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忽略數學家的建議,物理學家與諾貝爾獎擦身而過——《科學大師的失誤》

時報出版_96
・2021/04/29 ・3459字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 505 ・六年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!
  • 作者 / 楊建鄴

我們已經改造了數學,下一步是改造物理學,再往下就是化學。──希爾伯特(David Hilbert,1862−1943)

1925 年到 1926 年,在物理學中出現了一件「怪事」,讓幾乎所有的物理學家都感到困惑。一件什麼樣的怪事呢?原來,當時世界上最頂尖的物理學家都在集中精力思考電子到底如何運動。他們都發現,想利用經典物理學的辦法去克服探索中的困難,無異於像唐.吉訶德用他那支破矛去攻擊堅實的磨坊一樣,是註定會落個頭破血流、遍體鱗傷的。一批年輕的物理學家如玻恩、海森堡、包立(Wolfgang Pauli,1900−1958,1945 年獲得諾貝爾物理學獎)等人,都越來越傾向於相信物理學的基礎必須從根本上改變,應該建立起一種新的力學,即「量子力學」。這個新的名詞是玻恩在 1924 年發表於德國《物理雜誌》上一篇文章中首次提出的。但量子力學到底是什麼樣的呢?當時誰也不清楚。

當年,沒有科學家全盤了解何謂量子力學。圖/GIPHY

為了新力學的誕生,物理學家們真可謂廢寢忘食、嘔心瀝血。1925 年春天,兩位對量子力學將作出重大貢獻的物理學家都病倒了。一位是海森堡,另一位是薛丁格。海森堡被花粉折磨得無法工作,他的導師玻恩破例給他放了假,還建議他到地處北海的黑爾戈蘭島上去休息,那兒怪石嶙峋,大約不會有什麼花粉折磨他。恰好這時薛丁格也因肺病在阿爾卑斯山上寧靜的阿羅紮木村休養。一個在島上,一個在山上,都想遠離喧囂的城市,讓自己的頭腦清醒一下,以便再次投入緊張的思考。美國作家梭羅(H. D. Thoreau,1817−1862)說得好:太陽,風雨,夏天,冬天……大自然的不可描寫的純潔和恩惠,它們永遠提供這麼多的健康,這麼多的歡樂!

左圖為海森堡,右圖為薛丁格。圖/Wikipedia 1, 2

寧靜而清新的北海!寧靜而清新的阿爾卑斯山!它們不僅為兩位物理學家帶來了健康、歡樂,而且還奇異地誘發了他們的靈感,使他們的思想得到了昇華!於是,「奇蹟」降臨了。說是奇蹟,實在不誇張,因為他們兩人幾乎從完全對立的概念出發,得到了各自偉大的發現。兩人的發現在表現上完全對立,但又都能自洽地解釋微觀粒子的運動!

海森堡認為,量子的不連續性是最本質的現實,以這一思想為基點,他認為描述微觀粒子運動的力學,應該像愛因斯坦建立相對論那樣,以「可觀測量」作為基點,不可觀測的量如軌跡等,不予考慮。但是,牛頓力學一直是以考慮連續量為己任,用的是微積分;現在考慮的物件是不連續的量,那麼該使用什麼樣的數學工具才行呢?海森堡當時只有 24 歲,真可謂「明知山有虎,偏向虎山行」,「落在鬼手裡,不怕見閻王」!他決定自己去闖出一條路,尋找適當的數學形式和方法來描述微觀粒子運動。他的數學老師玻恩曾驚歎地說:這個外行雖然不知道適合他的用途的數學分支,可是一旦需要,他就能給自己創建適用的數學方法。這個外行該是多大的天才啊!

有一天晚上,他用自己發明的方法計算到凌晨 3 點鐘。奇蹟出現了!他發現自己很可能取得了突破性的進展。他後來回憶這天凌晨的激動情形時說:一天晚上,我就要確定能量表中的各項,也就是我們今天所說的能量矩陣,用的是現在人們會認為是很笨拙的計算方法。計算出來的第一項與能量守恆原理相當吻合。我十分興奮,而後我犯了一些計算錯誤。但後來在凌晨 3 點鐘的時候,計算的結果都能滿足能量守恆原理,於是,我不再懷疑我所計算的那種量子力學具有數學上的連貫性與一致性了。我感到極度驚訝,我已經透過原子現象的外表,看到了異常美麗的內部結構。當我想到大自然如此慷慨地將珍貴的數學結構展現在我眼前時,我幾乎陶醉了。我太興奮了,以致不能入睡。天剛濛濛亮,我就走到了這個島的南端,以前我一直嚮往著在這裡爬上一塊突出於大海之中的岩石。我現在沒有任何困難就攀登上去了,並等待著太陽的升起。

但是海森堡心中還有一個沒有解開的疑團,讓他「非常不安」。這是因為在他的數學方案中,將兩個可觀測量(如頻率、強度……)A 和 B 相乘時,A、B 不能交換,即 AB≠BA。這顯然與我們熟知的乘法交換律不符(如 2×3=3×2),這點「異常」幾乎使海森堡喪失了信心。他沒有料到,正是 AB≠BA 中,潛藏著微觀世界中極為重要的一個規律。

幸虧後來玻恩知道了,並告訴海森堡他用的數學方法在數學中叫「矩陣代數」。於是在玻恩的幫助下,海森堡終於建立起微觀世界的力學──矩陣力學

在波恩的幫助下,海森堡建立了量子力學。圖/Pexles

正在這時,又出了一件怪事。在阿爾卑斯山上日漸康復的薛丁格,在強調微觀粒子波動性(波動性強調的連續性!)的基礎上,提出了鼎鼎大名的「薛丁格方程式」。這是一個描述波動的微分方程式,借助於它薛丁格也成功地描述了微觀粒子的運動。由於波動方程式是物理學家十分熟悉的數學工具,而且薛丁格方程式強調的是連續性思想,這使得絕大部分物理學家感到欣慰、振奮,甚至認為物理學終於得救,從此不再需要那些不連續性的勞什子了!

