終生學習 「我也做」與「我也創作」

2007年諾貝爾獎的觀後感 終生學習　「我也做」與「我也創作」 1963級 物理系 斯華齡

「我也做」的想法已創造了全世界無數的經濟奇蹟。 傳統的「我也做商業策略」其實已頗具創造力和成果。它立基於更便宜、更快、更好的原則上。它得佔別人的便宜、先到先贏、攻破別人的市場，並建築柵欄來防止競爭者入侵。 然而，這種「我也做」的方法仍有其缺點，也就是它無法回答所有的問題，因為它的特性就是跟隨，而跟隨者很難變成領導者，例如： 「接下來呢？」 因此，「我也創作」（Creative Me-Too）也許一個改良版的想法，能強調創意和創新教育，來支持我們台灣矽島的科技奇蹟，支持我們衰退中的經濟奇蹟。 是誰曾說過諾貝爾獎不可能有連三元的呢？諾貝爾物理獎和化學獎已第三度頒給了那些擁有「奈米」頭銜的人了。 本人認為這現象有兩個重點。 第一，也是最有趣的一點就是，大部份的諾貝爾獎得主都很聰明、工作勤奮，並充份為隨時可能出現的驚人發現做好準備。根據一位荷蘭大師烏侖貝克（George Uhlenbeck）的說法（他也是我在洛克菲勒大學的導師），他們的成就一般來說都很難模仿，但有些可以在教育學上被解釋。烏侖貝克教授（亦為吳大猷的論文導師）教導我們發揮個人創意的最重要原則：「絕對不要害怕回答最核心的問題。」 首先就是1996年的諾貝爾化學獎，頒給已故的美國萊斯大學的史莫利（Smalley）和柯爾（Robert F. Curl Jr.）和英國薩塞克斯大學的克洛圖（Sir Harold W. Kroto），「為了他們發現碳簇的貢獻」。此發現被視為古典和量子物理和化學在相當的程度下，所結合出來的「奈米科學」的開山始祖。 其次是1986年的諾貝爾物理學獎的得主－瑞典蘇黎士IBM研究室的賓尼（Gerd Binning）和羅雷爾（Heinrich Rohrer），「為了他們掃描隧道顯微鏡的設計（STM）」。有趣的是，賓尼博士發明了接觸式STM之後，又稱原子力顯微鏡（AFM），因為軟電子（pizzoelectric）材料在變形時會造成電極失衡，他便運用此原理設計出一個懸臂樑來操控分子，他透過電腦視覺將其放大10+9倍。該成果最終獲頒諾貝爾獎。該發現只花了三個月的時間，然而，AFM用數百個分子排出IBM字型的時間竟然也差不多！一般認為該發現為「奈米技術」，也就是那些常用理論和那些對實際運用很實用的技術的始祖。十年後，我們帶領了一個團隊回答了排出IBM字型需要花三個月的原因。正如植物學家布朗發現懸浮在水中的花粉粒子會做不規則、凌亂的鋸齒狀運動，在用分子排出IBM字型時也遭遇了相似的問題，即「布朗運動」。本人和其他同仁運用人體肌肉的原理，設計出一個復合的懸臂樑，通過通電的開關，控制懸臂的軟硬，藉此執行多功能的手術。該裝置已在成大醫學院逐漸發展成「清除微腫瘤的奈米刀」，此案子已獲得美國空軍科學研究室三年的獎助。 再者就是在幾年前的諾貝爾物理學獎得主，為德國紆利希研究中心的葛倫伯格（Peter Grunberg）和法國奧賽國家科學研究中心的佛特（Albert Fret），「為了他們關於巨磁阻效應的發現」。該技術已帶來了龐大的量產和商機，最明顯的例子就是iPod能從「自旋電子」磁碟中快速讀出資料，現在此技術已橫掃全球大街小巷了。順著另外兩個諾貝爾獎的思路，這個也許就是「奈米工程」的始祖，目前已廣泛使用在各種即時讀取裝置的應用上，能使這一切成真的科技，都根源於奈米科學和奈米技術。 