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2014-04-01研究基本粒子的理論學家—中央大學物理學系蔣正偉教授專訪
532 期
Author 作者
范賢娟／任職於清華大學科技管理學院技術創新與創業研究中心。
物理是一門融合理論和實驗的科學，然而經過20世紀的蓬勃發展，物理已經進入到一個抽象層次相當高的境界，現代理論想要再突破、有所進展，非常不容易，許多大學都規定學生一定要有相當的程度才能去從事理論研究，因此這樣的學者越來越少。今天難得訪問到一位理論物理學家，且讓我們聽聽他學習的過程，並請他介紹2013年諾貝爾物理學桂冠榮耀的意涵，以及談談他對一個支持科學發展之社會的看法。
基礎啟蒙
中央大學物理系特聘教授蔣正偉從小對科學就極感興趣，打從可追溯的記憶開始，他面對別人詢問自己長大的志願，向來就是以「工程師」、「科學家」為目標，沒考慮過其他。蔣正偉表示，他至今還記得，國小六年級時有次上書店逛，父親授權他挑選自己喜愛的書，他選擇的就是牛頓、瓦特、愛因斯坦、愛迪生的故事，後來也看法拉第、費曼等人的故事。可能是由於他喜歡理工，因此挑選這些人的傳記來閱讀，但也可能是被這些故事所吸引，從而嚮往他們的人生。
真正在科學上的啟發，是蔣正偉進入國中的時候。蔣正偉回憶，那時候的數學和物理老師都很認真，在這樣的環境裡，許多學生打下了很紮實的基礎。尤其特別的是當時的物理老師，他的教法跟臺灣常見的情況很不一樣，不會強調太多計算，而是把物理觀念慢慢地說清楚，計算題的探討也以課本上的基本習題為主。這讓蔣正偉受到潛移默化的影響，此後在學物理時，他會先設法把觀念搞清楚，而非一開始就埋首於一大堆計算。相較之下，他在高二遇到了另一極端類型的老師，非常重視計算、解題。這位老師在學期一開始就發下一本講義給學生，題目分成左右兩半，左半部是老師在課堂上帶領學生算，右半部則是類似的題型，要求學生回去自己照樣練習。那一年學校的學習上，蔣正偉覺得並沒有習得多少物理觀念，而得靠自己閱讀課外書籍來吸收這方面的知識。
基於過往的學習經驗，蔣正偉看現在的學生，發現絕大多數的人受到的訓練都是「大量計算，但不注重物理觀念」，這樣的學習方式在物理這個領域並不適當。因為對那些計算的意義並不瞭解，將來很容易忘記；但觀念清楚之後則不會忘記，而可做為更深入思考推理的基礎。
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蔣正偉樂於探索物理學的內涵，也期望能引導學生對其產生興趣。
選擇基礎科學的基礎問題
蔣正偉小的時候雖然喜歡理工，但並沒有特別對哪個科目表現特別的興趣，或許他會希望自己能發明很多東西，這樣的發展也許該比較偏向工程。然而因為受到國中物理老師的影響，另外也看了牛頓、愛因斯坦等人的故事，他越來越確定自己的志向在於物理，而且是最基本的原理原則，希望了解宇宙是怎麼運作。蔣正偉於大學時期便選讀物理，研究所更專注於基本粒子的研究。
在基本粒子的理論中會面對許多抽象的概念和問題，因為當中處理的可能是非常微觀、短暫，沒辦法用眼睛去看，也不是日常生活常見的事件，因此增加學習的難度。
蔣正偉此時會在腦中形成具體的圖像，用「思考實驗」來推測某個粒子衰變的時候會怎麼分裂成兩個或三個粒子，或者兩個粒子對撞的時候會產生什麼樣的結果，如何在實驗上去偵測。但是這些情況跟一般可見的情況所遵循的原則並不一樣，怎麼辦？還好有費曼發明了「費曼圖」可以協助描述基本粒子的衰變或碰撞過程，甚至提供了一套規則來計算，很快便可得出衰變率與散射的截面積。利用這種想像的實驗所呈現出的圖像，久而久之它會成為自己思考直覺的一部分，等到熟悉之後就可以更運用自如地去尋找自己的問題。
費曼圖有助於思考基本粒子的各種現象。該圖的橫軸為時間，往右為正向，左邊為初態，右邊為末態。費米子用實線表示，光子用波浪線，膠子用圈線。
與時間同方向的箭頭代表正粒子，與時間反方向的箭頭代表反粒子。
本圖表示電子與正電子相遇後湮滅產生光子，之後該光子又生成一組夸克與反夸克，然後反夸克又釋出一個膠子。（圖片來源：維基百科）
蔣正偉的基本粒子研究屬於「現象學」，他覺得還不算太抽象，在科學社群健康的互動情況下，他可以把計算結果跟實驗結果拿去比對。如果實驗結果跟標準模型預期看到的不一樣，他不但不覺得沮喪，反而會覺得很有意思，此時應該要思考如何去解釋，或者要修改理論模型。蔣正偉覺得這樣很容易找到研究題目，因為問題都是大自然給的。
他還分析大學學習與研究所學習不同之處，大學通常會是比較單純接受別人教你的東西，要把很多知識塞進腦子裡，沒辦法多花時間深入去思考，只求趕快記起來。但等到自己做研究的時候，很重要的是要把書本、論文的內容，轉化為自己可以理解的事情。他非常推崇已故物理學家費曼在這方面的能力，這位大師對每個概念都有自己解讀的方式，跟一般教科書不一樣。這是優秀科學家應該要培養起來的能力，有自己理解科學的方式，這非但不會忘記，而且會有更深入、透徹的了解，不限於課本上文字表面所談的事情。但這種過程也不能閉門造車，胡思亂想，而是要透過跟師長同儕討論，確定自己想法是合理的，沒有走錯路。......【更多內容請閱讀科學月刊第532期】