2009年11月9日 星期一

【非關科學】 極限的養成

先回答一下各位的疑惑,幫公司寫的作品,可不可以放在blog上呢?
我問了我們執編,他說作者有著作人格權,
所以我自己的文章是可以放在我的blog上,但是照片就不能放了,
想欣賞照片的人,可以看
http://www.rhythmsmonthly.com/?p=7779
或是去書店翻翻看。攝影拍的很棒,而且重點是攝影也滿帥的 (羞...)

還有,這是還沒有經過編輯修改的原文...

還有用力感謝超級可愛的同學跟帥哥韓教授的大力協助,
下次再做餅乾請你們吃:)

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也許,正如愛因斯坦所說:「如果我們知道我們在做什麼,這就不叫科學研究了,不是嗎?」很多人問:「BEC要做什麼用?」至少我沒有你們要的答案。BEC也許會、也許不會做出更快的電腦、更先進的美白技術。但是,科學家們並不在乎。

它是真相的探索、極限的競賽,購物台不賣!


【副標】中正大學物理所雷射冷卻實驗室
【大標】
極限的養成


在 陽光和稻田間悠悠晃晃開往嘉義民雄的復興號,耳機裡的ICRT逐漸被賣藥廣告蓋台的地方,車廂內交錯著豬雞舍和柴油鐵鏽味沾了我一身。目的地是這片鳥不生 蛋的地方、一間顛覆常識的實驗室。這間實驗室能把光速減慢到小綿羊機車都追的上的慢速,也曾創造出比南極洲、比冥王星都還低的溫度。

中 正大學物理所雷射冷卻實驗室裡,幾個同學正在研究室低聲討論。「喀啦」的開門聲像是暫停鍵,讓本來就很冷的實驗室氣氛瞬間凍結。研究室內的同學們停止討 論、全身緊繃、警覺地看來者何人。躡著腳步進來的是同學,也是滿臉緊張、探頭探腦地壓低聲音問:「老師來了嗎?」。本來就在實驗室的同學吁了口氣、搖搖 頭,繼續剛剛的討論。

「老師來了嗎?」這間實驗室的問候語。每天下午一點和晚上八點以後是「危險期」。接近這兩個時段,只要有開門聲,同學們的胃和眉頭就擰毛巾般揪在一起。一般研究所的指導老師每週和同學meeting兩次就算多了,這間實驗室的老師更是一天兩次、幾乎全年無休到實驗室指導。

被 老師「指導」得最厲害的,是即將畢業兩位碩士班二年級同學。林志杰大概除了洗澡吃飯之外,就在實驗室紮營。不論你多晚回家或多早到實驗室,總會看到他陰鬱 地埋首在光學儀器間,整個人跟黑漆漆的研究室融成一體。可惜勤奮的他總被罵得最兇。對老這間實驗室來說,刻苦耐勞是基本條件,效率和成果才值得稱許。另一 個畢業生蕭博文的研究成果頗受老師肯定,不過也沒因此被少罵一句。臉頰削瘦的他,逮到機會就猛抽煙來紓壓。

同學口中的老師,就是中正大學物理所副教授雷射冷卻實驗室的教授韓殿君。這間實驗室十年前由他所生,是他和所有實驗室成員生活的全部、也是他們未來希望所託。

【小標】逆著上坡往上跑

韓殿君慢跑時,喜歡逆著上坡往上跑。別人是柿子挑軟的吃,他偏偏喜歡反其道而行。

在 美國德州大學奧斯汀分校念物理博士時,韓殿君投入了諾貝爾大熱門,研究費時又艱澀的冷原子領域,後來又到加州大學柏克萊分校物理所做了兩年博士後研究。 2000年回台灣,原本順順理成章,可以延續「與諾貝爾擦身而過」的光環接手大學校更好的資源、順利開展在台灣的研究生涯。

如果,當初選擇趨吉避凶。也許就不需要埋怨這間學校資源不足;也許就不會有找不到博士生的窘境;也許可以花較少的時間應付教學和行政工作;也許有更多時間來做他喜愛的研究。

