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8500年前古印第安人,在現代引起了什麼爭議呢?

寒波_96
・2016/02/01 ・3351字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

大多數美洲原住民的祖先本來住在西伯利亞,在冰河時期海平面較低,白令海峽還是白令陸橋時,從東北亞前進美洲,隨後分佈到整個美洲大陸,成為美洲最早的居民。早期美洲人的遺骸很少,其中8500年前的肯納威克人(Kennewick Man)相當特殊。

古今美洲居民,腦袋不一樣

肯納威克人是成年男生,1996年在美國華盛頓州被發現。風景優美的華盛頓州也是《暮光之城》主角貝拉的家,是個有吸血鬼又有狼人的鬼地方。

取自這裡
Source:ilovewerewolves

從時間與地點看來,肯納威克人怎樣都該是美洲原住民。型態分析卻顯示,他的頭骨不像現在的美洲原住民,反而更接近日本的阿伊努人,或是大洋洲的玻里尼西亞人。但比起型態,要知道肯納威克人的血緣來歷,DNA分析會是更可靠的工具。

8500年前的古印第安人

肯納威克人整個基因組在2015年獲得[1],是繼2014年「Anzick-1」以來[2],第二個成功取得的美洲古代基因組,這個研究也成為去年《Science》雜誌的「年度科學突破」之一[3]。他的粒線體單倍群(haplogroup)是X2a,Y染色體單倍群是Q-M3,兩者在美洲原住民中都算常見。

比較整個基因組,世界上與肯納威克人在遺傳上最接近的,是古代與現代北、中,南美洲的原住民,儘管他們頭骨型態不太一樣;相對的,阿伊努人及玻里尼西亞人雖然頭骨形態類似,遺傳上卻差異較大。這表示血緣上肯納威克人的確是美洲原住民。

世界各地族群與肯納威克人的親疏關係比較,每個圈圈代表一個族群,色調愈溫暖的,遺傳上愈接近肯納威克人。顯然所有美洲族群,都比阿伊努人與玻里尼西亞人,更接近肯納威克人。(取自ref1)

為什麼形態與遺傳不一致?論文推論,也許是因為族群內個體形態差異太大所致。美洲原住民族群非常大,單一個體有機會落在多數人的範圍外頭,例如北達科他州的Arikara族,頭骨形態也更接近波里尼西亞人,然而他們是貨真價實的印第安人,由此觀之,肯納威克人所屬族群的頭骨形態,實際上未必真的處於現代的美洲原住民之外。

美洲原住民的大西部遷徙史

肯納威克人提供的遺傳資訊,對釐清美洲原住民的遷徙與遺傳史很有幫助。當初美洲原住民的祖先,應該是先沿著太平洋側的海岸前進,一批人一路往前走進中、南美洲,形成後來的馬雅人等族群;另一批人改道內陸,散居北美洲,還有些人留在太平洋側這邊,成為後來的北美印第安人。

 (取自ref1)
非洲YRI(Yoyuba in Ibadan)、東亞CHB(Chinese Han in Beijing)、與美洲各地原住民間的遺傳關係。美洲原住民自成一群,Anzick-1接近中、南美洲,肯納威克人接近太平洋西北地區與科爾維爾。(取自ref1)

親緣關係上,跟世界其他族群相比,整個美洲的原住民自成一群,這一群又可再細分成三大群:北美、太平洋西北地區(Pacific Northwest)、中與南美洲。太平洋西北地區這群雖然位於北美,遺傳卻比較接近中與南美洲的族群,跟東邊的北美族群差異較多。

有意思的是,地理位於北美蒙大拿州的Anzick-1,遺傳卻更接近今天中、南美的原住民,可見12600年前時,人群的位置跟現在還不同,或許仍在大風吹。肯納威克人位於北美西北方,遺傳也跟現在附近的族群最接近,例如宣稱擁有肯納威克人主權,並提供遺傳樣本參與本次研究的科爾維爾(Colville)部落。這似乎意謂,8500年前美洲原住民的分佈與現在已大致吻合。

 (取自ref1)
美洲各地族群與肯納威克人(左)及Anzick-1(右)的親疏關係比較,每個圈圈代表一個族群,色調愈溫暖的,遺傳上愈接近。(取自ref1)

主權爭議,再見法院

等等,「宣稱擁有肯納威克人主權」是怎麼回事?宣稱擁有釣魚台或是南沙的主權很好理解,但死人骨頭怎麼會有人想要,莫非有什麼神奇魔力,例如隱藏了古老的狼人變身奧秘嗎?

好幾個部落主張,肯納威克人是在美國陸軍工兵隊(US Army Corps of Engineers)的土地上發現,根據「美國原住民族墓穴保護及歸返法案(Native American Graves Protection and Repatriation Act)」,印第安人有權要求歸還相關的遺物或遺骸[4]。對印第安人血淚史稍有接觸的人,必能體會這法案對他們的意義,然而對科學家來講,肯納威克人的學術價值又何其重要!

