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尋找小尺度粒子為什麼需要對撞機?跟核融合又有什麼關係?──《科學月刊》

科學月刊_96
・2019/10/18 ・2219字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 571 ・九年級

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  • 文/章文箴,中研院物理所研究員。

物理的發展中,從過去於自然界中的觀測,到今日利用強大能量的對撞機,尋找尺度更小的粒子一直是物理學家的目標。但粒子到底是如何被製造的呢?本文將解開粒子對撞機製造新粒子的機制。

人類為了發現比原子更小的新粒子,早期大多藉由觀察來自於宇宙射線與大氣層作用後的產物,例如渺子、正電子等;而質量較大的粒子,由於它們容易衰變,生命期短,因此不易觀測。

人類為了發現比原子更小的新粒子,早期大多藉由觀察來自於宇宙射線與大氣層作用後的產物。圖/Pixabay

隨著加速器的發明和使用,後續大多利用加速器產生高能量的質子束或電子束。在碰撞的過程中,能量足夠的情況下,透過特定反應產生並觀察新粒子。

質量是基本粒子的特性,也是辨認它們最重要的實驗證據,利用加速器所產生撞擊事件產生新粒子,碰撞過程的質心系能量 (center of mass energy) 必須大於新粒子的質量,才能透過質能互換,產出生成全新粒子。

因此,在找尋質量更大新粒子的過程中,加速器的能量必須不斷地提升,也由從撞擊固定靶的實驗,轉換成對撞機實驗,達到足夠的質心系能量。

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J/Ψ粒子的發現

以 1974 年所發現的 J/Ψ 粒子為例,其質量大約 3 GeV∕c2,由魅夸克 (Charm quark) 和反魅夸克所構成,因為魅夸克的質量遠高於當時已知的上夸克 (up quark)、下夸克 (down quark) 及奇夸克 (strange quark),受限於加速器能量的提升,在搜尋上拖延了一段時間,甚至讓物理學家猜測是否夸克只有以上的三種。

後續由丁肇中先生所領導的團隊,利用當時美國紐約州布魯克黑文國家實驗室 (Brookhaven National Laboratory, BNL) 剛完成全世界最高能量的加速器──交變梯度同步加速器 (Alternating Gradient Synchrotron, AGS) ,將質子束加速到 30 GeV,與固定鈹靶撞擊,此撞擊質心系能量大約為 7.75 GeV,因此得以產生並觀測到質量大約 3.1 GeV∕c的 J/Ψ粒子。

而同一時間,美國加州 SLAC 國家加速器實驗室 (SLAC National Accelerator Laboratory),透過正負電子湮滅反應,由能量直接生成新粒子,找尋 2.6~8 GeV∕c區間的新粒子,也同樣在 3.1 GeV∕c處發現 J/Ψ 粒子。兩團隊在 1974 年 11 月同步宣布發現,確認第四種夸克的發現,這項科學重要里程碑,在兩年後獲得諾貝爾物理學獎的肯定。

1974 獲得諾貝爾物理學獎的兩人,左為 Sir Martin Ryle,右為Antony Hewish。圖/The Nobel Prize

澄清聳動新聞報導中的兩個專有名詞

在最近國內一則新聞報導提及,有研究人員在重氫與重氫核融合的過程中,宣稱觀察到 W 中間子的生成,並可透過此過程取得穩定能量。

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筆者認為在該報導中有兩點需要進一步被澄清:W中間子觀測核融合技術

W 中間子的觀測

核反應後原子核中不穩定的中子可透過弱交互作用力,轉換成質子成為穩定核結構,稱之為 β 衰變(下圖)。而 W 中間子正是弱交互作用力的交換粒子,但此處的 W 中間子在理論架構中只是一個虛粒子 (virtual particle),代表動態量子場中能量和動量的傳遞,該處的質量是變動的而非定值,因此 β 衰變的發生,並不能視為實際發現弱交互作用力中 W 中間子的證據。

