NCU Physics Journal

人物訪談

收集天外飛來宇宙的訊息

──張元翰教授訪談

​撰文/姚禹豪

教授簡歷

         張元翰教授於1983年取得國立台灣大學物理學學士學位,1990年於美國麻省理工學院取得物理學博士學位,而後曾在該校擔任博士後研究員。1994年回台,在國立中央大學任教至今。

 

因緣際會,投身高能物理

         三十幾年前,丁肇中博士在台徵選學生參與他的研究計畫,當年還是大學生的張元翰教授參與選拔並獲選,從此教授便投身高能物理這個領域至今。不過教授說,當年並沒有考慮太多,只是覺得能參與諾貝爾獎得主的研究計畫,機會難得,就參加了。而踏入這個領域後,也確實感到有興趣,於是鑽研到現在。

 

關於高能物理

         找尋新的基本粒子與其間的交互作用,長年來是物理學界最前沿的研究之一。然許多基本粒子與作用是少見或不易觀測到的,研究方法是觀察高能粒子互相碰撞,而透過此類方法研究基本粒子的領域即是高能物理。

         有些高能物理實驗主要是透過粒子加速器來進行──透過人造設備將粒子加速並碰撞,同時進行觀測,此類實驗通常具有明確的初始條件,讓我們知道實驗的結果是在何種條件下產生的;另有些實驗則是以觀察宇宙射線為主。宇宙射線是宇宙中已然存在之高速運動的粒子,由於數量龐大,它們時常發生碰撞,我們可以透過觀測來得知它們碰撞的結果。這一類的實驗中,人為的控制變因比較少,常常也無法知道初始條件,我們只能嘗試透過觀測到的結果反推該宇宙射線的成因。

         上個世紀末發現頂夸克,2012年人類找到希格斯粒子,都是高能物理的研究成果。另外如只有重力效應的暗物質,也是高能物理學家目前積極尋找的對象之一。

         由於高能物理已經發展多年,近年來要發現新的基本粒子或發展新的相關理論已經不若五、六十年前容易。但是高能物理研究宇宙的基本組成、形成的原因與過程等,能夠滿足人類對宇宙的好奇心,因此始終是物理學中最前沿的一環。

天文粒子物理實驗室

         實驗室主要做的是AMS(Alpha Magnetic Spectrometer)的相關實驗。高能實驗的週期都比較長,之前有很多年的時間都在實驗室建造探測器,現在則是進入數據分析的階段──將製作好的探測器送至太空中進行觀測,並分析獲得的數據。

         目前實驗室的主要設備在太空站上,探測器每年大約會收集一百億筆宇宙射線的事例,而實驗室的人員主要負責從中分析,設法獲得有建設性的結果。

國際太空站上的AMS     

     Q & A

 

系編:教授在做研究的過程中,有什麼印象深刻或有趣的見聞?

 

教授:

        曾經有一次,要把實驗室做好的儀器送到國際太空站,所以到佛羅里達的甘迺迪太空中心待了半年。那時見識到他們航太工業發展的面貌,令人印象深刻。其中印象最深刻的是那些太空工程的工程師,他們做事都有很獨特的方法,也有一套嚴謹的做事程序,跟我們很不一樣,很值得我們學習。當然物理學家不是工程師,我們需要有很自由的思考等等,但如果說到做實驗的話,我覺得我們要跟工程師多學學。        

​高空氣球釋放影片     

         另外要說有趣的見聞的話,我曾經做過一個實驗,是用氣球把儀器帶到高空中進行觀測。有趣的不是實驗本身,而是我們儀器在升空的過程中墜毀了。當時發射的程序中有一個環節沒有弄好,在升空的過程中,氣球升起,但是底下抓住它的東西無法鬆開,就墜毀了。這個經驗很有意思,因為當時花了很大的功夫做出來的東西,一夕之間就沒了,所以當下的心情也是滿沉重的。不過實驗本來也難免會碰到這樣的問題,做實驗之前就得做好可能碰到問題的心理準備。當然這不會是件快樂的事,但是個很特別的經驗。

​教授與高空探測儀器合影     

系編:在太空觀測宇宙射線跟在地面做粒子加速實驗有什麼不同?

 

教授:

         首先在太空中你不太能維修或操控設備,基本上一旦儀器放上去就不能再修改了。所以在進行實驗之前要更謹慎,考量更多東西。

         另外,在粒子加速器中輻射很強,所以儀器設備要對輻射有很高的容忍度。一般設計在粒子加速器中用的儀器,拿到太空中用都不會有太大的問題。唯一一個比較有問題是,太空中的輻射,有小量的重原子核,這在加速器裡是沒有的。而這個重原子核帶有很高的電荷,電子儀器在被它們穿過時,會產生很大的信號,造成短路,因而受到破壞。這種情況下,元件的設計與製作就得特別講究。

 

系編:教授對於學生選擇研究領域有什麼建議?該如何找到自己有興趣的領域?

 

教授:

         我認為所謂興趣,當然有一部分來自你天生的喜好。但在更多時候,一個人之所以對一個領域有興趣,是因為投身進入那個領域,從中獲得成果與趣味。從另個角度說,我們時常不是真的單純喜歡某個物理主題,而是做研究的過程能夠帶來成就感,讓你覺得自己對這個領域有興趣,因此能夠繼續的做下去。

         所以我比較建議學生多做多嘗試,一個學生大三、大四兩年共有四個學期,我覺得可以每個學期去加入一間實驗室試試看,各個領域都嘗試,比較能找到自己想做的。像我當年在MIT讀研究所,有很多大學部的學生從大三開始,就把各個實驗室都待過,每個實驗室大概只待幾週到一個月的時間,甚至不是物理系的實驗室嘗試看看。我認為像MIT這樣的系統是很好的,因為就我的經驗來說,興趣就是你要實際去做研究才會產生的,單純靠讀書就產生興趣的並不多見。

 

系編:那教授有沒有想給物理系的學子們的一些話?

 

教授:

         其實我覺得你們每個人都很聰明,都有獨特的地方。就我的經驗來說,系上的同學只要做實驗做出成果,做出興趣,都可以表現很好,不亞於任何世界上其他地方的學生。

         不過我覺得我們學生在社交能力這一環確實比較差,跟大部分國外的學生比起來,不太會社交。一部分原因可能是語言問題,另一部分也許是文化問題。由於現在有許多實驗都是需要與別人合作的,尤其那種大型國際合作的實驗。只有大家同心協力才能把事情做好,個人單打獨鬥是不行的。要是你社交能力差,自然就會影響到與別人合作的能力。

         所以我大概想講就這兩點。不用怕你比別人笨,但可能要擔心你不像別人那麼會合作,這是很重要的。

​張元翰教授訪談過程     

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