March 2020
M T W T F S S
« Jul    
 1
2345678
9101112131415
16171819202122
23242526272829
3031  
  • 13May

        「時間」、「空間」、「物質」、「能量」。這些都是宇宙最根本的東西,只要其中一樣消失了,宇宙將不復存在。

        令人興奮的是,過去百多年來,人類對這些宇宙之謎的破解,取得了極其驚人的進展。這些進展,遠遠超越人類過去數千年探索的總和。

        先說「時間」和「空間」。約一百年前,愛因斯坦發表了狹義相對論(1905),論證時間和空間乃不可分割的整體,故應稱為「時空連續體」(spacetime continuum)。十年後(1915),他發表廣義相對論,指出牛頓所論述的萬有引力,其實是「時空彎曲」(spacetime curvature)的結果。他這兩個觀點,為人類對「宇」(四方上下)、「宙」(古往今來)的認識帶來了革命性的衝擊。

        就「物質」和「能量」方面,十九世紀的原子學說和元素周期表則揭起了另一場革命的序幕。人們開始認識到,世界的事物盡管千差萬別、複雜紛紜,但組成它們的物質,都只是來自為數不超過一百種的基本元素(elements)。按照原子學說,元素的物質基礎是各種不同的原子(atoms)。例如所有生物賴以維生的水,乃由兩個氫原子一個氧原子組成;引致全球暖化危機的二氧化碳,乃由兩個氧原子和一個碳原子所組成等等。

        革命的真正爆發,是1900年由蒲朗克(Max Planck)所提出的「量子論」,以及往後三十年由無數物理學家所建立的「量子力學」(quantum mechanics)理論。透過這套理論,不單元素周期表中的元素排列次序可以得到合理的解釋,各種能量的形式(如聲、光、電、熱等),都可理解為量子運動的結果。

    深入前人無法想像的世界

        而就「物質之謎」的角色而言,一連串的發現帶領我們尋幽入微,深入到前人無法想像的境界。我們發現︰

        (一) 原子並非物質最基本的構成磚。不同的原子乃由不同的原子核(nucleus)和包圍著它們的電子(electron)所組成。
        (二) 原子核並非物質的基本單元,因為它們乃由質子(proton)和中子(neutron)這兩種粒子所組成。除了中子不帶電外,質子和電子都帶有電荷。但由於質子帶的正電荷和電子帶的負電荷大小相等,而每顆原子裡的質子數目和電子數目亦相當,因此原子本身並不帶電。如果原子因最外圍的電子數目起了變化而變得帶電,我們稱之為離子(ion)。
        (三) 上世紀六十年代以後,人們發現質子和中子也非真正的「基本粒子」(fundamental particles),因為它們乃由更微小的夸克子(quark)所組成。

        到現時為止,人類所認識的夸克子有六種,稱為上夸克、下夸克、頂夸克、底夸克、奇夸克和桀夸克。由於我們還未發現夸克子有進一步的結構,所以它們至今仍未丟失「基本粒子」的稱號。

        除子夸克子外,被科學家列為基本粒子的還有我們熟悉的電子,以及兩種一般人並不熟悉的「重型電子」︰「mu-電子」(又稱渺子)和「tau-電子」(又稱陶子)。此外,還有三種對應於這三種電子的中微子(neutrino)。

        以上是有關物質構成的探索。就「能量之謎」方面,科學家亦取得了巨大的進展。我們現時知道︰

        (一) 任何能量的形成,都是粒子運動的結果,例如電是帶電粒子的運動、光是光子的運動、聲是物質組成分子的同步彈性運動、熱是物質組成分子的不規則運動等。
        (二) 運動之會出現是因為力(force,又稱作用力)的存在。影響宇宙萬物的作用力盡管看以千差萬別、複雜紛紜,歸結到底原來只有四種︰重力(即萬有引力,gravity)、電磁力(electromagnetic force)、弱作用力(weak interaction)和強作用力(strong interaction)。後兩者又稱「核作用力」(nuclear forces),因為它們作用的距離,只限於亞原子(sub-atomic)的超微尺度。這正是我們日常生活不會察覺它們存在的原因。
        (三) 力的表現可以被看作成一個力場(force field)的作用,而粒子因受力場的影響而運動。但在一個十分微妙的層次,力場的作用也可被看成為一些「中介粒子」(mediating particles)相互交換的結果。而相對於四種宇宙基本力,這四種中介粒子是︰
        (1) 膠子(gluon),傳遞強作用力,主要作用於夸克子。
        (2) W及Z玻色子(W & Z bosons),傳遞弱作用力,主要作用於夸克子、各種電子及其中微子。
        (3) 光子(photon),傳遞電磁作用力,作用於一切帶電的粒子。
        (4) 重力子(graviton),傳遞重力,作用於一切物質。
        (四) 以上四種力,在宇宙誕生的「大爆炸」初期是渾然為一、無分軒輊的。只是當爆炸後能量密度下降,各種基本力才逐一分離。

        以上有關物質結構和基本力的理論,已經獲得了極其有力的實驗證明,是人類在科學探究上一項非常重大的成就。科學家往往把它稱為宇宙構成的「標準模型」(Standard Model)。(留意︰這兒所指的「模型」是理論模型,而非任何實體模型。)

        在上述的基本粒子中,又分為強子(hadrons)和輕子(leptons)兩大類。前者包括由夸克子透過強作用力組成的各種粒子(如質子和中子),而後者則包括三種電子和它們的中微子。

