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該死的上帝粒子

Gene Ng_96
・2013/09/09 ・3240字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 559 ・八年級

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在官方要求我們講禮貌的時代,〈該死的上帝粒子〉這個看似非常的無禮的標題相當的冒昧,不過是有典故的。

美國物理學家、1988年諾貝爾物理學獎得主利昂·萊德曼(Leon M. Lederman)出版了一本科普書《上帝粒子:如果宇宙是答案,那麼問題是什麼?》(The God Particle: If the Universe is the Answer, What is the Question),後來媒體也沿用了這一稱呼,常常將希格斯波色子稱作是「上帝粒子」(The God Particle)。這一稱呼激起了主流媒體對於希格斯波色子的關注和興趣。《紐約時報》(The New York Times)還精心製作了兩個特輯:Chasing the Higgs BosonHiggs Boson

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萊德曼表示,當初他稱呼希格斯波色子為「上帝粒子」是因為這粒子「在當今物理學中處於極 為中心的位置,對我們理解物質的結構極為關鍵、也極為難以捉 摸」。不過他也開玩笑地補充說另一個原因是「出版社不讓他把這粒子稱作『該死的粒子』(Goddamn Particle),儘管這別稱可能更恰當地表達了希格斯波色子杳無蹤跡的性質以及人們為之所付出的代價與遭受到的挫折感。」然而,許多科學家卻不喜歡這 一稱呼,因為它過分強調了這粒子的重要性和太宗教化。

既然始作蛹者原本有想過把希格斯波色子稱作「該死的粒子」,後來卻以「上帝粒子」成名,我想乾脆把希格斯波色子稱作「該死的上帝粒子」,更兩全其美吧XD

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泛科學也將在9月26日和旅行社出一團「大型強子對撞機探訪團」 參觀日內瓦郊區的大型強子對撞機(Large Hadron Collider, LHC)。歐洲核子研究組織(CERN)將在9月會舉辦兩天 的「Open Days」。

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從2013年2月 起,LHC進入了長達兩年的停機期,在這段期間會進行設備的升級與維護,為了提升到更大的碰撞能量而做準備。為了這個探訪團,泛科學計劃舉辦三場小型演 講,第一場由台大陳凱風老師主講,第二場是明天(9/10)的「微型點子對撞機(M.I.C. XIV):驚現」

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在聽了陳老師深入淺出的精彩演講後,讓我好奇讀了這本這本《上帝的粒子:希格斯粒子的發明與發現》Higgs: The Invention and Discovery of the ‘God Particle’)。還好聽過了陳老師的演講,還有維基中文百科〈希格斯玻色子〉寫得很好的介紹,在讀這本《上帝的粒子》時,才比較快進入狀況。

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在粒子物理學的標準模型(Standard Model)預言的61種基本粒子中,希格斯玻色子是最後一種被實驗證實的粒子。希格斯玻色子是因英國物理學家彼得·希格斯(Peter W. Higgs,1929-)而命名,是一種具有質量的玻色子,沒有自旋,不帶電荷,非常不穩定,在生成後會立刻衰變。

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標準模型的希格斯機制(Higgs mechanism)解釋了,為什麼有些基本粒子具有質量,而有些基本粒子的質量為零?根據希格斯機制,有些基本粒子因為與遍佈於宇宙的希格斯場彼此交互作用而獲得質量,但同時也會出現副產品希格斯玻色子。

2012年7月4日,CERN宣布,LHC的緊湊渺子線圈(CMS)探測到質量為125.3 ± 0.6 GeV的新玻色子(超過背景期望值4.9個標準差),超環面儀器(ATLAS)測量到質量為126.5 GeV的新玻色子(超過背景期望值5個標準差),這兩種粒子極像希格斯玻色子。7月31日,CMS和ALTAS又分別提交新的偵測結果,將這種玻色子的質 量確定為CMS的125.3 GeV(統計誤差:±0.4、系統誤差:±0.5、統計顯著性:5.8個標準差)和ALTAS的126.0 GeV(統計誤差:±0.4、系統誤差:±0.4、統計顯著性:5.9個標準差)。

2013年3月14日,歐洲核子研究組織發佈新聞稿,正式宣布先前探測到的新粒子是希格斯玻色子。這希格斯玻色子是希格斯機制的必然後果,是物理學 者長久以來尋覓的對象。希格斯玻色子的發現,對物理學家來說重大意義。首先,此發現揭開粒子質量起源之謎,其它粒子在希格斯場中運行時便獲得了質量;二 來,完善了當代粒子物理學基石的標準模型,它描述了整個宇宙中所有的粒子。所有被標準模型所預言的粒子此前都已經被找到了,希格斯玻色子是最後一個;三 來,確認希格斯玻色子還將對電弱相互作用的構建、超對稱理論和等產生重要影響。史蒂芬·霍金(Stephen W. Hawking)最近還認為希格斯應該獲得諾貝爾物理學獎。

