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特斯拉的地球電網夢

「……，這部機器的作用就像幫浦從地球汲取電力，再以極高的速率驅回同個地方，因此產生的漣漪或擾動一如經由電線般，經地球散播出去，即使相隔甚遠，只要仔細調頻就能偵測到。透過這種方式，我不僅能向遠處傳送微弱訊號，還可以傳送相當可觀的能量。」 ——〈與行星對話〉（Talking With Planets），尼可拉·特斯拉，1901年2月 科羅拉多泉 1899年7月3日，位於洛磯山脈的科羅拉多泉烏雲密布，遠方雷聲隆隆。眼見暴雷雨即將來臨，特斯拉興奮地回到穀倉內，打開接地的儀器。不久後果然雷電交加，儀器也記錄了規律的電波訊號，特斯拉認定這正是駐波，而這將開啟遠距通訊與電力傳輸的新時代。 早在1893年，馬可尼著手開發無線電報的前一年，特斯拉就構思了用電磁波傳送訊息的方法。不過他體認到隨著距離增加，電磁波的能量會迅速衰竭，無法傳得很遠，最後萌生一個大膽的想法：用地球做為導體。如果能找到與地球共振的頻率，就能用地球本身傳遞電波至世界各地，而且他相信電力也能如此傳輸，無需電纜，無論多遠。 如今暴雷雨的實驗更加強了特斯拉的信心，他隨即在穀倉內打造巨大的特斯拉線圈，進行實驗。隨著電壓不斷提高，特斯拉線圈射出的火花也越來越長，並伴隨著巨大聲響，就像是閃電一般。他特地找來攝影師拍下這奇觀，並利用重複曝光假造出他在人造閃電中泰然自若寫筆記的樣子，於1900年6月在《世紀》雜誌上發表題為〈增加人類能量之問題〉的長文，附上這張後來廣為流傳的照片。 紐約 特斯拉隨即回到紐約尋求資金，第一個找的就是西屋電氣。當年西屋受金融危機波及，懇求特斯拉放棄交流馬達的權利金，他一口答應，繼續開發多相交流電系統，讓西屋擊敗愛迪生，贏得1893年芝加哥萬國博覽會的照明標案。三年後他又為西屋打造尼加拉瀑布水力發電廠，開啟了電力走入家庭的時代，如此義氣相挺又功不可沒，要西屋出錢投資應該沒問題吧。沒想到西屋只願借他6千美元（相當於現在的22萬美元），建議他還是去華爾街比較有機會。 果然金融大亨J. P. 摩根對特斯拉的計畫極有興趣，而他看上的是無線電報的商機。前一年馬可尼已率先用無線電報，即時傳送美洲盃帆船賽的全程賽況，又在美國申請了專利。倘若特斯拉的計畫真能成功，不但能避開專利問題，還能在技術上取得絕對領先。於是摩根於1901年3月和特斯拉簽署合約，出資15萬美元取得51%的股權，並擁有未來所有專利51%的所有權。特斯拉雖然覺得委屈，但一時又找不到其他金主，只能無奈接受。 沃登克利夫塔 特斯拉很快在長島買了200英畝的地，七月就開始建造他宏偉計畫中的主體：沃登克利夫塔（Wardenclyffe Tower）。這座塔高57公尺，頂端是個直徑17公尺的金屬半球，塔底有根37公尺長的鐵柱深入地下，另外還有16根鐵管打入深達90公尺處，穿過鐵管的電流將讓地球隨之顫動。塔前方的主建物擺放發電機、變壓器、特斯拉線圈，以及各種儀器設備。 其實在特斯拉原本的計畫中，沃登克利夫塔應有180公尺高，30座這樣的塔就能構成全球通訊網與電網。但經建築師估算，建造一座這麼高的塔的就要耗費45萬美元，他只好改變設計，先用小型的沃登克利夫塔進行測試。但沒想到才蓋到一半，就傳來一個令特斯拉大受打擊的消息：1901年底，馬可尼成功傳送摩斯電碼到大西洋彼岸，打破無線電波無法越洋的迷思。 如此一來，沃登克利夫塔雖然好不容易在1902年底完工，但對摩根而言，已毫無價值。儘管特斯拉再三強調他能傳送的不只是電報，也能傳送電力，但摩根仍不為所動，不願再挹注更多資金。摩根縮手的消息傳出後，其他投資人更沒有信心，特斯拉只能靠朋友的零星借貸，設法維持實驗室運作。 特斯拉很快也耗盡自己所有積蓄，1904年，他不得不將沃登克利夫塔部分地產抵押給華爾道夫酒店，以折抵他的食宿費用。隔年他決定暫時擱置這項計畫，著手開發無葉片渦輪機，希望藉此翻身，但始終未能如願。1908年，他再將剩餘的沃登克利夫塔產權抵押給酒店，到了1916年，負債累累的特斯拉宣告破產，華爾道夫酒店收回他抵押的房產與土地。 1917年5月，美國電氣工程師協會頒發愛迪生獎章予花甲之年的特斯拉，以表揚他的研究成果帶動工業發展、帶給城鎮光明。如果說這是對他前半生的肯定，那麼兩個月後，沃登克利夫塔遭到拆除，則象徵了他後半生的殞落。 雖然特斯拉之後又設計了水下雷達、垂直起降飛機、……等創新發明，但結果一如他的地球電網大夢，無一付諸實現。他的生活也每況愈下，最終僅有鴿子相伴，於1943年孤獨地死於紐約客旅館的房間內。 參考資料：

