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反物質與狄拉克海——阿宅物理(1)

科學大抖宅_96
・2015/08/24 ・2130字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 557 ・八年級
相關標籤: 狄拉克海 (1)

就在不久前的2015年6月22日,第三使徒薩基爾(Sachiel)襲擊了第三新東京市,製造狄拉克海的第十二使徒亦將出現,人類面臨空前的危機……[1]。等等!看過<新世紀福音戰士>動畫的人,或許在心裡都曾有過這樣的疑惑:「狄拉克海?那是什麼?可以吃嗎?」然而,要解答這個問題,我們得回溯到上個世紀。

第12使徒。source:EVA第16集。
<新世紀福音戰士>裡製造狄拉克海的第12使徒。source:EVA第16集。

二十世紀初,物理學有了莫大的進展。愛因斯坦(Albert Einstein)先後提出了狹義與廣義相對論,革命性地改變了我們對於時間、空間和重力的認知。請各位回想在國、高中學習物理的經驗,你可能見過如下問題:

政客坐在以時速二十公里面對你駛來的車裡,你為了阻擋車子前進而以時速五公里正面飛撲到引擎蓋上(以上劇情純屬虛構,如有雷同實為巧合),那麼政客會覺得你用多少的時速撲上來?

先不論上述物理(或是情節)帶給你的痛苦回憶,愛因斯坦眉頭一皺,發覺這個問題並不單純:當車子與你均以接近光速移動時,答案就不是那麼顯而易見了—-因為除了閃電俠外,任何有質量物體的移動速率都不能等於或快過光速,政客也不該測到你以超光速飛撲而來。簡單來說,狹義相對論就是在處理此類議題——當物體運動極快、接近光速時的物理。

另一方面,從光電效應、氫原子結構等一連串的物理研究埋下根基,到薛丁格(Erwin Schrödinger)發表了著名的波動方程式,量子力學漸趨成熟。在那之前,只要討論到物體的運動(例如中學課本裡那些移動的火車),牛頓的運動定律必定會反覆出現。

然而,那些我們習以為常、但是背得要死的運動公式,在原子的世界裡並不適用。像那麼小的物體,我們必須用另一套方法,也就是薛丁格方程式來描述其行為。在量子力學的世界裡,所有物體(粒子)的能量都有同樣的最小單位量。以日常生活熟悉的卡路里為例,如果我們能夠量測出一卡路里的食物,我們就也可以找出兩卡路里的食物有多少;那麼,要量出1.5卡路里應該也不會是問題。甚至,只要儀器夠靈敏,我們應能測出1.44158卡和1.44159卡中間的1.441585卡。但是,量子力學跳出來說No!我們不能無限地分下去;小到一個地步就不能再分了——能量有不可分割的最小單位。一言以蔽之,量子力學講的是極微小物體的物理。

相對論與量子力學,被稱為近代物理學的兩大支柱,大大拓展了物理的疆界,讓我們從處理日常生活範疇的古典物理,更進一步開始有能力研究移動極快的、或者質量極小的物體。以簡單的示意圖表示,大致如下:

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你可能會忍不住狐疑、總覺得圖裡右上方有些缺憾。恭喜你!這也是接下來的物理學家嘗試解決的問題—-將相對論與量子力學結合。1928年,物理學家狄拉克(Paul Dirac)修改了薛丁格方程式,使其符合狹義相對論,而導出知名的狄拉克方程式。然而,此方程式仍存在著問題。當我們試著解開方程式時,無可避免會得到以下結論:

螢幕截圖 2015-08-24 18.34.29

其中E代表物體(質量極小的粒子)的能量、m為質量、c是光速,p則稱為動量,我們將其定義為螢幕截圖 2015-08-24 18.35.20,裡面的v表示物體的速度。你可以發現,當v是零、物體靜止時,我們會得到耳孰能詳的相對論公式E=mc2 。但問題在,如上式子一定會有一組解為AY0ZF7gJ7d3RBNbVkEdQbRBEPmNzKvFD40l_DQarhMQ,能量是負的!

負能量代表什麼意思呢?我們並不太清楚。就像腹部的肥肉只有增加的份,永遠不可能沒有、甚至比沒有還少一樣!於是,為了解決負肥肉負能量的問題,「狄拉克海」的概念被提出了。狄拉克假設,能量有正有負,就像地表有山有谷一樣,但是所有負能量的狀態都被粒子填滿了;亦即,我們其實生活在一個所有低於海平面的峽谷都被海水填滿的世界,只看得到海平面以上(也就是能量為正)的粒子。

但是,狄拉克海裡偶爾可能會出現泡泡,就像你在游泳時偷放屁那樣,又因為海平面是不變的,一旦少了負能量粒子去填補這個空洞,我們看上去就會以為是多了個正能量粒子(減掉-1會等於加上+1)—-為了方便,我們把這個少了負能量粒子的空洞稱為「反粒子(antiparticle)」。1932年,安德森(Carl Anderson)從宇宙射線的觀測中發現了「反電子(後來被稱為正子 positron)」的存在,狄拉克方程式的可靠性獲得證實。他們也因此分別得到1933與1936年的諾貝爾獎。然而,因為一些細節上的問題,狄拉克海的詮釋後來漸不再被使用,但反粒子、以及反物質(antimatter,由反粒子組成的物質)的存在卻是毋庸置疑了。

話說從頭,那麼在<新世紀福音戰士>裡,為什麼四號機在啟動機關發生意外後,展開的狄拉克海會讓整個「聯合國直屬特務機關NERV第二支部」及23778平方公里的內華達州消失不見呢?欲知詳情,待下回分解。

  •  註:[1] 動畫<新世紀福音戰士(Neon Genesis Evangelion)>的劇情。

參考資料:

  1. David Griffiths (1987) Introduction to Elementary Particles, 1st edition

 

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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/

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烘焙東西軍,有添加麵包 vs. 無添加麵包,今天想吃哪一道?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/09/20 ・2178字 ・閱讀時間約 4 分鐘

本文由 家樂福食物轉型計畫 委託,泛科學企劃執行。

  • 文 / 陳彥諺

《烘焙東西軍》熱映開播啦!這一集真的很「熱」,因為節目邀請到了兩位烘焙達人來到現場熱烘烘的烤!麵!包!

