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NVIDIA下一代架構叫Rubin，她是誰？

NVIDIA今年才剛推出新的GPU架構Blackwell，沒想到黃仁勳在6月2日的演講中就預告了下一代GPU架構”Rubin”，屆時還會搭配新的CPU “Vera”。 NVIDIA自1998年開始就用科學家為自家產品命名，例如2022年便以「COBOL之母」Grace Hopper的名字與姓氏分別做為CPU與GPU架構的名稱，這次宣布的下一代產品也是如此，Rubin與Vera正是天文學家薇拉．魯賓的姓氏與名字。 求學 魯賓於1928年7月23日在費城出生，父母親都是來自東歐的移民，兩人在貝爾電話公司工作而認識相戀。魯賓10歲時，全家搬到華盛頓特區，就在這裡，她開始對天文學產生興趣；她日後回憶12歲時常常熬夜看著窗外的星空，彷彿生活中沒有比每晚看星星更有趣的事。在父親的協助下，她用紙板和透鏡做了個簡陋的望遠鏡，繪製星星的軌跡。對天體運動的著迷自此成為她一生探索宇宙奧秘的驅動力。 高中畢業時，老師特別叮囑魯賓說女生不適合科學工作，但她仍不顧勸誡，最後於1948年從凡薩女子學院（Vassar College）畢業時，是全校唯一主修天文學的畢業生。魯賓畢業後隨即結婚，夫婿是她大學時到海軍實驗室實習所認識的軍官，大她兩歲，兩人白頭偕老一輩子。 魯賓原本就不想當個家庭主婦，她向普林斯頓大學索取研究所簡章，無奈普林斯頓從不招收女研究生（這個慣例直到1961年才打破，天文所更是遲至1975年才有第一位女學生），魯賓等不到回音，想說既然先生在康乃爾大學攻讀化學博士，乾脆也跟著去康乃爾大學讀研究所，結果兩人有幸蒙費曼（Richard Feynman）與貝特（Hans Bethe）這兩位諾貝爾獎得主親炙。 全職媽媽 vs. 學術研究 魯賓的碩士論文研究的是包括銀河系在內的諸多星系，是否也是繞著某個中心點旋轉，就像太陽系的行星繞著太陽轉那樣。但當時普遍認為這在如此大的尺度下不會發生，魯賓的碩士論文因此接連被兩份期刊拒絕，從此再也沒有刊出，只在美國天文學會1950年的會議上做過口頭報告。 其實那次原本是她的指導教授要上台報告，畢竟魯賓即將臨盆，而且也不是天文學會的會員。但魯賓仍堅持親自發表，於是她產後三週就帶著嬰兒，與父母一起於風雪中驅車前往六百公里遠的會場。不過辛苦奔波並未因此獲得回報，全場聽眾唯有德裔美籍天文學家馬丁·史瓦西（Martin Schwarzschild，其父親是算出黑洞臨界半徑的卡爾·史瓦西）一人表達支持之意，但他也只能鼓勵她收集更多資料才能令人信服。二十多年後，天文學家才發現超星系平面，一如魯賓的預言。 碩士畢業後，魯賓在家當個全職媽媽，但她仍無法忘情於天文學。推著嬰兒車去公園時，她會帶著天文物理期刊去讀，有一天她意識到這樣下去會永遠錯失研究，當下決定繼續攻讀博士。 在丈夫的支持下，已懷了第二胎的她於1951年進入喬治城大學，這是他們所居住的華盛頓特區唯一有天文研究所的學校。不過教授得知她想研究的題目後，建議她找就在附近喬治·華盛頓大學任教的加莫夫（George Gamow，為宇宙大爆炸提供重要的理論基礎，並預測宇宙微波背景的存在）當指導教授。 1954年，魯賓完成博士論文，再次提出迥然不同的主張：星系並非一般所認為的隨機地均勻分布於宇宙中，而是成塊成塊的聚在一起。結果得到的反應和之前的碩士論文一樣，幾乎沒有人相信，直到十五年後學界才正視她的論點。 魯賓拿到博士學位後先到一所社區學院教了一年書，再回到母校喬治城大學，花了十年時間從副研究員一路升到副教授，這期間她還得花費時間和心力照料四個小孩。