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基礎交互作用與原力(第四部曲):原力決選——阿宅物理(7)

在沒有很久以前、也沒那麼遙遠的銀河系裡……[1]
為找出原力的祕密,我們探索了作為基礎交互作用的電磁力弱力、強力重力。然而,原力並不在其中,我們心裡也忍不住起了疑惑……

星際大戰開頭必備的跑馬燈。(圖片來源

在前三回,我們討論了目前已知的四種基礎交互作用(電磁力弱力、強力重力),以及它們的基本原理。很可惜地,當中並沒有原力。不過,在這四種基礎交互作用中,有沒有可能存在著與原力性質類似的力呢?

交互作用的距離

原力最為人熟悉的用途之一,是能隔空取物。在《星際大戰第五部曲:帝國大反擊》(舊三部曲的第二集),絕地大師尤達便向年輕的主角路克示範原力,將太空船從沼澤裡升起;類似的情節也反覆出現在星際大戰各集之中。

沼澤邊的尤達和路克。source:IMDb

針對這一特點,我們可以從既有的基礎交互作用性質,做一些比對和猜測。以前曾提及的電磁力、弱力、強力和重力,適用範圍其實各有不同。弱力和強力基本上只作用在比原子更小的尺度;電磁力和重力則不受距離限制,整個宇宙都是它們的發揮空間。除此之外,各交互作用的強度也大不相同;在四者皆能產生作用的距離下,強力最強,電磁力次之,弱力排第三,重力最微弱。若以表格呈現,大致如下:

交互作用 傳遞粒子 作用範圍(公尺) 作用強度(比例)[2]
強力 膠子 10-15 10
電磁力 光子 10-2
弱力 W、Z粒子 10-18 10-13
重力 重力子(尚未觀測到) 10-42

從上表看來,既然原力可以遠距離移動物品,作用範圍極短的弱力跟強力只能出局了。而根據我們日常生活經驗,重力和電磁力也確實能夠從很遠的地方就發揮作用。例如,地球磁場雖然是在地球內部生成,卻能夠影響我們手中的指南針;我們從高樓丟出物品,地心引力可以隔空作用使其下墜。

遺憾的是,雖然重力和電磁力原則上都可以對遠處物體作用,人類卻不具有操控重力的能力和技術。若想利用重力做到如星際大戰電影中自由移動物體的效果,要麼學《航海王》的海軍大將藤虎借助重力果實的能力,抑或等待我們對重力有更深層的了解,才有一絲希望。

《航海王》裡,海軍大將藤虎施展重力果實能力。(圖片來自《航海王》動畫)

相較之下,我們對電磁力倒是有一定程度的掌握。俄羅斯裔荷蘭兼英國物理學家安德烈.蓋姆(Andre Geim)便曾利用水的反磁性[3]成功使青蛙漂浮在空中,並因此得到西元 2000 年的搞笑諾貝爾物理獎[4]。只不過,電磁力的使用很大程度受到物體所帶電荷、或物體本身性質的限制,要作為原力並不是那麼理想。

  • 利用強大磁場以及水的反磁性,使青蛙漂浮在空中。

交互作用的統合

提到重力和電磁力的作用範圍都是無限遠這件事,或許會讓不少人回想起(並沒有),根據以前國、高中物理課所學,重力和電磁力,似乎有不少相似的地方。例如,兩個質點間的重力/電磁力大小,跟其質量(電荷)乘積成正比、和彼此距離平方成反比;再者,兩者也都以光速傳遞。如果你有這樣的疑惑,那麼你想的跟物理學家想的,其實概念相去不遠。

愛因斯坦在完成相對論之後,晚年花費大量時間與精力,想要把當時已知的基礎交互作用──重力和電磁力──統合在一起。這不是突發奇想,類似的事情在歷史上也曾發生過:電和磁相關的物理現象一度被人們認為分屬兩個不同領域,直到十九世紀後半,馬克士威(James Clerk Maxwell)以統一的架構描述二者,電和磁才合併為電磁力。只要簡單搜尋一下馬克士威方程組(Maxwell’s equations),就會發現它同時包含了電場和磁場,而且兩者互相影響。

很可惜地,愛因斯坦的嘗試以失敗作終;至今也沒有人成功合併重力和電磁力。以後見之明來看,愛因斯坦是註定要失敗的:在他的年代,物理學家對弱交互作用所知不多,強交互作用更尚未被發現。少了兩種基礎交互作用可以參考,愛因斯坦、或其他任何人,都不可能在資訊不足的狀況下統合電磁力和重力。事實上,在四種交互作用中,重力是最難被整合在一起的。根據前面的表格,我們可以看到重力跟其他作用力相比,微弱到不可思議的地步!要如何在同一個理論下,自然地統合重力和其他力,讓物理學家傷透了腦筋(但這還不是最麻煩的)。

愛因斯坦曾嘗試統合重力和電磁力,不過並未得到令人滿意的成果。 圖/Pixabay

愛因斯坦的未竟之業,在 1960 年代終於有了轉機。因著格拉肖(Sheldon Glashow)、薩拉姆(Abdus Salam)和溫伯格(Steven Weinberg)等人的努力,電磁力和弱力被成功統合為電弱交互作用(electroweak interaction)[5]。兩者乍看雖差距甚大,但在極微小的尺度(或夠高的能量)下,卻能夠被表述為電弱交互作用的不同面向。類似於,在日常的磁力實驗(想像我們拿兩個磁鐵互相靠近),我們只看到磁鐵的互相吸引或排斥,好像跟電沒什麼關係;但在某些狀況、或特別設計的實驗下,我們就能觀測到磁場和電場互相影響的情形。同樣地,只要尺度夠小,看似非常不同的電磁力和弱力,都可以用電弱交互作用一併描述。

