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質子半徑的量子問題

科學人_96
・2014/03/11 ・1814字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 557 ・八年級

精確測量質子半徑的兩項實驗,得到了完全不一樣的數值,到底是量子電動力學仍不完備,還是我們忽略了什麼?

撰文/伯諾爾(Jan C. Bernauer)波爾(Randolf Pohl
翻譯/高涌泉

重點提要:

  • 一項測量質子半徑的新實驗發現,質子比預期來得小。
  • 這個情況意味著物理學家若不是不夠深入了解質子,就是還不夠澈底了解目前最精準的科學理論——量子電動力學。
  • 我們希望,這個較小的質子半徑數值能夠導致物理定律從根本進行修訂。

如果你一直以為科學家已經很了解質子,沒人能指責你錯得太離譜,因為質子畢竟是宇宙中物質最主要的成份、恆星熔爐的燃料。質子所帶的正電拉住了帶負電的電子而形成氫原子,在一個世紀前,對於這種現象的研究開啟了量子力學革命;現代物理學家則可以設法讓超高能量的質子對撞來產生像希格斯粒子這種奇異的東西。

但是對於質子的最新研究卻讓我們大吃一驚。我們兩人(伯諾爾與波爾)以及各自的實驗團隊,用了兩項互補的實驗,對於質子半徑做了至今最精確的測量。在實驗開始之初,我們以為所得到的結果只會讓已知質子大小的精確性提高一些而已,但是我們錯了。測得的質子半徑和已知半徑相差很大,這個差值是任一測量誤差量的五倍以上,意味著發生這種巧合的機率將小於10-6。

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因此一定有什麼地方不對勁,若不是我們還不夠充份理解質子,不然就是我們並不了解這些質子精密測量實驗所使用的物理原理。我們進入宇宙深處,卻看到了異常現象,因此有很大的機會可以得知一些新東西。

欠缺的移位

我們的故事起於義大利的聖塞扶羅島,數十位物理學家在這座島上會面,討論的主題是如何更嚴格地檢驗物理學中(甚至於可說是一切科學中)最精確的理論——量子電動力學(quantum electrodynamics, QED)。

sm145-32QED 的歷史可追溯至1928年,當時狄拉克(P.A.M. Dirac)結合了量子力學與狹義相對論而得到今天所謂的狄拉克方程式。這是電磁現象的最佳理論,因為它可以完整描述光與物質如何交互作用。一個例子是,QED 可以用物理定律與基本常數(譬如電子質量)來說明原子結構。也因為如此,物理學家便利用簡單的原子如氫原子來檢驗 QED。他們能夠從理論去預測實驗的結果,誤差不超過10-12,實驗誤差也差不多就是這麼大。

我們兩人在聖塞扶羅島首次碰面。那時我們為了增進對於 QED 的了解,都正著手測量質子。當時對於質子最精密的測量來自某種實驗技術,伯諾爾的實驗改進了這種實驗技術,已經開始要探究質子的內部結構。

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波爾的實驗團隊則用了全新的方法。他們研究的系統是一種奇異、沒有電子的氫原子型態,他們查驗了這個系統的能階細微移位,這個移位與質子大小密切相關。這種移位由已過世的藍姆(Willis E. Lamb)於1947年首次在正常的氫原子中測得。雖然物理學家仍然稱呼這種現象為「藍姆移位」(Lamb shift),但是他們已經了解它其實來自兩種不同的因素。

對於藍姆移位的第一項貢獻來自所謂的虛粒子,即在原子內部一下子蹦出來但又馬上消失的幽靈。科學家能夠用 QED 計算這些虛粒子如何影響原子能階,準確度極高。但是近年來,對於藍姆移位第二項貢獻的不準度已經開始限制科學家的預測能力。這第二項因素與質子半徑有關,也與電子奇特的量子性質有關。

在量子力學中,用來計算電子行為的是雲狀、散佈在原子內的波函數。波函數(更精確地講,是波函數絕對值的平方)描述了在某處找到電子的機率,而且它只有幾種特殊的形式,我們稱為原子態。

有些原子態(因為某些歷史原因它們稱為「S態」)的波函數在原子核的位置上有最大值,也就是說,我們在質子內部找到電子的機率不為零,而且這個機率會隨著質子半徑變大而增大。當電子跑到質子內部,電子所「感受」到的質子電荷(和電子位於質子之外相比)會比較小,因此質子與電子之間的整體束縛力會減低。

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由於束縛力降低,使得原子最低能量態(即1S態)的藍姆移位改變了0.02%。這個比例或許看起來微不足道,但是科學家已經把原子基態(1S態)與第一激發態(2S態)之間的能量差測得非常精確——誤差在數個10-15而已。因此如果我們想用精密實驗來查驗 QED 理論,當然必須把質子半徑造成的極小效應考慮進來。

