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奇異性和「八重道」-《上帝的粒子》

貓頭鷹出版社_96
・2013/09/06 ・1883字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 546 ・八年級

列印在三○年代,如果你想要研究高能粒子碰撞,那你得爬到山上去才行。宇宙射線(來自外太空的高能粒子束)不停沖刷著高層大氣,組成這些射線的各種粒子裡面,有些具有相當高的能量,能夠穿透到較底層的大氣,抵達山頂的高度,所以物理學家可以在山頂研究這些高能粒子的碰撞現象。像這種研究得靠機運才能探測到粒子,而且由於機運難以捉摸,任兩次事件發生的情況都不會是完全相同的。

美國物理學家卡爾.安德森於一九三二年發現了狄拉克預測的正子,四年後,他和他的夥伴美國人內德梅耶將粒子探測裝置堆到平板卡車上,把卡車開上洛磯山脈的派克峰峰頂,那裡大約位於科羅拉多泉以西十六公里。 在穿透而過的宇宙射線留下的蹤跡裡,這兩位物理學家辨識出了另一種新粒子,行為和電子非常相似,但是受磁場作用而偏向的角度要小得多。

這種粒子受磁場影響而轉向的速度比電子來得慢,但又比相同速度的質子(在反方向上)轉得更猛。結論只有一個:這是一種新的「重」電子,質量大約是普通電子的兩百倍;它不可能是質子,因為質子的質量大約是電子的兩千倍。

這個新粒子被稱作介子(meson),是個不受歡迎的發現。重量級的電子?這不符合任何對於自然界基礎組成的理論或預測。

加里西亞出生的美國物理學家拉比很不高興,他質問道:「誰要來負責解釋這個發現呢?」一九五五年,蘭姆在他的諾貝爾得獎演說裡呼應了這種挫敗感,他說:「……在過去,發現新基本粒子的人會受到諾貝爾獎的表彰,但是現在,像這樣的發現應該要罰款一萬美元。」

一九四七年,在法國庇里牛斯山的南日峰頂,布里斯托大學的物理學家鮑威爾和他的團隊在宇宙射線裡發現了另一種新粒子。這種新粒子的質量比介子稍微大一些,是電子質量的兩百七十三倍,有的帶正電,有的帶負電,後來還發現了不帶電的種類。

這下物理學家為了取名字一個頭兩個大,介子被重新命名為緲介子,後來簡稱為緲子(muon), 新的粒子則被稱作π介子。隨著宇宙射線產出粒子的探測技術愈來愈進步,事情一發不可收拾,在π介子之後,很快又發現了帶正電和帶負電的K介子,還有電中性的Λ粒子,新名字激增。費米有次在回應一名年輕物理學家的問題時說道:「年輕人,如果我有辦法記住這些粒子的名字,那我應該去當植物學家。」

K介子和Λ粒子的行為相當奇特。這些粒子大量生成,這是強交互作用的明確特徵,它們通常成對出現,形成獨特的「V」字形軌跡,然後繼續前進,可能會在衰變前通過探測器。這些粒子衰變所需要的時間比生成所需的時間要長得多,暗示它們雖然透過強核力而生成,但它們的衰變模式是由另一種微弱的力所主宰的。事實上,這種力與主宰貝他放射性衰變的力是同一種。

同位旋對解釋K介子和Λ粒子的奇異行為幫不上忙,這些新粒子似乎具有某種迄今未知的額外特性。

美國物理學家蓋爾曼大惑不解,他發現了以同位旋來解釋這些新粒子的方法,不過必須要建立在同位旋出於某種未知理由被「平移」了一個單位的假設上。這一點在物理上毫無道理可言,所以他提出一種新的特性,後來他稱之為奇異性(strangeness),用來說明這個平移量。 他之後引用英國畫家培根的名言:「凡絕美之物,必定帶著幾許奇異。」

蓋爾曼主張,姑且不論奇異性到底是什麼東西,它就跟同位旋一樣,在強交互作用過程中會保持恆定。在牽涉到「正常」(亦即不具奇異性)粒子的強交互作用裡,每產生一個奇異性為+1的奇異粒子,都會同時伴隨另一個奇異性為–1的奇異粒子,所以整體的奇異性守恆,這就是這些粒子傾向於成對出現的原因。

