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2016夏至『清華‧諾貝爾物理大師』傅利曼暢談生命的軌跡

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撰文者:國家理論中心物理組採訪整理
發文日期:2016-11-26
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  • 前言:2016年7月12日,諾貝爾物理學獎(1990)得主Friedman教授應邀蒞臨國立清華大學,以「觀察質子中的夸克」為題,發表了一場「2016諾貝爾大師在清華」的通俗講座。會前Friedman教授應國家理論科學研究中心主任朱創新教授邀請,參訪國家理論科學研究中心,並與中心研究人員進行交流。當天Friedman教授也與朱教授、張元翰教授等人做了一場會談,會後並接受媒體記者採訪。 Friedman教授於本次訪談中除了深入淺出地提及他當年發現夸克的實驗過程,更分享了他自己求學、投身物理、專注研究後一路走來的經驗與感想,並以他個人角度侃侃而談對當今物理實驗的發展、學生的訓練與生涯規劃等議題之洞見。 我們將當天談話內容記錄整理並部分譯為中文,希望能將這難得寶貴的內容以淺顯易懂的面貌呈現,讓更多讀者能一窺大師風采。

    主持人:朱創新(國立清華大學物理系教授,國家理論科學研究中心主任;以下簡稱)
                張元翰(國立中央大學物理系教授,科技部自然署物理學門召集人;以下簡稱)


    :你先前曾提過你由藝術轉到物理研究是因為狹義相對論;不過那還是屬於理論研究。所以我很好奇是誰引導你進入實驗領域,並且締造如此成功的職業生涯?

    Friedman: 嗯,這是個相當有趣的問題。其實在我進入物理系時,我曾經想過成為一名理論學家。畢竟我讀過愛因斯坦的著作,而他是一位理論學家,所以讓我也萌生成為理論學家的念頭。當Enrico Fermi 給我們上入門課程時他說了:『在接下來的二十或三十年裡,最炙手可熱也最重要的事情將會發生在實驗領域;我建議你們全部進入實驗領域。』當一個如此偉大的人這樣說了,除了一、兩個例外,幾乎全班的人都進入了實驗領域。當這位偉人說實驗很重要,我們就深信不疑全投入了實驗。結果顯示他是對的,那段時間可說是一段黃金年代。首先他發現新的粒子確實是基本粒子,並且在接下來的十到十五年,我們找到了所有粒子;因此我們有unitary symmetry,然後有標準模型。標準模型在1973年奠定了其重要地位,但這還是要基於實驗,當時我稍微深入思索了一陣。事實上,他過世時還在芝加哥做實驗。Enrico Fermi發現了這整個系統中第一個新的基本粒子,這是物理中一件非常重要的事。

    :你剛提到了Fermi。我們知道楊振寧跟李政道都是Fermi 的學生。楊振寧原先也因為Fermi 而想成為實驗學家,但他實驗做得不太順利,所以之後就轉做理論物理去了。

    Friedman: 我不太清楚這件事情,不過還滿有意思的。Fermi 對於事情的理解相當深入,我認為他的意見具有極高的參考價值。

     
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    :如你所知,我是做實驗的。你提到了學生時代,所以我想問個關於學生的問題。我想目前學生的現況與你所經歷的有不小差距;現在我們常面對相當大型的實驗,執行過程也十分耗時,同時學生也必須經常處理與物理並不直接相關的工作,像是焊接或調整電子儀器之類的。即使在他們開始取得數據和做物理分析之後,可能也沒有什麼新發現。不同於你剛才所說的黃金年代,新的發現可能每二十年才有一次,所以身處這樣的環境三、四年後,學生們常感到相當的挫折。他們在剛進入物理領域時對此懷有高度熱誠,但在經過這樣的訓練與環境後,他們的興趣很容易會被重複性的技術工作消耗殆盡。我想請問你是如何指導學生,讓他們能夠保有對物理的熱情以及興趣?

