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提出科學「典範轉移」:孔恩誕辰 │ 科學史上的今天:07/18

張瑞棋_96
・2015/07/18 ・1192字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 577 ・九年級

1947 年,正在哈佛大學攻讀物理博士的孔恩(Thomas S. Kuhn, 1922-1996)意外地獲得在大學部授課的機會。哈佛大學校長柯南特(James B. Conant)深覺科學普及的重要,除了打算親自出馬教科學哲學,還想新開一門科學史的課,於是找上了孔恩。沒想到因此改變了孔恩的人生道路,也催生了一個科學哲學的重要學說。

在準備教材時,孔恩才驚覺難以理解亞里斯多德的《物理學》原典。他原本以為科學的發展是循序漸進地由淺而深、由簡而繁,因此以他一個物理學博士生,理應輕鬆掌握幾千年前的原始科學。但亞里斯多德自成一套的世界觀卻令他不得其門而入,猶如原始部落充滿隱喻的神話令人費解。後來他試著拋下現代物理知識,依循亞里斯多德的世界觀與思想脈絡去思考,才豁然開朗,並且悟出「不可共量性」這個重要概念,開始醞釀將要掀起巨浪的科學哲學經典之作。

1948 年,他開始講授科學史,同時繼續準備博士論文,一年後順利取得博士學位,但他的學術路線已從物理學轉向科學史與科學哲學了。1962 年,就在他到柏克萊哲學系與歷史系任教後的第二年,孔恩出版《科學革命的結構》一書,在學術圈投下震撼彈,震波同時擴及自然科學與社會人文這兩個不大往來的圈子。

孔恩發現科學史上大部分時期都是他所稱的「常態科學」,也就是某種觀點、理論或價值取得科學社群的共同認同,而成為典範之後,科學社群的新舊成員就都會以此典範為中心,遵循相同的方法、使用共同的語言,有效率地探索新的知識。一旦出現與典範不符的異例,被質疑的通常不是典範有誤,而是研究者的方法或工具有問題。直到更多異例出現,成為不得不正視的危機,才為科學革命提供契機,由截然不同的新理論取代舊典範,成為新的典範,再如此不斷循環。

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因此科學的進展並非像積木般慢慢堆疊,逐步累積成高塔。相反地,真正跳躍性的進步往往是打掉重練、另起爐灶;而且用的是與原來積木形狀不同的新型積木。這就是新舊典範之間的不可共量性,兩者的觀點、架構、語言都不相同,所以沒有共同標準可以衡量對錯;從托勒密到哥白尼的行星軌道模型,從牛頓力學到相對論,就都是一個典範取代一個典範的例子。

孔恩的「典範轉移」理論一方面受到社會大眾的熱烈歡迎(包括企業管理等不同領域都拿來套用),一方面卻在學術圈引起正反兩極的評價。支持者讚譽他掌握了科學進展的歷史脈絡,發掘出自然科學較其它社會科學有明顯進步軌跡的原因;批評者則質疑典範模型其實否定了多元化的可能,而且典範取捨只由科學社群決定,代表著獨尊科學的菁英主義。

其實孔恩只是從史實的角度提出科學進展的實然面,至於批評者所提出的科學與科學家的定位等應然面的問題,仍有待科學家與人文社會學家的繼續對話。

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 1108 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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從奈米微塵到化學氣體, HEPA 與活性碳如何聯手打造純淨空氣?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/17 ・4433字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 Amway 委託,泛科學企劃執行。

很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網
在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢 / 圖片來源:envato

到底怎樣才算是「乾淨」?這不是什麼靈魂拷問,而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞,甚至能成為台積電(TSMC)決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中,雖然不需要生產精密晶片,但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密,卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康,你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此,空氣議題早已超越單純的環保範疇,成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

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很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是同一件看起來平凡無奇的東西:一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信,就憑這層厚度不到幾公分的板子,能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎?

這片大家都聽過的 HEPA 濾網,裡面到底是什麼?

首先,我們必須打破一個直覺上的誤解:HEPA 濾網(High Efficiency Particulate Air filter)在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5,是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物,它們能穿過呼吸道直達肺泡,並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本,在工廠與汽車尾氣中,還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1,甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」(UFP,即 PM0.1)。 UFP 不僅能輕易進入血液,甚至能繞過血腦屏障(BBB),進入大腦與胎盤,其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣,單靠孔目大小來「過濾」粒子,那麼為了攔截奈米微粒,濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡,一般人認為的「乾淨」,在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米3 奈米(相當於頭髮直徑萬分之一)的晶片而言,空氣中一顆微小的塵埃,就是一顆足以毀滅世界的隕石。

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因此,傳統的過濾思維並非治本之道,我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形,最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身,誕生於曼哈頓計畫!

