【人物專訪18】從電漿到黑洞,窮盡一生探究宇宙的真理―陳丕燊教授專訪

by Yang-Kuang Chao
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採訪 ‧ 撰稿  /  張鳳吟 (科學推展中心特約編輯)

走在臺大的校園,您一定會注意到一棟特別的建築,彷若浮起的立體方塊,就像被暗能量托起的暗物質。這是臺大的次震宇宙館,2017年年底完工,2018年便入圍了WAF世界建築獎,其最大的幕後推手是梁次震宇宙學與粒子天文物理中心創所主任陳丕燊教授。陳丕燊教授今年因早年在電漿尾隨場加速的開創性貢獻,榮獲2023年歐洲物理學會(EPS)電漿物理最高榮譽「Hannes Alfvén Prize (愛爾凡獎)」,七月將前往歐洲物理學會在法國舉辦的電漿物理年會領獎。

走上物理的契機

被問及何時開始以物理為自己的終生志業,「我記得非常清楚,是從我15歲開始的。」陳丕燊教授不假思索地表示。陳丕燊教授自認從小最喜歡的是畫畫,他母親甚至會帶辦公室用過的紙張讓他可以在背面盡情作畫;到了國中,他想要成為一名建築師,當時他父親位於現在外交部附近的日式舊宅改建,便是他的建築設計的處女作。上了高中,因不滿足於高中所教的數學、科學,陳教授開始大量閱讀課外的書籍,也自修大一微積分、普物等,當他讀到吳大猷所著的《相對論簡介》,他驚為天人,「狹義相對論從兩個基本公設就能推導出羅倫茲轉換,這實在太美了!」自小浸濡於藝術環境長大的陳教授,美學已深植他的內在,物理的美,讓他立定了人生的志向。

人生的轉折,不畏的信念

臺大物理系畢業後,陳丕燊教授到美國加州大學洛杉磯分校(UCLA)攻讀博士學位,跟隨櫻井純(J. J. Sakurai)教授做高能理論物理研究,這在當時是物理最熱門的研究領域。但不幸地,櫻井純教授在歐洲核子研究組織(CERN)的訪問途中,突發心臟病過世,那時陳教授只差半年就可以拿到博士學位,沮喪又徬徨的他,某天在UCLA物理系圖書館讀到《科學》雜誌當期一篇標題聳動的文章〈高能物理的未來〉,討論高能物理的瓶頸,內容提到費米半開玩笑說,按照目前的工藝,未來的粒子加速器可能要繞赤道一周了!文章接著提到1979年UCLA兩位科學家 T. Tajima與 J. Dawson提出利用電漿加速粒子的新概念。電漿是個游離的流體,當雷射打入電漿後,雷射場將原本分離的電子與離子瞬間分開,引發電漿振盪,這個振盪猶如船行駛在湖中產生的船尾波(故稱尾隨場wakefield),加速梯度比傳統加速器高出數千到數萬倍,可以大幅縮小加速器所需的長度,是未來加速器的一個希望。Dawson曾經教過陳教授統計力學,他原本在普林斯頓大學著名的電漿物理實驗室(PPPL),UCLA特別請他來設立電漿物理中心。陳教授去請教Dawson,不出10分鐘Dawson便問他是否願意做他的博士後研究員,當時陳教授嚇了一跳,自述自己最怕的就是像電漿這樣的複雜及多體問題,Dawson很有自信:「你是櫻井純的學生,你可以的!」

這樣的機緣,讓陳丕燊教授從高能物理領域硬轉換成電漿物理,成為電漿團隊中「不懂電漿物理」的博士後研究員,除此之外,Dawson處理物理問題相當倚賴他的直覺,跟數學嚴謹的櫻井純研究物理的路數大不相同,黑板上一堆「〜」符號讓他相當掙扎,痛苦指數飆高。不過,這些痛苦終究帶來甜蜜的果實,半年後,他與J. Dawson發表了另一種電漿加速機制,以帶電粒子束取代雷射,而這個機制後來被正式稱為「電漿尾隨場加速」(Plasma Wakefield Acceleration,PWFA)。隔年,Dawson將他派到史丹佛直線加速器中心(現SLAC國家加速器實驗室)與SLAC的專家們合作研究他們所提出的機制,陳教授在1986-1987期間,完善了整個理論。

研究如遊牧民族的精神,旨在解決物理中最重要的問題  

為了能留在SLAC,陳丕燊教授再度轉換跑道――加速器物理,雖然同樣痛苦指數超高,但此時的陳教授已經無所畏懼,他表示,做什麼物理只要認真去學就行了,背後的道理是一樣的。1992年,陳丕燊教授在美國物理年會聽到NASA召開記者會公布COBE衛星觀測到宇宙微波背景非均向性,這改變整個宇宙學發展的重大發現,讓陳丕燊教授認為宇宙學將是未來的大方向,於是決定改做宇宙學。

因為經歷了不同領域的轉換,讓陳教授面對物理問題時,有著更寬廣的思維及懷抱更大的理想。談起他做研究的精神,他說:「我做研究就像遊牧民族,逐水草而居,哪邊有豐富的水草資源就往哪邊去。」他最大的願望是解決物理學最重要的問題,不管是哪一個領域。目前陳丕燊教授正醉心於黑洞的霍京蒸發所引起的信息遺失問題,它牽涉到20世紀兩大科學革命――相對論與量子論――之間的可能衝突,必須要解決。2017年他和諾貝爾獎得主傑拉•慕儒(Gérard Mourou)教授共同提出以電漿飛翔鏡打造桌上型黑洞概念,並因此於2018年榮獲國際重量級的巴斯卡獎座。陳教授偷偷地說,他現在正在研究核融合問題,期許有朝一日能幫助解決人類所面臨的能源危機。

