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使用縮小燈一定有風險,申購「縮小人生」前應詳閱公開說明書!

余海峯 David
・2017/10/26 ・2198字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 549 ・八年級

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上回我們討論了虐待寶可夢的寶貝球,這次就暫且先不用打電話報案,我們來討論一下把動物縮小的物理學吧。

source:哆啦A夢2014年電影產品宣傳照

除了寶貝球這種殘忍的道具之外,哆啦 A 夢就顯得溫柔許多,他有兩個比較溫和的道具能夠把物件縮小,分別是縮小燈和縮小隧道。任何物件只要穿過縮小隧道都會變小,而被縮小燈照到的任何東西除了會被變小也能被變大,是比縮小隧道方便得多的法寶。

許多模型並非物件縮小版本

各種生活中的縮小模型,圖/by rosaschaf@pixabay。

很多模型都只能夠觀賞,缺乏實際功能。即使火車模型能夠在模型路軌上行駛,其各部件的運作方式亦與真實火車不同。再者,製造模型的物料亦不會跟實物相同。

所以,其實我們平常在模型店買得到的模型,絕大部分都不是「物件的縮小版本」,而是「以某比例表現物件外觀的製品」。當然,這認知絲毫沒有減低我購買鋼彈模型的意欲。

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當然如果可以是 1:1 的模型就更好了。source:Pixabay

很明顯地,這些能夠縮小物件甚至生物的道具,並不會把物質的組合成份改變,否則生物就活不了。如果縮小後物體的構成不改變的話,有兩個可能性。第一個可能是所有粒子都縮小了。這可能嗎?

縮小粒子意味改變物理定律?

宇宙中的粒子,圖/by LiNCH_Pix@pixabay。

物理學家發現,宇宙間的粒子存在著規律。他們發現除了構成所有化學元素的原子之外,還存在著非常多種粒子。起初,物理學家非常興奮,可是隨著更多新粒子不斷被發現,他們就面對了一個難題:為什麼會有這麼多種有著不同性質的粒子?

不過,當理論粒子物理學家結合量子力學和群論(group theory),一種研究數學「物件」的集合間的規律的數學分支,就發現原來存在於宇宙中的一切粒子都遵守著同一個規律。他們叫這規律做物質的標準模型(standard model)。

原來,根據標準模型,所有粒子都是「點」,即是沒有大小的!那為何物質會有著非零的尺寸?答案就在粒子之間的力。

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國際太空站的太空人在失重環境,圖/by International Space Station Imagery@wikipedia commons

宇宙間的四種力,由強到弱分別為強核力、電磁力、弱核力、重力。四種力不單有著不同的大小,其影響範圍都不盡相同。因此,兩個粒子只有在某距離之內,才會感受到顯著的力。這個範圍就可說是該粒子的尺寸。亦因此,「尺寸」其實並非粒子的基本性質,而且以各種力所定義的尺寸都會有所不同。

因此,如果要改變構成宇宙萬物的基本粒子的大小,就必須先把這個宇宙的物理定律全部改寫。同理,亦不可能在不改變物理定律的情況下把粒子放大。縮小燈和縮小隧道只會縮小特定物件,看來並沒有改變物理定律吧?

能把人縮小的都是極危險道具?

所以,我只能假設這些道理實際上是以第二個可能性:減少物件的構成粒子數量來實現縮小吧。所以我們可以問,構成一個物件的原子數量有下限嗎?

答案是肯定的,一個原子就只能是一個原子,我們不可能只用一個原子就組合成各種東西吧。不過,現代科技的確發展到能把某些工具縮小至非常小的尺寸。早期提出這個構想的其中一位科學家,就是著名物理學家理查.費曼(Richard Feynman)。

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理查.費曼(Richard Feynman),圖/ by wikipedia commons

當年,費曼曾經提供獎金給造出微型馬達的人,條件是該馬達能夠在顯微鏡下正常運轉。出乎他意料之外,很快就有人成功拿走獎金。今天,科學家和工程師們已經造出比人體細胞更小的電動馬達,能夠以壓電效應產生電力。科學家希望在不久的將來,這種馬達能夠幫助醫生把藥物準確地運送到特定細胞裡。

