Thursday, Apr. 24, 2014

     

該死的上帝粒子

在官方要求我們講禮貌的時代,〈該死的上帝粒子〉這個看似非常的無禮的標題相當的冒昧,不過是有典故的。

美國物理學家、1988年諾貝爾物理學獎得主利昂·萊德曼(Leon M. Lederman)出版了一本科普書《上帝粒子:如果宇宙是答案,那麼問題是什麼?》(The God Particle: If the Universe is the Answer, What is the Question),後來媒體也沿用了這一稱呼,常常將希格斯波色子稱作是「上帝粒子」(The God Particle)。這一稱呼激起了主流媒體對於希格斯波色子的關注和興趣。《紐約時報》(The New York Times)還精心製作了兩個特輯:Chasing the Higgs BosonHiggs Boson

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萊德曼表示,當初他稱呼希格斯波色子為「上帝粒子」是因為這粒子「在當今物理學中處於極 為中心的位置,對我們理解物質的結構極為關鍵、也極為難以捉 摸」。不過他也開玩笑地補充說另一個原因是「出版社不讓他把這粒子稱作『該死的粒子』(Goddamn Particle),儘管這別稱可能更恰當地表達了希格斯波色子杳無蹤跡的性質以及人們為之所付出的代價與遭受到的挫折感。」然而,許多科學家卻不喜歡這 一稱呼,因為它過分強調了這粒子的重要性和太宗教化。

既然始作蛹者原本有想過把希格斯波色子稱作「該死的粒子」,後來卻以「上帝粒子」成名,我想乾脆把希格斯波色子稱作「該死的上帝粒子」,更兩全其美吧XD

泛科學也將在9月26日和旅行社出一團「大型強子對撞機探訪團」 參觀日內瓦郊區的大型強子對撞機(Large Hadron Collider, LHC)。歐洲核子研究組織(CERN)將在9月會舉辦兩天 的「Open Days」。

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從2013年2月 起,LHC進入了長達兩年的停機期,在這段期間會進行設備的升級與維護,為了提升到更大的碰撞能量而做準備。為了這個探訪團,泛科學計劃舉辦三場小型演 講,第一場由台大陳凱風老師主講,第二場是明天(9/10)的「微型點子對撞機(M.I.C. XIV):驚現」

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在聽了陳老師深入淺出的精彩演講後,讓我好奇讀了這本這本《上帝的粒子:希格斯粒子的發明與發現》Higgs: The Invention and Discovery of the ‘God Particle’)。還好聽過了陳老師的演講,還有維基中文百科〈希格斯玻色子〉寫得很好的介紹,在讀這本《上帝的粒子》時,才比較快進入狀況。

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在粒子物理學的標準模型(Standard Model)預言的61種基本粒子中,希格斯玻色子是最後一種被實驗證實的粒子。希格斯玻色子是因英國物理學家彼得·希格斯(Peter W. Higgs,1929-)而命名,是一種具有質量的玻色子,沒有自旋,不帶電荷,非常不穩定,在生成後會立刻衰變。

標準模型的希格斯機制(Higgs mechanism)解釋了,為什麼有些基本粒子具有質量,而有些基本粒子的質量為零?根據希格斯機制,有些基本粒子因為與遍佈於宇宙的希格斯場彼此交互作用而獲得質量,但同時也會出現副產品希格斯玻色子。

2012年7月4日,CERN宣布,LHC的緊湊渺子線圈(CMS)探測到質量為125.3 ± 0.6 GeV的新玻色子(超過背景期望值4.9個標準差),超環面儀器(ATLAS)測量到質量為126.5 GeV的新玻色子(超過背景期望值5個標準差),這兩種粒子極像希格斯玻色子。7月31日,CMS和ALTAS又分別提交新的偵測結果,將這種玻色子的質 量確定為CMS的125.3 GeV(統計誤差:±0.4、系統誤差:±0.5、統計顯著性:5.8個標準差)和ALTAS的126.0 GeV(統計誤差:±0.4、系統誤差:±0.4、統計顯著性:5.9個標準差)。

2013年3月14日,歐洲核子研究組織發佈新聞稿,正式宣布先前探測到的新粒子是希格斯玻色子。這希格斯玻色子是希格斯機制的必然後果,是物理學 者長久以來尋覓的對象。希格斯玻色子的發現,對物理學家來說重大意義。首先,此發現揭開粒子質量起源之謎,其它粒子在希格斯場中運行時便獲得了質量;二 來,完善了當代粒子物理學基石的標準模型,它描述了整個宇宙中所有的粒子。所有被標準模型所預言的粒子此前都已經被找到了,希格斯玻色子是最後一個;三 來,確認希格斯玻色子還將對電弱相互作用的構建、超對稱理論和等產生重要影響。史蒂芬·霍金(Stephen W. Hawking)最近還認為希格斯應該獲得諾貝爾物理學獎。

