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2026年10月6日 星期二

生活科學大哉問

 


大語言模型走入大眾的視野也不過短短二、三年,已經讓許多學生、上班族習以為常地每天和 AI 互動對談。仔細想想人類的適應力真的很強,不論是什麼尖端科技製造而成的產品或服務,在不瞭解背後原理的情況下,人們依舊能運用自如地享受便利性。《生活科學大哉問》一書,便是介紹了許多你我日常生活中已經視為文明社會必需品的科技產物,深入瞭解後會感受到,人們能十指不沾陽春水地過日子,都是受惠於一代代先人日積月累下發明的成果。

像是沖水馬桶利用虹吸原理,不靠電力而善用水位的落差和重力,便有效率地清除排泄物,是造福全人類的偉大發明。微波爐則是運用磁控管來操作電場方向,讓容易受影響的水分子產生震動,進而產生熱能用來加熱食物。在介紹咖啡的文章中,學到咖啡一旦磨成粉就會開始劣化,所以沖泡前再磨才是講究的做法;過細的咖啡粉反而會萃取出雜質,讓咖啡風味變差。雖然看過好幾次解說飛機飛行的原理,但還是不明白機翼形狀如何讓氣流產生足夠的升力讓飛機起飛,據說學術圈也常常講不清楚,只能說飛行器的發明是種實證科學吧。

而白領上班族常看到的文具用品,像是3M便利貼是改變膠水型態成圓球狀,產生好黏又好撕的效果。魔術擦擦筆則是以使用感溫變色墨水,來讓墨水遇熱變成透明;有趣的是,在極低溫下(零下 20 度),擦擦筆的墨水會恢復到有顏色的狀態,這點小知識很有用!全視線眼鏡就是光致變色鏡片,但是如果配戴了無抗紫外線(UV)功能的太陽眼鏡,人眼的瞳孔多了遮蔽、少了刺眼的陽光照射而放大,反而會傷害視網膜,買太陽眼鏡時記得多看一下標籤。摩天大樓的玻璃帷幕,製造方法和鏡子一樣,是在玻璃裡面加上一層金屬用來反射光線;當金屬層薄到恰到好處的厚度,就會隔熱又透出些許的光線。夜間因為室內光線強於室外,所以室內反射光會強於外面,造成我們只會看到自己的倒影,但從外面卻可以清楚地看到屋內。

車輛的前擋風玻璃都是夾層玻璃(膠合玻璃),中間夾著特殊膠膜,即使用擊破器也打不碎,所以也被當作防盜玻璃。而側面的車窗則是安裝強化玻璃,雖然強度比一般玻璃強上 3 到 4 倍,卻可以針對特定一點輕易地敲破。現代人在夏天幾乎離不開的冷氣機,是利用空氣壓縮會變熱、膨脹會變冷的熱泵原理,將冷媒當作導體不斷在室外機和室內循環,讓我們享受舒適的溫度,而電冰箱也是用一樣的技術做出來的。一般認為,水的溫度不會超過 100 度,因為會變成水蒸氣。然而水波爐就是利用過熱水蒸氣的高溫,來達成將食物加熱到 200 到 300 度的高溫,食物的水分會因此蒸發而變得酥脆。我們之所以會認為月亮會一直跟著我們的背後走,其實只是因為它體積相當大,同時又距離我們非常遠,所以不管我們怎麼移動,都能看到它以同樣的大小和方向在那裡,因而誤以為它有在移動尾隨我們。

《生活科學大哉問》是一本充滿著實用科學知識的小書,每個主題的內文都只有四頁,但內容從物理、化學到資訊技術無所不包,很多說明也不是能一看就懂,相當有深度。不過看這樣的讀物,也不用給自己太大的壓力,就挑選自己感興趣的主題翻閱,記得有趣的小知識,以後和朋友談天時當個小聰明,倒也就有所回報了~

Large language models came into the public eye only two or three years ago, but they have already become a daily habit for many students and office workers chatting with AI. When you think about it, human adaptability is truly amazing. No matter what kind of advanced technology creates a product or service, people can easily use it and enjoy its convenience without knowing how it works. The book Everyday Science Secrets introduces many tech inventions that we see as daily necessities in modern society. When you look deeper, you realize that living such a comfortable life is all thanks to the achievements of past generations over time.

For example, flush toilets use the "siphon principle." They don't need electricity and simply use water level differences and gravity to clean away waste efficiently, making it a great invention for humanity. Microwaves use magnetrons to control electric fields. This makes water molecules vibrate and generate heat to warm up food. In the part about coffee, I learned that coffee beans start to lose quality as soon as they are ground into powder. That is why grinding right before brewing is the best way. Coffee ground too fine will extract unwanted flavors and ruin the taste. Also, although I have seen explanations of how airplanes fly many times, I still don't understand how wing shapes create enough lift for a plane to take off. It is said that even experts struggle to explain it clearly, so maybe airplane invention is just a kind of "practical science."

Common stationery items for office workers also have cool science behind them. For instance, 3M Post-it notes use glue shaped into tiny spheres, making them easy to stick and peel off. Frixion erasable pens use heat-sensitive ink that turns clear when heated. Interestingly, at super cold temperatures (minus 20 degrees Celsius), the ink color comes back. This fun fact is very useful! Transitions lenses are photochromic lenses. However, if you wear sunglasses without UV protection, your pupils will dilate because of the darker view. This can actually damage your retina, so always check the label when buying sunglasses. The glass curtain walls of skyscrapers are made like mirrors by adding a thin metal layer inside the glass to reflect light. When the metal layer is just the right thickness, it blocks heat while letting a little light through. At night, indoor light is brighter than outdoor light, so the reflection inside is stronger. As a result, we can only see our own reflection, but people outside can see inside clearly.

Car windshields are made of laminated glass with a special plastic layer in the middle. They won't break easily even with a hammer, so they are also used as anti-theft glass. On the other hand, side windows use tempered glass. Although it is 3 to 4 times stronger than regular glass, it can easily shatter if you hit a specific corner. Air conditioners, which are essential in summer, use the "heat pump" principle—air gets hot when compressed and cold when expanded. They use refrigerant to move heat between indoor and outdoor units to keep us comfortable. Refrigerators are made using the same technology. People usually think water temperature cannot go over 100 degrees Celsius because it turns into steam. However, superheated steam ovens use high-temperature steam to heat food up to 200 to 300 degrees, evaporating moisture to make food crispy. Finally, we feel like the moon is following us simply because it is huge and extremely far away. No matter how we move, we see it at the same size and direction, so we mistakenly think it is following behind us.

Everyday Science Secrets is a small book full of practical science knowledge. Each topic is only four pages long, but it covers everything from physics and chemistry to IT. Many explanations take time to understand and have real depth. However, you don't need to feel stressed when reading it. Just pick topics you find interesting, remember a few fun facts, and share them with friends later to sound smart—that is already a great reward!


2026年4月4日 星期六

Building Serverless Applications with Google Cloud Run

 

ISBN:9781492057093

最近感覺對開發人員來說,雲端平台的學習與推廣存在一種成本上的悖論。有心想了解、試作的軟體工程師,面對處處以秒計費的各種雲端平台功能,如果要自己掏腰包嘗試,總會躊躇不前,無法放開手腳。相較於POC(Proof of Concept/功能驗證)時期長時間、大規模的使用,即便有免費額度可申請,也只是九牛一毛。因此,我認為資訊產業中成功導入雲平台的企業組織,多半採取開放心態,鼓勵員工嘗試並導入各種雲端功能,且不吝於投入雲端支出的各項費用,才能成事。

近十幾年來,以美國為首的各大雲平台崛起,其實也鬆動了原本已經僵固的軟體工程師職務分際。尤其資料系統的架構範型(Pattern),被解析、重構成易學、易用的各項功能元件,讓資淺的工程師也能依樣畫葫蘆地打造出世界級的資訊系統,系統架構師的價值因此被稀釋、邊緣化。而各種全代管服務(Managed Services)的出現,讓資料庫、訊息佇列、noSQL、負載平衡等中介層都可以即插即用。在兩者相輔相成之下,新創產業得以站在雲端平台巨人的肩膀上快速蓬勃成長,卻也容易埋下「知其然而,不知其所以然」的隱憂。

《Building Serverless Applications with Google Cloud Run》是一本講解如何使用GCP平台Cloud Run服務,打造現代常見網路應用程式的書籍。Cloud Run的全代管程式運行概念並非新事物,早在近十年前,GCP就已推出其前身App Engine。不過App Engine在程式語言與開發風格上有所限制,因此未能掀起浪潮。隨著Docker容器化技術在軟體產業中風行,融合容器化的新一代全代管應用程式平台「Cloud Run」,讓GCP重新獲得開發人員的關注與青睞。藉由Docker帶來的應用程式標準化,若再搭配Jenkins等CI/CD自動化部署工具,將專案程式直接部署至Cloud Run的運行引擎,並運用其內建的流量負載平衡機制以及藍綠部署功能,開發團隊便能在不導入Kubernetes這類龐大系統的情況下,於輕量級的容器運行平台Cloud Run上執行資源最佳化的應用程式。

