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絕美的海岸線——彰化沿海的鷸鴴景觀

自然保育季刊_96
・2021/07/02 ・5447字 ・閱讀時間約 11 分鐘
  • 本文轉載自特有生物研究保育中心,《自然保育季刊》第 113 期
  • 作者 / 蔡芷怡|社團法人中華民國野鳥學會環境計畫專員、丁宗蘇|國立臺灣大學森林環境暨資源學系教授、林佳祈|國立臺灣大學森林環境暨資源學系碩士生、沈芳伃|國立臺灣大學森林環境暨資源學系碩士生

夏季來到彰化海岸,迎面而來便是熾熱的陽光和強勁的海風。王功漁港的街道飄出陣陣海鮮的香氣。 芳苑的灘地上,溫厚的黃牛拉著車,踏著悠閒地腳步,載著觀光客到灘地採蚵,而這些黃牛就被暱稱為「海牛」。大朋友小朋友興奮地拿著鏟子和水桶,在漢寶溼地的泥灘中挖掘各色的貝類;同時,招潮蟹揮舞著大螯,彈塗魚扭動著身子,點綴整個畫面。 但您是否有注意過,在灘地上也有一群保護色極佳的小小鳥兒,用多樣形狀的鳥喙,勤懇地捕食泥灘中的貝類、蠕蟲、螃蟹……等生物,牠們是鷸和鴴,靜靜地生存在這片食物豐富的彰化海濱,是我 (本文第一作者,下同) 非常著迷的鳥類類群。

傍晚的彰化海岸風情。圖/鍾上瑋攝

過去許多蚵農和牛一起到泥灘地幫忙運蚵,現在只有在彰化海岸比較容易看到「海牛耕蚵田」 這樣的場景。許多海牛們也轉型為觀光,載著遊客們下海挖蚵、欣賞風景。讀者們有興趣可以來看看可愛的海牛,但是蚵農們年紀越來越大,也希望有後輩能繼承這個文化。

是什麼?

一般賞鳥人說到的鷸鴴鳥類,通常指鴴形目 (Scolopacidae) 下,鷸科(Scolopacidae)、鴴科 (Charadriidae) 、長腳鷸科 (Recurvirostridae) 及蠣鷸科 (Haematopodidae) 等水鳥。這些鳥有比例較長的腳和鳥喙,方便牠們在淺水中涉水覓食。不同的鷸鴴,多樣的鳥喙擺在一起看,就像是一組設備齊全的工具箱,處理不同的底棲生物。東方環頸鴴 (Charadrius alexandrines) 筆直的短喙追逐灘地表面的小蟲;同樣有著強健短喙的翻石鷸 (Arenaria interpres) 就如牠的名字,頂開灘地上的石頭,找尋躲藏其中的小動物。

反嘴鴴用上翹的嘴搜尋淺水中的小生物。圖/鍾上瑋攝

反嘴鴴 (Recurvirostra avosetta) 用上翹的纖細嘴喙撩動水體,捕捉水中小生物。蠣鴴 (Haematopus ostralegus) 用長而銳利的喙,專挑貝類和螺類,撬開後大快朵頤。中杓鷸 (Numenius phaeopus) 與大杓鷸 (N. arquata) 長而下彎的喙,鑽出泥灘中深層的生物。嘴喙從短到長,有筆直、上翹、下彎的形狀,還有或堅硬或柔軟的質地,全方位處理泥灘地中不同的生物,讓人不得不讚嘆自然的奧妙,透過不同的形狀區隔獵物,也可以避免彼此間的競爭。

彎嘴濱鷸換上橘紅色的繁殖羽。圖/蔡芷怡攝

鷸鴴大多屬於候鳥,會隨著季節遷徙,臺灣對牠們來說,是一個南來北往的中繼站。在秋冬時期,樸素的灰褐色讓牠們不容易被發現,但進入繁殖期後,會換上亮麗的羽衣 (plumage)。彎嘴濱鷸 (Calidris ferruginea) 換上一身橘紅色的外衣,大濱鷸 (C. tenuirostris) 也以橘紅色調挑染原本灰褐的羽毛。黑腹濱鷸 (C. alpine) 將腹部的羽毛繪成一幅黑色的水墨。太平洋金斑鴴 (Pluvialis fulva) 也打底了黑色的腹面,背側刷上絢麗的金色。入春後 (大約3、4月) 去尋找這些鳥兒,就有機會看到牠們換上精緻美麗的彩羽。