β 衰變示意圖:透過弱交互作用,中子衰變為質子,而 W 中間子為弱交互作用力的交換粒子,釋放出一個電子及一個反電子微中子。

科學界對於 W 中間子的發現與確認,是源於歐洲核子研究組織 (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire, CERN) 實驗室於 1983 年,在 400 GeV 質子和 400 GeV 反質子對撞後,所產生質心系能量可高達 800 GeV 反應中,觀察到質量大約 80 GeV/c的W玻色子,該研究成果在 1984 年贏得諾貝爾物理學獎,從此 W 粒子的質量測定成為高能物理實驗的量測準確的檢驗方法之一。

人類一直在追尋的技術:核融合

關於核融合反應,事實上是與日常生活息息相關。

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在太陽內部,每一秒有 60 億公噸的氫核透過連續核融合反應轉換成氦核,其中的質量虧損轉換成能量形式放出,提供地球上的生物與人類生活上不可或缺的光和熱。

而太陽內部的核融合反應能夠發生,歸功太陽內部強大的重力場,讓原子核能克服核子間的庫倫斥力,彼此靠近到約 10-15 公尺的距離,讓短距離的核力得以作用。

太陽內部的質子—質子鏈反應:首先由兩個氫原子核融合為氘,一個質子釋放出一個正電子和一個微中子成為中子,氘再和另一個氫原子合成氦同位素氦-3,最後再與另一氦-3形成氦同位素氦-4。

人類為了尋求穩定能量的來源,人造的核融合反應已研究超過 60 年,但是在技術層次上仍面臨重大困難。

過去曾嘗試利用加速器或電漿加熱方式,試圖克服核子間的庫倫斥力,以產生核融合反應,但是整個過程中所投入的能量,卻大於核融合反應後所釋放出的能量,無法達到能量的損益平衡,毫無商業運轉的價值。

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目前位於法國的國際熱核融合實驗反應爐 (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER) 計畫正集合來自全球各地 35 國之力,期望能在 2035 年底前突破此挑戰,讓人造核融合反應成為人類穩定能量的來源。

科學技術的源自於長期累積

科學和相關技術的進展需要長時間、大量人力與物力投入,透過嚴謹討論辯證、量化的測定、可重複的結果逐步累積,絕非一蹴可幾,也因此得以帶來對人類深遠的影響。

筆者期待藉此文提供讀者一些科學基本的知識得以用來判斷相關新聞報導的真假,更期盼臺灣社會大眾,能夠有正確眼光和態度,支持科學長期的發展,多充實科學基本知識,避免只感興趣於聳動性的新聞報導。


〈本文選自《科學月刊》2019 年 10 月號〉

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在這個資訊不被期待的時空裡,卻仍不忘科學事實至上的自由價值。

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核融合發電有望實現?從美國 NIF 的最新研究看未來發展——《科學月刊》
科學月刊_96
・2023/05/13 ・3291字 ・閱讀時間約 6 分鐘

  • 張博宇/目前專研於高能高密度電漿、電漿推進、核融合等領域。

Take Home Message

  • 美國國家點火設施(NIF)在去年使用慣性控制核融合,首次在可控的核融合反應中,令能量的輸出大於輸入,朝核融合產能邁進了一大步。
  • NIF 將 2.05 百萬焦耳(MJ)的雷射能量注入靶材,經過核融合反應產生了 3.15 MJ 的能量,靶材增益為 1.5。但若將產生雷射能量的耗能考慮進去,則並沒有真正的能量輸出。
  • 臺灣各學校的物理系、核工系、電漿所其實都有學者針對核融合投入理論、模擬、實驗的研究,期望這次NIF的成果能推動相關領域進展。

去(2022)年 12 月,美國能源部(Department of Energy, DOE)、DOE 所屬的國家核安全管理局(National Nuclear Security Administration, NNSA)、勞倫斯利佛摩國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL),以及 LLNL 所屬的國家點火設施(National Ignition Facility, NIF)召開了一場記者會。

在記者會中,他們共同宣布在實驗中實現增益值(gain)大於一的結果,意即實現了第一次在可控的核融合(controlled nuclear fusion)反應中,輸出的能量大於輸入的能量,朝核融合產能邁進了一大步。然而,這項結果是否代表著核融合發電即將被實現?

