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台灣如何面對全球大流行的 COVID-19?陳建仁談台灣的防疫經驗

時報出版_96
・2021/12/30 ・6618字 ・閱讀時間約 13 分鐘
  • 作者 / 中央研究院研之有物編輯群

以科學研究面對全球傳染病挑戰

瘟疫是人類文明的天敵,如果請讀者說出印象最深刻的傳染病,新冠肺炎(嚴重特殊傳染性肺炎,COVID-19)肯定不會缺席。延燒至今的 COVID-19,不僅影響了人們日常生活,也衝擊環環相扣的全球製造供應鏈。面對全球共同遭逢的世紀大疫,台灣如何因應這場危機?在新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)大規模感染後,台灣又做了哪些努力才得以守住防線?中央研究院院士陳建仁透過流行病學專業視角,分享 COVID-19 公衛知識與台灣防疫經驗。

陳建仁院士手拿冠狀病毒摺紙,身後是藝術家謝省民為紀念 SARS 抗疫而創作的版畫〈健康平安〉。

SARS 帶來的啟示

如同中研院廖俊智院長所說:「如何應付下一個大流行傳染病(pandemic),已成為當前科學機構關切的重點。」在 COVID-19 出現前,台灣學者對冠狀病毒並不陌生,例如中研院院士賴明詔很早就對冠狀病毒有深入研究,因而被稱為「冠狀病毒之父」。但在病毒的基礎研究之外,台灣面對 COVID-19 大爆發,為何能迅速整備相對完善的防疫體系?這就要回溯到 2003 年的慘痛一仗──嚴重急性呼吸道症候群(SARS)侵襲台灣。當時對抗 SARS 的經驗,為日後 COVID-19 的防疫戰打下了重要基礎。

和 COVID-19 一樣,SARS 的病原體也是冠狀病毒。病人感染 SARS 之後,會出現明顯的發燒症狀,若沒有發燒就不具傳染力,發燒成為疾病監控的重點指標。陳建仁提到,由於沒有很好的抗病毒藥物,也尚未研發出疫苗,所以當時的 SARS 防疫策略是全力阻斷病毒傳染途徑。

一開始疫情控制得很好,直到 2003 年 4 月和平醫院爆發院內感染後,情勢一發不可收拾。從和平醫院、仁濟醫院、臺大醫院急診室到高雄長庚醫院,疫情迅速擴散,情勢相當嚴峻。當時才發現,台灣還沒準備好面對 SARS,院內感染管控也不夠完善。

2003 年 5 月中,陳建仁與蘇益仁分別擔任衛生署署長與疾管局局長,政府開始著手強化醫院的院內感染管控,設立發燒篩檢站與發燒病房,規劃專用的發燒動線。直到 2003 年 6 月中,台灣出現最後一個病例,SARS 流行終於步入尾聲。此後,《傳染病防治法》經過多次修訂,一步步建立台灣的防疫體系,例如確立《中央流行疫情指揮中心實施辦法》,建構全國感染症醫療體系,也強化了邊境管制檢疫措施。

因為 SARS 疫情迅速降溫,雖然中研院翁啟惠團隊已研發出抗病毒藥物,但新藥還沒進入臨床試驗就宣告終止,SARS 疫苗也來不及發展。這段對抗冠狀病毒的防疫經驗即是:盡可能在第一時間阻斷病毒傳播路徑,包括邊境管控、病例即時通報,以及密切接觸者追蹤。

SARS virion.gif
電子顯微鏡下的 SARS 病毒顆粒。圖/WIKIPEDIA

新興傳染病來襲,掌握病原體與疾病自然史為關鍵

儘管曾有 SARS 累積的防疫經驗,當 COVID-19 這種新興傳染病,毫無預警地侵入人類社會,現有的公衛體系該如何提供預判和決策?

陳建仁表示,面對新興傳染病,首先要問:「病原體是什麼?」COVID-19 從 2019 年 12 月開始傳播,2020 年 1 月上旬確定病原體為 SARS-CoV-2。確認病原體之後,研究者就能開始解析病毒基因和分子結構,展開後續檢驗試劑、疫苗與藥物研發,進一步揭開傳染病的未知面紗。

第二則是了解臨床特徵:遭受感染後,潛伏期多久?臨床症狀為何?疾病自然史怎麼變化?所謂疾病自然史,指的是疾病自然演變的整個連續性過程,會隨著人、時、地有所不同。例如不是每位感染 COVID-19 的患者都會發燒,重症症狀也都不太一樣,沒有辦法如同 SARS 依據發燒的單一症狀來篩檢,大幅增加防疫難度。此外,還有許多無症狀和輕症感染者,陳建仁說:「It is even worse!」因為 2019 年底疫情爆發初期,關注焦點都集中在重症病人,但重症者多半已住院隔離,輕症病人與無症狀感染者反而成為潛伏流竄的社區傳播者。

