諾貝爾的榮耀

第二版序
來自瑞典的榮耀　高涌泉

第一版序
科學桂冠，薪火相傳　周延鑫

1901～1973
諾貝爾物理獎得主及其得獎研究簡介　天下文化編輯部

1974　賴爾　修維胥
無線電波在天文史上的應用　科學月刊編輯部

1975　波耳　莫特森　雷恩沃特
原子結構理論的突破─集體模型　科學月刊編輯部

1976　丁肇中　里希特
丁肇中與 J/ψ 粒子　科學月刊編輯部

1977　安德森　范弗壘克　莫特
電子結構之磁性與無序系統　科學月刊編輯部

1978　卡皮查　潘佳斯　威爾森
低溫物理發展史與黑體輻射　沈君山、劉源俊

1979　格拉肖　沙拉姆　溫柏格
電磁力與弱核力的統一　顏晃徹

1980　克洛寧　菲奇
CP　對稱性的破壞　顏晃徹

1981　布樓姆伯根　蕭洛　西格班
畢生致力於光譜學的三位物理學家　盧志遠

1982　威爾森
物質相變之臨界現象　古煥球

1983　錢卓斯卡　富勒
天體物理大放異彩　沈君山、吳秀錦、古煥球

1984　魯比亞　范德米爾
W及Z粒子的發現　劉源俊

1985　馮克立青
量子化霍爾效應　古煥球

1986　魯斯卡　賓尼希　羅雷爾
電子顯微術的發明與突破　劉源俊

1987　貝德諾茲　穆勒
突破30K的高溫超導體　古煥球、林雪蕙

1988　萊德曼　史華滋　史坦伯格
微中子束產生技術的發明　劉源俊

1989　冉濟　德梅特　鮑爾
尋覓度量時間的更精確方法　劉輝堂

1990　弗利德曼　肯達爾　泰勒
夸克發跡　劉源俊

1991　熱納
從簡單系統到複雜流體　曾文碧

1992　夏帕克
開拓粒子世界的偵測器　曾美玲

1993　哈爾斯　泰勒
脈衝雙星、相對論與重力輻射　倪維斗

1994　布羅克豪澤　蕭爾
中子散射　郭中一

1995　帕爾勒　瑞那斯
微中子的探測與陶子的發現　李弘謙

1996　李大衛　奧謝羅夫　李查遜
極低溫下的氦三超流體　陳洋元

1997　朱棣文　科恩唐努吉　菲利普斯
逼近絕對零度　丁致良

1998　拉福林　史托馬　崔琦
分數量子霍爾效應　孫允武

1999　特霍夫特　維特曼
可重整化理論的追尋者　高涌泉

2000　阿法洛夫　克洛姆　基爾比
半導體異質結構與積體電路　陳永芳

2001　康奈爾　凱特勒　魏曼
極低溫的玻色──愛因斯坦凝結　余怡德

2002　戴維斯　小柴昌俊　賈可尼
扭轉世界的宇宙觀　倪簡白

2003　阿布瑞科索夫　金茲柏格　雷格特
由量子論至超導與超流的理論　胡進錕

2004　葛羅斯　波利徹　威爾切克
漸近自由　高涌泉

圖片來源

2004　漸近自由　高涌泉

葛羅斯（David J. Gross, 1941-）
波利徹（H. David Politzer, 1949-）
威爾切克（Frank Wilczek, 1951-）

強交互作用中的漸近自由
獲得今年諾貝爾物理獎的是三位美國籍理論物理學者--葛羅斯（David J. Gross）、波利徹（H. David Politzer）與威爾切克（Frank Wilczek）。葛羅斯目前是美國加州大學聖塔芭芭拉分校卡夫力（Kavli）理論物理研究所所長，波利徹與威爾切克則分別是美國加州理工學院與麻省理工學院的物理教授。

他們三人是因為「發現強交互作用中的漸近自由」而獲獎。這項工作是他們在1973年完成的，當時葛羅斯是普林斯頓大學的物理教授，威爾切克是他所指導的研究生，兩人一起在《物理評論通訊》發表了一篇三頁的短文，宣布他們合作計算的結果；波利徹當時則是哈佛大學的研究生，獨自一人完成了計算，他的文章也只有三頁，也是出現在《物理評論通訊》，恰好緊跟在葛、威二人的文章之後。對於威爾切克、波利徹二人來說，這兩篇得獎文章是他們生平的第一篇文章。

