親身體驗史上最大物理實驗— CERN OPENDAYS

本文由 Amway 委託，泛科學企劃執行。

到底怎樣才算是「乾淨」？這不是什麼靈魂拷問，而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中，「乾淨」的定義極其殘酷：一粒肉眼看不見的灰塵，就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞，甚至能成為台積電（TSMC）決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中，雖然不需要生產精密晶片，但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密，卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康，你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此，空氣議題早已超越單純的環保範疇，成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

很多人可能沒想到，無論是家用的空氣清淨機，還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠，它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩，而是同一件看起來平凡無奇的東西：一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信，就憑這層厚度不到幾公分的板子，能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎？

這片大家都聽過的 HEPA 濾網，裡面到底是什麼？

首先，我們必須打破一個直覺上的誤解：HEPA 濾網（High Efficiency Particulate Air filter）在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5，是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物，它們能穿過呼吸道直達肺泡，並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本，在工廠與汽車尾氣中，還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1，甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」（UFP，即 PM0.1）。 UFP 不僅能輕易進入血液，甚至能繞過血腦屏障（BBB），進入大腦與胎盤，其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣，單靠孔目大小來「過濾」粒子，那麼為了攔截奈米微粒，濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡，一般人認為的「乾淨」，在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米或 3 奈米（相當於頭髮直徑萬分之一）的晶片而言，空氣中一顆微小的塵埃，就是一顆足以毀滅世界的隕石。

因此，傳統的過濾思維並非治本之道，我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形，最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身，誕生於曼哈頓計畫！

1940 年代，製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而，若將排氣直接排向大氣，會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾（Irving Langmuir），他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」（Absolute Filter），其內部並非有孔的篩網，而是石綿纖維。

有趣的來了，如果把過濾器放到顯微鏡下，你會發現纖維之間的空隙，其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢？這是因為在奈米尺度下，物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時，並非走直線，而是會受到空氣分子撞擊，而產生「布朗運動」（Brownian Motion），像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時，布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動，最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時，靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客，就這樣被永久禁錮迷宮中。

現在最常見的 HEPA 材料，是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間，它們在濾網內隨機交織，像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後，並非僅僅面對一層薄紙，而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層，微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外，HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵，那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀，中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐，目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒，而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺：過濾不是越快越好嗎？

其實，這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管，如果你捏住出口，水流會變得湍急；若將出口放開並擴大，雖然總出水量不變，但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言，當表面積越大，單位面積所需承載的空氣量就越少，空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久，增加被捕捉的機會。此外，越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」，延長了使用壽命，這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

然而，即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter)，但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ，其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物，去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念？塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子，大小約在 2 至 200 微米；細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米，細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」，大多數的病毒（如流感、新冠病毒）都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說，基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上，它更獲得英國過敏協會（Allergy UK）認證，能有效處理 19 大類、102 種過敏原，濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

然而，同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室，就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷，就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中，硼是常見的 P 型摻雜物，用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕，進而釋放出極微量的硼離子，就可能直接污染晶圓，改變其導電特性，導致晶片報廢。

此外，無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA（超低穿透率空氣濾網） 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中，任何多穿透的一顆微塵，都代表著一筆不小的經濟損失。

為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率，材料學家搬出了塑膠界的王者，PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕，還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維，其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕，但它既昂貴且物理上也很脆弱，安裝時若不小心稍微觸碰，數萬元的濾網就可能報銷。因此，你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此，在空氣濾淨系統中，還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網，就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附？

好不容易將微塵擋在門外時，危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王：AMC（氣態分子污染物）。

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒，但面對氣態分子時，就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般，能輕易穿過物理濾網的縫隙，其中包括氮氧化物、二氧化硫，以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物（VOCs）。

為了對付這些幽靈，我們必須在物理防線之外，加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同，這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理（Impregnation）」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質，在活性碳上添加不同的化學藥劑：

• 酸鹼中和：對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體，會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑，透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之，如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑，就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
• 物理吸附與凡德瓦力：對於最麻煩的有機揮發物（VOCs，如甲醛、甲苯），因為它們不具酸鹼性，科學家會精密調控活性碳的孔徑大小，利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力（凡德瓦力），像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。

