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基本粒子的標準模型

賴昭正_96
・2018/10/09 ・6493字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 577 ・九年級

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我想近代物理已無可否認地偏袒柏拉圖(Plato)。事實上,物質的最小單位已不再是我們一般所認為的「東西」,而是僅能用數學語言才能精確地表達的形式與觀念。
── 1932 年,海森伯(W. Heisenberg),1932 諾貝爾物理獎

大約在西元前 400 年左右,古希臘哲學家德謨克利特(Democritus)就提出原子論:世界萬物都是由不可再被分割之看不見的各種大小及形狀之固態原子(atom)所組成的。他可以說是人類歷史上的第一位基本粒子物理學家;他的此一想法終於這在十九世紀初完全被證實了。西元 1811 年道爾頓(John Dalton)提出了到現在還是整個化學基礎的「原子論」:化學反應──產生萬物──只是各種不同原子在空間的重新排列組合而已!西元 1869 年,門德列夫(Dimitri Mendeleev)提出元素週期表後;這一理論的發展可以說是達到高峰。化學家已不再懷疑原子的實在性;但儘管證據確鑿,大部分的物理學家卻遲至二十世紀初才相信原子之存在的!

就在物理學家開始相信原子存在之時,他們卻也開始覺察到原子並不是不可再被分割。物理學家不但相繼地發現了組成原子之電子、質子、以及中子,他們也了解到了那時已知的物理根本不適用於了解這些微觀世界的現象!因此在普朗克(Max Planck[1])及愛因斯坦(Albert Einstein[2])先後提出奇怪的觀念後,物理學家竟然群策群力地於 1920 年代末發展出一套更令人迷惑的「量子力學」(quantum mechanics)!1930 年代初,他們也漸漸清楚重力(gravity)及電磁作用力(electromagnetic force)不能夠解釋(1)為何質子及中子可以聚在一起組成原子核、及(2)放射性元素的蛻變,而意識到了微觀世界裡應該還有兩種新的作用力量存在:強作用力(strong force)及弱作用力(weak force)。

隨著加速器技術的發展,物理學家也不斷地繼續發現其它許許多多生命期甚短的新粒子!在相信上帝不應該會如此笨手笨腳地製造出這麼許多不同的「原子」的信仰下,經過 40 年的努力,物理學家終於在 1970 年代真正確定了不可再被分割的古希臘「原子」,以及瞭解了它們如何相互作用,建立了基本粒子的標準模型(standard model)。2012 年 7 月 4 日,當兩組歐洲核子研究組織(CERN)裡的科學家同時宣布在大強子碰撞機(LHC)裡偵測到了該模型中尚未被發現的希格斯玻色子(higgs)時,此一標準模型算是正式被「證實」了!

在〈規範對稱與基本粒子〉[3]一文裡,筆者已介紹了規範對稱及基本粒子的發展史,因此在本文裡,筆者將只做個基本粒子的標準模型之敘述性的總結。還有,在這裡我們也不談非常重要但甚弱的重力場(gravitational field)及可能存在的重力子(graviton)──雖然在這裡所談到的所有基本粒子都會與它作用。

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基本粒子

標準模型的數學基礎是綜合了古典場論、特殊相對論、以及量子力學所發展出來之「量子場論」(quantum field theory)。古典場只是一個時、空的函數,但量子場論將它「量化」了:基本粒子只是充滿時空之動力場(dynamic field)的激態而已;因此每種基本粒子都有其自己的量子場。這些場的相互作用之「運動方程式」形式則受制於(需符合)「局部規範對稱」(local gauge symmetry)群 SU(3)×SU(2)×U(1) 。(詳見「群論、對稱、與基本粒子」[4]。)

基本粒子如下表所示分成兩大類,自旋(spin)數為 1/2 之費米子(fermion)及自旋數為整數之玻色子(boson):

費米子需符合費米─迪拉克統計(Fermi-Dirac statistics),不許兩個或兩個以上的粒子在同一量子狀態下,為構成不同化學元素的重要條件。玻色子則需符合玻色─愛因斯坦統計(Bose-Einstein statistics),比較喜歡群聚[5],為雷射及日常生活中之電磁波出現的原因。除了希格斯玻色子(higgs boson, H)外,其它玻色子都是因「局部規範對稱」之要求而「出現」,因此稱之為「規範玻色子」(gauge boson),為基本粒子之間相互作用的媒介。

費米子之間的相互作用可依其強度分成具 SU(3) 對稱之強作用及具 SU(2)×U(1) 對稱之電弱作用(electroweak interaction)兩種。雖然所有的費米子均能感到電弱作用;但只有最上面兩排的夸克(u,d,c,s,t,b)可以感受到強作用力。夸克之所以可感受到強作用力是因為每個均帶有稱為藍 (B)、紅 (R)、或綠 (G)之「強作用力電荷」的關係。因此嚴格來說,夸克不應該只 6 種,而是 18 種;但因為 SU(3) 對稱之關係,不同顏色的夸克[如紅、藍、綠之 u])應具完全同樣的性質,在實驗室中是無法分辨的──因此實在沒有另外給予名字的必要。傳達強作用力的「規範玻色子」稱為黏子(gluon):共有 8 種,因本身也帶強作用力電荷(同時帶顏色及反顏色[8]),故也感受到強作用力。

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除了希格斯玻色子外,所有表中的其它基本粒子均因「局部規範對稱」之要求而不能具有質量!此一與實驗結果不符的要求,阻擋了「局部規範對稱」理論的發展長達十二年之久。不只如此,因為 SU(2) 對稱之關係,第一行與第二行之上、下夸克(u 及 d 等)應具同樣的性質,在實驗室中應是無法分辨的;同樣地,第三行與第四行之上、下輕子(lepton, υe 及 e 等)也應具同樣的性質,在實驗室中也應是無法分辨的!既然也像黏子顏色一樣在實驗室中沒辦法分辨,為什麼我們在這裡卻給它們不同的名字呢?原來是它們的 SU(2)×U(1) 對稱在宇宙的演進中被破壞了──因此在實驗室中可以分辨了!