    Friedman: 每個人都肩負一些我常說的『busy work』,我也不能避免。重要的是,要讓學生保持對物理的興趣,以及確保他們了解吸引他們的是什麼。你們知道的,實驗最終的數據分析才會被寫進論文之中,我們不會將繁複冗長的技術步驟一併說明。大致上我們還是會了解到一些概念,或許不是全新的發現,但可能是新的看法;若非如此,這就不會是一篇論文了;一篇論文必定要包含新的事物。我們必須要強調這一點,引導學生如何追尋他們的熱情所在。當然,我們還是不斷地尋找並試圖了解某些東西,只是有些時候我們一無所獲。但在實驗過程中我們還是可以得到新的資訊,而且有時出乎意料地重要。舉個搜尋超對稱的例子:你可以讓你的學生在某個能量範圍尋找超對稱的跡象,但超對稱依然沒有被發現;雖然沒有發現,但卻提高了超對稱的質量限制。不過你知道若超對稱要在高質量的地方出現,他就無法完成我們期望他能達成的事情。所以這件事還是相當重要。

    所以學生仍然有很多事情可以做,最重要的是要讓他們專注在這些事情上。我認為有些學生對此失去熱情,是因為他們沒有確實地被引導到物理世界中。

    :是的,我們還是會發現有些學生在此過程中逐步提升他們的興趣,並在最終做出成果;但有一些人就失去興趣,並轉向技術方面的工作。

    Friedman: 我想這部分並沒有對錯。假使我的學生因為喜歡技術方面進入業界而不繼續鑽研物理,誠如我剛說的,你應該做自己喜愛的事情。他們進入業界,並且做出貢獻,這也不錯啊!如果他們不做粒子物理,這也不會是什麼悲劇;假若你真心喜歡粒子物理,你就會繼續留在這個領域裡,物質所得不會是你在意的首要條件。物理學的範圍十分廣泛,而你訓練了他們成為物理學者,一名物理學者應該具備轉換領域的判斷能力與執行力,實際上也的確有不少這樣的前例。若我們試圖將人限制在一個窄小的範圍內,就不能稱得上是一個好的指導者。而這也是粒子物理目前要面對並反思的一個問題。

     
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    :某種程度上來說,目前研究現況和大約六十年前已不太相同;現在我們已擁有不少完備的理論。許多實驗學家經常嘗試驗證或嘗試提高限制,但問題是我們需要新的發現,不像六十年前,我們能夠不斷地獲取新的發現、新粒子與新現象。我們該如何面對這個瓶頸?

    Friedman: 在某種意義上,這可以說是科學的成功,不過在這種成功之下也比較難做出新的發現。標準模型相當的讓人驚訝,同時也非常的厲害,但即使如此,我們還是知道其中有不少缺陷存在;我們相信有些尚未被發現的東西可以指引甚至修正這些缺陷。在這個領域中,我們不自覺習慣性等著理論學家做出一些預測;我們常等著一些理論學家做出預測,然後再去驗證這個預測是否合理。某些時候,我們應該找出新的現象,而不是總期望著計畫性的發現。例如quark bound ,這就是一個不依賴理論的粒子。當時我們其實是想了解質子裡面有些什麼,有些人認為質子很奇怪,於是我們就仔細地觀察質子。我們並沒有在尋找夸克。我們的小組並沒有刻意在尋找甚麼,然而最終我們發現了夸克。這個發現可以說是個計畫,但它並不在我們的計劃之中,因為我們根本沒有預設任何立場,沒有任何理論給我們提示說:『做這個,你就會發現夸克!』就結論而言這真的很有趣。

    :他們沒有模型。      
                                           
    Friedman: 的確沒有模型。比方說,有些想法是在大氣中或是物質中找夸克,但終究沒有找到。我們該怎麼面對這狀況呢?Murray Gell-Mann寫了一本書,書中有一隻獅子做了結論,說我的朋友發現了一個尋找夸克的方法。但以某種角度而言這並不算是我們的功勞,因為我們實驗的目的並不是為了尋找夸克,我們只是想要看看質子裡面有些什麼而已。當時我們做了一些類比預測,試圖打破一個質子然後觀察散射的電子,普遍人都無法接受這想法;大家覺得我們就這樣試圖從質子裡面找東西,真是瘋了。

