DDS003-「2013年的 Pi Day」

前文提到每年的3月14日是一個具有特殊意義且值得紀念的日子，因為前者（Pi Day）見證也代表著人類科學思想，在悠久歷史長河中的演進歷程，而後者（「愛因斯坦」的生日）則彰顯了人類思考的卓越性。我們一方面緬懷「愛因斯坦」的偉大科學成就，更要了解到他卓越天份背後的思考方式。「愛因斯坦」最引人讚嘆的是，他獨特的「思考實驗（thought experiment）」，這「思考實驗」不同於一般我們所習知的科學實驗，必須透過不同的實驗方法去了解、證實一個觀察到的物理現象。「思考實驗」指的是，一種科學理論毋須透過實際的實驗過程予以證明，甚或以當時的科技水平根本無法證實。例如，「愛因斯坦」在 1905 和 1916 年先後提出的「狹義相對論（Special Relativity）」和「廣義相對論（General Relativity）」，在當時即頗有爭議，也一時無法證實。這也是為何這兩項最為人道，且為往後近一世紀以來，所有近代物理學發展打下基石的理論，無法為他贏得「諾貝爾獎」的緣故。

更可怕和令人驚悚的是：自從「愛因斯坦」提出了以上兩種「相對論」後，歷經一世紀以來，所有科學家雖千方百計，想設法證明他的理論乃有不足之處，必需加以某種程度上的修正，甚或可能根本上是錯誤的。然而，迄今為止，這些排山倒海而來的質疑，只能一再證明「愛因斯坦」的「狹義」和「廣義」相對論是對的！！！（注意！這種「質疑」，是所有科學進步的原動力，也是一種絶對的必要。沒有不斷的「質疑」，就沒有科學上的「創新」）。總之，「愛因斯坦」夠厲害了吧！，只靠腦袋瓜（見前文 DDS002-03292103）想想，就把宇宙萬物背後隱藏的「自然律（the law of nature）」奠定下了一個基本永固的框架。有人說，「相對論」和「量子力學（Quantum Mechanics）」是現代物理學的兩大支柱（pillars），實不為過。

「愛因斯坦」自己也說過，他的「相對論」是一種介於原理（principle） 和理論（theory）間的一種結合體，它的特質是：假如這種看法是對的，則由這種見解延伸的推論或後果（consequences），必然是存在的而且遲早可以被證實。果不其然，例如「相對論」中提到的光速（light speed；一般以 ＂c ＂來表示，如 E = mc² 中的 ＂c ＂），其實是宇宙的速限（cosmic speed limit），也就是一種常數（例如就像「卜朗克常數常數（Planck’s constant）」一樣）。這裡必須先提醒你，若你想真正的了解現代物理學的精妙神髓，千萬先改掉你根深蒂固，對這個 ＂c ＂的理解，不要人云亦云的認為這個 ＂c ＂是「光速」。其實，它指的是，任何物體 (object) 在宇宙中運動時的「速限」，換句話說，任何物體在宇宙中運動時均不可能超過此「速限」。另外，「相對論」也預期，當「光子（photon）」經過太陽時，由於太陽的巨大質量，這些「光子」的行進路徑（即我們習稱的光線，以直線行進），受其重力場的影響，會被偏折彎曲。後來這種推測也被證實確是如此。有關這些知識，我以後會慢慢的一步一步，以我的理解方式，詳細為你整理說明。

不同於往年，今年（2013 年）的 3 月 14 日，則更是一個值得大書特書的特別日子，因為繼去年7月4日，CERN首次宣佈發現了所謂的「類-奚氏玻子（Higgs-like Boson）」後，事隔八個月，今年3月14日，進一步證實，這「類-奚氏玻子」的確就是科學家（特別是物理學家）們夢眛以求、不折不扣的「奚氏玻子（Higgs Boson）」。你㑹問：什麼是「奚氏玻子」？它有那麼重要嗎？它又是怎麼測得並證實的？讓我先吸口氣，平復下我的情緒，再好好說來給你聽：

首先，依據近代「粒子物理學（Particle Physics）」中的「標準模型（the Standard Model）」理論，宇宙中所有的物質（matter），都是由17種主要的不同「基本粒子（fundamental particles）」所組成（見下圖簡表； Credit: Karl Tate, LiveScience Infographic Artist）。這些不同的粒子，依其各別質量（mass）、電荷數（charge）及旋轉性（spin）的不同，又可分為「費蒙子（fermion）」和「玻子（boson）」兩大類。其中，「費蒙子」又含有 6 種不同的「夸克（quarks）」以及 6 種不同的「輕子（leptons）」，而「玻子」則由含有「光子（photon）」和「膠子（gluon）」共5 種不同的粒子所組成。特別要注意的是，在這17種不同的粒子中，只有「光子」和「膠子」為不具質量（massless）的粒子。此外，在所有這些粒子中，其他 16 種「粒子」的存在，在過去數十年間，都已經陸續被科學家們確認證實過了，唯獨這「奚氏玻子（Higgs boson）」，迄今尚未被發現，甚至證實其是否真正的存在。

