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加速變奏曲—探索基本粒子的大強子對撞機

科學月刊_96
・2012/06/05 ・6887字 ・閱讀時間約 14 分鐘 ・SR值 590 ・九年級

夸克組成質子與中子,質子、中子和電子組成原子,原子組成分子,分子組成你我所知的世界。一句話道盡了50 年來粒子物理學家探尋的答案。

余欣珊

對於現在的年輕人而言,網路已經成為生活中不可或缺的一部分:交友、蒐集資訊、玩遊戲……;虛擬世界中的一切,似乎比日常生活中的人事物還要更真實。在這樣環境下長大的妳或你,是否曾經問過:自然世界是由什麼組成的?

探索自然世界的組成

在西元前600 年的古希臘時代,「自然世界是由什麼組成」是一個熱門的議題。古希臘哲學家們企圖在神話之外,用理性的思維去了解肉眼所觀察到的自然界中的循環和變化,譬如:水為何會變成冰,空氣凝結為何會變成水等等。在米力特斯(Miletus,古希臘城市,位於今土耳其的西半部)有三位哲學家:泰利斯(Thales, 624~546 BC)、 安奈克西曼德(Anaximander,610~546 BC)、安那西梅斯(Anaximenes, 585~528 BC),認為自然界的一切事物雖然看似變化萬千,但必定是由一種基本物質所組成。三人持有不同觀點,分別認為這個單一的基本物質是水、無界限者或空氣。

100 年後,德模克里特(Democritus,460~370 BC)提出了唯物論:每一種事物都是由一種微小且不可分割的積木所組成;他稱這些積木為原子(atom)。因為沒有一件事物會來自虛無,所以大自然的積木必須是永恆的。所有的原子都是堅硬結實的,但卻非完全一樣,而大自然是由無數形狀各異的原子所組成。德模克里特不相信有任何力量或靈魂介入大自然的變化過程,大自然每件事情的發生都是相當機械化的,萬事萬物都遵守必要的法則。

雖然這些希臘哲學家的想法非常簡潔漂亮,但是他們並沒有實驗的根據。兩千多年後,俄國科學家門德列夫(Mendeleev,1834~1907)首創化學元素週期表〔註一〕,把當時所發現到的原子依其原子量大小做了排列,而且觀察到這些原子的化學特性都可以被簡化和分組,暗示了原子是由更小的基本粒子所組成。經過了五十多年實驗和理論的相互激盪,物理學家建立了今天的粒子物理標準模型(standard model)。

粒子物理標準模型

在標準模型裡,基本粒子包含夸克(quarks)、輕子(leptons)、和作用子(forcecarriers),如圖一。有六種夸克和六種輕子以及它們的反粒子:上夸克(up,u)、下夸克(down,d)、魅夸克(charm,c)、奇夸克(strange,s)、頂夸克(top,t)、底夸克(bottom,b)、電子(electron,e)、渺子(muon,μ)、濤子(tau,τ)、電子微中子(electron neutrino,ve)、渺子微中子(muonneutrino,vμ)、濤子微中子(tau neutrino,vτ)。四種作用子負責傳遞基本交互作用力:光子(photon,γ)負責電磁力、膠子(gluon,g)負責強作用力、而Z玻色子和W玻色子負責弱作用力。

圖一: 現今粒子物理標準模型裡的基本粒子: 夸克 (quarks)、輕子(leptons)、和作用子(force carriers)。

夸克之間或輕子之間並不直接交流,而是透過像郵差一樣的作用子來傳遞訊息而產生交互作用,所傳遞的訊息強度大小決定於粒子所帶的「電荷」大小以及作用力常數。夸克因為帶有電磁電荷、色電荷和弱電荷,可以「接收」到這四種作用子的訊息。輕子不帶色電荷,所以接收不到膠子的訊息(不參與強作用力)。特別一提的是:微中子只帶有弱電荷,只能感受到弱作用力,被暱稱為「鬼粒子」(ghost particle)。

在電磁力、強作用力和弱作用力之中,無疑地,大家最容易感受到也最熟悉的是電磁力。帶正電的原子核和帶負電的電子,藉由光子而相吸引並鍵結成原子,雖然原子呈電中性,兩個非常靠近的原子,就像兩個電偶極一樣相互吸引,這吸引力便是所謂的凡得瓦力,原子群藉由凡得瓦力鍵結而組合成了分子。電磁力決定了原子和分子的化學性質。同理地,帶有色電荷的夸克(或反夸克)藉著膠子而鍵結成色中性的介子或重子〔註二〕;你所熟悉的質子和中子,便是眾多上夸克和下夸克的排列組合中最輕和最穩定的重子。而質子和中子就像「色偶極」一樣,相互吸引而組成了原子核。弱作用力雖然強度比強作用力和電磁力小了4~6個數量級,但它其實是地球生命的起源:弱作用力讓太陽中的氫在一連串的反應後轉換為氦,並釋放出光和熱,而放射性衰變的產物,更被拿來應用在癌症治療等醫學用途上。

注意!當一個粒子被稱為基本粒子時,代表我們認為這個粒子無法再被分割,沒有內部構造。但是,有別於大家對於「基本粒子是永遠不變」的直覺,雖然它們無法被分割,卻可以透過電磁力或弱作用力,衰變到其它較輕的基本粒子。在標準模型裡,只有第一代粒子組成了穩定的物質,其他粒子所組成的物質(重子或介子)生命期較短,最終都會衰變到第一代粒子或是作用子。