「漸進自由」呼之欲出
漸近自由是非常奇特的性質，一般的場論並沒有這種性質，葛、波、威三人發現楊密規範場（Yang-Mills gauge field）是唯一的例外，所以恰好可以用來解決長久以來令人困惑的質子、中子等強子結構之謎。人們也因而才了解以楊密規範場為基礎的量子色動力學，或許正是描述夸克之間的交互作用形式的正確理論。因此漸近自由的發現，可以說是解決強交互作用之謎的關鍵，所以高能物理界早就預期葛、波、威三人遲早會獲得諾貝爾獎。

大致上說，能夠獲得諾貝爾獎肯定的理論物理學家都是頭角崢嶸的不凡人物，今年獲獎的三人也不例外。但是從某個觀點看，這三個人的工作是「凡人」的工作，因為他們並沒有像某些理論物理學家，例如費曼（R. P. Feynman）、施溫格（J. Schwinger，與費曼同為1965年諾貝爾物理獎得主）、楊振寧（1957年諾貝爾物理獎得主）等人（且不論更上一代的海森堡、狄拉克等大師）那樣，能夠提出漂亮的理論來，而只是利用當時已有的計算工具，搶先一步在楊密規範場理論中發現了漸近自由這個奇怪的性質；威爾切克自己承認：「很明顯地，漸近自由正等著讓人發現，即使我們沒有發現它，物理的進展也不會延緩太久。」可見當時一切條件其實都成熟了，漸近自由已快呼之欲出（事實上，已有其他人知道這項性質，但並未正式發表；見下文）。不過葛、波、威三人能夠拔得頭籌，也不是純然僥倖，因為他們的確有過人的見識與能力。

夸克帶來的難題
在解釋所謂「一切條件都已成熟」的意思之前，我先說明當時高能物理學家所面對的一個難題。這是難題來自弗利德曼（J. L. Friedman）、肯達爾、（H. W. Kendall）、泰勒（R. E. Taylor）等人在1960年代於美國史坦福直線型加速器中心（SLAC）所做的「深度非彈性散射」（deep inelastic scattering）實驗。這個實驗的構想很簡單：將高能電子射上質子，然後觀測散射出來的粒子。實驗的結果大致上可以這麼描述（依據理論學家布約肯（J. D. Bjorken）與費曼等人的分析）：質子內部有更小的夸克，電子與質子的深度非彈性散射可以看成是電子與夸克的彈性碰撞，而且這些夸克是近乎自由、彼此沒有交互作用的粒子。換句話說，弗利德曼等人的實驗證實了夸克的存在。

夸克是葛爾曼（M. Gell-Mann）在一九六○年代初期所提出的概念--它們是自旋1/2的費米子，帶有分數電荷（例如1/3電子電荷）。葛爾曼認為所有參與強交互作用的重子（例如質子）與介子（例如π介子）都是由夸克所組成的。由於夸克帶有前所未見的分數電荷，是相當奇怪的東西，所以不少人對於夸克這個假設半信半疑。直到SLAC的深度非彈性散射實驗結果出現，夸克才從「假設」變成「事實」。弗利德曼、肯達爾、與泰勒三人為此獲得了1990年諾貝爾物理獎。

不過這個實驗的另一項結論，對於理論學家來說，則引來一個難題：夸克既然擠在質子內很小的空間之中，應該受到很強烈的束縛，它的行為怎麼可能像是自由粒子呢？夸克彼此間為何沒有什麼交互作用呢？

重整群觀念解釋臨界現象
傳統上，我們用「荷」（charge）這個（耦合）參數來指明交互作用的大小：兩個粒子間交互作用的強度與它們所帶（相對應於這個特定交互作用）的荷有關，荷愈大，作用強度就愈強。以大家熟悉的電磁交互作用為例，所謂的荷指的就是電荷，兩個帶電粒子之間的力與兩者電荷的乘積成正比，所以電荷是電磁交互作用強度的指標。至於量子色動力學中的荷則稱為色荷（color charge），它是強交互作用大小的指標。如果粒子間沒有什麼交互作用，它們帶的荷一定很小。

