【專題企劃3─新進人員專訪】跨領域研究的「湧現」─結合生態學模型 施宏燕為湍流研究帶來新突破

by Yang-Kuang Chao
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採訪 ‧ 撰稿  /  林品婕 (科學推展中心特約編輯)

學問要深,還要廣。專攻物理學的施宏燕研究員,在海外學習到跨領域研究的重要性,同時對生物有興趣的她,發現將演化生態學的知識,與湍流相變研究結合,有助於解開物理學百年懸而未解之謎,不僅榮獲 2019 年美國物理學會統計與非線性物理類博士論文獎,更藉此體現跨領域研究合作之重要。

研究之路,始於對自然現象的好奇

「走向物理研究,其實是個漸進的過程。」從小對自然現象十分好奇的施宏燕研究員,在就學期間慢慢被物理吸引。她認為,人類可以建構理論,描述大自然的運作和背後的法則,是很神奇的事情。如願進入清大物理系後,施宏燕研究員開始探索前沿物理研究的不同可能性。

大學期間,施宏燕研究員對於物理的喜愛更加聚焦,像是熱物理學、統計力學裡,從微觀連結巨觀的現象和規律等概念,都讓她深深著迷;此外,當時王道維教授開設「前沿物理專題演講」課程,邀請系上教授和學生分享自身研究題目,也帶領她認識凝聚態物理與其當前研究方向。其中最吸引她的,便是「湧現」的概念。

「湧現」(emergence)是指多個個體產生的群集行為與特性,這些行為和特性並不見於單一個體,只有在眾多個體群集、彼此產生交互作用才會出現。一個常見的例子是水的三相:相同的水分子在不同條件下會產生不一樣的群集行為,因而展現出相異的物理狀態與性質。例如雪花由水分子組成,卻能聚集成各式各樣的雪花圖案,這些結構並不能從單一水分子的行為得知,必須由多個水分子聚在一起才能展現出的特性,便是湧現作用的概念。

「生命系統本身就是一個湧現的現象。」儘管科學家已經知道生物體是由細胞及更小物質所組成,卻依然難以回答「生命」如何產生。施宏燕研究員在大學期間加入林秀豪教授的研究小組研究低維度電子系統,林秀豪教授當時的研究題目之一正往生物相關領域發展,開啟她走向生物物理及跨領域研究之大門。

湍流之謎,從跨領域學科中尋解

因著對生物物理和跨領域研究之興趣,施宏燕研究員選擇到美國伊利諾大學攻讀博士,起初只是抱著了解國外相關領域的發展,卻在湍流相變的研究中,因跨領域知識的結合,而有突破性的發現。

「湍流」,又稱紊流,常見於日常中的流體,如搭飛機遇到的亂流、杯中因快速攪拌而流動的咖啡、血管中受擾動的血液,都是生活中常見的例子。物理學家嘗試以物理規則和方程式來預測湍流的變化與模式,但在多年的鑽研後依然未有一個完整的了解,使湍流被公認為物理學至今尚未被解決的問題之一。有趣的是,讓物理界頭痛的問題,卻在生物領域找到一絲曙光。

研究團隊透過數值模擬結合統計模型發現,在湍流漸漸產生時,系統會湧現一個大尺度的模態,並與湍流裡小尺度的擾動產生交互作用,此作用呈現出來的統計行為,竟然產生類似生態系裡掠食者-獵物的生態動力學行為。換句話說,看似複雜的湍流,卻能連結到一個簡單的生態統計模型,為湍流研究帶來截然不同的研究視角。

施宏燕研究員憶起當時的發現,難掩心中的激動。在傳統觀念裡,生物物理被視為是以物理知識,來解決生物或其他領域的問題,「這個例子剛好相反,是其他領域的知識和方法,反過來幫助解決物理的問題。」她說,因為當時在博士班也有研究演化生態學題目的經驗,才能在不同領域找到產生相互呼應的概念、發現如此突破性的研究結果。

學成回臺,鼓勵跨領域交流

跨領域合作,是未來的研究趨勢。由於從國外跨領域研究環境中獲益良多,促使施宏燕研究員決定回臺。在博士後研究之後,她在 2019 年加入中研院物理所生物與動態系統組。生物與動態系統組是一個以跨領域研究為主的團隊,施宏燕研究員希望貢獻所學於生物物理與跨領域研究,期待國內學術圈能有更多元的交流管道,提供領域內或領域外的研究員彼此認識、互相交流的機會。

訪談最後,施宏燕研究員不忘鼓勵學生多加利用寒暑假的時間到研究組或到校外實習,並以開闊的心胸嘗試不同領域的知識和研究,累積不同面向的經驗,並從中挑戰自己、發掘興趣。「臺灣學生其實很有能力,不需要妄自菲薄。」她堅定的說道。

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