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為世界前進的科學家——李遠哲

作為臺灣至今唯一一位諾貝爾獎得主,「李遠哲」可說是國內人人耳熟能詳的人物,不時便能見他出現在新聞報導中,對國家政策發表評論與建言。然而在響亮的名號之外,對這位影響世界至深的科學家,我們其實不甚了解。李遠哲研發的「交叉分子束儀器」有何重要性,使他獲得諾貝爾化學獎的殊榮?在美國學術界已有一席之地的他,為何於1994年毅然返臺?身為科學家,他又如何關心社會與環境,嘗試打造美好的世界?

圖 1. 在實驗室的李遠哲
圖片來源:Lawrence Berkeley National Laboratory

少年歲月,追尋人生意義

1936年11月19日,李遠哲出生於新竹,父親是日治時期起便活躍於臺灣畫壇的藝術家李澤藩。儘管李家子女並未延續父親的藝術創作事業,但他們顯然繼承了李澤藩豐富的想像力與創造力,往後紛紛走進學術界,加入探索世界的行列。

圖 2. 李遠哲與堂兄弟常一起讀書
圖片來源:李遠哲

不過,李遠哲的研究之路並非一開始便如此明確。就讀新竹中學期間,身強體健、熱愛球類運動的他生了一場大病,必須返家靜養一個月。面對突然停擺的生活,年少的李遠哲開始思考自己的生命有何意義,並嘗試透過閱讀尋找解答。就在這段時間,他廣泛地自文學、科學、社會科學書籍攝取養份,並深受科學家居里夫人(Marie Curie)的傳記感動,決定投身科學方面的工作,為人類貢獻心血。高中三年級時,李遠哲夢想成為改造社會的工程師,因此選擇就讀臺灣大學化學工程系。然而進入大學短短一年,他就發現自己對研究更有興趣,轉系到更專注於學術研究的化學系,這才開啟了李遠哲往後的化學研究生涯。

圖 3. 李遠哲念書時整夜燈火通明的二號館
圖片來源:徐祥弼

在他就讀大學的1950年代,臺大化學系的課程以分析化學和有機化學這兩類學門為主,然而,李遠哲卻對當時正蓬勃發展的物理化學更感興趣。物理化學這個學門從物理的角度探討化學,包括分子的結構、運動和輻射等型態的原理。由於系上少有相關課程,他便在寒、暑假期間與同學們組成讀書會,自行研讀熱力學與量子力學等新興的物理學理論。為了閱讀更多物理、化學的學術論文,他也積極學習德文、俄文等學術界常用語言。從大學時期直到今日,李遠哲探究物理化學的熱情與決心始終不變,是他一生學術成就的堅固基礎。

醉心學術,成就青史留名

自臺大化學系畢業後,李遠哲進入清華大學原子科學研究所就讀,這是當時臺灣唯一的原子能研究與教學機構。1962年碩士班畢業,李遠哲遠赴美國,在加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)攻讀博士。無論是化學元素的最小單位「原子」、幾個原子組成的「分子」,或是原子得到或失去電子形成的「離子」,都是當時科學界十分關注的問題。化學家們想要理解分子相撞時究竟發生了什麼,從而產生我們肉眼可見的化學變化。從1930年代起,柏克萊的化學系和放射實驗室便是物理、化學學界最重要的研究中心之一,李遠哲入學後師從專攻物理化學的布魯斯.馬漢(Bruce H. Mahan)教授,並在放射實驗室負責研發分析、觀測分子的科學儀器。這段經歷鍛鍊了其研發儀器的能力,是他往後於科學界一鳴驚人的關鍵。

圖 4. 加州大學柏克萊分校
圖片來源:brainchildvn
圖 5. 李遠哲在柏克萊加大作博士後研究期間,自行設計離子與分子束碰撞器。
圖片來源:李遠哲

1967年,李遠哲已取得博士學位,並轉赴哈佛大學做博士後研究。在這裡,他和另一位頗負盛名的物理化學家達得利.赫許巴赫(Dudley R. Herschbach)的團隊合作,並被交付一個重要任務:製作通用型交叉分子束儀器(crossed molecular beam apparatus)。早在60年代初期,最初的交叉分子束技術已被運用在偵測鹼金屬離子(鉀、銣、銫離子等)化學反應後的動態上。然而,當時的科學家仍無法觀測鹼金屬以外的離子運動。李遠哲與團隊成員從零開始,在短短十個月內計算、設計、並建造名為「希望(Hope)」的全新儀器,足以偵測任何一種化學反應中分子的運動模式。

「希望」如何運作?以李遠哲擅長的棒球比喻,我們無法直接目擊運動中的分子,就像棒球場中的觀眾看不見打者擊球的那一瞬間。然而透過棒球飛行的軌跡,球迷可以回推球和球棒接觸的角度,如同「希望」能製造兩道集中的分子束,並記錄兩者交叉碰撞前後的反應過程。

