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尋找馬約拉納費米子:披著狼皮的羊,固態系統中的電子

科學月刊_96
・2017/09/06 ・3053字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 540 ・八年級

張泰榕/國立成功大學物理系助理教授|專長為理論凝態計算物理。研究興趣廣泛,包括各種拓樸材料、多鐵材料、低維度材料、磁性材料、過渡金屬氧化物、超導材料與半導體界面物理。

前些時日,以加州大學洛杉磯分校(University of California, Los Angeles,UCLA)王康隆教授為首的國際團隊在 Science 雜誌上發表了一篇與馬約拉納費米子(Majorana Fermion)相關的文章。頓時各大媒體爭相報導,各類新聞鋪天蓋地而來,彷彿物理界產生了歷史性的大發現,又開啟了一個新時代。

圖/BY 每日頭條

更甚者有報導提及,諾貝爾物理獎得主楊振寧教授斷言,這必獲「諾貝爾獎」,或「結束物理界對這神秘粒子長達80年追尋」等言論。雖然能讓大眾注意到物理圈內發生的事情讓人感到高興(畢竟多數人在國高中被物理荼毒太久了,已對它退避三舍),但這類被放大的標題還是有必要請大家靜下心來冷靜看待,畢竟物理還是相對嚴謹,自然是最終的答案。

為了能更客觀地看待這次在 Science 上的工作,在之後的段落中,筆者將概略介紹什麼是馬約拉納費米子,之後介紹固態系統中電子的特性,最後回到 Science 上的工作。筆者欲強調,為了盡可能讓各領域、各年齡層的讀者了解這次的發現,之後的介紹將忽略所有實驗與物理細節,以概念簡介為主,因此嚴謹方面難免無法兩全兼顧,有興趣想更深入了解的讀者們,可閱讀其他專業性文章。

馬約拉納費米子

馬約拉納費米子。圖/Alexey Drjahlov, CC-BY-SA

1928 年,物理學家狄拉克(Paul Dirac)建立了狄拉克方程式,成功整合了量子力學與狹義相對論,至此,自旋 1/2 費米子(Fermion)的行為都能以這條方程式來描述,例如大家熟悉的電子。狄拉克方程另一偉大之處在於預測了反粒子的存在,一個典型的例子是正電子,無論質量或自旋都與電子相同,卻帶有相反的電荷。

1937 年,義大利物理學家馬約拉納(Ettore Majorana)發現狄拉克方程式可以用其他形式改寫,此方程式(馬約拉納方程式)給出了一個完全異於狄拉克方程式的解。馬約拉納方程預言了一種全新的粒子,它的粒子本身即為自身的反粒子,稱為馬約拉納費米子(Majorana Fermion)。之後的 80 年間,一部分的高能物理學家一直嘗試著尋找這種奇異的基本粒子。這期間雖然出現幾位呼聲很高的候選人,例如微中子(Neutrino),但一直沒有觀測到決定性的證據。

固態系統中的電子行為

除了高能物理,回到較為實際的層面,與我們生活息息相關的不外乎各種材料(固態系統),例如半導體、金屬等。而構成材料本身即為電子、質子與中子。電子在其中扮演著至關重要的角色,無論電流傳輸,化學鍵結等行為都與電子脫不了關係。我們可以回到一個有趣的問題,為什麼電子如此簡單的基本粒子卻可以讓材料表現出如此多采多姿的特性?確實,如果電子存在完全真空中,那它的行為很簡單,容易預測。但真實材料中不只具有電子,還有材料內各種原子排列所形成的晶格(lattice),當電子與晶格發生交互作用時,就會產生很多令人意想不到的結果。

如果把真空中的電子比喻為在平地行走的人,那材料中的晶格就像是在地形上加上各種變化。例如當晶格效應像高山深谷一般,電子的移動就會受到阻礙而變慢,如果忽略晶格環境只看電子本身,好像電子「變重了」。反之如果晶格效應像一個瀑布,在上面移動的電子就能以超乎尋常的速度來傳輸電流,彷彿我們的電子元件不是在傳遞電子,而是傳遞某種超速粒子。

