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化學有趣在哪裡?做實驗怕水逆嗎?和科學玩成一片的科學家林志民

為什麼需要研究分子和化學?

大氣中存在許多分子,雖然看不見,卻跟人類生存密切相關。例如「過氧化氯」加速臭氧層被破壞、「克里奇中間體」影響酸雨的形成。這類基礎研究的成果雖無法賣錢,但對於理解大自然的力量相當重要。中央研究院原子與分子科學所-林志民研究員,將研究分子和化學當作夢想職業,並創辦《科學家在玩什麼?》體驗營,讓高中生體驗科學之趣味與精髓。

化學是「研究變化」的科學,有趣的點在於連「規則」都要變化。學生在化學時,遇到的最大障礙是化學有很多「例外」,其實不是化學有很多例外,而是它的規則不像物理和數學這麼清楚。理解化學的眉角就是「要在適當的地方,挑選適當的規則」,該如何挑對規則就得靠累積經驗,包含動手做實驗、了解理論、參考別人的研究結果。

研究化學不是只為了寫論文,更重要的是透過實驗,尋找自然現象中未知的答案 。圖/Clay Banks @StockSnap.io

我不知道水星什麼時候逆行。其實水星逆行是「地心說」的缺陷,最早的天文學家認為地球是宇宙的中心,所有的星星繞著地球走,這產生的問題就是水星會逆行。後來天文學發展得比較好,按照「日心說」來看,水星就好好地順著太陽繞圈,沒有水星逆行這種事。

反而更該注意「莫非定律」,做實驗前會先設想最壞的狀況。實驗時差點燒起來、差點打翻東西,多多少少都會發生,不生氣是不可能,只能隨時提醒學生「命是自己的」,或是旁邊的人的命……。

林志民給實驗室新成員的提醒信:安全第一! 圖/林志民提供

實驗失敗是家常便飯,數失敗的次數沒有意義!重點是搞懂「失敗」的原因:是不是不小心、不了解自然律、或是錯估了什麼。當然最後一定要弄對,才能得到想要的結果,只要最後發表的研究成果正確,就算過程中把東西弄壞,這也是學到經驗的機會。

林:小時候會拿放大鏡,聚焦陽光燒螞蟻。國中買了一個三用電表當玩具,可以量電壓、電流,就把鐵釘和銅釘插到水果裡面,量量看電位差,或是量量看什麼東西導電、什麼不導電。高中除了玩暗房、把相機鏡頭拆開來觀察,還有用一些放大鏡的鏡片組望遠鏡,但因為普通的鏡片色散太大了,月亮看起來是彩色的,不是很好用就棄置一旁。因為從小玩這些玩到大,慢慢累積化學和光學知識,所以長大作研究時就能很直覺地進行。

重要的「問題」經常需要新的「量測」來提供答案或解題的方向,而新的量測往往需要新的「儀器」。1994 – 1998 年讀台大化學博士班時,跟著李遠哲老師一起做交叉分子束研究,當時台灣還沒有這類研究設備,所以就自己動手做了一台交叉分子束儀器。做出來的儀器,靈敏度和數據準確性需要能跟全世界競爭,當儀器按照科學原理設計好、組裝好,可以按造自己的想像運作,很有成就感。

和實驗室成員一起 DIY 打造交叉分子束儀器(左側機器),是科學家的樂趣 。圖/林志民提供

林:「模仿」和「想像」這兩個能力很重要。1992 – 1994 年讀台大化學碩士班時,台灣的研究環境比國外落後,指導老師找了一篇國外的論文對我說:「這裡有一個做『高解析度光電子光譜儀』的新方法,我們要不要來做做看?」那時候電腦還沒有網路、也沒有 www,所以我們就去圖書館翻紙本資料,照著資料想像別人大概怎麼做、儀器可能長什麼樣子,就自己也做了一台來研究零動能光電子光譜,順利地發表碩士班的畢業論文。

小孩所擁有的「模仿力」和「想像力」,就是研究化學的大絕招 。圖/Olu Eletu @StockSnap.io

在大學教書發現一個問題,越來越少學生願意投入基礎研究,因為基礎研究跟經濟活動沒有直接相關,說白一點就是研究成果不能賣錢、也很難讓人投資。因此我們趁高中生還沒決定要去當比較有錢景的醫生、工程師之前,先舉辦《科學家在玩什麼?》體驗營或演講,透過動手玩實驗,讓高中生發現科學也是一件好玩的事。

來參加《科學家在玩什麼?》的學生有很多種:有的學生對科學有興趣,有的不知道科學是什麼,有的在學校沒有做實驗的機會,但每次一定都有來趴著睡覺的,不過至少是在科學的環境睡覺,比在家裡睡覺好。最重要的是,學生來《科學家在玩什麼?》可以認識不同科學領域的老師,未來想做實驗就有更多管道和機會。

趙彣、謝郡庭參加 《科學家在玩什麼?》體驗營後,加入林志民的實驗室,研究克里奇中間體和水分子的反應,論文登上國際期刊《科學(Science)》 圖/林志民提供

另外一件苦惱的事情是,2015 年我在台大教大一的普通化學,但第一次考試發現學生幾乎都沒有寫「單位」,考第二次發現還是有一半的學生沒有寫單位的習慣。但現實中,科學家若忽略單位非常嚴重,據聞之前美國登陸火星時,因為單位換算錯誤,登陸艇就炸掉了。可能因為中學生考試都是選擇題,為了改考卷方便採用畫卡作答,所以會忽略單位,這是現在化學教育比較大的問題。

現代人的生活壓力,和以前打獵求生時代很不一樣。以前我們被獅子追要跑,現在被老闆罵不能跑、要乖乖站好,實驗做不好也不能逃跑、窩在椅子上煩惱,這些違反生物本能。就像《為什麼斑馬不會得胃潰瘍?》這本書所說,遇到難題時最好跑一跑、動一動,運動產生的生物反應有助抵銷壓力,這也是「自然」教我們的生存觀念。

無論是研究化學或各行各業,逃避問題可能沒用,但站起來跑一跑對紓壓很有用 。圖/遠流出版社


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關於作者

研之有物│中央研究院

研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook