科學月刊-2016年5月號-557期 福衛五號上陣

NEWS FOCUS

在 浩 瀚 無 垠 的 宇 宙 中， 是 否 存 在 著 另 一 適 合 生

「突破星擊」計畫 尋找下一個地球

物 生 存 或 早 已 有 外 星 人 駐 紮 的 星 球？ 這 個 假 （NASA設 ） 不 再 是 一 個 未 知 的 問 號， 由 俄 羅 斯 數 位 天

空 科 技 公 司（ Digital

Sky Technologies ）創 辦 Milner ）、 英 國 物 理 學 家 霍 金 （ Stephen Hawking ）、 Facebook 創 辦 人 祖 克 柏（ Mark Zuckerberg ）與 美 國 航 太 總 署 沃 爾 登（ Peter Worden ）領 銜 的 合 作 團 隊， 提 出 了 「突破星擊（ Breakthrough Starshot ）」計畫， 耗 資 100 億 美 元 將 只 有 手 機 大 小 的 奈 米 飛 行 器 （ Nanocrafts ），高速飛往離地球最近的一顆星 系—半人馬座阿爾法星（ Alpha Centauri ）。

人 米 爾 納（ Yuri

儘管是離地球最近的一顆星系，距離地球也有著

25 兆英里，相當於 4.37 光年之遙，以現今最快 3 萬年才能到達，利用此項計畫的

的太空船則需

奈米飛行器將承載著相機、導航、通信與全方面

20% 的 光 速 前 行， 預 估 20 年 後 就 可 以 抵 達， 並 且 只 需 4 年 時 間 就 能 將 的 空 間 探 測 設 備， 則 以

在星系上所拍攝的照片與探測數據傳回地球，不 僅讓探索太空的時間縮短在一個世紀內，更實現 人類追尋耀眼星星的夢想。 （NASA）

http://breakthroughinitiatives.org/News/4

太陽系第九行星候選人？

（NASA）

自 2006 年冥王星被 列為矮行星之後，太陽系中只剩 下八大行星在運行，而在今年一月初，美國加州理工學 院（California

Institute of Technology）科學家透過

其他天體運行軌跡的變化，推論在廣大的太陽系中可 能存在著第九行星。 近日，瑞士伯恩大學（University

of Bern）科學家透過

電腦模擬計算、收集相關資料，得出此顆行星的質量 約為地球的 10 倍，直徑是地球的 7.5 倍，溫度則約攝 氏零下 226 度，是一顆冰凍行星。行星外層由氫氣和 氦氣包裹著，內層則由冰塊和岩石構成，核心則為鐵。 但由於此顆行星距離地球太 遠，亮度 太過微弱，目前 天 文學家用現今的天 文 望遠 鏡 並 無 法 一窺這 顆冰封 星球的神秘面紗，期望有更多相關的研 究，能早日揭 開外太空中第九行星的廬山真面目。

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Linder Esther F. and Mordasini Christoph., Evolution and magnitudes of candidate Planet Nine, Astronomy & Astrophysics, 2016.

NEWS FOCUS

（Flickr：NASA Goddard Space Flight Center, https://goo.gl/Vt4WKQ）

在磁鐵中的新型態— 量子自旋液體

新鮮水果能降低中風 與心臟疾病

次 提 出 第 三 磁 態 理 論， 此 後 科 學 家 便 努 力 想 找 出 此 種 磁

of Oxford ）與 中 國 醫 學 科 學 院 （ Chinese Academy of Medical Sciences ）共同合作的最

態， 在 英 美 兩 國 科 學 家 共 同 努 力 下， 最 新 一 期《 自 然 材

新研究指出，相較於攝取少量新鮮水果的人，常攝取新鮮

料 》（ Nature

Materials ）期 刊 中 這 項 新 型 態 首 次 在 實 驗 Spin Liquid ）。 研 究 團 隊 利 用 電 子 分 裂 得 到 馬 約 拉 納 費 米 子（ Majorana Fermion ），並且能夠在類似石墨的二維物質中被找到。