雙方對簿公堂多年,爭奪肯納威克人所有權。之前原住民方由於無法證實,與肯納威克人間確有關係而敗訴,新的遺傳學證據,無疑將提供他們繼續在法院奮鬥時,更有力的支援。

全都來自西伯利亞!

新研究發表,往往幾家歡樂幾家愁。肯納威克人DNA揭曉後,印第安人開心了,但梭魯特(Solutrean)假說卻喪失一大有力證據。這假說主張距今13000年的北美克洛維斯(Clovis)文化,跟歐洲約2萬年前的梭魯特文化有關,因此部分美洲原住民的祖先並非來自西伯利亞,而是源於歐洲,跨越大西洋而來[5]。

 (取自這裡)
目前推論人類移民美洲的路線,與幾個早期遺址的年代。本來住在西伯利亞的美洲原住民祖先,在1到2萬多年間,亞州與美洲陸地相連之際,從西伯利亞遷徙到白令,隨後繼續南下或深入內陸,成為後來的美洲原住民。(取自這裡

梭魯特假說本來就沒多少學者支持,而且在克洛維斯文化中,唯一的人類遺骸Anzick-1基因組定序出爐後,幾乎已宣告淘汰,畢竟Anzick-1完全看不出源自歐洲的成分。但仍有一個疑點難以解惑,就是粒線體單倍群X2a的來歷[6]。

每個人都有由母系代代傳承的粒線體,裡頭DNA自成一格,不與細胞核DNA互換,因此可以依粒線體DNA變異位置不同,定義為各種單倍群(與更細的單倍型),追蹤親戚關係。美洲原住民有五大單倍群A、B、C、D、X,前四者也出現在西伯利亞族群,然而X卻不存在西伯利亞與東亞。

X衍生出的單倍群,幾乎全出現在中東、北非、歐洲,只有X2a位於美洲;多數X2a分佈於北美東方、靠近大西洋側的五大湖區,北美西方相對少見,中、南美洲則完全沒有。在梭魯特假說的支持者看來,這簡直是歐洲與美洲在史前時代,有過跨大西洋直接交流的完美證據。

可惜肯納威克人的粒線體單倍群,正是X2a,而且還是改變最少,X2a最初始的型號。那個時間、那個地點,那個遺傳特徵,都漂亮地補上「美洲X2a從何而來」的缺口。

(取自ref1)
粒線體單倍群X衍生型號間的親緣關係。現在的X2a旗下分為X2a1與X2a2兩個分支,但肯納威克人的X2a,沒有任何X2a1或X2a2特有的衍生變異,因此推論是最改變最少,X2a最初始的型號。(取自ref1)

目前看來狀況像是,單倍群X最早在中東出現,然後少少的人帶著它移居北亞,他們的後代跨越白令到了美洲西北。這群人累積的DNA突變,產生X2a這個支系,最後終於在北美東方繁榮昌盛;然而由於一直人數不多,沿路都沒留下多少後裔,或是某時不幸失傳,所以我們今天在北亞、東北亞、西北美這些地方,都見不太到X2a。

原住民研究的倫理議題

獲取肯納威克人的DNA後,數個學術上的謎團順利解開,歸屬官司卻也將因此重啟。與人相關的研究,永遠不可能擺脫人的羈絆,牽涉原住民時更是如此,目前許多研究美洲原住民的學者已經意識到這點,更加重視與原住民的關係,希望能創造學術研究與原住民權益上的雙贏[7]。

台灣沒有美國原住民族墓穴保護及歸返法案,卻不代表不存在跟美國類似的問題,相關議題值得我們深思。

參考文獻:

  1. Rasmussen, M., Sikora, M., Albrechtsen, A., Korneliussen, T. S., Moreno-Mayar, J. V., Poznik, G. D., … & Jónsson, H. (2015). The ancestry and affiliations of Kennewick Man. Nature.
  2. Rasmussen, M., Anzick, S. L., Waters, M. R., Skoglund, P., DeGiorgio, M., Stafford Jr, T. W., … & Poznik, G. D. (2014). The genome of a Late Pleistocene human from a Clovis burial site in western Montana. Nature, 506(7487), 225-229.
  3. Science 選出2015 年度科學突破,得獎的是…
  4. Ancient American genome rekindles legal row
  5. Oppenheimer, S., Bradley, B., & Stanford, D. (2014). Solutrean hypothesis: genetics, the mammoth in the room. World Archaeology, 46(5), 752-774.
  6. Raff, J. A., & Bolnick, D. A. (2015). Does Mitochondrial Haplogroup X Indicate Ancient Trans-Atlantic Migration to the Americas? A Critical Re-Evaluation. PaleoAmerica, 1(4), 297-304.
  7. Ancient genome stirs ethics debate

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁


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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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