不過在量子場論中，我們必需考慮量子場起伏所造成的效應，例如真空極化（vacuum polarization）等。因此我們得要處理荷的重整化（renormalization of charge）問題，也就是我們必需區別重整化前後的荷，兩者是不一樣的；一般實驗上測量到的是重整化後的荷。以量子電動力學為例，真空極化會導致屏蔽效應（screening effect），所以重整化後的電荷比重整化前所謂的「裸電荷」（bare electric charge）要小；換句話說，我們如果離開一個電荷愈遠，由於熟知的屏蔽效應，所量到（已重整化）的電荷會比本來的裸電荷要小，但是如果愈靠近電荷，所量到電荷就會較大。這種情況是一般認知中的「正常」情形。

反過來說，萬一在某種理論中出現了「反常」的反屏蔽效應（anti-screening effect），那麼愈靠近荷，所感受到的荷反而會愈小。這種反常的性質就是所謂的「漸近自由」。我們似乎需要這種奇特的效應才能解釋SLAC的實驗結果。在量子場論中，了解已重整化荷如何隨著測量距離而變，是非常重要的事，因為我們可以由此理解交互作用的強度在不同標度（scale）下的變化。

理論物理學家已經發展出一套完整的理論，來描述物理在不同的標度之下會有什麼變化。這套學問稱為「重整群」，裡頭的核心議題正是已重整化荷會如何隨著標度而變。為了說清楚已重整化荷的變化情況，理論專家定義了一個函數，一般稱為β函數。大致上講，它是已重整化荷對於（能量）標度的變化率；只要掌握了β函數，我們就能夠了解理論的重要性質，也就是交互作用在距離減小的時候，到底是變強還是變弱。重整群中有一全套方法可以用來計算特定理論中的β函數，所以是非常重要的場論工具。

最早提出重整群概念的，正是提出夸克假設的葛爾曼以及其夥伴婁（F. Low）等二人，他們在1954年發表了一篇重要的文章，裡面列出了重整群方程式。（其實當時歐洲以及俄羅斯，也有人在使用重整群的概念，但是他們的影響較小。）不過在葛爾曼與婁之後，這方面的研究並沒有什麼太大的進展，一直要等到威爾森（K. G. Wilson, 1936-）在一九六○年代中期之後，將它發展成重要的場論工具，人們才真正深刻理解重整群的意義。威爾森並且在一九七○年代初將重整群技術應用於臨界現象，計算出臨界指數，解決了數十年來的難題。為此，威爾森獲得1982年的諾貝爾物理獎。

威爾森在一九五○年代末，於加州理工學院攻讀博士學位時的指導教授正是葛爾曼，所以他對於粒子物理，尤其是強交互作用，並不陌生，因此可以預期他會將重整群應用到強交互作用之上。威爾森的確也這麼做了--他在1970年發表了一篇文章，題目就是〈重整群與強交互作用〉。這是一篇很具遠見的文章，裡頭解釋了如何用重整群的觀念與技術來探討強交互作用的問題，並且列舉了各種邏輯上可能的β函數，可惜威爾森恰恰就遺漏了可以導致漸進自由的β函數。他之所以如此，不是沒有原因的：首先，威爾森很了解量子電動力學中屏蔽效應的機制，並且知道這種機制也適用於他所知道的一切「正常」場論，而他並不熟悉楊密規範場，所以他壓根沒想到反屏蔽效應的可能性。當然，當時其他人也沒能想得到這一點。

摘自《諾貝爾的榮耀──物理桂冠》

來自瑞典的榮耀

高涌泉（台灣大學物理系教授）

在當今眾多的學術獎項之中，居龍頭地位的毫無疑問是諾貝爾獎。幾乎每個科學家都會把能夠前往斯德哥爾摩一趟領這個「瑞典獎」當成最高榮耀。在沒有列入諾貝爾獎項目的學門裡，如數學、天文、生物等，也時可聽到呼籲它們應該有類似諾貝爾獎的獎勵。儘管數學大師陳省身曾說過：「諾貝爾獎不來，我覺是數學的幸事，」因為生活在數學之中，樂趣無窮，「這是一片安靜的天空；沒有大獎，也是一個平等的世界。」但人們還是要創造出「菲爾茲獎章」（Fields Medal）、「阿貝爾獎」（Abel Prize）、「邵逸夫獎」（Shaw Prize）等可以拿來和諾貝爾獎相提並論的數學獎，而陳省身還是邵逸夫數學獎第一位得主！

忠實反映物理的進展
諾貝爾獎的聲望是由百餘年的傳統累積出來的，無法一蹴即成，可是如要維持這個聲譽，還是得戰戰兢兢，不可走錯一步。所以諾貝爾獎委員會必須頗為謹慎，寧可保守、不可浪漫，不能給出不夠實至名歸的獎。就物理獎而言，諾貝爾獎委員會大體上算相當稱職，也就是說，諾貝爾獎大致能夠忠實地反映物理的真實進展，而不僅是代表某一種獨特的品味而已。如果不是這樣，諾貝爾獎也不可能有今天崇高的地位。