自發對稱性破壞

「自發對稱性破壞」在基本粒子裡是一個非常重要的觀念,因此筆者在此除了重覆一段《量子的故事》裡的描述外,將進一步地用一數學例子來闡釋此一觀念:

「假設我們是生活在一個非常巨大的磁鐵裡,磁鐵的 N 極指向北方。磁鐵是由許多小磁鐵整齊排列而造成的,但決定此排列的作用力事實上與方向無關,磁鐵的 N 極沒什麼理由一定要指向北方,它照樣可以指向東方。但它一旦指向了北方,則對住在裡面的我們而言,空間方向的對稱性(均勻性)便被破壞了:北方對我們而言是很特別的。因為該磁鐵的極性影響了我們的所有實驗,而我們又沒辦法去改變其極性的方向,因此如果有外太空人告訴我們說:『自然界的物理定律是與方向無關的』,我們是很難相信的。小磁鐵間的作用力是不具方向性的,但它的「狀態」破壞了空間方向的對稱性。例如當溫度高得使小磁鐵的動能足以克服其與周遭之作用力時,磁鐵便不再具有極性,空間方向的對稱性便可顯示出來。當溫度下降,而致小磁鐵整齊排列時,此一對稱性便被隱住(破壞)了。」

如果你想進一步了解,且不怕看到數學方程式,那圓形鼓面的震動將是一個更具體的例子。圓形鼓面在(x,y)平面上具有圓形的對稱性,因此使用極坐標(r,θ)來表示將較方便。

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鼓面受敲打後的上、下震動震輻 H(r,θ,t)的「運動方程式」可用牛頓力學導出;

式中 u 為波的傳播速度,t 為時間,R 為圓鼓的半徑。H(r,θ,t)為一時、空函數,在物理上稱為「場」。因為除了微分部份外,式中不含 θ,因此該運動方程式具有垂直軸旋轉的對稱(用 θ →θ +c(任一常數)代入,方程式不變;所有的常數 {c} 構成一個數學上的「群」[4])。下面是此運動方程式許多解中的三個解之圖形:

如果你在鼓面上一點輕輕一敲,鼓面的震動一般都會是相當複雜的(但可用所有可能的解來表示);但如果你「敲對」了,你將可能只激發了上面的一種震動形態而已!上圖中的左右兩個震動形態均保持著原來之垂直軸旋轉的對稱性;但中間的一個則不再具有原來之垂直軸旋轉的對稱,造成了所謂的「自發對稱性破壞」:從這一個特別解裡,我們看不出原來方程式所具有的對稱;此一特別解破壞(隱藏)了原來之對稱。

希格斯玻色子破壞電弱作用對稱

在宇宙出現時,「希格斯場」(Higgs field)即像其它場一樣充滿了宇宙;但它卻不像其他場一樣,其真空平均值(vacuum expectation value)不為零,其位能形狀則像酒瓶瓶底:中間內凸、(能量)較周邊為高。此一希格斯場具有以酒瓶中心為軸旋轉之對稱性(如上圖);因此在宇宙初現、溫度(能量)還是非常非常高之際,沒有任何基本粒子在意這一個不平的酒瓶瓶底。但隨著宇宙溫度的下降,希格斯場的能量也漸漸下降,最後終於像本無磁性之磁鐵需要選擇一個方向磁化下來一樣,掉到周邊之較低的能量溝內的某一點(自發對稱性破壞);因溝內那一點的位能不為零,因此破壞(隱藏)了原來之電弱作用的 SU(2)×U(1) 對稱性,將它分家成了兩種我們現在所知道的電磁作用(electromagnetic interaction)及弱作用(見下圖)。

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電弱作用破壞前之四個 SU(2)×U(1)「規範玻色子」──B、W1、W2 及 W3 ⎯⎯因與此一希格斯場之作用而重新組合成帶電之 W+ 與 W-,以及不帶電之 Z° 與光子 (ϓ)。W+、W-及 Z° 成為弱作用中的規範玻色子(嚴格來說,弱作用不具 SU(2) 之局部規範對稱);新出現的光子是唯一還保持零質量的規範玻色子:正是具 U(1) 局部規範對稱之量子電動力學(quantum electrodynamics,QED)中的規範玻色子(但不是原來之 SU(2)×U(1) 中的 U(1))。事實上除了微中子 υe 、υμ、及 υτ 外,其它能感受到弱作用的所有基本粒子(包括 W+、W-、及 Z° 本身)也均因與希格斯場之作用而取得了質量(見表)!因為黏子不參與弱作用,故還可以保持不具質量的身材;可是這下子問題又來了:依照特殊相對論,一個質量為零的粒子應只能以光速運動,所以黏子應該像光子一樣,以光速傳遞強作用力到遠方才對,怎麼強作用力也像弱作用力一樣是短距的呢?

漸近自由

因為強作用力的規範玻色子(黏子)本身也參與強作用的關係,使得強作用力具有一種非常不尋常的「漸近自由」(asymptotic freedom)的性質:當兩個帶顏色之粒子漸漸接近時,它們之間的作用力越來越小!反之,當它們漸漸遠離時,它們之間的作用力將越來越大,最後將大到有足夠的能量產生新的一對帶顏色之粒子。換言之,帶顏色之粒子不可能單獨存在,它們將永遠地被綁在一起⎯⎯稱為「幽禁」(confinement)。正是這一個原因,使得黏子不能(不需)像光子一樣傳遞長距離的作用力!事實上,量子色動力學(quantum chromodynamics,QCD)裡還要求「穩定」的粒子均是白色的:說明了為什麼實驗室中所能偵測到的粒子均是由三個夸克(紅+藍+綠=白色)、或兩個夸克(顏色+反顏色=白色)組成的。

電磁作用力的規範玻色子(光子)本身則不參與電磁作用,因此不具有「漸近自由」的性質:電磁作用力隨作用距離之增加而降低。此一特性事實上也是因為規範對稱的關係;U(1) 在群論(group theory)上有一與 SU(2) 或 SU(3) 非常不同的性質:前者的對稱運作與先後次序無關[4]。事實上正是U(1) 之此一特性使得透過電磁作用之費米子(如電子)可以具有質量。所以我們可以說物理學家很幸運,不需尋找讓電子具質量的原因,很早就能成功地發展出具局部規範對稱之量子電動力學,成為後來發展強、弱作用之局部規範對稱理論的藍圖!誰說成功不需要靠運氣?

手徵性

事實上除了 SU(2)×U(1) 要求費米子不能具質量外,弱作用破壞了鏡像對稱[7]的這一實驗的結果,也要求費米子不應具質量!依照特殊相對論,一個質量為零的粒子應只能以光速運動,因此如果它具有自旋,則便應該有兩種可能的手徵性(chirality):自旋與運動方向相同或者相反( 如下圖 )。

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但具質量之粒子不能以光速運動,因此當觀察者的速度由比它慢變成比它更快時,手徵性將由左撇改成右撇(或由右撇改成左撇),故具質量之粒子沒有固定的手徵性;換言之,手徵性不是具質量之粒子的性質。因此如果弱作用只能與左撇(left handed)費米子作用,顯然費米子也不應具質量!

