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談物理課中的典範敘述-丁肇中的實驗物理——《科學月刊》

簡宗奇/桃園市立南崁高中物理科教師。

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1976 年諾貝爾物理獎得主丁肇中博士。 Source: wikipedia

能給電子一個大小嗎?

電子之為物,微乎其微;電子之小也難以詞敘,但其影響力能造就如此繽紛多彩的3C 產業,影響現代人類生活至深且鉅。不過當學生一問:「電子既然是基本粒子,那它有體積嗎?」「如果有體積,那半徑是多少?」倒還真的不容易回答;這是大哉之問,不管是看成是科學式或是哲學式的命題,要提出中肯而完整的答覆是有相當難度。我通常會以華裔諾貝爾物理獎得主丁肇中教授過去在這方面的實驗研究為例回應,並簡述一段粒子物理發展的歷程與故事。

丁肇中是來自臺灣在國際發光的實驗物理巨擘,近半世紀以來的成就已為學界崇高典範,同為華人都能深感光榮。從他身上可見其鮮明的人格特質,其堅毅卓絕的精神與窮究物理的睿智,更值得我們嚮往與學習。

1947 年間,由費曼、薛文格與朝永振一郎建立的量子電動力學主張電子是沒有體積的點狀粒子。但是在1964 年,美國哈佛大學與康乃爾大學的專家實驗結果否定了此一說法,他們利用高能光束照射電子的研究發現電子是有半徑的,且在10-13 至10-14 公分之間。

對此一理論與實驗的衝突,丁肇中在1966 年用德國電子同步加速中心的機器以不同方法重做了此一實驗,最後證明電子的半徑小到不可量度,量子電動力學(QED)還是對的。30 年之後,他又利用歐洲共同核子研究所的LEP 加速器進行相同的實驗,靈敏度再提升了3 個數量級後結論依然不變:電子沒有體積,QED 正確無誤。

丁肇中藉此給了我們一個體會,這也是科學家應有的懷疑態度,不畏懼挑戰權威,永遠要保持獨立思考,「不要盲從專家的結論。」

在不疑處有疑

接著丁肇中就質疑,「同樣是基本粒子的夸克就只有三種嗎?」雖然當時以三種夸克的論點就已能解釋看到的所有現象;如要找尋新夸克,需要靈敏度更高的探測器,學界多半認為不可能也沒必要,因此他提出的計畫未受青睞、飽經挫折;經過多年的努力之後,才在美國布魯克海汶國家實驗室的AGS 加速器進行這項實驗計畫。這項實驗科技突破以往,其靈敏度高達百億分之一;他比喻,「如同在一座下雨的城市裡,每秒鐘有一百億個雨滴,其中只有一個是紅色的,而你要把它找出來」,可見其超高難度。

丁肇中相信自己的物理直覺,毫不膽怯地迎接挑戰,終於在1974 年間發現了由全新夸克組成的J 粒子;這項創舉證明了三種夸克論點是錯的,並且這種質量大、壽命長的同族粒子也都陸續現身;他因此獲得1976 年諾貝爾物理獎;而他在諾貝爾獎頒獎典禮中,突破慣例以中文演說的事蹟更是一段佳話。

他以此為例鼓勵後進:「永遠對自己充滿信心,做自己認為是正確的事。」這是丁肇中給我們的第二種體會;科研工作一樣有險阻,自信心與智慧是勇往直前的動能。

「全力以赴,準備接受驚奇」

布魯克海汶國家實驗室的AGS 曾是在1950、60 年代最大的加速器,研究團隊曾經為了研究π 介子與質子的交互作用時,意外地發現2 種微中子與CP 對稱破缺;在70 年代規模最大的費米國家實驗室曾經為了探究微中子物理,結果發現的是第5 種、第6 種夸克;史丹福直線加速中心也曾經為了實驗檢證量子電動力學,結果也是出乎意表地找出了「部分子」、「τ 輕子」與「ψ 粒子」。