不過,微型馬達與一般馬達的構造完全不同。說到如何能夠以最少數量的原子製造出同一構造的物件的微縮版本,很大程度取決於該物件的複雜性。明顯地,一台汽車引擎比一本書更為複雜,所以我們可以合理地想像,同樣構造的一本書能夠比同樣構造的一台引擎縮得更小。

source:截自《縮小人生》預告片

那麼,人體又如何?生命有著非常複雜的構造,特別是我們的眼睛和腦袋。其中腦袋的神經元更多達千億,它們之間可能的連接方式數量比宇宙中的粒子數量更多。所以,如果把人以減少粒子的方法慢慢縮小,我想不用縮得太小,腦功能早就完蛋了。

這些道具輕則能把人變傻,重則能使人完全喪失腦功能,嚴重危害健康,各位務必放在孩童不能觸及之處啊。

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而即將在 2018 年上映的電影《縮小人生》的概念與哆啦 A 夢的縮小燈和縮小隧道非常相似,不過就這樣看預告片段,會發現一件有趣的事情:縮小了的人類除了身體縮小了外,其他一切生活都顯得非常正常,感受到的物理定律沒有絲毫改變!這是可能的嗎?例如,會不會只是一點點風就像刮超級颱風?縮小後還能如常喝水喝伏特卡嗎?敬請期待我明年將為泛科學寫的《縮小人生》電影物理解構!

文章難易度
余海峯 David
18 篇文章 ・ 22 位粉絲
天體物理學家。工作包括科研、教學和科學普及。德國馬克斯・普朗克地外物理研究所博士畢業。現任香港大學理學院助理講師。現為《立場科哲》科學顧問、《物理雙月刊》副總編輯及專欄作者、《泛科學》專欄作者。合著有《星海璇璣》。

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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

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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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PanSci_96
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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

  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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希格斯玻色子發現十週年
PanSci_96
・2023/03/27 ・7603字 ・閱讀時間約 15 分鐘

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作者︱黎偉健

2012 年 7 月 4 日,位於歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機(Large Hadron  Collider(LHC))的 ATLAS 和 CMS 實驗團隊宣佈了希格斯玻色子的發現,轟動了整個物理學界。提出希格斯玻色子的希格斯(P. Higgs)、恩格勒(F. Englert)和布勞特(R. Brout)迅速在翌年獲頒諾貝爾物理學獎。

在粒子物理的標準模型裡,希格斯玻色子關係到基本粒子質量的來源,具有重大意義。此外,由於希格斯玻色子很可能與一些未知的物理有關,以後對該粒子的進一步研究很可能有助解開現今物理學的一些謎團。藉著希格斯玻色子發現十週年,讓我們回顧一下希格斯玻色子的研究在過去十年的進展,並前瞻未來對它的更深入探測與其蘊含的意義。

粒子物理標準模型

現代物理學的一項輝煌成就,是認識到物質皆由基本粒子(elementary particle)組成,而一切已知的物理現象可歸結為基本粒子之間基本交互作用(fundamental interaction)的結果。例如水,它由水分子組成,而水分子由氫原子和氧原子組成;原子則由電子和原子核組成,而原子核由質子和中子組成;質子和中子則由夸克組成。

從此可見,電子和夸克組成了我們日常接觸到的所有物質。它們是「基本」粒子,因為至今物理學家並未發現到它們有內在結構。基於夸克之間存在強交互作用,夸克能組成質子和中子,質子和中子能組成原子核;基於電子和夸克之間存在電磁交互作用,電子和原子核能組成原子,原子能組成分子。

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基本交互作用有四種:重力交互作用(gravitational interaction)、電磁交互作用(electromagnetic  interaction)、強交互作用(strong interaction)和弱交互作用(weak interaction)。重力交互作用即萬有引力,它主宰著如星體的形成及運行等天文尺度的物理現象,由廣義相對論描述【註 1】;電磁交互作用、強交互作用和弱交互作用主宰著微觀世界的物理現象,由粒子物理的標準模型(Standard Model)描述。

圖一:標準模型中的基本粒子。

圖一列出了標準模型中的基本粒子,它們分為三類:費米子(fermion)、規範玻色子(gauge boson)和希格斯玻色子(Higgs boson)。費米子分為兩種:夸克(quark)和輕子(lepton),有三個世代(圖一中左邊的首三列)。第一世代的費米子為最常見,上夸克、下夸克和電子組成了原子,從而組成了我們日常接觸到的物質。規範玻色子是傳遞基本交互作用的粒子,其中光子傳遞電磁交互作用,W Z 玻色子傳遞弱交互作用,膠子傳遞強交互作用。希格斯玻色子是希格斯場(Higgs field)的激發。希格斯場與其他粒子的交互作用使得這些粒子具有質量,而希格斯玻色子會與帶有質量的基本粒子發生直接交互作用。