與希格斯場作用的結果,費米子不但取得了質量,也透過希格斯玻色子使左撇及右撇費米子混成一個我們在實驗室中所觀察到的不具手徵性之費米子:同時具有左撇及右撇的量子態。因左撇及右撇費米子具有同樣的自旋及電荷,故依自旋及電荷「不滅定律」,做媒婆之希格斯玻色子的自旋必須為零且不帶電:正是實驗所發現的結果。

這許多因希格斯玻色子而取得了質量的費米子當中,很奇怪的卻不包括微中子[8];更奇怪的是:微中子如果沒有取得質量,就對稱的觀點來看,左撇及右撇都應該可能存在才對,但物理學家卻從未在宇宙或實驗室中發現過右撇的微中子!因此在標準模型裡認為右撇的微中子根本就不存在。

殘留強作用力

我們前面提過「穩定」的粒子均必須是白色的,因此質子是由分別帶紅藍綠之三個夸克 uud 組成的,而中子則是由分別帶紅藍綠之三個夸克 udd 組成的。可是它們一旦變成白色,依量子色動力學,它們之間便應該沒有強作用力了,那為何質子及中子可以聚在一起組成原子核呢?我們不是想了解此一原因才發展出強作用力理論嗎?

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事實上我們早就在化學上碰到同樣的問題:氫原子是由帶正電的質子及帶負電的電子所組成的,因此是不帶電的,但兩個氫原子還是可以透過電磁作用力而結合成氫分子的。我們知道其原因是因為兩個氫原子核「合用」了它們外圍的電子,形成化學鍵所致。同樣地,質子或中子之間的作用也是透過帶有顏色之成份的 u 或 d 夸克來達成的:交換(合用)由一夸克及一反夸克組成之介子(meson),如不帶電之 π0(見上圖[9])。正像化學鍵比直接的電磁作用弱一樣,這稱為殘留強作用力(residual strong force)、核子強作用力(nuclear strong force)、或核子力(nuclear force)雖然比直接的強作用力弱得多,但是還是足夠克服質子間之靜電排斥力,將質子及中子結合成穩定的原子核(但不像強作用力,它的強度隨粒子間距離的增加而急速減弱,所以質子或中子可以是被分離、單獨存在的)!

我們說希格斯玻色子使許多基本粒子得到質量,但是這些質量卻不是我們周遭物體質量的主要來源:例如質子是由 uud 三個夸克組成的,但那三個夸克的總質量大約只有實驗室中量得之質子質量的百分之一而已!質子或中子之其它質量都在使那三個夸克在一起的束縛能量裡(m=E/c2)。

結論

物理學家於 1897 年發現了不可再被分割之電子;經過 100 多年的努力,終於在 2012 年發現了理論上必須存在的最後一種不可再被分割之希格斯玻色子,奠定了瞭解宇宙萬物組成與運行之基本粒子的標準模型理論。

現在的基本粒子雖然不是像當初古希臘哲學家所追求的只有一種,但是卻比化學上之基本粒子──化學元素⎯⎯少得多。如果不算反粒子及顏色[10],物理學上只有 12 種基本費米子、以及 6 種玻色子而已!就日常生活以及化學來看,我們所常「接觸到」的基本粒子事實上只有四種而已: u 夸克、 d 夸克、電子、及光子!離當初所追求的「只有一種」也算是不遠了!儘管如此,化學上的原子似乎還可以想像,讓人有「實際存在」(實在)的感覺;但現在物理學上的基本粒子則似乎是有點「玄」了!

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注解:

  • [1]:「量子力學的開山祖師──普朗克」,《科學月刊》,1982 年 4 月號;《我愛科學》,第 51 頁。
  • [2]:「太陽能與光電效應」,《科學月刊》,2013 年 4 月號;《我愛科學》,第 155 頁。
  • [3]:「規範對稱與基本粒子」,《科學月刊》,2014 年 11 月號;《我愛科學》,第 186 頁。
  • [4]:「群論、對稱、與基本粒子」,《科學月刊》,2018 年 9 月號。
  • [5]:這命名正好與當事人相反:玻色較害羞內向,費米則非常合群外向。
  • [6]:黏子之所以有八種,乃是因所帶之顏色不同的關係。黏子同時有顏色(R,G,B)及反顏色(r,g,b),因此理論上應該有九種才對,為什麼只有八種呢?那是因為代表 SU(3) 之 3×3 矩陣只有八個獨立變數[4];就顏色的組合上來講,(Rr+Gg+Bb)組合不受 SU(3) 對稱轉換的影響,不能作為傳遞強作用的規範玻色子;(9 個自由度 – 1 個條件)只剩下 8 個在 SU(3) 對稱轉換下「相同」的黏子。
  • [7]:沒有任何物理學家知道為什麼:事實上當他們發現自然界竟然是這樣時,他們也非常感到意外;詳見「對稱與物理」,《科學月刊》,2010年3月號;《我愛科學》,第 178 頁。事實上不止微觀世界這樣,巨觀世界裡也是充滿著鏡像不對稱的現象。詳見「左旋還是右旋?化學對稱跟你我的身體有關!」, 2015 年 9 月 25 日泛科學;「 對稱與化學」,《我愛科學》,第 193 頁。
  • [8]:在物理及天文學家發現「微中子擺盪」(neutrino oscillation)之現像後,不少物理學家已認為微中子應該具有些微質量。詳見「微中子的故事」,《科學月刊》,1982 年 3 月號;《我愛科學》,第 105 頁。
  • [9]:日本物理學家湯川秀樹 1935 年所提出的理論。湯川秀樹 26 歲就當了大阪大學的助理教授,29 歲時提出了這被忽略達兩年之久──但對以後基本粒子及其作用力研究影響非常大──的理論,獲 1949 年諾貝爾物理獎。原子核內的作用力事實上因多體(至少 6 夸克)、自旋、及角動量等關係,比這裡所形容的複雜得多。
  • [10]:除了 W+ 是 W-反粒子外,其它玻色子沒有反粒子(反粒子就是粒子本身)。

參考資料:

