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武器越大,成本越高——《動物的武器》

PanSci_96
・2016/01/04 ・5657字 ・閱讀時間約 11 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

身體部位發育不良,僅是雄性物種付出的其中一種代價而已,武器越大,成本越高。馴鹿的鹿角超過一百五十公分長,重達九公斤,占一隻雄鹿總體重的兩成以上。麋鹿的鹿角將近兩公尺長,重達十八公斤,已滅絕的愛爾蘭麋鹿(Irish elk)中,體型最大的鹿角有四點二公尺寬,重達九十公斤。不過,若以相對體重的比例來看,擁有「最大動物武器」頭銜的並不是麋鹿,不是甲蟲,而是招潮蟹,大螯的重量占公蟹體重的一半。發育中的公蟹,其體內一半的能量和營養都用來長武器。

粗壯的螯和巨型生理構造不僅要費力打造,也要耗費許多能量維持。蟹螯並不僅僅是空洞的裝飾,裡面是有力的肌肉,足以粉碎雄性對手的外骨骼。肌肉組織非常耗能,而且肌肉細胞內的粒線體濃度特別高,它們負責將儲存的養分和氧氣轉化為可用能源。一般都稱粒線體為「細胞發電廠」,在肌肉細胞,它們提供收縮肌肉和開關蟹螯所需的能量。肌肉細胞含有許多粒線體,維持的成本十分高昂,即使處於休息狀態也是。帶有大螯的公招潮蟹,體內肌肉最多,為了要維持肌肉細胞活性,必須大肆燃燒能量。休息中的有螯公蟹,新陳代謝率比雌性(沒有巨螯)幾乎高出百分之二十。揮舞大螯或打鬥時,所消耗的能量又更多。螯越大,消耗能量越高。

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大西洋泥招潮蟹 Source: wikipedia

帶著一隻巨螯跑步也很耗能。本特.艾倫(Bengt Allen)和傑夫.李維頓(Jeff  Levinton)巧妙地設計出一種欺騙招潮蟹的伎倆,讓牠們到氣密箱內的跑步機跑步。招潮蟹跑步時,肌肉會不斷收縮,燃燒氧氣,在氣密箱中釋出二氧化碳。艾倫和李維頓測量每隻招潮蟹在跑步機上跑步時,兩種氣體的濃度變化,從實驗所得出的數據中,他們計算出招潮蟹跑步的新陳代謝量。想像一下,抱著一大包狗餅乾跑步會有多累,就知道螯大雄性跑步時比螯小雄性、或是沒有巨螯的雌性燃燒更多能量也不足為奇。

讓我們對螃蟹公平一點,以適當角度來看待他們,想像你背著和自己體重相當的東西,這正是螯最大的招潮蟹所要面對的(所以,對我來說,等於是手上抱著三包二十三公斤的狗糧,外加一塊煤渣空心磚在跑步)。我只能說,祝你好運!大螯螃蟹燃燒的熱量比小螯的螃蟹多,而且很快就累了,因為身上沉重的負荷,讓牠們的肌耐力大幅降低。

損耗的例子不勝枚舉。母招潮蟹有兩個攝食螯,可以在泥沙間尋找各種食物碎片。這是一種精細但乏味的攝食方式,招潮蟹撿拾食物時得不停地使用攝食螯。公招潮蟹只有一隻攝食螯,另一隻已經特化成戰鬥用的武器。公蟹「主要的」巨螯沒有辦法用來覓食,所以只能用另一隻來覓食。對已經能量短缺的公蟹來說,等於攝食速度慢一半,因此公蟹必須花費更多時間來進食,或用剩下這隻螯加速覓食,以補償不足的能量。

