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當你懂《重甲機神》角色名字的由來,你的物理也會跟著變好呢!|重甲科不科?01話

超中二物理宅_96
・2019/10/16 ・2935字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 568 ・九年級

  • 文/施奇廷│東海大學應用物理系暨研究所 教授兼系主任

y編按:一日科宅,終生科宅。而身為終極科宅,只有科學家這個身份還不夠!當然要製作一部滿滿熱血的動畫啊!

而這麼科宅的計畫,泛科學怎能缺席!不只電影要看,更要讓我們一起來好好吐槽聊聊《重甲機神》裡的那些科學與不科學!這次就讓我們來看看,身為科宅,到底該怎麼幫角色取名字吧(無誤)XD

source: FlyingV 平台

當《重甲機神 Baryon》的企劃決定了之後,馬上就要開始為故事裡面的角色、機械、地點取名字了⋯⋯實際上並不是這樣。

一開始討論劇情大綱的時候,都還是以「主角機」、「男主」、「女主」、「男二」、「博士」、「基地」⋯⋯這種普通名詞來進行,因為要為這麼多人事地物取名字真的是一件很傷腦筋的事情啊!所以大家第一個動作都是先逃避現實。

不過真的開始進行製作之後,就無法迴避了。首先當然是「片名=超級機器人的名字」啦!既然我們走的是像「無敵鐵金剛」的「超級系」,而不是像「鋼彈」的「寫實系」路線,講究的當然就是「威力與氣勢」了!

而且因為是海洋及海底的故事,所以需要「厚重的裝甲」(耐壓殼)抵抗水壓;再來是「巨大機器人」這種意象,影射了「人依照自己的形象創造了機械神」,「人憑藉著科技的力量逆天行事」的意涵,所以是「有著厚重裝甲的機械之神」,因此「重甲機神」這個名字就浮現了!

當然啦,我們也不會否認是向「超獸機神」、「魔裝機神」這些名作致敬啦!

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能「變形合體」是阿宅的終極夢想:Baryon 的命名由來

決定了中文名字之後,接下來就是英文了。「巨大機器人魂」發作完,當然就輪到「物理魂」爆發了,既然有「重」這個字,當然就是用「Baryon」(重子)囉!

物理學是研究「物質的基本組成」與「物質之間的交互作用」的科學,目前的物理學已經知道的基本粒子包括「夸克」、「輕子」、「規範玻色子」與「希格斯玻色子」這幾個種類。

我們日常看到的各種物質,都是由原子組成的,原子又由電子(輕子的一種)以及質子、中子所構成的原子核組成,質子與中子都是有三個夸克透過「膠子」(一種規範玻色子)傳遞的強交互作用力「黏」在一起。

凡是由三個夸克結合而成的粒子都是「重子」。重子的質量比輕子大很多(看名字就知道),也就是說,我們目前看到的大部分的物質,質量幾乎都來自重子。

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組成質子與中子的 up 跟 down 是第一代;第二代則是 charm 與 strange;第三代 bottom 與 top,它們一度被部分人稱為 beauty 跟 truth。圖/wikipedia

其實會用「Baryon」這個名字還有一個原因,「無敵鐵金剛」固然經典,但是講到超級機器人,能夠「變形合體」,才是阿宅們究極的夢想啊!所以重甲機神一開始的設定是「三機合體」的機器人,這三部合體前的機械就稱為「真夸克」(Truth)、「魅夸克」(Charm),以及「奇夸克」(Strange),分別由男、女主角以及第二男主角駕駛。

目前夸克一共有六種,分成三代。組成質子與中子的 up 跟 down 是第一代;第二代則是 charm 與 strange;第三代 bottom 與 top,它們一度被部分人稱為 beauty 跟 truth,不過可能大部分的物理學家覺得這兩個名字太過浮誇,所以採用了比較平實的名字。

但是我們要用的話,當然要用浮誇版的「Truth」啦!至於女主角本來應該用相對於「Truth」,同一代的「Beauty」,不過比較起來「Charm」似乎在語感上更勝一籌,所以在懂得粒子物理的人眼中,採用「Charm」的女主角跟採用同屬第二代的「Strange」夸克的第二男主角反而被「送作堆」了。

