[Master講堂]「啟發思維，拓展視野」系列講座：朱士維教授演講紀實
圖書館Master講堂「啟發思維，拓展視野」系列講座，2026年5月4日邀請物理系教授同時兼任學務長的朱士維老師以「光、意識、半導體－跨領域研究經驗分享」為題進行分享。在講堂中老師分享人類如何透過對光的研究，改變對世界的理解，以及如何透過超越光的解析極限，發展光學超解析技術，跨領域應用於半導體製程與腦意識研究，精彩絕倫。接著，就讓我們以文字紀錄，再次回味當日演講的精彩內容吧！
朱士維教授與圖書館學科服務組林鳳儀組長合影
科學進展的動力
老師首先引用英國哲學家卡爾⋅波普爾（Karl Popper）的一段話作為引言－科學知識的增長來自猜想與反駁。科學的進展不在於背誦教科書上的知識，而是在反駁教科書上的知識。歷屆諾貝爾獎得獎者多半在所屬的領域顛覆了原來大家想的事情。一開始是因為對某個學說的不滿意，進而猜測，透過證據，推翻之前的學說。因此老師建議學生上課固然重要，不過重要的不是坐在那邊聽講，而是思考是否真的相信，是否能推翻它。
朱士維教授以「光是什麼」為例說明科學進展的動力
光是什麼
接下來老師以「光是什麼」為例，說明科學的進展如何在猜測與反駁下推進。人類怎麼看待這個世界，光一直扮演著重要角色。從古希臘哲學家對自然界的觀察及理解開始，人類通常是利用自己了解的事物解釋不了解的事物。例如，在西元前四到五世紀，柏拉圖（Plato）與歐幾里得（Euclid）猜想視覺起源於有光線從眼睛射到所觀察的物體上，就像手伸出去摸東西的觸覺。以現代的角度來看雖然荒謬，但這個學說卻延續上千年，直到西元十世紀才由阿拉伯光學之父海什木（Ibn al-Haytham）提出反駁，證明是光線進到眼睛中。
光的本質問題在十七世紀有大量討論，牛頓（Isaac Newton）因用質點力學解釋從地面到天體的運動獲得巨大的成功，故猜測光是遵守力學原理的小顆粒，該學說也成為當時的主流。不過同時期仍有不少其他科學家存有不同的意見，例如羅伯特⋅虎克（Robert Hooke）便認為光是一種波。然而要到十九世紀湯馬士⋅楊格（Thomas Young）以水波／聲波的干涉，類比光經過雙狹縫的實驗結果，才證實光是一種波動，推翻牛頓的想法；並透過十九世紀下半葉電磁學的蓬勃發展，認為光是一種電磁波，而不是粒子。
朱士維教授介紹光如何改變人類對世界的理解
改變世界的理解
隨著物理學的發展，到二十世紀初大部分的科學家認為已沒有甚麼新東西可以發現，克耳文勳爵（Lord Kelvin）甚至提出物理學界只剩下兩朵小小令人費解的烏雲：一、透過測量光速似乎找不到以太；二、無法解釋黑體輻射光譜。而這兩個跟光都有關係的問題帶來了物理學全新的發展：相對論及量子力學。為解決黑體輻射光譜問題，普朗克（Max Planck）透過猜測黑體輻射方程式，首先引入能量量子化觀念，愛因斯坦（Albert Einstein）也接續推論光量子的存在，帶來後續的重大概念進展－光不單是波動，也不僅是粒子，光既是波動又是粒子－完全顛覆人類想像！量子力學更主張所有的微觀粒子（電子、原子等）的本質都是波動粒子共存，位置動量無法同時確定，讓人類不得不相信上帝真的在擲骰子！至此，因對光的本質探討，帶來人類理解世界的重大改變。
朱士維教授介紹科學家如何突破解析極限發展螢光超解析技術
螢光超解析技術
由於對光的認識，人類亦發明了光學顯微鏡，讓人類得以看到極微小的世界。然而波動粒子的二元性造成解析度極限。解析度一般僅能達到約波長的一半，以可見光波長約400-700奈米為例，則解析度最多只能到200奈米左右。不過2014年諾貝爾化學獎得主透過控制螢光分子的開關將解析度提升一個數量級，達10-20奈米。隨著螢光光學顯微鏡的發展，目前解析度已可達次奈米等級，然而螢光材料容易影響真空腔，並不適合用於半導體製程，因此在半導體製程中，目前大多仍用電子顯微鏡來檢測良率。
朱士維教授分享如何突破螢光限制實現超解析技術
突破螢光限制
老師接著分享，在日本訪問期間，因與河田聰（Satoshi Kawata）等人合作，發現了奈米金的非線性散射特性。這項發現讓老師猜想，是否可利用散射在中間跟邊緣反應不同的對比特性來實現非螢光超解析技術。後來老師便利用散射飽和特性設計出全光學開關，並利用非線性散射特性及雷射掃描技術達到超解析奈米金屬結構。2020年後並將研究推展至半導體超解析技術及超解析觀測積體電路。
朱士維教授分享將光解析技術應用至腦意識研究
光與腦意識研究
