新竹清華一甲子(六): 旅美十年 (一)
初到美國
攝於柏克萊校園
初到美國，首先感覺空氣清新，自由民主，地大物博，社會富裕，雖然慢慢也看到社會的另一面，但總體而言，說是人間樂土，並不為過。
一、明尼蘇達大學
明尼蘇達位於美國中西部之最北端，有「萬湖之州」之稱，全州約三分之一土地為森林覆蓋，其餘多為草原與農田。
明尼蘇達大學（University of Minnesota，明大），成立於 1851 年，是明州唯一的一所研究型大學，該校在各項大學排名一直居於美國公立大學的前20名，共有 30位校友及教職員工獲得諾貝爾獎。雙城校區位於連續多年被評為全美生活環境最佳最安全地區的雙城中心，以優美的自然與文化景觀聞名，
明大物理系是物理與天文學院 (School of Physics and Astronomy⟩ 一部分，頗有規模，入學時系主任 Bayman 祝新生在明大收穫滿滿並過得愉快 (Fruitful and enjoyable) ，讓人印象深刻。 作為教學助理 (Teaching associate) 主要工作是批改習題與考卷，並不繁重，而待遇是每月約四百美元，約為當時台灣中學老師的十倍，而我住的租屋，租金每月僅四十五美元，生活頗有餘裕，也感受到當時台美生活水準的巨大差異。
在明大修課，老師專業而講解清楚，比在台大輕鬆很多，不僅都拿到最高的 A 等級分數，而且在半年後順利通過直攻博士的初步審查 (Preliminary examination)。因當時打算轉學，所以並不急於找指導教授。
幸運的是，教量子力學的 Woods Halley 教授是柏克萊加州大學物理博士，由於我表現不錯，答應幫我寫推薦函，我也順利的獲得入學許可，並至少有批改作業的 Readership 財務支援，因此決定於六月份即啟程到柏克萊熟悉環境。
做物理研究，須要用到許多數學工具，因此在明大也修了一些數學課。其中偏微分方程期中考考了一題在台大修微積分期末考不會解較刁鑽的題目，此時自是迎刃而解，頗引起授課的 Johnson 教授注目，可謂一時的挫敗可能是未來得分的契機。
二、柏克萊加州大學
柏克萊加州大學 (University of California, Berkeley) 是美國知名大學，屬於州立的加州大學系統 (University of California System⟩，是系統發源與旗艦學校。有人稱是系統校本部，但實際上系統總部位於鄰近的奧克蘭市。我入學的時候，物理系有七十五位主聘教授，二十五位合聘教授，其中有六位諾貝爾獎得主，在一九七零年初期。某些全球性物理系排名中，曾名列第一。
三、指導教授
報到以後，首先是找指導教授。在台大時，大部分同學打算在研究所專研理論高能物理，卻不知高能物理當時在美國已面臨人力飽和問題。在柏克萊物理系比我高幾屆的台大學長已紛紛轉向實驗導向的其他領域，我自然也受到影響。剛好在系辦接洽擔任教學助教問題時，了解有一位材料系的湯瑪斯 (Gareth Thomas) 教授正在找有物理背景的學生，於是前往晤談，正式成為門下弟子。
英國籍的湯瑪斯教授是劍橋大學冶金學博士，於 1960 年到柏克萊任教，1966 年即升為正教授，是穿透式電子顯微鏡 (Transmission electron microscope，TEM) 領域的先驅。他希望我利用新購的高電壓穿透式電子顯微鏡 (HVTEM) 研究材料，並利用我的物理基礎做影像分析的理論計算工作。由於我仍是物理系學生，所以需要有一位物理系的教授共同指導，很幸運的物理系專長為固態物理理論的菲力可夫 (Leo Falicov) 教授答應共同指導。兩位教授當時都年約四十許，日後都當選美國科學院院士。湯瑪斯教授也是美國工程學院院士。
四、電子顯微鏡
電子顯微鏡 (電鏡) 是顯微鏡的一種，與光學顯微鏡不同的是照射線束是電子而不是光子。由於電子波長短了好幾個數量級，所以分辨率要高得多，適合作奈米級微觀結構觀察，自 1932年由德國科學家發明以來，屢經精進，到一九六零年代末期，商售電鏡已成為材料分析的利器。
