Feb 20, 2009
年歲的冠冕 by Jeng-Bang
Posted on 1:01 PM by Jeng-Bang
在前一篇文章裡﹐我已經交代了是如何地來到美國﹐並且是怎麼樣信主成為重生得救的基督徒。至於其後的六年(1996-2002)﹐我是如何通過博士資格考﹑進行實驗﹑已經完成論文拿到學位﹐還沒有機會詳細地說明。利用這個機會﹐在此僅就我做實驗的過程﹐神在其中如何地幫助帶領我﹐先做一些分享。希望讀到這篇文章的人﹐如果你是還在求學﹐不論是否認識這位耶穌﹐都能夠對大家有幫助。
話說我在研究所第二年的春季﹐蒙神的保守通過了資格考﹐成為正式的博士候選人。也就在這個時候﹐我必須決定未來幾年的研究方向。在與我的指導教授面談過幾次之後﹐就挑了一項看起來十分有趣的題目研究電洞(帶正電荷的“電子”) 的物質波(一種量子力學的現象) ﹐在通過一個類似圓環形狀的封閉路徑時(就是本文標題中的圖片)﹐ 所產生的干涉效應(專有名詞稱為Aharonov-Bohm effect﹐簡稱AB effect)。這個實驗之所以會有值得研究的地方﹐其中一個原因是這個AB effect在1958年左右被理論物理學家首次提出來之後﹐將近50年來﹐還沒有人在電洞的物理系統裡觀察到(但是有在金屬﹑半導體中的電子系統裡的實驗) 。另外一個主要的原因﹐就是由於電洞的自旋效應(類似打轉的陀螺) ﹐會在產生的干涉現象裡﹐造成額外的相位偏移(phase shift) ﹐稱為Berry’s phase(在1984年左右由英國物理學家Berry爵士推導出來的﹔對於學物理的人來說﹐這可以說是幾何相位的一種) 。而這個Berry’s phase﹐自1984年迄今﹐還沒有人在固體(金屬﹑半導體等等)中觀察到。希望這一段有點“硬”的開場白﹐能夠將我當初為什麼選擇這個題目的原因交代清楚。也許有人會問﹐這麼多年以來為什麼沒有人在實驗中觀察到這個所謂的Berry’s phase呢﹖大哉問﹗因為綜合材料﹑實驗儀器各方面的因素﹐這個實驗是非常非常非常困難的。然而﹐在對研究的興趣驅使之下﹐我完全沒有深入地追問指導教授這方面的問題﹐一心只想著憑著自己在這方面的經驗﹐應該是沒有問題的。卻沒有想到﹐因為這個選擇﹐使我在接下去的四年中﹐嘗到了許多苦頭﹐但是也成為神訓練﹑磨練我的一段難忘的經歷。
前面提到我傻呼呼地選了一項看似簡單﹑實際上卻艱難無比的計劃﹐作為我博士論文的研究題目。請容許我對於這個實驗計劃再多說幾句。由於所要研究或測量的現象﹐是屬於量子力學的範圍﹐也就是說這種現象要在物體的尺寸非常非常非常微小(微觀”microscopic”的世界)的情況之下﹐並且有適當的環境條件(例如極低的溫度﹐大約是攝氏零下270度左右)才能被觀察到。而且所要觀察的干涉現象﹐是由電洞的“物質波”所產生。
“物質波﹖﹐你行行好﹐別再用這些專有名詞轟炸人了﹐趕快進入正題吧﹗
“O.K. O.K.最後幾句話就好。我個人的對於物質這種在一般的巨觀(macroscopic)世界是實體﹐但是在微觀的世界裡卻又有波動性質的”二元性(duality)“﹐覺得與耶穌基督既是完全的人(Son of Man)﹑ 又是完全的神(Son of God) 的屬性﹐有某種程度上的類似之處。但是這僅僅限於是我自己的認知﹐並沒有什麼科學與神學上的關聯。
