570 2017 / 06 數學桂冠阿貝爾獎
9 770250 331001
NT180 ISSN:0250-331X
影響現代科技應用的 小波分析理論
專訪 ︱ 李琳山 比 早 16 年的 Siri 華語語音辨識先驅
浸入那一片 藍
氮排放對遠洋的影響 登 Science 期刊的 東沙島氮排放研究
東沙島上的生活與研究 研究人員吃和住如何打理？
06
昆蟲生存風格 文／編輯部 繪畫 ‧ 圖說／莊文岳
昆蟲和人類雖然在生物的個體結構上
為了在人類世界中生活，我們各自發
差異巨大，但從性情來看，兩者卻也
展出一套自己的生存策略；同樣的，
有相似之處──都無法從外表輕易透
在變化多端的野外環境，昆蟲也必須
視我們的性格與傾向。人類之中，有
演化出獨特的生存風格。或許，在偶
適應於社會環境，默默付出者；有單
然之下，我們會在昆蟲世界中發現自
打獨鬥、離群索居者；然而也有超脫
己的面貌。
於常規，以掀起混亂為目的者。除了 與生俱來的生物特質，我們的個性也 會受到環境與周遭人們的影響，而昆 蟲是否也會如此呢？
1.
逐水而居者
為求生存，尋找最適合自身發展的環境。
青紋絲蟌 Indolestes cyaneus
豆娘跟蜻蜓是近親，外型相似。豆娘體態纖 細、兩眼分開、休息時翅會合在一起，蜻蜓 正好相反。交配時，雄蟲與雌蟲腹部會彎曲 而形成愛心的形狀。俗稱的蜻蜓點水就是蜻 蜓、豆娘產卵的動作。蜻蜓、豆娘幼期生活 於水中，故成蟲亦棲息在水域環境四周。蜻 蜓、豆娘一生皆為捕食者，幼期捕食小魚等 水中動物，成蟲則捕捉其他昆蟲。
上：彩裳蜻蜓（雌）Rhyothemis variegata arria 下：硃紅蜻蜓 Hydrobasileus croceus
相 較 於 豆 娘， 蜻 蜓 的 雙 眼 會 碰 在 一 起，休息時翅會張開平放，通常蜻蜓 的體型也較粗壯。幼期生活於水中， 故成蟲在水域環境週遭棲息、活動。
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2.
團隊合作者
適於群居，為團隊努力達成任務。
西方蜜蜂 Apis mellifera
蜜蜂是社會性昆蟲，一個家族是由 蜂后帶頭，所有的工蜂、雄蜂都是 它 的 小 孩。 大 家 都 知 道 蜜 蜂 很 勤 勞，因為牠們總是在花叢間，忙碌 地採集花粉、花蜜。但是蜜蜂不會 說話，所以通知同伴花蜜所在地， 是透過跳舞的方式。陽光也是蜜蜂 辨識方位的重要依據之一。
熊蜂
熊蜂跟蜜蜂一樣，都是傳花粉的大功臣。 不過熊蜂身體較大，全身的毛也更多，看 起來就像毛茸茸的圓球。在山區的花叢間 偶可見其訪花採蜜。熊蜂跟蜜蜂不一樣的 臺灣大虎頭蜂 Vespa mandarinia
虎頭蜂跟蜜蜂是近親，但是虎頭蜂毒性強，生性 也兇猛許多，是肉食主義者，甚至常有虎頭蜂攻 擊蜜蜂的例子。山區的林道間是虎頭蜂最常居 住、築巢之處。虎頭蜂也是社會性昆蟲，領域性 強，當其他動物靠近時，會遭受猛烈攻擊。
地方在於築巢地點，蜜蜂築巢在樹上，但 是熊蜂卻是築巢在土表。跟蜜蜂一樣，熊 蜂具有階級制度，蜂后負責產卵，工蜂負 責採蜜、照顧幼蟲、打仗等工作，雄蜂除 了交配就沒其他貢獻了。牠們辨識方向的 方式是透過太陽與地面的夾角。
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大黑星龜金花蟲 Aspidomorpha miliaris
金 花 蟲 是 常 見 的 小 甲 蟲， 種 類 繁 多，外表各異。有金屬光澤者、有 狀似瓢蟲者。因為喜食菜葉，所以 經過菜園附近時，常會看到牠。也 因為許多金花蟲是以農作物為食， 屬於大害蟲之一。
3.
秩序破壞者
不顧一切掠奪資源，將自身利益最大化。
椿象
俗 名 臭 蟲， 因 為 椿 象 會 散 發 出 異 味 以 趕 走 敵 人。 所 有 的 椿 象 都 是 刺 吸 式 口 器， 以 吸 食 植 物 或 動 物 的 體 液 為 食。 大 部 分 的 椿 象 是 植 食 性， 為 害 蟲， 但 少 數 肉 食 性 種 類 會 捕 食 其 他 小 昆 蟲， 這 些 則 屬 於 益 蟲。 椿 象 除 了 臭 氣 之 外， 沒 有 其 他 自 衛 工 具， 所 以 椿 象 通 常 會 聚 集 在 一 起， 壯 大 聲 勢 並 減 少 自己被捕食的機率。
上：玉條虎天牛 Chlorophorus quinquefasciatus 下：黑紋蒼藍天牛 Paraglenea swinhoei Bates
天 牛 的 觸 角 很 長， 經 常 長 過 於 體 長。天牛幼蟲蛀食樹木，造成樹木 衰弱，甚至枯死。對果樹和森林來 講，是一個嚴重的威脅。
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臺灣大鍬形蟲 Dorcus grandis formosanus
臺 灣 特 有 種， 廣 泛 分 佈 於 全 島 山 區， 成 蟲 發 生 期為 4~8 月，有趨光性。
長角大鍬形蟲 Dorcus schenklingi
分 佈 於 全 臺 山 區， 成 蟲 發 生期為 4~8 月，有趨光性。
4.
