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【歐洲紀行】造訪馮紐曼故居

來到布達佩斯,除了到城市公園探尋特斯拉當年靈光一閃、在沙地上畫出交流感應馬達設計圖之處,還想順道造訪的,是另一位天才馮紐曼 (John von Neumann) 的故居。 天才兒童 馮紐曼的天才是非常誇張那種。他出生在布達佩斯一個富裕的猶太家庭,從小就展露過人天份,六歲能心算 8 位數的除法,八歲就會微積分,除了母語,也會英、法、德與義大利等國語言,還會古希臘語。他的記憶力驚人,看過的書過目不忘,甚至能背下電話簿。 1921 年,馮紐曼被布達佩斯大學數學系錄取,卻因父親強烈反對,只好改念柏林大學化學系,兩年後再轉到蘇黎世理工學院。雖然他完全沒在布達佩斯大學上過一堂課,卻因高分通過期末考又有發表數學論文,結果在 1926 年除了取得蘇黎世理工學院化工博士,也同時拿到布達佩斯大學的數學博士學位。隔年他即在柏林大學任教,以 23 歲創下該校有史以來最年輕的紀錄。 馮紐曼在教書的同時不但持續發表論文,而且產量驚人,才三年就發表了32篇論文。1930 年,才轉到漢堡大學任教不到一年,他又應邀前往普林斯頓大學教授量子理論。三年後,普林斯頓高等研究院正式啟用,馮紐曼與愛因斯坦等人並列,成為初始的六位學者之一。當時普林斯頓高等研究院暫設於普林斯頓大學校園內,未滿 30 歲的馮紐曼老是被誤以為是學生。 如果你以為馮紐曼只是數學天才,那就錯了。他對各種新奇事物都充滿好奇,常興致盎然地問別人在研究什麼,然後往往在五分鐘內就掌握全盤脈絡與關鍵所在,甚至提出前所未有的見解,讓對方既驚訝又佩服。因此除了數學,馮紐曼在其它領域也做出許多重大貢獻。 現代電腦架構 在物理方面,他為剛萌芽的量子力學提供嚴謹的數學架構,也讓之後的數學家與物理學家因而有了處理多維空間的數學工具。他還將數學應用到經濟學,首度為賽局理論建立系統化的模型,因而被視為「賽局理論之父」。 除了這些抽象理論,馮紐曼為流體力學和震波建立數學模型,讓他在二次大戰期間加入曼哈頓計畫,協助計算原子彈的內爆作用。由於其中牽涉的計算極為複雜龐大,需藉助於計算機,他也因此跨入計算機的設計。 1944 年,馮紐曼應邀參觀軍方正在打造的第一台通用型的電腦 ENIAC,發現每次要執行不同程式就得重設上千個開關、插拔上百條電纜,非常沒有效率。他幾經思索後,於 1945 年發表論文,倡議將電腦硬體劃分成運算、貯存、控制、輸入與輸出等五大單元,成為現代電腦的基本架構。兩年後他又發明流程圖,讓撰寫軟體程式時的思考邏輯一目了然,至今仍為程式設計師所用。 馮紐曼後來進一步構想能像細胞一樣自我複製的機器,而提出「細胞自動機」(Cellular automaton),從簡單的指令與零件開始,就能衍生出複雜的機器,並且一代一代的繼續複製下去。有人認為這就是電腦病毒的始祖,也有人認為他預見了生命繁衍的秘密(四年後,華生與克里克才揭開DNA的秘密)。 英年早逝 馮紐曼一次又一次地在不同領域展現他的創見,只可惜他在 1957 年就因為骨癌過世,享年僅 53 歲。罹癌化療期間,他還在研究如何讓電腦學習人腦的思考方式,讓人不禁想像如果他沒有英年早逝,人工智慧會有怎樣的發展。 這樣一位全能型的天才,當然不能錯過造訪其故居的機會。馮紐曼於 1903 年 12…

