臺灣物理研究發展概述（上）

韋大成　張起燕

臺灣物理研究發展概述（上）

韋大成張起燕

早期發展情況

臺灣有組織地開展物理學研究始自于1966年，即科技主管部門在新竹清華大學出資設立“物理研究中心”（臺灣大學和臺灣中研院為合辦機構，1983年改由臺灣科技主管部門直屬，1986年改名為“物理研究推動中心”）以后，通過大力培育物理人才及推動基礎與應用物理研究，逐漸形成規模，執行研究計劃的數量也由1966年的12項，發展到到1977年的36項，再到1988年的136項，研究水平也得到很大提高。

在1986年以前，島內物理學研究主要集中在凝聚態物理、原子核物理、原子與分子物理、粒子物理、場論及統計力學等五大領域。其中，凝聚態物理研究的重點放在對固體材料的熱性、電磁性、機械性質等方面的了解，進而改進、合成或控制材料的特性，以及研制或發掘新的材料。

原子核物理研究的重點放在原子核結構及現象、電磁作用、強作用力及弱作用力、基本粒子研究之中間媒介等理論內容；原子與分子物理研究的重點放在原子與分子中電子的分布及其與原子核間的電磁交互作用，以及與化學和生命合成物的性質關系等方面；粒子物理及場論屬于物理學中最新領域；統計力學則作為方法論，研究重點放在通過系統組成單元之間的相互作用，來了解系統的宏觀性質與現象，特別是在相變化、平衡態與非平衡態的熱力學性質及現象等問題的微觀了解上。

當時島內物理研究計劃雖不少，但其研究題目多屬依個人專長及興趣而從事的自由研究。為有效推進物理學研究發展，臺灣科技主管部門下屬“自然科學發展處”在1985年初制定了“物理學科規劃方案”，以充分地因應在推展即根據科技發展趨勢及社會建設需要，規劃出研究重點方向，并據以推動大型整合性合作研究計劃，逐步使其所培養的專業人才及建立的研究體系，在質與量兩方面都得以快速提升。

根據該規劃方案，臺灣物理學科基礎研究重點方向共有5個：規范場論及其現象學研究，稀土及過渡金屬系統的磁性及超導性研究，原子分子光譜研究與激光及同步輻射光源發展的配合運用，固體表面的能譜學研究，非線性與相位共軛研究。

上世紀80年代，世界各國掀起高溫超導研究熱潮后，臺灣相關科技人員投入該項研究的越來越多。臺灣科技主管部門于1988年1月成立“高溫超導研究規劃小組”，負責購置關鍵性貴重儀器設備，供研究人員測試導體物理、化學特性以及材料制作之用，并分北部、新竹、南部三區，以整合計劃方式成立高溫超導實驗室，集中人力、物力，以重點研究尋求突破，提高島內研究水平。

由于表面物理研究對臺灣當時正在大力發展的電子及化工產業有極其重要的關系，臺灣科技主管部門于1986年9月成立了“表面物理研究規劃推動小組”，制定了《表面物理計劃建議書》及《合作研究計劃書》，選擇能相互支持配合的研究重點，組成研究團隊，集中資助其開展表面物理研究。

主要物理研究機構

成立于1997年的臺灣“理論科學研究中心”理論物理組，現任主任朱創新來自新竹清華大學物理系（主攻粒子物理），聘請的“中心科學家”有蔣正偉（主攻粒子物理）、耿朝強（主攻粒子物理）、Cazalilla, Miguel A.米格爾（主攻核物理）、陳宣毅 （主攻生物物理）、陳柏中（主攻凝聚態物理）、仲崇厚（主攻凝聚態物理）、寺西慶哲（主攻凝聚態物理），另有十余名博士后及助理研究人員，每年還有數十位來自各地的“中心合作科學家”，他們共同組成12個重點研究小組，開展各領域研究外，還常常開展對外學術交流，舉辦國際性學術會議，邀請海外專家學者來臺灣講學和共同開展學術活動。

為增強該中心各重點研究小組與不同領域研究人員的互動，他們每年都要在臺北、新竹、臺南市三地輪流舉辦“中心物理日”，同時召開“理論物理大趨勢”研討會。同時，他們還積極培養與鼓勵島內年輕學者進行前沿科學研究，每年都要頒發“年輕理論學者獎”與“博士后研究論文獎”。