粒子物理學界當前課題

對於「自然世界是由什麼組成」這個問題,粒子物理標準模型雖然給了我們一個最接近真實世界的答案,但並不是一個最理想和最完整的答案。還有許多問題尚未找到解答,以下提出幾個例子。

現今的物理學家和希臘哲學家有同樣的信念,相信自然界可以由少量的法則來決定;但標準模型的基本粒子數目,似乎還是多了些。是否代表夸克和輕子並不是基本粒子,兩者只是一個更基本的粒子在低能量時所展現的一體兩面?又或者基本粒子數目不少,而我們尚未找到所有的夸克和輕子?細心的讀者應該也發現標準模型尚未把重力納入,是否還有一個重力作用子?另外,這些基本粒子的質量範圍甚廣:有比電子輕的微中子,也有重達184倍質子質量的頂夸克,兩者質量差了11個數量級,為什麼這些基本粒子會擁有質量?在作用子中,光子和膠子沒有質量,但是為什麼W 和Z 玻色子卻是質子質量的86和97倍?是因為它們和希格斯粒子的交互作用?那為什麼我們還沒有找到希格斯粒子?在宇宙大爆炸時,估計有相等數量的正粒子和反粒子,為什麼現在自然界中的穩定物質是由正粒子所組成的,而我們只能在實驗室的產物中看到反粒子?

為了找到這些問題的解答,物理學家設計了各種實驗來了解這些基本粒子的性質。在標準模型中,大部分的粒子無法穩定存在,但是物理學家可以在較單純的實驗室環境裡製造,然後用像照相機一樣的偵測器,把這些粒子或是它們衰變之後產物的軌跡記錄下來,再用電腦分析這些數據。

若要製造質量較輕的粒子或是它們的反粒子,可以拿高速的電子或質子去撞一個金屬靶,然後再過濾掉不想要的產物,這就是所謂的定靶實驗;魅夸克和底夸克便是在美國布魯克海文實驗室(Brookhaven National Laboratory)、史丹佛直線加速器中心(SLAC National Accelerator Laboratory)以及費米高能實驗室(Fermi National Accelerator Laboratory, FNAL)裡的定靶實驗發現的。但是粒子物理學家除了想了解基本粒子的性質,更想找到希格斯粒子和發現標準模型以外的新粒子;尚未發現到的新粒子質量多半極高,可能是質子質量的數百倍甚至千倍。而定靶實驗有個缺點——無法將整個系統的能量百分之百地都轉換成質量以產生粒子。既然所有的撞擊都必須維持動量守恆,定靶實驗裡的發射物撞擊金屬靶之後,系統能量有一部分必須貢獻到產物的動能上,使得撞擊後產物的總動量等於撞擊前發射物的動量。定靶實驗的質心系能量為√2mtargetEbeam。

相反地,對撞機實驗對撞兩個有相同能量但相反動量的質子或電子,高質量的新粒子可在靜止狀態下被產生,也就是說,所有對撞物的能量都被拿來轉換成質量;其質心系能量為2Ebeam。而具有高質量的W玻色子、Z玻色子以及頂夸克,便是在歐洲核子物理研究中心及美國費米高能實驗室裡的質子–反質子對撞機實驗裡發現的。

現今能量最高的對撞機,位於瑞士日內瓦近郊的歐洲核子物理研究中心(European Organization for Nuclear Research,CERN),也就是大家之前常在新聞報導裡看到的大強子對撞機(Large Hadron Collider, LHC)。

大強子對撞機

大強子對撞機(LHC)是一個圓形加速器,位於地下約100 公尺,周長有26.7 公里,主要由一連串的共振腔(提供以無線電頻率變換極性的電場)、1232個偶極超導磁鐵、392個四極磁鐵所構成(一共有9593個磁鐵!)電場的功用是加速帶電粒子,而磁場的功用是彎曲和聚焦這些帶電粒子,並讓它們在四個對撞點對撞。在四個對撞點各自設有一個偵測器,量測因對撞而產生的粒子的性質。整個加速器橫跨瑞士和法國兩個國家,是世界上最貴(建造花費為5億瑞士法郎)、最大也是能量最高的強子加速器。所使用的強子大部分時間是質子,每一年有一個月的時間會進行鉛離子的對撞。以下文章將針對質子對撞做介紹。

圖二:位於瑞士日內瓦近郊的大強子對撞機。

大強子對撞機整個實驗配置包含LHC加速器、前級加速器、以及4個對撞點上的偵測器:ATLAS、LHCb、CMS 、ALICE 。首先,氫原子裡的質子和電子被解離,質子在直線加速器裡(Linac2)被加速到5000萬電子伏特(50 MeV)。接下來,質子被送到半徑越來越大的圓形前級加速器——質子同步加速器的推進器(Proton Synchrotron Booster,PS Booster)、質子同步加速器(Proton Synchrontron,PS)、超質子同步加速器(Super Proton Synchrontron, SPS),而達到4500億電子伏特(450 GeV)的動能。為了增加物理反應和產生有趣粒子的機率,有超過1011個質子被壓縮在一個半徑約30~45 微米(μm)、長度約10 公分的圓柱空間。至於每一階段的加速器,除了加速質子群以外,也不斷地在冷卻、聚焦質子群,以達到高密度的質子束(proton bunch)。最後,兩個質子束各自沿著順時鐘和逆時鐘的方向,在LHC 軌道裡運行約20 分鐘後,達到最高動能(設計最大值是7 兆電子伏特, 7 TeV)。