產生能量的核融合反應

在核融合反應中,若兩個較輕的原子核可以融合成一個較重的原子核,且反應之後的總質量減少,那麼根據愛因斯坦(Albert Einstein)質能互換的關係(E = mc2),減少的質量將會轉換成能量。

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最容易產生的核融合反應是將氫(1H)的兩個同位素氘(2H,或稱為 D)及氚(3H,或稱為 T)的原子核融合,產生一個 α 粒子(即氦原子核,4He)加一個中子(neutron, n),同時產生 17.6 百萬電子伏特(MeV)的能量:

D+ T+ α2+ n ——公式一

在公式一的核融合反應中,兩個帶有正電的原子核必須互相靠近才能融合在一起。然而,兩個帶正電的粒子互相具有排斥力,而且愈靠近排斥力就愈大。因此,除非這兩個粒子互相靠近的速度快到排斥力無法阻止它們相撞,核融合才能發生。除此之外,還必須要考量到庫倫散射(Coulomb’s scattering)的現象——若兩個帶正電的原子核沒有正面對撞,則兩者會因為排斥力的原因轉向——更增加了兩者靠近的難度。

因此,只能把氘與氚氣體加熱到高溫,長時間侷限這些高溫的燃料,讓極少數高速的原子核有機會互相靠近並發生核融合反應、產生能量。但即便是最容易發生的氘加氚核融合反應,也需要將燃料加熱到 50 千電子伏特(keV,約為 5.8 億 ℃)才能有最高的反應速率。

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有什麼方法可以將燃料加熱到所需要的溫度呢?看回公式一,氘與氚的核融合產物中具有能量為 14.1 MeV 的中子,及 3.5 MeV 的 α 粒子。我們可以讓高能的中子將能量攜出後再轉換為電能,但讓帶有較少能量的 α 粒子保留在系統中加熱燃料。因此普遍實現核融合產能的系統,目標都是將燃料加熱到溫度約 10 keV(約為 1 億 ℃),讓核融合產生的 α 粒子能繼續加熱燃料。

帶來重大進展的核融合研究

目前國際間研究的核融合反應主要可分為磁場控制核融合(magnetic confinement fusion)與慣性控制核融合(inertial confinement fusion),NIF 去年的實驗便是使用間接驅動(indirect-drive)的慣性控制核融合。

在這次的實驗中,當 2.05 百萬焦耳(megajoule, MJ)的雷射能量注入環空器(hohlraum)1並加熱中間的球殼靶材後,經過核融合反應產生 3.15 MJ 的能量,意即靶材增益(target gain)約為 3.15 / 2.05 = 1.5,是人類首次在可控的核融合反應中,輸出的能量大於輸入的能量。

然而,若將產生 2.05 MJ 的雷射能量考慮進去,需要耗掉的能量約為 300 MJ;換言之,這次實驗的真正能量增益(energy gain)約為 3.15 / 300 ≈ 0.01,並沒有真正的能量輸出。

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不過,NIF 使用的是 90 年代的雷射技術,它的建造目的是為了國防研究所需,因此並不是最適合核融合的研究場域,在雷射技術上還有很大的進步空間。再者,回顧 NIF 從 2011 年開始進行的核融合實驗,歷經了超過十年終於第一次實現靶材產生的能量超過了雷射的能量,對 NIF 而言可說是向前邁進了一大步。

更重要的是,在去年的實驗中,靶材都進入了 α 粒子能夠繼續加熱燃料的燃燒電漿(burning plasma)範圍,是過去核融合研究從未達到的條件,只要稍微最佳化實驗條件便能讓輸出能量有顯著的提升。因此,這次的重大突破顯示了核融合的可行性並非天方夜譚。

