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時空花絮

半本英雄帳,源自血淚史

  ~ 認真的來到錯誤的地方,幸運的走進正確的方向 ~

趙光安 教授 Koung-An Chao (1962級)


2020年2月  瑞典湖畔思廬

        我們這一代的同窗好友,小學、中學、大學的教育都是在台灣完成的。在那個年代,文化傳統根深柢固,社會結構穩定,社會價值有明確的標準,我們大多走上的一條不歸路,是考試名列前茅,按部就班的進入自己有興趣的學系,順利畢業後到美國,融入美國社會,故鄉就變成他鄉了。因此,我們求學、成家、立業的人生經驗都很類似,最大的不同也不過就是,有人走上平坦大道,有人繞了些彎路。1971年我從美國到瑞典以後,很少和同窗好友通訊。多年以後在台灣意外的遇到許仲平,他聽了一些我的故事以後,認為我的經歷「有異尋常」。2007年和馬英九談論國事,他看了我的簡歷以後,認為我的經歷「與眾不同」,一位是造詣精深的理論物理講座教授,另一位是科技的門外漢,居然對我的經歷有同樣的評價。在2017年10月5日,仲平寄來一封信,他提到 ”Thank you very much for your 簡歷.  But I am not satisfied because I have more questions every one or two sentences.  Indeed your experience is unique, interesting and too numerous to enumerate.  It appears that 1958-1968 and 1970-1975 are the two summits.  All physics students  would like to know more detail, including me....I wish you will be a narrator to the story.” 我同意自己是「異類」,也很明白為什麼自己是「異類」,但是要解釋清楚自己是如何變成「異類」的,就要從讀高中時所發生的事情開始。

​        在我們這一代成長的環境中,有一種逼人奮鬥的動力,待到老年回首,人人都亮出一本英雄帳。我只有後面這半本,因為我的頭一半經歷,篇篇記錄的都是辛酸血淚,而這頭半本正是我變成「異類」的過程。總結我前半生的,是這幾句話:

山前水已盡,棄舟攀登行。

峰迴路轉越嶺過,英雄帳裡寓酸辛。

頓回首,茫茫玄機難參透,原是造化弄愚人。

 

~ 奢望 ~

        王叔平、汪賢馴、和我在高雄中學同學六年,我們都是老師們眼中,各學科都得到高分的好學生。在高二和高三時,我遇到兩個,對我影響很大的老師。黃光輝老師教我們解析幾何和大代數,上課時他只花二十多分鐘很精闢的把重點講解得清晰透徹,然後叫學生們讀課本,他自己就穿插在學生中解答問題。在1950年代,坊間還有不少數學的參考書,著者都是留在大陸的有名數學家。因為我沒有錢買,就常常蹲在書店的一個角落裡讀這類書,有疑問的地方,就在上課時問黃老師。漸漸的和老師熟悉以後,就開始和老師討論我的心得及見解。有些無法在課堂上講解的深奧的教材,黃老師也拿出來教我,經常傳授我一些分析問題的「秘訣」,就這樣,我開始有了「拜個高明的師傅,學得一身本領」的念頭。

        胡宇平是我高中三年級的物理老師,他是混在軍隊裡,充當勤務兵,撤退到台灣,用「壅興高工」的成積單,以同等學力報考大學,考上台大的農工系,可是沒錢過日子,就進了公費的師大理化系。胡老師講課很有啟發性,也關心學生。當時我想了一個簡單的「粗糙表面模型」,用剛學會的一點力學知識,推演出「虎克定律」,我給胡老師看,問他我的想法是否正確,胡老師告訴我:「不要以為我說的話都是一定對,將來你在物理上的成就一定比我高得多」。這句話令我非常感動,我在大學教了三十五年書,堅持的就是:「我要把學生教得比我好」。後來我想弄清楚,牛頓的力學定律是怎麼來的,胡老師也不知道,直到五十幾年後,我終於摸索出牛頓的思路。胡老師教完我們這一班就出國去念博士了,他住在美國的Virginia 州,我們還有聯絡,我告訴他我在歐洲的經歷,在我教出的十七位博士中,至少有三個的成就比我高出了好大一截,我也告訴胡老師,我終於弄清楚了牛頓力學定律的脈絡,胡老師回了我一句話:「有學生如此,夫復何憾」。

        畢業的那一年,高雄中學有八個保送台大的名額。王叔平永遠是第一名,他選了進台大物理系,後面就輪到我了。那時的南部還很保守,富家的父母都希望把女兒嫁給醫生,於是有媒人遊說我進台大醫科。可是我熱衷於物理,高雄中學保送台大物理系的名額只有一個,那我就先進化學系再說吧。王叔平和我做了空前絕後的,在當時是不可思議的事:頭兩名的保送生都不要進台大醫科。

        抱著「拜個高明的師傅,學得一身本領」這個奢望,走進了台大。頭兩年從老師那學到的只有微積分和微分方程,二年級時,蘇林官老師教的力學和方聲恆老師教的電磁學,不需要花很多時間讀也能考高分。好在當時有大量的廉價英文翻版書,歪打正着的,我選了 Arnold Sommerfeld 寫的一套經典理論物理,開始研讀,一直到大學畢業,把力學(包括流體力學)、電磁學(包括電動力學)、和統計力學這三部份讀完了。後來到了歐洲以後,才知道在我進台大的四、五十年前,Hans Bethe、Wolfgang Pauli、Helmut Hönl、和 Werner Heisenberg 等都是 Arnold Sommerfeld 的高足,在完成了經典物理的訓練之後,Sommerfeld 把他們分別的送到 Enrico Fermi 或 Niels Bohr 門下,成為開創量子物理的一代宗師。我相信,在台大時我打下了厚實的經典理論物理的基礎。可是,沒有找到高明的師傅。

