真正的隨機:史上最速亂數產生器 - 泛科學

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由量子世界尋求真正的隨機! 既然手邊的物品和電腦都不管用,科學家於是轉向微觀的量子世界。

量子物理對世界的描述本身就是機率性 ... 2153文字分享友善列印2153編輯精選萬物之理電腦資訊真正的隨機:史上最速亂數產生器linjunJR・2021/04/12・2451字・閱讀時間約5分鐘・SR值521・七年級+追蹤圖/wikipedia。

隨機性,在許多領域都扮演了不可或缺的角色。

例如電腦信息的加密,還有模擬複雜物理系統等技術,都需要用到巨量的亂數資料。

不過,這些隨機是怎麼來的呢?當電腦計算1+1是多少時,它可以遵從既定的程序算出正確答案;但如果叫電腦隨便給你一個數字,它肯定不知道該怎麼辦。

畢竟電腦不像人,可以隨便「想到」一個數字。

電腦只能根據你的命令,算出你要的結果。

要得到「真正的隨機」並不如想像中簡單。

當我們到廟裡擲筊,或是玩桌遊時丟骰子,得到的結果看似沒有規律,但其實不然。

它們可以用簡單的電腦計算來預測,像是丟硬幣的結果,便早已被研究透徹。

只要對初始條件有足夠良好的掌握(像是丟出的速度與角度等等),這類物品的行為都能用兩百年前確立的力學定律來精準預測,因此稱不上是「真正」的隨機;另外一個缺點在於,這類方法產生隨機結果的速度實在太慢,跟不上現代社會對於隨機資料的龐大需求。

對於丟硬幣的結果,只要對初始條件有足夠良好的掌握,這類物品的行為都能用力學定律來精準預測,因此稱不上是「真正」的隨機。

圖/Giphy。

至於使用電腦計算的結果呢?常見像是串流平台的隨機播放功能,以及粉專抽獎會用的亂數產生器,它們所呈現的隨機是演算法算出來的。

隨機播放功能利用特殊的演算法,排列出一個讓你聽起來很隨興的歌單;一般的電腦亂數,只是將特定的「種子」數字丟進一個超複雜的算式,算出成串毫無規律的數字。

這些方法雖然快速又實用,但終究是可以預期的。

當亂數數量夠多時,往往可以發現某些規律;而可被預期的亂數若是用於加密或認證,便會成為駭客眼中的肥羊。

由量子世界尋求真正的隨機!既然手邊的物品和電腦都不管用,科學家於是轉向微觀的量子世界。

量子物理對世界的描述本身就是機率性的,因此物理學家可以從實際測量結果中汲取「正港的」隨機亂數。

像是物質的放射性衰變或電路中的雜訊,都是常見的選項。

這類過程雖然可以確保隨機性,但效率還是稍嫌太差,相關的實驗架設也相當費工。

不過就在今年二月,研究人員利用半導體雷射技術,打造出有史以來最快的亂數產生器:每秒250TB的隨機位元,比先前的紀錄高出一百多倍。

雷射的產生牽涉到原子內的「電子躍遷」。

在一般狀態下,大部分原子中的電子會按照高中化學課本中提到的「電子軌域」排列,這種排列方式稱為「基態」,代表原子中的所有電子,都處在最低能量狀態。

在原子接收一定的能量後,會有部分電子跳入高能量的軌域中,變成「激發態」,這時原子內的電子組態不穩定,電子會跳回低能量軌域中回到「基態」,並以光(輻射)的形式放出能量。

圖/wikipedia。

在原子接收一定的能量後,會有部分電子跳入高能量的軌域中,變成「激發態」,這時原子內的電子組態不穩定,電子會跳回低能量軌域中回到「基態」,並以光(輻射)的形式放出能量。

而這些跳回的電子,如果都從同一個激發態回到基態,就會釋放出特定「頻率」與「能量大小」的光,以愛因斯坦的說法,從相同的激發態回到基態,會得到固定的「光子」,這是舊量子論的重要發現之一。