書中內容從最基礎的程式容器化開始說明,並提及Cloud Run平台必備的映像檔儲存服務Artifact Registry。接著由簡單的網頁應用範例,逐步進展到整合關聯式資料庫,並帶入Cloud SQL的實作。隨後介紹網頁應用常見的Session概念與實作方式,當然GCP也提供多種noSQL服務,其中Memorystore是相當合適的選擇。在專案進行過程中會面臨的相關議題,如權限設定的IAM、記錄分析的Cloud Logging,以及基礎架構即程式碼(IaC)的Terraform,都是在GCP上運行專案必須克服的關卡,而透過研讀本書,多半可以迎刃而解。

GCP本身確實提供即時且詳盡的官方技術文件,也有大量線上教學與範例程式碼。然而,對於初次接觸如此龐大、多樣且錯綜複雜服務的開發者而言,即便是資深工程師,也可能不知該如何踏出第一步。因此,一本專注於特定主題的技術書,能夠由淺入深地講解如何運用GCP平台打造具體服務,就顯得格外可貴,如春風化雨。

本書在介紹非同步呼叫的實作時,採用了較為過時的Cloud Tasks(與 App Engine 同期技術),而非Pub/Sub服務,可能讓讀者錯失選擇最佳方案的機會,算是美中不足。但考量到GCP平台本身持續快速演進,只要能成功帶領讀者跨出擁抱GCP的第一步,仍不失為一本值得推薦的好書。


2024年9月4日 星期三

如果這樣,會怎樣?2:千奇百怪的問題 嚴肅精確的回答

 


如果有朋友身為父母,相信總免不了面對熊孩子們提出的五花八門的問題,除了少部份能正確回覆外,其它多半是晦澀艱難的謎題。這本如果這樣,會怎樣的作者蘭德爾.門羅卻有著過人意志,正面迎戰總多小朋友提出的疑問,運用堅實豐富的物理學知識,精確而具體地回答64個天馬行空的提問。

除了筆調逗趣的文字外,穿插的段落中的火柴人漫畫更是此書的一大特點,插圖用打破第四道牆的口吻,以典型的美式幽默替讀者整理段落的重點觀念或是來個吐槽。這些搔到癢處圖畫,恰似日本科普叢書空想科學讀本般讓人不禁認為書籍的本體是插畫~。外國小孩的想像力真的是腦洞大開,尤其對外太空展現出強烈的好奇心,最終的結論很多都是得用廣義相對論與黑洞理論來結尾。像「用湯灌滿太陽系」、「開車到宇宙的盡頭」、「縮小到房間尺寸的木星」。

64個問題中,有些問題的解答恰好也推翻了你我曾經見過的空想/假設,而且不少是漫威英雄電影裡描寫的橋段與人物。像是「用手吊在直升機葉片上」讓人聯想到美國隊長健美的二頭肌;「站在絕對零度的旁邊會如何」則是否定了變種人冰人的超能力;「飛鴿椅」讓聖鬥士星矢的白銀烏鴉座成為了笑柄;「空手接子彈」讓大多數的科幻英雄電影挨了一巴掌。其它也有不少能幫大人們解惑的問題,像是「十億層建築物」說明了為何太空電梯是個空想;「薜西弗斯式冰箱」描述出開空調為何會使溫室效應惡化。而許多和數量級有關的提問,最終總是得到世界末日的結果。

雖然這本書看似在回答小朋友的童言童語,但全書內文提及的許多物理學原理與科學理論,我想對普通讀者來說已經超載,更別想行有餘力找出作者論述中的盲點。換言之就是作者說怎樣就是怎麼,單純地照單全收,你我都無從驗證起。別太嚴肅看待,把它當成一本閒暇無事來閱讀的趣味科普讀物來看,是相當稱職。


2024年4月24日 星期三

Elasticsearch in Action, Second Edition

 

在用慣了Apache Solr以及Splunk的工作環境下,一直沒有動力去使用Elasticsearch或是整合度更高的ELK(Elasticsearch、Logstash和Kibana)。即便ELK在大數據應用領域中有著不可忽視的優勢與地位,我先前也沒有動心起念要研究、導入這個解決方案。但隨著大數據資料收集的需求逐步增長,此時如果將不含商業價值的系統紀錄檔放在以容量計價的Splunk商品裡,不免讓人覺得像個富少般擺闊。此時開源、在限定條件下免費使用的ELK,儼然就是替代Splunk的最佳備胎。

由於ELK的開箱即用、橫向擴充架構以及它在資料收集、檢索的強大功能,容易讓人造成兩個迷思。一是公司導入ELK平台後,就是有了大數據的核心技術;二是使用ELK只要下一步、下一步點點點,藉由軟體預設值的協助,即使是初學者,三兩下也能建置好一套堪用的巨量資料查詢平台。這些迷思問題在於,ELK雖然是收集巨量資料的極佳方案,但對於資料運算上有它的侷限性,大概就是條件查詢、彙總等統計分析。無法做到像Hadoop/Spark大數據引擎般,用簡單、暴力的平行運算執行返覆的自訂邏輯。其次,ELK看似簡單易用,揭開面紗後是運用Kibana友善的Web介面,包裹Elasticsearch令人驚豔的分散式搜尋引擎。平台裡的所有資料收集、拆分與儲存、查詢與計算,都是Elasticsearch的核心功能。所以想要對ELK得心應手,非得對Elasticsearch下一番功夫,這也是我翻閱這本Elasticsearch in Action, Second Edition的起因。

想要透過閱讀來學會Elasticsearch像是在玩踩地雷遊戲,一不小心就會買到一本雷包書。主因是在Elasticsearch和ELK火熱時的那些年,相關主題的書目,內容介紹的都是舊版本。不巧卻遇到Elasticsearch在6.x後的大改版,更動最核心的索引資料層級,捨去mapping type的設計,連帶修改了各種資料操作的API格式。這般大破大立的氣魄,除了讓已使用ELK的團隊得苦惱改版事宜,也注定出版社沒賣完的舊作只能丟到垃圾筒裡。這也使得Elasticsearch in Action在時隔多年後,得配合版本差異發行第二版。

全書詳盡完整地從資料欄位到索引分片等基礎講起,接著是花了近一半的篇幅介紹查詢語法,畢竟Elasticsearch是搜尋引擎,賣點是提供優質的資料查找機制。後續也有針對建置、管理議題提供相關的知識,讓讀者未來面對維運的課題時,能有基礎的能力。總結來說,想用好ELK平台,對於Elasticsearch這產品不能不深入瞭解,而目前在中外文出版品中,Elasticsearch in Action, Second Edition是編寫最用心、主題最全面的好書,推薦給有心想導入使用ELK平台的朋友們。

2023年12月14日 星期四

空想科學讀本:大咖對決誰比較厲害


對熱愛日本動漫的六、七年級生而言,從兒時的無敵鐵金鋼到近期的進擊的巨人,都帶給我們度過無數個歡樂與感動的時光。在看過怎麼多作品與上天下地的角色後,相信你我都曾跟玩伴與同好爭論過誰誰誰比較強這類天馬行空的問題。這本空想科學讀本:大咖對決誰比較厲害,就是將這個議論發揚光大,用科學(物理)的數據分析與歸納不同作品的角色,來進行跨界比拼。

空想科學讀本是相當長青的科普叢書,作者柳田理科雄每每運用扎實、深厚的物理知識,計算出動漫場景中各種腦洞大開的場景,其所代表的驚人實情。搭配上每篇穿插,別有一番風味的解說插圖,欣賞到二創版的動漫知名角色,讓讀者在文字閱讀外多增添莞爾一笑的心情,真是妙不可言。不論是神劍闖江湖的劍心真劍對決銀魂的阿銀,還是刃牙裡的勇次郎比拼北斗神拳裡的拳四郎。更別說是鋼彈的白色惡魔大戰新世紀福音戰士裡的初號機,每場設定都是動漫迷引頸期盼的世紀對決。

雖然在多數篇章中,動漫裡不足為提小小的絕招(必殺技),若要在現實世界中重現,都會是足以毀天滅地的物理現象。這樣的結論像是潑了長青動漫迷們一頭冷水,但作者願意認真看待動漫裡天馬行空的設定搭配實事求是的求知精神,讓讀者得以用另一種角度剖析和回顧這些精典的動漫作品。最終如同柳田理科雄一開始的期待,他帶給讀者們一段愉快的閱讀時光。

2023年3月3日 星期五

3小時讀通太陽能電池

 

隨著政府力推以再生能源為發展重點的能源政策之際,光電產業龐大的商機因此在台南延伸出社會版的新聞事件。絕大多數人講到太陽能,腦中印象多半就是一片有如鏡面的太陽能電池,多的,也就什麼都說不出來了。「3小時讀通太陽能電池」正是彌補你我在太陽能發電議題中的知溝(知識鴻溝),從最基本的發電原理一直到宏觀的產業前景,和太陽能發電相關的資訊,都濃縮在這本不到三百頁的書裡。

細心觀察,在今日太陽能面板幾乎無所不在,誰又能想像它背後所依靠的發電原理,是人類科技發展的點滴結晶。電流就是原子核外圍的電子雲中的自由電子在流動,而太陽能發電則是運用電子殼層傾向封閉結構的特性,來操作電子成為自由電子。原子是電中性,接收多餘電子會成為陰離子(電子帶負電),失去電子則成為陽離子,藉由陰陽兩離子的配對,可以人為地創造出流動電子,就是「發電」。光是發電就是得明瞭原子的運作規則,才能設計、實作出穩定可靠的發電機制,太陽能發電也是如此。

熱、光、電都是能源,只要找到適合的做法,依照能量守恆定律,能源的性質將可以相互轉換。也因此,太陽光在照射在太陽能電池時,對電池裡的原子添加光能,讓電子進入激發態(升至上一層的電子殼層),當電子從激發態恢復到基態時,就會釋放出電能。透過人為製造出的n型半導體與p型半導體的相互連結,取得源源不絕的太陽能為人類所用,這個實踐應用了物理、化學累積至今的種種發現,可說是人類科研成果集大成的展現!

