我的人生碰撞原子核— 专访赵午(Alexander W. Chao)教授 采访/杨一帆、 林中冠 撰文/林中冠 采访日 期:2012.10.5 新竹的秋天午后， 我与杨教授藉著赵午院士在交大理学院学士班演讲的机会， 有了 这样一个愉快的访谈。 赵教授散发著温文儒雅的学者气质， 究竟他是如何踏上了 加速器物理的研究之路呢? 加速器又是什麼东西? 如果你也和我们一样地好奇， 就让我们带你一同“碰撞原子核”! 无心插柳柳成荫— 我们是从踏进加速器物理聊起的。 赵教授说， 他博士班一开始其实是做高能物理的， 而加速器物理又是高能物理里面的一支。 赵教授谈到:「我的论文是做高能物理， 但是那之后我做的是高能物理里的加速器物理。 会由高能物理转做加速器物理是有段故事的, 我那时候在纽约州立大学石溪分校(Stony Brook, SUNY)， 杨振宁是我的指导教授」 。有一次杨振宁跟赵教授说有一门课叫加速器物理， 教课的老师是个很有名的加速器物理学家，建议他去选修， 修完之后， 赵教授觉得非常有趣， 也相当有心得。 College of Science, NCTU X Alex W. Chao

     「我以为就是这样了 ,选了 那个课得了 三学分」 赵教授笑著说道， 但那时候第二年， 就 是写论文的那一年， 也是博士班的最后一年， 杨振宁就和赵教授说希望他到 Brookhaven(注一)去， 赵教授那时修加速器物理的教授， 同时也在 Brookhaven 做事。「杨振宁就说: 你一半的时间写论文， 一半的时间去 Brookhaven 跟他做研究， 那我说好， 因为我也很有兴趣， 就同意了 。 」 赵教授说道。 最后一年赵教授有一半的时间都在做加速器物理， 那时候是高能物理底下的一个支派。 赵教授原本的论文写的是高能物理的理论， 可是最后一年有一半的时间做的是加速器物理， 跟论文没有关系。 「等到我要毕业的时候， 杨先生把我叫去， 说你要考虑一下， 以后要走高能物理或加速器物理。 」 赵教授说。 杨振宁对长远的高能物理发展有一点看法， 他觉得高能物理对我不是最好的选择， 杨说： 你应该走加速器物理这一条路， 不要走高能物理。 那时候赵教授便迟疑了 。「因为之前我都是把它看成是一个兴趣， 学习的时候都是尽量学嘛， 很有意思我就多学一点， 但是这次讨论不一样， 这次讨论的是将来的职业生涯， 是将来要走的方向了 !」 赵教授眉飞色舞地说。 「迟疑了 大概一两个礼拜， 我没有回答杨先生， 他就把我叫去了， 我说我还在考虑， 他对我的迟疑很不高兴， 於是又重新分析了 这两者之间的差别， 然后说你再考虑考虑。 其实我对加速器物理是很有兴趣的， 我终究答应了 ， 而且至今没有反悔。 」 -赵教授。 杨振宁那个时候常说， 不是高能物理没有意思， 高能物理跟加速器物理都很有意思， 但高能物理粥少僧多， 而加速器物理却相反， 他很建议年轻人在选择方向的时候， 不要选大家一窝蜂在做的， 要选择自 己有兴趣的、 有发展方向的。 最好的方式就是加入一个领域， 和它一起成长。 赵教授:就以我们今天的报告内容为例子就可以发现， 就比如说你问现在应该去参与 LHC(注二)， 或是去参与 free electron laser(注三) ， 那我就会建议你去做 free electron laser。 如果不考虑兴趣的问题， 单纯选择的话， 那你要去做 free electron laser， free electron laser 现在正在起飞， 这个时候去加入， 比较会做出 一些成绩出来， 如果去参加那个已经起飞或已经发展一阵子的， 就比较难有显著的突破。 赵教授的博士论文是高能物理， 但从那时候开始， 他就正式进入到加速器物理了。 