提供原子特定的能量,讓原子放出光子,就可以激發出雷射。

利用電子躍遷的隨機性但這件事情跟隨機性有什麼關係呢?電子躍遷本身就是具有隨機性的。

要激發雷射,其實事情並沒有那麼簡單,需要克服這個機率性。

讓我們回頭看上面的敘述,「『大部分』原子中的電子會按照……」、「在原子接收一定的能量後,『有部分』電子跳入高能量的軌域中」,這些「大部分」、「有部分」,使得我們就算給原子固定能量,也未必能平穩釋放出特定光子,讓雷射光的強弱不穩定,也不會朝同方向射出。

因此雷射技術的重點之一,就是「光學共振腔」,將激發光子的物質放在共振腔中,放出的光子會在共振腔中來回游走,再次激發原子放出更多的光子,來增強雷射強度,並讓雷射光往特定方向射出。

但是,「光學共振腔」強化雷射強度以及方向,但實際上雷射光的強度,仍然是由量子力學的隨機性所決定!如果我們能用感光元件捕捉雷射光線起伏不定的強度,再轉換為數位訊號,就能獲取珍貴且無法破解的隨機亂數。

蝴蝶結狀「光學共振腔」這種想法雖有十幾年的歷史,不過由於技術上的限制,產率一直相當有限。

而且一般方形共振腔產生的雷射,容易讓光強度陷入特定的規律,產生的隨機性也較低。

為了解決這個問題,研究人員將共振腔的形狀改良為蝴蝶結狀。

如此一來,在其中反彈的雷射光便能保有其當初紊亂的特性,且往特定方向射出。

隨機的雷射光源被254像素的高速攝影機拍下,每個像素受到的光強度也被證實為相互獨立,因此成就了254條同步生產線,一同產出隨機亂數,使效率遠遠勝過以往一次只能記錄一個像素的做法,創下每秒250TB的紀錄。

現今電腦運作的時間尺度最快不超過幾GHz,因此這次的250THz創舉難以發揮全部的實力。

如果犧牲一些效率,用較簡單的偵測裝置來取代高速攝影機,可以讓整個裝置變得更加輕巧,提升實用性。

在不久的將來,史上最速的亂數產生機制,或許可以直接容納於單一晶片之上。

圖/envatoelements。

參考資料:Kim,K.,Bittner,S.,Zeng,Y.,Guazzotti,S.,Hess,O.,Wang,Q.J.,&Cao,H.(2021).Massivelyparallelultrafastrandombitgenerationwithachip-scalelaser. Science, 371(6532),948-952.https://www.nature.com/articles/d41586-021-00562-6https://cointelegraph.com/news/lack-of-randomness-why-hackers-love-it數感宇宙探索課程,現正募資中!相關標籤:光學光學共振器基態激發態量子力學隨機雷射電子躍遷熱門標籤:大麻NASA女科學家量子力學CT值文章難易度剛好太難所有討論 2登入與大家一起討論#1ChenJoe2021/04/18回覆文獻1只是篇報導,覺得需要加上原來的文章會更好:Kim,K.etal.Science371,948–952(2021).#2陳廷宇2021/04/20回覆電腦“信息”????linjunJR27篇文章・ 404位粉絲+追蹤清大理工男。

不喜歡算數學。

喜歡電影、龐克、和翻譯小說。

不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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採訪撰文/莊崇暉美術設計/林洵安、蔡宛潔清代驗屍制度和現代有什麼不同?現代驗屍靠法醫,古代則是仰賴官員和仵作、穩婆的「合作」。

但是你知道古人驗屍不是在小房間驗、仵作不用考證照、官員也要親自下海,照書核對嗎?中央研究院「研之有物」專訪院內近代史研究所助研究員謝歆哲,透過她的研究可以發現,清代驗屍知識所扮演的角色不完全等同當代法醫學,屍體檢驗學專書《洗冤錄》更是影響死因判定和罪刑輕重的重要知識依據!圖片為道光23年《補註洗寃録集證》書中內容,(宋)宋慈原著,(淸)阮其新補注。