質子在加速器裡的能量與速度

讓我們再回顧一下帶電粒子在垂直其運動平面的磁場中如何運行:其軌跡的曲率半徑和磁場大小成反比,和粒子的動量成正比;也就是說,如果要讓粒子維持在同一個圓形加速器軌道(固定的曲率半徑),磁場大小必須隨著動量而改變。LHC 磁場強度的最高值8.33 特斯拉(Tesla)和軌道的半徑26.7 公里,決定了質子可以擁有的最高能量——7兆電子伏特,也就是說,質子–質子對撞時質心系能量最高可達到14 兆電子伏特。在2010和2011年,LHC先以7 兆電子伏特的質心系能量來運行(每個質子能量為3.5 兆電子伏特),也就是最高能量的一半。2012 年的運行,則把質心系能量提升到8 兆電子伏特。1 兆電子伏特的能量,相當於1.6 爾格(1.6 × 10-7 焦耳),其實也不過是一隻蚊子做全速飛行所需要的能量,甚至遠小於一個100 公克蘋果落下1 公尺所獲得的動能(1 焦耳)。

圖三:大強子對撞機(LHC)整個實驗配置:前級加速器(PS Booster 、PS 、SPS 、Linac 2)、和四個 對撞點上的偵測器(ATLAS 、LHCb 、CMS 、ALICE)。

「加速器」這個名稱以及牛頓力學裡的動能K =1/2mv²,可能讓你認為「粒子在加速器裡運行時,其速度和動能不斷地在增加」。但事實上,任何一個有質量的粒子,其速度都無法超過光速。經過狹義相對論的修正後,粒子的動能應該是K =(γ-1 )mc²,其中γ和粒子的速度有關:γ=1/(√(1-v²/c²))

圖四:經過狹義相對論修正後粒子的能量和速度之 間的關係。虛線代表的是當粒子在靜止狀態時的總 能量mc 2,其中m是粒子的靜止質量而c 是光速。 粗的實線代表的是粒子在速度不等於零時所帶有的 總能量;粗實線和虛線之間的差異便是粒子的動 能:K =(γ- 1)mc 2 。細實線代表的是靜止能量 (mc 2)和牛頓力學動能K =1/ 2 mv 2 的總和。

當粒子速度遠小於光速時(v<<c),γ近似於1 + 1/2(v²/c²),又回到了牛頓力學裡的動能。當粒子速度接近光速時,粒子速度增加的比率卻遠比粒子動能增加的比率緩慢,見圖四;而表一所列的是質子在每一階段的加速器所達到的最大動能和速度。

大強子對撞機研究團隊

在LHC 對撞點上的每一個偵測器都有一個實驗團隊負責,分別是ATLAS(A Toroidal LHC ApparatuS ,超導環場探測器)、CMS(The Compact Muon SolenoidExperiment ,緊湊渺子線圈)、ALICE(A Large Ion Collider Experiment,大型離子對撞機)、和LHCb(LHC Beauty,LHC底夸克偵測器)。其中,ALTAS和CMS的實驗團隊多達3000 人,偵測器有多功能並且包含的角度區域遠大於ALICE 和LHCb ,主要是為了尋找希格斯粒子,並且探測標準模型以外的新物質。在這兩個大型實驗團隊裡,中央研究院物理所隸屬於ATLAS 實驗,而台灣大學和中央大學物理系則隸屬於CMS 實驗。

相對於ATLAS 和CMS ,ALICE 和LHCb 團隊較為嬌小,但是也有600~1000 人。ALICE,顧名思義,專攻於研究鉛離子對撞而產生的夸克–膠子電漿(quark-gluon plasma)狀態,以了解宇宙的形成。LHCb則專攻於研究底夸克的性質,以幫助了解正粒子和反粒子的不對稱緣由。

在這4 個偵測器中, ATLAS 偵測器體積最為龐大:長46公尺,寬25公尺,高25公尺,相當於10 層樓高和3 個籃球場地大小。而CMS偵測器則最重,有1 萬2500 公噸,相當於65 隻藍鯨的體重(現今地球上最重的動物)。除了在4個對撞點上的偵測器, 還有2 個小型偵測器, LHCf和TOTEM,分別位於ATLAS和CMS偵測器的前端和後端。這2 個小型實驗探測在ATLAS和CMS對撞點所產生的粒子,可以補足2個大型偵測器無法包含的區域,也可以量測質子束的亮度。

對撞點上的偵測器通常包含著一層又一層的子偵測器,見圖五。在最內層、最靠近對撞點的是帶電粒子軌跡偵測器(tracker),再外面一層有電磁和強子量能器(electromagnetic calorimeter andhadron calorimeter),而最外面一層有渺子偵測器(muon detector)。各個實驗在不同區域有大小不一的磁場。為什麼要這樣安排子偵測器的位置?