1926 年春天,海森堡得知薛丁格的波動力學以後,極度震驚且困惑。為什麼兩人對同一事物的看法會如此不同呢?打個比方說,面對同一景色,在海森堡看來是險峰峭壁(量子躍遷);而薛丁格看到的卻是起伏平緩的丘陵地(物質波)。其實這並不奇怪,正如中國著名詩人蘇軾在一首詩中所說:橫看成嶺側成峰,遠近高低各不同。不識廬山真面目,只緣身在此山中。

可惜海森堡、玻恩以及薛丁格都未能參悟這種天機,卻各執一端,相互攻擊對方的理論。

海森堡寫信給薛丁格說:

「我越是思考你那理論的物理意義,我越感到對你的理論不滿,甚至感到厭惡。」

薛丁格也毫不留情地回敬說:

「我要是對你的理論不感到厭惡,至少會感到沮喪。」

當物理學界都感到莫衷一是、極度迷惘時,當薛丁格和海森堡兩人相互指責、爭論不休時,在哥廷根的希爾伯特卻頗有幾分得意地哈哈大笑起來,並且調侃地說:

「你們這些物理學家呀,誰讓你們不聽我的話?早聽了我的話,豈不省卻了如今這場麻煩嗎?」

玻恩和海森堡聽了這句話,不由倒吸幾口涼氣,而且後悔不迭;但其他人聽了卻莫名其妙,還以為希爾伯特又在裝神弄鬼,故作驚人之語。因為希爾伯特素有這種小愛好,說些沒來由的話讓人摸不著頭緒。

為什麼玻恩和海森堡兩人後悔不迭呢?原來當矩陣力學剛剛由海森堡提出來的時候,他們兩人曾專門向希爾伯特請教過有關矩陣代數運算方面的問題。希爾伯特是大數學家,曾對矩陣代數有過專門研究。他說:

「根據我的經驗,每當我在計算中遇到矩陣時,它們多半是作為波動微分方程式的特徵值出現的。因此,你們那個矩陣也應該對應一個波動方程式,你們如果找到了那個波動方程式,矩陣也許就很容易對付了。」

遺憾的是,這兩位物理學家都犯了一個致命的錯誤,那就是他們沒有認真聽取希爾伯特的勸告,去找出「那個波動方程式」,還以為希爾伯特根本不懂量子力學,在那兒胡說八道。結果,薛丁格找到了這個波動方程式,還得了諾貝爾物理學獎。如果他們兩人虛心一點,認真向希爾伯特深入討教一下,詳細瞭解一下希爾伯特的數學思想,那麼,在物理學中薛丁格方程式就可能不會出現,出現的將是「玻恩–海森堡方程式」了!而且還會早半年出現!這就難怪希爾伯特看見物理學家們那副吃驚而窘迫的模樣時,不由得哈哈大笑起來!

玻恩和海森堡由於自己缺心眼而失去這一寶貴發現的機會,真是後悔不迭了!

如果玻恩和海森堡聽取希爾伯特的勸告,去找出「那個波動方程式」,那麼,在物理學中薛丁格方程式就可能不會出現,出現的將是「玻恩–海森堡方程式」了!圖/GIPHY
——本文摘自《科學大師的失誤》,2021年4月,時報出版。
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從 J 粒子到宇宙射線——實驗物理學家丁肇中的研究之旅
研之有物│中央研究院_96
・2023/05/20 ・9459字 ・閱讀時間約 19 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 整理撰文/郭雅欣
  • 責任編輯/簡克志
  • 美術設計/蔡宛潔

丁肇中是享譽全球的物理學家,他的研究為現代物理學奠定了基礎,也讓他獲得 1976 年的諾貝爾物理獎。丁肇中是中央研究院院士,也是現任麻省理工學院的物理學教授。

歷經數十年實驗物理的研究之路,他用一次次的實驗結果打破原本的理論認知,為物理學開創了新的道路。

丁肇中如何從 J 粒子的發現,走到最前沿研究宇宙射線,探索宇宙的起源與未知?中研院「研之有物」梳理記錄丁肇中 2022 年在院內物理研究所的演講內容,介紹他在物理學領域的傑出成就以及科學家的體悟。

丁肇中院士 2022 年 12 月在中研院物理所演講,題目為「我所經歷的現代物理和我的體會」。圖/中研院物理所

實驗是自然科學的基礎,理論如果沒有實驗的證明,是沒有意義的。當實驗推翻了理論後,才可能創建新的理論;理論是不可能推翻實驗的。過去 400 年來,我們對物質基本結構的了解,大都來自於實驗物理。」

中研院物理所於 2022 年 12 月 27 日舉辦了李水清講座,邀請到著名的實驗物理學家丁肇中,他以這段話做為整場講座的開端。

從丁肇中踏上實驗物理之路開始,至今已有 60 多年,這一路走來,丁肇中累積了許多突破性的成果,這些經歷也讓他獲得了豐富的人生體會。在這場講座中,丁肇中以「我所經歷的現代物理和我的體會」為題,一一細數這些成果及體會,在言談中展露出他對物理的熱情、堅持,以及永不磨滅的興趣與好奇心。

做實驗不盲從專家:證明電子沒有體積

1965 年丁肇中前往德國的大型粒子物理學研究機構「德國電子加速器」(DESY)進行第一個實驗工作,目的是證明「電子沒有體積」。為什麼要做這個實驗呢?因為當時科學家對電子有無體積的問題出現了爭議。

根據理查.費曼(Richard Feynman) 、朱利安.施溫格(Julian Schwinger)和朝永振一郎在 1948 年提出的量子電動力學理論(Quantum Electrodynamics,簡稱 QED),電子是沒有體積的,當時所有的實驗都證明了 QED 理論的完備性,他們三人也因此獲得 1965 年的諾貝爾物理獎。

可是在 1964 年時,哈佛大學和康乃爾大學的科學家和專家耗費多年心思,進行兩個不同的實驗,卻得出與 QED 相反的結論——量子電動力學是錯誤的,電子是有體積的,半徑是 10-13~10-14 公分。這個結論是兩個不同實驗團隊的成果,也因此受到物理界人士的認可和重視。

