我們畫出了希格斯粒子，卻從未真的看到它——《科學月刊》

2016/05/12 |

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圖／CERN

文／葉致微｜曾經只為學測唸物理，現在卻為瞭解物理學家發憤自習；把粒子物理當文化觀察，以社會學理解知識的生產與傳播。現就讀於英國愛丁堡大學。

2013 年是物理學界風光的一年，位於瑞士日內瓦的歐洲核子研究組織（CERN）正式對外宣布，實驗物理學家在大型強子對撞機（Large Hadron Collider, LHC）的實驗中，發現了希格斯粒子。別稱「上帝粒子」的「希格斯粒子（Higgs boson）」，在主流的粒子物理理論「標準模型（Standard Model）」中，扮演著關鍵角色：它負責給予基本粒子（fundamental particles）質量。自 1964 年被希格斯（Peter Higgs）與恩格勒（François Englert）等數名理論物理學家提為假說後，物理學界便殷殷期盼著高能物理實驗能夠證實此粒子的存在及作用。50 年後，期待成真，高齡 84 歲的希格斯與高齡 81 歲的恩格勒，也於同年獲頒諾貝爾物理學獎。大型強子對撞機因此得以順利閉關升級，兩年之後，撞擊能量翻倍成長，來到 13 TeV（13×10¹² 電子伏特），新任務是在 2020 年之前，更瞭解希格斯粒子的運作機制，以及探索任何超越標準模型、超越對稱性的物理發現。

希格斯粒子的發現引發了媒體爭相報導，一時間成為科學新聞的熱門話題。為了模擬宇宙大霹靂爆炸瞬間的高能量撞擊，建造號稱人類史上最大型實驗儀器的大型強子對撞機，必須鑿開深 175 公尺，長 27 公里的地底隧道，期間耗費無數時間、金錢、人力。因此，自 21 世紀初開始建造後，即成為媒體及社會大眾關注的焦點。在對撞機正式運轉之前，媒體論述關注於對撞機的實驗風險，擔憂如此高能量的軌道撞擊，恐在地球表面引發類似黑洞的效應：以龐大的引力吞噬地球上的物質。歐洲核子研究組織認真看待媒體及社會大眾對對撞機的觀感，所以，為排除此風險疑慮，成立了一個由獨立科學家組成的安全評估小組，監督對撞機的實驗安全性。2008 年之後，對撞機開始運轉，全球金融海嘯卻延燒各國經濟；緊縮的資源，使得歐洲對純科學、探索未知的資助，在媒體及輿論的關注下，備受爭議，歐洲核子研究組織甚至面臨預算被刪減。於是，延續著十餘年來社會對歐洲核子研究組織、大型強子對撞機的關注、猜疑，希格斯粒子的發現，不僅對物理學家意義非凡，對媒體、公眾來說，也終於有線索可以嘗試理解高能粒子物理的研究貢獻與價值。

在媒體報導希格斯粒子的熱潮中，除了文字說明之外，一批色彩豔麗、線條清晰的數位影像被大量使用（例如首圖及下圖）；它們像是照片，似乎捕捉了希格斯粒子在對撞機內被發現的瞬間。然而，我們真的能夠以肉眼見證比原子還小的粒子嗎？如果答案是否定的話，這些數位影像呈現出了什麼樣的事實？身為一個觀看者，這些問題縈繞在我心中，久久不去。

圖／CERN

希格斯教授獲頒諾貝爾物理學獎的當下，我恰巧在他任教的學校：英國愛丁堡大學，開始了科技與社會研究（Science and Technology Studies）的學業。著迷於科學溝通的我，參與了多場於愛丁堡（蘇格蘭首都）及倫敦（英格蘭首都）舉行，向社會大眾溝通希格斯粒子的推廣活動。因此，在一場位於蘇格蘭國立博物館舉行的科學講座，我旁聽到一段非常有趣，與這些數位影像有關的，物理學家與社會大眾的對話：

“請問，在這些影像當中，希格斯粒子在哪裡？”──社會大眾

“其實，影像裡並沒有希格斯粒子，我們只能看見它的行經軌跡。” ──物理學家

這段對話間接回答了縈繞在我心中的疑問：我們的確無法以肉眼見證希格斯粒子的存在。但是，在圖文並茂的媒體報導、溝通推廣情境之中，觀眾似乎以為他們能夠透過影像看到希格斯粒子；不過，溝通者卻明知事實並非如此。那麼，這些影像究竟意圖呈現什麼？我想要瞭解科學溝通者使用這些影像的用意。

