【實驗傳奇】極限的養成 雷射冷卻在台灣

撰文/林韋萱(經典雜誌特約撰述)
攝影/徐安隆(經典雜誌攝影)

陽光和稻田間悠悠晃晃開往嘉義民雄的復興號上,耳機裡的ICRT逐漸被賣藥廣告蓋台的地方,車廂內交錯著豬雞舍和柴油鐵鏽味沾了我一身。我的目的地是一間顛覆常識的實驗室,這間實驗室曾創造出比南極洲、甚至比冥王星都還低的溫度。

中正大學物理所雷射冷卻實驗室裡,幾個同學正在研究室低聲討論。「喀啦」的開門聲像是暫停鍵,讓本來就很冷的實驗室氣氛瞬間凍結。研究室內的同學們停止討論、全身緊繃,警覺地看來者何人。

「老師來了嗎?」是這間實驗室的問候語。每天下午一點和晚上八點以後是「危險期」,接近這兩個時段,只要有開門聲,同學們的胃和眉頭就像擰毛巾般揪在一起。一般研究所的指導老師每週和同學meeting兩次就算多了,這間實驗室的老師更是一天兩次、幾乎全年無休到實驗室指導。

被老師「指導」得最厲害的,是即將畢業的兩位碩士班二年級同學。林志杰大概除了洗澡吃飯之外,其餘時間都在實驗室。

不論你多晚回家或多早到實驗室,總會看到他陰鬱地埋首在光學儀器間,整個人跟黑漆漆的研究室融成一體。對這間實驗室來說,刻苦耐勞是基本條件,效率和成果才值得稱許。另一個畢業生蕭博文的研究成果頗受老師肯定,不過也沒因此被少罵一句。
同學口中的老師,就是中正大學物理所副教授韓殿君。這間實驗室十年前由他所創,是他和所有實驗室成員生活的全部、也是他們未來希望的寄託。

在美國德州大學奧斯汀分校念物理博士時,韓殿君投入了諾貝爾大熱門,研究費時又艱澀的冷原子領域,後來又到加州大學柏克萊分校物理所做了兩年博士後研究。二○○○年回台灣,原本順理成章,可以延續「與諾貝爾擦身而過」的光環,接手大學校更好的資源、順利開展在台灣的研究生涯。

如果,當初選擇趨吉避凶,也許就不需要埋怨這間學校資源不足;也許就不會有找不到博士生的窘境;也許可以花較少的時間應付教學和行政工作;也許有更多時間來做他喜愛的研究。

然而,可能像他講的,就是不喜歡台北;也可能是為了證明不撿現成也可以做到最好。韓殿君偏偏選了中正大學來建立雷射冷卻實驗室。從一開始連地板都沒有,到現在,這間實驗室擁有全台灣數一數二的設備和規模。

初次見到韓殿君,就是在實驗室裡。就像同學事先安撫我的:「放心!老師對自己人很兇,對外人很親切。」帶著黑框眼鏡的韓殿君,一身陽光休閒打扮,大聲向我介紹實驗室,不時大笑起來,和周圍同學凝重氣氛顯得很不搭。

寒冷漆黑的實驗室中,三張光學桌上貼了驚悚斗大的字條,例如:「嚴禁擅自拆卸任何桌上元件(不懂時,請詢問)」或「超高真空腔!請勿碰!手印=>汙染」。目前一張桌子正進行林志杰的實驗;另一張桌子在做光速減慢的研究,由台灣大學畢業、來學習順便等當兵的哈立忠負責,他常透過夜視鏡擠眉弄眼地調整元件角度;第三張桌子(姑且稱之「神桌」)上進行的,才是韓殿君真正重視的實驗。

由於純科學領域,先天比較難找工作,外加這間實驗室壓力大得遠近馳名,韓殿君十年來只有一位博士生,中途也轉到別的學校了;由於韓殿君不會因為要留住學生就改變作風、放下身段挽留碩士班同學繼續攻讀博士班,所以萬事皆備只欠人才,神桌的實驗停擺一年多了,還找不到人接手。

何謂BEC?

神桌進行的研究是「玻色.愛因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensation, BEC」實驗。二○○三年,這裡是台灣第一個達到BEC的地方,台灣物理界曾為之震動。許多放棄更知名的學校、慕名投入這又苦又累又地處偏僻實驗室的學生,欽慕的就是這號稱物理界聖杯的BEC。

印度物理學家玻色(Satyendra Nath Bose)視愛因斯坦為「導師」的原因很容易理解,如果不是愛因斯坦的慧眼,這個低調的天才可能就只是平平凡凡地在印度當個老師,維基百科上可能就找不到這個人。

一九二四年,才三十歲的玻色寫了篇〈普朗克原理和光量子〉四處投稿,一再被退稿後,乾脆把文章轉寄給最重量級的科學家愛因斯坦。愛因斯坦發現了這篇文章的重要性,幫文章翻譯成德文發表,並將玻色的理論推廣,提出玻色.愛因斯坦凝聚。

先別擔心你沒聽過玻色.愛因斯坦凝聚,事實上你的中學物理老師也不一定聽過。先來了解物質有幾態?一般人答得出固、液、氣三態;能說得出「電漿態」為第四態的已經不多;而BEC更是到一九九五年,才證實存在的物質「第五態」。

一般說來,原子的氣體被冷卻時,會從氣體變成液體,再從液體變成固體。但是極度低溫的時候,這些一顆顆的原子會「看似」愈變愈長,變成一條一條的蠕動的波。繼續冷卻下去,這些蠕動的波會重疊糾結、凝聚在一起。本來能區分得出哪顆原子是張三、哪顆是李四,但是在極冷的狀態下,這群原子看起來就像一團「你泥中有我、我泥中有你」的超級大原子。

極冷指的是0.00000001K(10-8K),差那麼一點點就達所有原子都凍僵的絕對零度。當我們說A物體比B物體熱,代表A物體中的原子運動速度比B物體快。如果想要冷卻一團原子,可以把他放進冰箱,讓他速度變慢。但冰箱的溫度、甚至攝氏負二百度的液態氮,都不足以讓這團原子冷卻到足以達到BEC的程度——10-8K。

在BEC理論提出的七十年後,因為可以冷卻到接近絕對零度的設備與技術遲遲未出現,BEC也因此無法被證實。

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調整光學元件 ↑ 同學手中的紙板,可以讓肉眼看不見的雷射現形,以方便調整光學元件。
雷射冷卻實驗室 ↑ 韓教授向來訪的台北科技大學教授莊賀喬(左二)介紹雷射冷卻實驗室,雙方切磋如何使實驗設備更不占空間,聆講的學生神情肅然。(攝影/陳弘岱)
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