當時剛獲得博士學位的丁肇中,決定用不同方法來測量電子半徑。丁肇中回憶:「那個時候沒有人相信我能做出這個實驗,更沒有人支援我。」所以在 1965 年,丁肇中決定離開美國,到德國新建的 DESY,利用這個周長 320 公尺的加速器,產生能量 75 億電子伏特的光,打到儀器上,以測量電子的半徑。

在德國八個月後,丁肇中的實驗結果證明量子電動力學是正確的:電子真的沒有體積,它的半徑小於 10-14 公分。我們可以說:在當年實驗可及的範圍內,電子半徑為零(consistent with zero)。這推翻了當初康乃爾大學與哈佛大學備受重視的實驗結果。

丁肇中:「我的第一個體會就是:做實驗不要盲從專家的結論。」

縱軸是正負電子對產生率的實驗結果和 QED 理論預測的比值,橫軸是到電子中心的距離,代表電子半徑大小。圖/研之有物(資料來源/丁肇中)

證明宇宙新物質—— J 粒子

1965 到 1970 年間,丁肇中在 DESY 做了他的第二個實驗,這是一系列和光子、重光子相關的實驗。光子的質量為 0,當時已經知道有三種重光子,它們的質量約為 8 億~10 億電子伏特(eV/c2),其他的特徵則與光子一樣。

丁肇中表示,在高能情況下,重光子與光子應該可以互相轉化,只是機率很低。要找到互相轉化的事例,實驗裝置必須能辨識出一億分之一的發生事例,後來他也成功完成了這項困難的實驗。

之後,丁肇中還想解決另一個問題:「為什麼所有的重光子質量都和質子的質量相近,都是 10 億電子伏特左右?」為了尋找更重的重光子,丁肇中決定到美國布魯克黑文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory)的質子加速器上,做一個更加精密的探測器。

要找到高質量的重光子,必須每秒鐘輸入一萬億個高能量質子到探測器上,這會徹底破壞探測器,也會對工作人員造成危險。所以,丁肇中發展的新探測器不但必須非常精確,還必須是在非常強的放射線下,能正常工作的儀器。

因此輻射遮蔽相當重要,如下圖。藍色部分是磁鐵,黃色部分是大型探測器,為了保護探測器,在中心放射線周圍包裹了厚厚的水泥,黑色區塊部分是遮蔽材料,例如鈾、鉛和肥皂(含水可吸收中子),放在水泥周圍遮蔽輻射,位置會依實際需求做改動。此外,圖中 A0、 A、B、C、a、b、S 等黑色線段都是小型探測器。

這個實驗的遮蔽材料總共用了 5 噸鈾 -238、100 噸的鉛、 5 噸的肥皂,以及 1 萬噸的水泥。整個實驗設施的最外圍,還會堆上大量的水泥塊,保障工作人員安全。

新探測器必須非常精確,還必須在非常強的放射線下遮蔽輻射,避免影響儀器。圖中藍色部分是磁鐵,黃色部分是大型探測器;黑色區塊部分是遮蔽材料,例如鈾、鉛和肥皂,放在水泥周圍遮蔽輻射,位置會依實際需求而變動。此外,圖中 A0、 A、B、C、a、b、S 等黑色線段都是小型探測器。圖/研之有物(資料來源/丁肇中)

高質量的質子碰撞,可以增加新粒子產生的機率,但其他無關事例產生的機率也同樣會提高。丁肇中形容,尋找高質量的重光子就像是:

「在臺北下雨的時候,每秒鐘會降下 100 億顆雨滴,其中有一顆的顏色不同,你必須在 100 億顆裡面把它找出來。」

可想而知,物理界都不看好這個實驗,因為理論物理學家認為,現有理論已「足夠」解釋現象,找高質量的重光子物理意義不大;實驗物理學家則認為,沒有人能做出如此困難的實驗。

在排除萬難的堅持之下,1974 年丁肇中就在實驗中發現了新的粒子「J 粒子」,它的壽命比已知的粒子長一萬倍。丁肇中說:「這個發現的重要性,就等同於我們到深山裡發現了一個偏僻的村子,村民不是一百歲,而是一百萬歲,也就是這些人和普通人類是不一樣的。」

換句話說,這證明了宇宙中有新的物質存在,理論必須修正。

當時科學界流行三夸克模型,也就是用三種夸克基本粒子來解釋質子和中子的狀態,而 J 粒子的發現,證實了還有第四種夸克「魅夸克」(Charm quark)的存在。

這段歷程讓丁肇中有了第二個體會:

「做基礎研究要對自己有信心,做你認為正確的事,因為自然科學的發展基本上是多數服從少數,不要因為大多數人反對而改變你的興趣。」

意外的發現——膠子

1970 年代,丁肇中的第三個實驗,是在德國正負電子對撞機(PETRA)上做的,PETRA 是當時能量最高的正負電子對撞機,可讓 300 億電子伏特的正負電子對撞。丁肇中在實驗過程意外發現膠子的存在。

膠子是人眼不可見的基本粒子,是自然界基本作用力「強作用力」的傳遞媒介(Force carrier)。根據現在的標準模型(Standard Model),我們知道原子核裡面有質子和中子,質子和中子是由數個夸克組成,而膠子可以在夸克之間傳遞強作用力,讓夸克束縛在一起。

從原子到夸克的示意圖,膠子是夸克之間的「強作用力」傳遞媒介,用彈簧形狀示意。(為求圖片精簡,仍使用三夸克模型)圖/研之有物(資料來源/丁肇中)

那麼,丁肇中是如何發現膠子的呢?