圖/Wikipedia《洗冤錄》:判斷死因的重要依據「寶X!你知道嗎,古代人驗屍不是靠醫學,而是靠一本書來判定死因,甚至會影響辦案方向和判決結果……」。

「什麼!你說看書驗屍?不可能吧,哪本書這麼厲害,掌控生殺大權……」看到這二句,腦中應該立刻浮現熟悉的談話節目風格和對話場景。

雖然上述是虛構情境,但內容卻半點不假。

這本書是《洗冤錄》,在傳統檢驗屍體過程中,此書不僅是判斷死因的重要依據,還可能影響罪刑輕重。

繼續深究,更發現傳統驗屍中,判斷死因的人反而不是醫生,而可能是官員和仵作聯手根據《洗冤錄》得出的結論……。

中研院近史所謝歆哲助研究員平常最愛看犯罪推理的電視節目,或懸而未決的奇案追蹤報導。

這與她的本職一點也不衝突,因為她的研究範疇正是從《洗冤錄》出發,從嫌疑人、官府、仵作及被害者的故事中抽絲剝繭,探看古代人如何理解和應用傳統屍體檢驗知識。

傳統驗屍知識其實與醫學沒有太大關係,與今日大眾認知的法醫學並不一樣。

中研院近史所謝歆哲助研究員,研究古代驗屍的知識史,透過她的研究可發現,古代驗屍與現代法醫制度大不同。

照片是她在2021年近史所「主體客體模仿攝影計畫」中扮演現代法醫,飾演屍體的是同所的馬騰副研究員。

圖/汪正翔、李品誼《洗冤錄》的發展歷史《洗冤錄》源自成書於13世紀的《洗冤集錄》,由南宋官員宋慈集結當時屍傷檢驗知識所著,也是世界上最早的一部檢驗屍體專書,記載驗屍方法、現場勘察、檢驗屍傷的法令及鑑定死傷判斷等內容。

後世流傳不同版本,甚至各地官府也有可能使用不同版本,導致可能跨一個行政區,驗屍結果就完全不一樣。

我們目前所知的統一官方版直至1742年(清代)才由律例館編篡刊行。

謝歆哲說,從《洗冤集錄》到《律例館校正洗冤錄》,驗屍知識及其思考模式基本上沒有典範轉移的巨大變動,國家官方地位的取得才是最具意義的變革。

不在衙門驗屍!公開場合見證驗屍過程一件命案從偵察到審判相當耗時費神,從發現屍體、驗屍到審問必須經過層層環節。

清代怎麼驗屍?和現代有什麼不一樣?讓我們繼續看下去。

從清代刑案紀錄中歸納出的大致通則是這樣:當發現有人死亡,死者家屬或證人通報地保、鄉約。

地保、鄉約至官府通報命案,進入驗屍準備程序。

官員帶仵作到屍所驗屍,仵作相驗時會報身長、性別、衣著、面色、有無生病、身體傷口形狀、顏色,傷口是否位於致命部位等。

仵作根據觀察說明死因為何之後,官員會再次親驗,親驗無異後,返回衙門審問犯人及其他關係人。

從清代刑案紀錄中歸納出的驗屍流程說明。

圖/研之有物這還只是第一次驗屍,而且是比較理想、順暢的流程。

清代規定人命案件的判決需經過層層審查,州縣一級審完再到府、省複審,最後才到中央。

每升一級,負責覆查的上司必須重新檢視命案偵辦報告中的各個環節,是否合情合理且合法。

若審理結果和前一級相同,就會很順利;反之,若發現案情不單純,有時甚至必須重新驗屍,因此通常一二年以上的審理時間跑不掉。

「清代驗屍跟當代不一樣,驗屍一定是在『屍所』,換言之,是屍體在的地方,可能在案發現場,也有可能是陳屍處。

」謝歆哲說,很多古裝劇都會呈現官員或仵作在衙門的「驗屍室」裡驗屍,這是錯的。

清代的程序非常強調在屍所驗屍,甚至禁止「弔屍檢驗」(意即將屍體帶到他處檢驗)。

同時,也十分強調涉案人、關係人和家屬一定要在場,一般大眾也可以圍觀。

強調這點的目的在於使驗屍過程中,關於屍傷屍狀的觀察都能夠「公同一干人衆,質對明白」[註1]。

也就是說,一份驗屍報告的公信力,甚至說它的真實性,不單單建立在官方書籍裡的專門知識,以及操作此專門知識的人的權威上,而是需要民眾的在場眼同監督,認可官府的確按照官方手冊驗屍,才能圓滿。

