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3月 22, 2016

當科學在說強子對撞機、希格斯粒子、夸克、玻色子、費米子的時候…到底在說什麼?


從量子力學開始,我一腳踏進了物理的世界。

然後我看起了費曼整套的物理學講義,求知若渴,覺得這一切都太過迷人了…於是我決定用更簡單、更好理解的角度整理我自己的理解。不過,如文章標題,我這篇想講的只有最重要最基本的東西:基本粒子。費曼說過,如果世界要毀滅,物理學只能留下一個訊息傳給下一代的人類,他留下唯一的一句話一定是:「宇宙萬物都是由原子組成。」這就是物理最根本的基礎。

原子的英文「Atom」是從希臘語ἄτομος(atomos)轉化來的,意思就是「不可切分」,是的,這竟然是古希臘跟印度哲學家所提出的概念!(哲學家終於對科學有點貢獻惹。)當時的哲學家們認為把物質切分到最小最小,無法再切分的單位,就是原子。所以自古以來人們一直認為原子就是物質最小的單位。

但是過了幾百年之後,科學家敲敲原子的門之後發現,唷,原來原子裡面還有東西喔?進而發現了原子裡面其實有電子跟原子核(中子、質子)。是啦,這就是以前國中課本讀到的東西了。不過還沒完,更有趣的是,科學家開始研究起電子和原子核,一研究下去不得了,一切都越來越奇怪了…



首先,科學家發現原子的構造是這樣的:



是的,如圖片看到的這樣,原子裡面有一個原子核,然後外圍始終都會有一些電子像蒼蠅一樣在那邊繞來繞去。不過補充一下,圖片基本上有幾個地方是完全錯誤的:第一個錯誤是,比例錯誤:原子核其實在原子中沒有那麼大。如果把一顆原子放大到一個房間那麼大,原子核就是房間裡面的一顆肉眼還稍微可以辨認出來的一顆灰塵而已,而且一個原子中有超過99.9%的質量都集中在這顆灰塵上!你要問,那空間那麼大到底要幹嘛?問得好,那麼大的空間除了給電子開心地到處跑來跑去你根本找不到他之外,物理學家也完全無法回答你原子有那麼大的空間要幹嘛。第二個錯誤是,電子也沒那麼大,而且有軌道是錯的。(是的,至今你看到的所有課本上畫的軌道全是錯的。)電子根本沒有軌道,也不走軌道,他只是「比較大的概率」會走某幾條路,實際上根本不像行星一樣繞著軌道而行。為了便於理解,我們在看的圖片一直都是一個「近似」的樣子。

好啦好啦,我們先忽略圖片錯誤,再度回到原子的話題,

科學家暫時先把原子核擺在一邊,研究起了電子,結果他們發現了電子根本不是他們想像的那麼簡單,不但在原子裡面隨意奔跑,根本沒有固定的軌道、而且拿越是精準的儀器去測量,越難以確定電子的動量跟位置(也就是海森堡著名的不確定原理、測不準原理),接下來還發展出了讓全世界物理學家瞠目結舌的雙狹縫實驗,還有半路殺出的一個不知道哪來的叫愛因斯坦的年輕人發表的光電效應(光跟電子的物理效應)。不但沒有讓科學家們搞清楚電子到底為什麼會是這個樣子,甚至還拋出擲地有聲的論文,用光電效應來解釋光除了是一種波,達到一定的頻率更會展現出粒子特性(也就是光的波粒二象性),最後提出「光子」的存在。(愛因斯坦光子的概念被確立因而獲得諾貝爾獎)這下子,物理學家終於全部被搞瘋掉了。

我曾經說過,從牛頓時期開始,物理學家一直以來都很沾沾自喜地覺得所有一切物理現象都是可以理解、解釋、預測的,但是當物理學家開始研究起這些微觀粒子的時候,他們才終於意識到,牛頓的古典力學輝煌時期已經要走入歷史了,因為所有一切粒子的行為都是出乎意料的,而他們正一腳踏進一個未知的領域,這些微觀粒子的研究成了一門專門的學問,稱之為:「量子力學」。

