0

0
0

文字

分享

0
0
0

放手一搏-《上帝的粒子》

貓頭鷹出版社_96
・2013/09/26 ・2918字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 511 ・六年級

立即填寫問卷,預約【課程開賣早鳥優惠】與送你【問卷專屬折扣碼】!

列印雖然計畫批准了,但仍然引來許多懷疑。為了說服反對者,美國能源部說明超導超級對撞機可以成為一次跨國合作,其他國家會願意提供財務支援,但是美國物理學家的花言巧語反而破壞了這番打算。這項計畫很明顯是替美國重回高能物理的領導地位而設計的,其他國家為什麼要支持呢?歐洲國家無論如何都忠於CERN,超導超級對撞機並沒能引起大西洋對岸的太多興趣,這點倒不叫人意外。

美國的物理界裡頭也有不滿聲浪,而且已經蔓延成對抗局勢。只為了尋找希格斯玻色子就花了這麼多錢,真正被犧牲的是什麼?有許多獨立計畫雖然成本較低,卻更可能提供潛在的可貴科技進展,但是美國的物理預算不可能同時支持所有這些計畫和超導超級對撞機,所以這些計畫這下看來岌岌可危了。難道高能物理真的比其他科學領域還要重要一千倍嗎?

這下「大科學」變成了貶義詞。

在建造地點還沒決定以前,參眾兩議會都支持超導超級對撞機。美國國家科學院及工程院從二十五州收到四十三個地點提案,德州政府成立了一個委員會,並且承諾只要超導超級對撞機選擇德州,他們就提供十億美金的資助。或許把對撞機蓋在費米實驗室比較合理,因為計畫需要的大部分基礎建設和物理學家都已經等在那裡了,但是在一九八八年十一月,國家學院決定將超導超級對撞機建在一個名叫「奧斯汀白堊」的白堊紀地質構造裡,深埋在曾以棉花致富的埃利斯郡的德州大草原底下。

雷根的副總統布希出身德州,他在雷根之後繼任總統。在布希的當選日過後兩天,國家學院就宣布了上述選址結果,雖然沒有理由相信國家學院的決定有任何不公,但是布希也成為該計畫的強力支持者。然而,隨著地點確定下來,來自其他州參眾議員的支持也就煙消雲散了。

物理學家現在必須為了經費和參議院苦苦纏鬥,而且只要每次參議院想檢視計畫,就得有人被傳去作證;與此同時,工程師也逐漸明白建造超導磁鐵的巨型環是怎麼一回事,預算估計隨之爆增。到了一九九○年開始撥款建造時,估計的預算幾乎翻了一倍,高達八十億美金。

測試用的洞穴挖進了奧斯汀白堊,一部分的基礎建設蓋在埃利斯郡的首府瓦克沙哈契附近,德州政府在那裡為該計畫保留了將近七千萬平方公尺的土地。為了研發和測試磁鐵的實驗室建造起來了,製造及循環液態氦所需的冷凍單元也置放在組裝後的大型結構裡了,日後他們將使用液態氦讓磁鐵維持在超導低溫。

兩組探測器合作團隊成立了。「螺線管探測器」合作團隊可能包含有一千位物理學家和工程師,來自世界各地超過一百個不同機構。螺線管探測器將打造成不特定針對某個粒子的一般型探測器,花費五億美金,希望能在一九九九年底開始記錄資料。另一個合作團隊是「伽瑪、電子及緲子團隊」,規模與螺線管探測器合作團隊類似。兩組團隊將會互相競爭。

許多物理學家決定賭上一把,他們要不是從現職告假,就是乾脆辭掉工作,加入超導超級對撞機計畫,到了最後,大約有兩萬人聚集到瓦克沙哈契的市內或周邊。對不熟悉超導超級對撞機政治面的局外人而言,種種進展看起來叫人相當安心,實驗室蓋個不停,洞挖個不停,而且大量人群正在集結。

但還是有些不祥之兆,美國政府一直在對抗龐大、惡化的預算赤字。一九九二年一月,布希總統訪問日本後空手而歸,日本人堅持超導超級對撞機並不是國際計畫,也因為如此,他們不會提供支援。關於「大科學」的雜音愈來愈大,眾議院在六月投票支持一項聯邦預算修正案,該修正案將導致超導超級對撞機計畫關閉。幸好參議院出手干預,計畫才得以苟延殘喘。

前景愈來愈不樂觀,在溫伯格一九九三年出版的暢銷書《終極理論之夢》書裡可見一斑,他寫道:

儘管建築物逐漸林立,洞穴持續開挖,但我知道這項計畫的資金可能就要中止了。我可以想像那些測試用的洞穴將被填平,「磁鐵大樓」遭到棄置,最後只剩幾個農夫的模糊記憶可以證實,在埃利斯郡,曾經有過一個偉大的科學實驗室計畫。或許我是中了生物學家赫胥黎的蠱惑,感染了他那維多利亞時代的樂觀吧,我無法相信這種事會發生。在我們所處的時代,尋找自然界最終定律的計畫竟會被棄之不顧。

萊德曼在同一年也出版了《上帝粒子》一書,在這本相當唐吉訶德式的著作裡,他做了一場和希臘哲學家德謨克利特親切聊天的夢,他從這個夢境裡被粗魯地喚醒了:

「該死。」。我又回到家裡,無力地從論文堆裡抬起頭。我注意到一份新聞頭條的影印本:「超級對撞機國會基金恐生變」,我的電腦數據機嗶嗶作響,下載了一封電子郵件,信裡「邀請」我去華盛頓,參加一場討論超導超級對撞機的聽證會。

一九九二年的總統大選,柯林頓擊敗了布希和獨立參選人德州富商佩羅。隔年六月,超導超級對撞機的預算估計已經成長到一百一十億美金,眾議院再次對該計畫投下反對票。超導超級對撞機計畫的副主任卡斯帕說:「從某個時候開始,對超導超級對撞機投下反對票就變成了財政責任的象徵。畢竟這裡活生生就有一個昂貴的計畫,可以供你投票反對。」

