受訪人物
陳丕燊(梁次震宇宙學講座教授、物理系暨天文物理所教授)
訪談時間
2011.12.30.(五)
訪談主題
參與南極天壇陣列的歷程
工作人員

錄影訪問:
張安明、陳南秀

文章整理:
陳南秀

訪談整理

摘要:
建國一百年,恰巧也是人類登上南極的一百周年。在這別具歷史意義的一年,臺大梁次震宇宙學與粒子天文物理學研究中心的陳丕燊教授,登上了南極洲,與國際級的科學團隊通力合作,架設探測宇宙微中子的天壇陣列第一座觀測台,這是臺大在宇宙天文學研究嶄露頭角的一大步。趕在邁向2012年的跨年前夕,校史館訪問了陳丕燊教授,請他暢談參與天壇陣列計畫的緣起、過程、在南極工作的感受,以及那一面曾在南極飄揚的手繪國旗。

問:請老師簡述出生、求學背景?
我民國三十九年在台北出生的,出生地點就在現在總統府及國立中央圖書館附近。我父母親是福建人,我從小就讀女師附小(當時有所謂的三省小,女師附小、國語實小、北師附小),所以我和馬英九總統是同學,他跟我同一屆,我們都屬虎,其實我們生日也非常接近。初中讀大安國中,高中念師大附中,然後進入臺大物理系就讀,並於一九七二年臺大物理系畢業。

問:請問2011年參與南極的天壇陣列計畫,其起因與過程?
天壇陣列的名稱來由
首先,先解釋為什麼這個研究取名「天壇陣列」,這個名字是從它的英文簡稱ARA而來的,原名叫做Askaryan Radio Array。我們是刻意把它的簡稱取名ARA,ARA是一個古時候在南半球希臘星座的名稱,它是一個祭壇,就像英文Altar這樣的一個字。是冬天在南極上空可以清楚看到的星座,它並不是很大,在天空上看起來就像一個祭壇,而又因為在天上,所以我們叫它天壇,這是我們自己發明、翻譯的名稱。

◆探測微中子觀察宇宙奧秘
那為什麼這個研究要到南極去看,而不在家裡看,那是因為我們要看的這種東西,不是用一般望遠鏡可以看到的光。宇宙裡面無奇不有,除了光以外,還有很多的基本粒子,是構成我們物質的東西,其中有一種就叫做「微中子」,它無所不在,而且有一個特點是作用力非常微弱,所以才會稱「微」,它在宇宙裡幾乎通行無阻,因為不太跟人家作用。換句話說,如果它是從宇宙最邊緣的地方發射出來,不同於光的話,它是可以一路到我們地球來。那現在問題就在於說,如果我們能夠想出一個辦法把它逮捕下來,把它抓住的話,那我們就可以從它來了解宇宙最邊緣到底發生了什麼事?可是現在的問題就是它作用力這麼弱,一般時候,譬如我們現在講話,在我的研究室裡面,其實無時無刻很多宇宙微中子都打在我們身上,可是你不用擔心,這不會產生任何病變,因為它的作用力太弱了,我們的身體又不是很大,所以微中子可以視若無睹地穿過去。

但是在南極,尤其是南極的極頂,它是一個冰原,是幾百萬年、幾千萬年累積下來三千公尺厚的冰層,而且有好幾千平方公里這麼大,這樣一個大的冰塊,好比一個很厚的靶,所以當宇宙微中子打到冰層裡的時候,它就不像穿過我們身體一樣,一下子就穿過去了。因為冰層這麼大,所以微中子遲早要被冰層裡的原子、分子擋住,擋住了以後,它就會產生其他的效應,我們就去觀測那個效應來反推這個微中子從哪裡來?它有多少能量?特性如何?然後去了解宇宙最邊緣發生什麼事情。

我們選在南極做實驗,並不是因為在那裡好像很酷,而是因為有這個需求,因為要到那裡才有這樣一個乾乾淨淨的地方,沒有很多雜音,然後冰層也沒有被人家損壞過。

◆天壇陣列計畫的濫觴
我是四年前回到母校臺大,之前我在美國史丹福大學工作很多年,所以其實我回國之前在史丹福大學就已經參與了一個捕捉宇宙微中子的實驗,實驗的名字還蠻好聽的,叫做ANITA。這個實驗是用一個美國太空總署的大汽球,把我們的探測器吊到南極上空三十公里高,讓它跟著南極自轉的氣旋,圍繞著南極向下看南極洲巨大的冰表面,觀測有否從南極冰表面射出的宇宙微中子產生反應後的訊號。