考慮我們的觀眾群中,粒子物理專家應該不多(吧?),所以還是以「語感」作為命名的優先考量。

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包辦陸、海、空:男女主角命名由來

然後三個主要角色的名字,以海為家,因劇情需要經常得怒吼的男主角就叫「雷鳴海」。

男主角雷鳴海。

身為偶像歌手,擁有天籟歌聲的女主角則是「苗天音」。

女主角苗天音。

第二男主角是個「出生於英國的前美國空軍飛行員」,加上要向「蓋特機器人」的「陸、海、空」三機合體致敬,所以就把「全世界試飛過最多飛機、在航空母艦起降最多次的世界紀錄保持人,英國傳奇飛行員 Eric Brown」加上英國的名門飛機製造商「Westland Aircraft」合起來,叫做「Eric Westland」好了!

第二男主角 Eric Westland。

附帶一提,Westland 出品最有名的是活躍於 1950 年代的泛用艦載攻擊機「Wyvern」(飛龍),這個代號也使用於押井守導演的名作「機動警察」電影版第二集中,「疑似叛變」的日本空軍 F-16J 戰鬥機,所以本片出現的 F-35 戰機,自然就是叫做「Wyvern」囉!

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不過雖然機器人以及主角的名字想了這麼多,可是很不幸的,「三機合體」這個設定被取消了,因為這會讓作畫複雜度與製作成本大幅增加,只好忍痛放棄!

不只如此,一開始「由各種物理研究儀器拼裝而成的機器人」也因為機械設定與作畫的難度太高而做罷,改成探勘海底資源的作業機器人「重甲機兵」以及對抗侵略者的戰鬥用超級機器人「重甲機神」,不管哪一個,都是「一開始就是個機器人的機器人」!

再會了!我們的「物理儀器拼裝機器人」!

還好至少「重甲機神 Baryon」這個名字就這樣定下來了,三個主角也沒有特別要改名的理由,維持「陸海空」三人組。

創造重甲機神的博士:命名「司空」、「弦」來自「物理語感」

接著是兩位物理系老師的代言人,製造出重甲機神的瘋狂博士,取名為「司空弦」!「司空」字面上可以引申解釋成「掌管宇宙的物理定律」之意,「弦」則是影射目前試圖統一解釋所有物理現象的「弦論」(string theory),當然,本片中並沒有碰觸到任何跟弦論有關的物理學,純粹只是「語感」很物理!

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另一方面,阿宅們大概也猜得到,是在向「無敵鐵金剛」中的「光子力研究所」所長「弓弦之助」致敬。

瘋狂博士司空弦。

最後是重甲機神的家,為人類開拓海洋新邊境的海底都市。決定這個海底基地的名字花的時間連一秒鐘都不到就達成共識,當然是叫「鸚鵡螺」啦!鸚鵡螺是存活在地球上已經數億年,有「活化石」之稱,是古生物學家與演化學家眼中的寶物。

因此,法國科幻小說先驅凡爾納,在他的經典名著「海底兩萬哩」中的超先進潛艇,就命名為「鸚鵡螺號」。之後美國海軍第一艘服役的核子潛艦,也以此命名。目前在太平洋巴布亞新幾內亞海域水面下 1600 公尺,執行人類第一個深海採礦計畫「Solwara 1」的公司,名字就叫做「鸚鵡螺礦業」……

海底都市「鸚鵡螺」的設計圖。

嫌老氣又誇張?這種文字的魔力中二中年才懂得

在創作的過程中,「命名」其實是一個相當奇妙的作業。「名字」只是一個代號,不管名字怎麼取,故事都不會改變,但是「語感」還是有可能會微妙的影響閱聽者看這個故事時的感受,這就是文字的魔力吧!

