科學人觀點

當自由的心靈遇到高溫超導

從花蓮玉里越過了太平洋,飛往美國休士頓,吳茂昆從一個原本要到工專教書的老師,變成了高溫超導的發現者,他說,這得歸功於一個適性、均衡的成長環境,讓他養成了適時掌握機會的能力。

撰文/吳茂昆

科學人觀點

當自由的心靈遇到高溫超導

從花蓮玉里越過了太平洋,飛往美國休士頓,吳茂昆從一個原本要到工專教書的老師,變成了高溫超導的發現者,他說,這得歸功於一個適性、均衡的成長環境,讓他養成了適時掌握機會的能力。

撰文/吳茂昆


今年6月23日出刊的《自然》有篇關於玻色–愛因斯坦凝聚現象(Bose-Einstein Condensation, BEC)最近發展的專題報導。由凱特利(Wolfgang Ketterle)領軍的團隊,在強作用下的費米子系統所形成的玻色–愛因斯坦凝聚,觀察到表徵超流體的渦流。此結果帶給我們更深入了解高溫超導現象的一個新的方向。玻色–愛因斯坦凝聚現象是愛因斯坦在1924年與印度物理學家玻色共同發表的量子統計理論中的主要預測結果。此預測,終於在約四分之三個世紀後,為實驗學家所證實,也促成康乃爾(Eric Cornell)、威曼(Carl Wieman)及凱特利共同獲得2001年諾貝爾物理獎。

超導物理,是我個人研究的專長。在我求學、成長的過程中,有幾個關鍵性的影響,促成我選擇物理,並決定以超導物理研究為一生的志業。也因為能有機會深入超導物理領域,讓我得以在適當的時機,完成一件為科學界所肯定的工作。


來自台灣東岸的純樸小鎮


我出生於東部花蓮縣玉里鎮,在家裡11個小孩中排行老么,從小即受到父母兄姊許多的照顧。小學時就讀玉里國小,小鎮的人口不多,沒什麼競爭壓力,不需要太用功,書就可以讀得不錯,所以成長過程沒什麼特別之處。好處就是自由,完全順應自然發展,沒有外界施加的壓力、束縛,可以廣博、自由自在地學習。小學高年級的自然課老師曾霖炳,是位學識淵博、教學認真有方法的老師,他將我帶進了大自然的奇妙世界,也促使我有了成為科學家的想法。

小學畢業後,兄姊考量我年紀最小,書也讀得不錯,建議父母讓我到花蓮市讀書。初中三年的學校生活是一段愉快而難忘的經驗。當時的花蓮中學是個環境很開放的學校,沒有圍牆,有的只是一道矮籬笆。下課及午休時間,我和同學不是在操場打球,就是徜徉在太平洋岸,觀賞浪潮打擊在防波堤上的美景,也因此養成我對事情有較廣闊的視野,不計較的性格。另外,當時花蓮中學的圖書館,已經是採取開架式管理,沒有太煩瑣的借閱程序,可以隨意借書,養成我喜愛閱讀的習慣。由於班上同學的生活背景相似,程度差不多,各有專長,相互學習,培養了非常深厚的感情,至今我們同學仍定時相聚。

初中畢業後,我順利直升高中部。那年暑假可說是我最快樂、也最有收穫的一個夏天。初三下得知自己已過直升門檻後,我便決定和同學一起回玉里,到新開設的鳳梨加工廠打工。一直到大二,我每年暑假都到這裡工作,幾乎經歷過工廠內所有部門,由檢取果農送來的鳳梨,到製作果汁罐頭的調劑師。尤其,在擔任果汁罐頭調劑師的經歷中,讓我有機會發揮我初中時頗為自得的化學知識。這個工作經驗對我而言,影響極深。

進入高中以後,同學大多是從初中直升上來,大家雖然知道考大學不像直升高中那麼容易,但並未感受到明顯的升學壓力,多數人讀書還是很隨性、自由。在這樣的氣氛下,我參加學校的管樂隊,豐富了單調的讀書生活。由於學校老師強調的,是我們能否掌握到所學課程的真義,而不是應付升學考試的能力。因此,雖然我們自認有扎實的學識能力,但是整體的大學聯考結果,並不是很理想。


初識愛因斯坦相對論,為之心折


考大學的時候,我決定選填物理系,主要是在我接觸到近代物理之後,才了解到我自認擅長的化學知識,其實是源自近代科學的主軸──量子物理。而當年的花蓮中學,地處邊陲,不容易吸引好的物理教師,我們的物理學識極大部份是依賴同學間相互學習、討論。這個學習的過程,讓我發現自己或許適合在物理領域發展。另外,楊振寧和李政道的事蹟,也當然影響了我選物理系為主要志願的決定。

在淡江大學的二年級下學期,剛從美國回來的陳惟堯教授教我們相對論。學到時間膨脹(time dilation)的概念時,我的反應是,這不正是《西遊記》或《封神榜》上所描述的「天上一日,人間一年」的概念嗎?重要的是,愛因斯坦的相對論提出一套計算方法,只要知道運動者與觀察者的相對速度,即可準確決定兩者之間的時間變化。我深深被相對論的奧妙與新奇所吸引,也當然更堅實確定了我以物理為專業的志向。