面對輕症與無症狀感染的特徵,邊境管控如何定義出「14 天的隔離檢疫期」呢?陳建仁解釋,這同樣是依據疾病自然史來斷定。

從感染到出現症狀的時間為「潛伏期」,有些人潛伏期是 3~5 天,有些人延長到 7 天以上。分析大量 COVID-19 案例的疾病自然史後得知,潛伏期呈常態分布,中間數值大約是 5~7 天,極端值則為 14 天。由此,防疫政策定義出 14 天隔離期加上 7 天自主健康管理,期滿之後,病毒傳染力通常已大幅降低。不過,臨床上仍會出現離群值(Outlier),少數病人可能 22 天後才發病,因此勤洗手、戴口罩、保持社交距離,還是相當重要的防疫措施。

台灣防疫上半場:阻斷病毒傳播的無名英雄

綜觀 COVID-19 防疫戰,陳建仁認為,台灣防疫迄今大概可以分成兩個階段。第一階段是 2019 年 12 月首度發現 COVID-19 至 2020 年 11 月疫苗問世,他稱為防疫「上半場」。

在上半場期間,最好的防疫方法為阻斷病毒傳播途徑,也就是繼承 SARS 經驗的各項防疫工作。台灣人歷經 SARS 陰影,對勤洗手、量體溫、戴口罩、保持社交距離與避免群聚活動等並不陌生,多數人也願意配合。

即時將病毒阻擋在國門之外,也是上半場的重點策略。2019 年 12 月 31 日,疾病管制署羅一鈞副署長在 PTT 論壇看到中國出現非典型肺炎病例聚集的訊息,旋即發函通知世界衛生組織(World Health Organization, WHO),台灣也在當天啟動邊境管制,展開武漢直飛班機的登機檢疫,並加強院內感染管控。這是我們在防疫上半場搶得先機的關鍵。

COVID-19 屬於第五類法定傳染病,警戒全面提升後,也隨即加強病例通報,所有疑似病例皆須通報疾管署,當病患確診後隔離治療,並展開接觸者疫調。陳建仁解釋,疫調目的即在於釐清感染源和散播途徑,並找出需要匡列隔離的人,這是重要的管控傳染的方法。透過調查旅遊史(Travel history,最近 14 天內國外旅遊史)、職業史(Occupation,職業類別)、接觸史(Contact history,近期接觸與出入場所)與群聚史(Clustering,最近 14 天與家人朋友群聚情況),由此可評估民眾是否屬於高風險族群。

為了改善過去 SARS 防疫口罩不足的缺點,政府組成口罩國家隊增加口罩產能,共增設 92 條口罩產線。應用智慧科技進行精準的追蹤檢疫,包含設計入境檢疫與防疫追蹤系統、電子圍籬 App 等,在權衡最小侵害與隱私保障的原則下,讓防疫人員掌握居家隔離及居家檢疫者的健康狀況與行蹤。

為了解決口罩短缺的情形,政府組成了口罩國家隊,短時間內增設了 92 條口罩產線。圖/WIKIPEDIA by 總統府 – 02.05 總統訪視「台灣康匠製造公司」

2020 年 COVID-19 肆虐全球之際,台灣有很長一段時間僅有零星確診個案,餐廳維持營運、學校照常上課、球賽和演唱會持續舉辦,彷彿平行世界。陳建仁強調,防疫的成功除了歸功在第一線作戰的醫護與防疫人員,更重要的,2,300 萬台灣人都是無名英雄,他們遵行防疫規範,遏阻病毒的擴散。

到 2021 年 6 月中,台灣居家檢疫與居家隔離的人數累計約有 70 萬,其中僅有不到 2,000 人因違反規定而受罰。這些民眾犧牲了 14 天的自由,讓其他人得以正常生活。若沒有大多數人配合防疫政策,疫情也無法控制得這麼好。

台灣防疫下半場:疫苗戰與變種病毒

第二階段是 2020 年 12 月 COVID-19 疫苗問世之後,陳建仁稱為防疫「下半場」。除了持續阻斷傳播鏈以外,普遍施打疫苗以提升群體免疫力至關重要

陳建仁說,原本規劃目標是以 3,000 萬劑疫苗覆蓋 65% 以上人口(每人 2 劑),其中包括阿斯特捷利康(AstraZeneca)疫苗 1,000 萬劑、莫德納(Moderna)疫苗 500 萬劑、COVAX(COVID-19 Vaccines Global Access,嚴重特殊傳染性肺炎疫苗實施計畫)分配取得 500 萬劑,再加上國產疫苗 1,000 萬劑,來鼓勵國內疫苗廠研發製造。