 

~ 決心 ~

 

        在二年級的下學期時,已經從高年班的學生們那裡聽到不少關於物理系三、四年級課程的壞消息:羅澤沛老師教的光學不牽涉到光的物理性質,戴運軌老師教的近代物理盡是一些,不知是從何而來的「經驗公式」,許照老師教的應用電子學只學會電阻、電容、和電感的電路計算,Kroll 教的統計力學是訓練抄黑板,不能發問,⋯等等。大三的一整年我幾乎把所有的精力都用在量子力學上,把 Schiff 的 Quantum Mechanics 整本書都翻成散頁了。大四的時候,從美國的 Franklin Institute 來的林嘉仁教我們固態物理,我滿懷熱情的一面專心聽課,一面努力的讀 Kittel 寫的第二版 Solid State Physics,這一版是1950年以前出版的,內容非常精深,和後來修訂的諸多版本完全不同。漸漸的我感到林嘉仁所知有限,例如 Spin Wave,Kittel 書上解說這是一個 Gapless Collective Excitation,林家仁卻說它是一個 Finite Energy Single Particle Excitation,還用舞曲「天鵝湖」中一排小天鵝原地旋轉來解釋:一個轉完停下來以後下一個接著轉。學期終的口試,幾乎每一個學生都被問到 Spin Wave,用「小天鵝一個轉完停下來以後下一個接著轉」來回答,就圓滿的通過了。我說 Spin Wave 是 Collective Excitation,在前一個小天鵝旋轉到某一個特定的角度時,下一個小天鵝就開始旋轉了。林嘉仁一言不發,給我七十九分,剛好不夠 A,其實那時我已經不在乎分數了!

        我為什麼不在乎分數,是因為一個痛苦的決定。我父親是公務員,在五十幾歲時就被強制退休。他們那一代的讀書人,國學的底子都很厚實,可是沒有文憑,所以我的父親在退休後,到中學去教國文,只能做臨時教員,按上課的時數計酬。在台大的頭兩年,我的考試成績很好,申請到很多獎、助學金,尤其是因為我的家境,夠資格申請「清寒」獎、助學金,所以我可以安心的唸書,維持好的考試成績。在大二結束後的那個暑假,我面臨一個重大的決定:是繼續的專心讀那些沒有用的、乏味的大三、大四課程,考得高分,申請獎、助學金?還是不要在乎考試分數,專心讀有用的書,如此就不能依靠獎、助學金,必須要做家教賺錢?台大物理系的學生,要找家教非常容易,再加上黃季陸老師給我是教訓,我就決定了自己要走的路。

        我台大一年級的三民主義老師是當時的教育部長黃季陸,課堂上講的是國民革命史。期終考的題目是:「現代青年和五四時代的青年比,是進步了還是退步了」?要每一個學生寫一篇報告。我去問當時教我近代史的老師吳湘相老師,那裡能找到有關五四時代青年的特質的資料?他告訴我,要弄清楚「五四時代青年的特質」,是非常艱深的研究工作。我交給黃季陸老師兩篇期終考報告,第一篇裡寫道:「我不知道五四青年們都是些什麼樣的人,如何能把他們和現代青年比較?如果老師不能接受我的結論,請看看我的第二篇報告,那是跟其他同學們一樣,閉門造車的東西」。在最後的一堂課發還考卷時,黃季陸老師只還給我第二篇報告,給我八十六分(據說黃季陸給的分數最高是九十分),並叫我到他辦公室,交還給我第一篇報告,上面打的是一百分。然後他教訓我:「做人要擇善固執,不可以投機取巧,這門課你只有八十六分」。從此以後,雖然因為實話實說而得罪不少人,我還是謹守「做人要擇善固執,不可以投機取巧」。

        班上有些同學知道我的境況,劉前覺是最明白的,時常有意無意的幫助我。在大三暑期集訓的那三個月裡,不能做家教賺錢,在結訓時就只好向王叔平借了兩百塊錢。後來黃小石和王明建都幫我介紹家教,我到今天還感謝不盡。我們都到了美國以後,那年劉前覺結婚,我送他和焦寶進一套餐具,我還記得是59.95美元。前覺在電話裡問我,是不是發財了,我說「是」,我發的財是多年來細水長流的珍貴友情。
 

~ 愧疚 ~

 

        同學們都知道,我進台大以後有一位心愛的女朋友。從大三開始,我要花很多時間做家教賺有限的生活費,考試又不求高分,變成一個沒錢、沒時間,成績又不好的學生,在六十年前的台大,憑這些還能交什麼女朋友?思前想後,只得放棄繼續和女朋友來往。內心最痛苦的是,無法向人解釋,也沒有勇氣解釋,為什麼突然做出這種絕情的事。在三年前,前覺和寶進來瑞典看我時,還追問我這件舊事,我還是沒有勇氣說出真實的情況,只含糊的說,這一切都是我的錯。現在告訴了大家真相,也在此表達我對那位心愛的女朋友的真誠的愧疚。

 

~ 困惑 ~

 