圖五:粒子在CMS 偵測器裡以及在磁場影響下的行進軌跡。所顯示的是CMS 偵測器垂直於質子束方向的30 °截角剖面圖。 粒子包含有:渺子、電子、帶電強子(如:π介子)、中性強子(如:中子),以及光子。

偵測粒子的軌跡

想要徹底了解粒子的性質,我們必須要知道粒子被產生時的動量大小、方向、和能量大小,也就是所謂的四維動量(four-momentum)。帶電荷粒子的動量大小和方向,可以從它們在tracker裡所留下的訊號而算出——動量大小正比於粒子在磁場中運動軌跡的曲率半徑;而質子–質子對撞點,也就是粒子產生點,和tracker有訊號的位置,兩點的連線方向便是動量方向。

常見的tracker 具備有矽晶軌跡追跡系統和氣體漂移室。不管tracker的材料為何,其物質密度都不能過高,如此一來,當帶電粒子經過tracker時,只會損失非常微小的能量(KeV),而所量測到的動量便不會偏離帶電粒子進入tracker之前原有的動量。如果粒子本身是不帶電荷的,但是會衰變到帶正電和帶負電的粒子,我們可以從這些衰變產物來推導出原來粒子的動量。

粒子的能量,可以由電磁和強子量能器裡的訊號來得到。量能器是一種「破壞性」偵測器,本身可以誘發簇射,所以必須放在tracker外圍,才不會干擾動量的量測。簇射產物中,起初只有少數高能量的次級粒子,這些次級粒子進一步被引發二次簇射、三次簇射……,使得次級粒子的數目逐漸增加,而能量逐漸降低。一旦所產生的次級粒子能量夠低並且帶有電荷,這些次級粒子便會被量能器記錄下來。起始粒子的能量越高,可以產生的次級粒子數目越多,量能器裡的信號也越強。

那麼,既然渺子帶有電荷,我們可以用tracker量測到它的動量,為何在量能器外圍,還需要裝一個渺子偵測器?原因是,在標準模型裡帶電荷的粒子中(輕子、W玻色子、或是帶電荷的強子),只有渺子可以在損失極小能量的情況下,穿越量能器,而在渺子偵測器被偵測到。其他粒子不是早就衰變,便是已經損失所有的能量在量能器裡,例如電子或正子在電磁量能器中損失所有能量。雖然渺子最終還是會衰變,不過它的生命期是2.2微秒,平均來說,對於一般對撞機所產生的渺子,至少要行進6000公尺才會衰變,這距離顯然遠大於一般偵測器的大小。渺子偵測器的基本作用原理,事實上和靠近對撞點的tracker一樣,所使用的種類大多是氣體漂移室。

如同前面所提到的,微中子不會和對撞機偵測器產生電磁交互作用或強交互作用,所以無法被直接偵測到。判別微中子的方法,只有看每個對撞事件裡,是否有「迷失動量」(missing momentum)?

在同一個質子–質子對撞事件裡,所有的粒子的總動量必須等於零,如果有粒子沒有被偵測到,其他被偵測到的粒子的總動量便會不等於零,也就是說,這個對撞事件有迷失動量。迷失動量是所有偵測到的物理量裡,最難校正的一項,偵測器要是有一個區域無法正常運行,或是被偵測到的粒子能量有誤差,對撞事件便會產生一個「偽迷失動量」。雖然困難,但是許多粒子物理學家還是努力研究「迷失動量」,因為除了微中子之外,尚未發現到的重力作用子、超對稱粒子、或其他新粒子,都有可能逃離偵測器而留下迷失動量。

粒子物理學的戰國時代

西元2011年無疑是粒子物理界裡的戰國時代。有造成不少騷動但後來證實是曇花一現的:微中子超越光速、在W玻色子事件中的未知粒子(雙噴射流激態, di-jetresonance)、以及疑似希格斯粒子衰變到雙光子的事件。也有超越前人的:縮小希格斯粒子的質量範圍和超對稱理論的參數值空間、在重離子對撞中看到反氦原子核、噴射流在夸克–膠子電漿裡的能量衰減、和許多檢驗標準模型的測量。以上對於粒子物理實驗,作了一個很基本的介紹,期待吸引有興趣的學生加入我們的行列,一起向未知的世界挑戰。

註一:直到西元2012年為止,元素週期表已經有118種原子。
註二:一旦夸克被產生,便無法單獨存在。一個夸克必須和一個反夸克鍵結成一個介子,或是和兩個夸克鍵結成一個重子,以達到色中性的狀態。

余欣珊:任教中央大學物理系
原文發表於《科學月刊》第四十三卷第五期

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科學月刊_96
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木工之子自學成師——現代分子科學之父:凡得瓦的逆境人生
ntucase_96
・2021/12/17 ・2006字 ・閱讀時間約 4 分鐘

本文轉載自 CASE 報科學 《【物理史中的十一月】1837 年 11 月 23 日:現代分子科學之父——凡得瓦(Johannes van der Waals)的誕生

  • 文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2021 年 11 月)

1837 年 11 月 23 日:現代分子科學之父——自學成功的科學家凡得瓦(Johannes van der Waals)的誕生。

凡得瓦(Johannes Diderik van der Waals)。圖/維基百科

在《費曼物理學講義》中,廣為人知的是,費曼一開始便問,人類最應該為子孫保存的是哪一則科學知識,而他的答案是:所有物質皆由原子所組成。雖然這看起來顯而易見——事實上,原子的概念可追朔到古希臘時代——然而原子的存在直到 20 世紀一直都是科學家激烈爭辯的問題。提供世界由分子組成的觀點強而有力、令人信服證據的是凡得瓦(Johannes Diderik van der Waals),他原是一位荷蘭的小學老師,物理知識大都自學而得,然而他努力不懈,終成了現代分子科學之父。

