高徒說

今天要聊聊物理中一個蠻偏科又冷門的核天文物理，各位先別跳頁，不是要說這門科學本身，要說的是我為什麼這次不移民，卻要來個大冒險。照說，去研究所上上課，沒什麼，很多總經理、董事長更是專班常客，根本把大學當廚房跑，不過我這次要冒險的是陌生的天文學，唯一有搭上自己專長的是量子力學中的核物理，什麼黑洞啦？中子星啦，甚至supernova 超新星。我都沒學過。可能還需要涉獵偏微分方程式和場論。

人類第一章黑洞照片。           TechNews 史上第一張黑洞照片太糊？NASA做出全新黑洞外觀模擬動態圖

很多人會問我這有什麼用？我一時還答不出來，因為這行很多人最後也是繼續回大學教書，好像這也不是什麼商業應用吧！硬要說，可以時不時到天文台或NASA當顧問。或是弄個觀星旅遊團吧！先不管了，我先學起來，如果馬斯克或貝佐斯真的需要登月、上火星，各位keyu們記得幫我拉線，去賺賺顧問費。總之，學分費肯定賺不回來，但是滿滿的人生經驗，不是什麼回本可以替代的。

高徒

2023.8.14 養心居

先坦承一下，物理素人這部分我得扣點分，自然組唸到高二，在此之前，物理系是第一志願，14歲接觸相對論，就此欲罷不能，多年後，連同愛因斯坦不相信的量子力學，也一併讀了，雖然後來我信仰了量子力學，而非相對論，然而，愛因斯坦靠推想就能解謎的部分，我深深相信。今天我就挑戰，電池兩極為何一端可以較小，因為效率低的一端，是會抵消另一端的效果的。

電池的+是什麼意思，從今天起，你可以想成電洞出來的地方。

首先假設，電流或電洞流有個出發點(電洞想不出來的，我建議直接想成正電粒子，雖然實際上是靠空洞形成，但比較抽象)，接下來就容易了，既然是出發點，動能較高，合理推論速度快，面積小點，有點像機槍槍口或是水槍的水流，到了接水的水盆部分，勢必無法維持一樣的速度，此時，靠人海戰術，多重通道，一樣可以維持一樣的速度。

回到電池的圖樣，一開始人們認為電流由正極流出，把這樣的一端的電性稱為正電，而負極則吸引著電流回歸電池。然而出來的其實是正電把電子吸走，來不及補上的空洞，就是所謂的正電，一般人理解電流接近光速，就是指這個，電子還沒跑完電路，其實電洞已經出發了，這樣的空洞，不需要一顆電子跑完電路，就從正極往負極出發了，反過來，要在正極多出一顆電子，才算電流產生，速度會慢很多，電子是有質量了，但是電洞理論上質量接近零。

釐清了運作原理，再來看電池正極，只需要小小的面積就能產生電洞，速度也快，而負極被拉動的這端要維持同樣的速度，就是要大量供應電子，是不是就是目前的樣貌，當然，有人會說，不對不對，傳統上炭鋅電池外皮都是負極，不是只大一點點，當然也是一種負極比較大的例子，未必能推翻以上推論。

李雅明教授在 半導體的故事  一書中說：沒有量子力學波函數，就不會有布洛赫定理，沒有布洛赫定理，就不會有能帶理論。後面這些半導體理論，都是根據能帶理論推展出來的。

本來我對這句話沒什麼感覺，物理界都知道，電子（尤其是自由電子）能夠導電，人盡皆知，只是，為什麼會產生自由電子，這就傷腦筋了，從量子力學下手，才終於導出電子躍遷的效應，真正弄清楚能隙（阻擋導電的效應），以及突破能隙的電子需要多少能量，才能成為自由電子，這樣的計算，能夠確定半導體何時才會成為導體，生活應用成為可能，確認半導體在怎樣的臨界值能發揮作用。

電子能從電池流到電腦線路中，靠的就是能帶理論，這麼神奇的資訊科技，靠的就是電子移動，而且是快速的移動，

套句賈伯斯的話：你只要動得夠快，你就能耍點把戲。我們能在手機上追劇，靠的就是一組快速移動的光點。

圖片：Buy 家職人曾拉啦  

來源：聯合報網路版諾貝爾物理獎 二三事報你知

微中子是粒子物理中重要的粒子，不管是要證明光速下，粒子的壽命比平常來得長，或是要觀測遠方的星體，微中子是很好的工具，對於電子微中子、渺子微中子和濤子微中子有興趣的人，可以去網路上查查看。