1940 年代,製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而,若將排氣直接排向大氣,會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾(Irving Langmuir),他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」(Absolute Filter),其內部並非有孔的篩網,而是石綿纖維。

有趣的來了,如果把過濾器放到顯微鏡下,你會發現纖維之間的空隙,其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢?這是因為在奈米尺度下,物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時,並非走直線,而是會受到空氣分子撞擊,而產生「布朗運動」(Brownian Motion),像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時,布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動,最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時,靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客,就這樣被永久禁錮迷宮中。

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現在最常見的 HEPA 材料,是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間,它們在濾網內隨機交織,像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後,並非僅僅面對一層薄紙,而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層,微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外,HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵,那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀,中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐,目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒,而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺:過濾不是越快越好嗎?

其實,這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管,如果你捏住出口,水流會變得湍急;若將出口放開並擴大,雖然總出水量不變,但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言,當表面積越大,單位面積所需承載的空氣量就越少,空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久,增加被捕捉的機會。此外,越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」,延長了使用壽命,這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

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然而,即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter),但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ,其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物,去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念?塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子,大小約在 2 至 200 微米;細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米,細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」,大多數的病毒(如流感、新冠病毒)都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說,基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上,它更獲得英國過敏協會(Allergy UK)認證,能有效處理 19 大類、102 種過敏原,濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」 / 圖片授權:Shutterstock

然而,同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中,硼是常見的 P 型摻雜物,用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕,進而釋放出極微量的硼離子,就可能直接污染晶圓,改變其導電特性,導致晶片報廢。

此外,無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA(超低穿透率空氣濾網) 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中,任何多穿透的一顆微塵,都代表著一筆不小的經濟損失。

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為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率,材料學家搬出了塑膠界的王者,PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕,還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維,其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕,但它既昂貴且物理上也很脆弱,安裝時若不小心稍微觸碰,數萬元的濾網就可能報銷。因此,你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此,在空氣濾淨系統中,還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網,就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附?

好不容易將微塵擋在門外時,危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王:AMC(氣態分子污染物)

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒,但面對氣態分子時,就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般,能輕易穿過物理濾網的縫隙,其中包括氮氧化物、二氧化硫,以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物(VOCs)。

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為了對付這些幽靈,我們必須在物理防線之外,加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同,這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理(Impregnation)」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質,在活性碳上添加不同的化學藥劑:

  • 酸鹼中和:對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體,會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑,透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之,如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑,就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
  • 物理吸附與凡德瓦力:對於最麻煩的有機揮發物(VOCs,如甲醛、甲苯),因為它們不具酸鹼性,科學家會精密調控活性碳的孔徑大小,利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力(凡德瓦力),像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。
活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附? / 圖片來源:Amway

空氣濾淨的終極邏輯:物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境,活性碳的運用並非「亂槍打鳥」,而是一場極其精密的對戰策略。

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工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告,像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝,打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區(Photolithography),晶圓最怕的是人體呼出的氨氣,此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和;而在蝕刻區(Etching),若偵測到酸性廢氣,則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯,是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中,雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析,但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯,正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網,更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳,科學界有個關鍵指標:「比表面積(Specific Surface Area)」。活性碳的孔隙越多、表面積越大,其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳,並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理,打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克,但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字,相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積,是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是,它還添加了雙重觸媒技術,能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線,能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體,或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來,成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說,無論是造價百億的半導體無塵室,還是守護家人的空氣清淨機,其背後的科學邏輯如出一轍:「物理濾網攔截微粒,化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作,空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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【GENE思書軒】死了一個研究生以後,道出了學術倫理
Gene Ng_96
・2019/02/02 ・2716字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 525 ・七年級

醫學論文造假事件

去年醫學論文造假事件鬧到最鬧烘烘時,很多圈內的朋友也都不約而同做了很多相同的夢,內容非常真實又刺激,曲折離奇到說出夢境都絕對要發表不自殺聲明。

毫不例外的,現實當然也要比很多影視作品還更變態,狗血狂灑到編劇都嚇到吃手手,不信看看從造假後一路走來,台灣高等教育和學術圈在面對愈來愈嚴峻的國際競爭壓力下,各種明爭暗鬥、扯後腿、落井下石,真是令人眼花撩亂,難怪台灣書市的大眾小說幾乎全都變小眾了,因為讀報紙就比大眾小說精彩。

