台湾物理研究发展概述（上）

计划的数量也由1966年的12项，发展到到1977年的36项，再到1988年的136项，研究水平也得到很大提高。

在1986年以前，岛内物理学研究主要集中在凝聚态物理、原子核物理、原子与分子物理、粒子物理、场论及统计力学等五大领域。其中，凝聚态物理研究的重点放在对固体材料的热性、电磁性、机械性质等方面的了解，进而改进、合成或控制材料的特性，以及研制或发掘新的材料。

原子核物理研究的重点放在原子核结构及现象、电磁作用、强作用力及弱作用力、基本粒子研究之中间媒介等理论内容；原子与分子物理研究的重点放在原子与分子中电子的分布及其与原子核间的电磁交互作用，以及与化学和生命合成物的性质关系等方面；粒子物理及场论属于物理学中最新领域；统计力学则作为方法论，研究重点放在通过系统组成单元之间的相互作用，来了解系统的宏观性质与现象，特别是在相变化、平衡态与非平衡态的热力学性质及现象等问题的微观了解上。

当时岛内物理研究计划虽不少，但其研究题目多属依个人专长及兴趣而从事的自由研究。为有效推进物理学研究发展，台湾科技主管部门下属“自然科学发展处”在1985年初制定了“物理学科规划方案”，以充分地因应在推展即根据科技发展趋势及社会建设需要，规划出研究重点方向，并据以推动大型整合性合作研究计划，逐步使其所培养的专业人才及建立的研究体系，在质与量两方面都得以快速提升。

根据该规划方案，台湾物理学科基础研究重点方向共有5个：规范场论及其现象学研究，稀土及过渡金属系统的磁性及超导性研究，原子分子光谱研究与激光及同步辐射光源发展的配合运用，固体表面的能谱学研究，非线性与相位共轭研究。

上世纪80年代，世界各国掀起高温超导研究热潮后，台湾相关科技人员投入该项研究的越来越多。台湾科技主管部门于1988年1月成立“高温超导研究规划小组”，负责购置关键性贵重仪器设备，供研究人员测试导体物理、化学特性以及材料制作之用，并分北部、新竹、南部三区，以整合计划方式成立高温超导实验室，集中人力、物力，以重点研究寻求突破，提高岛内研究水平。

由于表面物理研究对台湾当时正在大力发展的电子及化工产业有极其重要的关系，台湾科技主管部门于1986年9月成立了“表面物理研究规划推动小组”，制定了《表面物理计划建议书》及《合作研究计划书》，选择能相互支持配合的研究重点，组成研究团队，集中资助其开展表面物理研究。

主要物理研究机构

成立于1997年的台湾“理论科学研究中心”理论物理组，现任主任朱创新来自新竹清华大学物理系（主攻粒子物理），聘请的“中心科学家”有蒋正伟（主攻粒子物理）、耿朝强（主攻粒子物理）、Cazalilla， Miguel A.米格尔（主攻核物理）、陈宣毅 （主攻生物物理）、陈柏中（主攻凝聚态物理）、仲崇厚（主攻凝聚态物理）、寺西庆哲（主攻凝聚态物理），另有十余名博士后及助理研究人员，每年还有数十位来自各地的“中心合作科学家”，他们共同组成12个重点研究小组，开展各领域研究外，还常常开展对外学术交流，举办国际性学术会议，邀请海外专家学者来台湾讲学和共同开展学术活动。

为增强该中心各重点研究小组与不同领域研究人员的互动，他们每年都要在台北、新竹、台南市三地轮流举办“中心物理日”，同时召开“理论物理大趋势”研讨会。同时，他们还积极培养与鼓励岛内年轻学者进行前沿科学研究，每年都要颁发“年轻理论学者奖”与“博士后研究论文奖”。