為了追求最大的能量轉換率,矽太陽能電池一直是主流技術。然而太陽能電池必須使用高純度的矽,成為了一種資源瓶頸和經濟限制。然而材料科學不斷發展進步的推力下,基於非矽結晶的各種太陽能電池也展露頭角,化合物電池、有機染敏和量子點電池都是未來值得關注的項目。老實說,只要書名上有「OO小時」學會/通讀,那多半是騙人的,要看完這本書絕對會花上超過三小時,但它保證可以讓你對「太陽能」建立起初階的知識,做為你未來在面對能源議題的判斷時一個扎實良好的基礎。

2022年10月29日 星期六

回家吧!迷失在數位閱讀裡的你:認知神經學家寫給螢幕時代讀者的九封信


自「螢幕陷阱」一書後,若想要深入瞭解數位裝置對閱讀行為與理解力的負面影響,這本「回家吧!迷失在數位閱讀裡的你」正是最適合的後續讀物。作者是專研兒童閱讀與教育發展的認知神經科學家「瑪莉安.沃夫」,雖然是一本講腦部認知科學的專書,字裡行間卻不時穿插西方文學作品中的支字片語,如果沒辨法靜下心來讀相當容易分神「飄走」,正好呼應全書想傳達的重點「世界越快,讀要慢」(笑)。

和其它起坐行臥與發聲說話等行為不同,「讀寫」能力並非被刻畫在人類的遺傳基因裡。你我大腦裡的閱讀神經迴路,都是仰賴後天學習所逐步成形,因此不存在標準且完美的「讀寫迴路」。鑑於神經系統的可塑性,因為不同的刺激導致功能的強化及弱化,「讀了什麼」(文體/內容)、「怎麼讀」(媒介)與「如何讀」(速讀/慢讀/抄寫)都是關鍵的影響因素。對已建立「專家級閱讀腦」的你我來說,單單讀一段文字,即可完成注意力跳脫、視覺與語言神經連動、認知與情感神輕刺激等繁複的運作,閱讀行為不像表面看來如此理所當然,它是種大腦擁有後天高可塑性的具體證據,打印在成千上萬的人類身上。

越來越多研究與報告警示我們,大腦在遭遇龐大資料時會採用「取巧」的方法來過瀘資料並取得結論,偏偏網路資訊時代,充斥人們身旁的就是繁如星斗的數位訊息。把大腦視為一個可容納資訊的巨大水槽,每天能放入的資訊量雖然因人而異,但都有各自的上限,如果不細心篩選,隨意放入網路上質量、可信性較差的資訊塞滿自己的「水糟」,讀者將失去機會成本獲取對自己更有幫助的資訊,「慎選」是身處網路時代的讀者,不可或忘的課題。

相較於紙本書,人們在數位裝置上的閱讀會呈現一個「Z」字掃描,快速地閱覽文章的頭尾文字試圖抓出重點。數位閱讀也極少發生如紙本閱讀裡的「回頭看」行為,網路超連結的設計思維鼓勵人們一個個不斷地「讀過去」,非而「讀回去」。研究已發現人們在數位閱讀時,雖然看得更多但記得更少,理解能力也表現地更差。要注意的是,由於「閱讀迴路」是後天生成,神經迴路的可塑性在網路時代便造成了一個大麻煩。隨著數位閱讀時間比重的增加,大腦會將數位閱讀的「作業模式」推演到紙本閱讀。簡單說,當我們滑越多手機看臉書和PTT,就越可能會失去閱讀長篇文章的能力,不論使用的閱讀載體為何。

身為父母的讀者相信更擔心子女的閱讀能力是否因為大量使用網路受到影響,作者建議五歲前的幼兒最好由家長手把手地用老派的「說紙本故事書」方法引領孩子進入讀寫世界。一味地禁止會造成他們長大後更加著迷於數位裝置,因此要隨著時日進增慢慢地給予孩子數位裝置並限制使用時間。此前要大量地促成孩子在紙本閱讀、戶外遊憩等多樣化的娛樂經驗,就能養成他們將手機、平板視為「一種」娛樂選項而非「唯一」選項。

紙本書容易「反覆/回頭」的特性容易形成「深刻閱讀」。但深刻閱讀又為何如此重要?失去它又會改變什麼?作者指出深刻閱讀會帶來圖像化聯想力、同理心、背景知識。當沉浸在書中描繪的情節時,會在腦海裡浮現相關的畫面,這就是圖像化聯想力,也是創造力的源起。透過人物互動與故事進展,我們可以「跨入」別人的觀點,增擴我們看世事的角度與視野。我們不用真的變成他,但又能成為他,有如奇妙的魔法,翻開書,體驗他人的一生,闔上書,輕易地脫離。我們讀過的書所積累的知識、體驗和經驗,打造出每個人獨一無二的背景知識,也形塑出「我」的本質,「我思故我在」也可以說成「我讀故我在」。

最後在形成深刻閱讀的過程中,人們會逐漸培養出兩種邏輯思考能力,「類比和推論」和「批判性分析/思辨能力」。面對層出不窮、似是而非的網路言論,公民社會最急迫需要的便是擁有能對事實、證據進行客觀邏輯推論的智識,然而在缺乏深刻閱讀土壤滋潤的網路時代中,能掌握批判性分析技能的人逐步減少,也成為未來公民社會可能被網路假訊息操控的遠因。或許面對排山倒海而來的網路攻訐與評論時,套一句電影的台詞「讓子彈飛會」,用心運用、練習自己的批判性思維能力,是最好的因應之道。

「資料」、「資訊」、「知識」和「智慧」是人們對訊息本身不同層次的分類形式,對於人們判斷時的影響力與精緻度依次而升,但要從前者轉化成後者,都要付出相當多的時間整理、消化才能有所得。在網路時代,我們因為搜尋引擎查到了「資訊」,便以為我們「懂了」什麼,其實我們只是「知道了」什麼,更談不上能建立什麼「智慧」。而在面對網路流行的「懶人包」要戒慎恐懼,這種便利、經人為編修後的摘要資訊,編修者的態度與立場都會影響裡頭的論述,容易引導讀者做出武斷、片面的結論。
 

2022年10月11日 星期二

動物園的放飯時間

 




居住在大台北生活圈裡的朋友們,絕大多數都至少去過木柵動物園一次吧?沒有?那好歹也搭過捷運木柵線吧?離題了,木柵動物園是許多年輕情侶、新手爸媽最喜愛的遊憩景點。不過每次乘興前往想看看野生動物時,總會在空蕩蕩的展區裡看不著主角在哪。心裡嘟嚷著「該不會根本就沒有這些動物吧?一切都是園方的詭計!」之類的妄語。

在讀過「動物園的放飯時間」後我才稍稍體會動物園的營運大不易。光是煩惱如何適時、適量地餵飽園內的每一隻動物,就得投入大量的精神來觀察、計劃、餵食與清潔。野生動物和家裡養的貓貓狗狗可不同,對未被馴化的動物而言,每次的進食都是攸關生死存亡的大事。以肉食動物來說,即使食物已經「伸爪可及」,它們還是得經過觀察、試探、補捉等一系列如儀式般慎重的前戲,才能安心地大快朵頤。草食動物的麻煩則是青菜蘿萄各有所好,園方天天得張羅各種奇花異草。更因為植物能提供的養份極為稀少,每隻動物都像大胃王一般吃下大量枝葉才會略有八分飽。幸好食品科技的日新月異也反映在動物飼料的供給上,高營養的粒狀飼料(俗名"乾乾")已普遍地用在食草動物的菜單中(佔一部份)。

「把野生動物關起來任人觀賞」的作為,顯然在著重動物權的文明社會相當容易引起爭議。從「動物園的放飯時間」書中可看到,現代的動物保育員/管理員,是以重視動物天性與舒適感的態度在照料每一隻園內的嬌客。作者也適當地點醒讀者們,去到動物園時,不要先入為主用人們社群互動的方法來對待動物(拍照、打卡,大呼小叫)。放開心胸嘗試觀察園內動物的舉止、作息,體會不同物種間的特性與獨特之處,藉此窺視大自然的神奇與不可思議。