第二個最有趣的重點就是，在所有的諾貝爾獎得主當中，有越來越多的得主來自歐洲。例如，今年物理獎得主葛倫伯格（Peter Grunberg）和佛特（Albert Fret）就是分別來自德國和法國。另外，今年化學獎得主也是一位德國化學家埃特爾（Gerhard Ertl），「為了固體表面之化學程序的研究」，那是一個研究很清楚、很聰明的氧化碳氧化物的表面催化反應，運用的是哈伯博（Haber-Bosch Process）施法。該方法也是1918年德國化學家，亦為諾貝爾獎得主哈伯（Haber）當時用氫和空氣中氮直接合成氨的方法相同，另一位德國化學家博施（Bosch）將哈伯所研究出來的反應施以高壓後，其結果也商業化，最後也在1931年得到諾貝爾獎。 在諾貝爾獎這塊最有創意的榮耀國度裡，「我也創作」的精神沒有例外，在博弈論（Game Theory）的延伸領域就有三人獲獎： 約翰納什（John Nash），他的故事「美麗心靈」被好萊塢搬上美國大螢幕，他將約翰憑諾曼（John von Neumann）的雙人棋賽零合賽局理論延伸，運用在男女交往的非零合賽局理論上，最終在1994年獲得諾貝爾獎。他在普林斯頓大學的博士論文是最短的一篇之一。納什描述出了正實邊緣的凸多邊形的幾何學。每一邊代表著每位獨立玩家的各種可能動作。這種多位玩家的局面，形成一種正實多邊的外殼，在任何一個子空間裡，一定有一個局部正切表面，例如一個局部的均勢一定總是存在，證訖。這是我們的世界中自由企業理論的穩定基礎。 湯瑪斯謝林（Thomas Schelling）和羅伯奧曼（Robert Aumann），因為他們將博奕論運用在政治上，在2005年得到諾貝爾經濟學獎； 羅伯邁爾森（Robert Myerson）、艾瑞克邁爾森（Eric Myerson）和里歐尼赫維玆（Leonid Hurwicz）延伸了重覆賽局理論，研究在重覆玩了遊戲之後，玩家學習過去經驗的能力。 雖然諾貝爾獎是針對個人所頒的獎，但它也反應出一個地區或國家的實力。因此，我們可以試問：為何歐洲人得到的資源如此有限，僅佔其國民生產毛額不到2%，相對於美國資源佔其國民生產毛額3-4%，但歐洲的學術產能卻如此輝煌？歐洲人到底做了什麼和美國人不一樣的事呢？可能的原因之一是思想的自由，另一個是它們的教育強調了像「我也有創作」的精神。 歐洲的科學傳統起源，可追溯到許多劃時代的科學思想大師，例如牛頓（1642-1727）和伽利略（1564-1642），或可回溯到文藝復興初期，甚至更多世紀以前，還有其他創意十足的想法都起源於歐洲。比較同期的歐洲和中國的創意文明，可看到一些有趣的現象。在牛頓出生兩年後，伽利略過世時（1642），文藝復興運動正在歐洲啟迪許多人的想法，而中國史上最專制的時代－秦朝，也正開啟新頁。秦朝統一了中國，壓抑言論，焚書，並花大量的時間，不是去教育年輕學子，而是讓他們去修築全世界最大的實體牆－萬里長城，為了要抵禦來自北方和西方的外患（最後證明此舉不可行的，因為敵人就直接從大門走了進來）。同時，此牆隔絕了中國與外界的思想交流，發生在此時更顯不幸，因為此時西方文化剛好在文藝復興運動的推波助瀾下，從宗教的束縛中解放出來，脫胎換骨。 另一方面，西方如此的思想自由風氣，已培養出一種文化，使得大家也都學會自省，許多歐洲科學家，包括愛因斯坦，常會在一些公開場合自問，為何當時年輕一輩的創意反而不如他們？他們不如我們聰明嗎？我們沒有正確地教導他們嗎？