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飛秒化學的開拓者–齊威爾

99/06/09 18818

林天送｜美國聖路易華盛頓大學化學系暨神經科學系

小檔案

齊威爾（Ahmed H. Zewail）是 1999 年諾貝爾化學獎的得主，1946 年 2 月 26 日生於埃及的大緬霍鎮（Damanhur，大約距離開羅市150公里的小鎮），是埃裔美籍，美國加州理工學院的化學教授。齊威爾的貢獻是：「利用雷射飛秒光譜學（femtosecond spectroscopy）偵測化學反應過程中的分子與原子的動態行為。」飛秒又稱毫微微秒或一千兆分之一秒（10^–15 秒）。他的研究掀起了化學和相關科學的革命，使人們能了解並預測化學反應的來龍去脈，以及化學鍵的形成與分離。

靈機一動

我們先來看看齊威爾的初期教育過程。他在埃及亞歷山大大學（Alexandria University）完成大學教育，念完碩士後，1969 年到美國賓夕法尼亞大學（University of Pennsylvania，簡稱賓大）攻讀博士學位，他的指導教授是何克斯策爾（Robin M. Hochstrasser，美國科學院院士）。在他當博士生的4年內，就發表了12篇相當有分量的論文。拿到博士學位後，他到加州大學柏克萊分校跟霍利斯（Chuck Harris）做了 2 年的博士後研究，1976 年應聘到加州理工學院當助理教授。

他去應徵加州理工學院教職時，必須先給一場學術演講。在演講中，他一時緊張，忘了怎麼拼一位加州理工學院大名鼎鼎的物理大師費曼Feynman（1965年諾貝爾物理獎得主）的名字，窘態盡出，弄得哄堂大笑，但他還是得到這教職。

齊威爾的夢想是要了解化學反應過程的動態行為，他估計化學鍵分離和形成的時間相當短暫，大概是在飛秒單位，如此極度快速的動態行為要如何偵測呢？

他突然想起有人曾經用極快的照相機及閃光燈，攝取到賽馬的跑姿和子彈穿過蘋果的鏡頭。於是他開始設計雷射系統，利用內聚、飛秒的同調雷射脈衝去激發化學反應，也設計極快的偵檢器去探測化學過渡反應態。經過幾年的不斷嘗試和改進，終於在 1987 年的夏天看到飛秒間發生的化學變化，奠定了「飛秒化學」的基礎，使化學家可以進一步了解在分子的結構上，化學反應是如何開始，以及反應發生的經過。

天時地利人和

齊威爾在科學上有特殊的成就，得過無數的研究成就獎項，但他不自大，為人處事相當成功，待人也親切和藹，是個謙遜、念舊的人。他得諾貝爾獎時，一位記者問他有何感想，他仍然謙遜地說：「我只是運氣好，天時、地利、人和（right time, right place, right people）才得獎的。我會繼續更加努力去做研究。」最近在他的自傳《穿梭過時間》中有很坦誠的述說。

齊威爾在埃及是家喻戶曉的偉大科學家，早在得諾貝爾獎的前 3 年，埃及總統木巴拉克（Mubarak）就曾經頒給齊威爾國家最高科學成就獎，並且發行郵票表揚他的成就。他是第1位得諾貝爾科學獎的埃及人，使他頓時成了埃及的國家英雄。這跟 20 年前李遠哲院長得諾貝爾獎時，臺灣人也感到無上的光榮一樣。

筆者有幸在 1969 年，齊威爾從埃及到美國留學時就認識他。齊威爾的博士論文指導教授何克斯策爾也是我的指導教授，我們曾在同一個實驗室做過研究，但相處的時間並不長，因為他到賓大時，我已經拿到博士學位，正準備去哈佛大學做博士後研究。記得齊威爾曾問筆者是否有必要念好英語，筆者的建議是：「花時間把每日必須用的語言念好，是大有必要的。」