過去八年,波爾的實驗團隊已經試著要把質子半徑精確量出來,但是在聖塞扶羅島第一次會議時,實驗似乎還無法上軌道,讓大家感到疑惑。

這時,伯諾爾的團隊正要開始澈底研究質子半徑;他的方法並不依賴氫原子能階的測量,反之,他們把電子射向氫原子,看它們如何散射開來,以推算出質子半徑。

SA原文:The Proton Radius Puzzle

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刊載於《科學人》2014年第145期3月號

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《科學人》雜誌-遠流出版公司於2002年3月發行Scientific American中文版,除了翻譯原有文章更致力於本土科學發展與關懷。

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人與 AI 的關係是什麼?走進「2024 未來媒體藝術節」,透過藝術創作尋找解答
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/10/24 ・3176字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文與財團法人臺灣生活美學基金會合作。 

AI 有可能造成人們失業嗎?還是 AI 會成為個人專屬的超級助理?

隨著人工智慧技術的快速發展,AI 與人類之間的關係,成為社會大眾目前最熱烈討論的話題之一,究竟,AI 會成為人類的取代者或是協作者?決定關鍵就在於人們對 AI 的了解和運用能力,唯有人們清楚了解如何使用 AI,才能化 AI 為助力,提高自身的工作效率與生活品質。

有鑑於此,目前正於臺灣當代文化實驗場 C-LAB 展出的「2024 未來媒體藝術節」,特別將展覽主題定調為奇異點(Singularity),透過多重視角探討人工智慧與人類的共生關係。

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C-LAB 策展人吳達坤進一步說明,本次展覽規劃了 4 大章節,共集結來自 9 個國家 23 組藝術家團隊的 26 件作品,帶領觀眾從了解 AI 發展歷史開始,到欣賞各種結合科技的藝術創作,再到與藝術一同探索 AI 未來發展,希望觀眾能從中感受科技如何重塑藝術的創造範式,進而更清楚未來該如何與科技共生與共創。

從歷史看未來:AI 技術發展的 3 個高峰

其中,展覽第一章「流動的錨點」邀請了自牧文化 2 名研究者李佳霖和蔡侑霖,從軟體與演算法發展、硬體發展與世界史、文化與藝術三條軸線,平行梳理 AI 技術發展過程。

圖一、1956 年達特茅斯會議提出「人工智慧」一詞

藉由李佳霖和蔡侑霖長達近半年的調查研究,觀眾對 AI 發展有了清楚的輪廓。自 1956 年達特茅斯會議提出「人工智慧(Artificial Intelligence))」一詞,並明確定出 AI 的任務,例如:自然語言處理、神經網路、計算學理論、隨機性與創造性等,就開啟了全球 AI 研究浪潮,至今將近 70 年的過程間,共迎來三波發展高峰。

第一波技術爆發期確立了自然語言與機器語言的轉換機制,科學家將任務文字化、建立推理規則,再換成機器語言讓機器執行,然而受到演算法及硬體資源限制,使得 AI 只能解決小問題,也因此進入了第一次發展寒冬。

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圖二、1957-1970 年迎來 AI 第一次爆發

之後隨著專家系統的興起,讓 AI 突破技術瓶頸,進入第二次發展高峰期。專家系統是由邏輯推理系統、資料庫、操作介面三者共載而成,由於部份應用領域的邏輯推理方式是相似的,因此只要搭載不同資料庫,就能解決各種問題,克服過去規則設定無窮盡的挑戰。此外,機器學習、類神經網路等技術也在同一時期誕生,雖然是 AI 技術上的一大創新突破,但最終同樣受到硬體限制、技術成熟度等因素影響,導致 AI 再次進入發展寒冬。

走出第二次寒冬的關鍵在於,IBM 超級電腦深藍(Deep Blue)戰勝了西洋棋世界冠軍 Garry Kasparov,加上美國學者 Geoffrey Hinton 推出了新的類神經網路算法,並使用 GPU 進行模型訓練,不只奠定了 NVIDIA 在 AI 中的地位, 自此之後的 AI 研究也大多聚焦在類神經網路上,不斷的追求創新和突破。

圖三、1980 年專家系統的興起,進入第二次高峰

從現在看未來:AI 不僅是工具,也是創作者

隨著時間軸繼續向前推進,如今的 AI 技術不僅深植於類神經網路應用中,更在藝術、創意和日常生活中發揮重要作用,而「2024 未來媒體藝術節」第二章「創造力的轉變」及第三章「創作者的洞見」,便邀請各國藝術家展出運用 AI 與科技的作品。

圖四、2010 年發展至今,高性能電腦與大數據助力讓 AI 技術應用更強

例如,超現代映畫展出的作品《無限共作 3.0》,乃是由來自創意科技、建築師、動畫與互動媒體等不同領域的藝術家,運用 AI 和新科技共同創作的作品。「人們來到此展區,就像走進一間新科技的實驗室,」吳達坤形容,觀眾在此不僅是被動的觀察者,更是主動的參與者,可以親身感受創作方式的轉移,以及 AI 如何幫助藝術家創作。