臺灣的核融合相關研究發展

核融合研究本身是一個複雜的系統,在科學上及工程上都有許多的挑戰,許多名字上並沒有「核融合」的研究,其實也都間接與核融合相關。以這次的慣性控制核融合為例,相關的研究就包含了雷射技術、靶材製作技術、粒子量測技術、高速攝影技術等。

若以磁場控制核融合來說,也包含了高溫超導、微波技術、高壓脈衝技術、粒子加速器等科技。當然,最重要的就是電漿科學、電漿加熱、電漿量測技術等研究,因為任何材料在高溫的條件下,都會變成電漿態。 

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在臺灣各個學校的物理系、核工系、電漿所分別都有 1~2 位老師在研究電漿相關的領域,尤其成功大學的太空與電漿科學研究所,更有針對核融合投入理論、模擬、實驗的研究。然而,相較於國外蓬勃發展核融合的環境相比,臺灣投入核融合研究的人數仍然明顯不足。

期盼這次NIF的實驗成果,能夠吸引更多臺灣的學生及研究人員投入核融合的相關研究,更刺激政府、民間團體投入更多的資源在核融合研究上。

兩種不同的核融合方式

當物質被加熱到 1 億 ℃ 時,原子內部帶負電的電子便會脫離帶正電的原子核,形成帶負電的電子及帶正電的原子核混合在一起的狀態,稱為電漿(plasma)。我們可以利用帶電粒子的特性侷限高溫的電漿,目前廣泛被研究的核融合反應可分為磁場控制核融合與慣性控制核融合,它們的原理有哪些不同?

磁場控制核融合

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熱核融合反應器。圖/科學月刊。

其中一種方式便是藉由稱為「托卡馬克」(tokamak)的環形容器產生核融合。透過環磁場線圈及延著環形方向的電漿電流(plasma electric current),在環磁場線圈的內部形成一個扭曲但繞著環磁場線圈的螺旋磁力線(helical magnetic field),讓電漿不斷延著螺旋磁力線移動,被侷限在環磁場線圈形狀的真空腔中但不與真空腔的腔壁接觸。

最後,再將電漿加熱到 10 keV的溫度。此核融合的方式能透過磁場將低密度(接近真空)的電漿侷限在真空腔中上百秒或更久的時間,讓高溫的氘、氚原子核有機會互相靠近並發生核融合反應。

慣性控制核融合

慣性控制核融合是利用電漿本身的「慣性」來侷限電漿。由於粒子本身的質量不等於零,所以離開系統需要時間,只要燃料在離開系統前反應完畢,那是否被持續侷限就不重要了。

因此,慣性控制核融合必須將氘與氚的燃料加熱到近 10 keV,並壓縮到高壓力(約千兆大氣壓,gigabar)及高密度,讓粒子間碰撞的頻率在極高的密度下大幅度提升,增加核融合發生的頻率。因此僅需要將系統維持/侷限在奈秒(ns)內,同樣能將燃料燒完。

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慣性控制核融合可分為直接(direct drive)或間接驅動,不過兩種驅動方式都是為了快速加熱球殼外層。當球殼中心的氘及氚溫度達到 10 keV 時,核融合反應便會從中心開始發生,產生的能量可以由內而外藉由核融合反應燃燒球殼。

因為球殼本身的慣性向外推,因此產生能量。圖/科學月刊。

球殼內部在前述的過程中因為壓縮產生高壓,外部的雷射也會停止使得外部的壓力減少,因此球殼又會被向外推。然而,因為球殼本身的慣性,被向外推較為耗時,因此只要向外燃燒球殼的速度大於球殼被向外推的速度,便能將整個球殼再被外推前燃燒殆盡,產生能量。