那是一是很聰明、很取巧的方法,因為你不需要做很大很大的觀測站,你就可以看到很大的面積。可是我回到台灣,心想這樣子的探測方式經過ANITA實驗已經證明可行,可是我的理想是想把ANITA這個探測的機制帶回到冰表面,或者說冰的表層下,所以我就在國際上到處鼓吹這個想法。那正巧在南極極頂有另外一個微中子實驗的天文台,叫做冰立方(IceCube),這個IceCube已經在今年(2011年)初一月份的時候建置完成了,現在正在觀測。

這個IceCube和我們要看的宇宙微中子,雖然都叫做宇宙微中子,但他們看的是能量比較低一點的,我們看的是能量高一點的,所以可以互補。好比說光,我們互相看到彼此的時候,是透過所謂的可見光,但是到醫院去有X光、有這個光那個光,所以光也是有不同能量的,那微中子也是一樣,有不同的能量。這個IceCube它在南極極頂,過去十年持續地工作,已經有一定的基礎。所以我在三年前,集合了ANITA和IceCube兩個團隊的同仁,領銜發表了一篇白皮書提供給美國天文界每十年會準備的一份白皮書到美國政府,建議美國政府未來十年,天文界有些什麼重點需要支持,這個就是現在ARA的濫觴。

◆政府、學校、私人捐贈三位一體
所以我們在這個團隊裡面,幸運的是採取還算積極主導的地位,所以我也很榮幸地就被推舉做國際的共同發言人。除此之外,台灣的國科會也有補助經費。ARA團隊是分頭去申請經費,我們台灣團隊就送計畫書到國科會,美國方面則是送到美國的國家科學基金會,台灣團隊先美國一步,就在今年(2011年)通過了我的計畫。計畫內容是我們打算在南極極頂,建置一個一百平方公里大的觀測台,由三十七座天線站組成,我們台灣打算要提供十座天線站,超過四分之一,所以我們變成好像是國際合作的推手。

整個實驗將來當然是美國擔任主導,因為以我們台灣的國力,是沒有辦法在南極有這樣子的實驗站,以及周邊所有的設備。所以當然是美國做主導不在話下,可是美國的國家科學基金會,他們有一個慣例,就是即使是由美國主導,但希望至少有超過百分之三十的經費來自於非美國。那我們台灣一口氣就承諾了,而且計畫率先通過,這對美國的同仁也是一個很興奮的鼓舞。所以就在今年(2011年)的冬天,我們安裝了第一座天線站,而我就去參與了這個安裝,當然不只我一個人,還有國際團隊。

我必須要說的是,我們是除了美國以外貢獻最多的,歐洲和日本的團隊都沒有像台灣的團隊參與這麼多。更何況還有一個特點就是說,我之所以能夠在過去幾年,在國際上採取一個比較積極的態度去呼籲,主要是因為有一個很重要的平台,就是我們臺大的梁次震宇宙學中心,如果沒有這個平台的話,我們難在國際上跟人家打包票、拍胸脯說這個事情我們可以做,就是因為有這個平台,所以我不太需要擔心萬一我講的話沒有辦法兌現。

梁次震四年前為了讓我能夠順利回國服務,慷慨投資了兩億台幣成立臺大的宇宙學和粒子天文物理學研究中心,是一個非常重要的關鍵。所以我也常常喜歡在媒體前面說,我們這一個模式,就是政府國科會、臺大、還有梁次震的私人捐贈,這樣三方面通力合作,我說它是三位一體,能夠支持台灣純科學的這塊領域。我相信在比較應用方面的,譬如說醫學、工程,是跟民生有關,但是純科學其實是沒有什麼回報的,而私人願意捐贈,然後和政府通力合作,這在國際上除了美國以外很少見,歐洲和日本也很少見,美國比較特別,有的甚至連天文台都是私人捐贈的。所以我覺得這個是值得我們台灣驕傲的模式,希望未來台灣能夠繼續出現像這樣的模式,透過有錢人的捐贈,和大學、政府一起合作來推動科學。

