度又高,如同雷射般的筆直路線上。

有在看我們節目的泛糰肯定有印象,這是我們今年第三次提到這個技術了。沒錯,在無線獵能手環還有宇宙太陽能這兩集中,都有遇到需要遠距傳遞電磁波能量或訊號的情況。其實用到的技術都相同,那就是波束成型(Beamforming)。誒,我們都報明牌那麼明顯了,還不趕快找概念股,然後訂閱一下泛科學嗎?

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一般來說,電磁波都會如同水波般向外發散,波束成型會先把一個訊號源拆成數個小訊號源,將這些訊號源排成一排,並且控制大家的相位。在電磁波的互相干涉下,就會形成一條筆直前進的電磁波。你可以想像一群本來正各自單兵作戰的士兵,透過整隊與喊口號將大家都動作同步,那麼這些士兵就會一起筆直地朝一個方向前進。在比較舊的 Dishy 型號中,寬 55 公分的圓形接收器上,裡面共有 1280 個六角型,每個六角形裡面都是一個天線,這些天線在波束成型後,會構成一個筆直、能量又強的電磁波束,與天上的衛星展開通訊。

咦?但衛星一直在動啊,難道天線也要一直追著衛星跑嗎?其實不用,我們只要對這群士兵下向左轉、向右轉的口令就好。例如我們喊向左轉,那只要左邊的士兵步伐放慢,右邊的士兵加快速度,就能完成轉向。同樣的道理,我們只要改變每個訊號源發出訊號的時機,改變每個波的相位,就能讓干涉出的訊號朝向特定角度,而不用機械式的移動天線本身。而能做到這種功能的天線,我們稱為相控陣列天線。

相控陣列天線(Phased array)的工作原理是改變每個訊號源發出訊號的時機和每個波的相位,讓干涉出的訊號朝向特定角度。圖/wikimedia

知道了地面天線如何和低軌道通訊衛星取得聯繫後,還沒完。這些丟出去的指令,衛星收到了沒錯,但如果你想要連上網際網路,最終這些訊號還是要能連上有線網路。

在星鏈 1.0 時,每顆 Starlink 衛星都是單獨運作,衛星在接收地面天線發出的訊號後,會傳遞到附近的地面接收站 Gateways,接著 Gateways 一樣會走光纖電纜的方式與網際網路連接,讓用戶得以上網。地面接收站一般設有 9 個雷達天線,每個直徑 2.86 公尺。衛星本體,例如 Starlink 2.0 上,則配有四個陣列天線,兩個用來與使用者相連,兩個連向地面接收站。

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然而,這樣的設計限制了 Starlink 的服務,因為這代表地面接收站與你的天線,必須同時在同一顆衛星的訊號範圍內。但是低軌衛星的覆蓋範圍又不大,一個地面站只能照顧方圓 800 公里內的用戶。因此如果你家附近沒有地面接收站,抱歉,你還是收不到訊號的。如果你在廣闊的大海上,就更不用想了。再來,就算 Starlink 提供全台灣的無線網路服務,但如果這個地面接收站就設置在台灣,那麼當台灣的對外海底電纜斷了,就一樣回天乏術,星鏈的設置可說是毫無價值。

Starlink 2.0 上配有四個陣列天線,兩個用來與使用者相連,兩個連向地面接收站。圖/PanSci YouTube

SpaceX 當然也想擺脫地面接收站的束縛,況且如果到了海上就收不到訊號,那可遠遠無法稱上「全球通訊」。因此到了 Starlink 2.0 時,衛星間通訊技術 LISL (Laser Inter Satellite Link) 全面安裝到了衛星上,藉由衛星間的通訊,取代海底電纜的作用,進行跨地區的通訊服務。你看,現在不只海底有資訊高速公路,在天上也出現了網路任意門。比起過去衛星間使用的無線電傳輸,使用 LISL 技術的衛星與衛星之間,用的是雷射。雷射傳訊不僅頻寬較寬,因為光在真空中的速度是最快的,比在光纖中還快。因此與海底電纜相比,傳輸速度反而有可能更快,衛星間的雷射通訊技術,也成為目前太空研究領域中非常重要的一環。

在通訊研究中,除了硬體技術的革新外,另一個最大的問題是,如此龐大的星鏈星座網路該怎麼設計?如何選擇地面天線要與哪個衛星通訊?每個衛星該攜帶多少個雷射發射器與接收器?資料傳輸要經過幾個衛星,才不會因為過多的路由,造成網路延遲飆升。哇~諸如此類的網路設計難題,都是因應通訊衛星而生的新型態網路結構所需面對的課題。而當這些問題被解決,那麼 Starlink 將真正全面擺脫地面接收站,並且能向地球上任何一個角落提供不受限的網路服務。

