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叫醒他的不是鬧鐘,是地震,還有讓預警系統更好的夢想——專訪氣象局地震測報中心陳國昌

鄭國威 Portnoy_96
・2021/08/23 ・6850字 ・閱讀時間約 14 分鐘
氣象局地震測報中心大部分同仁得 24 小時待命,主任陳國昌對此指出,「壓力比較大啦!」圖/劉志恒攝

「我不是花蓮人,但我也是每天被地震叫醒。」氣象局地震測報中心主任陳國昌在接受我們遠距採訪時笑著說。

這不是開玩笑,而是職業需要!包括陳國昌在內,地震測報中心大部分同仁手機 24 小時不能關,要隨時待命。不過說到緊盯老天爺臉色這件事,整個氣象局不都是如此?他說,如颱風等劇烈氣象變化,在來臨時的確需要動員整備,持續報告與預測,但地震卻沒有時間可以準備,因此相較於其他氣象局同仁,地震測報中心就得隨時在線。

「壓力比較大啦!」他一樣微笑著說,中心平時要有三組人負責核心作業,分別是「餘震監測作業」、「發布作業」、「預警作業」,要是發生規模 6.0 以上的大地震,十多位同仁會立即回到崗位,回應來自媒體與民眾的大量資訊需求。

對陳國昌來說,氣象與地震測報就是他整個人生。地球科學系畢業後,研究所也接著念地球物理,在大學教了兩年書,之後他就進入氣象局從基層做起,每個職位都歷練過。「我們也不敢講說自己多重要。一個工作既然接了,就想辦法做好。」他說。

陳國昌在接受遠距採訪時表示:「我不是花蓮人,但我也是每天被地震叫醒。」圖/劉志恒攝

地震預警,還能更快?

這次採訪陳主任,是想了解「地震預警」的下一階段發展。臺灣的地震預警發展始自 1990 年,如今已足以出口技術到世界各國,可說是臺灣驕傲。然而對大多數民眾來說,最有感也最好奇的,還是偶爾傳來(或就是不傳來)的「國家級警報」。

國家級警報屬於災防告警系統的一環,預設開啟且無法關閉,因此多數人初次收到演練訊息時都會非常驚訝。

延伸閱讀:可看公視P#新聞實驗室的介紹國家災害防救科技中心針對災防告警細胞廣播訊息的說明

有不少朋友可能收過地震以外的告警訊息,例如交通部公路總局會針對道路崩塌等因素,發布「公路封閉警戒」、經濟部水利署在水庫要洩洪時會發布「放水警戒」、農委會水土保持局也會在土石流警戒區發布警戒。不過在各類告警訊息中,只有氣象局的地震速報,以及內政部警政署與國防部負責的飛彈空襲警報屬於「國家級警報」。由於目前沒有防空警報,因此會收到國家級警報就只有在大地震發生的時候了。

預警跟預測有什麼不同?簡單來說,「預測」是地震還沒發生,就能夠告知民眾地震要來了,包括在哪個位置、有多大、發生在什麼時間點?目前科學只能針對地震可能的前兆,提供一個範圍內的機率,例如某個地區在 10 年內可能會有規模多大的地震,這無法讓民眾馬上根據資訊來避災,只能種下防災觀念的種子。

預警是在地震發生後,利用密集的測站、快速的計算,得到地震可能影響的範圍,然後在範圍內用「跑得比地震波快」的電訊號,針對有可能發生災損的地區發出警報。能夠爭取的時間並不多,短至 2-3 秒,長至 10 秒以上,但只要能爭取到多一些時間,生命財產就可以增加多一分保障。陳國昌坦言,與其寄望於不知何時有成果的「預測」,「預警」就顯得更重要。

陳國昌坦言,與其寄望於不知何時有成果的地震「預測」,「預警」就顯得更重要。圖/劉志恒攝

預警爭取到的逃生時間彌足珍貴,但能否順利逃生也受其他因素影響。陳國昌表示,針對地震發生當下的行為,國際上有很多研究,重點結論是:在民眾有接受逃生訓練的前提下,在地震來臨前接獲預警可有效降低人命損失。以日本來說,只要有兩秒鐘的時間讓民眾提前預警,就能減少 25% 的死亡人數;而能有如此成效,是因為「防災大國」日本不只演習頻繁,民眾的防災意識也高。東京大學的研究更顯示,若有超過 10 秒的時間,超過 8 成以上原本可能死去的人可以活下來。當然,保住一命並不代表完全沒事,或許仍負輕重傷,但總是留得青山在。

