大創意：五千年來改變世界的科學大發現

從電影《2001太空漫遊》到《AI人工智慧》，實踐人工智能的路程到底還要多久？
新興的「雲端科技」與「強化實境」，又將如何大幅改變我們的生活與思考方式？
是誰提出偉大的創見與發明永遠地改變了世界？又是誰有勇氣在趨勢洪流中提出反向的思維？
公元前503年「畢氏定理」的發明、「狹義相對論」的產生及「原子彈」的出現，如何成就人類探索浩瀚天際的偉大夢想？
16世紀開始的「解剖學」與到「盤尼西林」的發現及應用，如何演進到今日仍在試驗階段的「再生醫學」，造福未來的人類？

本書以「鑑今溯古」的方式往前追溯人類史上曾經出現過的重大科學進展，藉由抽絲剝繭的介紹，找出科技一脈相承的發展軌跡。在這趟浩瀚華麗的時光之旅中，讀者將領悟到今日仍在萌芽的未來科學概念，其實是在一套緻密的脈絡中，與過去的科技成就環環相扣，息息相關。

翻開本書，綜觀當今多元發展的六大科學領域，回溯時光到歷史上啟動每項科技的引爆點去認識偉大創意與科技的提出者與反對者，並各別闡述24個已經改變這個世界，或是正準備觸發革命性影響的重要科技，展開一場穿越千年的文明科學演進之旅！

獨一無二、圖文並茂的科學史綱、充滿前衛未來感的獨特版面設計，以及國家地理學會的權威科學報導，對任何年齡的科技迷都有著難以抗拒的吸引力。跟著本書的腳步，你將真正地「回到未來」。

[序文]

人類最初的重大構想，皆出於一些極具創意的男女之手，他們的名字已不可考。這些人發明了碗、獨木舟、輪子、作物栽培、煉銅技術，或在濕黏土上雕刻而創造了書寫，而我們卻沒有立紀念碑紀念他們的事蹟。儘管如此，他們留下的遺產仍充斥我們周遭，是現代世界的基石。

隨著書寫問世，重大構想成了那些大思想家提出的見解。這些人被稱為智者，他們提供了寶貴的洞見，但鮮少發明新的事物。相反地，他們只分析、重組已知的少數事實，就好像監獄裡的紙牌好手，永遠在洗同樣那一副牌。
科學技術通常不會以這些智性傳統為基石，反而常常顛覆傳統，回到原始人的習慣，也就是以應用為目的修改其發明。伽利略、吉爾伯特、哈維和牛頓這些科學先驅者，不太需要針對古老的定律進行學術性的分析，而比較傾向採用法蘭西斯．培根（Francis Bacon）的做法。培根是十七世紀科學界的先知，曾如此形容劍橋大學的那些教授：「他們彷彿一群在風平浪靜中行駛的船，自己動也不動，只靠著他人的鼻息前進。」

科學家喜歡挖掘新的事實，例如地心引力和磁力如何作用、血液如何在人體內循環、星球又如何繞著太陽轉動。他們參考的概念，與其來自古老的書籍，不如取自實驗和發現——按照伽利略的說法，也就是藉由閱讀「大自然這本書」。
多虧這些科學家的努力，世界各地居民的生活，出現了前所未有的改善。在科技革命以前，一般人都目不識丁，每年只能賺幾百元，壽命大多少於三十歲。如今80%的人都識字，全球收入的中位數超過七千元，而出生時的預期壽命則將近七十歲。跟過去陰暗漫長的人類歷史（以及史前時代）相較之下，這一切進展飛速，很多人甚至因此毫無知覺。

我的書桌上擺了一把手斧，是3萬4千年前尼安德塔人用黑曜石削成的。那是一把好斧頭，只要拿在手上，你馬上就會開始想像各種可以做的事，例如切肉，或用這個斧頭來防衛自己，或製造另一把斧頭。這種直接與自然接觸後，學到的事、受到的啟發，都是科學與科技進步的動力。
培根在寫述現代科學的萌芽時，主張實驗者「就像螞蟻，只會收集、使用」，但邏輯學家卻「像蜘蛛，利用自身擁有的事物來製造蜘蛛絲」。「但蜜蜂則採中間路線，」培根寫道：「它會從花園、田野間的花朵中收集物資，靠自己的力量轉變、消化這些物質。」