話說我在通過了博士班資格考之後﹐就著手進行這項計劃。由於實驗室人手不多﹐所以從樣品的晶體成長﹑元件的製作﹑到最後的低溫高磁場測量﹐都幾乎得自己一手包辦﹐於是我就老老實實地從每一個基本的步驟開始。這其中最重要的﹐就是我使用來製作元件的一臺電子顯微鏡。這臺儀器﹐由於位於無塵室裡﹐卻沒有專人負責保養維修﹐到了我從前任的學長手中接管過來的時候﹐已經像一部破舊不堪﹑發動起來深怕它解體的老爺車了。剛開始﹐每次儀器出狀況﹐都使我的心情很不好﹐心想怎麼這麼倒霉﹐接手了這麼一部破機器﹐但是實驗要用的元件又非它不可﹐所以不能不管它。然而之前為了省錢﹐負責管理無塵室的教授居然終止了這臺儀器的售後服務(service contract)。情勢所逼的情況之下﹐我只好自己捲起袖子(誇張了一點﹐在無塵室裡是不能這樣搞的) ﹐翻出被堆在倉庫裡的使用手冊﹐慢慢地想辦法把這臺儀器修好。
之後有將近三年的時間﹐除了作實驗﹐我就是在做”高級黑手“﹐與這臺老電子顯微鏡奮鬥。有人可能會覺得實在不值得﹐大好的博士班生涯居然都在修機器。沒錯﹐起先我也是這麼想。但是感謝神﹐祂利用這段時間﹐透過維修機器的經驗﹐居然使我成為全系與整個無塵室裡﹐最熟悉這臺機器的人﹐也因此自然而然成為管理這臺儀器的主要使用者(master user)。並且因為這樣的身份﹐又順利地說服教授們撥出款項來購買service contract。以後無論發生什麼樣的狀況﹐我幾乎都可以解決。甚至到了我要畢業的時候﹐還被要求訓練其它組的學生﹐以免我離開之後﹐這臺好不容易恢復的儀器﹐又因無人管理而荒廢。
在這件事情上﹐我實在稍微體會到聖經裡所提到有關約瑟的經歷。他從在不知情的狀況下﹐被自己親生的兄長們出賣。及至在埃及因著敬畏神﹑有所堅持﹐歷經人的誣陷﹑忘恩﹑背信之後﹐終被神所高舉。我不是說自己受騙被人出賣﹐而是神透過維修儀器的過程﹐來磨我個性中那驕傲自滿的棱角。因為我當時雖然信主了﹐在實驗上還覺得憑自己的能力和經驗﹐應是游刃有餘﹐就”不用麻煩神“了。感謝神藉著這樣的機會﹐讓我真正看到自己的驕傲和不足﹐也因著我願意順服﹐祂所教我的功課。
儀器經過維修﹐能夠正常運作之後﹐我終於可以開始製作元件。容許我再稍微叉開一下話題﹐就是製作元件的過程﹐其實就是利用高能量的電子束﹐在半導體的表面﹐”刻“出所要的形狀(這種技術就稱為電子束蝕刻, electron-beam lithography)。而我所要刻的圖案﹐就是文章中所附的圖(那是刻好之後﹐再用電子顯微鏡掃描下來的圖像﹔其中的淺色圓環部份是容許電洞通過的通道﹐寬度約在0.2微米。人的頭髮平均直徑為100~200微米左右)。而整個電子束蝕刻的過程﹐通常要幾個小時。我就常常一個人在儀器所在像暗房的一間房間裡﹐度過許多這樣的時候。後來在儀器穩定﹑一切駕輕就熟之後﹐我就利用這段等待的時間﹐在裡面的一個小小的臺燈下﹐閱讀了許多的屬靈書籍。有時候﹐我也會在裡面利用時間向神禱告﹐神也憐憫地時常以祂的同在充滿在整個房間裡。使得我沒有浪費時間在等待儀器上面﹐反而多了與神親近的時間。