一般而言,柯林頓對這個計畫是持鼓勵態度的,但是他不像雷根和布希那麼堅定。預算兩百五十億美金的國際太空站建造計畫成為超導超級對撞機的潛在競爭對手,而太空站計畫的根據地將設立於美國太空總署在休士頓的詹森太空中心,那也位於德州。

一九九三年九月,溫伯格、里克特和萊德曼為了替超導超級對撞機爭取支持,做出最後一搏。英國科學家霍金送來一段表達支持的影片,但無濟於事。

當年十月,眾議院以一票之差贊成國際太空站,隔天則以二比一的票數否絕了超導超級對撞機。至此已經沒有轉圜空間,資金於是轉而用在保存那些已經蓋好的設備。這時隧道開挖了二十三公里長,耗資達二十億美金(見圖19),但是不管抱持著再多維多利亞時代的樂觀,都沒辦法讓這個計畫繼續下去。超導超級對撞機胎死腹中了。

圖19 國會在一九九三年十月取消超導超級對撞機計畫的時候,這個計畫已經耗資二十億美金,在德州大草原底下開挖的隧道也已長達二十三公里。(圖片來源:超導超級對撞機科學技術電子資料庫)
圖19 國會在一九九三年十月取消超導超級對撞機計畫的時候,這個計畫已經耗資二十億美金,在德州大草原底下開挖的隧道也已長達二十三公里。(圖片來源:超導超級對撞機科學技術電子資料庫)

普利茲獎得獎作家烏克將超導超級對撞機的經歷改編,寫了一部小說《德州巨洞》。他在小說開頭的作者注裡這麼說:

自從原子彈和氫彈問世以來,粒子物理學就一直是國會的寵兒,但是這一切忽然之間粗暴地結束了。希格斯玻色子的追尋已然夭折,只在德州留下一個洞,一個遭到廢棄、巨大無比的洞。

而這個洞,至今仍在。

超導超級對撞機計畫取消後過了一年多,CERN的成員國於一九九四年十二月六日投票通過,將在二十年內分配一百五十億美元的預算,在LEP功成身退後,將它改造成質子對撞機。大型強子對撞機(LHC)的想法最早是在一場於瑞士洛桑舉行的CERN研討會上提出,那是十年前(一九八四年三月)的事了。LHC將產出高達14 TeV的碰撞能量,雖然比超導超級對撞機最大能量的一半還少,但用來尋找希格斯粒子,仍是綽綽有餘。

魯比亞宣稱,CERN將會「在LHC的隧道內,鋪滿超導磁鐵」。

 

本文摘自PanSci 2013九月選書《上帝的粒子》第八章:放手一搏,由貓頭鷹出版

文章難易度
貓頭鷹出版社_96
47 篇文章 ・ 20 位粉絲
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。

1

7
1

文字

分享

1
7
1
希格斯波色子之後,持續運作的大強子對撞機又做了什麼?
科技大觀園_96
・2021/11/01 ・2735字 ・閱讀時間約 5 分鐘

大強子對撞機(Large Hadron Collider, LHC)隸屬於歐洲核子研究組織(European Organization for Nuclear Research, CERN),是一座巨大的粒子加速器,它包括一個位於地底、周長 27 公里的粒子加速環,就像粒子的跑道一樣。質子或是重離子在超導磁鐵的引導下,在跑道上急速奔跑然後對撞,物理學家就從這些對撞事件中,尋找新的粒子,探究未知的物理。

粒子發現年表。2012 年,科學家在大強子對撞機的對撞事件中,找到希格斯粒子。圖/何庭劭繪

LHC 在 2012 年就撞出了眾所期待的希格斯粒子,當時的物理界一片歡欣雷動,而最早預測希格斯粒子存在的希格斯本人以及同年提出理論的恩格勒,也在隔年獲得諾貝爾物理獎。LHC 很快就把主線任務解完了,那然後呢? 8 年過去了,LHC 並沒有因為主線任務解完就退休,這些年來,它仍然努力的製造一次又一次的對撞事件,畢竟科學家預期在 LHC 的撞擊能量尺度,應該還可以看到一些新東西,然而實際情況是如何呢? 

發現希格斯粒子的關鍵事件:希格斯粒子衰變到雙光子。圖/陳凱風提供

偏偏不倒的危樓—標準模型

在 LHC 找到希格斯粒子之後,研究團隊於 2015 年底起,把 LHC 的對撞能量從原本的 7 TeV 或是 8 TeV(1 TeV=1012電子伏特)調高到 13 TeV,運作了 3 年,這段時期稱為 LHC 的 Run II。撞擊的能量愈高,就愈能撞出罕見的事件。更明確的說,LHC 能撞出的粒子質量上限,大約落在總撞擊能量的 1/6,(在粒子物理中,粒子質量通常以能量單位表示),比這個能量更重的粒子出現的機率太低,事件樣本也太少,因此要有更多觀察,就必須把對撞能量拉高,並且累積更多數據。

全世界的物理學家正在針對這 3 年的數據做分析,長期參與 LHC 實驗的臺大物理系教授陳凱風說:「雖然還沒有分析完,目前的確是存在一些不能被排除的意外訊號,但是統計上還不足以證實這些是新物理所造成的現象。」在尋找新粒子這個目標上,雖然研究成果豐碩,但是量測結果並沒有明顯超出標準模型的範疇。

大強子對撞機近期 CMS 偵測器照片。圖/陳凱風提供

另一方面,研究團隊也希望根據新資料的分析,來修正標準粒子模型裡的參數,但目前測量出的結果,卻都和理論預測大致相符。「這是一種很詭異的感覺。」陳凱風形容。事實上,現有的標準粒子模型並不是很穩定,陳凱風說:「我們認為目前的理論架構一定有些毛病,但偏偏又找不出來。這就好像我們蓋了座危樓,但又找不出如何補強它,而地震來它還偏偏不會倒。大概就是這麼微妙的感覺!」