圖二:基本粒子的交互作用。

圖二顯示了標準模型中基本粒子的直接交互作用情況,其中藍線兩端的粒子會發生直接交互作用。例如光子(γ)和電子(e),它們之間有一藍線連接,即具有直接交互作用。粒子之間的交互作用可以形像地用費曼圖(Feynman diagram)表示。例如電子和電子之間的靜電排斥現象,可看作散射過程 eeee,其費曼圖如圖三,其中縱向代表空間,横向代表時間,時間流逝方向從左到右,左端為初態,右端為終態,實綫代表電子,波浪綫代表光子,而綫的交點(稱為頂點(vertex),圖中有兩個)代表電子和光子之間的直接交互作用。直接交互作用顯示為一頂點,即交互作用發生在某時空點上。

圖三:以費曼圖表示電子之間的靜電排斥現象。

根據圖三的圖像,我們可以把電子和電子之間的遙距靜電排斥現象理解為一顆電子釋放出一顆光子,然後該顆光子被另一顆電子吸收,從中光子把能量和動量從一顆電子攜帶到另一顆電子,因此我們說光子傳遞電磁交互作用;這好比兩個籃球員在傳球,籃球員是電子,籃球是光子,而籃球員在拋球和接球時之所以感受到對籃球施了力,正是因為籃球傳遞了動量。

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從這角度看,世上並沒有遙距的力,一切基本交互作用都發生在某時空點上,即費曼圖中的頂點。這種交互作用的局域性(locality)是現代粒子物理學的特點,它是狹義相對論和量子力學結合——量子場論——的結果。類似地,圖二中的每條藍線都有對應的費曼圖頂點。

希格斯場與希格斯玻色子

根據量子場論,粒子是場的激發。這就是為什麼每顆電子都相同,因為它們都是同一個場——電子場——的激發。在量子場論中,真空被定義為能量最低的態。對於一般的場,它的值在真空中為零。例如,由於電磁場由光子組成,帶正能量,因此電磁場非零的態能量必定比電磁場為零的態高,所以真空中電磁場必為零。希格斯場則不同,它在真空中的值由一個勢能函數取極小值決定,該勢能函數對希格斯場 ϕ 的依賴形式如圖四中的紅線。

圖四:勢能函數 V(ϕ)對希格斯場 ϕ 的依賴形式,黑色粗體的區段是我們目前能觀測到的,紅線為標準模型的預言,藍線是某個其他模型的預言。(本圖出自參考文獻1)

從圖四可見,勢能在希格斯場為一非零值時取最小值,即希格斯場的真空期望值(vacuum expectation value(vev))為非零【註 2】。也就是說,真空中充滿著希格斯場,而任何粒子在任何地方任何時間原則上都有可能與其發生交互作用。

在標準模型裡,只有特定幾種粒子能與希格斯場發生交互作用。這些粒子包括夸克、帶電輕子(e, μ,τ)以及 W Z 玻色子。這些粒子因為與真空中的希格斯場發生交互作用,從而獲得質量。對於這些粒子,它們與希格斯場的耦合強度與它們自身的質量成正比。所謂的希格斯玻色子,其實就是希格斯場在其真空值背景上的激發。

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因此,只有帶質量的粒子才能與希格斯玻色子發生直接交互作用(如圖二中與希格斯玻色子有藍線連結的粒子),而這些粒子與希格斯玻色子的耦合強度也正比於他們自身的質量【註 3】。值得注意的是,希格斯玻色子能與自身發生直接交互作用(見圖二)。

基本粒子的質量直接影響著宇宙中物質存在的形式。例如,我們知道,上夸克比下夸克輕,而質子由兩顆上夸克和一顆下夸克組成,中子則由一顆上夸克和兩顆下夸克組成【註 4】,因此質子比中子輕,從而質子是穩定粒子,這使得氫原子的組成變成可能。如果下夸克比上夸克輕,那麼質子會衰變成中子,即氫原子不穩定,宇宙便不可以如已知的含大量氫。又例如,原子的大小與電子的質量成反比,而原子的能階與電子的質量成正比,因此電子的質量直接影響著物質的化學特性。再例如,太陽中心核反應的其中一環取決於弱交互作用,其發生的機率正比於 1/mw4,其中 mwW 玻色子的質量。可見,希格斯場作為基本粒子質量之源,對物質的存在形式扮演著決定性角色。 