表裡違和者
具備強健的外表，卻擁有溫和的一面。
右：臺灣深山鍬形蟲 Lucanus formosanas 左：鍬形蟲
鍬形蟲成蟲雄壯威武，好勇鬥狠，但 卻是完全的素食主義者。幼蟲以朽木 為食，成蟲則取食樹汁、水果，因此 一般都棲息在樹林中。雄鍬形蟲戰鬥 的目的是為了爭奪伴侶，所以多半是 同類內的鬥爭，除非受到威脅，否則 雄鍬形蟲不太會攻擊其他動物。雌鍬 形蟲不具強烈攻擊性，但是受到驚嚇 的時候也會快速的咬一下敵方，趁敵 人驚嚇的時候快速逃走。
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非關
科學
雷明頓打字機雜記 歐陽太閒
就讀美國哥倫比亞大學電機工程研究所博士班，研究領域
為系統生物學、高通量定序資料分析與癌症生物標記。
雷明頓可攜式二號：正面（左）、底部（右）。（作者提供）
在因緣巧合之下買了這台快 90 歲的打字
改進。他們提出類似鋼琴的結構，用鍵臂
檢 查 後 發 現， 其 右 側 的 滑 動 架 釋 放 桿
機，對其來歷卻一無所知，便著手考察其
（key lever）控制每個字母專屬的字模臂
（carriage release lever）折彎卡住了，這個
歷史。打字機的概念可以追溯到 1714 年，
（typebar）敲擊紙面，使其接觸沾有油墨
問題只花一分鐘用鉗子解決。但更大的問題
英格蘭工程師米爾（Henry Mill）註冊的專
的色帶（ribbon）而印出字。後來進一步
是字模臂敲擊紙面後，紙張並不會移動。翻
利「用於謄寫書信的機器」，雖然原始的
改成敲擊色帶讓油墨印在紙上，以及讓一
到機器背面，去除陳年蜘蛛網和灰塵後，看
機構設計已不可考，仍可算是打字機概
個字模臂上同時具有大小寫的字模。以當
見有一段褐色長條物，用鑷子將其慢慢拉
念的濫觴。很快地歐洲進入了工業革命時
時的機械技術而言，舒爾斯設計的結構較
出，竟是一條細線。費了一番功夫，拉到最
代，機械技術的進步一日千里，但此時接
普拉特的設計更為簡單可靠。
後，才發現這條細線被捲到一個金屬圓盤下
近打字機概念的機器都相當複雜，至多僅
方，卡住了。
能小量生產，未能普及。
舒爾斯三人在 1868 年註冊了打字機（type-
writer）的專利，但他們的商業量產計畫並
圓盤內裝了發條，用來牽引細線。問題是
19 世紀中，威斯康辛州的報紙編輯、出版 商和前州參議會議員舒爾斯（Christopher Sholes）在 經 歷 了 印 刷 廠 罷 工 事 件 後， 和同事索爾（Samuel Soule）在餘暇時到
不順利，最後只好將專利授權給在美國內
這發條與細線的功能是什麼呢？
力於雷明頓的專業技師和大規模生產的經
當地機械工廠自行開發能自動印刷數字
驗，世界第一台真正大規模量產的打字機
的雷明頓公司（E. Remington & Sons）。得
的機器。他們把原型機展示給同樣在工
雷明頓一號（Remington No. 1）在 1873 年
廠裡當業餘發明家的律師格里登（Carlos
誕生，並且深深影響此後打字機的機械結
Glidden）看，格里登覺得這台機器很有
構。為了不讓排列緊湊的字模臂卡在一起，
趣，他提出這個機器應該也可以印出字母
他們將鍵盤上的常用字盡量分散，排列成
的想法，並因此加入團隊。
「QWERTY」的順序，這個排列方式一直
1867 年， 舒 爾 斯 讀 到《 科 學 美 國 人 》
沿用至今日的電腦鍵盤。此時期因為機械
（Scientific American）的一篇文章，介 紹 有關當時美國因為內戰，經濟困乏，而移
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戰結束後，希望從軍火事業轉型到新事業
設計尚未成熟以及專利的限制，各家打字 機廠商的機械設計可說是百花齊放，精采
居英格蘭的美國記者兼律師普拉特（John
萬分，堪稱是打字機發展的黃金時代。
Pratt）發明「飛字機（pterotype）」的報
這台雷明頓可攜式二號（Remington Portable
導。普拉特的設計是讓擁有所有字母字模
No.2）的玻璃鍵帽和黑色烤漆仍維持在出
的選字輪（typewheel）懸在空中移動，選
廠狀況，還附有皮箱。依據序號可追蹤出
好字後，再讓字模將油墨印到紙面。舒爾
是在 1928 年底生產。不過店家說機器故
斯認為普拉特的機器太過複雜，他們三人
障了，他們無法修理，我抱著姑且一試的
應該可以開發出更好的設計，便投入研究
心情買下。
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上網搜尋後才了解，原來打完一個字後， 打字機左側下方的圓盤（又稱簧鼓，spring
drum）會釋放簧力，通過細線牽引滑動架 （carriage），讓壓紙滾筒（platen）上的紙 面向左移一字元，才能再打下一個字。不 過，又遇到新問題，因為圓盤在機器左側， 滾筒的細線固定點在機器右側，這條細線 必須穿過整個機器的內部，加上零件排列 非常緊密，距離又遠，要穿線勢必要拆開 整台機器才行。靈光一閃，用鐵絲從右側 穿入機身到左側，和線頭打結做成牽引工 具，再慢慢從右側拉出鐵絲，即可牽出線 頭，綁在滑動架上的固定螺絲，大功告成。 將機器擺正，拉開滑架並夾入紙張，順利 敲打幾個鍵後，便確定沉睡數十年的老雷 明頓已經復活。玻璃鍵帽的冰涼觸感和字 模敲擊紙面的紮實聲響，讓人回到那個機 械工藝無比輝煌年代。
非關
科學
熱帶植物園泡溫泉的猴子。
科學出走
北海道
李依庭 喜愛各種冷門知識，對不完美情有獨鍾，本刊編輯。 北海道大學內克拉克博士半身雕像。
「撲通！」遠方傳來一聲入水的聲音，循
來當任首任校長，雖然只待了短短的 8 個
對著送別的學生所勉勵的話，銅像高舉
著聲音穿過了走道，裹著厚厚的外套在這
月，卻也為北海道日後的開拓與教育打下
的右手往前方指則是希望他們能去追尋那
將近 0℃的戶外，遠遠的就看到一群猴子
良好的基礎，影響了日後對臺灣糖業有顯
「位在遙遠的彼岸的永恆的真理」。
在這寒冷的天氣下，完全不受絲毫影響的
著貢獻的新渡戶稻造，而在一次大戰結束
到處跑跳，快步走近時隨即在周遭感受到
後也由原本以農為主的農科大學逐步設置
法 國 思 想 家、 哲 學 家 盧 梭（Jean-Jacques
一股溫暖的熱空氣向上竄升，這時才發現
醫、工、理與文學等學部，並在二次大戰
在這偌大的戶外園區旁有個池子，池子中
後轉型為多元全方面的北海道大學，並培