        Rensselaer Polytechnic Institute 的大學部的名氣很大,可是理學院的研究所只能算是二流。台大畢業時,我在大三和大四的成績很差,沒有希望進入一流的研究所。那時我已經決定要念固態物理理論,聽說 RPI 物理系的 Edmond Brown 教授有一個新的理論,描述外加的磁場如何改變電子能帶結構,我就懷著「求師」的心態到了 RPI。九月才開學,我就參加十月的 Qualify 考試,一口氣通過了力學、電磁學、統計力學、和近代物理的四場筆試。接著我就去找 Brown,他立即收了我做研究生,不過 Brown 告訴我,雖然我的程度不需要修研究生的標準課程,但是我還是要先修完了足夠的學分,才能考博士Candidate 口試。Brown 說,他會用研究經費付我暑假的薪水,叫我安心讀書。那一年 Kittel 出版了他的新書 Advance Solid State Physics,系主任Hillard Bell Huntington 就據此開了一門新的課,我選了這門課。這本書講的都是物質中的 Elementary Excitation,用的數學語言是 Second Quantization,在那個年代,這是很新的課題,Huntington 是做實驗的,自己也不大懂,課堂上就師生共同討論,互相啟發。我覺得必須先了解物質的本質,然後才能研究如何產生物質中的激發。我請 Huntington 介紹一本討論物質本質的書,他叫我試試看1942年出版的,Frederick Seitz 寫的 Modern Theory of Solid(Huntington 和 Seitz 在 Princeton 修博士學位時,他們的指導教授都是 Nobel 物理獎得主Eugene Wigner)。正好我有這本翻版書,其實這是一本參考書,有七百多頁,我就用了整個暑假把這本書從頭到尾的仔細讀了兩遍,這個暑假 Brown 常來看我在做什麼,往後他經常在人前稱道我,說我把一本參考書當成教科書念,認為我把物質的本質弄懂了,這是我在 RPI 第一年最大的收穫。

       RPI 物理系的研究生課程,實在乏善可陳,我就選修數學系合適的課,尤其是「複變涵數」和「應用數學」這兩門課,學得特別有心得。我的 Candidate口試定在第三年剛開學,六位口試老師裡,有教「複變涵數」和「應用數學」的兩位數學系老師,有 Brown,Huntington,McKinney,和 Greene。McKinney 教量子力學,我是他的助教。Greene 是一位新聘的做實驗的助理教授。Greene 問我一些常識性的問題,譬如:地球和月亮的距離是多少?這些問題我都答不出,於是他堅持不讓我通過。隔了一個月的第二次口試,兩位數學系的教授就不來了,他們認為我已經及格了,不需要再考。Brown,Huntington,和 McKinney 也無意多問,只有 Greene 還是不斷的問一些常識性的問題,譬如:紅光的波長是多少?我還是答不出。最後四位教授妥協了:我是有條件的通過了,但是要做一學期的大一普通物理助教。我被降級以後,McKinney 抱怨他教的研究生二年級的量子力學找不到好助教了!

        順便說一件相關的,我認為很重要的事。三十年後,在「單電子輸運」這個議題上,我在 Norway 做的研究很出色,IBM Yorktown Heights Watson Research Center請我去演講,RPI 物理系也請我回學校講解「單電子輸運」。在 RPI 的晚宴上,有好幾位當年教我的老師,Brown 提起我做學生時,把Seitz 的 Modern Theory of Solid 都讀通了,可是考不過 Candidate 口試,是不是 RPI 物理系的教育方式不對?我說: RPI 物理系的教育方式沒有錯,錯在我自己,是我自己找錯了地方。

        我開始和 Brown 談我的博士論文。Brown 已經有四個博士生,每個人都在做,當時流行的,某一種金屬/合金的電子能帶計算。我不願意做數字計算,希望做一個理論性的題目。我們來回討論了有一個多月,最後,Brown 要我自己找題目。有一次他的話還沒講完,忽然停下來思考,我接著說:「我知道你的想法是…」,Brown 立即打斷我的話:「我都還不知道自己的想法是什麼,你那裡可能知道」?討論完畢以後,確實證明,我先前已經正確的判斷出他的想法。然而我是弄巧成拙,聰明反被聰明誤,反應快不是聰明,即使回答正確,還是欠缺深思熟慮。在這件事情之後,我理會出「大智若愚」的真諦!二十幾年後,我開始主導大型的、跨領域的、跨國的研發計畫,每次討論,我都耐心的靜坐著,聽完了每個人的意見之後,才說出我的想法。

        不幸的是,Brown 因為 Sabbatical 離開學校一年,接著又鬧婚變。這時來了一位新的固態物理理論教授 Nettle。他開了一門課,有系統的教「二次量子化」理論及其在各種物理問題上的應用。我這時正好在找博士論文題目,比較有空,就和 Nettle 經常混在一起,學到很多新的物理觀念。隔了一年,論文題目也定了。Brown 原來的磁場效應理論是用「自由電子模型」來表述的,這太簡化了。我用了實際的「週期電場模型」,把 Brown 得到的結果推廣。由於 Brown 個人的困擾,到1968年初他才好好的看了我的論文。我做的題目太新,也還沒有證明它的應用價值,所以出去找工作面試時,對方不是聽不懂,就是對這個純理論的結果沒興趣。對比其他的 Brown 的博士生,他們只要學會了用現有的電腦程序作大量的數字計算,畢業後都能順利的找個工作,我真正的大惑不解,開始懷疑,純學術的研究真的有用嗎?
 

