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物質結構與鍊金術——阿宅物理(3)

先前,人稱(?)物理界蔡頭的大抖宅,向大家介紹了反物質的箇中奧妙,卻也帶出讓人困惑的問題:為何宇宙中的反物質這麼稀少?物理學家因此提出許多理論,試圖揭開這個謎底。

然而,組成物質與反物質的粒子其實相當多樣,特性亦不相同;於是,物質比反物質多的現象,也可能隨著粒子種類的區分而有不同因素,如果不追根究柢,就太辜負了阿宅的熱血!大家是否如鋼之鍊金術師愛德華‧愛力克[1]一樣,準備好探求物質的原理了呢?Go!

<鋼之鍊金術師>主角愛德華‧愛力克描述的科學家(出處:單行本第一卷)

<鋼之鍊金術師>主角愛德華‧愛力克描述的科學家(出處:單行本第一卷)

根據西方鍊金術的古老傳說,只要拔到獅子的鬃毛擁有賢者之石,就能將普通的金屬鍊成黃金;而在<鋼之鍊金術師>裡,「等價交換」是最基本的法則,主角愛德華‧愛力克是這麼說明的:「如果要得到某樣東西,就必須要付出同等的代價。」依現代化學理論而言,我們可以將等價交換法則理解為原子不滅定律與質量守恆定律,亦即:化學反應只是讓物質中的原子重新排列、組合,反應前後原子種類及數目不會改變,總質量也不會改變[2]

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於是,說到底,要從沒有黃金成份的物質鍊出黃金是不可能的事,就算你有賢者之石也一樣(雖然它在許多電玩遊戲裡很好用)——因為金原子不會憑空出現,也無法由化學反應合成。但即使我們沒辦法真的鍊金,從碳製造鑽石倒是可能的:鑽石是由碳原子組成的特定結構,只要符合某些條件,我們就可以用碳合成出鑽石

<鋼之鍊金術師>裡針對等價交換的說明(出處:單行本第一卷)

<鋼之鍊金術師>裡針對等價交換的說明(出處:單行本第一卷)

「可是瑞凡,[3]」各位或許要問了:「原子到底是什麼呢?」如中學理化課所教,所有物體都是由原子構成的;原子又包含了原子核,以及環繞其外的電子。若以簡單的圖像表示,近似於:

原子結構示意圖(黑:電子,紅:質子,藍:中子。出處:維基百科)

原子結構示意圖(黑:電子,紅:質子,藍:中子。出處:維基百科)

位於中心的原子核,由質子(以紅色表示)與中子(以藍色表示)組成;電子則繞著原子核運行(不過必須注意的是,圖裡的顏色僅為區分之用,不代表真實顏色;電子的軌跡也不是圖中所畫這麼簡單)。原子核實際上只佔了原子中心極極極~微小的區域。通常,我們說原子的直徑約為10-10公尺(0.1奈米),原子核的直徑則大約是原子的萬分之一強。也就是說,如果原子核跟我們人類一樣大的話,那麼整個原子的大小就是圍繞你周圍十多公里遠的範疇[4]

電子是人類最熟悉的基本粒子之一,我們日常生活用到的電,都是藉由電子來輸送。因電子帶負電,為了方便,我們將其電荷定為 -1單位。同時,電子還有個結拜夥伴,稱為電子中微子(electron neutrino),顧名思義,是電中性的微小粒子。[5]這一對換帖的,我們歸類為輕子(lepton)第一代(first generation)。再者,我們有渺子[6](muon)和渺子中微子(muon neutrino)結成的輕子第二代;與濤子[7](tau)和濤子中微子(tau neutrino)搭配的輕子第三代。

這所謂第幾代,是以電子、渺子和濤子的發現順序來分,並無輩分大小——就像火影的初代目到七代目,[8]是以擔任時間來排序,不見得都有血緣關係。渺子、濤子與電子雷同,均帶 -1 單位電荷,但是質量較大,可看做威力加強版的電子。不過,因為渺子和濤子壽命極短、稍縱即逝,所以幾乎只能在實驗裡看到。