太平洋金斑鴴換上黑配金的繁殖羽。圖/鍾上瑋攝

在沿海地帶——鷸鴴的棲地

沿海地區依植物組成可以概分為草澤 (marsh) 和林澤 (swamp)。在臺灣,草澤常見的優勢植物有蘆葦 (Phragmites communis) 或一些禾本科 (Poaceae)、莎草科 (Cyperaceae) 植物,例如以雲林莞草 (Bolboschoenus planiculmis) 為主的高美溼地。林澤則以紅樹林 (mangrove) 為主,如關渡的水筆仔 (Kandelia obovata) 紅樹林;芳苑溼地的海茄苳林 (Avicennia marina),部分地區有水筆仔混生;四草野生動物保護區以海茄苳為主,散生部分欖李 (Lumnitzera racemosa)。這些沿海植物形成不同的底棲結構,孕育不同的底棲生物相,也影響著鷸鴴棲息與否。彰化的沿海地貌主要為大面積的泥灘地 (mudflat),部分區域有紅樹林生長 (國家重要濕地保育計畫─彰化海岸永續整體規劃成果報告 2017)。

三趾濱鷸 ( Calidris alba ) (左二) 和翻石鷸 ( 左一與右一 ) 尋找著淺層泥灘地中的食物。
圖/蔡芷怡攝

根據上述報告,芳苑鄉的紅樹林總面積有 22 公頃,其中漢寶溪、後港溪與二林溪之溪口為紅樹林覆蓋度較高的區域。另外,在彰化沿海也有部分草澤,面積最大的草澤在大城溼地,一些分布於線西鄉、漢寶溼地,主要植被為外來種的互花米草 (Spartina alterniflora)。互花米草已經入侵多處的海岸環境,改變了泥灘地的底棲生物相。互花米草的地下根莖深且密,其根系也容易吸附重金屬 (Chen and Ma 2017),影響底棲生物的生存 (Chen 2007),許多國家都面臨相同的問題。貧乏的灘地也讓鷸鴴大大降低了造訪的意願,我在 2018 年進行的鳥類調查幾乎沒有在互花米草草澤中觀察到鷸鴴。臺中高美溼地互花米草的擴散情況較嚴重,互花米草生長快速,為了保護原生雲林莞草的生長空間,持續進行著移除的工程。

紅樹林生態系孕育了許多生物,鳥類的物種和數量也相當多。彰化沿海都生長著紅樹林,從小苗、 1 – 3 公尺高零星的植株,到樹高 5 – 7 公尺的茂密紅樹林皆有分布。福寶溼地的吉安水道、芳苑溼地的二林溪口幾乎都是 5 公尺以上的高大海茄苳占據。在彰化,不同的鳥類利用紅樹林的方式有所差異,對麻雀 (Passer montanus) 、白頭翁 (Pycnonotus sinensis)、綠繡眼(Zosterops simplex)等陸棲型鳥類來說,生長茂密的紅樹林就像是一個林地。

黃頭鷺在樹上休息。圖/鍾上瑋攝

臺灣的紅樹林種類不會產生鳥兒愛吃的香甜水果、種子,理論上應該不會有很多鳥棲息;而在西部平地,許多地區都開發為農田、魚塭和建築物,紅樹林就像是另一個庇護所,讓鳥兒在樹上躲藏、休息。海岸農地的區域,也可以觀察到常在農田中覓食的棕扇尾鶯 (Cisticola juncidis)、褐頭鷦鶯 (Prinia inornata)、斑文鳥(Lonchura punctulate) 們飛進紅樹林中休息、高唱。我也在沒有受潮汐影響的紅樹林中找到鳥巢,可以推測這類小型雀形目 (Passeriformes) 鳥類也把紅樹林當作棲所使用。另一類也常在海邊活動的鳥——鷺鷥,對於矮小紅樹林不屑一顧,但生長在海邊高大的紅樹林就像防風林般,是非常適合鷺鷥作為休息處和夜棲的處所 (夜晚鳥兒會群聚休息的區域) 。從觀察這些鳥類中,我們可以知道紅樹林除了是招潮蟹、彈塗魚,以及多種無脊椎動物的重要棲地外,對於陸鳥和鷺鷥來說,是可以代替陸域灌叢和樹林的補償棲地。紅樹林涵養的豐富底棲生物,是提供遠道而來的遷徙性水鳥們吃不盡的食物來源。