在对外交流与合作方面，他们积极与多个海外研究机构开展合作，包括大陆重庆邮电大学数理学院、北京大学物理学院、中国科学技术大学交叉学科理论研究中心、美国马萨诸塞州立大学物理系、日本高能物理研究中心、日本京都大学基础物理学研究所、韩国亚太理论物理中心、韩国高等研究院、澳大利亚高能粒子物理卓越研究中心、越南HUE大学和越南科学院物理研究所等。

目前，台湾从事基础物理研究的专业人员大多集中在设有物理学系/所的公私立高校内，每年发表论文最多的有台湾大学、新竹清华大学、新竹交通大学、成功大学、台湾师范大学、淡江大学、东吴大学、中国文化大学、辅仁大学、中央大学、中原大学、中兴大学、东海大学、彰化大学、高雄师范大学、中山大学、中正大学等物理学系/所。

能够开展实验物理学研究的机构主要为拥有较精密大型实验仪器设备的新竹清华大学、台湾大学、台师大、台湾中研院物理研究所和原子与分子科学研究所、台湾原子能主管部门下属的核能研究所，以及科技主管部门组建并管理的同步辐射研究中心等。

台湾中研院物理研究所的历史可追溯到1928年在上海建立的理化实业研究所，1962年在台湾复建，由吴大猷担任首任所长，此后一直是台湾实验物理学研究的主力。1970年，该所将研究领域扩展至大气科学与流体力学，之后又在1975年新增生物物理研究计划。上世纪80年代，该所的研究领域扩充至场论与粒子物理、原子核物理、统计与计算物理等领域。

该所现任所长为李定国，共有45位研究人员，包括特聘研究员3名、研究员22名、副研究员12名、助理研究员3名，每年约有400余名访问学者、博士后、兼任助理的研究生等约人来所从事研究工作，分为纳米科学、中高能物理和复杂系统3个研究群组，研究方向涵盖中微子物理及探测器、重夸克及大型对撞机物理、宇宙反物质及暗物质、高温超导、磁性物理、纳米科学、统计与计算物理、生物物理等领域，所内拥有加速器实验室、纳米核心设施中心、生物图像核心设施、精工室以及高速网络计算平台等，大型实验设备和仪器包括3MV串级静电加速器、场发射穿透式电子显微镜、双枪聚焦粒子束及扫描式电子显微镜、电子束曝光系统、激光曝光机、1000级无尘室内制程设备（含黄光室）、纳米压印机、激光热扩散测量系统、纳米粉末及薄膜制备系统、共轭焦激光显微系统、全反射荧光显微系统、荧光显微镜、三维超解析荧光显微系统、拉曼图像显微系统、多光子荧光显微镜、原子力显微镜等，几乎全部对外开放。

台湾中研院原子与分子科学研究所由诺贝尔化学奖得主李远哲倡议筹建，1995年正式成立，位于台北市台湾大学校园内。现任所长周美吟，共有30位专职研究人员、10位特聘研究员，每年约有200余位访问学者及博士后、研究助理及研究生参与该所的研究工作。该所研究的范围涵盖化学、物理、光电等领域，并划分为尖端材料与表面科学组、原子物理与光学组、化学动态学与光谱组、生物物理与分析技术组等四个研究群组。

该所设有量子材料理论实验室、表面纳米结构实验室、尖端材料实验室、分子/材料模拟实验室、表面动力学与动态学实验室、固态核磁共振及触媒化学实验室、量子纳米电子材料模拟实验室、生物物理电脑模拟实验室、自发性表面纳米结构实验室、纳米元件物理实验室、纳米磁学实验室、现代光谱实验室、有机材料实验室、瞬态分子激光光谱实验室、分子束化学反应动态实验室、光化学实验室、生化分子质谱与光谱学实验室、生物质谱分析实验室、基因与分子发育遗传学实验室、强场物理与超快技术实验室、理论原子碰撞实验室、超低温原子与分子实验室等，拥有利用VUV同步辐射光探测化学反应产物的动力学实验研究装置、多质量离子图像探测器、10兆瓦飞秒脉冲激光器、交叉分子束仪、多质量光碎片离子影像仪、双色共振多光子游离光谱仪、自旋隧道电子扫描显微镜等仪器。