不過,計畫趕不上變化,各國競相爭搶疫苗,資源分配也難以公平。國際疫苗交貨一再延宕,比預期慢得多;而國產疫苗使用棘蛋白次單元技術,研發時間也比 mRNA 疫苗和腺病毒載體疫苗更長。

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mRNA 疫苗的開發速度較棘蛋白疫苗快速。圖/Pixabay

然而,疫苗供應不足的期間,病毒突變的步伐並未停歇。陳建仁指出,當病毒在人群中傳染、複製與增生時,RNA 病毒會不斷突變,逐漸往「致死率低、傳染力強」的方向演化。

2021 年 5 月初,Alpha 變異株突破了台灣的邊境管制,造成大規模社區感染,較嚴重的有華航諾富特、新北獅子會、宜蘭電子遊樂場,以及萬華茶藝館等群聚案,萬華茶藝館感染者因平均年齡較高,死亡率也相對提高。由於事態緊急,政府在 2021 年 5 月 15 日首先提升雙北疫情警戒至三級,後續全國也全面進入三級警戒。

全國嚴重特殊傳染性肺炎病例趨勢圖

台灣在 2020 年維持很長一段時間本土零病例,但 2021 年 5 月爆發大規模的社區感染,面臨另一波防疫挑戰。(資料來源:疾管署傳染病統計資料查詢系統

陳建仁分析,當單日確診達到 200 多人時,表示病毒至少已經傳遞了 4 波,如果不趕快控制並阻斷病毒傳播,在病毒持續傳遞 9 波以後,理論上會有 20 幾萬人感染(4 的 9 次方)。

經過全民緊鑼密鼓的防疫努力之後,確診病例數從一開始的每天 500~600 人,到 7 月中已降至 20 人以下。陳建仁語帶感性地說:

「疫苗不足的情況下,可以在短短兩個月控制疫情,真的相當不容易。這是中央與地方政府合作、政府與民間合作,以及 2,300 萬人的默默努力所帶來的成果。」

但他也強調,疫苗仍是下半場防疫作戰的最佳解方,必須盡快將完整接種率提升到 65%~70%。其中,遏止疫苗假消息的傳播,也是不可忽視的一環。

全球 COVID-19 疫苗接種比例

截至 2021 年 10 月 16 日,台灣疫苗完整接種率為 22%,美國 56%,全球為 36%。與世界各國比較,台灣還有很大的努力空間。(資料來源:Our World in Data

疫苗緊急使用授權與免疫橋接

「疫苗是防疫下半場最重要的救援投手。」陳建仁強調,以往疫苗的研發,從動物實驗到臨床試驗一期、二期和三期,通常需要至少 5~10 年才能成功。

在動物實驗階段,必須確認疫苗的有效性與安全性,才可進行人體實驗。有效性有兩個評估重點:一個是「中和抗體效價」,也就是疫苗打入動物體內之後,所產生可以中和病毒的抗體濃度越高越好;第二個重點為「保護力」,即施打疫苗的動物在受到病毒感染後,是否不會被感染或發病。

疫苗研發漫長耗時,然而 COVID-19 疫情迫在眉睫,如果要等上 10 年才能施打疫苗,恐怕全世界的人都難逃病毒侵襲。因此,世界各國無不設法推進研發進度,例如美國前總統川普在 2020 年 5 月宣布「神速行動計畫」(Operation Warp Speed),投入大量資金在疫苗生產與供應上。採用 mRNA 新技術的莫德納疫苗與輝瑞/BNT 疫苗,在完成三期期中分析後,2020 年 12 月就雙雙取得美國食品藥物管理局的緊急使用授權(Emergency Use Authorization, EUA),隨即廣泛施打。

但是,全球疫苗產能依然極度不足。2021 年 5 月世界衛生組織因此召開了一場專家會議,討論透過「免疫橋接研究」(immuno-bridging study)取代三期臨床試驗的可能性。

陳建仁解釋,免疫橋接就是以保護力相關指標(Correlates of Protection, COP)來取代傳統三期臨床試驗的評估。由於中和抗體效價和保護力呈正相關,如果中和抗體效價能達到目前已認證疫苗的水準,便可考慮作為 EUA 審核標準。雖然世界衛生組織專家會議沒有達成共識,但歐盟、韓國與台灣都支持免疫橋接。

