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基礎交互作用與原力(第二部曲):光子力乍現—— 阿宅物理(5)

在沒有很久以前、也沒那麼遙遠的銀河系裡……[1]
為了深入解析原力的祕密,我們回顧了基礎作用力之一的電磁力。不過,就像星際大戰需要許多部曲才能講完整個故事,除了電磁力,宇宙中尚有其他神秘力量,等待人類的發覺……

星際大戰開頭必備的跑馬燈

星際大戰開頭必備的跑馬燈

大抖宅小的時候(其實沒有很久以前,真心不騙),要說最受歡迎的熱血動畫,無敵鐵金剛大概必定會被提到[2]。每次看鐵金剛與機械獸對決,大抖宅都忍不住硬了(當然是拳頭),巴不得馬上化身主角跟惡勢力一決高下。當時雖不覺得奇怪,但現在仔細想想,就會發現動畫設定裡的玄妙之處。主角兜甲兒(舊譯:柯國隆)所在的光子力研究所(舊譯:原子光研究所),到底是在研究什麼?無敵鐵金剛的動力又是從何而來?機體上可沒接插頭,也沒看過電池。


〈無敵鐵金剛〉動畫裡的光子力研究所和無敵鐵金剛

一切的答案就是光子力!原作動畫設定裡,無敵鐵金剛的開發者(主角的祖父)在富士火山帶的地層發現了新元素Japonium[3],所謂的光子力即為「在Japonium核分裂的過程中所抽出的光能量[4]」。

問題來了,這可能嗎?為了一探究竟,我們必須先了解什麼是核分裂……

核分裂和核融合

顧名思義,核分裂指的是,原子核[5]藉由核反應[6]或放射性衰變[7]而分裂成其他較輕的原子核。因其過程往往伴隨能量的釋放,原子彈以及核能發電便是利用核分裂的原理,從中獲取巨大能量。

相反地,當兩個以上的原子核互相碰撞並結合成一新的原子核,我們稱為核融合;其亦連帶有能量的釋放或吸收。每天給予我們光和熱的太陽,就是利用核融合產生能量。

現代物理學已經知道,不論是核分裂、或核融合,背後都存在著共通的原則。尤其,弱作用力(又稱弱交互作用 weak interaction)和強作用力(又稱強交互作用 strong interaction)扮演著關鍵性的角色。

弱交互作用

舉例來說,太陽裡核融合反應的第一步,是利用兩個氫原子融合成氘原子[8],連帶產生正子、中微子,與少許能量。

兩個氫原子核(質子)融合成氘原子核(由一個質子和一個中子組成),並連帶產生正子(電子的反粒子)和中微子。(圖片來源:維基百科)

兩個氫原子核(質子)融合成氘原子核(由一個質子和一個中子組成),並連帶產生正子(電子的反粒子)和中微子。(圖片來源:維基百科)

根據示意圖,很明顯地,在融合成氘的過程中,有一個質子變成了中子,加上正子與中微子。這是怎麼做到的呢?

這有如萬能的天神一般神奇的力量,得要歸功於我們所謂的弱交互作用。在阿宅物理第三話,我們說明了質子由兩個上夸克加一個下夸克構成;中子則由一個上夸克加兩個下夸克組成。弱交互作用正好有辦法把上夸克變成下夸克,使得質子能夠轉換成中子。用前一回我們學過的費曼圖來表示,如下:

上夸克和W粒子作用後轉變為下夸克;W粒子又作用產生正子與電子中微子。也因此,前圖裡氫融合成氘才成為可能。

上夸克和W粒子作用後轉變為下夸克;W粒子又作用產生正子與電子中微子。也因此,前圖裡氫融合成氘才成為可能。

就像電磁作用依靠光子來傳遞,弱交互作用則仰賴W粒子(包括W+和W,其互為彼此的反粒子)作為媒介。藉由與W粒子作用,帶正電的夸克(上、魅、頂)可以和帶負電的夸克(下、奇、底)互相轉換(上圖左半邊);同時,W粒子也可以讓帶負電的輕子(電子、渺子、濤子)和相應的中微子互相轉換——上圖右半就是電子轉變成電子中微子的變形(如同巨人裡也有奇行種[9],you know)。所以了,第三話裡我們曾提到,電子和電子中微子是一對換帖的(換的帖就是W粒子)、上夸克也和下夸克配對,就是基於這個原因。