奇異性守恆也解釋了為什麼奇異粒子要花這麼長的時間衰變。奇異粒子一旦形成,就不可能透過強交互作用再轉變回普通粒子了,因為這個過程需要改變奇異性(從+1或–1變成零),而強交互作用在預期中是很快就會發生的事。所以奇異粒子可以撐很久,直到屈服於弱核力之下,而弱核力才不在乎奇異性是否守恆。

沒有人知道為什麼。

 

本文摘自PanSci 2013九月選書《上帝的粒子》第三章:看不出價值,由貓頭鷹出版

註:

  1. 其實他們的卡車沒能夠一路開到收費口,所以剩下的路程他們得把東西拖上去。這兩位科學家的實驗預算相當有限,但他們很幸運地遇到通用汽車的副總裁,他正在山上測試一款新型雪佛蘭卡車。他很好心地替兩位科學家的卡車安排拖吊,還出錢幫他們換了新引擎。事實上,質子和電子的靜止質量(粒子速度為零時的質量)之比值為1836:1。這個名字會讓人混淆,因為物理學家很快就發現到,緲介子事實上並不屬於我們現在歸類為「介子」的粒子種類。
  2. 差不多在同一時間,日本物理學家西島和彥與中野董夫也提出了幾乎一樣的想法,他們將奇異性稱之為「η電荷」。
文章難易度
貓頭鷹出版社_96
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貓頭鷹是智慧的象徵。1992年創社,以出版工具書為主。經過十多年的耕耘,逐步擴及各大知識領域的開發與深耕。現在貓頭鷹是全台灣最重要的彩色圖解工具書出版社。最富口碑的書系包括「自然珍藏、文學珍藏、台灣珍藏」等圖鑑系列,不但在國內贏得許多圖書獎,市場上也深受讀者喜愛。貓頭鷹的工具書還包括單卷式百科全書,以及「大學辭典」等專業辭典。貓頭鷹還有幾個個性鮮明的小類型,包括《從空中看台灣》等高成本的視覺影像書;純文字類的「貓頭鷹書房」,是得獎連連的知性人文書系;「科幻推進實驗室」則是重新站穩台灣科幻小說市場的新系列,其中艾西莫夫的科幻小說,已經成為台灣讀者的口碑選擇。

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八爪博士 4ni!?《蜘蛛人》裡的人造太陽或將問世?(上)
科學大抖宅_96
・2022/04/14 ・4737字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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說明:此篇文章原本乃為泛科學 Youtube 影片所寫,經簡化之後,拍攝成〈缺電、輻射、核廢料有解嗎?「核融合發電」有可能嗎?〉和〈最受期待的核融合發電在哪裡?能源數據誰在膨風?〉兩部作品。又,本文並不針對核融合的技術性問題多做解釋,而是想用最少的字數,讓讀者瞭解核融合發展的全貌與大致進程。同時,此文主題也跟「世界是否應該採用核能發電」、「臺灣是否該使用核能發電」、「台灣是否該重啟核四」無關;這是三個完全不同的問題,核融合發電跟現有的核能發電技術也有所不同,無法一概而論。


在漫威電影裡,許多情節設定都跟真實世界的科學有所關連。就前陣子上映的《蜘蛛人:無家日》來說,在公開預告片中可見到知名反派八爪博士的回歸;他不但是研究核能的科學家,在《蜘蛛人2》還打造出了核反應爐。

《蜘蛛人2》公開預告片中的核反應爐。截圖自 YouTube

八爪博士的核反應爐,跟太陽可說有 87 分像;姑且不論畫面呈現得正不正確,這部機器特別的地方就在於,它是核融合反應爐,而非目前核能發電所用的核分裂反應爐。然而,這兩者差在哪裡?都已經有核能發電技術了,為什麼還要研發核融合發電?不僅如此,核融合研究甚至一度引發學術界的爭議醜聞,甚至被拿來拍成 IMDb 超低分的電影。

傳統核能發電的發展趨勢

不久前(2021 年底),臺灣舉辦了是否重啟核四的公投。在選舉期間,我們或許聽過不少關於核能發電的利弊分析與討論。在溫室效應越來越受到關注、以及強調 2050 年要淨零碳排放的現代,核能發電極低的碳排放,是不容忽視的優點;但另一方面,核廢料問題,和核子事故風險,也是反核人士眼中無法接受的缺點。