舉例來說,標準粒子模型包括了六種夸克:上夸克、下夸克、魅夸克、奇夸克、頂夸克、底夸克,以及六種輕子:電子、緲子、濤子,以及三種對應的微中子。而其中的頂夸克質量明顯比另外五個夸克大非常多,而微中子的質量小到無法直接測量,這在物理學家眼中,是不應該自然發生的;此外,標準模型也無法滿足這個幾乎只存在物質、絕大多數反物質都消失的宇宙。為了解決這個問題,物理學家也提出一些假設,例如,會不會其實還有更重的夸克與輕子、或是更多奇異的玻色子存在呢?「但從 LHC 的實驗結果,我們還沒有找到符合的訊號。」陳凱風說。

粒子物理標準模型的粒子成分。圖/Wikimedia commons

 「你當然也可以說,反正宇宙就是這樣運作,但我們覺得背後一定有某個機制導致這樣的結果,只是我們就是沒找到。」陳凱風並且以 100 多年前的元素週期表舉例,當初的週期表也是東缺西漏,但隨著一個個新元素的發現,這些缺口也漸漸被補滿。「而現在的標準粒子模型,就像是有著漏洞、明顯還沒完成的拼圖,卻又找不到東西來填補。」陳凱風說。 

臺大物理系教授陳凱風。圖/簡克志攝

Run III — LHC 改頭換面

儘管 LHC 的 Run II 呈現的結果意外的平靜,但 Run III 已經準備在明年啟動。

在 Run III 階段,LHC 將把對撞能量再往上調高至 14 TeV以上,這是 LHC 當初設計的最大許可能量。另一方面,研究團隊將對 LHC 做許多技術上的修改測試。這是因為在 Run III 結束後,LHC 將進行一次大改造升級,要將每次參與對撞的粒子數量與密度提升,這樣一來,對撞事件發生的次數會跟著上升 5~10 倍。

為了因應這樣的升級,許多軟硬體、零件也必須跟著升級,其中最重要的一項就是偵測器。比如說目前 LHC 底下的 CMS 實驗所裝載的量能器,主要材料是以一種鉛鎢玻璃晶體為材料的閃爍體,而這些安裝在偵測器頂蓋處的晶體長期接受高輻射劑量,已經有了不少缺陷,變得愈來愈不透明了。陳凱風說:「試想如果升級之後,還用一樣的零件材料,那原本經過 10 年才會損壞的,現在只要 1 年就會接近無法運作了。」因此,偵測器必須跟著升級才行。

新的量能器(High Granularity Calorimeter, HGCAL)會以矽半導體材料為主,並且切分成 28 層排成一列,這樣做的好處除了較不易打壞外,每一層都能獨立送出粒子經過時的位置資料,可以更準確地描繪出粒子穿越偵測器的物理反應。目前由臺大物理系教授呂榮祥、裴思達主持的硬體實驗室,就正在研製這種新型量能器。再加上也會一同升級的各種裝備,未來可以對粒子的物理特性有更精準的量測。 

▲在臺大製作的次世代量能器模組(開發中),做為 LHC 底下 CMS 實驗的新型偵測器,影片中可以看到模組上膠的過程,本影片由臺大物理系呂榮祥教授提供。
▲在臺大製作的次世代量能器模組(開發中),為上述影片更進一步組裝的過程,本影片由臺大物理系呂榮祥教授提供。

LHC 有來自全世界 85 個國家、超過 8,000 位物理學家參與,可說是全世界最大的實驗計畫。但在加速器的發展上,LHC 可能還不是終點,未來計畫籌建的加速器計畫,還包括 CERN 的未來環形對撞機(FCC)、中國的環形正負電子對撞機(CEPC),以及日本的國際直線對撞機(ILC)等。

雖然說這些計畫是否真的會有所進展,還要看未來的局勢發展,但我們不妨期待包括 LHC 在內的這些實驗計畫,會繼續帶給我們怎樣的驚喜!就如陳凱風在訪談快結束時所說:「希望我們下次討論的,是在對撞的數據中,我們發現了什麼有趣的新物理!」

所有討論 1
科技大觀園_96
82 篇文章 ・ 1103 位粉絲
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。

0

0
0

文字

分享

0
0
0
反物質星艦可行嗎?打造那些科幻小說中的夢幻交通工具——《離開太陽系》
時報出版_96
・2019/04/15 ・5114字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 545 ・八年級

編按:本文摘自《離開太陽系》第八章:打造星艦。
星艦是一種尚處於理論階段,用來作恆星際旅行的交通工具。嚴格上星艦需要人駕駛,在不超過壽命的期間內到達目的地恆星系。星艦一詞目前只出現在科幻小說中,現實中人類還沒有創造出真正可以進行星際旅行的機具。

圖/wikimedia

為何要追星逐月?
因為我們的靈長類祖先選擇展望更遠的山頭,而我們是他們的後代。
因為我們不會在這裡無限期繼續生存。
因為眾星就在遠方,在嶄新的地平線外召喚我們。
──天體物理學家兄弟詹姆斯與古格里.班福德

百年星艦會議:擬定星際旅行時間表,帶領人類航向宇宙

二○一一年, DARPA 和 NASA 聯合贊助一場名為「百年星艦」(100 Year Starship)的研討會,成果豐碩。這場研討會的目標不只是要在百年內實際造出星艦,更要結合頂尖科學家之力,為下個世紀擬定可行的星際旅行時間表。這項計畫由一群資深物理學家和工程師組成的非正式團體「老衛士」(Old Guard)負責統籌,其中不少人已年越古稀。他們寄望匯集眾人智識,帶領人類航向星辰。這股熱情至今燃燒數十載,不減當年。