圖/pixabay

醫學論文造假事件後,除了造成有學校沒有校長,很多新同事和助理、學生要去上所謂的學術倫理課,以及信箱不時收到誠信電子報,在制度和體制上幾乎沒有任何改變。相信再來一次,同樣的戲碼又不會不再重演一遍,然後更多無辜的人要逼得寫作文,或小說

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讓科學界莘莘學子重新點燃希望

這是一個很難讓人樂觀的年代,不過在這個現實虛構顛三倒四的惡質現狀下,慶幸的是有部優異的作品橫空出世了!在紛紛擾擾的環境中,這本小說卻很瘋刺的比讀報紙才知道的事情還來得更像是真實的!

在一系列造假事件中,學術圈內異常的安靜,就連我夢中在醫院裡工作的線民,都回報說醫院內所有人上班時都完全不像聽說任何事一樣,在茶餘飯後都完全沒人想要提到這件事,一整個河蟹到可怕,據說膽敢要說八卦的話,都要作夢跑離院外好幾公里外才行,果然比台日版的《白色巨塔》(白い巨塔)還變態,還好是作夢夢到的。學術圈內的大佬也沒人敢出來批評什麼,只有個位數學者敢在媒體上大量投書。

就在那幾位膽敢大量投書媒體的人物中,最突出的就是國立宜蘭大學生物機電工程學系特聘教授 ──《科學月刊》、《科技報導》前總編輯蔡孟利老師,以專業證據、實際訪談為基礎,提出強力的質疑,是極少數的正義之聲。據說他母校已有很多師生及校友感到 ⋯⋯ 因此,台灣就平添了一位優異的小說家!

龍困淺灘,不死也傷!

科學的價值、教育的價值、大學的價值,在純粹的名利追逐下,無形中崩壞!有人還敢說在學者和官員的這些作為下,能帶給社會正面的力量,以及給予莘莘學子追求和現實夢想的勇氣嗎?!難怪人才加速流失。好棒棒,沒有關係,很可以,我們還有小說《死了一個研究生以後》。

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在「死了一個研究生以後」 ……

在細胞培養室裡無預警地開了一氧化碳自殺,然後她就死掉了。讓一個宅男在十幾天中步向人生中,比做實驗追求知識更真實的探索之旅,探索學姐的死因、探索人生中的其他面向、探索愛情。科學研究,原本就是要犧牲一個人很多很多青春和精力的,可是換來的不是高尚的理念,而是成了追名逐利下被吃掉也不痛不癢的小棋子,都不知大人要怎麼教小孩了。

原本以為,《死了一個研究生以後》只是一本人物對白簡單的爆料驚悚小說,可是沒想到這卻是一本文學性頗強的小說,甚至讓人忘了真實世界中的論文造假事件,即使真實的世界的夢境中,真的死了人。

我相信,沒讀過《死了一個研究生以後》的朋友遠超過讀過的,因為讀過的朋友見面時都不約而同問對方讀過了沒,即使不是生科人,也讀得津津有味。很難想像理工宅的處女作,就交織出複雜的劇情、深厚的感情、合理的線索,讓讀者跟著一位宅男抽絲剝繭,並且在宅了很多年的象牙塔脫困後在現實世界中遭遇各種逃避過的衝撞,簡直就是本宅男的異想世界,宅得很精彩!

死了一個研究生以後》中的命案把一自以為投身科學研究的宅男搞得七葷八素,現實中更多阿宅的故事只恐怕更杯具。《死了一個研究生以後》把一個宅男的生活和心理刻畫得入木三分,包括對正妹們的諸多性幻想。我雖然一點也不宅,但看看周遭的宅男們,也感到好親切和熟悉。

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圖/pexels

作為一部傳說中的推理小說,《死了一個研究生以後》是有些不足,就是壞人實在太善良了,果然學界大佬都還是吃素的,讓結尾對照整本小說而言顯然不夠緊張刺激。連邪惡的老闆也只能拿科學哲學大師孔恩 (Thomas S. Kuhn,1922-1996)《科學革命的結構》(The Structure of Scientific Revolutions) 的典範論來打打嘴炮,讓我真想巴他兩下,用力打臉說他怎麼知道他的典範不會被轉移掉,造個屁假啦。然而,瑕不掩瑜,近年台灣已少有這麼優異的小說問世了!