註解

  • 〔註 1〕環空器是一種腔壁與腔內達到輻射熱平衡的空腔,在慣性控制核融合實驗中燃料球會被放入環空器,再於環空器兩端孔洞射入雷射提供能量。
  • 〈本文選自《科學月刊》2023 年 4 月號〉
  • 科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。
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平民登月計劃?核融合真的來了?——2023 最值得關注十大科學事件(下)
PanSci_96
・2023/01/31 ・3226字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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在上一篇中,我們介紹了將在 2023 年發生的五個醫藥健康大事件。

延伸閱讀:
用迷幻藥治憂鬱?基因編輯療法將通過批准?——2023 最值得關注十大科學事件(上)

這次我們轉向能源、宇宙與科技領域,從首趟平民月球之旅、物理學的標準模型新發現,再到第一個核廢料永久儲存設施正式營運!

No. 5 氣候與能源衝擊

世界各國能否聽從科學家的警告,採取實際行動,朝淨零之路前進嗎?看起來不行。由於疫情與俄烏戰爭,去年 11 月在埃及舉辦的「聯合國氣候變化會議 COP27」幾乎是原地踏步。

不過還是有一個重要的決議,那就是建立氣候損失和損害基金。根據協議,排放量較高的富裕國家將在經濟上補償受氣候變化影響最大的貧窮國家。「過渡委員會」將於 2023 年 3 月底前舉行會議,提出資金運用的建議,並在 11 月的 COP28 會議上提交給世界各地的代表。

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至於核能的部分,新型核分裂發電與核融合發電,都會在 2023 年有所進展。

另外,世界上第一個核廢料儲存設施,今年將在芬蘭西南海岸外的奧爾基洛托島正式啟用。這個由芬蘭政府於 2015 年批准建造的地下處置庫,將負責封存超過 6500 噸有放射性的鈾;這些鈾會被裝在銅罐中,再用厚厚的粘土覆蓋,最後埋在地下 400 公尺深的花崗岩隧道內,預期將被密封數十萬年,直到輻射水平達到完全無害的程度。

另一個好消息是,今年 1 月 1 日就任的巴西總統——魯拉(Luiz Inácio Lula da Silva),將推翻前任總統開放的雨林開發,保護生態與文化。

然而深海則有新危機。若 2023 年 7 月前,聯合國的國際海床管理局(ISA)沒能讓各國對深海採礦管理準則達成共識,那海底的礦產資源可能會被某些政府和企業盯上,不受限制地開挖,海洋生態將迎來浩劫……。

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許多關於能源的抉擇包含了科學和政治,能源短缺也激勵了綠能跟潔淨能源的投資力道及採用意願;至於今年還會不會發生更棘手的麻煩?使能源轉型更加舉步維艱。

巴西新任總統推翻雨林開發,保護生態與文化。圖/Envato Elements

No. 4 超越標準模型

2022 年 4 月,美國費米國家加速器實驗室的物理學家,公佈了渺子 g-2 實驗的首批結果;這項實驗研究了被稱為「渺子的短命粒子在磁場中的行為」。

過去 50 年來,標準模型(Standard Model)[註]的理論預測通過了所有測試,但其實物理學家普遍認為標準模型肯定還不完備,並且認為可以從渺子身上找到破綻;如果今年再次公佈更精確的數據,顯示渺子的磁矩比理論預測來得大,那就代表還有新粒子等待被發現,而標準模型就得修正。

位於中國廣東的江門地下的微中子實驗觀測站,也將在今年展開尋找超越標準模型的物理學之旅;利用位於地下七百公尺的探測器,來準確測量微中子的振盪。

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註:標準模型為能描述強核力、弱核力、電磁力這三種基本力,以及所有物質基本粒子的理論。

另外,物理學家們在今年會有升級的新設備。第一個是 LCLS-II 直線加速器相干光源 2 代(Linac Coherent Light Source-II),它將創造終極 X 射線機器,看到分子內原子的運動!另一個則是新的重力波獵人—— Matter-Wave Laser Interferometric Gravitation Antenna(物質波雷射干涉重力天線);這個設施把銣原子冷卻成「物質波」,能夠梳理黑洞和其他超大質量天體碰撞產生的時空漣漪,揪出現有重力波設施錯放的事件,甚至可以幫我們尋找暗物質!

