2014年3月27日

研究基本粒子的理論學家—中央大學物理學系蔣正偉教授專訪

作者/范賢娟(任職於清華大學科技管理學院技術創新與創業研究中心)

物理是一門融合理論和實驗的科學,然而經過20 世紀的蓬勃發展,物理已經進入到一個抽象層次相當高的境界,現代理論想要再突破、有所進展,非常不容易,許多大學都規定學生一定要有相當的程度才能去從事理論研究,因此這樣的學者越來越少。今天難得訪問到一位理論物理學家,且讓我們聽聽他學習的過程,並請他介紹2013 年諾貝爾物理學桂冠榮耀的意涵,以及談談他對一個支持科學發展之社會的看法。

基礎啟蒙
中央大學物理系特聘教授蔣正偉從小對科學就極感興趣,打從可追溯的記憶開始,他面對別人詢問自己長大的志願,向來就是以「工程師」、「科學家」為目標,沒考慮過其他。蔣正偉表示,他至今還記得,國小六年級時有次上書店逛,父親授權他挑選自己喜愛的書,他選擇的就是牛頓、瓦特、愛因斯坦、愛迪生的故事,後來也看法拉第、費曼等人的故事。可能是由於他喜歡理工,因此挑選這些人的傳記來閱讀,但也可能是被這些故事所吸引,從而嚮往他們的人生。

真正在科學上的啟發,是蔣正偉進入國中的時候。蔣正偉回憶,那時候的數學和物理老師都很認真,在這樣的環境裡,許多學生打下了很紮實的基礎。尤其特別的是當時的物理老師,他的教法跟臺灣常見的情況很不一樣,不會強調太多計算,而是把物理觀念慢慢地說清楚,計算題的探討也以課本上的基本習題為主。這讓蔣正偉受到潛移默化的影響,此後在學物理時,他會先設法把觀念搞清楚,而非一開始就埋首於一大堆計算。相較之下,他在高二遇到了另一極端類型的老師,非常重視計算、解題。這位老師在學期一開始就發下一本講義給學生,題目分成左右兩半,左半部是老師在課堂上帶領學生算,右半部則是類似的題型,要求學生回去自己照樣練習。那一年學校的學習上,蔣正偉覺得並沒有習得多少物理觀念,而得靠自己閱讀課外書籍來吸收這方面的知識。

基於過往的學習經驗,蔣正偉看現在的學生,發現絕大多數的人受到的訓練都是「大量計算,但不注重物理觀念」,這樣的學習方式在物理這個領域並不適當。因為對那些計算的意義並不瞭解,將來很容易忘記;但觀念清楚之後則不會忘記,而可做為更深入思考推理的基礎。
蔣正偉樂於探索物理學的內涵,也期望能引導學生對其產生興趣。

選擇基礎科學的基礎問題
蔣正偉小的時候雖然喜歡理工,但並沒有特別對哪個科目表現特別的興趣,或許他會希望自己能發明很多東西,這樣的發展也許該比較偏向工程。然而因為受到國中物理老師的影響,另外也看了牛頓、愛因斯坦等人的故事,他越來越確定自己的志向在於物理,而且是最基本的原理原則,希望了解宇宙是怎麼運作。蔣正偉於大學時期便選讀物理,研究所更專注於基本粒子的研究。

在基本粒子的理論中會面對許多抽象的概念和問題,因為當中處理的可能是非常微觀、短暫,沒辦法用眼睛去看,也不是日常生活常見的事件,因此增加學習的難度。

蔣正偉此時會在腦中形成具體的圖像,用「思考實驗」來推測某個粒子衰變的時候會怎麼分裂成兩個或三個粒子,或者兩個粒子對撞的時候會產生什麼樣的結果,如何在實驗上去偵測。但是這些情況跟一般可見的情況所遵循的原則並不一樣,怎麼辦?還好有費曼發明了「費曼圖」可以協助描述基本粒子的衰變或碰撞過程,甚至提供了一套規則來計算,很快便可得出衰變率與散射的截面積。利用這種想像的實驗所呈現出的圖像,久而久之它會成為自己思考直覺的一部分,等到熟悉之後就可以更運用自如地去尋找自己的問題。
費曼圖有助於思考基本粒子的各種現象。該圖的橫軸為時間,往右
為正向,左邊為初態,右邊為末態。費米子用實線表示,光子用波
浪線,膠子用圈線。與時間同方向的箭頭代表正粒子,與時間反方
向的箭頭代表反粒子。本圖表示電子與正電子相遇後湮滅產生光子,
之後該光子又生成一組夸克與反夸克,然後反夸克又釋出一個膠子。
(圖片來源:維基百科)

蔣正偉的基本粒子研究屬於「現象學」,他覺得還不算太抽象,在科學社群健康的互動情況下,他可以把計算結果跟實驗結果拿去比對。如果實驗結果跟標準模型預期看到的不一樣,他不但不覺得沮喪,反而會覺得很有意思,此時應該要思考如何去解釋,或者要修改理論模型。蔣正偉覺得這樣很容易找到研究題目,因為問題都是大自然給的。

他還分析大學學習與研究所學習不同之處,大學通常會是比較單純接受別人教你的東西,要把很多知識塞進腦子裡,沒辦法多花時間深入去思考,只求趕快記起來。但等到自己做研究的時候,很重要的是要把書本、論文的內容,轉化為自己可以理解的事情。他非常推崇已故物理學家費曼在這方面的能力,這位大師對每個概念都有自己解讀的方式,跟一般教科書不一樣。這是優秀科學家應該要培養起來的能力,有自己理解科學的方式,這非但不會忘記,而且會有更深入、透徹的了解,不限於課本上文字表面所談的事情。但這種過程也不能閉門造車,胡思亂想,而是要透過跟師長同儕討論,確定自己想法是合理的,沒有走錯路。

基本粒子的實驗與理論
現代基本粒子的高能實驗規模越來越大,不是一般研究機構獨力可以負擔,而得聯合很多研究單位甚至國家一起參與,例如最有名的是「歐洲核子研究組織」( 法文Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, 縮寫為CERN, 英譯European Council for Nuclear Research), 位於瑞士鄰近法國邊境的一處深達地底100公尺,內含一個圓周長27 公里的加速器環狀隧道,這是由包括比利時、丹麥、德國、法國等20個歐洲國家所共同經營,另外也會有其他地區的研究機構用不同的方式來參與,例如臺灣也會負擔部分硬體設備的打造,以及後續的資料分析。另外日本有個KEK(The High Energy Accelerator Research Organization,高エネルギー加速器研究機構),美國在史丹佛大學也有一個線性加速器(SLAC 實驗室)。這些實驗室都會有豐富的實驗資料產生,粒子物理的理論學家便會注意這些資料,看是否與自己的預測相符,從中再去確認或修改理論。

反過來看,理論學家如果根據自己的假說模型預期會有什麼特別的現象,也可以主動去找實驗學家談談自己的想法,鼓勵實驗學家根據這樣的條件去進行實驗搜尋驗證。如果實驗學家被說服了,就會跟其他同事談,若大家都感興趣,就會把設計的實驗排進行程,然後跟理論學家一起分析實驗出來的資料,看是否符合預期。

在進行這些新的實驗之前,還有更基礎的實驗要先做,這是把已經知道的標準模型結果拿出來跟這個新設備實際跑出來的結果相比較,看是否吻合,應該如何校正機器,才能確認其可信度。因為有這樣嚴格的校正程序,各地的實驗室才有相同的基礎去談後續的發現。......【更詳細的內容,請參閱第532期科學月刊】

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