不管如何,近數十年來,全球核能發電量雖然在日本福島核災後一度減少,但整體而言,仍大致呈現緩慢增長的趨勢。不過,核能在全球的發電佔比,則是於 1996 年達到 17.5% 的高峰後,開始緩慢下降。

全球核能發電佔比於 1996 年達到最高峰。圖/《2021 世界核能產業現況報告》(The World Nuclear Industry Status Report 2021, WNISR 2021)

另一方面,若比較從 1954 年到 2020 年,「開始運轉的核電廠」和「停止運作的核電廠」兩者的數目。可以發現,在 1990 年之前,開始運轉的核電廠,遠比停止運作的核電廠要多得多。但從 1990 年開始,兩者就呈現差不多的趨勢。

從 1954 年到 2020 年,開始運轉的核電廠數目(靛青色)和核電廠停止運作的數目(紫紅色)的比較。圖/World Nuclear Performance Report 2021 COP26 Edition

基於上述統計資料,大抵可以說,因為總總複雜的原因,不管是對是錯,在上世紀 90 年代以後,核電廠慢慢地不像以前那麼受到歡迎。而近年來對溫室效應的關注,以及仍是現在進行式的俄烏戰爭,會對核能發展帶來什麼影響,有待我們持續關注。

為什麼要研究核融合發電?

就在核能前景尚未完全明朗的同時,我們卻也能在許多新聞媒體上看到,除了新式核分裂發電技術的研發之外,還有「Google 和比爾蓋茲投資核融合反應爐」、「世界最大核融合反應爐進入組裝階段」、「中國核融合再創新世界紀錄」、「核融合新創 Helion 獲 22 億美元資金」、「貝佐斯投資核融合新創」等,關於核融合發電的消息;美國政府和其他許多國家也都投入資源在核融合研究。

同樣是核能發電,核融合發電和傳統的核分裂發電,有什麼不一樣?為什麼許多國家與知名人士都對核融合發電寄予厚望?八爪博士又為什麼打擊蜘蛛人的正事不幹,要去研究核融合?(搞錯重點了好ㄇ)

核反應的類型

簡單來說,核反應可分成兩大類,一是原子核分裂成其他較輕原子核,稱為核分裂(nuclear fission);另一則是,兩個以上的原子核結合成新的原子核,稱為核融合(nuclear fusion)。因為核反應往往伴隨能量的吸收或釋放,核能電廠於是利用這一點,擷取核分裂過程中釋出的能量,作為發電之用。

核分裂(左)和核融合(右)的對比。圖/美國核能辦公室

至於太陽,主要由氫構成。龐大的重力將氫向內擠壓,於太陽核心產生極端的高溫和高壓,並促使氫進行核融合反應成為氦,連帶產生能量。目前的核融合研究,目的就是在地球上複製這個過程,以獲取釋出的能量。只不過,地球上並不存在如太陽核心般的高溫和高壓,所以必須人為地製造出適合的環境,核融合發電才有可能實現。也因此,有人會把核融合技術形容成人造太陽,而《蜘蛛人 2》電影裡,八爪博士製造出的核融合裝置,就長得一副太陽的樣子。

核融合發電的優點與困難

相較於傳統的核能電廠,核融合發電擁有許多優點。首先,在許多人擔心的安全性問題上,核融合發電不可能出現像是爐心熔毀或熱失控等狀況。因為核融合發電所需的「燃料」(雖然核反應不算是燃燒)需要人為持續提供,而且核融合反應的環境也需要精密控制,所以一旦系統出現狀況,就會使得整個發電程序停止運作——換言之,不可能「爆走」。

核融合發電在安全性上的優點,也是它最大的缺點——因為核融合反應實在太容易動不動就停止了,科學家們想方設法,目前也沒辦法做到讓反應爐持續不間斷地運作;換言之,它不具有商業發電的價值。也是因為這樣,我們在新聞裡常會看到,某國科學家成功突破紀錄,讓核融合反應持續了幾秒鐘或幾分鐘。而如何讓核融合反應爐能夠持續運作,就成為相關研究最重要的課題之一。