儘管在統合基礎交互作用的目標上有了初步進展,強力和重力卻依然故我、獨立存在,不跟弱力和電磁力發生關係。這部份也跟人類的科學技術有關──強力和重力預期要在更小(遠超目前人類實驗所能及)的尺度,才會顯現出它們跟其他交互作用的連結。換言之,我們不但沒辦法從實驗得到太多暗示,即使我們有了好的理論,也難以驗證其正確性。這都有待未來物理學家的持續挑戰。

交互作用統合示意圖。縱軸代表宇宙年齡;右方則標示該宇宙年齡對應的粒子能量。縱軸越往上表示宇宙年齡越小、對應粒子能量越高(尺度越小)。我們現在實驗所能達成的能量,最高只到 10000 GeV(1013 電子伏特)這個量級,也就是只能檢驗到宇宙誕生後約 10 的負十幾次方秒時的物理現象;當時電磁交互作用和弱交互作用仍是合在一起的。(圖片來源

原力的最可能候選?

那麼,原力還有沒有其他特徵,可以讓我們更好地跟現有的交互作用比對呢?在《星際大戰第四部曲:曙光乍現》裡,歐比王對天行者路克是這麼解釋的:「(原力)是所有生物形成的力場,它在環境中,在我們身上,它維繫銀河於不墜。」根據歐比王的形容,國外鄉民紛紛猜測,原力一定是指萬用膠帶!「畢竟萬用膠帶(跟原力一樣)也有光明面和黑暗面,還可以把東西黏捆聚集在一起……」

歐比王(右)跟年輕的路克(左)解釋原力。

不過,若說到基礎交互作用,重力似乎最符合「維繫銀河於不墜」的描述。我們知道,就是因為太陽龐大的引力,太陽系裡的所有行星才能繞著太陽轉,形成一個系統;銀河系裡的所有恆星系統,也都在重力作用下圍繞銀河系中心運行。又或者說,整個宇宙的演化,乃至星系、恆星,和行星的生成,重力都扮演了關鍵性的角色。如果硬要在四種基礎交互作用中選出一種充當原力,重力可說是最恰當的候選者。不過其實,要保持宇宙的現有樣貌,四種交互作用缺一不可;組成我們身體的原子,也同時受到所有交互作用的影響。

交互作用和心靈控制

等等!星際大戰中,原力可不只是拿來搬搬石頭、維繫銀河這麼簡單。在《星際大戰第七部曲:原力覺醒》裡,女主角芮甚至用原力改變帝國風暴兵的心智,而得以從拘禁中逃脫。這是怎麼回事?重力做得到嗎?

確實,就我們目前所有的科學知識來說,用基礎交互作用來操縱心靈這種事是無法想像的。所以,我們只能腦洞全開,設想如下的腦補極大化三部曲,分別對應到括號裡三個非常困難的科學問題。

一、假設我們跟海軍大將藤虎一樣吃了重力果實,或用某種科學技術,可以自由控制重力的大小和方向,壓過其他交互作用的影響並操縱所有物體,包括原子和次原子粒子。(我們有可能操控重力嗎?)

二、假設人的意念和思考完全由大腦決定,或說,由大腦的原子結構決定。儘管現實上,我們對於大腦原子結構如何能產生意識幾乎一無所知。(意識從何而來?)

三、那麼或許,能夠自由控制重力以操縱大腦的原子結構,就等於能夠自由操縱人的思想。(思想和記憶如何對應到大腦組成及其原子結構?)

這邊必須強調,以上三個問題,沒有任何一個在近未來看得到顯著進展。在此的討論純為原力探尋之旅做個補完。

原力探尋之旅的終點

我們在〈基礎交互作用與原力〉系列共四篇文章中,討論了目前已知的四種交互作用,以及它們的統合;很可惜地,它們並無法完美對應到星際大戰中的原力。雖然不能排除未來發現新的基礎交互作用的可能性,但其擁有原力全部特徵的機會恐怕是微乎其微。

絕地大師尤達在《星際大戰第五部曲:帝國大反擊》曾形容:「生命創造原力,使之成長。」或許這樣的描述,更適合留在文本裡,與七龍珠的「氣」、火影忍者的「查克拉」、或是聖鬥士星矢的「小宇宙」互相對照吧。願原力與你同在!

注解:

  • [1] 請參考電影〈星際大戰(Star Wars)〉。該系列電影開頭總會有 “A long time ago in a galaxy far, far away….” 的跑馬燈字幕。
  • [2] 必須注意的是,交互作用強度實際上依情況而定,這邊的數字只是大概,而非精確數字。
  • [3] 反磁性(Diamagnetism)指的是,當某些物質處於外加磁場中,其內部會感應生成相反方向的磁場,使得該物質對外部磁場產生排斥現象。
  • [4] 他更因「在二維石墨烯材料的開創性實驗」獲頒 2010 年的諾貝爾物理獎,成為至今唯一一位既獲得搞笑諾貝爾獎,也獲頒諾貝爾獎的得主。
  • [5] 三人因此得到 1979 年的諾貝爾物理獎。

參考資料:

  • David Griffiths (2008) Introduction to Elementary Particles, Second Edition.

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關於作者

科學大抖宅

在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」