0

4
3

文字

分享

0
4
3

正反物質湮滅與陽電子砲—— 阿宅物理(2)

科學大抖宅_96
・2015/09/15 ・2678字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 577 ・九年級

立即填寫問卷,預約【課程開賣早鳥優惠】與送你【問卷專屬折扣碼】!

 

前一回,我們討論了第十二使徒製造的狄拉克海[1]以及反物質——但仍存在一些未解的謎題:為什麼四號機啟動S2機關發生意外後,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呢?

為了解釋這個現象、並滿足內心的阿宅魂,我們得更深入地從反物質的特性開始探索。假設,我們對狄拉克海裡能量為-E的電子施予2E的能量,使它的能量增加到+E,如下圖:

原本空無一物(負能量的狄拉克海我們看不到) → 能量-E的電子得到2E,變成帶能量E,並遺留能量-E的空洞。
原本空無一物(負能量的狄拉克海我們看不到) → 能量-E的電子得到2E,變成帶能量E,並遺留能量-E的空洞。

依上篇文章所述,狄拉克海裡的空洞,在我們看來會是正能量的反粒子——但故事還沒結束!因為電子帶負電,一旦海裡少了電子的負電,我們只會覺得是多出了正電(請記住,減掉-1會等於加上+1)。換言之,只要是帶電的粒子,它的反粒子永遠都是持相反電荷!同時,根據之前的方程式E2-m2c4=p2c2,不管是正能量抑或負能量的解,都是共用同一個m,也就是說,粒子與其反粒子帶有相同質量

現在先總結一下:我們給予了2E的能量,不但得到了一個能量E、帶負電的電子(右圖上方的藍點),還附送能量E且帶正電的反電子(又稱為正子,右圖下方海裡的空洞),天底下有這麼好康的事嗎?

物理學家告訴你,不但有,還一定必須如此:我們付出兩單位能量,也收穫兩單位能量,這個過程遵守能量守恆定律;原本的狄拉克海我們看不到電荷,現在則有了一正一負的電荷,總電荷保持不變,遵守了電荷守恆定律。[2]

不過,就像精彩的電影總要留伏筆,上述故事也暗示了驚人的事實:能量可以憑空產生一對正反粒子!我們或許聽說過原子彈的原理,就是利用愛因斯坦的著名公式E=mc2(能量=質量×光速平方),將質量轉換成巨大的爆炸能量;反過來說,其實能量也可以轉換成質量(只不過,能量E至少要等於產生的粒子質量m乘上c2才行),就像我們剛才把能量換成一對正反電子——質量與能量間可以互相轉換。喔傑克,這真是太神奇了!

最後,作為故事的結局,所有粒子都有相應的反粒子——它們在反物質的世界都有自己的雙胞胎同伴。只不過,有些粒子獨來獨往慣了,不喜歡有另一個自己:它要當自己的反粒子。以光為例,我們把組成光的粒子稱為光子(photon),它是自己的反粒子、一人分飾兩角。日常生活中,這其實也並不那麼難理解,例如:

典型的亦正亦反:布袋戲裡的黑白郎君 (出處:天地風雲錄之魔戮血戰第34集)
典型的亦正亦反:布袋戲裡的黑白郎君
(出處:天地風雲錄之魔戮血戰第34集)

至於四號機啟動S2機關,和NERV第二支部的消失,究竟又跟前面所述有什麼關係?根據狄拉克海的示意圖,試著想像:當能量E的電子(除了動能外,電子的質量也算在能量E裡面),回到海洋的空洞中會發生什麼事呢?沒錯,我們會觀察到電子與正子相結合、消失、並釋放出2E的能量,這也就暗示NERV第二支部的命運了。

我們肉眼所見的所有物體都是由原子構成,原子又包含了原子核(由質子和中子組成)與環繞其外的電子。當質子、中子和電子與它們的反粒子相遇,大多數都成了能量、以光的形式散發;少部份則透過更複雜的作用轉變成其他諸多粒子。無論如何,都不會是原本的物體型態。

換句話說,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,已經完全消散在世界中,並留存在我們心底。物理上,我們將此慘絕人寰事件正反粒子結合並產生光或其他粒子的過程稱為湮滅(annihilation),跟蘇軾念奴嬌(赤壁懷古)「檣櫓灰飛煙滅」的煙滅不是同一件事[3]

