昂貴的粒子物理基礎研究值得嗎？你一定用過CERN發明的這個東西！──《到世界頂尖實驗室 CERN 上粒子物理課》

你是否也曾在抽衛生紙的瞬間，心頭閃過「這會不會讓更多森林消失」的擔憂？當最後一張衛生紙用完，內心的愧疚感也油然而生……但先別急著責怪自己，事實上，使用木製品和紙張也能很永續！只要我們選對來源、支持永續木材，你的每一個購物決策，都能將對地球的影響降到最低。

二氧化碳是「植物的食物」：碳的循環旅程

樹木的主食是水與二氧化碳，它們從空氣中吸收二氧化碳，並利用這些碳元素形成枝葉與樹幹。最終這些樹木會被砍伐，切成木材或搗成紙漿，用於各種紙張與木製品的製造。

木製品在到達其使用年限後，無論是被燃燒還是自然分解，都會重新釋放出二氧化碳。不過在碳循環中，這些釋出的二氧化碳，來自於原本被樹木「吸收」的那些二氧化碳，因此並不會增加大氣中的碳總量。

只要我們持續種植新樹，碳循環就能不斷延續，二氧化碳在不同型態間流轉，而不會大量增加溫室氣體在大氣中的總量。因為具備循環再生的特性，讓木材成為相對環保的資源。

但，為了木製品而砍伐森林，真的沒問題嗎？當然會有問題！

砍對樹，很重要

實際上，有不少木材來自於樹木豐富的熱帶雨林。然而，熱帶雨林是無數動植物的棲息地，它們承載著地球豐富的生物多樣性。當這些森林被非法砍伐，不僅生態系統遭到破壞，還有一個嚴重的問題–黃碳，也就是那些大量儲存在落葉與土壤有機質中的碳，會因為上方森林的消失重新將碳釋放進大氣之中。這些原本是森林的土地，將從固碳變成排碳大戶。

不論是黃碳問題，還是要確保雨林珍貴的生物多樣性不被影響，經營得當的人工永續林，能將對環境的影響降到最低，是紙漿和木材的理想來源。永續林的經營者通常需要注重環境保護與生態管理，確保砍下每顆樹木後，都有新的樹木接續成長。木材反覆在同一片土地上生成，因此不用再砍伐更多的原始林。在這樣的循環經營下，我們才能不必冒著破壞原始林的風險，繼續享用木製品。

如何確保你手中的紙張來自永續林？

如果你擔心自己無意中購買了對環境不友善的商品，而不敢下手，只要認明FSC（森林管理委員會）認證與PEFC（森林認證制度）認證標章，就能確保紙漿來源不是來自原始林。並且從森林到工廠、再到產品，流程都能被追蹤，為你把關每一張紙的生產過程合乎永續。

家樂福「從 i 開始」：環境友善購物新選擇

不僅是紙張，家樂福自有品牌的產品都已經通過了環保認證，幫助消費者在日常生活中輕鬆實踐環保。選擇 FSC 與 PEFC 標章只是第一步，你還可以在購物時認明家樂福的「從 i 開始」價格牌，這代表商品在生產過程中已經符合多項國際認證永續發展標準。

「從 i 開始」涵蓋十大環保行動，從營養飲食、無添加物、有機產品，到生態農業、動物福利、永續漁業、減少塑料與森林保育，讓你每一項購物選擇都能與環境保護密切相關。無論是買菜、買肉，還是日常生活用品，都能透過簡單的選擇，為地球盡一份力。

1930年，物理學家包立為了解決貝他衰變裡能量不守恆的問題，假想一種觀測不到的新粒子；這個想法引起了理論物理學家費米的興趣……

本系列上一篇：捉摸不定卻又無處不在的粒子──微中子（一）

費米的理論：可以憑空創造或消滅的微中子

費米採納當時一些人的猜測，假設原子核由質子和（不久前才剛發現的）中子組成；至於貝他衰變裡的電子、和包立假想的微中子，原本並不存在於原子核內，而是在中子轉換成質子的過程中連帶產生；換言之，貝他衰變牽涉到如下反應：

中子 → 質子＋電子＋（反）微中子[1]

費米參照帶電粒子能夠放出光子的現象，讓理論描述的粒子可以憑空創造或消滅！這在當時是很突破性的概念，也難怪《自然》的編輯認為論文充滿臆測而駁回投稿。

理論上什麼都穿得透！微中子真的有辦法觀測嗎？

儘管包立的提案和費米的理論看似可以完美解釋貝他衰變帶來的問題，但只要微中子沒有被觀測到，一切都是空中閣樓，事情等於沒有解決。科學家開始思考，有沒有可能用實驗證明微中子的存在。