物理中用來描述強作用力的理論是量子色動力學(Quantum Chromodynamics),根據理論預測,一個正電子和負電子碰撞時會產生能量,大部分是轉變成一對夸克和反夸克(兩個噴柱)。偶爾會產生夸克、反夸克和一個膠子(三個噴柱)。

在丁肇中的實驗中,透過大量的測量,發現正負電子對撞後,果真出現了許多三噴柱的事例,這三個噴柱現象的數量與分布和量子色動力學是符合的,這個實驗結果證明了膠子的存在。

「我們最初做實驗的時候,並沒有想到會發現膠子。最初做實驗目的是繼續尋找電子的半徑。」丁肇中說。因此這個實驗帶給丁肇中的第三個體會,就是:

「對於意外的現象,要有充分的準備。」

大型國際科學合作:L3 實驗

丁肇中的第四個實驗,是 1982~2003 年在歐洲核子研究中心(CERN)進行的 L3 實驗。他們以周長 27 公里的加速器,將對撞的正負電子能量增加到 1000 億電子伏特,碰撞時的溫度是太陽表面的 4000 億倍,也是宇宙誕生最初的 1000 億分之一秒時的溫度,「我們是在實驗室內製造宇宙剛開始的情況。」丁肇中說。

這個實驗的目的是尋找宇宙中最基本的粒子,解答關於宇宙中各種粒子的問題,包括宇宙中有多少種電子?電子有多大?為什麼找不到電子的體積?電子能不能分成更小的粒子?現在有人說最基本的粒子是夸克,夸克到底有幾種?夸克有多大?能不能分成更小的粒子?

這次的國際合作實驗,有美國、蘇聯 、中國、臺灣、歐洲等 19 個國家,共約 600 名科學家共同參加。實驗的規模很大,每個國家也各司其職。

實驗的最外層重達 1 萬公噸的磁鐵,以及探測器中 300 公噸的鈾,都來自蘇聯;用於探測高能粒子和高能射線的鍺酸鉍晶體(簡稱 BGO),原本全世界年產量只有 4 公斤,經由中國上海矽酸鹽研究所研發成功,生產了 12 公噸,用於這項實驗中;臺灣與義大利、瑞士的團隊共同研發矽微條軌跡探測器,測量粒子位置的解析度可達 5 微米,中央大學團隊也參與了數據分析。

L3 的實驗前後進行了 20 年,發表了 300 篇相關論文。丁肇中總結出以下結論:

  1. 宇宙中只有三種不同的電子和六種不同的夸克。
  2. 電子是沒有體積的,它的半徑小於 10 -17 公分。
  3. 夸克也是沒有體積的,它的半徑小於 10 -17 公分。
  4. 所有的實驗結果都和電弱理論符合,電弱理論是描述電磁力和弱作用力的理論。

「很不幸的,所有的結果都和電弱理論符合。」丁肇中說:「當一個實驗和理論有衝突的時候,才能學到新的東西,把理論推翻掉。假如實驗結果和理論符合,那麼學到的東西就很少。所以對我來說,L3 並不是成功的實驗。」

這個首次的大型國際合作經驗,也為丁肇中帶來了第四個體會:要領導一個國際合作,要選科學上最重要的題目,引起參加國際科學家的最大興趣。對貢獻大的國家要有優先的認可,使之得到國際上的公認,才能得到參加國政府長期的優先支援。

「要領導一個國際合作,要選科學上最重要的題目。」

國際太空站照片,阿爾法磁譜儀(AMS-02)位於國際太空站一側, 如右側紅圈處。圖/European Space Agency

史上創舉:阿爾法磁譜儀上太空

丁肇中的第五個實驗目前仍在進行中,那就是位在國際太空站上的阿爾法磁譜儀(Alpha Magnetic Spectrometer,AMS)。

AMS 目標是研究宇宙射線的特性和起源。帶電的宇宙射線有質量,會被地球表面上 100 公里厚的大氣層吸收,所以我們無法在地面上研究帶電宇宙射線的電荷、動量等性質。這就是為什麼必須把一個磁譜儀放在外太空。

磁譜儀內含有磁鐵,當宇宙射線進入磁譜儀,會因為磁鐵的影響而偏轉軌跡,不同的粒子會留下不同的軌跡,因此根據偏轉的軌跡,就可以分辨出是哪一種宇宙射線粒子。在此之前,從來沒有人會把一個超大磁鐵放到太空站上。

國際太空站照片,阿爾法磁譜儀(AMS-02)正在收集宇宙數據,於 2011 年 5 月 19 日安裝完成。圖/NASA

丁肇中說,原因非常簡單,「大家都知道指南針的原理。當指南針放在太空站上,一端向北、一端向南,很快就會讓太空站失去控制。」為此,AMS 團隊設計了一個特殊的環形磁鐵,從外觀看就像一個木桶,它的磁場不會洩露,「AMS 做過兩次飛行,第一次是用太空梭載運到軌道上運行十天,就回到地面,驗證了這個實驗的可行性。第二次才送到太空站上。」丁肇中說。

AMS 也是一個國際合作的科學計畫,參與的團隊來自世界各地,臺灣也包括在內。對於如何挑選合作夥伴,丁肇中特別提到:「這個實驗很困難,是一個沒有人做過的實驗,你一定要專心。所以參加的人通常只做這個實驗。」

NASA YouTube 頻道對 AMS 磁譜儀的簡介。圖/NASA

AMS 獲得了很多的支援,2008 年,美國參議院和眾議院甚至通過了一條法律,在當時希望盡量減少太空飛行的時空背景下,要求美國政府為 AMS 增加一次太空梭飛行任務,把磁譜儀送到國際太空站上去。

自從 2011 年 5 月升空至今,AMS 在太空中順利地運行,值得一提的是,由臺灣製造的電子系統非常成功,丁肇中說:「整個電子系統包括 650 個微處理器 、30 萬個訊號通道。最值得驕傲的是,至今已經 11 年了,沒有一個是壞的 。

AMS 的訊號經由 NASA 通訊衛星傳遞,每日 16 小時由位在 CERN 的控制中心負責監控。在歐洲的夜間時段,則轉到中山科學院的亞洲控制中心監控,實現全年無休,每日 24 小時的監控。

「一開始做實驗的時候,我並沒有想到,太空站在太空中一定要不斷運行,這樣向心力與引力才會平衡。」丁肇中說:「這就表示我們沒有週六、週日,沒有中秋節也沒有過年,每天都要嚴格地監控著。」

丁肇中院士於 2013 年 5 月講述 AMS 首次研究成果。圖/NASA

科學研究的競爭只有第一,沒有第二

這 11 年來,AMS 獲得了許多和現有理論不符合的結果,帶來了對宇宙全新的認知。AMS 第一個成果是探索宇宙中電子與正電子的來源。

目前推測電子和正電子來源有三種可能性:宇宙線(含有質子和氦)與星際物質之間的碰撞、脈衝星產生、再來是暗物質的碰撞。圖/研之有物(資料來源/丁肇中、Wiki)