這也是我當初所沒有想到的一項收穫﹐神的作為真是令人無法測度地獨特與貼心﹗如果看到這裡﹐你以為將這臺儀器修好之後﹐從此我的實驗就一帆風順﹐那就言之過早了。就如腓利比書一章6節所說的﹕”我深信那在你們心裡動了善工的、必成全這工、直到耶穌基督的日子。“﹐神在我身上的工作既然開始﹐就要做到完成﹑日子滿足的時候。別忘了﹐我在前面說過﹐除了製作元件﹐我還得自己進行測量﹐這又是另一個精彩的部份。就讓我繼續下去做詳細的說明。
就在我將那臺老舊的電子顯微鏡修復之後﹐製作實驗的樣品從此就十分順利。我心想﹐那麼實驗應該就沒有問題了。然而﹐神的意念高過我的意念﹐祂在我身上的計劃才正要開始呢。
在接下來的三年裡﹐我作了不知有多少個自認是很好的樣品﹐以為一定會測量到我們所要的數據。然而﹐每次將樣品放入儀器中﹐所測量到的都是無用的雜訊。經過了無數次的故障排除(troubleshooting)過程﹐都沒有辦法找出原因。就這樣過了三年﹐到後來我的指導教授似乎都對這個計劃不抱任何期望了。每次我在測量的時候﹐他也意興闌珊﹐不想過問了。
這段時間自己的心情也是像雲霄飛車一般地反反覆覆﹐隨著作出好的新樣品而滿懷期望﹐但隨後又被實驗做不出來而被當頭澆了一盆冷水。在心情跌到谷底的時候﹐我心中唯一能夠抓住的神的應許﹐就是我始終相信是神帶領我到美國來唸書的(詳情見“我的信主過程”)。既然這件事是祂起的頭﹐祂就會負責到底﹐不會撇下我不管的。所以一方面除了盡我所能地繼續作實驗﹐另一方面也拼命地禱告﹐願神的旨意早日成就。
此外﹐教會的弟兄姐妹們也是持續地為我和我的實驗禱告。每次聚會﹑見面時﹐大家都關心地詢問實驗的進展。剛開始我還會因為大家這麼熱切地為我禱告﹐但是實驗仍然沒有結果而感到不好意思。但是後來神讓我了解到﹐祂也在透過這些弟兄姐妹們的關心﹐在向我表達祂對我的愛。使我的心裡逐漸地不再被實驗揪著﹐不論好壞與否﹐都能夠坦然地面對一切﹐包括了常常雙手空空地去見指導教授。
在心情上得到釋放之後﹐在一次的禱告會裡﹐我甚至透過一首歌(根據哈巴谷書的經文)很釋然地來解嘲我自己的處境﹕
歌詞原來是﹕(哈巴谷書3﹕17-19)
“雖然無花果樹不發旺、葡萄樹不結果、橄欖樹也不效力、田地不出糧食、圈中絕了羊、棚內也沒有牛。然而我要因耶和華歡欣、因救我的神喜樂。主耶和華是我的力量﹐他使我的腳快如母鹿的蹄、又使我穩行在高處。”
前面的一段被我改成了﹕"雖然我的實驗不順利﹑作樣品沒結果、實驗儀器也不效力、幾年不出paper、心中絕了盼望、老闆也沒有錢..."
而且自己還唱得挺高興的﹗(哈哈﹗我們的神真是幽默。)
殊不知﹐這是神對我的計劃的一首預言之歌。就在2000年的感恩節左右(神似乎常常在這個季節賜下轉機﹐另一個例子請容我日後分享)﹐有一天在剛冷卻了一個新的樣品之後﹐發現銀幕上出現了和過去三年來的雜訊不同的規則訊號（見附圖）。起初我不敢相信自己的眼睛﹐還重複地作了幾次測量。結果發現這次量到了我們將近四年來一直想要研究的訊號﹗很快地﹐我把這個消息告訴了指導教授﹐他都不敢相信。從他口中所擠出的第一句話居然是﹐"It's a miracle! I need some time to think about it."