泛科學現在推了個泛科幻獎,徵求短篇和中短篇科幻小說。我已想好兩部科幻推理小說的題目了:《死了一個大學校長以後》,以及其續集《死了一個教育部長以後》,請大家拭目以待,期待都能在夢中讀到這兩部劃時代的巨著!

最後,本人在此特地聲明:

本人樂觀開朗,身體健康,無任何使我困擾之慢性病或心理疾病,故絕不可能做出任何看似自殺之行為。

本人從無睡眠困擾,故不需服用安眠藥。

本人不酗酒亦不吸毒,也絕不會接近下列地點:
1. 開放性水域
2. 無救生員之游泳池
3. 有高壓、危險氣體,或密閉式未經抽氣處理之地下室、蓄水池、水桶等
4. 無安全護欄之任何高處
5. 任何施工地點(拆政府除外),包括製作消波塊之工地
6. 任何以上未提及但為一般人正常不會前往之地點

本人恪遵下列事項:
1. 車輛上路前會檢查煞車部件、油門線等,並會在加油前關閉車輛電源與行動電話。
2. 絕不擅搶黃燈、闖紅燈。
3. 乘坐任何軌道類交通工具一定退到警戒線後一步以上,直到車輛停妥。
4. 騎乘機車必戴安全帽;乘車必繫安全帶。
5. 絕不接近任何會放射對人體有立即危害的輻射之場所(如核電廠)或設備。
6. 颱風天不登山、不觀浪。

本人將盡可能注意電器、瓦斯、火源之使用。

本人居住之房屋均使用符合法規之電路電線,絕無電線走火之可能;也絕未在家中放置過量可燃性氣體或液體。浴室中除該有之照明外,不放置任何電器用品,並在睡覺前關閉除電燈、冰箱、電扇外之所有電器開關。

本人絕不會與隨機的不明人士起衝突,並盡可能保護自我人身安全。

所以若網友在看完此聲明之後,近期或將來發現此帳號不再上線,請幫我討回公道,謝謝。

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本文原刊登於 The Sky of Gene

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Gene Ng_96
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來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋

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希格斯玻色子的發現,與仍待破解的質量謎題──《這世界難捉摸》
天下文化_96
・2018/04/28 ・2894字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 535 ・七年級

大家都覺得很重要,但希格斯玻色子到底是什麼?

2012 年粒子物理學家正式宣佈發現希格斯玻色子,這件事馬上變成國際頭條,《紐約時報》寫道「希格斯玻色子的發現,代表科學的進步,能對現代文明提供最好的解決方案。」每個人都像發現大秘寶一樣興奮,不過清楚知道自己在興奮什麼的人應該不多……不信的話我們先來做個小測驗好了!

希格斯小測驗

一、在「希格斯玻色子」這個名字用來命名粒子之前,它最為人所知的是:

  1. 兒童最愛的電視小丑
  2. 中情局最危險的間諜代碼
  3. 在「星際大戰」中,天行者路克的兒時玩伴
  4. 你朋友在「龍與地下城」中的角色

二、對或錯:如果直接吞下去,希格斯玻色子比超火辣口味「奇多」更容易上癮。

三、對或錯:希格斯玻色子是希格斯和玻色這兩位理論家所預測的粒子。

看完文章後在附註中核對你的答案,看看你知道多少:)註1

2012年,希格斯玻色子宣布被發現。上圖為希格斯玻色子通過衰變為強子噴流的質子與電子的碰撞形成這樣的景象。圖/Lucas Taylor / CERN@wikipedia

認真來說,找到希格斯玻色子是科學的一大勝利。它給了我們一個最佳展現,那就是:尋找模式是了解宇宙的良好方針。

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希格斯玻色子可能存在的想法,來自於研究傳遞作用力的粒子模式,以及關於它們質量的問題,這些粒子是光子、W玻色子和 Z玻色子。物理學家問:「為什麼它們其中的光子沒有質量,但是其他粒子(W及Z)的質量非常大?」就一個我們稱為質量的標籤來說,這種有些力場粒子質量是零,但有些不是零的特殊情況,實在是太奇怪、太莫名其妙了。

希格斯和其他幾位粒子物理學家關注了這個問題一段時間,就決定這樣找出答案:把質量做出來吧。

真的,他們就是這樣做的!如果你再添加一個粒子(希格斯玻色子)和它的場(希格斯場)到方程式裡,那麼把質量視為粒子標籤(以及某些粒子為何有更多質量)的想法,就開始有了意義。

大致說來,這個理論可以如此陳述:

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希格斯場可以想像成一個瀰漫整個宇宙的場。它可以做其他場不能做的事:既非吸引力也非排斥力,而是讓粒子寸步難行或是速度減緩。希格斯場能讓粒子達到與擁有慣性質量般的相同效果。

希格斯場與粒子之間的交互作用愈多,粒子看起來擁有的慣性(或是質量)就愈大。這進一步暗示,粒子與希格斯場交互作用所產生的慣性,就是粒子的質量。這就是粒子「擁有質量」的定義。

一些粒子非常強烈的感覺到希格斯場,代表它們需要很大的力量來加速或減速:這些粒子有很大的質量。其他粒子幾乎感覺不到希格斯場,所以它們只需要很小的力量來加速或減速:這些粒子幾乎沒有質量。

讓我們花點時間思考一下。希格斯場的發明,是一個典範轉移的見解,同時也是一個明顯無趣的聲明。

希格斯場是一個典範轉移, 因為它給了你對於「質量是什麼?」這個問題,一個全新的思考方式,這是不得了的成就。但是,希格斯場的論述也是沒什麼大用的,一旦你接受了粒子質量不過是神祕的量子標籤,而不是粒子的內含物。

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事實上, 它沒有解決最重要的問題:「為什麼粒子有不同的質量?」 所有的理論都是把一個問題變成另一個不同的問題:「為什麼所有物質粒子對希格斯場的感覺都不一樣?」

根據希格斯理論,物質粒子的質量大小並沒有特別的理由。質量大小就好像是隨機選擇一樣,也可以有完全不同的數值。即使你改變質量,也不會打破任何理論,現有的物理定律仍然照樣運行。

希格斯理論確實解釋了為什麼作用力粒子(光子、W 和 Z)具有現有的質量,但是不能通盤解釋物質粒子為什麼具有不同質量(為什麼有些與希格斯場交互作用多,而有些卻很少)。質量大小可能有種模式,但是到目前為止,最好的宇宙理論只將物質粒子的質量列為任意數目。

重力質量

我們來到了有關質量奧祕的最後一片拼圖。

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當我們之前思考如何測量某物的質量時,你很可能也想到了一個不同於發泡膠子彈玩具槍的精確方法:何不用磅秤!

磅秤能測量物體的重量,也就是測量地球對物體施加的重力拉力。這與質量密切相關,因為擁有更多的質量,受到地球的拉力愈大。在一個粒子的情況下,你也可以把重力質量看成「重力荷」。當兩個粒子有電荷時,它們彼此感覺到電力,電力與電荷成正比。以同樣的方式,當兩個粒子具有質量時,它們感受到與自身質量成比例的重力吸引力。

奇怪的是,重力只有吸引力。

兩種質量是一樣的嗎?

重力質量與我們前幾頁談論的慣性質量相同嗎?可以說是,也可以說不是。

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說它不是,因為我們所謂的「重力質量」,似乎決定了施加在物體上的重力,而且我們使用不同於慣性質量的技術(磅秤)來測量它註2

說它是,因為我們可以用兩種方式來測量質量,到目前為止,我們從未觀察到物體的重力質量和慣性質量之間的差異。

這多麼令人匪夷所思。沒有真正的直觀原因有說明,兩種質量應該一樣。它們其中一個(慣性質量)是描述如何抵抗運動,另一個(重力質量)是描述有多想被重力拉動。

以我們現在的物理學架構來看,我們不知道為何如此。我們只是假設兩種質量是一樣的,而這個等效性假設,是愛因斯坦廣義相對論的核心。廣義相對論用非常不同的方式看待重力。它不是把重力視為:作用於附著在粒子和能量背後的任意「荷」,而是把重力描繪為質量和能量周圍時空的彎曲或扭曲。

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所以,愛因斯坦的理論讓兩種質量的聯繫更加自然,不過它還是沒有告訴我們「為什麼是這樣」。除了相對論之外,我們的粒子物理學理論把重力質量和慣性質量視為不同的概念,但實驗上我們看到,它們是一樣的。這非常強烈的表明,兩種質量有極深刻的聯結。

  • 註1:如果你真的試圖回答任何一個問題,代表你應該有好好閱讀這一章,但還是一頭霧水,對吧?這就是作者想要表達的感覺XD
  • 註2:這是牛頓的重力觀。往後,我們會學到廣義相對論的版本,在廣義相對論裡,重力不是作用力,把重力視為質量造成的時空扭曲會更加合理。

 

 

本文摘自《這世界難捉摸:霍金也想懂的95%未知宇宙》,遠見天下文化出版。

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天下文化_96
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