時間證實培根的觀點是對的。現代科學家沉浸在各種技術和科技中，往往無法掌握事情的始末。學者和神父都不喜歡這樣交錯複雜的程序，但是這種方式成果顯著──如今人們在十年內發現的事實，比過去一個世紀發現的還要多。
培根倘若尚在人世，可能就會將全球科技比喻為一片因蜜蜂而綻放的野花：種類繁多得驚人，但每一朵都是大自然的見證。你手中的這本書，將帶領你進入讓人興奮的輝煌世界。總而言之，歡迎來到書中這個如蜂窩般錯綜複雜的世界。

—提摩西．費瑞斯

大部分歷史書籍按例都會以所謂「開始」來起頭，也就是發生在好久好久以前，或不那麼久以前的事。這些歷史書也通常照著我們習慣的時序向前推進，從遠古到近代，最後推展至今。從過去到現在：我們一向用這種方式書寫、閱讀歷史。但這本書順序相反。我們從現在、甚至未來說起，然後回溯過去，每翻一頁，就往過去推進一些。這種作法，有點像是有人要你訴說自己的人生故事，而你從現在發生的事說起，然後再回想你的青少年時期、童年時期，最後回到出生時。

事實上，這本書可說是含括了24個這種人生故事：這些迷人的故事錯綜複雜，訴說了現代科學和科技中24個最重要的構想；這些改變了人類生活的發明，勢必也會用我們難以想像的方式改變未來。

這些發明都奠基於先人的概念、實驗、發現和成就。少了感應馬達、發電與儲電、煉鐵技術、車輪，人類也無法發明出電動車來。這本書的重點，就是要將這些故事連結起來，探討好幾世紀以來，各個領域的人類經驗。

分門別類
在這個穿越時空的旅程中，我們將全世界的重要構想分為六種科技領域，依章節介紹：

資訊與傳播，包含了電腦科技與傳播科技
健康與醫藥，著重討論人體健康
物理與宇宙，包括人類對外太空的觀察、主宰地球上各種現象的物理原則，以及將這些原則融會貫通後，我們學得的知識
化學與材料，各種物質的分析、合成和運用
生物與環境，了解我們所在的世界
交通運輸與太空探索，人類發明的移動與探險方式

沒有任何分類堪稱完美，因此我們也會留心那些跨領域的影響和發明，並在書中交叉引用之處加註這些連結。

穿越時空
每一章節裡的基線，都依照顛倒的時序推進。每條時間軸都列出該領域最重要的發明、發展或突破——現在與未來的重大構想，都源自於此。每條時間軸上的日期都始於近代，然後向過去推展，有時只向後推幾年、幾十年，有時則隔了好幾世紀，如此一路回溯影響人類的重大成就。
 時間軸上的各個突破，也都加註了「使用中」或「理論階段」等字，兩者都是科學與工程史上的關鍵時刻。每個領域的進展速度各異。十八世紀的啟蒙思想家也許深深影響某個領域，但在另一個領域的成就，則可能集中在十九世紀末或二十世紀初。
沒有任何的科技進展，可以完全與其他領域無關。因此我們雖然將科技的演進分為六個領域，最後仍在結論的章節整合所有領域，並按照單一時間軸，展示從現代至史前時代的所有重要事件（第302至309頁）。

24個重大構想
在這六大章節中，每一章都介紹了四個重大構想，都是註定會改變未來的新發明。每十頁左右，就會有兩頁介紹前言，強調該章節的時間軸。倘若把所有事件放在時間軸上，這些事件就都會擠在起始處，也就是現代。但本書將所有重大突破分散在各章節，提示人類的未來構想如何與過去結合。
這些構想有些已經成了日常生活的一部分，例如很多人可能都會透過網路，用雲端計算來儲存、寄送或分享資料。有些構想在現今研究扮演重要角色，但一般人可能不太熟悉，例如科學家仍不斷利用海底探測技術，向地球海洋更深的未知處探索。
不過有些構想仍在理論階段。舉例來說，很多工程師都提出了外星殖民的構想，尚未實踐。儘管這些都還只是未實現的理論，仍不減其重要性。誠如本書所呈現的，過去的理論會成為未來的現實，而今日的重大構想，無疑也會成為未來舉足輕重的成就。