我去南極極頂的時候,在兩百三十人的實驗站裡頭,幾乎除了美國人以外,我沒有看到其他國家的人,亞洲人就只有我一個人。因為只有美國的國力,才能支撐起這樣的研究。譬如說,我搭商用飛機到了紐西蘭島以後,接下去都是要靠美國的軍機才能夠去,所以沒有美國主導的話,這種事情是辦不成的。所以我必須要特別聲明,我不是唯一的主導,要不然這事情是辦不成的,應該要退一步這樣講,以台灣的身分要做到這個程度也是蠻特別的了。

◆促成參與天壇陣列的其他原因
還有其他促成我的原因,第一個是原來我就在美國史丹福大學的宇宙學和天文粒子學中心,事實上這是十年前我倡議發起成立的,所以我在史丹福大學也有適當的地位。現在ARA團隊裡有很多人是我原先就已經認識的,那我有一個感觸,我們在國內大家打拼,可是我們的純科學,尤其像高能物理、宇宙學這一類的,需要非常龐大的經費需及規模,我們在台灣當然很有心想要走出去,但走出去這話好講,但你的平台在哪裡,你的線索在哪裡?

我個人當年離開臺大的時候,像很多學子一樣很捨不得,那時候物理館還在舊館的二號館,我心裡就想,有朝一日我要回臺大服務,可是這種話就是年輕的一種心情而已。在那個年代,當你出國留學了以後,可以發現在那個年代,我們國內的學術水準跟美國的頂尖學校實在是相差太遠。等我畢業了,好不容易拿到博士學位要工作,發現只有像史丹福大學那樣的環境條件才能夠讓我發揮,所以我儲才於外國,等到台灣的條件上來了,就說我們臺大真想要邁向百大,學校從校長以下,大家有這麼樣大的企圖心的時候,我很受感動。所以四年前,原來我是沒有這個的想法的,因為我在美國都已經工作了這麼多年,整個家庭都在那邊,所以真的是深受感動,年輕時候的夢想又回到我身邊,於是我就考慮回來。

但是我現在的感觸是,像我這樣的情形回來,其實對國內有一個好處,因為我在國外已經有非常多的connection,所以當我要跟人家做接觸,以我在美國生活多年的經驗,比較知道該如何跟人家接觸。跟人家討論這些科學的事情,那個語言太重要了,還有大家工作的模式也太重要了,如果人家把你當作一份子。言談中他們幾乎忘掉我是非美國籍的人,在這個情況下,很多的事情比較容易喬。而且我在美國史丹福大學也帶過研究團隊,所以我對美國的行為模式也比較清楚,我知道在哪個地方我需要用點力,在哪個地方我要拉一下,所以或許這就是為什麼我們能夠走到這一步的一部分原因。

現在只是起步 未來之路漫漫
事實上,我們這個天文台現在只是起步而已,今年(2011年)我們才去安裝第一座,如果一切順利(美國方面還在等美國國家基金會最後的評審結果),我們要繼續做下去的話,未來還要花四個冬天,也就是南極的夏天,去把它整個建構起來,完成後可能還要再五年、或者十年做觀測,並且是持續不斷的,因為要持續地觀測才能收集足夠的數據。

我們台灣的團隊,終於在民國一百年,百年以來第一次到南極去,真正去和這些科學先進的國家,平起平坐去做實驗,我的心情是我們絕對不會再退回來,我們要繼續走下去。我的意思不是說我個人要一直待在那裡,而是說我們台灣要待在那裡。而且如果我們真的找到一個很精彩的東西,發現宇宙有什麼很重要的事情,我們很可能會,我的雄心是要把它繼續擴大成一千平方公里這麼大的觀測台,然後再更大量地收集數據,所以我想我們在那裡會需要一個永續的、持續地存在。

問:登喜馬拉雅山聖母峰與到南極有何差別?
去南極跟去喜馬拉雅山有好幾個差別,我先講一個差別是,喜馬拉雅山海拔是十公里高,就是一萬公尺,而南極極地那是幾百萬年、幾千萬年累積下來的三千公尺冰層,所以三千公尺跟一萬公尺是有一個差別。登喜馬拉雅山它在體力上更具挑戰性,那的確是需要體育家、運動家,經過多年的訓練,而且常常你要去幾次,有的時候到半山腰,然後再慢慢地增強。而南極極頂對體力的要求其實沒有到那種程度,所以我們科學家雖然不是經年鍛鍊的運動家,但原則上還是可以去的。