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此外,趁著為角色命名時,可以任意加入自己的各種惡趣味與執念,也算是創作者的特權。至於本片陸續公開情報之後,不時有聽到這樣的抱怨:「雷鳴海、司空弦什麼的,也太老氣又誇張了吧!」由於創作者是幾個中二中年,想出來的名字會有這種感覺也是剛好而已,還請各位多多包涵啊!

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Intel® Core™ Ultra AI 處理器:下一代晶片的革命性進展
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/05/21 ・2364字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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本文由 Intel 委託,泛科學企劃執行。 

在當今快節奏的數位時代,對於處理器性能的需求已經不再僅僅停留在日常應用上。從遊戲到學術,從設計到內容創作,各行各業都需要更快速、更高效的運算能力,而人工智慧(AI)的蓬勃發展更是推動了這一需求的急劇增長。在這樣的背景下,Intel 推出了一款極具潛力的處理器—— Intel® Core™ Ultra,該處理器不僅滿足了對於高性能的追求,更為使用者提供了運行 AI 模型的全新體驗。

先進製程:效能飛躍提升

現在的晶片已不是單純的 CPU 或是 GPU,而是混合在一起。為了延續摩爾定律,也就是讓相同面積的晶片每過 18 個月,效能就提升一倍的目標,整個半導體產業正朝兩個不同方向努力。

其中之一是追求更先進的技術,發展出更小奈米的製程節點,做出體積更小的電晶體。常見的方法包含:引進極紫外光 ( EUV ) 曝光機,來刻出更小的電晶體。又或是從材料結構下手,發展不同構造的電晶體,例如鰭式場效電晶體 ( FinFET )、環繞式閘極 ( GAAFET ) 電晶體及互補式場效電晶體 ( CFET ),讓電晶體可以更小、更快。這種持續挑戰物理極限的方式稱為深度摩爾定律——More Moore。

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另一種則是將含有數億個電晶體的密集晶片重新排列。就像人口密集的都會區都逐漸轉向「垂直城市」的發展模式。對晶片來說,雖然每個電晶體的大小還是一樣大,但是重新排列以後,不僅單位面積上可以堆疊更多的半導體電路,還能縮短這些區塊間資訊傳遞的時間,提升晶片的效能。這種透過晶片設計提高效能的方法,則稱為超越摩爾定律——More than Moore。

而 Intel® Core™ Ultra 處理器便是具備兩者優點的結晶。

圖/PanSci

Tile 架構:釋放多核心潛能

在超越摩爾定律方面,Intel® Core™ Ultra 處理器以其獨特的 Tile 架構而聞名,將 CPU、GPU、以及 AI 加速器(NPU)等不同單元分開,使得這些單元可以根據需求靈活啟用、停用,從而提高了能源效率。這一設計使得處理器可以更好地應對多任務處理,從日常應用到專業任務,都能夠以更高效的方式運行。

CPU Tile 採用了 Intel 最新的 4 奈米製程和 EUV 曝光技術,將鰭式電晶體 FinFET 中的像是魚鰭般阻擋漏電流的鰭片構造減少至三片,降低延遲與功耗,使效能提升了 20%,讓使用者可以更加流暢地執行各種應用程序,提高工作效率。

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鰭式電晶體 FinFET。圖/Intel

Foveros 3D 封裝技術:高效數據傳輸

2017 年,Intel 開發出了新的封裝技術 EMIB 嵌入式多晶片互聯橋,這種封裝技術在各個 Tile 的裸晶之間,搭建了一座「矽橋 ( Silicon Bridge ) 」,達成晶片的橫向連接。

圖/Intel

而 Foveros 3D 封裝技術是基於 EMIB 更進一步改良的封裝技術,它能將處理器、記憶體、IO 單元上下堆疊,垂直方向利用導線串聯,橫向則使用 EMIB 連接,提供高頻寬低延遲的數據傳輸。這種創新的封裝技術不僅使得處理器的整體尺寸更小,更提高了散熱效能,使得處理器可以長期高效運行。

