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法蘭西絲.歐德姆.凱爾西──擇善固執的藥品守門員

科學大抖宅_96
・2016/07/24 ・7793字 ・閱讀時間約 16 分鐘 ・SR值 511 ・六年級

1962年,白宮的玫瑰花園裡,凱爾西博士/醫師笑容可掬地從美國總統約翰‧甘迺迪手中接下傑出聯邦公民總統獎[1]。二十世紀最惡名昭彰的藥物災難剛結束,卻仍餘波蕩漾。

凱爾西從甘迺迪手中接下獎項。有趣的是,甘迺迪的夫人賈桂琳,在凱爾西力擋沙利竇邁的期間,也正好懷孕,成了潛在的受益人(圖片來源)
凱爾西從甘迺迪手中接下獎項。有趣的是,甘迺迪的夫人賈桂琳,在凱爾西力擋沙利竇邁的期間,也正好懷孕,成了潛在的受益人(圖片來源

一切均起因於兩年前,剛到任食品藥品監督管理局(Food and Drug Administration)的凱爾西,所接到的小案子。當時,沙利竇邁(Thalidomide)這個已在歐洲風行三年的「必備良藥」,終於要引進美國了;它不但是安眠藥,其具備的安寧鎮靜作用,也可以降低孕婦在懷孕期的不適,獲得了廣大的好評。藥商志得意滿遞交了新藥上市申請,希望趕在買氣最旺的耶誕假期前打入美國市場。後來,歷史告訴我們,因為申請案被這位名不見經傳的菜鳥雇員擋了長達一年半的時間,美國最終得以避免成千上萬的畸形寶寶出生。

沙利竇邁(Thalidomide)(圖片來源)
沙利竇邁(Thalidomide)(圖片來源

那是個多數女性仍掙扎於賢妻良母角色的年代,她身為兩個女兒的母親,卻能在專業領域做出名垂青史的貢獻,無疑是打破性別框架的典範。當我們回顧凱爾西的一生,若非她大學畢業後找不到工作、若非她無法就讀生物化學研究所、若非指導教授對她性別的誤解、若非南達科塔大學所在的弗米利恩市(Vermillion)沒有好的工作機會,凱爾西很可能無法像世人熟知的那般,拯救許多無辜的嬰兒和家庭。誤打誤撞與一連串的巧合、加上她獨到的眼光,成就了不凡的一生。

多采多姿的童年

法蘭西絲.歐德姆.凱爾西(Frances Oldham Kelsey)原名法蘭西絲.凱思琳.歐德姆(Frances Kathleen Oldham),1914年7月24日生於加拿大的不列顛哥倫比亞省。父親曾是英國軍方辦公室職員,母親則有著不錯的學識,可以教導法蘭西絲和哥哥識字、書寫;同時,母親的兩位姊妹也是優秀的女性楷模:一位是醫生、另一則是律師。

住在溫哥華島的鄉間,歐德姆一家總是以輕便馬車作為交通工具。在豐富的自然環境中,法蘭西絲盡情地探索住家周遭的田園、河川、和森林,也蒐集了為數不少的昆蟲和鳥蛋。當時,她就已決定了自己的志向:「我一直都知道自己想成為某種科學家。

法蘭西絲的父母相當有遠見,認為女兒也必須接受跟兒子同等程度的教育。即使年紀還小,法蘭西絲參加了許多實用性課程,如繪畫、鋼琴、舞蹈;年紀稍長後,她又跟朋友學習射擊和釣魚、以及瞞著父母偷開車。

隨著全家的搬遷,法蘭西絲曾先後在多所學校就讀。當時女性的教育並不受重視,女學生人數不多,有幾個學期,班上甚至只有她一個女孩;以至於,法蘭西絲的早期教育幾乎是在全男孩的環境下完成。

志趣在生物學的文科高材生

高中時期,法蘭西絲獲得數不清的獎項,卻全部都是文學相關領域;同時,她修過的自然科學課程,也只有數學跟化學──而且化學裡的質量作用定律(Law of mass action)還讓她深感挫敗。儘管如此,法蘭西絲仍然想研讀科學──或許是生物學(至少不會是化學),但她對生物學一點也不了解,也不知道可以找誰商談。當時,大學不會到高中招生,女孩也很少上大學;女大學生也只集中在護理和商業相關科系。

十五歲時,法蘭西絲高中畢業[2],但因為年紀太小,沒有直接進入大學,而是留在高中念大學課程先修班[3]。然而,令她深感無助的是,除了化學,學校幾乎沒有任何科學課程可以選擇。非常幸運地,1930年夏天,法蘭西絲巧遇安大略農學院(Ontario College of Agriculture)的生物學教授安東尼.金斯科特(Anthony Kingscote)。對方在一場野餐中生動地向她講述了生物學的種種;他倆沿著海灘,邊走邊探索動物世界的規律。金斯科特也給予了法蘭西絲關於研讀生物學的規劃建議──這倒是讓她相當地沮喪,因為學校根本沒有生物學可以修!