2022年2月13日 星期日

偷學生物超能力

 

雖然自稱為萬物之靈,但人類在眾多技能上都遠遜於自然界的各項生物。光是擁有仿自蜘蛛的超能力,就足能成為漫威知名的英雄角色「蜘蛛人」。撇除虛構的科幻題材,在現實世界中已經有眾多科技模仿自然界裡的生物技能(仿生科技),而「偷學生物超能力」本書就是圖文並茂地介紹這個主題,書中附圖充斥著日本插畫家特有的可愛風,光看插圖說明也能開心領略新知。

內容包含16項生物「特技」,以此帶出各項仿生的應用價值。就技術發展的成熟度來切分,我們可以自行區分為「尚待突破」、「通過驗證」和「成熟運用」三種。像「壁虎:不用黏著劑的膠帶」、「蓮葉:超撥水技術」和「蚊子:不會痛的注射針頭」3項,歸類是具有商業潛力,但尚未能實作出合乎預期目標的實物。

其它13項仿生科技,包含少量質優的先進技術,目前處於研究階段,像「河豚:高效能車體」、「蝸牛:不會髒的磁磚」、「蛾:無反射底片」、「蝴蝶:不用染的上色技術」、「鯨魚:魚群探測機」和「蛇:能行走於各種地形的機器人」,需要增進效能才能商品化。剩餘的項目則是已經大量使用在人們的日常生活。讀到這些項目時會驚訝,發覺這些技術原來是模仿自不同生物。包括「咸豐草:魔鬼氈」、「貓頭鷹:低噪音的新幹線」、「自然的摺紙:地圖/宇宙開發」、「船蛆:隧道挖掘機」、「章魚與狗:不滑跤鞋」、「白蟻:不需要空調的建築」和「蜜蜂:輕巧堅固的板材」。不免感嘆,能大大提升人類生活品質的實用科學與應用科技,發明國多數是理論基礎厚實的歐美日,將心力全數投入半導體和資通產業的台灣,在這個領域一點邊也摸不著。

2021年10月31日 星期日

怕輻射,不如先補腦

醫學物理師或稱物理師,有別於放射師(操作醫用游離輻射儀器),工作是負責設計放射線治療計畫。結合了物理學家和醫學臨床工作的醫學物理師相當罕見,主要出沒在「放射腫瘤科」和「放射診斷科」。如果知道「輻射」的俗世稱呼是「電磁波」,不知你腦海中呈現出什麼想法。物理世界中的萬事萬物都充斥著電磁波,因此與其聞之色變,不如花點時間做到四它(面對它、接受它、處理它、放下它)。輻射無所不在,因此我們討論輻射議題時,重點應該是放在「劑量」,只有在超出一定劑量的情況下,輻射才會對人體造成不可逆的損害。

輻射分成「非游離輻射」和「游離輻射」,非游離輻射由於能量太低,無法穿透人體造成DNA變異,所以完全不用擔心。只有X射線、阿伐射線、貝他射線、加馬射線以及各種沒聽過的游離輻射,才是可能致癌的健康殺手。游離輻射的劑量單位有「西弗」、「毫西弗(1/1000西弗)」、「微西弗(1/1000毫西弗)」以及「奈西弗(1/1000微西弗)」。另一個劑量單位「戈雷」是用在評估「單一器官受曝量」,在實務上「全身性綜合評估」用的「西弗」較為常見。根據「國際輻射防護委員會」第60號報告書指出,每1西弗的有效劑量會產生4.8%的致癌風險,而低於100毫西弗(0.1西弗)的劑量對人體沒有明顯危害。0.1西弗會增加約0.48%的致癌風險,但一般人終身的罹癌的機率是50%,因此小於1%的風險增加在臨床上沒有意義。有效劑量是吸收劑量乘上輻射加權因數(例如X射線為1、阿伐射線為20)再乘上組織加權因數(例如紅骨髓是0.12、甲狀腺是0.05)。

醫用輻射和新冠疫苗的出發點都是「利大於弊」,精確清晰的輻射造影將有助醫師及早診斷疾病,最終受惠的仍然是被迫受曝輻射的病人。況且目前的輻射防護法規都是採用最嚴謹的「線性無閾假說」,假設輻射穿透人體時100%會造成DNA變異(實際上並不是如此),所以合乎法規標準的輻射劑量是相當安全的,口訣是「低於一百(毫西弗)不會死」。身為理性公民,未來看到報章、網路媒體的輻射致癌新聞,記得第一時間要留意「劑量是多少」,如果記者根本沒寫受曝劑量,或是劑量低於100毫西弗,就請忽略那則報導吧。

在救人優先的原則下,醫療輻射使用是不存在「劑量限制」,總不能因為受重傷的病人已超出受曝配額,怕他增加罹癌風險,就不給他照X光造成病人傷重不治吧。所以在病人的放射線診療的使用原則上,重點在「正當性(有必要)」和「最適化(能達成醫療目標的最小劑量)」。另外在移動式X光機距離三分尺以外,就不可能產生會造成人體影響的輻射,以後看到那台貼著輻射圖案的白色機器,用不著在刻意繞一大圈避開它。

「核磁共振造影」現在已經正名為「磁共振造影」,因為嚴格來說它是利用「磁力」和「無線電波」來讓人體組織因不同的電波吸收力來形成影像,整個過程和核能(輻射)沒有關係。當初的「核」字是指稱「原子的核心」,沒想到卻讓人聯想到「核能」,相對地「X光」和「電腦斷層」才是有用到放射線的診療,而劑量都低於100毫西弗。輻射充斥在世間的萬物中,舉例來說香蕉因為富含鉀,而鉀又佔自然界放射性產出的0.0117%,所以吃根香蕉就會受曝到0.0778微西弗。所以在討論輻射防護問題時,重點永遠不是「有沒有輻射」而是「輻射劑量是多少」。輻射是種純能量,也沒有「天然」和「人工」之分,不會有「天然輻射不傷身體」。延伸來說,有關日本福島核災食品輸入問題,理性的討論能接受的輻射劑量為何,一味地強調「零檢出」並不科學。零檢出只代表儀器的靈敏度無法呈現出數值,實務檢測上只有「未檢出」沒有「零檢出」,光是自然環境中的背景輻射值,就能產生打破「零檢出神話」的雜訊了。

致癌因子分成四級,第一級為確定致癌因子能躲則躲(高於100毫西弗的輻射)。而第二級2A是極可能致癌,動物實驗已證明,人體實驗中尚未找到可信的結果。第二級2B是無論動物和人體實驗皆未證明有致癌可能性,但為小心先放在注意名單(網路基地台在此名單)。第三級是無法被歸類為致癌物,第四級是極可能為「非」致癌物。

微波爐是利用低頻電磁波(微波)來讓磁場中的食物裡的極性分子共振產生熱能來加熱食物。電磁波是屬於非游離輻射,根本不用考慮劑量問題(本來就對人體無害),而要和微波爐保持距離主要是因為怕外露的微波,不小心「加熱人體」。目前的法規要求電器外5公分的洩漏量不能超出每平方公分5毫瓦的情況下,根本不會有外洩傷害人體的可能。微波食物也絕不可能殘留輻射,首先微波爐不會產生游離輻射,其次當加熱結束電源關閉時,微波也消失無蹤並不會留存在食物內外部。所以在使用微波爐時,要注意的是加熱容器(塑化劑)的安全、食物成份(添加物),而不是訛以傳訛的輻射殘留。

在討論核電議題時,反對一方總會提出「敢不敢把核廢料放你家」。其實「核廢料(放射性廢棄物)」主要有兩類,一是「低階放射性廢料」另是「乏燃料」。即使沒有核能發電,傳統醫療輻射也會產生低階放射性廢料,像是防護衣以及機器零件、耗材。處理方法是盡可能壓縮到小小立方體,再用水泥包覆起來防止輻射外洩。而「乏燃料」就是原本用來進行反應爐發電的「核燃料」,當已經不再能有效發電後,就成了具有高放射性的「高階核廢料」,大家爭論的「核廢料」便是指後者。依照目前政府法規「乏燃料」用的乾儲桶外部的軸射劑量必須符合「每年不得超過0.25毫西弗」,還記得「低於100不會死」的口訣嗎?所以在討論核電的風險時,將問題聚焦在「台電的維運管理能力可靠嗎?」、「位處三大地震帶的台灣能承擔像311核災這種非人為不可抗力的大型核外洩事件嗎?」,或許更能切中核電取捨的關鍵因素。

2021年10月17日 星期日

世界第一簡單電力系統

 

隨著2021年10月起中國出現大規模限電和分區供電的情況,一時之間能源議題變得沸沸揚揚,名嘴網友各自抒發己見好不熱鬧。十多年來台灣的能源政策,一直被「擁核/反核」的政治口水所牽累,決策者也習於獨斷獨行,不見公民參與討論的空間。想當然要對能源議題凝聚全民共識之前,公民智識尚且要符合最低的水準,如果缺乏基礎的能源知識,肯定連討論的「題目」都看不懂。此時這本「世界第一簡單電力系統」便是一帖良藥,可以讓讀者對現代電力系統有粗淺的瞭解。