  1. 《量子的故事》,新竹市凡異出版社(1982 年;2005 年第二版)。
  2. 《我愛科學》,台北市華騰文化有限公司出版(2017 年 12 月)。本書收集了筆者自 1970 年元月到 2017 年八月間在科學月刊及其他雜誌發表過的科普文章。
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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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你聽過「量子意識」嗎?電子雙狹縫實驗讓人猜測意識會影響物質世界,真的假的?
PanSci_96
・2024/03/06 ・3800字 ・閱讀時間約 7 分鐘

在市面上,我們常會看到號稱運用量子力學原理的商品或課程,像是量子內褲、量子能量貼片、量子首飾、量子寵物溝通、量子速讀、量子算命、量子身心靈成長課程等等。有人說,量子力學代表了意識具有能量,藉由調整心靈的共振頻率,就能保持身心健康,只要你利用量子力學原理進行療癒或冥想,就能提昇自己的能量,人能長高、身體變壯、每次考試都考一百分;又像是,量子力學就代表一種信息場,讓你跟別人有心電感應,只要轉念,讓宇宙能量幫助你,你就能發大財還能避免塞車。也有人說,別人吃一個下午茶,你也馬上吃一個下午茶,別人喝一杯咖啡,你也馬上喝一杯咖啡,別人跟家人吵架,你也馬上找一件事跟家人吵架,這就是量子糾纏。

然而,量子到底是什麼?跟身心靈、宗教和玄學真的扯得上關係嗎?是否真能幫助你維持健康又賺大錢呢?

在這一系列影片裡,我們就要來討論,量子力學的原理為何?背後又是基於哪些科學的研究成果。等你看完之後,相信對於量子力學跟上述五花八門商品究竟有沒有關係,心裡自然會有所答案。

量子力學和意識有關?

坊間常會聽到量子力學跟意識有關的說法;或許也是因為這樣,量子力學被許多身心靈成長課程甚至玄學拿來作為背書。但,量子力學真的是這樣子嗎?

說到量子力學跟意識的關係,我們就必須來看看,量子力學最著名的實驗之一,20 世紀的物理學大師費曼(Feynman)甚至曾經說過,這個實驗「包含了量子力學的核心思想。事實上,它包含了量子力學唯一的奧秘。」它,就是雙狹縫干涉實驗。

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雙狹縫干涉實驗

現在我拿的器材,上面有兩道狹縫,中間間隔了非常短的距離。等一下,我們會讓雷射光通過這兩道狹縫,看看會發生什麼事。

我們看到,雷射光在打向雙狹縫之後,於後面的牆上呈現有亮有暗的條紋分布,這跟我們在國、高中學過的波的性質有關。

在兩道光波的波峰相會之處,會產生建設性干涉,即亮紋的位置;而暗紋的部分,則是來自破壞性干涉,是兩道光的波峰和波谷交會之處,亦即,光的效應被抵銷了。

在歷史上,雙狹縫干涉實驗占有非常重要的地位。19 世紀初,英國科學家、也是被譽為「世界上最後一個什麼都知道的人」的湯瑪士.楊(Thomas Young),利用雙狹縫實驗,證明了光是一種波。

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那麼,如果我們拿不是波的東西,來進行雙狹縫實驗,會看到什麼結果呢?讓我們試驗一下。

現在我手邊有一堆的彈珠,前面是用紙板做成的兩道狹縫,後面則是統計彈珠落點的紙板。我們讓這些彈珠朝狹縫的地方滾過去,並在彈珠最後的落點劃下記號;若在同樣位置的記號越多,就代表有越多彈珠打中該位置。

在丟了一百顆彈珠之後,我們可以看到,扣除掉一部份因為路徑被擋住、通不過狹縫的彈珠之外,彈珠最終抵達的位置,大致分別以兩道狹縫的正後方為最多,呈現兩個區塊的分布,不像先前光的雙狹縫干涉實驗中,出現明暗相間的變化。

所以,我們得到結論:若是拿具有物理實體的東西進行雙狹縫實驗,因為其一次只能選一邊通過,所以落點最終只會聚集在兩個狹縫後方的位置;而且要是行進的路徑不對,還可能會被擋住。

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至於波的情形,那就不同了,只要狹縫的大小適當,波可以同時通過兩個狹縫,並互相干涉,產生明暗相間的條紋。

換言之,是波,還是物質,兩者在雙狹縫實驗的表現是截然不同的。

只不過,以上的實驗似乎並沒有什麼太令人感到意外的地方,我們也看不出來,它跟量子,還有意識,到底有什麼關係?事實上,若要真正顯示出它的獨特之處,就要來看電子的雙狹縫干涉實驗。

電子的雙狹縫干涉實驗

我們知道,電子是組成原子的基本粒子之一,而原子又組成了世間萬物。可以說,電子是屬於物質的一種極微小粒子。

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在電子的雙狹縫干涉實驗,科學家朝雙狹縫每次發射一顆電子,並在發射了很多顆電子之後,觀察電子的最終落點分布會怎麼呈現。

既然電子是物質的微小粒子,那麼在想像中,應該會跟我們前面使用彈珠得到的結果差不多,電子會分別聚集在兩道狹縫後方的區域。

從實驗的記錄影片中可以看到,在一開始、電子數量還很少的時候,其落點比較難看得出有明顯規律,但隨著電子的數目越來越多,我們慢慢能夠看出畫面上具有明暗分布,跟使用光進行雙狹縫實驗時得到的干涉條紋,有著類似的結構。

這樣的結果,著實令人困惑。直覺來想,既然電子是一顆一顆發射的,它勢必不可能像光波一樣,同時通過兩個狹縫,並且兩邊互相干涉,產生明暗相間的條紋。

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但無可否認,當我們用電子進行雙狹縫實驗時,最後得到的結果,看起來就跟干涉條紋沒什麼兩樣。

對這出人意表的觀測結果,為了搞清楚發生什麼事,科學家又做了更進一步的實驗:

在狹縫旁放置偵測器,以一一確認這些電子到底是通過哪一個狹縫、又如何可能在通過狹縫後發生干涉。

這下子,謎底就能被解開了――正當大家這麼想的時候,大自然彷彿就像在嘲笑人類的智慧一樣,反將一軍。

科學家發現,如果我們去觀測電子的移動路徑,只會看到電子一顆一顆地通過兩個狹縫其中之一,並最終分別聚集在兩個狹縫的後面――換言之,干涉條紋消失了!