1965年，她加入華盛頓卡內基研究院（Carnegie Institution of Washington，現改名為「卡內基科學研究院」），在這裡結識了未來最重要的合作夥伴福特（Kent Ford）。 暗物質 福特專門致力於研發光譜儀與光電倍增管，並將它們與天文望遠鏡結合，可以更精確地觀測天體運動的都卜勒效應（光源遠離我們時，波長會拉長，因此光譜移向紅色端，稱為「紅移」；光源朝我們移動時，波長會變短，光譜則移向藍色端，稱為「藍移」。）。由於偏移幅度與光源相對於我們的速度成正比，福特所設計的光學儀器便可更精確地計算出光源的移動速度，這對一直以來研究天體運動的魯賓無疑是最佳幫手。 鑒於自己之前的論文違背主流觀點卻又缺乏有力證據，魯賓這次把目標瞄向離我們相對近又明顯的螺旋星系——仙女座星系，這裡面的恆星大致上都是繞著星系中心轉動，因此從地球看來，一側的恆星轉動方向朝向我們，另一側則是遠離我們。藉由觀測它們藍移或紅移的程度，便可計算不同區域之恆星的軌道速度。 由於螺旋星系的大部分質量集中於中心區域，在重力的作用下，越靠近中心的恆星，其軌道速度應該越快，越外圍的則越慢；太陽系的行星也是如此。然而魯賓和福特對仙女座星系進行觀測後，卻得到出乎意料之外的結果：外圍恆星的軌道速度竟然和中間區域的恆星一樣快！ 魯賓和福特先在1970年發表仙女座星系的觀測結果，接著再繼續觀測更多螺旋星系，結果發現都和仙女座星系一樣，從裡到外的恆星都有著差不多的軌道速度。這和物理理論完全違背，該怎麼解釋？ 魯賓想起瑞士天文學家茨維基（Fritz Zwicky）曾在1933年提出一個主張，他認為后髮座星系團的質量不足以維繫邊緣的星系如此高速的軌道速度，因此必定還有看不見的暗物質提供額外的引力，否則邊緣的星系早就四散了。但只有重力卻沒有其它作用力的暗物質實在太匪夷所思，茨維基的大膽假說一直未被認真看待。 如今魯賓和福特發現這麼多的星系中恆星的軌道速度都是均勻平坦的，除了星系中充斥暗物質再無其它更好的解釋，可說是第一個具有說服力的證據。他們兩人於1980年發表論文，指出暗物質確實存在，並且質量是一般物質的5到10倍（目前估計全宇宙有5%是一般物質，暗物質則占26.8%，另外還有68.2%是暗能量），自此，暗物質才獲得學界的正視。 1992年，魯賓又發現一個前所未見的天文奇景：NGC 4550星系中有部分恆星和星塵是順時針運行，其餘則是逆時針運行，打破同一星系中的恆星都是同一方向運行的傳統認知，而這也成為星系合併的第一個證據。 榮耀與肯定 雖然做出這麼多開創性的重大發現，魯賓卻始終未能獲得諾貝爾獎，讓許多人都大抱不平，而她於2016年過世後更是沒有機會了。不過她的成就有目共睹，因此還是獲得許多獎項與榮耀，包括： 1981年成為美國國家科學院院士（她是第二位入選的女性天文學家）； 1993年獲得美國國家科學獎章；…

證實極光背後成因的人

這兩天因為強烈的太陽風襲擊地球，產生等級最高的G5級地磁風暴（上次是在2003年），原本只有在南、北極圈附近才能看見的極光，也出現在中高緯度的地區，例如倫敦、多倫多、舊金山、紐西蘭的奧克蘭等地的民眾都目睹這難得一見的絢麗景象，紛紛拍照上傳。 極光是因為太陽表面發生劇烈閃焰，射出高能的帶電粒子抵達地球後，被地球磁場導引至地磁的兩極，撞擊高層大氣中的氮、氧原子，它們的電子被激發到較高能階，再回到原來的能階時所釋出的能量，便發出不同顏色的光芒。 極光的起因自古以來便有很多猜測，包括伽利略、富蘭克林、道爾吞、法拉第、……等科學家都曾提出解釋，但皆不正確或不完整。直到1908年，挪威科學家伯克蘭（Kristian Birkeland）推測極光是來自太陽的帶電粒子與地球磁場的交互作用所致，才符合極光的大致成因（當時還沒有電子能階的概念）。