運行 AI 模型的專用筆電——MSI Stealth 16 AI Studio

除了傳統的 CPU 和 GPU 之外,Intel® Core™ Ultra 處理器還整合了多種專用單元,專門用於在本機端高效運行 AI 模型。這使得使用者可以在不連接雲端的情況下,依然可以快速準確地運行各種複雜的 AI 算法,保護了數據隱私,同時節省了連接雲端算力的成本。

MSI 最新推出的筆電 Stealth 16 AI Studio ,搭載了最新的 Intel Core™ Ultra 9 處理器,是一款極具魅力的產品。不僅適合遊戲娛樂,其外觀設計結合了落質感外型與卓越效能,使得使用者在使用時能感受到高品質的工藝。鎂鋁合金質感的沉穩機身設計,僅重 1.99kg,厚度僅有 19.95mm,輕薄便攜,適合需要每天通勤的上班族,與在咖啡廳尋找靈感的創作者。

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除了外觀設計之外, Stealth 16 AI Studio 也擁有出色的散熱性能。搭載了 Cooler Boost 5 強效散熱技術,能夠有效排除廢熱,保持長時間穩定高效能表現。良好的散熱表現不僅能夠確保處理器的效能得到充分發揮,還能幫助使用者在長時間使用下的保持舒適性和穩定性。

Stealth 16 AI Studio 的 Intel Core™ Ultra 處理器,其性能更是一大亮點。除了傳統的 CPU 和 GPU 之外,Intel Core™ Ultra 處理器還整合了多種專用單元,專門針對在本機端高效運行 AI 模型的需求。內建專為加速AI應用而設計的 NPU,更提供強大的效能表現,有助於提升效率並保持長時間的續航力。讓使用者可以在不連接雲端的情況下,依然可以快速準確地運行各種複雜的 AI 算法,保護了數據隱私,同時也節省了連接雲端算力的成本。

軟體方面,Intel 與眾多軟體開發商合作,針對 Intel 架構做了特別最佳化。與 Adobe 等軟體的合作使得使用者在處理影像、圖像等多媒體內容時,能夠以更高效的方式運行 AI 算法,大幅提高創作效率。獨家微星AI 智慧引擎能針對使用情境並自動調整硬體設定,以實現最佳效能表現。再加上獨家 AI Artist,更進一步提升使用者體驗,直接輕鬆生成豐富圖像,實現了更便捷的內容創作。

此外 Intel 也與眾多軟體開發商合作,針對 Intel 架構做了特別最佳化,讓 Intel® Core™ Ultra處理器將AI加速能力充分發揮。例如,與 Adobe 等軟體使得使用者可以在處理影像、圖像等多媒體內容時,能夠以更高效的方式運行 AI 算法,大幅提高創作效率。為各行專業人士提供了更加多元、便捷的工具,成為工作中的一大助力。

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「倘若那天……」平行時空的你過得怎麼樣?——《超次元.聖戰.多重宇宙》
2046出版
・2024/02/10 ・1920字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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從無法逆轉的抉擇,到平行時空

但人總喜愛想像,現實世界中無法「重頭來過」,但小說和電影的虛擬世界當然可以。在好萊塢電影《今天暫時停止》(Groundhog Day, 1993;港譯:《偷天情緣》)之中,男主角最先猶如惡夢般不斷在同一天的清晨醒來,後來卻利用這個機會不斷改善他的追求技倆(不但 take two,更take three、take four……),最後贏得美人歸。

電影為觀眾帶來了美滿的結局。但筆者最早領略「如果」作為小說創作中的奇思妙想,卻令我傷感不已。話說筆者自初中已經愛上科幻小說。大概是中三、四那年,我在公共圖書館借了一本英文的短篇科幻小說集,其中一個以「如果」為題的故事(名稱早已忘記)令我畢生難忘。

故事中,一對恩愛的小夫妻駕車外出,丈夫有點兒不適所以改由太太開車。不幸途中遇上車禍,坐在司機位的太太重傷身亡。丈夫悲痛不已終日借酒澆愁,揮之不去的自責是「如果我那天沒有跟她對調位置……」。

一天,他在拾理太太的遺物時,竟然發現她的日記簿中有新的記事!讀將下來,原來在另一時空裡,兩人當天的確沒有對調位置,所以因車禍去世的是他而不是愛妻!