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在那之後,科學家做過無數類似的實驗,都得到一樣的結果:只要你測量了電子的路徑或確切位置,那麼干涉條紋就會消失;反過來說,只要你不去測量電子的路徑或位置,那麼電子的雙狹縫實驗就會產生干涉條紋。

在整個過程中,簡直就像是電子知道有人在看一樣,並因此調整了行為表現。

在日常生活中,若有人要做壞事,往往會挑沒人看得到的地方;反過來說,當有其他人在看,我們就會讓自己的言行舉止符合公共空間的規範。

量子系統也有點像這樣,觀測者的存在與否,會直接影響到量子系統呈現的狀態。

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只不過,這就帶出了一個問題:到底怎麼樣才算是觀測?如果我們在雙狹縫旁邊只放偵測器不去看結果算嗎?我們不放偵測器只用肉眼在旁邊看算嗎?或是,整個偵測過程沒有人在場算嗎?

這就是量子力學裡著名的觀測問題(measurement problem)。

結語

在量子力學剛開始發展的數十年,有許多地方都還不是那麼清楚,觀測問題就是其一。在歷史上,不乏一些物理學家,曾經認真思考,是否要有「人的意識」參與其中,才能代表「觀測」。

如果真是這樣的話,那麼「意識」就存在非常特別的意義,而且似乎暗示人的意識能夠改變物質世界的運作。

有一些物理學家曾認真思考,是否要有「人的意識」參與其中,才能代表「觀測」。圖/envato

可以想見地,上述出自量子力學觀測問題的猜測,後來受到部分所謂靈性導師跟身心靈作家的注意,於是,形形色色宣揚心靈力量或利用量子力學原理進行療癒、冥想或身心靈成長的偽科學紛紛出籠,直到近年都還非常流行。

另一方面,可能因為量子兩個字帶給人一種尖端科學的想像,坊間琳瑯滿目的商品即使跟量子力學一點關係都沒有,也都被冠上量子兩字;除此之外,商品宣傳裡也常出現一堆量子能量、量子共振等不知所謂的概念,不然就是濫用量子力學的專有名詞如量子糾纏、量子穿隧等,來幫自己的商品背書。只要有量子兩字,彷彿就是品質保證,讓你靈性提升、身體健康、心想事成。

對此,我就給三個字:敢按呢(Kám án-ne)?

事實上,量子力學至今仍是持續演進的學問,我們對量子力學的理解也隨時間變得越來越豐富。現代的物理學家,基本上不認為我們可以用意識改變物質世界,也不認為「意識」在「觀測」上佔據一席之地,甚至可以說正好相反,人的意識在觀測上根本無關緊要。

不過,我們不會那麼快就直接進入觀測問題的現代觀點。在之後接下來的幾集,我們會先從基本知識開始說起,循序漸進,讓你掌握量子力學的部分概念。而在本系列影片的最後一集,我們才會重新回到觀測問題,並介紹量子力學領域近幾十年來在此問題上獲得的進展。

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從 J 粒子到宇宙射線——實驗物理學家丁肇中的研究之旅
研之有物│中央研究院_96
・2023/05/20 ・9459字 ・閱讀時間約 19 分鐘

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本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 整理撰文/郭雅欣
  • 責任編輯/簡克志
  • 美術設計/蔡宛潔

丁肇中是享譽全球的物理學家,他的研究為現代物理學奠定了基礎,也讓他獲得 1976 年的諾貝爾物理獎。丁肇中是中央研究院院士,也是現任麻省理工學院的物理學教授。

歷經數十年實驗物理的研究之路,他用一次次的實驗結果打破原本的理論認知,為物理學開創了新的道路。

丁肇中如何從 J 粒子的發現,走到最前沿研究宇宙射線,探索宇宙的起源與未知?中研院「研之有物」梳理記錄丁肇中 2022 年在院內物理研究所的演講內容,介紹他在物理學領域的傑出成就以及科學家的體悟。

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丁肇中院士 2022 年 12 月在中研院物理所演講,題目為「我所經歷的現代物理和我的體會」。圖/中研院物理所

實驗是自然科學的基礎,理論如果沒有實驗的證明,是沒有意義的。當實驗推翻了理論後,才可能創建新的理論;理論是不可能推翻實驗的。過去 400 年來,我們對物質基本結構的了解,大都來自於實驗物理。」

中研院物理所於 2022 年 12 月 27 日舉辦了李水清講座,邀請到著名的實驗物理學家丁肇中,他以這段話做為整場講座的開端。

從丁肇中踏上實驗物理之路開始,至今已有 60 多年,這一路走來,丁肇中累積了許多突破性的成果,這些經歷也讓他獲得了豐富的人生體會。在這場講座中,丁肇中以「我所經歷的現代物理和我的體會」為題,一一細數這些成果及體會,在言談中展露出他對物理的熱情、堅持,以及永不磨滅的興趣與好奇心。

做實驗不盲從專家:證明電子沒有體積

1965 年丁肇中前往德國的大型粒子物理學研究機構「德國電子加速器」(DESY)進行第一個實驗工作,目的是證明「電子沒有體積」。為什麼要做這個實驗呢?因為當時科學家對電子有無體積的問題出現了爭議。

根據理查.費曼(Richard Feynman) 、朱利安.施溫格(Julian Schwinger)和朝永振一郎在 1948 年提出的量子電動力學理論(Quantum Electrodynamics,簡稱 QED),電子是沒有體積的,當時所有的實驗都證明了 QED 理論的完備性,他們三人也因此獲得 1965 年的諾貝爾物理獎。

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可是在 1964 年時,哈佛大學和康乃爾大學的科學家和專家耗費多年心思,進行兩個不同的實驗,卻得出與 QED 相反的結論——量子電動力學是錯誤的,電子是有體積的,半徑是 10-13~10-14 公分。這個結論是兩個不同實驗團隊的成果,也因此受到物理界人士的認可和重視。

當時剛獲得博士學位的丁肇中,決定用不同方法來測量電子半徑。丁肇中回憶:「那個時候沒有人相信我能做出這個實驗,更沒有人支援我。」所以在 1965 年,丁肇中決定離開美國,到德國新建的 DESY,利用這個周長 320 公尺的加速器,產生能量 75 億電子伏特的光,打到儀器上,以測量電子的半徑。

在德國八個月後,丁肇中的實驗結果證明量子電動力學是正確的:電子真的沒有體積,它的半徑小於 10-14 公分。我們可以說:在當年實驗可及的範圍內,電子半徑為零(consistent with zero)。這推翻了當初康乃爾大學與哈佛大學備受重視的實驗結果。