如果晶格效應像一個瀑布,在上面移動的電子就能以超乎尋常的速度來傳輸電流,彷彿我們的電子元件不是在傳遞電子,而是傳遞某種超速粒子。圖/BY vitieubao

由前述例子可以發現,同樣都是電子,但這些在固態系統中的電子所呈現出的物理性質可以異於一般的自由電子,它們就像是披著狼皮(環境下的電子)的羊(電子),好似我們找到了電子之外的某種新基本粒子[註一]。

UCLA 團隊在 Science上的工作

電子在材料中運動時,因與晶格產生交互作用,使得電子所表現出的整體行為完全異於真空中的自由電子。在量測其物理特性時,好似我們在觀察新粒子,不像是在量測電子。因此一部分的凝態物理學家就運用此特性,藉由晶格效應所提供額外自由度所產生的準粒子,嘗試在固態系統中實現高能物理中尚未找到的基本粒子[註二]。其中最著名的例子就是石墨烯(graphene)中的無質量狄拉克費米子(massless Dirac Fermion)與鉭化砷(TaAs)中的外爾費米子(Weyl Fermion)。而這次 UCLA 為首的國際團隊即是運用這種準粒子的觀念,嘗試在固態系統中實現馬約拉納費米子。

一部分的凝態物理學家就運用此特性,藉由晶格效應所提供額外自由度所產生的準粒子,嘗試在固態系統中實現高能物理中尚未找到的基本粒子,石墨烯即是一例。

尋找馬約拉納費米子不只在高能物理,甚至在凝態物理中都是一項重要的工作,它不但能幫助我們了解宇宙中的基本物理,更有機會提供未來在科技上的實際應用。例如馬約拉納費米子有機會用於穩定量子位元(quantum qubit),藉以實現量子計算與量子電腦。

固態中馬約拉納費米子的實驗觀測證據奠基在零偏壓電導峰(zero bias conductance peak)[註三]、半整數量子化電導(half-integer quantized conductance )以及最重要的非阿貝爾統計(non-abelian statistics)[註四]特性。UCLA團隊並不是第一個嘗試測量固態中馬約拉納費米子的實驗組,在此之前已有許多實驗團隊在不同系統中觀察到零偏壓電導峰的訊號,但因造成零偏壓電導峰的原因很多,單一證據並不能完全證實發現馬約拉納費米子。

UCLA 團隊最重要的貢獻在於他們是世界上第一個在超導體/反常量子霍爾絕緣體(一種可能具有馬約拉納費米子的候選材料)異質結構中觀測到半整數量子化電導訊號,且實驗結果與史丹佛大學張首晟教授團隊(Science的共同作者)先前的理論預測相符。前面有提過一般電子都有正反兩種粒子,但馬約拉納費米子本身就是自身的反粒子,因此等效來說馬約拉納費米子可以想像成「半個電子」。一個電子的量子化電導為,同理,半整數量子化電導則為觀測馬約拉納費米子的重要實驗證據。在排除各種誤差與雜訊後,因其他物理效應皆不易產生半整數量子化電導,因此這次的實驗證據比零偏壓電導峰更具有信服力,替證實馬約拉納費米子又邁進了一大步。

至此,物理學家們已經驗證了固態中馬約拉納費米子的兩個特性(零偏壓電導峰與半整數量子電導),之後如能證實系統中的準粒子遵守非阿貝爾統計,將成為證實馬約拉納費米子的重要證據。