        在另一個層次上,上述的基本粒子又分為費米子(fermions)和玻色子(bosons)兩大族類。兩者的劃分,在於它們所具有的一個量子性特徵︰自旋(spin)。費米子擁有數值為半整數的自旋量。而玻色子則擁有數值為零或整數的自旋量。

        就上述介紹的基本粒子中,構成物質的強子和輕子俱屬費米子,而作為基本力中介粒子的俱為玻色子。

        至此,我們終於可以介紹甚麼是赫格斯玻色子(Higgs boson)了。

        原來在標準模型中,最令科學家感到不滿的,是無法解釋各種基本粒子為何具有如此不同的質量。1964年,物理學家彼得‧赫格斯(Peter Higgs)提出了一個構想,指出如果宇宙誕生初期存在著一個特殊的力場,各種粒子的質量即可經由它們與這個場的相互作用而確定下來。後人稱這個場為「赫格斯場」(Higgs field),而正如四種基本力一樣,對應於這個場亦應有一種中介粒子,稱為「赫格斯玻色子」。

    追溯宇宙誕生最初的瞬間

        由於掌握了赫格斯粒子的特性,我們便可破解「質量如何產生」這個極其深奧的宇宙之謎,所以一位物理學家曾戲謔地稱這種粒子為「上帝的粒子」(The God Particle)。

        問題是,自從被提出以來的四十多年,科學家仍無法找到這種粒子的半點蛛絲馬迹。為甚麼呢?原來「赫格斯場」只會存在於大爆炸初期那種超高能量的狀況,大爆炸至今已有一百三十七億年之久,這種狀況當然早已不復存在。

        至此,歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機(Large Hadron Collider)終於登場了。這個花了超過二十載研發製造的超大型設備,正是科學家為了模擬大爆炸早期狀況而建造的。通過了兩束超高速質子的迎頭相撞,科學家希望能夠製造出赫格斯玻色子,從而破解「質量起源之謎」。

        在此必須補充的是,正如研究超微觀世界的粒子物理學(particle physics)有它的「標準模型」,研究超宏時空結構和起源的宇宙學(cosmology)亦有它的「標準模型」,這便是不少人都聽過的「大爆炸宇宙理論」(Big Bang Theory)。

        這個理論有兩大基石,一是文首提及的愛因斯坦的廣義相對論,二是上世紀二十年代由哈勃(Edwin Hubble)發現的「宇宙膨脹」現象(expansion of the Universe)。至於最關鍵的證據,則是六十年代發現的「宇宙微波背景輻射」(Cosmic Microware Background Radiation)。

        現代物理學最令人驚訝的地方,正是人類對微觀宇宙的探究以及對宏觀宇宙的探究,竟然在最深刻的理論層面上緊緊融合一起!人們發現要瞭解宇宙最早期的演化,我們必須借助最前沿的粒子物理學理論。相反,要瞭解物質和基本作用力的本質,我們必須追溯至宇宙誕生最初的瞬間。

        那麼是否說,只要科學家成功找到赫格斯粒子,兩大「標準模型」便可功德圓滿、凱歌高奏呢?事情當然沒有這麼簡單。

        就粒子物理的「標準模型」而言,有關四種基本力的統一(亦即愛因斯坦晚年致力研究的「統一場論」),至今仍未能涵蓋萬有引力。究甚原因,是量子力學的理論架構與廣義相對論的理論架構始終無法協調起來。

        正是為了克服這一困難,科學家提出了各種弦理論(string theories)和超弦理論(superstring theories),並作出了十維或十一維空間這些大膽的假設(指在極超微尺度而言,在宏觀世界則仍是四維)。可惜的是,要驗證這些理論所需的能量,遠遠超出人類今天所能達到的水平。

        至於宇宙學的「標準模型」,雖然同樣在二十世紀取得了巨大的成就,卻完全無法解釋宇宙中的「暗物質」(dark matter)和「暗能量」(dark energy)的性質和起源。原來在上世紀末本世紀初,科學家驚訝地發現,我們一直在研究的宇宙,在質量上還不到宇宙整體質量的百分之五!而其餘的質量,應該以「暗物質」或「暗能量」這兩大形式存在。至於這兩種神秘的事物究竟是甚麼,至今仍是個謎。

        對宇宙的本質和起源的認識,人類在二十世紀所取得的成就是極其輝煌的。但從以上的簡述得知,兩大「標準模型」仍有重大的不完備之處。也就是說,在廿一世紀等待著我們的,將是更多激動人心的重大發現。

    Posted by Eddy WC Lee @ 2:58 pm

2 Responses

WP_Cloudy
  • 黃海 Says:

    霍金打睹找不到希格斯粒子,但,維基百科說,美國費米實驗室的萬億電子伏特加速器可能已經獲得了希格斯玻色子存在的數據。
    請教李教授:維基百科的說法對嗎?( 找到您的部落格,好高興,您的科幻寫作三法,我加了一法,提供同學)

    原文,摘錄重點:歐洲核子研究中心大型強子對撞機2008年9月10日正式開始调试運行。科學家期望在這一對撞機的幫助下,能夠發現希格斯玻色子。

    不過希格斯認為,迄今已運行多年的美國費米實驗室的萬億電子伏特加速器可能已經獲得了希格斯玻色子存在的數據。

  • Eddy Lee (李逆熵) Says:

    很多謝黃海老師的回應。我也是透過維基百科來獲得資料的,而按照Higgs Boson的條目,至今似乎仍未找到這種粒子的確鑿證據。

Leave a Comment

Please note: Comment moderation is enabled and may delay your comment. There is no need to resubmit your comment.