空氣濾淨的終極邏輯：物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境，活性碳的運用並非「亂槍打鳥」，而是一場極其精密的對戰策略。

工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告，像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝，打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區（Photolithography），晶圓最怕的是人體呼出的氨氣，此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和；而在蝕刻區（Etching），若偵測到酸性廢氣，則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯，是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中，雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析，但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯，正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網，更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳，科學界有個關鍵指標：「比表面積（Specific Surface Area）」。活性碳的孔隙越多、表面積越大，其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳，並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理，打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克，但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字，相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積，是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是，它還添加了雙重觸媒技術，能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線，能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體，或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來，成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說，無論是造價百億的半導體無塵室，還是守護家人的空氣清淨機，其背後的科學邏輯如出一轍：「物理濾網攔截微粒，化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作，空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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• 本文轉載自科技大觀園，原文為《撞夠了沒？還沒！大強子對撞機續集上映中》
• 作者／郭雅欣｜科技大觀園特約編輯

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。

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？ 

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。

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。

 「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。 

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。 

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！」

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。

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）。

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。）

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。

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。

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。

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。

「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

歐洲核子研究組織在發現希格斯粒子之後，首次打開大門，讓我們一探究竟!

文/曾琬迪

2012年7月4日，歐洲核子研究組織（CERN）首次公開發表「希格斯粒子」的發現，50年前提出希格斯機制的希格斯和盎格列都受邀入席。當緊湊緲子螺管探測器（Compact Muon Solenoid， CMS）和超導環場探測器（A Toroidal LHCApparatus， ATLAS）兩個團隊先後公布成果，希格斯老先生當場老淚縱橫:「對我來說，這真是難以置信。這一切竟然會在我有生之年發生。」

而讓這一切得以發生的，正是CERN 的大強子對撞機（Large Hadron Collider， LHC），以及數千名在此努力不懈的物理學家和工程師。

LHC 這個名詞從五年前開始廣為人知，2008 年9 月10 日是它第一次試運轉成功，在周長27 公里的超大環形加速器中，兩道質子束成功地完成繞行——這個人類史上最昂貴的科學儀器，真的可以實際運作!消息一出，馬上攻占世界各大媒體版面，據CERN 的媒體公關部表示，這也是它們的網站流量第一次超越美國航太總署（NASA）。

今年3 月，CERN 終於正式宣布，先前探測到的新粒子確認是希格斯玻色子，LHC 至此暫時功成身退，依照原定計畫停機兩年進行升級，提升質子束至更高的能量等級，要到2015 年才會重新啟動。

在LHC 停機的這兩年，CERN 也沒閒著，除了繼續分析海量數據，並為下階段做足準備，他們也決定打開大門，舉辦兩天CERN OPENDAYS，開放民眾參觀地下一百公尺深的LHC 內部，親身體驗「大科學」的魅力。距離上次CERN 開放民眾參觀，已經長達五年之久，而這次又是LHC發現希格斯粒子後首度開放，千載難逢的機會，讓科學愛好者趨之若鶩，甚至有業者籌畫了專門的參訪團。一名物理部落客，列出了十個你一定要去的理由:

一、錯過這次，你得再等五年!（LHC 預定於2018 年再度停機升級）

二、深入地下一百公尺，到達希格斯粒子首度被發現的地方。

三、親眼目睹讓LHC 停機的關鍵裝置。

四、拍攝藝術家繪製的ATLAS 巨型壁畫。

五、按下ATLAS 控制中心的緊急警報按鈕。

六、參觀第一部WWW 伺服器。

七、透過ALICE 認識「夸克–膠子漿」。

八、在展示中心的「未來椅」上放鬆一下。

九、想知道更多嗎？你可以直接詢問現場的粒子物理學家。

十、活動全部都是免費的，甚至還包含日內瓦的市區交通。

是不是很令人心動呢？不過瑞士畢竟有點遙遠，如果你沒能參與此次盛會，沒關係，現在就讓我們一起瞧瞧CERNOPENDAYS 有哪些精彩的內容吧。準備好了嗎？Let’s go !