丁肇中:「我的第一個體會就是:做實驗不要盲從專家的結論。」

縱軸是正負電子對產生率的實驗結果和 QED 理論預測的比值,橫軸是到電子中心的距離,代表電子半徑大小。圖/研之有物(資料來源/丁肇中)

證明宇宙新物質—— J 粒子

1965 到 1970 年間,丁肇中在 DESY 做了他的第二個實驗,這是一系列和光子、重光子相關的實驗。光子的質量為 0,當時已經知道有三種重光子,它們的質量約為 8 億~10 億電子伏特(eV/c2),其他的特徵則與光子一樣。

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丁肇中表示,在高能情況下,重光子與光子應該可以互相轉化,只是機率很低。要找到互相轉化的事例,實驗裝置必須能辨識出一億分之一的發生事例,後來他也成功完成了這項困難的實驗。

之後,丁肇中還想解決另一個問題:「為什麼所有的重光子質量都和質子的質量相近,都是 10 億電子伏特左右?」為了尋找更重的重光子,丁肇中決定到美國布魯克黑文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory)的質子加速器上,做一個更加精密的探測器。

要找到高質量的重光子,必須每秒鐘輸入一萬億個高能量質子到探測器上,這會徹底破壞探測器,也會對工作人員造成危險。所以,丁肇中發展的新探測器不但必須非常精確,還必須是在非常強的放射線下,能正常工作的儀器。

因此輻射遮蔽相當重要,如下圖。藍色部分是磁鐵,黃色部分是大型探測器,為了保護探測器,在中心放射線周圍包裹了厚厚的水泥,黑色區塊部分是遮蔽材料,例如鈾、鉛和肥皂(含水可吸收中子),放在水泥周圍遮蔽輻射,位置會依實際需求做改動。此外,圖中 A0、 A、B、C、a、b、S 等黑色線段都是小型探測器。

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這個實驗的遮蔽材料總共用了 5 噸鈾 -238、100 噸的鉛、 5 噸的肥皂,以及 1 萬噸的水泥。整個實驗設施的最外圍,還會堆上大量的水泥塊,保障工作人員安全。

新探測器必須非常精確,還必須在非常強的放射線下遮蔽輻射,避免影響儀器。圖中藍色部分是磁鐵,黃色部分是大型探測器;黑色區塊部分是遮蔽材料,例如鈾、鉛和肥皂,放在水泥周圍遮蔽輻射,位置會依實際需求而變動。此外,圖中 A0、 A、B、C、a、b、S 等黑色線段都是小型探測器。圖/研之有物(資料來源/丁肇中)

高質量的質子碰撞,可以增加新粒子產生的機率,但其他無關事例產生的機率也同樣會提高。丁肇中形容,尋找高質量的重光子就像是:

「在臺北下雨的時候,每秒鐘會降下 100 億顆雨滴,其中有一顆的顏色不同,你必須在 100 億顆裡面把它找出來。」

可想而知,物理界都不看好這個實驗,因為理論物理學家認為,現有理論已「足夠」解釋現象,找高質量的重光子物理意義不大;實驗物理學家則認為,沒有人能做出如此困難的實驗。

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在排除萬難的堅持之下,1974 年丁肇中就在實驗中發現了新的粒子「J 粒子」,它的壽命比已知的粒子長一萬倍。丁肇中說:「這個發現的重要性,就等同於我們到深山裡發現了一個偏僻的村子,村民不是一百歲,而是一百萬歲,也就是這些人和普通人類是不一樣的。」

換句話說,這證明了宇宙中有新的物質存在,理論必須修正。

當時科學界流行三夸克模型,也就是用三種夸克基本粒子來解釋質子和中子的狀態,而 J 粒子的發現,證實了還有第四種夸克「魅夸克」(Charm quark)的存在。

這段歷程讓丁肇中有了第二個體會:

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「做基礎研究要對自己有信心,做你認為正確的事,因為自然科學的發展基本上是多數服從少數,不要因為大多數人反對而改變你的興趣。」

意外的發現——膠子

1970 年代,丁肇中的第三個實驗,是在德國正負電子對撞機(PETRA)上做的,PETRA 是當時能量最高的正負電子對撞機,可讓 300 億電子伏特的正負電子對撞。丁肇中在實驗過程意外發現膠子的存在。

膠子是人眼不可見的基本粒子,是自然界基本作用力「強作用力」的傳遞媒介(Force carrier)。根據現在的標準模型(Standard Model),我們知道原子核裡面有質子和中子,質子和中子是由數個夸克組成,而膠子可以在夸克之間傳遞強作用力,讓夸克束縛在一起。

從原子到夸克的示意圖,膠子是夸克之間的「強作用力」傳遞媒介,用彈簧形狀示意。(為求圖片精簡,仍使用三夸克模型)圖/研之有物(資料來源/丁肇中)

那麼,丁肇中是如何發現膠子的呢?

物理中用來描述強作用力的理論是量子色動力學(Quantum Chromodynamics),根據理論預測,一個正電子和負電子碰撞時會產生能量,大部分是轉變成一對夸克和反夸克(兩個噴柱)。偶爾會產生夸克、反夸克和一個膠子(三個噴柱)。

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在丁肇中的實驗中,透過大量的測量,發現正負電子對撞後,果真出現了許多三噴柱的事例,這三個噴柱現象的數量與分布和量子色動力學是符合的,這個實驗結果證明了膠子的存在。

「我們最初做實驗的時候,並沒有想到會發現膠子。最初做實驗目的是繼續尋找電子的半徑。」丁肇中說。因此這個實驗帶給丁肇中的第三個體會,就是:

「對於意外的現象,要有充分的準備。」

大型國際科學合作:L3 實驗

丁肇中的第四個實驗,是 1982~2003 年在歐洲核子研究中心(CERN)進行的 L3 實驗。他們以周長 27 公里的加速器,將對撞的正負電子能量增加到 1000 億電子伏特,碰撞時的溫度是太陽表面的 4000 億倍,也是宇宙誕生最初的 1000 億分之一秒時的溫度,「我們是在實驗室內製造宇宙剛開始的情況。」丁肇中說。

這個實驗的目的是尋找宇宙中最基本的粒子,解答關於宇宙中各種粒子的問題,包括宇宙中有多少種電子?電子有多大?為什麼找不到電子的體積?電子能不能分成更小的粒子?現在有人說最基本的粒子是夸克,夸克到底有幾種?夸克有多大?能不能分成更小的粒子?