彰化泥灘地的重要性

臺灣位在鳥類的東亞澳遷徙線 (East Asian Australasian Flyway, EAAF) 上,此路線由阿拉斯加、西伯利亞的候鳥繁殖地,延伸至澳洲、紐西蘭的度冬地,中間經過東亞、東南亞的各個國家。東亞澳遷徙線上有 492 種遷徙性鳥類,其中 64 種為國際自然保護聯盟瀕危物種紅色名錄 (The IUCN Red List of Threatened Species) 評定的受威脅鳥種 (Lin et al. 2019) 。對於長途飛行的鳥類,臺灣是一個重要的休息站 (stopover site)。大部分的遷徙性鳥類類群為鷸鴴、鷗、鷺鷥、雁鴨等,具有國際性保育地位的水鳥——黑面琵鷺 (Platalea minor) 也屬於此類。因此保留合適的棲地,在全球的水鳥保育上有著重要的地位。

在漢寶、芳苑地區可以常常看到黑嘴鷗的身影。圖/蔡芷怡攝

中部海岸在海流和潮汐的影響下,有相當大的潮差,大潮時可以達到 3.5 – 4 公尺 (交通部中央氣象局),反覆地將海中的營養物質帶到泥灘,彰化又有著中臺灣最大片的天然泥灘地,每年都吸引大量的鷸鴴來此過境與度冬。彰化的水鳥們退潮時在裸露的泥灘地中覓食,漲潮時則會飛至內陸放乾的魚塭休息,或是到農田中覓食。如果想要來看看這些可愛的過客,不妨注意潮汐的時間,也要注意海水的深度,別讓自己困在漲潮時的海中!

位於彰化的大肚溪口、漢寶溼地、芳苑溼地、濁水溪口溼地由國際鳥盟 (Bird Life International) 評定為臺灣的重要野鳥棲地 (Important Bird and Biodiversity Area, IBA),為臺灣水鳥三大熱點之一(Lin et al. 2020)。IUCN 評定為易危等級 (Vulnerable) 的黑嘴鷗 (Chroicocephalus saundersi) 在此區域穩定度冬,還有許多瀕臨絕種、珍貴稀有鳥類,如黑面琵鷺、琵嘴鷸 (Calidris pygmaea) 也曾在此棲息。不同環境因子交錯影響下,才能造就出如此美麗的野鳥天堂。

彰化泥灘地目前面臨的威脅

大肚溪口原本是中部鳥類多樣性居冠的重要棲地,無論在鳥隻數和鳥種數皆是如此。但是,在 1987 年北岸興建火力發電廠時,可能是築堤防影響了水流方向,使上游的泥沙覆蓋淤積,影響底棲生物生存。大肚溪口曾經是全臺大杓鷸數量最多的區域,2008 年卻發現分布地明顯改變,轉而停留在芳苑地區的泥灘地 (臺灣重要野鳥棲地手冊第二版) 。另一個案例為延宕建設了 20 年的台 61 線王功到芳苑段的道路工程。由於直接貼著海岸線興建道路,截斷了水鳥前往灘地和內陸的路線,因此受到環境保育人士的關切與抗爭。當初若重新規劃路線會造成工程的延遲,為了鳥類更動路線受到當地居民的反對。經過雙方的抗爭與妥協後,決定將道路在福寶溼地至王功段向內陸後退,建造在多為廢棄魚塭及廢棄農田的土地上,並在芳苑溼地段道路架設隔音牆,減少車輛噪音。鷸鴴對於噪音和震動的容忍程度還沒有確切的定論,如此修正是否能減少對鳥類的干擾,還需進一步的評估。