根據 AMS 目前的成果,關於電子的來源,宇宙線碰撞產生的電子佔比極低,顯然不是主要來源。從數據來看,電子主要是由兩個未知來源的冪律譜數據疊加而得,目前仍缺乏理論解釋冪律譜的來源。所謂的冪律譜,就是能譜隨著能量的某次方變化。

至於正電子的來源,如下圖所示,低能量的正電子主要來自宇宙線的碰撞,高能量正電子的分布則大致與暗物質理論相符合,丁肇中表示,「到 2030 年,AMS 的數據誤差會更縮小,」屆時就能真正證明高能正電子是否來自暗物質碰撞,「這是一個非常重要的目標。」

另一方面,AMS 也從數據推論出高能量正電子的來源很可能不是脈衝星,所以更意味著暗物質才是高能量正電子的主要來源,後續期待更多數據的佐證。

除了探索電子來源之外,AMS 也檢視了正電子的來源。低能量的正電子主要來自宇宙線的碰撞,高能量正電子的分布則大致與暗物質理論相符合,有待更多數據驗證。圖/研之有物(資料來源/丁肇中)

AMS 的第二個重要成果,是探索宇宙射線的特性和起源。

宇宙射線分為一級、二級宇宙射線。一級指的是在恆星裡經過核融合產生,然後在恆星爆炸的過程中被加速到高能量的射線,包括氫、氦、碳、鐵等。二級宇宙射線是一級宇宙線和星際物質相撞產生的,包括鋰、鈹、硼、氟等。

AMS 發現,一級宇宙射線可以依據剛度(動量除以電荷)的變化分成兩種,第一種包括氦、碳、氧、鐵,第二種則包括氖、鎂、矽、硫。而二級宇宙射線也分為兩種剛度變化:鋰、鈹、硼隨著剛度的變化是一樣的,氟則是另外一種變化。

宇宙中有各式各樣的宇宙射線,可是它們隨著剛度的變化卻是有限的,「這是不可想像的現象,」丁肇中說:

「所有宇宙射線的實驗結果都與理論不符合——所有目前的理論都是錯誤的。」

AMS 將繼續工作到 2030 年,在那之前,AMS 的探測器會升級,讓接收度提升三倍。AMS 將在宇宙這個最廣袤的實驗室中,持續收集數據,尋找自然界中存在,而我們未曾想到、也不曾發現的現象,改變我們對宇宙的認知。

「我的大多數實驗都受到很多人的反對。理由是實驗沒有物理意義、實驗非常困難,不可能成功。」丁肇中說:「可是過去 45 年來,很多優秀的科學家,包括臺灣的李世昌院士和張元翰教授[註],對實驗做出很重要的貢獻。實驗結果改變了我們對宇宙的認知。每一個實驗都發展新的儀器,讓實驗成功。」

丁肇中以自身的最後一個體會,為整場講座下了一個總結:

「自然科學的研究,是具有競爭性的,只有第一名,沒有第二名。」畢竟,「沒有人知道誰是第二個發現相對論的。」

最後,「研之有物」也收錄了在該場演講的尾聲,中央研究院物理所的李世昌院士與丁肇中院士的精彩對談,他們是合作多年的朋友,在問答之間,我們也能更瞭解丁院士如何看待實驗物理,節錄摘要如下。

李世昌院士(左)與丁肇中院士(右)對談。圖/中研院物理所

Q:您到母校密西根大學的時候 ,起初是想要鑽研理論物理,但為什麼後來改朝實驗物理的方向進行?

我起初其實是學機械工程,但當時還沒有電腦,必須自己畫圖,而我一條線都畫不直,所以我的老師建議我改念數學或物理。而就像李院士說的,我一開始選擇了理論物理,但後來,發現電子自旋的喬治.烏倫貝克(George Uhlenbeck)教授給了我啟發。

烏倫貝克說:「如果重來一次,我會選擇當個實驗物理學家,而不是理論物理學家。」我問他為什麼,他說:「對物理真正有影響力的理論物理學家,一隻手的指頭就數得出來。但做實驗得到的每一個結果,都是對物理、對人類知識有貢獻的。」我和他談完之後,就在他的辦公室外走來走去,然後告訴他:「You are right, I’m leaving you.」(在場聽眾笑)

Q:剛才演講中,您強調科學需要打破現有理論才會進步。但是我跟您工作這麼多年,看到您經常徵詢有名的物理學家意見,也有邀請理論物理學家參加 AMS 實驗組的大會。因為您對理論不會完全相信,所以想請問您在什麼情況下 ,會覺得要跟這些理論物理學家談一談?

我通常在進行大型實驗之前 ,會找幾個人談一談。 一個是實驗物理學家沃爾夫岡.帕諾夫斯基(Wolfgang K. H. Panofsky),他在史丹佛大學做了一個兩公里長的直線加速器,對技術及理論都非常了解。還有一個人是理查.費曼(Richard Feynman),我和費曼相熟是因為我證明了他的理論是對的。

此外包括史蒂文.溫伯格(Steven Weinberg) 、謝爾登.格拉肖(Sheldon Glashow)等物理學家,我也會跟他們談我的實驗。通常我都是已經想好實驗以後,再聽聽他們的意見作為參考,不過我從來不照他們所說的去做。

Q:您曾經說過,如果人是依據自己有什麼能力,再來選擇研究的課題,這是最笨、最愚蠢的,應該先看一個題目有沒有重大影響力來決定。如果自己的能力不足,可以找別人合作。請問您在做完 L3 實驗之後,是如何選擇現在正在進行的 AMS 實驗?