這是從驗屍地點的差異,衍伸出清代驗屍思維與現代的專家文化非常不同的所在。

清代驗屍思維與現代專家文化不同,不單是專業知識和權威,還需要涉案關係人與屍所現場民眾的監督與認可。

古代人面對死亡常常都是在街頭巷尾,並直接跟屍體接觸。

相較於現代人辦理死亡時,相關從業人員的細緻分工以及一些程序上的規範,皆拉遠了生與死的距離。

謝歆哲表示,「對於死亡跟有死傷的犯罪,現代與清代不一樣的地方就是把它物化了」,好像把這兩種人類生活中正常會發生的事件特意強調成特別的事物,這是現代特有的觀念。

另外,清代命案以鬥毆致死為大宗,因此在報案時,多數已經知道兇手是誰,甚至在報案時便已被拎去衙門,再加上報案呈文的格式要求對案情做概略的說詞,因此,當官府接獲報案時,已經有一個既有的案情敘事,有待官府驗證。

這種法律文化上的特色,直接影響到《洗冤錄》的知識內容,導致書中常常以屍體、傷口兩兩對比的結構呈現。

謝歆哲補充,《洗冤錄》在告訴讀者,什麼樣的死因會對應到什麼樣的傷狀時,很常是用二元對比的症狀來說明。

例如,若為上吊自殺者,則脖子後的繩痕兩端不會交在一起。

相反地若是被人勒死,這兩道繩痕會交在一起。

「用兩個互為相反的表徵,去分別指向兩個相似但互斥的死因」,謝歆哲說道,如此可以讓官員很方便對照,並驗證報案人的說詞是真是假。

驗屍過程的「微專家」:仵作驗屍過程中靈魂人物之一則是仵作。

與現今社會地位較高的法醫相比,清代仵作的身份其實是賤民,其子孫都不能參加科考。

「因為以前覺得接觸屍體這種事是相對不上流的」,謝歆哲說道。

即使如此,仵作還是要接受官府考評。

省長官會到各地抽驗仵作對《洗冤錄》是否熟習,沒有考過的仵作必須罰錢。

「這份職業的考核不在於考試通過、拿到執照、入行,而是執業後接受抽驗。

」仵作是驗屍過程中靈魂人物之一。

圖/研之有物至於仵作的意見會被視為「專家意見」嗎?謝歆哲說,官方《洗冤錄》、仵作跟官員三方之間的關係很微妙。

官方《洗冤錄》在法律和形式上皆有強制力,從國家的立場出發,會希望所有驗屍都可以憑著謹遵官方手冊的指引而順利完成,在這個觀點下,官員和仵作純粹按表操課,並且互相監督、制衡(當然由於社會地位之懸殊,主要是官員監督仵作),因此很難說可以直接對應到現代意義下的「專家意見」。

但是,如果沒有辦法全然機械性地套用官方《洗冤錄》,因而需要仵作多做說明的時候呢?由於官員也會擔心這種外於制度規範的補充解釋可能會遭致上司批駁,因此會更小心地把關、檢視其合理性。

而當官員將這種額外解釋寫進正式報告的同時,其實就是在為仵作的意見背書,也就是說他正在背負連帶責任,是有風險的。

清代驗屍≠法醫檢驗如此看來,傳統驗屍知識算是醫學嗎?謝歆哲強調,「回到古人的生活脈絡去看,《洗冤錄》的目的是幫助斷案人判斷死因與下手輕重的等級,幾乎沒有生理學原理的討論,比較是法律上的依據」。

