李遠哲院士與其在科學界的貢獻
2018/12/12

林志民 | 中央研究院原子與分子科學研究所研究員、國立臺灣大學化學系合聘教授

1065
中學時期的一場肺病,讓喜歡音樂與運動的少年李遠哲萌生了成為化學家的念頭。逐夢,這條路走得長且曲折,他從台灣走到國際,又從國際走回台灣;但也走得專一純粹,無論是組裝出世界第一部交叉分子儀,還是在台灣設立原分所,都是要讓世界看見更多物理化學界的熠熠星光。
 
 

早期經歷

 

光化學過程的分子束研究。(圖片摘自Basic Energy Sciences: Summary of Accomplishments封面,李遠哲親繪)
光化學過程的分子束研究。(圖片摘自Basic Energy Sciences: Summary of Accomplishments封面,李遠哲親繪)
 
 

李遠哲1936年出生於日據時期的新竹市,父親為畫家李澤藩。受到父親的影響,他在兒時就對音樂與運動多有接觸。中學時期,一場肺病讓他在病床上休養了一個月,在養病期間閱讀了瑪麗亞‧斯克沃多夫斯卡‧居禮的傳記,這經驗種下了他希望將來能成為化學家的契機。

 

學術生涯

 

高中畢業後,李遠哲進入國立臺灣大學化學工程系就讀,並在大二時轉入化學系。大學期間,受到室友兼學長張昭鼎的影響,開始對物理化學感興趣。然而當時的化學系並沒有太多物理方面的課程,兩人便在暑假期間自力在宿舍研讀熱力學,在這之後李遠哲更跨系修了電磁學。大學畢業後,他進入國立清華大學原子科學研究所放射化學組就讀碩士班,研究北投石(全球僅發現於台北市北投溫泉與日本秋田縣玉川溫泉)含有的天然放射性同位素。三年後遠赴美國加州大學柏克萊分校攻讀博士,研究電子激發的鹼金屬原子化學離子化過程。在研究期間,李遠哲漸漸對離子-分子間作用、分子散射動力學,特別是利用交叉分子束來研究反應動力學產生興趣。

 

1967年,李遠哲取得了博士學位,並前往哈佛大學在Herschbach教授的指導下擔任博士後研究員,經過兩年不眠不休的工作後,終於組裝出世界第一部交叉分子儀,拓展了交叉分子束法的應用範圍,更在物理化學界開拓了一個新的研究領域。因為以往的實驗都是在在一般的溫度和壓力下,此時氣體分子會不斷地互相碰撞而改變其行進的方向與速度;故微觀看來,分子的運動是相當凌亂的。但若將氣體分子經由一個小的噴嘴射入真空中,氣體的體積會隨壓力下降而膨脹,其溫度與密度也會因膨脹而下降,分子間的碰撞就會跟著減少,使得分子沿直線作等速運動(牛頓第一運動定律)。利用此方法,科學家就能製備一束朝同一方向、以相同速度行進之分子,稱為分子束,這就是交叉分子儀的貢獻。

 

分子束方法對科學研究有廣泛的貢獻,包括:製備低溫(< 1 K)的分子以及製備分子團簇(cluster),此類樣品對高精密光譜學等研究很重要;或將分子與環境隔開(isolated molecules),以製備高反應性的物種,像是原子、自由基或是激發態的物種等,讓它們能被仔細研究;甚至是讓分子間的碰撞,能有特定的角度與速度,方便科學家研究分子單次碰撞(single collision events)的物理與化學過程,如測量兩個原子間的作用力、研究基元化學反應等。

 

在李遠哲之前,科學家使用交叉分子束的方法只能在鹼金屬原子(Li, Na, K, …)的化學反應上看到訊號。儘管此研究已發現了許多有趣的反應,但科學家對鹼金屬外其他原子的化學反應也很感興趣,卻苦於一直很難看到訊號。李遠哲分析了此類儀器的訊號強度與背景值後,發現主要的瓶頸乃在於背景值過高;故他改良儀器的設計,將背景值大幅降低後,微弱的訊號始得以觀測。像是白天看不見星星,並不是因為星星晚上才出來,而是白天時,空氣散射的陽光太強了,以致掩蓋了星光。物理化學家都想要看到化學反應的"星光",但唯有李遠哲能夠把光害降低,所以看到的星星比別人多,看得比別人清楚,而這項研究也讓李遠哲得到1986年諾貝爾化學獎的殊榮。

 

HIF、C1IF 和I2F等動能與位能的轉移機制。(圖片摘自 李遠哲1986 Nobel Lecture,李遠哲親繪)
HIF、C1IF 和I2F等動能與位能的轉移機制。(圖片摘自 李遠哲1986 Nobel Lecture,李遠哲親繪)

 
 

返臺奉獻

 

1968年李遠哲離開哈佛大學,輾轉應聘至芝加哥大學、加州大學柏克萊分校、勞倫斯柏克萊國家實驗室等研究單位,並在1980年獲選中研院院士。1982年,甫任院士兩年的李遠哲,在第十五次院士會議中提出,若要厚植國家高科技工業的實力,必須更加重視原子與分子科學的基礎研究。他的構想隨即獲得吳大猷、吳健雄以及許多海外華人科學家的共鳴,很快的,在當年九月,中央研究院就成立了原子與分子科學研究所(簡稱原分所)籌備處,並且由他大學時代的好友張昭鼎博士擔任籌備處主任。

 
 

原分所設立在臺灣大學的校園內,主要研究方向為化學動態學與光譜、尖端材料與表面科學、生物物理與分析技術以及原子物理與光學等四大領域。同時,在張昭鼎博士的主持下,原分所擁有最先進的機械、電子與玻璃加工場,得以製造超高精密度的科學研究儀器,同時原分所也培養了諸多青年研究人才。80年代末期至90年代初期,原分所延攬了將近二十位優秀的青年科學家回國服務,在當時學術界造成不小的震撼。成立短短二十年,原分所屢屢在表面物理、雷射光學、大氣化學、化學動態學等領域發表突破性的研究成果,基於此,美國知名物理化學家Sylvia T. Ceyer在2006年美國國家科學院院士會議上,就公開盛讚「美國的化學動態學研究遠遠不及台灣」(The renowned US chemist Sylvia T. Ceyer has even gone so far as to state that the US lags far behind Taiwan in chemical dynamics.),見證了原分所已成為世界公認的頂尖學術中心了。

 
 
1986年,瑞典皇家科學院為了表彰李遠哲、Herschbach和Polanyi三人在化學基本過程之動態研究上的貢獻,讓人們能更深入了解化學反應是如何發生的,包括原子與分子間的作用力與能量分配等重要訊息,因而將諾貝爾化學獎頒授予他們,而李遠哲亦是臺灣獲此殊榮的第一人。李遠哲獲得諾貝爾獎後,隨即將其中一面原始獎牌贈予母校新竹高中,因為他認為諾貝爾獎並非靠自己一人獲得,而是新竹高中造就了他。獲得諾貝爾獎後,於1994年放棄美國國籍,返國擔任中研院院長,延攬了知名學者如翁啟惠、賴明詔等國際人才回臺,培育了眾多優秀青年人才,著實在臺灣基礎科學研究上貢獻良多。