除了安全性問題之外,核能發電產生的核廢料也常為人所詬病。不可否認,目前的核能發電方式,會產生具輻射性的核廢料,半衰期從數百年到百萬年不等,而台灣一直未能設立核廢料的最終處置場,全世界至今也沒有任何一座高階核廢料處置設施正式運轉。預計最快要到 2024 年,在芬蘭才會有全球第一座的高階核廢料永久處置場正式啟用。然而,臺灣的地質條件跟芬蘭完全不同,能否找到適合的最終處置場,仍是個問號。

圖/wikipedia

那麼在核融合發電,也會面臨核廢料的難題嗎?答案既是,也不是。核融合發電也會產生核廢料,但其屬於低階核廢料,基本上就是工作人員使用過後的防護衣和清潔用品,以及反應爐的腔壁等。這些核廢料的半衰期大體而言都不長;因情況而異,約數十年到數百年,其輻射水平即可回覆到接近一般環境的背景值。所以,做為結論,核融合發電還是會產生核廢料,但相較於現有的核能發電,其危險程度以及對環境的影響要小上很多。

最後,核融合發電還有另一個優勢:燃料。現在的核能發電,主要使用鈾 -235 做為燃料;雖然全球的鈾礦礦藏相對豐富,根據世界核能協會(World Nuclear Association)的估計,足夠人類再使用 90 年,但並非取之不竭。相對地,核融合發電常用的燃料是氫的同位素——氘和氚;而氫在地球上極為豐富,要製備氘和氚也並不困難。換句話說,人類完全不需要擔心核融合的燃料不夠這種事情。除此之外,在核融合過程中,還會運用到鋰,它可幫助生成反應所需的氚,而幸好鋰的存量在地球上也是非常豐富,若把陸地上和海洋中的鋰都考慮進來,同樣不需要擔心鋰會用光。[1]

核融合發電的分類

在核融合發電中,為了讓相異原子核能夠進行融合,一般會將其加熱到一億度上下的高溫。一種作法是,利用雷射直接或間接加熱裝了燃料的膠囊,以誘發膠囊內部燃料的核融合反應,稱為慣性局限融合(Inertial confinement fusion)。

美國國家點火設施(National Ignition Facility)的核融合研究,就屬於慣性局限融合。圖/Wikipedia

另一種常見的作法則是,將燃料加熱,使其成為電漿狀態。很顯然地,一億度的電漿,是沒有任何容器可以盛裝的;所以科學家會利用強大的磁場,拘束住電漿,讓核融合反應能夠穩定持續地發生,稱為磁局限融合(magnetic confinement fusion)。八爪博士製造的機器,就比較接近這樣的作法。但跟電影不同的是,現實裡的研究人員是不可能直接站在高溫電漿旁邊的。八爪博士的設計,跟現實不但有差距,而且也顯然更危險。

英國的磁局限融合裝置Mega Ampere Spherical Tokamak。圖片中的發光物質即為高溫電漿。圖/wikipedia

上述核融合發電方式,全部都需要人為地產生高溫,讓核融合得以發生——但這並不表示核融合只能在高溫環境中產生。實際上,早在 1950 年代,科學家就發現,確實有核融合反應在低溫環境即可發生,現在稱為緲子催化融合(muon-catalyzed fusion)。緲子是一種性質跟電子非常類似,但質量比電子大得多、且非常容易衰變的基本粒子。若在氘和氚組成的氫分子中,用緲子取代電子,那麼該氫分子內部的氘和氚,甚至在室溫就可能產生核融合反應。

緲子催化反應示意圖。圖/Stanford

只不過,緲子的備製不僅需要花費大量能量,其迅速衰變的性質,也讓我們很難拿來作為核融合發電之用,再考慮到其他的技術性問題,使得目前的核融合研究,都是朝著高溫的方向進行。

然而,1989 年,有兩位科學家聲稱,成功在室溫環境下,以他們發現的新方法實現了核融合反應。這樣的消息迅速獲得媒體注意,並被大肆報導,人們對實現低溫核融合又開始寄予期望。很可惜地,其他科學家嘗試複製兩人的實驗成果,卻都無法成功;另一方面,科學社群也發現了兩人實驗上的瑕疵。於是,沸騰一時的「冷融合」話題就這麼煙消雲散。現在,雖然仍有少部分人從事相關研究,但都未能成氣候。