這位後來的諾貝爾獎得主於 1837 年 11 月 23 日出生在荷蘭萊登市(Leiden, the Netherlands)一個困苦的木工家庭,是家中 10 個小孩中的老大。在當時,女孩和工人階級的男孩都無機會接受嚴謹的中等教育,因此,凡得瓦早期的教育只有閱讀、寫作和基本的算術,幾乎沒有接觸自然科學的機會。

凡得瓦 14 歲離開學校去當小學老師, 24 歲時當上小學校長。他渴望更多知識,所以利用閒暇時到當地萊登大學(Leiden University)上數學、物理和天文課程,卻因為入學許可規定要考拉丁文,數度被拒絕註冊為全職學生。後來荷蘭實施全面的教育改革,推廣中學教育制度,凡得瓦致力於要成為中學教師,終於當了 10 多年的物理老師。

隨著荷蘭教育政策進一步改革,取消大學入學考拉丁文的規定,開展了凡得瓦的世界,他很快地在萊登大學通過物理和數學的資格考試,開始他的博士學業。1873 年,他終於在 36 歲時獲得博士學位。

凡得瓦的博士論文《關於氣體和液體狀態的連續性》奠定了現代熱力學的基礎,終於讓他於 1910 年獲得諾貝爾物理獎。在論文中,他主張用一個統一的模型來說明氣體和液體的性質,後來成了知名的凡得瓦方程式:

(P + a/V2 )(V – b)= RT

在此,P, V, 和 T 代表物質的壓力、體積和溫度,a 和 b 是常數。

凡得瓦研究的重要性在於他調整理想氣體狀態方程式(PV = nRT),以涵蓋分子和分子間力,這種洞察力在當時分子的存在仍是激烈爭辯的議題來說,是很有遠見的,更不用說論及原子交互作用和彼此的施力了。為了表達對他的敬意,從那時開始,已被證明存在於分子之間的弱作用力都稱為凡得瓦力。

熱力學領域的巨人馬克士威(James Clerk Maxwell)在評論凡得瓦發表於《自然》(Nature)雜誌的論文時,很有先見地指出:「毫無疑問地,凡得瓦的名字很快地會被列在分子科學最前沿中。」雖然有這早來的讚譽,但凡得瓦成就所得到的認同卻來得緩慢,主要因為他的研究起初只以荷蘭文發表。直到 1877 年,凡得瓦的發現在廣泛流傳的德語雜誌《物理學年鑑》(Annalen der Physik)中被做了概述介紹後,物理界才完全明白此研究的創新本質,而激起一陣液體和氣體分子物理的研究熱潮。

因為此廣泛的讚譽,凡得瓦離開他中學物理老師的職位,接受了新成立的阿姆斯特丹大學(University of Amsterdam)的物理教授職。在被學術界拒於門外這麼久後,凡得瓦和他交往密切的同事凡特何夫(Henry van’t Hoff,第一屆諾貝爾化學獎得主)以及德富力(Hugo de Vries,開創性的遺傳學者)最終引領了新大學在荷蘭科學嶄新的黃金年代中脫穎而出。

凡得瓦隨後的成就包括對應狀態定律,此理論被視為氫和氦液化,以及接著於 1911 年發現超導性的基礎,還有早期的毛細管理論,以及二元混合物理論,其對於化學工程以及地球化學有著持續性的影響。凡得瓦也預見團簇化學和物理學的重要性,此領域的研究在最近數十年才漸熱門起來。

雖然有這許多成就,但凡得瓦是出了名的謙虛,這在他得諾貝爾獎演講的開幕詞時也許最為明顯:「現在我有此殊榮,在傑出貴賓雲集的場合討論我有關於氣體和液體本質的理論研究,我一定要克服我談論我自己以及我的研究時缺乏自信的狀況。」

凡得瓦很重視他的個人隱私。悲劇於 1881 年降臨他家,那年他太太安娜突然因肺結核病死,時年僅 34 歲,讓他極度心碎,爾後有十幾年沒有發表論文。他從未再婚,和 4 個小孩過著安靜的生活,女兒安妮持家,賈克琳是有名的詩人,約翰娜是老師,兒子約翰跟隨父親的腳步是當上物理教授。他有一位學生說:「名譽既未改變他的行為,也沒有改變他的習慣。」。

凡得瓦於 1923 年 3 月 8 日過世,享壽 85 歲,他的一生是面對逆境時堅毅的最佳榜樣。

「完全確定的是,在我所有的研究中,我深信分子確實存在,從未將它們視為是我想像的虛構之物,」凡得瓦曾如此說,「但是當我開始研究時,我感覺只有我有這樣的看法。」。

ntucase_96
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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。

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為什麼量子電腦這麼難懂?大概就跟 60 年前要聽懂原子筆一樣難!——專訪旺宏電子盧志遠總經理
科技大觀園_96
・2021/07/21 ・4276字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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近代知名的理論物理學家理查.費曼 (Richard P. Feynman)曾經說過一句名言:
「我認為,沒有人能真正了解量子力學!」
(I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics.)

量子力學到底是什麼?為什麼量子力學可以這麼難懂?最近夯翻天的量子電腦,又是怎麼一回事呢?