台湾中研院天文及天文物理研究所自1993年开始筹建，直到2010年6月才正式成立，位于台湾大学校区内（天文数学馆大楼内），另在美国夏威夷设有办事处。首任所长为贺曾朴，现有31位研究人员，包括特聘研究员4名、研究员5名、副研究员11名、助研究员11名，每年都有100多名访问学者、博士后研究人员、海外科学家来此从事合作研究工作，主要研究方向包括河外天文学、恒星形成、星际与拱星介质（也称原行星盘）、天文尘粒物理、高能天文物理、理论及观测宇宙学、太阳系及系外行星系统、天文仪器安装与测试等，2013年共发表论文204篇。

2004年，该所设立高等理论天文物理研究中心，最初位于新竹市清华大学校园内，2013年迁至台湾大学，目的是将天文物理研究与教学相结合，将研究成果整合融入岛内大学生及研究生的教育课程之中，培养下一代天文学家。自成立以来，该中心积极开展有关宇宙中恒星、行星、致密天体、星系等起源与演化问题的研究，包括流体动力学、磁流体动力学、天文化学、辐射转移等数值模拟，每年均举办一期冬季/夏季短期课程、2到4次学术研讨会或各种规模的主题式课程，同时积极邀约外国访问学者造访该所，举办学术研讨会与短期培训课程，将最新的理论天文物理研究成果带给台湾。

由于台湾缺少独立建造大型天文望远镜的经济和技术能力，以及岛屿环境的地理和气候条件不适宜开展天文观测，因此除在嘉义鹿林山上建有4座口径仅50厘米的小型天文望远镜外，其余观测设备都是通过在外国与其他天文台或天文国际组织合作建造的方式来取得，包括位于美国夏威夷冒纳基山的次毫米波阵列射电望远镜和宇宙微波背景辐射阵列射电望远镜，以及位于格陵兰的12米射电望远镜和目前正在建造中的位于智利阿塔卡玛沙漠的大型毫米波及次毫米波阵列射电望远镜，台湾都只是众多参与者之一，仅拥有这些天文观测设施的部分使用权力。

以上台湾中研院这几个研究所本身都有固定的研究经费预算，而大学物理学系/所的研究经费主要由“国科会”补助，每年约150个物理专题研究计划项目，经常参与计划申请的研究人员有300人左右。

根据历年《台湾科技年鉴》、《“国科会”年报》及科技主管部门下属“物理研究推动中心”发表的各种简讯、报告等资料显示，目前台湾物理学研究主要集中在天文及天体物理、基本粒子与宇宙学、高能物理实验、原子核物理、凝聚态与表面物理、统计与计算物理、生物物理、流体与非线性物理等领域。

粒子物理与宇宙学

在粒子物理领域，台湾因缺少大型实验设备，故以理论研究为主，其研究人员主要分布在台湾中研院、台湾大学、新竹清华大学、成功大学、台师大、中央大学、中原大学、东海大学、中兴大学和新竹交通大学等机构，根据专长和爱好组成研究团队，每年固定召开研讨会，相互启发，共同促进理论水平的提高。

例如在2000年，台湾一组科研团队发现重介子非轻子弱衰变的规范不变及发展红外有限理论，即在微扰量子色动力学的因次化定理架构下，可建立一个规范不变及红外有限的理论，避免红外无穷大问题。

台湾科学家2001年提出量子动力学及弦论新算法，藉由非交换几何的描述研究相关问题。此外，提出研究B介子衰变的量子色动力学理论，借着对强作用机制的掌握，从实验数据可精确萃取标准模型中的弱相角等基本参数。2002年，在在弦论方面，推导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。

台湾科学家2004年推论，奇夸克和底夸克间可能有相当大的混杂，因此会造成新的CP相位及右手动力学；利用手征对称来探讨π介子、K介子和η介子等粒子光锥分布函数的SU（3）违逆，并建立具有交互作用及化学位能的非相对论性费米子系统（自旋1/2）的晶格场论，这个理论可以应用在粒子间距大于位能作用范围的情况，而且不会有符号问题。