後來,在安排下,法蘭西絲得以前往維多利亞學院(Victoria College[4])修習生物學;那裡的老師教得極好,給了她相當多啟發。當時,學生們都必須穿著水手制服上課──雖然心裡有點疙瘩,但只要能修到夢想中的課程,一切都值得了!多年後,她在訪談中自陳:若不是後來就讀其他大學,自己一定會成為海洋生物學家。

維多利亞學院最古老的建築。法蘭西絲.奧爾德姆很可能曾在此上過課(圖片來源)
維多利亞學院最古老的建築。法蘭西絲.歐德姆很可能曾在此上過課(圖片來源

隔年,法蘭西絲在維多利亞學院上了動物學,接著又轉到蒙特婁(Montreal)的麥基爾大學(McGill University)修習更進階的課程。到了高年級,在朋友的慫恿下,她修了生物化學(Biochemistry),其中也包含了一點藥理學(Pharmacology)的內容,埋下日後與藥理學的牽絆。

求職不順和研究所的額滿

大學畢業後,雖然法蘭西絲曾試著求職,但適逢經濟大蕭條,沒有任何的工作機會;就算有職缺,也只會錄用男性──當時,社會一般認為男性是主要的家庭經濟支撐者,所以優先聘僱男性是相當常見的作法。法蘭西絲意識到,她要麼繼續攻讀碩士(可以有些微的薪水),否則就只能靠救濟過活。即使有點擔心自己的聰明才智無法勝任研究所的課程,她最終還是選擇攻讀更高的學位。

起初,法蘭西絲想繼續研讀生物化學領域。因為內分泌學(Endocrinology)正蓬勃發展,與其相關的生物化學自然也是前景可期。很不幸地,生物化學系的研究生缺額都滿了;在一位教授的建議下,法蘭西絲轉往藥理學系尋求雷蒙德.施特勒(Raymond Stehle)的指導。雖然施特勒不太喜歡收學生,但仍答應讓法蘭西絲成為自己的研究生,並會盡力幫她。

施特勒研究的是腦下垂體後葉(posterior lobe of the pituitary;posterior pituitary),算是個冷門的主題,除了法蘭西絲之外,沒有其他任何人一起參與研究。為了明白腦下垂體後葉對於青蛙體內水分平衡所扮演的作用,足足一年的時間她都待在被青蛙環繞的實驗室裡,不斷將籠子裡的青蛙浸在水裡、取出、把青蛙弄乾、測量體重、注射藥劑、再放回水裡、然後每十五到二十分鐘測量一次青蛙的重量。

一年之後,法蘭西絲獲得碩士學位──只不過,這回還是找不到工作。施特勒因為還有一些計畫經費可用,便對法蘭西絲表示:「來當我的研究助理,我一個月可以給妳五十元;同時,妳繼續找找看有沒有其他工作可做。如果找到了更好的工作,妳一定要接受。」在當時,五十元加拿大幣夠讓人過上一個月了。法蘭西絲便在這樣的狀況下,一面幫施特勒工作、一面尋找機會。

現在看來,若不是法蘭西絲畢業後找不到工作,她可能不會念研究所;又若不是生物化學系所有的缺額都滿了,法蘭西絲也不會踏入藥理學的研究領域,成為未來專業的基礎。

糟糕但美麗的誤會

1936年2月,施特勒聽說美國芝加哥大學新設了藥理學系,而且系主任尤金.蓋林(Eugene Geiling)也是從事腦下垂體後葉的研究,便鼓勵法蘭西絲寫信詢問蓋林。雖然不抱太多期待,法蘭西絲還是寫了信過去(反正也沒什麼損失)。

出乎意料地,她很快就收到航空郵件的回信,寫明:「親愛的歐德姆先生,……如果你能夠在3月1日來芝加哥就任,那麼你可以先做四個月的研究助理,然後會有獎學金提供你研讀博士。」看到開頭的稱謂,讓法蘭西絲內心糾結了一下,是不是該寫信去更正呢[5]?對此,施特勒勸她:「別傻了。接受這份工作、簽上妳的名字,然後把小姐以括號表示放在後頭。衝吧!」多年之後,她這麼回憶:「時至今日,我不知道如果我的名字是伊莉莎白或者瑪麗‧珍的話[6],是否還能得到那重要的、往前邁進的機會。我在芝加哥的指導教授到死都不可能會說分明。」蓋林教授是個保守且老派的人,對女科學家雖然沒有太多的支持,但為人公平,法蘭西絲也是他的第一個博士班學生。

就學期間,她曾到港口的捕鯨站蒐集所需的鯨魚器官,但因為船員認為女人上船不吉利,法蘭西絲起初並無法跟著船隊出海捕鯨──直到第二年造訪才得以上船;也很幸運地,那次出航順利捕到了鯨魚,打破了女人會帶來壞運的傳言。不僅如此,法蘭西絲也是歷來隨船隊出航的科學家中,唯一沒有嚴重暈船的。