    :我了解,這像是我持續敲打並擊碎一台車,然後想要知道車子的結構是什麼。

    Friedman: 對,就像是你用子彈不斷射擊一台車,破壞它,最後它爆炸了,碎片散落一地。結果我們不去看什麼從車裡面跑出來,甚至不去檢查那些碎片,然後說:『我要找出這台車有些什麼!』

    :一定有什麼深刻的東西讓你知道這是可行的。

    Friedman: 嗯,這正是一切的核心,後續有許多關於這方法何以成功的討論。參與實驗的每個人都有不同的動機,並且對做這實驗有不同的想法或方法,我只能說我自己的想法;有人覺得,Kendall 說要這樣做,然後他會整理好理論部分。但其實當時他並沒有這樣說,更沒有叫我們這麼做,至少我沒有接收到這項指令。至於我的動機說來其實挺有趣的,之前只有我一個人在做粒子物理實驗。很難想像吧!然後我測試了一個模型,這模型說如果我們可以計算這東西,我們就可以把所有激發態加總起來,然後可以發現與exchange force有關的東西。這結論讓人十分驚訝。你知道,當你在量子力學裡面sum over所有激發態後,你就可以知道boundstate 是什麼。所以我想:『既然我不確定,為何不用質子來試試?或許會得到什麼新的激發。』所以我總是想做非彈性散射,然後再延伸到deep elastic scattering 。但這其實不是一個很具體的想法,僅僅是個臆測,最終我們執行了。在實驗進行前我們請了兩、三位理論學家預測電子跟質子散射會發生什麼事、怎麼預測cross section,他們說:『做這沒意義啊!別做這個!不有趣還浪費時間!』當然他們的說法比較委婉禮貌,但我們得到的回應大致就是這個意思。所以在我們開始做實驗的時候,我們其實沒有線索去了解我們得到的結果。這時我就想啊:『Fermi 會怎麼想?』當然我不是他,但至少我在他那裡學到了一些東西。所以我從一個簡單的模型出發,我可以跟你描述一下這個模型。當你做電子散射時,你實際上是在做光子生成。所以你大概有一個電子跟一個藏在質子裡的光子,之後他們作用產生各式各樣的粒子。所以這是一個虛光子生成的過程,而且可以直接量測。放入一個電子的propagator,大概是q 平方分之一,然後還有一個vertex function ,q 平方,;如果放進這個,你就必須要有個大小尺度,使得最後的單位是cross section 。在這邊你可以想到的大小尺度就是質子的大小了!所以當你有一個q 平方乘上質子的大小,這是什麼?這是form factor !所以你在做的就是有光生成cross section 乘上質子的form factor 及propagator。這就是你解出來的東西。

    接下來就開始做量測啦。我們開始不斷提高能量,十倍、一百倍、一千倍,之後就了解到裏頭的物理。然後我們發現到在質子裡還有個小得多的大小尺寸使得cross section 更大。接著我們花了不少時間,從這個提示做了一些計畫,排除了許多可能的因素。我們需要一些其他的量測,於是做了背景的deep inelastic scattering 。我們開始引起一些人的興趣,他們覺得:『喔!真是有趣!』所以他們給我們很多時間,我們也獲得很多關注。舉個例子,如果碳原子核的準彈性散射,那我們把碳給毀掉,這時候看散射的電子,就不是在看激發態,而是一片連續帶。對連續帶的中心做q 平方分析,就可以得到碳原子核中質子組成的平均form factor ,所有中子跟質子的平均。我們嘗試過這個分佈,大概是平的。等一下的演講中會有一些簡單的方程式。這些就是我們做的。

