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Hidden Figures (NASA無名英雌)

公司項目完成慶功,包起整間戲院請同事睇戲,畢竟我們是高科技的工程公司,揀影片也廷有心思,選了這齣與工程學有密切關係的Hidden Figures。故事改篇自真人真事的傳記,講述在美國六七十年代,太空總署的三位黑人女性的事蹟。雖然今天美國已經有黑人當總統,但當年社會仍然有種族歧視法例,黑人不準和白人一起坐巴士,不能使用同一個廁所,不同上白人的學校,甚至連咖啡壺也要分開。黑人加上是女性,更是被雙重歧視,盡管工作能力比白人男性優勝,卻得不到合理的待遇和機會。這齣電影是勵志故事,三位女主角力爭上游,終於憑自已的努力闖出一片天空,成為平權運動的程里碑。

原本擔心電影會很沉悶,估不到意外地好看,沒有刻意販賣種族問題煽情,反而著眼於主角如何克服重重困難。編劇把三位女主角的爭扎,放在美國與蘇聯的太空競賽的默絡中,讓觀眾感受她們是水星太空船發射成功的無名英雄。電影中因為電腦計算軌道出錯,太空人John Glenn親自點名Katherine Johnson,用人腦覆核軌道計算是真人真事,電影中拍得十萬火急,火箭要等著結果才可以升空,現實的版本是有幾天時間去計算。另外戲中三位主角是好朋友,現實中她們只算得上是同事,而當主管的那個主角的故事,真實中其實比另外兩位早十年。電影戲劇性十足,太空總署老總親自拆黑人廁所是神來之筆,讓觀眾感受到太空總署不問膚色只問能力的進步性,不過那當然電影杜撰的劇情了。戲中有些對白亦很到位感人,例如猶太老工程師鼓勵女主角去報考工程師,不要因為自已的膚色未試就覺得一定失敗,他說自已在納萃集中營死裏逃生,沒有什麼是不可能的。劇中沒有壞人,太空總署的白人同事亦不是刻意地歧視黑人,不過當年社會風氣就是如此,劇中白人女上司正好演活那一種「無知之惡」心態。

身為一個電腦人,戲中描述的電腦歷史很有趣,當電腦有整間房子般大,輸入輸出還是用打卡的年代之前,computer一詞,原意是指用人腦去compute的人,亦即是戲中三位女主角的工作。發射火箭上太空涉及很多數學計算,太空總署請了很多女性來擔任計算員的工作,因為女性比較細心。電影中的其中一個橋段,說要從太空軌道回到地球要用新的數學理論去計算,然後女主角靈機一觸說不如用古老的Euler’s Method去計算,讓我十分驚訝,因為很少荷里活電影有如些合情合理有關「電腦」的對白。不過相信非數學人完全不明白這段戲的精妙,簡單來說從太空軌道返回地球要用微積分去計算軌道,當年還未發明漂亮的方程式去找出答案,而Euler’s Method則是傍門左道的暴力破解,把方程式用數碼化斬件,用大量普通四則運數去計算太約答案。反正又不用真的解開方程式,只要答案在二十海浬的笵圍內,讓海軍空母可以去收回太空船就可以了。這方案就是依賴電腦的運算能力去找去降落地點,所以才有後來新型電腦計算出錯,要主角用人腦去計算落點的高潮。

電影故事很好看,不過沒有特技鏡頭,沒有動作場面,不必要在大銀幕看。這些純劇情的電影,不妨等出影碟才在家慢慢欣賞。若果只是看電影完便算,導演想傳達的訊息便只收到一半,看完電影若能引起觀眾對那段歷史的興趣,借古喻今,讓我們反思社會上的不公義,那才叫是功德完滿。看完電影我爬了不少Wiki,除了知道劇中那些情節是真事,那些是跨張的表達手法外,還看了不少早年太空科技的資料。原來太空船返回地球也有分導道降落和非導道降落兩種,這套電影真的寓教育於娛樂,能夠引起我的學習興趣。