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圖五、「2024 未來媒體藝術節——奇異點」展出現場,圖為超現代映畫的作品《無限共作3.0》。圖/C-LAB 提供

而第四章「未完的篇章」則邀請觀眾一起思考未來與 AI 共生的方式。臺灣新媒體創作團隊貳進 2ENTER 展出的作品《虛擬尋根-臺灣》,將 AI 人物化,採用與 AI 對話記錄的方法,探討網路發展的歷史和哲學,並專注於臺灣和全球兩個場景。又如國際非營利創作組織戰略技術展出的作品《無時無刻,無所不在》,則是一套協助青少年數位排毒、數位識毒的方法論,使其更清楚在面對網路資訊時,該如何識別何者為真何者為假,更自信地穿梭在數位世界裡。

透過歷史解析引起共鳴

在「2024 未來媒體藝術節」規劃的 4 大章節裡,第一章回顧 AI 發展史的內容設計,可說是臺灣近年來科技或 AI 相關展覽的一大創舉。

過去,這些展覽多半以藝術家的創作為展出重點,很少看到結合 AI 發展歷程、大眾文明演變及流行文化三大領域的展出內容,但李佳霖和蔡侑霖從大量資料中篩選出重點內容並儘可能完整呈現,讓「2024 未來媒體藝術節」觀眾可以清楚 AI 技術於不同階段的演進變化,及各發展階段背後的全球政治經濟與文化狀態,才能在接下來欣賞展區其他藝術創作時有更多共鳴。

圖六、「2024 未來媒體藝術節——奇異點」分成四個章節探究 AI 人工智慧時代的演變與社會議題,圖為第一章「流動的錨點」由自牧文化整理 AI 發展歷程的年表。圖/C-LAB 提供

「畢竟展區空間有限,而科技發展史的資訊量又很龐大,在評估哪些事件適合放入展區時,我們常常在心中上演拉鋸戰,」李佳霖笑著分享進行史料研究時的心路歷程。除了從技術的重要性及代表性去評估應該呈現哪些事件,還要兼顧詞條不能太長、資料量不能太多、確保內容正確性及讓觀眾有感等原則,「不過,歷史事件與展覽主題的關聯性,還是最主要的決定因素,」蔡侑霖補充指出。

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舉例來說,Google 旗下人工智慧實驗室(DeepMind)開發出的 AI 軟體「AlphaFold」,可以準確預測蛋白質的 3D 立體結構,解決科學家長達 50 年都無法突破的難題,雖然是製藥或疾病學領域相當大的技術突破,但因為與本次展覽主題的關聯性較低,故最終沒有列入此次展出內容中。

除了內容篩選外,在呈現方式上,2位研究者也儘量使用淺顯易懂的方式來呈現某些較為深奧難懂的技術內容,蔡侑霖舉例說明,像某些比較艱深的 AI 概念,便改以視覺化的方式來呈現,為此上網搜尋很多與 AI 相關的影片或圖解內容,從中找尋靈感,最後製作成簡單易懂的動畫,希望幫助觀眾輕鬆快速的理解新科技。

吳達坤最後指出,「2024 未來媒體藝術節」除了展出藝術創作,也跟上國際展會發展趨勢,於展覽期間規劃共 10 幾場不同形式的活動,包括藝術家座談、講座、工作坊及專家導覽,例如:由策展人與專家進行現場導覽、邀請臺灣 AI 實驗室創辦人杜奕瑾以「人工智慧與未來藝術」為題舉辦講座,希望透過帶狀活動創造更多話題,也讓展覽效益不斷發酵,讓更多觀眾都能前來體驗由 AI 驅動的未來創新世界,展望 AI 在藝術與生活中的無限潛力。

展覽資訊:「未來媒體藝術節——奇異點」2024 Future Media FEST-Singularity 
展期 ▎2024.10.04 ( Fri. ) – 12.15 ( Sun. ) 週二至週日12:00-19:00,週一休館
地點 ▎臺灣當代文化實驗場圖書館展演空間、北草坪、聯合餐廳展演空間、通信分隊展演空間
指導單位 ▎文化部
主辦單位 ▎臺灣當代文化實驗場

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如果整個地球由質子構成,月球由電子構成,那會怎樣?——《如果這樣,會怎樣?2》
天下文化_96
・2023/04/26 ・2141字 ・閱讀時間約 4 分鐘

如果整個地球都由質子構成,而整個月球都由電子構成,那會怎樣?
——諾亞.威廉斯(Noah Williams)

質子地球,電子月球

這可能是我寫過最具破壞性的假設情境。

你可能會想像電子月球繞著質子地球運行,有點像是巨大的氫原子。某方面來說,這還有點道理;畢竟,電子繞著質子運行,而衛星繞著行星運行。事實上,原子的行星模型曾流行一時(不過,拿來解釋原子竟然不太管用)。