《上帝的粒子》分成兩部,第一部談發明,第二部談發現。作者巴格特(Jim Baggott)從物質、能量、質量的概念開始說起,描述粒子物理學的理論進程。物理學家為了解釋即有理論的缺陷,讓一個理論接著一個理論的發明,慢慢地讓希格斯玻色子登場。

理論物理學家讓希格斯玻色子上場後,實驗物理學家就要輪番上陣,過關斬將,驗證了希格斯場。而看似撲朔迷離的希格斯玻色子。為了燒大錢驗證標準模型 和找出這個該死的上帝粒子,粒子物理學家米勒(David Miller)輕鬆地向政客解釋希格斯機制,他提出像這樣的比喻:我們可以將希格斯場比擬為在物理學術大會裏均勻分佈的學者。我在物理學界完全沒有名氣 (廢話XD),像我可以輕鬆地低調穿過會場,沒有人會注意到我的存在,就如同希格斯場與零質量光子之間的交互作用。假若物理大師如希格斯本人進入會場,大 家會被大師的魅力吸引,在大師四周擠成一團。因此,他會獲得很多質量。若以同樣速度穿過會場,他所具有的動量當然會比較大,改變他的移動速度也比較不容 易,必須施加更大的作用力。這還說服了英國政府繼續掏錢贊助CERN。不過希格斯玻色子的研究計畫卻在美國國會胎死腹中,僅剩歐洲還堅持下去。

在CERN,兩組CMS和ALTAS各有上千科學家支援的團隊獨立利用不同方法驗證希格斯玻色子的實驗,在公佈結果前,並沒有串供,這是科學社群良性地競 爭,讓科學實驗有再現性的良好範例。科學之所以可以一日千里,就是因為良性競爭造成的「必要的張力」(essential tension)。CMS和ALTAS都有台灣物理學家參與,台灣大學和中央大學的團隊加入CMS,中研院的團隊則加入ALTAS。為了有效處理LHC產 出的龐大資料,中研院與CERN合作設立亞洲首座Tier-1網格維運中心, 大幅提升了台灣學界的研究能量和國際地位。

在這方面,當然又是外行的看熱鬧,內行的看門道。我不是物理學家,當然是看熱鬧為主。因此,對我而言,《上帝的粒子》的第一部討論各各理論的誕生過程,還 是有霧裡看花的感覺。《上帝的粒子》的第二部主要是在講故事,讀起來就有趣多了。在臉書上,還有朋友介紹了這個PHD TV上的影片,說他看了才知道LHC在搞什麼飛機……哦不……粒子。

在這裡,我想談一件有趣的事,那就是為何《上帝的粒子》作者在第一部以及原文副標題上,用「發明」(Invention)來探討希格斯玻色子?如果希格斯玻色子早已存在了,科學家怎麼可能去「發明」它?

其實,科學並非絕對真理,科學探討的是事物與事物的關連,是一種相對的真理。科學家為了描述事物的本質和關連,就要「發明」一些理論去描述,然後利 用實驗去驗證,如果實驗和理論相符,科學社群就把該理論當作是對的,如果有足夠多的實驗證據不支持,則科學家就要「發明」更多更新的理論。科學的理論,要 能讓實驗給否證,也要有預測力,其理論之預測,也要讓科學社群的其他科學家重覆驗證。並不是用了數學模型,就算是科學。

希格斯「發明」了「希格斯機制」來解釋某些粒子的質量,他的理論預測了希格斯玻色子的存在,如果LHC的實驗找到的確實為希格斯玻色子,則希格斯機 制的理論就暫且為真,不過希格斯場理論還無法解釋一些關於強交互作用、電弱交互作用、重力交互作用的統一化問題,以及宇宙的起源問題,所以日後會不會又被 其他理論給取代了,還是無知數。不過無論如何,科學家還是會愈來愈逼近瞭解這個宇宙的真實狀況!

本文原刊登於Readmoo.com【GENE思書軒】,並同步刊登於 The Sky of Gene

About Author

Gene Ng

來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。現於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任Readmoo部落格【GENE思書軒】專欄作家。個人部落格:The Sky of Gene

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