如果各位常接觸日系科幻動漫、電玩,可能曾看過「陽電子砲」一詞,顧名思義,即為以發射陽電子(正子的日文用法)作為攻擊手段;而一旦被大量的正子打中,下場怕是相當悽慘(很恐怖,不要問)。

<新世紀福音戰士>裡的陽電子砲(出處:TV版第6話)
<新世紀福音戰士>裡的陽電子砲(出處:TV版第6話)

But!人生最厲害就是這個But!既然宇宙中有粒子組成的物質、也有反粒子組成的反物質,閒不下來的努力不懈、懷抱著好奇心與求知慾的科學家便不禁要提出疑問:「這樣的話,為什麼我們的世界幾乎都是由物質組成的呢?而反物質卻如此稀少(有見過的朋友請舉手)?」對此,有幾種可能的解釋:

  • 或許在宇宙其他角落,有著由反物質組成的世界。然而,根據天文學的觀測,目前我們並沒有發現這樣的證據。
  • 宇宙誕生的時候,物質就是比反物質要多一點。而當大部分的正、反物質湮滅之後,剩下的就是我們今日所看到的宇宙—-幾乎由物質組成,反物質只在非常稀少的狀況下得見。
  • 宇宙最初擁有同樣數量的正、反物質,但是在成長的過程中,因為一些特殊的條件與作用,使得物質在某個時期產生得比反物質來得多,以致於形成我們現在的物質宇宙。
  • 其他。等你來作答!
物質與反物質湮滅並產生光子。(圖片來源:奧勒岡大學課程網頁)
物質與反物質湮滅並產生光子。(圖片來源:奧勒岡大學課程網頁

很顯然的,這個問題的答案將可以更幫助我們理解宇宙的生成與發展。現已有許多學者致力於提出可靠的理論,希冀能解決這個問題。而我們也將第三點裡產生物質多於反物質的過程,分別稱為「baryogenesis(暫譯:重子始源)」與「leptogenesis(暫譯:輕子始源)」。

至於,為什麼分成這兩個名稱?重子與輕子又為何?這就要從物質的結構說起。讓我們休息片刻,晚點將在之後的文章為您揭露。

<新世紀福音戰士>裡,初號機使用陽電子步槍。(出處:TV版第6話)
<新世紀福音戰士>裡,初號機使用陽電子步槍。(出處:TV版第6話)

參考資料:

  1. David Griffiths (1987) Introduction to Elementary Particles

備註:

  • [1] 動畫<新世紀福音戰士(Neon Genesis Evangelion)>的劇情。
  • [2] 能量守恆定律告訴我們,能量不能憑空產生或消滅,只能在不同形式間轉換;電荷守恆定律則說,電荷不能憑空產生或消滅,正負電荷的總和永遠必須一致。所以在我們的例子裡,正電和負電得要同時出現。
  • [3] 這裡必須強調,狄拉克海雖是容易理解的圖像,但因一些細節問題,在理論上我們已不再使用狄拉克海的詮釋。
文章難易度
科學大抖宅_96
35 篇文章 ・ 1118 位粉絲
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/

1

2
0

文字

分享

1
2
0
金魚的記憶才不只 7 秒!記憶力怎麼回事?好想要超大記憶容量
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/12/01 ・2720字 ・閱讀時間約 5 分鐘

立即填寫問卷,預約【課程開賣早鳥優惠】與送你【問卷專屬折扣碼】!

 

本文由 美光科技 委託,泛科學企劃執行。

你是不是也有過這樣的經驗?本來想上樓到房間拿個東西,進到房間之後卻忘了上樓的原因,還完全想不起來;到超巿想著要買三四樣東西回家,最後只記得其中兩樣,結果還把重要的一樣給漏了;手機 Line 群組裡發的訊息,看過一轉身回頭做事轉眼就忘了。

發生這種情況,是不是覺得很懊惱:明明才想好要幹嘛,才不過幾秒鐘的時間就全部忘記了?吼呦!我根本是金魚腦袋嘛!記憶力到底是怎麼回事啊?要是能擁有更好的記憶力就好了!