中央研究院盧志遠院士不僅曾擔任交通大學教授、 AT&T Bell Lab 計畫主持人,回國後至工研院電子所、經濟部次微米計畫專案總主持人,也投身產業界,先後擔任世界先進積體電路公司、欣銓科技公司、旺宏電子公司等高階決策及董事會團隊,榮獲工研院院士、世界科學院院士、美國國家發明家學院院士、總統科學獎等榮譽,在產、官、學、研四方均有崇高的成就與地位。

因此,科技大觀園特別邀請盧志遠院士,透過訪談,為我們解開量子科技的神秘面紗。

盧志遠院士。圖/盧志遠 院士提供

我談的是足球場,你卻在講足球

盧志遠表示,量子力學會這麼難懂,跟我們看世界的「尺度」有關,當我們看世界的尺度不一樣了,很多看起來應該要很怪的現象,都會變得不奇怪了。

以人類的視角為例,雖然人類在地球上生活了這麼久,但我們的視野實在是太小了,小到仍有許多人認為地球是平的,對許多人來說,要想像自己住在一顆大圓球上,這真的是太怪了!

在當今科學界由人類發展出來的理論中,古典物理適合解釋人們生活的範圍,相對論擅長處理大世界的、天文物理的現象,而量子力學則專門處理「小世界」的問題。

以我們最熟悉的古典物理為例,在地球人生活的範圍和尺度中,以牛頓力學為基石的古典物理都是沒有問題的、具有解釋力的,然而,當我們的眼光放大到整個銀河系時,古典物理就不行了。

同樣的,當我們把視野縮得非常小,小到原子以下時,即使牛頓復活,他與他的運動定律對微觀尺度的現象也將無可奈何。

這些尺度的差異,就像是足球場與足球,甚至是足球場與一滴汗水的大小差異一樣,當尺度不同時,我們看到的現象與解釋方法也會不盡相同,這也就是人們「難以搞懂量子力學」的真正原因,畢竟,量子力學談的東西真的太、小、了!

那些年,讓科學家黑人問號的商品

面對近期出現的「量子」商品,盧志遠笑著問道:「你們有沒有想過,為什麼原子筆要叫做『原子』筆?」

原子筆跟原子有什麼關係呢?圖/pixabay

1960 年代左右,當原子筆準備從歐美進入中文市場時,原子筆尚未擁有自己的中文名稱。

然而,在原子彈、原子能源崛起的年代,「原子」在當時是非常高科技、前端的科學名詞,這種新產品又是當時最新潮、最高級的文具, 因此廠商將其命名為「原子筆」,象徵它是一種尖端科技下的高檔文具

也就是說,原子筆會叫做原子筆,單純只是因為「原子」聽起來很潮。

看到這裡,你是否感到無言以對?隨著科學進展、科學教育普及,接受過十二年國教的我們都知道,「原子」不過就是組成物質的基本結構之一。

原子鍵盤、原子衛生紙、原子杯?天哪!根本一點邏輯都沒有啊!

從原子筆的故事中,我們不難發現,面對「新穎、陌生的科學名詞」時,一般大眾時常抱持著憧憬嚮往、高科技的想像,為了吸引消費者的目光,各大廠商也會為自家產品,冠上這些根本毫無邏輯可言的名詞,濫用新穎的科學概念,像是太空被、磁場面膜、量子假睫毛、AI 牙刷等等。

一顆量子?「量子」根本不是一個東西!

盧志遠感慨道,大約每過十年,就會有產品都會被冠上類似的新名詞,而廠商會透過這些科學名詞,讓大家覺得它們的商品很新鮮、有力量又性感。

近年來,量子力學逐漸走入大眾視野,由於量子力學艱深又新穎,就如同原子筆一樣,許多錯誤的理解和誤用逐漸浮現在世人眼前,例如,市面上已經有許多民生用品、心理諮商的服務被廠商冠上「量子」的名義,甚至以為量子就像是一顆一顆原子一樣,誤將量子當作實體的名詞。

事實上,量子(Quantum)並不是一個「子」,而是一種物理學概念,可以描述物質也可以描述能量。

如果一個物理量存在最小的不可分割的單位,那麼這個最小單位就稱為量子。例如在微觀的世界中,能量的狀態是不連續的,是由一小塊、一小塊能量所組成的能量,而這個最小且不能分割的能量狀態,就是量子。

因為人的世界是巨觀、是連續的,所以不能體會微觀的世界,在巨觀解析度不夠的情況下,才會誤認能量是連續的。就是因為量子是如此的微小,這麼巨大的人類,又怎麼能輕鬆弄懂「量子疊加態、量子糾纏」呢?在我們人類自身尺度、溫度等各種環境中,如此的觀念或現象是極少能夠被體驗的!

既然搞不懂,量子電腦又是怎麼來的?

想必大家都有聽過「量子電腦」的鼎鼎大名,甚至耳聞「量子霸權」這等氣勢恢弘的名詞,可是,之前費曼不是說過沒有人可以搞懂量子力學嗎?既然如此,量子電腦又是怎麼做出來的呢?

IBM的量子電腦。圖/flickr

簡單來說,就是「縱使相當多科學家不完全懂,但是每一個人都會用」。

大家一定都有過「我不懂這個公式從哪來,但是我知道怎麼用」的經驗,就算我們已經忘了如何推導橢圓公式,也搞不懂橢圓公式的原理,但高中生都可以靠著公式,有效解決數學考卷上的各種題目。

又好像每個人都在滑手機,但對於手機裡的中央處理器及高階 3D 記憶體是甚麼東西?相互作用的原理又是甚麼?不要說一般人,可能連非本科的專家都參透不多。

雖然不懂原理,我們一樣可以把手機功能用的淋漓盡致,讓每個人都可以是傳說中具有神力的千里眼順風耳。

而量子電腦也是類似的概念,雖然我們距離完全了解量子力學還有很長遠的距離,還好的是,只需要少數專家皓首窮經了解深層原理與細部操作後,其他領域的專家或工程師就只需要知道在哪些特殊條件下,物質會呈現出量子力學的某些明顯特徵,並且運用這些特徵來進行計算,這樣就足夠推使人類科技應用及生活便利性往前進一大步。

現行量子電腦大多使用低溫環境滿足量子運算的條件,當量子電腦在接近絕對零度的極端低溫環境下時,每個原子的平均動能都非常低,不會破壞別人的量子態,如此一來,科學家就可以操縱在量子現象出現的環境中,藉由量子的疊加態、糾纏、測量等現象來完成特殊的量子運算。

量子電腦有什麼特別的?