《上帝的粒子》分成兩部,第一部談發明,第二部談發現。作者巴格特(Jim Baggott)從物質、能量、質量的概念開始說起,描述粒子物理學的理論進程。物理學家為了解釋即有理論的缺陷,讓一個理論接著一個理論的發明,慢慢地讓希格斯玻色子登場。

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理論物理學家讓希格斯玻色子上場後,實驗物理學家就要輪番上陣,過關斬將,驗證了希格斯場。而看似撲朔迷離的希格斯玻色子。為了燒大錢驗證標準模型 和找出這個該死的上帝粒子,粒子物理學家米勒(David Miller)輕鬆地向政客解釋希格斯機制,他提出像這樣的比喻:我們可以將希格斯場比擬為在物理學術大會裏均勻分佈的學者。我在物理學界完全沒有名氣 (廢話XD),像我可以輕鬆地低調穿過會場,沒有人會注意到我的存在,就如同希格斯場與零質量光子之間的交互作用。假若物理大師如希格斯本人進入會場,大 家會被大師的魅力吸引,在大師四周擠成一團。因此,他會獲得很多質量。若以同樣速度穿過會場,他所具有的動量當然會比較大,改變他的移動速度也比較不容 易,必須施加更大的作用力。這還說服了英國政府繼續掏錢贊助CERN。不過希格斯玻色子的研究計畫卻在美國國會胎死腹中,僅剩歐洲還堅持下去。

在CERN,兩組CMS和ALTAS各有上千科學家支援的團隊獨立利用不同方法驗證希格斯玻色子的實驗,在公佈結果前,並沒有串供,這是科學社群良性地競 爭,讓科學實驗有再現性的良好範例。科學之所以可以一日千里,就是因為良性競爭造成的「必要的張力」(essential tension)。CMS和ALTAS都有台灣物理學家參與,台灣大學和中央大學的團隊加入CMS,中研院的團隊則加入ALTAS。為了有效處理LHC產 出的龐大資料,中研院與CERN合作設立亞洲首座Tier-1網格維運中心, 大幅提升了台灣學界的研究能量和國際地位。

在這方面,當然又是外行的看熱鬧,內行的看門道。我不是物理學家,當然是看熱鬧為主。因此,對我而言,《上帝的粒子》的第一部討論各各理論的誕生過程,還 是有霧裡看花的感覺。《上帝的粒子》的第二部主要是在講故事,讀起來就有趣多了。在臉書上,還有朋友介紹了這個PHD TV上的影片,說他看了才知道LHC在搞什麼飛機……哦不……粒子。

在這裡,我想談一件有趣的事,那就是為何《上帝的粒子》作者在第一部以及原文副標題上,用「發明」(Invention)來探討希格斯玻色子?如果希格斯玻色子早已存在了,科學家怎麼可能去「發明」它?

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其實,科學並非絕對真理,科學探討的是事物與事物的關連,是一種相對的真理。科學家為了描述事物的本質和關連,就要「發明」一些理論去描述,然後利 用實驗去驗證,如果實驗和理論相符,科學社群就把該理論當作是對的,如果有足夠多的實驗證據不支持,則科學家就要「發明」更多更新的理論。科學的理論,要 能讓實驗給否證,也要有預測力,其理論之預測,也要讓科學社群的其他科學家重覆驗證。並不是用了數學模型,就算是科學。

希格斯「發明」了「希格斯機制」來解釋某些粒子的質量,他的理論預測了希格斯玻色子的存在,如果LHC的實驗找到的確實為希格斯玻色子,則希格斯機 制的理論就暫且為真,不過希格斯場理論還無法解釋一些關於強交互作用、電弱交互作用、重力交互作用的統一化問題,以及宇宙的起源問題,所以日後會不會又被 其他理論給取代了,還是無知數。不過無論如何,科學家還是會愈來愈逼近瞭解這個宇宙的真實狀況!

本文原刊登於Readmoo.com【GENE思書軒】,並同步刊登於 The Sky of Gene

文章難易度
Gene Ng_96
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來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋

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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

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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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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
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・2023/03/10 ・4147字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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  • 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。)

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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!」

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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。

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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。

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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。

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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。

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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

  1. 鄭伯昆,〈台大核子物理實驗室 (四)有關的日本科學家〉,《物理雙月刊》,卅卷五期,2008 年 1 月,頁 574-580。
  2. 松本巍著,蒯通林譯《臺北帝國大學沿革史》,頁 7-11。
  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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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)
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・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!

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 鎖定 2023 年的每一個科學大事件!

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