最後他們決定原因應該就是教育不得其法（讓我想到Erlangen的Adolf Lohmann和諾貝爾獎得主蓋伯D. Gabor）的結果。 教育不得其法的一些原因如下： 人類基因和歷史演進的速度緩慢且斷斷續續；特別是基因組的變化非常緩慢，也不太可能在三代間有太多改變。 實驗性的悖論使得古典到量子科學這樣的進程減緩。 隨著時間演進，我們已灌輸了太多的知識在我們的學生身上，除了古典的科學和技術，還有現在量子科學，甚至生命科學等。當一間公司、大學或政府要顧用一個人，他們都會期望這些畢業生知道更多，使得他們的錢能花得有價值，例如跨三個領域（古典、現代和生命科學或其他）的字眼「跨領域教育」便應運而生。 然而大學訓練的時間還是一樣的，此時教學品質和原創性就有可能被犠牲。因此，知識的萃取、濃縮和整合，能減少其原理規則和精簡方法論的能力，就成為一個好教師不可或缺的條件。像簡化教學這樣重要的概念，在歐洲似乎漸漸成為傳統，例如愛因斯坦曾努力找尋一套能涵蓋所有的物理理論終極理論，的確值得大家深思。 烏侖貝克（Geroge Uhlenbeck）教授也不例外，他用荷蘭皇家的學徒制教導學生，少用多元現象論的教學規則，多用整合式的方法論，學習更多的基本原理。例如在教導所有學門的學生時，都結合創意、創新和創業精神，該方法可用今日的一種說法總結，即「我也創作」。該方法有三個步驟： 步驟一：加強個人直覺式的看法：發展一個人對他人創意的大膽見解，僅管它有時可能是錯的，但能啟發令人興奮的思維才是關鍵。 步驟二：把錯誤嘗試系統化－運用其見解到他們自己研究的運用領域，並且 步驟三：在證明該見解有效後，必須要運用清晰的推論做通盤的思考－把未來的需求視覺化，至少在自己的領域要能想到幾年後。 有三段話值得注意： 強調運用在自己的領域，可以避免落入判斷錯誤的陷井。但這「自己的」可指整個團隊，或整個跨學門的領域。 再者是一個聰明且有效率的認真的方法，用兩本筆記本（一本記自己的心得，另一本當作終生學習筆記）和三個強弱危機綜合分析法的問題。 接著為了要實行終生都能極積和主動思考的學習態度（有自己的想法，不是只會模仿），每年六次的諾貝爾獎頒獎典禮，都應該深入了解。 事實上，我們可試著指出以下「我也創作」三步驟，他們的潛在想法過程發現，為何他們會得諾貝爾獎： 佛特與葛侖伯格已使所謂的巨型磁阻效應 (Giant Magneto Resistive)導向磁性區域記憶外讀的實現。讓我們先以波爾原子的量子機械課程開始。原子的最小單位是氫，波爾計算在直徑1埃，在CGS單位中的1埃是10-8公分，或者用MKS單位中是0.1 奈米。在肉眼可見的區域，我們知道鐵的磁性是由於外殼的自由電子的旋轉相互作用，這作用能形成鐵的磁化區域。事實上，早期磁性儲存帶已使用區域概念當成塑膠儲存帶輪中的單位，導致一有用的高度逼真的音樂帶，但是每一有磁性的儲存帶的地區有其有限密度的訊息。 這裡是第一步，一人大膽地解釋了一起創造的自有的洞察力，也就是3 層鉻漢堡（Chromium burger）內的一奈米儲存形，被兩片鐵電體的「鐵麵包」夾在中間，在你週遭的電腦店中，在室溫下以100美元或更少出售，適合迅速由iPod、隨身碟等讀出數位即時資料：無磁性的「鉻肉」越細瘦越好。最好的效應在0.3 x 3 = 0.9 納米。 如果我們跟隨中國哲學家老子的學說，極大無界線，極小無起點，我們自然能透過「我也創作」的方法尋找最小的資料單元。這個尋求能導向盡可能小的有磁性的區域，這區域中沒有所謂的旋轉磁場裝置中的另一個旋轉磁性領域牆。