大杓鷸現在棲息在芳苑一帶,有非常長的喙,捕捉躲在深處的無脊椎生物。圖/鍾上瑋攝

任何一個工程建設的衝擊,對環境來說可能都是無法挽回的。人類做的每一個決策,都應該被仔細評估,而工程結束後的生態監測也是相當重要的。

彰化泥灘地面臨的問題——紅樹林過度生長

紅樹林對於海岸有減緩海岸侵蝕、提供棲地、固碳等功效。但紅樹林長得越多、越大片就越好嗎? 關渡自然公園內,曾經有許多雁鴨和鷸鴴漫步在這片泥灘平原。園區內設置許多賞鳥牆,可以在不驚嚇動物的情況下,觀察水鳥、招潮蟹與彈塗魚。偶爾會看到園區內的員工—水牛懶懶地在草地上休息,空中偶有黑翅鳶 (Elanus caeruleus) 、黑鳶 (Milvus migrans) 或魚鷹 (Pandion haliaetus) 等猛禽飛過。豐富的溼地景觀與水鳥讓這塊灘地依據《文化資產保存法》 被劃設為自然保留區。但隨著水筆仔擴張,覆蓋了整個溪口,泥灘地漸漸陸化。這些水鳥生活在紅樹林生態系中,而其食物資源 (昆蟲、蟹類、貝類、蠕蟲等無脊椎動物) 卻以生活在泥灘地為主,若泥灘地完全被覆蓋,不利於水鳥們停棲、覓食,也會改變底質結構,使灘地逐漸陸化。

彰化地區高密度紅樹林分布之區域。圖/Esri 地圖服務:Landsat 衛星影像

2012 年在淡水河流域的研究已證實,在長滿紅樹林的淡水河流域,以大型機具挖掉紅樹林,製造一塊泥灘地,鷸鴴的數量就有明顯的增加 (Huang et al. 2012)。從關渡的案例可以看出,密度高、覆蓋度高的紅樹林對生物不一定是好的棲地,而彰化也有紅樹林擴張的區域。早年紅樹林都被認為是優良的沿海地景,政府鼓勵栽植,因此彰化沿海也有人為種植的水筆仔、海茄苳。種植的方式是沿著海堤進行條狀栽植,因此紅樹林是以平行海岸的方向擴散。目前覆蓋度最高的灘地位於後港溪口與二林溪口,以海茄苳為主要樹種。後港溪口周圍就是著名的觀光區王功漁港;二林溪口位於芳苑普天宮,現在是大杓鷸在彰化的主要棲地,這兩個區域樹多的地方幾乎沒有鷸鴴利用。2018 年的鳥類調查 (蔡芷怡 2019) 可以看出陸化的紅樹林中,鳥類組成差異甚大,紅樹林覆蓋度高的鳥類以麻雀、白頭翁為主,覆蓋度低及沒有樹的泥灘地,鳥種以鷸鴴為主。

為什麼鷸鴴都選擇在空曠的泥灘地呢? 目前回顧文獻的其中一個原因,與他們的避敵策略有關 (Dekker and Ydenberg 2004)。鷸鴴的避敵方式通常傾向在空曠的地方,能夠早一步發現掠食者。透過群聚覓食,當其中一隻看到敵人時便會群體驚飛。也有研究指出黑腹濱鷸越靠近海岸線 (沿岸植物生長處) ,被遊隼 (Falco peregrinus) 捕食的機率越高,可以看出跟陸域的鳥喜歡躲在隱蔽處的策略有所不同。第二個原因可能很單純地,這些區域的無脊椎動物豐富度高,自然吸引許多鷸鴴來覓食。

每年的過境期、度冬期,都有相當大量的鷸鴴在漲潮時停在魚塭休息,非常壯觀。圖/蔡芷怡攝

由於彰化的泥灘地範圍非常大,幾塊覆蓋度高的紅樹林尚未覆蓋整個沿海地區的泥灘地,但若有持續大範圍生長,可能就需要專家評估是否影響水鳥的生存。

彰化地區的沿海泥灘地並未列在《濕地保育法》中定義之國家級溼地,但是其溼地之功能、無脊椎動物,以及鳥類的資源都是非常豐富且無法取代的。若企業和政府要利用土地發展工業,以及近期的新興綠能產業─離岸風機與光電板的架設,很大的可能會選擇這塊溼地為目標。希望讀者們能夠共同來重視這塊土地的價值,留給這些水鳥們一個好的庇護所。


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自然保育季刊為推廣性刊物,以推廣自然教育為宗旨,收錄相關之資源調查研究、保育政策、經營管理及生態教育等成果,希望傳達自然科普知識並和大家一起關注自然!


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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!

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研之有物│中央研究院_96
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