如果你把兩個電子放在一起,它們會想要分開。電子帶負電,而來自電荷的排斥力比將它們拉在一起的重力強了大約 20 個數量級。

如果你把 1052 個電子放在一起(構成月球),它們會劇烈的互相排斥,以致每個電子會被大到不可思議的能量推開。

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事實證明,對諾亞假設的「質子地球和電子月球」情境來說,行星模型更是大錯特錯。月球不會繞著地球運行,因為它們根本沒有機會影響彼此;使兩者各自分別炸開的力量,會遠大於兩者之間的任何吸引力。

如果暫時忽略廣義相對論(等一下會回來談),我們可以算出,來自這些電子相互排斥的能量,足以使它們向外加速到接近光速。將粒子加速到那樣的速率並不少見;桌上型粒子加速器(例如映像管螢幕)可以將電子加速到光速的相當比例。

但是,諾亞月球的電子所攜帶的能量,會遠遠大於普通加速器中的電子所攜帶的能量。它們的能量會超過普朗克能量的數量級,普朗克能量本身則是比最大的加速器中,所能達到的能量又大了很多數量級。換句話說,諾亞的問題遠遠超出普通物理學的程度,帶我們進入到量子重力與弦理論之類的高等理論領域。

所以我聯繫了尼爾斯.波耳研究所(Niels Bohr Institute)的弦理論科學家基勒博士(Dr. Cindy Keeler),請教她關於諾亞的假設情境。

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基勒博士同意,我們不應該信賴任何涉及「在每個電子中放這麼多能量」的計算,因為這遠遠超出加速器測試的能力範圍。「我不相信粒子能量超過普朗克尺度的任何事情,」她說。「我們實際觀測到的最大能量存在於宇宙射線中;我認為比大型強子對撞機大了差不多 106,但還是離普朗克能量很遠。身為弦理論科學家,我很想說會發生什麼關於弦理論的事情——但說老實話,我們也不知道。」

幸好,故事還沒結束。還記得我們先前決定忽略廣義相對論嗎?嗯,這是「帶入廣義相對論反而使問題更容易解決」的罕見情況之一。

在這種情境下,存在巨大的位能——使所有這些電子遠離彼此的能量。這樣的能量會扭曲空間和時間,和質量一樣。結果證明,電子月球中的能量大約等於整個可見宇宙的質量與能量總和。

相當於整個宇宙的質能集中在(相對較小的)月球的空間裡,會使時空強烈扭曲,甚至會比那 1052 個電子的排斥力還要強。

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基勒博士斷言:「沒錯,黑洞。」但這可不是普通的黑洞,而是帶有大量電荷的黑洞。為此,你需要一組不同的方程式——不是標準的史瓦西(Schwarzschild)方程式,而是萊斯納—諾德斯特洛姆(Reissner-Nordström)方程式。

萊斯納—諾德斯特洛姆方程式比較了向外的電荷作用力和向內的重力之間的平衡。如果來自電荷的向外推力夠大,黑洞周圍的事件視界可能會完全消失。那樣會留下密度無限大的物體,光可以從中逸出——這就是所謂的裸奇點(naked singularity)。

一旦有了裸奇點,物理學就會開始分崩離析。

量子力學和廣義相對論給出荒謬的答案,甚至是不同的荒謬答案。有人認為,物理定律根本不容許出現這種情況。正如基勒博士所言,「沒有人喜歡裸奇點。」

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以電子月球的例子來說,來自所有這些電子互相排斥的能量會非常大,以致重力會獲勝,而奇點會形成正常的黑洞。至少,某方面來說是「正常的」;它會是和可觀測宇宙一樣大的黑洞。這個黑洞會導致宇宙塌縮嗎?很難說。答案取決於暗能量是怎麼回事,沒有人知道暗能量是怎麼回事。

但就目前而言,至少附近的星系是安全的。由於黑洞的重力影響只能以光速向外擴展,因此我們周圍的大部分宇宙仍會天下太平,對我們荒謬的電子實驗毫不知情。

——本文摘自《如果這樣,會怎樣?2:千奇百怪的問題 嚴肅精確的回答》,2023 年 3 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

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天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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弗里曼‧戴森──自由隨性的異類科學家
科學大抖宅_96
・2020/05/18 ・6601字 ・閱讀時間約 13 分鐘 ・SR值 563 ・九年級

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2020 年 2 月 28 日,弗里曼‧約翰‧戴森(Freeman John Dyson)去世,享耆壽 96 歲,國際各大媒體紛紛撰文哀悼。

他是只有學士學位的普林斯頓高等研究院榮譽教授,一生獲獎無數;其最知名的科學成就是促成量子電動力學的完備。除此之外,戴森還涉足諸多不同領域,包括數論、生命科學、固態物理、天文物理等等;不少家喻戶曉的學者,例如科學頑童費曼[1]和氫彈之父泰勒[2],都曾與其並肩。