希格斯玻色子於 2012 年在位於歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機(LHC)中被發現,是標準模型中最後一顆被發現的基本粒子。

對希格斯玻色子的最新認識

我們對希格斯玻色子的認識源自大型強子對撞機(LHC)的實驗數據。在 LHC 中,兩束質子互相對撞,質子裡的夸克或膠子會發生散射,有可能從中產生希格斯玻色子。由於希格斯坡色子的壽命很短,只有约 10  -22 s 秒,被產生的希格斯玻色子在到達粒子探測器前已衰變成較穩定的粒子。

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圖五 a:LHC 中產生希格斯玻色子的典型過程費曼圖 (本圖出自參考文獻1)

圖五 a 顯示了一個 LHC 中產生希格斯玻色子的典型過程的費曼圖。該過程的初態是兩顆來自質子的膠子(gluon),這兩顆膠子互相碰撞,產生了一對正反頂夸克,而由於頂夸克質量很大,從而與希格斯玻色子的耦合也很大,因而很有可能產生一顆希格斯玻色子,而該顆希格斯玻色子稍後衰變成兩顆 Z 玻色子,而這兩顆 Z 玻色子又各自衰變成一對正反帶電輕子(e+eμ+μ),粒子探測器會探測到終態的四顆帶電輕子。

圖五 b:實驗中探測到的四顆帶電輕子的質心系總能量 m4l 分佈。(本圖出自參考文獻1)

圖五 b 顯示了實驗中探測到的四顆帶電輕子的質心系總能量 m4l 分佈。藍色的部分顯示了非希格斯玻色子產生過程的供獻,而紅色部分即為產生希格斯玻色子所致,其峰位於希格斯玻色子的質量(125 GeV)。 

當然,在 LHC 中,希格斯玻色子的產生和衰變不是只有如圖五 a 的過程,所有可能的產生和衰變過程的費曼圖如圖六。

圖六:希格斯玻色子在LHC實驗中的產生和衰變過程。 (本圖出自參考文獻 3)

在圖六中,(a)至(f)是產生一顆希格斯玻色子的過程,(g)至(j)是希格斯玻色子的衰變模式,(k)至 (o)是產生兩顆希格斯玻色子的過程。在這些圖中,粒子的記號如圖一,而 q 代表夸克,V 代表 W 或 Z,f 則代表質量非零的費米子,粒子 X 與希格斯玻色子的歸一化耦合強度記為 κX【註 5】(標準模型對應 κ=1)。值得注意的是,希格斯玻色子可以透過因量子漲落而產生的粒子迴圈與質量為零的膠子和光子發生間接交互作用(見圖六(a)、(i)和 (j))。產生過程(a)至(d)以及衰變過程(g)至(j)都已被實驗證實。我們可以從這些眾多的過程所獲得的數據推斷出粒子與希格斯玻色子的歸一化耦合強度 κ

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圖七 a:從實驗數據中得到的 κ 值,紅色直線代表標準模型的預測值。(本圖出自參考文獻2)

圖七 a 中的點顯示了從實驗數據中抽取出來的 κ 的值,紅色直線則表示了標準模型的預測。從圖可見,對於 W 玻色子、Z 玻色子、頂夸克(t)、底夸克 (b)和濤子(τ),它們與希格斯玻色子的耦合強度已被精確量度,並且其值與標準模型預測一致。 

圖七 b:κf和 κV的量度精確度,中間黃色菱形為標準模型的預測值,越靠近黃色菱形表示實驗數據越符合理論值。(本圖出自參考文獻3)

圖七 b 顯示了 κfκV 的量度精確度在過去十年內的改善。紅色的圈表示 2012 年剛發現希格斯玻色子時的數據,藍色表示至 2015 年的數據,而黑色表示至 2018 年的數據。從圖可見,耦合強度的精確度在過往十年被大幅改善,並且其值與標準模型預測(κ=1)一致。 

未來對希格斯玻色子的探測 

圖八:基本粒子與希格斯玻色子的耦合强度量度進度及未來展望。(本圖出自參考文獻1)

圖八總結了至今對不同基本粒子與希格斯玻色子的耦合強度的量度進度以及未來展望。正如以上所述,我們已確定 WZ 玻色子,以及第三世代費米子與希格斯玻色子的耦合強度與標準模型一致。對於第二世代費米子,由於它們比第三世代費米子輕很多,因此與希格斯玻色子的耦合強度也小很多,所需的數據也多很多。