藍迪斯也是老衛士之一。不過這個團體還有一對奇葩──詹姆斯與古格里.班福德,這對雙胞胎碰巧都是物理學家,而且也都是科幻作家。詹姆斯告訴我,他還是小孩子的時候就迷上星艦,狼吞虎嚥所有能到手的科幻小說,尤其是羅伯特.海萊因的「太空軍」系列(Space Cadet)。

搭載夢想的星艦。圖/thewhizzer

他了解到,如果他和弟弟真心對太空感興趣,那就應該去學物理。學得越多越好。所以兩人立志要拿到物理博士學位。現在詹姆斯是「微波科學公司」(Microwave Sciences)董事長,數十年來始終積極投入「高功率微波系統」相關研究。古格里是加州大學爾灣分校的物理教授,另一個身分則是眾人嚮往的科幻界桂冠「星雲獎」(Nebula Award)得主。

百年星艦研討會結束之後,詹姆斯和古格里合寫一本書:《星艦世紀:航向最偉大的地平線》(Starship Century: Toward the Grandest Horizon),其中包含眾人在研討會發表的許多意見想法。本身是微波輻射專家的詹姆斯相信,光帆最有可能帶領人類飛出太陽系。不過他也表示,另類純物理設計也發展了相當長的一段歷史,因此這些造價貴得離譜、卻是依紮實物理定律所設計出來的新奇玩意兒,將來有一天說不定就真的做出來了。

100%能量轉換率的反物質星艦,有可能嗎?

第五波科技革命(包括反物質引擎、光帆、核融合引擎、奈米船等)或許能將星艦設計推往令人振奮的新視界。曾現身《銀河飛龍》的反物質引擎說不定會成真:這種引擎能提取宇宙蘊藏量最豐富的能源、並藉由物質與反物質碰撞,直接將物質轉換成能量。

顧名思義,「反物質」與「物質」完全相反,兩者所帶的電荷也相反。是以「反電子」帶正電,「反質子」帶負電。(我曾經在一群高中生面前嘗試驗證反物質:將一顆會放出反電子的「鈉–二十二」膠囊放進雲霧室[cloud chamber],並且拍下反物質通過時留下的美麗痕跡。後來我還造了一座兩百三十萬電子伏特的電子迴旋加速器,希望能分析反物質的特性。)

反物質與物質完全相反,兩者所帶的電荷也相反。圖/wikipedia

物質與反物質發生碰撞時,兩者會互相湮滅並化為純能量,所以這個反應釋出的能量轉換效率為百分之百。相較之下,核武的能量轉換率僅百分之一,意即氫彈所含的能量幾乎都浪費掉了。

反物質火箭的設計相對簡單:將反物質儲放在安全槽內,再以穩定流速注入內燃室。反物質與普通物質在內燃室內「乾柴遇烈火」,爆炸般地釋出巨量 γ 射線和 X 射線。反應產生的能量經排氣室出口噴出,產生推進力。

詹姆斯.班福德特別告訴我,雖然反物質火箭最受科幻迷青睞,但要想製造這種引擎會碰上幾個大問題。其一:反物質是自然現象,但其存量相對來說非常稀少,因此我們必須製造大量反物質供引擎使用。全球第一顆「反氫原子」──結構為一顆反電子圍繞反質子旋轉──於一九九五年、在瑞士日內瓦的「歐洲核子物理研究中心」(European Organization for Nuclear Research,CERN)製造誕生。

那些都是理想狀態,現實中的難題還是無法解決

研究人員將一道普通質子束射向一枚普通物質標靶,質子撞擊標靶後產生些許反質子,然後再利用巨大磁場引導質子與反質子,令其一左一右分道揚鑣。接下來,反質子會降速並儲存在「磁力阱」(magnetic trap)內,與反電子組成反氫原子。二○一六年, CERN 的物理學家取得反氫原子,分析環繞反質子的反電子殼層,一如預期地發現反氫原子和普通氫原子的「能階」(energy level)可完全對應。

CERN 物理學家宣稱,「假如我們能把在 CERN 製造的反物質全部集合起來、與普通物質進行湮滅,這個反應產生的能量大概可以讓一顆電燈泡持續亮好幾個月。」推動火箭絕對需要更多能量,更別提反物質還是世上最昂貴的一種物質形式。以今日造價估算,製作一公克反物質大概需要七十兆美元。目前,科學家只能利用粒子加速器(建造和運作成本可謂天價)製作極小量的反物質。 CERN 的「大型強子對撞機」(LHC)是全世界威力最強的粒子加速器,造價超過百億美元,卻只能產出薄薄一束反物質。若要儲備足以驅動星艦的反物質燃料,美國大概會破產吧。

大強子對撞機(LHC)是全世界威力最強的粒子加速器,造價昂貴,卻只能產出薄薄一束反物質。圖/flickr

全球現有的大型原子對撞加速器都屬於「目的導向」設備,僅供研究使用,在製作反物質方面更是極度沒效率。目前想過的部分解決方案,是建造專門用來「攪拌原子」的工廠設施。 NASA 科學家哈洛德.葛里希(Harold Gerrish)認為,如此一來,反物質的製造成本可望降至每公克五十億美元。

至於「存放」則是另一道難題,同樣所費不貲。若將反物質置於瓶中,它會撞擊瓶身,要不了多久便湮滅消失。這時就需要「彭寧離子阱」(Penning traps)來框限反物質。這種離子阱利用磁場「抓住」反物質原子,令其懸浮,防止它們與容器接觸。