花在覓食的時間越長,表示暴露在天敵眼前的時間越長。張牙舞爪的巨螯公蟹,行動起來有點麻煩、沉重和笨拙——這三項特點組合起來真是危險。幾項針對招潮蟹的田野調查顯示,落入鳥類口中的公招潮蟹不成比例的高。我個人最喜歡引用的一個例子是約翰.克里斯提(John Christy)和他的同僚,包括派翠西亞.拜克威爾(Patricia Backwell)和古賀恆則(Tsunenori Koga)等人的研究。他們調查了巴拿馬太平洋沿岸泥灘地上的畢比氏招潮蟹(Uca beebei)自然族群,發現大尾擬椋鳥會大量捕食這種招潮蟹,而且這些鳥類會使出一古怪的捉螃蟹招數。大尾擬椋鳥在追螃蟹時,經常會使用一種「反轉跨步假動作」(feinting reverse lunge)。牠們不會直接對螃蟹下手,而是瞄準螃蟹側邊,看起來像是擦身而過。一旦牠們擦過螃蟹,就迴旋轉身,出其不意地從對角線上攻擊,往往使螃蟹來不及反應。

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大尾擬椋鳥 Source: wikipedia

採用這種方式的大尾擬椋鳥,捉蟹成功率比直接衝向螃蟹高出兩倍,值得注意的是,採用反轉假動作的鳥,幾乎都是抓到公蟹。公蟹身上那隻巨螯,成為鳥衝刺而下時的首要目標。在這個族群中,公招潮蟹被捕食的數量比例遠高於母蟹。暴露在外的時間越長,遭到捕食的風險就越高,這成了每隻公招潮蟹製造和揮舞武器所要負擔的普遍成本。在招潮蟹族群中,雄性遭到捕食的機率偏高,可歸因於更加顯眼的外型、耐力降低和笨拙的行動,甚至可說掠食者刻意挑選這樣的獵物(公蟹螯中大量的肌肉比母蟹更具營養價值)。

對鹿的研究讓我們看見武器成本的最佳實例。我們無法將鹿塞進小塑膠管,而且牠們的發育過程遠比糞金龜來得長,要用牠們做人工選汰的實驗困難重重。不過還是有其他方法可以研究鹿群中的性擇怎麼作用,而且事實證明相當適合。主要原因是鹿體型大,很顯眼而且容易觀察。鹿的個體也很容易標記與追蹤,在十幾隻雄鹿間追蹤成功的鹿戰士和能夠交配的成熟個體數量,以及成功吸引到的雌鹿個體數量是可行的。此外,雄鹿每年都會掉鹿角,來年重新長出。脫落的鹿角可拿來稱重與測量,甚至還能夠磨碎或燃燒,進而計算武器的熱量消耗狀況和礦物質含量。

長期監測雄鹿個體,可以確定牠們用於覓食、追逐雌鹿和戰鬥等活動所花費的時間。朝牠們發射鎮靜劑後,生物學家約有一小時左右的時間接近雄鹿,測量身高、體重和年齡(從牙齒來判斷),同時計算體外寄生蟲數量,以抽血樣本來估量體內寄生蟲和感染狀況。在繁殖季,也就是發情期前後,分別收集這些資訊,並比較前後數值的差異,可以讓我們看出交配機會對雄鹿而言多麼重要。事實上,發情的雄鹿體重會快速下降,發情期間身體狀況也直線下降。武器、身體耐力還有睪固酮,以及隨之而來的侵略戰,可能會毀掉一隻雄鹿的健康。

source:wikipedia
source:wikipedia

在現存生物種中,黇鹿(Dama dama)和馴鹿的鹿角,是最為巨大的。黇鹿原產地在歐亞大陸,以色列考古證據顯示,黇鹿肉是人類重要食物來源,而且早在舊石器時代(一萬九千年前至三千年前)人類就開始食用鹿肉。最遲在公元一世紀時,由羅馬人引進歐洲,傳至英國。如今,最常被研究的一個黇鹿族群,分布在一個相當不尋常的地方,是愛爾蘭都柏林市的城市公園裡。鳳凰公園(Phoenix Park)可不是一般的市區公園,這是歐洲數一數二大的封閉式公園,占地超過七百萬平方公尺,當中有草原、丘陵與森林。當中有林蔭大道和人行道穿林而過,動物偶爾也會亂入人類的野餐,或是參加慢跑和少許遊行活動。此地鹿群,自十七世紀以來就在此地不受干擾地生活,很容易觀察到牠們豐富且具戲劇性的交配行為。

