短裤看电视 - 2012/1/1 14:36:01
《科学人》
专访清华大学校长徐遐生：天文，有个故事
一位是物理系大四学生，一位是知名数学家，19岁的徐遐生和指导教授林家翘，如何能提
出密度波理论，联手解开了天文学家苦思不解的星系结构的原由？天文，为什么迷人？徐
遐生说，因为它有过去、有现在、有未来，它是有故事的物理！
采访吴俊辉、许碧纯、张孟媛
整理郭雅欣、许碧纯
＊感谢台湾大学物理系吴俊辉副教授协助采访
问：本期〈舞动星系旋臂的密度波〉介绍了密度波和星系旋臂形成的关系，密度波是您在
19岁时和林家翘教授共同提出的，当初是在什么样的背景下，开始这样的研究？
答：那时候我大四，在麻省理工学院（MIT）念书。在美国，大四就要写论文，所以我就
找了一个指导教授，就是林家翘教授。林教授当时（1961年）在普林斯顿高等研究院（I
nstitute for Advanced Study, IAS）待了一年，和杨振宁教授合作研究超导，在那里，
他遇到一位很有名的天文学家，跟他介绍天文物理，提到了当时天文学家对星系结构的原
由有极大的好奇，但却无法了解。林教授也对这个题目发生兴趣，回到MIT后就想找一组
人来做研究。我跟林教授说，希望能找个好的论文题目，他问我有没有兴趣做这个题目。
我是物理背景，根本也不懂天文，那时MIT也没有天文系（现在也还没有），林教授请了
一位荷兰教授来开课，我就这样修了一门天文课，然后跟着林教授写论文。研究密度波的
想法是他提出来的，我就是替他计算，他数学比我好，但时间没有我那样多！有一部分比
较难计算，尤其是重力方面。我19岁开始跟着林教授做，两年后发表了这篇论文。
问：当初您为什么找林教授担任指导教授？
答：我父亲和他很熟，所以我本来就认识他。我从小就听我父亲说，在清华大学三位有名
的数学家，一位是陈省身，一位是华罗庚，还有一位是林家翘，都是我父亲的好友，所以
我到MIT后，很自然就会去找他。在大四以前，我就常常去他家里，只是那时我学的是物
理，在学问上和他比较没有什么接触。
问：关于这些理论的发想过程，林教授曾经跟您谈过吗？
答：他当初也不是天文学家，他就是觉得一个人不能待在自己的环境，应该到别的地方听
听别人在做什么，去发现新东西。他是外行人，而我是一名年轻学生，那些天文专家根本
不知道我们是谁，也没有听过我们的名字，当我们提出理论时，他们大量反对，都说我们
错！我那时20岁，和这些人大骂，但也让我学到很重要的一课，「专家不见得是对的」，
如果你觉得自己是对的，就要坚定信心，要有这种心理准备。
20岁物理系学生，舌战天文学家
问：您是说，当时您在研讨会上曾和那些天文学界大师辩论吗？
答：当然！在每个国际研讨会上，我们都和他们正面交锋。有一个人叫高德瑞克（Peter
Goldreich），他真是个天才，在当时已经是位有名的天文学家，我最佩服他，为什么呢
？因为他从来都是用理性讨论，他不吵架，没有骂过我。现在有很多人也都提出了关于密
度波的理论，但是他们当初都是反对的。
问：您能否用一般人较容易理解的方式，来解释密度波的理论？
答：最简单的说法就是塞车，汽车塞车也是一个波。高速公路上有很多条线道，有时候遇
到车祸或是工程维修时，车道就变少了，从宽道变成窄道时，就会发生塞车。塞住的地方
，车子的密度就比较高，可以看做密度波的波峰。不过波的速度和车的速度是两回事。车
子一辆接着一辆往前开，但修路的路段可能今天在这里，明天在另一个地方，两个速度是
不一样的。如果你每天固定照相，就可以从照片中看出密度波行进的速度了。车子就好比
星系里的星球，而塞车的地方就是密度波经过的地方。
问：那么，密度波的概念在星系形成上有何重要性呢？
答：星系为什么产生这种结构，在科学上是个很令人好奇的问题，连费曼都感兴趣。天文
和物理不太一样，量子力学也是一个波的理论，它有穿透、有反射，但是不会有超反射（
over reflection），因为机率密度都是正的，不会有负的；天文不一样，在天文上有重
力影响。密度波的重要性，不只可以解释星系形成，在宇宙间还有很多应用。例如土星和