圖說：
構想網絡
本圖說明網路的概念，顯示來自世界各地的資訊如何傳送、接收，形成數十億個交叉點，各種概念便如此聯繫、匯集。

兩種頁面設計
下圖說明本書特色。書中包含兩種頁面：重大突破的時間軸，以及重大構想。這兩種表現方式雖然不同，但能互相補充。

時間軸圖

事件日期
在每一頁中央的時間軸上，這些記號註明了下方重要事件的發生日期。

事件種類
這究竟是有人提出、證明過的理論？或是已在真實世界實現的發明？這裡註明了每個突破究竟是「理論階段」或「使用中」。

人物側寫
簡短回顧那些提出重大構想的今人或前人的生平。

連結或反彈
事件不一定照著直線時間軸進展。有的時候，不同領域的發明會匯合在一起，在此標示為「連結」。有時社會力量反而阻礙了發展，則標示為「反彈」。

前人研究
是什麼構想和發明，奠基了這項重要成就的根本？讀者有機會不妨往前或往後交叉參考此處的連結。

重大構想圖

重大構想訊息
頁面左上角有個黃色長方形，是在時間軸中插入重大構想的說明，在本書中為標號1至24。

迷你時間軸
有哪些關鍵事件，為這個重大構想鋪路？迷你時間軸細究每個重大構想的前身。

第一章
資訊與傳播

里程碑
18 從今日回溯至1971年
74 1969年至1947年
86 1946年至1876年
98 1854年至西元前3000年

重大構想
26 強化實境
36 量子運算
48 雲端運算
60 人工智慧

簡介
傳送信號
現今世界充滿了各種無線電子資訊和通訊科技。然而在我們上一代的生活中，手機、網路和個人電腦雖然已經問世，卻還不是日常生活中的一部分。這些改變世界的技術，背後究竟隱藏了哪些重要概念？早期的理論、發現和發明，究竟如何在過去幾個世紀間演變為現代的技術？二十一世紀的未來資訊技術，又會是什麼面貌？
構想從不獨立存在，而是互依互存的。十七世紀後，科學家對二進位數字的透徹理解，成了電腦與通訊技術的主軸。電腦是種具有邏輯的機器，以在十九世紀發展出來的布爾邏輯（Boolean logic）來運作。1930年代，人們藉由所謂杜林機器（Turing machine）的理論概念，看到了電腦的潛力，儘管當時幾乎還沒有任何計算裝備能達到那種境界。名為ENIAC的電腦，製造於1940年代，由1萬7千個真空管組成，重量超過30公噸，當時美國軍方利用它來計算砲彈的軌道。ENIAC問世過後不久，電晶體取代了真空管，十年後的積體電路（即今日微處理器的基礎），更讓個人電腦變得可以企及的目標，儘管後者到了1970年代才問世。

在那之後的發展呢？電腦變得更小、更快也更便宜，而全世界的人，也因為網路這種基礎結構，連結得更緊密了。如今科學家正試圖利用量子力學的原理，改進電腦資訊處理的能力，希望能研發出比非量子電腦更有效率的新機種。網路被利用在雲端計算上，有些電腦程式，則成功地被賦予了學習的能力。
通訊技術的發展史中，有個很明顯的趨勢：發送和接收電子訊號的方式，變得越來越精細。電報於1830年代問世，是那個時代的創舉，人們第一次能用不可思議的速度，與遠方的人溝通。無線電波在十九世紀後半問世，是今日無限傳輸的前身。1940年代後期，也就是杜林理論成型的十年後，數學家克勞特‧雪龍（Claude Shannon）推導出一套通訊數學理論，即今日人們所知的資訊理論，成為幾乎是所有現代電子通訊的基石。如今強化實境正慢慢滲透我們的生活中，這是一種結合電腦和通訊的技術，用以發展全球衛星定位系統、無限傳輸，以及更小但更有效率的計算儀器。

圖說：
Linux作業系統
托瓦茲於1994年研發出Linux核心，當時他才21歲。

全球資訊網
我們可以從網路的全球「地圖」，了解現今網絡的發展程度。全球資訊網是個龐大的全球社群，可透過網路連結。

從今日回溯至1971年

圖說：
塔克斯（Tux）企鵝是Linux的吉祥物

1994年
Linux作業系統
使用中
Linux作業系統顛覆了軟體世界。芬蘭軟體工程師林納斯．托瓦茲（Linus Torvalds）創造了Linux，並於1994年公開於世。「核心」（Kernel）是Linux系統的中樞，整個作業系統以其為中心運轉。Linux系統的獨特之處，在於它的程式原始碼是開放的，任何人只要遵循GNU通用公共許可證（這是許多軟體都通用的免費許可證），就可以自由使用。使用者可按照其商業或非商業需求，任意操作Linux系統。