重現真實影像的先知

我想你對法國科學家李普曼（Gabriel Lippmann）這個人應該很陌生，甚至連聽都沒聽過，不過他所指導的一位博士生你肯定就很熟悉了，那就是俗稱居禮夫人的瑪麗·居禮（Marie Curie）。居禮夫人先後於1903年及1911年分別榮獲諾貝爾物理學獎及諾貝爾化學獎，而李普曼本人也在1908年獲頒諾貝爾物理學獎。 李普曼德出生地其實是在盧森堡，三歲時全家才搬到巴黎。他完成師範學院的學業後，原本要當老師，無奈沒通過考試，才轉而研讀物理。1872年，他以公費到德國的海德堡大學留學，指導教授是用光譜分析發現太陽所含元素的克希荷夫（Gustav Kirchhoff）；另外，提出彩色視覺之生理機制的亥姆霍茲（Hermann von Helmholtz）也曾指導過他。 太陽光譜與彩色視覺這兩項主題便在他心中埋下了種子，多年之後終於發芽成彩色照相術。 其實在李普曼之前就已經出現彩色照片，但這必須用紅色、綠色和藍色三種濾鏡分別拍攝，而且拍出來的彩色照片因為感光乳劑不夠穩定，無法長久保存。1886年，李普曼發想出一種不需要濾鏡的全新方式。 首先將在玻璃板塗上感光乳劑，再讓乳劑表面吸附一層水銀，形成玻璃—感光乳劑—水銀的三明治結構。當光線穿透玻璃與感光乳劑後，碰到水銀層而反彈回來，便與感光乳劑處的光線產生干涉作用而形成駐波。不同色光形成不同波長的駐波，節點落在感光乳劑產生化學作用，一次就能產生彩色影像。 但這畢竟只是理論，李普曼得證明這確實可行。經過多次的失敗嘗試後，他終於在1891年成功在感光版上顯影出太陽的彩色光譜，但由於感光乳劑對不同色光的敏感性不一，以致相片色彩仍不完美。他繼續加以改進，終於在1893年拍出全彩的照片，並立刻提交給法國科學院。 隔年，他將這項技術的背後原理寫成論文發表；就是這項發明讓他得到1908年的諾貝爾物理學獎。 不過，這個技術跟現今的彩色攝影一點關係也沒有。事實上，它還沒商業化就馬上被別的技術取代了。原來李普曼的方法需要好幾分鐘的曝光時間，製備感光版的過程又很複雜，因此盧米埃兄弟於1907年推出更簡便的彩色攝影後，就更沒有人對李普曼的發明感興趣了。 這樣得諾貝爾獎好像有點尷尬，其實不然，後來證明這個當時被棄置一旁的技術並非過時，反而是超越時代太多。半個世紀後，匈牙利物理學家蓋博（Dennis Gabor）根據李普曼的干涉原理進一步發明了全像攝影，可以呈現物體的完整三維樣貌。 其實李普曼超越時代的發明不僅如此。他於1908年提出整合攝影術（Integral Photography），建議利用微型鏡頭陣列，紀錄前方場景的完整資訊，之後再加以整合。這項技術也是要過一百年後，才有商業化的光場照相機問世。 如今回頭看，諾貝爾獎委員會頒獎給李普曼，可說是有識人之明啊！ 參考資料：