他撰寫科普書表達對人類未來、乃至移民宇宙的看法,對流行文化影響深遠,許多科幻作品都曾借用他的構想。戴森是原子科學家公報 (Bulletin of the Atomic Scientists)的理事會成員,協同管理末日時鐘[3](Doomsday Clock),而今年一月的調整,是有史以來最接近世界末日的一次──僅差距 100 秒。

戴森曾研發核彈,卻又提倡禁止核子試爆;他親眼見證科學如何讓人類擁有摧毀自己的能力,但也相信科學具有讓人類免於滅亡的潛力。豐富的生命經驗、對社會議題的關注,與天馬行空的想像力,都讓他不再只是單純的科學家,而是現代公共知識份子的象徵。

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戴森於 2005 年所攝相片(圖片來源

數學家的養成

弗里曼‧約翰‧戴森出生於 1923 年 12 月 15 日的英格蘭,自年幼就展現出卓越的數學天賦:五歲便嘗試計算太陽有多少原子、少年時期的休閒讀物是微分方程式教科書。1941 年,時值第二次世界大戰,戴森進入了著名的劍橋大學三一學院。

他回憶:「所有的應用數學家都去打仗了,基本上沒什麼物理好做。但是一些非常知名的純數學家還在──像是哈代[4]、李特伍德[5]──我可以獨占他們。作為學生,和這些鼎鼎大名的數學家為伍,是很美好的時光。」在數學大師的薰陶下,戴森養成了數學家的能力,這對他日後在物理上的成就有許多幫助。

之後,戴森參加了戰事,擔任英國皇家空軍分析師,並於戰後回到劍橋取得學士學位。1947 年,他前往美國康乃爾大學進行短期參訪,師從貝特[6]。貝特是極為優秀的物理學家,也具識人慧眼;沒幾年前,他才向康乃爾大學推薦自己在曼哈頓計畫的工作伙伴──才華洋溢的費曼擔任教職。

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費曼於 1965 年左右的照片(圖片來源

二戰後物理學的重要焦點:量子電動力學

第二次世界大戰才剛結束,物理研究百花齊放,實驗與想法不斷推陳出新。當時物理學界聚焦的問題之一,是如何發展量子電動力學──光與帶電粒子交互作用的理論,針對電子行為做出正確計算。

哈佛大學教授許溫格[7]率先拔得頭籌,提出新的計算架構,得出與實驗吻合的結果,轟動學界。同時,費曼也用他獨家(簡單但不被欣賞)的費曼圖方法,獲得跟許溫格幾乎一樣的答案。許溫格和費曼,兩者的方法截然不同,卻總能得到相同的結論──這究竟是怎麼一回事呢?在當時沒有人能夠明白。

粒子物理標準模型下,基本交互作用的費曼圖表示。圖/wiki commons

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另一方面,早在 1943 年,戰火肆虐的東方國度日本,東京文理科大學[8]教授朝永振一郎[9],便不為人知地獨立進行同樣的研究,並比許溫格更早踏出正確的一步,奠定新量子電動力學理論的根基;奈何時局動盪,他的成果到戰爭結束後才為西方所知──分屬不同陣營的兩方,終於可以安心進行學術交流與合作了。考量戰爭期間的時空環境,朝永的工作彷彿寒冬裡綻放的花朵,格外珍貴。

朝永振一郎(圖片來源

戴森的挑戰:解釋殊途同歸的正統方法與新把戲

與費曼同在康乃爾大學的戴森,是少數同時對許溫格和費曼理論有相當程度理解的人;他自述:「我用正統方法替貝特做的運算,花掉我幾個月的時間,寫了幾百頁的紙;費曼卻可以在黑板上,花半個小時而得到完全相同的答案……我暗自下定決心,做完貝特交代的工作後,接著就要來了解費曼的祕笈,並且用其他人都能懂的語言,將他的思想闡揚出來。」

1948 年暑假,戴森和費曼花上四天,從紐約州開車到新墨西哥州的阿布奎基,一路聊戰爭、聊核武、聊科學、批評彼此對科學的想法,真理卻愈辯愈明。在與費曼分別後,戴森參加了密西根大學的暑期學校,並抓緊機會與擔任課程講者的許溫格交流。每天下午,他都躲在屋簷下,仔細查驗許溫格演講的每一個步驟,再默想私下交流中,許溫格說的每一句話。到五個星期的暑期學校結束時,戴森已用許溫格的方法算過無數題目,寫滿上百頁計算。這時候的戴森還不知道,這個暑假即將成為他個人生命中,非常獨特的一段時期,大大影響了他的命運。

