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June 18, 2009

林思華 – 科研強國是這樣煉成的

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科研強國是這樣煉成的
林思華
2009年6月18日

大若在1925年,玻色(Bose)和愛因斯坦曾經預言,當溫度低至逼近「絕對零度」(攝氏零下273.15度)時,某類粒子的量子氣體會「凝固」為一種新的「態」(state),它和我們熟悉的氣態、固態、液態皆不同,是一種嶄新的物質形態,人們稱其為「玻色—愛因斯坦凝聚態」(Bose– Einstein condensate)。

將量子氣體冷凍至絕對零度?可以想像我們不會在自然界找到這種態,至少在地球上不能,所以這玻色—愛因斯坦凝聚態一直只是「紙上形態」,純然是理論上存在的怪物。

直到1995年,事情終現轉機。科學家 Eric Cornell 及 Carl Wieman 真的成功研究出將量子氣體冷凍至絕對零度的方法—傳說中的玻色—愛因斯坦凝聚態出現了。過了七十年,玻色和愛因斯坦的預言,終在實驗室裏成真。 Cornell 及 Wieman 也因此得到2001年的諾貝爾物理學獎。提提大家,筆者亦曾在本欄訪問過 Wieman,文章於2008年5月27日見報。

不少國家都有自己的物理學家組織,在這些國家級物理學組織中,歷史最長、規模最大的,是德國物理學會(Deutsche Physikalische Gesellschaft, DPG),然後是美國物理學會(American Physical Society, APS)。美國物理學會旗下有個獎項叫昂薩格獎(Lars Onsager Prize),每年頒一次,鼓勵「理論統計物理」範疇中的出色研究。昂薩格獎雖然只有十多年歷史,但在物理學界中也算是頗有份量的獎項;例如1999年的昂薩格獎得主,正是我們熟知的楊振寧。

然後到了2008年,另一位華人得到了這個昂薩格獎,而且他是香港人,他的名字是何天倫(Tin-Lun Ho)。

「得獎後我的工作沒甚大改變,只是多了人邀請我出席講座,還有就是多了很多人找我寫推薦信!」何天倫笑說。

何天倫是培英中學校友(1968),於香港中文大學崇基學院物理系畢業(1972),之後才赴美發展,1977年於康奈爾大學取得博士學位,2002年獲選為美國物理學會院士,現為俄亥俄州立大學教授,職銜為 Distinguished Professor of Mathematical and Physical Sciences。

去年爆發的環球金融危機,到現在仍不知是否已見底,想知道這對你們做學術研究的有何影響?
對奧巴馬讚不絕口

「效果不是即時的,金融危機爆發還不到一年。不過就我所知,確實有很多大學的投資有損失,Harvard 和 Stanford 也損失了投資基金的四成,這可能對個別院校有即時影響。」何天倫說。

不至於裁員,但至少會減聘人手?我心想。何天倫的話卻教我意外:「不少院校反而打算今年多請人,因怕來年會被削減預算,對於將來的情況,大家都認為是未知之數……幾年後會如何,就得看美國刺激經濟的措施能否奏效。」

提到奧巴馬的刺激經濟方案,在美國闖天下的何天倫對這位新總統讚不絕口。

「奧巴馬特別有幹勁。雖然短期來說,人人都怕不夠經費,但奧巴馬在教育方面投放了很多錢,他也很強調要打好將來基礎。美國有長遠措施,雖然歐美各國大家不同背景有不同做法,但奧巴馬和其他總統很不同,這點我是很樂觀的。」何天倫說。

有何不同?奧巴馬曾多次在公開場合中強調科學對國家的重要性。奧巴馬揀選了五位科學家擔當政府要職;還有就是奧巴馬重新肯定了「總統科學顧問」(President’s Science Advisor)的位置。

話說在傳統上,總統科學顧問都會同時成為眾總統助理之一,即「科學及技術」總統助理,直接向總統滙報,反映科學顧問在國家決策上的重要性。直到克林頓時代,總統科學顧問仍是總統助理之一。可是到了布殊時代,情況有所改變,上述傳統被打破。首先布殊上任後,總統科學顧問的位置一度懸空,布殊在上任半年後才提名其科學顧問;更大的改變是,科學顧問不再是布殊的總統助理了—布殊時代是沒有「科學及技術」總統助理的,這在當時被視對整個科學顧問系統的一種降格(demotion)。

幸好奧巴馬上任後,很快就委任哈佛大學的 John Holdren 教授作為總統科學顧問—更兼任「科學及技術」總統助理。總統科學顧問的地位,終於得到光復了。這在美國學術界成為一時佳話。