因為哈佛大學的教授催著我去，所以我離開賓大時，有一個實驗未能完成（這是我在寫完論文後才開始的新實驗），我的指導教授就要求齊威爾繼續做。我到哈佛後，齊威爾曾經數次打電話和我連絡，詢問與討論許多實驗的細節。在這幾次的電話會談中，我很佩服他的求真精神，以及他對實驗數據的處理、討論。半年後，他完成了那項實驗。指導教授、齊威爾和我 3 人合寫了一篇相當有分量的論文，發表在《化學物理學刊》。接著他做了幾個相關的實驗，那也就變成了他日後博士論文的主題。

1976 年他到加州理工學院當助理教授，就開始進入極快速雷射的領域，探討化學反應的機制及生物系統的運作程序，也就開創了飛秒化學的新領域，解開許多以前無法了解的化學反應的迷惑，他的研究工作可以說一帆風順。2 年後就升為副教授，1982 年就跳到正教授。自 1990 年起，被聘為鮑林講座教授（鮑林曾得過2次諾貝爾獎）。

掌聲回響

下面是我知道的幾個小故事。

1982年，我們一群學生在指導教授何克斯策爾的50歲生日時開了一個學術研討會，有一百多人參加，由每個學生報告他們的研究成果以資慶祝。輪到齊威爾上台時，他從紙袋裡拿出2副小孩玩的「布袋戲人物」，當眾表演了兩分多鐘的「敬師」表白，詼諧有趣，把一個嚴肅的場面弄得輕鬆愉快。10 年後，在何克斯策爾的60歲生日時，齊威爾正在國外講學，但他也趕回來參加，可以看出他尊師重道的精神。

數年前，我執教的大學正在徵招新人。有一天接到齊威爾的電話，大力推薦他的一位博士後研究人員，可見他對學生和後輩相當照顧。

十多年前，齊威爾還曾專程到台灣參加李遠哲 60 歲生日時舉辦的學術研討會，可見他相當重友情。其實，早在 1982 年我去參加指導教授的50歲生日活動時，齊威爾就曾經跟我提起他對李遠哲的敬慕（那時候，李院長還沒獲得諾貝爾獎）。

如果仔細看李院長和齊威爾的背景，會發現他倆有3個共同點：都是在家鄉念到碩士學位後才遠行到美國留學；齊威爾做博士後研究的學校是加州大學柏克萊分校的化學系，也是李遠哲攻讀博士學位的學校，齊威爾於 1974 年到柏克萊時，李院長也剛從芝加哥大學轉到柏克萊任教；研究領域都是化學動力學，都是獨創出新的技術和研究系統，而先後榮獲諾貝爾化學獎。

美國的研究環境好，能培養出許多傑出的科學家，30 年來的諾貝爾科學獎得主，十有八九都是美籍科學家。而美國又是一個大熔爐，很容易接受外國人。

1999 年埃裔美藉的齊威爾得化學獎，德裔美籍的布洛貝爾得生理／醫學獎，1998 年華裔美籍的崔琦得物理獎，1989年李遠哲得化學獎，都是在美國發揮的。這些有成就的偉大科學家，對自己的家鄉都有濃厚的感情，都有回饋故鄉的心願。例如李遠哲院長放棄在美國優厚的待遇和良好的研究環境，回臺灣服務；齊威爾也經常回埃及協助祖國的科學研究和科技發展工作，埃及總統特別頒獎並發行郵票以資鼓勵和報答。這些人回饋故鄉的心情實在令人感動。

另外一個諾貝爾科學獎得主們的共同點是敬業樂群，正如李遠哲說的：「在實驗室能找到最大的樂趣。」他們可以在實驗室待上一輩子都不會厭倦。1999 年生理／醫學獎的得主布洛貝爾也說：「實驗室就是我的家，研究是我的生命，我不會因為得到諾貝爾獎而放下研究。」我曾經接觸過十幾位諾貝爾獎得主，他們不僅在專業上有卓越的成就和貢獻，在為人處事上也令人欽佩，態度和藹可親，風趣又有風度，令人油然起敬。

深度閱讀

Ahmed H. Zewail (Cairo 2002) Voyage through Time: Walks of Life to the Nobel Prize, The American University in Cairo Press.
http://en.wikipedia.org
http://www.its.caltech.edu/~femto/
http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1999/index.html

資料來源

《科學發展》2010年6月，450期，70 ~ 73頁

鍵(2) 飛秒(3)

飛秒化學的開拓者–齊威爾

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