這次的國際合作實驗,有美國、蘇聯 、中國、臺灣、歐洲等 19 個國家,共約 600 名科學家共同參加。實驗的規模很大,每個國家也各司其職。

實驗的最外層重達 1 萬公噸的磁鐵,以及探測器中 300 公噸的鈾,都來自蘇聯;用於探測高能粒子和高能射線的鍺酸鉍晶體(簡稱 BGO),原本全世界年產量只有 4 公斤,經由中國上海矽酸鹽研究所研發成功,生產了 12 公噸,用於這項實驗中;臺灣與義大利、瑞士的團隊共同研發矽微條軌跡探測器,測量粒子位置的解析度可達 5 微米,中央大學團隊也參與了數據分析。

L3 的實驗前後進行了 20 年,發表了 300 篇相關論文。丁肇中總結出以下結論:

  1. 宇宙中只有三種不同的電子和六種不同的夸克。
  2. 電子是沒有體積的,它的半徑小於 10 -17 公分。
  3. 夸克也是沒有體積的,它的半徑小於 10 -17 公分。
  4. 所有的實驗結果都和電弱理論符合,電弱理論是描述電磁力和弱作用力的理論。

「很不幸的,所有的結果都和電弱理論符合。」丁肇中說:「當一個實驗和理論有衝突的時候,才能學到新的東西,把理論推翻掉。假如實驗結果和理論符合,那麼學到的東西就很少。所以對我來說,L3 並不是成功的實驗。」

這個首次的大型國際合作經驗,也為丁肇中帶來了第四個體會:要領導一個國際合作,要選科學上最重要的題目,引起參加國際科學家的最大興趣。對貢獻大的國家要有優先的認可,使之得到國際上的公認,才能得到參加國政府長期的優先支援。

「要領導一個國際合作,要選科學上最重要的題目。」

國際太空站照片,阿爾法磁譜儀(AMS-02)位於國際太空站一側, 如右側紅圈處。圖/European Space Agency

史上創舉:阿爾法磁譜儀上太空

丁肇中的第五個實驗目前仍在進行中,那就是位在國際太空站上的阿爾法磁譜儀(Alpha Magnetic Spectrometer,AMS)。

AMS 目標是研究宇宙射線的特性和起源。帶電的宇宙射線有質量,會被地球表面上 100 公里厚的大氣層吸收,所以我們無法在地面上研究帶電宇宙射線的電荷、動量等性質。這就是為什麼必須把一個磁譜儀放在外太空。

磁譜儀內含有磁鐵,當宇宙射線進入磁譜儀,會因為磁鐵的影響而偏轉軌跡,不同的粒子會留下不同的軌跡,因此根據偏轉的軌跡,就可以分辨出是哪一種宇宙射線粒子。在此之前,從來沒有人會把一個超大磁鐵放到太空站上。

國際太空站照片,阿爾法磁譜儀(AMS-02)正在收集宇宙數據,於 2011 年 5 月 19 日安裝完成。圖/NASA

丁肇中說,原因非常簡單,「大家都知道指南針的原理。當指南針放在太空站上,一端向北、一端向南,很快就會讓太空站失去控制。」為此,AMS 團隊設計了一個特殊的環形磁鐵,從外觀看就像一個木桶,它的磁場不會洩露,「AMS 做過兩次飛行,第一次是用太空梭載運到軌道上運行十天,就回到地面,驗證了這個實驗的可行性。第二次才送到太空站上。」丁肇中說。

AMS 也是一個國際合作的科學計畫,參與的團隊來自世界各地,臺灣也包括在內。對於如何挑選合作夥伴,丁肇中特別提到:「這個實驗很困難,是一個沒有人做過的實驗,你一定要專心。所以參加的人通常只做這個實驗。」

NASA YouTube 頻道對 AMS 磁譜儀的簡介。圖/NASA

AMS 獲得了很多的支援,2008 年,美國參議院和眾議院甚至通過了一條法律,在當時希望盡量減少太空飛行的時空背景下,要求美國政府為 AMS 增加一次太空梭飛行任務,把磁譜儀送到國際太空站上去。

自從 2011 年 5 月升空至今,AMS 在太空中順利地運行,值得一提的是,由臺灣製造的電子系統非常成功,丁肇中說:「整個電子系統包括 650 個微處理器 、30 萬個訊號通道。最值得驕傲的是,至今已經 11 年了,沒有一個是壞的 。

AMS 的訊號經由 NASA 通訊衛星傳遞,每日 16 小時由位在 CERN 的控制中心負責監控。在歐洲的夜間時段,則轉到中山科學院的亞洲控制中心監控,實現全年無休,每日 24 小時的監控。

「一開始做實驗的時候,我並沒有想到,太空站在太空中一定要不斷運行,這樣向心力與引力才會平衡。」丁肇中說:「這就表示我們沒有週六、週日,沒有中秋節也沒有過年,每天都要嚴格地監控著。」

丁肇中院士於 2013 年 5 月講述 AMS 首次研究成果。圖/NASA

科學研究的競爭只有第一,沒有第二

這 11 年來,AMS 獲得了許多和現有理論不符合的結果,帶來了對宇宙全新的認知。AMS 第一個成果是探索宇宙中電子與正電子的來源。

目前推測電子和正電子來源有三種可能性:宇宙線(含有質子和氦)與星際物質之間的碰撞、脈衝星產生、再來是暗物質的碰撞。圖/研之有物(資料來源/丁肇中、Wiki)

根據 AMS 目前的成果,關於電子的來源,宇宙線碰撞產生的電子佔比極低,顯然不是主要來源。從數據來看,電子主要是由兩個未知來源的冪律譜數據疊加而得,目前仍缺乏理論解釋冪律譜的來源。所謂的冪律譜,就是能譜隨著能量的某次方變化。

至於正電子的來源,如下圖所示,低能量的正電子主要來自宇宙線的碰撞,高能量正電子的分布則大致與暗物質理論相符合,丁肇中表示,「到 2030 年,AMS 的數據誤差會更縮小,」屆時就能真正證明高能正電子是否來自暗物質碰撞,「這是一個非常重要的目標。」

另一方面,AMS 也從數據推論出高能量正電子的來源很可能不是脈衝星,所以更意味著暗物質才是高能量正電子的主要來源,後續期待更多數據的佐證。

除了探索電子來源之外,AMS 也檢視了正電子的來源。低能量的正電子主要來自宇宙線的碰撞,高能量正電子的分布則大致與暗物質理論相符合,有待更多數據驗證。圖/研之有物(資料來源/丁肇中)