的猴子愜意的泡著溫泉，抵抗著北海道雖
育出許多對科學甚有貢獻的學者，像 2010
已融雪卻還是帶著一絲的寒風冷冽。
年諾貝爾化學獎得主鈴木章就在此畢業。
這是北海道冬天常見的場景，位屬日本列
為了表彰克拉克博士對北海道的貢獻，除
大學的校訓，影響著世世代代的後人。
島中緯度最高的島嶼，也讓北海道大部分
了在北海道大學內有其半身紀念碑外，
地區都屬於副寒帶氣候，而在與鄂霍次克
夕陽西下，站在展望台上眺望著札幌市
在札幌近郊的福住車站附近的羊之丘展望
海、日本海和太平洋洋流交會也讓北海道
區，銅像的身影不忘告誡旅人，在北海道
台由雕刻家坂坦道建造了一座克拉克博士
一整年都能捕獲眾多的海鮮、魚貨。雖然
的銅像，在銅像的下方則刻著「Boys, Be
大啖美食、至札幌巨蛋看棒球之際，也不
因地理位置讓北海道的自然條件相較日本
Ambitious ！（少年們，要胸懷大志！）」，
其他地區為嚴苛，不過也因如此，透過引
據傳為當年克拉克博士要離開北海道時，
Rousseau）曾經說道：「問題不在於告訴他 一個真理，而在於教他怎樣去發現真理。」 克拉克博士的教育理念不僅薰陶了當年的 學生，也為北海道的發展之初帶來深遠的 影響，而他所說的名言也成為現今北海道
忘跟隨著克拉克博士的腳步，朝心之所向 的目標大步邁進。 （本篇圖片皆由作者提供）
進歐美的現代化農業技術及生產基礎，也 讓北海道發展出完善的農業與酪農業。 北海道對於農業的耕耘，早在明治維新時 期就有跡可循，1872 年，日本政府為了 開拓北海道這塊雜草漫漫的荒土，決定在 現今的札幌地區蓋學校，期望訓練出更多 能幫助開拓北海道的人才，增加此地區的 擴建與農業的進步，而此學校為現今北海 道大學的前身——札幌農學校。 也為了讓北海道人民能快速提升教育水準 並與國際接軌，日本政府找來了專長為植 物學的克拉克（William Smith Clark）博士
羊之丘展望台克拉克博士全身像，右後方為札幌巨蛋。
北海道大學校園一隅。
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NEWS FOCUS
手持螢幕裝置阻礙幼兒語言發展
Children）最新的研究發現，若兒童在開 口學習說話前就開始使用這些手持螢幕 （handheld screen）設備，造成語言遲緩
近年來，隨著智慧型手機與平板電腦的大量問世，在行動裝置的操作越來越便利之下， 也讓生活中手持電子產品的使用數量不斷增加。由美國病童醫院（The Hospital for Sick
（shutterstock）
的機率會大幅增加。 這項研究包含了 894 位 2~6 歲的兒童，在 經過 18 個月的觀察後發現，若父母親回 報每日使用的時間越長的小孩，越有可能 在言語表達有延遲的現象。研究人員也發 現使用手持螢幕的時間每增加 30 分鐘， 語言遲緩的風險會增加 49%。 由於這些智能裝置在生活中已無所不在， 伴隨幼兒的成長已變得很常見，研究人員 也表示未來也將進一步研究使用手持螢 幕的時間和語言延遲之間的機制。而這 項結果也間接支持了最近美國兒科學會 （American Academy of Pediatrics）所提出 的政策，希望能禁止 18 個月以下的幼兒 使用手持螢幕的建議。 American Academy of Pediatrics, Handheld Screen Time Linked with Speech Delays in Young Children, 2017/5/4.
毛髮灰白與稀少 的關鍵因子 隨著老化，頭髮會逐漸變灰白且稀疏，而 目前科學家已知是由毛囊幹細胞和幹細胞 因子（stem cell factor, SCF）與頭髮製作和 髮色色素相關，卻不知道這些毛囊幹細胞 是如何影響毛髮的生長與機制。 而最近由美國德克薩斯大學達拉斯西南醫 學中心（UT Southwestern Medical Center） 的研究人員發現了一種 KROX20 的蛋白 質，此蛋白質先前的發現為與神經發育 相關。不過，這項研究卻發現若同時存在
KROX20 和 SCF 的細胞，會從底部的毛囊 球（hair bulb）開始向上移動，並與產生色 素的黑素細胞相互作用，生長出頭髮。 而研究人員進一步透過小鼠模型發現，若 去除 SCF 基因時，小鼠的毛髮會逐漸灰白
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（shutterstock）
最後變成白色；而當他們去除 KROX20 基因時，則小鼠毛髮停止生長，最後變得禿髮。研究 人員未來也將嘗試去了解為何隨著年齡的增長是如何影響細胞中的 KROX20 和 SCF 基因，以 致伴隨老化頭髮會變得灰白稀疏。 Chung-Ping Liao et al., Identification of hair shaft progenitors that create a niche for hair pigmentation, Genes & Development, 2017.
NEWS FOCUS
公小丑魚本能性 的照顧行為 在動畫《海底總動員》（Finding Nemo） 中，小丑魚爸爸為了尋找他的小孩而不 辭辛苦地到處奔波，擔心年幼的小丑魚受 傷。而在現實海洋世界裡，科學家認為公 小丑魚也同樣擁有如此強烈的養育本能， 是最關心其後代的魚類之一。 研究發現，若將某一巢穴中的小丑魚卵放 入另一小丑魚巢穴中，相較於其他魚類會 將不屬於自己的蛋吃掉，公小丑魚還是會 （shutterstock）
視如己出的養育。研究人員認為在脊椎動 物中，這項行為是十分罕見的，因為雄性 物種往往對於其後代的生存不甚關心。 伊利諾大學（University of Illinois）的研究 人員表示，造成此種行為表現的原因在 於公小丑魚大腦內會產生類似催產素
（oxytocin）的分子，就像人類愛的賀爾蒙一樣，使公小丑魚擁有強烈的父愛。而當研究 人員利用異亮胺酸催產素（isotocin）阻斷這些激素時，巢穴外則不見公小丑魚的身影， 並且停止照顧年幼的小丑魚。 Ross De Angelis et al., Opposite effects of nonapeptide antagonists on paternal behavior in the teleost fish Amphiprion ocellaris, Hormones and Behavior, 2017.