我訪問了上述對話中的物理學家安潔莉卡（化名）。安潔莉卡曾是希格斯的學生，目前在愛丁堡大學物理系任教，同時也參與了大型強子對撞機的實驗。因此，她十分瞭解希格斯粒子研究，也有豐富的公眾溝通、科普教育經驗。她告訴我，這些影像是在實驗結束，以實驗數據重建而出的模型。她在蘇格蘭國立博物館的講座所使用的影像，由和她一起在對撞機進行實驗研究的博士班學生設計。歐洲核子研究組織自行開發了一套數位影像製作軟體，提供給成員使用，當有人需要圖像輔助說明，特別是在公眾場合解釋希格斯粒子研究時，這些學生便將對撞機所記錄下來的實驗數據輸入影像製作軟體，篩選出畫面最清晰、線條最乾淨的資料視覺化（data visualization）結果，再輔以更生動的 3D 圖像設計、更鮮豔的色彩配置，完成一張張美觀的數位影像。這些影像在對外流通之前，需要經過內部審核；它們要被上傳到組織內的共同檔案空間，沒有成員提出任何疑慮或異議之後，才能開放使用。也就是說，這些影像並不是物理學家們拿來觀察、分析、判斷希格斯粒子是否存在的第一手實驗證據；它們是為了方便展示實驗結果，促進溝通而被創造出來的影像。

對於粒子物理學家來說，沒有人能夠親眼目睹希格斯粒子。粒子物理以量子力學為理論基礎；理論上來說，粒子具有波動性，會隨著時間移動，並產生能量與質量的轉換，所以，希格斯粒子並非具有固定形狀、位置的物質。負責給予基本粒子質量的希格斯粒子，其實是希格斯場的擾動（像是水面上的漣漪），一旦測量到擾動，便能證實希格斯場的存在。另外，對測量方法而言，對撞機每秒製造出 6 億次撞擊，裡頭的粒子以近乎光速的速度前進，撞擊後又以不到 10-22 秒的時間衰變。實驗物理學家根本來不及看到，更無法捕捉希格斯粒子，只能設計最先進的探測器，記錄衰變瞬間對撞機內的物理現象，並將之數位化。隨後，再根據衰變數據，例如：各種粒子的軌跡、動量和能量等性質，分析是否有符合理論預測的希格斯粒子衰變，間接證實希格斯粒子的存在。因此，發現希格斯粒子的過程，跟視覺上的觀察毫無直接關係，而是一連串的數據演繹；統計圖表（例如下圖），反而是粒子物理學家在社群內部經常使用的影像，它們所代表的特定數據，正好符合希格斯粒子及其衰變的物理性質。也就是說，物理學家們，其實是透過數據，「看」見了希格斯粒子。

圖／CERN

然而，縱使安潔莉卡知道希格斯粒子無法由肉眼觀察，她仍然認為那些實驗完畢之後才設計出來的影像，對一般觀眾來說，就好比相片，逼真地呈現出希格斯粒子在對撞機裡被撞擊而出的模樣。這也是為什麼，影像中並不會顯露出實驗數據（頂多保留實驗發生時間），因為唯有如此，畫面才會像是一張張捕捉瞬間的相片，讓觀者產生身歷其境的感受。科學史學家謝平與夏佛在 1985 年出版的《利維坦與空氣泵浦》一書中，論述過「親眼見證」實驗的操作成功，對於科學能取信於人，並廣為散播，有著關鍵的作用。所以，我認為這些如相片般的生動影像，也有「親眼見證」的功能；由於親眼目睹大型強子對撞機的實驗過程，以及希格斯粒子的存在，是一件理論、實務上皆不可能的任務，因此，為了在媒體、社會大眾之間，製造「虛擬的親眼見證」的效果，粒子物理學家們運用了想像力、創造力，以及藝術天分，「具象化」了希格斯粒子的存在；而觀眾，在科學溝通、教育推廣的情境之中，除了以理智瞭解希格斯粒子的意義，更以感官、想像，去體會希格斯粒子的存在。

歐洲核子研究組織所創造出來的這些數位影像，大量的出現在科學公眾溝通的情境之中：電視、網路、報章雜誌、博物館、科學節等等。歐洲核子研究組織甚至號召藝術家，以這些影像為靈感創作，串聯出蝴蝶效應一般的親眼見證、集體共感。這種影像與觀者的互動關係，與我們的刻板印象，認為科學是理性、邏輯的；科學影像是客觀、真實的，有所不同。科學傳播的過程，在這個案例之中，是理性與感性、邏輯與美感的緊密交織。換句話說，縱使希格斯粒子並不具備可供肉眼觀察的性質，實體影像依然扮演著溝通橋樑的角色，將物理學家抽象的知識追尋「翻譯」成生動的獵捕、發現瞬間，提供社會大眾一個具象的學習媒介，領略科學的博大精深。然而，觀看者若是能反思溝通情境中，「轉譯之必須」所帶來的「失真之可能」，也許當前大舉「有圖有真相」的影像溝通文化，可以受到更多的懷疑與檢視。下次，在看到科學影像時，不妨大膽提問影像和真相、溝通者和接收者之間的交互關係究竟是什麼。