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鳳凰公園 Source: wikipedia

黇鹿的鹿角呈扁平彎曲的巨大掌型,外緣環繞叉狀物,像是手掌上張開的手指。大型鹿角外緣可能長有七十多根分叉,寬度可達二點七四公尺,超過雄鹿自己的身長。在每年九月到十月,有五週時間,發情的雄鹿會揮舞著笨重鹿角,在牠們竭力固守的一小塊地盤上,顯現雄性魅力,咆哮不已。牠們不斷以沙啞聲音叫喊,直到聲嘶力竭,牠們會刨土,在翻起來的每一土塊,灑下充滿睪固酮的尿液,以此來吸引雌鹿,並威嚇前來競爭的雄鹿。

托馬斯.海登(Thomas Hayden)和艾倫.麥克利戈特(Alan McElligott)追蹤這個黇鹿族群超過十五年,在這段期間,鹿群平均數量在三百到七百隻之間擺盪。他們觀察了三百一十八隻雄鹿一生的發情行為以及戰鬥和交配的成功率,記錄贏得戰鬥的個體、成功交配的個體,以及牠們的後代數量。他們還檢視了雄性為求偶所付出的成本:每隻雄鹿將失去多少體重,最後會變得多麼體弱多病,以及是否能夠在冬天來臨之前補足失去的體重。

並非所有的雄性個體表現都相同。事實上,以繁殖成功率而言,絕大多數下場都很悲慘。四分之三的雄鹿在還沒來得及長好武裝前就戰死了,而且高達九成的雄鹿一生之中從來沒有機會能和雌鹿交配。在體型長到足夠大,武裝達到一定等級的雄鹿中,多數都會在地盤捍衛戰中受重傷,並損害身體健康,在此過程中牠們累積了壓力、互撞所留下的傷口、寄生蟲和病原體,但雌鹿通常對牠們拼死維護的地盤不屑一顧。

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Source: bbc

為了展示地盤與吸引雌性,鹿必須戰鬥,這是一項沒完沒了的任務,在發情期間,雄性平均每兩個小時就要打鬥一次,不分晝夜。多數時間牠們都沒有進食,但不論是向雌性展示,還是與雄性打鬥都非常耗能。最後,雄鹿會在這個時期失去四分之一以上的體重。對一隻普通雄鹿來說,相當於二十七公斤。等到發情期結束,大部分雄鹿又餓又累,身上長滿寄生蟲,還有一堆在戰鬥中受的傷,有擦傷、瘀傷、骨折和砍傷。在冬季來臨之前,受創的雄鹿只剩下短短幾週時間來恢復健康和體重。無法恢復的雄性通常在春天之前就會死去。

榮恩.摩恩(Ron Moen)和約翰.巴斯特(John Pastor)用另一套完全不同的方法來衡量雄性麋鹿所付出的代價。他們將一隻麋鹿個體所吸收的礦物質、碳水化合物、脂質和蛋白質精確量化到毫克,然後將資料送入生化模型中分析,這個複雜模型是以脊椎動物生理學為基礎所建構的,能夠準確計算出一隻雄性要犧牲多少生理需要才能長武器。結果顯示,在整個生長季期間,雄麋鹿初長鹿茸時,每天需要投入總營養攝取量的百分之五十,等到鹿角生長期高峰,需求量更是達到百分之百(身體的基礎代謝率增加一倍)。整個鹿角生長期,能量需求是維持平常身體基礎機能的五倍。

鹿角對蛋白質需求也很高,但研究發現,對麋鹿而言,蛋白質不虞匱乏,雄鹿可以透過大量進食來確保鹿茸生長所需的額外蛋白質。真正的關鍵其實是鈣和磷,兩者都是長骨質的必須材料,並且都不容易從攝食中取得。在麋鹿和馴鹿兩種鹿身上,鈣和磷需求量非常高,牠們不得不從體內其他骨骼「借用」。由於無法從日常飲食中足量攝取,牠們會從骨骼中析出鈣和磷,再分配到鹿角中。這無異是一種赤字開銷,是一種不可持續的透支。在發情期之後,牠們必須趕緊攝食,補充耗盡的骨本,要是沒有補好,下場將會十分淒涼。