評論者當初將Linux貶低為一種「嗜好」，他們認為該系統無法滿足大眾對計算的需求。然而如今Linux的使用者已遍布全球。事實證明，相對於私營的Unix和微軟視窗，Linux是個可行的替代作業系統，因為它很穩定、功能強大，可以經過修改以因應各式各樣的計算需求。許多大公司都十分仰賴Linux系統，包括IBM和惠普（Hewlett-Packard）。
Linux通常包裝成可供個人電腦和伺服器使用的格式。個人電腦中，常見的Linux應用程式包括火狐狸網路瀏覽器、OpenOffice.org的辦公應用套件，以及GIMP影像編輯器。
現在有越來越多的家用或辦公用個人電腦系統，都採用了Linux。此外，Linux可以直接以所謂「嵌入」的過程，內建於微晶片上。有越來越多的各種電器和裝置，都開始使用Linux系統，包括手機、平板電腦，乃至大型主機和超級電腦。

開放原始碼（open source）
連結
「開放原始碼」是指將軟體免費開放給所有人使用及修改。根據開放源碼組織（Open Source Initiative）的說法，此舉的好處是能讓軟體「品質更好、更可靠、更有彈性、成本更低，同時可以終結貪婪商人對市場的封鎖。」有些人認為，開放原始碼的作法缺乏保障，終端使用者也得不到支援。然而無可否認的，這種哲學對軟體研發的影響深遠。舉例來說，2009年Linux作業系統就佔了伺服器市場的20%至40%。

1990年
全球資訊網（World Wide Web）
使用中
全球資訊網將全世界數百萬台電腦連結起來，讓所有人都能取得這些電腦裡的所有資訊，並因此永遠改變了我們的生活。「全球資訊網」與「網路」這兩個詞彙常被混為一談，但兩者指的其實是不同件事。網路可能在沒有資訊網的情況下存在，但沒有網路，資訊網就不可能存在。網路於1962年問世，是當時由美國軍方提出的ARPANET計畫，可以將兩台電腦連結成網絡。到了1992年，該網絡已經發展成可以連結數百萬台電腦。

到了1990年，英國電腦科學家提姆．伯納斯李（Tim Berners-Lee）發明了全球資訊網。他創造了第一個可用網際網路相連的網頁瀏覽器和網頁。網頁含有超文件（hypertex），這是興起於1960年代、一種在螢幕上顯示的文字，內含可以連到其他文件的超連結。至於其餘的故事，就是我們熟知的歷史了。網路對經濟和社交影響最甚之處，在於人與人之間的溝通變得容易許多。網路是個龐大的全球社群。來自加拿大、南非、澳洲的人，可以彼此交流思想，或辯論時事。莫斯科的一名女性，可以跟一名巴西男性購買完全合乎需求的珍藏品。

科技索引
個人電腦（第22頁）
公用鍵密碼系統（第23頁）
網際網路（第28頁）

視窗作業系統
這個作業系統原名為介面管理器，並且以「視窗」之名發行，因為那最能貼切形容系統計算「視窗」的圖像性。以下是視窗系統於1985年（上圖）和目前（下圖）的標誌。

全球衛星定位系統

衛星
GPS網絡是由24顆運作中的衛星組成。這些衛星傳送的訊號，包含了數據本身，以及傳送訊號所需的精確時間。

接收器
接收器會測量訊號傳送和接收的時間，藉此估測衛星訊號傳到接收器所花的時間。

裝置
接收器會估測它與至少四個GPS衛星之間的距離，並在三維空間計算某個人的位置。

提姆．伯納斯李（Tim Berners-Lee）
人物側寫
1989年，網際網路問世約十年後，牛津大學畢業的英國電腦科學家伯納斯李（1955年～）希望能利用網際網路的基本技術，提供一個使用方便、也容易放置圖片的地方，讓所有人都能取得各式各樣的資訊，不受拘束。於是伯納斯李在歐洲共同核子研究所（the European Particle Physics Laboratory，簡稱CERN）工作的時候，便創造了全國資訊網。他說：「這種普遍性非常重要……這個夢想還有另一點很重要，那就是它非常普遍，可說是反映了現實生活中，人們工作、遊樂和社交的情況。」