能量除了電能外還有化學能、力學能、熱能、光能和核能,而能量可以轉換,所以其它類型的能量可以轉換成電能,像火力發電便是以「化學能->熱能->動能->電能」的方法產生大量的電力。自然界的能量稱為一次能源(石化燃料、核能、再生能源)而人類平常大多使用二次能源(電力、汽油、瓦斯)。一次能源又稱為「能源資源」,目前科學家預測的可採年數為鈾礦100年、煤110年、天然氣60年和石油50年,而日本和台灣都是高度仰賴國外進口能源資源的國家。

電力系統分成「發電」、「輸電」、「變電」和「配電」四部份。所有的發電機的基礎構造都相同,透過「旋轉」的動能轉動發電機中的磁鐵,讓線圈產生感應電源,原來動畫「天元突破」中說的「螺旋力」真的是帶動人類進步的幕後功臣。不論是火力、核能、水力發電,都是利用大型的渦輪機(會旋轉的機器)連結發電機,週而復始地旋轉、發電。

水力發電的長處在於可以「容量小持續、穩定地發電」又能「隨機應變、即時運作提供急需用電」,發電方式有川流式、調整池式、水庫式和抽蓄式。缺點是必須有合乎建置條件的自然地型(老天爺賞飯吃)和天候條件,建設方式有水壩式、水路式和水壩水路式。小水力發電(傳統水車)、波浪發電和海洋溫差發電則是和水資源相關的微水力發電,優勢在於不用建設水壩。

火力發電又稱「汽力發電」,是利用燃燒石油、液化天然氣(LNG)和煤等燃料,產生高溫高壓的氣體帶動渦輪機發電。發電廠的選址多半會靠近大海,因為冷凝器的冷卻水大多為海水,另外燃料大多是從海外運送而來,有港口的近海地區有地利之便。小型的火力發電為內燃機發電,直接用燃燒燃料驅動引擎轉動、發電,多半做為大樓和工廠的緊急電源。和水力發電機組只要3~10分鐘就能啟動不同,火力/核能發電的啟動時間長達數小時以上,因此不適合因應突發的用電需要。但火力發電能穩定、持續不斷地提供定額的發電量,所以是許多國家最仰賴的供電方式。

供電負載可分成「基礎負載」、「中間負載」和「尖鋒負載」三部份,其中川流式水力發電和核能發電提供基礎負載,煤和液化天然氣的火力發電提供中間負載,石油火力發電和調整池、抽蓄式水力發電供提尖鋒負載。衡量燃料取得成本的差異,火力發電可以同時為中間負載和尖鋒負載付出心力,也難怪即便有氣候變遷全球暖化的憂慮,各國仍然不敢輕易承諾減少火力發電。垃圾發電、生質能發電和地熱發電則是和熱能發電相關的新式發電,都能比傳統火力發電更環保,但和多數綠電的問題一樣,無法大規模發電。

台灣最常被提及的發電方式就是「核能」了吧。核能發電和火力發電一樣,都是利用加熱後的水所產生的水蒸氣,帶動渦輪機產生電力,只是兩者加熱方法不同,火力發電是利用「化學能」加熱,核能發電是用核分裂的「原子能」發電。核電的優點是發電單位成本較便宜,而且不會造成溫室效應,缺點就是核分裂後的殘餘物具有高危險性,清理與保存的社會成本很高。在核能發電的過程中,必須讓反應爐維持在臨界值才能不斷地出現核分裂現象,過快或過慢的核分裂都會造成發電失敗,過程中用來減速分裂反應的就是「控制棒」,而「冷卻水」則是用來吸收核分裂時反應爐產生的熱度,將熱量排出避免運作過程中溫度不斷升高造成爐心溶解。

書中後半著重於介紹輸電、配電和未來供電等相關知識,但光是「發電」一章的內容,本書就讓我覺得受益良多。作者為了確保知識的完整性在輸配電章節中提及了一小搓公式與術語,即使忽略不看也不影響整體閱讀的樂趣,推薦此書給關心能源議題的朋友。

2021年9月20日 星期一

拯救或毀滅世界的十種新創科技

 

從小就耳聞「核融合」這神秘的黑科技是解決人類能源問題的聖杯,動心起念找到這本內容有介紹核融合的科普書「拯救或毀滅世界的十種新創科技」。它從巨觀到微觀講解了十項先進、能深遠影響文明發展的高科技。

好萊塢電影常有令人目眩神迷的科幻埸面,在娛樂觀眾的同時,也扮演預言者的角色,展示許多未來可能成真的高科技,其中不少是書中有提及的項目。十項新創科技議題如下:

1.太空旅行可以更便宜嗎?
這章介紹數種可省下火箭發射成本的技術,像是SpaceX採用的「可重複使用火箭」已經順利達成商用化。而「用太空飛機運送火箭」的想法,牽涉到開發與整合不同類型的發動機技術(渦扇發動機/後燃器/衝壓噴射發動機/超音速燃燒衝壓噴射發動機),目前還是乏人問津。很有卡通味的「巨無霸太空槍砲」點子,則是太像軍事武器,容易起引爭議。維珍銀河是使用「在高空啟動火箭」的做法,讓飛行器搭載火箭,從高空中直接發射。最後是曾在動畫鋼彈OO中出現過的「太空電梯與太空纜索」,不過此方法得先發明出高強度的合成纖維,克服地球自轉產生的拉力。

2.小行星採礦
太空中有些小行星完全由金屬組成,上面的金屬含量是人類在地球上開採金屬總量的30倍,聽起來有利可圖是吧?另外小行星採礦,不用像在地球上採礦般深入地層,只要在表層就能開採,真的是「寸土寸金」。不過依照目前的航太科技,要把每0.45公斤的東西送上太空,得先花費10,000美元。因此即便能無止盡地獲取大量金屬礦產,也無法彌補前期運送採礦機具上太空的投資費用。更別說如何把大量金屬運回地球販售,那可是一筆天價的運費。

3.核融合能源
「核融合」是利用自然界中最普遍的氫元素當燃料形成的純淨能量,當兩個氫原子(不同中子量的氫同位素)融合在一起時,會變成氦原子並釋放出巨大的能量。原子融合時,多出來的中子會帶著高熱以高速脫離新原子,這時就能利用來加熱水,帶動蒸氣渦輪機發電。不論是核分裂還是核融合,原子能發電的強項在於只要極少量的燃量就能產生天文數字般的能源。半浴缸水的「氘」(用來核融合的氫同位素),可以產生等同40噸燃煤的能量。實現核融合最大的障礙是原子間的排斥力(庫侖障壁),需要巨大的外力(作用力)來壓制才能強迫兩原子「結合」。太陽的能量正是來自於核融合,而太陽中心強大的重力壓,是提供不間斷的氫原子融合最理想的環境。然而在地球無法具備此自然條件,人們只好另尋他路。目前最簡單的做法是利用「核分裂」產生的能量,來促成「核融合」,這也是「氫彈」的原理。但當目標是「追求潔淨能量」時,用核爆來製作「純淨能量」真的令人啼笑皆非。小規模的可行作法是利用強大電場中的正電(相斥)與負電(相吸)來引導氘(氫的同位素)互撞,像其它各種核融合裝置一樣,裝置需要的輸入能量(用來產生電場)遠比輸出能量(核融合成功後產生的能量)多,目前只是個「耗能設備」。進行中的大型實作包括了「磁化內櫬慣性核融合」和「國際熱核合實驗反應爐」也都尚未達成能量的收支平衡,而在電影「天使與魔鬼」中的核融合裝置正是「歐洲聯合環狀反應爐」,是最接近成功的專案,目前已達成60~70%的能量收支平衡。

4.可程式化物質
簡單說就是動畫「大英雄天團」裡的神奇黑色金屬,或是「魔鬼終結者2」中的T2000殺手機器人。目前遇到的難題是如何做出超小型的電池來趨動機器人,特別是目標為打造奈米機器人時。另外由於現實世界中的不同東西,會需要不同的物質特性,像軟、硬、黏、韌。因此在發明出萬用的合成材料之前,神奇的黑色金屬可能只能變出堅硬的物體。

5.用機器人蓋房子
機器化建築工人,雖然效率是人類的三倍(紅色有角三倍速?),但目前只能專注做一件事(例如半自動化石匠,砌磚牆),從經濟報酬率上看無法商業化。相對地可以精確地製造出各式木工、石雕的機器人,因為大幅降低特殊建材的成本,有很高的商業價值。而「巨型3D列印機」用混凝土直接印出房子,能在24小時內蓋好一間55坪的房屋,這將能大幅改善難民與貧民的居住問題。本章中額外提及「3D列印食品」,真的是一堆化學填加物鞣製成的「可食用」黏土,有機會「千萬別試」。