磺胺酏劑災難

當時,磺胺被廣泛運用於醫療用途,並獲得廣大的成功;只不過,藥劑的安全性不但沒有經過嚴謹的科學研究,病患還必須服用相當大的劑量──偏偏它相當難吃、不容易下嚥,又容易造成腸胃不適。一家藥商突發奇想,打算把磺胺製作成液狀,這將對病患、尤其兒童會非常有幫助。然而,因為磺胺不溶於水和酒精,受雇於藥廠的化學家選擇了二甘醇(Diethylene Glycol)作為磺胺的溶劑。1937年9月,粉紅色、又帶點櫻桃口味的磺胺藥水推出,瞬間廣受好評、供不應求。

到了10月,有病患在服用藥水後死亡,但人們並不清楚是哪個環節出了問題。接獲案例後,美國食品藥品監督管理局便委託蓋林教授進行研究。為了挖掘真相,蓋林找來了許多不同的動物進行實驗,法蘭西絲則被分配到老鼠的觀測;很快地,研究團隊就發現問題來自二甘醇。於是,1938年,美國修改了關於食品及藥物的法令,要求所有新藥物都必須有安全性證明,否則不能上市。其實,只要藥廠當初在研發過程中稍微做一點研究,很快就能發現二甘醇的缺陷,不需要等到事後才亡羊補牢。因為法規的不完全和廠商的輕率,這次事件中有超過一百個人死亡,被稱為磺胺酏劑災難(Elixir Sulfanilamide Disaster)[7]

法蘭西絲和蓋林教授(圖片來源)
法蘭西絲和蓋林教授(圖片來源

博士、婚姻、醫學院

1938年,法蘭西絲以「九帶犰狳(Nine-Banded Armadillo, 學名:Dasypus novemcinctus)腦下垂體後葉腺的解剖學和藥理學」研究獲得博士學位,又接著以犰狳胚胎為主題,做了一年的博士後研究工作;偶爾,她還會親自跑到德州的農場捕捉犰狳,以獲得所需的胚胎。此時,就業市場仍然沒有好轉,法蘭西絲也不禁開始納悶,是否真的因為自己的女性身份以至於找不到穩定工作?然而,就業市場因為第二次世界大戰的驟然開打,局勢一夕轉變。

九帶犰狳。(圖片來源)
九帶犰狳。(圖片來源

當時,奎寧(Quinine,又稱金雞納鹼)是治療瘧疾的主要藥物,但是受到戰爭影響,奎寧嚴重短缺,以至於有數不清的人員都在進行瘧疾藥物的相關研究,例如開發新藥物、或測試新藥物的安全性等等。1941年,蓋林教授的團隊亦接到抗瘧疾藥物的大型研究計畫,法蘭西絲就也留在芝加哥大學幫忙。這段期間,她認識了研究同儕、生物化學博士費利蒙.艾利斯.凱爾西(Fremont Ellis Kelsey),兩人於1943年結婚──她的名字也因此改成法蘭西絲.歐德姆.凱爾西了。

戰爭結束後,問題來了:當時規定,有親屬關係的人不能同時受雇於同一系所;為此,法蘭西絲和她的丈夫,勢必有一人得離開。多方考量下,法蘭西絲決定進入醫學院就讀:一方面她曾修過一兩年的醫學相關課程;二來,作為女性,她也需要更多的優勢,好找到穩定的工作。兩個女兒也在醫學院時期先後出生。

醫師執照

醫學院畢業後,法蘭西絲為美國醫學會期刊(Journal of the American Medical Association)工作了一陣子,協助編輯部從良莠不齊的投稿中挑出好論文。

1952年,在蓋林教授的推薦下,法蘭西絲的丈夫得到南達科塔大學(University of South Dakota)藥理學系系主任的工作。南達科塔大學位於弗米利恩市,當地人口不多,也沒有好的女性工作職缺。沒有太多選擇的情況下,法蘭西絲開始在鄰近城市的醫院當起實習醫師。同時,她也是南達科塔州史上第一位拿到放射性同位素療法執照的醫師。

之後,法蘭西絲在南達科塔大學邊做研究邊教書;當合約到期後,因為女兒們年紀都還小需要有人照料,所以她並不急著找下一份工作,也沒有選擇自己開業。當地醫師人力吃緊,她便以機動醫師的方式,到各地做短期支援。

在法蘭西絲的生命中,雖然事情往往不是朝最理想的方向發展,但她總是能找到不錯的替代方案,同時增加自己的競爭力:大學畢業找不到工作轉而選擇念碩士、生物化學研究所額滿只好改念藥理學;碩士畢業後找不到工作卻又因為性別的誤會而進入博士班、沒辦法跟丈夫同時待在系所服務便選擇念醫學院、在弗米利恩市沒有好工作就去實習,拿醫師執照。山不轉路轉,彈性地尋求出路、加上一連串因緣際會,成就了我們所知的法蘭西絲.歐德姆.凱爾西。

在食品藥品監督管理局(圖片來源)
凱爾西在食品藥品監督管理局(圖片來源

食品藥品監督管理局和沙利竇邁

1960年,凱爾西夫妻兩人分別得到新工作,舉家搬遷到華盛頓特區(Washington D. C.)。法蘭西絲在食品藥品監督管理局的醫藥部門,負責檢視新藥物的核可申請。以她在藥理學跟醫學的專業,這真是再適合她不過的工作了!