在對外交流與合作方面，他們積極與多個海外研究機構開展合作，包括大陸重慶郵電大學數理學院、北京大學物理學院、中國科學技術大學交叉學科理論研究中心、美國馬薩諸塞州立大學物理系、日本高能物理研究中心、日本京都大學基礎物理學研究所、韓國亞太理論物理中心、韓國高等研究院、澳大利亞高能粒子物理卓越研究中心、越南HUE大學和越南科學院物理研究所等。

目前，臺灣從事基礎物理研究的專業人員大多集中在設有物理學系/所的公私立高校內，每年發表論文最多的有臺灣大學、新竹清華大學、新竹交通大學、成功大學、臺灣師范大學、淡江大學、東吳大學、中國文化大學、輔仁大學、中央大學、中原大學、中興大學、東海大學、彰化大學、高雄師范大學、中山大學、中正大學等物理學系/所。

能夠開展實驗物理學研究的機構主要為擁有較精密大型實驗儀器設備的新竹清華大學、臺灣大學、臺師大、臺灣中研院物理研究所和原子與分子科學研究所、臺灣原子能主管部門下屬的核能研究所，以及科技主管部門組建并管理的同步輻射研究中心等。

臺灣中研院物理研究所的歷史可追溯到1928年在上海建立的理化實業研究所，1962年在臺灣復建，由吳大猷擔任首任所長，此后一直是臺灣實驗物理學研究的主力。1970年，該所將研究領域擴展至大氣科學與流體力學，之后又在1975年新增生物物理研究計劃。上世紀80年代，該所的研究領域擴充至場論與粒子物理、原子核物理、統計與計算物理等領域。

該所現任所長為李定國，共有45位研究人員，包括特聘研究員3名、研究員22名、副研究員12名、助理研究員3名，每年約有400余名訪問學者、博士后、兼任助理的研究生等約人來所從事研究工作，分為納米科學、中高能物理和復雜系統3個研究群組，研究方向涵蓋中微子物理及探測器、重夸克及大型對撞機物理、宇宙反物質及暗物質、高溫超導、磁性物理、納米科學、統計與計算物理、生物物理等領域，所內擁有加速器實驗室、納米核心設施中心、生物圖像核心設施、精工室以及高速網絡計算平臺等，大型實驗設備和儀器包括3MV串級靜電加速器、場發射穿透式電子顯微鏡、雙槍聚焦粒子束及掃描式電子顯微鏡、電子束曝光系統、激光曝光機、1000級無塵室內制程設備(含黃光室)、納米壓印機、激光熱擴散測量系統、納米粉末及薄膜制備系統、共軛焦激光顯微系統、全反射熒光顯微系統、熒光顯微鏡、三維超解析熒光顯微系統、拉曼圖像顯微系統、多光子熒光顯微鏡、原子力顯微鏡等，幾乎全部對外開放。

臺灣中研院原子與分子科學研究所由諾貝爾化學獎得主李遠哲倡議籌建，1995年正式成立，位于臺北市臺灣大學校園內?，F任所長周美吟，共有30位專職研究人員、10位特聘研究員，每年約有200余位訪問學者及博士后、研究助理及研究生參與該所的研究工作。該所研究的范圍涵蓋化學、物理、光電等領域，并劃分為尖端材料與表面科學組、原子物理與光學組、化學動態學與光譜組、生物物理與分析技術組等四個研究群組。

該所設有量子材料理論實驗室、表面納米結構實驗室、尖端材料實驗室、分子/材料模擬實驗室、表面動力學與動態學實驗室、固態核磁共振及觸媒化學實驗室、量子納米電子材料模擬實驗室、生物物理電腦模擬實驗室、自發性表面納米結構實驗室、納米元件物理實驗室、納米磁學實驗室、現代光譜實驗室、有機材料實驗室、瞬態分子激光光譜實驗室、分子束化學反應動態實驗室、光化學實驗室、生化分子質譜與光譜學實驗室、生物質譜分析實驗室、基因與分子發育遺傳學實驗室、強場物理與超快技術實驗室、理論原子碰撞實驗室、超低溫原子與分子實驗室等，擁有利用VUV同步輻射光探測化學反應產物的動力學實驗研究裝置、多質量離子圖像探測器、10兆瓦飛秒脈沖激光器、交叉分子束儀、多質量光碎片離子影像儀、雙色共振多光子游離光譜儀、自旋隧道電子掃描顯微鏡等儀器。