不過由於無法獲得實驗證實，他的主張一直備受爭議，未能獲得普遍認同，最後證實這個理論的人就是費曼的妹妹喬安．費曼（Joan Feynman，以下就以喬安稱之，好和理查．費曼區分）。 喬安出生於1927年3月31日，比費曼小9歲。喬安5歲時，就充當費曼在家中做實驗的助手。幼小的喬安得站在箱子上才搆得著儀器，聽費曼的指示切換開關，偶而還會被電到。 費曼不是只會使喚妹妹，他不時還機會教育，告訴喬安各種知識，例如她的身體和家中的狗、鬆餅機都同樣是由原子構成，甚至教她畢氏定理。仍懵懵懂懂的喬安當然不懂什麼是平方，但她覺得費曼像在念一首詩，於是也跟著琅琅上口。 有一天夜裡，費曼把已熟睡的喬安叫醒，帶著她走出門外，穿過街道，來到附近的一個高爾夫球場，指著北方夜空的奇景給她看。那是紐約難得一見的極光，小喬安驚異地望著天際朦朧閃爍的光幕，聽見哥哥說還沒有人知道為什麼會這樣，彷彿開啟了探索科學的心靈，決定長大後就要研究極光。 八歲那年，喬安跟全家宣布自己將來要當科學家，誰知年輕時還曾為爭取女性投票權而上街遊行的媽媽竟然堅決反對。她告誡喬安：「女性沒辦法搞科學，因為女性的大腦不可能完全搞懂。」喬安當下趴在沙發上大哭，她日後回想當時的內心衝擊與影響：「對一個小女孩而言，被告知她的畢生夢想是不可能的，是個毀滅性的打擊。從此我總是懷疑自己的能力。」 直到喬安14歲生日那天，費曼送她一本天文學的大學教科書做為生日禮物，裡面的一張圖改變了她的一生。那是標示出「夫朗和斐線」（恆星的光從內部穿過大氣層時，某些波長的光被不同元素吸收，而在光譜上便形成暗線）的恆星光譜，上面寫著女性天文學家佩恩（Cecilia Payne）據此發現恆星的元素豐度。 對喬安而言，瑪麗．居禮猶如神話般的存在，是凡人無法企及的特例。但佩恩與自己相差不過27歲，仍是活躍於當代的鮮活人物，不但證明女性也能成為科學家，甚至足以被寫入教科書中。她因此恢復自信，從大學到研究所，一路往物理學發展，終於在1958年取得物理博士學位。（佩恩的生日是5月10日，費曼的生日則是5月11日，兩位改變喬安一生的人出生日期剛好相鄰，真是巧合。） 然而當時女性仍無法與男性平起平坐，喬安雖有博士學位，卻找不到有保障的研究工作。在女性就應該相夫教子的社會壓力下（她念研究所時，還為了配合做人類學研究的先生，而休學一年和他一同前往瓜地馬拉），已有兩個小孩的喬安不得不認命當個家庭主婦。但有志難伸的喬安卻越來越憂鬱，最後還得去看心理醫生。 在心理醫生的鼓勵下，她再度嘗試求職，終於在1962年獲得哥倫比亞大學天文台提供的一份兼職研究工作。她興奮的告訴哥哥費曼這個好消息，同時跟他約法三章：「宇宙所有領域你都可以研究，但唯獨極光要歸我。」多年以後，有機構委請費曼研究極光，他認真回覆對方不行，除非他妹妹喬安同意。 1963 年，喬安丈夫的新工作在加州，她再度配合丈夫，放棄天文台的職務，跟著搬到加州。所幸她在NASA找到一份研究工作，負責研究太陽風與地球磁場的交互作用。她不但做出許多重要貢獻，並在 1971 年發現可以用太陽風中所含的氦，來判斷以往難以察覺的「日冕物質噴射」現象。不料，第二年她就因為 NASA 經費刪減而遭到裁員。 喬安向當地猶太教會的拉比尋求協助，因為拉比之前曾運用人脈幫許多失業的學者找到工作。孰料拉比竟然反過來斥責她自私，要她安於當個家庭主婦。那天晚上她回到家後，拿出吸塵器來回吸了地板幾下，終於崩潰痛哭。她的兒子見狀也在一旁啜泣，喬安撫慰他後，試圖讓他理解：「我知道你希望我在家裡，但我要嘛當個兼職媽媽，否則就會變成整日發瘋的女人。」 