1988年8月號

九十度的震撼-吳茂昆超導物理世界

文 / 楊孟瑜        1988-07-15

九十度的震撼-吳茂昆超導物理世界


超導體研究專家朱經武當選中研院院士時,第一個反應是:這份榮譽應歸功於兩位以前的學生、現在的同事--吳茂昆是其中之一。生長在花蓮鄉間,揚名於美國科學界的他,突破了物理學研究數十年的困境。五月間返國時,他表演了「姜太公釣魚、離水三尺」的超導實驗,也為人類未來生活勾勒出美麗的超導新世界。

今年美國國家科學院Comstock Prize的頒獎典禮上,出現了兩位華裔人士--吳茂昆和朱經武,他們合力創出的高溫超導新材料,將可能改變未來每一個人的生活。

同樣「喜歡做新東西」的吳茂昆和朱經武,得到的這項美國物理學界極高榮譽,每五年才頒發一次,自一九一三年成立至今,全世界只有十九人得過獎,其重要性可媲美諾貝爾獎。

實驗突破,兩手發抖

得獎的源起在於一九八七年一月間,他們一口氣把超導溫度提高到絕對溫度九十幾度,突破七十年來的物理學研究瓶頸。淡江大學研究所畢業,任教於阿拉巴馬大學的吳茂昆正是這場突破性實驗的大功臣。

「電阻一直往下掉,我一看就跳了起來,大叫We got it!」,吳茂昆今年五月間返國一週,在緊湊的行程中接受訪問時談到實驗突破的那一刻,「然後兩手發抖,搞了二十分鐘才平靜下來,重新把材料放到儀器上面。」

做出新材料後,吳茂昆馬上飛往休士頓,和一直共同合作的朱經武重複實驗,證實了這項被預期為將促成另一次工業革命的研究成果,「吳茂昆」這個名字也隨之不斷出現在媒體上,傳誦於科學界。

今年三十八歲的吳茂昆,在親人眼中是個活潑好動,而又對實驗研究無比執著的科學工作者,「晚上九點半以前打電話找他,他一定不在家,還在實驗室裡。」吳茂昆的二哥吳專儀又佩服又疼惜的說。

而他自己對科學研究的感受則是「因為我喜歡它,訂下目標,就投入進去,希望有一天能達到自己預期的成果。」

「我做學問的態度是在台灣培養出來的。」在花蓮土生土長,又在淡江大學唸完碩士才出國的吳茂昆說。

會玩,又不讀死書

他所說的為學態度,指的是獨立思考、不受拘束、自我要求極高;這些都和他在台灣二十多年的求學環境息息相關。

「我小學六年在玉里長大,中學六年在花蓮,大學、研究所在淡水,都是依山傍水,對我的影響很大。」圓臉、濃眉,個性開朗的吳茂昆笑談自己悠遊自然的成長環境。

在老師的印象中,吳茂昆從小就是一個「會玩,而又不讀死書」的淘氣孩童。小學高年級的自然課老師曾霖炳啟發了他對自然科學的興趣,這位同時也是他大姊夫的曾老師,至今仍記得吳茂昆「常常發問,問的範圍也很廣」。

隨後花蓮中學的自由學風使他「在沒有圍牆的環境下長大」;大學時期,淡江大力從國外請學人回來任教,給了吳茂昆更加確定要往科學研究發展的契機。

像大二的相對論課,由剛回國的教授陳惟堯講來生動又活潑,「我覺得很有意思,相對論裡有很多新的概念,以前沒有接觸過,慢慢就喜歡上了。」談起當年初探物理學領域,吳茂昆不覺聲調高昂起來。

學校教育讓他自由思考,發展興趣,家庭環境和兄姊情誼則讓他不斷自我惕礪,努力向前。

該爭取的就爭取

「我父親受的教育不多,但是他鼓勵我們自由發展」,母親早逝,又是十一個兄弟姊妹中排行老么的吳茂昆一直記得,兄姊們雖然讀書不多,但都憑自己的努力在社會上站穩了腳步,而且在精神和物質上不斷支持他。

在兄姊眼中,這個自幼在關帝廟前戲台子的吵鬧聲中,依然能靜心唸書的么弟,並沒有讓他們失望。一九七七年,在兄長的共同資助下,吳茂昆前往美國休士頓大學專研固態物理。

「他到的第二天就向系主任爭取了每個月美金四百塊的獎學金,然後把我們送的錢統統寄回來,自此以後沒有再花家裡的錢」,吳茂昆的二哥吳專儀記憶深刻,「我弟弟常講:該爭取的就要爭取。」

初到休士頓大學,擔任吳茂昆指導教授的正是和他一樣對固態物理有研究興趣的朱經武。兩人共同在實驗室鑽研多年,即使在吳茂昆學業完成,轉往阿拉巴馬大學任教後,兩人各領一個實驗小組依然保持密切聯繫,往同樣的方向研究。經過七、八年的埋頭苦研,終於聯手創出了物理科學的新紀元。