第一位華麗登場的,是有著亮麗小鬍子、動作咻咻咻超有效率的「有添加師傅」,另外一位古意老實、動作慢條斯理的,則是近年來越來越被看重的「無添加師傅」——這是一場「有添加」與「無添加」的世紀大對決!

《烘焙東西軍》這次邀請了「有添加師傅」和「無添加師傅」來烤麵包。圖/家樂福提供

「有添加」與「無添加」的世紀大對決

外表亮麗的有添加師傅,其實早已憑著「三好」稱霸市場多年。所謂的三好,是好快、好吃、好美!為何會這麼說呢?

食品添加物存在於食品中許久,早期因為食物加工技術不夠精良,為了食品安全無虞,便添加可以讓食物安定的添加物,延長保存期限。又因為食品添加物可以改變食品的外觀、口感、縮短製作時程等,因此,長期以來受到業者及消費者的偏愛。

有添加師傅憑著「好快、好吃、好美」稱霸市場多年。圖/家樂福提供

不過,近來由於食安事件頻繁,食品添加物早已偏離了原先讓食物安全的初衷,在追求好吃、好快、好美的背後,卻可能造成身體上的負擔與健康風險!製造過程是否安全合理?乾淨衛生?也是打了許多問號。

再加上現在因健康養生的意識抬頭,消費者們越來越注重吃下肚子的食物成份,開始努力追求簡單無添加。也因為隨著食品加工技術越來越棒,能夠透過改善製程,有效減少添加物的必要性。終於,在消費者意識抬頭、技術成熟等各方條件皆備下,古意老實、耗費工時的無添加師傅,多年以後,開始受到矚目啦!

在這場世紀對決中,有添加師傅在民眾都還來不及反應時,就已經做好了熱騰騰的麵包,每一個麵包都飽滿好看、香氣濃郁,簡直是施了魔法一樣!但見到這麼多食品化工添加物做出來的麵包,難道就不能有更健康的材料選擇或做法嗎?

反觀無添加師傅,他按部就班的從麵粉開始精心挑選,接著再逐一加入可以溯源的材料,接下來,順應麵包的特性自然發酵。即使有添加師傅已經端出熱騰騰的麵包了,無添加師傅仍然不為所動,他循序漸進,寧可耗時製作,堅持做自己的無添加麵包。

無添加師傅之所以堅持,那是因為他秉持著麵包不用任何添加物,不講求快速便利,用純淨的原料配方、遵循傳統法國工法,做出來的麵包也可以照樣香氣四溢、美味好吃,更重要的是每一口都吃的健康又安心!

無添加師傅堅持不用任何添加物,不講求快速便利,用純淨的原料配方、遵循傳統工法。圖/家樂福提供

當兩位師傅的麵包端上評審桌⋯⋯

有添加師傅的麵包外表金黃澎潤漂亮,無添加師傅的則是外表非常質樸。

不過,當評審們吃下麵包後,外表質樸的無添加師傅,竟然擄獲了評審們的心!

怎麼辦到的呢?這是因為花了較多時間製作的無添加麵包,保濕度較佳,口感也較有層次。當評審一口接著一口品嚐,會發現吃的都是食物的鮮甜原味—無添加麵包是名為「裸麵包」的寶藏男孩啊!他不同於外表上看起來質樸敦厚,只要用心切開,裏頭包裹著滿滿新鮮在地的果乾和堅果,是誠心誠意的美味。

烘焙界的寶藏男孩「裸麵包」,是怎麼來的?

堪稱烘焙界的寶藏男孩「裸麵包」,是來自於家樂福自製的烘焙產品。長期關注食物真實性與為顧客把關健康的家樂福,2014 年就開始著手了「無添加驗證計畫」,也在 2019 年取得了「A.A. 無添加驗證標章」,更透過第三方專業機構親赴產線檢驗、不定期抽查等層層審核程序,取得了嚴謹認可。

要打造寶藏男孩般的「裸麵包」,並不是容易的事。許多標榜安心安全的麵包,都只能做到製程及配料上的無添加;而追求極致的家樂福,自製白吐司則從特製 100% 的無添加麵粉開始,掌握源頭,做最純淨、最真實且赤裸的麵包。

這是一款依循歐盟規範,取得 A.A. 無添加標章,第三方驗證後可信賴的麵包。

這是關注在地的暖心麵包,嚴選在地好食材、講求動物福利,選用當季水果、非籠飼雞蛋、透明鮮奶、以安佳奶油取代人造奶油⋯⋯。

這是減塑又減廢,以醜蔬果製作配料,減少食材浪費,更導入環保包材,友善環境的麵包。

烘焙東西軍「有添加師傅」與「無添加師傅」的對決,我們看到了,天公疼憨人,穩扎穩打、工法較繁複的無添加製程,受到消費者的青睞——這一場對決,由純粹、誠實、充滿善意的裸麵包,「無添加師傅」獲勝。

【家樂福食物轉型計畫】烘焙東西軍「有添加麵包」v.s.「無添加麵包」的世紀對決,今天你選哪一邊?影/YouTube
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