6.擴增實境
在人工智慧(AI)的炒作風潮漸息後,IT圈又在找尋下個Buzzword,而「量子電腦」離真正能實用還有好大一段路,此時便把焦點放到擴增實境(AR)。有別於早前虛擬實境(VR)會造成動暈症而未能普及,擴增實境(AR)巧妙地結合GPS(未來可能使用光學電達)、網際網路、大數據以及智慧手機,搭著精靈寶可夢GO的火紅,消費大眾已張開雙手擁抱擴增實境。除了視覺外,擴增實境在嗅覺和觸覺上的成果很少,因為打造互動式的嗅覺和觸覺裝置相當困難。在電腦視覺的應用,不論是「健身魔鏡」或是FB和雷朋聯名推出的「智慧眼鏡」應該都會朝向擴增實境演進,它未來在醫療、教育領域的應用也將會更多樣化、平價化。

7.合成生物學
托新冠疫苗議題紛紛擾擾的福,對於這章的主軸DNA、RNA等字眼,相信讀者們都已略知一二。去氧核糖核酸(DNA)是多細胞生物的設計圖,可以讓核糖體利用胺基酸來製造構成生物運作的各種蛋白質。核糖核酸(RNA)則是扮演複寫紙的角色,從DNA身上抄錄要生成的目標蛋白質結構,再告知核糖體負責生產。雖然基因改造作物已經相當成熟,但針對人體上的基因改造還是困難重重,因為大自然經由演化而生的基因圖譜十分複雜,A基因和B基因的交互關係可能影響C、D基因,牽一髮動全身,形成千百種變化。另外也是因為對人類進行基因改造有「道德風險」,讓相關研究裹足不前。「合成生物學」在基改植物的廣泛應用(特別在藥品)和人造器官的生物合成,都是能蓬勃發展的領域。

8.精準醫學
大數據與人工智慧的興起與成功案例,讓各行各業有為者亦若是,特別在醫療產業上,相關的期待與發想更是無邊無際。最初的構想是如果能徹底收集每個人的生物訊號做長期追蹤,便可以讓全民在疾病預防上產生莫大助益。進一步還能用來量身訂製的藥物,讓每個病人接受個人化的治療,這將會重新定義人們口中的「對症下藥」。在實現面上,要完整收集每個人的基因體、微生物群與代謝體等資料很不容易,中間涉及許多數不清的檢測儀器、驗測藥物以及生物數據解讀,更別說在法津上有侵犯個人隱私的疑慮。

9.生物列印
本章和第7章相互呼應,討論生物列印(生物合成的子類)中的「人體器官列印」。以目前的生物科技,生成單一細胞很簡單,但是要橫空出世地生出一個可運作的人體器官卻有許多挑戰。器官是由眾多不同類型的組織結合而成,因此3D器官列印機要能快速射出細胞、蛋白質、化學物質與加工材料,以完美的結構排列出來,這樣才能「製作」出可供移植的人體器官,目前的科技還差的遠。退一步來說,如果只考慮器官在人體中所提供的功能特性,未來的「人工內臟」不見得要和真正的器官相似,或許這是一個能歪打正著的替代方案,讓人工器官技術大幅邁進。

10.腦機介面
要踏出用意念來操作電腦的第一步,首先要瞭解大腦的運作方法。而讀取大腦方法有兩種,讀取電訊號或讀取代謝訊號。在非侵入的方法中主要有「電腦波圖(EGG)」和「磁共振造影(MRI)」,侵入式的讀腦則有「腦皮質電圖(ECoG)」,它是將電極黏在大腦的表面,目前已經可以有效的讀取大腦操作手臂在三維空間中運作的訊號。最後是超級侵入式的讀腦方法「皮質內神經記錄」,就是用感應探針插入大腦中收集訊號,雖然能精確地讀取大腦的運作資訊,但也會造成腦部病變(受傷、發炎)。而且隨著時間,探針的偵測品質將會迅速降低,原因是探針會因為大腦的免疫反應產生異物,被神輕組織所包覆。

近20年來由於網際網路的興起和普及,讓資通產業的商務應用大爆發,資訊科技確實在各個層面改變了每個人的社交與生活模式。也因此受到國家、媒體和群眾的注目,投入大量資源並期待獲得數倍的回報。然而相較於上述10項真正的「高科技」,網路技術與建基其上的商業創新真的只是「軟科技」,如同書名「拯救或毀滅世界的十種新創科技」,真正「硬科技」所具備的影響力,是有擁有拯救或毀滅世界的潛力。


2021年5月13日 星期四

圖解超易懂微積分:掌握乘除概念,從入門到實用一應俱全

前些日子看過幾本深度學習的書,即使已經特別挑選以實作為訴求的類型。中間不免還是會穿插幾頁的數學公式,講解深度學習如何利用損失函數來建立模型。此時「微分」就會跳出來對我招招手,然後只能不求甚解地略過這些奇型怪狀的數學符號。

一直以來我想找淺白的「微積分」教材,能告訴那些符號怎麼發音?微分公式在表達什麼?可惜從谷哥大神中沒找著,而Wikipedia的說明還是太過複雜難懂。這事就暫且成為心中小小的遺憾,沒想到這本「圖解超易懂微積分」橫空出世,實現我的小小心願。

書中從數學的函數觀念講起,短短的篇幅就讓讀者無礙地踏入「微分」的領域。它不會要你死背「微分是切線斜率、積分是面積」般的教條,相反地是用座標平面的圖形來講解切線的概念,再搭配上數學領域中無限趨近(lim)的觀念,帶領我們理解「微分是除數等於0.000......0000001這種無限趨近於0的數的除法」。作者也言簡意賅地介紹微分符號、指出微分公式的重點,如何進行微分計算、比較微分前後(導函數)的圖形。

後半「積分」的部份有著相同的高品質,快速讓讀者掌握最基礎的「微積分」觀念。全書用句淺白通順,文字引人入勝。沒想到日本人能將「微積分」寫得如此好理解,如同它文案宣稱,真的是文科生也能懂的一本微積分入門,神作!


2021年5月10日 星期一

一張圖讀懂風力發電

 

在天然氣接收站和藻礁議題搶佔新聞版面的同時,台灣政府的能源政策逐漸被大眾關注。相信大家都會認同對環保較為友善的再生能源,是改善發電汙染的一帖藥方,然而政客、名嘴的口水多過茶,從沒有向大眾開誠佈公各種發電方案的良莠。即然如此,我們也可以自食其力,看這本「一張圖讀懂風力發電」來補充科普知識,初步瞭解再生能源中的要角「風力發電」,做為日後評判政府能源政策的基本素養。作者牛山泉在日本是知名的風力發電專家,致力於推動日本風車產業的發展。書中雖然對部份專有名詞像轉距、功率、阻力系數、葉尖速度比缺乏淺顯的解釋,但已經提供夠多的風電知識。他開宗明義地說明風力發電有減少環境負擔、取代即將枯竭的石油、風力是純自產能源、帶來經濟效益的四大項優點。

用風力來發電,歷經如下多階段的能量轉換,太陽能->大氣->風能->風車->機械旋轉能->發電機->電能。取出的能量和受風面積成正比,因此風車越大效率越高。也和風速的三次方成正比,找到擁有強風的風場,等同是挖到源源不絕的石油。從風力中取得的最終電能,可以用四種方法來運用,分別是拿來充電(電池)、直接連接負載(幫浦汲水、連接電器)、和內燃機一起使用、最後是連接電力系統(賣電)。風車的運轉型式有兩種,阻力型風車、升力型風車(效率比阻力型提高50%)。理論模型已經確認,人們最多可以從自然風中取得59%的能量,而因為空氣力學損秏、機械損秏、電機損秏等原因,實際我們只能抽取40%的風力轉成能源。根據能量的用途,中間將會產生額外的秏費,熱轉換(最多45%)、汲水發電(最多16%)、發電機發電(最多40%)、電解水成氫(最多12%)、蓄電池充電(最多30%)。

風車類型有水平軸風車的螺旋槳型、多葉片型、荷蘭型、風帆型,垂直軸風車的桶型轉子型、橫流型、垂直旋翼型、打蛋型。垂直軸風車的優點有不限定風向、葉片對稱架構穩定、發電機位於下方。火力、核能發電在開始運轉後,幾乎保持一定的額定輸出,風力發電則不同,實際輸出多在額定輸出以下。因此得搭配其它定額式的發電方式(火力、水力、核能),建置智慧電力網路,才能引進風力這種變動電源,相互調節形成穩定的供電系統。

固定價格賣電制度是丹麥的國家政策,也是推動風車產業的幕後功臣。離岸風力發電將是未來的趨勢,浮體式離岸風車和垂直軸打蛋型風車也許會是明日之星。阿根廷的巴塔哥尼亞,擁有全年不息的強烈西風荒野,建置風車發電再用來電解水提煉氫氣,最後成為氫氣的輸出大國。台灣的澎湖也是世界聞名的強風區,可惜政府目前沒採取像阿根廷一樣的政策,不然能量自主的比重肯定能提高。風力發電的問題也不少,像不同季節風力發電的輸出有顯著差異。電擊是最常見造成風車故障的主因,因為零件來自國外,維修時程拉長會影響設備使用率。環保人士關心的鳥擊事件其實不常見,但建置風車時確實要避開候鳥路徑。風車的噪音有國際標準限制,但產生的低頻噪音才是難以克服的問題。景觀問題則是見人見智,也可以藉由設計讓風車外形融入自然景觀中。風力發電王國丹麥已經達成18%的風力發電灌輸率(風車電力/電力系統容量),台灣擁有令它國稱羨的離岸風場,應該好好把握,投入資源發展離岸風電,讓國家的能源政策更加多元且能永績經營。