一份中國的研究則顯示,如果有五秒預警,可以減少 17% 的死亡人數。可見除了逃生秒數的長短外,不同國家的地震逃生率不但與人民的防災教育有關,也與普遍的房屋結構有關。例如日本住家多半是木質構造,因此相對耐震,但火災及颱風豪雨的抗性就較低。反之,臺灣的住家多半是鋼筋水泥打造,大地震一來損害會相對嚴重,因此營建署也不斷提高耐震標準

精進都會區的強震預警、並將現有的地震防災預警服務智慧化,被列為 109 年通過的「前瞻基礎建設計畫」(前瞻 2.0)重點項目。然而預警也不只是偵測到 P 波然後發個訊號到手機那麼單純。首先,測站得要夠密集,不然收到 P 波也來不及傳播;再來,偵測到的訊號得夠清晰,不能受到太多環境變數影響,那麼就得要多個測站收到後再來演算,才比較能掌握地震的規模、位置及可能影響的區域。接下來還得立即傳到正確的基地台、再傳到我們的手機上——以上動作都需要在區區幾秒內完成,而且正確率還要高,才不會產生「狼來了」效應。

要突破目前的極限,陳國昌表示突破口就在於整合「區域型」跟「現地型」系統。(我:是合體技啊!)

氣象局主要做的是區域型地震預警,例如花蓮外海若發生大地震,靠近震央的幾個測站就會快速解算地震參數,趁著地震波侵襲遠方之前,發送警報到位於臺中的我的手機上,這就是「區域型」系統。去年氣象局已經將 10 秒地震預警系統上線,就是說,如果地震發生在陸地(本島或沿海),氣象局在地震發生後 10 秒內就可以把預警資訊傳到臺灣各地。

你肯定發現了問題:這對震央附近的當地人來說不就沒用?由於破壞力比較大的 S 波每秒約走3.5-3.6 公里,10 秒就是 35-36 公里,因此產生了「盲區」。所以就需要「現地型」地震預警來幫忙囉!當現地的地震儀偵測到 P 波後,便立即判斷會不會有強烈震波跟著來襲,3-4 秒就可以快速反應。如果在盲區內有很多重要單位,像是學校、醫院,車站等人口密集的地方,現地型預警就能補位,讓盲區盡量縮小,但也容易受到環境的雜訊影響(蓋房子做工程啊、大卡車經過啊之類的),造成假警報。

陳國昌表示,在地震預警科學中沒有十全十美的東西,要準就得容忍時間花得多、要快就得容忍誤差比較大。兩種預警各有優缺點,也因此可以互補。氣象局的現階段目標是要在北部都會區把 10 秒減少到 7 秒,並且不增加誤差,就得靠這兩型合體。

但要怎麼做到呢?陳國昌娓娓道來:首先要在都會地區及鄰近地區擴建 32 座井下地震儀觀測站(也稱「深井站」)、更新現有深井站的儀器設備、升級都會區周邊的 96 處強震站。由於從深井站收到的訊號品質較好,原本需要鄰近 6 個強震站回傳參數,可以減少為 4 個站或更少,一個個小作業平台化便能夠更快完成精準度夠的預估,實際上就是現地型+區域型的複合型。對雙北大都會來說,會造成影響的地震多半從宜蘭或花蓮外海來,像 921 這樣從臺中來的也有。

陳國昌透露,把反應時間壓縮到 7 秒內是目標,甚至 6 秒內也是有可能。不過這需要未來多年的努力。「今年都在鑽井,程式的開發也平行在做。原則上會先以大臺北地區來測試,接著逐年在不同的都會區展開。」

地震中心與學界的合作也正在進行中,目標是未來能做到 5 秒內發出預警。目前兵分二路,一組與中研院馬國鳳特聘研究員團隊合作,另一組是臺科大金台齡教授團隊合作。馬國鳳是國際一流的地震研究專家,而金台齡是 AI 與機器學習的專家,兩個團隊分別從地球科學與電腦科學的角度切入地震預警,光是想像我就興奮了起來。

但陳國昌強調:地震預警雖爭取到寶貴的逃生時間,但更重要的是大家平常要提高防災敏感度。「有事沒事在心裡想一下」。他也知道,絕大部分的人遇到地震的當下會愣個幾秒等著搖,因此防災意識跟防災動作需要深植人心,思慮要鎮靜、行為要確實,爭取來的時間才不會浪費掉。

陳國昌強調,比地震預警更重要的是提高防災敏感度,「有事沒事在心裡想一下」。圖/劉志恒攝

國家級邊緣人的成因:為何搖很大卻沒收到預警?

