科學人 11月號/2022 第249期

黑洞、蟲洞、量子纏結

撰文／阿姆黑利（Ahmed Almheiri）、繪圖／坎貝爾（Harry Campbell）、翻譯／高涌泉

自1974年以來，理論物理學長期籠罩在危機當中，原因是霍金（Stephen Hawking）在那年提出了一個論證，認為黑洞會摧毀資訊。霍金證明黑洞會蒸發，而逐漸把自身與它所吞食的任何東西轉變成一團沒有特徵的輻射。很明顯地，如此一來，就喪失「什麼東西墜入黑洞」的資訊，違背了一項神聖的物理原理。過去45 年間，物理學家一直沒能解決這個問題。但是到了2019 年，我所參與的研究團隊開始拼湊出一個解答。這個答案的基礎是一種對於時空的新理解，以及時空如何透過量子纏結可以重新串連起來，由此產生了一個新點子：黑洞內的某一部份，我們團隊稱之為「島」（island），能秘密地連結到黑洞之外。若要理解我們團隊如何得到這些新點子，就必須從黑洞的本質開始說明。

宇宙單行道
想從黑洞內跑出來似乎是一件完全不可能的事；事實上，我們正是用這件不可能的事來定義黑洞。當足夠多的物質局限在足夠小的區域之內，使得時空在一個狂暴的回饋迴路（一連串的擠壓又繃拉）中塌陷下來，黑洞就形成了。潮汐力在有限的時間內，變成為無窮大，意味著在所謂的黑洞奇異點（singularity，即時間停止、空間失去意義的地方），整個時空區域會突然中斷。在崩塌的區域中，有個細微的界線，區隔了能夠逃離與無法回頭的區域。這個界線就稱為事件視界（eventhorizon），是光線幾乎可以避免掉入奇異點最外圍的時空點。只要沒有超光速運動（這在物理學上不可能發生），任何東西都不能從事件視界內逃離出來，黑洞內的東西就永遠停留在黑洞裡。這個邊界的單行道本質並不會立即造成問題，其實它正是廣義相對論的一項堅實預測。但是當廣義相對論遇上奇異的量子力學，危機就來了。

無中生有的粒子
量子理論讓天生就具有貪婪怪物形象的黑洞獲得了救贖：黑洞所吞食進來的一切能量，終究會以霍金輻射（Hawking radiation）的形式又吐出來──霍金輻射即是從事件視界附近的真空所榨取出來的能量。
無中生有的想法聽起來很荒謬。但是荒謬還不是對於量子力學最糟糕的控訴。量子理論中的真空其實並非真的空無一物，反而是充滿了粒子，例如光子、電子、重力子，但是它們聯合起來讓我們感覺真空真的是空無一物。這些粒子很仔細地兩兩配對起來，合作無間像是把時空聚在一起的膠。
如果有一對粒子，一個在內、一個在外，跨越了某個黑洞的事件視界，而兩個粒子後來永遠地分離開來。它們沿著相反方向離開事件視界，其中一個粒子將撞上奇異點，另一個粒子則以霍金輻射的形式擺脫黑洞的重力逃離出來。這個過程會逐漸抽走黑洞的能量，讓黑洞以發出粒子的方式丟失能量，以致於變得越來越輕、越來越小。能量守恆定律告訴我們，被困在黑洞內部的粒子必定帶有負能量，方能使得黑洞的總能量變小。......

AI也來寫論文

文／林一平

有關「論文」的新聞，這幾個月鬧得沸沸揚揚。學位論文是一回事，一篇論文有多少文字與他人雷同又是一回事。在學術界，學者發表的研究論文其中也「大有學問」，值得一提。

本期〈學術論文第一作者是AI？〉的作者對人工智慧（AI）深度演算法GPT-3 下了個指令，「它」就寫出一篇科學論文，文章投稿到期刊，GPT-3 可以掛名第一作者嗎？早在2009 年3月，陽中清交四校在陽明山舉辦「研究倫理修習營」，我受邀演講，主題就是關於電腦寫論文的爭議。

最近幾年，學者的研究成果被一些指標，例如SCI（科學引用索引）、IF（影響因數）給極端量化，加諸於教授的升等，是台灣學術界一大問題，也影響研究倫理。關於如何造假、增加量化數據，我在演講中提到一個極端例子：就在2009 年之前，美國麻省理工學院（MIT）的幾名學生就寫了一套能自動產生論文的程式，這些學生還開玩笑地把自動產生的論文投稿到一個「大拜拜」的國際會議，竟然也被接受。這套程式後來公開在網路上，只要輸入自己的名字，瞬間就能產生一篇論文。

我用這工具產生了一篇論文，我和愛因斯坦為共同作者（我還禮讓愛因斯坦為第一作者），文圖並茂，論理深奧（亂數產生的句子，也沒幾個人看得懂）。我當場展示了這篇論文，由於與會者多是生物、醫學或哲學教授，不知資訊領域的專家本事通天，能叫電腦自動寫論文，不禁嘖嘖稱奇。法律系教授則忙著解說，自動產生的論文智財權該歸屬何人。

時至今日，AI 演算法更厲害了。曹雪芹《紅樓夢》裡有十二曲，用以敘述賈府人物：當我們讀「恨無常」，知道敘述的人物是元春，「喜冤家」是迎春，「分骨肉」是探春，而「虛花悟」則是惜春。我正在設計一個深度學習程式，可以自動寫出像這十二曲一樣，反映出人物特質的詩。