海王星都有环，这些环有的很细，就是一种密度波的应用，重力把环维持在很细的状态，
一方面不让物质掉出环外，一方面也不让物质掉进环内，一般都认为重力是互相吸引，但
是在转的时候却有可能是互相推开的。此外，太阳系为什么诞生行星，也可以用密度波来
解释；而星系比土星的环大了一兆倍，还是照样可以套用这理论。
问：最近一、二十年来的观测中，也有一些是无法用密度波来解释，这是因为观测的技术
导致数据准确度不好吗？还是表示螺旋星系有其他可能解释的方法？
答：一开始天文的观测都是用光学和无线电的方式。以无线电波的方式所得到的照片，解
析度不好，看不清楚，所以难以令人信服，这也是为什么一开始有些人反对密度波的原因
。光学的方式比较复杂，因为它什么都看到了，但所有的讯息都混在一起，所以也根本看
不出结果。现在的望远镜解析度就很好，很容易可以看出来密度波的形式，细微的扰动都
看得一清二楚。还有一个复杂的问题，就是能看见的都是一些「气」，也就是星际间物质
（interstellar medium），这些星际间物质的状态方程式是什么？那时，罗伯兹（Will
iam Roberts，林家翘教授的学生）跟林教授对这个题目曾经做过研究，我也有参与，我
们有比较简单的模型，一个是等温气体（isothermal gas），一个是二维的星际间物质，
那是一个特定的状态方程式算出来的，当时提出来也是被人家骂。其实虽然星际间物质很
复杂，但是以我们当时算出来的结果和今天的观测相较起来，并不算太坏。
踏著物理基石，迈向宽广宇宙
问：为什么当时你们觉得这样做是对的？
答：因为也没有别的解释方法了！我很佩服林教授一点，他虽然是数学家，对实验却很尊
重，做研究时，常找天文学家讨论，不会只重视理论。我很幸运在年轻的时候，就碰到这
些伟大的学者，无论是带领我研究，还是对我们的研究提出严厉批判。很有趣的是，刚开
始时，大家都以为我是个老头子，看到我是个20岁的小伙子，都吓了一跳！
问：您是一位物理系学生，又只修过一门天文课，从确定题目、研究到发表，花了多少时
间，您私下做过哪些准备功夫呢？
答：我只有在MIT选过一门天文课，念研究所时，选的也是物理、数学。最好的准备就是
，好好去学物理，数学当然也很重要。天文虽然有很多复杂的理论，不过就算迟一点学，
还是可以学好，但物理和数学是年轻时就必须先打好基础的。物理是非常广泛的领域，但
现在它变得越来越窄，我觉得有点可惜，这是物理学家自己的错，把什么东西都切割出去
，分得太细，这是不对的，其实所有的东西都是物理。假如我们有这样宽广的想法，对学
生的训练也会好一点，尤其现在的科学发展，常常是跨领域的研究，包括人文都要懂一点
。我在美国就告诉我的学生，最重要的不是天文，不是物理，不是数学，而是英文。因为
不管你研究出什么，最终都是要能够完整表达，让别人了解。
问：除了大学时跟着林家翘教授做密度波外，您对密度波还有更深入的研究吗？
答：大学时研究的是恒星的分布和形状的关系，写完论文后，我对天文发生了兴趣，就跟
著林教授一起往天文物理做下去。第二个研究，走到更高层次，是和密度波的振幅有关，
也就是我的博士论文。因为不同的振幅有不同的光谱，林家翘教授建议我去计算密度波的
振幅，这个也很难算，最后算了60多页，消去很多项才算出最后的式子。但这个想法是图
莫（Alar Toomre）提出来的，它和能量的密度、能量守恒及角动量守恒有关。 这个研
究最有趣的地方，我说出来相信你们会欣赏，就是能量和角动量的密度有一个圈，叫做共
同旋转圈（co-rotation），在圈上，星球和密度波的角速度是一样的，在这个圈
内的星球走得比较快，密度波的能量是负的；在圈外的星球走得比较慢，密度波能量是正
的。随着星系绕转，在圈内的能量越加越负，在圈外的则是越加越正，而整个系统的能量
永远是零。看起来很多东西，但是加起来却是零，这就如同宇宙现在的情况，非常有趣。
没有违背守恒的定律（conservation law），却可以观测到其中的东西。
问：所以您当初是以守恒定律做为基础去计算吗？