溫度升高影響蜥蜴體內微生物多樣性
氣候變遷，除了造成海平面上升、生態系 統改變與各地災難頻傳之外，對於生物個 體而言，可能也將帶來很大的挑戰。最新 的研究發現溫度上升可能會造成爬行動物 體內微生物數量減少。 由英國艾希特大學（University
of Exeter）
的研究人員透過實驗，將蜥蜴放置在控溫 的密閉盒子中，並分別測試在各種不同溫 度下，鑑定蜥蜴體內微生物的數量，結果 發現比室溫上升 2~3℃會導致蜥蜴腸道中
減少 34％的微生物多樣性。
由於近年來科學家才開始了解腸道微生物 群對人類與其他物種在生理學上的重要 性，這些微生物都可能與身體內的消化、 免疫與肥胖等有關。這項研究的發現也 代表著若未來因氣候變遷導致氣溫升高
2~3℃，將可能對變溫動物帶來的改變，影 （shutterstock）
Elvire Bestion et al., Climate warming reduces gut microbiota diversity in a vertebrate ectotherm, Nature Ecology & Evolution, 2017.
響其生存機會。研究人員也表示未來會進 行更多的測試來確認是否在其他變溫動物 中有相似的結果。
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專欄文章
2017 年阿貝爾獎桂冠得主—
梅伊爾成就「小波分析」理論 李武炎
曾任教於淡江大學數學系，
現為《科學月刊》編輯委員。
今年 3 月 21 日，挪威科學與文學研究院院長宣布「阿貝
金的固體中發現類
爾獎」由法國巴黎薩克雷高等師範學校的榮譽教授梅伊爾
似水晶的構造，擁有
（Yves Meyer）獲得。推薦文中表彰他在「小波分析」的
有序但不具平移對稱
數學理論發展中扮演中樞角色，領導這個領域獲得重大成
性，其實這種東西早
就，如今小波理論已被廣泛應用在不同的科技領域，如計
在 1974 年被英國數
算調和分析、資料壓縮、降噪、醫學影像、檔案整理、數
學物理學家潘洛斯
位相機、哈伯太空望遠鏡影像去卷積（矯正動態模糊效應
（Roger Penrose）
之技術）以及黑洞碰撞所生成的重力波檢測等。
在所謂非週期性的瓷 磚鑲裝設計中呈現出
「阿貝爾獎」是挪威政府為了紀念挪威數學家阿貝爾（Niels
來，梅伊爾的研究
Henrik Abel, 1802~1829）200 歲誕辰所設立的數學獎項，
使得這些非週期性
於公元 2003 年開始頒發，素有「數學諾貝爾獎」之稱，是
的構造有可能被確
世界上最高榮譽的數學獎項，歷年得主均是當代數學界的
認為模型集的特定案例。潘洛斯平鋪（Penrose tiling，以
一時之選，像 2015 年的納許（John F. Nash Jr.）與 2016
潘洛斯命名的瓷磚鑲鋪）從美學觀點來看是極具水準的作
年的懷爾斯（Andrew Wiles）都是鼎鼎大名的數學界翹楚，
品，而謝赫特曼也在 2011 年因為發現準晶體而獲諾貝爾化
今年由法國數學家梅伊爾獲得也是實至名歸。
學獎，今年梅伊爾得到「阿貝爾獎」也是謝赫特曼得到「諾
梅伊爾。（B. Eymann/Académie des sciences）
貝爾獎」的迴響。
梅伊爾已累積龐大貢獻
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梅伊爾的數學研究領域非常廣泛，幾乎每一個數學的分支
梅伊爾教授在 70 年代也曾鑽研「調和分析」與「算子理
他都曾經涉獵，而且獲得不凡的成就。1960 年代，他曾經
論」，並獲得輝煌的成就，然後在 80 年代，他開始徘迴遊
開發一套稱為模型集（model sets）的新理論，主要是探
走到毫無經驗的小波（wavelet）理論研究上，利用先前工
討類似有序但非週期性的物件排列，這種數學結構類似晶
作給他的靈感，在新領域上發明了許多新構想，如今這個
體，但缺乏像晶體格子般的完美規則與對稱性，因而奠定
領域的翻轉已非昔日可比，並且成功應用在 JPEG2000 的
了準晶體（quasicrystal）的數學理論基礎。1982 年，以色
壓縮上（JPEG2000 是一種圖像壓縮標準，廣泛應用在醫學
列材料科學家謝赫特曼（Dan Schectman）在一個化學合
圖像的分析）。小波理論也可以處理雷射干涉重力波天文
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解 數 |
Mathematics
台（Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory,
LIGO）從黑洞碰撞所探測到的重力波訊號，此天文台位於 美國華盛頓州與路易斯安那州，由加州理工學院與麻省理 工學院創建。
我是「數學的遊牧民族」 梅伊爾的研究是多元的，他也在數論及微分方程等領域作 出重大的貢獻，他自稱是「數學的遊牧民族」，雖然已 77 歲高齡，他仍然孜孜不倦地遊走各地講學，他說：「我不 停地移動，是因為我無法抑制移動的渴望。」，他的青少 年時期是在當時法屬的突尼西亞度過，所以他也回到北非 的突尼西亞尋根。突尼西亞以前是法國殖民地，當地的居 民都來自地中海沿岸各地，是種族的大熔爐，他說他很執 著在不同的人種之間跨越，體驗多元的文化背景。在研究 上他也涉獵數學中不同的領域，由於他在數學上多元領域 的傑出表現，早在 2010 年就獲得國際數學家大會頒發的 「高斯獎」，此數學獎由國際數學聯盟與德國數學學會合 力設立以紀念「數學王子」高斯。
二維空間的潘洛斯平鋪。
銀鋁合金準晶體的原子模型。
（Wiki ）
（Wiki ）