幾個月後，喬安終於在大氣研究中心找到工作，並於1974年成為美國地球物理聯盟（AGU）第一位女性成員。隨後她根據探索者33號（Explorer 33）太空船所蒐集的資料，於1977年和同事發表論文，證實極光是太陽風的高能粒子受地球磁場引導，撞擊地球大氣層所致。極光正是她投入科學的源頭，如今她果真實現了幼時許下的誓言。 喬安之後又換了幾個不同單位，最後於1985年落腳在噴射推進實驗室，直到 2003年退休。退休前，NASA頒給她「傑出成就獎」，以表彰她在高能粒子方面的研究，對於太空船的防護設計有極大幫助。喬安在職業生涯後期，對太陽週期與地球氣候變遷的關聯也做出貢獻。 喬安的經歷不僅反映了那個時代女性科學家的艱辛，事實上也是婦女在追求夢想時，必須在職場與家庭之間拉扯的縮影。即使在講求兩性平權的現代社會，女性仍承受許多無形的壓力，尤其一旦身為母親，天性上總是對小孩有更多的牽掛與承擔，的確要付出更多才能掙得應有的肯定。趁今天母親節，再用喬安的故事向天下母親致敬。 按：關於喬安的部分，主要摘自我之前寫過的〈要當兼職媽媽或全職瘋女人？〉 參考資料：

開啟數位時代的人

我的書房牆上掛著伽利略、牛頓、達爾文、愛因斯坦、……等重要科學家的肖像或照片，其中有一張照片到目前為止，來訪的朋友都沒有人認出他是誰。確實，不只一般大眾不知道他，就連對科學有興趣的人大多也不大清楚這號人物，但在我心目中，他的貢獻與創造力卻足以和牛頓、愛因斯坦並列。 今天（4月30日）是他108歲冥誕，趁此來向大家介紹這位為現代科技文明的兩個支柱——數位電腦與網路通訊——建立理論基礎的夏農（Claude Shannon）。 夏農於1916年出生於美國密西根州北邊一個不到三千人的小鎮。他小時的偶像是愛迪生（後來發現他們竟然都是一位17世紀從英國來美國之移民者的後代），因此特別喜歡動手組裝模型，還自己拉電線到幾百公尺外的朋友家，用來傳遞電報。 他於1936年以數學和電機雙學位自密西根大學畢業後，即進入麻省理工學院就讀電機研究所；指導教授凡納爾·布希（Vannevar Bush）也是發明家，他在1930年左右發明「微分分析儀」（Differential Analyzer），用馬達與轉軸、齒輪等機電零件組成，是史上第一台可以解微分方程式的類比式計算機。 夏農也負責操作實驗室的微分分析儀，為其他教授或外部單位計算二次微分方程式。他相當樂在其中，看著微分分析儀按照自己的設定自動運轉，在紙上畫出方程式對應的圖形，總讓他獲得愉悅的滿足感。久而久之，夏農已習慣從微分分析儀的機械動作聯想到微分方程式，而這個養成將助他萌生劃時代的創見。 第二年暑假，夏農到美國電話電報公司 (AT&T) 轄下的貝爾實驗室實習。當時美國的電話數量急速成長，為了降低接線生的人工成本並提高效率，貝爾實驗室著手開發縱橫式自動交換機。電話交換機用了很多繼電器，繼電器裡面是電磁鐵，會因通電與否而像閘門般開開關關，進而控制電話線路的搭接。 在一般工程師眼中，繼電器是在控制電流的進出，但夏農卻看出電流所傳遞的其實是開或關兩種狀態，而電話交換機的整體電路背後所代表就是某組方程式，就像微分分析儀一樣；只不過微分分析儀處理的是連續的數值，而電話交換機只有開、關兩種訊號。他想起大學時學過的布林代數，其中代表陳述句真假的1與0這兩個數字，恰可用來表示繼電器的開或關，而繼電器串聯就相當於邏輯運算的「且」(AND)，並聯則是相當於「或」(OR)。如此一來，電話交換機的實體迴路便可以用布林代數加以描述。 暑期實習結束，夏農回到學校獲得指導教授布希的肯定後，很快在1937年底前就完成碩士論文，題為〈繼電器與交換電路的符號分析〉(A Symbol Analysis of Relay and Switching Circuits)，開宗明義即宣告： 「任何電路都可以用一組方程式表示，……。