但我要反過來說的是,即使如此,我這輩子還沒有過像今年夏天,做過那麼多的體檢,簡直是三天兩頭去體檢,因為美國政府要求非常嚴格,我的學生有跟媒體回答說,連一個蛀牙都不行,不是說你不能有蛀牙,而是說你一定要把蛀牙補好。因為搭乘去南極的美軍軍機一票難求,更難的是說你到了那裡,連一個艙位、臥鋪都是多麼的珍貴,在那裡所有你吃的每一口,都是一萬哩以外的美國運去的,所以他們要求非常嚴格。而且萬一你生病,這裡不是很方便,雖然它有一個醫務室,可是如果你有重病,例如臨時心律不整什麼的,你要送出去也是很麻煩的,所以他要求你體格一定要完全健康。所以很幸運的是,我一切ok。

還有一個差別是這樣子,譬如說你去登喜馬拉雅山,一般來講,你最後攻頂到了,然後就開始下山,你在那裡頂多待幾個小時,過癮一下。但我到南極不一樣,我們是去到那裡,然後在那個環境下持續工作,我待在那的時間還算相對短一點,不到兩個星期。我們的團隊有人十一月份就去的,有時候待到十二月底,有的人十二月去待到一月底,可能是一、兩個月。你在那樣的天候狀況下持續工作,跟你到一下下就走還是有差別的,所以我是覺得它們的挑戰是不太一樣的。

◆抵達南極那一刻的滋味
另外,剛到南極的時候,雖然事前我有很多資訊,知道它即使在夏天也是零下四十度,可是真正到了以後,踏下那一步才知道說,原來是這種滋味。那個滋味實在是難以筆墨形容,不是只有低溫而已,那個地方極度缺氧。三千公尺高的冰原,你想想看,如果你持續在三千公尺的地方走動,連爬上爬下都已經有點困難了,更何況還要工作。另外,因為地球自轉的緣故,南極和北極的空氣相對比較稀薄,赤道比較厚,所以在南極它的有感高度其實不只三千公尺,而是有三千七百公尺那麼高,所以很缺氧。

頭幾天我的頭就好像爆裂一樣的痛,晚上睡覺至少頭一個晚上是完全清醒的。我這個人通常是沒有時差的,到世界各地開會,我到了就跟當地時間工作。可是到了南極以後,何況那裡的時區是根據紐西蘭的時區,紐西蘭比我們早五個小時。按照規定,我需要在紐西蘭先待兩天才起飛,所以其實我已經在地化,我已經沒有時差了,可是到了南極極頂,頭一個晚上完全睡不著,高度清醒,只有聽到自己的心跳,像打鼓一樣。所以我待在南極三層樓的實驗站,上一層樓去餐廳都已經氣喘得很厲害,我一直要等到兩、三天以後恢復正常,才可以開始工作。

問:請問是老師需要親自安裝天線站嗎?
我們有工人,而且是那種有高度技術的工人,他們真的很令人佩服,因為他們需要在非常嚴峻的氣候下,在室外整天工作。第一,安裝要鑽井,因為我們那個天線要安裝在冰下兩百公尺,所以需要鑽井。我們每一個天線站要有五個洞,中間的一個洞是要用來校準的,其他四個洞,每一個洞要放四個天線進去,然後將來要覆蓋一百平方公里。在南極,電源非常珍貴,因為所有的發電都是靠運石油進去來燃燒的。我們的計畫打算用風力發電,南極因為有半年是黑的,所以太陽能發電也不太可行,我們ARA團隊裡,有一個團隊專門研究風力發電。而我們臺大團隊則是主導天線研發,是整個實驗裡頭最重要的前端,不是只有我們自己,還有夏威夷大學和威斯康辛大學。