明明才想好要幹嘛,一轉眼卻又都忘記了。 圖/GIPHY

金魚的記憶才不只 7 秒!

忘東忘西,我是金魚腦?!無辜地的金魚躺著也中槍!被網路流傳的「魚只有 7 秒記憶」的說法牽累,老是被拖下水,被貼上「記憶力不好、健忘」的標籤,金魚恐怕要大大地舉「鰭」抗議了!魚的記憶只有 7 秒嗎?

根據研究顯示,魚類的記憶可以保持一到三個月,某些洄游的魚類都還記得小時候住過的地方的氣味,甚至記憶力可以維持到好幾年,相當於他們的一輩子。

還有科學家發現斑馬魚在經過訓練之後,可以很快學會如何走迷宮,根據聲音信號尋找食物。但是當牠們壓力過大時會記不住東西,注意力分散也會降低學習效率,而且記憶力也會隨著衰老而逐漸衰退。如此看來,斑馬魚的記憶特點是不是跟人類有相似之處。

記憶力到底是怎麼回事?

為什麼魚會有記憶?為什麼人會有記憶?記憶力跟腦袋好不好、聰不聰明有關係嗎?這個就要探究記憶歷程的形成源頭了。

依照訊息處理的過程,外界的訊息經由我們的感覺受器(個體感官)接收到此訊息刺激形成神經電位後,被大腦轉譯成可以被前額葉解讀的資訊,最終會在我們的前額葉進行處理,如果前額處理後認為是有意義的內容就有可能被記住。

在問記憶好不好之前,先了解記憶形成的過程。圖/GIPHY

根據英國神經心理學家巴德利 Alan Baddeley 提出的工作記憶模式,前額葉處理資訊的能力稱為「短期工作記憶」,而處理完有意義、能被記住的內容則是「長期記憶」。

你可能會好奇「那記憶能被延長嗎」?只要透過反覆背誦、重覆操作等練習,我們就有機會將短期記憶轉化為長期記憶了。

要是能有超大記憶容量就好了!

比如當我們在接聽客戶電話時,對方報出電話號碼、交辦待辦事項,從接收訊息、形成短暫記憶到資訊篩選方便後續處理,整個大腦記憶組織海馬迴區的運作,如果用電腦儲存區來類比,「短期記憶」就像隨機存取記憶體 RAM,能有效且短暫的儲存資訊,而「長期記憶」就是硬碟等儲存裝置。

從上一段記憶的形成過程,可以得出記憶與認知、注意力有關,甚至可以透過刻意練習、習慣養成和一些利用大腦特性的記憶法來輔助學習,並強化和延長記憶力。

雖然人的記憶可以被延長、認知可以被提高,但當日常生活和工作上,需要被運算處理以及被記憶理解的事物越來越多、越來越複雜,並且需要被快速、大量地提取使用時,那就不只是記憶力的問題,而是與資訊取用速度、條理梳理、記憶容量有關了!

日常生活中需要處理的事務越來越多,那就不只是記憶力的問題,而是有關記憶力容量的問題了……。圖/GIPHY

再加上短期記憶會隨著年齡增加明顯衰減,這時我們更需要借助一些外部「儲存裝置」來幫我們記住、保存更多更複雜的資訊!

美光推出高規格新一代快閃記憶體,滿足以數據為中心的工作負載

4K 影片、高清晰品質照片、大量數據、程式代碼、工作報告……在這個數據量大爆炸的時代,誰能解決消費者最大的儲存困擾,並滿足最快的資料存取速度,就能佔有這塊前景看好的市場!

全球第四大半導體公司—美光科技又領先群雄一步!除了推出 232 層 3D NAND 外,業界先進的 1α DRAM 製程節點可是正港 MIT,在台灣一條龍進行研發、製造、封裝。日前更宣布推出業界最先進的 1β DRAM,並預計明年於台灣量產喔! 

