古希臘的科學 (一) 科學的起源

接下來一連六篇《科普》文章之中,我將介紹古希臘的科學。 當時未有「科學」這個概念,研究自然定律的學者被統稱為哲學家。哲學就是研究並追求知識的學問,因此現在的研究學位,無論主修甚麼科目,都一概稱為哲學碩士 (M.Phil.) 及哲學博士 (Ph.D.)。 ====== 這幾篇文章為筆者於星匯點 2009 年 8 月號會訊所撰之文章,並多次編成講座 ====== 天文學,是人類史上一門最古老的科學。人類對世界的無垠想像,都由觀察自然事物開始。而繁星滿佈的夜空就是人類發揮想像力、創造力的地方。 「我們的世界是甚麼模樣的?又是由甚麼東西構成的?」一直是縈繞人類心靈的最深刻的問題。在古老的希臘國度裡,許多先驅為我們奠下了科學的基礎,面對種種令人困惑、驚訝的自然現象,他們選擇以理性、邏輯去探索原因,而非訴諸鬼神。就這樣,通過對大自然的觀察,人類對大自然有了逐漸深入的了解,也因而產生出更為深奧的問題。科學在古希臘就有如原行星盤一樣,各種思想互相碰撞、粉碎、結合,創造出新的點子。相對於現代的人可以在維基百科輕鬆獲得應有盡有的資料,古時候的人只能憑藉無盡的好奇心與想像力「坐井觀天」,竟也能發展出一些比起現代科學有過之而無不及的概念,實在令人驚嘆不已。 泰利斯:一切都由一個問題開始 泰利斯[1] (Thales,西元前642-547年 ) 居於希臘的一個殖民地米利都 (Miletus),是人類有記載以來第一個發問:「世界是由甚麼構成的?」的人。他認為要理解自然,應該純粹根據與別人討論、觀察和邏輯推理,完全以自然詞彙回答自然的基本問題,而不訴諸神祗。他提出了「萬物皆源自於水」這一理論,雖然沒有證據支持,但此舉開創了人類嘗試以簡單原理去解釋世間複雜多變的先河,為後世所仿傚至今。 在今天我們對泰利斯所知不多,他選擇水作為萬物之源的原因已不得而知,據阿里士多德推測泰利斯可能是由生物學的角度思考萬物的起源,因為明顯所有生物都需要水維持生命。泰利斯也是提出歷史上第一個嚴謹的物理宇宙模型的人。他認為地球是一個平盤,浮在水面上,日月星辰晝夜更替都是因為風吹過天空所致。 世紀日食剛剛過去,現代的天文學家已能夠非常準確地預測日食發生的時間和地點。原來,第一個準確預測日食的人,就是泰利斯。該次日食發生於第四十九至五十次奧林匹克運動會期間 ( 約西元前585-577年間 ),長期陷入戰爭的呂底亞人和米底亞人都因為泰利斯的預言而停止戰事。不過,歷史學家亦懷疑這個故事的真實性,終究在泰利斯的年代人類還未擁有足夠的天文知識及數學能力去預測日食。 阿那克西曼德:建立世界的秩序 「世界是如何產生的?」相對於泰利斯希望得知構成世界的原料,阿那克西曼德 (Anaximander,約西元前610-546年 ) 則著手研究世界形成的機制。阿那克西曼德生於米利都,是泰利斯的學生。後世對他所知甚少,傳說日晷 (sundial) 與世界地圖都是他發明的。他可能曾到斯巴達人的地方向他們展示這兩項發明,也可能曾於黑海附近的阿波羅尼亞 (Apollonia) 建立了一個米利都的殖民地,亦有說他擅長於表演戲劇。 「萬物誕生之源亦為其終結之因,在相遇時,它們為先後對彼此之不公,互相賠償贖罪。」這是唯一一個後世論述阿那克西曼德的句子。阿那克西曼德提出的最革命性的思想,叫做「無限定」(apeiron)。無限定這個概念在兩千五百多年前出現簡直是不可思義。無限定的意思是,雖然無限定本身是實體,是世界一切事物的來源,但在時間或空間中卻沒有起點和終結。阿那克西曼德認為,地球及宇宙大小有限、存在時間亦有限,而且只是無限個宇宙的期中一個。