當時我已經做了很多加速器的實驗,我想下一步,應該挑一個大家都認為不可能的實驗,所以就挑了一個到太空去做的實驗,也就是 AMS。我從來沒有做過太空實驗,我們組裡也沒有一個人有太空相關的經驗,所以過去的經驗是沒有意義的。

當我和美國政府提出 AMS 實驗時,美國能源部反對。他們認為我從來沒做過太空實驗,而且太空實驗非常非常貴。為了證明實驗的價值,我要求他們成立評審委員會,成員必須是世界第一流的科學家 、美國科學院院士以及拿過諾貝爾獎的人。

這是因為第一流科學家眼光比較遠,能夠看到將來。後來委員會成立,成員包括許多天文物理學家。經評審後,他們認為這是很重要的實驗。最後我們就在 NASA 展開了 AMS 實驗。

Q:發表的實驗結果一定要正確,這是您最重視的一件事。在發現 J 粒子的時候,從您看到訊號到最後決定發表,隔了很長的時間。有人說如果您早一點發表,Burton Richter 可能就沒有機會和您共同得到諾貝爾獎。您對於實驗的結果,是如何決定發表的時機?

我們是在 1974 年 8 月看出有 J 粒子的訊號,本來打算在 10 月時發表,但我想稍微等一等,看能不能看到更高能量的粒子,所以才等到 11 月。當時我並不知道別人可以用正負電子對撞機來做這個實驗。直到 11 月 11 日,我到史丹佛大學去,才知道伯頓·里克特(Burton Richter)帶領的 SLAC 國家加速器實驗室團隊也發現了一樣的事情。

至於 AMS 的成果,我一直提醒大家記住一件事,我們花了 20 年的時間準備這個實驗,在接下來的半個世紀,我想很可能沒有人會再像我們這麼笨,再放一個磁譜儀到太空中,所以如果發表了什麼結果,一定會影響整個物理研究的方向,所以要特別小心謹慎。

註解

  • 註:李世昌院士現為中研院物理所兼任研究員,張元翰現為中研院物理所特聘研究員。

延伸閱讀

  1. Mars, K. (2022). About AMS-02. NASA. 
  2. Spry, J. (2021). A $2 billion particle detector stars in new Disney Plus docuseries “Among the Stars”: Q&A with principal investigator. Space.com. 
  3. AMS Collaboration, Aguilar, M. A., . . . Zuccon, P. (2021). The Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) on the international space station: Part II — Results from the first seven yearsPhysics Reports894, 1–116. 
  4. AMS Collaboration, Aguilar, M. A., . . . Zuccon, P. (2019). Towards Understanding the Origin of Cosmic-Ray PositronsPhysical Review Letters122(4). 
  5. Lindley, D. (2016). Landmarks—The Charming Debut of a New Quark. Physics. 
  6. SciShow. (2012). Strong Interaction: The Four Fundamental Forces of Physics #1a [Video]. YouTube. 
  7. Samuel C.C. Ting. MIT Physics. 
  8. Samuel C. C. Ting | The Alpha Magnetic Spectrometer Experiment. (n.d.). AMS-02.space.
  9. Samuel C.C. Ting Facts. (n.d.). NobelPrize.org. 
  10. Samuel C.C. Ting Nobel Lecture. (n.d.). NobelPrize.org. 
  11. 張忻郁(2021)。〈【丁肇中獲頒諾貝爾物理獎40週年專題】丁肇中院士介紹〉(張元翰編),《科學 Online》。
  12. 國立成功大學-數位演講網(2018)。〈20150813 丁肇中探索宇宙中的基本結構和宇宙的起源 [影片]〉,《YouTube》。
  13. 臺大科學教育發展中心 CASE(2016)。〈【大師演講】丁肇中院士獲頒諾貝爾物理學獎40週年:我所經歷的實驗物理 [影片]〉,《YouTube》。 
  14. 簡宗奇(2016)。〈談物理課中的典範敘述-丁肇中的實驗物理——《科學月刊》〉,《PanSci 泛科學》。
  15. 張瑞棋(2015)。〈發現「J 粒子」──丁肇中生日|科學史上的今天:1/27〉《PanSci 泛科學》。
  16. Musser, G.(2011)。〈反物質之眼〉(甘錫安譯),《科學人知識庫》。
  17. 郭雅欣(2011)。〈上太空找反物質〉,《科學人知識庫》。
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研之有物│中央研究院_96
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從粒子變成波動?物理學界最偉大的統一理論!——《大話題:量子理論》
大家出版_96
・2023/04/16 ・1537字 ・閱讀時間約 3 分鐘

提出物質波的法國王族

1923 年,巴黎索邦大學的研究生路易・德布羅意親王(1892 – 1987)提出一個驚人的觀點,即粒子可能具有波的性質。愛因斯坦認為必須以二象性來理解光,這個觀點深深影響了德布羅意。

德布羅意在 1924 年的博士論文中寫道……

德布羅意親王的博士論文深受愛因斯坦的影響。圖/《大話題:量子理論》

愛因斯坦的光粒子能引起光電效應(將電子從金屬中撞擊出來),同時能攜帶「週期性」的訊息,在不同的環境(例如雙狹縫實驗)下產生干涉效應。這令德布羅意印象深刻。

接下來就是鉅作了。德布羅意在論文的第一部分,提出了物理學中最偉大的統一原理之一……

德布羅意認為波的傳遞一定與粒子運動有關。圖/《大話題:量子理論》

引導粒子運動的波

德布羅意所做的事情是給定一個頻率,但不是針對粒子(例如他想像中的愛因斯坦光子)內部的週期性行為,而是一種伴隨粒子穿越時間和空間的波,讓這種波可以與「內部」的過程保持同方向。

這樣的波可以偵測得到嗎?也就是說,這些神祕的波可能和粒子實際的運動有關,並且可以測量嗎?

能引領粒子運動的「領波」。圖/《大話題:量子理論》

可以,德布羅意這樣說。這些波不僅僅是抽象的。這個新的顛覆性想法在物理上的重要結果是,與領波相關的速度有兩種。

德布羅意確認了群速度就如同一個粒子的速度,並證明增強區域展現了粒子所有的力學性質,例如能量和動量。(這類似疊加許多不同頻率的波會產生一道脈衝。)

與領波相關的兩種速度。圖/《大話題:量子理論》

將物質波公式帶入各類公式中!

