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雷射的應用–捕捉原子與中性粒子

98/09/08 24191

林天送｜美國聖路易華盛頓大學化學系暨神經科學系

小百科

朱棣文（Steven Chu）是 1997 年諾貝爾物理獎的得主，他在 1948 年出生於美國密蘇里州聖路易市，1976 年取得加州大學柏克萊分校的物理學博士學位，1990 年擔任史丹福大學蓋波（Geballe）講座教授。他的貢獻是應用雷射捕捉原子和中性粒子，對量子物理和原子及粒子間的作用有深入解析。2009 年被任命為美國能源部部長。

抱著好玩的心態做實驗

朱棣文拿到物理學博士後，就到貝爾實驗室做博士後研究，後來升為正式研究員。1984 年他和同僚開始探討，如何捕捉一些沒有「性格」的原子和中性粒子。所謂沒有「性格」，是指這些原子和粒子不帶電荷也沒有電偶極（electric dipole）。以前的物理實驗都是利用外加的電場或磁場來控制帶電的物質，但對原子或中性粒子卻是無法操縱自如。

當初的研究只是好奇，抱著好玩的心態去做實驗，他說自己毫無經驗，但他的同事阿斯金（Art Ashkin）鼓勵他去玩。那時候的貝爾實驗室非常開放和自由，主管也不過問，於是他就放心去設計。他利用雷射的偶極力把原子冷卻到極低溫度，再用雷射的能量來極化電子或不帶電的粒子。經過許多次的嘗試，發現在某種多方向的雷射照射下，居然能擄捕中性粒子，如小玻璃珠、細菌、鈉原子，從此開拓了一個新的研究領域。

貝爾實驗室是美國電話公司的研究實驗室，成立於 1925 年。貝爾實驗室的設備好，經費充足，研究風氣開放自由，主管鼓勵每個研究員要創新，有問題要多提出來討論，這樣的環境帶來了許多突破性的發現和發明。

因貝爾實驗室的研究成果而得到諾貝爾獎有 6 次：戴維森（Clinton J. Davisson）得到 1937 年物理獎；巴丁（John Bardeen）、布拉頓（Walter Brattain）和蕭克利（William Shockley）獲得 1956 年物理獎，他們發明電晶體，奠定了半世紀來電子器材的基礎；安德森（Philip W. Anderson）以磁性和玻璃材料的研究有突破性的成果得到 1977 年物理獎。

另外，潘佳斯（Arno A. Penzias）和威爾森（Robert W. Wislon）以發現宇宙微波背景輻射得到 1978 年物理獎；朱棣文獲得 1997 年物理獎；史托馬（Horst Stmer）、拉福林（Robert B. Langhlin）和崔琦（Daniel Tsui）因研究分數量子霍爾效應（Fractional quantum hall effect）得到 1998 年物理獎。

向學生學習

朱棣文在貝爾實驗室待了 9 年，1987 年被史丹福大學物理系聘為教授。他引用了一位老同事蓋波（Ted Geballe）的話來說明，為什麼要從一個那麼好的研究環境轉到大學：在大學裡最好的一面是有學生，這些學生都是新鮮、熱忱、不固執、能創新的。起初他們相信教科書和教授的論調是有權威性的，但很快會發現書和教授說的並不一定可靠，學生就開始創新，有自己的想法和嘗試，那時候該是教授向學生學習的階段，也是最美好的「教」和「學」的境界。這也是教育的名言：「教學相長。」

當朱棣文發表他的第１篇「雷射捕捉原子」論文時，曾經有人問他：「你的實驗會有什麼實際用途嗎？」他很謙虛也很誠實地回答：「不知道，但我相信一定有人會應用到我的發明。」果然不到兩年，就有人推廣到許多不同的應用。例如原子碰撞冷卻到極低溫的問題，如 B-E（Bose-Einstein）原子凝結物的研究、原子雷射、地球向心加速力的準確測量等，都能利用他的新方法去測探，準確度可達一億分之一；可做原子時鐘的標準，利用他的方法也可測探油礦。

到史丹福大學後，他推廣他的研究範疇，利用雷射的功能去探討單分子形態，分析聚合物動力和生物功能。他由物理的研究領域跨到化學動力和生物功能，利用他的新技巧探討高分子聚合物的種種動態；從最基本的 DNA 著手，繼而研究肌肉舒縮的功能和機制，以單分子的實驗觀點來看生物的種種功能。這是一個新的方向，也是與眾不同的研究路線，已經有許多突破性的成果。