我這次去就隨身帶了我們臺大最新研發的天線,用一個大木箱帶到那裡去做測試。我自己不需要親自鑽洞,但是要在那裡測試,可是外面那個天候,怎麼形容呢?譬如說手套就要戴兩層,裡面就算先戴一個毛線手套,外面再加一個皮手套,還是覺得很冷。有的時候不得已,因為觸覺不好,要把皮手套脫下來,或者有時候甚至連毛線手套也要拿掉,結果不到一分鐘,手就變成紫色,在外面待久了,手指就開始冰凍起來。

問:在南極生活,如何分配一天二十四小時的白天?
問得好,坦白說,我因為工作非常多,所以我其實隨身攜帶了很多工作去那裡做。譬如說我每年到了十二月份,是學生們申請海外研究所的時間,因為我的學生人數蠻多的,像今年就有六位需要我寫推薦信,所以我沒有完成的就到那裡去寫。

◆召開記者會的挑戰
挑戰來了,第一個我需要去做研究,然後加上臺大安排我們要有一個記者招待會,我需要連線,還需要提供很多的照片,幸好我們ARA團隊有一位隨隊的專職public relationship,所謂PR(公共關係)的專家,她是從我們總部在威斯康辛大學、麥迪遜市Madison來的,也跟我一起到達。幸好有她,所以多半的照片和影片都是她照的,因為她是專家,比較知道該怎麼弄,所以鏡頭很穩定。

可是現在問題來了,南極每一天只有一個有限的時間會有網路,因為南極平常是沒有人居住的,只有南極站幾百人這裡,幾百人那裡,沒有商業價值,所以只有人造衛星經過上空的時候,網路才能通那麼一段時間而已,而且它的頻寬很窄,不能寄大量的東西。所以我就著急了,我有3GB的影片和照片怎麼辦?還好美國真的很幫忙,索性讓我使用冰立方的傳輸管道。因為冰立方是美國的重點實驗,所以它有一個特殊的管道,每天取得數據就透過這個特殊管道傳送回美國,而我就用這個管道,當然要先獲得美國方面的批准,然後把資料送到美國科羅拉多,再轉到威斯康辛,然後再到台北,等到我的助理拿到資料的時候,都已經是記者會當天十二月十二號早晨八點了,經過兩個小時的編輯,十點鐘召開記者會。所以我需要忙很多這種事情,再加上發現國旗沒帶,我又花了十幾個小時做這面國旗。

問:老師為什麼想要帶一面國旗到南極?
我想這大概任何人去都會想到吧,第一個就是,這是我們台灣的第一次,我想我如果沒有了解錯誤,說不定這是中華民國一百年的第一次。之前有沒有到過,我不敢說,但我想去極頂從事一個大型的科學研究,之前大概是比較少或者沒有過,所以我覺得有適當的歷史意義。我去,絕對不是為了我個人,當然我有學術上的興趣,可是我之所以能夠去,這背後,就像我們常說的,這是整個國家社會給我的支持才能去的成的,所以我覺得我不但是有這個意願,也有這個義務,而且有充分的願望把我們的國旗帶去。

其實我要去南極之前已經有交代學生助理幫我準備好國旗和旗桿,但是我把行李帶回家裡的時候,因為走前有太多東西要放,忘了放。到了南極打開行李才臨時發現,只有旗桿,沒有國旗。

我發現沒帶到國旗其實是第一個反應,但等我頭痛過了,適應當地氣候以後我才可以開始工作。但我不是頭三天就坐在那裡而已,雖然頭痛欲裂,我還是繼續做我的論文、學生的推薦信。所以我第一個反應是,我要不要讓我辦公室趕快寄一個來,先寄到紐西蘭,然後轉搭軍機過來,結果那邊的答覆是說,至少要三個星期才能到,到時候我都已經要走了,所以我不得不在那裡自己做國旗。

◆親手繪製國旗 不免試誤一下
非常非常僥倖的是,那裡的實驗站,你也知道,出了實驗站就是冰天雪地了,所以在那個實驗站裡面有一些設備,譬如說健身房,一間溫室(有真的植物在裡面生長,我猜那對冬天生活在那裡的人非常重要),然後還有一間美術工作坊。我當然欣喜過望,進去以後在一桶一桶的布堆裡頭找出一大塊布。因為在極頂上面插的國旗都好大一面,所以就算我原本要帶去的那一面,也相對顯小了。所以我就找到一張很大很大的白布,把它塗成國旗的樣子,因為有兩面,而中間的星星從小學以後就沒有畫過,所以還樣從google查詢出我們國旗的長寬比例,當然也要try and error,試誤一下,因為到底要用什麼樣的材料,要用麥克筆還是要用壓克力顏料著色,藍色的部分我是用壓克力顏料,但我先用麥克筆,畫畫時我覺得塗抹不夠平均,又改成用壓克力。