1934 年，貝特[2]和佩爾斯[3]估算了偵測微中子的可能性。相較於阿爾法粒子（氦原子核）單用一張紙就能擋下，貝他粒子（電子）要用幾公釐厚的鋁片才能遮蔽，伽馬射線甚至需要用到一公分厚的鉛、或六公分厚的混凝土，才能降低約 50% 的強度；兩人卻發現微中子足以在一般性的固體內行進十的十六次方公里（10¹⁶km）[4]，約莫海王星到太陽距離的 220 萬倍，即一千光年！這麼強的穿透力，顯然沒有任何實驗儀器能夠捕捉。

貝特和佩爾斯於是下了結論：沒有任何實際可行的辦法觀測到微中子！

微中子觀測計畫：以買樂透的精神進行！

正所謂辦法是人想出來的，就算微中子幾乎可以毫無阻礙穿越任何物體，但只要有夠多的微中子，總還是有機會看到微中子跟其他物質發生反應──就像大樂透雖然很難中獎，但只要多買幾張，或多或少還是會中。

1951 年，曾在曼哈頓計畫、費曼[5]的小組裡工作的萊因斯[6]，找了洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory）的同事科溫[7]一起進行微中子觀測計畫。起初，他們想在距離核子試爆點僅四十公尺的地方，向下挖掘深井放置探測器，利用試爆產生的大量微中子來提高偵測機率。但是，考慮到爆炸只有短短一兩秒，一旦失敗就得重新等待機會；來自中子和伽馬射線的背景雜訊又相當高，反而增加收集數據的難度。

兩人最後決定改在核子反應爐附近進行研究：微中子的數目雖然比核爆少很多，但來源持續穩定──估計每小時只能偵測到數個微中子反應事例，但只要等上幾個月、累積多一點數據，也足夠了。

利用核電廠尋找微中子

1955 年底，萊因斯和科溫在南卡羅萊納州薩凡納河區（Savannah River Site）的核子反應爐附近設置了實驗儀器。他們將氯化鎘（CdCl₂）溶解於 1400 公升的水裡，在此處理論上每平方公分的水面面積大約每秒就有十兆（十萬億，或10¹³）個反微中子通過。而如果有反微中子經過，水裡的質子和反微中子作用後，會產生正電子和中子（逆貝他衰變）：

反微中子＋質子 → 正電子＋中子

正電子會馬上跟水裡的電子湮滅，放出兩個伽馬射線光子；而中子在接下來百萬分之幾秒內就會被鎘原子核捕獲，也產生伽馬射線。於是，實驗探測器如果在很短的時間內連續看到兩道不同的閃光訊號──就表示觀測到（反）微中子了。

包立，你賭輸了！

1956 年，萊因斯和科溫在做完所有驗證之後，發了電報給正在歐洲核子研究組織（CERN）開會的包立，告知微中子的發現。包立看了電報，立刻打斷會議、興奮地向其他人宣讀電報內容並發表感言。不僅如此，因為包立曾跟天文學家巴德[8]打賭，人類永遠偵測不到微中子──這下他只能願賭服輸，買了一箱香檳送給巴德。

三十九年後，萊因斯因為微中子的發現，獲頒諾貝爾物理學獎；科溫則因為英年早逝，無緣參與這別具意義的一刻。隨著微中子被證實，貝他衰變帶來的懸念總算可以放下──如果事情這麼發展就太無趣了。

第二種微中子

1962 年，萊德曼[9]、施瓦茨[10]、施泰因貝格爾[11]等人從美國布魯克赫文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory）的粒子加速器，利用 π介子衰變產出微中子束，並確認其與 1956 年發現的微中子有別：貝他衰變裡的微中子，總是伴隨著正負電子；而萊德曼等人發現的微中子，卻是在另一種粒子──緲子相關反應中出現；所以後來兩者分別被稱為電子微中子和緲子微中子。

因為萊德曼、施瓦茨、施泰因貝格爾產製微中子束的方法，能夠幫助科學家更好地研究微中子牽涉到的弱交互作用；也因為他們發現新的微中子，讓後人更加瞭解兩種不同微中子和電子╱緲子的配對關係；三人於 1988 年獲頒諾貝爾物理學獎。

比緲子更重的新粒子

自從緲子在 1930 年代被發現之後，人們花了數十年的時間才逐漸了解，緲子的性質和電子非常接近（只是質量較大）──它們跟兩種微中子後來都被歸類為「輕子」（Lepton）。於是有人猜測，會不會有比緲子更重的輕子呢？

1971 年，台灣出生的美國籍科學家、史丹福大學教授蔡永賜（Yung-su Tsai）發表論文，探討更重的輕子在實驗中可能引發的效應──這導致了接下來 1974 到 1977 年的一系列實驗，以及濤子（Tau）的發現。濤子的發現者佩爾[12]因此和發現微中子的萊因斯共享了 1995 年的諾貝爾物理學獎。

既然電子和緲子都有相應的微中子，濤子應該也不例外──大部分人都是這麼深信的。但是過了許久，直到 2000 年，濤子微中子才正式被發現。

粒子物理標準模型

依照現在的粒子物理標準模型，輕子包含三個家族，分別由帶電的電子、緲子、濤子三者，和相應的（電中性）微中子組成。因為有很強的證據顯示，微中子的質量就算不為零，也必定極小，所以標準模型直接把微中子質量定為零，也沒有微中子的質量來源機制。