在 數 學 裡 有 一 個 概 念 叫 轉 換（transformation）， 轉 換 可以應用在訊息處理上，為了取得原始訊息中不是很明 顯的資訊，常將原始訊息經過數學轉換後，從處理後的 訊息中就可以發現新的資訊。數學中有許多轉換可以運 用，而其中應用最為廣泛的應該是傅立葉轉換（Fourier
transformation）。傅立葉轉換可將訊息從時間域換成頻率 域，但無法得知不同時間的頻率資訊，只能知道該訊號包 含哪些頻率，所以傅立葉轉換提供了訊息本身的頻率資料， 但它沒有告訴我們何時存在這樣的頻率。而「小波轉換」 （wavelet transformation）改善了這個缺點，它提供了時
梅伊爾曾經當過高中數學教師，但他覺得很內疚，因為他
間 – 頻率表徵，在不同的時間中顯示頻率的資訊，對處理
永遠是對的那一方，而學生常常是錯的另一方，所以他比
解讀、研判訊息的資訊大有助益，在許多科技領域上的應
較喜歡選擇當學生的角色。而他認為做研究時，大部分的
用都獲重大的突破，例如在資料壓縮，應用重新編碼將原
時間都是無知的，而且經常犯錯，但也因為如此才能進步
始訊息壓縮呈現，減少不必要的統計重複；在降噪中消除
成功。梅伊爾深信最好的數學來自內部其中，你必須從你
訊息中的雜音；在醫學影像的領域，能呈現身體內部更清
自己本身深耕，用功努力發現如數學研究那樣困難的東西。
晰的視覺表徵；在天文物理上更能精準研判太空望遠鏡所
你心中深處擁有隱藏的寶物，有待你去揭開。
擷取的影像以及檢視太空中黑洞碰撞所造成的重力波等， 這些科技領域的技術近年來都有重大的進步。「小波變換」
小波分析擅於訊息處理
是「小波分析」理論研究的核心課題，「小波分析」理論
「小波」是指像波一樣的振動，本質上可視為像地震儀或
也是數學、訊息科技以及計算科學的交集。
心律監測器所紀錄的短暫振動，通常小波被刻意設計賦予 一些特殊性質，而這些性質在處理訊息時非常有用，小波
純數學的研究常被數學圈外人詬病是不食人間煙火、不知
如果能用一些特殊技巧與已知信息纏繞，就能從原有訊息
道他們在做什麼，也不知道研究的東西有什麼用，不過純
中顯示出更多新資訊。小波最早是由法國物理學家莫萊
數學的研究也常常有意想不到的結果，而且能應用到現代
（Jean Morlet）與格魯斯曼（Alex Grossman）在 1980 年
科技上，造福人類。梅伊爾教授的研究確實是純數學研究
代早期提出，當時他們用的名詞是法語「ondelette」即「小
的典範，也是純數學研究的最高境界，梅伊爾能獲得「阿
波」的意思，後來在英文裡被改成「wavelet」。
貝爾獎」是當之無愧，也是對他最大的肯定。
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417
專欄文章
《愛麗絲漫遊奇境》中的科學思想 張華 退休工程師，北美卡洛爾學會會員，著有《挖 開 兔子洞》及《 愛 麗 絲 鏡中棋 緣》，近 10 餘 年發 表中英文研究報告多篇。
英國在 19 世紀步入鼎盛時期。維多利亞女王從 1837 年登 位到 1901 年去世，69 年期間把英國建設成世界一流強國， 統治面積約為世界陸地總面積的四分之一，24 個時區都有 大英帝國的領土，號稱「日不落國」，人口也約占全球四 分之一。當時的英國以工業革命為基礎，軍事、科學、文藝、 社會制度各方面都有令人驚豔的發展，這些成果，像鋼筋 水泥、柏油路面、汽車、火車、音樂、文學、教育及社會 制度，以至兒歌、團體遊戲，都還和我們現在的生活息息 相關。英國童話故事過去多數譯自外國，也在這個百花齊 放的環境中開始成長。 杜森（Charles Dodgson, 1832~1898），筆名卡洛爾（Lewis
Carroll）在 1865 年出版的《愛麗絲漫遊奇境》（Alice's
Adventures in Wonderland， 或 譯 愛 麗 絲 夢 遊 仙 境 ） 和 1971 的《 鏡 中 棋 緣 》（Through the Looking-Glass and
What Alice Found There）出版後一紙風行，從未斷版，依 據 2015 年慶祝出版 150 周年時的統計，共翻成 174 種語言。 這兩本書和其他童話故事最大的不同，在於不僅是單純的
謔的對話和語言遊戲，吸引了文學愛好者。 第三層：反映維多利亞時代的社會環境與制度，有歷史文 化的厚度。 第四層：隱藏牛津地方典故和愛麗絲及卡洛爾的私人軼 事，提供研究探討的空間。 第五層：是經過變形的科學構成元素。
幻想故事，還隱藏大量的時代背景和寫作技巧，含有豐富 的層次：
也 就 因 為 其 豐 富 的 內 涵， 美 國 業 餘 數 學 大 師 加 德 納 （Martin Gardner）從 1960 年起出版《注釋愛麗絲》（The
426
第一層：變化多端的故事，這是吸引兒童的主因。
Annotated Alice）到 2015 年出版《注釋愛麗絲 150 周年豪
第二層：採用類似莎士比亞的戲劇寫作技巧，含有雋永諧
華版》（The Annotated Alice: 150th Anniversary Deluxe
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變 化 |
卡洛爾。
Chemistry
卡洛爾的攝影設備。
Edition），大受歡迎，讀者視為經典。不過該書沒有照顧
影、沖洗，因為藥液 10 分鐘後變乾就會失效，整個過程都
到中文讀者的需求，內容也有疏漏，例如邏輯問題就很少
像在做化學實驗。他一生照了三千多張照片，不但是英國
著墨，所以我在 2010 年出版了為中文讀者而寫的註釋版
最早期的攝影師之一，而且很會安排人物姿勢與構圖，甚
《挖開兔子洞》、2011 年出版《愛麗絲鏡中棋緣》，內容
至會玩雙重曝光，與一般呆版的照相館相片完全不同。卡
已超過英文版。