This Idea Must Die – John Brockman

過時科學理論大掃除

曾幾何時,人類以為地球是平,太陽繞著地球轉,太陽系有九大行星。隨著科學進步,人類發現新知識,修正對世界的認識。可是總有些人故步自封,縱使證據確鑿,仍不願接受新觀點。一般人追不上科學發展,倒也情有可原,畢竟他們不是專家。但不少科學家,學者,科普作家,不論因先入為主的學術偏見,還是一生名聲押注在舊理論上,頑固地堅守錯誤的觀點,便是「阻住地球轉」防礙科學進步。著名科學家Max Planck說過:「科學進步源於葬禮,只有抱殘守缺的老前輩死光,新理論方能取代舊理論為正統。」不過請別太苛責老人家抗拒新事物,智者強如愛因斯坦亦老貓燒鬚,晚年時斷言量子力學不可能,更說出「上帝不擲骰子」這名句。

說到科學權威,edge.org大慨是世上最有影響力的智庫,它以推廣科學啟蒙民眾為已任,成員雲集最頂尖科學家,大學教授和科技大亨。有感於科學家躲起來自顧做研究,社會的話語權落在文科學者手上,edge鼓勵科學家用淺白易明的文字,繞過記者等中間人直接面向群眾,左右民意制定有利科學發展的政策。每年edge都定出一條具前瞻性的題目,眾成員撰文各抒已見,並輯錄成書出版。去年的題目,問那個過時的科學理論最應死,總共收集了170篇回覆,包括眾多鼎鼎大名的作者,如Jared Diamond,Nassim Nicholas Taleb,Richard Dawkins等人,題材包羅萬有,從物理,生物,電腦,醫學等硬科學,到經濟,心理,統計等人文科學也有,結集成《This Idea Must Die》。

書中有不少文章關於物理學,有趣的是學者們意見兩極分歧,大部份認為超弦理論(M-theory)走錯了路,最後變成總可自圓其說不能驗證的偽理論,白白浪費一代科學家的青春;我們不應盲目追求統一理論,也許在量子力學的世界,根本沒有一條能解答所有的方程式。然而,小部份卻認為我們三維宇宙觀才是錯誤,應該擁包多元平衡宇宙觀。生物學是另一個熱門題目,進化論更是眾矢之的。科學家不是要推翻達爾文學說,只不過「物競天擇,適者生存」這句過份簡化的口號,是時候扔進垃圾桶,以免誤導蒼生。進化的機制很複雜,一般人對進化論一知半解,甚麼進化來自基因隨機突變,所有生物有共通基因,環境和遺傳的簡單二分化,甚至所謂天擇本身,統統都是錯。

物理學和生物學的知識太抽像,離現實生活太遙遠,說些對我們有直接影響的題材吧。目前美國食品藥物管理局規定,凡新藥上市前,必須經過隨機控制臨床測試;而在人體測試前,要先用老鼠來試藥。人類與老鼠身體根本不同,在老鼠有效不等於對人類有效。而隨機測試的變數太多,令藥品的效用不明顯,結果研究人員要篤數過關。從醫學到社會學的研究,統計數字彷彿是教條,結果大部份論文都是垃圾,純萃為論文數目而出版。未有題目先收集一大堆數據,再看看有什麼特別的統計數字,才馬後炮找理論去詮譯解釋。研究應重回論證因果關係的科學傳統,而不是一味追求大數據用統計學去亂撞。

開解人腦之謎一直是科學家的夢想,不過對於自已腦袋,坊間說法卻以訛傳訛居多。一直以來IQ是衡量智力的標準,可是這等於用單一數值,來衡量一個人是否健康同樣荒謬。小孩子腦袋高可塑性的說法,令一眾望子成龍的家長,乖乖付錢購買什麼莫扎特效應胎教CD,可是這根本完沒有科學根據,反而人腦如何學習新知識的機制,才是未來研究的方向。把人分為右腦思考和左腦思考,把腦袋每個區域的功能斬件獨立來看,同樣都是上世紀過時的理論。不要電腦來比喻把人腦,兩者本質上是完全不同的結構。至於自由意志,靈魂是否存在等萬年哲學問題,有些科學家主張物質主義的還原論,有些則認為那些不關科學的事,留給哲學家和神學家去辯論好了。

不要被近600頁的厚度嚇怕,看一本書等於看了百多本書,CP值十分高,適合連閱讀也講求效率的香港人。百多個不同的科學題目,總有幾個能引起你的與趣。若某題目激發起你的求知慾,大可以按圖索駿,找那篇文章作者的著作來細看。

編者簡介:John Brockman是edge的創辦人,科學和科普書藉的編輯和出版商。至力推廣C.P.Snow提出兩種文化文理雙科互相對立以外,科學家身兼公共知識份子的第三種文化之路。