到大四,我們系上來了位外籍客座教授溫佛萊許(David Weinflash),他是美國哥倫比亞大學畢業的物理博士,負責我們四年級的專題討論課程,讓我第一次接觸到奇妙的超導物理世界,也由此決定了我攻讀碩士學位的主題。有意思的是,這位客座教授是林懷民的朋友,林懷民回國成立雲門舞集,他跟著來台灣。有此因緣,我們有幸得以在雲門舞集初創的年代,在淡江欣賞到他們的表演,這是我初次接觸現代舞,林懷民的創意、專業與執著,給予我非常深刻的衝擊。

小學六年在玉里,中學六年在花蓮,大學時到了淡水,我開始了另一段豐富的生活。那時的淡水相當開闊,人不多,周遭都是稻田,一片空曠。站在淡江大學物理系館的頂樓,向西看到的是淡水河出海口,南面是觀音山,東向則是大屯山,就像是徜徉在家鄉花蓮的秀麗山水中。大學四年、研究所兩年,我在淡江一共待了六年,這期間我與幾位同樣來自花蓮的同學一起租屋而居,所學各自不同,使我們得以由不同領域看世界,交流不同的知識,並且由對方的身上吸收與學習。這對我後來,不管是在求學、研究,或者是在工作上,都有非常深遠的影響。


追隨朱經武做研究


碩士學位完成後,我原先並未計畫出國留學。服兵役期間,父親甚至已經幫我在花蓮找了一份工專教書的工作。退伍前半年,軍中發生的一些事改變了我原本的計畫,這才著手準備,很短的時間內,幸運的我得到美國休士頓大學的入學許可。更巧的是朱經武教授在同一年由克利夫蘭轉到了休士頓,朱教授所做的研究正好和我的碩士論文題材相關,自然就追隨朱教授學習、研究。朱經武教授指導研究生所採取的指導方式,是要學生能獨立思考、自己找問題、自己找答案。記得我們當年在實驗室最常見的情景是,朱教授偶爾會過來看我們實驗進行的狀況,針對實驗的數據討論,通常我們會被要求提出我們認為實驗的結果為何。例如,為深入了解某一個超導體的特性,我們常用外加壓力來改變物性,觀察其超導性的變化。實驗過程中,朱教授問我們根據該物質的結構及量測的數據,經外加壓力後,就其可能產生的物性變化,我們的預測為何?這樣的訓練對我後來能獨立自主研究,有非常深遠的影響。

當時,實驗室最重要的研究課題是,我們是否可建立一個可依循的法則或方向,以尋找超越液態氮蒸發溫度(絕對溫度77K,或-196℃)的高溫超導體。朱教授多次告訴我們,任何一位學生若能成功證明一個物質,其超導轉變溫度超過77K,那麼他(或她)馬上可以得到博士學位,且其博士學位論文只需要一行字。這個願望,我們終於達成,但是卻是在我完成博士學位五年多後,無法創造世界上最短博士論文的紀錄。


借用化學知識,發現高溫超導


離開休士頓後,我到了阿拉巴馬大學杭茨維爾分校任教。主要因為當地屬美國航太總署(NASA)的馬歇爾太空飛行中心,有我希望進行研究主題相關的設施。這期間,我仍保持與朱經武教授緊密的合作關係。1986年底,我們緊鑼密鼓,以分工的方式進行氧化物超導體的研究,我在杭茨維爾以改變化學組成的方法探討其對超導體物性之影響;朱教授則主要持續以外加壓力的物理方法,研究對超導體物性之影響。研究過程中,我在中學時習得的化學知識,尤其有關改變化學元素之離子價鍵對物質物性改變的觀念,發揮了極大的功效。根據化學元素其尺寸隨離子態不同而改變的概念,同時考量氧化物超導體的晶體結構,我們提出一個如何經改變化學元素仍保持物質結構穩定的構想,以之做為我們測試新材料的依據。根據此一假設,我們很快的在1987年1月中發現科學史上第一個高於液態氮蒸發溫度的高溫超導體,而激發科學界對超導體研發的熱潮。事實上,此結果不僅對超導物理研究,也對近幾年來氧化物材料的整體發展,產生極重大的影響。

就我的成長歷程來看,我是相當幸運的,這些可以歸功於我一直能在適性、均衡的發展環境中成長,培育養成我能適時掌握機會的能力。另外,我有一個凡事能「輕鬆以待」的個性。到目前為止,我幾乎沒有為解決不了困難而煩惱的經驗,今天不行,明天再做一次,總是可以找到解決的方案。我認為,任何事都該以樂觀的角度去準備,而所謂的「準備」是指該在什麼時候學到什麼、做些什麼,就要將它學好、做好。如此,當機會來臨時,自然能掌握。

在我求學過程中,沒經歷過任何所謂的「明星學校」,今天我在科學研究上如果有任何成績,都顯示「明星學校」的教育不是一個人走上科學家之路的必要條件。事實上,明星學校反而可能因外加的壓力而帶來不必要的束縛與限制。今天台灣的中學與大學,教育資源及師資比我們當年要好得多,若能減少對學生的束縛限制,去除必須要上「明星學校」的迷思,容許他們自主發展,讓他們快樂學習,相信必能有效的培育傑出的科學人才。


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