宇宙學的眾神殿:次震宇宙館

2007年陳丕燊教授應臺大李嗣涔校長、羅清華副校長之邀,回到臺大任教,有鑑於臺灣的學術研究資源及薪資和美國有相當的落差,他建議校長私人捐贈的可能性,便找了當年同樣醉心於天文的老同學廣達電腦副董事長梁次震先生,而他的確欣然同意捐贈臺大,成立梁次震宇宙學與粒子天文物理中心(LeCosPA),以行動支持陳教授順利回國服務,這也是國內第一個私人捐贈的基礎科學研究中心。當時原定以10年為期,每年捐贈一筆數額。但才過了5年,2011年底陳教授以「天壇陣列」國際發言人的身分到南極參與國際極高能微中子實驗被媒體大幅報導後,讓梁次震先生決定改為永續捐贈,包括蓋一棟新的宇宙學大樓。這棟「次震宇宙館」在2017年底落成,建築師姚仁喜先生以羅馬眾神殿的概念來設計此大樓。陳丕燊教授則進一步以此為靈感,在中庭設置了宇宙學四大偉人 (張衡、伽利略、牛頓、愛因思坦) 的雕像,將大樓打造成宇宙學的眾神殿,塑造學術殿堂的氛圍,以期激發學者或學子創造的潛能。

梁次震中心的科學使命是在宇宙學與粒子天文物理領域對世界學術界有所貢獻,以及促進亞洲區域性、全球國際性的學術交流。陳丕燊教授樂觀期待這中心會繼續走下去、繼續在學術與國際上發光發熱。他表示,梁次震中心主導的兩個國際實驗計畫:TAROGE-M (宇宙微中子偵測)、AnaBHEL (類比黑洞實驗),實驗室設備、技術皆是國際頂尖,「事實上,我們已經發光發熱了。」

38年後的肯定:EPS Hannes Alfvén

今年初,歐洲物理學會公布2023年的Hannes Alfvén獎得主,獲獎的三人為陳丕燊教授、J. Rosenzweig (UCLA) 與C. Joshi (UCLA),以表彰他們在粒子束驅動電漿尾隨場加速器的開創性理論與實驗之貢獻,陳丕燊教授是繼去年當選中研院院士的陳騮教授之後,第二位獲得此殊榮的華人科學家。陳丕燊教授表示,這個獎主要頒給他在1985-1987年所提出的PWFA貢獻,他的PWFA理論建構在發展上包含了三部曲:第一部曲是1985年提出了PWFA概念;第二部曲是1986年克服了加速粒子束最多只能獲得前導粒子束能量2倍的「fundamental theorem of beam loading」之新定理;第三部曲是1987年發現橫向 (transverse) 的電漿尾隨場,這個場對粒子束產生自發的聚焦作用。誠如EPS在頌詞中所言[註1],電漿縱向尾隨場的加速 (PWFA) 與橫向尾隨場的聚焦 (plasma lensing) 分別為高能物理的能量前沿與亮度前沿作出最根本性貢獻。

陳丕燊教授幽默地說:「要獲得國際大獎需要有兩個條件,一個是必要條件、另一個是充分條件。必要條件是必須在年輕的時候做出重大的學術貢獻,充分條件是要活得夠久。」不過,陳教授認為,他的充分條件是臺灣給予的,若不是回到臺灣有梁次震先生、臺大、國科會及教育部的大力支持,因為這些資源,讓他能夠在推動宇宙學、黑洞研究之餘,行有餘力參與過去和尾隨場加速機制相關的學術活動,才能使他早年的工作終於得到肯定,對此他十分感念。 

「想像力比知識更重要」

回顧一生,陳教授覺得他非常幸運也很感恩。他推崇John Dawson的氣度,Dawson不在乎你有沒有知識背景,只在乎你有沒有創造力,因此他也以相同的態度對待自己所有的學生。他說:「創造力是一切」,他以愛因斯坦的名言「想像力比知識更重要」作為自己畢生的座右銘。

雖然已經離開電漿領域的社群,但陳教授的研究不時還是會出現電漿尾隨場的身影。陳教授表示,電漿尾隨場原始是提出來作為高能物理未來一種新的加速機制,但是3、40年下來,這個加速機制要用在高能物理上還有很長一段路要走,他想到如果能用電漿尾隨場來研究一些其他的基礎物理,例如黑洞[註2],就能不假他人而自己可以直接研究它,一路走來,電漿尾隨場其實並沒有離開過他。

 

註1:2023 EPS Hannes Alfvén獎官方新聞稿  http://plasma.ciemat.es/eps/

註2:電漿尾隨場如果本身被加速,就可以當作一面加速的飛翔鏡來模擬黑洞的霍京輻射,加速飛翔鏡和真空量子躍遷互動的物理與黑洞事件視界附近的真空躍遷有類似效應。臺灣在AnaBHEL實驗負責最重要的兩個元件,一個是霍京探測器,另一個是具有密度梯度的電漿,讓雷射穿過時,背後的尾隨場 (或飛翔鏡) 隨雷射的速度一路加速至光速。

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