洛爾在 1856 年 4 月 25 日第一次見到將滿 4 歲的愛麗絲，
6 月 3 日第一次為她照相，藉著科技發展，我們才有機會看 卡洛爾與科學
到故事原型人物的真容，這也是他獨特的地方。
卡洛爾很早就顯出他集文學、美術和科學於一身的天分。 他 13 歲開始為弟妹用筆記本編家庭雜誌，約 18 歲時（1850
《愛麗絲漫遊奇境》中的科學
年）在家庭雜誌中寫了兩篇文章：〈哪個鐘比較準？〉證明
卡洛爾寫故事，不是完全無中生有，基本技巧是採用實際
停擺的時鐘比每天慢一分的鐘準，因為前者每 24 小時有兩
生活中的事物做素材，再以豐富的想像力加以巧妙改寫。
次準確的機會；另一篇〈一天從哪裡開始？〉討論換日線
例如書中第一章愛麗絲掉下兔子洞時在空中：
的問題，因為當時經度起點還沒得到國際公認，到 1884 年 英國格林尼治（Greenwich）定為經度起點後，換日線才告 確定。從這兩篇可以看出他早熟的邏輯和科學思考能力。 卡洛爾與自然科學最密切的關係是攝影。他在 24 歲時買了
她經過一個架子的時候，隨手拿下一個瓶子，標籤上 寫著「帶皮橙醬」，可惜是空的，使她非常失望。她 不敢扔掉瓶子，怕會砸死底下什麼人，所以趁著飄過 一個櫥櫃的時候，設法把瓶子放進去。
全套攝影設備，當時濕版火棉膠攝影法發明才 5 年，攝影
愛麗絲的觀念是錯的。其實她無法把瓶子往下丟，因為瓶
師必須先把碘化物和火棉膠塗在破璃片上，泡在暗房裡的
子和她同樣是自由落體，兩者掉落的速度相同。如不考慮
硝酸銀溶液中，趁玻璃片未乾照好相，再快速拿回暗房顯
空氣阻力，瓶子會和她同時落地。
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南海島嶼 研究與生活
東沙島
東沙機場跑道
南海有著 200 多個島嶼，大部分為珊 瑚礁島。因此區域為太平洋與印度洋 間的重要航道，屬軍事要地，各國為
島潟湖出口
了主權常有爭端。
東沙島潟湖
除了為軍事要塞外，因較少有人在島 上活動，生態環境保存較好，許多科 學家前往駐島研究。東沙環礁具絕美 的景色與獨特生態系統，宛如仙境。 東沙島與太平島目前未開放給一般民 眾，讓我們跟著研究人員的腳步，一 起走訪南海小島。
太平島 廣東
臺灣
北方珊瑚濱海
香港
機場跑道
東沙環礁 海南島
西沙群島
菲律賓
中沙群島
碼頭 越南
太平島 印尼
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1 東沙機場 2 東沙環礁國家公園牌示
3 衛星追蹤站
道
4 東沙大王廟
1
5 東沙管理站
2 6 野生動物保育中心
4
3 5 6 8
7
10
9
11
7 郵局
12 8 東沙果園
13
9 東沙島海水淡化廠
東沙碼頭
10 中正堂 11 海軍氣象台 12 東光醫院
東沙環礁
礁坡 礁台
13 東沙漁民服務站
海草床 小潟湖 海草床
東沙島 塊礁
海草床
礁坡
潟湖 礁台
沙底 海草床
礁坡
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r 3 CoveStory
南方小島風情 II
海面上佈滿不同程度的藍隱約透露出
東沙群島環境 與生態
水面下分布在不同深度的珊瑚及塊 礁， 白 色 的 浪 花 則 描 畫 著 環 礁 的 邊 緣。「在這海面上居然能匯聚這麼多 種的藍色！這裡應該是臺灣最後隱藏 版的秘境了吧！」這是東沙環礁在作
余尚學
者心中留下深刻的第一印象。
台灣海洋科技研究中心助理工程師、臺灣大學 海洋研究所碩士。專長海底地震儀、長支距震
從位置上來看，東沙環礁位於南海的
測系統與海上探測作業。
北側，受到內波形成的湧升流影響， 豐富的營養鹽更促進了外環礁周邊海 域的海洋基礎生產力，讓此處的珊瑚 東 沙， 是 一 座 充 滿 生 物 多 樣 性 的 島
海面上，約一個多小時的飛行時間就
與生物獲得更優良的生存環境；東沙
礁，所處的位置特殊、加上氣候和地
可以抵達。
環礁內的動物數量與種類均非常豐 富。根據東沙環礁公園統計，目前為
形構造環境，所孕育的珊瑚礁舉世罕 見；但是大多數人對東沙的認識只有
在即將抵達的飛機上，首先映入眼簾
止 至 少 有 320 種 以 上 的 珊 瑚、 魚 類
在書籍閱讀到的戰略位置，現在更增
的是東沙環礁北側的礁台（圖一），
708 種，還有多樣的無脊椎動物、甲
添了海洋生態環境的重要保育目的。
作者有幸前往東沙進行科學探測作 業，能夠以不同的角度認識東沙，但 目前前往東沙島仍有身分限制，僅限 國軍官兵、海巡署弟兄與研究人員。 雖然現階段的限制無法讓一般人實地 了解東沙，或許在某種程度上也保護 了 東 沙 的 生 態 環 境 吧！ 東 沙 並 不 算 遠，大約位在臺灣西南邊 450 公里的
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圖一：東沙環礁北側邊緣。（余尚學攝影）
2
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3
6 7
圖二：軸孔珊瑚與三帶圓雀鯛。（海洋中心黃俊傑攝影） 圖三：茁壯的微孔珊瑚與魚類（隱雀鯛、條紋豆娘魚、六線豆娘魚）。 （余尚學攝影） 圖四：海草床，綠色部分為退潮時出露水面的海草床，棕色則為海草斷裂後推積在岸邊。（余尚學攝影）
圖五：據空拍高度推測約 2~3 公尺長的鯊魚。（余尚學攝影） 圖六：粗腿招潮蟹。（余尚學攝影） 圖七：翻石鷸為東沙常見的候鳥。（余尚學攝影）
殼動物、軟體動物和棘皮動物等等，
但是，環礁內的珊瑚礁在 1998 年全
漸地一點一滴努力生長了回來，許多
甚至包含許多東沙特有種的生物。為
球海水異常升溫時也無法幸免於難，
魚類也隨之回來了；環礁外內波帶來
了保育如此豐富且多樣的生態環境，