事實證明，其計算方式完全等同於符號邏輯所用的命題運算。」 他最後還提出三個自己設計的電路圖，第一個是電路的簡化：原本使用20個元件的電路，經由邏輯演算找出等效的表達式後，可以將元件減少為14個。第二個與第三個都是他的創新發明，分別是有5個按鍵開關的電子密碼鎖，以及二進位的電子加法器。 這篇論文於第二年公開發表後，立即引起巨大的迴響。原本錯綜複雜的電路圖改用布林代數表示後，就可以更容易模擬執行的結果，甚至找出更精簡的電路方案，大幅減少傳統嘗試錯誤所耗費的時間與成本，並能更迅速地設計出更好、更便宜的新產品。 最重要的是，夏農所揭櫫的邏輯電路與二進位運算，勾勒出數位運算的普遍性抽象法則，即便硬體元件從繼電器換成真空管，再進展到電晶體，所有電子產品與數位電腦的背後都還是這套法則。也難怪夏農21歲所寫的這篇論文被譽為「應該是本世紀最重要、最值得注意的碩士論文」，後來《科學美國人》雜誌也稱它是「資訊時代的大憲章」。 在布希的鼓勵下，夏農轉而攻讀數學博士，並在1940年取得博士學位後，到普林斯頓高等研究院進行為期一年的博士後研究，和馮紐曼交換過看法。隨後夏農又回到貝爾實驗室工作，除了為軍方研發火炮控制系統，還負責研究盟軍高層之間通話的加密系統。 當時工程師無不想著如何抑制雜訊的干擾，以確保訊息的完整性，並盡可能減少冗餘的字元，以提高通訊效率，但夏農再次提出常人所未見的革命性觀點。他指出雜訊無法排除也沒關係，而冗餘正是克服雜訊之道。他並結合熱力學中熵的概念與統計學，將抽象的資訊量化——位元（bit）便是他所提出”binary digit”的簡稱，進而推導出在容許雜訊與糾錯的情況下，通訊頻道的最高速度限制。 夏農的〈通訊的數學理論〉( A Mathematical Theory of Communication)刊登於1948年的貝爾實驗室內部期刊，戰後人們才驚異地發現這位32歲的青年就這麼憑一己之力，開創出一門前所未有且影響深遠的的科學──資訊理論。在這個基礎上，資料數位化、壓縮、傳輸等各項理論與技術隨後逐一發展，也才有現在各種的數位內容並能隨時經由網路獲取。 二次大戰期間，圖靈曾來貝爾實驗室短暫停留，與夏農多次茶敘。由於他們手上的加密∕解密任務都屬機密，不得談論，因此兩人的交流聚焦於機器能否思考這個抽象問題。戰後兩人各自繼續探討人工智慧的可能性，圖靈於1950年的論文〈計算機器和智能〉(Computing Machinery and Intelligence)中，提出「模仿遊戲」（也就是後來所謂的「圖靈測試」），夏農則在1950年發表論文討論如何讓電腦下西洋棋，還發明了會自我學習走迷宮的機械老鼠，成為第一台人工智慧裝置的雛形。現在被視為ChatGPT強勁對手的Claude AI，其命名應該就是向夏農致敬。 夏農晚年罹患阿茲海默症，死前幾年在療養院度過，最後於2001年2月24日過世，享年84歲。他因為開創資訊理論而被尊稱為「資訊理論之父」，無論人類文明現在稱為資訊時代、網路時代或數位時代，背後都可追溯至夏農的開創性貢獻，難怪有人比喻夏農的貢獻「就像是形容發明字母的人對文學有多大的影響。」 參考資料：

知道宇宙和元素如何創生的人

