普渡瑣記——從2010年諾貝爾化學獎談起

  • 科學家隨筆
  • 撰文者:林志忠(國立陽明交通大學電子物理系教授)
  • 發文日期:2022-12-12
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前言:這一篇舊文是2010年10月應中國物理學會《物理》雜誌邀稿寫的,未曾在《物理雙月刊》刊登過。因最近這篇文章獲選為「《物理》50年精選文章」之一,才回憶重讀,期待《雙月刊》讀者也會稍感興趣。林志忠(2022.12.08)

 

 

2010年的諾貝爾化學獎由日本北海道大學Akira Suzuki(鈴木章)、美國德拉瓦大學(University of Delaware)Richard F. Heck,和美國普渡大學(Purdue University)Ei-ichi Negishi(根岸英一)三位教授獲得,其中Suzuki和Negishi二位為日裔學者。Negishi教授在他得知獲獎後,於10月6日當天早上普渡大學校長為他召開的記者會上的一席談話,值得省思。

 

在記者會上,Negishi教授談到他很贊成與支持日本式的嚴格的小、中學,和大學教育。(Negishi教授在日本完成了從小學到大學部的正規教育。)他認為日本的嚴格的(他一再重複“rigor”一字)教育,讓他有如經歷仗陣、見識風浪,因此在爾後獻身學術研究,面對探索時而混沌未明的知識疆界之時,得以充滿信心。Negishi教授又談到,當他從美國賓州大學讀完博士學位,回到日本公司工作後不久,又想要進一步從事學術研究,申請美國的博士後研究職位時,同時獲得了加州大學柏克萊分校和普渡大學提供的職缺。加州大學柏克萊分校的學術聲譽崇高,國際排名遠在普渡之上,那位提供博士後研究職位的教授,又是一位諾貝爾化學獎得主,但是那時候的年輕Negishi博士卻選擇了普渡,因為他說他認為普渡大學的Herbert C. Brown教授的研究領域,是一個豐富深厚的科學領域,「一定值得挖掘」。(十多年後,Brown教授也獲得了1979年的諾貝爾化學獎。Suzuki教授比Negishi教授年長四歲,他在Negishi教授到達普渡之前幾年,也曾經跟Brown教授做過博士後研究,但是他們二人互不相識。)在普渡大學召開記者會的空檔,Negishi教授還堅持按照課程表,上他當天的大學二年級的有機化學課,那是一門300多位學生修讀的大班基礎課程。——愈是國際頂尖的大學,通常愈加重視大一、大二的基礎課程的教學。

 

由於筆者正巧是在普渡大學讀的物理博士學位,因此想到了幾件跟普渡大學物理系有關的事情,記錄如下。這些不是名校的「瑣事」,或許值得我們深入思索。

 

普渡大學位於美國印第安那州,與俄亥俄州和伊利諾州緊鄰、傳統上是個農業州,民風相對保守,生活有些單調。它的學術排名在不同的學科領域之間,差異極大。(學術研究探索的是深入、多元的知識宇宙,世界上沒有任何一所著名大學或是研究機構,能夠在所有的每一門學科中,都獨占鼇頭。)但是可以確定的一點是普渡大學並不是美國最亮眼的明星學校之一,它的整體「排名」,明顯的比不上東、西兩岸的幾所名校。換言之,普渡大學不會是成績優異的華裔學生,所會選擇去攻讀博士學位和做博士後研究的學校。

 

在普渡大學物理系成立130多年的歷史中,其最重要的學術貢獻之一,是對於半導體和電晶體(的前身)的研究。時當1940年代,為了二次大戰的迫切需要,普渡大學物理系積極投入了半導體的研究。(當時同盟國急迫需要穩定和高品質的固態電子整流器,以製造高性能的雷達。)但是即使是在戰時,時機緊急,他們還是覺得需要徹底瞭解半導體的基礎物理特性。因此他們組成研究團隊,逐步發展技術生長高品質的鍺單晶,定量的控制雜質(施子和受子)的種類和數量,並且深入探究這些掺雜半導體樣品的光學性質和低溫電性——他們特地從荷蘭Leiden大學聘來了一位教授,成立了低溫物理實驗室,以期徹底瞭解掺雜半導體的載流子傳輸性質,以便發展製作功能優異的固態整流器。這項對鍺半導體的元件應用與基礎物性研究的高峰期,從戰前的1940年代一直持續到了戰後的1950年代。1940年代中期的領先優勢成果,更讓貝爾實驗室(Bell Laboratories),以及John Bardeen、Walter H. Brattain和William B. Shockley等人,利用種種手段旁敲側擊單向套取訊息,寢食難安了好幾年。後來普渡大學畢竟失去了發明電晶體的契機,其中的最主要關鍵應在於一方面他們沒有強烈的商業化動機,另一方面更因為他們的研究團隊中,缺乏一位像Bardeen這樣的不世出的功力深厚,又能洞燭機先的固體理論物理學家。(貝爾實驗室製作的第一顆電晶體,使用的是普渡物理系提供的高質量鍺樣品。另外,已故的華裔范緒筠教授對普渡大學的長年的半導體研究與教學,貢獻良多。)