申延閱讀: C.P.Snow, The Two Cultures

原文刊於《閱刊》九月號。

諾貝爾物理獎預測:蔡少棠與憶阻器(memristor)

今年的諾貝爾獎將於今個星期陸續出爐,每年都有不少誰會得獎的預測,今年香港報紙力捧於科大任教的OLED之父鄧青雲,不過我的諾貝爾物理獎的心水熱門人選,則是同樣都是華裔科學家,曾於加洲柏克萊大學任教的蔡少棠(Leon Chua)。恐怕行外沒有多少人聽過蔡少棠的名字,不過他的女兒倒很出名,就是「虎媽的戰歌」的作者蔡美兒。蔡少棠是第一個發現憶阻器(memristor)的人,他的發現足以改寫所有電子學教科書,奪取諾貝爾物理獎絕對實至名歸。

當年我讀大學時的電子教科書,只有三種基本被動電子元件,電阻(resistor),電容(capacitor),電感(inductor)。三種電子元件聯繫著四個基本數值,電流(current),電壓(voltage),電荷(charge),磁通量(flux),四種數值應該有六種聯繫方式,但已知的電子理論只能解釋到其中五個聯繫。蔡少棠從電子的數學模型上推論,認為應該存在第四種基本電子元件,那就是憶阻器(memristor)。顧名思義,憶阻器的特性便是能夠記憶電阻值,憶阻器簡單來說是一個可變電阻。當強大的正電壓通過時,便會增加憶阻器的電阻值,反之強大的負電壓通過時,便會減少憶阻器的電阻值。蔡少棠於一九七一年發表第一份憶阻器的論文,也許他的理論太過超前,也許一直都沒有人發現憶阻器在物理上的存在,電子科學界三十多年來差不多完全無視他的理論。憶阻器妨如只存在於數學模型中的幻之電子元件,不少電子科學家認為那只不過是一些有趣的數學公式。

終於在2008年,HP實驗室的科學家Stanley Williams在研究新記憶體時,無意中發現憶阻器的存在。他的實驗室在研發創新的crossbar記憶體架構,以改變其電阻值作為記憶體的位元,大電阻值時代表一,細電阻值時則代表零。他嘗試用不同的物料去構成記憶體,他的記憶體實驗姑且算是成功,他發現用二氧化鈦(TiO2)有改變電阻值的特性,但卻苦無任何物理學理論能解釋其運作原理。某天他的同事Greg Snider丟給他蔡少棠那份被多數人遺忘了的憶阻器論文,不看可猶自可,一看之下Stanley驚覺自已原來造出了那個幻之電子元件,蔡少棠的數學模型正好解釋他奇怪的實驗觀測。

憶阻器可以說是革命性的記憶體,傳統的記憶體分為兩大類,DRAM讀寫速度快,但關上電源便資料沒有了,而FlashRAM可以在沒有電源時保存資料,但讀寫速度緩慢。憶阻器則集兩家之大成,不單讀寫速度快,沒電時也能保存資料。試想像一下如果用憶阻器做電腦的主記憶體,便不用每次開機都要經歷漫長的等待了,關上電源後不會清空記憶體的內容,下次開機便可以立即回復先前的進度。由於憶阻器是被動電子元件,不需要使用電力去記著和讀取資料,只是在寫入資料時才需要電力,因些耗電量非常少,可以令電池更加耐用。除了當記憶體外,憶阻器還可以取代半導體去組成構邏輯閘的單元,藉著組合不同電阻值的憶阻器,能模疑NAND這個萬用邏輯閘。而用憶阻器組成的邏輯,更可在運算中改變其算式,讓半導體晶片結合傳統FPGA的功能。憶阻器比半導體的體積更細,運行時所需的電力也較少,最重要是可以應用現行的圓晶技術生產,相信可以延繼摩爾定律多十年二十年。

或許憶阻器最革命性的應用,是用來製造人工智能電腦的神經網絡。我們目前只能用半導體電腦去模疑腦袋如何運作,不論電腦技術發展如何飛快,模疑腦袋始終追不上真正腦袋的速度。憶阻器正好吻合人類神經系統的神經鍵(synapses)的特性,或許這讓我們能夠建造與人腦同樣運作原理的電子腦,造出能夠和人類同樣地思考的智能機械人,終有一天實現科幻小說中關於機械人的預言。