這個時期正是從1920年開始,量子力學的大門被一腳踢開了。

照理來說微觀粒子也應該要遵守牛頓的古典力學定律,但是種種實驗結果卻屢屢推翻該有的物理現象,這讓物理學家百思不得其解,但還沒有答案之前,科學家們索性研究起原子核。他們發現原子核裡面的質子跟中子不像電子一樣會亂跑,很可能是因為有種非常強大的力把他們綁在一起,而這種力被釋放出來,會比普通的化學能強大非常非常多。多多少呢?這樣比喻你就可以理解:炸藥的威力是靠原子核外電子的變化(化學能);原子彈爆炸的威力則是靠原子核內部的變化(核能)。你就知道這兩種能量的差異有多大。沒錯,這就是——核能,也就是原子彈,當然還有你知道的核能發電廠。

原子彈會在二戰時期(1939-1945)開始發展,也是因為那時候物理學研究到原子核的緣故。(這又是另外一個故事了。)什麼?你說你想聽這個故事?好吧我長話短說用一個簡短的對話來說明,大概就是這樣——

當時的德國表示:「既然你們這些科學家都研究起原子了,聽說原子核很強大?不然來造個超強大能量吧。」美國知道之後表示:「你們怎麼可以幹這種毀滅世界的勾當?!我是世界警察耶,我要代替月亮懲罰你…為了不讓世界淪於毀滅,我絕對不能慢你一步。」於是兩國就開始搶起科學家、玩起科學家選邊站的遊戲,瘋狂的研究原子彈了。

——大概就是這樣。什麼?你嫌太短惹?我才不管咧…這篇文快寫不完了…


總之,科學家其實並不是為了戰爭去研究原子的,而是被拿來作為戰爭工具了。事實上,科學家當時只是想了解到底是什麼樣的力把中子跟質子綁在一起,當時科學家湯川秀樹就想,既然光電效應是電子跟光子的交互作用,那麼中子跟質子之間也一定有某種形式的力、交互作用,把它們牢牢的綁在一起,最後推算出這種粒子會具有什麼樣的質量。果不其然,不久之後就真的被找到了,而且一找發現不只一個,而是好幾個!(湯川秀樹表示:要一個來好幾個是叫我該如何是好)隨著科技越來越發達,科學家越找越多個…其中一個π介子果然符合湯川秀樹最初預測的,正是綁住質子跟中子的介子,不過隨後開始出現一大堆:p n Δ Λ Σ Ξ Ω K ρ D J/ψ Υ B粒子……(這排符號你可以不用背沒關係…)數量已經達到上百,基本粒子都不基本了,聽說當時有個笑話說,一個物理學家苦心寫好一篇粒子的論文,正要準備交出去就發現論文被推翻了…來形容當時發現的速度。好了,這到底是要叫人怎麼辦好呢!?先不管了啦,就把這一堆擺在旁邊,繼續研究中子跟質子好了。

於是接下來科學家膽顫心驚的想知道中子跟質子是不是裡面還有東西,於是對中子跟質子的門「叩叩叩」了三下,竟然有三個人一起應門說:「誰?」……科學家這才發現原來中子跟質子裡面還有東西啊!好啦好啦(認真講),其實是後來因為發現了一堆粒子,科學家為了便於計算跟整理,假設跟推論很可能中子跟質子中還有更小更基本的粒子,並且提出了一個模型,就叫做「夸克模型」,認為中子跟質子是由更小的夸克組成,後來的確證實並且發現了夸克的存在,還進而證明了中子跟質子各是由三種夸克組成的(見下圖):


於是乎我們的原子圖就改寫成這樣了(因為只找到英文的圖比較貼切也比較美,所以我拿來加註了中文上去):






而且陸續地發現夸克總共有六種!最可喜可賀的是,先前發現的粒子,幾乎都是這六種夸克組合而成的,而目前知道的是,質子跟中子是其中三個夸克組成的,只要是由三個夸克組成的複合粒子都稱為「重子」,而當初湯川秀樹所提出的那個「綁住質子跟中子」的力,其實也是由兩個夸克組成的(一個夸克跟一個反夸克),稱為「介子」。附帶一提,而重子跟介子這種由夸克組成的複合粒子,都可以統稱「強子」,是啦,我們所知道的像是瑞士的強子對撞機,就是在撞這個東西。