英國作家歐威爾在其巨著《1984 》提到如何偽造人物、竄改歷史：「的確，沒有像奧格利維同志這樣的人，只經過幾行印刷文字和幾張偽造的照片，很快就會讓他活了過來⋯⋯奧格利維同志，他從來就不存在，現在卻能存在於過去，當偽造行為被遺忘時，他將像查理曼大帝或凱撒大帝一樣真實地存在，並且有同樣的證據。」未來的網路世界將真假莫辨。

本期還有許多好文章，例如〈黑洞、蟲洞、量子纏結〉、〈南丁格爾的資料革命〉，我以
總編輯身分保證，絕非AI 演算法產生的罐頭文章；〈科技水產養殖，從蝦開始〉、〈傳承傻子精神，振興水產養殖──專訪草蝦養殖之父廖一久〉更是由我們編輯團隊實地採訪完成。不過，本文有一段是AI 產生的，讀者們分辨得出來嗎？

關於封面

黑洞本身不僅是神秘天體，物體墜入黑洞的下場更是充滿謎團。近半個世紀以來，物理學家試圖解答黑洞資訊弔詭，即黑洞會摧毀物體所含的資訊，因為它違背物理原理。近年有研究團隊認為，蟲洞連結了兩個黑洞的內部，墜入黑洞的資訊就能連結到黑洞之外，因此維持了粒子之間的量子纏結，也破解了這個弔詭。

物理學
36 黑洞、蟲洞、量子纏結
文／阿姆黑利（Ahmed Almheiri）
假如時空蟲洞把黑洞的內部連接起來，將會發生什麼事呢？這可能保存了墜入黑洞的資訊，因而破解「黑洞會摧毀資訊」的弔詭。

生態學
44 水產養殖的大膽實驗
文／雪爾（Ellen Ruppel Shell）
水產養殖是餵養全球人口的重要產業，但長期因耗能、製造污染等問題遭詬病。科學家和養殖業者正試圖洗刷此污名，在美國緬因州沿海開發創新養殖技術，並拯救岌岌可危的海上經濟。

特別報導
58 科技水產養殖，從蝦開始
文／周玉文
每當提到水產養殖，台灣不再是草蝦王國的感慨就油然而生。成功大學羅竹芳教授率領的前瞻蝦類養殖國際研發中心誓言開創台灣的養蝦新局，除了建立科技養殖模式，更把人工智慧技術應用於種蝦催熟，要為養殖業提供充裕的優質蝦苗。

名家專訪
64 傳承傻子精神，振興水產養殖專訪草蝦養殖之父廖一久
採訪／李家維、張孟媛 整理／周玉文
海洋環境惡化、魚蝦貝類等水產捕撈量銳減，全球人類對於水產食物的需求卻持續上升；採取永續、適應氣候的方式發展水產養殖，是唯一的出路。這是個規模超過百億美元的產業，台灣是否有能力跟上？

科學史
68 南丁格爾的資料革命
文／安德魯斯（RJ Andrews）
這位享譽盛名的護士之母，早在19世紀就以創新圖表來傳達公共衛生的論點，藉由有效的溝通提升了大眾健康。

人工智慧
76 學術論文第一作者是AI？
文／圖恩斯特倫（Almira Osmanovic Thunström）
由人工智慧演算法GPT-3擔任第一作者的學術論文，可能引發哲學與學術倫理方面的熱烈討論！

演化
80 有毒黏液助長大滅絕
文／梅斯（Chris Mays）、瓦基達（Vivi Vajda）、麥克勞林（Stephen McLoughlin）

發行人的信
1 奇蹟出現！我們仍可「生活在有紙本科學人雜誌的台灣」」 文／王榮文

科學人觀點
8 腦科學的蘋果與禁果 文／曾志朗

總編輯的話
10 AI也來寫論文 文／林一平

12 讀者論壇

14 科學人新聞
誰有鐵頭功？｜磨碎入侵魚種有妙用｜槲寄生很黏｜紅外光顯蛾翼之美｜誘騙黃蜂助播種｜鹽水池保存災難史｜科學剪影｜一覽世界科技進展｜為什麼大象不會得癌症？｜貓熊的多功能偽拇指｜讓動物暢行保護區

形上集
29 貝爾傳奇（一） 文／高涌泉

教科書之外
30 一次就說對，一次就做對 文、圖／陳文盛

網上世代
32 月球網路開啟太空政治新紀元 文／黃勝雄

機器思維
34 漢明碼之父──漢明 文／林一平

專家看新聞
90 都市孕育新世代生物學家 文／哈里斯（Nyeema C. Harris）

科學佐以詩文
92 雙聯畫 文／希利（Nicola Healey）

健康與科學
94 姙娠糖尿病風險飆升 文／華立斯（Claudia Wallis）

攸關心智
96 強勢領袖助長自私文化 文／卡卡爾（Hemant Kakkar）、希瓦納森（Niro Sivanathan）

科學焦點
98 化石燃料業資助氣候研究？ 文／歐瑞斯克斯（Naomi Oreskes）

科學人書摘
100 邀原始人來吃飯 文／摘自《六格格的宴席》

科學人關鍵字
104 蟲洞 文／彭琬芸

圖表會說話
106 寄生蟲是操縱宿主的高手 文／穆克紀（Madhusree Mukerjee）、圖表／鍾彥儒（Daisy Chung）

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「博學誌」系列文集

問，時間為何物？（2016/9/20全新出版） 台灣大學物理系教授 高涌泉 專文導讀

窺探大腦（2016/10/20修訂版）  中央研究院院士 曾志朗 專文導讀

發現天文之美（2016/11/20修訂版） 國立自然科學博物館館長 孫維新 專文導讀

掌握數位生活（2016/12/20全新出版） 台灣大學資工系教授 林守德專文導讀 活靈活現動物行為（2017/1/20全新出版）金鼎獎科普作家 張東君 專文導讀