但壓克力顏料用完我就後悔了,壓克力比較厚,塗完以後能不能飄揚,這是一個問題,看起來好看,可是不能夠飛起來,所以我又改成用麥克筆。紅色的部分完全是用麥克筆畫出來的,那藍色的部分,你看這麼整齊,就是先用麥克筆畫過。後來為什麼會花這麼多時間,其中一部分是我發現原本我塗的壓克力太厚了,所以我就開始用白水稀釋,盡量地稀釋,讓它能夠飄起來。

老美真的非常可愛,他們整個人生態度就是很正面,對我畫的國旗說,簡直是太好了,尤其是我到了第二天晚上,因為旁邊有人畫的東西留在那裡,是畫一百年前挪威人阿孟森第一次到極頂的時候,因為他一定有被照過相,所以就把他畫成一幅油畫,油畫上面有一個一百,因為是一百周年。所以我靈機一動,因為這麼湊巧,民國一百年歲末我到了南極,偏偏又巧的是人類登極頂也剛好一百周年,雙百巧合是蠻好的,所以我就心生一計,在白日的中間畫上100,那先畫的是藍色的,後來我翻到後面再畫一個紅色的,所以兩面的100是不一樣的顏色,所有知道的人,都覺得這真是太妙了。

問:這面國旗是否可一直在南極上空飄揚?
全世界大概兩百多個國家,為什麼只有十二面國旗在那裡?那些國旗是幾十年前,有簽訂南極條約國家的國旗,你不能亂插其他的國旗在那裡。所以我插中國民國國旗在那裡,可能人家會收走,不太洽當。而且我擔心國旗放在外面會受損,所以我出去時我才拿出去插起來,我要離開時再把它收回來。但是我覺得很高興的是,我能把國旗放在那裡,跟他們在一起,短時間是無所謂,大家都很高興看到,我們有拍了很多照片為證。

問:四年前為什麼選擇回臺大服務?
這裡是我生長的地方,我對這裡有一份感恩和回報的心情,我要貢獻,我想要貢獻在這裡。第二個,我覺得是在國外幾十年以後,台灣終於在科學上、學術上漸漸趕上來,我覺得有希望,尤其是臺大。這當然不足為外人道,如果不是臺大,我覺得我的意願少得多。在國內的話,我只有臺大才會做考慮,其實真正困難的不是在這,而是說我們到底不是像美國的史丹福大學這麼頂尖,所以在設備上、在資源上,相對比較沒有那麼好。

所以我為什麼要一直提到梁次震,因為他非常想要促成我回來這件事情,才這麼積極地捐贈給臺大,讓我能夠回得成。因為在美國的資源是不一樣的,我們的薪資待遇也是不一樣。所以他提供資源,可以以臺大講座教授的身分把我請回來。大陸的北京、清華大學我都蠻熟的,我覺得不要說是我沒有在那裡生長,我覺得純粹就在商言商,以學術來比較,我認為臺大是有信心的。別的不說,我們臺大有很多傑出的物理系同事,幾乎都在海外留學過,拿過最高學位,甚至於在海外工作過才回來,所以他們的國際觀、國際的觸角,不是只有我,很多人都有。所以這樣的一個團隊,很多人通力合作,我覺得幾乎不做第二考慮。

小插曲:陳教授此次南極行,由於欣逢挪威人阿孟森登上南極一百周年,所以巧遇挪威總理史托騰伯格(Jens Stoltenberg)。陳教授說,本來在科學站初見他時,兩人相談甚歡,並不知道他就是挪威總理。直到十二月十四號,受邀參加阿孟森冰雕的揭幕典禮,才驚然發現,前幾天那位握手、談話又合照的Jens,就是挪威總理。之後兩人又搭上同班飛機,下飛機在等接駁車的時候,陳教授趁此難得的機會,邀請他為台灣全國的人民講幾句祝福的話,成為這次南極行的意外收穫。

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