而在瑞典隆德附近、由歐洲 17 國攜手成立的歐洲散裂中子源(ESS),將使用史上最強大的線性質子加速器產生強中子束,來研究材料的結構;雖然預計 2025 年才會完工,但於今年迎來第一批研究人員,開始實驗。

No.3 就是要抬頭看天空

許多人心中 2022 年科學事件第一名,正是韋伯太空望遠鏡傳回的驚人照片;沒有意外的話,韋伯在 2023 年會繼續大顯身手,揭露星系演變的真相,與遙遠系外行星的生命印記,找尋地球之外的生命。

今年還會有更多驚喜!來自於新的太空望遠鏡,如:由歐洲太空總署開發的歐幾里得太空望遠鏡,今年發射後將繞行太陽六年,拍攝宇宙的 3D 圖;日本宇宙航空研究開發機構 JAXA 的 X 射線成像、光譜任務 XRISM,則是繞地球軌道運行的太空望遠鏡,將探測來自遙遠恆星和星系的 X 射線,預計在今年 4 月升空。

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在地球上,位於智利的薇拉魯賓天文台(Vera C. Rubin Observatory)將於今年 7 月啟用;其望遠鏡採用特殊的三鏡面設計,相機包含超過 30 億像素的固態探測器,每三個夜晚就能掃描整個南天,也是監測可能危害地球小行星的守護者之一。而世界上最大的可動望遠鏡——新疆奇台射電望遠鏡(QTT)也將在今年完工;其口徑達 110 公尺,能夠觀測天空中 75% 的星星。

詹姆斯.韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope,JWST)去年發布的圖片——史蒂芬五重星系。圖/維基百科

No. 2 好多月球任務,還有一個鐵小行星

2022/12/11 這天,包括阿拉伯聯合大公國的拉希德漫遊者月球車、NASA 的月球手電筒立方衛星、以及日本的白兔 HAKUTO-R M1 登陸器,共同搭乘 SpaceX 的獵鷹九號發射升空;HAKUTO-R 如今正緩緩帶著拉希德前往月球,預計在今年 4 月著陸。

而印度太空研究組織 ISRO 的第三次探月任務月球飛船 Chandrayaan-3,預計今年年中發射,並於月球的南極著陸。

還有首次民間人士的月球之旅 dearMoon。SpaceX 的 Starship 將載著 11 位平民上太空,包含創業家、明星跟 YouTuber;如果 Starship 成功發射,將會成為史上最大的火箭。Blue Origin 的 New Glenn 也預計在今年首度發射。若兩者都成功,將推動太空科學與商業進入新時代,讓進入太空的成本大幅下降。

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歐洲太空總署的木星冰月探測器 JUICE 也將在今年 4 月升空,並於 2031 年抵達木星系統;目標是研究木星以及三顆衛星:木衛二三四的環境,了解他們有沒有可能支持生命存在。

NASA 將於今年 10 月後發射延遲了一年的 Psyche 靈神星小行星軌道飛行器,其研究對象為 16 Psyche 靈神星小行星;科學家認為它可能不是一般的小行星,而是一顆年輕行星裸露的鐵核心。如果今年順利發射,將在 2029 年到達。 

看來對太空迷來說,2023 又將是幸福熱鬧的一年。

由超大型望遠鏡(Very Large Telescope,VLT)拍攝的靈神星。圖/維基百科

No.1 GPT-4 跟 AlphaFold 的衝擊波襲來

借過借過,AI 已預約登上 2023 年最大科學事件!

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如果 GPT-3.5 開發的 ChatGPT 還沒有嚇到你,那 GPT-4 就要來了!