當天我也馬上從實驗室打電話給在家中的妻子﹐因為她也一直地為我和我的實驗禱告。我們兩個在電話裡都流下了感恩的眼淚﹐知道神的計劃進入了下一個階段﹐祂將一個嶄新的局面展開在我的面前。從那天開始﹐接下來的三個多月﹐實驗就每天日夜地進行著(當然﹐夜間的測量是用電腦程式設定的﹐我就不用熬夜了) 。實驗的數據就像工廠裡生產線上的產品一樣﹐源源不斷地產生。因為實驗的數據﹐還得經過處理分析才能發表。所以說是像湧出的泉水﹐來勢洶洶令人應接不瑕﹐一點也不為過。我和妻子還打趣地說﹐神真的是使我們﹐“三年不開張﹐開張吃三年﹗”當然了﹐那些長久以來為我禱告的弟兄姐妹們﹐也都一同分享了這份喜悅。這個樣品不但產生豐富的數據﹐更是十分地“耐操”。怎麼說呢﹖通常像我作的這一類實驗(極低溫﹑高靈敏度)很容易受環境中溫度﹑雜訊﹑甚至電壓穩定性的影響。那年的冬天﹐正好遇上了幾次暴風雪﹐造成了幾度短暫的電力中斷﹐使得我的實驗儀器必須重新降溫。根據過去的經驗﹐經過這樣的情形之後﹐樣品通常就“死掉了”。然而﹐這個樣品在重新降溫之後﹐卻絲毫沒有受到影響﹐仍然繼續產生數據﹐直到後來因為別人要使用儀器﹐在指導教授的同意之下﹐才暫時停止測量。
後來這個實驗主要的數據﹐就被發表在Physical Review Letters 這份物理界重量級的期刊上。其實這篇論文原先是投稿到Science雜誌﹐但是被編輯以內容太偏向物理﹐不適合一般科普大眾而婉拒了。本來想轉投到Nature雜誌﹐但是考慮到它的報導方向與Science相近﹐恐怕又被以類似的理由回絕﹐所以最後決定投到Physical Review Letters。結果事實證明這個選擇是正確的﹐並且神的手在其中完成了﹐“主耶和華是我的力量﹐他使我的腳快如母鹿的蹄、又使我穩行在高處”以及“我打發到你們中間的大軍隊、就是蝗蟲、蝻子、螞蚱、剪蟲、那些年所喫的、我要補還你們。”( 約珥書2﹕25)這兩段經文的應許。就在我的論文在Physical Review Letters發表後不久﹐Nature就在它們的網站上將這篇論文收錄在當週的重點報導裡﹐為這篇文章作了免費的宣傳﹐並且省去了繁複的送審過程。又過了不久﹐一位在普林斯頓高等研究所訪問的物理學教授﹐應Science的邀請﹐要對我們的實驗進行採訪並且寫一篇報導。哇~﹗當初回絕了我們的期刊﹐如今自己回過頭來訪問我們﹐又一個免費的宣傳機會。神的作為真是奇妙﹗
最後﹐就以這次實驗的數據為主﹐加上後面陸續再補作的部份﹐我完成了我的博士論文。神沒有失信﹐祂帶我來到美國唸書﹐祂就會負責到底。這條信心的繩子﹐我始終牢牢地抓住﹐並且得以看見祂的作為。在寫這一系列的文章時﹐當初那些熬夜故障排除的辛苦﹑拼命禱告的時刻﹑初次量到數據的欣喜﹐都再度一一地浮現在我腦海裡。這一路走來﹐我只能以詩篇65 ﹕6-13來向愛我的神獻上那說不出的感謝﹕
你眷顧地、降下透雨、使地大得肥美﹐神的河滿了水﹐你這樣澆灌了地、好為人豫備五穀。你澆透地的犁溝、潤平犁脊﹐降甘霖、使地軟和﹐其中發長的、蒙你賜福。你以恩典為年歲的冠冕﹐你的路徑都滴下脂油．滴在曠野的草場上﹐小山以歡樂束腰。草場以羊群為衣﹐谷中也長滿了五穀。這一切都歡呼歌唱。
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