後來於公元1600年,布魯諾 (Giordano Bruno,1548年-1600年2月17日 ) 因為提倡同一思想而被羅馬教廷以「異端邪說」罪名定罪,燒死於火刑柱上。 「無限定」最前衛的意義在於,它令阿那克西曼德拋棄了「上下」的主觀感覺。「地球究竟由甚麼東西支撐」這一疑問在古時一直困擾著無數哲學家、思想家。阿那克西曼德認為宇宙是由無限定而來,自混沌之中生出了天地萬物,因此地球是浮在空氣中的,根本不需要任何支撐!這是何等客觀的觀點,阿那克西曼德的思想完全超越了他的老師泰利斯,超越了所有與他同時代的人。 雖然阿那克西曼德認為地球像個硬幣,兩面都有人居住,而且直徑比它們之間的距離大三倍,但他提出的「無限定」概念,除了與中國老子道家思想不謀而合之外,亦正正是現代宇宙學的基本假設之一:在地球上發生的過程也必定會在宇宙各地發生。 —— 待續 —— [1] 本文中一部分的人物故事資料,取材自《他們創造了科學》(Science First, From the Creation of Science to the Science…… Continue reading 古希臘的科學 (一) 科學的起源

什麼是 the imitation game?

你之所以能夠讀到這篇文章,電腦之父艾倫.圖靈 (Alan Turing) 居功至偉。在電影「The Imitation Game」裡面,我們看到圖靈建造了一部巨型機器用以破解德軍密碼。電影中幾次提到的問題「究竟機器能否思考?」究竟有甚麼意義? 在電腦出現以前,所有的機器都是不能被重新編程的,意思就是說一部機器只能夠做一件事情。換句話說,不把它全部或部分零件拆掉、重組,就不能夠做其他工作。其實,人類很早就發明了能夠計算簡單算術的計算機。它們與電腦的分別,就是電腦使用電子方式而非機械方式去進行計算,令到它們可以被重新編程。圖靈提倡並研究「能夠被重新編程的計算機」,開創了電腦科學這一整個學科,因此你與我現正使用的電腦和智能電話,全部都是圖靈機器 (Turing Machine)。 那究竟甚麼是 the imitation game? 其實,the imitation game 是圖靈在他的一篇論文之中提出的一個用以判斷「機器能否思考」的測試,現在叫做圖靈測試 (Turing Test)。換句話說,能夠通過圖靈測試的機器就會被定義為人工智能。測試原理非常簡單:我們要測試兩個「人」,問他們一些問題,其中一個是人類,另一個是電腦。測試只能以輸入字句的形式進行,因此我們不能憑聲音判斷哪一邊是人類或電腦,只能夠根據雙方的回答來判斷。如果我們無法根據任何回答分辨出人類和電腦,就代表這部電腦能夠思考。 現在的圖靈測試有很多不同版本,需要受測試的電腦騙倒一定數量的人才算通過,不過其基本原則都一樣。現時為止 (2015 年 3 月) 仍未有電腦成功通過圖靈測試。 這個簡單的概念為人工智能的研究打下了基礎,同時啟發了科學家去問更多新的問題。究竟機器能否思考?如果答案是肯定的,那人類就要面對很多科幻故事裡面提出的問題:擁有意識的人工智能,算不算擁有生命?有意識的電腦會不會像人類一樣,會說謊?我覺得電影之中,圖靈的一句對白是對這個問題的呼應: “When people talk to each other, they never say what they mean. They say something else and you’re expected to just know what they mean.” 這就是科學,解決了一個問題,往往代表有更多的問題等待解決。

行星.生命.演化

