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在月球上想喝水怎麼辦?只好吃土了

科學大抖宅_96
・2021/03/21 ・4469字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 529 ・七年級

月球,距離我們最近的星體,也是人類離開地球、邁向太空的第一站。長久以來,不管是月球表面的探勘照片、還是太空人登陸月球的錄影畫面,似乎都暗示著:月球是乾燥的不毛之地,不適人居:沒有變形金剛的太空船、也沒有嫦娥或月兔。

最近幾年,我們對月球的認識有了長足進展,越來越多證據表明,月球上不但有水,甚至出現在意想不到的地方,對人類未來的月面活動帶來潛在幫助。

不妨想像:未來人類在月球建立前哨站,駐紮於當地的人員,一切生活所需都有賴地球補給;唯一的例外,可能就是靠挖土取水——這不是掘井,而是要擷取月球土壤內的稀少水分…

月球,全然乾燥之地

打從 1969 年人類首度登陸月球以來,科學家針對帶回地球的月球土壤/岩石樣本,已進行過多次分析,並從中發現諸多元素╱化合物存在的堅實證據——但並不包括水;科學家推測,約莫 45 億年前,原始地球曾與大小接近火星的天體碰撞,產生的物質碎屑環繞地球並逐漸合併,最終形成月球。因為撞擊的龐大能量之故,月球剛形成時,表面覆蓋著岩漿海洋,水和其他高揮發性物質則散逸殆盡——稱為大碰撞假說 (Giant impact hypothesis)。

數十年來,一切跡象在在顯示,月球是個缺水的地方,除了 1976 年,蘇聯的月球 24 號 (Luna 24) 探測器,於月球地底 2 公尺深處,獲取的 170.1 公克土壤之外——蘇聯科學家於 1978 年的論文聲稱,從中發現水的存在。只是,既然美國科學家從未在月球土壤裡發現過水,蘇聯科學家也無法保證樣本絕未受到地球環境污染,這件事就這麼不了了之,沒有被認真看待。

月球,有點乾燥又沒那麼乾燥之地

學界對月球的認知開始改變,是在 2008 年,科學家利用更先進的技術,重新分析早前美國從月球帶回來的火山玻璃岩石樣本,確認了水的微量存在;隔年,印度首個月球探測器錢德拉揚 1 號 (Chandrayaan-1),也發現月球表面疑似存在水分子。

在那之後,有不少月面觀測或者岩石分析陸續得到類似結論,但都不能說是確切證據——主要原因在,各種不同月面觀測看到的訊號,或許來自羥基 (OH),而非水分子 (H2O), 不然就是還有其他解釋;再者,亦有研究顯示,岩石樣本裡發現的水,可能只是少部分特例,而非普遍現象——換言之,月球整體而言還是極度乾燥。

月球隕石坑存在水冰

到了 2018 年,美國的研究團隊詳細分析以前錢德拉揚 1 號上、由月球礦物測繪儀 (Moon Mineralogy Mapper) 得到的近紅外線反射光譜數據,確認月球南北極附近、隕石坑內的永久陰影區域(即太陽光永遠照射不到的區域)覆蓋著冰——這可算是月球表面存在冰的第一個直接證據。

月球南北極附近(左:北緯80度到90度;右:南緯80度到90度)冰的分布圖。綠色和青綠色的點代表含有冰的區域。圖中越黑的區域代表全年最高溫度越低;只有全年最高溫度低於絕對溫標110K區域的冰才會被標出。(圖片來源)
月球南北極附近(左:北緯 80 度到 90 度;右:南緯 80 度到 90 度)冰的分布圖。綠色和青綠色的點代表含有冰的區域。圖中越黑的區域代表全年最高溫度越低;只有全年最高溫度低於絕對溫標 110K 區域的冰才會被標出。圖/參考文獻 5

只不過,在這些隕石坑的永久陰影地帶,冰覆蓋的比例不但很低,還混雜了大量塵土,相當不尋常。數年前,科學家相繼在水星和穀神星(Ceres,位於火星和木星軌道之間主小行星帶的天體)的隕石坑永久陰影區域發現冰,而且豐富度和純度都比月球的冰高上許多——這樣的結果顯示,月球上的水,起源或演化可能跟水星和穀神星的水很不一樣;若能明白兩者差異的來由,將幫助我們更加理解月球的歷史。

月球的冰如何演變?

雖然科學家目前還未能完全解釋月球的水文,但有人猜測,早期月球曾擁有溫暖、潮濕的大氣,現在的水是當時的殘留,經過時間的流逝,逐漸擴散、消失,演變成現今的樣貌。另外一種可能,則是因為月球的真極移(true polar wander,即星球自轉軸的位置變化造成地理南北極極點的移動)現象,長久下來造成隕石坑內的陽光曝曬不均,所以永久陰影區內的冰才會分布零散、不規則。

真極移示意圖:地球自轉軸位置改變,造成地理南北極的位置變化。圖/Wikipedia

還有個問題是,上述研究使用的近紅外線反射光譜法,只能告訴我們月球表面的狀況,無法顯示地面以下的冰層分布;所以,這些位於隕石坑永久陰影區域的冰,究竟有多少?只是表面薄薄一層呢?還是像冰山一樣,有大量的冰埋藏在地底深處?這都有待之後,利用其他觀測方法進行分析,或甚至直接獲取月球地底的土壤樣本,才會知道了。

紅外線天文觀測神器——平流層紅外線天文台

另一方面,要研究月球上的水,其實在地球也能進行,不一定要將探測器送往月球;美國國家航空暨太空總署 (National Aeronautics and Space Administration,NASA) 和德國航空太空中心 (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.,DLR) 的聯合計畫,由 1995 年退役的大型商用飛機波音 747SP 改裝而成、主鏡口徑達 2.7 公尺的反射望遠鏡——平流層紅外線天文台 (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy,SOFIA),就對月表水分子的觀測做出重要貢獻。

平流層紅外線天文台於觀測機艙門打開時的樣貌。圖/Wikipedia

一般而言,當星體發出的光線抵達地球時,會跟大氣層中的物質分子或粒子作用,造成很大一部份的電磁能量被吸收或反射;而地表上空無處不在的水氣,正好是很強的紅外線吸收氣體。因此,以紅外線為目標的天文觀測,非常難以在地面進行。

基於上述原因,平流層紅外線天文台的最大特點,就是在夜間於 13 公里高空飛行,位處大氣層 99.8% 的水氣之上——這讓科學家不需要依賴太空望遠鏡,也能避免水氣干擾、進行靈敏的紅外線天文觀測;同時,平流層紅外線天文台的高機動性也是一大優點:它能夠飛往地球上的任意角落,全方位觀測夜空,不像傳統地面望遠鏡受到位置限制。

電磁波在不同波長(橫軸)對應的大氣不透明度(縱軸)。不透明度越高,代表該波長的電磁波越難穿透大氣層;紅外線的波長比可見光(圖中彩虹部分)的紅光更長,約為700nm(奈米)至1mm(毫米),極大一部份波段都難以穿透大氣層。波長極短的伽馬射線、X光和紫外線也很大程度被大氣層擋住,所以跟紅外線一樣,適合用太空望遠鏡觀測。容易穿透大氣層的可見光和部分波段的無線電波則可用地面望遠鏡觀測。圖/Wikipedia

月球上的水不只冰

2018 年 8 月 31 日晚上,時為夏威夷大學馬諾阿分校 (University of Hawaiʻi at Mānoa) 博士生的霍尼博爾 (Casey I. Honniball),和研究團隊成員利用平流層紅外線天文台,對月亮南半球的中高緯度地區、克拉維斯環形山 (Clavius) 一帶,進行了十分鐘觀測,這也是平流層紅外線天文台第一次被用來瞄準月球。沒想到,這次半試驗性質的觀測,帶來出乎意料的驚喜。

天文台接收到強烈的紅外線訊號,波長六微米(百萬分之六公尺)。合理推測,這是月球表面的特定物質受陽光照射後,又將吸收到的輻射能量釋放出來所致。這個結果,作為霍尼博爾博士論文的一部分,於 2020 年 10 月發表在《自然.天文學》 (Nature Astronomy) 期刊網站。