臺灣中研院天文及天文物理研究所自1993年開始籌建，直到2010年6月才正式成立，位于臺灣大學校區內（天文數學館大樓內），另在美國夏威夷設有辦事處。首任所長為賀曾樸，現有31位研究人員，包括特聘研究員4名、研究員5名、副研究員11名、助研究員11名，每年都有100多名訪問學者、博士后研究人員、海外科學家來此從事合作研究工作，主要研究方向包括河外天文學、恒星形成、星際與拱星介質（也稱原行星盤）、天文塵粒物理、高能天文物理、理論及觀測宇宙學、太陽系及系外行星系統、天文儀器安裝與測試等，2013年共發表論文204篇。

2004年，該所設立高等理論天文物理研究中心，最初位于新竹市清華大學校園內，2013年遷至臺灣大學，目的是將天文物理研究與教學相結合，將研究成果整合融入島內大學生及研究生的教育課程之中，培養下一代天文學家。自成立以來，該中心積極開展有關宇宙中恒星、行星、致密天體、星系等起源與演化問題的研究，包括流體動力學、磁流體動力學、天文化學、輻射轉移等數值模擬，每年均舉辦一期冬季/夏季短期課程、2到4次學術研討會或各種規模的主題式課程，同時積極邀約外國訪問學者造訪該所，舉辦學術研討會與短期培訓課程，將最新的理論天文物理研究成果帶給臺灣。

由于臺灣缺少獨立建造大型天文望遠鏡的經濟和技術能力，以及島嶼環境的地理和氣候條件不適宜開展天文觀測，因此除在嘉義鹿林山上建有4座口徑僅50厘米的小型天文望遠鏡外，其余觀測設備都是通過在外國與其他天文臺或天文國際組織合作建造的方式來取得，包括位于美國夏威夷冒納基山的次毫米波陣列射電望遠鏡和宇宙微波背景輻射陣列射電望遠鏡，以及位于格陵蘭的12米射電望遠鏡和目前正在建造中的位于智利阿塔卡瑪沙漠的大型毫米波及次毫米波陣列射電望遠鏡，臺灣都只是眾多參與者之一，僅擁有這些天文觀測設施的部分使用權力。

以上臺灣中研院這幾個研究所本身都有固定的研究經費預算，而大學物理學系/所的研究經費主要由“國科會”補助，每年約150個物理專題研究計劃項目，經常參與計劃申請的研究人員有300人左右。

根據歷年《臺灣科技年鑒》、《“國科會”年報》及科技主管部門下屬“物理研究推動中心”發表的各種簡訊、報告等資料顯示，目前臺灣物理學研究主要集中在天文及天體物理、基本粒子與宇宙學、高能物理實驗、原子核物理、凝聚態與表面物理、統計與計算物理、生物物理、流體與非線性物理等領域。

粒子物理與宇宙學

在粒子物理領域，臺灣因缺少大型實驗設備，故以理論研究為主，其研究人員主要分布在臺灣中研院、臺灣大學、新竹清華大學、成功大學、臺師大、中央大學、中原大學、東海大學、中興大學和新竹交通大學等機構，根據專長和愛好組成研究團隊，每年固定召開研討會，相互啟發，共同促進理論水平的提高。

例如在2000年，臺灣一組科研團隊發現重介子非輕子弱衰變的規范不變及發展紅外有限理論，即在微擾量子色動力學的因次化定理架構下，可建立一個規范不變及紅外有限的理論，避免紅外無窮大問題。

臺灣科學家2001年提出量子動力學及弦論新算法，藉由非交換幾何的描述研究相關問題。此外，提出研究B介子衰變的量子色動力學理論，借著對強作用機制的掌握，從實驗數據可精確萃取標準模型中的弱相角等基本參數。2002年，在在弦論方面，推導S-膜的有效作用量，并求出在超光速粒子的背景下形成基本弦的解。

臺灣科學家2004年推論，奇夸克和底夸克間可能有相當大的混雜，因此會造成新的CP相位及右手動力學；利用手征對稱來探討π介子、K介子和η介子等粒子光錐分布函數的SU(3)違逆，并建立具有交互作用及化學位能的非相對論性費米子系統（自旋1/2）的晶格場論，這個理論可以應用在粒子間距大于位能作用范圍的情況，而且不會有符號問題。

2007年，臺灣科學家提出B介子衰變的偏極化問題，給出不同的衰變其湮滅圖貢獻的關系式。2008年，提出尋找希格斯波玻色子時可籍由其一種衰變模式，即當其衰變成4個底夸克所形成的不變質量，來補償尋找希格斯粒子的可能機會。

近幾年，隨著歐洲大型強子對撞機（LHC）正式運行并不斷公布最新實驗結果，開展對標準模型以外新物理現象的研究，成為島內新熱點。例如臺灣大學物理系何小剛教授及其團隊在2010年發現，標準模型不可能得出2005年在美國費米實驗室的Hyper CP發現大于標準模型預言的Σ+-＞pμ+μ-衰變率的結果，這一結果有可能解釋為一質量為214MeV的新粒子引起的反?，F象。這一模型有很強的預言性并能被LHC實驗檢驗，如暗物質的直接產生等，并存在其它新粒子的可能性。

此外，2011年，臺灣中研院物理所李湘楠與美國密西根州立大學研究人員合作，以微擾量子色動力學的重求和方法為基礎，建立強子對撞機中噴流現象的理論架構，成功描述費米實驗室及歐洲大型強子對撞機測量的噴流質量與噴流內部的能量分布，首度實現物理學家以量子場論研究噴流現象的想法。

高能物理實驗

在高能物理實驗領域，由于臺灣島內缺少大型實驗設備，只能借助外國。上世紀90年代，經美籍華裔科學家丁肇中的安排，有5名臺灣科學家先后赴歐洲核子研究中心(CERN)從事高能物理方面的實驗研究。自2001年起，他們開始加入大型強子對撞機中的緊湊型μ子螺旋管探測器（CMS）研發制造團隊，負責前端的預顯示探測器的建造、運行維護與數值分析，與國際上一流研究團隊合作，共同尋找希格斯粒子。

近年來，臺灣科學家還參加大型強子對撞機尋找希格斯粒子最重要的衰變頻道（希格斯粒子衰變到雙光子頻道）物理分析，為2012年新發現一個類似希格斯粒子的新玻色子做出成績。此外，他們還投入對重夸克的探索，已成功的提出幾項與重夸克有關的重要成果，在相似于標準模型下前三代夸克的序列型第四代夸克，以及非標準的奇異夸克的研究上皆有貢獻。

經華裔科學家葉恭平的協助，臺灣中研院物理所部分研究人員1993年加入美國阿貢國家實驗室的費米碰撞探測器（CDF）研發團隊，參與粒子探測器的建造（負責提供并列光纖傳輸模組）與實驗結果分析。1年后，該團隊順利發現頂夸克。2004年，該團隊發現由5個夸克所構成粒子，被認為是過去30年中首次觀察到重子、介子之外，新一類多夸克所構成粒子的最明確證據。

1999年，臺灣大學高能物理研究人員又參與日本B介子工廠Belle實驗，致力于B介子的稀有衰變與CP破壞的研究，在2005年發現了B介子到兩個K介子衰變的證據，確定“直接”電荷宇稱破壞。另外，還參與日本重子設施興建計劃，負責建造時間飛行探測器，利用50GeV高能質子束，進行粒子物理和核廢料處理實驗研究。

李世昌領導的臺灣中研院物理所高能實驗團隊還參與建造人類第一個太空磁譜儀（AMS），由美國“發現”號航天飛機載往地球軌道進行測試，發現地球附近的太空中有許多以前從未觀測到的高能量質子、電子、反電子及氦的同位素原子核氦3，其中反電子數約為電子的4倍，且氦3數量遠多于氦4。

由臺灣中研院物理所主導的“臺灣中微子實驗”是島內首次開展的高能粒子物理實驗。在臺電公司核能二廠內，距離反應堆28米處建立實驗室，以研究中微子物理特性。實驗設備包括重量達50噸的屏蔽體，以防止宇宙射線及周圍環境輻射所造成的背景干擾，還有精密的高純鍺及閃爍晶體探測器，加上性能先進的電子儀器，用來顯視、監控、記錄及分析探測器的信號。合作團隊除了臺灣中研院、核能所、新竹清華大學外，還包括來自大陸中科院高能研究所、原子能研究院、北京清華大學、南開大學、四川大學，以及土耳其與印度的科研機構。

該合作團隊在2007年進行的中微子磁矩實驗研究，靈敏度達到世界一流水平。2010年再接再厲，完成了中微子與電子交互作用截面的測量，所采用的極低能高純鍺探測器技術，其探測能量范圍比之前更低100倍，成功開啟了研究暗物質的視窗，在未被前人檢驗的能量區域里，證明粒子物理的標準模型依然有效，并限制了新物理理論的可能參數。所有實驗結果確信沒有發現任何中微子磁矩和輻射衰變的證據。其在2013年3月發表的最新數據，否定了美國CoGeNT實驗在2011年發表的有關暗物質的證據及詮釋，并引證其數據處理的不足之處。

目前，臺灣科學家正在與北京清華大學等機構合作，在四川錦屏山地區建造世界最深的地下實驗室，準備全力開展尋找宇宙暗物質的研究，備受國際同行期待。

原子分子物理

在原子分子物理領域，包括中低能核物理研究，主要在臺灣中研院原子與分子科學研究所、原子能主管部門下屬核能研究所及臺灣大學、新竹清華大學、新竹交通大學、中央大學、中原大學等研究機構開展，如利用激光冷卻低溫原子實驗、激光等離子波電子加速器、同步輻射光源的相對比X光顯微術等，開展夸克膠子等離子體的特性及原子核內的非線性動力學研究。

例如，臺灣科學家發展出多重能量相位迭加的理論，即把光學全像術的概念，應用于波長小約1萬倍的電子繞射上，將實驗得到的電子繞射圖案做簡單的傅立葉轉換，即可看到所測量系統的原子三維結構，并發現電子繞射圖案或曲線的Patterson反轉，也可直接獲得所測量系統的原子三維結構。

2006年，臺灣中研院原子與分子所的研究人員利用交叉分子束及先進的時間切片離子圖像儀技術，測量高能量薁分子與氪原子在交叉分子束中碰撞的散射圖像結果，藉由分析有機分子光化學實驗所得到的能量轉移機率分布函數，直接觀察到超級碰撞（即一次碰撞轉移很多能量）的存在。

新竹清華大學物理系王道維教授在2008年發現，如果考慮一系列多層的二維結構，這些冷分子是可以排成長鏈狀的流體，造成一種以前只有在軟物質物理或化學反應里看到的“極性流體”現象，但與之不同的是，這樣的長鏈結構同時擁有溫度與量子效應。由此證明許多在多分量低維度的半導體系統中的多體物理現象其實更容易在冷分子的系統內達成，原因是冷分子間的偶極作用力可以同時有排斥力與吸引力，且因作用力的主角可以為費米子或玻色子，這使得未來可以有更寬廣的空間來研究一些多體物理的基本性質。

臺灣大學物理系郭光宇教授2009年利用自己編寫的相對論能帶計算程序，率先用第一原理方法計算半導體塊材的自旋霍爾效應，發現空穴型半導體如鍺、砷化鎵和砷化鋁有可觀的自旋霍爾電導率，說明實際半導體（超越Luttinger模型）存在自旋霍爾效應。另外，軌道角動量霍爾電導率比自旋電導率至少小一個數量級，也即自旋霍爾效應不會完全被軌道角動量霍爾效應抵消。同時，他也預言在半導體中存在交流的自旋霍爾效應。最后他還發現，可以利用半導體多層膜介面的應變來操控自旋霍爾效應。

2011年，臺灣一組研究團隊利用掃描穿透式電子顯微鏡結合電子損失能譜儀，分析釹鍶錳、鈦酸鍶氧化物界面的絕緣性，發現界面上出現相互擴散并造成極性不連續平滑化，顛覆了傳統科學界對絕緣界面不應出現凈電荷的認知。