短短的幾年，朱教授開拓了一個新的研究領域，並且已經被應用到物理、化學、生物和醫學。儘管他很謙虛地說：「我只是一個從事基礎科學研究的平凡工作者，按部就班踏實做實驗的人。」

講座之旅

在朱教授獲得諾貝爾獎的次年（1998年）4 月下旬，朱教授應筆者執教的華盛頓大學的邀請，來當第 39 屆甘迺迪講座的主講人。第１場的題目是用（雷射）光捕捉原子和中性粒子。第２場演講的題目是：從單分子形態看聚合物動力和生物功能，利用他的新技巧去探討高分子聚合物的種種動態，以單分子的實驗觀點來看生物的種種功能。

當天晚上系裡辦了一個大宴會，在著名的蕭氏植物園舉辦。傍晚筆者和內人陪同他參觀植物園的奇異花木，特地帶他去看日本花園，別有情調，他讚美不已。他一天奔波，還演講，但並沒有露出倦態，走起路來，還是健步如飛，身體保養得相當好。筆者內人問他健身祕方，他說他每天至少要花 30 分鐘的時間做運動，週末一定去爬山或打網球，運動和飲食是二項重要的課題。難怪雖然那時候他 50 歲了，但身材仍然保持得很好，就像三十來歲的人。

第二天下午第２場演講後，筆者送他去機場時，曾經問起他是否能閱讀中文，他說可以聽一點，能寫自己的名字。小時候，爸媽曾經在週末送他去學習中文，週末是玩的時間而竟要去上中文課，因此心理上就不想去學，也就只學會寫自己的名字。他也談到他有兩個孩子，老大雖然聰明，但不頂喜歡念書，想盡辦法要他念書，但是無計可施。老二雖然沒有哥哥聰明，但用功，學校成績也好。

朱教授相當謙遜，常常說他對生物和化學沒有深入的了解，不以大師自居。也常常提起他的合作同僚，如阿斯金博士的初期幫助才能使實驗順利完成。他不僅在專業上有超人的成就，在為人處事方面也有許多值得學習的，他經常慶幸有好的工作伙伴、好學生和博士後研究員的共同努力，才會有今天的成果。

筆者曾問及他的研究室的人員，他說有 10 名研究生、3 名博士後研究人員。他的經費只能養得起 5 名研究生（從研究計畫經費支付），另外 5 名是由系補助或助教獎學金支薪。3 名博士後研究員，一名是由研究計畫資助，一名是法國政府公費派來的，一名是朱教授自己掏腰包養的。筆者還以為他會有龐大的研究團隊和相當充足的研究經費，他表示：自得獎後，還沒有提出研究計畫，因此不敢肯定將來會有更多的研究經費。他也談到教學，他每學期得教一門課，因此很羨慕法國科學院的制度，1 年只要給 12 堂課，但每年每一堂課都必須不同，而且課題不能重複。

生涯和榮耀

朱棣文的父親朱汝瑾（中央研究院院士），曾經任教於聖路易市華盛頓大學化學工程學系數年。小時候他是個平凡的學生，中學成績也沒有什麼特殊，而哥哥弟弟都是名列前茅並進了長春藤學校，自以為是家族最不爭氣的一員。他曾經開玩笑說：「我的二位兄弟都擁有好幾個高等學位，但是我想我的諾貝爾獎可以抵上幾個高等學位吧！」

他喜歡動手，玩模型飛機，運動。在高中，受到一位物理老師邁諾（Thomas Miner）的鼓勵和影響，引起他對物理莫大的興趣。後來進羅徹斯特大學（Rochester University）念物理，大一、大二採用費曼的三卷物理學講義使他享用終生。

朱教授是實驗物理學家，看看他在實驗室的照片，就知道他是熱愛科學而有信心追求科學的真理，一連串突破性的成果，也贏得了物理最高榮譽：諾貝爾獎。2004 年被聘為加州大學柏克萊分校的勞倫斯國家實驗室的主任，勞倫斯是美國歷史最悠久的國家實驗室，1 年的研究經費有5億美元，有 4 千名研究員和員工，800 名學生。

朱教授近年來對能源有新的觀點和研究方針，2009 年被美國歐巴馬總統任命為能源部部長。他曾經榮獲 1993 年沙地阿拉伯費沙國王國際科學獎，是美國國家科學院院士，也是中央研究院院士。

深度閱讀

http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1997/index.html
http://en.wikipedia.org

資料來源

《科學發展》2009年9月，441期，64 ~ 67頁

雷射(30) 貝爾實驗室(7)

雷射的應用–捕捉原子與中性粒子

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