故事到此結束了嗎？至少看起來功德圓滿：和電子、緲子、濤子相應的微中子都發現了，不多不少；它們在標準模型的理論架構裡都有適當的位置，而且標準模型運作得非常成功。怎知，很快地，微中子又將帶給物理學界大震撼，標準模型也面臨結構調整。那是下一個故事了。

註釋

• [1] 費米原本把貝他衰變產生的微小電中性粒子定為微中子，但後來的理論發展將其定義為「反微中子」。
• [2] 漢斯‧阿爾布雷希特‧貝特（Hans Albrecht Bethe，1906年7月2日－2005年3月6日），德國和美國猶太裔核物理學家，1967年諾貝爾物理學獎得主。
• [3] 魯道夫‧恩斯特‧佩爾斯（Rudolf Ernst Peierls，1907年6月5日－1995年9月19日）德裔英籍物理學家。
• [4] 這個數字跟現代的估算相差不遠。
• [5] 理察‧菲利普斯‧費曼（Richard Philips Feynman，1918年5月11日－1988年2月15日），美國理論物理學家，因對量子電動力學的貢獻，於1965年獲得諾貝爾物理學獎。
• [6] 弗雷德里克‧萊因斯（Frederick Reines，1918年3月16日－1998年8月26日），美國物理學家。
• [7] 小克萊德‧洛蘭‧科溫（Clyde Lorrain Cowan Jr，1919年12月6日－1974年5月24日），美國物理學家。
• [8] 威廉‧海因里希‧沃爾特‧巴德（Wilhelm Heinrich Walter Baade，1893年3月24日－1960年6月25日），德國天文學家，創造了超新星（supernova）一詞，並推測中子星的存在。
• [9] 利昂‧馬克斯‧萊德曼（Leon Max Lederman，1922年7月15日－2018年10月3日），美國物理學家。
• [10] 梅爾文‧施瓦茨（Melvin Schwartz，1932年11月2日－2006年8月28日），美國物理學家
• [11] 傑克‧施泰因貝格爾（Jack Steinberger，1921年5月25日－），德裔美籍兼瑞士籍物理學家。
• [12] 馬丁‧路易斯‧佩爾（Martin Lewis Perl，1927年6月24日－2014年9月30日），美國物理學家。

參考資料

1. Chad Orzel (2019/04/25), “Neutrino Physics And A History Of Impossible Experiments“, Forbes.
2. S.M. Bilenkya (2013), “Neutrino. History of a unique particle”, Eur. Phys. J. H 38, 345–404.
3. Los Alamos Science Number 25 1997.
4. Herbert Pietschmann (2005), “Neutrino – Past, Present and Future”, George Marx Memorial Lecture, Univ. Budapest, May 19, 2005.

昂貴的粒子物理基礎研究值得嗎？

粒子物理學的基礎研究當然是非常有趣的，但它也是很昂貴的。舉例來說，歐洲核子研究組織（European Organization for Nuclear Research，簡稱為CERN ）大強子對撞機的建造成本（包括人員、儀器研發和建造材料）約為 30 億歐元（約 33 億美元）。超導環場探測器本身的建造費用為 4.55 億歐元（5 億美元）。儘管這個數字看起來很大，但歐洲核子研究組織 8.25 億歐元的年度預算（約 9 億美元）只相當於每個年紀大到可以喝咖啡的歐洲公民喝一杯咖啡加總起來的費用。

但是這筆金額還是很龐大，所以每個人都有權利詢問這筆錢是不是花得值得。

在此，我將解釋投資於研究的經費不僅在經濟上帶來百倍以上的回報，而且可以造福整個社會。由於基礎研究帶來了科技上的突破，醫療技術和通信技術因而有所進步。物理學基礎研究徹底改變了我們的生活方式，而且改變還在持續當中。

以歐洲核子研究組織為例

在本文中，我主要以歐洲核子研究組織作為例子，因為它是目前最大且仍在運轉當中的國際性粒子物理學研究實驗室。

日本的 J-PARC（Japan Proton Accelerator Research Complex） 是一個多用途研究中心，他們也使用質子加速器。其他實驗室，如美國的 SLAC 國家加速器實驗室（SLAC National Accelerator Laboratory） 和費米實驗室（Fermi National Accelerator Laboratory, FNAL）以及德國的 DESY 一直到不久以前都還是非常活躍的粒子物理學研究中心，但他們的加速器目前已經停止運作。費米實驗室的主注入器（Main Injector）則仍在運轉中，為 MINOS、Minerva 和 NOVA實驗供應微中子束。其他實驗則正在等待批准或仍在前置興建階段。還有其他幾個較小的研究中心，例如加拿大薩德伯里的微中子觀測站實驗室（Sudbury Neutrino Observatory Laboratory, SNOLAB），日本的高能加速器研究機構（KEK）和義大利的 Gran Sasso，這些研究中心都是專門研究微中子物理和暗物質搜尋。最近，有參與粒子物理學研究的所有國家決定在大型國際實驗合作計畫中共享資源（例如歐洲核子研究組織正在進行中的實驗合作計畫）。