 

那一時期,洪朝生先生也到了普渡物理系擔任博士後研究員,並且參與了該項半導體低溫電性的研究。洪先生在1950年代初期對於掺雜鍺的開創性定量實驗量測和解釋,揭示了能隙中的雜質帶導電(impurity band conduction)之傳輸行為和概念。這些實驗數據和物理現象,深深吸引了凝態理論學家N. F. Mott的注意力,並且引起了Mott的極大興趣。加上1958年安德生局域(Anderson localization)概念的適時提出,實驗與理論的因緣交會,相互激盪,終於導致了1960年代的變程躍遷導電(variable-range-hopping conduction)理論的完成。1977年,Mott和Philip W. Anderson二人(以及John H. van Vleck),都因為對於無序系統(非晶態)的研究,而獲得了諾貝爾物理學獎。(1958年發表的安德生局域論文,至2022年底已經被引用了15,200多次。)

 

因為在普渡參與了半導體低溫電性的實驗,洪朝生先生後來(1950年初)轉往Leiden實驗室繼續研究。但是不久之後,便束裝返回大陸,因此國際物理文獻中,也就不再出現洪先生的名字了。那時期,冷戰方酣,東、西方國家之間音訊不通。但是普渡大學的研究人員仍然寬大從容的表現了他們的坦蕩磊落的學術倫理,他們在1954年Physical Review(vol. 95, no. 5, pp. 1226–1236)的一篇長篇論文中,仍然將洪先生列為第一作者,並且很誠實的在作者通訊處寫著:“Last known address: University of Leiden, Leiden, The Netherlands”。半個多世紀之前,普渡大學實驗室的研究人員,並沒有起過洪先生只是他們的一個已經離了職,且又行蹤不明的博士後研究員,就把他的名字從論文中剔除的念頭。顯然,至少早在50多年之前,歐、美的現代學術倫理觀念與規範,就已經廣植人心,根深柢固了。(洪朝生先生返回大陸後,成為了中國低溫物理與低溫技術研究的開創者之一。)

 

研究凝態物理的人知道有一種「熱電勢(thermoelectric power)」的物理量。在金屬和掺雜半導體中,熱電勢主要來自二項貢獻,一項是由載子的擴散運動(diffusive thermoelectric power)而來,另一項是由聲子的拖曵運動(phonon drag)而來。聲子拖曵造成的熱電勢,也是那時期在量測鍺半導體的低溫電、熱學性質時,由來自荷蘭的博士後研究員Hans Frederickse在普渡物理系首先發現的。這項熱電勢微觀來源,後來被寫進了許多的固態物理課本裡。

 

1985年,首位華裔太空人王贛駿博士,搭乘美國太空總署(NASA)的「挑戰者」號太空梭飛上了地球軌道。當時全球的許多華文報紙都大肆報導,認為是華人之光。正巧那一年普渡大學校慶,邀請上過太空的校友返校,當時回去共襄盛舉的校友就有七位。其中,更包括第一位踏上月球的表面,和(迄今為止)最後一位離開月球的表面的人士,這兩位寫下人類歷史紀錄的太空人,都是普渡校友。——附帶一提,當年雷根先生在美國總統任內,曾經訪問了普渡。當時,他的空軍一號總統專機是從華盛頓特區機場起飛,而直接降落在普渡大學的機場的。

 

普渡大學物理系現任的系主任Nicholas J. Giordano教授,恰巧是筆者的博士論文指導教授,他只比我大了五歲,是個典型的美國土生土長的教授。(他的第一、二位博士生的年紀,都比他稍大。)加入他的實驗室之後不久,看到他做研究時,我的腦海中常常不自覺的就浮起了「長江後浪推前浪」這一句警語。再過了一些時日,我又每每意識到,他做實驗的態度與方式,豈不正是《論語》書上所教誨的「知之者,不如好之者。好之者,不如樂之者」?他是個「樂知者」,他做實驗,是為了享受研究(包括發現新科學的純然愉悅與激動)而研究!——雖然他並沒有讀過《論語》。——中國典籍上的這幾句話的深刻道理,我都是在已經大學畢業,離開台灣進到了他的實驗室之後,有了具體的人物典範,才恍然有所領悟的。(我個人認為,這幾年文獻中報導的眾多對准一維人工生長奈米線的電性量測與分析,大多仍不如Giordano實驗室在1980年代到1990年代中期對微小金屬線、磁性細線,和超導體線的電性量測與分析之精確與深入。Giordano教授是介觀物理(mesoscopic physics)實驗的開創者之一。)