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許溫格,攝於1965年(圖片來源

兩邊兜在一起,完備量子電動力學

1948 年 9 月,戴森結束度假,搭上灰狗巴士返回美國東部。已經好一陣子沒想過物理的戴森,腦中卻突然浮現費曼的圖像和許溫格的方程式,「自行在我腦裡前後對正、左右標齊,而且從來沒有那麼清晰過。我生平第一次,可以將這兩個論點兜在一起。」他說。

過沒多久,戴森的論文發表了,名為〈朝永、許溫格和費曼的輻射理論〉[10]。原來,許溫格所用的複雜數學方法,和費曼所發明的費曼圖方法,存在一一對應的關係──兩者描述的是同一件事,只不過一方著重全面、精確的數學語言,另一方則給予我們更直觀的物理圖像;而戴森的論文,清楚闡述了二者之間的連結。朝永、許溫格和費曼,將量子電動力學帶入嶄新的階段,也因其貢獻,共同獲得 1965 年的諾貝爾物理學獎,戴森則對三人的獲獎扮演了關鍵角色。

在量子電動力學發展的關鍵時刻,戴森剛好站上一個特別的位置:既能和費曼長時間相處、討論其物理觀點,也有機會密集向許溫格求教,再加上戴森於劍橋養成的數學能力──這些因素的總和,讓戴森成為量子電動力學的獨特橋梁,連結起不同架構與敘事觀點,成就了量子電動力學的完備。

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朝永、許溫格和費曼三人分攤1965年諾貝爾物理學獎(圖片來源

沒有博士學位的大學教授

1951 年,儘管戴森只有大學學歷,以及幾年的研究生經驗,仍然被康乃爾大學聘為教授職,成為恩師貝特的同事──這也正好符合戴森一貫的信念:「我很自豪沒有博士學位。我認為博士學位系統很令人厭惡……它強迫一點都不適合做研究的人們,浪費多年的生命,某種程度上假裝自己在從事研究工作。最終,他們得到一張紙,載明他們合格了,但那並不代表任何事情。攻讀博士要花上太多時間,也阻擋了女性成為科學家──我認為這是莫大的悲劇。」

儘管原子彈才剛在六年前轟炸日本的廣島和長崎,造成絕大死傷,戰爭的殘酷卻並沒有停下部分科學家的腳步;當時,威力更強大的氫彈試爆和研發工作正如火如荼進行,貝特也參與其中,不但長時間不在康乃爾大學,也無心進行物理基礎研究。

另一方面,戴森之前還是個菜鳥、到普林斯頓高等研究院進行短期訪問的時候,曾利用專題研討會的時間,多次主講量子電動力學,向當時的院長歐本海默[11]推銷費曼和許溫格的成就,並成功說服了打從心底不接受的歐本海默,讓歐本海默刮目相看──這幫助戴森得到普林斯頓高等研究院的終身職工作。高等研究院的工作自是相當誘人,再考慮到貝特的狀況,戴森最終下定決心,於 1953 年離開康乃爾大學,前往普林斯頓高等研究院任職。這一待,就是六十多年,直到他生命的最後。

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普林斯頓高等研究院(圖片來源

小型核子反應爐的研發

1955 年,聯合國在瑞士日內瓦召開第一屆國際原子能和平用途會議,共有 73 個國家出席;從事核反應爐研究的各國科學家齊聚一堂,交流工作心得,一堆機密文件也都公開展示。會議的進行,標誌了國際合作時代的來臨。一時之間,核能成為造福全人類的尖端科技,發展前景可期。

就在這樣的氛圍下,隔年,應通用動力公司的邀請,戴森和氫彈之父泰勒一起主導了核反應爐的研發;他們專注於安全性,致力打造就連高中生都能操作的小型核反應爐──並且成功了。這部被命名為 TRIGA 的核反應爐是最成功的核反應爐之一,根據設計絕不可能發生爐心熔毀等重大核災事故。至今,TRIGA 反應爐仍作為教育、研究和醫療用途,在世界各地使用中。

儘管曾參與核反應爐的研發,也支持和平使用原子能,戴森對核能發電工業卻有諸多批評。他認為,既有的核能技術並不夠好,隨著石化能源用罄,人類將需要更便宜、更安全的核能反應爐,但是新核反應爐的研究卻越來越少,沒有嘗試就不會有進步。

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「冒險家、實驗家、發明家一個個被逐出大企業,而讓會計師、經理人獨擅勝場。」、「核能發展出了岔錯。」他說。

在戴森眼中,核能工業之所以陷入窘境,完全不如 1950 年代的蓬勃,一方面是因為「許多舊有的勢力都涉嫌重大,他們共謀讓核能發展變得麻煩而昂貴,遠超過我們先前的預估。」更重要的,則是因為人們不再有耐心去做試驗,也沒有預算去容納這項高風險的投資了──他在車諾比核災之前就做出了上述評論;現在的狀況,比起戴森那時候,是更好,還是更壞呢?