中微子

質子和中子也是我們很熟悉的粒子,它們組成了原子核。實際上,質子和中子都是由更基本的粒子(稱為夸克)所構成的。夸克跟輕子類似,兩兩一夥共三代,分別為第一代的上夸克(up)、下夸克(down),第二代的魅夸克(charm)、奇夸克(strange),和第三代的頂夸克(top)、底夸克(bottom)——這邊的配對順序很重要,就像<火影忍者>裡佐助X鳴人(攻受不可逆)一樣;其中,前者的上、魅、頂各帶 +2/3 單位電荷,而後者的下、奇、底各帶 -1/3 單位電荷。

兩個上夸克加一個下夸克構成了質子,帶 +1 單位電荷;一個上夸克加兩個下夸克構成中子,並且不帶電。像質子與中子這般由三個夸克組成的粒子,我們都歸類為重子(baryon)。同時,雖然有許多其他重子,但它們跟渺子、濤子一樣,無法穩定存在於自然界中。

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到此,我們似乎開始看出端倪了:所有物體都是由原子構成,而其中原子核裡的質子和中子屬於(夸克組成的)重子;外圍的電子則屬於輕子——所謂的原子其實包含了兩種不同類別的粒子。這也是為什麼上篇文章提及,科學家要把宇宙的發展中,產生物質多於反物質的過程,分別稱為重子始源(baryogenesis)與輕子始源(leptogenesis)。另外,剛剛提到的所有粒子,都有相對應的反粒子。[9]

在了解原子的結構之後,讓我們回到開頭的話題:要像愛德華‧愛力克那般鍊成黃金是否終究沒指望,只能洗洗睡了呢?等一下!既然化學反應無法製造金原子,那麼物理反應呢?所有原子核都是由質子和中子組成的,相異元素的原子核之間,區別在於質子數目的多寡不同。[10]

自由操縱質子、中子,以重組金原子核,是否可行?原則上,這件事大概或許也許不是不可能,但當下現實世界的地球人卻並不擁有這樣的技術,<空想科學讀本>已有詳細的分析,於此就不再贅述。總而言之,要無中生有鍊出黃金在目前仍然是超越人類能力的事情,雖然很遺憾,但也無可奈何就像大抖宅買了票要聽 Bon Jovi 邦喬飛在台灣睽違二十年的開唱,演出卻因杜鵑颱風取消一樣幹

<鋼之鍊金術師>裡將石頭鍊成黃金的一幕(出處:單行本第一卷)

<鋼之鍊金術師>裡將石頭鍊成黃金的一幕(出處:單行本第一卷)

然而,前一回留下的(重子始源與輕子始源)分類問題,現在只回答了一半。我們知道原子核裡的中子和質子,與環繞其外的電子分屬不同類別了(重子與輕子兩類),但它們除了名稱不同外又有什麼本質上的差異呢?分成同一類難道就不行?你有想過這個嗎?沒有。因為你只會想到你自己。電子又為什麼要跟中微子配對?莫非有什麼不可告人的特殊關係嗎?緊張緊張緊張!危險危險危險!刺激刺激刺激!欲知如何,下回請繼續收看阿宅物理第四話!

註解:

  • [1] 請參照漫畫<鋼之鍊金術師>。愛德華‧愛力克為該作主角。
  • [2] 此處所述僅就化學領域而言。
  • [3] 電視劇<犀利人妻>的經典台詞。
  • [4] 原子其實沒有固定的邊界,所以也並沒有確定的大小。這邊說的原子直徑是以測量相鄰原子之間的距離來定的。又,關於原子核只佔原子中心很小部份體積一事,可延伸參考中學時所教的拉塞福(Ernest Rutherford)散射實驗。
  • [5] 中微子又翻譯做微中子,然而為了避免與中子產生混淆,這邊均使用中微子的名稱。今年(2015)的諾貝爾物理獎便與中微子相關,之後會另有專文介紹其性質。
  • [6] 有時亦翻譯成緲子。
  • [7] 有時亦做陶子(不是跟李李仁結婚那位)。
  • [8] 請參照漫畫<火影忍者>。
  • [9] 所有粒子都有對應的(質量相等但電荷相反的)反粒子;然而有些粒子會是自己的反粒子。反粒子組成的物質就稱為反物質。詳情請參閱系列前兩篇文章。
  • [10] 換句話說,當兩個不同原子核裡質子數目相同,我們就稱此二者是同一元素。至於中子的數量呢?請查詢同位素(isotope)一詞。

參考資料:

  1. David Griffiths (2008) Introduction to Elementary Particles, 2nd edition

關於作者

科學大抖宅

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!」

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