在大學時，電鏡僅在電子學課本中有一小段介紹，所以可謂對電鏡毫無所知，而台灣也是電鏡應用的荒地。日後成為電鏡專家，回國後能發揮所長，深深感受到當年到科技先進國家學習新知的重要。
初讀電鏡課本，馬上遇到的困擾是，用熟知的公式從十萬電子伏特 (100 KeV) 電子能量換算波長竟有百分之五的誤差，後來才知道高能量電子速度已接近光速，必須做相對論校正，讓人感受到相對論不再只是教科書上的高論，真正具有實用價值。
五、實驗啟蒙
由於在台大學習偏理論，格於設備，沒有動手做研究的經驗，對實驗設備很陌生，所以在研究初期壓力極大。
我學習用的電鏡是一個當時已經老舊的電鏡，使用步驟繁複。由於電子與空氣分子作用很強，所以電鏡必須在真空下運作。說起來好笑，在台大時對真空系統一無所知。當時用的真空系統須用機械泵浦預抽油泵，待達到一定真空後，再將油泵加熱，以吸附氣體分子，進一步降低真空，才能與電鏡主腔相通。降低主腔真空達到某預定值後，才能打開主腔與電子槍中間的隔板，光是這部分一般就要一個多小時，而且不能出錯，因此最初是在高度壓力下工作，但也學習到做實驗必須要有嚴謹的心態。
由於電子束對材料的穿透力較弱，TEM 試片厚度一般要薄於一百奈米，所以通常要將片狀材料打薄，這是一種被稱為黑色藝術 (black art) 的功夫，也就是不是依固定程序就可得到好結果的工作，試片不是太厚，就是破爛不堪，需要一段時間才能抓住訣竅，同時也訓練耐力與養成韌性。
雪上加霜的是，由於當時電鏡內真空度僅能達到剛好可用的程度，操作一段時間後，電子槍的陰極會被汙染，用完後清潔陰極的工序也相當繁複，而且一旦不夠徹底，裝回電子槍系統，真空不到位，在夜深已相當疲累的時候，必須咬牙重新來過，這種磨練也是「千金難買早知道」，是必要的做實驗的養成教育一部分。
如此折騰了好幾個月，幸好熟能生巧，漸入佳境，奠定了終身受用不盡的專長。體會到孟子所說: 「天將降大任於斯人也，必先苦其心志，勞其筋骨」，「所以動心忍性，增益其所不能。」充滿智慧。
六、物理系的老師們
柏克萊當時採學季制 (Quarter system)，一學季十週，據知原來是打算一年開四學季的課，因為沒有得到州政府的財務支持，而維持三學季制 ，近年則又改回一年二學期，每學期約十五週制。
學季制節奏非常快，缺點沒有足夠的時間吸收複雜的知識，物理系研究所沒有必修課，所以修的都是自己覺得有需要的課。重頭課通常是開三學季，如講電磁波動的電動力學以及固體的量子理論，是屬於比較艱深的課，但老師們都能詳加強調重點觀念，深入淺出，把本來認為很困難的習題，簡化成解數學問題，讓人反覺得游刃有餘。
最讓人印象深刻的是教統計熱力學的康明斯 (Eugene Commins) 教授，我慕名去聽課。他從不帶教科書，講課如即席演講般，瀟灑地侃侃而談，不僅觀念交代清楚，而且讓人聽得津津有味，激發我萌生未來選擇到大學教書的念頭。他於2005年獲頒美國物理教師學會的奧斯特獎章，以表彰他對物理教學發展所做的貢獻，在頒獎典禮上，他講述了那些激勵他教書育人和學習的人。後來知道他也是諾貝爾物理獎得主朱棣文的論文指導老師，可謂名師出高徒。
在柏克萊物理系名氣最大的可能是 Charles Kittel 教授，因為他在一九六零年代即著有一本堪稱經典的「固態物理導論」教科書，風行全球，後來約五年更新一次，出到第八版，一直被廣為採用。令外人驚訝的是，由於Kittel 教授患有嚴重口吃，教學效果並不如預期的精彩。
其他幾位比較熟悉的老師都是我擔任助教的課程教授，其中一位 John Reynold 教授，曾談起他與李政道一起在柏克萊做博士後研究，兩人到舊金山中國城餐館用餐的趣事。
七、材料系的老師們
在材料系修了湯瑪斯教授「電鏡導論」，同名教科書是湯師所著，是在美國出版的第一本專業教科書，屬於入門書，極為實用。另外主要參考書是湯師在劍橋大學五位老師所著，較理論性，由於封面是藍色，人稱「藍色聖經」，是電鏡學者必備。五人都是領域巨擘，後來也都有緣陸續在不同場合見過面。