除此之外,還有電中性的Z粒子,也可以傳遞弱交互作用。不過,和W粒子的狀況不同:不論夸克或輕子,和Z粒子作用後都不會改變原本的特性。

W粒子與電子交互作用產生電子中微子的過程,也可以有另一種變形:W粒子單獨產生電子的反粒子(正子)和電子中微子。同樣的交互作用可以有不同的變化形式,如同巨人也有通常種和奇行種。(圖片來源:〈進擊的巨人〉)

W粒子與電子交互作用產生電子中微子的過程,也可以有另一種變形:W粒子單獨產生電子的反粒子(正子)和電子中微子。同樣的交互作用可以有不同的變化形式,如同巨人也有通常種和奇行種。(圖片來源:〈進擊的巨人〉)

強交互作用

現在我們已經知道兩個氫原子是如何透過弱交互作用轉變成一個氘原子了。但是等等!氘原子核包含了帶正電的質子與電中性的中子,憑什麼它們可以黏在一起形成原子核?又,更重的元素帶有兩個以上的質子,彼此之間豈不是會因為電磁力而互斥嗎?這樣的話,那些元素怎麼可能生成呢?

上述問題著實困擾了二十世紀30到40年代的科學家。唯一看透了真相的,是一個外表看似小孩,智慧卻過於常人的名偵探柯南。[10]日本物理學家湯川秀樹(Hideki Yukawa)。他認為,有一種新的粒子(命名為介子meson)作為力的媒介,把質子跟中子結合在一起。1947年,英國物理學家鮑威爾(Cecil Powell)從宇宙射線中觀測到湯川秀樹所預測的介子(π介子),湯川和鮑威爾也因此分別於1949年與1950年獲頒諾貝爾物理獎。

時至今日,我們發現,把夸克結合成中子、質子,以及把中子、質子結合成原子核,基本上都是靠同一種力在作用——我們命名為強力(或稱強交互作用strong interaction)。強交互作用由膠子(gluon)負責傳遞;能夠參與強交互作用的基本粒子,只有夸克跟膠子[11]。湯川秀樹所謂的介子,則是由一個夸克和一個反夸克藉著膠子而合成的;因為介子內部包含了夸克跟膠子,所以某種程度上也稍微有傳遞強力的功用。於是,我們將輕子、以及(由夸克組成的)重子歸為不同類別,是有所意義的——它們參與的作用不盡相同。

光子力能否實現?

在掌握了核融合和核分裂的原理後,想必各位有如吃了千年靈芝,功力大進。讓我們回過頭來看看光子力的謎題:既然光子力是「在Japonium核分裂的過程中所抽出的光能量」,顯然相當類似於核能發電的定位。然而,目前核能發電技術所使用的元素是鈾,不是什麼Japonium;再者,根據設定,產生光子力的過程並不會有輻射的問題——這也有別於現今的核能發電。

大抖宅至光子力研究所建築預定地考察。因為光子力尚未被發現,至今當地仍是一片樹海。

大抖宅至光子力研究所建築預定地考察。因為光子力尚未被發現,至今當地仍是一片樹海。

那麼,有沒有可能,有朝一日我們會發現新的元素,而且使用其做核能發電並不會產生輻射呢?

在動畫裡,Japonium是在富士火山帶所發現的新元素,說明它是相對穩定的,才能長時間存在於自然界。只不過,所有自然界中穩定存在的元素可說均已被發現,人類也不斷在實驗中製造出更重(但是更不穩定)的新元素。截至目前,並沒有符合Japonium特性的元素出現,就算以後還有新元素被合成出來,幾乎也不可能像動畫敘述的Japonium。

為什麼呢?

