從選擇研究方向的故事談到和朱國瑞老師一起奮鬥的經驗

 
2018/10/11 張存續 | 國立清華大學物理學系     1,259
 
經常有學生問我:「教授,我們應該如何正確選擇研究方向?」。這個問題其實很難回答,因為有點像是在預測未來,而預測未來的失敗率通常很高。如同在十幾年前,我們認為手機只能用在通訊,未料到日後手機的蓬勃發展,在某些功能上甚至已可以取代電腦。因此對於這個問題,我就會分享我如何選擇研究方向的故事給學生參考。

本人大學時做過很多專題,在大一時做原子分子實驗,卻覺得洗電路板、抽真空,好像不是大物理學家該做的事。大二時改做隨機力學,雖然有趣但無法做得深入,僅能隔靴搔癢。大三時學天文觀測,熟到看月亮就知道今天是初幾,何時會有潮汐。到了大四學固態物理專題,同時日以繼夜的做廣義相對論分析與模擬,最後還出了論文。在服完兵役後,擔任研究助理,從事加速器物理研究。由於接觸各領域研究之後,了解到自己其實很好養,很好奇,只要是研究工作,總是能找出趣味來。

直到進入清華大學物理研究所,了解到指導教授的重要性。在與幾位老師面談之後,發現朱國瑞老師有很多好的論文發表以及他的研究領域還蠻有趣的。雖然朱老師的研究是一個冷門領域,且也有很多人跟我提醒,朱教授在學術上有非常嚴格的要求,把學生釘在白板上是家常便飯。但所謂初生之犢不畏虎,嚴格的要求是磨練,我仍毅然跟隨了朱老師。

平常的朱老師看起來非常和藹可親,被學生提問問題時也都很熱心回答,實在看不出他兇狠的一面。然而這樣的印象在第一次口頭報告時就完全改觀,也受到很大的震撼教育。明明自己在報告之前就已經很用心準備了,但是當被問到某些問題時,就知道自己的思慮不夠周延。以為自己已經懂了,但其實只是理解表面而已,虛浮而不夠深入。當時被K固然心痛,但失落的感覺更勝一籌,覺得自己應該可以做到更好,下次一定要更加努力能受到老師的肯定。

當時的研究題目是發展高功率毫米波源,研究磁旋行波放大器;電子在電場中加速,然後在磁場中做迴旋運動;迴旋運動的電子,會與入射電磁波交互作用,透過一個稱為Electron Cyclotron Maser的相對論機制,電子動能會逐漸轉為電磁波能量。入射電磁波能量就會被放大,最後取出來診斷分析。

實際上要執行這樣的實驗,是需要很多技術的配合,除了要懂十萬伏特高壓、還要會操作超導磁鐵與電磁鐵、如何抽超高真空、高精密加工與各式真空銲接,以及要精密控制電磁波作用模式。曾經自認為的dirty works、不像大物理學家該做的事,現在都要熟悉,否則就無法深入的探索實驗物理。

這個實驗很困難,因為常在不預期中震盪會跑出來。期間壓制了一個震盪,卻又會有另外一個出現,似乎有無止境的感覺。但這就是在這領域的科學家們都覺得很難,卻沒人想挑戰的原因。因為只要有任何的振盪,實驗上就能清清楚楚的看出來,絕沒有打迷糊仗的空間,其中最難抑制的震盪,就是絕對不穩定性。

所謂絕對不穩定性,就是這個震盪有內部回饋,非常不容易抑制。而我們採用的解決方法,則是在波導管上塗吸波材料,如此便可切斷內部回饋。但這麼做的同時也會吸收掉放大的電磁波,相同領域的專家們認為這是殺敵一萬,自損三千的做法,似乎都等著看「笑話」。因此,當朱老師開始在國際會議上報告研究成果時,聽眾們都安安靜靜的沒有反應,讓我們也搞不清楚是有興趣還是一點都不在意。但隨著我們放大器的增益越來越高時,聽眾的興致就越來越高;直到達成70 dB超高的飽和增益時,才發現聽眾們的眼神都已發亮了。這篇論文1998年發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters, PRL)後,很快的引用率就往上攀升,也激起了一波國際研究潮流,延續迄今。例如,美國林肯實驗室的Haystack太空探測站,在諸多選擇中,採用了我們的方案,產生1千瓦、92-100 GHz毫米波,自其全球最大的室內天線(直徑37公尺)發射,2014年開始運作,可觀測到1公分大小的繞行地球物體。

朱老師在這項工作之前已是國際知名學者,然而多次院士選舉並不順利。甚至有些人直言根本就沒希望。但就在取得這項重大成果後,2001年獲得研究領域的兩個最高榮譽:美國Plasma Science and Application Award及英國K. J. Button Prize,朱老師也在2002年以最高票當選中央研究院院士,2003年獲頒總統科學獎,2004年應邀發表臺灣首篇《現代物理評論》(Reviews of Modern Physics)論文。由於全程參與這項研究,之後我們又發表了3篇PRL論文,我也因此有幸能到清華物理系任教,展開學術與研究生涯。當時一起奮鬥的師兄弟們也都有很好的成就:陳漢穎博士目前是宏碩系統的副總、陳仕宏教授在中央物理,目前是系主任、洪健倫教授在澎湖科大電信系,也擔任過系主任。

回想當時,蠻高興自己做了幾個重要決定:聽到朱老師很嚴格時沒有害怕、被釘在白板上時沒有灰心、實驗不順利時沒有放棄、研究不受國際重視時沒有退卻。在與朱老師相處多年,我發現朱老師對學問非常執著、非常嚴謹,但是他對人則非常寬厚、又富有正義感。

對於如何選研究領域的建議,我認為不用選擇最熱門的題目。最重要的是應選擇一個以最適合自己的能力,最能發揮所長的領域,不需要想太多,不用朝三暮四。也許開始是在小小的、人不多的冷門領域,只要努力做到最好,但最終仍能衝到世界頂尖,獲得成就感。因此,除了趁著年輕多嘗試,一位好的指導教授與研究團隊,將是成功的第一步。
 

(本文由科技部「主題科學傳播」團隊策劃執行)

責任編輯:郭啟東/國立中山大學