加速器后来又慢慢从高能物理中分出 来了 ， 现在也走到 photon science 了 ， 已经不算是高能物理的一支， 而是独立的一门物理了 。 「现在， 我能说我做的是加速器物理!」 赵教授笑眯了 眼。 注一: 石溪大学旁边有一个加速器的实验室， 叫做 Brookhaven National Laboratory。 注二: 大型强子对撞机（ Large Hadron Collider， 简称 LHC） 是一座位於瑞士日 内瓦近郊欧洲核子研究组织 CERN 的对撞型粒子加速 器， 作为国际高能物理学研究之用 。 注三: Free Electron Laser， 自 由电子雷射， 所产生雷射束的光学性质与传统雷射器一样， 具有高度相干、 高能量， 和 高强度的特点。 College of Science, NCTU X Alex W. Chao

     3 杨李的所引 起的物理热潮— 赵教授说他当时是做理论的。 杨李在他们那时候对读物理的华人学生来说， 是崇拜的对象， 所以学高能物理是很自 然的选择， 赵教授本身又非常喜欢物理， 觉得能够读物理太幸运了， 但至於是什麼物理，他自 己倒不那麼在乎。那时候读理论物理觉得非常有意思， 后来申 请学校的时候， 因为杨振宁在石溪，他就申 请了 石溪， 去的时候还没有想到会变成杨振宁的学生， 只是想因为杨在那里， 所以那里一定是个不错的地方， 去了 以后杨收他为学生， 做了 高能物理理论的论文， 然后又从他那里知道了 加速器物理， 喜欢上了 ， 又被他一推再推， 就踏上了 加速器物理的这条路。 赵教授说当时跟杨振宁做论文的时候， 有一段日 子每天都在杨的办公室里，「你可以想像他多忙， 我每天用 他一个上午的时间跟他讨论， 甚至有的时候我懒了， 几天没有去找他， 他反倒会来找我。 」 赵教授说杨振宁不像其他的老师不亲自 做计算。「有些计算很复杂的， 我(赵教授)在那裏算， 他也在那裏算， 记得有一次， 有个计算比较复杂我用 笔算没有算出 来， 就用 计算机的方法总结出 一个公式来，公式还蛮漂亮的， 但是我是取巧的， 我是用 电脑算的， 然后我就跟他说我算完了， 我们比对一下结果，在很多项里头有一项有些不一样， 杨振宁就说可能是你错了， 我心里想说因为我是用 电脑算的， 所以我一定对， 我就没有再下功夫去找错误。 没想到杨振宁为这件事还重新算了 一次， 然后跟我说他算错了 ， 有这麼一个有趣的故事。 」 台上十分钟， 台下十年功的高能与加速器实验— 谈到最近很热门的 God particle(注四)， 还有他自 己所做的加速器物理研究， 赵教授可是有许多实验上的甘苦谈。 赵教授提到像上帝粒子那个实验， 不是准备个三年然后做两个礼拜就结束了， 那是长期准备、 长期实验、 长期分析数据的结果， 这是现在高能实验的大问题。 第一它的时间太长， 第二牵涉的人太多， 那个探测器里头需要非常多的人， 每个人做的东西那麼小， 它不容易 有一个整体的概念， 所以每个人都分到一小块， 很长一段时间就做一个小小的事情， 要整体总合起来才发现这个上帝粒子，所以收获的感觉会比较差， 时间非常久， 但这是高能物理实验特有的问题。 提到加速器， 加速器物理也是需要做实验的。 加速器物理， 高能物理， 光科学（Photon Science) 做的实验， 都有自 己的特点。 光科学的实验准备的时间比较多， 不是三年五年， 但也是比较久的。 就以 SLAC 的 free electron laser 的试验为例， 真正做实验的时间很短， 通常只有一个礼拜， 做完实验分析数据， 如果说事先准备得不够完全， 造成实验的失败， 只有一个办法， 就是重新提计画， 重新经过审查， 这个审查竞争是非常激烈的， 尤其是 Free Electron Laser (自 由电子雷射)， 实验结果都是有万分之一的可能要拿诺贝 尔奖的! 