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這兩個「平行時空」原本不會重疊,卻不知怎的透過這本日記簿接通了。結果,「陰陽相隔」的倆人藉著日記互訴衷情。

圖/envato

這本已是十分淒美的情節,但後來日記中的字樣變得愈來愈模糊,最後完全消失,表示兩個「平行宇宙」最終分離而回到互不相通的狀態。筆者當年雖然只有十五、六歲,被觸動的哀愁卻是久久不能平復……。

年少的我已經深深感受到,人生中充滿了無數偶然的變數,而一個簡單的決定,足以改變一生。

多年後,我看到另一部電影《雙面情人》(Sliding Doors, 1998;港譯:《緣分兩面睇》),發覺也是用上了同一意念:女主角每天搭地鐵上班,但某天因事遲了一點而趕不上平日搭的那班車。電影基於「趕得及」和「趕不及」兩種情況,描述了女主角往後出現的兩種截然不同的人生。(我後來才知道,這乃改編自一部一九八一年的波蘭電影。)

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歷年來,運用這類意念創作的小說和電影可謂不少,近年流行的好萊塢「超級英雄」電影中,《奇異博士》(Doctor Strange, 2016)和它的續集《奇異博士 2:失控多重宇宙 》(Doctor Strange in the Multiverse of Madness, 2022;港譯:《奇異博士 2:失控多元宇宙》)更將「平行時空」的意念延伸為「多重宇宙」(Multiverse)。陣容更為龐大的《復仇者聯盟 3:無限之戰》(Avengers 3: theInfinity War, 2018)和《復仇者聯盟 4:終局之戰》(Avengers 4: Endgame, 2019)皆以同樣的意念作為故事主軸。當然,這些電影都由漫畫改編,亦即這些意念的出現時間比電影還要早得多。

《媽的多重宇宙》將平行時空的意念發揮得淋漓盡致。圖/giphy

但將這個意念發揮至極的,毫無疑問是二○二三年橫掃奧斯卡最佳電影、最佳導演、最佳編劇多項大獎的「怪雞」1 電影《媽的多重宇宙》(Everything, Everywhere All At Once,縮寫是 EEAAO;港譯:《神奇女俠玩救宇宙》)。華裔演員楊紫瓊(1962-)更因此而封后(最佳女演員);同樣是華裔的關繼威(1971-)以及潔美.李.寇蒂斯(Jamie Lee Curtis, 1958-)則分別獲得最佳男、女配角的殊榮。電影由兩位導演掌舵,雖然兩個都叫 Daniel,但一個是香港人關家永(Daniel M. Kwan, 1988-),一個是美國人丹尼爾.舒奈特(Daniel Scheinert, 1987-)。2 囊括了這麼多大獎,電影的風頭可謂一時無兩。由於有這麼多華人參與其間,全球絕大部分華人皆感到與有榮焉。

外國的評論幾乎一面倒地對這部電影讚譽有加,包括其中所包含的深刻人生哲理、愛情與理想之間的抉擇、亞裔移民在美國所遇到的生活困難、世代之間的價值矛盾、同性戀(非主流性取向)的社會認同問題,以及貫穿電影的、最重要的母、女之情。不少網友更留言說看至結局時感動流涕。反倒在華人世界,包括不少筆者所認識的朋友,皆對電影甚有保留,認為它寫情的部分毫無新意,而「科幻」的主題和情節則過於胡鬧不知云。(一些更認為電影被大肆吹捧,是近年席捲西方的「政治正確主義」的結果。他們更為另一位最佳女主角競逐者凱特.布蘭琪(Cate Blanchett, 1969-)不值。但那是另一篇文章的主題,暫且按下不表。)

註解

  1. 粵語,意指奇怪、荒謬。
  2. 因二人名字皆為「Daniel」,而被合稱為「Daniels」。

——本文摘自《超次元.聖戰.多重宇宙》,2023 年 11 月,二○四六出版,未經同意請勿轉載。

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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

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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