粒子物理學基礎研究的回報並不必然都是直接的。舉例來說，目前沒有人知道希格斯玻色子將來會不會有實際的用處，很可能不會！我們並不是因為期待希格斯玻色子能夠解決人類的大問題而做這個研究的。相反的，該研究的目的，是為了能更了解我們周遭的物質世界，並將提高我們的知識層次。

所以說，基礎研究實驗室的首要任務是滿足人類對知識的深度渴求。自從人類存在以來，人們一直都想知道自己的起源和命運。但這些實驗室其實還有其他三個主要目標：為科技發展作出貢獻、培養高度專業的人力以及（就國際實驗室而言）透過科學研究促進和平與國際合作。

基礎研究帶來燈光，而不止步於漂亮的蠟燭

不過，我們不該低估任何新發現的潛力。誰能預言一百年前物理學家在電子和電磁波上的研究，會對我們今日的生活產生如此驚人的影響呢？一件軼事（即便它有點爭議）可以用來說明這一點。據說英國財政大臣（即財政部長）曾質問法拉第（Michael Faraday）他的電學研究是否有任何潛在用途時，法拉第顯然回答說他不知道可以做什麼用，但法拉第補充說：「先生，將來有一天你可能可以課它的稅」。

電子和電磁學的研究帶來了電子用品、電信和電腦的發展。過去幾個世紀中，物理學家的研究成果和技術人員和工程師的專業知識相結合，並將發現應用在現實中，進而重塑了我們的日常生活。如果沒有物理學的基礎研究，我們今天就會靠燭光閱讀。正如一位同事向我指出的，我們肯定會有非常漂亮的蠟燭，但就只是蠟燭。基礎研究不僅對我們的生活產生重大影響，而且也啟蒙了我們的精神，使人類擺脫了無知的沉重負荷。

不管在理論還是在實驗，好奇心都引導了基礎研究。基礎研究必須不受到限制，使想像力和創造力得以自由流動。縱使無法保證一定能夠發現什麼，但物理學家必須檢視所有的可能。另一方面，應用研究的目的，在於為具體的問題找出實際的答案，它以基礎研究為本，帶來了科技突破，並有更進一步的發展。物理科學應用於其他學科之中，也在各個工業領域當中扮演了重要的角色。從經濟的角度來看，物理學影響著整個社會，我們在本章中將看到，物理學在各領域、各方面的成績，已在日常生活當中影響我們每一個人。

對各國的經濟回報

已有幾份研究試著評估基礎研究對經濟所帶來的影響。經濟與商業研究中心（the Centre for Economics and Business Research, CEBR）為歐洲物理學會（European Physical Society）所做的研究很具啟發性。這份研究是從科技和科學的角度評估基礎研究對歐洲物理學的產業所造成的影響。因此，它涵蓋了所有仰賴電機工程、機械和土木工程、能源、計算、通信、設計製造、運輸、醫學和航空的經濟活動。

2010 年的統計指出，仰賴物理學的產業共為歐盟的 27 個國家、瑞士和挪威創造了 3 兆 8000 億歐元的收入（上圖），相當於這些國家總收入的 15％ 左右，超越了零售業的總額。總共有 1 千 5 百 40 萬人在這個產業工作，也就是歐洲總勞動人口的 13％。

促成跨時代的科技發展

正如我們在整本書中所看到的，當今粒子物理學的研究需要高度精密複雜的工具才得以進行。通常在設計階段，大型實驗所需的技術並不存在，這些技術必須在過程當中被開發出來，特別是像大強子對撞機這樣二十年前就開始籌備規畫的超大型計畫。大強子對撞機的建造工程，使得若干技術超越當時的疆界，過去從不曾有任何儀器會用到如此強大的超導磁鐵，更不用提這整個計畫的規模，超導、極度真空和極度低溫相關的技術都因此而有很大的進展。

大型實驗合作計畫的所有測量設備也是如此，大強子對撞機所使用的偵測器都需要更高的抗輻射能力以及更高性能的電子模組，在承受極端輻射水平的同時，還要能夠高速與大量採集數據。這個需求提供了建造網格（Grid）的動力，網格是一個龐大的計算機網絡，串聯了成千上萬台遍布在世界各地的電腦，提供了大強子對撞機實驗所需的計算能力。

技術方面的進步已化為現實，並應用在各式各樣的產業中。簡單舉幾個例子，這些應用包括了配有光纖的濕度感測器、使用永久磁鐵之引擎的隔膜系統、設計印刷電路板的開放原始碼軟體，以及 3D列印的附加處理技術。