註釋

  • ﹝註一﹞固態系統中的粒子依然是電子,並不是真正的高能基本粒子或新粒子,但當電子與材料晶格交互作用後所產生的整體行為卻表現出類似新粒子的特性,專業術語為準粒子(quasi-particle)。物理學家可以藉由研究準粒子的特性來模擬真實高能基本粒子的物理性質或開發新材料。
  • ﹝註二﹞之後所提及的粒子都是指準粒子,不是真正的基本粒子。
  • ﹝註三﹞零偏壓電導峰:測量外加偏壓對dI/dV(I=電流,V=電壓)的關係,可在偏壓等於零的位置測量到一個明顯的dI/dV峰值。
  • ﹝註四﹞非阿貝爾統計:不滿足交換率A×B≠B×A。兩個費米子(例如電子)交換波函數(wavefunction)會差一個負號,而兩任意子(anyon)交換波函數會差一個相位,又馬約拉納費米子為一種任意子,因此可以預期它的統計行為會和電子截然不同。

感謝鍾佳民博士、曾郁欽博士以及蘇書玄博士的討論與意見。


 

 

本文選自《科學月刊》2017 年 9月號

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入不惑之年還是可以當個科青

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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

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。

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。

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。

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。

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。

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:

「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)。

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

  1. Mars, K. (2022). About AMS-02. NASA. 
  2. Spry, J. (2021). A $2 billion particle detector stars in new Disney Plus docuseries “Among the Stars”: Q&A with principal investigator. Space.com. 
  3. AMS Collaboration, Aguilar, M. A., . . . Zuccon, P. (2021). The Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) on the international space station: Part II — Results from the first seven yearsPhysics Reports894, 1–116. 
  4. AMS Collaboration, Aguilar, M. A., . . . Zuccon, P. (2019). Towards Understanding the Origin of Cosmic-Ray PositronsPhysical Review Letters122(4). 
  5. Lindley, D. (2016). Landmarks—The Charming Debut of a New Quark. Physics. 
  6. SciShow. (2012). Strong Interaction: The Four Fundamental Forces of Physics #1a [Video]. YouTube. 
  7. Samuel C.C. Ting. MIT Physics. 
  8. Samuel C. C. Ting | The Alpha Magnetic Spectrometer Experiment. (n.d.). AMS-02.space.
  9. Samuel C.C. Ting Facts. (n.d.). NobelPrize.org. 
  10. Samuel C.C. Ting Nobel Lecture. (n.d.). NobelPrize.org. 
  11. 張忻郁(2021)。〈【丁肇中獲頒諾貝爾物理獎40週年專題】丁肇中院士介紹〉(張元翰編),《科學 Online》。
  12. 國立成功大學-數位演講網(2018)。〈20150813 丁肇中探索宇宙中的基本結構和宇宙的起源 [影片]〉,《YouTube》。
  13. 臺大科學教育發展中心 CASE(2016)。〈【大師演講】丁肇中院士獲頒諾貝爾物理學獎40週年:我所經歷的實驗物理 [影片]〉,《YouTube》。 
  14. 簡宗奇(2016)。〈談物理課中的典範敘述-丁肇中的實驗物理——《科學月刊》〉,《PanSci 泛科學》。
  15. 張瑞棋(2015)。〈發現「J 粒子」──丁肇中生日|科學史上的今天:1/27〉《PanSci 泛科學》。
  16. Musser, G.(2011)。〈反物質之眼〉(甘錫安譯),《科學人知識庫》。
  17. 郭雅欣(2011)。〈上太空找反物質〉,《科學人知識庫》。
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研之有物│中央研究院_96
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如果整個地球由質子構成,月球由電子構成,那會怎樣?——《如果這樣,會怎樣?2》
天下文化_96
・2023/04/26 ・2141字 ・閱讀時間約 4 分鐘

如果整個地球都由質子構成,而整個月球都由電子構成,那會怎樣?
——諾亞.威廉斯(Noah Williams)

質子地球,電子月球

這可能是我寫過最具破壞性的假設情境。

你可能會想像電子月球繞著質子地球運行,有點像是巨大的氫原子。某方面來說,這還有點道理;畢竟,電子繞著質子運行,而衛星繞著行星運行。事實上,原子的行星模型曾流行一時(不過,拿來解釋原子竟然不太管用)。