重子跟介子(下圖看左邊就好,右邊是還在研究中不知道現在到底怎麼樣了的東西)




現在你搞懂了,只要跟核力有關的東西,都是夸克組成的,也都是屬於「強交互作用」的一種,目前已知宇宙最強的力。

啊?你說宇宙是有哪幾力?不用背,很好記,宇宙只有四種力,依強度依序是:強交互作用、電磁交互作用、弱交互作用、重力交互作用。等等再來講講這四種力在基本粒子圖裡的關係。總之,基本粒子現在可以大致上整理成這樣:(因為一直找不到心目中完美的基本粒子圖表,所以我就自己做了這張圖)



一定出現了很多你看不懂的東西,不要擔心,科學家把這個表整理起來,也是為了要讓自己「看起來好像有搞懂」或是「讓粒子不要那麼難懂」的樣子而已,實際上他們也都沒有完全搞懂這些東西XD,不然為什麼費曼要說:「我想我可以有把握地講,沒有人懂量子力學。」呢?

一一說明一下,這個圖表大概分成三大類:夸克、輕子、規範玻色子。最後還有一個完全特立獨行的希格斯玻色子。首先,我們已經知道夸克都是跟強交互作用(核力)有關的粒子。再來是輕子,輕子剛好相反,他是「不參與強交互作用」的粒子,所以只要是不參與強交互作用的粒子全部會被分到這裡來,輕子中,科學家除了知道電子存在原子中,並且不斷的在與之交纏、還有知道微中子是弱衰變的產物外,也幾乎也沒有完全搞懂每個輕子到底是幹嘛用的。

所以呢,我們先不管,繼續看下去,右邊直直的一排「規範玻色子」,就是傳遞前面講的宇宙四種作用力的媒介粒子(規範玻色子就像什麼呢?沒錯,可以比喻為觀落陰的靈媒、送子鳥的鳥、傳遞花粉的蜜蜂…這樣的傳遞媒介),這排規範玻色子比較好理解,光子就是跟電子眉來眼去傳遞交互作用的媒介粒子(電磁交互作用);膠子就是傳遞並參與兩個夸克間作用力的粒子(強交互作用)……我想,講到這裡有人要舉手了:『等等,剛剛不是說湯川秀樹找到的綁住質子跟中子並傳遞核力的是介子嗎?』是的,一點也沒錯,綁住質子跟中子的是介子,但是別忘了質子、中子、介子都是夸克組成的,而綁住夸克之間的最終媒介粒子,則是膠子!(好啦膠子的故事我們沒講到,你應該不希望我在這篇講完吧?)W和Z玻色子就是原子衰變的媒介粒子(弱交互作用)。最後就是希格斯玻色子,這個近年來被萬眾矚目的粒子,是被假設為「賦予粒子質量」的粒子,2013年3月14日已經被證實存在(不知道是不是故意選在愛因斯坦生日這天),但是具體的機制科學家還沒有完全的理解,也積極地在朝更多方向研究中。(希格斯玻色子又是另外一個故事了等我研究完有空再整理)

介紹完畢,最後,當然還有個傳遞重力的「重力子」,不過不在表上,因為重力子到目前為止還是個假想的粒子,目前是還沒有找到就是了。

綜合以上,可以得出宇宙四種力跟規範玻色子之間的關係:

強交互作用(夸克之間的交互作用):膠子(gluon)
電磁交互作用:光子(photon)
弱交互作用(使原子衰變的交互作用):W 及 Z 玻色子,共有3種:W^+,W^-,Z^0
重力交互作用:重力子(graviton)

另外,我竟然還沒有講到自旋…但是沒關係,你只要大概了解基本粒子的圖,
然後知道自旋為半整數的(像1/2)都叫做費米子、自旋為整數的(0或1..)都叫做玻色子,基本上量子力學該知道的粒子都已經懂了。(然後看到這裡應該也崩潰了)

如果有看得懂的鄉親也請指正錯誤的地方
我現在要去思考為什麼為了解釋個文章的標題需要打那麼多東西…







延伸閱讀:
【百秒說科學】 微中子系列第零集 - 微中子到底系蝦咪?
【時事焦點】2015諾貝爾物理獎:帶有質量的微中子
海森堡測不準原理
無限小的粒子世界
維基百科:夸克

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