國家級警報作為全臺最強簡訊發送機,難免招惹民怨。有時民眾抱怨沒收到訊息、有時則抱怨收到很多訊息,陳國昌坦言,今年 2 月初,很多民眾收到多重警報,的確是個該避免的錯誤,程式已經立刻修改,不會再發生。更常被問的是:明明地震,怎麼沒有收到?

既然是針對大地震的警報,必然有門檻。目前設定是當預警系統預估發生規模 5.0 以上地震,會對預估震度可能達 4 級以上的地區發送。

接著來說說細節:所謂「預估」震度達 4 級,如果預估該地區會遭遇 4 級震度,那麼該地區就會收到警報,由於是「預估」,因此就算該地區的某些地方規模不到 4 級,也還是會收到警報。反之,有時候該地區「預估」震度不到 4 級,因此整個地區都會收部到警報,但該地區可能有較靠近震央的地方震度達 4 級以上,民眾就會覺得「明明搖晃得很厲害,為什麼沒有收到?」加上民眾後續看到地震報告,發現自己所在位置的確是 4 級,「國家邊緣人」的感覺就會油然而生。

第二種狀況跟電信公司有關。陳國昌說,地震預警系統會把所有該發預警的地區送到 NCDR 國家災害科技研究中心的平台,再發送給不同的電信業者,轉給該發訊息的基地台。有一些基地台並不穩定,可能故障或當機,或是剛好停運。基地台如果發生問題,附近的民眾就收不到訊息,一樣會納悶怎麼沒有收到。

第三種狀況是訊息發送的時候,民眾剛好在講電話,訊息進來雖然有聲音,但是因為他正在講電話所以沒注意。而且國家級訊息跟一般簡訊不一樣,過一段時間會消失,所以等電話講完才納悶怎麼沒收到警報。

還有一些原因跟手機有關。有一些手機並沒有保留災防警報頻道,例如舊型的手機或是水貨。之所以能定義出上述這些狀況,有時也要感謝沒收到訊息的民眾抱怨,才能查出背後原因。「我們能做的盡量做,也會反映給主管的單位來解決。以縣市政府為參考點的方式,的確有缺點,畢竟有的縣市比較狹長,因此我們已經開始多找幾個參考點來加入預估,總之得持續改進。」陳國昌說。

所以我說,那個地震預測呢?

既然「地震預警」可以隨著研究跟技術改進而提升,「地震預測」難道只能是空中樓閣嗎?說到關於地震前兆的預測研究,陳國昌說世界各國都在做,中國做得最多、也做得很早,但做了幾十年發現太艱難,近年也換軌改走預警研究。

據他所知,中國歷來觀測的前兆項目有 30-40 種,包括從衛星透過紅外線監測地表溫度,到觀測鸚鵡的行為,需要龐大的人力、物力、財力。臺灣則把焦點放在地震活動本身,一來是本就該觀測,二來這也是重要的前兆。

以 921 大地震來說,在 921 發生之前完全沒有跡象,但是地震頻率降低了兩三年,然後突然發生大地震。2018 年 2 月 6 日發生在花蓮的米崙斷層錯動就完全不同,2 月 4 日先有規模 5.89 的前震,爾後一直有密集餘震,衰減慢而且規模都在 4 以上,持續一天多之後,然後發生規模 6.26 的主震。

「我們以為前面規模 5.89 的是主震,後來發生規模 6.26 的地震,表示 2 月 4 日的地震是前震,這個規模 6.26 的才是真的主震,之後又有一個多月的餘震。花蓮 0206 地震 相當複雜,到現在還有學者專家在研究當時的狀況。」雖然地表上看到的是米崙斷層錯動,陳國昌說實際上非常多構造在那段時間都發生了活動,影響範圍非常廣。

日本 311 地震時也有類似狀況。前震規模 7.3 已經非常大,大家便以為是主震,過兩天竟然發生 9.0 的主震,中間也有密集餘震。

相較中國投入大量資源研究地震預測,陳國昌指出,臺灣把焦點放在地震活動本身,一來是本就該觀測,二來這也是重要的前兆。圖/劉志恒攝

就那麼巧,訪問當天是 7 月 16 日,正好遇到花蓮一連串的群震跟餘震。陳國昌表示 7 月 7 日到 8 日 的群震過了之後,「我們覺得應該沒事了」,而且接下來一週只有四次規模 3 點多的餘震;但到了 14 日早上突然爆發一個規模 5.2 的餘震,接著更是一波一波,到採訪當下已經 70 多起。

「因此前幾天我們非常注意,餘震非常密集,超過 40 個,我們就想說後面可能會有更大的地震,所以非常嚴密地監測,同仁都加班一直在看⋯⋯但今天早上這波又更密集,50 分鐘內有 15 個,其中有兩個規模 4.7 的,因此一早我們也非常緊張,想說後面是不是還會有。」陳國昌謹慎地說:「但我們看餘震都在規模 4 以下,我們就比較放心了。」

