從浪漫到務實,張元翰實踐的科學精神

 
2015/08/24 江欣怡 | 特約文字編輯
林茂榮 | 攝影     4,222
 
三十多年前,發現J粒子的諾貝爾物理學獎得主丁肇中博士首次回台挑選參加反物質研究計畫的學生,挑中了當時臺大物理系大四學生張元翰,這項殊榮成為中央大學物理系教授張元翰一生最重要的轉捩點,也讓他此後埋首於粒子物理學領域,並養成了設定科學目標、致力達成目標的態度,無悔地走上科學人的道路。
 
受丁肇中影響入高能物理
 
從小數理能力就較同儕表現優異的張教授,考大學時原本打算念物理,但和師長討論後,決定仍以當時分數最高的臺大電機系為第一志願。但進入電機系後,張教授對物理仍舊念念不忘,第2年便決定轉至物理系,成績也持續領先。
 
「那時候,丁肇中先生在麻省理工學院成立了一個團隊,需要許多學生、研究人員加入做實驗,因而來台灣挑學生。這對當時的物理系學生來說是件很大的事,因為接觸諾貝爾獎得主是很難得的經驗,所以幾乎每位物理系學生都參加了甄選。」氣質如電影導演李安的溫文儒雅,談吐論述則像科學家精確的張教授這樣說。他歷經了筆試和面試,在台灣所有物理系學生中脫穎而出,成為被丁肇中選中的學生。
 
「粒子物理學的實驗是非常大型的研究,每個實驗動輒需要幾百人甚至上千人參與,不僅如此,實驗歷時也非常久,需要花上10~20年才有可能完成。」張教授說。而三十多年前,丁肇中博士所領導的團隊便爭取到這些實驗室所釋出的難得機會,也讓年輕物理學者有機會一窺粒子物理的樣貌。
 
回台進入研究高峰期
 
出現這樣難得的研究機會,年輕時候的張教授緊緊把握,也讓他後來所從事的研究與丁肇中博士息息相關。大學畢業後,張教授先前往德國漢堡加入當時已經接近尾聲的MARK-J實驗,花了1年的時間了解粒子物理學的梗概。第2年,他申請進入麻省理工學院,正式加入丁肇中團隊位於日內瓦的L3實驗,花了5、6年的時間製造探測器,成功讓探測器運行並取得物理數據,分析獲得結果後,才拿到博士學位。在麻省理工學院進行博士後研究時期,張教授也一度前往美國加入丁肇中團隊的另一個計畫,後因計畫流產又重回瑞士專心從事L3實驗。
 
「剛出國的時候,我的英文能力還不是太好,所以那時看很多科幻小說或科幻片,一方面是因為可以自己的專業看懂劇情中的科技技術,二方面也是為了增進英文能力。」張教授說。科幻小說家阿西莫夫是當時張教授很著迷的作家,他書中所描寫的太空宇宙,也引導張教授在工作中一一實現小說家對未來宇宙的預測。
 
所以1994年,當丁肇中再度提出了另一太空磁譜儀(AMS)實驗時,也就是把地面上的探測器送到太空中去觀察宇宙射線,當時已決定到中央大學任教的張教授,當然也沒錯過這個把科幻小說劇情化為現實的難得機會。
 
「AMS計畫的目的是精確地量測宇宙射線組成與能譜,藉以研究基礎物理,例如宇宙中的反物質與暗物質」張教授解釋。為了完成這個磁譜儀,16國的科學家花費17年的時間打造,而台灣中央大學、中研院、中科院也在這個計畫中花費10年時間,開發出可以在太空上使用的電子系統,在2011年5月16日順利升空裝置於國際太空站,開始接收宇宙射線粒子。
 
張教授及中央大學的團隊在參加AMS計畫的同時,同時並行的實驗還包括大強子對撞機(LHC)上的CMS實驗。大強子對撞機計畫是由歐洲粒子物理中心主導,並已在2012年尋找到號稱物理學聖杯的希格斯玻色子,驗證了理論的真實性,也振奮了物理學界,更讓參與其中的台灣團隊興奮不已。
 
等待與報酬成正比
 
從當初幸運地被丁肇中選上,進入粒子物理學領域,到因應台灣發展高能物理的趨勢,張教授回台任教至今已20 年。和多數的物理學家一樣,他把人生最黃金的研究歲月都花在高能物理領域中,如同丁肇中過去帶領他的方式,張教授也正帶領著學生走向這條艱辛不易的研究之路。
 
「我在學生時代對物理的了解是很浪漫的,以為物理就像愛因斯坦那樣,每天思考或計算物理結果,純粹只看到理論的部分」。然而,歷經三十多年的實驗生涯,張教授發現真正的物理不只如此。
 
「其實實驗物理學家一旦訂定了實驗的目標,經常花很多的時間在做焊電路、元件測試等重複性很高的工作,並不需要整天想著物理問題,反而應該要像工程師一樣,仔細、小心、秩序、耐心。」他說,一個粒子物理實驗往往花上10年時間做硬體,再花10年時間分析數據,而這樣的落差也讓想加入粒子物理學領域的學生寥寥可數,直到近年有重大突破,加入的學生才有增加趨勢。
 
「我回台灣後,雖然持續參加這些探測器計畫,但這些年來加入我們團隊的學生,總共也才15、6位。」張教授說。由於要加入這樣大型的實驗,學生得前往日內瓦至少3年,生活經費的壓力極大,且相較於他國學生,天性較為害羞的台灣學生得花更多時間融入團隊。同時,由於粒子物理學有許多大型實驗與複雜儀器,學生入門的速度比其他領域來得慢。
 
以AMS實驗為例,硬體雖是從1994年開始進行,卻直到2009年才完成,而2012年升空後,也必須等到2013年才發表重要的結果。所以,張教授也說:「進入這個領域除了要有興趣外,更要有耐心、毅力,因為物理的結果不是一、兩年可以見到,而是得花十幾年的時間才能看到部分結果。」且與歐洲、美國、日本相較,台灣缺乏主導基礎物理的能力,以CMS實驗為例,台灣研究人員和投入經費所占的比例僅僅只有0.5%,因此不大可能主導大型實驗,而這正也是想跨入這個領域的學生應先了解的。
 
然而,張教授也認為,雖然物理實驗的時間如此漫長、台灣研究人員難以在全球取得最重要位置,但實驗有了結果往往很能振奮人心,「等待的時間和最後的報酬其實仍成正比。」他說。就是因為有這樣的體驗,張教授年輕時雖對物理學有著浪漫想法,到後來才發現自己所從事的是無止盡的實驗等待,然而過程中,張教授卻從未後悔過當初投入物理領域的堅毅決定,因為辛苦換來的結果帶給他無與倫比的滿足感。