答：喔，那时候算得可辛苦了，好几百个项一个个算出来，掉一个都不行。关于振幅的理
论刚开始是线性的，从这个理论我们可以算出一开始什么都没有，接着自然产生一个小结
构，然后颜色慢慢改变，也就是振幅越来越大，最后就变成非线性的。不过那时候我们认
为密度波的振幅不一定要很高，只要有足够大的扰动来和观测数据做比较，就可以支持这
个螺旋臂的结构了。时间要拉回到那个年代来探讨，那时对宇宙的知识只限於重子（bar
yonic matter），现在我们所知道的宇宙，远比当时我们探讨的还要多10倍！那时候算出
来仅仅5%的东西，所以觉得只是有趣，但好像不重要。但现在我们晓得，这个5%是跟整个
质量场来比，整个质量场还包括了暗物质，跟重子相比，暗物质的相对质量大多了！差了
大约5倍，5%就变成了20~30%。现在用哈伯望远镜或光谱望远镜观测，看到的旋转曲线振
幅是非常大，的确是30%。
问：在〈舞动星系旋臂的密度波〉一文中，作者康布提到她引入气体做为数值模拟的另一
个成分，以修正当年林家翘教授与您提出的密度波理论。对此，您有什么看法？
答：这篇文章写的大部分都对，不过其中提到他们现在用电脑算出来的结构，包括棒子和
气体部分，当时林家翘教授的另一个学生负责这个部分，他早就算出来了，所以早在30几
年前，我们就已提出这些理论了。因为在圈里面是个负的位能井，当东西掉进去，位能井
变得更负，转动动能的部分就会增加，原因是它们仍是守恒的，所以这个扰动的部分就让
东西掉进圈里去。现在他们是用电脑算出来，而我们早在1971年就用人脑算出来了。
品味，丰富人文，开创科学
问：您还留有当年计算时所画的手稿吗？
答：现在都不见了。不过你晓得，我小时候很喜欢画画，在高中时得过奖。我想，我的毛
病和很多台湾学生一样，就是太靠数学。一开始，我们都是靠数学解决问题，我发现这不
是最快的方法，就故意训练自己想问题时不用数学，而是用图像来解释问题，很快地就差
不多能得到结果。我现在带学生，有时候他们跑来问我一些问题，往往在几分钟内，我就
会给他答案，他们就很惊讶说，哇！老师很厉害。其实我只是不用数学来解决问题，而是
用不同的方法。
问：您能否举例，进一步说明您是如何用图像式来取代数学式思考？
答：就像物理上的式子，每一个项都是数学，也都有它的意义，这是可以去思考的。我举
个例子，爱因斯坦15岁就想出了相对论，发现人类不能超过光速，他当时也不知道什么复
杂的式子，但他想到人不可以追上光。在马克士威理论里，光也是一个波，假如我们可以
追上光，就会看到在时间上光没有波动，而在空间中有；但在牛顿的理论中，速度没有上
限，空间和时间是绝对的。所以，马克士威和牛顿这两个人，有一个人是错的。在这两者
之间，你要选哪一个？杨振宁说这要靠品味（taste），这样的说法很接近人文，人文最
重要的也是品味。牛顿称得上是全世界最厉害的物理学家，在数学和天文方面也都是最伟
大的，但爱因斯坦却敢猜牛顿是错的，马克士威是对的，这就是品味。要学会品味，你要
跟专家去学习，林家翘有这样的品味，杨振宁也有。 品味，在研究上是非常重要的，也
是我们训练学生很重要的目标，有了品味对创新会有很大的帮助，而创新不一定是在科学
。最重要的不是人家问了你一个问题你如何回答，而是
你问什么问题。为什么爱因斯坦15岁会想到能不能追上光的问题，这是一般15岁的小孩不
会想到的。所谓的研究型大学，目的不是把我们的学生都变成研究员，社会也不希望这样
，而是希望让他们接受这样的训练，让他们对很普通的问题，也能有创新的想法。我想整
个生活都是这样，你会碰到很多问题，而你如何去判断什么是比较重要，又应该选择哪一
条路。
问：您当初帮忙林教授做那些计算时，想必林教授也是靠著很好的见识，才能看出其中的
意义和发现吧！
答：我从林家翘教授身上学到最多的，就是凡事都用高标准来要求。很多学生遇到问题时
，常常都会想要混过去，但到他面前是行不通的，他要求的是精确，甚至写文章时，他都
要求我们要字斟句酌，去看看这个字是不是最好。所以我常开玩笑说，现在我中文不是很
好，就是他没有时间好好教我！