1932年7月的某一天，28歲的蘇聯物理學家加莫夫（George Gamow）和新婚妻子來到克里米亞半島的一處海灘。他們衣著整齊，帶著裝了食物與兩瓶酒的皮箱，跳上一艘獨木舟，開始他們的逃亡計劃。計劃是這樣：往南划過270公里的海面，橫越黑海抵達土耳其；上岸之後，前往丹麥大使館，請使館人員打電話給波耳（Niels Bohr），接下來波耳便會安排他們到倫敦。 第一天風和日麗、海面平靜，他們順利地完成預定的距離。不料第36小時開始風雲變色，他們無力對抗狂風的吹襲，被迫退回離出發點一百公里遠的岸邊。精疲力竭的兩人住院休養，為了避免被蘇聯當局發現他的逃亡意圖，加莫夫謊稱是出海做科學實驗；幸運地未被追究後，他繼續思索其它更可行的方法……。 穿隧效應 加莫夫於1904年3月4日出生在現今烏克蘭的敖得薩（Odesa），當時仍是帝俄時期，直到1917年爆發十月革命，將俄羅斯變成共產國家。加莫夫先在敖得薩的理工學院讀了一年，才於1922年轉往聖彼得堡的列寧格勒大學就讀。在預計取得物理博士學位的前一年，加莫夫在教授的推薦下，於1928年暑期前往德國的哥廷根大學進修，研究最新的量子理論。沒想到就在這短短兩個月內，加莫夫破解了一個讓物理學家困擾多年的問題。 拉塞福（Ernest Rutherford）在1907年確認α衰變就是放射性元素的原子核釋放出由兩個質子與兩個中子組成的α粒子，然而根據古典力學，這根本說不通，因為中子與質子在原子核中被很強的吸引力束縛著，怎麼可能自發性地跑出來？加莫夫利用薛丁格兩年前才發表的波動方程式，推導出粒子如何藉由穿隧效應穿越位能障壁而逃逸出原子核，成功解釋了α衰變。 加莫夫也因此獲得波耳的邀請，於1928年至1931年到波耳在哥本哈根大學創立的理論物理研究所進行研究。這段期間他進一步提出原子核的液滴模型，為核分裂提供很好的解釋；除此之外，他還和其他學者合作研究恆星的物理學，並利用假期到英國劍橋的卡文狄西實驗室（Cavendish Laboratory），和拉塞福一起做研究。 1931年加莫夫返國後，以28歲之齡成為蘇聯科學院史上最年輕的院士。然而史達林的高壓統治令加莫夫深惡痛絕，他和剛畢業的物理研究生結婚後，更加深了逃離蘇聯的決心。 潛逃 加莫夫原本要參加1931年在義大利舉辦的研討會，政府卻駁回他的申請。他擔憂已無出國機會，才策劃冒險的偷渡出海行動。計劃失敗後，加莫夫夫婦第二年又前往西北邊境的一個城鎮，想找愛斯基摩人帶他們進入挪威，卻聽說愛斯基摩人收了錢後，可能會去告密領取檢舉獎金，只好作罷。 另一方面，波耳也在設法幫助加莫夫離開蘇聯。由於法國物理學家朗之萬（Paul Langevin）是巴黎共產黨黨員，波耳便請朗之萬寫信給莫斯科當局，正式邀請加莫夫參加1933年在比利時布魯塞爾舉行的第七屆索爾維會議（Solvay Conference，與會者囊括當代物理與化學巨擘）。結果波耳的計謀奏效，果然讓加莫夫得以獲准參加。加莫夫深知這是個千載難逢的機會，順利的話，此去便不會再回蘇聯，於是再設法說服高層，同意讓他帶妻子一起前往。 加莫夫原以為波耳能提供教職給他，但已察覺納粹野心的波耳告訴他美國才是安全之地。於是在幾位與會科學家的合力協助下，先由居禮夫人邀請加莫夫於索爾維會議結束後，到她在巴黎的實驗室進行研究；幾個月後再由拉塞福邀請他到倫敦，接著再換波耳邀他到哥本哈根。 這段期間加莫夫一方面籌措旅費，一方面透過各種關係尋覓美國的工作機會，最後喬治·華盛頓大學（George Washington University）願意聘請他擔任教授，於是加莫夫終於在1934年偕同妻子，啟程前往美國首府華盛頓特區，展開他的新生活。 加莫夫於1922年轉入列寧格勒大學那年，學校的弗里德曼（Alexander Friedmann）教授根據廣義相對論的重力場方程式，推導出描述宇宙空間的方程式（註一）；兩年之後弗里德曼又從這個方程式得出空間曲率為負的解，據此指出宇宙不見得處於穩定狀態，而是不斷向外擴張。 穩態宇宙是當時的普遍認知，就連愛因斯坦本人也不相信宇宙膨脹，弗里德曼的重大發現完全遭到忽視。