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實驗課裡的高能物理學家 郭家銘

2020-06-01 撰文/李宛儒 攝影/汪忠信
成為科學家並非他從小的志向,是大學實驗課啟發他走上研究之路。如今他成為老師,想把在實驗中體會到的自由與創意,傳遞給更多年輕學子。


中央大學位於桃園中壢市西北方,科學四館就在校園最北側。這一天,物理系學生要進行連續六小時的實驗課。各校物理系都有實驗課,但中央大學物理系的實驗課讓師生特別引以為傲。在科學四館一樓,還有一間專為實驗課設置的展覽室,陳列的都是大一、大二學生自行製作的實驗儀器,物理系教授郭家銘指導過不少學生設計實驗作品,他抽空進行導覽,眉飛色舞地說明每件作品的原理,一面分享他的授課理念。


走出科學四館,一旁中大湖的風特別大,郭家銘解釋,從中央大學往西都是平地,一路至台灣海峽,海風直直吹來才會如此。郭家銘從大學開始,人生大半時間都在中央大學度過,對這座校園非常熟悉。然而18歲之前,這個嘉義孩子甚至不知道有這所學校。


自由學習的啟蒙

郭家銘生長在傳統觀念要小孩念醫科的家庭,希望他和有日本醫師執照的叔叔走上相同的路;且在那個年代,嘉義高中考醫學系的風氣尤甚。從小不喜束縛的郭家銘對此十分不理解,怎麼樣都提不起勁念書,大學聯考自然表現不佳。家人希望他重考,但他堅決不從,只想趕快離家。補習班的落點分析裡有中央大學物理系,「我根本不知道這間學校在哪裡,後來知道它在桃園,但桃園確切的位置在哪裡,我也不知道,只覺得離家好遠,真好。」既然物理成績不錯,也挺喜歡高中物理老師,那就讀物理系吧!


然而高中擅長解題、考贏同學得來的成就感,並不等於對物理的喜好。剛上大學有段時間,郭家銘到處選修、旁聽外系課程,想找到自己真正的興趣。他跑遍了土木系、電機系,卻不斷碰壁,倒是物理系最重要的課程在大二開始後,把他喚了回來。不同於高中的死背公式,物理系課程非常注重每個公式背後的來龍去脈,以及如何把公式應用在物理研究。例如電磁學中的馬克士威方程式,就需要一整年時間的鋪陳解說,許多學生在這個階段卻步,郭家銘卻體會到了物理之美。


理論課程讓郭家銘開始欣賞物理,但真正影響他走上物理研究這條路的則是實驗課程。20幾年前,中央大學物理系的大一實驗課還是「套裝實驗」,郭家銘直言:「我一點興趣都沒有。上課就是照著課本把實驗器材接一接,回家!同學之間預報、結報可以抄來抄去,沒有任何創意。」不過大二下學期結束前的六到八星期,授課老師讓學生自由發揮,自己找題目並設計實驗。他們必須自己學畫設計圖,到機械工廠中把器材製作出來,再測量並分析。郭家銘和一位同學合作,連續好幾個晚上熬夜,一人操作車床、一人操作銑床,體力不支就輪流睡一小時。


這是這位物理學家的第一項研究計畫,題目是什麼呢?說到這個,原本眼神閃閃發亮,邊講邊比手畫腳的郭家銘突然顯得有些不好意思。原來他們當年做了16個貼有鏡子的正方體,鎖在可調整的架子上,想模仿凹面鏡並找出焦點,「現在想起來非常笨,我也不知道那時候為什麼想做這個。」焦點沒找到,計畫失敗,但郭家銘意外發現,原來做實驗那麼有趣、那麼自由。實驗不可能一帆風順,而在不斷重複討論的過程中,可以投入很多想法與創意,他終於找到了自己的興趣。


緊接著迎來升大三的暑假,根據中央大學物理系的悠久傳統,學生此時大都進入系上教授主持的實驗室參與研究,郭家銘選擇了磁性超導研究團隊。這個領域需要用到的統計力學、固態物理,在物理系屬高年級甚至研究所課程,郭家銘只好自修,這讓他再次體會到自由探索的樂趣。他針對要研究的樣品,自己利用書中理論推測材料性質,然後進行測量並寫程式去擬合,當實驗得到想要的成果,原本漂亮卻虛無縹緲的物理理論也變得具體起來。


除了應用、產出科學知識的成就感,熱情的學長姊也在郭家銘遇到困難時馬上教導,才讓他能夠堅持下去。他還記得:「讀人生第一篇論文時,讀完一遍之後,學姊帶著我,從第一個字到最後一個字解釋給我聽,在那之後我就知道要怎麼讀論文。」印象深刻的還有物理系從舊館搬到科學四館,許多儀器紛紛「出籠」,讓郭家銘大開眼界。他也參與了新實驗室的空間規劃,從動線到擺設和實驗室成員一起腦力激盪。儘管沒有學分、沒有薪水,郭家銘繼續留在實驗室,許多同學都中途退出,而他一路待到大學畢業。


成為高能物理實驗學家

從大學升上研究所,郭家銘在碩一那年決定直攻博士,他對手邊的研究題目一直很有興趣,想要把實驗做得更完整、更全面,當時實驗室環境卻無法滿足他的好奇心。磁性超導屬於凝態物理的範疇,郭家銘理想中的凝態物理研究,是從樣品製作開始,到熱性、磁性等物理性質測量以及結構分析,可以從頭到尾一手完成,澈底了解一種材料。但實際情況則是樣品製作、熱性測量都由其他單位操刀,他們只能等待別人完成樣品,最後負責磁性測量和結構分析。在這個領域耕耘四年,郭家銘卻像剛進物理系時一樣徬徨,不斷自問:我的人生就要這樣繼續下去嗎?我到底要往哪裡走?


郭家銘在1994年進入大學,那一年物理學界的重大新聞是頂夸克的發現,粒子物理學標準模型中懸宕近20年的謎團終於解開,也找到夸克家族最後一片拼圖。郭家銘還記得,物理系新生訓練第一天,一位學長告訴他們:「高能物理是夕陽物理,那裡已經沒有什麼新物理可以去研究了。」因此大學四年,他沒有選修任何一門高能物理課程。然而到了2000年,郭家銘考完博士資格考卻開始想轉換領域,偶然在系上聽到一場高能物理演講,「那就是我(之後)的老師,林宗泰老師,講他在美國做的重粒子對撞實驗。」儘管同屬物理學,不同研究領域也是隔行如隔山,郭家銘在演講中發現自己什麼都不懂,燃起了求知欲望。那一天他特別認真,記下所有不懂的內容,回去開始查詢資料,越看越有趣,很快就決定轉進林宗泰門下,從此展開高能物理的研究生涯......


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