當時,該部門的人力不多,只有十二、三人左右一起負責全美國的業務;再者,這份工作並不吃香,有好些員額還是由民間的開業醫師兼職的──畢竟,在外面營業賺的錢都比較多,何必到政府部門坐辦公桌、看藥物報告賺少少的薪水呢?不僅如此,新藥品的臨床實驗往往做得非常不周全,法律規範也不嚴謹;作為新人,她對此深感震驚。

剛就職一個多月,才接到第一個案子沒多久,法蘭西絲就收到了名為沙利竇邁(又名沙利度胺、反應停、酞咪脈啶酮)的藥物上市申請。原本,主管看在這只是單純的助眠藥物,便將這件小事交給還是菜鳥的法蘭西絲。

依當時的行政程序,只要檢核員在六十天內不表達反對意見、或者甚至忘記審查,該藥物就會自動被核可上市。然而,不只法蘭西絲負責檢查的臨床實驗報告有狀況,在化學原理和藥理學的部份,沙利竇邁的申請案都出現一些瑕疵。事實上,因著沙利竇邁在歐洲的大受歡迎,藥商原本認為可在美國也輕鬆過關,只差個橡皮圖章──沒想到,這下踢到鐵板了。

回憶起那段日子,法蘭西絲是這麼形容的:「藥商公司的代表認為我瘋了。在歐洲,它是那麼受歡迎的藥物;就因為我愚蠢般的頑固,他們失去了賺錢的機會。公司對我很不高興。

同年底,一位歐洲醫師發現他的病人在長期接受沙利竇邁治療後,出現嚴重的末梢神經炎(Peripheral Neuritis),將此觀察投稿到英國醫學期刊(British Medical Journal);法蘭西絲注意到了這篇報告,並要求藥商提出更多安全性的證據,包括在懷孕期的使用狀況。如果沙利竇邁可能對成年人產生嚴重的副作用,那麼孕婦肚子裡的嬰兒又會如何?不過,藥廠幾乎沒有針對孕婦的使用做過任何研究,只同意在包裝上加註警語,並且一再強調該藥已在歐洲上市好一段時日──如果沙利竇邁不安全,應該早就被發現了。

約莫同時,歐洲已開始注意到新生兒缺陷的比例似乎有上升的趨勢,但還不清楚確切的成因。就現實而言,因為孕婦使用沙利竇邁後幾乎沒有什麼明顯的副作用,人們也料想不到是沙利竇邁造成了胎兒畸形。

藥商這下子著急了:本來,希望能趕在銷路最好的耶誕節假期前上市,沒想到,連第二年的耶誕節搞不好都沒指望了。廠商用盡一切努力施壓,反覆跟法蘭西絲通信、通電話;又跟她的上司抱怨,形容法蘭西絲是吹毛求疵、頑固、不可理喻的官僚[8];還辦了學術工作坊找學者在會議中批鬥她。

撥雲見日

1961年11月,初步的研究證據顯示,沙利竇邁和歐洲出現的胎兒畸形有所關聯,使得藥廠暫時撤回了在德國的銷售(隨後其他歐洲國家也跟進)。對法蘭西絲來說,這個結果亦相當令人意外:她確實認為藥品的安全性證據不足,因此不予核准上市,但沒料到沙利竇邁的副作用是如此嚴重。

再四個月後,藥商撤回了在美國的新藥上市申請,沙利竇邁始終沒有進入美國市場。法蘭西絲因著自身的專業和嚴謹,拯救了數不清的潛在使用者。隨著證據逐漸出爐,沙利竇邁的問題點已毋庸置疑。很可惜地,藥商之前已將藥品分發給全美國的諸多醫師做試用,導致美國最終還是有17位受害嬰兒出現(雖然其中有半數是母親在歐洲就有使用沙利竇邁的經驗);相較於全球約一萬名的畸形胎兒,此仍是不幸中的大幸。這些受害者,在心臟、五官跟四肢處往往有明顯的缺陷。