總之,鹿角之於雄性,就跟生殖繁衍之於雌性一樣,成本極高:打造和使用鹿角的能量和所需的營養,等同雌鹿生產與哺乳兩隻小鹿到斷奶。長鹿茸時,全身骨質大幅減少,使雄鹿骨骼變得更脆弱,更容易骨折。從本質上來看,長鹿茸會引發季節性的骨質疏鬆症,偏偏這時又是一生中最需要體力的危險時候。對雄鹿來說,在發情期骨質脆化可是再糟糕不過,因為這是測試實力的時機,牠們會一遍又一遍地在無情而殘酷的戰鬥中爭奪優勢和繁殖機會。

在許多大型鹿科動物中,長鹿茸所引發的季節性骨質疏鬆症,使他們在戰鬥中容易受到嚴重傷害。雄麋鹿出現肋骨和肩胛骨骨折的比例甚高。在歐洲馬鹿(red deer)族群中,四分之一的成熟雄鹿會在發情期戰鬥中骨骼斷裂或遭其他傷害,每年有百分之六的雄鹿受到無法復原的永久性傷害。在駝鹿(bull moose)族群中,每年有百分之四的雄性在發情期間因為不斷打架受傷而死,而繁殖期中,有三分之一會因為戰鬥受傷而死去。

駝鹿 Source: planetbell

摩恩、巴斯特和約瑟夫.科恩(Yosef Cohen)又以非常高明的研究方法做了延伸,他們將這套脊椎動物生理機能模型應用到已滅絕的大角鹿(Megaloceros giganteus)上,即俗稱的愛爾蘭麋鹿。從生物學來看,這些鹿既不是麋鹿,也稱不上是愛爾蘭糜鹿。大角鹿是黇鹿近親,曾經廣泛分布在整個歐洲、北亞和北非,直到約一萬一千年前滅絕為止。只是大多數化石標本都來自愛爾蘭(這就是牠們得到這個綽號的原因),主要是在一萬兩千到一萬一千年前阿勒勒(Allerød)時期的湖水沉積層中發現的。這些體格壯碩的鹿所頂的鹿角是目前已知最大,超越所有物種,在最大雄鹿個體身上,寬度可達三點六七公尺。從化石骨骼可以確定大角鹿的身體尺寸和比例,摩恩、巴斯特和科恩將數值整理好,用來估計生長成本,如何才能長出頭上那對令人難以置信的武器。果不其然,大鹿角造價高昂,比麋鹿和馴鹿所耗費的能量又多出一半,而且每天所需的基礎代謝能量是麋鹿和馴鹿的二點五倍。對鈣和磷需求更大,而季節性骨質疏鬆症可能特別嚴重。

「愛爾蘭麋鹿」的鹿角是所有鹿種中最大的,一旁站的是黇鹿。

大角鹿消失的時間恰逢地球的「新仙女木期」(Younger Dryas),這時氣候變化劇烈,可能導致鹿群食物品質降低,讓雄鹿更難以補充鈣和磷,使他們長不出大角。在阿勒勒時期,大角鹿住在有高大柳樹和雲杉的森林,那裡長有相對豐富的草。然而,根據花粉記錄,在「新仙女木期」的晚期,因為進入短暫冰河期,氣溫驟降,植物種類組成有了大幅轉變。大角鹿族群棲地相對快速地變成了凍原,能夠食用的草品質大不如前。可能因為食物質量突然下降,營養取得變得更加困難,成本更高,甚至影響到雄鹿補充每年從骨骼挪用掉的鈣與磷。若真是如此,那麼打造雄性武器的高昂成本,可能也是促使這個物種數量縮減乃至滅絕的一大因素。

最終,只有最大的、適應力最強的以及武裝最完備的雄性會在這場繁殖競爭中勝出。在鳳凰公園的黇鹿群中,十隻雄鹿只有一隻有機會交配,而且多數交配機會(百分之七十三)都被百分之三的雄鹿壟斷。九成以上的雄鹿都失敗,只有極少數成功,就是因為這樣極端的成功繁殖率,才會產生強大的性擇,而且,都偏向體格好、耐力強和具備大型武器的個體。對最健壯的雄性而言,投資在武器上的一切,都因為有機會繁衍後代而有了回報,足以抵消所有代價。但對其他雄性動物來說,投資終極裝備的成本確實所費不貲。

1225-臉譜-動物武器-立體書封-new300 本文摘自泛科學2016年1月選書《動物的武器》,由臉譜出版。


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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!

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研之有物│中央研究院_96
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