而在科學領域,DeepMind 的 AlphaFold 帶來的衝擊不亞於 ChatGPT;它能夠根據蛋白質的一維氨基酸序列,準確預測折疊後的三維形狀,對生物與醫療研究影響非常大。 AlphaFold 2 於 2021 年發布了另外 2 億多種蛋白質的結構,幾個月來,來自 190 個國家/地區、超過 50 萬名研究人員,使用 AlphaFold 研究了 200 萬種不同的蛋白質結構。另外,Meta 的 ESMFold 的速度甚至又比 AlphaFold 快 60 倍,預測的蛋白質超過 6 億種!

基於 AlphaFold 跟 ESMFold 的研究量將大大增加,這些龐大新知識也將開始應用於各學科,包括新疫苗和塑膠開發。

法規管制總是比科技進步緩慢,隨著 AI 越來越強大、滲透到社會的方方面面,各國政府必須回應。歐盟在今年將通過人工智慧法案,為使用人工智慧制定標準,其他國家和科技巨頭將密切關注,跟進與調適。

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圖/GIPHY

以上就是「2023 最值得關注十大科學事件」,你最期待的是哪一個?哪個是你心中的 No.1?又有哪些我們漏掉了,但你覺得該列入的呢?歡迎留言討論!

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微擾理論:我們有沒有可能遮蔽了新的物理?——《撞出上帝的粒子》
貓頭鷹出版社_96
・2023/01/27 ・2632字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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對撞機能夠給出什麼答案?

物理學家想用大型強子對撞機來解答的重要問題,可以總結如下:在大型強子對撞機的能量級下,粒子物理的標準模型是否有效?「對撞機能量級」是個大大的躍進,因為其能量大小超越了電弱對稱破缺尺度;在這個尺度之上,兩種基本作用力相互統一,而 W 和 Z 玻色子、甚至所有其他基本粒子的質量,也許都是起源於此。

從空中鳥瞰大型強子對撞機的地理環境。圖/wikipedia

如果標準模型可以成功描述新能量範疇的現象,希格斯粒子應該就會存在,但看來不會有什麼其他的新發現;反之,如果標準模型失效,也許就沒有希格斯粒子了,不過背後一定會藏著稀奇古怪的事物。其實有個不易察覺的問題會左右這件事:我們究竟有多了解標準模型在此能量級下預測的現象?這並不容易回答。

一般而言我們並沒有能耐百分之百準確地解出標準模型。所有人都是用近似法。而絕大多數的近似方法之所以可行,是因為基本作用力的「耦合」,也就是強度,沒有很大。「耦合」就是在物理過程對應的費曼圖中,每個作用頂點帶有的值。(參見【科學解釋 8】)

微擾理論的應用

作用力的強度可以用一個數值來表示。如果說這個數值是 0.1,那麼兩個粒子交互作用的機率就會和 0.1 乘上 0.1,也就是 0.01 成正比。要是有三個粒子,機率就變成 0.1 的三次方,0.001,四個粒子的話就是 0.0001,如此這般。由此可知,如果耦合值很小,你就可以忽略比方說四個粒子以上的粒子交互作用―超過這個臨界值的項對於主要結果都只是極小的微擾罷了,因為前面至少會乘上 0.1 的五次方,也就是 0.00001。

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可見更多粒子的反應項只會些微改變原本的結果而已。這就是「微擾理論」的例子,微擾理論廣泛運用於解決物理界和化學界中許多的問題。只要耦合值很小、也就是作用力很弱,這個理論就十分準確。

然而,這種近似法並不是永遠有效。微擾理論失效的地方大多涉及強核力、也就是量子色動力學。這就是為何大家要把這種作用力稱為強核力。我們不是故意要混淆視聽的,強核力的確和它的名字一樣難以應付。

舉例來說,在我們對撞質子,想一探其內部夸克及膠子的種類分布時,某些方面的資訊其實無法從先前所提的原則計算得到(參見 4.5 節)。除此之外,我們也無法算出夸克和膠子最後是如何結合成新的強子的。雖然大家手上有量子色動力學的限制條件,也有一些基本的能量守恆、及動量守恆定律,以及不少從其他地方得到的數據,卻無法用微擾理論。