沙利竇邁受害者的典型症狀之一:四肢短小。現今他們仍在世界各地生活著(圖片來源)
沙利竇邁受害者的典型症狀之一:四肢短小。現今他們仍在世界各地生活著(圖片來源

隨著事件的爆發,在背後默默守護著人民的身影也逐漸為人所知。報紙、雜誌紛紛挖掘幕後秘辛、報導了法蘭西絲的貢獻。雖然在整個過程中承受了相當大的壓力,但法蘭西絲以平常心視之──畢竟她的工作性質特殊,難免會遇到這樣的事情。1962年8月,法蘭西絲獲得傑出聯邦公民總統獎,她對此卻表示:「我認為我只是代表許許多多的聯邦雇員領獎而已,因為這其實是團隊合作的成果。

帶給世界的影響

因為沙利竇邁事件的效應,1962年和1963年,美國相繼通過藥品管制的法令與規範(法蘭西絲也協助了法規的制定):藥廠在進行動物實驗和臨床實驗前都必須就藥物的安全性提出說明;對於藥品的測試流程、參與研究者等等也都有詳盡的規定──這對其他國家的藥品相關法令亦產生示範性的作用。無論如何,所有新藥上市前,其安全性和有效性都必須有嚴謹的證據。

除此之外,美國食品藥品監督管理局亦進行了組織調整,由法蘭西絲擔任新成立的試驗用新藥科(Investigational New Drug Branch)主管,負責監管已在實驗室測試過,但尚未完成臨床試驗的新藥[9]。之後,她亦相繼在局裡的不同部門服務,直到2005年以90歲高齡退休。

法蘭西絲.歐德姆.凱爾西在菜鳥雇員的位置,憑著自身的專業,做出該做但許多人沒能做到的事;其不但避免了悲劇在美國發生,也協助訂定了藥物規範,影響了全世界。

2015年8月7日,就在她獲頒加拿大勳章[10]之後不到二十四小時,便於加拿大安大略省的倫敦市(London)過世,享年101歲。誠如加拿大沙利竇邁受害者協會的會長梅賽德斯.班奈比(Mercédes Benegbi)所說:「儘管她是在另一個國家有所作為;對我們而言,她永遠是我們的英雄。

加拿大將凱爾西的肖像放在鈔票上
加拿大將凱爾西的肖像放在鈔票上
Dr. Frances Oldham Kelsey 攝於2010年。 Credit Brendan Smialowski for The New York Times
Dr. Frances Oldham Kelsey 攝於2010年。
Credit Brendan Smialowski for The New York Times.

 

參考資料

  • 《Women in Medicine: An Encyclopedia》;Laura Lynn Windsor(ABC-CLIO)(2002)
  • 〈Doctor who opposed thalidomide in U.S. named to Order of Canada〉;The Globe and Mail(Jul. 01, 2015)
  • 〈Frances Oldham Kelsey averted a thalidomide tragedy because she wouldn’t be rushed〉;The Globe and Mail(Aug. 14, 2015)
  • 〈Frances Oldham Kelsey, Who Saved U.S. Babies From Thalidomide, Dies at 101〉;Robert D. McFadden(The New York Times)(Aug. 7, 2015)
  • 《Autobiographical Reflections》;(Frances O. Kelsey)(1993)

註釋

  • [1] President’s Award for Distinguished Federal Civilian Service,該獎項是美國聯邦政府雇員的最高榮譽;凱爾西也是史上第二位得到此獎項的女性。
  • [2] 十五歲就高中畢業聽起來相當地早,對此她曾表示,這是因當時學制、以及好的早期教育之故。
  • [3] 在當時的加拿大,大學一年級的課程可以預先在高中教授。
  • [4] 維多利亞學院為多倫多大學(University of Toronto)的學院之一。
  • [5] 法蘭西絲(Frances)為女性名字,但因跟男性名字的法蘭西斯(Francis)相近,容易讓人混淆。
  • [6] 意指名字相當女性化不會被誤認。
  • [7] 關於酏劑,可參考維基百科
  • [8] 原文:「a fussy, stubborn, unreasonable bureaucrat」。
  • [9] 對於現今藥物研發的流程,可參考這篇好文
  • [10] Order of Canada,加拿大平民的最高榮譽。

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在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/


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既是科學家,也是樂團鼓手!──專訪數學物理學家程之寧

研之有物│中央研究院_96
・2022/03/11 ・5978字 ・閱讀時間約 12 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文|郭雅欣、簡克志
  • 美術設計|林洵安、蔡宛潔

在學術與搖滾的多重維度上行走

還記得美劇《The Big Bang Theory》嗎?劇中常常出現的物理名詞「弦論」,是描述物理世界基本結構的理論。中央研究院「研之有物」專訪院內數學研究所程之寧研究員,她正是研究弦論的科學家,也是熱愛音樂的搖滾樂團鼓手,這種跨領域身份並不衝突,兩邊都需要創造力與紀律。由於天生斜槓的性格,讓程之寧在數學和物理領域大展身手,透過數學的深入探討,她試圖將弦論更往前推進。最近程之寧更跨足到人工智慧領域,為學界提供理論物理上的貢獻。