除此之外，老師的研究團隊亦嘗試將光學解析技術應用至生命科學領域－意識。大腦的神經結構早在多年前即由諾貝爾獎得主高爾基（Camillo Golgi）及卡哈爾（Santiago Ramón y Cajal）所發現。但為什麼我們仍然無法理解意識？老師以電腦為例，神經結構與意識的差別就像電腦的硬體與軟體，若不知軟體的功能，就算我們將電腦的電路完整拆解，仍無法了解電腦的運作。也是因此需要活體功能性影像技術，透過創新對比技術，及高速取像，才能解讀大腦的軟體功能。另外考慮到複雜神經網路的湧現性質（emergent property），則需要觀察全腦的每個細胞突觸連結，這就需要大範圍取像，且同時需高解析度的配合。為了可以窺探活體全腦中每個細胞間的功能連結反應，老師結合多光子顯微鏡技術及聲波透鏡成功開發出高速多光子體積成像技術，並將技術應用於果蠅腦取得3D神經功能性連結體攝影，成果發表於科學期刊《iScience》。除了果蠅之外，老師在國科會「腦科技創新研發及應用計畫」支持下，與國立清華大學工程與系統科學系教授吳順吉、國立臺灣大學藥理學科暨研究所副教授潘明楷組成跨領域團隊，結合尖端人工智慧技術研究將影像對比度提升十倍，讓原本模糊不清的神經訊號變得清晰可見，並將此技術成功應用於觀測活體鼠小腦的神經活動，結果發表在國際頂尖期刊《Advanced Science》。
朱士維教授分享意識與宇宙連結的猜想
意識與宇宙的連結
老師最後提到，雖然我們對腦組織運算的功能性理解已取得相當的成果，對於探討腦如何運作的科學奧秘有極大的助力，但是目前似乎仍無法接近意識的本質問題。有關意識的問題，老師也分享他的猜測。因為我們所認識的宇宙，約有95%以上未知（暗物質與暗能量），且意識的組成也是未知。另外，知名物理學家普朗克（Max Planck）亦曾說 ”I regard consciousness as fundamental. I regard matter as derivative from consciousness.” (1931)－即普朗克認為物質是由意識衍生的。據此老師提供目前一個可能的猜想－宇宙是否由意識組成？猜想連結一：意識及重力皆可由資訊熵計算。猜想連結二：意識及重力都能用湧現性質描述。猜想連結三：已故物理學家霍金（Stephen Hawking）曾提出「由上而下宇宙學」－宇宙的歷史取決於我們想觀察甚麼。這個想法可溯源自量子力學中的觀察者效應，及由知名物理學家惠勒（John Wheeler）所提出的延遲決定實驗（delayed choice experiment），即可推論過去並非是獨立於現在的客觀事實，而是由現在的框架所定義，因此宇宙的客觀歷史高度相關於主觀有意識的觀察。這些種種的連結似乎意味著意識與宇宙（暗物質與暗能量）可能是同一個現象的不同面向，就像光的粒子與波動性，乍看之下性質迥異，但實際上卻是一體兩面。
結語
今日的演講在老師幽默風趣深入淺出的解說中順利落幕，老師帶領我們領略了科學如何在不斷地猜測與反駁下推進，以及科學家如何在知識的邊界努力探索及嘗試跨越，並在最後震撼地帶給現場觀眾一場橫跨宇宙與思維相互激盪的驚奇饗宴。如果您對光如何顛覆人類的理性，或對宇宙與心靈間隱晦的連結感到好奇，歡迎點選影片連結進一步觀賞哦！
參考資料
- 國家科學及技術委員會（2024年12月24日）。人工智慧與神經影像的共舞 首創超高速4D顯微鏡，揭開腦神經運作之謎。https://www.nstc.gov.tw/folksonomy/detail/23ddaae9-8b8e-4e98-9146-a39959c6fbe1?l=ch
- Hsieh, Y.-T., Jhan, K.-C., Lee, J.-C., Huang, G.-J., Chung, C.-L., Chen, W.-C., Chang, T.-C., Chen, B.-C., Pan, M.-K., Wu, S.-C., & Chu, S.-W. (2024). TAG-SPARK: Empowering High-Speed Volumetric Imaging With Deep Learning and Spatial Redundancy. Advanced Science, 11(41), 2405293. https://doi.org/10.1002/advs.202405293
- Huang, C., Tai, C.-Y., Yang, K.-P., Chang, W.-K., Hsu, K.-J., Hsiao, C.-C., Wu, S.-C., Lin, Y.-Y., Chiang, A.-S., & Chu, S.-W. (2019). All-Optical Volumetric Physiology for Connectomics in Dense Neuronal Structures. iScience, 22, 133–146. https://doi.org/10.1016/j.isci.2019.11.011
觀看演講錄影
吳銘群 撰稿