台大物理系／所 張慶瑞教授
| WeGenius第9刊‧2003年 |
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台大物理系
張慶瑞教授 |
Q：物理系在某些研究領域和電機、材料系類似，例如固態、光電等，多數的學生會認為，電機、材料是偏重工程，而物理則是偏重科學。這樣的想法正確嗎？
Q：對物理有興趣的學生，可以選擇就讀物理系，也可以選擇唸電機、材料這些工程學系。主任認為具有什麼特質的學生適合唸物理系？具有什麼特質的學生適合唸電機、材料？
Q：物理系在大學部是否有安排與高科技相關的理論或實驗課程，提供給對高科技有興趣的同學選修？
Q：生物科技是目前相當具有發展潛力的一項新科技，物理的研究和生物技術有沒有關聯呢？生物物理的研究內容是否就是在整合生物和物理的研究領域？
Q：奈米科技是現在相當熱門的一項新興產業。奈米科技與物理相關嗎？從物理的角度來看，究竟什麼是奈米科技？它對人類的生活究竟有什麼樣的影響？
Q：物理系在某些研究領域和電機、材料系類似，例如固態、光電等，多數的學生會認為，電機、材料是偏重工程，而物理則是偏重科學。這樣的想法正確嗎？
其實大部分的人對於物理系的的印象都是十分刻板的。以前在求學的階段，親戚朋友聽到我讀台大物理系時，態度都是覺得相當不可思議。所以在唸書的過程中，最大的障礙不是自己的意志力，而是要不斷去說服其他人：唸物理是可行的，是有未來前景的。
對於自然科學有興趣的高中生，是很容易對物理跟數學產生興趣的；因為這兩個科目跟高中生的生活比較有相關，容易吸引高中生。但是很多家長認為唸純物理的人，大學畢業以後一定是去教書的；因此望子成龍，望女成鳳的父母們，常常是學生就讀基礎科學的最大障礙。我們最近跟學生家長互動發現，最需要教育、說服的或許是那些對於物理不夠認識的家長們。
為什麼近年來物理越來越重要呢？其實原因很簡單：在緩慢變遷的早期社會，利用在大學所學到的單一技術，便足以應付自畢業後至退休之間約四十年的工作生涯；而近二十年來，由於知識不斷地快速累積，相對地科技應用也不斷地改變，所以往往大學所學的東西，無法跟上時代改變速度。我曾經看過美國的一份統計資料，平均一個大學生在畢業後的工作生涯中，一直到退休之間，會換四到五份不同型態的工作。這也說明了，學習單一種技能是沒有辦法在現代社會站穩腳步的。
常常有人說：與其給你魚吃，不如教你如何釣魚。工程師就是扮演著教你釣魚這樣的角色；而物理學家則是更進一步，既教你釣魚，更教你用不同的魚竿釣不同的魚，一旦找不到適合的釣魚竿，還要自己做一支魚竿。這就是物理所學的：如何找到有效而且節省的方法來處理問題。它教你的其實不是一種技術，而是基本的知識；這使得在一個人四十年的工作生命期間，可以利用基本知識來重新適應時代的變化而要轉換職業也是比較容易的。
從我們物理系畢業的學生，真正留在學術界的大約只有低於三分之一的比例；一畢業便進入工科或漸漸轉換軌道的也都各佔了約三分之一。我常常覺得：從高中剛剛畢業的學生，不論是在知識或是就業的領域，總以為自己夠成熟了，但是對於自己的志向、抱負多數人都是不確定的，就像初抽芽的幼苗；這時候便進入工科，好比急著把這棵小樹砍下來，做張小板凳推上市場；相對地，唸物理系是等到這株小樹苗長成大樹之後，再把他拿來建房子、蓋大樓。如同孔子曾說過的『君子不器』，大學部的物理系不企圖將學生定型，端看學生的能力，造就自己的未來，但是也有些學生，在唸完物理系後，發現自己的特質，此時已夠成熟的他，便較容易地進入各領域的工科研究所來繼續深造，這一階段所學的不過是如何將木頭切成不同的形狀罷了。因此，在這個知識快速累積、職業迅速轉換的時代，物理系便充分地顯現出它的特色。