~ 絕路 ~

        經過一個多月的苦思,我想通了「物理的理論」和「理論的物理」是不同的兩件事。「物理的理論」是找出能解釋實驗數據的理論,而「理論的物理」中用到的理論模型,只要和物理有關聯就行,它的出發點不必一定是解釋實驗的結果。對固態物理來說,這個區別非常明顯,電子能帶計算是「物理的理論」,我做的論文是「理論的物理」,因為我得到的結果,幾乎無法用實驗來驗證,直到今天,我還沒有看到任何實驗結果和我的論文有關。我明白了,要做物理的理論,就得先弄清楚,一個實驗是在什麼條件之下量的,更要知道,做實驗用的樣品是用那種工藝製作的。於是我決定,該從新出發了!

        RPI 有一個非常出色的「材料中心」,裡面有一位 George Ansell 教授,他的專長是用電子顯微鏡研究在金屬材料中,位錯網絡(dislocation network)對金屬的力學性質的影響。他的成名作是發明碳鋼:把碳原子加進鋼鐵裡,碳原子進入位錯網絡以後,就大大的提高了鋼鐵的力學強度。Ansell 當時正在研究,在鋁金屬中,加入銀的原子會產生什麼效果,他就是搞不懂發生了什麼事,因此他的一個博士生無法完成論文。我知道位錯網絡產生長程的無序靜電場,這個電場不影響碳原子,可是銀原子會被極化,用固態物理中已經發展成熟的「平均場理論」,問題就能解決了。我就去找 Ansell,要求他讓我在他的研究組裡工作,雖然我已經有了博士學位,可是我不計職位,不計薪水。Ansell 問了 Brown 之後,就給我博士生的那一點薪水,讓我開始學如何使用電子顯微鏡。很快的我就幫助那位博士生完成了論文。接著我告訴 Ansell,如果增加銀原子的濃度,銀就在較大的位錯網絡裡產生新的純銀微顆粒,這會使得鋁金屬容易破裂。Ansell 叫一個博士生和我一起製作樣品,然後用電子顯微鏡觀測照相,再測量拉損的程度,這一切都證明我是對的。Ansell 立刻用這個結果向美國空軍申請到一個相當大的研究計畫。我知道在金屬中,氫原子分解成電子和質子,我就計算在各種金屬中,氫能夠存在的最高濃度,及位錯網絡對氫分佈的影響。我得到兩個重要的結果:首先,氫氣在金屬鎢中的濃度最高,所以金屬鎢最適合用來儲存氫,三十多年後,綠能的儲存是一個重要的問題,我當年的發現又被人「再發現」了!其次,在任何金屬中,結構越不規則的區域,氫的濃度越高,越容易斷裂。我把這結論告訴「材料中心」的一位研究「鍛接」的教授,他說,老舊海輪的斷裂都是從鍛接的地方開始,而鍛接要用氫氧焰。這一下他高興了,馬上向美國海軍申請到一大筆研究經費。我也計算氧氣在金屬中是如何存在的,也是一樣,在位錯網絡內部,氧的含量特別高,鐵的生銹應該是從表面的位錯部份開始,順著位錯網絡向內部銹進去,要防銹,就得把難氧化的元素原子塞進位錯網絡。後來發展出的不銹鋼,就是用的這個原理,不過這可能是後人的獨立發明。最後我提一件相關的事,過了近二十年,英、美的科學家做出了球形的碳六十,獲得了 Nobel 化學獎。我根據碳鋼的理論,建議瑞典的一家專門製造「特殊鋼材」的公司,把碳六十球放進鋼鐵裡,會比傳統的碳鋼好得多。這家公司因此做出了非常輕到防彈衣,和非常細的外科手術用的針。

        我在 Ansell 那裡工作了三個月左右,在1968的十一月,位於紐約市的 IBM Watson Research Laboratory的 IBM Fellow,Martin Gutzwiller 到 RPI 物理系來演講,Nettle 和 Gutzwiller 是朋友,介紹我向 Gutzwiller 請教,Gutzwiller 讚賞我的物理觀念,考慮在下一個年度僱用我做博士後研究員。在第二年的春天,我真的収到 Gurzwiller 寄來的僱用信。Ansell 後悔沒有早安排留下我,在八月底我就去了 Watson Lab。Gurzwiller 告訴我,1961年他在 IBM 設在瑞士的蘇黎世的研究室工作,創建了一個「強關連電子」模型(就是後來流行的 Hubbard Model),同時發明了一個「變分法」(就是後來被廣泛應用的G-變分法)。他用G-變分法來分析 Hubbard Model,目的是研討「鐵磁性材料」的磁性根源。因為這個系統太複雜,他只能把「實際的多能帶結構」簡化成「單一能帶結構」以後,才能計算出量化結果。和他同時,在英國的 Hubbard 用格林涵數來分析 Hubbard Model,Hubbard 連續發表了五篇論文,無法算出量化結果。從此以後,就沒有人再碰這個問題。Gutzwiller 建議我用「實際的多能帶結構」模型,來探討材料的鐵磁性,他也警告我,這個題目他自己也沒做出來。我終於遇到了一個武功高強的師傅,一年以後,我寫好論文給 Gutzwiller 看,他立刻把他自己的名字從共同著者中刪除,然後才同意我投稿,這真是令我佩服的大師風範。我興致勃勃的告訴 Gutzwiller,接著我就要計算 Spin Wave,磁相變的臨界溫度,同時我還發現了一個新的 Orbital Order 的問題。這時在紐約市的 Watson Lab 已經關閉,我們都搬到 Yorktown Heights Watson Research Center。Gutzwiller 告訴我,在 Watson Lab 可以做有學術價值的基礎研究,但是在 Watson Center,在我的這個職位,研發的題目必須配合IBM的規劃。當時在IBM的諸多研究方向中,唯一和「磁性材料」有關的「Magnetic Bobble Memory」計畫已經被停掉了。我就決定找學校的教職。又遇到了像上一次,在 RPI 畢業時找工作同樣的難題:我剛剛發表的論文的題材太新穎了,面試時,對方搞不懂我在講什麼。到1971年的六月,還是沒有學校肯僱用我。在我住家附近的鄉下,有一個很大的舊傢俱修復公司,我有空時常去他們的工廠和老闆聊木工手藝,老闆有時打趣的問我,想不想當他的夥伴,因為他的兩個兒子對木工毫無興趣。現在,我開始認真的考慮要改行做木匠了,其實這也是我從小就想做的事。
 