在材料系連修了三門材料專業必修課，都是由 John Dorn 老師授課，他也是一位優良教師，講課清晰，有條有理，因為我表現不錯，他又知道我有物理系的背景，上課時常笑咪咪地稱我「我們的物理學家」，詢問我的看法。
最後看到這位慈祥的老師，是我在操作 HVTEM 時，他帶客人來參觀，兩人寒暄了幾句，殊不知他已罹患重病，不久傳來他去世的噩耗，讓人悲痛不已。
另外一位是教授差排理論的老師 Jack Washburn，人稱 Jack，收了好幾位台灣來的學生，大家在背後直譯他的姓氏，稱他為「洗燒」教授。有位同學一次因故到校外辦事，交代同研究室同學說是去圖書館查資料，剛好教授有急事，直接到圖書館找他，結果自然撲了個空，也成了大家常提起的趣事。
八、物理系教學助教
在學期間，約有一半時間在物理系擔任教學助教 (Teaching assistant，TA)。在待遇上，與研究助理 (Research assistant，RA) 一樣，但表現優良，系裡會發「免學費」(tuition waiver) 的支票，當時是一季五百美元，相當可觀，同時雖然TA 與RA 薪資不能兼拿，但指導教授會在暑假空檔期將 RA 薪資加碼，相當合理。
我擔任教學助教的課程主要是普通物理，工作是每週上課 (Tutorial session) 幾小時，回答學生問題以及解習題，很受學生好評，也得到教授們的嘉許。
有一季是帶普通物理學生實驗，發現不僅設備齊全，而且題材新穎，例如用雷射照射網狀物，在螢幕上生成繞射圖形，與 X光照射單晶體生成繞射圖形比較，很有啟發性。另外如約瑟夫森效應 (Josephson effect) 超導實驗，是發現不久的物理現象，也被設計在普物實驗中，與台大普物實驗的巨大落差，令人感慨。
在帶普物實驗時，曾為X光繞射儀設計一個有鉛片襯裡的保護箱，以防 X光外洩傷人，交由物理系機械工廠製作；雖然構造簡單，但試用成功時，仍頗有成就感，也受到授課的 Gilbert Shapiro 教授稱讚。
九、物理系全系演講會
談到約瑟夫森，他於 1973年得到諾貝爾物理獎，得獎後曾到柏克萊物理系演講，接待他的正是他在劍橋大學的同門克拉克 (John Clarke) 教授，而克拉克教授甫以超導研究貢獻得到 2025年諾貝爾物理獎。
物裡系全系演講會 (Departmental colloquium) 是系裡大事，常請到諾貝爾級學者來演講，師生參與很熱烈，前排坐滿資深教授，中間有多位諾貝爾獎得主。講者包括得過兩次諾貝爾物理獎的 John Bardeen，以及 Richard Feymann 等。
印象很深刻的是沈元壤院士有關液晶的演講。剛開始時他用力以手掌拍打掛在牆上的液晶板，由於液晶對溫度的敏感性，因手掌不同部位的溫差，現出五顏六色的花紋，極具戲劇效果。沈院士當時還是副教授，能到全系演講會演講，可見已受到系裡同仁的重視。
在校聽演講最轟動的一次是聽量子力學奠基者 之一的海森堡教授 (Werner Heisenberg) 演講，原先預定在約容三百人的大講堂舉行，由於人潮洶湧，臨時決定移到學校可容約兩千人的 Zellerbach 大禮堂舉行，只見當時眾人一起在校園中快速移動，場面甚是壯觀。海森堡是物理學界屈指可數的巨人之一，能一睹風采，也是難得機遇。
十、東亞圖書館
柏克萊東亞圖書館是美國典藏東亞語文圖書資料最豐富的圖書館之一，位於接近校門一座漂亮獨立小樓內。我有空時會到該館閱讀中文雜誌、有時也會借閱圖書，其中不少是當時台灣的「禁書」，得以從不同的角度了解國內外大勢與政情，相當程度的修正對國內官方敘事的看法。觀諸近年來台灣當政者常有壓抑言論自由的傾向，希望塑造「一言堂」，看似聲勢浩大，在網路發達，資訊自由流通時代，其實效果不大，卻會破壞社會和諧，應引以為戒。
十一、中美關係解凍與保釣運動