如果你把兩個電子放在一起,它們會想要分開。電子帶負電,而來自電荷的排斥力比將它們拉在一起的重力強了大約 20 個數量級。

如果你把 1052 個電子放在一起(構成月球),它們會劇烈的互相排斥,以致每個電子會被大到不可思議的能量推開。

事實證明,對諾亞假設的「質子地球和電子月球」情境來說,行星模型更是大錯特錯。月球不會繞著地球運行,因為它們根本沒有機會影響彼此;使兩者各自分別炸開的力量,會遠大於兩者之間的任何吸引力。

如果暫時忽略廣義相對論(等一下會回來談),我們可以算出,來自這些電子相互排斥的能量,足以使它們向外加速到接近光速。將粒子加速到那樣的速率並不少見;桌上型粒子加速器(例如映像管螢幕)可以將電子加速到光速的相當比例。

但是,諾亞月球的電子所攜帶的能量,會遠遠大於普通加速器中的電子所攜帶的能量。它們的能量會超過普朗克能量的數量級,普朗克能量本身則是比最大的加速器中,所能達到的能量又大了很多數量級。換句話說,諾亞的問題遠遠超出普通物理學的程度,帶我們進入到量子重力與弦理論之類的高等理論領域。

所以我聯繫了尼爾斯.波耳研究所(Niels Bohr Institute)的弦理論科學家基勒博士(Dr. Cindy Keeler),請教她關於諾亞的假設情境。

基勒博士同意,我們不應該信賴任何涉及「在每個電子中放這麼多能量」的計算,因為這遠遠超出加速器測試的能力範圍。「我不相信粒子能量超過普朗克尺度的任何事情,」她說。「我們實際觀測到的最大能量存在於宇宙射線中;我認為比大型強子對撞機大了差不多 106,但還是離普朗克能量很遠。身為弦理論科學家,我很想說會發生什麼關於弦理論的事情——但說老實話,我們也不知道。」

幸好,故事還沒結束。還記得我們先前決定忽略廣義相對論嗎?嗯,這是「帶入廣義相對論反而使問題更容易解決」的罕見情況之一。

在這種情境下,存在巨大的位能——使所有這些電子遠離彼此的能量。這樣的能量會扭曲空間和時間,和質量一樣。結果證明,電子月球中的能量大約等於整個可見宇宙的質量與能量總和。

相當於整個宇宙的質能集中在(相對較小的)月球的空間裡,會使時空強烈扭曲,甚至會比那 1052 個電子的排斥力還要強。

基勒博士斷言:「沒錯,黑洞。」但這可不是普通的黑洞,而是帶有大量電荷的黑洞。為此,你需要一組不同的方程式——不是標準的史瓦西(Schwarzschild)方程式,而是萊斯納—諾德斯特洛姆(Reissner-Nordström)方程式。

萊斯納—諾德斯特洛姆方程式比較了向外的電荷作用力和向內的重力之間的平衡。如果來自電荷的向外推力夠大,黑洞周圍的事件視界可能會完全消失。那樣會留下密度無限大的物體,光可以從中逸出——這就是所謂的裸奇點(naked singularity)。

一旦有了裸奇點,物理學就會開始分崩離析。

量子力學和廣義相對論給出荒謬的答案,甚至是不同的荒謬答案。有人認為,物理定律根本不容許出現這種情況。正如基勒博士所言,「沒有人喜歡裸奇點。」

以電子月球的例子來說,來自所有這些電子互相排斥的能量會非常大,以致重力會獲勝,而奇點會形成正常的黑洞。至少,某方面來說是「正常的」;它會是和可觀測宇宙一樣大的黑洞。這個黑洞會導致宇宙塌縮嗎?很難說。答案取決於暗能量是怎麼回事,沒有人知道暗能量是怎麼回事。

但就目前而言,至少附近的星系是安全的。由於黑洞的重力影響只能以光速向外擴展,因此我們周圍的大部分宇宙仍會天下太平,對我們荒謬的電子實驗毫不知情。

——本文摘自《如果這樣,會怎樣?2:千奇百怪的問題 嚴肅精確的回答》,2023 年 3 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

