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基礎物質的下一個層級?-《世界是這樣運作的》

PanSci_96
・2015/07/08 ・1639字 ・閱讀時間約 3 分鐘

哈伊姆.哈拉里Haim Harari理論物理學家;魏茨曼科學研究院前院長,著有《風暴眼的觀點》(A View from the Eye of the Storm

科學的想法可能是優雅的,也可能是正確的。如果一定要選,要選正確的。但兩者兼具總是比較好。

喜歡的人眼裡才會出「優雅」。「正確」則是由科學、大自然的終極判斷決定,藉著實驗結果說出。不同於標準的電視選秀比賽,「優雅」和「正確」都不可以透過公眾或一群嘻笑怒罵的裁判投票決定。但一個想法是否優雅,往往取決被問的問題。

所有物質由六種夸克和六種輕子組成,它們有著看似隨機而無法解釋的質量,大小跨越十個量級。沒人知道為什麼,在這十二種基本粒子裡,同樣的模式重複了三次。在某些情況下,其中一些粒子也可以彼此相互轉換,由無法解釋的速率「混合角」(mixingangles)來決定。這些速率和質量的二十個值和質量好像是某人隨意(自然或上帝)選中,粒子物理學標準模型是這麼告訴我們的。這優雅嗎?似乎並非如此。

但無論山和蛇、海洋和垃圾、人和電腦、漢堡和星星、鑽石和大象,以及宇宙中其他事物都由十幾種基本粒子構成的事實,確實令人震驚。這也正是同一個標準模型所說的。優雅嗎?絕對如此。我很希望大自然其實再優雅些。這十二個基本夸克和輕子以及它們的反粒子其電荷皆為 0、±1⁄3、±2⁄3 或 ±1。每個值正好重複三次。

有許多問題沒有滿意的解釋:為什麼基本粒子的電荷是電子電荷1⁄3 的倍數?為什麼 0 和 1 之間的每個值出現在列表上的次數是一樣的?為什麼它們從未超過三個量?為什麼同樣的模式重複三次?為什麼輕子總是整數電荷,而夸克卻是非整數?為什麼夸克電荷和輕子電荷相互之間的關聯是簡單比例?

事實上,蚊子、椅子和番茄汁全都是電中性,由於質子和電子難以解釋的電荷大小相等,導致原子是中性的。其原因在於夸克的電荷對輕子的電荷是精確簡單的比例。但為什麼電子不具有質子電荷的……好比說,0.8342 倍呢?為什麼兩者具有完全相同的電荷值?

如果所有夸克和輕子(因此宇宙的所有物質)只包含兩種基本組成,一種具有電子電荷的 1⁄3,另一種不帶電荷,這難題的優雅解釋就出現了。那麼這三個基本組成的所有組合,也許就能創造已知夸克和輕子的所有模式,並簡潔回答上述問題。我們可 能還是無法解釋夸克和輕子質量和轉換速率的古怪清單,但可以降級討論結合這兩個更基本基礎物質成為複合物的力學層次,而不只是天賜或上帝恩賜的二十多種自由基礎參數表。

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Source from flickr

優雅的解釋?當然可以。是否正確?據我們現在所知,不一定。但你永遠無法證明那些粒子不是由更基本的組成構成。未來可能在不牴觸任何現有資料的情形下發現這些基本組成,尤其如果新結構只在比我們目前所知更小距離和更高能量下顯現,或遵守一套全新而奇怪的基礎物理規則。不用說,這樣的簡單假設需要解決許多額外的問題,某些可能可以很漂亮被處理,其他問題則可能嚴重失敗。這就是多數粒子物理學家對這個簡單的解釋一般而言持否定態度的部分正當理由。

我覺得僅從兩種基本組成(我稱之為Rishons,或原生)創造整個宇宙的想法,是符合許多觀測事實的優雅誘人解釋。聖經創世紀中的宇宙開始於「無形虛空」或者希伯來原文「Tobu Vavohu」。沒有什麼比T(Tobu,「無形」)和V(Vohu,「虛空」)還要更適合代表兩種基本組成,每種夸克和輕子將包含三個Rishons 的不同組合,如TTV 或TTT。這可能是個永遠優雅但不正確的想法,也可能有一天會顯示這可能就是繼原子、原子核、質子和夸克之後,物質結構的下一層。

問問大自然吧。「優雅」和「正確」她都了解,只是還沒有說出來。

11667239_1192021237481355_761864226_n本文摘自《世界是這樣運作的:150位引領時代思潮的一流科學家與思想家,革新你對這世界的看法》,由夏日出版社出版。

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恐龍稱霸地球的秘訣,竟是牙齒自帶避震器?——《追光之旅:你所不知道的同步輻射》