然而,可能像他講的就是不喜歡台北,也可能是為了證明不撿現成也可以做到最好。韓殿君偏偏選了中正大學來建立雷射冷卻實驗室。從一開始連地板都沒有,到現在,這間實驗室擁有全台灣數一數二的設備和規模。

又黑又冷又無聲的實驗室裡共有三張光學桌,光學鏡片像叢林一樣,長滿了桌子,頭頂上也爬滿了藤蔓般的線路。為了防塵桌上蓋了塑膠布,冬天的時候用帶滿靜電的手指偷摸同學脖子也是種苦中作樂。

第一次見到韓殿君,就是在實驗室裡。就像同學事先安撫我的:「放心!老師對自己人很兇,對外人很親切。」帶著黑框眼鏡的韓殿君,一身陽光休閒,大聲地向我介紹這間實驗室,不時自己大笑起來,和周圍同學凝重氣氛顯得很不搭。

寒 冷漆黑的實驗室中,三張光學桌上貼了驚悚斗大的字條,例如:「嚴禁擅自拆卸任何桌上元件(不懂時,請詢問)」或「超高真空腔!請勿碰!!手印=>污 染」。目前一張桌子正進行林志杰的實驗:在另一張桌子在做光速減慢的研究,由台灣大學畢業、來學習順便等當兵的哈立忠負責。他常透過夜視鏡擠眉弄眼地調整 元件角度;第三張桌子(姑且稱之「神桌」)上進行的,才是韓殿君真正重視實驗。

由於純科學領域,先天比較難找工作,外加這間實驗室壓大力遠近馳名,韓殿君十年來只有一位博士生,中途也轉到別的學校了;也因為韓殿君不會因為要留住學生就改變作風、放下身段挽留碩士班同學繼續攻讀博士班,所以萬事皆備只欠人才,神桌的實驗一年多找不到人接手。

他用隔牆都能聽到的音量解釋,同學很認真,可是素質不夠,真正的好學生都去更好的學校。「呃老師,素質應該是可以訓練的吧?」我問。「訓練也只能到一個程度,有些部分還是先天的,」他說,嗓門大到我都替附近裝聾的同學感到難過。

我和老師聊完後,聽到我們對話的研究所一年級學生柯長榮,有點尷尬地自首:「老師剛剛說連最簡單的實驗都做不好的人,就是在說我。」柯長榮打算留下來念博士班,他的雄心壯志就是有一天要在神桌做實驗,「不過現在我還差一百倍。」

神桌進行的研究是玻色愛因斯坦凝聚(BEC)實驗。2003年,這裡是台灣第一個達到BEC的地方,全台灣物理界曾經為之震動。許多放棄更知名的學校、慕名投入這又苦又累又地處偏僻實驗室的學生,慕的就是這號稱物理界聖杯的BEC

【小標】物質第五態

印 度物理學家玻色(Satyendra Nath Bose)視愛因斯坦為「導師」的原因很容易理解,如果不是愛因斯坦的慧眼,這個低調的天才可能只平平凡凡的在印度當個老師,維基百科上可能也找不到這個 人。1924年,才三十歲玻色寫了篇〈普朗克原理和光量子〉文章四處投稿,一再被退稿後,乾脆把文章轉寄給最重量級的科學家愛因斯坦。愛因斯坦發現了這篇 文章的重要性,幫文章翻譯成德文發表,並將玻色的理論推廣,提出玻色愛因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensation)。

先別擔心你沒聽過玻色愛因斯坦凝聚(BEC),事實上你的中學物理老師也不一定聽過。先來瞭解物質有幾態?一般人答得出固、液、氣三態;能說的出「電漿態」為第四態的已經不多;而BEC更是到1995年才證實存在的「第五態」。

一 般說來,原子的氣體被冷卻時,會從氣體變成液體、在從液體變成固體。但是極度低溫的時候,這些一顆顆的原子會「看似」愈變愈長,變成一條一條的蠕動的波。 繼續冷卻下去,這些蠕動的波會重疊糾結、凝聚在一起。本來能區分的出哪顆原子是張三、哪顆是李四,但是在極冷的狀態下,這群原子看起來就像一團你泥中有我 我泥中有你的超級大原子。