再者，物理系所學的東西並非市場上目前主流的產業。台積電的總經理蔡力行，是台大物理畢業的；而台積電的眾多副總之中，也有許多的人是畢業於台大物理系。為什麼這些人不是從電機系出來的呢？在我唸書的那個年代，電機系學的電子學還是從真空管開始學，當時半導體大部份只是學理上的東西，物理系那時候唸的是這種材料的特性，和其未來的可能。二十年過去了，半導體產業已經變成了市場主流，那麼當時在二、三十年前唸物理系的便是最瞭解它的人；也就是說，學工科的人，在時代的快速變遷之下，所學的在就業時就有可能已成為夕陽產業。早期因為中鋼的興盛，機械系成了前幾志願；再過一陣子。隨著台塑企業的崛起，化工系便去而代之成為跑到熱門科系；接下來電機系又接了棒。但接下來，誰能預料台積電仍然是未來二十年後最主流的行業呢？高中學生自進入大學到就業上軌道，大約有十五年的時間，到時候的主流還會是現在的台積電嗎？這的確讓人打個大問號！而物理系能夠激發出無限的可能，奠定學生穩固的基本知識，讓他們從大自然的定律延伸出未知的一片天。
Q：對物理有興趣的學生，可以選擇就讀物理系，也可以選擇唸電機、材料這些工程學系。主任認為具有什麼特質的學生適合唸物理系？具有什麼特質的學生適合唸電機、材料？
常聽到一個笑話：一個數學家，物理學家和一位工程學者。字紙簍著火了，數學家過去看起火的地方，再看看旁邊的滅火器，說：這存在一個解救的辦法，所以問題已經解決，便繼續辦公。物理學家看了便開始分析，究竟是什麼原因使字紙簍著火？此時的溫度是多少，需要在怎樣的狀態下，在最短的時間，最有效的把它解決。工程學家看到了，就馬上把手上的一杯水倒下去。這笑話的確有一點誇張，但卻真實地反應出這三種領域的人不一樣的特質。數學家考慮的是這件事有沒有它的嚴整性、存在性或是唯一性；有這些條件他就滿足了，不一定會強調要如何有效地解決。物理學家常常從頭到尾企圖了解，希望找出一個最有效、共通的方法來處理所有的問題。下次如果遇到相似的情況，這套方法便可以再拿出來用。工程學家則是看到問題馬上要解決，至於這個方法是不是最有效的、或是最快的，並不是他所關心的，反正只要解決就好了。這三種個性其實各有好處。可是當你所面臨的世界變化太快的時候，你直覺式的反應或經驗式的反應，不一定永遠能解決問題。物理學家在一開始要解決問題要花很多時間，但一旦他掌握到這些問題的共通性時，就可以拿來套用。這就是工程學家和物理學家不太一樣的地方。
我常常跟學生的家長講，什麼樣的學生適合唸物理系。第一點：唸物理的學生是很有自信的，不太相信課本，也不太相信老師。因為唸物理有個特色，就是要挑戰權威。如果不挑戰權威怎麼可能會有所成就。第二點是，做事情要很認真。因為物理研究的就是宇宙的真理。沒有認真的精神是很難去追求事情的真相。除了認真之外，還有一點很重要的，就是認錯；當發現自己錯了，能很快承認自己的錯誤。這一點我覺得這在很多領域是看不到的。認真、認錯和挑戰權威；還要有求新知的慾望。我在拿到博士學位之後曾想過，從此之後不用再考試了！不用再唸書了！但實際上之後讀的書卻比以前更多。享受讀書，讀書慢慢就變成一種興趣。