~ 豪賭 ~

        「強關連電子」這個學術議題發源於歐洲,那裡的學者注意到了我的論文。1960年代的初期,更熱門的研究議題是「弱關連電子」,在美國的主要學者是 Walter Kohn (後來得到 Nobel 獎)和沈呂九,在歐洲的重鎮是瑞典的 Chalmers 大學,由 Stig Lundqvist 教授領導。Lundqvist 多年擔任 Nobel 物理獎委員會主席,判斷出「強關連電子」會很快的有重大發展,在1971年的八、九月,他就通過在美國的朋友,傳訊給我,希望我去瑞典。我和 Gutzwiller 商量,擔心我自己是不是能獨當一面?Gutzwiller 很簡潔的教訓我:如果你現在還怕自己不能獨當一面,那你就永遠不能獨當一面。於是在十一月初,我就來到了 Chalmers 大學,。就在我要離開美國的時候,英國 Warwick 大學的 Paul Butcher 教授來信,問我是否願意去他那裡做「強關連電子」的工作,我告訴他,現在我要去瑞典,一年以後再說吧。Lundqvist 非常提拔後進,經過他的推薦,不僅在瑞典,也有德、法、義的學者主動的找我討論「強關連電子」的問題。

        到了1972年的冬天,Lundqvist 告訴我,Paul Butcher 打電話問他,什麼時候放我去 Warwick?我才知道他們倆個人是老朋友。我知道 Butcher 他們作的是用極化子理論研討「導體和絕緣體相變」,我認為這個方向不對,不想去Butcher那裡。Lundqvist 倒是勸我去,他說,在英國有些知名學者對我的研究很感興趣,和他們認識對我的未來有幫助,一年以後可以再回瑞典。我同意了,於是 Lundqvist 拿起電話就告訴劍橋大學的 Mott 教授(後來得到 Nobel 獎),牛津大學的 March 教授,和 Imperial College 的 Sherrington 教授,趙光安到 Butcher 那之後,會來向你們請益。在英國一年的極重要收穫是和 Mott 的幾次討論。Mott 開創了一個 Variable Range Hopping 模型,用它來解說在「參雜半導體」中的「導體和絕緣體相變」。我認識到,「參雜半導體」其實是一個「無序材料的強關連電子」系統,而且是一個簡單的「單一能帶」系統。對「參雜半導體」的研究是從1930年代就開始了,直到1960年代中期,一些新的實驗結果引發了「導體和絕緣體相變」的疑慮,因為用傳統理論計算出來的諸多結果,相互之間有很多矛盾。我從英國回到瑞典以後,就立刻分析會產生矛盾的這些數據,發現實驗量測的都是在同一物質中,用不同手段激發出的,各種不同性質的 Elementary Excitations。早年在 RPI 讀書時,我對這類問題下過苦功,現在,在清楚了每一個實驗是如何做的之後,就做了相應的正確計算,把這些矛盾理清了。1976年的夏天,在法國有一個「強關聯電子系統」的國際會議,我被邀請在這會議上給了兩個「Invited Lecture」。

        1969年瑞典的林雪平 (Linköping) 理工大學建校,聘任固態物理理論講座教授的人選一直爭議不定。固態物理實驗講座教授 Hagström (幾年後到美國 Stanford 大學任材料科學系的系主任) 希望我到林雪平做高級研究員。Hagström 的專長是用 Photoemission 研究材料的電子態,他的高足 Ingolf Lindau (後來去 Stanford 擔任直線加速器實驗室主任)才完成了第一個 Angular Resolved Photoemission 實驗不久,1974年三月我就從英國到了林雪平。當時在學術雜誌中發表的 Photoemission 理論的文章,都是用 Greens Function 來推論,但是做實驗的學生不懂 Greens Function。Hagström 立刻要求我,給做實驗的博士生們開一門特別的課,教他們能看懂這些理論文章。我做到了。Anders Flodström 是我的班上的學生,他後來先後做了 Linköping 大學校長、皇家工程學院校長、及瑞典大學校長聯席會議主席。Hagström 要把我留在林雪平,他說,在瑞典的學校編制上,有一個叫做「研究教授」的終身職位,雖然教育部的審查標準非常高,他有把握學校能替我安排這個職位,但是需要半年到一年的時間。正好巴西邀請我去一年,可以填補這個空檔。1976年一月,我再回到林雪平時,就得到了「研究教授」的終身職位,變成了瑞典公民,在瑞典定居了。歐洲的大學有開放式的學術風氣,研究人員彼此之間,在國內或國際之間互訪頻繁,往往在論文發表前,能毫無私心的深入討論一個共同有興趣的課題。除了有經常舉辦的小型專題國際會議,在瑞典更是每年都有由 Nobel Foundation 資助的 Nobel Symposium,每一個會議邀請六、七十人參加,其中一半是國際頂尖學者,一半是瑞典的年青人。會議專注新興的、尚待解決的問題,大部份的時間是討論,年青人的提問或見解,特別受到長輩的關注,我受益匪淺。從1980年以後,我更是經常參與籌備會議,邀請與會的學者,就更加能夠洞悉當前的固態物理理論的動向。