當他寫下簡單的數學關係式來描述這些由光子類推而得的想法時,更戲劇性的結論出現了。

他從愛因斯坦著名的方程式 E=mc2 開始,著手計算所有東西的總能量。在這種情況下,光子……

現在看看德布羅意一連串的代換……

由於mc就是質量乘以速度,也就是光子的動量 p……

運用波的關係式 c(速度)= f(頻率)乘以 λ(波長)

將普朗克/愛因斯坦的方程式 E = hf 與上述式子畫上等號,我們可以得到:並透過簡單的代數可以得到……

德布羅意將物質波的公式代入愛因斯坦的公式中。圖/《大話題:量子理論》

德布羅意用直接類比的方式,主張他的關係式不僅適用於光子,也適用於電和所有粒子。

λ = h/p ……

也就是(波長)=(普朗克常數除以動量)

對電子來說,下式

動量 p = (m)(v) =(質量)(速度)

可以很輕易地以實驗驗證,因此可以從德布羅意的方程式來預測波長。

對大多數物理學家來說,這個概念看似荒謬。電子是一種粒子,自從湯姆森 1897 年發現電子以來,古典物理學家一直都這樣認為!

德布羅意的公式可適用於所有粒子中。圖/《大話題:量子理論》

——本文摘自《大話題:量子理論》,2023 年 3 月,大家出版出版,未經同意請勿轉載。

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名為大家,在藝術人文中,指「大師」的作品;在生活旅遊中,指「眾人」的興趣。

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身在臺灣也不能阻止他進行核分裂實驗,日本高能物理學奠基者——荒勝文策
PanSci_96
・2023/03/10 ・4147字 ・閱讀時間約 8 分鐘

  • 文/陳立欣

你知道亞洲第一次成功的核分裂實驗是在臺灣完成的嗎 ?

1934 年 7 月 25 日晚間,就在今天的臺灣大學二號館 101 室,舉行了一項令人興奮的偉大實驗。科學家用高壓直線型加速器使質子加速前進,撞擊鋰原子而得到了兩個 α 粒子!這是亞洲第一次,也是世界第二次成功分裂原子核的實驗。而進行這項實驗的科學家,就是時任臺北帝大物理學講座首任教授——荒勝文策(Bunsaku Arakatsu)

醉心物理學研究,歐洲行開啟高能物理之路

荒勝文策出生於 1890 年 3 月 25 日,日本兵庫縣印南郡的一個小漁村。他從御影師範學校與東京高等師範學校畢業後,一度曾在佐賀縣擔任教職。後來在興趣的推動下,1915 年進入京都帝國大學物理學系就讀。1918 年他從京都帝國大學物理學系畢業,並旋即擔任該校講師。其後陸續擔任京都帝國大學物理學系助理教授、甲南高等學校教授、臺灣總督府高等農林學校教授。

從事教職之後,他還是對研究比較感興趣,後來因緣際會之下,他以臺灣總督府在外研究員的身分前往歐洲留學,正式開啟了他與高能物理學的淵源。

荒勝到了歐洲之後,曾經短暫留學於德國的柏林大學(今柏林洪堡大學),跟隨物理學巨擘阿爾伯特・愛因斯坦(Albert Einstein)作研究,當時也正是哥本哈根詮釋風靡全世界的時候。荒勝在自傳中表示,無論在物理或是思考面,都受到愛因斯坦相當大的影響,使得原本矢志攻讀理論物理學的他,轉而對原子核實驗產生了相當大的興趣。

1900 年的德國柏林大學(今洪堡大學)。圖/wiki

因此,一年後他到瑞士蘇黎世聯邦理工學院師從保羅・謝樂(Paul Hermann Scherrer),並進行有關鋰原子中自由電子分布的研究。緊接著他到英國劍橋大學卡文迪西實驗室,師從約瑟夫.湯姆森(Sir Joseph John Thomson)歐尼斯特・拉塞福(Ernest Rutherford)詹姆士.查兌克(Sir James Chadwick)等人共二年半的時間。(編按:此三人正是中學物理課本中介紹近代物理中,對原子核構造發現有重大貢獻的三位物理學家。湯姆森以陰極射線實驗發現了電子、拉塞福以金箔實驗確立了原子核的存在、查兌克則發現了中子。)

他於 1928 年 8 月獲得京都帝國大學理學博士學位,而畢業論文的主題,就是運用愛因斯坦狹義相對理論裡的「質能互換公式」理論,撰寫出以原子釋出巨能的理論公式。他從事高能物理學研究之路,自此開啟。

臺灣首任物理學教授,完成亞洲首次核分裂實驗

1928 年 12 月,荒勝來到了臺灣總督府轄下的臺北帝國大學,擔任物理學講座的首任教授,並開設普通物理與原子論等相關課程,也是臺北帝國大學首次開設物理學相關課程。荒勝趁著在歐洲進修的機會,大肆採購了許多教學研究相關的圖書與器具,為臺北帝國大學的物理學發展帶來很大的幫助。

1932 年 4 月《自然》雜誌裏有一篇論文,描述英國劍橋大學卡文迪西實驗室怎樣用 Cockcroft-Walton 的加速器,製造快速質子,打入鋰(Lithium)原子核後引發核反應,產生一對 α 粒子來促成鋰蛻變。

經典的核反應之一——鋰同位素的 α 衰變示意圖。此一核反應示意圖中,Li-6()與氘()反應,形成高度激發狀態的中間產物 原子核,並立即再衰變為兩個 α 粒子()。圖中的紅色球體代表質子,藍色球體則代表中子。圖/wiki

在瞭解了這個過程內容後,荒勝就對助手木村毅一說:「這是個大變動之事,我們也來試看看吧!」

荒勝決定在臺北帝大二號館 101 室建造 Cockcroft-Walton 型加速器。當時臺灣設備簡陋資源不足,有許多問題需要克服。除了器材需要打造,實驗室裡面也沒有天然的放射線源,荒勝借鑑臺北帝國大學理農學部無機化學講座的研究,嘗試從北投石中提煉釙充當 α 線源。此外實驗中需要的重水,也自行設計器材提煉取得。