我是做理論的；幾年前我有一個碩士班的學生，到一家電腦公司去寫遊戲程式，後來這家公司投資做CD-R，看他是物理系的背景便派他去英國受訓，學習如何做CD-R，那時CD-R在台灣才剛起步；剛開始英國的工程師都很瞧不起從台灣來受訓的這些人，後來在有一次的聚會中，大家在討論有關於雷射的問題，大家都知道怎麼應用雷射，但卻沒人知道雷射究竟怎麼來的，於是他用一個小時跟英國工程師們上一堂雷射原理的課，從此這些人就很佩服他。
我要說的是：物理其實給了你最基本的東西，畢業後的工作如果不是做研發，製造工程師的路其實是很狹窄的；他所需要的工作技能可以靠半年或一年去慢慢熟悉，那為什麼要用大學四年來學這麼多東西呢？這目的是希望訓練你有無限的可能性。當你走不了某條路的時候，可能會換另一條路，但是在新的跑道上你所學的夠不夠用呢？如果不夠勢必要再學習新的知識，而學的時候有沒有底子去學呢？這就牽涉到你大學研讀的課程。所以，從我來看，唸物理最大的好處，第一點：縱使大學部唸完其專業性還不夠，但是他可以發展的空間卻很大。社會大眾近幾年來對於這個認知加深，使得我們物理系無論是大學部或碩士班的學生人數都有大幅度增加，素質更是提升了許多。第二點：在我唸大學之前的幾年，人人要進物理系是因為想得到諾貝爾獎，那是李、楊的年代，而現在做這個夢的年輕人雖然少了，有某部分的人，知道自己不是大學畢業馬上就業，他知道他的能力更好，發展應該更多，但是又不確定自己到底對那邊有興趣，這時物理系是最好的地方，讓他玩四年學更多東西後，再決定自己的方向。
我們在大學部入學的標準上，加重了數學和物理的計分，因為我們希望收到這兩個科目比較好的學生；今年台大電機的甄試入學有四個人沒有去報到，其中三個來了物理系，一個去了資工系。我常常開玩笑說，如果我想推動大家對於物理系的認知的話，我絕對不企圖在學生上面多作宣傳，反而是家長。有一年，一位北一女的學生和母親來找我，媽媽一直拜託我勸她女兒別唸物理系，叫她去唸醫科。這其實讓我很困擾，因為我無法判斷現在的建議對這個孩子是不是最正確的，坦白說，到了大二的時候，有些人覺得唸物理很愉快，有些人卻會感到無趣；因為高中的物理比較屬於直覺式的，數學的結構並不是那麼完整，在大學時，有些東西慢慢會變的抽象起來，離開現實生活，單靠感覺是不夠的，除了實驗以外，還要透過數學工具。在高中能把古典系統唸的好的人，不一定在大學也能順利的瞭解近代物理。
Q：物理系在大學部是否有安排與高科技相關的理論或實驗課程，提供給對高科技有興趣的同學選修？
我們目前有應用物理學程、理論物理學程、天文物理學程以及實驗物理學程。學生在大四把必修課唸完以後，假設他想繼續走物理，那他就可以修一些物理系開的課，像是量子力學、統計物理或者古典電動力學、天文物理。至於不想走的人，便可以選擇應用物理學程，這個學程就較為寬廣，更可以到其他的系所去選修他們開的課程。我剛剛提過的，其實現在物理的知識發展到一種產業是很快的；工學院或電機學院做的是比較市場取向的東西，這種量產的東西它的壽命是多久無法確定。台灣的物理系比較偏重基礎，但是在國外，有一個灰色地帶叫應用科學，所謂的應用科學就是產業導向的基礎研究，然而一定要先有科學才能應用。這部分是台灣比較缺乏的。也就是說，學校裡面教學應該是市場上往後十年到二十年有機會出現的東西，因為培訓一個學生就是需要十到二十年的時間。而想就業的話，一間能教你怎麼操作的職業訓練所就夠了。物理系偏應用的部分和電機學院往基礎走的部分，是可以連接起來的。這塊領域在臺灣是一直沒有被好好定義出來的。