「我們的宇宙是你的!」

CERN OPENDAYS 在2013 年9 月28日、29 日盛大展開，兩天的活動都是從早上九點到晚上八點。參與民眾可以免費搭乘日內瓦的公共交通設施，直接抵達主要活動會場——梅蘭（Meyrin）院區。雖然只有短短兩天，活動內容卻非常地豐富:CERN 在9 個區域安排了37 個地面參觀點，40 個不同主題的演講（共有224 場次，英、法、德、義四種語言），而最令人興奮的，莫過於深入地底100 公尺的地下參觀!

LHC與探測器 LHC於1994年年底由CERN的會員國投票決議興建，其目的除了尋找希格斯粒子，更為了進一步探索宇宙的組成成分——包括最神祕的暗物質與暗能量。這部人類史上最複雜也最龐大的實驗儀器，建造於1998~2008年間，由超過八千名科學家和工程師合作興建，耗資近百億美元。LHC位於法國和瑞士邊界的地底50~175公尺處，其結構包括讓質子束加速的環形「加速器」，以及在四個碰撞點設置的七個「探測器」。其中CMS和ATLAS是通用型的粒子探測器，用來尋找希格斯粒子和新的物理現象，其所收集到的數據，由兩個大型研究團隊分別進行獨立分析，藉此驗證彼此的實驗結果。而大型離子對撞機（A Large Ion Collider Experiment，ALICE）和LHC底夸克探測器（Large Hadron Colliderbeauty， LHCb），則是為了特定目標所設計的：ALICE研究鉛離子對撞後產生的夸克–膠子漿，以了解宇宙的形成；LHCb研究底夸克的性質，以了解正粒子和反粒子的不對稱原因。 除了上述四個主要的探測器，LHC還有另外三個小型的探測器：TOTEM、MoEDAL和LHCf，用來從事更專門的研究。

由於地下參觀有人數上的限制，所以必須先在網路上預訂門票才能參加。CERN從八月中開始，連續三週分期釋放門票，且只讓每個人登記一個場次，以確保所有人都有機會。門票釋出的方式也很有趣，網站會先預告你下次釋放的時間，是某一天當中的其中一小時，但在那一個小時內的釋放時間則是隨機的。筆者為了搶票，從預定時間前五分鐘就坐定電腦前，不斷重載頁面，最後總算如願以償，搶到了最想看的ATLAS 地下參觀門票。

除了地下參觀之外，其他所有活動都是自由入場。你可以近距離和粒子物理學家交流，參觀他們工作的地方，像是世界網格運算的心臟——計算機中心，或是LHC 的中樞神經系統——控制中心。你可以參觀加速器、反物質工廠、低溫和晶體實驗室，以及組裝超導磁鐵的巨型磁鐵設施。除此之外，CERN 還準備了許多特別的活動，像是介紹LHC 的3D 電影、讓學童可以自己動手做的「趣味空間」、彷彿變魔術一般的「科學劇場」，還有13 組樂團輪番上陣，讓你走累了可以坐下來聽聽音樂，享受科學與人文的交會。

這是一場盛大的科學展演，也是科學家和民眾同樂的嘉年華會。就像CERN OPENDAYS 的口號「我們的宇宙是你的!」研究宇宙奧祕的CERN 這兩天完全開放給民眾，前來參觀的每一個人，都是最重要的主角。

巨大的科學，真美!