问：今年9月您到北京，以新竹清华大学校长身份颁赠荣誉学位给林教授，再度见面，您
的感觉如何？
答：他就像我第二个父亲，他不只是一位优秀的科学家，我想，他真是一位伟大的天文物
理学家，他现在已经90岁了，却还在思考研究的新方向，还想研究胺基酸，研究的精神实
在令人敬佩。所以那天我就跟在场人士笑谈一个故事，我父亲告诉我，他们以前在清华大
学念书时，每次考试成绩出来后，他会从第二名开始看起，因为第一名一定是林家翘。后
来他们发现，怎么连体育成绩林家翘也得A+呢？同学都很不服气，物理、化学、数学这些
学科，他们都承认他最好，可是体力，别人比他跑得快多了！体育老师就说，这是因为你
们跑完了就进去洗澡，林家翘还在那里继续跑呢！
科学也有故事、有历史，并不都是冷硬
问：从您的谈话中，我们可以感受到当年您如果没有遇到林教授，接触天文，去做密度波
研究，之后的发展很可能和现在完全不一样，除了这个转捩点外，您的人生还有其他重大
的关键吗？
答：我可以回溯到更早，最大的影响是来自我父亲。我记得我一开始对画画和科学有兴趣
，是因为父亲带我参观达文西的画，当时我大概才七岁，看了达文西的画非常敬佩，也想
要变成那样的人。到了高中，我有很好的数学老师，他引起了我对几何的兴趣，用图像来
思考，这个我非常喜欢。我也有个很好的英文老师，因为他用图像来引导我们理解英文单
字，而不是光要我们死背，我才发现原来语言也有结构可言。
问：您投身天文研究多年，谈一谈您对天文物理的心得，或天文最吸引您的地方是什么？
答：我喜欢天文，因为我觉得天文的问题是比较长期的。太阳几千年来都是一个样子，
我们现在研究的太阳，是数百年前科学家研究的太阳，也是数百年后人类研究的太阳，这
是天文的好处。不过天文最吸引人的特色，是我在美国教大一的天文课时，有个学生上完
课后跑来告诉我的。他本来想学物理，但现在想念天文了，我问他为什么？他说，他发现
「天文就像物理，不过它有个故事。」这句话说得对极了，我觉得他讲得真好，物理只有
过程，但天文是有故事的物理，它有过去、有现在、有未来。这句话使我决定隔年起，上
课要跟学生讲更多天文的故事，也启发了我现在要写一本《天文故事》（Story of Astr
onomy）的动机。为什么科学家对某些问题产生兴趣，他们有什么样的想法，过程中遇到
哪些困难，从历史、从故事的角度去讲天文，让学生了解，科学并不都是冷硬的，有些学
问和想法虽然艰深，但并非做不到；这同时也是在鼓励他们，科学或创新不是几个天才可
以做出来的，科学上的大部分发现，其实没有那么难。
问：您目前在研究上最关心的问题是什么？
答：我对恒星形成花最多的时间，对陨石也有兴趣，慢慢的我对广义相对论也很有兴趣，
因为我以前有一个很好的学生蔡骏，做黑洞。蔡骏就是用数学用得太多了。我常告诉他，
你不要用太多数学的东西去解释！
问：您现在大部分的时间都花在处理校务，还有时间做研究吗？
答：开会占据了很多时间，一个星期只剩不到10小时和我的研究生讨论。不过时间少也有
时间少的做法，我从做研究生起，就训练自己独立思考，所以我希望我的学生也能训练自
己想问题的能力。
问：明年1月，您即将卸任清大校长一职，这四年校长生涯对您有何影响，从中得到的经
验是什么？
答：可能很多人会觉得天文学家不适合当校长，不过我觉得可以，因为天文比较广泛，懂
的东西不一定深，但是比较广，做一个校长也是这样，需要多方涉猎，了解不同的面向。
不过坦白说，我的确不是很喜欢去做很多校长必须做的事情，像交际应酬、研讨会开场白
、接待访问学者等事务。
问：您觉得国内目前的天文研究水准如何？
答：进步很快，特别在实验的部分，理论的部分我们还有蛮多进步的空间。实验方面，在
台大或中研院都有些不错的计画正在进行，中央大学也有一些不错的光学观测，清大注重
的则是理论。我想，天文的好处是很容易引起年轻人的兴趣，因为天文的照片都很漂亮，
就像小说会引起很多人对文学的兴趣一样。天文有这样的特色，它有故事，有漂亮照片，
会让你想进一步了解，黑洞、宇宙大爆炸、能量等，究竟是什么。我希望有更多物理系能
开天文的课程，这样对学生的学习兴趣会有很大的帮助。