量子電腦,下一場電腦革命

說起溫哥華,香港人認為是個風景優美,氣候怡人的理想退休城市,就算沒有親身去過,身邊總會認識親戚朋友舊同學,移民過去那兒安居樂業。可是又有多少人知道,溫哥華很可能是下一波電腦革命的發源地。總部位於溫哥華的D-Wave System,是全世界唯一研發商用量子電腦的公司,九九年開業至今,只賣出了兩台量子電腦。換了是其他start-up,生意這樣少,一早就執笠了。不過此公司的投資者非比尋常,包括CIA和阿瑪遜的創辨人Jeff Bezos,他們十分有耐性,因為量子電腦若果研發成功,將會顛覆整個電腦行業。早兩年Google買了一台量子電腦試用後,近日更高調宣佈自行開發量子電腦,足以證明量子電腦的前景無限。

量子電腦是什麼?聽起來像是科幻小說中才出現的的玩意。當電路的體積越來越細,細到只有納米的大小,在極低溫低的狀態,便會出現量子現像。我們在中學教科書中學過的傳統物理學,連愛因斯坦的物理學,都統統不再適用,踏進量子物理學的領域。量子物理學我也不太懂,不過量子電腦的運作原理,倒也不難明白。傳統電腦的運算單位是零與一,每一個運算位元(bit)只能計算一個數值。量子電腦則利用superposition的原理,量子運算位元(qubit)是零與一外,還可以同時間包括零和一,只有在最後觀測結果時,才會隨機地變成零或一的結果。打個比喻,擲銀幣有公字,公是零,字是一,那superposition可以說成個銀幣在拋起在空中不停打轉的狀態,那個銀幣在跌落地那刻,我們才知道是公或是字。另外量子腦還利用entanglement的原理,讓兩個不同的量子位元連結在一起,在觀測其中一個位元的結果時,另一個位元也會呈現相同的結果。繼續用擲銀幣打比喻,若果半空有兩個銀幣entangle了,其中一個落地開公,另一個銀幣必定也會開公,結果只能是兩個公或兩個字,不可能一個公一個字。擲銀幣公字的機會永遠是各一半,但量子計算的原理,便是利用量子邏輯運算,改變在半空中銀幣會開公或開字的機會率。量子算式便是結合superposition和entaglement的原理,讓量子電腦同時間作大量平衡運算,並把你想要的答案,在觀測結果的時侯,有最高開出的機會率。

目前量子算式主要用來計算傳統電腦一些稱之為P=NP的難題,這類難題的特點,是要找出正確的答案很困難,要動用天文數字的電腦運算能力,但覆核答案是否正確相對地容易。其一個難題便是尋找超大數目的質數因數,要從把兩個超大質數相乘的結果,反轉頭找出原本那個兩個質數,而這個算式基本上是現今所有加密系統的罩門。加密系統的原理就是假定駭客沒有足夠的電腦能力去作暴力破解(brute force attack),在有生之年把所有密碼的可能性撞出來,而量子電腦的平行運算能力,便正正是同時間去撞所有密碼。另一個量子電腦擅長解決的難題,是統稱為旅行的營銷員問題(traveling salesman),用一個比較現實的例子來說明。假你打算去環遊世界,決定遊覽每一個國家的首都,但世上有幾百間航空公司,有數以萬計來往各地首都的航班,機票有平有貴,行程安排可有天文數字的組合,那你如何找出最最最便宜的機票組合呢?當然沒有人會真的這樣環遊世界,但類似的最佳化問題(optimization problem)天天都有,從物流公司安排貨物的運送,到藥廠開發新藥物,天文台預測天氣,人工智能,甚至金融機構的電腦操盤,都能應用最佳化的量子算式,大大提高運算速度和準確性。