儘管當時全球還有另外九個團隊正在研發通用型交叉分子束儀器,但由於兩種分子碰撞後產生的分子數量太少,他們的檢測器都無法測量。李遠哲參考自己在柏克萊時期豐富的研發經驗,認為問題不在於生成分子數量太少,而是儀器內部環境的雜質太多,檢測器像一台錄音機,接收了過多其他分子的「噪音」,反而使目標分子的「訊號」淹沒其中。因此,他在檢測器中設計了反覆抽真空的程序,將環境噪音降至最低,終於讓碰撞產生的分子現身。「希望」的數據比其他團隊的儀器精確數千倍,成為世界上第一台真正可用的通用型交叉分子束儀器。從此,化學家終於能觀測分子在化學反應過程中的角度、路徑與作用力,讓我們對這些組成世界的微小物質有更深的認識。

圖 6. 李遠哲與「希望」
圖片來源:Herschbach 1997, 6341–6344)

在這個革命性的發明後,李遠哲先後在數間大學任職,持續研發更精良的交叉分子束儀器,發表無數關於分子結構、能量分佈與化學動力學的重要研究,並提攜許多博士生,為美國化學界培育人才。1986年,李遠哲和赫許巴赫因為「希望」為化學研究帶來的突破,而與同樣研究化學動態學的約翰.波拉尼(John Polanyi)共同獲得諾貝爾化學獎。李遠哲團隊在1967年發明通用型交叉分子束儀器,讓後世的科學家能夠了解化學反應的過程,這番貢獻經過近二十年的沈澱,終於讓兩人的名號為大眾所悉,李遠哲也成為至今唯一的臺籍諾貝爾獎得主。

返臺奉獻,打造美好社會

李遠哲得獎的那天,他在柏克萊的同事,同時也曾是諾貝爾得主的葛連・席伯格(Glenn Theodore Seaborg)對他說:「從今天起每個人碰到你,都會問很多你不曉得答案的問題,但你還是要回答。很多事情,你不能說『不』。」得到諾貝爾獎的光環,代表李遠哲從此不再能單純專注於學術,伴隨著大眾的敬重與期待,他也必須肩負起回應社會議題的責任。

圖 7. 李遠哲獲1986年諾貝爾化學獎
圖片來源:《李遠哲傳》

事實上,在此之前李遠哲就已顯露他對臺灣科學發展的關心。1982年獲選臺灣中央研究院院士後,他便為中研院籌劃專攻分子物理的「原子與分子科學研究所」。1994年,李遠哲毅然放棄美國籍,返回臺灣擔任中研院院長。此一舉動無疑鼓舞了海外臺籍科學家返鄉服務的信心與熱情,使1990年代中研院得以迎接十數名物理科學家和生命科學家返臺任職,不僅增長臺灣在世界學術界的能見度,也促成國內高等教育的成熟。

圖 8. 李遠哲(前排中)籌劃的原分所於2015年慶祝成立20週年
圖片來源:中研院原分所

在科研發展之外,李遠哲也十分關心基礎教育、社會與環境議題。他認為臺灣長期缺乏學術人才的一大原因,在於中小學教育偏向以升學考試為目標的填鴨式教育,反而扼殺了學生的創造力。1994年返臺後,李遠哲便被政府任命為教育改革審議委員會的召集人,對當時正在研擬的教育改革提出建言。不僅如此,1999年九二一大地震後,他亦出任災後重建民間諮詢團團長,為政府訪查各地,提供未來救災、重建工作方向的建議。

跨入政治、經濟、環境皆劇烈變化的二十一世紀,李遠哲仍持續回饋社會。2002年,他代表臺灣參與亞太經濟合作會議(APEC),運用自身超脫政治的地位,幫助臺灣在國際社會發聲。2011年,李遠哲被選為國際科學理事會(ICSU)會長,在這個全球科學界中最龐大的組織裡,他推動環保議題,主張科學家應站在保護地球的第一線,致力於環境永續的研究。

圖 9. 李遠哲至今仍常受邀至世界各地演講
圖片來源:沖縄科学技術大学院大学

提到李遠哲,眾人最大的印象應該都是「臺灣唯一的諾貝爾獎得主」。然而正如他本人所說:「一個人受尊重,並不是他有什麼獎,而是靠他的努力。」年少的他自居里夫人的生命經驗獲得啟發,四十年間,從開創化學研究新局的青年科學家,到致力推動社會改革的年長智者,李遠哲的一舉一動影響了臺灣與世界的發展,紮實地靠自己的努力贏得世人的尊重。

圖 10. 2016年《李遠哲傳》出版,圖為李遠哲與現任副總統陳建仁於新書發表會的合影。
圖片來源:總統府 Flickr

參考資料

1. 李遠哲編,《李遠哲訪談與言論集》,臺北:遠流出版,1994。

2. 藍麗娟,《李遠哲傳》,臺北:圓神,2016。

3. 林志民,⟨李遠哲院士與其在科學界的貢獻⟩,https://scitechvista.nat.gov.tw/c/sTX0.htm ,擷取日期:2020年3月12日。

4. Herschbach, Dudley, “The Odyssey of Yuan Tseh Lee: “Should Be All Right”, The Journal of Physical Chemistry A 101:36 (Sep 1997): 6341-6344.

5. The Nobel Prize, “Yuan T. Lee Biographical.” https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1986/lee/biographical/, accessed March 8,2020.

科學領域
  • 李遠哲 Lee Yuan Tseh
  • 1936-至今
  • 新竹出生 From Hsinchu
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