物理系研究的最左派能大到天文的尺寸，利用偵測遺跡探討宇宙的形成，我們和夏威夷的觀測站合作，因此做這方面研究的學生常常可以去夏威夷。另外遠比奈米為小的費米（10－12米），像我們研究的高能粒子也是研究的重點，但這些都還只是萬物的基礎，還談不上是應用，但相對的附加價值卻是比想像的多更多。舉個例子：我們今天常常在用的World Wide Web（WWW）是誰發明的你們知道嗎？是一位高能物理學家發明的，他只是忘了去註冊、申請專利；當初發明這個東西的動機是為了與其他物理學家分享資料。這些人製作了網路是因為他們有這項需要，卻有想不到的附加價值。另最右派包含熱、聲、光、電與磁，這些也就是應用科學的基礎，近代的工業革命與奈米時代都源自於這些物理。
舉例來說，如果一公尺像地球這麼大，那一奈米的尺寸，大概就只有彈珠那麼大。到了奈米世界的物理法則，和古典物理的牛頓定律是差很多的！平常學到的能量、速度、位置的變化都是連續的，到了奈米尺寸很多都變成不連續的，這部分的較特殊的物理法則就稱為量子物理。
為什麼我們對古典力學的東西比較有把握？因為這些是看得到，可以累積經驗，比如說打撞球，怎麼打它會旋轉，如何轉彎、定桿、拉桿，很多是靠經驗的累積，然後進一步可以從力學的原因了解為什麼會有這樣的結果。然而奈米的東西，我們無法用肉眼去察覺，必須經由一些特殊儀器的輔助才能操作或看見這些東西。但是這和打撞球一樣，操作或觀察得到的是經驗，接下來想要設計新的東西，有兩種方式，一種是不斷嘗試錯誤，可能會做出成果；另一種就是先了解它的基本定理，再進行設計。嘗試錯誤往往需要比較久的時間，如果有了知識，就會進行得比較快，所以我們需要這麼一套知識，而這一套知識就是量子力學，目前為止在奈米世界還沒有發現違背量子力學的東西出現。
在古典物理的世界，看一個東西的移動，像一顆球滾過去，它是連續的；到了量子的世界，它就不一定是這樣運動，它的能量變化會呈現一種階梯式的分布，只有某些特定的能量它才會存在。粒子的出現是一種機率，它在任何地方都可能出現，只是有得地方多，有得地方少，和古典力學是非常不一樣的，球的概念已經不見了，變成了一種機率波的概念。也就是因為這個原因，有了量子穿隧效應。在古典的世界裡，假設有一座山，有一個質點遇到了這座山，它是過不去的，除非它的速度很快，因為它遇到了一個位能障礙，動能不夠是過不去的。量子的世界，即使動能比位能低，它也可能過去，在山的另外一邊出現，只是出現機率大小不同，動能越高，出現的機率可能就越大，山越窄、位能越低，過去的機會也越大。不過古典的世界和量子的世界最後還是要合在一起。當古典的尺度越來越小，量子的尺度越來越大，中間出現了一個過渡區，現在有一個名詞叫做介觀物理，介於古典的宏觀與量子的微觀。
Q：生物科技是目前相當具有發展潛力的一項新科技，物理的研究和生物技術有沒有關聯呢？生物物理的研究內容是否就是在整合生物和物理的研究領域？
磁造影術（MRI）、X-ray檢測術，這些把物理方法應用於檢測生物系統的技術，屬於早期的生物物理。近幾年的生物物理，相對地，則是把生物系統拿回來研究裡面有哪些物理現象存在，這是屬於跨領域的研究。我們常常聽到基因的序列被解出來了，是利用化學方法解出來的。但是解出來的基因序列，在生物體裡必須排列成三維的特定形狀才會有生物功能，而物理學家就是在研究這一長串基因如何形成一個像麻花一樣的形狀，以及為什麼要變成這樣的形狀，才會產生生物的功能。這就是所謂蛋白質摺疊的研究。此外，生物體裡面有很多薄膜，有些物質可以通過，有些就不行，有些又好像”芝麻開門”一樣，有了通關密語就過去了。其中就牽涉到一些物理機制，這就是屬於分子生物學的範疇，在微觀的生物世界中，找尋特殊的物理現象。這個領域在我們系上是屬於一個較新也較難的領域，目前我們也希望可以延聘到更多位這方面研究的教授。