若從過去三十餘年諾貝爾物理獎的名單，來回顧二十世紀下半葉的重要物理成就，我們可以看出其中有幾條主要脈絡：

（一）在基本粒子領域方面，最重要的成就是標準模型的確立。標準模型是描述各種夸克、輕子之間的電弱交互作用與強交互作用的理論。到目前為止，標準模型的預測與實驗觀測完全相符。這項成就是眾多實驗學家與理論學家所共同達成的。1979年、1984年、1999年這三個年度的諾貝爾物理獎，就是頒給對於電弱交互作用有關鍵性貢獻的理論與實驗物理學家；1990年與2004年的獎，則是頒給發現與解釋強交互作用特殊性質的人員；1976年、1988年與1995年的獎頒給發現新夸克、輕子的實驗學家；1980年的獎頒給發現電弱交互作用中CP破缺的發現者；1992年得獎者的主要貢獻是發明新型粒子偵測器。所以過去三十年間，粒子物理約獲得了三分之一的諾貝爾獎。

（二）在凝體物理方面，對於超導體與超流體這些奇特現象的研究一直有豐碩的成果--自從1972年諾貝爾獎頒給了建立超導體BCS理論的三位理論學家之後，共有1973、1987、1996、2003這四年的獎、以及1978年的一半獎項，是頒給對於超導超流領域的貢獻。發現整數與分數量子霍爾效應的研究者，分別在1985年與1998年獲得諾貝爾獎。1977與1991兩年的獎則頒給了理論學家，以獎勵他們在磁性、液晶、與無序系統上的研究成果。雷射、電子顯微鏡、中子繞射等重要研究工具與技術的開發，也是諾貝爾獎青睞的領域，例如1981年、1986年、1994年的獎就是表揚這一方面的工作。

（三）歷久彌新的原子分子研究領域也屢次獲獎。近年來比較為人注目的是和玻色─愛因斯坦凝結有關的研究，這方面的成果獲得了1997與2001兩年的諾貝爾獎。

（四）這三十年來，天文物理也成為獲獎領域之一。1974、1983、1993、2002這四年的獎、以及1978年的一半獎項，就是在獎勵這一方面的驚人發現，例如脈衝星、宇宙微波背景輻射等。

諾貝爾獎的意義
諾貝爾（Alfred B. Nobel）先生原本希望受獎者能「帶給人類最大的福祉」，然而這三十年來獲得物理獎的工作幾乎都是純學術上的成就，很難說有多大的「福祉」可言。唯一的例外是2000年的物理獎頒給了發展半導體異質結構的先驅以及發明積體電路的工程師，這個獎難得地褒揚了應用物理領域上的成就，算是符合諾貝爾的期許。

前面我提過諾貝爾物理獎是相當保守的獎，而且謹守物理是奠基在自然現象上的科學這一原則。因此若把獲獎工作大致劃分成實驗性與理論性這兩大類，則過去三十年來實驗方面的獎，比理論的獎來得多，比例約是二比一。非常重要的理論性成就，例如暴脹宇宙、弦論，或是霍金所發現的黑洞輻射，無論這些工作如何漂亮或引起了多大的旋風，只要它們還未能明確地獲得觀測或實驗上的證實，則獲獎的機會就很小。我以為諾貝爾物理獎存在的意義，就在於它對於這種最嚴苛標準的堅持。

不過正如陳省身所提醒的，諾貝爾獎還是有明顯的名利味，所以科學界再也沒有「安靜的天空」，再也不是「一個平等的世界」。諾貝爾獎得主各有其看待這個榮耀的方式，以一九六五年物理獎得主費曼（Richard P. Feynman）來說，他向來宣稱不喜歡榮耀，因為這是一種人為的不平等，可是費曼仍然接受了諾貝爾獎！以下是他在諾貝爾獎宴會的致詞：