【歐洲紀行】特斯拉與布達佩斯

1881 年,26 歲的特斯拉經由叔叔的介紹,到布達佩斯一家新成立的電話公司工作,負責局端設備的維修改善。不過他腦中不時浮現的卻是幻想中的新型馬達。 四年前在格拉茨工業大學(位於奧地利)的課堂上,教授向大家演示發電機與電動馬達的運作,只見馬達快速轉動時,電刷不端冒出火花。他當場提出或許不用電刷也可以運作,這樣就不會產生火花了,卻遭教授譏諷他的構想有如永動機,根本不可能。不服氣的他自此就一直構思免電刷的新型馬達。 1882 年 2 月的一個下午,神奇時刻發生了。特斯拉日後在自傳中寫道: 「我永遠記得那天下午,我和一位朋友正在城市公園享受散步詠詩的愜意,我那時候可以把整本書一字不漏地熟記在心,其中一本就是歌德的小說《浮士德》。 ⋯⋯當我朗讀這些振奮人心的詩句,靈感如電光石火般湧現,真理瞬間揭露。我立刻拿起一根枝條在沙地上畫出心中浮現的設計圖。⋯⋯我看到的影像是如此銳利清晰、堅實如金石,我告訴友人:『你看,這裡是馬達;注意看,我要將它反轉。』我按捺不住心中的激動,滔滔不絕說了起來。」 後來的事我們都知道了,特斯拉不只真的實現夢想,做出不用電刷的交流感應馬達,還有許多前所未有的發明,改變了人類文明。而這一切的起點就是——布達佩斯城市公園。 因此當我在今年五月底來到布達佩斯時,抱著朝聖的心理前往城市公園,想要尋覓特斯拉當年畫下馬達設計圖的沙地。不料公園比我想像的大非常多,裡面也沒看到相關的紀念標誌,於是我只能隨意漫步,想像當年特斯拉也曾在同樣的小徑上,ㄧ邊散步一邊思考⋯⋯。 參考資料: 《被消失的科學神人‧特斯拉親筆自傳》,Nikola Tesla 著,劉恩麗 譯,柿子文化出版

特斯拉照片背後的故事

很多人應該都看過特斯拉這張照片,但你知道它的拍攝背景,以及當時他正在讀什麼書嗎? 這張照片是 1894 年在特斯拉的實驗室拍攝的,但直到 1896 年 5 月 20 日,《電學評論》(Electrical Review) 雜誌翻拍後,才首度刊登出來,附在一篇特斯拉的訪問稿中;採訪地點是在愛迪生的一所實驗室。等等,他們倆不是死對頭嗎? 令人訝異吧?這是因為特斯拉的實驗室在 1895 年 3 月 13 日的一場大火中完全焚毀,而支援他的西屋公司又陷入財務危機,自顧不暇,特斯拉頓時陷於絕境。沒想到愛迪生竟沒有趁此落井下石,反而主動向特斯拉伸出援手,提供一處實驗室給他使用。(但諷刺的是,六年前愛迪生就是在這裡透過他人召開記者會,公開展示狗、馬等動物被交流電電死,以宣揚交流電有致命的高危險。) 回到這篇訪問稿,特斯拉向記者宣稱雖然他的多年心血都在那場大火中付之一炬,但其中大部分都已繼續恢復研究。例如使用他的振盪器 (oscillator) 的機器即將商轉,屆時將會展現發電能力的優越性(註1);此外,他也根據倫琴的發現 (X 光),成功改造出可以清楚照出心臟與肺部的機器。 不過特斯拉在訪問中特別強調的研究成果則是「真空管照明系統」。他所說的當然不是現在所稱的真空管,而是相當於目前的日光燈、省電燈泡這種螢光燈。雖然之前早就有通電之後會發亮的真空管,但那就是一種霓虹燈,是稀有氣體被電離而發光,不足以做為照明設備。特斯拉自豪地宣稱他已經成功大幅提昇燈泡的亮度,可以滿足各種需求。 不過這項發明毀於大火後,一直還沒再做出來,為了佐證,特斯拉才拿出這張在原來的實驗室所拍的照片,告訴記者這完全是用真空管照明系統打光,當時只用了一顆燈泡 (250 燭光,體積僅 90 立方英吋) ,曝光時間 2 秒就拍成了。 記者問照片中他在看什麼書,特斯拉感慨的說這本是好友杜瓦 (Dewar) 教授所送,拍照當時他正在看馬克士威的一篇科學論文(註2)。記者再問他左手邊的奇怪線圈是什麼,他猶豫了一下只願意說那是實驗室所有東西中,他最鍾愛、也是最有價值的儀器。 如今我們知道,這巨大線圈就是特斯拉的最終夢想——以無線傳輸提供免費電力到世界各地。但卻也是為了這個夢想,他花光所有的錢,也耗盡企業家對他的信心,最後窮困潦倒,孑然一身死於旅館的房間裡。 註: 特斯拉口中的振盪器就是變壓器,而機器則是安裝於尼加拉瀑布的發電機。果然尼加拉瀑布水力發電廠於第二年啟用,提供電力給水牛城。 特斯拉在…