Q：奈米科技是現在相當熱門的一項新興產業。奈米科技與物理相關嗎？從物理的角度來看，究竟什麼是奈米科技？它對人類的生活究竟有什麼樣的影響？
物理學家定義的奈米科技和有些人所定義的不太一樣，並不是把東西做小就叫做奈米，從物理學家的定義，到了這個尺寸以後，有新的物理現象、新的性質產生，甚至有新的應用，才有意義，這些東西有了以後，才叫做奈米的產物。
奈米科技對我們生活的影響一定是很大的。有些新的物理性質我們甚至還不知道要如何應用。而且所有的東西做得又輕、又薄、又小，卻具有相同的功能，譬如說將來的世界，一個手錶，就可以有手機、PDA等等的功能。像我們的奈米資訊儲存中心，裡面主要研究兩項課題：近場光學以及反鐵磁耦合儲存。這兩種技術是利用不同的方式儲存資料；前者用光，後者用磁。最近實驗室已經做出一平方英吋，約大拇指的大小，便能容納130 Gb，預計兩三年後便能量產；十年後預計可以到1 Tb，這意思就是說：你只需要戴條項鍊或一個耳環便能將你一生所需要記憶的東西全部儲存起來，如此一來，甚至會影響到人的學習與記憶習慣。
所有的物理性質，不外乎熱、聲、光、電、磁。就人類的歷史來看，每一次的革命便是一種新的物理性質被提出來。像蒸汽機的發明，就是熱的一種應用，之後才產生了工業革命。接著是電的應用，一直到半導體、積體電路等等。到現在則是慢慢發展出光的應用，像各種光顯示、光儲存等等。接著下來就是磁的應用。磁是從最早指南針就開始被應用，但今天所說的磁和以往我們所知道的磁不盡相同。有一個叫做自旋電子（spintronics）的觀念，大概在十年之內馬上要出來，相信還會產生一個新的產業革命。
我們都知道，電路裡面有電荷流動而形成電流，但是其實電子除了charge（電荷）以外，還有spin（自旋）。這就像是撞球，以古典物理的角度來看，撞球它本身是有質量的，質量好比電荷，而自旋就是球的旋轉方向，施力點的不同便會造成球不同的旋轉方向；兩球相撞的時候，質量並不會消失，但是他們的旋轉方向卻可能會改變。今天我們有奈米的技術，我可以控制它一直維持同一個方向旋轉，這時候我們會發現這些電子有兩種旋轉方向，一種是自旋向上，一種是自旋向下，所以在一個線路裡，自然就會有兩種載子，一種是自旋向上的電子，一種是自旋向下的電子，這個東西在奈米的尺度之下是很容易控制的。那它有什麼應用呢？我們都知道半導體裡面，有兩種載子，一個是電子，一個是電洞；而現在金屬材料裡也出現兩種載子，就是自旋方向相反的兩種電子，所以半導體能做的事，自旋金屬都能做。而且它是磁性材料，像硬碟就是磁性材料做的，記憶是永遠存在的，我們稱之為非揮發性的記憶體。我們每次用電腦時，一開機，就要等一段時間，等磁碟裡的資料傳送到RAM裡面，因為雖然磁碟的資料是一直存在的，但是RAM裡面的東西，電一拔掉，就消失了，我們叫它揮發性的記憶體。如果RAM可以用磁性材料做的話，以後電腦開機就不用等了，這個功能叫做Instant-On，大概三年內會出來，開機就跑，就像開電視一樣。手機裡的材料也可能會換成這種磁性材料，因為現在手機用的都是揮發性記憶體，很耗電，所以要不斷充電，若換做非揮發性的記憶體，不使用時是幾乎不耗電的，可以很省電。
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