TRIGA 反應爐核心(圖片來源

殘念的獵戶座計畫,與不容忽視的核子試爆威脅

從 1958 到 59 年,戴森參與民間發起的獵戶座計畫(Project Orion),打算利用原子彈作為太空船的推進動力;他們喊出口號:「1970 土星見!」預計 1970 年就載人上土星的衛星。然而,世界局勢快速轉變,關於核彈試爆存續的討論不絕於耳,戴森出於對獵戶座計畫的熱情,不僅投書表達支持試爆,也嘗試設計新型核彈,希望大幅減少獵戶座計畫產生的放射性落塵,以延長計畫壽命。當時的戴森,一心只想探索浩瀚的宇宙,對於核彈設計抱持純然和平的動機。

只不過,當他的同事發明中子彈之後,自覺負有部分責任的戴森,無法再對核彈的和平用途充滿信心了──戰爭與和平,無法簡單一刀兩斷,不可能有純粹和平使用的核彈。

隨著時間推移,美、蘇兩國的核子試爆越演越烈,在全球累積的輻射塵也到了不能忽視的地步;於「軍備控制與裁軍署」(Arms Control and Disarmament Agency)兼差的戴森十分驚訝地在統計數據上發現,核子試爆總數每年呈指數增加,按照這個趨勢繼續下去,只怕會走上人類的不歸路。頭一次,他打從心底認為:核子試爆,非禁不可!

1963年,身為軍備控制與裁軍署專家的戴森,不但是甘迺迪總統簽訂《部分禁止核試驗條約》(Partial Test Ban Treaty,PTBT)的顧問,也以美國科學家聯合會代表的身份,在參議院聽證會上幫該條約背書護航。最後,《部分禁止核試驗條約》於同年 10 月 10 日生效,由美國、蘇聯、英國共同簽署,明訂禁止在大氣層、太空和水下進行核武器試驗──儘管那並無法阻止冷戰時期美、蘇兩國的軍備競賽,但也是很大的進步。

戴森一度對原子能充滿期待,深信它將帶給人類更光明的未來;但隨著世界局勢的轉變,原子能的發展完全不如想像那般美好,他也不再純然相信原子能的和平使用,甚至給自己曾熱切參與的獵戶座計畫簽下死亡證書。

《部分禁止核試驗條約》簽署後,大氣中的放射性同位素碳14濃度明顯下降。藍色線條為碳14的自然背景平均濃度。(圖片來源

涉獵眾多領域,對社會的莫大影響力

戴森興趣廣泛、涉獵過眾多不同領域;他就像充滿好奇心的小孩,找尋自己能夠解決的有趣問題,不介意它們重要與否。戴森寫過許多科普書,探討科學、技術、宗教與哲學問題,也提出過許多完全符合科學原理的天外奇想。他想像在小行星或彗星上種植基改樹木(人稱「戴森樹」,Dyson Tree),創造完整的生態系,以作為人類未來的居所。他也將既有科幻小說[12]中的情節發揚光大:發達的智慧文明可以建造環繞於恆星周圍、適居的人造生物圈(artificial biosphere),充分利用恆星的能源。

儘管跟戴森本來的想像略有不同,之後的科幻小說家開始幻想,將整個恆星完整包覆、吸取所有能源的巨型結構──稱為「戴森球」(Dyson Sphere)。雖然戴森本人並不喜歡這個名字,但戴森球已廣泛出現在許多科幻作品中,包括知名影集《銀河飛龍》(Star Trek: The Next Generation)。

《銀河飛龍》影集裡,企業號繞行戴森球的畫面(圖片來源

作為受人敬重的科學家,和對流行文化有莫大影響的意見領袖,戴森在氣候變遷議題卻是出了名的懷疑論者。他認為現有氣候模型過於簡略、無法描述真實世界;全球暖化帶來的效應也不見得全然負面,其嚴重性被政治性地過分誇大──但這並不表示他忽視氣候科學家提出的證據。對戴森來說,跳脫既有框架、保持懷疑的態度是重要的,只要現有證據無法百分之百說服他,他會毫不猶豫地站出來挑戰(儘管戴森的說法後來也遭到其他科學家的反駁)。

知名諾貝爾物理學獎得主溫伯格[13]這麼形容戴森:「當共識如同湖面結冰那般逐漸成形,戴森就會盡力去敲碎那冰塊。」不管是在科學、還是社會議題上,戴森向來強調多元的重要性──這使他往往刻意站在大眾的對立面。

率直的思想家

戴森一生絕大部分時間都在普林斯頓高等研究院度過;即使退休,他仍擁有自己的辦公室,並常漫步於院區──直到生命結尾。

戴森不追求發表自己的獨創性科學理論,滿足於和其他人共同工作、討論他們的構想。他穩重、內斂、聰明,並且謙遜,因此得到許多同僚的敬重。他對科學的可能性懷抱著無比信心,積極思考人類的長遠未來;他深知戰爭的殘酷,核武帶來的議題遠比製造核武的科學來得更複雜,核武的研究也不可能和戰爭撇清關係。