水果的人能降低心臟方面與中風的危險，這項研究藉由追

室中曝光，稱為量子自旋液體（ Quantum

蹤醫院疾病紀錄，收集了中國地區

普通的磁性物質在一定的低溫中電子會根據磁極進行自我

研究發現，由於水果當中富含鉀、膳食纖維、抗氧化劑和

排列。然而，研究人員在三氯化釕（ RuCl 3）的晶體中所發

少量的納與較低的熱量，與降低血壓、降低血糖有大大相

現的量子自旋液體卻背道而馳，不論在多低溫的情況下電

關，且能減少抽菸者的吸菸量。研究人員更進一步表示，

子仍不斷地起伏變動，無法整齊排列，此種狀態與安德森

心血管相關疾病風險與人們食用水果多寡有強烈的關聯

先前所提出的理論十分相似。

性，不論男性或女性，每天攝取

早在

1980 年 代， 物 理 學 家 安 德 森（ Philip Anderson ）首

（Pixabay）

由 牛 津 大 學（ University

10 個城市或農村中 50

萬名成年人健康資料，其中也包含沒有心血管疾病或高血 壓相關疾病的人。研究共耗時了七年的時間。

100 公克水果能降低 1/3

的心血管疾病死亡率。 這項新型態是量子材料的一大發現，改變人們對於量子狀 態的認識，未來更可能提供更多的新的嘗試並運用在各項

在最新一份全球疾病報告則指出水果攝取量低是中國地區

量子產品上。

人民早逝原因之一，但目前並沒有直接證據來證明此事； 但由此項研究我們可以知道多攝取新鮮水果對健康著實是 有益無害的。

Banerjee A. et al., Proximate Kitaev quantum spin liquid behaviour in a honeycomb magnet, Nature Materials, 2016.

Du Huaidong et al., Fresh Fruit Consumption and Major Cardiovascular Disease in China, New England Journal of Medicine, 2016.

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專欄文章

愛因斯坦的最後一搏—EPR 悖論 賴昭正

前清大化學系教授、系

主任、所長；合創《科學月刊》 。

十九世紀末的物理學家曾非常自滿地認為物 理已走到了盡頭，該被發現的都已被發現了， 剩下的只是些細節的小問題而已。沒想到 20

世紀的曙光才一現，普朗克（Max Planck） 便不知覺地率先敲響了「量子力學」的革命

鐘聲；1905 年，在瑞士專利局做事的一無名

小卒愛因斯坦，不但火上加油舉旗響應，他 自己也在另一戰場發動了另一革命：相對論！

相對論雖然改寫了三百多年來物理學家對時 間及空間的看法，但並未改變人類幾千年來對 「客觀宇宙」──實在（reality）──的認

知與經驗：不管我們是否去看它，或者人類 是否存在，月亮永遠不停地依一定的軌道圍 繞地球運轉。可是量子力學呢？它完全推翻 了「客觀宇宙」存在的觀念。在它的世界裡， 因果率成了或然率，物體不再同時具有一定 的位置與運動速度 . . . . . . 。這樣違反「常識」

的宇宙觀，不要說一般人難以接受，就是普 朗克及愛因斯坦本人也難以苟同！但在經過

量子力學的世界

一番企圖挽回古典力學的努力失敗後，普朗

海森堡測不準原理是一耳熟能詳的量子力學原理：它謂

克終於牽就了新革命的產物；但愛因斯坦則

我們不能非常準確地同時測定一物體之位置及其運動速

一直堅持不相信上帝在跟我們玩骰子！ EPR

度（動量）──因為測量位置（動量）時，測量這一動

論文就是他反對聲浪中的最後一篇影響深遠

作無可避免地將影響到其動量（位置）。事實上，測不

的傑作。

準原理的內涵比此更深：它認為物體不可能同時具有非

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理 物 | Physics

▋

你真的相信除非我們去看它，否則月亮就不在那裡嗎？ ── 愛因斯坦

除了位置與動量外，在量子力學裡還有許多類似的互 補物理量；例如我們將談到之基本粒子或光之「自旋 （spin）」：粒子不可能同時非常精確地具有多方向

的自旋。除此之外，自旋事實上還有一個非常不同於 位置或動量的量子性質：「量化」。在古典力學或經驗 裡，一個物體想怎麼自旋都可以；但在量子力學裡， 如果粒子的自旋數為 s，則在任何方向就只能有 +s（順

時鐘）或 –s（逆時鐘）的旋轉而已。

EPR 論文 1933 年在普林斯頓定居下來後，愛因斯坦又開始思索

著其「實在」的問題。終於在 1935 年，與波多爾斯基

（Boris Podolsky）及羅森（Nathan Rosen）聯名在

《美國物理回顧》 （Physical Review）雜誌上發表了一

篇共四頁，題為「量子力學能完整地解釋實在性嗎？」 的論文，再次反駁量子世界觀的正確性。這篇後來被稱 為「EPR 悖論（EPR paradox）」影響深遠，可能是愛 因斯坦移居美國後所發表的一篇最重要論文。