2007年，台湾科学家提出B介子衰变的偏极化问题，给出不同的衰变其湮灭图贡献的关系式。2008年，提出寻找希格斯波玻色子时可籍由其一种衰变模式，即当其衰变成4个底夸克所形成的不变质量，来补偿寻找希格斯粒子的可能机会。

近几年，随着欧洲大型强子对撞机（LHC）正式运行并不断公布最新实验结果，开展对标准模型以外新物理现象的研究，成为岛内新热点。例如台湾大学物理系何小刚教授及其团队在2010年发现，标准模型不可能得出2005年在美国费米实验室的Hyper CP发现大于标准模型预言的Σ+->pμ+μ-衰变率的结果，这一结果有可能解释为一质量为214MeV的新粒子引起的反常现象。这一模型有很强的预言性并能被LHC实验检验，如暗物质的直接产生等，并存在其它新粒子的可能性。

此外，2011年，台湾中研院物理所李湘楠与美国密西根州立大学研究人员合作，以微扰量子色动力学的重求和方法为基础，建立强子对撞机中喷流现象的理论架构，成功描述费米实验室及欧洲大型强子对撞机测量的喷流质量与喷流内部的能量分布，首度实现物理学家以量子场论研究喷流现象的想法。

高能物理实验

在高能物理实验领域，由于台湾岛内缺少大型实验设备，只能借助外国。上世纪90年代，经美籍华裔科学家丁肇中的安排，有5名台湾科学家先后赴欧洲核子研究中心（CERN）从事高能物理方面的实验研究。自2001年起，他们开始加入大型强子对撞机中的紧凑型μ子螺旋管探测器（CMS）研发制造团队，负责前端的预显示探测器的建造、运行维护与数值分析，与国际上一流研究团队合作，共同寻找希格斯粒子。

近年来，台湾科学家还参加大型强子对撞机寻找希格斯粒子最重要的衰变频道（希格斯粒子衰变到双光子频道）物理分析，为2012年新发现一个类似希格斯粒子的新玻色子做出成绩。此外，他们还投入对重夸克的探索，已成功的提出几项与重夸克有关的重要成果，在相似于标准模型下前三代夸克的序列型第四代夸克，以及非标准的奇异夸克的研究上皆有贡献。

经华裔科学家叶恭平的协助，台湾中研院物理所部分研究人员1993年加入美国阿贡国家实验室的费米碰撞探测器（CDF）研发团队，参与粒子探测器的建造（负责提供并列光纤传输模组）与实验结果分析。1年后，该团队顺利发现顶夸克。2004年，该团队发现由5个夸克所构成粒子，被认为是过去30年中首次观察到重子、介子之外，新一类多夸克所构成粒子的最明确证据。

1999年，台湾大学高能物理研究人员又参与日本B介子工厂Belle实验，致力于B介子的稀有衰变与CP破坏的研究，在2005年发现了B介子到两个K介子衰变的证据，确定“直接”电荷宇称破坏。另外，还参与日本重子设施兴建计划，负责建造时间飞行探测器，利用50GeV高能质子束，进行粒子物理和核废料处理实验研究。

李世昌领导的台湾中研院物理所高能实验团队还参与建造人类第一个太空磁谱仪（AMS），由美国“发现”号航天飞机载往地球轨道进行测试，发现地球附近的太空中有许多以前从未观测到的高能量质子、电子、反电子及氦的同位素原子核氦3，其中反电子数约为电子的4倍，且氦3数量远多于氦4。