        第二次世界大戰結束以後,在1950年代的中期,聯合國在義大利北部的濱海城市 Trieste 成立了一個「國際理論物理中心」,簡稱 ICTP,目的是協助「第三世界國家」培養物理理論人才。在1960年代的初期,Stig Lundqvist 教授在 ICTP 創建了「固態物理部」,邀請了七位歐洲的名教授,組成「執行委員會」,遴選第三世界國家的年輕的固態物理理論學者,到 ICTP 進修。每一年的重點活動是夏天的三個月的 Workshop,很多的知名學者被邀請到 Workshop 來指導大批的年輕人。自從1971年我到了瑞典以後,Lundqvist 就經常安排我去 ICTP。我在英國認識的 Butcher 教授和 March 教授都是「執行委員會」的委員,經過他們的推薦,自從1976年開始,我就每年的夏天去 ICTP,協助「執行委員會」推動 Workshop 的各種教研計畫。這個工作我一直做了二十多年,協助培養了很多,分佈在中、南美洲,南歐,東南亞、南亞,非洲,阿拉伯國家的固態物理理論學者,也是因此,我個人有一個國際固態物理學術網,經常被邀請作學術訪問,幾乎走遍世界。在 ICTP,我有非常難得的機會向許多「大師」們請教艱深的難題。舉一個例子:在1980年代興起的「導電高分子」系統(是後來得到Nobel物理獎的一個課題),它的出發點是因為「單週期結構」不穩定,它轉變成穩定的「雙週期結構」,這個理論是在多年前,固態物理開始發展時,物理大師 Rudolf Peierls 創立的。在純材料中加了雜質之後,「雙週期結構」又不穩定了,它會產生「孤子」而形成新的穩定結構。固體材料中的「聲子」也是由晶格結構改變而產生的,因此,在「導電高分子」系統中的「聲子」性質,在當時是一個大難題。那年夏天 Peierls 被邀請到 ICTP,我請他在面對大海的旅館陽台上喝下午茶,我向他請教說:一般人都從未參雜質的「雙週期結構」出發來探討「聲子」,這個出發點的本身就是不穩定的,我認為應該以穩定的「含有孤子的結構」為基礎來計算「聲子譜」。Peierls 叫我詳細的解釋這個觀念,我們談了整個下午,Peierls 認為我該這樣做,我就把「導電高分子」系統的整個「聲子譜」計算出來了。

        在1970年代的初期,巴西政府開始開發資源豐富,但是落後的東北部,人才培養及推動產學合作的任務就落在位於 Recife 城的國立 Pernambuco 大學。該校的物理系主任 Sergio Rezende 邀請我去規劃建立材料物理及其應用的長程發展架構。在那裡我遴選了十一個,大學四年級快要畢業的優秀學生,花了一年的時間教導,然後安排他們出國深造。當時我在歐洲學術界已經有了不錯的信譽,能把每一個學生直接送進歐洲的名教授的研究組,修讀博士學位。最特出的一個例子,是1976年我把其中一個學生 Jeiro R.L. de Almeida 推薦給 David J. Thouless 教授 (後來得到Nobel物理獎),1978年他們師徒兩人就發表了一篇極重要的論文,證明當時有名的 Sherrington-Kirkpatrick Spin Glass Model 是錯的。幾年以後,有九個博士回到巴西,再加上那些經過 ICTP 培養的年輕巴西固態物理學者,是可以做些事了。到了1980年代的中、後期,當初邀請我去巴西的 Rezende 擔任巴西的科技部長,這群年輕的博士就向 Rezende 和當時的教育部長建議,在1987年邀請我和 Stig Lundqvist 到首都 Brasilia,籌建了一個類似 ICTP 的「國際凝聚態物理理論中心(ICCMP)」,設在首都 Brasilia,中心主任 Alvaro Ferraz 就是我當年送去牛津大學修博士的學生。我協助 ICCMP 「國際在地化」,建立了它在拉丁美洲的學術聲譽。到2010年,位於北部的 Nadal 城的「國立 Rio Grande do Norte 大學」,在校內濱海的地上,建了一棟非常美觀的近代化大樓,把 ICCMP遷到 Nadal,改名為國際物理研究所 (IIP)。

        在蘇聯解體以前,東歐國家和西歐國家的學術交流的唯一渠道,是通過國家科學院之間的官方式互訪。從巴西回到瑞典以後,有十多年的時間,我得到瑞典皇家科學院的積極支持,和波蘭、捷克、匈牙利、保加利亞,及東德的諸多物理學者合作研究。他們對自己的研究領域有深厚扎實的知識,我從他們那裡學到一些很有用的,處理理論推演的數學方法。但是他們的知識面比較狹窄,只要我提出新的觀念和構想,我們的共同努力經常產生很好的論文。舉一個重要的例子:我指導兩個波蘭的年輕學者 Josef Spalek 和 Andrzej Oles,從 Hubbard 模型出發,得到了一個,我們把它叫做「動力交換作用」的有效模型,其中含有 t 和 J 兩個物理參量,這篇論文是1977年發表的。1986年 Bednorz 和 Mueller 發現了「高溫超導體」(1987年獲得了 Nobel 物理獎),於是解釋「產生高溫超導機制」的理論,就成了熱中之熱的一個研究議題。有一位已經得過 Nobel 物理獎的大大有名的X-學者(因為他還在世,姑隱其名),把我們的「動力交換作用」模型改名為「t-J模型」,變成他自己創建的模型,試圖用來解釋產生高溫超導的機制。朋友們私下找我談這件事,我告訴他們,當年我們推導這個有效模型時,有一個條件,而這個條件,在發生高溫超導時,是不能滿足的,就讓X-學者白花力氣吧!一年多之後,X-學者的一位朋友,有名的理論物理學者 Maurice Rice 在他發表的一篇論文裡,特別指出,「t-J模型」是趙光安在1977年創建的。時間證明我是對的,現在已經沒有物理學者試圖用「t-J模型」來解釋產生高溫超導的機制了。