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天下文化_96
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缺乏火燒痕跡,也能判斷遠古人類已知用火?
寒波_96
・2023/01/11 ・3336字 ・閱讀時間約 6 分鐘

人類最早在什麼時候用火?這個問題非常難以回答。經過很久很久以後,火燒的痕跡不見得還會留下,分辨天然起火或人為生火也不容易。2022 年發表的兩篇論文採用不同分析辦法,判斷約 80 萬年前的以色列人已知用火。

🔥沒有痕跡,也能得知曾經炙熱

常理想來,物品被火燒過的痕跡應該很明顯。但是考古學、古人類學研究的對象距今幾千年起跳,甚至超過一百萬年,那麼久以前的火燒如今還能被分辨嗎?最近問世的兩項研究,順利突破此一難題。

一項研究採用的方法是「拉曼光譜」(Raman spectroscopy)。最最最基礎的原理是,材料被火高溫加熱過後,內部分子層級的排列會發生改變,即使外觀完全沒有變化,也有機會透過拉曼光譜分辨。

拉曼光譜考察的材料來自以色列的 Evron 採石場遺址,這兒出土一批石器與動物骨頭,估計年代為距今 80 到 100 萬年前。光看外觀,毫無被火燒過的跡象,但是分析後得知,有些燧石製作的石器曾經被加熱到超過 400 度,遺址中其他石頭卻沒有。動物骨頭方面,有一件象牙被加熱過。

遺址內沒有或有被火燒過的樣本,顏色、大小、形狀都沒有任何差異。按照以前的分析方法,我們會誤以為該群古早人不曾與火打過交道,這兒拉曼光譜的價值顯而易見。

光看石頭外觀,當年是否被火燒過,完全沒有差異。圖/參考資料 1

這篇論文的作者認為,以色列距今 80 到 100 萬年前的古早人已經懂得用火,他們有能力控制火源,長期小規模燃燒。更重要的是,這項研究證實,即使遺址乍看缺乏用火的痕跡,也可能只是舊的分析辦法看不出來,實際上用火未必那麼罕見。

🔥已知用火,不過做什麼用?

然而,當時的人類真的已經有意識控火,也就是已知用火嗎?光看這項研究的證據,其實有些疑慮。用火有目的,遺址環境是開放的空地,生火可能有煮食、取暖、威嚇掠食者等意圖,最容易判斷的應該是煮食。

被人類放在火上燒的動物性食物,骨頭應該也被加熱過,可是這項研究分析的動物骨頭卻只有一件象牙被火燒過,而象牙並非食物。除非是被加熱的動物骨頭沒有保留至今,否則實在難以想像,已知用火的古人類不會順便烹飪。

也許有讀者好奇,石頭不能吃,石器為什麼會被火燒呢?火是能改變物質狀態的能量,數萬年前的人類,有一種用火加熱修飾石器的技術;但是這種製作石器的手法相當先進,超過 80 萬年的古早人應該還沒這麼機智。更有可能是用過丟掉的石器(和象牙),在火堆旁順便被燒到,而非有意為之。

光是 Evron 採石場遺址的紀錄,天然起火也有機會產生一樣的結果。那個年代的古早人真的已知用火嗎?所幸幾個月後發表的另一篇論文打消我的疑慮,因為這項研究找到煮食的證據!

Evron 採石場遺址。圖/參考資料 3

🔥水深火熱的鯉魚

另一篇論文的分析方法是「X光繞射」(X-ray powder diffraction,簡稱 XRD),一如拉曼光譜,它能探索加熱過後物體內部的晶格變化,估計曾經升溫到幾度。

考察材料來自以色列的 Gesher Benot Ya’aqov(簡稱 GBY)遺址,這兒古時候是 Hula 湖的湖畔,有不少古代生態的記錄,出土阿舍利石器等人造物,也證實古人類曾在此生活。