造成了大量珊瑚白化、死亡，而颱風
深層的冷水團，可能也降低了海水增
內政部在 2007 年 1 月正式成立東沙
也可能影響珊瑚礁的生態復育。但是
溫時對珊瑚的衝擊。在環礁內進行海
國家公園，為臺灣第 7 座的國家公園，
生命會找到出路，在多年的休養生息
上實驗時，記錄到水下大量珊瑚死亡
也是第一座海洋型態的國家公園。
與珊瑚復育的結果下，珊瑚群聚也逐
的影像，但也同時拍到了珊瑚礁內重
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r ry 4 e v o C Sto
南海內波 對海洋生地化 的影響
佈碎浪，發出陣陣碎波聲，因此漁民 又稱之為「沸海」。產生碎浪處為輻合 區，輻散區則較平靜。目前對南海內 波的形成及物理機制之研究已有相當不 錯的成果。臺美雙方長期合作之南海 內波研究案 ──南海巨大內波的生命 史：從生成、傳遞、變形、破碎、翻轉 到消散，也已於 2015 年將結果發表 於 Nature 期刊中。但是在海洋生物地 球化學方面的研究，國內只有少數的
洪慶章
國立中山大學海洋科學系教授，
專長為颱風對海洋食物鏈及生物幫浦的衝 擊與海洋碳循環，最近也運用海洋的脈動
科學家有實際的海測數據：例如中山 大學王玉懷團隊報導上舉型內波可能 帶來營養鹽，造成在東沙環礁的西北
來建立生態智慧養殖。
海域出現較高葉綠素濃度；中研院夏 復國團隊經由現場調查觀測到南海內 我們常在海面上看到的海浪、波浪不
南海（South China Sea）位於臺灣
同。波的形成必須要有介質及振動，
西南海域，介於歐亞大陸及太平洋之
內波亦然。內波產生於海洋內部，當
造成數據稀少的主要原因為內波來時
間，是西太平洋最大的邊緣海，為一
海水因密度不同產生分層──密度躍
的速度很快，而且在短時間內會有好
個表層缺營養鹽的海域。它的地理位
層，就提供了內波產生的條件 ──介
幾個內波通過，以傳統的科學絞機掛
置介於亞熱帶與熱帶之間，主要受到
質。而南海內波的產生是在巴坦島海
載各式水下壓力、溫度、鹽度、光度
東亞季風所影響。南海是太平洋經麻
檻及恆春海脊之間（圖一右），由潮
與螢光探針、以及採水瓶在間隔 2~3
六甲海峽進出印度洋必經之地，且蘊
汐所引起，向西行進。因為南海內波
小時收集一次水下數據與海水，很難
藏了豐富的漁業與非生物資源，也是
間形成於高度約 2000 多公尺高的海
觀測內波通過前後的真貌及營養鹽對
我國海洋資源（甲烷水合物）勘探、
脊，因此振幅可達 150 公尺（約 50 層
整個有光層（海表面至海下無光的深
海洋生態（東沙研究站）與科學研究
樓高），是目前全球最大的內波。臺灣
度）的影響。因為絞機運作與人工採
（臺美合作探索南海）最頻繁的海域。
周遭海域有關內波的發生與形成機制
水的速度確實比內波行進的速度要慢
因此無論在戰略、經濟、航運上均很
可參閱海軍官校毛正氣教授的著作。
許多，造成實際採樣的困難，而內波 可能帶來的營養鹽及其後續影響與追
重要（圖一左）。 當海面平靜，內波於海面下經過時， 「 內波（internal waves）」是一種海 水 的 運 動 方 式， 由 字 面 上 解 讀， 它 是發生在海洋「內」部的「波」，與
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波對異營性細菌活性有增長的影響。
南海與內波
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可以觀察到一排激浪帶，激浪帶內遍
蹤， 則 有 賴 更 多 的 海 上 觀 測 才 能 達
成。然而出海的營運費用相當昂貴，
兩項作用海洋就能吸收地球的總碳排
source）或碳匯（carbon sink）則是不
夏天的航次更是不容易取得，目前這
放量的 1/4 ~1/3。
容易回答的難題，因為缺乏颱風通過海 域時的現場二氧化碳海氣交換通量，在
些短航次的研究結果，確實很難具體
陸上颱風警報期間是不容許出海的。
描 繪 內 波 對 海 洋 的 生 地 化 衝 擊。 不
「物理幫浦」就是大氣中的二氧化碳透
過，跟內波有些相似的生地化作用就
過海氣交換溶解到海水；「生物幫浦」
是臺灣人最熟悉的颱風，颱風可能會
則是人類排碳後，海中微細藻會吸收
在南海，每年平均約有 7~10 個颱風
將海洋沙漠變為綠洲，更重要的是它
溶解於水中的碳，再透過海洋食物鏈
經過，且為全球最大的內波發生地。
也是海洋生物幫浦的推手，以下是颱
原理，讓無機的二氧化碳，經藻類行
我們的研究團隊搭乘海研三號研究船
風對海洋的生地化衝擊的故事。
光合作用後，變成顆粒碳，沉降到深
在南海進行颱風前後海上觀測，結果
海去的過程。在合適的海溫下，海洋
顯示颱風過後沉積物捕獲器所蒐集到
颱風促進海洋吸碳與 擴增魚類食物
裡的微細藻類主要都依賴陽光、營養
的顆粒碳也大量增加。這是因為颱風
放眼全球，我們都知道海洋浩瀚，其
引發「生物幫浦」。而當颱風通過東海
孕育之生物種類何止千萬，這些生物
南部海域後，我們的研究團隊搭乘海
提供了人類生養活命的泉源，變成餐
研二號研究船於颱風前後出海進行海
桌上的眾多食材，「海洋是我們人類
上觀測調查，使用沉積物收集器 為
的好朋友」，絕對是無庸置疑。但是其
研究工具，收集下沉的海洋顆粒碳。
實海洋還擁有「生物幫浦（Biological
發現颱風造成的「生物幫浦」會比同
Pump）」及「物理幫浦」兩項作用，
海域的平常值增加約 3 倍以上，至於
扮演宇宙減碳大功臣的角色，經由這
颱風對二氧化碳究竟是碳源（carbon
鹽及微量金屬元素就能合成有機碳並
經過時，風吹浪動的自然力量會擾動 深層營養鹽使其浮到海面，提供藻類 充足之養分得以壯養，吸碳量也因此 暴增，同時吸引大量海洋生物聚集， 颱風大大增加海洋魚類的食物量（圖 二）。幾次颱風過境，經研究團隊測 量出的結果，證實海洋吸碳量會因颱 風而大大增加。