戴森去世當天,於普林斯頓高等研究院發布的新聞稿裡,院長戴克赫拉夫(Robbert Dijkgraaf)這麼形容戴森:

近代粒子物理的建築師、無拘無束的數學家、太空旅行、天體生物學和裁減軍備的倡導者、未來學家、永遠的研究生、(包括他自己的)先入為主觀點的反對者、富有思想的評論家、全時對世間事保持睿智的觀察者。他的秘密就是直率地接受生命中的所有事,直到最後一刻。

他豐富的生命經驗、廣泛的涉獵領域、不隨波逐流的堅持,都讓他成為世人眼中的戴森──自由又隨性的異類科學家。

2007年戴森在他普林斯頓的辦公室(圖片來源

註釋

  • [1] 理察‧菲利普斯‧費曼(Richard Philips Feynman,1918 年 5 月 11 日-1988 年 2 月 15 日),美國理論物理學家,因對量子電動力學的貢獻,於 1965 年獲得諾貝爾物理學獎。
  • [2] 愛德華‧泰勒(Edward Teller,1908 年 1 月 15 日-2003 年 9 月 9 日),匈牙利猶太裔美國理論物理學家,以研發氫彈聞名。
  • [3] 由芝加哥大學的《原子科學家公報》雜誌於 1947 年設立,每年一月進行評估,標示出世界距離毀滅有多近;午夜零時象徵世界末日來臨。
  • [4] 戈弗雷‧哈羅德‧哈代(Godfrey Harold Hardy,1877 年 2 月 7 日-1947 年 12 月 1 日),英國數學家,二十世紀英國分析學派的代表人物。
  • [5] 約翰‧恩瑟‧李特伍德(John Edensor Littlewood,1885 年 6 月 9 日-1977 年 9 月 6 日),英國數學家,長期和哈代合作。
  • [6] 漢斯‧阿爾布雷希特‧貝特(Hans Albrecht Bethe,1906 年 7 月 2 日-2005 年 3 月 6 日),德國和美國猶太裔核物理學家,1967年諾貝爾物理學獎得主。
  • [7] 朱利安‧西摩‧許溫格(Julian Seymour Schwinger,1918 年 2 月 18 日-1994 年 7 月 16 日),猶太裔美國理論物理學家,因對量子電動力學的貢獻,於 1965 年獲得諾貝爾物理學獎。
  • [8] 現在的筑波大學。
  • [9] 朝永振一郎(Shinichiro Tomonaga,亦做Sin-Itiro Tomonaga,1906 年 3 月 31 日-1979 年 7 月 8 日),日本物理學家,因對量子電動力學的貢獻,於1965年獲得諾貝爾物理學獎。
  • [10] 原名“The Radiation Theories of Tomonaga, Schwinger, and Feynman”,發表於《物理評論》(Physical Review)。
  • [11] 朱利葉斯‧羅伯特‧歐本海默(Julius Robert Oppenheimer,1904 年 4 月 22 日-1967 年 2 月 18 日),美國理論物理學家,人稱「原子彈之父」。
  • [12] 出自史泰普頓(Olaf Stapledon)於 1937 年出版的《造星者》(Star Maker)。
  • [13] 史蒂芬‧溫伯格(Steven Weinberg,1933 年 5 月 3 日-),美國物理學家,1979 年諾貝爾物理學獎得主。

參考資料

  1. The Economist (2020/03/14), “Freeman Dyson died on February 28th”, The Economist.
  2. Andrea Stone (2020/02/28), “Freeman Dyson, legendary theoretical physicist, dies at 96”, National Geographic.
  3. Freeman J. Dyson, “The radiation theories of Tomonaga, Schwinger, and Feynman”, Physical Review. 75 (3): 486 (1949).
  4. +plus magazine (2013/07/22), “Operas, revolutions and nature’s tricks: a conversation with Freeman Dyson”.
  5. Dwight E Neuenschwander (2016), “Dear Professor Dyson: Twenty Years Of Correspondence Between Freeman Dyson And Undergraduate Students On Science, Technology, Society And Life”, Wspc.
  6. 高崇文(2018/02/11),〈孤高的物理學家:許文格(二)邁向巔峰〉,物理雙月刊。
  7. Steve Connor (2011/02/25), “Letters to a heretic: An email conversation with climate change sceptic Professor Freeman Dyson”, Independent.
  8. Thomas Lin (2014/03/26), “A ‘Rebel’ Without a Ph.D.”, Quanta magazine.
  9. Robbert Dijkgraaf (2020/04/13), “Remembering the Unstoppable Freeman Dyson”, Quanta Magazine.
  10. 戴森(2016),《宇宙波瀾:科技與人類前途的自省》,邱顯正譯,天下文化。
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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/