GBY 遺址距今 78 萬年的地層中,出土許多魚的骨頭,超過 4.3 萬件,約有 4 萬件可以歸類,大部分屬於鯉科(carp,學名 Cyprinidae)、塘虱(catfish,學名 Clariidae)、慈鯛科(Tilapiini,學名 Cichlidae),都是淡水魚。

死魚骨頭不見得是人為造成,也可能是自然死亡沉積所致。另一處 Kinneret 古湖遺址也出土很多魚骨,兩處的化石組成卻截然不同。Kinneret 超過 99% 是魚骨,GBY 遺址則有超過 95% 是咽頭齒(pharyngeal teeth)

GBY 遺址出土的魚類遺骸,不只部位和天然遺存不一樣,也大量出現 2 種鯉魚:Luciobarbus longiceps 以及 Carasobarbus canis,都是口味適合人類食用的款式。由此推論,至少一些魚牙化石來自人類吃剩的大餐。

研究者先用現代魚牙測試,紀錄不同溫度燒過後,珐瑯質的晶格改變。接著再分析化石牙齒,對照估計化石當年經歷過多高的溫度。

結果判斷有些魚牙曾經被火燒過,多數未滿 500 度;這差不多就是露天生火的正常溫度,也足以將魚煮熟。由此推論,78 萬年前的以色列人或許已經配備火塘,會捕魚再煮熟來吃。

火烤就是美味?距今 78 萬年前的 Hula 湖畔,想像圖。圖/參考資料 5

🔥認識人類用火歷史的新方向

和稍早問世的論文一同考慮,僅管 78 萬年前的火烤魚稍遲一些,卻強烈佐證早於 80 萬年前的以色列人已知用火,因為用火煮魚顯然是有意識的控火行為,假設同一地區更早幾萬年的人群也具備類似技能,十分合理。最早生火煮食的年代,想來不只 78 萬年。

如今智人獨存,過往「人類」則有許多成員,距今 78 到 100 萬年前,已知用火的以色列古早人是什麼人呢?這題缺乏直接證據。可能是直立人,也可能是很初期的海德堡人(或波多人)。直立人起源於 200 萬年前的非洲,後來分佈廣泛又十分多變,海德堡人算是直立人的衍生型號;如果真是直立人已知用火,那麼可謂是機智的直立人。

何時已知用火依然是不容易回答的問題,根據現有資訊,距今 40 萬年前過後用火變得普及,距離遙遠的許多遺址,相對短期內出現用火的紀錄,有學者懷疑涉及文化與知識的傳播。

然而,新研究告訴我們,生火不見得會留下痕跡,也許早於 40 萬年前已有不少地方的人懂得用火,可是缺乏紀錄。還有可能 40 萬年內使用火源的人類,比已知還要更多。不論如何,2022 年發表的兩篇論文,預示了新的探討方向。

延伸閱讀

參考資料

  1. Stepka, Z., Azuri, I., Horwitz, L. K., Chazan, M., & Natalio, F. (2022). Hidden signatures of early fire at Evron Quarry (1.0 to 0.8 Mya). Proceedings of the National Academy of Sciences, 119(25), e2123439119.
  2. Evidence of fire use at ancient campsite in Israel
  3. Artificial intelligence may have unearthed one of the world’s oldest campfires
  4. Zohar, I., Alperson-Afil, N., Goren-Inbar, N., Prévost, M., Tütken, T., Sisma-Ventura, G., … & Najorka, J. (2022). Evidence for the cooking of fish 780,000 years ago at Gesher Benot Ya’aqov, Israel. Nature Ecology & Evolution, 1-13.
  5. Oldest evidence of the controlled use of fire to cook food
  6. MacDonald, K., Scherjon, F., van Veen, E., Vaesen, K., & Roebroeks, W. (2021). Middle Pleistocene fire use: The first signal of widespread cultural diffusion in human evolution. Proceedings of the National Academy of Sciences, 118(31), e2101108118.
  7. Widespread cultural diffusion of knowledge started 400 thousand years ago

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寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。