接著謝歆哲說,雖然從文獻中偶爾會看到官員傳喚醫生到驗屍現場,但是如果因此將屍體檢驗學理解為醫學的一部份會有問題。

因為研究刑案紀錄會發現,通常被叫來的醫生,不是隨機的,一定是死亡不久前曾醫治過死者的醫生。

官員會依醫生的證詞來判斷該次患病有沒有可能是死因,所以醫生給予的不是像當代法醫的專家證據,而是一種目擊證據。

一般刀傷尚能用觀察紀錄,下毒殺人應該與醫學更相關吧?謝歆哲提到:「大部分案子發生時,報案人對案情已有初步認知,所以報案時便會說是服毒,官員再依此描述用銀釵驗毒。

」而《洗冤錄》中也有提到人若服下砒霜、斷腸草等毒物後,屍體會呈現什樣的傷狀。

後人增補毒殺實例時也有提到其他《洗冤錄》沒有提到的毒物。

例如某嫌疑犯坦承用某物製成毒藥,但是《洗冤錄》卻沒有相關記載,官府因此不知如何結案。

文獻記載官員有將該物拿去餵雞實驗,不過後續如何不了了之。

謝歆哲說:「官員有無將實驗結果如實寫進報告也無從得知。

不過當時驗屍都以《洗冤錄》為根本,沒辦法用既有驗屍知識驗屍時,就得仰賴供詞和官員查訪,但這也脫離驗屍知識的範疇了。

」不服判決?歡迎上訴清代除了駁案[註2]以外、人民不服判決從而上告[註3]也有可能啟動重新驗屍的機制。

有時候第二次驗屍可能推翻第一次驗屍的結果,連帶發現官員根本沒有親驗或不熟悉《洗冤錄》的內容。

除此之外,有點誇張地說,清代任何人想到都能上告。

謝歆哲笑說,「古代人可能還比當代人還愛提告」,動機千奇百怪,舉凡質疑驗屍結論或是質疑官員、仵作收賄等都可以上告。

不只被告家屬,死者家屬也很愛上告。

但是,官府也有一套方法杜絕濫用上告權利,他們會要求上告人必須寫清楚陳控理由,必須敘明質疑的點是什麼。

如果質疑的是驗屍結果,還必須具體地說明哪個部位驗錯?正確應為如何。

一旦重新啟驗發現屍傷與陳控內容不合,以現代話來說,陳控人得負刑事責任,可能會吃上誣告的官司,罪行依照本罪減去一、二等,重至流放、死罪,皆有可能。

謝歆哲喜歡從《洗冤錄》和驗屍紀錄的小細節,去瞭解清代驗屍知識在當時如何運作。

圖/研之有物驗屍知識談八卦:仵作收賄、借屍圖賴、高知識刁民相較於官箴書中批評地方官不用心檢驗的老生常談,謝歆哲更關心清代驗屍的具體故事和裡面的各色人物,以期了解知識在當時被使用的多元樣貌。