中研院數學所程之寧研究員,主要研究 K3 曲面(特殊的四維空間)的弦論,她發現模函數和有限對稱群之間有 23 個新的數學關聯,稱之為「伴影月光猜想」(Umbral Moonshine)。圖/研之有物

萬有理論和難以捉摸的「月光」

世界從那裡來呢?物理世界的本質是什麼呢?回答這樣的大哉問,一直是理論物理學家所追求的目標。從牛頓力學(日常應用)、廣義相對論(探討很重的物質)到量子力學(探討很小的物質),隨著物理學不斷發展,我們似乎一步步接近答案,但至今卻還未走到終點。

舉例來說,如果有個東西很重又很小,就像「黑洞」,或是大爆炸時的宇宙,我們要怎麼用數學描述?於是科學家試圖整合廣義相對論和量子力學,找出所謂的「萬有理論」(Theory of Everything)──能完全解釋物理世界基本結構的核心理論。

程之寧研究的「弦論」就企圖發展成這樣一個萬有理論。弦論一如其名的「玄妙」,它設定宇宙所有的粒子都是由一段段「能量弦線」所組成,每一種基本粒子的振動模式不同,產生不同的粒子特性。

「人類一直以來的夢想之一就是,如果能用一句話解釋所有事情,那該有多麼美好。」中研院數學所研究員程之寧說道。

程之寧的研究牽涉到數學上的「月光猜想」(Moonshine)與弦論中 K3 曲面的連結。月光猜想是存在於模函數係數與特殊群之間的數學關聯,程之寧與其研究夥伴共發現了 23 個新的關連,並稱之為「伴影月光猜想」(Umbral Moonshine)。

基於弦論的假設,我們的世界是十維的,除了人們在日常生活中可以感知到的 3+1 維(空間+時間),還有六維是因為尺寸太小而無法用肉眼觀察的,這些看不到的維度影響著物理世界,最終也產生了我們這個物理世界所需的各種條件與特性。

綜觀程之寧的研究,橫跨了物理與數學兩個領域,她笑稱自己「天生斜槓」。在學術上,程之寧原先喜歡文學,之後卻走上數理研究的道路;在音樂上,程之寧喜愛搖滾樂,至今仍在自己的樂團裡擔任鼓手。

她如何看待自己一路走來的各種轉折?游徜在數學與物理之間,她又對這兩個領域的連結有怎樣的體會?在與「研之有物」的訪談中,程之寧侃侃而談她的經歷、想法,以及對學術研究的熱忱所在。

在弦論的設定中,宇宙所有的粒子都是由一段段「能量弦線」所組成,每一種基本粒子的振動模式不同,產生不同的粒子特性。圖/iStock
  • 請問您是如何對數學及物理產生興趣?從何時開始?

一開始考大學時,其實我想去念中文系(笑)。不過,因為我高中是選理組,而且只念了一兩年,對文科考試比較沒把握,加上對工程科系沒興趣,最後就選擇臺大物理系就讀。

後來發生兩個轉折,第一個是我很認真的去修了大學中文系的課,結果發現真的沒有想像中容易。第二個就是我發現物理系的課還蠻有趣的,像量子力學和相對論,讓我覺得還想再多學一點、多知道一點。

我開始覺得如果念完臺大物理系就停下來,好像有一種小說沒讀完的感覺,所以就想繼續讀碩士班。那時還沒有覺得自己會走上學術研究的路,單純抱著想把故事看完的想法。

  • 後來是如何接觸到弦論?弦論是如何引起您的興趣?

後來我去荷蘭念碩士,指導教授是諾貝爾物理獎得主 Gerard ’t Hooft。他其實蠻不認同弦論,但他對於如何處理量子力學與相對論很有興趣。

當時 ’t Hooft 教授在建議我碩士題目時就說:「你也知道我不太認為弦論是一條正確的道路,不過聽說弦論最近真的在量子重力這一塊有一些成果。不如妳去讀一讀,看看是不是真的有一些東西在那裡,也可以比較一下其他量子重力理論。」

在我很認真的比較各個量子重力理論之後,就變成弦論派了(笑)。’t Hooft 教授對此也保持開放態度,他有幾個不錯的博士生後來也變成弦論學家,之後我在 Erik Verlinde 的指導下念博士時,就完全以弦論為研究主題了。

  • 研究理論物理會影響您對現實世界的理解嗎?

蠻多人會問我說,妳學了量子力學,是不是就會比較了解這個世界不是非黑即白?或問我量子力學跟宗教是不是有關?可是我覺得我分得很開,我不會去做這樣的連結,我還是活在現實裡,走路時大部分都在專注於自己不要跌倒之類的。

如果真的要講,我蠻感激我們的存在,因為我所學的東西讓我知道這是沒有必然性的。我們能這樣以一種人形的很奇怪的生物的形式存在,然後在這樣一個環境過一輩子,是機率很低的事情,而且我還蠻開心我是當人,而不是奇怪的阿米巴蟲或外星生物!有些人會從這裡連結到宗教或轉世,但我不會,我就停在這裡。

  • 來談談您的研究,伴影月光猜想與 K3 曲面弦論之間是什麼關係?