在某家衛星通訊公司，值班的兩位工程師，常常為了雜訊問題，傷透了腦筋，因為他們要上大型碟型天線上檢鳥糞，以減少雜訊。同一時間，某些觀測外太空的科學家，也為了無線電望遠鏡 (註1) 不夠傷腦筋，由於需要更多來自於外太空的數據，他們採用了這些工程師的雜訊報告裡，發現了外太空似乎有某種規律的電磁波，這樣的波可能不是雜訊，而是宇宙誕生時，產生的電磁波，由這樣的電波，物理學家推導出，宇宙的每個部分，其實起於一個非常小的點，於很短的瞬間，膨脹成具有時間空間的樣貌，由一點而展開成廣大的宇宙，這個理論叫大霹靂理論。

以上所說，當然你可以當作一個笑話，是通訊工程師茶餘飯後強調自己工作的重要性，但是在科學界卻是這樣的玩笑卻關係者研究能否繼續的關鍵。天文物理研究的設備或規模，越來越大，怎樣運用外界資源，其實非常重要，在地中海就有一個歐洲研究機構設立的望遠鏡，穿透地心觀測南半球的太空，或許你羨慕歐洲研究者得天獨厚的研究環境，然而，這樣的設備，也因為預算驚人，必須由研究黑暗物質、宇宙生成甚至超弦的研究者共享，以確保這樣的投資能夠產價值夠高的成果，以往單一主題或單一實驗室準備自己的設備的年代，似乎已經過去，單一設備只研究單一主題的奢侈，也是研究者可望而不可及。

以上提到的，就是科技導向 (techno-driven)的研究，雖然常常能在實驗室編列預算來購買科技設備，有時候反而可以思考，如何透過既有的科技設備，達成研究的目的，這類重大發現，是搭著科技巨人的肩膀上，才能看到。這是從研究方法面來說的，科技本來就是物理原理的應用，現在回頭來幫忙物理研究，造成重大發現。正因為科技是物理學的應用，物理學者的發現，若能促進科技發展，也是令人驚喜的，或許是因為科技應用大幅改變人類生活，諾貝爾物理獎除了注重理論的開展，目前也開始頒給這類促成技術性研究成功的研究者，舉2009的諾貝爾得獎人為例，高錕對光纖的長程傳輸有貢獻，波以爾和史密斯 (Willard S. Boyle及George E. Smith) 則對CCD 的發明有貢獻，前者大大提供通信的品質，後者則廣泛的應用在宇宙觀測與日常攝影上，物理獎頒給科技背後的推手，在科技導向的研究正在流行的今天，或許有某種新意義。

回到一開始提到的撿鳥糞的故事，由於通訊的需求建造的大天線，竟然觀察到了大霹靂現象，這和過去愛因斯坦式的模式不同，愛因坦在信封背後就能寫出相對論 (註2)，當然，理論物理的研究模式不死，在今天也還是最令人神往的研究方式，只是現在的研究模式中，會更加的依賴科技設備與規模大小，物理研究者如何在這其中，尋找重大發現的機會，應該是令人振奮的一項研究契機。

高徒 2.25,2010 朱雀樓

費曼曾經到巴西當客座教授，他再度發現，巴西一樣有很差的物理教育，學生和在美國的學生一樣，需要靠自學，才能學好物理。除此之外，他的興趣多了一項，打巴西鼓，過了一陣子，團長要其他團員向費曼學習，費曼猜可能是他自己的鼓音有外國腔。

這些經歷，讓我看出費曼的物理，應該是超棒的，因為能夠打鼓，其實是一項高難度技巧，拿這樣的技巧去做很多事，應該都能做好，這是我以藝術取向來判斷事物的偏見，或許唯一例外的是商業，因為沒有經營得很精彩又虧本的事業，被叫做成功。正因為我先注意科學家的藝術層面，讓我有機會看到，許多專業之間，其實有微妙的相似性，藝術強調人的創造性，到了作品的完成階段，也強調準確性，以便把創意精確的傳達，這部分很像科學，藝術強調打破框框，然後，在畫派建立時，又要求自己的框框要完整，這讓我想到，相對論先否定了牛頓的絕對坐標系，而相對論本身的光速時鐘能夠統一每個座標系之間的矛盾，因此可以不受絕對坐標系的限制，也能描述運動物體的時空位置。以上只是我想到的兩個類同點，至於科學家與藝術家之間，類似的異於常人的行徑，或是許多科學家之間競爭的精采程度，我還是另文專述。