1989年5月,冷融合議題登上時代雜誌封面。圖/TIME

儘管如此,或許因為冷融合很有話題性,這個議題並未在媒體上消失;2011 年美國好萊塢甚至以冷融合為主題,拍了一部 IMDb 超低分的電影,英文片名就是冷融合(cold fusion),臺灣翻譯成《關鍵核爆》,劇情甚至把幽浮(UFO)都扯進來了。

延伸閱讀:八爪博士4ni!?《蜘蛛人》裡的人造太陽或將問世?(下)

參考資料


[1] 其實,鈾也存在海洋中。若考慮到海水中的鈾,那麼基本上人類也不用擔心鈾礦不足。只不過,鈾在海水中濃度極低,約 10 億分之 3,不論在運用的技術還是成本上,挑戰都很高。

科學大抖宅_96
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在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/

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「大強子對撞機」製造解密:大強子對撞計畫太新,很多需求技術超越時代,必須用摩爾定律去估算──《到世界頂尖實驗室 CERN 上粒子物理課》
臉譜出版_96
・2018/02/26 ・2580字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 586 ・九年級

龐大與精密兼備的大強子對撞機

3 萬 8000 噸的高科技機械,結合了巨大外型與極度精密的兩大特質,大強子對撞機位在一座長達 17 英里(27 公里)的隧道當中,該隧道當初是為了歐洲核子研究組織先前的大型電子正子對撞機(Large Electron–Positron Collider,簡稱 LEP)所建的。

大強子對撞機加速器由 1232 個偶極磁鐵和 392 個四極磁鐵、再加上一些功能更複雜的磁鐵組成,全部皆為超導體,並且在華氏 -456.3 度(攝氏 -271.3 度)的環境下工作,僅高於絕對零度(absolute zero)華氏 3.4 度(攝氏 1.7 度)(參見下方圖 1、圖 2)。

圖 1:顯示偶極磁鐵主要元件的示意圖。 圖/歐洲核子研究組織

超導體中電流的流動不會有任何電阻,某些材料──例如用於大強子對撞機磁鐵的鈮-鈦合金(niobium–titanium alloy)──當它們被冷卻到非常低的溫度時會變成超導,超導體因為電流更大,所以可以產生出比一般導體要強大得多的磁鐵。大強子對撞機超導磁鐵的電流為 1 萬 2000 安培,是常見家用電路的 1000 倍。傳統的磁鐵不可能強大到讓質子束轉彎、也無法將質子束維持在加速器的圓形軌道上,這部機器像目前這樣就已經夠大的了,它是一個 75 英里(120 公里)的環,想再更大也不會被允許。

我們可以用磁鐵來操控帶電的粒子束,就像我們可以用棱鏡和透鏡來偏離光束一樣。偶極(dipole)磁鐵用來使質子的軌跡轉彎,並使質子保持在圓形軌道中,四極(quadrupole)磁鐵則用於聚焦質子束,換句話說,四極磁鐵可以擠壓質子束。其他的多極磁鐵可以對質子軌跡作各項校正。要知道,質子每秒繞行 17 英里的大強子對撞機上達 11245 次;讓所有質子井然有序是絕對有必要的,才能讓他們保持在軌道上數小時。

圖 2:在地下 300 英尺(100 公尺)的隧道中安裝 1232 個大強子對撞機偶極鐵的其中一個。 圖/歐洲核子研究組織

磁鐵繞組(magnet winding)總共需要 4750 英里(7600 公里)的電纜,每根電纜包含 25 萬條導線束。導線束的總長度相當於從地球往返太陽 6 次,再加上 136 次往返月球和 24 次加拿大蒙特婁到法國巴黎航班的距離,剩下的距離還可以讓你走到轉角的店舖 1046 次。

在了解這一切後,這部機器耗時了 15 年建造一點也不令人訝異,尤其裡面一些所需的技術在計畫剛開始的時候並不存在,是在建造過程中才被開發出來。

打造大強子對撞機遠超越時代技術

舉例來說,整個大強子對撞機計畫(加速器和偵測器)所需的計算能力和儲存容量的可取得性與成本是用摩爾定律(Moore’s Law)以當時的技術估算出來的。摩爾定律指的是每一至兩年你可以用相同的價格買到兩倍性能的的電腦或兩倍的儲存容量。同樣地,當初設計觸發器(trigger)和資料收集系統(data acquisition system)的物理學家,在新科技出現以前便已寄望新一代更快速的電子模組能夠滿足他們的實驗需求。