弦論中有很多的可能性,我們可以挑選特定的四維,然後假設這四維空間是個 K3 曲面。例如說,我們可以把兩個甜甜圈乘起來,在上面做特殊的奇異點,來製造出一個 K3 曲面。這個曲面有一些很有趣的對稱性。從弦論的角度來講,我們可以透過這個過程,找出一個解釋為何有伴影月光猜想的框架。

「把維度乘起來」這個概念很難想像,但這在數學上是成立的。我舉例一個我們能想像的「乘起來」:如果有一個空間是一條線,另一個空間是一個圓,乘起來就變成一個圓柱形,從一個方向剖面可以切出圓,另一個方向則切出線。而在數學上,不管幾維,能不能在紙上畫的出來,都可以這樣操作。

程之寧向「研之有物」採訪團隊解釋「把維度乘起來」的概念。圖/研之有物
  • 如何透過計算,發現捉摸不定的「月光」?

有時候這看似湊巧,一個數學上的函數正好就是弦論某個問題的答案。但其實並不是真的那麼巧,弦論看起來很有彈性,好像什麼都可以解釋,但它其實有非常多結構及限制。

當我在計算一個弦論理論時,它的內部結構可能原本就具有某些特定的性質,然後我再去觀察數學中,有這樣性質的函數可能就只有一兩個,只要再初步算一下,就能知道哪一個是答案。弦論學家日常的計算常常是這樣的,所以這是巧合嗎?是也不是。

  • 您曾經發現 23 個新的伴影月光猜想,您對這類題目特別有興趣嗎?

我覺得數學有兩種,有些數學家喜歡系統性的事情,就像蓋房子一樣,在數學裡建造一個很美麗、非常有系統性的結構,可以把很多事情都放入這個結構來理解。

另一種比較少數的,就是喜歡獵奇,去收集分類奇奇怪怪的特殊東西,例如有這些性質的函數在哪裡?可能你算出來就是 5 個,你也不知道為什麼。月光猜想很明顯就屬於這一類。

兩種的樂趣感覺是不一樣的,我覺得應該都很棒,但我可能是屬於偏好獵奇的這種。

  • 您的研究連結了物理上的弦論與數學上的月光猜想,您怎麼看待這兩個知識體系的互動?

弦論是一個需要很多數學理論配合的物理理論,它是一個有點繁複的框架,我們什麼都要會一些,才能看懂這個理論。當你把許多不一樣的學門的知識加起來,有時候就會在某一個學門──例如幾何──有意想不到的收穫。

弦論在數學上也扮演探索與找尋新方向的角色,讓數學家有新的發現。雖然最後數學定理的證明還是得仰賴傳統數學方法,但在這二三十年間,我們一直從弦論身上找尋數學研究的新方向或有趣的猜想,看到了弦論與數學之間的互動。

數學家有兩種,一種人喜歡建立美麗又有系統性的結構,另一種人喜歡尋找和收集奇怪特殊的數學物件(比如函數),程之寧表示自己屬於後者。圖/研之有物
  • 剛才一開始提到,您高中只念了一兩年,是因為對學校沒有興趣嗎?

其實我一直都覺得上學很無聊。我小時候臺灣教育和現在很不一樣,一班 50 幾個人,老師必須盡量軍事化管理,大家最好都一模一樣,比較好管理。我和學校一直處於互相磨合的狀況,我自認已經努力配合學校,但學校一直覺得我在反抗,這可能是一個認知上的差別。

舉例來說,我小學的時候不想睡午覺,可是老師說大家都一定要睡午覺,不睡午覺的人要罰抄課文,所以我早上到學校時就會把已經抄好的課文交給老師。我覺得我這樣做是在配合老師的規定,可是以老師的立場會覺得我在反抗,學校教育中我遇到了很多類似的情況。

還有就是不喜歡高中的升學氛圍,同學和老師好像都只有一個活著的目標,就是「考大學」。我當時無法習慣升學氛圍,感覺好像活在平行宇宙一樣。

  • 高中休學後,您去唱片行工作,可否談談當時的想法?

我國中開始聽音樂,這是我除了看書之外的重要興趣,我也很快就喜歡上了搖滾樂。高中休學的時候,我唯一的謀生技能可能就是我對音樂的各類知識吧!所以我就去了唱片行,這是唯一一個我會做又有興趣的工作,還好那時候還有很多唱片行(笑)。

  • 對音樂的熱忱,讓您與朋友共組了樂團,並擔任鼓手。您是否比較過樂團生活和學術研究之間的異同之處?