孕育出矽谷的人

舊金山南部，從帕羅奧圖（Palo Alto）往南延伸到聖荷西（San Jose）長約四十公里，人稱「矽谷」的狹長谷地，聚集了大家耳熟能詳的頂尖企業，包括Apple、AMD、Facebook、Google、Intel、Netflix、Tesla、……等，當然，還有目前最熱門的NVIDIA，以及其它數以千計的科技公司。幾十年來矽谷一直扮演著全球科技發展的火車頭，那麼這一切是怎麼開始的？若要溯及源頭，生日就在今天（6月7日）的特曼（Frederick E. Terman）可說是矽谷的催生者。 特曼於1900年出生在美國印第安那州，10歲時父親到史丹佛大學擔任教育心理學教授，舉家遷到加州。以修訂智商量表著稱的父親也致力於推廣智商測驗，並藉此發掘天才兒童。特曼本身雖然並未通過天才兒童的認定標準，但學業成績也相當優異，史丹佛化學系畢業後，改讀史丹佛的電機研究所。當時東岸的學術水準高於西岸，因此他唸完碩士隨即前往麻省理工學院攻讀電機博士，24歲就拿到博士學位。 當時東岸不僅學術水準領先西岸，科技公司與研究機構（例如貝爾實驗室）也大多在麻州到紐澤西州一帶，因此特曼原本打算留在東岸工作，然而他卻診斷出肺結核，不得不回到陽光普照的加州休養。 經過一年的休養後，他到史丹福大學任教，開設真空管、電路學等當時還相當新的課程。1929年開始，美國步入經濟大蕭條，大學畢業生也沒什麼就業機會。看到自己的學生找不到工作，特曼索性鼓勵他們自行創業，甚至自掏腰包予以資助；其中惠利特（William Hewlett）和普克德（David Packard）便是在他的鼓勵下，於1939年在車庫創辦了惠普公司（Hewlett-Packard，簡稱HP）。 第二次世界大戰爆發後，特曼被徵召到哈佛大學，帶領八百人的團隊研發干擾敵方雷達的無線電技術。戰爭期間美國產、學、研三方的通力合作，給予特曼不同的視野，他讀博士時的指導教授凡納爾·布希（Vannevar Bush）更是絕佳典範。戰前布希在教學之餘還創辦了製造無線電零件的雷神公司（Raytheon），幾年後發明世上第一台可以解微分方程式的類比式計算機「微分分析儀」，可快速計算彈道，對盟軍助益極大。二次大戰期間，布希受到總統重用，讓軍方將研究經費下放給大學或民間機構，促進軍方與企業、學術界的交流合作，不但提升了民間科技實力，也為科學人才的培育建立正向循環。 戰後特曼回到史丹佛擔任工學院院長，決定效法布希的遠見與策略，除了大力延攬學術人才，也積極爭取軍方的研究經費，用以提升實驗室的儀器設備，努力讓史丹佛大學迎頭趕上麻省理工學院。此外，他還向董事會提出一項史無前例的大膽計畫：將學校靠近帕羅奧圖那片閒置的廣闊土地闢為工業園區，分租給科技廠商。 租金收入倒是其次，更重要的是廠商進駐後，因地利之便，學生容易有實習的機會，之後便可能直接轉為正職，另外教授也可接受廠商委託進行研究，除了增加研究經費，也能接觸到最新的科技應用（因為當時都是軍方率先引進最新科技，因此所謂的科技廠商幾乎都是國防承包商），這樣不但更能吸引優秀人才來任教或就讀，也有助於教授或學生創立科技公司。 1951年，佔地209英畝的史丹佛工業園區（現已更名為「史丹佛研究園區」）開始動工，兩年後正式成立，除了通用電氣、洛克希德、……等大型企業，HP等史丹佛校友所創的公司也陸續進駐。 特曼於1955年升任教務長，當他聽說發明電晶體的蕭克利（William Shockley）宣布離開貝爾實驗室，要自行成立半導體實驗室，立刻寫信力邀蕭克利來設廠。雖然蕭克利最後將公司設在母親所住的山景城（Mountain View），但此處緊鄰史丹佛工業園區，後來蕭克利的八名員工集體離職，創立快捷半導體，之後快捷半導體的員工又開枝散葉，卻都還是將公司設在附近，其中最重要的因素無疑是特曼推動形成的產、學、研聚落。（這段歷史可參見我所寫的《蕭克利與八叛徒》） 矽谷的「矽」固然是源於蕭克利將電晶體帶來此處，但若不是特曼多年的苦心孤詣，經營出新創企業的溫床，蕭克利播下的種子也不會發芽茁壯成今日矽谷的繁榮樣貌。所以儘管特曼總是自謙地不願將矽谷的發展歸功於己，但許多人還是認為他值得「矽谷之父」的美譽。 事實上，已故的總統府資政李國鼎先生便是在1977年赴美訪問時，特地前往拜訪特曼，才產生在新竹靠近清華大學與交通大學處設立科學園區的構想。因此這位孕育出矽谷的人，其實也間接地影響了我國的科技發展呢！ 參考資料：

NVIDIA晶片架構的名稱由來

你知道嗎？Nvidia從1998年開始，一直都用科學家來命名新推出的處理器架構。例如現在最新的處理器GB200，名稱中的”G”和”B”分別就是指Grace CPU和Blackwell GPU。 以下便是我所整理的產品地圖，順便讓大家對這些科學家有個粗略認識。若想進一步了解，可參考我之前寫過的這幾篇：1. 為什麼Nvidia下一代的晶片架構命名為Blackwell？2. 誰是 Grace？3. 愛達・勒芙雷斯真正的厲害之處4. 人工智慧與圖靈測試

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：