科學的40堂公開課 - (EPUB全文下载)

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40數位時代的科學
你一次次打開電腦，可能已經不是為了「計算」而用，你可以用它查資料、發郵件，或者看最新的足球比賽得分。但是最開始它就是一臺比人腦計算得更快、更準確的「做計算」的機器。
雖然我們把電腦看作先進科技的產物，但事實上有關電腦的概念由來已久。十九世紀，英國數學家查爾斯．巴貝奇（Charles Babbage，一七九二－一八七一）製造了一臺能夠按照「設計的程式」完成一些演算小把戲的機器。比如，他設定好從「一」開始一個一個數到一百萬，然後突然跳到一百萬零二。凡是耐心地看著數字從一累積到一百萬的人，看到錯誤的報數都大吃一驚。巴貝奇的目的就是要告訴大家，他的機器可以做出一些打破常規的事。
十九世紀末，美國數學家赫爾曼．何樂禮（Herman Hollerith，一八六〇－一九二九）發明了一台可以透過打孔卡分析大量數據的電子機器。如果卡片上的孔符合機器要求，卡片插進機器以後就可以被「閱讀」，並處理資訊。何樂禮的機器對於分析人口普查蒐集到的資料很好用，能夠幫助政府獲得更多跟人口有關的資訊。很快地，這部機器可以計算出諸如收入、家庭人數、年齡和性別等基本數據。直到二戰爆發，多數電腦的主要功能便是分析打孔卡。
二戰期間，電腦開始為軍事服務。它們能計算炮彈射程、破解敵軍訊息的密碼。為了加強戰時安全，德國、英國和美國全部使用了電腦。電腦最初只是少數擁有最高安全權限的人才可以使用，而現在它為每一個人打開了通往世界的大門，這實在是一個鮮明的對比。
英國和美國利用電腦分析德軍密電。英國人破解德國人密碼的核心力量集中在白金漢郡一處叫作布萊切利園（Bletchley Park）的古老鄉間宅邸裡。德國人有兩種密碼機：恩尼格瑪密碼機（Enigma）和洛倫茲密碼機（Lorenz）。他們每天變換密碼，因此解碼機必須具備極強的轉換能力，為此英國設計了「炸彈」（Bombe）和「巨人」（Colossus）兩款解碼機。「巨人」的確名副其實，它們就是巨大的運算機器，不但占據整間屋子，還超級費電。這些電腦裝有一系列轉換電子信號的真空管。由於真空管時常因為過熱而罷工，為了便於更換燒壞的燈絲，他們在管子之間留下寬鬆的間隔，這也給昆蟲創造了可乘之機。那時所說的「除錯」（debug）可不是指跑軟體程式的意思，而是指進去清除飛蛾、蒼蠅這些蟲子。它們飛進了熱熱的玻璃管，造成系統短路。解碼機使戰爭得以提前結束，幫助同盟國取得了勝利，功不可沒。
圖靈和電腦、網際網路興起
布萊切利園裡有一位傑出的數學家：艾倫．圖靈（Alan Turing，一九一二－一九五四）。一九三〇年代早期，他就讀劍橋大學國王學院的時候就顯示出過人的才華。他發表了有關計算機數學的重要理論，在布萊切利園的工作表現出類拔萃。戰後，他仍然對電腦矢志不渝。他對人類大腦運轉和電腦系統的關係有深刻的見解；他洞悉到「人工智能」（AI）的誕生，還開發了可以下棋的機器。雖然，人機對弈的時候棋藝大師贏多輸少，但是若論妙手奇招，機器則是越來越出色。圖靈開發了位於倫敦特丁頓的英國國家物理實驗室早期的電子計算機「ACE」，使它具有更強的計算能力。但圖靈的生命卻以悲劇結束。他是同性戀，那時的英國還不能接受這種關係。警察逮捕了他，並用性激素「治療」他的性取向。有證據表明，他吃下加了番木鱉鹼的毒蘋果自殺身亡。他的一生和死因警醒世人：任何種族、性別、宗教和性取向的人都可以成為出色的科學家。
戰爭期間建造的大型電腦用起來得心應手，但受限於經常會過熱的真空管。此時有一項發明帶來了無限生機，包括對電腦的改變：電晶體。一九四七年年底，約翰．巴丁（John Bardeen，一九〇八－一九九一）、沃爾特．布拉頓（Walter Brattain，一九〇二－一九八七）和威廉．蕭克利（William Shockley，一九一〇－一九八九）成功研製出這種可以放大和轉換電子信號的元件。電晶體比真空管體積小很多，比較不會生熱。它可以組裝於各種電子設備上，比如小巧實用的電晶體收音機。他們三人一起被授予諾貝爾物理獎後，巴丁又攻克了電晶體和現代電路所需的「半導體」，並再次獲得諾貝爾獎。
軍方在一九四五至一九九一年的冷戰時期也沒有延誤對電腦的研究。美國和蘇聯兩大超級強國雖然曾在二戰中結成聯盟，但互不信任，他們用電腦分析蒐集來的對方活動數據。電腦不斷提高的數字處理能力對科學家而言也是如虎添翼。一九六〇年代，物理學家竭盡所能地運用了這些新型的、日趨完備的機器。若是沒有它們，高能粒子加速器產生的大量數據，對於手握鉛筆和草稿紙的一群人來說就是天方夜譚。
遼闊的科學領域迎來越來越多的電腦專家，他們的薪資和設備被納入研究經費，所以人們有足夠的理由去設想用電腦間的交流取代面對面的溝通。畢竟，電話已經普及了一百多年，電報當然更久遠。於是在一九六〇年代初，「封包交換」（Packet switching）應運而生。數位訊息被分割成較小單位，每個單位選擇最便捷的路徑到達接收端的電腦後再被重新組合。你在有線電話上說話的時候是真的「在線」，沒人能把電話打進來。但是如果你在電腦上發送或者接收訊息——一封郵件或者一則網站上的貼文——任何人在任何時間都可以看到它。
美國和英國對封包交換的研究可謂並駕齊驅。作為維護國家安全的工具，它要確保軍方和政要間的無障礙溝通，即使某些通訊設備被毀，它也必須正常運轉。封包交換透過「網絡化」簡化了電腦群組的連接。科學家是除軍方以外最早的使用者，現代科學由此獲益良多。
一九六〇年代，電腦變得更小、更快，學術界是最主要的受益者。不過和現在的電腦比起來，它還是太大、太慢、太昂貴。但是你可以放心，用它玩電腦遊戲也沒問題，這種樂趣早就有了。一九七〇年代，電腦的改變加速進行。此時的電腦——曾經被稱作「微型計算機」——加上螢幕和鍵盤，小到可以放在一張桌子上。隨著微處理機晶片功能越來越強大，啟動了個人電腦革命。對此貢獻最大的地方是美國加州的矽谷。
科學可以為善，亦可以為惡
電腦不斷改變著學術界工作和交流的方式。世界上最大的物理學家聚集地之一，歐洲核子研究組織（CERN），安放著 ............

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