全球資訊網──來自歐洲核子研究組織的最好的禮物

某些發現也對大部分地球居民的日常生活有直接影響。例如歐洲核子研究組織最成功的結果：全球資訊網（World Wide Web）。全球資訊網深遠地改變了我們取得訊息和知識的方式（包括新興國家），從而影響到地球上數十億人的日常生活。

到目前為止，歐洲核子研究組織對人類最大的影響並不是發現了希格斯玻色子，而是發明了全球資訊網（World Wide Web，簡稱WWW）。全球資訊網是由提姆．伯納斯─李（Tim Berners-Lee）和他的團隊於 1989 年開發出來，當時他在歐洲核子研究組織工作，而當初開發的目的是為了要解決一個影響到歐洲核子研究組織成千上萬名研究人員的問題。科學家們需要一個能有效交換訊息的通訊方式，大多數這些物理學家經常在他們自己的研究機構和實驗室之間穿梭，以參與各種研究活動。為了讓這些物理學家可以彼此交換訊息而不需在行李箱中拖著幾公斤列印出來的文件，全球資訊網於焉而生。

如果說伯納斯─李是一位有遠見的人，那麼我們也可以說歐洲核子研究組織具有非常前瞻的想法，決定將全球資訊網開放給全人類使用，而不要求任何版權收入。由於歐洲核子研究組織的研究是受到公共資金資助，因此我們也希望全球資訊網能使每一個人都受益。網路使得資訊可以在世界上任何地方流通和取得，誰能忽視這個溝通工具對我們的生活所產生的影響呢？

粒子物理學界有愈來愈多人認同「開源」（open-source）的觀念，例如像是知識可以自由、免費地共享，並且透過網路傳播開來。歐洲核子研究組織的實驗結果已經不再只發表在昂貴的專業期刊上，現今所有的資訊都可以在「開源」社群媒體中取得。不僅在科學出版方面是如此，有些軟體也是以合作和共享的精神和其他的機構、業界或社會共享。這樣可以確保來自新興國家的大學和機構不至於處於劣勢。

本文摘自泛科學2018年2月選書《到世界頂尖實驗室 CERN 上粒子物理課》，臉譜出版。

在一般的印象中，科學與藝術似乎是兩個極端，一方相當理性，執著於找到問題的解答，一方則相當感性，著重於呈現問題的不同面向。藝術家眼中的科學是什麼呢？藝術與科學碰撞又會產生什麼火花呢？

「一當代舞團」(YiLab.) 的作品或許可以做為兩界碰撞的一個代表。創始者蘇文琪是台灣最擅長運用科技結合劇場表演來省思文明和人性的藝術家，曾在歐洲核子研究組織（CERN）擔任「藝術加速」的駐村藝術家。十月 18、19 和 20 日，她將在國家戲劇院實驗劇場推出《人類黑區》舞蹈作品，以「暖化」作為出發，拋開以「人」為本思維，去思考全球暖化的過程中，地球與所有生物一同經歷了什麼。

《人類黑區》劇作的前導影片：

本次泛科學專訪蘇文琪，談談她在 CERN 的經驗，以及她如何將高能物理、宇宙和全球暖化等理性艱澀的議題，轉化為表演藝術的詩意。

（以下為摘錄改寫，並非對談逐字稿）

問：你的作品似乎都隱含某些科學元素，《從無止境回首》想像宇宙大爆炸的狀況，《人類黑區》則討論地球與人一同經歷全球暖化情景。你認為自己在做「科普」嗎？

答：我的作品並不是試圖「科普」。在討論全球暖化導致地球變化、宇宙大爆炸議題時，從作品中觀眾看不到科學細節，只是一個簡化的印象。我是把自己理解到的科學想像，轉化成表演藝術的詩意。

對我來說，科普可能需要有很強的問題導向，像是科學家問了一個問題，然後用最短路徑去找到一個解答；而藝術家在創作時也會回答一個問題，但答案會迂迴許多。可能從舞蹈、音樂、舞台、不同人的感受和社會問題來切入，迂迴到藝術家得出的解答並不是一「點」，而是一個「面」。

所以觀賞表演，並不用期待藝術家告訴你什麼，而是去感受藝術家鋪成的思維脈絡與理解議題的過程，最終問題的解答要自己去找。

過往邀請科學家來看自己的作品時，他們會很開心。儘管知道這不是科普，但看到科學元素也會有種自己的關心的課題也被理解的感覺，這是科學與藝術的正向循環。

問：你曾至 CERN 這個大型科研機構擔任駐村藝術家，可以大概說明你到 CERN 做了什麼？有沒有什麼印象深刻的事呢？

答：申請到 CERN 計畫是我人生中的一個意外，因為我的偶像曾到 CERN 駐村，就決定提案試試看，沒想到雀屏中選。去之前我真的很緊張，還做了一些功課，但迎接我們的科學家聽到後，居然笑說：「你作弊偷跑！」