在科幻小說中,諸如成本、儲存這類難題,有時會透過「天上掉下來的禮物」而順利解決(譬如突然發現一顆「反物質小行星」,讓人類能廉價取得反物質)。可是這種假設場景也同樣冒出一個複雜問題:反物質究竟來自何方?
架起儀器朝外太空掃視,舉目所及皆是「物質」,而非「反物質」。我們之所以曉得這一點,是因為電子與反電子相撞至少會放出一百零○二萬電子伏特的能量──這是反物質撞擊的指紋。然而在檢視宇宙時,我們只能偵測到非常微量的這類輻射。我們周圍的可觀測宇宙絕大部分是由普通物質──也就是構成你我的相同物質──所組成的。

圖/pixabay

物理學家相信,在「大霹靂」那一刻,宇宙處於完美的對稱狀態,含有等量的物質與反物質。若真是如此,兩種物質的湮滅作用本應十分完美且徹底,宇宙亦將純粹由放射線組成。可是你在這裡、我在這裡,你我皆由照理說已不存在的物質組成。我們的存在與現代物理理論相悖。

科學家還沒搞清楚宇宙的物質何以多於反物質。大霹靂時,僅有約百億分之一的普通物質熬過爆炸,你我也是其中一部分。目前的主流理論是,某種東西在大霹靂時違反了物質與反物質的完美對稱性,但我們還不識其真面目。諾貝爾獎仍癡癡等待能解開這道謎題的有志之士。

對所有期望打造星艦的人來說,反物質引擎始終都在決選的優先名單上。但我們對反物質的特性仍幾近一無所知。舉例來說,我們不曉得反物質「朝上」或「朝下」墜落。按現代物理學預測,反物質和普通物質一樣會朝下墜落。但這麼一來,「反重力」大概就不可能存在了。話說回來,這項理論和其他多數反物質理論皆不曾測試檢驗過。受制於成本和人類的有限理解,反物質火箭大概到下個世紀仍只會是美夢一樁──除非,「外太空飄過一顆反物質小行星」此等好事恰巧落在我們頭上。

另一個待嘗試的迷人概念:衝壓噴射核融合星艦

衝壓噴射融合火箭則是另一種迷人概念。這種火箭外表看起來像個巨大霜淇淋筒,鏟起星際間的氫氣、送進核融合反應器予以濃縮,產生能量。衝壓噴射火箭的推進模式和噴射機或巡弋飛彈一樣,相當符合經濟效益:譬如噴射機無需自行攜帶氧化劑,只要吞進大量空氣就能節省成本。而太空更是充滿無盡的氫氣,燃料供應無虞,故星艦可以持續加速到永遠。這種動力系統和光帆一樣,比衡無上限。

衝壓噴射核融合火箭。這種火箭能把星際間的氫氣「鏟」進核融合反應爐,產生動力。圖/時報出版

波爾.安德森(Poul Anderson)的名作《 τ 零》(Tau Zero),描述一具衝壓噴射火箭因故障而無法關閉的故事。當火箭加速至逼近光速時,一些光怪陸離、涉及相對論的扭曲現象逐漸浮現:火箭內時間變慢,但火箭外的宇宙時間仍正常前進。火箭速度越快,火箭裡的時間越慢。然而對於火箭或星艦上的人來說,一切看起來再正常不過,反倒是外頭(宇宙)的時間飛快掠過。最後,這艘星艦的速度快到全體組員只能無助地看著時光以數百萬年的速度飛逝。在航向未來數十億年之後,星艦組員意識到宇宙已不再膨脹,實際上反而正在塌縮:宇宙膨脹終於開始反轉。隨著宇宙邁向終點「大崩塌」(Big Crunch),星際逐漸聚集、宇宙溫度驟升。來到故事尾聲,星辰開始崩塌,星艦設法擦過並逃離宇宙這團大火球,目睹新宇宙在「大霹靂」中誕生。這篇故事或許荒誕不經,理論基礎倒是完全遵守愛因斯坦相對論。

讓咱們暫且把前段的末日預言放在一邊。初看之下,衝壓噴射核融合火箭這玩意兒厲害到不像是真的。但幾年過去,有人開始提出批評:譬如那把「鏟子」或許得做到好幾百公里寬,不僅大得不切實際、製作成本更是無人負擔得起。此外,這種引擎的核融合速度可能無法產生足夠的動力,不足以維持星艦巡航。詹姆斯.班森博士(James Benson)也明白地指出,或許銀河系內其他區域的氫氣量充足,但我們所在的這一區(太陽系)氫氣不足,無法餵飽衝壓噴射引擎。另外還有人宣稱,當衝壓噴射火箭通過太陽風帶時,太陽風的牽引力可能超過火箭推進力、使其無法達到需要的相對速度。目前物理學家已著手修改設計,期望能修正這些缺點。不過在衝壓噴射火箭成為實際選項之前,人類還有好長一段路要走。

除此之外,還有星艦旅行必須面對的難題

在此必需特別強調一點:前面提及的所有星艦旅行,都必須面對與「近光速移動」有關的諸多問題。最大的危險是撞上小行星,即便是再微小的小行星都可能畫破或刺穿星艦防護罩。誠如先前所提,宇宙碎片常在太空梭表面留下刮痕或創口,而這些碎片有時會以接近軌道速度(近地軌道)的速度、或時速近三萬公里的高速撞上太空梭。然而,如果飛行速度接近光速,那麼宇宙碎片撞擊的速度也會是前述速度的許多許多倍,搞不好還會令星艦粉碎解體。

在電影中,這類難題大多會藉由「可輕易驅除所有微小隕石的超強力場」加以排除。然而不幸的是,這種力場只存在在科幻作家的腦袋裡。就現實而言,要形成電場、磁場確實不難,但即使是不帶電的塑膠、木頭、水泥等家中一般常見物品,依然能輕易穿透這些力場。此外,遊走外太空的微小隕石因為不帶電,故無法利用電場或磁場令其偏向。至於重力場則因為具吸引力、作用力又弱,也不適合作為我們需要的防護力場。