由台湾中研院物理所主导的“台湾中微子实验”是岛内首次开展的高能粒子物理实验。在台电公司核能二厂内，距离反应堆28米处建立实验室，以研究中微子物理特性。实验设备包括重量达50吨的屏蔽体，以防止宇宙射线及周围环境辐射所造成的背景干扰，还有精密的高纯锗及闪烁晶体探测器，加上性能先进的电子仪器，用来显视、监控、记录及分析探测器的信号。合作团队除了台湾中研院、核能所、新竹清华大学外，还包括来自大陆中科院高能研究所、原子能研究院、北京清华大学、南开大学、四川大学，以及土耳其与印度的科研机构。

该合作团队在2007年进行的中微子磁矩实验研究，灵敏度达到世界一流水平。2010年再接再厉，完成了中微子与电子交互作用截面的测量，所采用的极低能高纯锗探测器技术，其探测能量范围比之前更低100倍，成功开启了研究暗物质的视窗，在未被前人检验的能量区域里，证明粒子物理的标准模型依然有效，并限制了新物理理论的可能参数。所有实验结果确信没有发现任何中微子磁矩和辐射衰变的证据。其在2013年3月发表的最新数据，否定了美国CoGeNT实验在2011年发表的有关暗物质的证据及诠释，并引证其数据处理的不足之处。

目前，台湾科学家正在与北京清华大学等机构合作，在四川锦屏山地区建造世界最深的地下实验室，准备全力开展寻找宇宙暗物质的研究，备受国际同行期待。

原子分子物理

在原子分子物理领域，包括中低能核物理研究，主要在台湾中研院原子与分子科学研究所、原子能主管部门下属核能研究所及台湾大学、新竹清华大学、新竹交通大学、中央大学、中原大学等研究机构开展，如利用激光冷却低温原子实验、激光等离子波电子加速器、同步辐射光源的相对比X光显微术等，开展夸克胶子等离子体的特性及原子核内的非线性动力学研究。

例如，台湾科学家发展出多重能量相位迭加的理论，即把光学全像术的概念，应用于波长小约1万倍的电子绕射上，将实验得到的电子绕射图案做简单的傅立叶转换，即可看到所测量系统的原子三维结构，并发现电子绕射图案或曲线的Patterson反转，也可直接获得所测量系统的原子三维结构。

2006年，台湾中研院原子与分子所的研究人员利用交叉分子束及先进的时间切片离子图像仪技术，测量高能量薁分子与氪原子在交叉分子束中碰撞的散射图像结果，藉由分析有机分子光化学实验所得到的能量转移机率分布函数，直接观察到超级碰撞（即一次碰撞转移很多能量）的存在。

新竹清华大学物理系王道维教授在2008年发现，如果考虑一系列多层的二维结构，这些冷分子是可以排成长链状的流体，造成一种以前只有在软物质物理或化学反应里看到的“极性流体”现象，但与之不同的是，这样的长链结构同时拥有温度与量子效应。由此证明许多在多分量低维度的半导体系统中的多体物理现象其实更容易在冷分子的系统内达成，原因是冷分子间的偶极作用力可以同时有排斥力与吸引力，且因作用力的主角可以为费米子或玻色子，这使得未来可以有更宽广的空间来研究一些多体物理的基本性质。

台湾大学物理系郭光宇教授2009年利用自己编写的相对论能带计算程序，率先用第一原理方法计算半导体块材的自旋霍尔效应，发现空穴型半导体如锗、砷化镓和砷化铝有可观的自旋霍尔电导率，说明实际半导体（超越Luttinger模型）存在自旋霍尔效应。另外，轨道角动量霍尔电导率比自旋电导率至少小一个数量级，也即自旋霍尔效应不会完全被轨道角动量霍尔效应抵消。同时，他也预言在半导体中存在交流的自旋霍尔效应。最后他还发现，可以利用半导体多层膜介面的应变来操控自旋霍尔效应。

2011年，台湾一组研究团队利用扫描穿透式电子显微镜结合电子损失能谱仪，分析钕锶锰、钛酸锶氧化物界面的绝缘性，发现界面上出现相互扩散并造成极性不连续平滑化，颠覆了传统科学界对绝缘界面不应出现净电荷的认知。

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