「奧巴馬說過『要把科學放回對的地方』。」何天倫補充,「例如布殊對全球暖化的研究結果置諸不理,奧巴馬卻會認真看待。」
專注量子氣體研究

何天倫主力從事有關量子氣體(quantum gas)的研究。量子氣體是一種極端條件下的氣體。以一瓶氣體樣本而言,當氣體粒子的密度高至某一地步,粒子與粒子間的距離變得相當小。於時乎,粒子間極接近時出現的互動,又或者說量子效應,本來在一般氣體中可以忽略,但對密度極高的氣體卻成了主角。這些必須以量子力學理解的氣體,就是量子氣體。

量子氣體值得研究,因為它擁有眾多一般氣體沒有的特性。其中一種將何天倫的事業推至轉捩點。

大若在1925年,玻色(Bose)和愛因斯坦曾經預言,當溫度低至逼近「絕對零度」(攝氏零下273.15度)時,某類粒子的量子氣體會「凝固」為一種新的「態」(state),它和我們熟悉的氣態、固態、液態皆不同,是一種嶄新的物質形態,人們稱其為「玻色—愛因斯坦凝聚態」(Bose– Einstein condensate)。

將量子氣體冷凍至絕對零度?可以想像我們不會在自然界找到這種態,至少在地球上不能,所以這玻色—愛因斯坦凝聚態一直只是「紙上形態」,純然是理論上存在的怪物。

直到1995年,事情終現轉機。科學家 Eric Cornell 及 Carl Wieman 真的成功研究出將量子氣體冷凍至絕對零度的方法—傳說中的玻色—愛因斯坦凝聚態出現了。過了七十年,玻色和愛因斯坦的預言,終在實驗室裏成真。 Cornell 及 Wieman 也因此得到2001年的諾貝爾物理學獎。提提大家,筆者亦曾在本欄訪問過 Wieman,文章於2008年5月27日見報。

玻色—愛因斯坦凝聚態誕生的消息,很快傳遍物理學界。當時何天倫已是俄亥俄州立大學的教授,剛組織了一個研究量子磁力的工作坊。

「同事雀躍地告訴我:找到了!是玻色—愛因斯坦凝聚態!我當時就肯定:這是好重要的。」何天倫說。於是,他停下所有研究工作,轉而研究這個新形態。「所有這些超流體(superfluid,極低溫的流體)都很特別,它們比空氣稀薄數十萬倍,和超導體又有相似之處。」

超流體,極低溫的流體,某程度上,玻色—愛因斯坦凝聚態可說是某種超流體。

「我的朋友都以為,玻色—愛因斯坦凝聚態的性質和一般超流體相似,但我知道是不同的。」何天倫說。

典型超流體以氦(helium)組成,玻色—愛因斯坦凝聚態卻不是。不同粒子有不同性質,如質量、電荷。所以同是極低溫的流體,由不同粒子組成,也可以很大分別。

「我知道玻色—愛因斯坦凝聚態和一般超流體不同—氦都是沒有自旋(spin)的,但玻色—愛因斯坦凝聚態是可以有自旋的!」
「最好的人不用管」

自旋也是粒子性質的一種,有自旋的粒子就像小磁鐵,會對外在磁場有反應。何天倫醒起,超流體一般不會對磁場有反應,但玻色—愛因斯坦凝聚態卻可以。於是衍生一個問題:在不同自旋及磁場下,玻色—愛因斯坦凝聚態會表現不同性質嗎?後來何天倫終確認,因自旋和磁場不同,的確存在不同種類的玻色—愛因斯坦凝聚態。這發現確立了何天倫的學術地位。

那麼圍繞這些量子流體的研究,最終可以帶出什麼實際功用?何天倫表示,美國政府兩年前有個大計劃,以冷原子研究固態物理。當科學家連玻色—愛因斯坦凝聚態都做得出來時,他們可以在實驗室建構各種極端的模型—以前可能只是程理論上存在的條件,現在都可能成真,這有望解答很多以前解答不了的問題。

美國國防部旗下有一機構名為 Defense Advanced Research Projects Agency,簡稱 DARPA,專門選擇並資助對發展軍方科技有幫助的研究。對學術界來說,這是常規科研經費來源以外的一大「水喉」。

據何天倫說,DARPA 有資助的科研,包括高温超導體,也包括上述的極端模型研究。

「這些從量子流體出發的研究,短期可以來搭建類比計算機(analogue computer),長遠可以用來設計新物料,例如用來造義肢,或者輕巧、微型化千倍的電池。」何天倫說。

呀!所以軍方有興趣了。但話說回來,那個 DARPA 怎知哪些研究有軍事應用潛質?

「假設你是決策人,你會怎做?找最好的人談。找最好的行內人,怎知哪些值得問?不要忘記,軍方也有很多科學家的。他們可以花五年時間去評估一個研究課題的前景。」何天倫提醒道。

五年……這就是所謂的遠見吧。DARPA 決定資助後,不會要求學者要怎做。由得他們由好奇心驅使,他們自會做出實用的東西。「由得好的人去幹,好的事自會發生(Let the good people do,and good things will happen.)不要管最好的人,美國政府最知道這個,美國不想這個改變的。」何天倫說。

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