天下文化_96
・2021/09/12 ・1747字 ・閱讀時間約 3 分鐘

《侏羅紀公園》系列電影掀起大家對恐龍的好奇,但其實科學家早就在研究遠古時代的各種生物。以恐龍為例,平均每星期會發現一種新種恐龍,每年大約會發現五十種新種恐龍。而在探討物種起源及鑑定遠古生物領域,同步輻射分析技術也展現了它的獨特價值。

例如,南非威特沃特斯蘭德大學(University of the Witwatersrand)領導的國際科學家團隊,針對一些世界上最古老的恐龍蛋胚胎頭骨,進行 3D 複製重建,發現牠們的頭骨生長順序與當今的鱷魚、雞、烏龜和蜥蜴相同,研究成果發表在《科學報導》(Scientific Reports)上。

美國自然歷史博物館收藏的恐龍蛋化石,內部留有胚胎構造。圖/WIKIPEDIA

在台灣,由加拿大多倫多大學教授賴茲(Robert Reisz)與台灣學者組成國際團隊,花費兩年時間,運用超高解析二維紅外光譜顯微術,在活躍於一億九千五百萬年前的雲南祿豐龍胚胎股骨化石中,發現殘留有機物,找到古化石內保存複雜有機物的最古老紀錄。這個破天荒的發現在 2013 年登上了《自然》(Nature)雜誌封面。

此外,在祿豐龍肋骨化石的微血管通道中,國輻中心研究員李耀昌也發現全球最古老且保存完整的膠原蛋白與赤鐵礦微粒聚晶。

「即使經過億萬年時空轉換,恐龍的軟組織經血液中鐵的氧化及碳酸鈣化包覆作用後,還是有機會被保存下來,」李耀昌表示,這將有助科學家進一步了解恐龍的生理機能與遺傳密碼。

李耀昌團隊將成果發表於《自然通訊》(Nature Communications)期刊,並獲選為《發現》(Discover)雜誌「 2017 年全球百大發現」第十二名,是近年來台灣學者主導的研究成果首度登上《發現》雜誌全球百大發現。

英國 Dinosaurland 化石博物館的鐮刀龍巢與蛋化石。圖/WIKIPEDIA

發現牙齒裡的避震器

恐龍胚胎裡有膠原蛋白,恐龍的嘴巴裡則是自帶「避震器」。

國輻中心團隊與台灣博物館、台灣石尚博物館、中國大陸北京自然博物館、加拿大安大略皇家博物館,以及中國大陸地質科學院地質研究所合作,蒐集十五種肉食性與植食性恐龍牙齒,利用同步輻射穿透式 X 光顯微術與現代的眼鏡凱門鱷牙齒進行研究比對,首度發現肉食恐龍牙齒具有避震結構。

在肉食性恐龍牙齒的琺瑯質與象牙質中間,存在一層相對柔軟且布滿微細孔洞的被覆牙本質層,可以保護牙齒,避免因撕裂骨肉造成牙齒瞬間斷裂。這項研究結果修正了過去對於原始爬蟲類牙齒結構的認知,因此登上國際知名期刊《科學報導》(Scientific Reports)與各大媒體。為了蒐集恐龍牙齒進行研究比對,國輻中心研究員王俊杰透露了一段小故事。

「當時我到桃園興仁花園夜市拜訪鱷魚攤,沒想到使用斜口鉗幫鱷魚拔牙時,斜口鉗當場應聲斷裂,只好再買一把硬度更高的老虎鉗,費了好大一番功夫才順利拔下鱷魚牙齒。」

透過同步輻射 X 光顯微鏡發現暴龍牙齒藏有「避震器」,保護牙齒不致斷裂。1:X光下的暴龍牙齒構造。2:暴龍牙齒外觀。 3:無避震結構的牙齒內部應力分布。4:有避震結構的牙齒內部應力分布。圖/王俊杰提供

牙齒的特殊結構,使得肉食恐龍成為頂尖獵食者,稱霸地表一億六千五百萬年。相較於人類咬合力約為 40 公斤、眼鏡凱門鱷咬合力約 1,000 公斤,以及咬合力可達 2,000 公斤、目前世上咬合力最大的動物—— 灣鱷,「暴龍的咬合力約 6,000 公斤,且拖行的獵物體重可能超過 1 公噸,但靠著微小的避震結構設計,便不致因巨大應力而造成牙齒斷裂,」王俊杰說。

遠古生物的活動型態一直是科學家亟欲解開的謎題,透過同步光源高解析度檢測技術,可以幫助我們了解古生物化石組織結構的細微差異,提供了一種嶄新的古生物分類與古生態研究檢測方法,而藉由恐龍胚胎化石中探測到的有機質殘留物,未來將可逐步解開更多遠古生物的奧祕。

——本文摘自《追光之旅:你所不知道的同步輻射》,2021 年 8 月,天下文化

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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