遊走外太空的微小隕石因為不帶電,故無法利用電場或磁場令其偏向。圖/pixabay

「煞車」則是另一項挑戰。試想,若以趨近光速的速度迂迴穿越太空,接近目的地時該如何減速?光帆仰賴太陽光或雷射光提供動力,卻無法用於減速,故大多只能用於「飛越」任務。

讓這些核子動力火箭來個一百八十度大迴轉、令推進力徹底轉向,或許是這類火箭的最佳煞車方式。不過如此一來,每趟任務粗估會有一半的推進力用於達到目標速度、另一半則用於減速。關於光帆該如何減速,或可將帆體反過來,利用目的地的星光使其降速。

另外還有一個問題:具「載人」功能的星艦體積多半相當巨大,故只能在太空組裝。因為如此,人類必須執行多次太空任務,將建造星艦所需的材料分批送往近地軌道,然後再安排另一批太空任務,完成星艦組裝。為避免經費嚴重超支,科學家必須針對太空發射任務構思一套更經濟的執行方式──於是「太空電梯」登場的時刻到了。

 

 

 

本文摘自《離開太陽系:移民火星、超人類誕生到星際旅行,探索物理學家眼中的未來世界》,2018 年 12 月,時報出版

時報出版_96
151 篇文章 ・ 28 位粉絲
出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。

0

2
1

文字

分享

0
2
1
把手伸進大型強子對撞機會怎樣?──《然後你就死了》
臉譜出版_96
・2019/02/04 ・2981字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 511 ・六年級

立即填寫問卷,預約【課程開賣早鳥優惠】與送你【問卷專屬折扣碼】!

一九七八年,俄羅斯科學家阿納托利.布戈爾斯基(Anatoli Bugorski)在視察俄羅斯最強的粒子加速器(能把亞原子粒子加速到接近光速的機器)「U–70」時,遭主粒子束打中後腦勺,並從鼻子穿出。他不覺得疼痛,只表示看到「宛如上千個太陽的閃光。」醫生速速把他送去醫院檢查,以為他會死於輻射中毒。不過,除了臉部癱瘓、偶爾癲癇、輕微輻射病及頭上有個小洞之外,布戈爾斯基並無大礙,繼續完成博士學位。

大型強子對撞機。圖/flickr

那強百倍的大型強子對撞機可以嗎?

這是不是表示,你可以把手放進歐洲新的大型強子對撞機(Large Hadron Collider)?你會不會得到一個挺酷的傷疤,除此之外毫髮無傷?不。你和你的手都不會這麼幸運,畢竟俄羅斯 U–70 加速器的威力還不到大型強子對撞機的百分之一。

大型強子對撞機是世上最強大的粒子對撞機,可把在十七哩(二十七公里)圓型隧道內的質子,加速到 0.99999999 c(時速僅比光速少七哩),並在世上最大的撞擊大賽中讓它們相撞。這撞擊威力相當強大,曾引發小社群強烈反彈,擔心會產生足以吞噬地球的黑洞。

大型強子對撞機可把質子加速至0.99999999 c(時速僅比光速少七哩)。它們相撞的撞擊威力相當強大,曾引發小社群強烈反彈,擔心會產生足以吞噬地球的黑洞。圖/pixabay

這質子束是由一千億個質子構成,若加速到接近光速,會帶有巨大能量,相當於四百噸的列車以時速百哩前進。

質子束的能量很強,可在一毫秒內在銅中鑽一百呎(約三十公尺)深。正因如此,多數加速器都指向地底,以免故障時質子束射向城市,造成傷亡。

震破耳膜的巨響──電子束的第一波衝擊

這樣你該明白,為什麼不能把手伸進質子束了吧?但假設你沒看見警告標誌,仍然把手伸進去。那麼,第一個會出的問題是什麼?你的耳朵。

在大型強子對撞機中,碳纖維骨架引導質子束的前進。如果質子束偏離,會撞擊到碳纖維,這聲音聽起來就像你站在演唱會的喇叭之前那麼大聲。之後,當科學家做完實驗,這質子束的能量就會被扔進當作質子阱(proton trap)的石墨塊,聽起來像是兩百磅(九十一公斤)的黃色炸藥(TNT)爆炸,足以震破耳膜。

如果質子束偏離,會撞擊到旁邊的碳纖維骨架,而你的耳朵就好像站在演唱會的喇叭之前。當實驗結束,這質子束的能量就會被扔進當作質子阱(proton trap)的石墨塊,聽起來像是兩百磅(九十一公斤)的黃色炸藥(TNT)爆炸,足以震破耳膜。圖/pixabay

因此,你得戴耳塞。但說真的,耳膜震破是最不嚴重的問題。更大的問題在於質子束的力量。

手一動就切兩半──電子束的第二波衝擊

質子會毫無阻礙地通過你的手。質子束很小,寬度只和鉛筆的鉛芯差不多,且移動速度之快,你根本不會覺得痛。質子束很可能錯過你的骨頭,你的手或許能繼續正常運作,但只有手掌在非常非常靜止的時候是如此。

U–70 俄羅斯反應器不僅力量比大型強子對撞機小得多,而且只打出一發,因此布戈爾斯基頭上只有一個洞。大型強子對撞機比較像質子機關槍,在兩秒內發射將近三千發。如果你在第一發時把手抽離,質子束就會把你的手切成兩半。

萬別這麼做

U–70 俄羅斯反應器只打出一發,因此布戈爾斯基頭上只有一個洞。大型強子對撞機比較像質子機關槍,在兩秒內發射將近三千發。如果你在第一發時把手抽離,質子束就會把你的手切成兩半。圖/pixabay

輻射中毒而死──電子束的第三波衝擊

質子穿過你(但願是)靜止的手時,還會發生另一個更嚴重的問題。移動得這麼快的粒子必定有強烈的輻射。即使你離質子束好幾公尺,得到的輻射量還是會和照完整的胸腔 X 光一樣。