例如有些官員會去改文字紀錄,將木器改鐵器;或是仵作改動屍體上的顏色或傷痕,以使嫌疑犯被判相對重的刑罰等。

謝歆哲強調,不用心檢驗的官員,不代表不懂檢驗知識。

常常發現這些「惡」官員其實很懂得利用檢驗知識和審理程序知識來保護自己或鑽漏洞。

清代《刑科題本》中記載一位縣官孫廷標,他的手下收賄、竄改第一次驗屍的紀錄,以助兇手脫罪。

被害者家屬對不實的驗屍報告自然不依,於是向省呈告,要求重驗。

此時孫廷標想:若手下遭舉發,他也須負連帶責任。

遂決定幫手下掩蓋罪行,做法是搶在第二次檢驗前,在屍骨上偽裝傷痕。

死者家屬上告時,在陳控書中指明了一處漏報的致命傷,可致嫌疑犯被判死刑。

孫廷標得知後,命手下將屍骨挖出,用白臘等物隱蓋家屬指明的致命傷,並在該處旁的一個不致命部位上製造假傷,意圖羅織成是被害者家屬假造傷痕以誣陷主嫌。

但法網恢恢,疏而不漏。

孫廷標案件後來也東窗事發,全案的案件紀錄長達好幾百頁。

謝歆哲表示,也有人會「藉屍圖賴」,亦即用屍體詐財。

例如有兒子會讓老媽媽自殺,他再把屍體放在大戶人家門口索錢。

大戶人家抱持著錢能解決就不要上官府的心態,便付錢了事。

文獻中甚至有記載「集團式藉屍詐財」,一旦得知某家人很窮且有人快病倒時,集團成員會先去「預約」,等到人一死便取得屍體,再去勒索他人。

諸如此類的故事在官方文書或官箴書裡中不勝枚舉。

若有機會將古代驗屍拍成影集,除了想改正驗屍地點是「屍所」,不是在衙門的密室手術台之外,謝歆哲最想把「刁民」請上大螢幕。

她說,有一些上告者真的可說是刁民,而且多半是文化水準較高的民眾。

例如一位知州曾在官箴書中記載一位訟師,不僅將《洗冤錄》倒背如流,還知道官府專用的驗屍表格。

因此當訟師懷疑自己出嫁的女兒並非自殺身死時,他宣稱說自行紀錄的內容和官方驗屍表格不一樣,堅持自己才是對的。

案子纏鬥到知州上任才辦得了他。

儘管這是知州為彰顯政績而寫,但謝歆哲說,由此可窺見當時官民的權力關係如何圍繞著驗屍而互動。

知識史研究取徑:醫學面向之外的《洗冤錄》清代驗屍知識不完全等於法醫學的前身,其關鍵在於知識史研究角度的切入。

謝歆哲說:「驗屍知識只是一個案例研究,我好奇的是人類的知識在不同時代氛圍怎麼運作」。

她認為知識史研究很像是這個星球的人去研究另外一個星球的人(清代士大夫)。

兩個星球上的重力、引力完全不一樣,需要設身處地去思考、找到他們的邏輯,所以研究者不能用自外於脈絡的標準去定義什麼是科學,或者什麼是精準、確實。

用自己星球的認知去檢驗對方,是找不到答案的,意義也不大。

十八世紀,官方《洗冤錄》推出後,一些士大夫或幕友以私人名義編撰各式「參考書籍」。

其中一類是法律案件集,裡面彙集編者認為對學習驗屍實作可能有幫助的刑案紀錄,通常是驗屍過程比較無法如理想境界中那樣機械性套用《洗冤錄》的案子。

在這些案件中,與《洗冤錄》內容明顯有出入者,最受現代學者的注意。

這多少反映了現代對科學知識特性的一種認知,認為知識的發展是透過理論與實際現象的碰撞,最後修正錯誤這樣的一個歷程,從而便造就對古人如何改正既有知識內容的問題特別感興趣。

可是謝歆哲比對後發現,此類案件集收錄的案子,其實九成以上都還是完全按照《洗冤錄》去驗屍,只是有些案子裡的情境比較罕見,或者在另外某些案子中,需要辦案官員更謹慎的推理。

這是要用實例告訴讀者,通用規則應用在不同的具體個案時有一些眉角,必須對《洗冤錄》裡的各種指引融會貫通。

她說,因此,這些案件集的成書目的不是要來糾正《洗冤錄》可能的錯誤,反而是要教人如何有效使用《洗冤錄》。

謝歆哲認為,若單單以「理論」與現象的衝突乃至「理論」的修正,來看待這些案件集,會把當時人面對知識的態度,以及他們試圖解決什麼樣的問題等種種的多元性皆一併抹除。

這就是謝歆哲做知識史的方式。

她說:「《洗冤錄》呈現的是一個個很具體的知識成果,我的研究就是從這些看似很表層的知識內容中,挖出他們看事情的方式和預設的思考模式」。

只是看出思考風格還不夠,研究者得再回到歷史脈絡中去探問,為什麼這群人會預設這些?驗屍知識和什麼樣的理念或文化有關聯?如此一來,可以更清楚地看到清代士大夫是如何看待《洗冤錄》,而不僅僅單純地將其視為一本技術書籍。

註解註1:引號中的引文出自〈大清律例.斷獄.檢驗屍傷不以實〉。

註2:駁案指的是下級承審官員的報告,被上級覆審官員挑出問題,因此駁回。

註3:上告是指人民不甘判決結果,到別的衙門陳控。

延伸閱讀《補註洗寃錄集證》,HarvardLibrary。

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