AMS 的第二個重要成果,是探索宇宙射線的特性和起源。

宇宙射線分為一級、二級宇宙射線。一級指的是在恆星裡經過核融合產生,然後在恆星爆炸的過程中被加速到高能量的射線,包括氫、氦、碳、鐵等。二級宇宙射線是一級宇宙線和星際物質相撞產生的,包括鋰、鈹、硼、氟等。

AMS 發現,一級宇宙射線可以依據剛度(動量除以電荷)的變化分成兩種,第一種包括氦、碳、氧、鐵,第二種則包括氖、鎂、矽、硫。而二級宇宙射線也分為兩種剛度變化:鋰、鈹、硼隨著剛度的變化是一樣的,氟則是另外一種變化。

宇宙中有各式各樣的宇宙射線,可是它們隨著剛度的變化卻是有限的,「這是不可想像的現象,」丁肇中說:

「所有宇宙射線的實驗結果都與理論不符合——所有目前的理論都是錯誤的。」

AMS 將繼續工作到 2030 年,在那之前,AMS 的探測器會升級,讓接收度提升三倍。AMS 將在宇宙這個最廣袤的實驗室中,持續收集數據,尋找自然界中存在,而我們未曾想到、也不曾發現的現象,改變我們對宇宙的認知。

「我的大多數實驗都受到很多人的反對。理由是實驗沒有物理意義、實驗非常困難,不可能成功。」丁肇中說:「可是過去 45 年來,很多優秀的科學家,包括臺灣的李世昌院士和張元翰教授[註],對實驗做出很重要的貢獻。實驗結果改變了我們對宇宙的認知。每一個實驗都發展新的儀器,讓實驗成功。」

丁肇中以自身的最後一個體會,為整場講座下了一個總結:

「自然科學的研究,是具有競爭性的,只有第一名,沒有第二名。」畢竟,「沒有人知道誰是第二個發現相對論的。」

最後,「研之有物」也收錄了在該場演講的尾聲,中央研究院物理所的李世昌院士與丁肇中院士的精彩對談,他們是合作多年的朋友,在問答之間,我們也能更瞭解丁院士如何看待實驗物理,節錄摘要如下。

李世昌院士(左)與丁肇中院士(右)對談。圖/中研院物理所

Q:您到母校密西根大學的時候 ,起初是想要鑽研理論物理,但為什麼後來改朝實驗物理的方向進行?

我起初其實是學機械工程,但當時還沒有電腦,必須自己畫圖,而我一條線都畫不直,所以我的老師建議我改念數學或物理。而就像李院士說的,我一開始選擇了理論物理,但後來,發現電子自旋的喬治.烏倫貝克(George Uhlenbeck)教授給了我啟發。

烏倫貝克說:「如果重來一次,我會選擇當個實驗物理學家,而不是理論物理學家。」我問他為什麼,他說:「對物理真正有影響力的理論物理學家,一隻手的指頭就數得出來。但做實驗得到的每一個結果,都是對物理、對人類知識有貢獻的。」我和他談完之後,就在他的辦公室外走來走去,然後告訴他:「You are right, I’m leaving you.」(在場聽眾笑)

Q:剛才演講中,您強調科學需要打破現有理論才會進步。但是我跟您工作這麼多年,看到您經常徵詢有名的物理學家意見,也有邀請理論物理學家參加 AMS 實驗組的大會。因為您對理論不會完全相信,所以想請問您在什麼情況下 ,會覺得要跟這些理論物理學家談一談?

我通常在進行大型實驗之前 ,會找幾個人談一談。 一個是實驗物理學家沃爾夫岡.帕諾夫斯基(Wolfgang K. H. Panofsky),他在史丹佛大學做了一個兩公里長的直線加速器,對技術及理論都非常了解。還有一個人是理查.費曼(Richard Feynman),我和費曼相熟是因為我證明了他的理論是對的。

此外包括史蒂文.溫伯格(Steven Weinberg) 、謝爾登.格拉肖(Sheldon Glashow)等物理學家,我也會跟他們談我的實驗。通常我都是已經想好實驗以後,再聽聽他們的意見作為參考,不過我從來不照他們所說的去做。

Q:您曾經說過,如果人是依據自己有什麼能力,再來選擇研究的課題,這是最笨、最愚蠢的,應該先看一個題目有沒有重大影響力來決定。如果自己的能力不足,可以找別人合作。請問您在做完 L3 實驗之後,是如何選擇現在正在進行的 AMS 實驗?

當時我已經做了很多加速器的實驗,我想下一步,應該挑一個大家都認為不可能的實驗,所以就挑了一個到太空去做的實驗,也就是 AMS。我從來沒有做過太空實驗,我們組裡也沒有一個人有太空相關的經驗,所以過去的經驗是沒有意義的。

當我和美國政府提出 AMS 實驗時,美國能源部反對。他們認為我從來沒做過太空實驗,而且太空實驗非常非常貴。為了證明實驗的價值,我要求他們成立評審委員會,成員必須是世界第一流的科學家 、美國科學院院士以及拿過諾貝爾獎的人。

這是因為第一流科學家眼光比較遠,能夠看到將來。後來委員會成立,成員包括許多天文物理學家。經評審後,他們認為這是很重要的實驗。最後我們就在 NASA 展開了 AMS 實驗。

Q:發表的實驗結果一定要正確,這是您最重視的一件事。在發現 J 粒子的時候,從您看到訊號到最後決定發表,隔了很長的時間。有人說如果您早一點發表,Burton Richter 可能就沒有機會和您共同得到諾貝爾獎。您對於實驗的結果,是如何決定發表的時機?

我們是在 1974 年 8 月看出有 J 粒子的訊號,本來打算在 10 月時發表,但我想稍微等一等,看能不能看到更高能量的粒子,所以才等到 11 月。當時我並不知道別人可以用正負電子對撞機來做這個實驗。直到 11 月 11 日,我到史丹佛大學去,才知道伯頓·里克特(Burton Richter)帶領的 SLAC 國家加速器實驗室團隊也發現了一樣的事情。

至於 AMS 的成果,我一直提醒大家記住一件事,我們花了 20 年的時間準備這個實驗,在接下來的半個世紀,我想很可能沒有人會再像我們這麼笨,再放一個磁譜儀到太空中,所以如果發表了什麼結果,一定會影響整個物理研究的方向,所以要特別小心謹慎。

註解

  • 註:李世昌院士現為中研院物理所兼任研究員,張元翰現為中研院物理所特聘研究員。

延伸閱讀

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