那些人给了 你这样超级威力的仪器， 你做的实验都是前人从未能做的， 当然出 的结果都是尖端的科技成果了。 在这种情况下， 经常是起了 一个计画， 实验时间就是一个礼拜， 如果实验没有成功， 那对不起， 后面还有人在排队呢! 加速器也有实验， 比如电浆加速或者雷射加速这些概念， 都是要做实验的。 加速器跟前面说的高能、 光科学的实验又不太一样了， 加速器物理的实验是有瓶颈的， 第一， 如果是用 高能物理或光科学实验用 的加速器来做加速器物理的实验， 时间的竞争非常厉害， 因为时间很难抢到； 第二， 还有一个办法就是另起炉灶建一个新的加速器来做实验， 比如说雷射或是电浆做加速器的实验， 这就不是时间而是经费的问题了 ， 因为要做实验的那个加速器不便宜。 College of Science, NCTU X Alex W. Chao

     所以说决定到底要做什麽实验就变得非常重要了。 如果今天你想到一个好主意， 可是想出 来以后你要做实验来验证 ， 但最简单的实验就要五千万美金， 所以现在很多好的加速器的点子都只能是纸上谈兵，没有办法实现， 因为没有这麼多钱来验证它。 极少的时候， 比如说雷射跟电浆有一些实验的点子， 美国能源部拨了 钱出 来做， 但还有很多其他的主意没有办法实验证实， 因为经费的短缺。 连 Steven Hawking 也猜错的 Higgs Boson， 让物质「天赋质量」 — 高能物理的前途未卜， 假设钱不是问题， 那高能物理下一步将发现什麼？ 我们想想 Higgs 粒子是怎麼回事， Higgs 建立了 一个理论物理的机制， Higgs mechanism， 这是一个想法， 很多年以前， 杨振宁有一个重要的文章叫做 Yang-Mills Theory， 里头有一个机制， 很漂亮， 但如果这个机制是对的， 那所有物质都不会有质量， 电子也不会有质量， 夸克也不会有质量， 很明显的， 这个漂亮的机制是错的， 或说是不完全的。 很多年下来这是没有实际用 途的， 只是一个很漂亮的理论上的想法， 当然这个想法后来又引 导出 来一系列的理论物理的发展， 都非常有趣的 但是物质怎麼会有质量的问题一直没有被解决， 直到 Higgs 想出 了 这个机制。 他说如果整个基本作用力的方程式加了 两项上去， 东西就会有质量了 ！ 那麼这个机制就会有个不可避免的结果， 就是会有新的粒子出 现， 不一定是一个， 可能是一系列很多个新的粒子出 现。 那当然很多人就开始算， 算这个Higgs particle 会有什麼性质， 他的质量多大…等等， 一系列非常多的计算。 於是下一个问题就是如何把这个 Higgs particle 找出 来。 当然有些间接的方法可以算它可能有什麼性质、 质量大概多少、 要在怎麼样的情况才能找到它， 於是根据这些线索， 果然就找到了 ！ 回顾一下， 这个一系列的发展， 第一个重要的一步是 Yang-Mills Theory(注五)， 第二步是 Higgs mechanism， 第三步是把 Higgs particle 的细节算出 来， 第四步是找到这个粒子。 至於找到这个粒子有多重要， 这就见仁见智了， 有的人认为这是不得了 的大事， 有的人却认为不值一顾， 因为我告诉你它会在那里， 你就到那里去找， 结果你就找到了， 这个功劳怎麼会是你的呢！ ？ 但是赵教授猜想， 诺贝尔奖还是会给的， 但要给谁不清楚， 可能不会给 Yang Mills 了， 虽然以前曾经讨论过 Yang-Mills 会得诺贝 尔奖， 但终究没获得。 高能物理下一步怎麼发展？ Higgs particle 发现了 ， 然后呢？ 有很多个说法： 一个是除了 Higgs 以外可能还有其他的一系列的粒子， 要一个一个去找； 一个是可能还有其他的机制， 比如说 super symmetric(超对称)， 这个机制很热门， 如果这个机制证实是对的也是不得了 的事情， 但奇怪的是， 它做的预测到目 前为止， 在有限的数据下还没有出 现， 已经有很多人开始著急了 ， 他们认为在 LHC 的实验就应该要出 现了 ， 要有些蛛丝马迹了 ， 但还没有出 现， 所以以后怎麼发展， 是不是只找到 Higgs 粒子， 旁边什麼都没有？ 也许它旁边一大堆， 往上找找到一系列的粒子？ 如果超对称被证实是对的，那也有可能就是下一个诺贝 尔奖了 。 Higgs 粒子这个实验是一个诺贝 尔奖的候选人， 另外一个候选人是自 由电子雷射， 自 由电子雷射的发明人叫做 John Madey。 自 由电子雷射的重要性， 就像以前发明雷射、 发明半导体， 我认为重要性是比发现 Higgs Particle 重要的多， 自 由电子雷射的发展性比较广。 注四: God particle 就是 Higgs Boson 是粒子物理学的标准模型所预言的一种基本粒子。 标准模型预言了 62 种基 本粒子， 希格斯玻色子是最后一种有待被实验证实的粒子。 注五: 杨-米尔斯理论是一种基於 SU(N) 群的规范理论。 在 1953 年， 沃尔夫冈·包立最初写下了 这类的规范理论， 但 他发现到无法让当中的规范玻色子带有质量， 所以选择不发表他的成果。 College of Science, NCTU X Alex W. Chao

     从台湾清华到史丹福— 赵教授从台湾的清华物理系毕业， 现在在美国史丹福大学教书。 「台湾、 大陆与美国的学生很不一样， 就我教课的一些经验来说， 一般说来， 台湾和大陆的学生比较类似， 比较系统化、 按部就班， 就是老师要你学的都去学了， 是跟著老师走； 美国学生则比较自 动自发， 跟著老师走的比较少， 他们基础打得不好， 没有两岸的学生好， 就数学跟物理的根基来比较， 美国学生较不如， 但在自 由发挥的创意上， 两岸的学生则不如美国学生。 」 赵教授如是说。 除了 在史丹福大学， 我也在台湾清大、 交大及国家同步辐射中心及北京教课。 赵教授:「史丹福大学的学生当然是美国最好的学生， 台湾清大及交大、 北京清华及北大， 这些都是两岸最好的学生， 一般来说美国学生比较自 由、 独立， 比较有自 己的看法； 两岸的学生比较按部就班， 数理的基础比较好，但是我们如果说把两边的好学生集中了 以后， 再只取其中杰出 的学生来比， 其实中国学生有自 己的看法的人很多， 他的数理好之外， 他也有自 己的看法， 也有非常聪明、 非常的厉害的。 美国当然也一样，如果真要来把这两个比一下的话， 还是有一点分别， 就是中国的学生不是没有独立的思考， 但是勇气还是不太够， 没有敢闯的； 那美国的学生相较之下就比较有勇气。 」 胆大心细， 勇者无惧— 给台湾的学生一些建议。 赵教授认为， 做研究还是要胆子大。 他觉得中华文化教出 来的学生有个缺点， 它跟联考制度很有关系， 联考制度非常的糟糕， 这个制度把学生跟家长还有社会的价值观扭曲了， 它以考试分数来判断学生的好坏， 这是个基本观念的错误， 因为考试的成绩是一种不公平， 不精准的评量手段， 从学习做研究的角 度来看， 这是很坏的办法。 