比起傳統數位電腦,量子電腦處理資訊的方式完全不一樣,在處理特定問題時,不僅運算力更強,計算速度也會更快。

那是因為量子電腦可以多個量子位元平行處理,不像數位電腦只能序列性、一條一條路徑依序運算。

數位電腦透過0、1的二進位來進行運算,若我們想要讓數位電腦變得更快,就必須勤能補拙,使每單位運算的速度倍增,如果今天的數位電腦一秒鐘可以算一百萬次,未來,我們就要努力讓它在一秒鐘內算上一億萬次。

然而,數位電腦其實並不「聰明」,舉例而言,當我們向電腦要求「從臺灣大學找出一條最快抵達哈佛大學的路線」時,數位電腦會列出所有的路線,再找出旅行時間最短的路線,縱使數位電腦每秒鐘速度已達億萬次以上,要尋找這麼多的途徑,還是得花上很長的時間,有時需要萬年甚至比所謂宇宙生命更長的時間,也就是說,沒辦法解答!

但若以量子電腦來解決相同的問題,則量子位元可以將所有路徑一次性平行處理、同時計算,因此速度將變成指數式(量子位元數)的倍增。

而量子電腦則因為量子位元的特性,當位元數為 n 個時,比起傳統電腦的 n 或是 2n, 量子電腦的訊息空間為 2 的 n 次方,具有指數性成長的優勢,面對越困難複雜的問題,越能顯現量子電腦驚人的威力。

換句話說,量子電腦真正的威力並非計算速度較快,而是能夠平行處理問題。

量子科技興起,我們該如何應對?

2019年,Google與合作團隊提出了量子霸權(Quantum supremacy)的概念,並聲稱自己 53 量子位元(Qubit)的量子電腦達到了量子霸權的境界,可以處理傳統電腦無法處理的難題。由此可知,量子科技是將來的重要發展趨勢之一,我們可預期量子科技一定會對臺灣科技業造成很大的影響。

針對臺灣的未來,盧志遠保守的說,雖然臺灣擁有優秀的高科技人才、半導體產業,但我們只能說在量子科技領域中臺灣沒有處於劣勢,但也無法預期具備什麼明顯的優勢。因為一個從原理、技術、機器設備或使用材料都可能不同的新科技,過去的成功經驗不一定能完美複製,屆時產業及政經環境可能都有不同,既有的優點,有時反而造成拖累,此種現象,在科技破壞性替代時,曾經屢屢出現。

但也因為量子科技是無法迴避的趨勢,我們該如何應對?

以半導體產業做比喻,半導體產業粗分 IC 設計、晶圓製造、封裝、測試,同時需要許多高科技設備和原物料相配合,從結果來看,並沒有單一個企業能夠在不同領域都獲得成功、稱霸一方。

因為每個領域所需的專業技術或營運能力不同、投資也不同,如果同樣概念也適用量子科技產業,企業或國家都應該檢視自己的特長,隨時保持警覺,在最適當時機將有限資源投入最好的運用。

但即使量子科技浪潮來襲,盧志遠認為年輕人並不需要著急、也不需要跟風。可以選擇站在浪尖,也未嘗不可只在岸邊觀潮。

投入量子科技的科學研究,或是關注量子科技趨勢、使用量子科技帶來的成果與便利,創造因量子科技帶來的新應用領域,以破壞性創新發明新商業模式,可能反而是最大的機會。

就個人前途而言,應分析並認識自己的特質與人格找到屬於自己的方向,好好鑽研、好好做事。「成功」的最終門檻,仍然是內心的狂熱和喜歡。

參考文獻

  • Arute, F., Arya, K., Babbush, R., Bacon, D., Bardin, J. C., Barends, R., … & Martinis, J. M. (2019). Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Nature, 574(7779), 505-510.
  • 張元翔(2020)。量子電腦與量子計算|IBM Q Experience實作。碁峰。
  • Even Physicists Don’t Understand Quantum Mechanics
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科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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兩百年前的原子量是怎麼誕生的?
姚荏富_96
・2021/03/08 ・2200字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 547 ・八年級

說到原子量大家可能想到的就是什麼氧是 16、碳是 12……之類的元素與數字的關係,但你知道為什麼氧是 16 碳應該是 12 嗎?又或者原子量到底要用來幹嘛的呢?我想大部分的人在課堂中並不會得到比較具體的答案,所以筆者想在這裡和大家聊聊原子量到底是什麼。

原子量其實就是「一顆原子的質量」,今天如果想要測量一個物質的質量,通常是把物質放到天秤上來測量,但若要把「一顆原子」放到天秤上測量質量,並不是不可能啦,但這就要用到 2018 年的諾貝爾物理學獎的「光聶」技術,才有可能做到(當然,還有要用什麼砝碼來跟「一顆原子」平衡,什麼樣的天秤才足夠靈敏之類的問題)。

要把「一顆原子」放到天秤上測量質量,其實並不是不可能,但這就要用到 2018 年的諾貝爾物理學獎的「光聶」技術,才有可能做到。圖/Wikipedia

有趣的是,早在 18 世紀末期,原子量就出現了!還有具體的數字以及對照表(雖然說跟現在比起來有不少的誤差),兩百多年前可沒什麼「光聶」可以用,想必當時的科學家肯定不是用天秤量出「一顆原子」的質量,那這些原子量是怎麼出現的呢?