極冷指的是0.00000001K10-8K,差那麼一點點就達所有原子都凍僵的絕對零度。當我們說A物體比 B物體熱,代表A物體中的原子運動速度比B物體體高。如果想要冷卻一團原子,可以把他放進冰箱,讓他速度變慢。但冰箱的溫度、甚至攝氏負兩百度【記得統一 科學符號數字或國字】的液態氮,都不足以讓這團原子冷卻到足以達到BEC的程度——10-8K

BEC理論提出後的七十年,因為可以冷卻到接近絕對零度的設備與技術遲遲未出現,BEC也因此無法被證實。

【小標】比慢的競賽


第 一個投入BEC戰場的,是被稱為冷原子教父、美國麻省理工學院的克勒普納(Daniel Kleppner)。他嘗試使用磁場捕捉的一群氫原子來達成BEC,但因為氫的質量太輕而不幸失敗。(註:克勒普納的研究團隊在初次失敗後,並未放棄,最 後在1998年也達成氫原子的BEC。)

1985
年,史丹佛大學的朱棣文(Steven Chu)等人發明雷射冷卻的方法,讓BEC的誕生重現生機。
雷射可以燒焦你皮膚,但是在某種頻率下,他也能讓原子速度慢下來,也就是讓原子冷卻。想像雷射光的光子是小小乒乓球,而原子是保齡球。不斷地將乒乓球打在迎面滾來的保齡球上,會有減速的效果。
問題來了!原子不像保齡球一樣乖乖的滾在軌道上,這一大堆的原子是隨機亂跑的,不僅方向不一樣,速度也不一樣。為了解決方向不一樣的問題,科學家用了六道雷射,分別從不同的方向射入真空管中,如此一來,在這六個方向上移動的原子,都有機會被雷射光所發射的光子減慢下來。
另 一個問題是速度,如果有一顆原子已經接近靜止狀態了,光子還傻傻地繼續打它,不是會造成像高速公路「追撞」的效果,讓原子加速、變熱嗎?這就是雷射冷卻聰 明的地方,他可以選擇要讓哪些原子變慢,也可以選擇不去影響那些已經很慢的原子。所應用到的理論叫做「都普勒效應」(Doppler Effect)。

已經降溫(變慢)的原子,還是會到處亂跑,因此必須利用磁場和光做成的磁光阱(magneto-optical trap)把原子捕捉住。然而,雷射冷卻只能降溫到到0.4×10-5K。要達到BEC,這樣的溫度還是太熱了,需要到10-8K,還有最後一個重要步驟。

連雷射冷卻都達不到的低溫,一定需要更先進的科學技術吧?

不 用,接下來,拿出老祖母冷卻豆漿的方法來冷卻原子就可以了。老祖母煮了滾燙燙的豆漿,放在一旁放涼。「放涼」的道理就是讓那些跑得很快的滾燙粒子離開豆 漿、跑到空氣中,讓整鍋豆漿的溫度降低。科學家稱這個方法「蒸發冷卻」,由海斯(Harald Hess1986年在麻省理工學院時發明。其實就是把經過雷射冷卻,雖然已經變慢,但還是不夠慢的原子們,裝在一個無形的、磁場做成的磁阱裡。這群還在 東跑西跳的原子在這個碗裡,因為沒有封口,所以,能量高、跑得快的原子很容易就跑出碗中,使整個系統的溫度降低。科學家們把磁場做成的碗緣慢慢降低,隨著 碗的邊緣降低,愛亂跑的原子們也跑光了,留下來的就剩行動遲緩的原子。最後,這群非常非常緩慢的原子就形成了BEC