說回D-Wave System,當各大學的頂尖量子研究,還只是在弄十幾量子位元的運算,他們的量子電腦便已一口氣五百量子位元,下一代的量子電腦更去到一千量子位元。要知道量子電腦的平衡運算能力,是二乘以量子位元的倍數(2^N),多一量子位元運算能力翻兩倍,多兩量子位元運算能力翻四倍,多三量子位元運算能力翻八倍,是幾何級數的暴升。那D-Wave有什麼秘密武器,讓他們遙遙領先一眾量子研究呢。說穿了可能是世紀大騙局,儘管所有媒體報導都說他們賣量子電腦,事實上他們自己也不知道自己賣的算不算是量子電腦。大學研究著重學術理論,建造量子電腦前,要先弄清楚其中涉及的量子物理學理論。D-Wave則走工程師的捷徑,在完全弄清量子理論之前,單憑一個非常有可能成功的假設,先把量子電腦造出來再說,造了出來才慢慢研究其中的原理。而D-Wave的開發的並不是汎用型量子電腦,而是一種稱之為quantum annealing machine,只能計算最佳化問題的特殊量子電腦。D-Waves的量子電腦最初面世時,因為它們是量子研究界的異端,引來不少學者的質疑,認為他們不可能造出量子電腦。自從Lockheed Martin和Google購入量子電腦,開放給不同科學家作獨立研究檢測,質疑聲音逐漸轉變為肯定和支持,看來D-Wave在那場量子技術的豪賭中押對了注,量子電腦實用化向前邁進一大步。

自Shockley發明半導體至今六十年,三十年前個人電腦才剛剛起步,現在我們每人口袋中都有一台超級電腦。量子電腦理論發明於八十年代初,現今已經過了三十年,三十年後我們會否人手一台量子電腦呢。在外國不少大學,已經開設量子物理和量子電腦的專門學科,準備迎接即將來臨的量子革命,不知道香港的大學,又做好迎接量子時代的準備了未?

冷核聚變

上月份美國國家能源部發表了對冷核聚變(Cold Fusion)的研究計畫﹐這個研究計畫若能成功開發﹐很有可能完全的改寫人類的未來。

現役的核能發電廠(如大亞灣)﹐使用的是核裂變的技術。藉由核子分裂產生出的熱子﹐去推動渦輪發電機產生電力。在五六十年代開發初期﹐曾被認為可以解決人類的能源問題。但由於核子反應產生的輻射和廢料帶來的安全問題﹐以及發電廠的運作和退役的經濟成本﹐核能發電在可見的將來也不能取代傳統的化石能源。

核聚變的原理則剛剛相反﹐根據愛因斯坦的物質與能量互恆定律﹐當兩個輕核子結合為一個重核子﹐兩者相差的質量就會轉化成能量釋放出來。研究的主流集中在熱核聚變上﹐用超過一千萬度的等離子把核子加熱﹐讓核子發生聚變而產生出額外能量。目前在熱核聚變的研究還是實驗階段﹐由核聚變產生出的能量﹐不足以讓反應爐自給自足維持超高溫﹐枉論有多餘的能量作發電用途。而熱核聚變由於需要超高溫度﹐發電機微型普及化會有一定的困難﹐不可能完全取代要依靠石油的內燃機。

冷核聚變就是在正常的溫度下﹐用核聚變的方法產生能量﹐亦是很多科幻小學中常借用的題材。但在主流的科學家圈子中﹐冷核聚變被認是天方夜譚﹐是一個不可能實現的夢想。但一九八九年鹽湖城大學的發表的一篇論文﹐為這個不可能帶來一線希望。他們發現在鈀(Palladium)電極浸在重水中通電﹐就會發生類似核聚變的發應﹐分子結合為氫並釋放出多餘的能量。這個冷核聚變的裝置簡單很難以置信﹐十五年來有很多的科學家重覆實驗﹐可是他們還沒有一置的答案﹐有些不能成功的產生能量﹐有些認為這只是純化學反應而非核聚變。而能源部今次的研究﹐就是要發展冷核聚變的理論基礎﹐精確的明白能量在如何在裝置中產生。

冷核聚變可以為我們帶來源源不絕的能源﹐亦沒有任何有害的污染物產生。它不單會解決人類過份依賴化石能源的危機﹐甚至會改變世界的政治秩序。上世紀的兩次世界大戰﹐以及現在美國對中東的政策﹐無一不是和爭奪資源有直接的關係。廉價而無限的能源﹐會令中東的回教國家沒有石油的收益﹐它們將會從世界政治的舞台上退下﹐變成為和非洲沒有人關心的落後國家一樣。而回教原教旨主義所發動的聖戰﹐在缺乏資金和西方因沒有利益而撒出中東下﹐再沒有凝聚力而自我崩潰。長遠而言政治是會隨著科技而轉變﹐至力發展新能源取代石油﹐才是打擊回教恐怖主義的上上之策。

Soure: IEEE Spectrum, September 2004