常精確之位置與動量！在我們沒去測量前，物體是處 於一個只能以「波函數」來形容的物理態：該波函數

該論文一開始便先定義「實在」性：在完全不影響一體

只能告訴我們在什麼地方可以發現該物體，或測得某

系下，如果我們能精確地預測到某一物理量，則此一物

一動量值的或然率。只有在我們測量那「一瞬間」，波

理量應該是確實存在的，與我們是否去觀察它無關。

函數才會突然崩潰，集中到我們所量得之位置（或動

接著他們便開始闡釋他們的「假想實驗」：兩個粒子相

量值）上，而其它的可能便同時全部消失。

撞後分別往左、右兩個不同方向飛離；因曾相撞作用之故，

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組裝完成之遙測取像儀。

（國研院太空中心）

感測器設計團隊與國內半導體晶圓廠製造技術，成 功開發世界第一片符合太空使用之大尺寸互補式金

先進電離層探測儀。

（國研院太空中心）

組裝，整合測試廠房分別提供潔淨度 100000、

1000 與 100 的無塵室以提供一般測試、衛星組裝

屬氧化物半導體影像感測器。整合這麼多的自主技

及光學組裝使用。在機械組裝階段，所有衛星元件

術研發的元件最後被整合成遙測取像儀，由福衛五

皆被安裝在衛星結構體中預定的位置，並依需要於

號搭載送入太空軌道執行遙測任務。

介面安裝散熱材料或是隔熱材料以增加或是減少安

福衛五號另外搭載了一個科學酬載 – 先進電離層

1

探測儀，是由國立中央大學太空科學研究所負責研 製，為國內自製科學酬載首度登上福爾摩沙系列衛 星，也是國際間首創以單一探測儀實現多合一的電

完工！

漿量測儀器，可量測離子密度、離子速度、離子溫 度、電子溫度等。先進電離層探測儀的「最高取樣 率」可達每秒 8192 次，當衛星在空中高速飛行

時，量測電離層「電漿不規則體」的空間解析度可 由公尺級邁向公分級，而可量測其細微結構，對於 電離層電漿不規則體的特性研究，將會有突破性的 成果。

福衛五號整合與測試 福衛五號衛星在所有衛星元件都製作完成後，於 國家太空中心之整合測試廠房中進行機械與電機

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（國研院太空中心）

1

）

裝介面的熱通量，以此方式再搭配安裝於元件上的

測試、真空熱循環測試、電磁干擾／相容性測試、

加熱器，便可以在外太空真空環境中將元件控制在

質量特性量測等，在每次環境測試期間，都會重複

適當的工作溫度。衛星外部也安裝熱輻射器或是以

執行衛星功能與性能驗證測試以確保衛星發射後可

多層絕熱材料包覆，才能在真空環境下以輻射方式

於軌道上正常運作，而完整衛星環境驗證約需要一

來控制衛星各元件的溫度。

年的時間。

在電機組裝階段，所有的衛星元件將使用特製的飛 行線束連接以便接收衛星電腦的控制，飛行線束就

結語

像人體中的血管及神經一般，它提供電力給所有元

福衛五號衛星為我國人第一顆自主發展兼具光學遙

件，並且負起傳遞控制訊號的責任。衛星在完成組

測與科學兩大任務的衛星，其任務軌道為高度 720

裝後，將經歷各種太空環境測試以確保衛星可以通 過嚴苛的發射環境，並且在高低溫變化劇烈且真空

公里再訪週期 2 天之太陽同步軌道，可提供 2 米解

析度的全色和 4 米解析度的多波譜彩色影像，將延

的環境中正常工作。這些測試包含有振動測試、音

續福衛二號任務，進行持續守護臺灣、觀照世界之

震測試、衛星與發射載具分離測試、太陽能板展開

對地觀測任務。

2

1 組裝完成之福衛五 號衛星。

2 福衛五號衛星吊掛 在熱真空艙門。

（國研院太空中心）

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福衛五號

酬載

X 頻段傳送機

燃料桶

反應輪

衛星電腦

磁力棒

射頻電子單元 362 SCIENCE MONTHLY 2016.5

全球定位接收器

星象儀 + 磁力計

星像儀感測頭

太陽感測器

遙測取像儀 光學鏡頭 先進電離層 探測儀感測頭 遙測酬載電子單元

X 頻段天線

太陽能板 太陽感測器

電池 + 先進電離層探測儀 電子單元

S 頻段天線

電力控制單元 全球定位接收器天線 及放大器

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精選文章

涂靈對人工智慧的想像

存放於英國倫敦科學博物館的 Pilot ACE，為 ACE 的初始版本。（Antoine Taveneaux）

李 中志

美國伊利諾州

立大學電腦科學教授。

涂 靈 （Alan Mathison Turing, 1912~1954）在替英國政府設計自 動計算機（Automatic Computing Engine, ACE）成功之後，開始