諾貝爾獎每年僅頒給區區數人,但榮譽的背後其實堆積著許多人的努力。

克 萊普納的實驗雖然沒有一舉成功,但團隊成員海斯發明的蒸發冷卻造福了其他後進者。科羅拉多大學的康乃爾康乃爾(Eric Cornell)、魏曼(Carl Weiman),以及麻省理工學院的凱特利(Wolfgang Ketterle)也投入了這場絕對零度的競賽。有了克萊普納的前車之鑑,他們避開了氫原子,分別採用了銣和鈉原子做實驗。也感謝雷射冷卻、蒸發冷卻的發 明,讓這三位科學家在1995年都達成了BEC,並獲得了2001年的諾貝爾物理獎。

【小標】科學的目的

七十年來,科學家不斷的嘗試、失敗、再挑戰,將累積的經驗傳承,終於解開物質有無第五態的科學之謎,這的確是偉大的成就。但是,這樣偉大的BEC,到底能幹嘛?

我問了這個問題,結果同學皺眉看著我,好像我是看到莫內的畫卻只盤算會不會增值的勢利眼。(通常我問了他們回答不了的問題,他們就會勸我不要那麼「直觀」)同學說,也許,BEC可以用來製造原子鐘、更準確的全球定位系統、更快速的量子電腦等等。

但 是,這些「可能性」更像是科學家為了堵住質疑者的嘴而想出來的。身為七十年未解的謎,BEC的確是真相的追尋。而它的用途,就像科羅拉多JILA實驗室的 BEC教學網頁上說:「我們的處境就像四百年前居住在大溪地的土著。某一天不知何故,一座漂流的巨大冰山被沖上岸邊。面對這個奇異的景象,土著們的結論 釋:這座冰山可以用來做冰淇淋。」

BEC
代表的是科學界對原子有更全面的控制,「也許將來」可以應用在、精密測量或製作電腦晶片。說「將 來」是因為BEC距離實際應用還有一段路。它太脆弱了,以目前的技術,它只能存在於真空與黑暗中;目前僅有少數幾種原子能達到BEC,而且因為實驗過程的 消耗,凝聚成BEC的原子數也極少。

也許離真正的應用還有一段距離。但是,市場價值對於衷情於研究的科學家不一定最重要,並非每個科學研究的動機都是想著要上購物台熱銷十萬組。也不是要唱高調說科學的目的是探究宇宙的真理,但是,也許解謎過程中的樂趣與成就感,就是科學的目的。

【小標】如人飲水的師生之道

研究室門口的白版寫著:
老師,我又回來囉我女兒一歲囉!哈!下次帶給您瞧瞧囉。
老師,好久不見,好懷念您可愛的身材和渾厚嗓音,當然還有那高超的球技。

這 當然不是韓殿君教授的白版,他向來不走溫情路線。上次和同學聚餐是一年前歡送畢業生。其他實驗室花心思設計實驗室的網頁而得獎,引以為傲地公布在實驗室佈 告欄,韓殿君的學生做網頁反而會被罵浪費時間。同學參加物理相關的研討會,也會被他念:「有本事做出點成果,讓他們請你去演講。」

同學在的時候,韓殿君完全不留情面的批評,還有故意提高音量之嫌。深怕不小心給點好臉色,同學就囂張起來。有趣的是,私底下,韓殿君曾經掛著滿足的笑容,跟我討論每個同學的個性,並驕傲地告訴我:「我們實驗室的學生是最好的,你認識他們以後就知道了。」

「我不跟同學稱兄道弟。老師跟學生之間要保持『tension』(張力)才帶的動他們。」是否真是如此,並沒有對照組,不過雷射冷卻實驗室的同學的確一反社會對七年級生的偏見,沈默、自制、勤奮。

星 期五晚上,鄰近實驗室的一群人嬉笑怒罵穿過走廊的聲音,提醒了雷射冷卻實驗室的的成員吃飯時間到了。這群清一色瘦弱戴眼鏡的男孩,烏雲罩頂地拖著腳步,邊 找餐廳邊規劃研究進度。吃飽飯,討論著餐廳老闆的兩個女兒哪個比較可愛,再拖著腳步回實驗室。中途經過別系舉辦的卡拉OK比賽,大伙兒被久違的笑聲和燈光 吸引駐足了幾分鐘,又逼著自己回去做實驗。