原來 CERN 是希望藝術家來這能有全新的體驗，用第一手的感覺激發創作靈感，而不是看到科學的高牆而有衝動去鑽研物理。

在為期 6 星期的駐點中，我覺得每天都是轟炸，每天都是震撼。當我看到在瑞士和法國邊界這座長約 27 公里的大型「對撞粒子加速器」時，我是嘆為觀止的。心想：科學家到底是問了什麼物理問題，才創造出這個東西來測量粒子軌跡。

科學家透過加速器偵測粒子對撞、衰變的軌跡，模擬粒子跑動的軌跡圖，儘管科學家說他們是在轉述大自然說的話，但我卻覺得科學家像在作翻譯，帶有某些立場與自己的想法在詮釋這些語言。科學家也會用直線加速器畫出愛心放在日誌上，其實就是一種創作，只是這些科學家沒有意識到而已。這些都是科學跟藝術有點相似之處。

不過，多數時候真的是隔行如隔山，科學家跟藝術家想得不一樣、對美的感知也未必一樣的。

一位反物質科學家跟我說她最討厭逛街了，她從不覺得衣服很美，因為她所好奇的是這些衣料裡頭的纖維結構。「文琪，你不覺得萬有引力的公式很美嗎！」數學家也試圖跟我訴說數學公式的極致是越短越美。

除了談「美」，我也跟重力學家聊過「重力」。對舞者來說重力就是人跟地板的關係，因為不管跳多高都會掉下來；然而，在他眼中這是再小不過的力。他理解的重力是：人掉入黑洞中，使你感受不到「掉」下去的那種力，時間幾乎靜止，你甚至覺得自己要飄起來。即使我們都在用「重力」這個詞彙，但他可能從愛因斯坦和萬有引力的角度想；我從自己的感官出發，對同個詞彙的詮釋就不同了。

問：在 CERN 駐村的經驗，如何影響你的表演藝術創作呢？

答：我覺得可以從兩部分來談，一是將討論的時間尺度拉長；二是不再執著於高科技。

CERN 給我宇宙巨觀及物質世界的微觀想像，這影響我會從宏觀角度來看作品的主題。跟科學家討論時，我發現藝術家的思維脈絡比起科學家短很多，因為藝術史不過就幾千年，但 CERN 科學家想事情是從地球誕生的 46 億年前開始到地球滅亡，考慮的時間空間尺度很長，用億萬、光年在計算。這個想法的差異幫助我在創作時，將作品的時間拉長，不只考慮當前議題，而是將議題展開放到更長遠的脈絡中。

因此我的作品中會加入「時序的跳躍」，以這個月在國家戲劇院演出的《人類黑區》來說，就是透過「黑色塑料」去想像地質在億萬年中起落的過程，剛開始它是盤古大陸，接著它是板塊、沙漠、湖泊，然後變成污染的海洋，來擴大作品的時間軸度。

我在 CERN 看到人類第一台伺服器，科學家發明這台伺服器只是為了傳輸科學數據，沒想到開創了網際網路的應用。然後，我就發現生活中很多科技的應用，必定有科學的原理在內，像是GPS定位就得計算地心引力，因此學習科學讓我看到科技的上游。

在我看來，每樣東西都是科技的產物，背後都有科學的哲學在裡頭，於是我在應用素材時，就不會追求高科技，哪怕是一張紙背後可能都有科學與技藝去成就它，但我們總是因為它太平凡、太普及而忽略它背後的意義。

像《全然的愛與真實》就是應用彩虹糖果紙的媒材，它很像實驗室的濾鏡，不同燈光打上去會產生不同的顏色，非常漂亮。我就在想或許它真的是從實驗室裡頭流到市面上，慢慢開始多元的應用。

問：全球暖化是常見的題材，你想透過《人類黑區》告訴大家什麼呢？

答：前兩部作品《全然的愛與真實》、《從無止境回首》都是在探討宇宙、粒子動能等比較天馬行空，比較沒那麼靠近我們的議題，今年的《人類黑區》我想處理比較急迫的氣候變遷問題。

每一天世界各地都有全球暖化的新聞，科學家也不斷證實暖化狀況越來越糟糕，但在這麼多恐懼新聞中，我發現民眾反而麻木了，甚至回頭質疑科學家為何不能處理暖化問題。

我認為人類太過自大，自以為可以為科技發展背書，但實則無法。地球萬物都有自己的呼吸節奏，當人類掠奪後，勢必得平衡和休息。山崩水患暖化可能都是地球消化這些髒污的方式，有這些災難，地球才可以重生。

《人類黑區》這部作品跳脫以人為本，而是將萬物視為與地球「共生」的關係，任何生物與環境變化都有過去的足跡。人類終將滅亡，重點是要留下什麼？作品中會回溯演化過程，藉由舞者模仿遠古生物，黑色塑料呈現的地質變化，來扣合人與環境的關係，訴說：我們從哪裡來，將往哪裡去。

藉此，希望能更客觀地去思考：地球怎麼會變成這樣？

問：建議大家該怎麼欣賞《人類黑區》這部作品？

答：建議大家不要抱著吸收科普知識的心情來看《人類黑區》，也不要有藝術鑑賞的包袱。只要對演化、暖化、氣候變遷的議題有興趣都可以來看，享受表演藝術家怎麼去理解問題，怎麼追溯這長遠的過程。