左圖:達爾文於 1878 年之照片。右圖:道金斯。 行星:生命的起源 生命從哪裡來? 研究顯示生命大概源自太陽系內,而且要看你如何定義「生命之源」。 生命的源頭是第一個微生物?這個「微生物」與現代的微生物很可能大不相同。還是組成這個微生物的第一個有機化合物?如果你認為生命的源頭是碳原子,哪麼你甚或會認為生命源於太陽系外,畢竟我們都是星塵。 有些天文學家認為地球上的有機化合物是來自一些過去曾撞擊地球的小行星。也有科學家認為這些化合物是從地球上的古代大海之中,由比較細小的原子、份子通過吸收閃電、火山的能量組合而成。當然,這些情況也可能發生在其他行星之上,然後經由星體碰撞被拋進太空,變成隕石抵達遠古時的地球。 生物學家道金斯 (Richard Dawkins) 認為,生命源於地球的古代大海。各種不同、擁有自我複製能力的化學物質互相爭奪大海中的資源。然後到了資源差不多耗盡之時,因為某一次的自我複製出現了錯誤,而這個錯誤的效應是使這新份子擁有拆散其他份子的能力,從而把它們 (牠們?) 變成複製自己的材料。 這應該就是地球上第一個獵食者了。當然,也有一些錯誤複製的結果是致命的,使得新份子的求生覓食能力比其他份子低,而這些份子就會被大自然淘汰。其實在現今,這種錯誤複製也一直在我們 (或任何物種) 體內發生,我們稱之為突變 (mutation)。擁有突變後的DNA的個體如果比其他個體更能適應環境變化、擁有更多的後代的話,就會演化出新的物種。 回到過去的海洋。隨著時間一路推移,這些複製錯誤的份子互相爭奪資源、獵物。自我複製速率高、拆解對手能力高的一方,就會成為最後的大贏家。然而,贏家的代價就是再找不到食物,因為差不多所有的對手、所有的食物都被牠們吸收掉了。這時,這種份子就會開始大量死亡,因為沒有食物就等於沒有能量供應。寫到這裡我在想,如果人類再繼續逼死其他生物、再不斷砍伐山林,我們的結果會否跟這種取得「勝利」的份子一樣? 當這種份子數量大量降低以後,其他份子就有機會出頭了。於是戰爭又再繼續。有些份子演化出保護自己的外殼,可能是類似細胞膜的東西;也有一些演化出破壞這些外殼的方法;有一些更可能演化出殺死外殼裡頭的份子,取而代之的獵食方式。 這場演化戰爭一直發展下去,直到DNA終於演化出來,成功打敗了採取其他生存戰略的份子,並且發展出許多利用不同環境、不同獵食方法的分支。為甚麼我會知道DNA是唯一的大贏家?因為在地球上所發現的生命,包括所有動植物、原生生物、原核生物及真菌,體內的都是DNA。 當然,我們也可以假設DNA是比較近期才演化出來,然後收拾掉一切非DNA的生物。只是,這個假設比較不可能發生,原因是地球上的生命形式實在是太多了,DNA要如何在「近期」的短時間內從空中、陸上、水中以至深海的物種間進行種族大清洗呢? 不管是哪一物種,要生存、繁殖都必須要有充足的能量供應。否則能夠生存卻不夠養份繁殖、能夠繁殖下一代卻不夠養份生存,就是得個桔。地球是我們唯一知道的有生命存在的行星,它提供了生命所需的一切:空間供給居住、大氣層供應氧氣及二氧化碳、抵擋紫外線、磁場阻隔太陽風及宇宙射線,還有大海、土地為生物儲存養份等等。當然,地球上生物的大部份能量來源是太陽光,只有少部份來自地熱。所以,行星是生命能夠演化傳承的舞台。 但是,生命並非生存在一個一成不變的舞台上。自然環境孕育生命,生命同時也塑造大自然。 在遠古時代,地球是沒有這麼多氧氣的。活在地球上的生命,大多都是厭氧生物。牠們不喜歡氧氣,因為氧氣對牠們來說是劇毒。由於地殼不穩,大量的二氧化碳隨著火山爆發被噴入大氣之中。年月累積下來,地球的二氧化碳含量就愈來愈高。 可是這樣一來就有利於靠二氧化碳與陽光進行光合作用的生物了!