1971-2011 電腦處理器中電晶體數目的指數增長曲線和摩爾定律。source:Wikimedia

就大強子對撞機本身而言,與其儀器設計相關的第一篇論文出現在 1980 年代中期。當時參與其中的科學家和工程師們估計,如果要達到原型的最佳性能,大強子對撞機所需的超導磁鐵(需數千個磁鐵)大概在十年內可以做到工業化量產,這個預言確實實現了![1]而連接超導電纜所需的技術也是如此。

所需技術的各個面向(例如感應焊接(inductive soldering)與超音波焊接)當時都已存在在其他領域,但只有歐洲核子研究組織的團隊與其他實驗室以及多個工業合作夥伴一同合作所開發的儀器才能夠滿足大強子對撞機計畫的規格和規模。這項技術開發的工作始於 1990 年代後期,2005 年其開發的結果已經可以用於大強子對撞機隧道上。同樣地,當時也有超導線的熔接機和切割機,但需要再修改才能符合大強子對撞機隧道的特殊規格。時至今日,大強子對撞機仍是目前規模最大、最冷的低溫設備裝置。

地底下、超真空:一個非常特別的「環」

如此圖的緊緻緲子螺管偵測器所示,加速器離子束管路通到四個大強子對撞機偵測器的心臟。 圖/歐洲核子研究組織

這個龐大的大強子對撞機圓環之所以會建於地底下 300 英尺(100 公尺)有兩個原因。第一,宇宙射線會干擾測量,所以把偵測器隔絕於宇宙射線的影響之外是絕對必要的;第二,保護人類和環境免受輻射影響也很重要。況且,考慮到當地房價,想蓋在地表上其花費也是無法想像的。

在大強子對撞機裡,兩束質子束在兩個獨立的真空管中循環,真空管內所有的空氣都被抽;如果沒有真空,質子將會與空氣分子碰撞,阻止其行進超過約 1/32 英寸(1 毫米)。強大的真空幫浦將壓力保持在 10-10 毫巴,即比大氣壓力低 1013 或十兆(10,000,000,000,000)倍。也就是說,在大強子對撞機管道中,每單位體積的空氣分子(例如每立方英寸或每立方厘米)比我們所吸入的空氣少了 1013 倍。

如果一個輪胎具有跟大強子對撞機的粒子束管一樣的密封程度,那會需要一百萬年才能放完氣。圖/Maaark@pixabay

粒子束管壁上塗了一層在歐洲核子研究組織發明的一種叫做「抓住」(getter)的特殊材料,這種材料一旦加熱後會吸收真空幫浦中沒抽乾淨的剩餘分子,它的作用就像黏蠅紙的黏膠條一樣。粒子束管路當然須經完美密封,如果一個輪胎具有跟大強子對撞機的粒子束管一樣的密封程度,那會需要一百萬年才能放完氣。

大強子對撞機很大,但同時也對最細微的擾動非常敏感。例如,我們知道月亮重力的拉力會產生潮汐,通常只能在大量的水體中觀察到這個現象(例如海洋),而無法在地殼中看到,因為地殼的流體性相對來說小很多。不過其實月球的吸引力也會使地殼每天經歷微小的形變兩次,只是這個形變幾乎無法被察覺。然而,由於大強子對撞機也會隨著地殼的形變而微幅移動,這個月球的作用力使得大強子對撞機的操作員必須不斷地修正質子軌跡,才能將質子保持在大強子對撞機粒子束管路內。我們甚至可以說大強子對撞機證實了月球的存在,儘管當初並不是為了這個目的而建造的。

注解:

  1. 舉例來說,在 1980 年代,超導磁鐵在 42.2度絕對溫度的環境下可以有每平方毫米 2000 安培的電流,並產生 5 特斯拉的磁場。大強子對撞機在相同條件下,可以有比這多 50% 的電流,即每平方毫米 3000 安培。

 

 

本文摘自泛科學2018年2月選書《到世界頂尖實驗室 CERN 上粒子物理課》,臉譜出版

 

 