所謂的自旋電子裝置是利用電子約束來徹底改革微電子， 立刻使電子極化，便可在室溫下有效地注入半導體。 小就是有效率和有用的事實已被推進了限制裡，鐵電體的外殼自由電子到d 和 f電子的內架，這個相互作用已被物理學家Ruderman、 Kittel、 Kasuya、Yosida廣泛研究，在固體物理學方面稱之為RKKY效應。RKKY效應已經幫助將邊緣限制推動至奈米技術層面水平。 這鉻原子像鐵原子，但是在RKKY 效應下不同，並且有3埃或者0.3 納米的直徑，在兩片鐵電體離子麵包之間，3 層鉻原子形成一個隔離和交互式的肉障礙。 被降低的自由能量允許在室溫下，最小區域牆的穩定的奈米貯存區從一個單電子的上下旋轉形成。這就是鉻漢堡，使iPod 音樂和其他多千兆位元組的USB隨身碟儲存得以輸出。 因此，如果我們認真考慮，我也創作 (CMT)方法中的荷蘭皇家傳統，和用任一邏輯模式大膽地解釋它，然後，我們將能預言在CMT第3 步驟中什麼是下一個重要的發現。 對於公開的動態系統來說，這可能是對一個基於等溫的Helmholtz自由能的極小化的量子資訊理論的奈米科技的實現。此系統是根據等溫的Helmholtz自由能量的最小化 min. H= energy E – To entropy S, 在量統計力學的公式裡的特定的局部溫度下，To是一個從典型的Shannon資訊理論遺漏的重要參數，建立在entropy max的最大值。 S單獨而言，只適合沒有能量交換E=0的關閉的均衡系統。 (我自己的CMT第二步驟的應用是開放資訊理論的典型版本，這版本已由min. H by Szu在1977年證明，通過美國2007年神經網路自然智能化的專利。相對於監視規章下的AI ，可達到不必監視，適合遙感和早期最小癌症偵測的單個象素自動目標分類，成功應用在遙感和早期癌症偵測） 例如，奈米科技的實現是在不同溫度環境的全球光通信脊梁系統的操作，要求在輕微的擴大時直接繞過A/D 和D/A電子放大器以自動維持迅速的通訊速度、信號和噪聲比。 我們處在21世紀進入量子工程的入口嗎？ 因為第二次世界大戰嬰兒潮產生的老化地球村而增加的保健負擔，聯邦對於教育和研究的資源預期將會顯著降低。當聯邦減少補助大學的資金，民間資助必須增加以支持教育事業。最近，鴻海企業的郭台銘先生捐獻了今年對單一大學金額最大的單筆捐款（新台幣NT$82.8*108= $2.7*108 元，讓台大建造五百床規模的癌症中心，進行更準確的質子放射加速治療。）鴻海企業是 iPod主要的代工設計廠商之ㄧ，iPod的流行已經支援今年的諾貝爾物理獎。這對其他慈善事業團體產生的漣漪影響可能改變亞太地區大學的校景。或許，這是為什麼美國達拉斯大學的副校長馮博士願來到成大並樂觀地預期21世紀的科學和教育將是在亞太地區。 亞太地區為科學和教育的遲來復興作好準備了嗎？  　 編者註：斯華齡學長在校時曾擔任成大合唱團團長，現任職於美國華盛頓特區海軍研究室、國立成功大學特聘教授。校友合唱團Tenor聲部指揮王守誠說：「去年的全球成大嘉年華活動上，守誠有幸參加，並且站在斯華齡學長旁邊一同高歌，今天去成大的BBS上看到消息，原來斯學長現在在成大擔任特聘教授，而且在成大研發快訊上寫了一篇精彩的文章(有中英文版)，對科學有興趣的豆子應該都值得一讀，因此守誠建議可以把這些資訊也放上團上的網站。文章登載網址：http://proj.ncku.edu.tw/research/articles/c/20071019/9.html　守誠」