對於緲子,我們預計在未來五至十年間能確定它與希格斯玻色子的耦合強度是否與標準模型一致。在將來 15 至 20 年間,在升級後的高亮度 LHC(HL-LHC)中,圖六中未被觀察到的過程都會被觀察到,如同時兩顆希格斯玻色子的產生。可是,這都不足以測量出希格斯玻色子的自耦合強度。要量度魅夸克與希格斯玻色子的耦合強度,或希格斯玻色子的自耦合強度,我們需要 LHC 以外的新一代對撞機。

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對於奇夸克和第一世代夸克,由於它們非常輕,現時並沒有確切方法探測它們與希格斯玻色子的耦合強度。未來的正反電子對撞機或有機會探測到電子和奇夸克與希格斯玻色子的耦合強度。對於上夸克和下夸克,我們可能需要對撞機以外的方法,如對原子物理的精確量度,但這都只處於討論階段。 

有助解開的物理學謎團

我們對希格斯玻色子的進一步認識很可能有助解開一些現今粒子物理學和宇宙學的謎團,這些未解問題可大概歸為以下五個主要問題:

1. 層級問題

在標準模型裡,弱交互作用比重力交互作用強 1032 倍。為何重力這麼弱?這問題稱為層級問題(hierarchy  problem)【註 6】。基於重力如此弱的事實,可以在理論上證明,如果在弱電尺度(~200 GeV)附近沒有標準模型以外的新物理的話,在未知的終極理論裡的基本參數須被準確微調至 32 個小數位。很多物理學家把這種基本參數的精確微調視為不自然,從而推斷在弱電尺度附近必定有新物理。

因此,林林總總的新物理理論被提出,如一派理論提出希格斯玻色子並非基本粒子,而是由更基本的粒子組成的複合粒子;另一派理論提出在高能量尺度下存在超對稱【註 7】;還有一派理論提出宇宙存在額外維度。希格斯玻色子的發現以及至今對它特性的量度,排除了很大部分這些新物理理論。現今的理論家提出新理論時需要更謹慎,使得新理論與有關於希格斯玻色子的實驗數據吻合。

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2. 正反物質不對稱

在我們身處的宇宙中,物質都由正物質組成。可是,根據量子場論,一切粒子皆有其對應的反粒子【註 8】,而反粒子可組成反物質。那麼,為什麼宇宙中的物質只有正物質,沒有反物質呢?從理論推斷所知,在宇宙初期的高溫情況下,正反物質數量大致相同。現在我們所見到的正物質,是在宇宙因膨脹而冷卻後,正反物質互相湮滅後剩餘的。也就是說,宇宙很早期的時候正反物質數量存在些微不對稱,導致現今宇宙中只有正物質。

正反物質不對稱的大小依賴於宇宙早期弱電相變的細節。相變現象在日常隨處可見,如水蒸氣遇冷時凝結成液態水,或天然磁鐵遇熱時喪失磁性。在宇宙初期,溫度極高,希格斯場得到連續激烈的激發,因而其值不會停留在勢能(圖四)的最低點,而是作大幅度擺動,導致其平均值(即統計期望值)為零。隨著宇宙膨脹,溫度下降,希格斯場的擺動減小,直到某臨界溫度以下時,希格斯場的期望值取勢能的最小值處。希格斯場的期望值從零變為非零,這是一個相變過程,稱為弱電相變(electroweak phase transition)。

在標準模型裡,希格斯勢能導致的弱電相變為一連續相變(即所謂的二階相變),其結果是所造成的正反物質數量不對稱太小,不足以解釋所觀察到的不對稱值。因此,物理學家提出了一些新理論,這些理論涉及到新粒子的引入,而這些新引入的粒子會與希格斯場發生交互作用,從而改變希格斯場的勢能形式(如圖四中的藍線),使弱電相變變得不連續(一階相變),這也順帶的改變了希格斯玻色子的自耦合強度。所以,未來實驗對希格斯玻色子的自耦合強度的量度將有助解開正反物質不對稱之謎。

3. 暗物質

我們從天文觀察中得知,宇宙中存在著大量暗物質,其總質量約為普通物質的五倍。可以肯定,暗物質並非由標準模型粒子組成。因此,很多新的粒子理論被提出,當中引入了新的粒子。一個很自然的問題是,既然希格斯場負責給予標準模型粒子質量,它會不會也負責給予暗物質粒子質量呢?如果真的是這樣,那麼這些新的粒子會以量子迴圈的方式改變希格斯玻色子的壽命和自耦合強度,或者希格斯玻色子會衰變成這些新粒子,而這些都有機會在未來被測量到。