臉譜出版_96
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臉譜出版有著多種樣貌—商業。文學。人文。科普。藝術。生活。希望每個人都能找到他要的書,每本書都能找到讀它的人,讀書可以僅是一種樂趣,甚或一個最尋常的生活習慣。

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利用宇宙射線找到金字塔內的神秘空間,《刺客教條:起源》真是神預測啊
Peggy Sha
・2017/11/08 ・3800字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 550 ・八年級

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古埃及的金字塔舉世聞名,數千年來,關於這些神秘建築的研究和傳說從沒停過,而最近在一項掃描金字塔的計畫(ScanPyramids)中,科學家更發現了一個神秘的魔術大空間(?),在解密的同時又為金字塔添上了不少想像空間。

古夫金字塔:被洗劫一空的世界奇蹟

透過筆者不專業不正統調查顯示,但凡提到「金字塔」三個字,大概有 87% 的人類會在大腦中浮現這張圖片:

別騙我了,你一定想到了這張圖片對吧!圖/By soupysquirrel @Pixabay

為什麼吉薩三大金字塔的形象會如此深植人心呢?除了它們本身宏偉的外觀之外,其中最大的古夫金字塔(又稱吉薩大金字塔,Great Pyramid of Giza)更是古代世界七大奇蹟中,年代最為古老且目前唯一尚存的建物。這座金字塔約建於西元前 25802560 年間,高度達 140 公尺,曾經盤踞「世界最高建築」榜上第一名長達數千年時間。

然而,也正是因為它們如此顯眼,從古至今,盜墓者始終絡繹不絕,因此,古夫金字塔中原先已知的兩個墓室──國王墓室、皇后墓室內早已被洗劫一空,讓不少研究者只能扼腕。

想探索金字塔,就來掃描一下吧!

不過,如果要科學家們就此罷手,那可就太小看他們了。正所謂人外有人、天外有天,墓室外可能也有墓室(?)秉持著不放棄的研究精神,「掃描金字塔計畫」於焉誕生。

裝個掃描機看看金字塔吧!圖/By ScanPyramids

此計畫顧名思義,旨在「掃描」埃及金字塔的內部,期望在不傷害古文物的狀態下,採用 μ 子透視圖(muography)的成像技術,對金字塔進行更深度的研究。這種技術在過去 50 年間日臻成熟,曾被用來研究冰川、火山以及福島的核子反應爐。

透視了這麼多東西,這種透視到底是怎麼個透法?

說到這透視,就不得不談談「宇宙射線」,也就是來自宇宙的高能粒子衝擊。地球無時無刻都會受到這些高能粒子的衝擊,而當這些粒子與大氣層頂部的空氣原子互相碰撞後,便會產生 μ 子(亦稱:緲子muon)。這些 μ 子會以接近光速的速度,如一場雨般衝向地面,平均每分鐘約有 1 μ 子落在每平方公尺內。(老師請幫我下 F4 的《流星雨》謝謝~)

在地球上,大部分天然產生的緲子來源於宇宙射線。圖/By Crwx – Own work, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons

μ 子具有很強的穿透力,可以深入岩層,不過,部分粒子會在經過石頭時被吸收、偏移。科學家利用這個原理,將 μ 子探測儀放置在金字塔中,以探測自空中射入金字塔的 μ 子,而如果在行進過程中有任何較大的空洞,探測儀就會偵測到為數較多的 μ 子。藉由這種方式,科學家得以更精確區別中空結構以及實體結構。

神秘大空間,多謎題未解

這麼厲害的掃描方法,果然讓研究團隊在金字塔中掃出了一個神祕的大空間。為了確認這項結果,分別有三個來自日本、法國等地的研究團隊,利用不同類型的 μ 子探測儀進行反覆確認,最後三個團隊都得出了同樣的結果。

這個空間位於古夫金字塔內「大走廊」(the Grand Gallery)的上方,推估至少有 30 公尺長、數公尺高,大小接近於一架兩百人座的客機。在過去的研究和相關文獻中,全都沒有出現過有關這個神秘空間的敘述,換言之,過去 4500 多年來,從沒有人知道這個獨立空間的存在。

這次經由掃描發現的新空間位於大走廊的上方,大小接近於一架兩百人座的客機。圖/nature

然而,這個發現雖然證實了科學家們對於金字塔的想像,卻也帶來了更多謎題。

由於目前研究者無法確定空間的作用為何,所以盡可能的不稱其為墓室(chamber),而是叫它「大空間」(Big void)。根據目前的資料,科學家尚不確定這個空間是水平或是傾斜,也不清楚它是一個單一結構或是由多個連續的結構所組成。

  • 說明影片參見:

空間功能猜猜看,你會選擇哪一邊?