寫到這裡，我回頭談談我所知道的理查費曼，他父親是一位物理學家，因此，他的物理啟蒙比較早，他和愛因斯坦類似，想從目前物理界還少人探索的路上去走，因此，顯得有點特立獨行，當你研究一個全世界只有兩三個人研究的題目，這當然需要一點點膽量與保持孤獨的決心。他提出了量子電動力學，而且以有名的費曼圖，簡潔的表達了內容，不是只有密密麻麻的計算公式，讓讀者自己去解其中的意義。簡潔的表達方式，也使得他在和外界溝通時，有了特殊風格，在太空梭災難調查中，他以一個O型環丟入一杯冰水中，傳達了氣溫對於太空梭的影響，雖然經過簡化，卻非常有說服力。

理查費曼除了是一位知名物理學家，還是一位愛妻子的丈夫，在費曼手札裡，女兒公布了一封，他寫給死去的妻子的信，令人感受到他的情意，對於理查費曼，我感受到他天真又真實的一面，因為他也會因為不好意思，而把太太印了我愛你的鉛筆，削掉外皮。知名人士的私生活，也是認識一個人的好方法，只是通常不太容易被外界得知。

我常常想，能夠謙卑看待專業，是一項既道德又困難的工作，例如比爾蓋茲，不太會強調資訊科技可以解決非洲的糧荒，反而很務實的承認，對於連自來水都沒有的地區，筆記型電腦能夠幫的忙不大，因為，可能連電腦需要的電，都很難取得。理查費曼也承認，美國在巴西利用工程技術鋪設的水管，還是無法解決當地居民的用水問題，因為水資源的分配，牽涉到社會因素，一個低效率的社會，可能無法運作美國式的工程設備，當我厭煩了專業萬能的口號，我很喜歡讀讀費曼的話，承認我們對於許多問題的無知，卻可以努力去了解問題，解決問題。

想出大霹靂的宇宙模型的，是佛里德曼，他假設宇宙的起點，是一個高熱高壓的點，透過大爆炸，產生我們今天看到的宇宙，哈伯證實了這個假設，透過觀察遠方星系的紅移現象，證實了星系正在遠離我們在的觀察點---地球。至於天使與魔鬼書中所提的天主教神父樂梅特，則推導Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker方程，並在螺旋星雲後退現象的基礎上提出了宇宙是從一個「初級原子」「爆炸」而來的—這就是後來所謂的大霹靂。因為書中並沒有明講，神父本身是位物理學家，讓讀者會誤會，好像僧侶提出了神啟般的靈感，而科學家指是證實靈感的研究者，其實樂梅特和哈伯，都是物理學家，樂梅特的觀點，也不是因為宗教理由才偏向大霹靂理論，而是因為大霹靂模型比較能描述宇宙現狀。

本文並不是要談物理學或宗教，而是要探討，引發這麼重大發現的靈感，到底是怎麼來的，有人說只要一直研究某個題材，然後，就會在放鬆的時候，如：在蘋果樹下休息，或是作一個蛇咬尾巴的夢，就會找到靈感。我想，這兩個部分都是必須的，可是，從努力思考，到放鬆頓悟，其實還有一個環節，為大家所忽略，就是---混亂。我這裡所指的混亂，其實就是分類的盲點，我以文學來舉例，文學上的分析，非常細緻，有情節的分析、有角色類型的分析更有筆法上的分析，因此，我要說，要學著寫莎士比亞也不是太難，因為這方面的分析已經可以讓我的寫作具有莎士比亞的  風格，至於在二十一世紀會不會讓人們重新接受這樣的風格，就得存而不論了。可是這樣的作對我的作品並沒有幫助，因為，莎士比亞的作品精髓不在這些分析裡面，而在於不自覺的結構中，有人說，莎士比亞的戲，充滿戲中戲，如：哈姆雷特，或者平行劇情如：皆大歡喜，透過戲中戲或者平行劇情，讓故事中的衝突與張力，更加強烈。我覺得這個分析正確且一針見血，不過，莎士比亞的劇本之所以長久以來，一再被電影、戲劇採用，主要是因為作者長期在劇場工作，對於這些真假、框內框外，有不自覺的體認，也允許這樣的混亂，在他的作品中，化成有秩序的劇中劇。這樣的過程，若是跳過了，或許劇中劇的架構還是會出現，可是，沒有背景基礎的理由，戲劇張力肯定沒有那麼大，哈姆雷特中，喜劇班子的諷刺劇，讓篡位的叔父感受到壓力，也讓哈姆雷特確認，殺父的兇手，就是叔父。