    :我了解,深刻的結果其實經常是可以透過一些簡單的估計而獲得。我們應該要訓練學生,培養他們擁有這種敏銳直覺。

    Friedman: 正是如此。就像我剛才說的,不管你做些什麼,都要能從這種基礎觀點去了解。就像Fermi 說的,如果你不能從這種估計去理解,那你就不知道你在做些什麼。他真的是這方面的大師!他在這方面有許多故事。像是當他航越大西洋的時候,他看到海面上的波動,依據流體力學所做的估計,然後就預測出了距離。他就是一個反應如此敏捷的人。像是他們試爆核彈的時候,他丟下一些碎紙,然後就估計出爆炸的能量。他真的很深刻的了解物理,所有人在他面前都相形見絀。

     
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    :接著我想問個有意思的問題,實驗領域的學生應該了解理論到什麼程度?就舉個你剛提到的超對稱探測當例子,對實驗領域的學生來說這理論有相當的難度,我不覺得我們之中大多數的人可以很深入的理解超對稱,但學生有些時候會花上許多時間去了解他的方程式或是結果。

    Friedman: 這問題挺有趣的,但這其實沒什麼答案。就說說我的學生吧。我要求他們了解他的推論及意義,或是為什麼會提出超對稱。當然,我希望他們了解超對稱到底是什麼、為什麼需要以及它有些什麼含義。一個學生能瞭解到這些,大致上就夠了。至少他們要瞭解到為什麼我們需要這個理論,為什麼會想要這理論。像是一些hierarchy 問題,或是些其他的議題。超對稱是個漂亮而傑出的概念,它的表達也相當準確。

    :這是非常技術性的。

    Friedman: 是的,因為其中有極其大量的參數。其中一個關於超對稱理論,我想起來的就有超過三百個,其他或許還有更多。所以若超對稱真的是對的理論,想像一下有多少參數要測量才能了解整個理論與所有的現象!在某種程度上,我希望能有其他理論達成相同的目標,而且不那麼複雜。我並沒有緊迫關注這部分,但我想應該會有。你們大概知道現在的極限在哪。

    :事實上,這也是個問題,因為越來越難偵測到超對稱的信號,理論學家開始做些更多參數也更複雜的理論。這讓我們有點挫折。我們需要了解為什麼今天突然有個參數要測量,或者應該將之排除。坦白說,我自己都很難了解所有理論上的原因,並且每天都會有新的想法。但我覺得你的建議很非常好,我會讓我的學生知道關於超對稱我們應該了解到什麼樣的程度,而不光是把所有東西都塞到腦袋裡。

    Friedman: 問題是所有東西都很複雜,並不是說學生沒有能力做所有的計算,而是他們沒太多閒暇,只是坐下來計算這些東西要耗費龐大的時間!不過我認為理解比較重要。

    :幫助他們做連結。

    Friedman: 是啊!但我相信你們都了解,許多因素會影響LHC 的數據,這跟LHC 有關,這之中有非常多可能的探索。你或許會想:『啊!這可能性幾乎可說是無法計量,我為什麼還要做這些呢?』但你還是該看一看、想一想。舉個例,有人建議d 夸克的某個東西很重要,所以應該有b 粒子。但誰能肯定呢?我的意思是,總有些東西是可以做做看的。看看那些數據,可能一次實驗就有一海票數據點。以往通常是一種途徑一項研究,路徑是很清晰明確的;但現在是數條途徑同時出現,你可以測量到所有東西。

    :我們該進行最後一個問題了。

    :我還有一個問題需要借助你的智慧。

    Friedman: 謝謝你稱呼我有智慧。(笑)

    :現在我們有很多大型的實驗,像是CMS 跟ATLAS ,並且每一年也都會要求我們提供更多的資源。他們需要更多的經費以利升級探測器。同時像我剛才提過的,我們也參與一些比較小的實驗。可是經費的總額是有限的,所以我們現在面臨一個選擇:我們究竟該繼續維持大實驗而犧牲小實驗呢?或做其他的決定?我們該怎麼面對這樣的狀況呢?