美光不久前宣布量產具備業界多層數、高儲存密度、高性能且小尺寸的 232 層 3D NAND Flash,能提供從終端使用者到雲端間大部分數據密集型應用最佳支援。 

美光技術與產品執行副總裁 Scott DeBoer 表示,美光 232 層 3D NAND Flash 快閃記憶體為儲存裝置創新的分水嶺,涵蓋諸多層面創新,像是使用最新六平面技術,讓高達 232 層的 3D NAND 就像立體停車場,能多層垂直堆疊記憶體顆粒,解決 2D NAND 快閃記憶體帶來的限制;如同一個收納達人,能在最小的空間裡,收納最多的東西。

藉由提高密度,縮小封裝尺寸,美光 232 層 3D NAND 只要 1.1 x 1.3 的大小,就能把資料盡收其中。此外,美光 232 層 NAND 存取速度達業界最快的 2.4GB/s,搭配每個平面數條獨立字元線,好比六層樓高的高速公路又擁有多條獨立運行的車道,能緩解雍塞,減少讀寫壽命間的衝突,提高系統服務品質。

結語

等真正能在大腦植入像伊隆‧馬斯克提出的「Neuralink」腦機介面晶片,讓大腦與虛擬世界溝通,屆時世界對資訊讀取、儲存方式可能又會有所不同了。

但在這之前,我們可以更靈活地的運用現有的電腦設備,搭配高密度、高性能、小尺寸的美光 232 層 NAND 來協助、應付日常生活上多功需求和高效能作業。

快搜尋美光官方網站,了解業界最先進的技術,並追蹤美光Facebook粉絲專頁獲取最新消息吧!

參考資料

  1. https://pansci.asia/archives/101764
  2. 短期記憶與機制
  3. 感覺記憶、短期記憶、長期記憶  
  4. 注意力不集中?「利他能」真能提神變聰明嗎?

文章難易度
所有討論 1

0

1
0

文字

分享

0
1
0
原子理論是什麼?你夠了解原子嗎?——《科幻小說不是亂掰的:白日夢世界中的真實科學》上
時報出版_96
・2019/06/11 ・2663字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 547 ・八年級

立即填寫問卷,預約【課程開賣早鳥優惠】與送你【問卷專屬折扣碼】!

 

來點原子理論吧?

你絕大部分是空曠的空間。是的,在那許多空間中有著所有的電子在你的身體裡與環繞在它們周圍的細胞核。因為數量多到如果所有的空間都被消滅,你會崩解成比一顆雀斑或是一隻螞蟻還小。

這不是關於原子唯一詭異的地方,當你接觸由原子所組成的任何東西時,你其實沒有碰到任何東西。而且,你可以接觸或被觸碰,雙手並沒有穿過你,你所感受到的是電磁力。

圖/maxpixel

以本書為例,電子行進你的指尖的原子軌道只會從這本書的電子感覺到排斥作用。你感受到的是一股排斥的力量,但你認為你感受到的是由你的強大的頭腦所作的決定。這是一件好事,你的雙手可能不想要用這本書打造一個分子,所以就排斥它。

事實上在摩擦的形式裡有一點化學結合。你不會想要這本書就從手上滑落,那就是說,原子的化學結合是件好事,它能夠結合物質。

原子間的激情碰撞。圖/pixabay

如果你用一把刀切了一片麵包,刀子其實沒有碰到麵包。刀子的原子推開麵包的原子。

這所有的一切都是因為電磁力的關係,它是宇宙裡的四大主要力量之一。這些力量負責所有粒子物理裡的標準模型,這個模型到目前為止是針對物質(粒子〉的基礎材料如何在我們的宇宙遊樂場裡互相合作的最佳解釋。

四種宇宙力量

  • 電磁—這種力量能把物質連接在一起,包括原子。太好了! 要感謝電磁力,才有光明。我們在宇宙所看到的每一樣東西都是來自電磁波。
  • 重力—有些人覺得重力交互作用很有意思,雖然重力是在標準模式裡,但它卻無法以此來解釋。
  • 弱核力(弱作用力)—這個力量是放射性衰變的原由。聽起來很無趣,但沒了它,就沒有太陽;所以也不會有你的出現。
  • 強核力(強作用力)—這個力量連接原子裡的原子核。如果沒有這個力量,在你以碳為主的身體裡的原子中帶正電質子會互相排斥。還好有這股強作用力將質子與中子一起綁在它們的原子裡的原子核中。