 

Giordano教授後來覺得用心教育學生非常重要,因此他自己的研究工作大致停頓了(他做了不同人生階段的抉擇)。他為大學生開計算物理的課,寫了一本教科書,那一本書得到了美國能源部(Department of Energy)所頒發的一個獎項。他為大一學生開普通物理課,被選為印第安那州的優良教師,到美國首都華盛頓領獎。三十多年前,在他做完博士後研究,尋找教職時,他獲得了麻省理工學院(MIT)提供的位置,可是他卻選擇了加入普渡大學物理系。他並沒有按照「排名」做決定(一個不需要決定的決定!)。2009年底,在荷蘭Leiden低溫實驗室所發表的一篇論文中,採用了我們20年來對於金鈀合金的電子—聲子散射時間的累積量測結果,做為他們設計偵測「重力波」用的極低溫超導量子干涉儀(Superconducting Quantum Interference Device, SQUID)元件的依據。那一系列論文(涵蓋金鈀合金細線、薄膜,和厚膜)的起頭,源自於筆者在普渡物理系時的博士論文工作。我告訴了Giordano教授這件事,他回覆了一句簡短的電郵:“Some materials just never go out of style.”——學術是一項長久積累的過程!

 

物理學系只是普渡大學眾多系所中的一個並不特別顯眼的系所,普渡大學只是美國數十所很上軌道的研究型大學中的一所並不特別亮麗的大學。可是他們有一些工作被寫進了教科書裡(他們自己也寫教科書而廣為世界各國大學採用),他們也有一些工作改寫了人類科技發展史的面貌,這是美國深厚寬廣的學術實力的「藏富於民」!

 

「源遠者流長,根深者枝茂。」最近看到日本「理化學研究所(RIKEN)」(日本最重要最頂尖的科研機構)介紹它的「基幹研究所(Advanced Science Institute)」的刊物封面上,畫著一棵大樹,樹幹旁邊印著兩句正體中文:「源遠者流長,根深者枝茂」,其下附有兩行小字日文翻譯。這兩句話引用自白居易的〈海洲刺史裴君夫人李氏墓誌銘〉一文。日本人的諾貝爾獎得主,(2010年時)已經累積到18位了。爾後幾年,應還會持續增加。

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後記:

 

一、日本最好、排名最高的大學是東京大學,但是日本的諾貝爾獎得主大多卻來自其他大學。

 

二、本文的寫作參考了Ralph Bray、Solomon Gartenhaus、Arnold Tubis,和David Cassidy等教授:“A History of Physics at Purdue”一文,Michael Riordan和Lillian Hoddeson: “Crystal Fire: The Birth of the Information Age”一書,以及N. F. Mott的metal-insulator transition相關期刊論文及專著等。

 

三、2012年,本文曾被收錄於《歲月留痕—《物理》40年精品集粹》(中國科學技術大學出版社),當時筆者加註一則附記如下:做為一個身處世界科學主流外圍之從事科研與教學的第一線的平凡人員,我想了解:「學術的本質是什麼?」「學術是如何發展茁壯的?」「一個國家地區的學術有可能快速崛起嗎?」「自然科學(如物理)的學術標準與發展途徑是普適性的,或是可以別具區域化的特色?」,等等。這是我寫下《普渡瑣記——從2010年諾貝爾化學獎談起》的起因之一。這些疑惑與問題在目前沒有具體的答案,很可能在將來很長的一段時間裡,也不會有具體的答案。所以我寫下了這篇瑣記,希望總會有幾位老師以及年輕的學生在無意間讀到,而他們會知道該如何去思索並逐步解答這些問題。——我個人心中一直篤信景慕的則是:「藏富於民」(深厚寬廣的教學和科研機構的多元化與適度分散),以及「源遠者流長,根深者枝茂」。



林志忠

交通大學電子物理系教授

E-mail: jjlin@nycu.edu.tw

2010年10月16日於日本東京理化學研究所

2022年12月8日修改