陛下、各位殿下、女士與先生：

我的工作已經獲得了恰當的報償與肯定。

我不停地想像，試著要得到某種更深入的理解，直到忽然發現自己一時之間正單獨面對大自然美麗圖像的一個新角落以及所顯現的真正莊嚴。這就是我的報償。

為了讓人們比較容易接近這新一層的理解，我造出了新工具，後來我看到了正絞盡腦汁解決新謎題的人們用上了這些工具。這就是對於我的肯定。

然後來了這個獎，接著信息蜂擁而至。我知道有先生興奮地拿著報紙對太太說；有女兒在公寓中跑上跑下敲鄰居的門報消息；有不懂技術細節的人們歡呼：「我早就知道！」雖然他們的成功預測全來自信念而已；朋友、親戚、學生、以前的老師、科學上的同伴、完全陌生的人的祝賀；有一板一眼的嘉許，有愚蠢的玩笑、派對、禮物；真是一堆各式各樣的信息。

但是我在每件信息中看到了兩個共同因素：我看到了歡樂，我看到了溫情（你瞧，不管我以前有多謙虛，這幾天全不見了）。

這個獎讓他們可以表達心裡的感覺，也讓我知道他們的感覺。儘管每個喜悅只是短暫的激動，但是在那麼多地方重複出現，就累積成不小的人性快樂。一股股溫情相繼釋放出來，讓我了解朋友與舊識之愛的深度，這是我以前從沒有這麼強烈感受過的。

為此，我感謝諾貝爾，以及那些努力地以這種特別方式執行他遺願的人們。
我也感謝你們，瑞典的人民，為了你們的榮典、你們的號角、以及你們的國王。原諒我，我終於知道這種事情是會打動人心的。由一群有智慧又愛好和平的人民來做這些事，會在人與人之間產生好的感覺，甚至產生愛，即使在離開你們很遠的地方也是如此。為了這堂課，我感謝你們！（注）

我以為讓費曼這樣的科學家能夠有以上的體驗，是諾貝爾獎的另一種意義。

每年10月，遠在瑞典的諾貝爾獎委員會公布獎項得主，《科學月刊》就邀請該領域的專家描寫各位得主的生平事蹟和得獎原因，專家們通常樂意撰寫（出自「惺惺相惜」，或如英國史學家卡萊爾所說的「英雄崇拜」）。專家們在授課研究之餘，努力蒐集相關資訊和圖片，以端出「相得益彰」的作品。

雖說得獎內容常在科學研究的前沿，不易解釋清楚，但我們的專家就是有本事平易地描述其重要性。 天下文化公司自1982年成立以來，已擴充到經由科學、文化、財經等「全方位」地服務大眾，並頗受好評。我們愉快地合作多年，共同實踐普及科學服務的目標！此次再版，更加強內容和編輯，期望讀者更能「入寶山」而收穫更多。 

──林基興（科學月刊社理事長）

人生有多少三十？在此千禧年際，即將而立的「科學月刊社」，和「天下文化」合作出版的《諾貝爾的榮耀──科學桂冠》三書，無疑是一場世紀末科學宴饗。

《科學月刊》是由一群熱中台灣科學普及的留學生、學者教授創辦，三十年來除了辦雜誌，也辦科學講座、研討會、科學營。期間人事雖有更迭，《科學月刊》無私奉獻的精神仍然代代相傳，成為民間推展科學教育的一股清流。

天下文化在民國七十一年以專業經營管理理念出版叢書，立刻建立起台灣文化出版業的品牌，提升台灣閱讀書籍的人口。繼經濟社會文化叢書之後，在林和、牟中原、李國偉和周成功（皆是《科學月刊》的中堅人物）策劃下，天下文化開始出版科學文化叢書，每本書都贏得讀者的喜愛，迅速建立了口碑。近年來科學文化叢書在譯作中也出現了國人的著作，《台灣蛇毒傳奇》、《線索》和《肝炎聖戰》讀來更令人感到親切。 

科學月刊社為了擴大慶祝成立三十週年，將《科學月刊》歷年來由國內教授專家所撰、介紹諾貝爾科學獎得主發明或發現的文章，委由天下文化重新編輯出版。這些諾貝爾科學獎得主的發明或發現都經過時間的考驗，是世界公認的傑作，他們的研究就如同藝術家完美的作品，流芳百世，值得讀者典藏閱讀。

科學與美學在展現人類探索無限的疆域時其實是一致的，因為它們挑戰著未知與極限，科學家和藝術家的成就都可以引領人們到達高峰的境界。我們可以享受聲樂家的繞樑之音、舞蹈家的律動之美、文學家的文字之情，我們當然也可以享受科學家追求的宇宙之真。

──羅時成（科學月刊社前理事長）

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