這項研究發現颱風對人類是會造成威 脅的，卻也為環境帶來新契機。風來 與風去，其中的大利與大弊，在數字 會說話的狀況下被研究出來了。而癥 結點就在風浪將營養鹽傳送到海洋表
巴坦島海檻
恆春海脊
面 的 寶 貴 流 程， 數 量 大 的 營 養 鹽 翻 飛，讓這些生長在海洋沙漠的藻類有 如久旱逢甘霖，颱風提供微細藻能大 量繁殖的絕佳養分與環境，轉過頭來 微細藻以吸收更多碳來回報大海，形 成美好之良性循環。像魚幫水水幫魚 般，形成環環相扣的鏈條，真讓人欣
圖一：左圖為南海海域面積達 360 多萬
喜。這些海上的研究，提供了科學家
方平方公里，南北長 1800 多公里、東
在未來探討使用地球工程減碳的最佳
西相距 900 多公里。右圖為內波波源在
範例。此研究亦在各電視新聞媒體爭
呂宋海峽東側巴坦島海檻及恆春海脊之 間，★是施放生地化浮標的站位。（左： 內政部海域資訊專區；右：google earth）
相報導，引發了人們對海洋吸碳的認 識，瞭解颱風對海洋吸碳的重要性。
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專 訪
李琳山： 很多中文語音輸入產品都用到我的研究成果， 但我沒賺到任何錢 作者︱
崔聖揚 臺大電機系學生。 林宮玄 任職中研院物理所，兼任本刊副總編輯。
（林宮玄攝影）
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專 訪
臺大電機系李琳山教授，於 1977 年於美國史丹佛（Stanford）大學拿到電機博士，於 1979 年回母系任教。回臺灣服務後， 才決定投入之前完全不熟悉的領域──語音辨識，也就是現在人們熟悉的「語音輸入」服務。李教授長期研究華語的辨識， 對目前廣泛在電子產品中使用的中文語音輸入服務，有巨大的貢獻，也因此於 2016 年獲得中研院工程領域的院士榮銜。 大約在 1990 年代，家用電腦開始普及，較年長的讀者應該非常了解當時的電腦是多麼大且慢，硬碟容量只有幾十 MB， 而現今一個小小的記憶卡容量就有幾十 GB，足足多了 1000 倍。李教授在那個年代即投入語音辨識系統，在硬體資源不 足情況下，需克服許多研究上的困難。李教授在 2017 年 1 月 12 日接受本刊專訪，分享其研究的心路歷程與教育心得。
用勇氣闖蕩世界
是 學 生。」 我 的 第 一 念 頭 就 是 回 母
觸到一本教科書，叫作語音處理，那
校 （臺大電機系）教書，因為我自
是一九七幾年寫的書，翻了翻後，雖
己在讀電機系時非常茫然，不知道我
然不知道內容是什麼，但我看得懂裡
讀的東西到底對不對、是否有用，譬
面的數學運算式，所以就決定開這門
如我們讀的電子學是介紹真空管的，
課，我一邊教一邊讀，等到學期結束
然而書店裡最新的課本卻是積體電路
才弄清楚教科書裡的內容，這是我後
的應用。當時我們大學畢業的工作在
來做華語辨識的起頭。當時我給自己
臺灣也僅限於臺電、電信總局（中華
一年的時間，重新摸索在臺灣可以做
電信前身），這兩個單位的技術都是
什麼研究。那時最重要的考量就是資
從國外引進的，因此在這個工作環境
源，當時這裡什麼資源都沒有，沒有
題，所以我就決定投入這個領域。求
下，90% 以上的同學都是出國深造。
實驗室、電腦、設備、經費，所以一
學期間我有仔細思考過：「拿了博士，
當時我自己也希望能到國外一流的大
定得做最便宜的研究。在這考量下，
之後呢？」，當時我觀察身邊臺大電
學拿博士，希望有天回來能勝任電機
我在臺灣的前 20 年就一直做兩個主
機系學長們的工作及生活，他們因為
系的教授，改善其學習環境。這是我
題的雙管研究，一個是通訊理論，做
臺灣當時幾乎沒有電機相關產業，最
當時心裡的志向，但我不敢告訴任何
理論只要一支筆、一張紙就行了；第
後都選 擇 在 美 國 落 地 生根，有些人
人，因為別人會覺得你想的太美了，
二個主題就是語音處理，在那個年代
當上大 學 教 授， 有 些 則在重要的研
一直到很多年以後我才敢講。所以當
已經有所謂的微處理機，微處理機可
究機構工作，譬如貝爾實驗室（Bell
我拿到臺大電機系的聘書時，就確定
以作有限的運算，可以拿來分析語音
Laboratories） 及 IBM。 但 我 不 想
我要回來，沒有考慮其他的機會。
訊號。過了 20 年後我決定停止通訊
科：您在早年攻讀加州史丹佛大學電 機博士時，從事的研究為人造衛星通 訊。畢業後為何決定回臺灣教書？研 究主題為何轉向語音辨識及訊號處理 分析？
李：當時我認為只要能在史丹佛大學 求學，做任何研究都行，而剛好人造 衛星通訊是唯一可以拿到獎學金的主
理論的研究，全心投入語音研究。專
和他們一樣，我想走一條不同的路： 「回臺灣。」當時有很多人勸我說：
至於研究語 音 辨 識， 這 又 是 非 常 偶
心做華語語音研究也有 20 年吧！之
「你回臺灣能做什麼？人造衛星通訊
然的情形。我在 1980 年的春天回到
後的研究再延伸到其他語言。早年國
無法在 臺 灣 發 展， 你在臺灣沒有背
臺灣擔任教授，發現想教的課都有我
際上的文獻都是有關英語的研究，至
景、沒有人脈關係，誰會理你呢？」
的老師在教，但 我 每 學 期 又 得 開 授
於其他的語言如德語、法語或日語都
我 說：「 在 臺 灣 確 實 沒 有 人 會 聽 我
兩門課程，所以到第二學期時，已經
非常少，華語是根本沒有，所以我認
的話，會聽我的話只有一種人，那就
不知道能開什麼課。這時我偶然地接
為華語的研究相當值得發展。
Vol.48 No. 6
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