藝術家跟科學家相像之處是「大家通常不知道他們在做什麼」，有觀眾會跟我說：你的舞我看不懂（笑）。然而，我覺得欣賞表演藝術就是發現自己跟別人想得不一樣，而且看表演藝術不需要很細節地解讀每個動作的意義，而是試著理解藝術家的表演鋪排邏輯，抓取他們給你的感受和印象，也算是一種訓練抽象思維的方式。

2019舞蹈秋天 一當代舞團 蘇文琪《人類黑區》Anthropic Shadow
演出日期：2019-10-18 ～ 2019-10-20
演出地點：國家兩廳院實驗劇場 (台北市中山南路21-1號)
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昂貴的粒子物理基礎研究值得嗎？

粒子物理學的基礎研究當然是非常有趣的，但它也是很昂貴的。舉例來說，歐洲核子研究組織（European Organization for Nuclear Research，簡稱為CERN ）大強子對撞機的建造成本（包括人員、儀器研發和建造材料）約為 30 億歐元（約 33 億美元）。超導環場探測器本身的建造費用為 4.55 億歐元（5 億美元）。儘管這個數字看起來很大，但歐洲核子研究組織 8.25 億歐元的年度預算（約 9 億美元）只相當於每個年紀大到可以喝咖啡的歐洲公民喝一杯咖啡加總起來的費用。

但是這筆金額還是很龐大，所以每個人都有權利詢問這筆錢是不是花得值得。

在此，我將解釋投資於研究的經費不僅在經濟上帶來百倍以上的回報，而且可以造福整個社會。由於基礎研究帶來了科技上的突破，醫療技術和通信技術因而有所進步。物理學基礎研究徹底改變了我們的生活方式，而且改變還在持續當中。

以歐洲核子研究組織為例

在本文中，我主要以歐洲核子研究組織作為例子，因為它是目前最大且仍在運轉當中的國際性粒子物理學研究實驗室。

日本的 J-PARC（Japan Proton Accelerator Research Complex） 是一個多用途研究中心，他們也使用質子加速器。其他實驗室，如美國的 SLAC 國家加速器實驗室（SLAC National Accelerator Laboratory） 和費米實驗室（Fermi National Accelerator Laboratory, FNAL）以及德國的 DESY 一直到不久以前都還是非常活躍的粒子物理學研究中心，但他們的加速器目前已經停止運作。費米實驗室的主注入器（Main Injector）則仍在運轉中，為 MINOS、Minerva 和 NOVA實驗供應微中子束。其他實驗則正在等待批准或仍在前置興建階段。還有其他幾個較小的研究中心，例如加拿大薩德伯里的微中子觀測站實驗室（Sudbury Neutrino Observatory Laboratory, SNOLAB），日本的高能加速器研究機構（KEK）和義大利的 Gran Sasso，這些研究中心都是專門研究微中子物理和暗物質搜尋。最近，有參與粒子物理學研究的所有國家決定在大型國際實驗合作計畫中共享資源（例如歐洲核子研究組織正在進行中的實驗合作計畫）。

粒子物理學基礎研究的回報並不必然都是直接的。舉例來說，目前沒有人知道希格斯玻色子將來會不會有實際的用處，很可能不會！我們並不是因為期待希格斯玻色子能夠解決人類的大問題而做這個研究的。相反的，該研究的目的，是為了能更了解我們周遭的物質世界，並將提高我們的知識層次。

所以說，基礎研究實驗室的首要任務是滿足人類對知識的深度渴求。自從人類存在以來，人們一直都想知道自己的起源和命運。但這些實驗室其實還有其他三個主要目標：為科技發展作出貢獻、培養高度專業的人力以及（就國際實驗室而言）透過科學研究促進和平與國際合作。

基礎研究帶來燈光，而不止步於漂亮的蠟燭

不過，我們不該低估任何新發現的潛力。誰能預言一百年前物理學家在電子和電磁波上的研究，會對我們今日的生活產生如此驚人的影響呢？一件軼事（即便它有點爭議）可以用來說明這一點。據說英國財政大臣（即財政部長）曾質問法拉第（Michael Faraday）他的電學研究是否有任何潛在用途時，法拉第顯然回答說他不知道可以做什麼用，但法拉第補充說：「先生，將來有一天你可能可以課它的稅」。

電子和電磁學的研究帶來了電子用品、電信和電腦的發展。過去幾個世紀中，物理學家的研究成果和技術人員和工程師的專業知識相結合，並將發現應用在現實中，進而重塑了我們的日常生活。如果沒有物理學的基礎研究，我們今天就會靠燭光閱讀。正如一位同事向我指出的，我們肯定會有非常漂亮的蠟燭，但就只是蠟燭。基礎研究不僅對我們的生活產生重大影響，而且也啟蒙了我們的精神，使人類擺脫了無知的沉重負荷。