前面我們提到,強力可以讓中子跟質子結合形成原子核;它也可以克服質子之間的電磁斥力,讓原子核擁有兩個以上的質子——但這並不是沒有上限的。隨著質子數目的增加,原子核體內的怪物電磁斥力將愈變愈大、大到強力難以壓制,就像〈火影忍者〉裡漩渦鳴人控制不住九尾查克拉而暴走一般[12]。也因此,愈重(原子序愈大)的原子核傾向愈不穩定、生命週期愈短[13]。所以,我們只能在實驗室中製造出更重的新元素,而無法在自然界發現它們——要在富士火山帶、或者自然環境找到未知元素的機率可說微乎其微。

〈火影忍者〉主角漩渦鳴人身上九尾的封印式。(圖片來源:〈火影忍者〉漫畫)

〈火影忍者〉主角漩渦鳴人身上九尾的封印式。(圖片來源:〈火影忍者〉漫畫)

又,未來人類合成的新元素,是否可能拿來發電呢?恐怕也是行不通。既然愈重的元素傾向愈不穩定,那就表示它們不但難以製造,合成出來之後也會馬上衰變成較輕的元素,難以具備發電價值[14]。而且,因為這些重量級元素的結構使然,一般而言其核分裂產物都擁有放射性。未來發現的新元素,如果要像動畫中的Japonium:既可在自然界找到、又能拿來核能發電、且無輻射污染,除非其擁有某些驚異的特性,否則基本上是不可能的事情[15]。(果然大機器人還是遙不可及的夢想嗎?只能學EVA接插頭惹~[16]

跨步吧!勇敢的少女/少年們!

到此,我們已經了解電磁力、弱力和強力的基本特性,離駕馭原力又更往前邁進了一大步。然而,力的世界如此深邃、不容被輕易摸透。我們即將面對最大的挑戰,力的最後一塊拼圖就要被拼上。套用電玩的概念,就是要挑戰最終魔王了(請別問本抖宅有沒有隱藏Boss)。就讓我們休息片刻、存個紀錄,下一話齊全裝備後再做挑戰!

continue

參考資料:

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

註釋:

  • [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] 對〈無敵鐵金剛〉不熟悉的讀者,或許不妨找找比較近期的作品如〈無敵鐵金剛凱撒〉觀看。只要稍微看個十幾、二十分鐘,就能掌握到整部作品的主軸。
  • [3] 2004年,日本成功合成原子序為113的新元素,當時曾暫稱Japonium(後又稱Ununtrium),不過顯然性質和動畫設定裡的大不相同。
  • [4] 光子力研究所的弓教授(舊譯:余教授)在動畫第一話的解釋。
  • [5] 關於原子核,以及本篇諸多粒子名詞的基礎知識,請參照阿宅物理第三話。
  • [6] 核反應,乃是原子核與其他原子核或次原子粒子碰撞(交互作用),而產生不同(有別於原先)原子核的過程。
  • [7] 放射性衰變意指不穩定的原子核因放出輻射(包含次原子粒子或光子等等)而喪失能量的過程。
  • [8] 讀音ㄉㄠ。氫的同位素。
  • [9] 請參見漫畫〈進擊的巨人〉。
  • [10] 請參見漫畫〈名偵探柯南〉。
  • [11] 此單就現今已發現的粒子而言。又,因為強交互作用的一些特殊性質,物理學家借用了日常生活中三原色的概念,賦予夸克可以有紅、綠、藍三種不同的顏色;膠子則可以有八種不同的顏色組合——但這跟它們的實際顏色無關。有機會我們再另行深入介紹。
  • [12] 請參見漫畫〈火影忍者〉。
  • [13] 理論上,我們仍可能製造出相對穩定的超重元素,但因目前尚未成功,所以其穩定性也未知。有興趣的朋友可參考這裡
  • [14] 以註釋3提到的新元素來說,就算是最穩定的同位素,其半衰期也不過20秒。若要運用在發電上,不但必須製造出足夠的量,還得在其衰變前使用,相當地不容易。
  • [15] 不過,想要擁有比較安全、污染較低的核能發電,理論上並非不可能——相對於目前飽受爭議的核分裂發電技術,許多科學家正致力於發展核融合發電,其比核分裂發電要多上許多優點,但也更不容易實用化。詳細可參考〈給未來總統的能源課〉。
  • [16] 請參考動畫〈新世紀福音戰士〉。
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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!」