究竟是什麼物質能夠放出波長六微米的紅外線呢?研究團隊表示:「除了水之外,我們並不知道任何月球上合理存在的其他物質,會展現出單一的六微米(波長)光譜特徵。」

過往,針對月球水的研究,很大一部份重心都放在隕石坑的永久陰影區——畢竟那裡溫度最低,也是最有可能存在水冰的地方。儘管也有跡象顯示,陽光照射的月面區域,似乎存在著水 (H2O) 或羥基 (OH),但一直沒有證據確認何者為是。這次的研究,不但證實以前探測器看到的訊號為水,也表明了,水不只存在月球隕石坑的永久陰影區,甚至可能以冰之外的形式,出現在陽光普照的月面大地。

研究團隊在不同位置觀察到的波長六微米紅外線訊號。紅線和紅字代表水含量最豐富之處的譜線和詳細位置;黑線和黑字代表水含量最貧乏之處的譜線和詳細位置。圖中可以看到,在波長(橫軸)六微米之處,紅外線放射相對強度(縱軸)都很高。(參考文獻9

月球的水知多少?

那麼,缺少了隕石坑的陰影保護,這些水又是如何得以保存、不會散失呢?研究團隊認為,水分子極可能是儲存在自然產生的火山玻璃中,或是被夾在岩石粉塵的微小結晶之間――兩者都能隔絕月球表面的極端溫度變化(約絕對溫標 95K~390K),和接近真空的環境。

根據觀測結果,每立方公尺的月球土壤,含有數百公克的水——看起來不少,但其實只有地球撒哈拉沙漠土壤含水量的百分之一;研究團隊同時表示,這可能只是區域性的地質現象,而非整個月球的一般性結果。

接下來,還需要仔細在月球表面做大範圍觀測,研究水含量隨時間和緯度的變化——這將幫助我們明白這些水的生成和儲存,以及在月表的分布狀況。

未來展望

如果我們對月球的水資源,包括其型態、集中度、分布位置、豐富度等等瞭解越多,未來就越可能妥善運用它。這些水不但能夠作為未來月球前哨站的人員所需,甚至也能還原成氫和氧,製造可呼吸的氧氣,或者成為火箭燃料。幸運的話,或許我們不用到偏遠的隕石坑永久陰影區,冒險採取冰塊;只需要在陽光照耀之下挖掘土壤,就能得到足夠使用的水;從地球過去的補給也可以省下裝水的空間,以放置研究儀器。

無論如何,目前最重要的事,就是持續探索未知:除了遠距測量之外,也需要月球的登陸任務,以驗證許多研究推論。NASA 現在的阿提米絲 (Artemis) 計畫,打算於 2024 年重返月球,屆時也預期會產生第一位登陸月球的女性太空人。一切順利的話,2028 年將會有月表的長期任務;而我們在月球學習到的經驗,都將作為宏偉的下一步——人類登陸火星的養分。

參考資料

  1. Leonard David (2020/10/26), “Water Found in Sunlight and Shadow on the Moon”, Scientific American.
  2. Leonard David (2018/08/21), “Beyond the Shadow of a Doubt, Water Ice Exists on the Moon”, Scientific American.
  3. Kimberly Ennico et al. (2018), “An Overview of the Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy Since Full Operation Capability”, J. Astron. Instrum. 7, 4, 1840012.
  4. E. T. Young et al. (2012), “Early Science with SOFIA, the Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy”, ApJL 749, L17.
  5. Shuai Li et al. (2018), “Direct evidence of surface exposed water ice in the lunar polar regions”, PNAS September 4, 115, 36, 8907.
  6. Alberto E. Saal et al. (2008), ”Volatile content of lunar volcanic glasses and the presence of water in the Moon’s interior“, Nature 454, 192.
  7. C. M. Pieters et al. (2009), “Character and Spatial Distribution of OH/H2O on the Surface of the Moon Seen by M3 on Chandrayaan-1”, Science 326, 5952, 568.
  8. Arlin Crotts (2011), “Water on The Moon, I. Historical Overview”, Astronomical Review 6, 7, 4.
  9. C. I. Honniball et al. (2021), “Molecular water detected on the sunlit Moon by SOFIA”, Nature Astronomy 5, 121.
  10. NASA (2020/10/26), “NASA’s SOFIA Discovers Water on Sunlit Surface of Moon”.
  11. Humboldt State University, “Atmospheric Absorption & Transmission”, Introduction to Remote Sensing.
  12. Simon J. Lock and Sarah T. Stewart (2019/07/01),〈浴火而生-改寫月球起源〉,科學人。

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科學大抖宅_96
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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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