赵教授:「做研究不是要你去考标准答案， 一个题目 下来， 你的答案跟标准答案一模一样， 一点用 处都没有， 你那样考一百分没有用， 对做研究来讲没有用， 有些学生的考试成绩很好， 可是到后来没有办法做事、 做研究， 因为他都是守著一个标准答案， 考试考一百分的这个思路。 但是从做研究的观点来看， 我宁愿你题目 完全是自 己想的， 想歪了、 错了， 但是那是你自 己想的， 虽然错了、 连走的方向都错了， 但是这里头的收获远远地超过了 题目 一拿下来， 你就知道标准答案， 於是你就照著做， 拿一百分， 这样子的一百分， 远远不及那个自 己想， 想错考零分的。 真正学东西还是要经过自 己的大脑，不是经过老师的大脑告诉你, 不是课本或参考书上告诉你怎麼做， 自 己思考出 来才是真正的学习， 美国的教育对学生这一方面的训练比较好。 」 赵教授常常跟学生讲， 研究的题目 是无限多的。 随便一个题目 拿来， 往里头钻进去， 就有题目 就在里头， 题目 是无限多的。 中式的教育是靠老师， 很多时候是学生抱怨运气不好， 碰到老师没有好题目 做，或是给了 题目 学生做不出 来。 其实做研究的时候， 老师只是给你一个方向， 你自 己去做、 去碰， 也许碰得鼻青脸肿， 去碰出 题目 来， 老师并不是已经知道答案， 如果那个题目 已经知道了 怎麼做， 好像有一个标准答案， 先做这个， 再做这个， 做完了， 答案就出 来了， 然后写一篇文章， 就是你的论文， 那老师要这个学生干嘛？ 他自 己做就算了， 他都知道答案了 嘛! ， 做研究的时候不是这样一个有标准答案的想法。 老师跟学生是个夥伴的关系， 老师只不过是说我们要朝这个方向试试， 学生就去做， 做了 也许马上就碰壁了， 那就回去再想想， 两个人一起前进。 有题目 就有疑问，有疑问就有题目 ， 等到真正突然找到一个东西， 这个东西有趣， 而且可以解， 那我们来College of Science, NCTU X Alex W. Chao

     做， 这样做出 来的东西一定是从来没有人做过的， 创意就是这样产生的。 题目 是碰出 来的， 是发展出来的， 是他们两个人从讨论失败中得来， 很多 时候在换方向的时候， 最后那个题目 跟起先的题目 完全没有关系， 这才是做研究， 所以美国式的教育在这个时候就起了 它的作用， 在比赛解题的时候是劣势，往往太复杂的他就不会做， 他只知道有这个想法， 但是怎麼解他是不会解， 而我们中华文化的学生是: 你把方程式写下来他会解， 这是他们的优势。 「最后我还是想宣传一下。 」 赵午教授笑著说道。 Free Electron Laser 现在正在起飞， 很多人有很多的好点子， 我就觉得很有意思， 至於这个方向究竟以后会怎麼发展， 我当然不知道， 只是笔已经拿起来了， 墨放在那裏， 好像可以去蘸墨了， 就这样而已， 所以 free electron laser 当然是一个题目 。 另外当然还有其他的题目 ， 比如说电浆， 那个题目 我也做， 那当然还有一些其他零碎的有趣的题目 ， 加速器物理很有意思。 我们非常欢迎有兴趣的台湾学生加入我们的研究行列。 在 LHC 的记者会和官方文件中， 其实并没有说「已找到 Higgs Boson」， 只是目 前的实验数据确定发现前所未见的新粒子， 其特性和寻找中的 Higgs Boson 暂时相符， 至於是否就是他本尊， 则还需要几个月 的时间作进一步的实验确认， 也就是说， 找到与否， 即将在年底前真相大白， 让我们拭目 以待吧！ (笔者林中冠为交大电物系三年级学生， 感谢中央研究院赵午院士， 交大理学院学士班， 理学院卢鸿兴院长， 交大应数系杨一帆教授， 学士班林雅雯小姐， 交大电物系系学会学术组， 使得采访顺利进行。 ) College of Science, NCTU X Alex W. Chao