2021年3月28日 星期日

Data Pipelines with Apache Airflow

 

同事曾對我說走資訊這行真的是「學海無涯、不進則退」,仔細想想確實如他所言。不斷推陳出新的程式語言、底層框架與應用工具,難用一己之力盡悉底蘊。面對「生也有涯,知也無涯」的難題,我個人的心法是「有益則用、須用則厲學」,不要嘩眾取寵地學習當下流行的技術。「弱水三千,取一瓢飲」,導入新技術必須能確切改善、解決即有環境中的不便和問題,才值得投入有限的心力學習。

後端工程師肯定對crontab不陌生,這個易學易用的系統工具成就了不計其數的資訊系統。但在大數據/人工智慧應用百花齊放的今日,crontab就顯得左支右絀。因為大數據工程包括了資料匯入、預處理、執行演算法或訓練建模、匯出結果等工作流程,流程間的執行順序有依賴關係,延用crontab的「定時器」概念將難以達到精確、有效的排程控制。像是機器學習建模時間的不定性、大數據故障還原後的數據回補作業,都是維運人員心中的痛點。Apache Airflow這個後起之秀,正吸引著眾多數據工程師的目光,它也被AWS和GCP青睞而納入自家服務平台,未來將有希望成為業界公認的標準工具(如同crontab)。當然針對工作流程相依的問題,市面上少說有近十套「工作流程管理」工具,像在Hadoop軟體生態系中,就有知名的Azkaban和Oozie扮演這個角色,然而它們都只能用來協調MapReduce作業,不如Airflow那般可以驅動各種執行環境(Bash、Python、AWS、GCP)。

Airflow具有三大特色,首先是「設定即文件」,工程師利用可自我描述的Python程式碼,即可設定複雜的工作流程管線(Workflow pipeline),用來啟動各式各樣的程式。透過Airflow附帶的Web管理介面,能一目瞭然地看到排程啟動時間、工作流程間的相依性、執行後的歷史記錄等重要資訊。其次是「排程相依」,這正是導入工作流程管理工具的主要目的。讓失敗的排程自己發出訊號,中止與它相關的後續排程,避免浪費資源執行無謂的運算。更可貴的是,透過將依存關係定義清楚的工作流程,維運工程師可以輕鬆地用「一鍵重跑」來回補遺失的數據資料,顯著減少錯誤復原中工程師需要的處理工時。最後是「跨主機協作」,不論是大數據或是人工智慧,免不了必須整合不同的程式執行環境。可能是先呼叫本地程式匯入資料到HDFS,再啟動Hadoop進行資料預處理,最後才丟入Spark進行數據建模。傳統的crontab,面對這種的跨主機情境,只能對各個程式多抓冗餘的Buffer來進行時間設定,避免前支程式尚未跑完,後一支程式已經啟動。透過Airflow的分散佈署,相依的工作流程可以跨主機連動,從根本上解決協作問題,也縮短整組排程的總完成時間(因為不用抓Buffer)。

Apache絕對是開源碼世界中的金字招牌,許多你覺得棘手的IT病徵,或許能在Apache開源軟體中找到藥方。然而自學Apache開源項目的過程可不是清新小旅行,殘缺不全的官方文件、結構零散的章節、見樹不見林的參數說明,都足以讓人一頭霧水澆熄學習的熱情。還好Manning出版社所出的Apache系列叢書(也被稱為人像書),常會挑選被受關注的開源項目,邀請專家執筆撰寫專書。這些所費不貲的英文原文書,就像汪洋中的明燈般,適時地對迷航在新技術的工程師們伸出援手。由淺入深漸近式引導、詳盡且聚焦的範例程式、全面性討論該技術的相關議題(例如:如何測試、維運)。Manning長久以來穩定的高品質、針對開源社群推出專書的用心,讓它成為我最仰賴的新技術自學導師。雖然閱讀原文書比較費力,但每次總能獲得扎實有用的新技能,活用在後續參與的專案中。這本「Data Pipelines with Apache Airflow」確實讓我的大數據實作提升到更棒的新境界,真心推薦給每位後端工程師同業。


2021年3月7日 星期日

打火哥的30堂烈焰求生課:第一線熱血消防員親授關鍵保命絕招,破解火場迷思

 

曾參加過公司例行舉辨的消防/急救訓練課程,對講師三令五申告知的火場求生細節也忘得差不多了。知道水火無情,防災知識多多益善,因此看到有這本「打火哥的30堂烈焰求生課」,當然得拜讀一番。

果不其然,書中以30個主題介紹重要且攸關性命的火災現場逃生竅門。令人吃驚的是裡面許多的要點,和你我的印象截然不同。諸如,面對著熊熊烈火,千萬別用水澆。水的沸點是一百度,火焰的溫度早已高達幾百上千度,水一澆下去,馬上變成足以燙傷你的可怕蒸氣,結果火沒救到先受重傷。更別說如果是因為油鍋起火或是汽油爆炸等火災,水的比重較低,蒸發後反而把油氣噴濺更遠,擴大災情。

而在大樓和公寓等住家遇到火警時,一律先往下逃生,因為火災發生時最恐佈的是高溫、劇毒的濃煙,而熱空氣和煙是往上飄,所以越往上跑風險越大。但逃生的前題是現場尚未起黑煙,如果一開門就遇到濃密的黑煙,第一時間反而應該關上大門以阻擋毒煙,並躲在安全的位置等候救援。

安全的地點是指四周的牆面是抗高溫的鋼筋混凝土,浴室用的塑膠門、頂樓加蓋的鐵皮,都不是能久留的地方,要馬上離開。坊間流傳的溼毛巾摀住口鼻再逃生,是造成不必要傷亡的罪魁禍首。首先溼毛巾上的些許水份在高溫的環境肯定烘乾,其次毛巾的孔隙也無法擋下濃煙,更致命的是,火災災情會瞬間擴大,弄溼毛巾的時間直接用來逃生,才是正確作法。逃離火場,如果尚未看到黑煙就快速離開,已經發現黑煙,要採用近乎貼近地面的低姿勢才能呼吸到地板殘留的空氣,像爬行一般離開。

「打火哥的30堂烈焰求生課」有著易讀的白話筆風,條列清楚、專業精準的說法,是本火警防災知識的聖經。身處現代叢林的你我,為自己和家人的安全,或許能居安思危買來翻閱、學習。


2019年9月23日 星期一

消失的航班:美國航太專家解密當代民航七宗驚人懸案


「消失的航班」是王立楨繼「飛航解密」一書後,在2019年出版的新作。不同於早前他寫過的中華民國空軍史,這兩本書的主題選擇一般民眾較常接觸的民間航空。前些時日才拜讀過「飛航解密」,讓我對作者的航空專業學識與文筆十分佩服,眼見他又有新書上市,想當然耳,迫不及待地買來賞閱。

「飛航解密」一書中提及的事故,因為有找到可以佐證的黑盒子(飛航記錄器)以及通話記錄器,讓作者可以用專業的角度,完整地替讀者們還原災難現場。然而「消失的航班」中介紹的都是近代航空史上發生過的離奇事故,要不是時代太久遠尚未發明黑盒子,就是事故現場(甚至不知道現場在那裡)至今都尚未找到關鍵的飛航記錄器。因為這個緣故,王立楨在本書中的描述雖然盡可能地推敲出事件可疑之處,但還是無法一口斷定造成災難的關鍵為何。畢竟就如同書名所說,這七宗事件都是「懸案」,實際的真相如何,真的只有天知道。

七個案例中,有數件可以看到政府單位操作的斧鑿痕。民航客機的載運起降,一但牽連到軍機偵測、恐佈攻擊、劫機等事件,往往成為上百條人命的悲劇。卻在國家利益的大帽子下,受牽連的無辜受難者往往白白犧牲了性命,家屬也無從得知事件的源由。如果大家都像東森「關鍵時刻」節目一樣,遇到重大議題事件,總是提出許多陰謀論固然不健康,但就像書中的案例告訴我們的,國家機器確實容易在社會大眾無法察覺的角落,進行媒體控制與輿論操作,有識者不可不察。

透過王立楨細密查證與流暢直白的描寫,飛安意外的始末一一展現在讀者眼前,雖然沒有蓋棺論定,但讀者們對事實的真相差不多心裡有數。嚴格來說「消失的航班」不像「飛航解密」是屬於飛航科普類型的書籍。它比較像是用民航運輸為背景的懸疑故事集。

2019年9月4日 星期三

飛航解密:美國航太專家關於飛航安全、訓練與管理的大解密


最近我朋友開始對飛機著迷,三天兩頭找我陪他去機場看客機起降。我在看「乾脆躺平算了」的時候,他就在看這本「飛航解密」。而他一口氣看完後,向我打包票說好看,恰好我也看完手上的書,兩個人就交換著看。本來想說看看無妨,卻在看過第一章的前幾頁後,就欲罷不能地一頁頁地讀下去。