1925年，弗里德曼吃了不乾淨的梨子上吐下瀉，卻被誤診為傷寒，以致因細菌感染病逝。加莫夫原本是他的研究生，只好另換指導教授，研究方向也從天體物理改為核子物理。 太陽燃燒之謎 當加莫夫於1934年到喬治華盛頓大學任教時，已在核子物理學占有一席之地，但他覺得這個領域已經太擁擠了，不想做別人同樣在做的題目，決定重拾當初放棄的天體物理學。當時太陽的燃燒仍是未解之謎，按理說能夠產生核融合的溫度應該早就讓太陽燃燒殆盡了，為什麼太陽現在還閃耀著？加莫夫用量子穿隧效應建構熱核反應速率的模型，證明太陽可以在較低的溫度進行核融合。 加莫夫進而研究恆星的誕生與演化，乃至星系如何形成，其中有許多篇論文是和匈牙利裔物理學家泰勒（Edward Teller）一起完成的。他在劍橋時就曾和泰勒合作，到了喬治華盛頓大學後便向校方大力推薦，泰勒因此於1935年受聘來美。第二次世界大戰爆發後，美國於1941年啟動曼哈頓計畫，泰勒也成為其中一員，日後更在核彈計劃中扮演要角。反倒加莫夫雖然專長正是核子理論，又已入美國籍，卻因他的祖國是蘇聯令美國政府有所顧慮，並未讓他加入。 宇宙與元素的誕生 加莫夫本來就志不在核武，他繼續研究宇宙的生成。自從哈伯在1929年發表所觀測到星系的紅移現象，證明星系都在彼此遠離，宇宙膨脹說已獲得普遍認同。不過這也意謂著時間越往前推，宇宙應該越小，那麼往回推到宇宙誕生之初呢？獨立獲致宇宙膨脹結論的比利時神父勒梅特（Georges Lemaître），便於1931年主張宇宙最初是從一個原始原子爆炸膨脹而發展至今。原始原子的概念太過於匪夷所思，又缺乏宇宙萬物如何誕生的具體解釋，一直未受到認真看待，加莫夫決定探索這個可能性。 1948年，加莫夫指導研究生阿爾弗（Ralph Alpher）完成博士論文〈化學元素的起源〉，描述了宇宙中所有化學元素在大爆炸後不久就出現的過程；儘管實際上最初只會生成氫和氦，但這篇論文卻為宇宙大爆炸奠定了重要的理論基礎。在將論文投稿至《物理評論》(Physical Review) 之前，加莫夫臨時起意，將同樣專長於核子物理學與天體物理學的貝特（Hans Bethe）也加入作者之列，因為這樣一來，他們的三人姓氏就和前三個希臘字母α、β、γ的發音雷同，正好呼應這篇論文的題目。巧的是出版日期是4月1日愚人節，這不知是否也在生性幽默的加莫夫算計之中？ 加莫夫又陸續發表宇宙生成的相關論文，包括描述原始星系之質量與半徑的方程式；他的學生阿爾弗取得博士學位後，也和物理學家赫爾曼（Robert Herman）合作研究宇宙大爆炸後原子核如何結合而成，進而預測宇宙微波背景輻射的存在。1964年，貝爾實驗室的兩個工程師意外偵測到微波背景，大爆炸理論終於獲得證實。 基因解碼 除了核子物理學與天體物理學，加莫夫也對生物遺傳提出大膽的創見。當他於1953年讀到克里克與華生那篇DNA雙螺旋結構的論文後，開始思考DNA中的四種鹼基如何合成蛋白質。他從排列組合的角度主張構成各種蛋白質的20種胺基酸，一定是以三個鹼基為一組進行編碼，而成為第一個提出可行的基因密碼架構的人。儘管他當時不知道RNA的作用而誤以為DNA可以直接合成胺基酸，但他的創見卻對遺傳編碼的研究發揮重大的作用。 跨足多個領域的加莫夫晚年又多了個頭銜：科普作家。他的文筆詼諧幽默，內容深入淺出，出版了許多叫好又叫座的科普書籍（註二）。結果他在科學研究上作出的許多卓越貢獻沒為他贏得諾貝爾獎，反倒在1956年獲得由聯合國教科文組織頒發的卡林伽科普獎。…

2月27日—提出宇宙暴脹的人