        自從1973年在英國和 Mott 教授的幾次討論以後,我一直在思考,如何在我現有的「強關連電子」理論工作中,融入「無序結構」的效應。在1976年以後,我摸索出應該用 Matsubara Greens Function 來處理無序場。松原武生 (Takeo Matsubara) 年長我十九歲,是第二次世界大戰後,日本固態物理理論的泰斗。他用「量子場論」的方法,成功的解決了「無序系統」中的一些重要的問題。他也正在思考如何在他已有的「無序系統」的研究成果中,融入「強關連電子」的效應。很自然的我們開始通訊討論我們的想法和做法。1978年,「日本學術促進會」邀請我到京都大學訪問松原武生教授六個月,從1979年的四月到同年的九月。我和松原武生共同做出的成果,建立了一個理論架構,有系統的逐步計算,在此系統中「強關連」的效應。我接到「日本學術促進會」的邀請時,非常驚訝,因為能被邀請的都是成名的學者,那年和我一起被邀請的另外兩位理論物理學者是芝加哥大學的 Morrel Cohen 教授和普林斯頓大學的 Elliott Lieb 教授。就在我感覺到學術成就開始被人重視時,傳來了難以承受的噩耗:一九七九年五月三十日清晨,瑞典駐日本的大使館來電話,通知在京都的我:「你的太太林嶺英在斯德哥爾摩自殺身亡!」

        我當年選擇到瑞典的這一場「豪賭」,是輸得慘了,輸到家破人亡,賠掉了林嶺英的一條命!
 

~ 懺悔 ~

        我們這一代,在讀高中時,都是「中國青年反共救國團」的團員,每年的寒假,就有些團員被選送去參加「先鋒營」的活動。高一那年我參加了先鋒營,從未和女生講過話的一群高一男生,時常在起鬨時推出某一個人去和女生講話。有一次輪到了我,拿著「紀念手冊」去請一個女生簽名留念,就在被她拒絕,被同學們大聲嘲笑時,我不僅記住了她胸章上的名字「林嶺英」,而且記住了她的容貌(後來我才知道她和楊友偉是南光中學的同班同學)。高中畢業時,我因為被保送進台大,那年的暑假空閒,就被「大學聯考南部考區」的「考生服務團」找去,給每一場考試的試題作「標準答案」。有一天的中午空檔時間,我和高雄中學的班同學游昌禮閒逛時,迎面走來一個女考生,我告訴游昌禮,這個人就是林嶺英。

        游昌禮考進了東海大學物理系,我在台大的三年級上學期的那個寒假,回高雄和游昌禮閒聊,他告訴我,他發現林嶺英在東海大學化學系。寒假後我給林嶺英寫了封信,問她還記不記得在先鋒營讓我吃閉門羹的那件事?她已經忘記了,既然我還念念不忘,她就把還保存著的,在先鋒營配戴的那個胸章,送給我做紀念。就這樣我們開始通信,雖然我既沒錢又沒時間,還是能維持每一個星期寫封信,存夠了火車票的錢,就去東海大學看她,游昌禮在男生宿舍裡找個空床讓我睡,直到大學畢業,我去看過她三次。大學畢業時,林嶺英請我參加她系上的畢業旅行,不久以後,她就去Texas念書了。

        一九六三年我到RPI不久,林嶺英的父親病逝,需要她奉養母親和照顧一個還在讀初中的弟弟,在一九六四年的春天,得到碩士學位以後,她就去 Dow Chemical 工作。1966年我們結婚,以後就過著大家都熟悉的,丈夫讀書,妻子工作的典型的留美學生生活。我到 IBM 之後,她就轉到 Monsanto。我在1971年十一月到瑞典,第二年的春天,嶺英就辭掉了 Monsanto 的工作,到瑞典來開始了「嫁雞隨雞,嫁狗隨狗」的流浪生活。無論我們搬家到那裡,她都能隨遇而安,找不到合適的工作,就做臨時工,全心全意的支持我的學術生命,她自始至終一直堅定不移的深信,我在學術界終有出人頭地的一天。1976年從巴西回到瑞典後,我雖然得到了「研究教授」的終身職位,並沒有及時的想到應該建立幸福美滿的家庭生活,反而完全忽略了家庭的存在,把所有的時間精力都放在學術研究上,即使如此,嶺英還是毫無怨言。