由於CERN OPENDAYS 的活動實在太過豐富，就算你待上兩天也沒辦法全部逛完。以下就挑選幾個重點主題，跟大家分享。

ATLAS 探測器

ATLAS 探測器長46 公尺，直徑25 公尺，是LHC 中最大型的探測器，也是有史以來最大的一個探測器。既然來到CERN，當然不能錯過ATLAS 的地下參觀。

地下參觀以12 人為單位，由一位CERN 的研究人員親自帶領參觀。途中經過ATLAS 控制中心大樓，可以欣賞到美國藝術家克里斯佛提（Josef Kristofoletti）所創作的大型壁畫，畫中描繪粒子在ATLAS 探測器中碰撞的情形，繽紛的色彩充滿整個牆面，引人注目。雖想駐足欣賞，不過後面等著參觀ATLAS 的隊伍還排得很長，我們只能加快腳步繼續前進。

通過一扇小門，我們進入一棟建築，裡面充滿了管線、鐵架，還貼了很多放射線警告的圖示。導覽員很貼心地拿出輻射偵測器，告訴我們現在是停機時期，所以不會偵測到任何輻射值，大可安心。接著我們經過一扇戒備森嚴的門，進入通往地下的電梯。

ATLAS 探測器是以碰撞點為中心的一系列同心圓柱體設備所組成，主要分為三層探測設備，由內到外分別是:內部軌跡追蹤器（Inner Tracker）、量能器（Calorimeters）和緲子譜儀（Muon Spectrometer）。其中內外兩層還配備了磁鐵系統（如下頁圖示）。我們參觀時所在位置是在圖中左側小人下方的地面，因此只看得到緲子譜儀，不過光是如此，就足以讓人目瞪口呆說不出話來了。閃爍著金屬光澤的緲子譜儀，還有纏繞周圍的複雜管線，絕對比任何一個電影場景更震撼人心。

站在ATLAS 探測器面前，導覽員向我們解釋眼前的儀器是探測器的哪個部分，整個探測器又是如何運作。他告訴我們ATLAS 的磁鐵系統用的是超導磁鐵，由超導線圈構成，是一種很特殊的材料，不僅能產生巨大的磁場，也因為沒有電阻，維持磁場並不會消耗能量。不過要成為超導體卻有一個前提:磁鐵線圈必須冷卻到低於臨界溫度——攝氏零下271 度。「我們已知宇宙最冷的溫度是零下270 度，所以這裡是全宇宙最冷的地方。」導覽員笑著說。

除了宇宙最冷的超導磁鐵，ATLAS 探測器還有一個很厲害的地方，就是它的數據處理系統。在LHC 運轉的時候，平均每秒鐘會發生4000 萬次碰撞，而每個碰撞所生的資料量，大概就跟一張照片差不多，也就是說，每秒鐘就會新增4000萬張照片!這麼驚人的資料量，如果要全部存下來，硬碟就得堆到月球上去了。因此ATLAS 探測器的做法是，先初步篩選有興趣的高能量碰撞，每秒鐘只留下450~600 個碰撞事件，再針對這些事件做進一步分析。儘管數據已經大幅度刪減，LHC 仍舊累積了海量的資料，目前已超過100 PB（Petabyte，千兆位元組），相當於10 萬顆容量1TB 的硬碟。為了處理大量的數據，CERN 召集了全球網格計畫（World-wide LHC Computing Grid， WLCG），共有約40 個國家在世界各地200 多個計算中心，共同處理LHC 產生的資料。值得一提的是，中央研究院也參與了這項計畫，而且是亞洲唯一的一級中心（Tier-1Center，全球共有11 個）。

由於有太多人等著參觀ATLAS，我們只在地下停留了短短15 分鐘。儘管如此，那震撼已經太過強烈，就像質子束的碰撞一樣，激起了無數的火花。

小宇宙科學館

如果你對粒子物理有很多困惑，或是想了解CERN 和LHC 究竟在研究些什麼，來一趟小宇宙科學館（Microcosm），一定可以找到你要的答案。這裡是平時就對外開放的區域，可以說是以粒子物理為主題的科學博物館。如果錯過了CERN OPENDAYS，找個機會去小宇宙科學館參觀，也是個不錯的選擇。出發前記得先上網查詢開放時間，因為國定假日是固定休館的。