我始終對繁體中文書有個刻版印象,文史哲類的好書很多,但科學技術和「科普」這方面,還是以歐美的翻譯作品,其次則是很會「講人話」的日本翻譯書為我的首選。然而「王立楨」這本「飛航解密」完全打破我的論點,具備了一本優質的科普書應當包含的元素。用字淺白而不帶艱澀難唸的詞彙與技術名詞(與大量的註解),卻能將關鍵原理與細節清楚地說明,中間穿插著作者個人的見解字句,份量恰到好處,不會喧賓奪主,變成一本議論書籍。即使沒有航太相關知識背景的讀者,也能從中吸收到飛航與飛安的相關知識。

全書是用十個章節介紹過去曾發生的客機失事案例,帶出會影響飛航安全可能的缺失。如同書名副標題「美國航太專家關於飛航安全、訓練與管理的大解密」所言,這些缺失涵蓋了駕駛員、後勤、公司管理各個層面。航空運輸尤其是客機運輸,只要發生事故,傷亡人數總是以數百計,也都會成為大眾關注的重大新聞事件。從書中娓娓道來的各個飛安意外中可以發現,重大的災難總是源起於一、兩個微不足道的小疏忽。人命關天,因此航太產業鏈從上到下,從飛機製造、營運到維修,都是上緊發條,嚴格地執行標準化流程。飛安監管單位和製造商,都包持著「打破沙鍋問到底」的精神,窮盡一切找出意外的原因,更會進一步改良作業流程,避免悲劇再度發生。

為了做到這點,飛安監管單位、飛機製造商與航空公司都會鉅細靡遺地紀錄有關飛機的硬體資訊,確保未來在追蹤問題時,能有充分的資料可以比對推論出真正的缺失,才能加以修正讓它不會再發生。飛安水準的不斷提升,某個角度來看是用無數空難犧牲者的生命所換來的。也因為這種共識,從事航太產業的專業人員相較於其他產業,讓人有一種「任重而達遠」的使命感。各行各業如果都能學習航空業對事情的這種「君子不貳過」的精神,相信產業的成長將會不可同日而語。(不過也得付出極高的成本吧)

看完整本書,除了感受到航太運輸的過程中每個細節都是動見觀瞻之外,其中也能學到一些客機飛行的小知識。像是飛機在高空飛行時會因為氣壓不夠,引擎效能會降低,如果要維持一定的空速,得提高引擎動力增加轉速。而在飛機失速時,千萬不可以向後拉方向舵將機頭拉高,相對的是要下壓方向舵讓機頭向下,用俯衝的姿態增加飛機的速度,飛機才能獲得足夠的升力。還有「黑盒子」大概是世上罕見最堅固的人造物體,上面搭配著千奇百怪的附加功能,讓人覺得真是一個偉大的發明。這是一本非常優秀的飛行科普入門書,但畢竟從頭到尾都是在講飛行事故,所以不推薦給想要出國旅行的人做為隨身讀物。除了最近要出國旅遊的人之外,「飛航解密」非常適合任何對飛機有興趣,想一探航空業究竟的讀者朋友們。

2019年7月7日 星期日

人類這個不良品


「這是寫給相信達爾文進化論的信徒們,一本關於天擇和演化如何把事物做對但沒做好的告解文。」

全書開頭就介紹了許多人體結構上的設計缺陷,想讓讀者產生興趣。包括容易被感染的鼻腔、容易噎死的食道(呼吸和進食共用氣管)、根本不適合激烈運動的膝關節、不能久站久坐的脊椎骨(椎間盤突出)。但全章塞滿太多醫學名詞,適得其反地讓人產生距離感,放棄繼續閱讀下去(那就可惜了)。

熬過初章,第二章將重點放在人類飲食有何種限制,內容整理了大家耳熟能詳的各項維生素、礦物質和胺基酸,恰好讓大家知道平日吞下去的綜合維它命到底有什麼作用。結語提到的新名詞「演化錯配疾病」,生物藉由長期演化而來的特性,卻不符合今日的生活環境,變成容易致病的生理機制,像是肥胖和第二型糖尿病。

接著作者以遺傳學為主題,先說明DNA、RNA的運作機制。DNA存在於細胞核中,細胞分裂時隨機有可能造成DNA突變。突變是演化的根源,雖然可能造成個體的永久負面傷害,然而一但突變走對方向,可以對整個族群產生重大的貢獻,因此突變機制便被天擇所留下。遺傳疾病有分顯性和隱性,隱性基因不易被人發現無法由天擇「處理掉」。大部份的顯性遺傳疾病則是因為發病期過了生育年齡,致病基因已經傳到下一代,天擇一樣無力回天。

人類的生產過程充斥著各種不良的設計,像是無法得知女性的排卵期,讓男女方便地擇期受孕。不成比例的產道和出生兒腦袋,使得新生兒都是以「早產」的形態問世,再一點點發育完成。生產的風險一直很高,還有子宮外孕、胚胎異常等風險,看完這章後,真的覺得能健康地出生的每個小朋友都是一個個小奇蹟。

免疫系統是抵擋疾病的防線,更多時候卻是疾病的禍首。自體免疫疾病源自過度反應的免疫系統,病症無奇不用,端看免疫系統看那個地方不順眼,目前只能依病徵提供藥物,減輕患者不適。過敏同是因為免疫系統過於敏感,將對人體無害的外來物質視為害蟲。而小孩的過敏體質可以歸咎過度乾淨的成長環境,過度保護的父母肯定會對這個真相有點自責吧。這章結語提到了人人聞之色變的癌症,認為只要人類活的夠久突變導致的癌症總是會發生的,畢竟細胞突變無時無刻在發生。如同引文「能夠犯點小錯是DNA真正神奇的地方,少了這個特別的性質,人類仍只是一團厭氧細菌,世界上也不會有音樂存在」。突變帶來了人類的興起,也留下來癌症這個不定時炸彈。

針對人腦的缺陷,作者說明了人類天生的「認知偏誤」、會自我修改的錯誤記憶、過度詮釋的記憶扭曲。「賭徒謬誤」和「沉沒成本」等不理性地思維長久以來影響了人們的決策,「錨定偏誤」、「損失規避」廣泛地讓零售業者用來操作消費者行為。人類智力在遠古某時期曾大幅提升,起因源自人類社群中出現高壓的內部競爭。人們因而學會欺偏、爭奪與操蹤、恐嚇手法,而這些「技能」需要更聰明的腦袋。身為地球上最聰明的生物,人類同時擁有最善和最惡的心靈潛能,真的是「一念天堂、一念地獄」。而高所得族群自發性的「絕育」(或少生),其實是對人類物種進行人為的演化,值得長期關注對人類族群有何影響。

最後一章用進化論的觀點,討論人類是宇宙唯一的生物嗎?作者提出各種充滿趣味不同的說法,其中最悲觀的看法是,高智慧生物最終會走向「發展內爆」的情境,發展到一段時間後就會自行毀滅,造成千百億年來的不同星球文明斷層。人類文明是否會逐漸邁向滅亡的說明,總有一天會被驗證。但我們總是要抱持樂觀的態度,心懷善念地把世界帶向好的一方,再將希望拖付給下一代。

2018年7月29日 星期日

然後你就死了:被隕石擊中、被鯨魚吃掉、被磁鐵吸住等45種離奇死法的科學詳解


書名很有無釐頭風格,但是十足地名符其實。作者用一篇篇有趣的各種死因命題,慢慢帶出各式各樣的科學知識。我一樣是被一篇「睡不著會怎樣?」的網路文章所吸引,發現這本幽默感滿點卻又讓人學到不少有用人體小知識的書。

在各式各樣的死因文章中,可以發現作者對外太空死法比較有偏好。書中出現過數次以上的人體電漿化(笑) 。雖然那些情境百分百不可能發生在你我身上,但也令人欽佩作者居然能找到這麼多推論用的科學立論來描述這些胡思亂想。從書中看到的人體組織結構的小常識,或多或少能解答一些我們曾經困惑但沒去用心找解答的問題。

像是小朋友為何跌倒不會怎麼樣,但大人跌倒卻會出人命。(參考:踩到香蕉皮滑倒會怎樣?)在掉落的電梯中觸地的最後一刻跳起來,能不能避免受傷。(參考:電梯纜線斷了會怎樣?)常見的人體排毒說法,真的確有其事嗎?毒素又是從何而來?(參考:睡不著會怎樣?)上述只是舉一兩個有趣的案例,整本書中充斥著相當有用的生物學知識,當然是覆蓋在作者略帶黑色幽默的文筆之下。

總得來說,這本書的風格非常像是「空想科學讀本」。但卻不會有「空想系列」後期太多數字描述令人感覺疲勞的敗筆。另外「空想系列」畢竟是著重於動畫卡通的科學知識討論,在實用性上也差了此書一節。推薦給每天有個幾分鐘空閒,想要閱讀風趣文字但又能學到新知的人。