你愛國但國家不愛你——哈柏的悲劇人生

《人口論》預言饑荒無可避免 英國學者馬爾薩斯 (Thomas Malthus) 於十八世紀末發表《人口論》,認為人口以幾何級數快速成長,但糧食的產量卻只能以等差級數增加,絕對趕不上全體人類所需。若不設法抑制出生率,未來饑荒勢不可免。馬爾薩斯並非危言聳聽,尤其進入十九世紀後,工業化帶動經濟繁榮,醫療衛生也大幅改善,人口增加的速度更是遠遠超乎農產品的增幅。 農業生產最主要的瓶頸就在於氮肥嚴重不足。氮是植物生長的重要營養元素之一,但植物無法直接吸收大氣中的氮氣,在自然環境下,必須由閃電或土壤中的微生物將氮氣分解,轉化為氨 (NH3,俗稱阿摩尼亞) 後,才能被植物吸收。要提高農作物產量就必須施肥,當時只能從含氮量很高的動物糞便或硝石中獲得天然氮肥,但天然氮肥數量有限,也就莫可奈何。 那麼全世界人口從《人口論》發表時約莫 10 億,至今已達 79 億,為什麼並未發生馬爾薩斯所預言的糧食危機?這就要歸功於德國化學家哈柏 (Fritz Haber),他發明了將氮氣轉化為氨的化學方法,可以直接製造人工氮肥,從此氮肥要多少有多少,徹底解決糧食不足的問題。 哈伯法打破人類宿命 哈柏於 1868 年 12 月 9 日出生於普魯士一個猶太家庭,兩年多後,普魯士結合其它德意志邦國成立德意志帝國,具有強烈愛國情操的哈柏自小在身分認同上,認為自己是德國人的程度遠遠大於是個猶太人,還受洗改信基督教。 哈柏的母親在生他時難產而亡,不知是否因為這樣,父親與他的關係一直相當緊繃。哈柏於 1891 年取得化學博士學位後,應父親要求回家繼承家業,參與化工廠的營運,但兩人衝突不斷,父親才死了這條心。第二年哈柏就重返校園做博士後研究,兩年後在大學擔任助理,踏上學術研究之路。 1908年,哈柏發明後來以他為名的「哈柏法」(Haber process),將氮氣跟氫氣以 1:3 的比例混合,施予高溫高壓(攝氏 400 度, 200 大氣壓),用鋨當催化劑,成功製造出氨氣。只不過鋨是非常稀有的金屬,無論是數量或價格的因素,仍然無法大量生產氮肥。 不過德國化學公司 BASF 仍看好哈柏法的潛力,向哈柏買下此一製程專利。之後工程師博世 (Carl Bosch) 帶領團隊,試了兩萬多種配方,終於在…

破解希爾伯特第十個問題——她的畢生夢想與關鍵角色

「茱莉亞·羅賓遜 (Julia Robinson) 的名字絕不能被排除於希爾伯特第十個問題之外。」最終解決了希爾伯特這個大哉問的俄國數學家馬季亞謝維奇 (Yuri Matiyasevich),於 1992 年特別發表一篇回顧的文章,開頭第一句便如此宣告羅賓遜的重要性。 什麼是希爾伯特第十個問題? 1900 年,大數學家希爾伯特 (David Hilbert) 在第二屆國際數學家大會上提出 23 道最重要的數學問題,其中第十個問題是: 是否存在一種演算法,可以判定任一個係數均為整數的多項方程式有整數解? 例如:3×2 – 2xy – y2z -7 = 0 有整數解 x=1, y=2, z=-2 但 x2 + y2 + 1 = 0 就沒有整數解。 丟番圖方程式 係數均為整數的多項方程式又叫「丟番圖方程式」,名字源自三世紀時對此有相當研究的希臘數學家亞歷山大城的丟番圖…