不過,如果質子束打到你,你究竟會得到多少輻射卻很難說。質子束本身帶有極大量的輻射,殺死你還綽綽有餘,不過大部分的輻射會錯過你。這是因為,雖然你認為你的手是靜止的,但從原子層次來看,其實是很大的空間。

如果你手上的一個原子放大成足球場的規模,那麼原子核就是在五十碼處的一粒彈珠。由於朝你發射的輻射子彈也相當小,多數都會錯過,因此饒了你一命,你不會馬上死。可惜的是,雖然大部分會錯過,但你可能被剛好夠多的輻射量擊中,於是緩慢而痛苦地死去。

質子束本身帶有極大量的輻射,殺死你還綽綽有餘,不過大部分的輻射會錯過你。可惜的是,雖然大部分會錯過,但你可能被剛好夠多的輻射量擊中,於是緩慢而痛苦地死去。圖/pixabay

即使 U–70 加速器不到大型強子碰撞機力量的百分之一,就差點讓布戈爾斯基死於輻射中毒。有鑑於此,我們敢打包票,大型強子碰撞機的質子束必定會奪去你的性命。質子束打到你手部時所產生的粒子,會以至少十西弗的輻射毒害你全身,而你的經歷會像一九九九年日本東海村核燃料製備場的意外中,兩名死亡的工作人員一樣。

巨量輻射讓你怎麼死?

大內久與篠原理人在製造小批量的核燃料時,因配方計算錯誤,導致混合物發生臨界事故。即使是接觸到致命的輻射量,受害者也不會立刻感到不適。症狀可能要經過幾個小時才會浮現。但是暴露在極端大量的輻射量時(例如你、大內久與篠原理人),症狀卻會馬上出現。

等到質子束穿過你的手,你眼前會馬上出現藍光,這是因為輻射通過你眼球液體的速度比光速還快(光速在水中的速度,比在真空慢三○%),並產生看起來是藍色的電磁波,稱為「契忍可夫輻射」(Cherenkov radiation)。大內久與篠原理人都說看見房間變成藍色,然而安全攝影機卻未顯示任何顏色改變。

質子束穿過你的手,你眼前會馬上出現藍光,稱為「契忍可夫輻射」(Cherenkov radiation)。 圖/wikimedia

質子束的能量會讓你變熱,因此你除了覺得房間顏色變藍之外,也會感覺變得很熱。你也會馬上想吐,因為輻射攻擊胃壁。你的皮膚則嚴重灼傷,此外還呼吸困難,可能失去意識。

你的白血球數量會降到趨近零,免疫系統無法發揮作用,內臟慢慢受損。醫生能治療你的症狀,卻無法挽回遭到輻射毒害的器官。你會在四到八週內死亡,確切時間取決於你所接收到的輻射量及內臟損壞惡化的速度。

不過,你手上的洞會很小,遲早會癒合,只留下小小的傷疤。

 

 

本文摘自《然後你就死了:被隕石擊中、被鯨魚吃掉、被磁鐵吸住等45種離奇死法的科學詳解》,2018 年 5 月,臉譜出版。

臉譜出版_96
67 篇文章 ・ 244 位粉絲
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。

0

0
0

文字

分享

0
0
0
放手一搏-《上帝的粒子》
貓頭鷹出版社_96
・2013/09/26 ・2918字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 511 ・六年級

列印雖然計畫批准了,但仍然引來許多懷疑。為了說服反對者,美國能源部說明超導超級對撞機可以成為一次跨國合作,其他國家會願意提供財務支援,但是美國物理學家的花言巧語反而破壞了這番打算。這項計畫很明顯是替美國重回高能物理的領導地位而設計的,其他國家為什麼要支持呢?歐洲國家無論如何都忠於CERN,超導超級對撞機並沒能引起大西洋對岸的太多興趣,這點倒不叫人意外。

美國的物理界裡頭也有不滿聲浪,而且已經蔓延成對抗局勢。只為了尋找希格斯玻色子就花了這麼多錢,真正被犧牲的是什麼?有許多獨立計畫雖然成本較低,卻更可能提供潛在的可貴科技進展,但是美國的物理預算不可能同時支持所有這些計畫和超導超級對撞機,所以這些計畫這下看來岌岌可危了。難道高能物理真的比其他科學領域還要重要一千倍嗎?

這下「大科學」變成了貶義詞。

在建造地點還沒決定以前,參眾兩議會都支持超導超級對撞機。美國國家科學院及工程院從二十五州收到四十三個地點提案,德州政府成立了一個委員會,並且承諾只要超導超級對撞機選擇德州,他們就提供十億美金的資助。或許把對撞機蓋在費米實驗室比較合理,因為計畫需要的大部分基礎建設和物理學家都已經等在那裡了,但是在一九八八年十一月,國家學院決定將超導超級對撞機建在一個名叫「奧斯汀白堊」的白堊紀地質構造裡,深埋在曾以棉花致富的埃利斯郡的德州大草原底下。

雷根的副總統布希出身德州,他在雷根之後繼任總統。在布希的當選日過後兩天,國家學院就宣布了上述選址結果,雖然沒有理由相信國家學院的決定有任何不公,但是布希也成為該計畫的強力支持者。然而,隨著地點確定下來,來自其他州參眾議員的支持也就煙消雲散了。

物理學家現在必須為了經費和參議院苦苦纏鬥,而且只要每次參議院想檢視計畫,就得有人被傳去作證;與此同時,工程師也逐漸明白建造超導磁鐵的巨型環是怎麼一回事,預算估計隨之爆增。到了一九九○年開始撥款建造時,估計的預算幾乎翻了一倍,高達八十億美金。

測試用的洞穴挖進了奧斯汀白堊,一部分的基礎建設蓋在埃利斯郡的首府瓦克沙哈契附近,德州政府在那裡為該計畫保留了將近七千萬平方公尺的土地。為了研發和測試磁鐵的實驗室建造起來了,製造及循環液態氦所需的冷凍單元也置放在組裝後的大型結構裡了,日後他們將使用液態氦讓磁鐵維持在超導低溫。