技術補充:這四種力量都有帶粒子,這些帶粒子就像是其它粒子間的使者。例如,一個光子(光的量子,是光的一個粒子的使用術語〉是電磁學的使者。當兩個電子靠近時,它們會送出光子的「走開」的訊息給對方。這個訊息是非常強大並且會把電子推開。

如果一股粒子力量存在於重力,它會默默地傳導。或者更糟的是,它會接受證人保護計畫與躲藏到連科學家都無法找到。而且為了要符合標準模式,它必須在所有物質上用盡所有力量。有些說法是指這有可能是重力子,是重力的量子化化身。重力子是量子力學的聖杯,如果它浮出檯面,科學家可能最後可以讓相對論與量子力學一致。

何謂原子?

每件事物都是由稱為原子的不可分割的粒子所組成。圖/pexels

這個問題的答案可能沒有你想像的那樣簡單。回到遠古時期(約西元前四百六十五年〉,希臘自然派哲學家德謨克利特(Democritus〉說過我們所觀察到的每件事物都是由稱為原子的不可分割的粒子所組成。(原子 atom 源自於希臘文 atomos,意思就是「不可分割」〉。他深信如果你一直將某件物品對半切開,一定會來到一個點是你將無法再切割它。

這些無法分割的基本粒子是組成存在於我們身邊的每個事物。德謨克利特定義了我們現在所叫的原子,但他既對也錯。他對的是每一個事物都是由原子組成,但它們不是最基本的,因為它們可以再拆解。你可能在中學或高中(或更早〉時學過,一個原子可以再分成帶負電的電子、帶正電的質子及不帶電荷的中子。

圖/wikimedia

所有一般正常的原子都有一個不帶電荷,意思是它們有著相同數量的電子及質子。沒有相等數量的電子及相對應數量質子的原子,我們稱為離子。不同的離子帶有不同的電造成原子結合成分子。這就是化學了。

特立獨行的氦原子

現在事情發展到這裡只會變得更詭異了。試想一個氦原子,這個「某樣東西」的小部分來自於兩個帶負電的電子繞著兩個帶正電的中子。(因為如此,這個原子就不帶電荷。兩個帶負電的電子抵銷了兩個帶正電的質子,它們的電荷是由於電磁力所產生的。〉

你曾經聽過關於異性相吸嗎? 這就是電磁力運作的方式。一個正電無法抵抗一個負電的充滿誘惑吸引力。並且,兩個志趣相投的負電是無法忍受一直膩在一起。根據這種直覺,氦原子是說不通的。首先,就我們所知道的磁鐵,難道電子不會摧毀帶正電的質子嗎?

第二點,為什麼兩個帶正電的質子不會互相排斥呢?

兩個帶正電的質子不會互相排斥,大概是因為貓太可愛了(大誤。圖/pixabay

第一個問題的答案是電子的軌道因為波粒子二元性不會受到破壞。如果你不記得這個主題,那我們來複習一下:每一個事物都有自己的頻率波。從記憶圖像的觀點來說,可以將波想像成彈簧(從側面看,它像一道波浪〉。當一個電子接近其核心時,彈簧就會變得越來越緊直到某一個寬度是無法再做任何壓縮。這讓它們沒辦法進入原子核中。

為什麼在一個原子核裡的質子會結合在一起的這個問題的解答就是強核力。在一個非常短的距離,假設是一個原子核的寬度好了,其力量的強度遠超過試著要分開它們的電磁力。在這章插曲加碼篇,你會知道這些力量彼此間到底有多強的關聯性。

答案是宇宙大爆炸後約三十八萬年。第一個原子出現在我們的宇宙是氫與氦原子,是原子裡重量最輕的。比較重的原子一直到一百六十萬年後第一批恆星(團)形成後才出現。所謂的新手,也就是這些較重的原子(元素)像是鐵,一直到第一個超新星出現後才存在。越大的原子有可能越年輕。這是因為它們是從較輕的原子經過混合後所形成的。

 

 

 

——本文摘自《科幻小說不是亂掰的》,2019 年 3 月,時報出版

時報出版_96
151 篇文章 ・ 29 位粉絲
出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。

0

4
3

文字

分享

0
4
3
正反物質湮滅與陽電子砲—— 阿宅物理(2)
科學大抖宅_96
・2015/09/15 ・2678字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 577 ・九年級

立即填寫問卷,預約【課程開賣早鳥優惠】與送你【問卷專屬折扣碼】!