這樣的創意，就是混合了劇場中的元素，加入了文學裡，讓文學也能戲謔的展現幽默。然而這樣的混合或者說，混亂，是需要蠻長時間的整合的，過程也常常是無意識的，以文章之首的大霹靂理論，本身就打破了原來宇宙的假設，本來物理學家假設宇宙是古今差不多一樣的，宇宙的大小也差不多，然而大霹靂假設了宇宙起始的狀態，也推論目前宇宙的大小還在不斷膨脹中，因此，本來描述宇宙的方式，就不管用了，要用動態的方式來描述。宇宙的狀態，的確不容易從日常生活的經驗來推論，如果說，我買了一間房子，每天都會多一個房間，可是家具卻不會互相遠離，怎麼聽都很奇怪，因為，我不曾經驗過，空間變大的情況。同樣的，要構思大霹靂理論，除了需要對物質的性質或粒子組成有概念，最重要的就是，要打破宇宙古今類同的概念，構思一個成長的空間，而物質是在空間裡面存在，並不是四散紛飛的狀態，星系遠離地球，不只來自於運動，而是它存在的空間，是膨脹的空間，空間本身正在遠離觀察點---地球。這樣的混亂，透過樂梅特以數學方程式來描述，也透過哈伯的觀察，證實模型是成立的，讓看似矛盾的東西，整合成一個有條有理的幸統。創意，既需要前面混亂的過程，也需要後面整理與分析的過程。

從物理上的宇宙理論，我看到了新創意的產生，需要思考者放掉舊的架構，以某種新的路線，製造出某種混亂，再藉著分析混亂中蘊含的性質，架構出清晰理論。混亂是創意建構過程中，必要的過程，最近Google重新重視創意的執行，把公司裡原有的創意找出來，再度檢討其執行的價值，以免發生創意產生了，卻由其他公司執行成功的例子。Twitter就是Google員工提出的，卻是在員工設立公司後，才變成可行的創意。Google的模式，正是從混亂中找創意的例子，因為打破現狀，才會有新發現，員工也不被鼓勵去執行任何上司的意見，因為其中的創意成分很低。有人用撒種子來比喻Google，我覺得雖不中也不遠矣。希望Google在今後的發展，能夠秉持某種程度的混亂，繼續開發出新的創意。也希望讀者裡面，在混亂期的，不要放棄希望，因為，有條有理的架構，就在這團看似混亂的東西裡面。

在美國推行曼哈頓計劃的年代,境內物理學家當中,有些來自歐洲 ,如:愛因斯坦、馮紐曼 (馮紐曼本人參加了曼哈頓計畫，愛因斯坦則與該計畫的產生有些淵源),什麼因素吸引物理學家選擇美國,我將就科學面和社會面討論。

除了二次大戰的紛爭衝擊歐洲各國, 使得就些歐陸物理學家避居美國,還有另一個理由也使他們選擇美國,那就是物理研究由單單的science-driven趨勢,走向technology-driven和 science-driven並行, 工業規模較大的美國顯然比歐洲各國更有能力支應這樣的研究形態,同時期的德國,即便同時研究原子彈,其工業規模無法支持這項橫跨冶金、採礦、機械、電子...的研究,直到戰爭結束,德國尚未製造出核子武器，而美國在愛因斯坦上書羅斯福的情況下，推動了名為曼哈頓計畫的核子物理方面的研究。

除了工業規模之外,讓美國能夠推動像曼哈頓計畫這樣龐大的研究，在這個研究計畫中，團隊成員也策略性的引入境外人才,美國採用歐洲物理人才有其移民國家開放架構為思想背景,亦可看出美國本土物理學家亦有其開放性格,例如：歐本海默在曼哈頓計畫招募的知名物理學家，費米是義大利人，波耳是丹麥人，歐洲腔英語，該是當時在團隊裡的有趣的現象。這樣社會包容力是非常可貴的。目前常常會聽到物理界人士說，科學論文該用英文寫，以便於流傳、閱讀，可知美國在物理界是有一席之地的。當初美國的境外人士策略，培養了美國的學術能力，英語也因此跟著水漲船高。

若以上面的techno-driven研究的觀點來看,台灣物理界在日據時代,在台日本人荒勝文策分裂原子核,是亞洲最先分裂原子的地區,當然,這有點歷史的偶然,台灣早於亞洲其他地區，開始了techno-driven的研究路線，當然，研究團隊克服不夠工業化的情況，以自己的方法做出粒子加速器，令人佩服。至於談到海外華裔人才，常是台灣注目的焦點，這其中當屬楊振寧、李政道最受矚目，他們在美國的研究環境，拿到諾貝爾獎，打破宇稱守恆的概念，相當震撼學界。楊振寧相當推崇他的老師吳大猷，在短短的時間內，教授許多重要的物理知識  。放眼今天台灣的物理界，在目前台灣的工業水平，以及開放的社會條件，自然應該期待在物理研究上，有更大的突破與進展。

大家好！今天是愛因斯坦的紀念日。