兩組探測器合作團隊成立了。「螺線管探測器」合作團隊可能包含有一千位物理學家和工程師,來自世界各地超過一百個不同機構。螺線管探測器將打造成不特定針對某個粒子的一般型探測器,花費五億美金,希望能在一九九九年底開始記錄資料。另一個合作團隊是「伽瑪、電子及緲子團隊」,規模與螺線管探測器合作團隊類似。兩組團隊將會互相競爭。

許多物理學家決定賭上一把,他們要不是從現職告假,就是乾脆辭掉工作,加入超導超級對撞機計畫,到了最後,大約有兩萬人聚集到瓦克沙哈契的市內或周邊。對不熟悉超導超級對撞機政治面的局外人而言,種種進展看起來叫人相當安心,實驗室蓋個不停,洞挖個不停,而且大量人群正在集結。

但還是有些不祥之兆,美國政府一直在對抗龐大、惡化的預算赤字。一九九二年一月,布希總統訪問日本後空手而歸,日本人堅持超導超級對撞機並不是國際計畫,也因為如此,他們不會提供支援。關於「大科學」的雜音愈來愈大,眾議院在六月投票支持一項聯邦預算修正案,該修正案將導致超導超級對撞機計畫關閉。幸好參議院出手干預,計畫才得以苟延殘喘。

前景愈來愈不樂觀,在溫伯格一九九三年出版的暢銷書《終極理論之夢》書裡可見一斑,他寫道:

儘管建築物逐漸林立,洞穴持續開挖,但我知道這項計畫的資金可能就要中止了。我可以想像那些測試用的洞穴將被填平,「磁鐵大樓」遭到棄置,最後只剩幾個農夫的模糊記憶可以證實,在埃利斯郡,曾經有過一個偉大的科學實驗室計畫。或許我是中了生物學家赫胥黎的蠱惑,感染了他那維多利亞時代的樂觀吧,我無法相信這種事會發生。在我們所處的時代,尋找自然界最終定律的計畫竟會被棄之不顧。

萊德曼在同一年也出版了《上帝粒子》一書,在這本相當唐吉訶德式的著作裡,他做了一場和希臘哲學家德謨克利特親切聊天的夢,他從這個夢境裡被粗魯地喚醒了:

「該死。」。我又回到家裡,無力地從論文堆裡抬起頭。我注意到一份新聞頭條的影印本:「超級對撞機國會基金恐生變」,我的電腦數據機嗶嗶作響,下載了一封電子郵件,信裡「邀請」我去華盛頓,參加一場討論超導超級對撞機的聽證會。

一九九二年的總統大選,柯林頓擊敗了布希和獨立參選人德州富商佩羅。隔年六月,超導超級對撞機的預算估計已經成長到一百一十億美金,眾議院再次對該計畫投下反對票。超導超級對撞機計畫的副主任卡斯帕說:「從某個時候開始,對超導超級對撞機投下反對票就變成了財政責任的象徵。畢竟這裡活生生就有一個昂貴的計畫,可以供你投票反對。」

一般而言,柯林頓對這個計畫是持鼓勵態度的,但是他不像雷根和布希那麼堅定。預算兩百五十億美金的國際太空站建造計畫成為超導超級對撞機的潛在競爭對手,而太空站計畫的根據地將設立於美國太空總署在休士頓的詹森太空中心,那也位於德州。

一九九三年九月,溫伯格、里克特和萊德曼為了替超導超級對撞機爭取支持,做出最後一搏。英國科學家霍金送來一段表達支持的影片,但無濟於事。

當年十月,眾議院以一票之差贊成國際太空站,隔天則以二比一的票數否絕了超導超級對撞機。至此已經沒有轉圜空間,資金於是轉而用在保存那些已經蓋好的設備。這時隧道開挖了二十三公里長,耗資達二十億美金(見圖19),但是不管抱持著再多維多利亞時代的樂觀,都沒辦法讓這個計畫繼續下去。超導超級對撞機胎死腹中了。

圖19 國會在一九九三年十月取消超導超級對撞機計畫的時候,這個計畫已經耗資二十億美金,在德州大草原底下開挖的隧道也已長達二十三公里。(圖片來源:超導超級對撞機科學技術電子資料庫)
圖19 國會在一九九三年十月取消超導超級對撞機計畫的時候,這個計畫已經耗資二十億美金,在德州大草原底下開挖的隧道也已長達二十三公里。(圖片來源:超導超級對撞機科學技術電子資料庫)

普利茲獎得獎作家烏克將超導超級對撞機的經歷改編,寫了一部小說《德州巨洞》。他在小說開頭的作者注裡這麼說:

自從原子彈和氫彈問世以來,粒子物理學就一直是國會的寵兒,但是這一切忽然之間粗暴地結束了。希格斯玻色子的追尋已然夭折,只在德州留下一個洞,一個遭到廢棄、巨大無比的洞。

而這個洞,至今仍在。

超導超級對撞機計畫取消後過了一年多,CERN的成員國於一九九四年十二月六日投票通過,將在二十年內分配一百五十億美元的預算,在LEP功成身退後,將它改造成質子對撞機。大型強子對撞機(LHC)的想法最早是在一場於瑞士洛桑舉行的CERN研討會上提出,那是十年前(一九八四年三月)的事了。LHC將產出高達14 TeV的碰撞能量,雖然比超導超級對撞機最大能量的一半還少,但用來尋找希格斯粒子,仍是綽綽有餘。

魯比亞宣稱,CERN將會「在LHC的隧道內,鋪滿超導磁鐵」。

 

本文摘自PanSci 2013九月選書《上帝的粒子》第八章:放手一搏,由貓頭鷹出版

文章難易度
貓頭鷹出版社_96
47 篇文章 ・ 20 位粉絲
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。