走進小宇宙科學館，你會先經過一條長廊，長廊的牆上貼著一長串海報，串出了CERN 的起源。故事從1949 年的德布羅意（Louis de Broglie）說起，那年他在歐洲文化會議上提議，歐洲國家應該共同創立一個科學實驗室。短短三年的時間，11 個歐洲國家就在一場會議上達成共識，決定成立CERN，並且選定瑞士日內瓦作為實驗室的預定地。1954 年9 月29 日，會員國共同批准公約，CERN 正式成立，也開啟了歐洲與美國的高能物理競賽。這場競賽互有輸贏，到了希格斯粒子被證實的那一刻，CERN 立下了一個里程碑，也證明了合作的力量。而這樣的合作精神，在小宇宙科學館可見一斑——所有的解說都是用四國語言寫成，包括法文、英文、義大利文和德文。

了解LHC 最主要的四個探測器:CMS、ATLAS、ALICE 和LHCb。現場也放置了一個ALICE 探測器的模型，讓你了解它的內部結構和每個儀器的用途。

以上所述都是小宇宙科學館的常設內容，不過既然是難得一次開放日，CERN 當然準備了更精彩的活動。走到小宇宙科學館的出口，一拐彎就進入了另一個空間，裡面就像是假日市集一般，擺了好多張長桌，每張桌子都站著一個穿著橘色制服的科學家，對著圍觀群眾講解CERN 所發展的各種尖端技術，如何改變我們的生活。像是我們每天都會連上的全球資訊網（WWW），就是在CERN 工作的英國科學家伯納斯–李（Tim Berners-Lee），為了滿足科學家之間共享訊息的需求，而研發出來的技術。

不過這裡最吸睛的，是一個結合Xbox遊戲主機技術的體感遊戲。每輪遊戲由兩個人共同參與，每個人分別代表一束質子束。你可以用腳來發射質子束，當兩端發出的質子束對撞在一起，背景螢幕就會顯示出碰撞後粒子激發的狀態，同時兩個人都會獲得分數。如果碰撞點離你的距離較遠，就表示你發射的時間較早，你還可以獲得更多分數喔。

如果在室內待久了想出來透透氣，小宇宙科學館的外面還有一個「科學花園」，陳列了CERN 過往實驗所用的大型儀器，每台儀器都曾風光一時，包括1973 年發現中性流的卡岡梅爾氣泡室（筆者覺得它看起來很像一個大黑輪）。這些儀器雖然已經是老古董了，但以現在的眼光看來，依舊很有科幻感，讓人忍不住幻想，深夜十二點時，所有的儀器會不會活過來跳舞呢？

一場成功的科學嘉年華

CERN OPENDAYS 連續兩天的活動下來，總共有七萬人湧入參觀，其中兩萬名幸運兒獲得地下參觀的機會。一位來自台灣的工程師說:「太屌了，他們竟然拼出這麼大的儀器，而且真的可以用，還在這麼短的時間內就找到了希格斯粒子!」一名英國的退休物理教師說:「我一直嚮往這樣的活動，但卻一直到退休才有機會參與，這兩天真是太棒了，科學教育不就應該像這樣嗎？」而就算是CERN 資深的物理學家，也有同樣的感動:「這場活動展現了CERN 研究的多樣性，真是不可思議，連我也發現了新東西。」

小宇宙科學館附設的科學花園。由上至下分別是：大型歐洲氣泡室（Big European BubbleChamber， BEBC）、大型電子正子對撞機（Large lectron–Positron Collider， LEP）的射頻腔、卡岡梅爾氣泡室（Gargamelle Bubble Chamber）。

連續兩天的活動都持續到晚上八點， 直到CERN 的地標「科學創新之球」亮起夜燈，與會者仍流連忘返。每個人臉上滿足的笑容，已經說明了一切。毋庸置疑，這是一場成功的科學盛會。

要舉辦這樣成功的科學展覽，需要具備哪些條件呢？筆者認為，或許可以歸納為以下幾點:

一、多元設計:CERN 雖然聚焦於粒子物理研究，這次活動卻展現了驚人的多樣性，不僅有豐富的主題，活動設計更是精彩:有靜態的展示、有專人導覽的地下參觀和實驗室參觀、有實際動手做的小型workshop、有實驗演示、有競賽活動、有小劇場，也有3D 電影，更有多場不同主題的演講。在這裡，每個人都能找到他最喜歡的學習方式。