1971-72 年，經歷中美乒乓外交、季辛吉秘密訪問北京與尼克森總統訪華，中美關係開始解凍，對台灣留學生造成了相當大的衝擊。我住的租屋公寓 (Rooming house) 台灣留學生曾在電視前圍觀實況轉播 ，校園中也陸續有訪問過大陸的師生演講或座談以及放映大陸電影。當時大陸文革未息，電影多為樣板戲，沒有多少欣賞價值，但仍吸引很多好奇的觀眾。
1970年 9月 10日，美日在未與華方協同下達成協議，美國準備在1972年把美軍二戰時所佔領的琉球群島交予日本，當中包括釣魚臺列嶼，引起港澳台以及中國大陸一系列抗議活動。留學生群情激憤。由於台灣留學生在國內戒嚴時期被禁止參加自發性的遊行，大家雖有顧慮，仍有很大一部分參加了1971年4月10日在舊金山的遊行民間抗議活動，當日遊行到中國城附近台灣領事館前呼喊口號，到領事出面接受抗議書才告一段落。
因時局變化，保釣運動在大部分留學生間漸告平息，但餘波盪漾。影響到不少台大物理系畢業生的生涯規劃。最出名的是科學月刊創辦人林孝信，因此放棄學業，流亡海外十餘年才得返台。有位在博克萊的學長以及一位在耶魯大學讀博士的同班同學都因而輟學，轉往聯合國任職，令人感慨。
十二、研究室同儕
在材料系同儕集中於一大房間，十餘人每人一張靠牆的書桌，並通往一緊接的供博士後與訪問學者使用的小房間，大家幾乎天天見面，由於都頗自制，並不覺得吵雜。
同學中除台灣學生外，有日、韓、印、英國、法國、比利時、伊朗來的留學生，另有幾位美國學生。
台灣學生有一位台大電機系的檀德育學長，數理程度很好，很是健談，畢業後到美國 IBM 研究中心工作，再轉到杜克大學任教。
日籍同學 Masuo Okada (岡田益男) 回國後在東北大學任教，是磁性材料專家，曾來台訪問兩次，
美國學生如在大學即為材料專業，物理與數學基礎較差，有兩位在修固態物理課時，經常出現在我桌前請教，被台灣同學戲稱是我收的學生。
訪問學者與博士後來自德、日、英、比利時等國，以英國居多，其中有英國牛津大學教授 Michael Goringe，以及以後在美國史丹福大學擔任教授的 Robert Sinclair 教授。Sinclair 教授是原子分辨電鏡學的先驅，2001 年曾來清華參加我主辦的國際電鏡研討會，2008 年因我獲得美國金屬學會 (ASM) 頒發的 Hume-Rothery 獎，他也應邀參加頒獎典禮並在冠名研討會中發表演講。
日籍訪問學者 Masatoshi Fukamachi (深町正敏) 來自日本國立金屬研究所，在我初學電鏡時幫助很大，兩人也結成好友，多次與電鏡操作員 Margaret Dobson 以及法籍女同學 Irene 一起出遊與野餐。Irene 很活潑但對研究工作興趣不大，在柏克萊一年後即休學回法。
十三、租屋公寓
在柏克萊念書時，都住在同一租屋公寓 (Rooming house)，位於校園東北角，步行約五分鐘即可達研究室，非常方便。
房東是位獨居的猶太裔老太太，為人很和善，自己住一樓，二、三樓共五間房分租，房客以來自台灣與香港居多，也有美國人入住。
台灣房客中，與我最熟悉的是竹中學長劉廷英，他台大農化系畢業，留美獲得加州大學戴維斯分校博士，當時為柏克萊生化系博士後研究員。由於我們都有欣賞音樂的興趣，會一起參加各種音樂會，包括在柏克萊一個教堂裡，連聽了一陣由柏克萊交響樂團演奏的貝多芬第一至第九交響曲，共九場音樂會。另外也會到舊金山聽歌劇與交響樂。劉回台後曾任行政院衛生署食品衛生處處長十年，再於 1991~2009 年擔任在新竹的食品工業發展研究所所長，不幸於兩年前辭世。
其他室友們有多位從台灣來短期進修，其中中研院的陳慶三後來曾任植物所所長，另外陸續有三位食品工業發展研究所研究員，其中一位天天想家，悶悶不樂，另一位則似如魚得水，常遊山玩水，甚至在校園教授太極拳，開班授徒，相映成趣。
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