有些人覺得我這樣很跳 tone,但我自己覺得還好。音樂和學術都是我發自內心覺得好玩的東西,兩者也有相同之處,例如它們都需要創造性,也都有需要了解的框架。數學需要嚴謹的證明,音樂演奏也需要遵循結構,例如不能掉拍。

音樂領域還有一點和數學類似──玩樂團的圈子也是以男性為主。我們樂團則是只有一個男生,其他都是女生,可能我真的天生對框架有點遲鈍,玩團之後才發現:「怎麼大家都是男生?」

程之寧表示,學術界仍有許多性別不平等問題未受重視。圖/研之有物
  • 也就是說,目前數學學術圈仍是男性主導,在研究路上,您有因為性別而感受到一些衝擊或眼光嗎?您怎麼面對?

有。那感覺很明顯,日復一日地要去面對,尤其是年紀還比較輕、還必須每一天去證明自己的能力的時候,特別有感。

我遇到時的反應就是,在心裡暗罵一句髒話,然後繼續做我要做的事。我不會想改變別人的想法,感覺那是浪費時間,就算環境給我的阻礙是這樣,我還是繼續去做該做的事。

可是有些事情沒那麼簡單,現在我也當過老師,有時候會看到年輕女生在學術界因為性別而被欺負,或遭到不公平待遇、甚至騷擾。

對此我感到心痛,覺得為何我們學術領域還是這樣的狀況?甚至為什麼性騷擾至今還是一個議題?可以確定的是,學術界許多性別不平等問題未受到重視。

  • 您現在已經有傑出的研究成果,還會因為性別而遭受質疑嗎?

我現在比較會遇到一個狀況反而是來自學生的質疑。我在荷蘭阿姆斯特丹大學教書時,有時候學生會因為我是女教授,而且我的外表在許多歐洲人眼中看起來就像小妹妹,所以比較容易去挑我的毛病。

在課堂上,下面坐的可能都是男學生,只有一兩個女學生,那個氣氛就會變得很奇怪。例如說偶爾會聽到學生評論我的身材或樣貌。

我有和其他一些在歐洲或美國的女性教授聊過這樣的問題,似乎不少人都有類似的不太愉快的經驗。感覺不是很好。

  • 看到您最近的研究和人工智慧(AI)有關,為何會想往這個方向發展?

我有兩個動機。一個就是我真的想深入了解人工智慧。我也可以像普羅大眾,看看 AI 下圍棋,讚嘆「哇!好厲害!」這樣就好,可是我覺得我一定可以真的去理解它,這可能就是數學家的自大吧!

另一方面,我知道對科學研究來說,未來 AI 將會是一個非常重要的工具。這是「在職訓練」的概念,我可能會用到這個新工具,或以後我可能會需要教這樣的課,因為學生是下一代的科學家。因為這些原因,我覺得我需要去訓練自己使用新的工具。在我的領域裡,也有一些有趣的、還沒被解答的科學問題,是 AI 有可能幫得上忙的,我看到了一些潛力。

  • 弦論和 AI 感覺差距很大,AI 也可以應用到弦論的研究嗎?

乍看之下,弦論的確比較抽象,也不像其他許多實驗會產生大量數據。但其實弦論有大量的可能性,我認為使用 AI 來在這些巨量的可能性當中搜尋特別有趣的理論,是一個有潛力能夠加深我們對弦論理解的新的研究方法。

而且 AI 的應用絕不僅限於巨量資料。如果是面對一些比較新的挑戰,在沒有現成的演算法可以用的情形之下,可以自己做出需要的功能嗎?這過程我覺得也非常很有趣,而且應該是會有成果的一條路。這種不是那麼顯而易見的事情,我覺得很有挑戰性,也蠻好玩的。

除了用 AI 來幫助物理跟數學的研究之外,我也試著物理研究當做靈感來源,找出新的 AI 的可能性,我覺得這也是一個很有趣的研究方向。我現在有和 AI 的學者合作,嘗試做出一些創新的演算法,真的還蠻有趣的。

  • AI 對您而言是全新的領域,您如何面對跨領域遇到的門檻?

一開始會覺得真的要去碰這個新的領域嗎?其實現在也還是偶爾會有這樣的懷疑。我在弦論領域可能已經是專家,但去了一個新的領域,我學得不會比二十歲的人快,要怎麼去跟人家競爭?是不是在浪費時間?

但也會想,與其想這麼多,不如先做再說。到目前為止我做了兩年多,感覺還蠻好的,我有學到東西,也有做出小小的貢獻。

其實我還蠻感激有這樣的學習機會。對我來說當科學家最大的好處就是,去搞懂一個新的東西就是工作的一部分。當科學家雖然蠻辛苦,但就結果論來說,我還蠻開心能當一位科學家!

延伸閱讀

  1. Moonshine Master Toys With String Theory | Quanta Magazine
  2. Mathematicians Chase Moonshine’s Shadow | Quanta Magazine
  3. 林正洪教授演講 一 怪物與月光(Monster and Moonshine),《數學傳播》

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook