1981年諾貝爾物理獎得主簡介

1981年的諾貝爾物理獎，由瑞典的一位教授與兩位美國教授平分。他們的成就都與光譜學有關，而且都不是因為他們有什麼單一的驚人發現或理論而獲獎，乃是表揚他們數十年來不斷地鑽研所累積的成就而頒此殊榮的。

瑞典科學院稱道，美國哈佛大學的布魯敏伯根（N. Bloembergen, 後簡稱布氏）教授與史丹佛大學的夏洛（A. Schawlow）教授兩人因為對發展應用雷射來研究物質的光譜學極有成就，因此得以平分一半的1981年諾貝爾物理獎。布氏與夏洛在物理界都早已是赫赫有名了，他們都曾拜諾貝爾獎得主的名下從事研究，而且也曾得到許多其他的物理大獎。夏洛現任美國物理學會（APS）的會長，在學會的社團活動中也極為活躍。他們兩位在1950年代就已認識，可是卻從來沒有正式或直接地合作研究過任何問題。他們的研究領域可以說是雷射光譜學中兩個不完全重疊的部分，這次瑞典科學院也就是因為如此而揀選他們兩位，來表示此項物理獎已涵蓋絕大部分的所謂雷射光譜學。

夏洛早年追隨湯恩士（C.H. Townes）教授在紐約市的哥倫比亞大學從事博士後研究。湯恩士教授則在1964年獲得諾貝爾獎，其得獎是因為發展出雷射與射（maser）的原理，而且射在1954年亦由湯恩士與其在哥倫比亞大學的研究小組（包含夏洛）實際地作了出來。這個裝置可以不用一般人用的電子管而產生微波，此一成就當時震驚了整個科學界。他們所產生的微波，是用一個小小的盒子作為共振空腔，其中裝了少量的氨氣，利用反覆的反射就可以產生高能量且單一頻率的微波。若僅從作為一通訊工具而言，射在當時尚無法與一般的簡單電子管微波放大器來競爭。然而重點卻在於射激發放射所顯示出來的新放大原理，真的獲得了實驗的證實，這是一個新?萑碑。而雷射就是射的直接後代，它可以發射出紅外光、可見光甚至紫外光（註一）。

有個流傳的真實笑話說，夏洛對射的發明也有些無心的直接貢獻。那就是在1951年，湯恩士與夏洛分別到華盛頓出席兩個物理會議，他們為了省錢而同睡一個旅館房間。清晨湯恩士醒來，為了不願吵醒夏洛，才悄悄地獨自一人出去散步，就在這次清晨散步中，他突然靈光一閃，頓悟了應如何製造射！

事實上，夏洛也與湯恩士共同發表了許多論文，討論射與雷射的基本原理。後來夏洛離開了哥倫比亞大學，到不遠的貝爾電話實驗室工作，但他仍與湯恩士保持密切的連繫。不僅是在作學問上，更是因為他娶了湯恩士太太的妹妹為妻，成了連襟。從1957年開始，他們就積極地想研製發射光波的雷射，但卻未能首先成功，而讓加州休斯飛機研究所（Hughes Research Lab.）的麥門（T. H. Maiman）博士搶先製成了世界上第一支紅寶石固態雷射。

後來，夏洛又到加州史丹佛大學任教，也得了不少的獎，都是為表揚他在雷射研究上的成就。他在射、雷射上的貢獻雖是舉世公認，但卻未能與湯恩士共享那1964年為了表彰射成功而得的諾貝爾獎。那一次的諾貝爾獎是由湯恩士與蘇俄Lebedev物理研究所的兩位教授：普洛柯洛夫（A. M. Prokhorov）與巴索夫（N. G. Basov）所共享。但因為夏洛在雷射上確是很有成就，不少人的印象中就常常誤認他得到了那一次諾貝爾獎。

到了史丹佛大學後，夏洛的興趣有了轉變，轉而利用雷射來研究原子與分子之性質。也就是說，將雷射當作他的一種研究工具，而非其目的了。夏洛利用雷射獨一而精巧的特性，來測量圍繞在原子或分子周圍電子的能階。但是，事實上雷射光譜學一直並沒有太大成就，一?菪到所謂的染料雷射成功之後，才真地大放光彩。染料雷射是利用一些特殊的有機染料作為介質而製成的雷射，它在某段波長區間中，可以任意自由調選所需要的波長。夏洛是首先採用染料雷射進行光譜研究的先驅者之一。到了1970年代，夏洛又與一個生於德國的物理家漢思哈（T. Hansch）發展了一連串精妙無比的光譜技巧。他們的技巧極其精細，可以將物理常數中的所謂「雷德堡常數」（Rydberg constant）測到準至先前的三倍，而使此常數成為有數的幾個最精確之可量常數之一。他們的技巧甚至可以量得出氫原子能階中極微小的雜訊，而此雜訊可能是來自宇宙中所有原子中任一原子的變動！此種精確程度真是驚人至極。

夏洛的工作主要是研究所謂「線性的」光譜學，而哈佛大學的布氏則是研究「非線性」光學與「非線性」光譜學。要說明所謂「線性」與「非線性」，最易懂的類比例子就是一個音頻放大器。當音樂經由音頻放大器放出來而沒有變形，則可稱此放大器為線性的；反之，則稱其為非線性的放大器。同樣地，極強的電磁波經過介質也會引起非線性的現象。

布氏起初是追隨哈佛大學的普塞爾（E. Purcell）教授從事核磁共振的研究（註二），而普塞爾教授在1952年即因此研究之貢獻而獲諾貝爾物理獎。後來，布氏的興趣就轉向射物理，而終至於利用光與物質非線性作用的特性來研究物質。

非線性效應可以用來作成非常靈敏的光譜學工具，還可以產生許多極為有趣的現象，例如「諧波產生」（harmonics generation）的效應。一束紅光射入某種介質中，若其強度大到一定程度，竟然可能有紫外光產生。

1960年代末期，布氏又將他的興趣轉往一個聽來令人絕頂興奮的研究領域，那就是要利用雷射來協助化學反應，這也就是俗稱「化學裁縫」或「化學外科術」的構想。布氏與哈佛大學的亞布魯諾維契（E.Yablonovitch）教授合作，研究如何將雷射光直接精確且具選擇性的激發有關分子的單一個化學鍵，因此而達到拆鍵、合鍵任意自如的境界。布氏的構想是利用非線性效應來達到此一選擇性的效果，只拆斷某一根化學鍵而不影響此分子之其他部分。這是化學家們夢寐以求的技術，他們自然對布氏的這種構想趨之若騖。然而至今，不但布氏，甚而所有在此領域中的研究人員，都還沒有獲得真正的成功與突破。而華裔的美國科學院院士，加州大學（Berkely）李遠哲教授卻對布氏等的這種構想不以為然。他的研究小組在這方面也作了不少的研究，而李教授的結論是：白花精力，沒有必要再浪費人力去作了。前年他來台出席原子與分子科學研討會及東京之學術會議，主要就是發表這方面的看法（註三）。

布氏出生在荷蘭的一個小市鎮，今年61歲。他在荷蘭的Leiden大學得到博士學位，1948年到哈佛研究，就一直留下去而歸化成美國籍了。在哈佛他擁有兩個講座教授的頭銜。布氏對得獎覺得十分快活，甚至作如下之豪語，他對記者說，他那麼高興的原因之一是：「今後我不必再頻頻向人家解釋我為什麼還沒有得到諾貝爾獎了。」多麼自豪！

另外的一半獎金則是由63歲的瑞典烏普沙拉大學（Uppsala University）的西格班（K. Siegbahn）教授獲得。他的成就是另一種光譜學技術──利用Ｘ射線而非光線──來研究物質。西格班自父親那兒繼承了大批的精密設備，這些設備是烏普沙拉大學物理系的研究人員建造來度量核子反應時被扔出來之高能電子速度的。在1950年代初期，他與研究同仁們修改了這套設備，使之也可以用來度量因Ｘ射線照在固體上而跑出來的低能電子能譜。

以前的此類實驗，都認為跑出來的電子各擁有不同的能量，所以其能譜是又胖又廣。但是，西格班發現，能譜上應該會有一些尖峰的。而這些尖峰的能量所在地點，正表現出被Ｘ射線所照射的那些原子的特徵。

西格班教授發現，每一個尖峰正好對應於拉出一個緊緊束縛在原子核周圍的內層電子所需的能量，而且此尖峰能量之位置也和此原子周遭的化學環境有關。就利用以上的原理，西格班教授設計出一套技術，藉分析跑出來的電子的能譜，描繪出其測量試樣中化學鍵的結構，這種技術就叫做「電子能譜化學分析術」（electron spectroscopy for chemical analysis, ESCA）。

在這之後，西格班教授的研究小組又將此套技術擴展到氣態、液態的物體上。而且，他也用紫外光來代替Ｘ射線，因此又可以偵測形成化學鍵的那些外層電子，而不局限於內層電子了。

西格班教授來自一個第一流的科學世家，家學淵源深厚。父親（M. Siegbahn）在1924年因Ｘ射線光譜學上之成就而獲得諾貝爾獎，去年才過世。西格班父子是諾貝爾獎中第三對親子各能獲獎的例子，其他兩對是居禮氏（Curies）與布拉格氏（Braggs）。西格班家的第三代，即K. Siegbahn的兒子，也追隨父親作研究，而且成就斐然。西格班家族能不能夠產生世界上第一家連續三代分別獲得諾貝爾獎的絕頂榮譽呢？這真是一個有意思的問題，也是大家所期待的佳話。諾貝爾獎的得獎人常有親戚關係或師生之誼，這有趣的現象已有人曾專門研究而著書立論，也為此一競爭激烈的無上榮譽添加了不少花絮。

註一：參見科學月刊70年9月號，盛天予先生「雷射原理簡介」一文。

註二：參見科學月刊70年10月號，廖俊臣先生「核磁共振光譜」一文。

註三：參見科學月刊68年10號，「訪李遠哲從分子束談起」一文。

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