最後就是電力的問題,Cockcroft-Walton 型加速器需要穩定而充沛的直流電力,進行實驗電壓不足將無法擊碎原子核。幸虧當時臺北工業職業學校提供器材奧援,才解決了直流電的問題。在萬事皆須重頭準備的臺北帝大也能完成此一實驗,由此可見荒勝文策不屈的意志。

1934 年 7 月 25 日夜裡,荒勝成功完成人工撞擊原子核(Li(p, α)He)的實驗。該次實驗重現並證實了 的反應,並發現用高速「氘離子」撞擊「鋰」,也能使鋰同位素產生 的反應。

這次實驗在當時轟動整個日本的物理學界。這是日本史上第一個加速器(全世界第二座這一型的加速器),而這一次追試成功,距離《自然》雜誌刊登論文也只不過經過 2 年。

與原子彈無法迴避的淵源 二戰未能成功的 F 計畫

1941 年,荒勝成功使鈾原子與釷原子產生核分裂反應,這使得荒勝註定要在原子彈計畫的篇章中留下身影。二戰後期,大日本帝國海軍招集荒勝進行研究,成立了一個研發小組,成員也包含了湯川秀樹

荒勝一開始就決定採用離心機來提煉鈾 235,而不是世界上普及的熱擴散法。他的研究成果,也曾被美國研究原子彈的曼哈頓計劃作為數據計算參考。

鈾-235()的核分裂反應示意圖。鈾-235 受到中子(n)撞擊後,形成極度不穩定的鈾-236,此不穩定的鈾隨後分裂為兩個較輕的原子(Ba-144 與 Kr-89)、產生三個新的中子,並伴隨能量釋放。這些新的中子會再去撞擊周圍其他的鈾-235,如此不斷重複進行,產生連鎖反應,引發巨大的能量。圖/wiki

荒勝文策曾自言:

我自小喜歡旋轉的東西,也許這是我選擇離心機的真正原因。我一輩子喜歡的研究,就是轉動體。

然而,由於當時日本政府內部的混亂以及資源的相對缺乏,致使日本核計畫未能如美國、英國與納粹德國一樣發展迅速。以至於在荒勝的 F 計畫先從日本遷到朝鮮,後因大戰結束也被迫中止了 F 計畫。

1945 年 8 月 6 日,美軍在廣島投下原子彈,驚人的爆炸力與毀滅性的災難,引起了日本學界的重視。日本陸軍動員了東京理化研究所的仁科芳雄前往觀察研究,而日本海軍則是委任京都帝國大學的荒勝文策,並組織「京都帝國大學原爆災害調查班」進行調查。

荒勝與仁科皆震驚於爆炸威力之強悍,且不斷進行爆炸的計算分析,兩人共同的結論就是「這應該就是原子彈」,經過計算荒勝精確指出爆炸時的高度與位置,並得出閃光時間約在五分之一秒和二分之一秒之間,其調查報告數據計算之精確,震驚世界。

可惜的是,雖然有著最頂尖的相關學識,卻因戰爭的局勢而不得不被迫放棄研究。

戰後,聯合國軍最高司令官總司令部(GHQ)於 1945 年 9 月 28 日下令禁止日本進行有關原子物理與航空學的研究,並拆除京都大學荒勝研究室的迴旋加速器,將之傾倒入琵琶湖。荒勝文策的大量報告與研究筆記也遭到沒收,該次拆除行動也引來了國際間的一陣撻伐。甚至引發了包含美國麻省理工學院在內的科學家們對美國陸軍的抗議,美國陸軍長官並因此引咎道歉,承認拆除行動的錯誤。

雖然在戰後無法持續相關的研究,荒勝文策仍影響了日本高能物理學的發展。無論是在京都大學發展的 Cockcroft-Walton 型加速器,或是發表在《自然》雜誌與木村和植村一同利用宇宙射線進行的研究。甚至是湯川秀樹,也在畢業後特地回母校旁聽其課程,並深受其影響。荒勝的努力為日本高能物理學在荒野中展開了道路,也讓原子能科學在日本持續發展。

荒勝文策與他在京都大學研究室的迴旋加速器。圖/wiki

在 1949 年湯川秀樹獲得諾貝爾物理學獎後,荒勝感嘆到道:

晚輩得了諾貝爾獎一切都值得了(後輩がノーベル賞を受賞したことで全てが埋め合わされた)。

雖然是欣慰之語,或許也透露出這位奠基者心中仍有所遺憾。

角落也無法掩蓋裡的光芒,開創日本高能物理的荒野道路

鑽石即使擺放在角落,也會發出迷人的光芒。我想,用這句話來形容荒勝文策再適合也不過了。身處日本學術邊陲的臺北帝國大學開設理科講座,在講座成員只有 4 個人的情況下,在不到兩年的時間內就完成了 Cockcroft-Walton 型加速器的設置;甚至完成了全球第二次、亞洲第一次的核分裂實驗,真的非常的不容易。在人手不足、資源不足、連放射線源都沒有的狀態下,還能使用北投石完成實驗,荒勝的堅持態度也為科學研究鍥而不捨的精神立下標竿。

荒勝文策在臺北帝國大學物理科講座的原子核加速實驗,在物理史上的意義是多重的。對臺灣而言,這是臺灣的名字第一次在物理學學術論文期刊。而遺留在臺灣的加速器殘骸與相關器材,成為戰後臺灣成立物理系、發展核子物理實驗的契機。雖然荒勝藉著這次的實驗重返日本,就未再返回臺灣,但他對於臺灣高能物理學發展,仍舊猶如荒野中的第一道腳印,留下了不可磨滅的痕跡。

參考文獻

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  3. 張幸真,〈臺灣知識社群的轉變——以臺北帝國大學物理講座到臺灣大學物理系為例〉,2003 年 7 月 31 日,頁 101。
  4. 轉引木村毅一,〈廣島原爆後日譚〉,《神陵文庫》第五卷,1988 年 2 月 29 日,京都三高自昭會,頁 14。
  5. 張幸真,〈臺灣知識社群的轉變-以臺北帝國大學物理講座到臺灣大學物理系為例〉,2003 年 7 月 31 日,頁 106。
  6. Info,(阿文開講——F計畫〉,《臺灣物理學會雙月刊》,2016 年 9 月 7 號。
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