    Friedman: 這的確是個相當棘手的問題。我們可以由很多層面方式來思考,其中一個想法是:哪一個可以對科學做出最大貢獻。科學是什麼?科學的重要性又是什麼?對我來說最關鍵的差別就是『我們是否身處於那項實驗之中』。另一方面,同時做太多事情總是容易造成問題。我並沒有特別傾向哪一種方式,所以我並不想直接給你意見。但你還是要注意,如果把人太過分散,很多事情就無法達成。當然,即使你是在大實驗中的一個小型群組,也不代表你不能做出重要的事。我說這些話的原因是現在所有人都能取得數據,所以你不需要同時有一大群人處理數據的問題。你是指比較少的人嗎?大概十個?

    :是的。

    Friedman: 那就是個有效率的數目了,十個人已經足夠進行探索;但你還是要去尋找些什麼。當你在進行所謂的『計畫性的實驗』,同時間可能已經有一千個人在做相同的事情了,因為大家都會想做這些事。例如Higgs ,大家都想做Higgs ,因為它是一個很重要的問題。在這種狀況下,要有獨特的影響力就顯困難了。不過你可以找一些稍微偏離主流、但依舊能做出結果的方向,這樣也可以在這些方向上做出好的成果。這不是件壞事,你還是可以在大實驗中做出影響,但是要確保仍舊有足夠的人員進行這項工作。舉個例子,一個人在ATLAS 一個人在CMS ,這樣就會比較困難。但如果你有一群人,那你就可以找一些項目,並且做出貢獻。

    :好吧,時間剩下不多了,我們留一點時間給現場聽眾吧。如果你有問題想問請提出來。

    學生:當你還是學生時,粒子物理的未來一片光明,但現在跟當時已經有很大的差距了。所以你現在還會推薦學生加入這個領域嗎?或是對研究有些什麼建議呢?

    Friedman: 我認為你只有真的喜愛粒子物理才會進入這個領域。我的意思是,如果你開始考慮未來所有的可能性,你絕對不會知道該做些什麼。你必須要根據你的興趣去選擇你真的會想做的事。假如,因為某些原因粒子物理這個領域消失——我是說假如啦,這不會發生——你還是可以做天文物理啊。就很多方面來說,這領域並不會真的消失。領域之間彼此都有很深的連結。如果你想,你也可以把你學到的拿投入凝態物理啊。我想,如果你真的了解物理,只要經過一些學習輔助,你會有能力轉換領域的。如果你真的深深了解物理,這不會成為一個大問題。如果你因為喜歡而去做,那就儘管去做;就算有什麼狀況發生,你也能克服。別擔心所有可能發生的事,那只會綁手綁腳。當我還是個學生時,的確不斷有資金投入物理界,但我其實不知道是不是還有其他的阻礙;我只是單純覺得有趣、很享受做這件事,最後的確是有不錯的發展與回饋。其實也有可能並沒有那些新的粒子,我也可能沒那麼有興趣;但這終究是個非常精彩的歷程。你永遠也不知道接下來會發生什麼事,有可能我們在LHC 發現新東西,然後持續的建造更大的加速器。未來真的無法預測,就儘管做自己喜歡的吧!別擔心太多,不然終將一無所獲。我了解你的擔憂,但誰也無法確定任何領域的未來。

    :其實在物理的歷史中,每當我們覺得不樂觀的時候,就是有什麼驚天動地要發生的時候了。

    Friedman: 沒錯,這就是科學!試著想像五十年後科學的樣貌,但實在太難想像了。誰知道未來會發現些什麼?我都不知道750 GeV 到底是真的還假的了。

    :或是暗物質?(笑)

    Friedman: 是啊,如果是真的,我的天啊,接下來就會有一連串的問題出現。如果這不是真的,或許會有其他東西蹦出來也說不定。

    :謝謝你今天來到這邊並且與我們進行這場座談。讓我們再次感謝今天蒞臨的大家。


    本文由國家理論中心物理組採訪整理,感謝國家理論中心物理組同意刊登。
    更了解國家理論中心物理組,請上:http://phys.cts.nthu.edu.tw/~NCTS/main.php
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