愈逼近韓殿君巡房的危險期,大伙兒臉色愈來愈凝重、手腳也愈來愈快。韓殿君來了以後,一句閒話 也沒說,驗收指點了每個人。接著,拉了張椅子坐在蕭博文的電腦前,就開始長達兩個小時的挑錯。「你沒有給他任何條件、你沒有做任何事情,那這個測試你在做 什麼?」「770的地方失控,所以這邊都完蛋了。」「你剛剛怎麼做的,你做一次給我看。」蕭博文僵著站在一旁,搓著雙手,有時支支吾吾,有時來回跑著調整 儀器,在韓殿君的緊迫盯人下再進行一次實驗。

兩個小時的挑錯算常態。柯長榮說,他曾經早上、下午上了一天的課之後開始做研究,晚上八點多韓殿君來指點他,一挑錯就是到半夜十二點。柯長榮不敢坐下,只有趁老師轉頭時,痛苦地蹲下揉著酸痛的小腿。

這 間實驗室唯一畢業的女研究生,對韓殿君的緊迫盯人還挺懷念的。她當時因為實驗和修課壓力兩頭燒,韓殿君建議她轉到比較輕鬆的實驗室,但她堅持撐下去。韓殿 君知道她的決心,不論再忙都每天親自帶著她做實驗。他就是這樣一個老師,標準極高、不講好聽話,但絕不吝於傾注學生所有的時間精神與知識。

這 個女同學還透露了一個小故事。平常思緒敏捷、批哩啪啦罵人的韓殿君有天晚上表現很反常。女同學設計電路時出了點問題,請他挑錯。韓殿君手捧著電路,身體輕 輕搖晃,不言不語了幾分鐘。然後,把電路交還給女同學說:「你再想一想。」就走了。過沒多久,老師拿了「朋友的」喜餅請研究室的同學。又過幾天,他拿了喜 帖來,說要結婚了,希望同學來吃喜酒,順便提醒大家不要張揚。

原來是當時中正大學的校長介紹了同校的女教授給韓殿君,兩人從交往到論及婚嫁,同學都被矇在鼓裡。


小標: 下一個星期三

這 是個不尋常一週。星期三是雷射冷卻實驗室全體成員的meeting,因此,星期二通常是最水深火熱的時候。不過由於媒體要來實驗室拍照的關係,星期二晚上 實驗室有種含蓄的興奮。很少請同學吃飯的韓殿君給了同學兩千元,請他們明天開會時訂披薩。同學們七嘴八舌的討論該買些什麼才能把預算花完。

星 期二晚上吃飯時,氣氛也特別輕鬆,不過話題還是不離老師和實驗。有人抱怨,韓殿君願意跟太太的學生聚餐,卻不跟自己學生聚餐。有人羨慕其他實驗室的老師跟 學生一起打籃球。快畢業的蕭博文口試完想去打漆彈,有人提議應該找韓殿君一起,大伙兒開心起鬨了幾秒,然後怕被潑冷水又自己打回票說:「算了,老師一定不 會來。」

星期三的meeting,很少看到一桌子披薩和可樂,氣氛卻如此凝重。上台報告的是熬了整夜的兩位準畢業生。蕭博文報告完後,下了台撐住下巴開始打盹。

接 下來換害羞的林志杰上台,開始吞嚥、結巴,緊張到似乎很難說完一句話。整片死氣沈沈中,只有韓殿君很有精神的開砲:「鏡架穩不穩?鏡面有沒有灰塵?雷射是 不是有打一個斜角?是不是有打到傅立葉平面上?這些誤差一直累加上去,數據怎麼會準?」林志杰脹紅著臉、低著頭使勁揉著眉心,放棄辯解。

有個晚上,同學告訴我:「對宅男來說,校園再大也沒意義,反正也不會去逛。」假期對他們來說也沒什麼意義,不過是耽誤研究進度的發明。沒有什麼工作不磨人。縱使如此,這群科學家相信這一切都值得,管他值得驕傲還是值得同情。