也就是說,規模大的餘震是一個重要的指標,如果大規模餘震越多,後面有更大地震的機率就越大,但陳國昌表示這還不算是預測,只能說是經驗。

除了地震活動本身,歸納而言,研究預測者在想的,不外乎「地震若發生,應該會怎樣?」的方向去觀測。例如,地震可能會影響地下水,那麼地下水位的變化或水質中稀有元素的變化,就是一個可觀測的指標。同樣的,若大地震要發生,科學家也猜測應該會先有小的破裂產生,破裂就可能產生一些電子、離子,不就可能量測到電流跟電壓的變化?而電在動,就會產生磁,於是也要監測磁場變化。

「我們在理論上想『應該可能會產生的現象』,就去觀測。但那麼多的地震前兆,我們一直找不到一個必要的、大地震發生前一定會發生的現象。」陳國昌說,如果在每次大地震發生前,皆能確認有特定物理現象存在,那預測就可行了,但那麼多前兆觀測的結果還是找不到這樣的關係。

不過也不用灰心,失敗本來就是科學研究結果的絕大部分。長期觀測對地震前兆研究來說是必要的,先把資料記錄下來,以後若找到關係也可以回溯驗證。就像是現在熱門的物聯網或工廠 4.0,得完整記錄數據,再搭配人工智慧,之後就能預測機械運作的情況,例如多久之後哪顆螺絲會鬆、哪根皮帶會斷裂。

地震前兆研究難以突破,對此陳國昌樂觀表示,「先把資料記錄下來,以後若找到關係也可以回溯驗證。」圖/劉志恒攝

但麻煩的是,不少「地震奇人」不講科學,抓著一些虛無飄渺的證據就聲稱可以預測地震,為了要駁斥這些人,氣象局也需要準備好科學證據。

「早期有很多『預測達人』,這些達人說自己聽到叫聲,然後沒多久就會有地震;或是身體哪裡會痛,接著就會有地震。」陳國昌苦笑著說,這之間關聯沒有科學性,久了大家也不信了。但江山代有奇人出,有些民間預測者學聰明了,明白自己的說法得跟科學有點關係,加點科學感,人們才會相信,於是開始拿低頻地磁的分佈圖,說哪些地方異常,或用各種專有名詞替自己的故事加料。這樣的「一番道理」對一些人來說夠有說服力了,許多達人賺得一票虔誠的追隨者。

「這些都是牛頭對馬嘴,我們觀測跟公開這些數據目的不是為了地震預測,但是他們卻拿來做錯誤的解讀,話術也很先進,通常講得模模糊糊,範圍很大,如果錯了,就說『能量轉移了』。」陳國昌說,因為臺灣地震很多包含無感地震在內,每年有 2 萬到 4 萬多起地震),如果「達人」本來預測說地震會發生在花蓮,但後來發生在宜蘭、屏東,甚至是菲律賓、印尼,他們也都可以給出一番頭頭是道的解釋。

這樣的胡說八道沒事就算了,要是出事或有人從中斂財詐騙,不就糟糕了嗎?陳國昌說氣象法雖然可以開罰,但門檻很高,更不是過了門檻就可以罰。除了符合所有要素,還要先規勸、警告、糾正,最後才能開罰。通常這些達人會在臉書上說一句「之前可能太武斷了」之類的,就算是反省抵銷了;然而接下來他又可以再次如法炮製,讓氣象局不勝其擾,只能說這些達人的確很懂得如何轉移處罰的能量。

「這些預測達人對於科學觀測的解釋都是錯誤的,希望他們的粉絲不要再誤信了。」陳國昌說畢竟人是聰明的,他期望大家都會學到教訓。

只是我想就算這些奇人大師錯再多次,信者大概還是只注意說中的那一次。不管信不信,手機收到警報,請大家還是趕緊「趴下」、「掩護」、「穩住」!而我也要對自己說:地震來的時候別總想著發地震文了,留給地震測報中心專業的「報地震」粉絲專頁發吧!

針對訪間「地震達人」頻頻「預測」地震,陳國昌表示,希望他們的粉絲不要再誤信了。圖/劉志恒攝

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鄭國威 Portnoy_96
247 篇文章 ・ 540 位粉絲
是那種小時候很喜歡看科學讀物,以為自己會成為科學家,但是長大之後因為數理太爛,所以早早放棄科學夢的無數人其中之一。怎知長大後竟然因為諸般因由而重拾科學,與夥伴共同創立泛科學。現為泛科知識公司的知識長。


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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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