70 年代末期,丁肇中在德國電子與正電子對撞實驗室裡本來是要研究第6 種夸克的,最後意外地在偵測器中發現了新的粒子射流,後來他們稱之為「膠子」,這是傳遞強作用力的媒介物質,在量子色動力學(QCD)裡舉足輕重,其重要性自不待言。而這段研究歷程賦予了我們第三種體會:「對於意料之外的現象要有充分準備。 」丁肇中治學嚴謹,有精準的物理直覺,能掌握現象脈絡、洞察機先,也是這項偉大發現的重要關鍵。

接著在1980 年代,丁肇中持續在高能物理與基本粒子的領域發光發熱,領導並主持近20 個國家、600 多名科學家的大型國際合作計畫在歐洲共同核子研究所的LEP 中進行;其以高能的電子與正電子對撞後製造宇宙創生的能量狀態,試圖藉此追索真理的閃耀火光。其多項實驗結果確立了三代的基本粒子家族,確認電子與夸克是沒有內在結構、沒有體積的基本粒子,並且對標準模型的論證做出許多重要的貢獻。

丁肇中在實驗物理方面的重要貢獻

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實驗力爭造物功

丁肇中在90 年代開始投入找尋反物質與暗物質的「國際太空反物質探索計畫──AMS 實驗(Alpha Magnetic Spectrometer)」。這項計畫是將人造的磁質譜儀送上太空用以偵測反物質與暗物質。前驅性計畫的AMS-01在1998 年由發現號太空梭載至太空進行了10 天實驗;AMS-02 則在2011 年由奮進號太空梭送上國際太空站,固定在太空站上執行長時間的偵測任務,是世界迄今唯一獲准在國際太空站進行的大型科學計畫。

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探索宇宙反物質與暗物質的磁質譜儀AMS-02。 Source: AMS-02

AMS-02 由16 個國家、60 多所大學、600 多位科學家合同運作,臺灣包括中研院、中科院、中央大學、成功大學與國家太空中心都參與設計製造、校正觀測儀器與數據分析的任務。AMS-02 四年來蒐集的數據顯示在暗物質的闃黑當中已乍現曙光,其最新繪出的數據分布趨勢與暗物質理論模型的前半段極為相似,後續的研究發展可見樂觀與信心。他給我們的第四個體會是「要實現你的目標,最重要的是要有好奇心;要對自己正在做的事感興趣,而且要勤奮地工作。」

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搭載AMS-02 的國際太空站。 Source: NASA

丁肇中縱橫物理世界數十年,他時以親歷的這四個科學實驗串起自己作為實驗物理學家的生涯;至今,他仍未休止,他壯行真理千山,實驗力爭造物功,仍在物理探索的最前沿奮進不懈;他鼓勵年輕人如果有志投身科學研究,要刻苦工作、不怕艱辛,應該打開眼界對科學發展的方向有明確的認識。

述說典範也是教學

「故事敘述」是後現代行政哲學裡,組織互動溝通與建立心智模式的行動策略之一,透過故事敘述的歷程可為促進系統思考、型塑共同願景與履行達成目標;此施之於教學亦然。科學史則是科學課程故事敘述的主要文本,必要時可以適時激發學生學習興趣,營造物理課堂的情意氛圍,啟動熱誠的學習行為,並且引人入勝。

高中物理教科書鮮少提及華人的貢獻,主要是因為課程單元相關性之故,不過以其長年來在實驗物理的各項偉大成就來說,丁肇中仍然值得大書特書的。「真理隱乎幽微,而慧智窮究之」;我想這是仰止大師「雖不能至,而心嚮往之」的最佳寫照了!

述說一個科學歷程或故事,詮釋一個科學概念,融入一種情意教育,試著與人性良善特質兼容並蓄,讓物理往情性感知的一隅靠攏,使生硬的科學課程擁有勵志的元素,如此一來也許會更有意義;有人說這也是一種教育美學。

2016-02-cover〈本文選自《科學月刊》2016年2月號〉

延伸閱讀:

親身體驗史上最大物理實驗—CERN OPENDAYS
研究基本粒子的理論學家—中央大學物理學系蔣正偉教授專訪

什麼?!你還不知道《科學月刊》,我們46歲囉!
入不惑之年還是可以
當個科青

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