「我很欽佩他,實驗成果出來之後,願意和他的老師朱經武分享。」淡江大學理學院院長胡德軍對吳茂昆不忘本的特質讚賞有加。

吳茂昆的研究成果發表之後,不但使超導體研究重新熱門起來,而且令他所居住的阿拉巴馬州,從素以農業聞名而躍然在科學領域中也占有一席之地,當地報紙稱譽吳茂昆的成就是州裡「幾十年來從未有過的大事」,州長也表示要提撥經費,供這位中國籍的州民購置研究儀器。

至於吳茂昆自己,則在做出超導新材料的半年後升為正教授,創下了三年之內由助理教授跳過副教授而直升正教授的紀錄(平常這樣的升等過程大約要花上八年到十年的時間)。

這個突破性的實驗成果,對吳茂昆個人和科學界都造成新的轉變,而「更重要的是對科學教育的影響,讓大家對基本物理有瞭解和興趣,每個人都能談超導體。」五月間回國時,吳茂昆在淡江大學一邊做實驗一邊表示。

他掏出一片似鈕扣大小的乙鋇銅氧化物(正是他新做出的超導材料),在將近攝氏零下二百度的液態氮中,用磁鐵吸起這片超導體。神奇的,這片超導體卻和磁鐵保持距離的飄浮起來,呈現上空下空的景象,「這是姜太公釣魚,離水三尺。」風趣的吳茂昆這般形容自己的傑作。

姜太公釣魚

實驗在短短的五分鐘內結束,但這簡短的過程卻花了許多科學工作者數十年的心力,而且也將在未來的發展中為人類生活增加更多便利,節省更多能源,做更有效的工作。像高速的磁浮列車,更便於攜帶、更多功能的電腦,都可能由此發展成功。

「如果實驗結果和當初設想的一樣,那真的讓人很興奮,」吳茂昆道出了從事科學研究的樂趣:「我常常在實驗時和學生打賭,如果實驗的下一步和誰預測的變化一樣的話,誰就贏一塊錢。」

對於國內的科學研究他又有何建議呢?「科學工作是需要團隊精神的。」吳茂昆建議有志於科學工作的學生要經常動手做實驗,多想想會怎麼變化,學校也要儘量提供充分的實驗環境。企業界也不妨仿照國外,提供研究經費或獎學金,不但為科學教育扎根,也具有市場價值。

上個月,吳茂昆決定接受諾貝爾獎得主李振道的邀請,將在九月轉往哥倫比亞大學任教,和這位他「從小心目中的英雄」共同合作研究,在他面前的,又是不斷的新實驗計畫。

再等幾年回家吃晚飯

在發現高溫超導新材料前的幾個月裡,吳茂昆平均每天花十五個小時在實驗上,甚至時常睡在實驗室裡。在科學研究上他執著不悔,唯一遺憾的是對妻子一再抱歉,因為即使在獲得科學界的高度肯定後,每當妻子問他以後晚上是否可以回家吃飯了 這位全心投入研究的科學工作者的答覆總是:「再等幾年吧!」

美麗的超導新世界

很多人也許還記得電影「星際大戰」中的景象;各種大小型車輛在空中飄浮,以極快的速度行進著,平穩而又不費電。這般的科幻世界,「在高溫超導體被廣泛應用時,將不再只是空想。」旅美物理學者吳茂昆預測。

吳茂昆進一步解釋,所謂超導體,是某些物質在溫度降低到某一臨界數值之下時,物質的電阻會突然消失,電流暢通無阻。除了具有「零電阻」的特性之外,超導體還具備「反磁性」--把磁力線排斥到物質本身之外。

當這兩種特性發揮到極致時,前述科幻世界中類似磁浮列車的小型飛行工具就將在空中飛舞。

新世界鮮明可待

從一九一一年超導體被發現以來,超導材料卻一直無法被廣泛使用,主要是由於需要的溫度非常低,造成使用成本極高。所以提高超導材料的溫度,一直是許多科學工作者努力的方向。

但以往七十多年這方面的研究進展相當緩慢,只達到絕對溫度二十三度左右。去年一月間,吳茂昆和朱經武用乙鋇銅氧化物做材料,一口氣把超導溫度提高到九十幾度,重新振奮起科學界對高溫超導的研究,也使得超導體導向的新世界更加鮮明可待。

吳茂昆描繪的超導新世界是這樣的:

各地的交通將依賴高速的磁浮火車,或是小型的飛行工具;家庭用電費用將大幅降低,因為使用家電用品能源消耗極少;可以解決能源不足的問題,因為電力的輸送不再消耗在電阻上;而且電纜可以深埋在地底,消除了景觀污染的問題。

電腦更小更有效

而生活中不可缺少的電腦,將來如果用超導元件來製作,可能縮小到只有小型的計算機一般大,但功能要比今天的超級電腦更快、更有效。

科學界已把高溫超導體的發現,比擬為和上個世紀電力發現的情況一樣,是一個全新的科技革命。甚至有人預期,二十一世紀人們將活在「超導體應用的世紀」中。


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