二、互動交流:為了支援這場規模龐大的活動，CERN 召集了2300 位志願工作者， 擔任導覽員或是服務人員。這樣龐大的工作團隊，搭配豐富的活動設計，促成了許多小規模的導覽、示範講解和實際操作，在約莫十幾個人的團體中，民眾真的可以實際參與活動，近距離和專家互動。

三、老少咸宜:除了多元的活動安排，CERN 也兼顧了各個年齡層的需求，有給小小孩玩的積木組裝和親子劇場，也有為學生設計的樂高模型競賽，而活動場所是否設有無障礙空間，也都會特別註明。每個人都是貴賓，都被禮遇。

四、指示清晰:大型活動最怕亂，如何設計指示系統，讓參與者能夠輕鬆優游，是成功的重要關鍵。CERN OPENDAYS 設計了一目了然的導覽手冊，將地圖、活動和接駁等重要資訊，全部整合在短短六面的摺頁。此外，還有一款很棒的智慧型手機APP，不僅依照主題和區域羅列出完整的活動內容，還可直接連結到地圖，並且定位現在位置。所以雖然活動很多，場地也很大（從梅蘭院區前往參觀CMS，搭乘接駁車需時45 分鐘），卻完全不會讓人無所適從。

五、鼓勵參與:這是一場完全免費的活動，參與活動免費，停車免費，而市區電車不僅免費還配合加開班次。這一切措施，配合超過半年的長期宣傳，在在將參與門檻降到最低，讓所有對CERN 有興趣的人，只要起心動念就能參與盛會。

唯有熱情創造一切

撇開CERN OPENDAYS 籌備小組的用心良苦，這場活動最讓人感動的地方，其實是人們的熱情。2300 名志願者，拋下他們的實驗工作，犧牲他們難得的週末假期，就為了訴說粒子物理的奧祕。七萬名群眾，從世界各地湧入，不僅為了一睹LHC 的風采，也為了對這門困難的學問，有多一點點的理解。這樣的熱情，讓上萬名科學家聚集在一起，跨越國籍和信仰，共同奉獻他們的生命，只為了回答一個關於宇宙的問題。

我想起在《上帝的粒子》書中看到的一則小故事:

LHC 在2011 年4 月22 日午夜，創下瞬間亮度的新世界紀錄。當晚的工程師負責人名叫龐塞，她在小時候曾經造訪過CERN，後來在1999 年加入實驗室，進行博士研究。當時是午夜，只有少數幾個還待在控制室裡的人見證了那個時刻。龐塞大喊大叫、手舞足蹈，就像當年那個參觀CERN 的青少年一樣，在空中揮舞雙臂。

科學讓人著迷，讓人燃起所有的熱情，投入一切。可是科學研究也是孤獨而不被理解的，它需要讓更多人感受它的魅力，它需要認同者，也需要後繼者，不斷傳承知識的火炬。

CERN 花費大量資源和人力舉辦這樣一場大型的科學展覽，究竟是為了什麼？在科學家和參與者的熱烈交流中，我找到了答案。

後記

標準模型的理論，隨著今年諾貝爾物理獎的頒發，似乎畫下了完美的句點。若真如此，粒子物理學的下一步該走向哪裡呢？標準模型還有可能被推翻或修改嗎？我們對實體物質的理解已經到達盡頭了嗎？CERN 的未來又將如何發展？

你可以上網看看這次CERN OPENDAYS完整的演講內容，答案或許就在影片中呢!

參考資料

1. CERN官方網站
2. CERN opendays 2013
3. Anais Rassat， 10 Reasons to Visit the CERNOpen Days， ‘Dark Universe’， 2013.
4. 余欣珊，<加速變奏曲—探索基本粒子的大強子對撞機>，«科學月刊»43 卷第5 期。
5. 巴格特，柯明憲譯，«上帝的粒子:希格斯粒子的發明與發現»，貓頭鷹出版社，2013 年。

曾琬迪:前科學月刊主編

原刊載於科學月刊第四十四卷第十二期。