積極宣揚電腦的用途，認為它將改變人類文明的生活與思考方式。當 初許多人認為涂靈言過其實，但至今已無人能否定這個看法。電影《模

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精選文章

顧玩伴的曲棍球比賽，低頭仔細觀察一朵小雛菊，彷

響 力 的 論 文。 正 由 於 CMI 不 算 是 技 術 性 文 章， 閱 讀 的

彿預告了涂靈日後對數學規律與自然界充滿神秘關係

讀者各取所需，甚至擴大解釋，根據自己的立場以訛傳

的好奇。基於此好奇與對計算的敏感，涂靈相信看似

訛。二手傳播的結果，讓許多讀者對涂靈的理解有點面

仿遊戲》裡出現一幅涂靈母親的畫作，畫裡小艾倫不

複雜的自然界現象，如雛菊的花瓣、向日葵子的排列、 生物細胞的分裂生長等等，可能由某些簡單的數學公 式來描述。這些觀察比當代學者早了 10~20 年，也

是日後渾沌理論、碎形理論、生物數學的發展基礎。

門檻不高，涂靈的行文用字相當風趣，卻也因此造成閱

目全非。

持平而言，CMI 引起的爭議問題不在涂靈的想法，而是後 人對 CMI 的誤讀。CMI 除了在文末提及當時可能無法想

像的機器學習外，並沒有替人工智慧提出任何具體的研究

方向，實在談不上誤導。對現代的人工智慧學者而言，他

人工智慧的研究爭議 這個深信複雜現象必可由簡單原理掌握的信仰，繼續把涂 靈推到對人類心智活動的懷疑論。涂靈拒絕宗教的解釋， 不相信人類的思考有獨特的神聖性，他認為或許能透過純 機械式的原理來模擬智慧。電影《模仿遊戲》裡反覆詢問 「機器會思考嗎？」正反映涂靈晚年力倡人工智慧的努力， 但這不是涂靈要認真回答的問題。我們必須把焦點指向涂 靈最具爭議的一篇論文：《計算機器與智慧》（Computing

Machinery and Intelligence，以下簡記為 CMI）。推崇

者認為 CMI 是人工智慧研究的濫觴，反對者則認為是對人

工智慧的嚴重誤導，但真正讀過原文的人似乎不多。本文

只以 CMI 一文為主軸，介紹涂靈在該文裡對人工智慧的看 法與面對的批評，但人工智慧本身是電腦科學一個龐大的 研究主題，不是本文的重點。

們的學術研究幾乎可以完全忽略 CMI，許多新科博士生甚

至不知道 CMI 的存在。這並不意外，除了涂靈本身並不把

CMI 當成嚴肅的學術論文外，在 CMI 寫作年代時大部分

的電腦理論並不存在，演算法、計算問題的型態、程式技 巧、效率分析，都還未成形，涂靈自然無法預測如何運用 這些後來發展出來的知識。但把 CMI 視為人工智慧研究的 濫觴並不為過，因為涂靈不只替人工智慧的成功與否設下

一個可清楚判斷的門檻，也在電腦問世之後，以 CMI 成功

引起大眾與學界對人工智慧的高度興趣。

電腦能思考嗎？ 一般大眾對 CMI 最大的誤解就是「涂靈測試」，不管是測

試的形式，還是測試結果所代表的意義，一些廣為流傳的 描述和涂靈的想法都有很大的出入。一個普遍但不正確的 「涂靈測試」如下：

CMI 發 表 於 1950 年《 心 智 》 期 刊， 但「 人 工 智 慧

（Artificial Intelligence）」這個詞要等到 1955 年，由 當時在麻省理工學院的麥卡錫（John McCarthy）提出才

廣為使用。麥卡錫為電腦科學與人工智慧的先驅者之一，

1971 年涂靈獎得主。《心智》是本哲學期刊，是涂靈少

利用電腦程式模擬與人對話，透過電傳文字（如用簡訊，用 意在排除物理上明顯與真人的差異，如外觀、聲調、觸感等） 與測試者交談。如果測試者無法辨別交談的對象是電腦還是 真人，那代表這電腦能夠思考，人工智慧已經成功。

有的非技術性論文，也是涂靈生前最後一篇具有決定性影

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