1979年12月7日清晨，32歲的博士後研究員古斯（Alan Guth）一起床就趕緊穿好衣服，小心不要吵醒隔壁房間還在熟睡的妻子與兩歲兒子，打開房門跨上自行車，奮力直奔他在史丹佛大學的研究室。抵達後他習慣性地看了手錶，只花了9分32秒，哇，遠超乎之前的記錄。 古斯坐到桌前，翻開筆記本，興奮地寫下 「驚人頓悟： 這種過冷現象可以解釋為什麼今天的宇宙會平坦到如此驚人的程度，也因此可以解答迪克（Bob Dicke）在愛因斯坦紀念日演講時指出的精細弔詭。」 接著他繼續寫出計算公式。讓古斯如此興奮的原因，除了他很可能破解了宇宙之謎，也因為他終於看到自己的學術生涯終於出現曙光。 古斯的研究之路並不順遂。他在普林斯頓大學的博士論文題目是關於束縛夸克的作用力，但就在1972年論文完成之際，另一種全新觀點的量子色動力學已經用「色荷」提出完整的解釋，讓他的四年努力形同白費。他取得博士學位後找不到教職，便留在普林斯頓做博士後，繼續研究基本粒子的理論。 在普林斯頓兩年期滿後，古斯到哥倫比亞大學做博士後研究，重新學習最新的「規範場論」。他偏偏選了磁單極粒子（目前所有磁鐵都同時有南北兩個磁極，磁單極粒子則是只有一個磁極）做為研究題目，這種粒子在理論上雖然是可能的，但現實中是否真的存在，卻有極大的爭議。古斯在哥倫比亞大學三年沒有具體成果，又到康乃爾大學待了兩年，1979年他來史丹佛已是第八年的博士後，史丹佛只給他一年的時間，如果再無成績，他的學術生涯就岌岌可危了。 古斯在康乃爾大學時認識也來做博士後的戴自海，來自香港的戴自海是研究弦論的，他向古斯建議：既然四大作用力在宇宙誕生之初是統一的，磁單極肯定存在，何不轉而研究為何現今看不到磁單極粒子？於是古斯又再次跨入他不熟悉的領域，讀起宇宙學，沒想到他當初研讀規範場論時掌握的對稱性破缺、希格斯場此時都派上用場。當他到了史丹佛大學，繼續思考宇宙大爆炸怎樣才會讓磁單極粒子減少，忽然之間一切就都水到渠成了。 宇宙大爆炸最初是1920年代時，幾位物理學家分別根據廣義相對論的解，以及哈伯觀測到的宇宙膨脹，而提出來的可能性。這個主張一直未被認真看待，直到1964年發現的宇宙微波背景符合大爆炸理論所預測的餘燼，學界才接受宇宙誕生於一場大爆炸。 不過大爆炸理論卻無法解釋一些現象。為什麼宇宙各處的背景輻射溫度幾乎相同？為什麼整體而言，宇宙的物質分布如此均勻，以致於空間曲率超乎尋常的平坦？這意謂著太初之始的物質密度與膨脹速率都必需恰好在一個臨界值，小數點後 15 位的細微差異，就會造成粒子分離四散，所有天體都無法形成；或使得宇宙在生命出現之前就已塌縮崩陷。這就是古斯在筆記本上所寫天文學家迪克指出的精細弔詭，而包括迪克在內的許多人還因此認為這是上帝微調的結果。 古斯就是在12月6日夜裏思索這些問題時，驀然出現「Eureka!」時刻，想到如何予以解釋。他提出宇宙暴脹的理論，主張大爆炸之前的宇宙不但比大家以為的還要小（遠比原子還小），而且一開始先歷經指數性倍增的暴脹，在10的32次方之一秒內就暴增到10的26次方倍，之後膨脹速度才放緩。由於瞬間暴脹，我們這個宇宙才會如此均勻、如此平坦。而原本存在的磁單極粒子被稀釋到超出我們視界的其它宇宙後，在我們這個宇宙中就寥寥無幾了。 1980年1月底古斯發表宇宙暴脹的演說後，立即引起熱烈討論，當年春天他就脫離博士後研究員的身分，獲得麻省理工學院的副教授職位。他也因此獲得許多獎項，包括1996年獲頒愛丁頓獎章（Eddington Medal）、2009年獲頒「艾薩克·牛頓獎章」（Issac Newton Medal），以及2012年獲得當年創立的突破獎（Breakthrough Prize）。不過由於目前尚無證據可證實暴脹理論，至今他仍未獲得諾貝爾獎；今天（2月27日）是他77歲生日，且祝他能像希格斯那樣，在有生之年見到暴脹理論的證據，並獲得諾貝爾獎。 參考資料：