鬆口氣、洗把臉、振作精神,還有下一個星期三。



BOX】隱形的光束

曾經有群政府要人,在BEC競賽進行到最如火如荼的時候,參觀了科羅拉多大學教授康乃爾(Eric Cornell)的實驗室。康乃爾不僅沒停止實驗、或製作海報來接呼這些攸關實驗經費的重要人物,還要求他們降低音量避免影響實驗,並且匆匆地把人打發走了。

比起康乃爾,韓殿君的雷射冷卻實驗室對我們的採訪工作有著極大的包容。

當空氣中灰塵很少的時候,肉眼並不會看到光束的路徑,要產生星際大戰激光槍那樣的效果,空氣要夠髒或是水氣要夠重才行。就像手電筒所照之處會發亮,但空氣夠乾淨的時候是看不見手電筒產生光束的。

為 了方便我們拍攝光學桌上雷射的路徑,韓殿君特准同學掀起光學實驗桌上防塵塑膠布,點上實驗室有史以來的第一根煙。後來發現煙的散射效果不佳,幾個同學們又 去其他實驗室借來液態氮。零下兩百度的液態氮能快速讓空氣中的水氣凝結,而水氣會讓雷射光產生散射,使雷射路徑更清楚。


Box】溫度的故事

世界上第一支溫度計並不是荷蘭人華氏(Gabriel Daniel Fahrenheit)發明的,不過要感謝他在1714年做出了輕薄短小的玻璃水銀温度计,取代過去奇形怪狀的大型溫度計溫度計,否則只是隨便看個病、量體溫都有罪受了。

華氏制訂的華氏溫標,是把氯化銨、水混合物結冰的溫度設為0°F,純水凝固的溫度為32°F,水沸騰的溫而度則為212°F,這就是華氏溫標。

華氏溫標開始使用起來彆扭,於是1742年,瑞典天文學家攝氏(Anders Celsius),將水的沸點和冰點間區分為一百個刻度,稱為攝氏溫標。可是當時的攝氏溫標還是很彆扭:沸點為0℃,冰點為100℃1744年才被植物學家林奈修成現行的攝氏溫標。

物 質的溫度,由其中原子運動的平均速度決定。下回天氣冷,你可以換個說法:「今天空氣中原子動得真慢!」事實上,溫度要降到-273.15℃原子才會完全停 住,科學家稱-273.15℃為絕對零度,由英國物理學家凱爾文爵士(Lord Kelvin,原名為William Thomson)制訂,標示為K

科學家認為絕對零度是低溫的極限,以目前的科技,還沒有辦法讓原子完全不動。目前技術大概可以冷卻到10-9K;玻色-愛因斯坦凝態(BEC)出現在10-6K以下。

實驗室裡並沒有可以測量到如此低溫的溫度計,所以,既然原子速度可以代表溫度,這些科學家們,就觀察這些已經凍到行動遲緩的原子能飛得多快,來換算溫度。室溫中原子的時速大約數千公里(依原子質量而定),但當冷卻到10-8K時,速度就跟螞蟻差不多了


3 則留言:

  1. 韋萱好厲害喔~~把科學的東西寫得那麼有趣!即使是科學的門外漢也想一口氣讀完耶

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  2. 我要吃餅乾!!




    看完時我只覺得,

    當時真不知道自己是怎嚜熬過來的阿~哈

    你寫的逼真到讓人又有身臨其境的感覺阿.

    不過老師看到應該會想槌妳吧= =

    感覺大家看到這篇文章依定會覺得這實驗室好恐怖...

    就不會有人想來了吧!

    好久不見了~

    我是蕭博文,

    妳走那天給我的MSN那張紙後不知道被誰拿走了,

    沒想到學弟們那嚜心機阿~

    我現在是在中研院原分所的實驗室,

    也是利用雷射冷卻捕捉原子團來進行實驗.

    不過系統有點不太一樣.

    很可惜的是在中正那時由於主系統沒在run你沒有真正看到冷

    原子團的樣貌.

    目前在這裡我們的原子團大小最大可以到7cm喔!

    因此可以很清楚的看到就是那嚜大一陀.

    下次有空時可以再一起吃個飯聊聊阿~

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  3. 寫的真好

    讓我認識年輕的DJ

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