當年「元素」是物質的「最純形態」

在 18 世紀後期,科學家們將組成物質的「最純型態」叫做「元素」,而組成物質的「最小單位」叫做「原子」,在十八世紀以前雖然有「原子」這種講法,但當時「原子」與我們現在所學的概念並不相同,在更早以前的人認為所有的物質拆到最小都會是同樣的原子小球,會有不同元素的差異是因為原子排列方式的不同所造成。但其實「每種元素都有屬於自己的原子」,像是氫就有氫原子、氧就有氧原子,你是什麼元素就會決定你是什麼原子。

而這些概念的確立就要討論到 18 世紀末期科學家陸續發現的「定比定律」以及「倍比定律」兩大定律。

定比定律是同一種化合物他裡面的成分質量比都會是固定的,以水為例,水中含有氫與氧,但不管是你的合成水或是野外裝到的水,他的質量比都會是 1:8,這就好像上帝的食譜一樣,每個化合物都會有自己的元素配方和指定的質量比例。

而倍比定律呢?則是成份元素如果種類相同的話,每種物質他們的相同的元素也會出現簡單的整數比關係,舉例來說甲烷和乙烯,兩個都是由碳與氫組成的化合物,這時候分析裡面碳與氫的質量組成比例,就會發現當我碳固定質量時,甲烷和乙烯的的氫質量比就會呈現 2:1。

瞭解這兩個原理之後,科學家發現了相同化合物裡面的元素質量,和不同化合物的元素質量之間,都有著微妙的比例關係,但他們有一個問題遲遲無法解決,那就是不同元素的「一份」應該分別是多重。這時英國科學家道爾吞在 1803 年開了第一槍,他將化合物分為最簡單的二元 (AB)、三元 (A2B or AB2) 以及四元 (AB3 or A3B),並簡單粗暴的認定如果 A、B 兩種元素組合後只能有一種化合物的話,那這種化合物就會是一比一組成的二元化合物。現在看來這個判斷稍嫌武斷,但如果道爾吞沒有這樣定義的話原子量的概念就不會這麼早出來。

如果道爾吞沒有將化合物定義為最簡單的二元 (AB)、三元 (A2B or AB2) 以及四元 (AB3 or A3B),原子量的概念就不會這麼早出來。圖/Wikipedia

道爾吞依據前面的兩個定律與他提出的組成原則,將化合物中通常質量比數字都是最小的氫定為原子量 1(雖然現在我們的氫也是 1 但與這時的氫原子量概念並不完全相同),並以此為基準做了大量的原子量計算,像是根據氨的重量分析,其中氫和氮的重量組成 20:80,那依照上面氫原子量是一的情況下,氮的原子量就是 4(現在看是錯的喇因為當時他認為氨是 NH 但事實上氨是 NH3),又或者是根據水的重量分析,其中氫與氧的重量組成是 15:85,所以氧的原子量是 5.66,又在用氧的原子量去分析碳酸氣(二氧化碳),得出碳的原子量就是 4.5,以上述的原子量推定方式來看就可以知道原子量並不是一個絕對的數字,而是一個相對質量的概念,所以原子量又可以稱之為相對原子質量。

不過你可能會覺得 18、19 世紀的原子量跟我們現在學的數字根本就不一樣,但這又是另一個故事了,我們暫且打住。不過原子量的測定邏輯,基本上還是從道爾吞製作的第一張原子量表延續到現在,其概念就是「既然我們無法抓一顆原子來測定他的質量,我們還可以找出物質化合的質量比例,來找出不同元素的原子之間他們的相對質量」而這就是原子量的基本概念。

相關科學史事件

  •  1789年 愛爾蘭化學家希金斯發表《燃素與反燃素理論的比較》,除了支持拉瓦節的觀點外,他也推測原子只能按一定比例進行化合
  • 1792~1802年 李希特(J.B Richter)提出定比定律
  • 1799年 法國藥劑師普羅斯用人工與天然的鹽基碳酸銅去做測定,確定定比定律
  • 1800年 戴維在《化學和哲學研究》分析了N2O、NO、NO2的重量組成(倍比定律的起始)
  • 1801年 貝托萊在《親和力之定律的研究》中反對定比定律
  • 1803年 道爾吞在論文中假定原子按簡單比例化合
  • 1804年 道爾吞分析甲烷和乙烯之比例,提出倍比定律
  • 1808年 道爾吞出版《化學哲學新體系》

參考資料

  1. 化學通史 – 凡異出版
  2. 化學史傳 – 商務印書館

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姚荏富_96
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成大化學畢,文字/影像工作者,LIS初代科學史圖書館,著有《科學史上最有梗的20堂化學課》。興趣廣泛,涉足科普寫作、影像製作、投資理財、社會觀察、社群經營......技能樹持續擴張中,目標是將學會的知識或技能用有趣簡單的方式分享給大家。