台灣食藥署公布的 COVID-19 國產疫苗療效評估標準(資料來源:衛生福利部

台灣國產疫苗免疫橋接研究方法 分為國產疫苗組和 AZ 疫苗組,取 65 歲以下成年受試者,比較第二劑施打後 28 天的血清中和抗體值。

採用以下兩個方式進行統計分析比較,兩項都達標才算成功:

  1. 原型株活病毒中和抗體幾何平均效價比值(geometric mean titer ratio, GMTR ) 的 95% 信賴區間下限須 >0.67
  2. 國產疫苗組的血清反應比率(sero-response rate ) 的 95% 信賴區間下限 >50%
  • ☆ 血清反應比率,依據 AZ 疫苗 60% 原型株活病毒中和抗體累積分布量設定。
  • ☆ 若申請 EUA 前,世界衛生組織釋出中和抗體之保護力相關指標的閾值數據,則參考世界衛生組織標準設定血清反應比率的比較條件。

相關議題目前仍有許多正反爭論,許多人也不免質疑:若免疫橋接可行,為何美國持保留態度?

陳建仁認為,除了科學專業,各國也有自己的考量,美國目前已經有莫德納、嬌生和輝瑞/BNT 等疫苗,整體供應無虞,故對免疫橋接有所保留。但陳建仁強調,不能只考慮資源充裕國家的情況。即使台灣疫苗接種率達到 70%,也難以高枕無憂,因為病毒會不斷複製和突變,若不能盡快協助其他貧窮國家接種疫苗,終止 COVID-19 的全球大流行,很可能演化出疫苗逃逸株(vaccine escape strain),導致現行所有疫苗都失去保護力。

綜合上述,陳建仁認為這是世界衛生組織進行免疫橋接討論,以便有更多的新疫苗可以通過 EUA 的原因之一。他感慨地說道:「病毒無國界,沒有國家可以單獨對抗病毒,我們不能讓任何一個國家被遺棄,變成全球衛生的孤兒。」

與 COVID-19 共存的世界

這場全球大流行的瘟疫,確實重創全世界。台灣即使實施嚴格的邊境管控,但在三級警戒下,餐飲、觀光及運輸等民生產業皆深受衝擊。經歷病毒一波波反覆侵襲,我們何時可能結束這場漫長的戰役,重返正常生活?

陳建仁認為,施打疫苗能減緩疫情大流行,讓病毒不會大幅度傳播,降低病毒突變的機率。但是,要完全撲滅 COVID-19 已不太可能,因為大量輕症與無症狀感染者,會讓病毒持續存活,小幅度蔓延,而且新生兒尚無法接種疫苗,也是病毒的可能宿主。換言之,我們要有心理準備與 COVID-19 共存。

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要完全撲滅 COVID-19 已不太可能,我們未來很可能要與 COVID-19 共存。圖/Pixabay

COVID-19 病毒為了自身延續,會往高傳染力、低致死率的方向自然演化。那麼,下一步的共存之策為何?

陳建仁給出幾項解方:精準快篩、充足疫苗與抗病毒口服藥物。目前美國默沙東藥廠(MSD)已研發出 COVID-19 抗病毒口服藥物莫納皮拉韋(molnupiravir),正在申請 FDA 緊急使用授權,台灣也與藥廠接洽中。

未來場景已經可以想像:多數人已接種過疫苗,正常上班上課,如果有人經快篩確認感染 COVID-19,醫生便給予口服抗病毒藥物來降低病患體內的病毒量,避免重症、降低傳染力,而社會仍如常運作,醫療體系也不致崩潰,類似目前因應流行性感冒的對策。

陳建仁提到,公共衛生有個重要的概念──「一體健康」(One Health),也就是所有人、所有動物與所有環境都健康。例如流行性感冒、SARS 或 COVID-19 等傳染病,都屬於人畜共通的疾病,疾病不只威脅人類,也會感染動物,甚至對生態造成影響。如果我們不破壞環境,避免和野生動物有過多非必要接觸,或許就能減少接觸中間宿主動物的機會,人類也不會從自然界的動物感染到新型病毒。

「因應未來各種可能的新興傳染病,保持『一體健康』,才會有更好的對策。」陳建仁總結道。

延伸閱讀

  • 成功防疫因素〉。衛生福利部 COVID-19 防疫關鍵決策網。
  • 陳建仁(2020)。《流行病學:原理與方法》。新北:聯經。
  • 陳建仁(2021)。〈智慧防疫與精準健康〉。中央研究院物理所 YouTube。
  • 簡國龍、廖美、吳介民(2021)。〈國產疫苗緊急使用授權爭議與因應路徑 2.0 版〉。思想坦克網站。
新書分享會〉《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》即將出版

——本文摘自《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》/ 中央研究院研之有物編輯群,2022 年 2 月,時報出版


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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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