        大約兩年後,我體會到,因為我們的家庭生活枯燥無味,有時候嶺英顯得鬱悶不樂,我實在該徹底的檢討自己了。我對嶺英說,我們買棟房子,把家庭當成我們的生活重心,夏天出去度假六個星期,我放緩工作的步調,還是能維持相當高水準的成績。她卻繼續的鼓勵我,她說:你到處遊學了好幾年,就像武俠小說中寫的,把各家各派的絕技都學到了,只差最後的融會貫通,不要在這個關頭功虧一簣。又過了將近一年,我接到「日本學術促進會」的邀請,這時我更明顯的感覺到嶺英的憂鬱寡歡,我不願意離家六個月,想婉拒日本的邀請。在大學畢業的時候,嶺英送給我一艘用牛角做的小帆船,帆上刻了「一帆風順」四個字。這艘小船一直放在書桌上,嶺英拿起小船說:「我希望你一帆風順,可是這十幾年你一直是逆風奮鬥,看來現在風開始轉順了,你先去京都,到六月我就辭掉工作到京都來,十月我們一起回台灣,你出國十六年,該回家看看母親和親人了。」我認為這個安排很好,就和當時的中央大學物理系主任倪祖偉約定,十月我會來中央大學一個月。

        接到瑞典駐日本的大使館的電話,我趕回瑞典。嶺英留給我一封信,寫下如此刻骨銘心的話:「⋯⋯ 你給過我十多年美好的日子,我們就像兩條魚,在小溪裡悠悠自在的漫游著,你帶領著我游進一條大河,現在游到大河的入海口了,前面的狂風巨浪,正是你大顯身手的環境,你毫不遲疑的奮勇撲上,可是我已經身心俱疲,再也無力跟著你了!⋯⋯」。此時我不知道以後會不會永遠的留在瑞典這塊傷心地,為了不讓她孤魂流落異域,我切下了自己左手的小指,伴隨著嶺英的遺體火化,安葬在她喜歡的、生前曾去散步的公園墓地。我交給葬儀社一個空心的,上面開了一個小洞的純金球,請他們把嶺英的骨灰裝滿在球裡,我再請金飾店用金片把這個小洞封閉,刻上她的名字,配成一條項鍊,戴在頸上,嶺英就這樣天涯海角的隨我去流浪了!料理完嶺英的後事,我把政府給她的保險金,撫卹金,以及她遺留的存款和貴重的手飾,交給她在台灣的母親,自己就重回日本了。

        在三個月前的第一次去京都時,通過了機場的安全檢查,我停下腳步回頭看,嶺英還笑著向我招手。這次再回頭看,她的笑容和招手,只存在幻覺裡,此時在腦海裡浮現了一首中國民間小調的景色,這首小調:「送哥送到永定河,永定河裡有對鵝,前面的公鵝格格叫,後面的母鵝叫哥哥」,就從此烙印在我的心中,每次在斯德哥爾摩機場出關時,都不自覺的又湧現出來。

        嶺英為了成全我的學術事業而辭世,我不能辜負她的期望,從此我過著極為簡單的生活,成為一個工作狂中的工作狂。四年以後,瑞典的國科會,在教育部的管轄下,設置了一個「研究講座教授」的終身職位,研究的領域是「(廣義的)半導體物理」,包含傳統的半導體,有機半導體,磁性半導體,及導電高分子材料。在遴選程序上,雖然是向全世界招聘,大家都認為這個職位是替我量身定做的。1984年,我在嶺英的墓碑前,告訴她:”經過二十二年的孤帆萬里征,妳為我做了無法衡量的巨大犧牲,今天我終於達成了妳的期望,我的學術事業走上了「一帆風順」的寬暢航道。”
 

~ 重生 ~

        Barbro 成長在一個典型的瑞典農村家庭,父母都是務農的。瑞典的農民和勞工,普遍的認為,他們才是社會財富真正的貢獻者,因此,並不鼓勵子女多讀書。Barbro 初中畢業後就開始工作,她結婚時,她的丈夫 Thomas 也只有高中畢業,父母都是工人。Barbro 很喜歡讀書,先是支持 Thomas 半工半讀的念大學,等到1980年,第二個女兒兩歲進幼兒園以後,她自己開始進高中讀書,那時 Barbro 以經二十六歲了。不幸的是,從來不抽菸、又熱愛運動的 Thomas 得了肺癌,他過世時 Barbro 還差四個月才高中畢業。1984年,三十歲的 Barbro 進了大學,畢業後就留校參與一些研究計畫,做教授的研究助理。1991年被選為「舊制博士生」,舊制博士生需要修習十多年才能得到博士學位,等到2003年 Barbro 四十九歲完成學位時,她已經是系裡的副教授了。

        1985年我認識了 Barbro,在兩年的交往中,我看到 Barbro 如何勤儉持家,用微薄的收入付了房貸之後,還能維持一個美滿的家庭。度假時住不起旅館,就到山上或海邊搭帳篷露營,讓兩個小女兒有愉快的童年及完善的教養。Barbro 的善良、誠實、正直、達觀的本性,親切而有耐心的待人處世的態度,讓我深深的自慚形穢,到這時才知道,社會中有如此多的,我應該用心學習的事務。林嶺英也有類似這些的優良高尚的品質,可是我,因為工作的狂熱,變成了睜眼瞎子,十多年來,對身邊的、垂手可得的幸福視而不見。上天給了我第二次機會,從此,我走上了一條漫長的、終身學習的路,和 Barbro 及我們的兩個女兒,享盡了天倫之樂!

 

山前水已盡
棄舟攀登行
峰迴路轉越嶺過
英雄帳裡寓酸辛
頓回首
茫茫玄機難參透
原是造化弄愚人

趙光安 教授 Koung-An Chao

台大物理1962級

Koung.An.Chao@gmail.com

 

  • 美國Rensselaer Polytechnic Institute大學物理博士

  • 挪威皇家科學與文學院院士

  • 瑞典皇家自然科學醫學與科技學院院士

  • 瑞典Lund大學、Linkoping大學講座教授

  • 行政院科技顧問

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