4. 費米子質量問題

在標準模型裡,費米子分為三個世代,三個世代的質量截然不同:第二世代比第一世代重,而第三世代比第二世代重(見圖一)。標準模型並不能對此作解釋。為此,物理學家提出一些新理論,而在這些新理論中希格斯玻色子具有一些標準模型不允許的衰變模式,如 Hμ+τ。如果這些新的希格斯玻色子衰變模式存在的話,有可能在未來被實驗探測到。

此外,在標準模型裡,微中子沒有質量。可是,我們從近年的微中子振蕩實驗中得知,微中子具有微小質量。希格斯場有可能在賦予微中子質量上扮演重要各式。

5. 宇宙暴脹之源

我知道,希格斯場的真空期望值取決於它的勢能形式,這是希格斯場與其他場截然不同的特點。有趣的是,根據現時所知的希格斯玻色子質量,我們可以推斷現今的希格斯場真空期望值只是勢能的局部最小值(又稱為錯真空(false vacuum)),而不是全局最小值(即真真空(true vacuum))。也就是說,我們所處於的真空並非最低能量態,而且不穩定,有機會衰變成更低能的最低能量態。

可是,這個錯真空衰變的機率極小,導致錯真空的壽命遠長於宇宙年齡,即我們所在的真空處於一種亞穩定狀態。我們知道,在宇宙的極早期曾經發生過暴脹,即宇宙以指數式急速膨脹,而這導致了現今宇宙在大尺度下的平均性。我們很自然會問,是甚麼導致暴脹呢?理論上,類似於希格斯場的錯真空衰變現象很可能就是暴脹的原因。究竟希格斯場與宇宙早期的暴脹有關嗎?物理學家對此仍未有答案。

結語

希格斯玻色子的發現為粒子物理學研究展開了新一頁。在希格斯玻色子被發現後的十年裡,透過在對撞機實驗中對它的深入探測,我們對希格斯場和希格斯玻色子有了更豐富的認識。至今,一切有關希格斯玻色子的量度均與標準模型預測一致。我們可以肯定的說,正如標準模型所述,希格斯場的確賦予質量給W、Z玻色子以及第三世代費米子。這證明宇宙中存在第五種基本交互作用——希格斯交互作用。在未來的實驗裡,對希格斯玻色子的進一步探測將有助解開一些未解決的物理學謎團。

註釋

  1. 對於基本粒子,電磁交互作用的強度約為重力交互作用的 1030 至 1043 倍。因此,在粒子物理裡,重力交互作用可以完全被忽略。
  2. 希格斯場能具有非零真空期望值,關鍵在於它的自旋為零,從而非零真空期望值不會與勞侖茲不變性抵觸。希格斯場取非零真空期望值,是一種自發規範對稱破缺,這使得 W Z 既是傳遞交互作用的粒子,又帶有質量。這種賦予規範玻色子質量的機制稱為希格斯機制(Higgs mechanism),是弱電理論能成為一自恰理論的關鍵。
  3. 事實上,我們可以把希格斯玻色子與其他粒子的直接交互作用視為第五種基本交互作用,稱為希格斯交互作用,或湯川交互作用(Yukawa interaction)。
  4. 注意,質子和中子內除了夸克還有大量膠子,而質子和中子的質量絕大部分源於這些膠子的交互作用能,但這部分的貢獻在質子和中子裡是幾乎相等的。
  5. 歸一化耦合強度 κ 定義為耦合強度除以標準模型的耦合強度。因此,對於標準模型,歸一化耦合強度為 1。
  6. 關於層級問題是否一個合理的物理學問題,學術界仍存在爭論。
  7. 超對稱是一種理論上可能存在的時空對稱和內在對稱的混合,至今未被實驗發現。
  8. 反粒子與其對應的正粒子有相同質量和自旋,但帶相反的荷,如電荷。

參考文獻

  1. G. P. Salam, L. T. Wang, and G. Zanderighi, Nature 607 (2022) 7917, 41-47
  2. ATLAS Collaboration, Nature 607 (2022) 7917, 52-59 
  3. CMS Collaboration, Nature 607 (2022) 7917, 60-68
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