這些生物會愈來愈多,因此愈來愈大量的二氧化碳會被吸走,取而代之的是氧氣。於是那些原本雄霸一方的厭氧生物,就只好往海底下去找安身之所了。現在,我們可以在海底的火山口附近發現許多厭氧的微生物,相信就是這些古厭氧生物的後代了。 植物演化出來之後,依賴氧氣的動物也在某個時候演化出來,兩者就一直合力維持地球大氣中化學成份的平衡。當其中一方數量過多,就會放出過多不利於自己、但有利於對方生存的氣體,於是大自然就會發揮一個天然的負反饋作用 (negative feedback),令兩者數量比例再次回復平衡。 所以,地球本身其實亦是積極參與生命演化的一份子。根據林超英先生的講法,地球本身就是一個生命啊! 演化:生命的延續 演化是物種之間互相轉變的方法,也是生命由簡單趨向複雜的方法,更是生命得以在地球上傳承至今的不二法門。在今天,除了演化論,根本沒有另一個可以同樣成功解釋生物界多元化且展現物種間環環相扣的現象的科學理論。 達爾文 (Charles Darwin) 於一八五九年出版《物種起源》(On The Origin of Species) ,提出物種會演化的理論,至今已經超過一百五十年了。在這百多年之間,很多人出版過《物種起源》不同的版本,有一些更加入了出版者本身的意見;亦有很多人寫書、文章去評論這個理論;也有人寫書說別人的書如何誤解了演化論的意義,之後對方就再寫書說那些人寫書說他們寫的書如何誤解了他們沒有誤解演化論的意義……總之就是在科學界引起了軒然大波,尤其在百多年前,科學界仍然將生命起源留給上帝的時代。 在這篇文章中,我不準備討論演化論有甚麼意義、對科學和宗教又有甚麼影響等等。這些也許我會在以後再討論。現在我只把它當成一個普通的科學理論看待 (它根本就是一個普通的科學理論嘛,演化論與相對論沒甚麼分別,而且相當容易理解),嘗試為讀者解釋演化論的內容。這可以說是我讀完《物種起源》與其他演化論書藉後的分析,也可以說是一個物理及天文專業自學生物演化的讀書報告。 第一步:突變 (Mutation) 不管是由甚麼原因引起,突變是指生物的某些基因 (genes) 突然發生變異。變異可以是以任何方式改變了本身基因的排列,例如基因互換位置。這些變異可以是對該生物外在的表徵,或是內在的改變,又或者可以是完全沒有任何改變。但只要這些變異會造成任何可觀察的影響,這些影響就會改變這個體在環境中的適應力,大自然就會自動判斷對這個變異是「好」還是「不好」。 至於基因是指DNA的不同段落,可以把它們想像成電腦指令,雖然不太精確。有些人會形容DNA像是生命的藍圖,可是我認為這個比喻很容易令人誤解。你可以從一張藍圖看出所要建造的東西的所有細節,但你不可能只看DNA就知道這個體的所有細節。就好比你不可能只看一個電腦程式的source code就了解整個程式如何運作吧。比較精確的比喻是DNA就好像菜譜,它記載了你需要甚麼材料、材料的份量、何時該加熱等。菜譜本身包含了這個菜式的一切資訊,可是若不把它煮出來就永遠無法知道它的味道。生命也是一樣。 第二步:適者生存 (Struggle for existence) 生物因為體內的基因發生突變,導致一些外在或內在的改變。一開始可能這些改變並不明顯,對該生物的生存及繁殖沒有太大的影響,因此得以傳遞到下一代。經過世代傳遞,這些改變就會愈積愈多,最終所有這些改變的共同效應會影響這物種第N代的生存機會。如果其影響是減低了該物種對生存、繁殖的競爭力的話,這種變異體就會很快消失,因為牠們的後代數目將會快速減少;反之,若此等競爭力等到提昇,該物種的後代數目就會不斷上升。…… Continue reading 行星.生命.演化