台灣的低軌道通訊衛星

根據中央社報導,台灣和 SpaceX 從 2019 年開始就展開嘗試性商談,但至今仍未能談妥。今年 11 月 14 日,中華電信成功與另一家公司簽署了台灣低軌衛星的獨家代理合約。這間搶在 SpaceX 之前簽約的公司,就是前面也提到過的 Eutelsat OneWeb。相較於 SpaceX 已經發射升空的 Starlink 大約有 4500 顆,Eutelsat OneWeb 現在的低軌衛星數量大約有 600 顆。台灣的目標,則是在 2024 年底前,布建國內 700 個、國外 3 個非同步軌道衛星的終端設備站點、以及 70 個將資訊候傳的設備站點,建構能完整覆蓋全台的衛星通訊。

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除了與現有的低軌道通訊服務公司簽約外,在打造自製台版星鏈的道路上,也傳來令人振奮的消息,就在簽約的兩天前,11 月 12 日,由中央大學與鴻海科技集團共同研發的珍珠號 PEARL-1C 和 PEARL-1H,兩顆立方衛星升空,並且與地面取得聯繫。搭載的儀器除了中央大學的電離層探測儀之外,還包含了 Ka 頻段的通訊酬載以及剛剛介紹的相控陣列天線,希望能為台灣自製的低軌道衛星通訊打下基礎。

國家太空中心則預計在 2026 年,將第一顆低軌通訊衛星送入太空,2028 年發射第 2 顆。希望能推動 B5G 的發展,並成為發展台版星鏈的敲門磚。

目前台灣的太空領域,許多的技術都正在發展、測試階段。除了這集提到的相控陣列天線、衛星間通訊技術,還有這集還來不及提到的長時間航行的充電問題、姿態校正問題,甚至是未來自行發射衛星的所需要的火箭科技,都需要一步步來解決、實踐。而且根據太空中心估計,至少要擁有 120 顆低軌道通訊衛星,才能確保全台 24 小時的通訊都不間斷,要達成這個艱鉅的任務,我們還有好多路要走,好多衛星要升空。

但千里之行,始於足下,千星之鏈,始於發射架。從福衛系列衛星到獵風者衛星,台灣的太空路線越來越鮮明,也讓人期待包括火箭、衛星到通訊技術的未來發展。

這集我們以 Starlink 為例,詳細的介紹了低軌通訊衛星的重要性,以及需要面對的技術突破。

也想問問大家,你覺得未來低軌通訊衛星,會如何改變網路市場呢?

  1. 衛星通訊成為常態,到哪都可以上網,等等這代表不管去哪都無法以網路不穩當藉口了嗎?可惡!
  2. 衛星通訊只是壁花配角,有線的海底電纜終究是主流
  3. 先等等,衛星競爭太激烈,衛星都比星星還要多了,真的不會在天上發生連環車禍嗎?

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參考資料

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資訊量過大啦!我們其實不擅長處理複雜的資訊?——《生物轉大人的種種不可思議》
商周出版_96
・2023/11/21 ・1330字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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誰不接受多樣性?

我們的成長方式具有多樣性。有人長得快,有人長得慢;有人長得高大,有人長不高。這種多樣性是「生物的策略」。不過有個東西並不接受多樣性。就是我們的大腦。

人腦不善於處理複雜的訊息。

有一個法則叫做「神奇數字七法則」,意思是:人類一次頂多只能記住七樣東西。

這是真的嗎?我們來試試看。

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請記住以下插圖,限時三十秒。

接著再看下面的圖,什麼東西不見了?

答案是不倒翁。為什麼明明十樣物品也不多,我們就是記不住呢?

再來試試下一題吧。

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雖然超過七個圖,但是這一題可能大家都記得住,因為這些圖都與《桃太郎》的故事有關。先找出關聯性,再加以歸納整理,大腦才有辦法勉強記住超過七樣東西。

大腦不擅長處理太多資訊

記憶圖畫或許比較困難,試試看數字吧。

請記住旁邊的數字,限時五秒。

怎麼樣? 是不是太簡單了點!

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下面這一組數字呢? 也是限時五秒。

上面這一題是不是也太簡單了!

下一組數字呢? 限時同樣五秒鐘。

如何?

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前兩題應該可以輕輕鬆鬆記住,但是第三題就比較不容易了吧?

你知道第三題有幾個數字嗎?

答案是八個。

只有八個!

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人類厲害到發明了電腦,我們優秀又傑出的大腦照理說應該能理解一百、一萬,甚至一億個數字。然而實際上,人腦必須費盡力氣才能記住兩隻手數得完的數字。我們的大腦本質上不擅長處理「大量」的資訊。

理解「大量」的方法

如同上述的例子,當題目是文字(圖像)時,只要歸納出《桃太郎》的故事,我們的大腦就更容易理解。

那麼數字呢?

我們來看看下面的數列。

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把亂七八糟的數字排成一列,是不是就好記很多?

如果再排成下面這樣呢?

這次是依照數字的大小排序。

我們可以看到「3」有兩個,而 1 到 9 中間缺少了「7」和「8」。經過排列和整理順序之後,人腦就比較能夠理解這些資料。我們的大腦最喜歡把東西排成一列或排順序。學校排成績也是這樣的關係吧?

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——本文摘自《生物轉大人的種種不可思議:每一種生命的成長都有理由,都值得我們學習》,2023 年 8 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

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