 

前一回,我們討論了第十二使徒製造的狄拉克海[1]以及反物質——但仍存在一些未解的謎題:為什麼四號機啟動S2機關發生意外後,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呢?

為了解釋這個現象、並滿足內心的阿宅魂,我們得更深入地從反物質的特性開始探索。假設,我們對狄拉克海裡能量為-E的電子施予2E的能量,使它的能量增加到+E,如下圖:

原本空無一物(負能量的狄拉克海我們看不到) → 能量-E的電子得到2E,變成帶能量E,並遺留能量-E的空洞。
原本空無一物(負能量的狄拉克海我們看不到) → 能量-E的電子得到2E,變成帶能量E,並遺留能量-E的空洞。

依上篇文章所述,狄拉克海裡的空洞,在我們看來會是正能量的反粒子——但故事還沒結束!因為電子帶負電,一旦海裡少了電子的負電,我們只會覺得是多出了正電(請記住,減掉-1會等於加上+1)。換言之,只要是帶電的粒子,它的反粒子永遠都是持相反電荷!同時,根據之前的方程式E2-m2c4=p2c2,不管是正能量抑或負能量的解,都是共用同一個m,也就是說,粒子與其反粒子帶有相同質量

現在先總結一下:我們給予了2E的能量,不但得到了一個能量E、帶負電的電子(右圖上方的藍點),還附送能量E且帶正電的反電子(又稱為正子,右圖下方海裡的空洞),天底下有這麼好康的事嗎?

物理學家告訴你,不但有,還一定必須如此:我們付出兩單位能量,也收穫兩單位能量,這個過程遵守能量守恆定律;原本的狄拉克海我們看不到電荷,現在則有了一正一負的電荷,總電荷保持不變,遵守了電荷守恆定律。[2]

不過,就像精彩的電影總要留伏筆,上述故事也暗示了驚人的事實:能量可以憑空產生一對正反粒子!我們或許聽說過原子彈的原理,就是利用愛因斯坦的著名公式E=mc2(能量=質量×光速平方),將質量轉換成巨大的爆炸能量;反過來說,其實能量也可以轉換成質量(只不過,能量E至少要等於產生的粒子質量m乘上c2才行),就像我們剛才把能量換成一對正反電子——質量與能量間可以互相轉換。喔傑克,這真是太神奇了!

最後,作為故事的結局,所有粒子都有相應的反粒子——它們在反物質的世界都有自己的雙胞胎同伴。只不過,有些粒子獨來獨往慣了,不喜歡有另一個自己:它要當自己的反粒子。以光為例,我們把組成光的粒子稱為光子(photon),它是自己的反粒子、一人分飾兩角。日常生活中,這其實也並不那麼難理解,例如:

典型的亦正亦反:布袋戲裡的黑白郎君 (出處:天地風雲錄之魔戮血戰第34集)
典型的亦正亦反:布袋戲裡的黑白郎君
(出處:天地風雲錄之魔戮血戰第34集)

至於四號機啟動S2機關,和NERV第二支部的消失,究竟又跟前面所述有什麼關係?根據狄拉克海的示意圖,試著想像:當能量E的電子(除了動能外,電子的質量也算在能量E裡面),回到海洋的空洞中會發生什麼事呢?沒錯,我們會觀察到電子與正子相結合、消失、並釋放出2E的能量,這也就暗示NERV第二支部的命運了。

我們肉眼所見的所有物體都是由原子構成,原子又包含了原子核(由質子和中子組成)與環繞其外的電子。當質子、中子和電子與它們的反粒子相遇,大多數都成了能量、以光的形式散發;少部份則透過更複雜的作用轉變成其他諸多粒子。無論如何,都不會是原本的物體型態。

換句話說,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,已經完全消散在世界中,並留存在我們心底。物理上,我們將此慘絕人寰事件正反粒子結合並產生光或其他粒子的過程稱為湮滅(annihilation),跟蘇軾念奴嬌(赤壁懷古)「檣櫓灰飛煙滅」的煙滅不是同一件事[3]