針對這個空間,目前有許多不同的猜測。雖然許多人都期待著這個神秘空間中藏著金銀財寶(電影看太多!)不過,根據埃及學者 Aidan Dodson 的觀點,這其實不太可能,因為金字塔內已經另有一處置有石棺的墓室,所以新的空間中可能沒有什麼文物。

想要在新發現的空間裡找到寶藏?想太多啦!圖/《刺客教條:起源》遊戲截圖

他認為,這個空間可能是一個「減壓室」(Relieving Chamber),目的是為了減少「大走廊」上方石頭的重量。在國王的墓室上方,以及古夫他老爹的金字塔中,都可以看到類似的設計。

但是,也有人持不同看法。一位來自英國的獨立地質學家、工程師 Colin Reader 覺得這個新的空間距離「大走廊」太遠,因此不太可能是它的減壓室。另一方面,他猜想這個空間可能跟大走廊的作用相似,大走廊通往國王墓室,那新的空間也可能通往一個更高的墓室。

而長島大學的埃及學者 Bob Brier 則提出了第三種可能性。根據他和 Jean-Pierre Houdin 2007 年所提出的假設,大走廊其實是金字塔中一個巨大配重系統的一部份,他認為,藉由這個起重系統,工人可將重物滑下大走廊,並將國王墓室所使用的花崗岩向上搬運。Brier 推測這次發現的新空間可能是第二個位置更高的配重系統。

Brier 和 Jean-Pierre Houdin 認為大走廊其實是可作為起重系統,將重物滑下大走廊便能把笨重的花崗岩向上搬運。圖/影片截圖

然而,另一方面,這次的掃描計畫卻也推翻了兩人過去的部分理論;他們曾認為,金字塔的工人在建造時使用了一個內部的斜坡將石頭搬運到高處,但是,依據目前的掃描結果,似乎並沒有發現這樣的斜坡存在。(關於此理論的詳細說明,參見本影片

謎題解不完,探索正要展開

來自法國國家資訊暨自動化研究院(INRIA)的 Jean-Baptiste Mouret 表示,研究團隊對於如何進一步探索這個空間已經有了想法,然而這些計畫都需先經過埃及當局的核可。

「概念是鑿一個非常小的洞來探索這樣的建築,我們希望可以有個能夠鑽進 3 公分洞裡的機器人。」根據他的說法,研究團隊正在考慮飛行機器人的可能性。有了飛行機器人的技術,不知道是否可以解開更多的金字塔謎團呢?看到這裡,你對於這次發現的神祕空間,又有什麼猜想呢?

說了這麼多,這個空間究竟跟《刺客教條》有什麼關係呀~

原來,在這個驚人的新發現被公布後,便有眼尖的網友發現:這個密室居然已經藏在《刺客教條:起源》裡了!這厲害的神預測究竟是怎麼回事?

其實,遊戲的神預測可不是空穴來風;為了細膩呈現這個以埃及為背景的遊戲,遊戲開發團隊做了不少相關的研究功課,在眾多建造金字塔的理論中,設計團隊是 Houdin 和 Brier 派的忠實擁護者,所以早早就在遊戲的金字塔中設置了密室!(玩遊戲也要走在時代尖端 XD)團隊中負責歷史研究的 Maxime Durand 更直言:「我們打賭在不久的將來,考古學家也會找到這間秘密房間,所以我們就先把它放到了遊戲中」。

這樣的自信是不是讓這款遊戲感覺更吸引人了呢?如果你也對埃及文化有興趣,就來跟我一起探索金字塔吧!(大力推坑)(本篇文章絕對沒有刺客教條的贊助)

快來陪我一起爬金字塔、探索神秘大空間!(招手)圖/《刺客教條:起源》遊戲截圖

參考資料:

原始論文:

Peggy Sha
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曾經是泛科的 S 編,來自可愛的教育系,是一位正努力成為科青的女子,永遠都想要知道更多新的事情,好奇心怎樣都不嫌多。