不管在理論還是在實驗，好奇心都引導了基礎研究。基礎研究必須不受到限制，使想像力和創造力得以自由流動。縱使無法保證一定能夠發現什麼，但物理學家必須檢視所有的可能。另一方面，應用研究的目的，在於為具體的問題找出實際的答案，它以基礎研究為本，帶來了科技突破，並有更進一步的發展。物理科學應用於其他學科之中，也在各個工業領域當中扮演了重要的角色。從經濟的角度來看，物理學影響著整個社會，我們在本章中將看到，物理學在各領域、各方面的成績，已在日常生活當中影響我們每一個人。

對各國的經濟回報

已有幾份研究試著評估基礎研究對經濟所帶來的影響。經濟與商業研究中心（the Centre for Economics and Business Research, CEBR）為歐洲物理學會（European Physical Society）所做的研究很具啟發性。這份研究是從科技和科學的角度評估基礎研究對歐洲物理學的產業所造成的影響。因此，它涵蓋了所有仰賴電機工程、機械和土木工程、能源、計算、通信、設計製造、運輸、醫學和航空的經濟活動。

2010 年的統計指出，仰賴物理學的產業共為歐盟的 27 個國家、瑞士和挪威創造了 3 兆 8000 億歐元的收入（上圖），相當於這些國家總收入的 15％ 左右，超越了零售業的總額。總共有 1 千 5 百 40 萬人在這個產業工作，也就是歐洲總勞動人口的 13％。

促成跨時代的科技發展

正如我們在整本書中所看到的，當今粒子物理學的研究需要高度精密複雜的工具才得以進行。通常在設計階段，大型實驗所需的技術並不存在，這些技術必須在過程當中被開發出來，特別是像大強子對撞機這樣二十年前就開始籌備規畫的超大型計畫。大強子對撞機的建造工程，使得若干技術超越當時的疆界，過去從不曾有任何儀器會用到如此強大的超導磁鐵，更不用提這整個計畫的規模，超導、極度真空和極度低溫相關的技術都因此而有很大的進展。

大型實驗合作計畫的所有測量設備也是如此，大強子對撞機所使用的偵測器都需要更高的抗輻射能力以及更高性能的電子模組，在承受極端輻射水平的同時，還要能夠高速與大量採集數據。這個需求提供了建造網格（Grid）的動力，網格是一個龐大的計算機網絡，串聯了成千上萬台遍布在世界各地的電腦，提供了大強子對撞機實驗所需的計算能力。

技術方面的進步已化為現實，並應用在各式各樣的產業中。簡單舉幾個例子，這些應用包括了配有光纖的濕度感測器、使用永久磁鐵之引擎的隔膜系統、設計印刷電路板的開放原始碼軟體，以及 3D列印的附加處理技術。

全球資訊網──來自歐洲核子研究組織的最好的禮物

某些發現也對大部分地球居民的日常生活有直接影響。例如歐洲核子研究組織最成功的結果：全球資訊網（World Wide Web）。全球資訊網深遠地改變了我們取得訊息和知識的方式（包括新興國家），從而影響到地球上數十億人的日常生活。

到目前為止，歐洲核子研究組織對人類最大的影響並不是發現了希格斯玻色子，而是發明了全球資訊網（World Wide Web，簡稱WWW）。全球資訊網是由提姆．伯納斯─李（Tim Berners-Lee）和他的團隊於 1989 年開發出來，當時他在歐洲核子研究組織工作，而當初開發的目的是為了要解決一個影響到歐洲核子研究組織成千上萬名研究人員的問題。科學家們需要一個能有效交換訊息的通訊方式，大多數這些物理學家經常在他們自己的研究機構和實驗室之間穿梭，以參與各種研究活動。為了讓這些物理學家可以彼此交換訊息而不需在行李箱中拖著幾公斤列印出來的文件，全球資訊網於焉而生。

如果說伯納斯─李是一位有遠見的人，那麼我們也可以說歐洲核子研究組織具有非常前瞻的想法，決定將全球資訊網開放給全人類使用，而不要求任何版權收入。由於歐洲核子研究組織的研究是受到公共資金資助，因此我們也希望全球資訊網能使每一個人都受益。網路使得資訊可以在世界上任何地方流通和取得，誰能忽視這個溝通工具對我們的生活所產生的影響呢？

粒子物理學界有愈來愈多人認同「開源」（open-source）的觀念，例如像是知識可以自由、免費地共享，並且透過網路傳播開來。歐洲核子研究組織的實驗結果已經不再只發表在昂貴的專業期刊上，現今所有的資訊都可以在「開源」社群媒體中取得。不僅在科學出版方面是如此，有些軟體也是以合作和共享的精神和其他的機構、業界或社會共享。這樣可以確保來自新興國家的大學和機構不至於處於劣勢。

本文摘自泛科學2018年2月選書《到世界頂尖實驗室 CERN 上粒子物理課》，臉譜出版。