如果各位常接觸日系科幻動漫、電玩,可能曾看過「陽電子砲」一詞,顧名思義,即為以發射陽電子(正子的日文用法)作為攻擊手段;而一旦被大量的正子打中,下場怕是相當悽慘(很恐怖,不要問)。

<新世紀福音戰士>裡的陽電子砲(出處:TV版第6話)
<新世紀福音戰士>裡的陽電子砲(出處:TV版第6話)

But!人生最厲害就是這個But!既然宇宙中有粒子組成的物質、也有反粒子組成的反物質,閒不下來的努力不懈、懷抱著好奇心與求知慾的科學家便不禁要提出疑問:「這樣的話,為什麼我們的世界幾乎都是由物質組成的呢?而反物質卻如此稀少(有見過的朋友請舉手)?」對此,有幾種可能的解釋:

  • 或許在宇宙其他角落,有著由反物質組成的世界。然而,根據天文學的觀測,目前我們並沒有發現這樣的證據。
  • 宇宙誕生的時候,物質就是比反物質要多一點。而當大部分的正、反物質湮滅之後,剩下的就是我們今日所看到的宇宙—-幾乎由物質組成,反物質只在非常稀少的狀況下得見。
  • 宇宙最初擁有同樣數量的正、反物質,但是在成長的過程中,因為一些特殊的條件與作用,使得物質在某個時期產生得比反物質來得多,以致於形成我們現在的物質宇宙。
  • 其他。等你來作答!

物質與反物質湮滅並產生光子。(圖片來源:奧勒岡大學課程網頁)
物質與反物質湮滅並產生光子。(圖片來源:奧勒岡大學課程網頁

很顯然的,這個問題的答案將可以更幫助我們理解宇宙的生成與發展。現已有許多學者致力於提出可靠的理論,希冀能解決這個問題。而我們也將第三點裡產生物質多於反物質的過程,分別稱為「baryogenesis(暫譯:重子始源)」與「leptogenesis(暫譯:輕子始源)」。

至於,為什麼分成這兩個名稱?重子與輕子又為何?這就要從物質的結構說起。讓我們休息片刻,晚點將在之後的文章為您揭露。

<新世紀福音戰士>裡,初號機使用陽電子步槍。(出處:TV版第6話)
<新世紀福音戰士>裡,初號機使用陽電子步槍。(出處:TV版第6話)

參考資料:

  1. David Griffiths (1987) Introduction to Elementary Particles

備註:

  • [1] 動畫<新世紀福音戰士(Neon Genesis Evangelion)>的劇情。
  • [2] 能量守恆定律告訴我們,能量不能憑空產生或消滅,只能在不同形式間轉換;電荷守恆定律則說,電荷不能憑空產生或消滅,正負電荷的總和永遠必須一致。所以在我們的例子裡,正電和負電得要同時出現。
  • [3] 這裡必須強調,狄拉克海雖是容易理解的圖像,但因一些細節問題,在理論上我們已不再使用狄拉克海的詮釋。
文章難易度
科學大抖宅_96
35 篇文章 ・ 1118 位粉絲
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/

0

0
0

文字

分享

0
0
0
反物質星艦可行嗎?打造那些科幻小說中的夢幻交通工具——《離開太陽系》
時報出版_96
・2019/04/15 ・5114字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 545 ・八年級

立即填寫問卷,預約【課程開賣早鳥優惠】與送你【問卷專屬折扣碼】!

 

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。

圖/wikimedia

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)。

搭載夢想的星艦。圖/thewhizzer

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。)

反物質與物質完全相反,兩者所帶的電荷也相反。圖/wikipedia

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。

大強子對撞機(LHC)是全世界威力最強的粒子加速器,造價昂貴,卻只能產出薄薄一束反物質。圖/flickr

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。

圖/pixabay

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。

衝壓噴射核融合火箭。這種火箭能把星際間的氫氣「鏟」進核融合反應爐,產生動力。圖/時報出版

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。

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。圖/pixabay

「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

時報出版_96
151 篇文章 ・ 29 位粉絲
出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。