由二個上夸克及一個下夸克所構成的質子。圖/wikipedia

原因在於強核力的耦合值非常接近一,不論幾次方都還是一。因此,不管你計算的對象是幾個粒子,得到的結果都不會收斂到某個可信的值。最終我們只好依據自己的經驗來猜測結果、或建立模型。而這樣的結論一直都有調整空間。

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因此我們要嚴肅看待一個問題:大家在調整模型的時候,實際上可能會遮蔽了令人興奮的新物理。要避免這個問題,你得拿自己熟悉、以微擾理論計算的結果,連結上自己還不太明白、有調整空間的模型。我想像出一個比較毛骨悚然的情景來譬喻這件事――一具以精準預測架構的骨架,嵌在以最佳猜想組成的濕軟肉體內。

肉體的形狀可以改變。你可以重搥它的肚子,或捏它的臉頰(相對來說比較不痛);但是它有兩隻手兩隻腳,如果你打斷了某根骨頭,自己一定會知道。

用既有的知識探索未知

無論如何,大家利用電腦程式來把可塑的模型、與不易動搖的微擾理論整合在一起,而且絕大部分的工作都已經完成了;這種程式就是蒙地卡羅事件產生器(Monte Carlo event generator)。程式不但能編譯大部分我們擁有的粒子對撞現象的相關知識,同時也是個珍貴的工具,能協助物理學家設計新的實驗,並釐清既有的實驗對不同模擬數據會如何反應與解讀。「蒙地卡羅」這個名字有其典故,因為就和俄羅斯輪盤賭注一樣,這種事件產生器用上了很多隨機的數字。

這一切其實都牽涉到一點有趣的科學社會學。身為一位理論學家,有時你會因為投入某類蒙地卡羅事件產生器相關的研究而吃虧。你的一篇論文可能已經被引用了數千次,大家還是會說:「不過是電腦軟體罷了。」或是「這只是蒙地卡羅那類的玩意兒。」反之,要是你是發表一篇弦論的論文,又被引用這麼多次的話,你就能像個巨人般橫行全世界了。但說到底,弦論努力想預測的現象距離實證還是很遙遠,蒙地卡羅事件產生器卻可以實際解釋數據。

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蒙地卡羅事件產生器雖然不是唯一的辦法,大致上仍是物理學家在理解標準模型的意義、與儘量試著利用模型精確預測現象時,所付出的一份心血。

粒子物理標準模型。圖/wikipedia

雖然和大型強子對撞機的學界相比,蒙地卡羅事件產生器的研究社群規模較小,但相對來說,這個領域的成員盡的心力甚至不會比大家建造對撞機的付出還要少。美國物理學會也許是考量到了這一點,將 2011 年的櫻井獎(J.J. Sakurai Prize)頒給在這個領域工作的三位理論學家,分別是韋伯(Bryan Webber)、阿塔瑞利(Guido Altarelli)、斯舍斯特蘭(Torbjörn Sjöstrand)。頒獎典禮的引言如下:

因為三位物理學家的洞見,我們得以縝密驗證粒子物理的標準模型,實現高能物理實驗的目標、並從中學習量子色動力學、電弱交互作用、與可能的新物理的確切知識。

我很開心他們獲獎,因為其中兩位是我很親近的朋友,也更是因為三人所寫的計算方法及程式對大型強子對撞機幾乎所有的研究都十分重要,像是確保大家不會在不知情的情況下遮蔽任何新的物理。當前,我們正在嘗試確認希格斯粒子搜尋實驗的不定變數大小,並縮減其數量;人人都在尋找關鍵的三標準差證據、甚至是五標準差的大發現。為了這個目標,許多人夜以繼日持續比對新的數據和蒙地卡羅事件產生器的結果。

——本文摘自《撞出上帝的粒子:深入史上最大實驗現場》,2022 年 12 月,貓頭鷹出版,未經同意請勿轉載。

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