要了解這「奚氏玻子」在科學上的重要性，就不得不追朔到1964年，當年「奚格思教授（Peter Higgs；見下圖；credit: Photograph by Toni Albir, European Pressphoto Agency）」即首度提出「奚氏玻子」的存在和「奚氏場（Higgs field）」的概念，並進而認為，其他「粒子」在「奚氏場」中的反應方式或互動強度，決定了這些粒子的「質量（mass）」：即反應互動大，質量就大；反應互動小，質量則小。換言之，「奚氏玻子」的存在，解釋了宇宙萬物之所以有不同的「質量（mass）」，這個最根本的科學懸疑。這種機制，就好比有天你到梵諦岡（Vatican ）旅遊，一個人在教堂廣場前漫步閒逛，這時廣場上到處擠滿著其他遊客，可你就是孤單單一個人，也沒誰和你駐足搭訕扯淡（誰認得你啊？！）。這時人群突然一陣驚呼，只見新任「教宗方濟（Pope Francis）」由教堂大殿出口，向廣場群眾徐徐走來，人群四面八方像潮水般一擁而上，爭相一睹「教宗」的風釆。這是什麼意思？那我告訴你，「你」和「教宗」都好比是上面所說的「奚氏玻子（Higgs boson）」，廣場上的「人群」就是「奚氏場（Higgs field）」，這時你就該知道自己的「份量」了吧？！換言之，這種引起人群信眾爭睹多寡的現象，顯現了「教宗」和「你」在「份量」上的差異。因此，所有那些組成物質的「粒子」之所以有不同的「質量」，端視其在「奚氏場（Higgs field）」中與「奚氏玻子（Higgs boson）」互動之強弱而定。換言之，「奚氏玻子」的存在，解釋了宇宙萬物之所以有不同「質量（mass）」，這個最根本的科學問題。

回過頭來說，為了尋找這個「標準模型」中唯一未被尋著的「奚氏玻子」，全世界的科學家，以歐洲核子研究組織 (CERN; the European Organization for Nuclear Research)的會員國（包括德國、英國、意大利、法國和西班牙等）為首，結合了美國、印度、蘇俄和日本等國，共同集資了30億歐元，前後花了近10年的時間，於瑞士與法國邊界近瑞士日內瓦（Geneva, Switzland），地下平均深約100公尺處（175 至 50 公尺），興建了世上有史以來能量最高、造價最昂貴、軌道全長達27公里的「粒子加速器（LHC, Large Hadron Collider；見下圖；source: http://edition.cnn.com/2013/03/14/tech/innovation/higgs-boson-god-particle/index.html）」。主要是因為要能尋得這個「奚氏玻子」存在的唯一方法，就是要讓兩相碰撞的「質子」（proton-proton collision），在具有極高能量的「粒子加速器」軌道裡，能以近於光速（每秒299,792,458公尺）的速度飛行。以此新的LHC「加速器」為例，其使用的能量高達1億2千萬瓦，共用了約9600個不同功能的超導磁鐵（保持在攝氏零下271.3度極凍低溫下），並在10兆分之一的大氣壓力下，使「質子」加速到以逼近光速（99.9999991%光速）的飛行速度相互碰撞。

在歷經近 2000 兆次的「中子-中子」碰撞實驗後（註一：「中子-中子」碰撞時的能量可達 14 兆電子伏特（TeV；每一中子束之能量為7 兆電子伏特）)。註二：每秒可有6 億次碰撞；註三：平均每一兆次碰撞，才能命中且激發出一個「奚氏玻子」。有人以十公里外，讓兩根縫衣服的針迎面相互對射之命中率，來比喻此種「中子」對撞的命中機率）。結果顯示（見下圖；source: http://edition.cnn.com/2013/03/14/tech/innovation/higgs-boson-god-particle/index.html）中子在幾近光速下，與另一中子碰撞的瞬間，「奚氏玻子」即刻衰變（decay）成一對 「Z-玻子（Z-boson）」。其中一個 「Z-玻子」又衰變成一對「電子（electrons; 即圖中綠色的光束）」，而另一個 「Z-玻子」 則衰變成一對「介子（muons；即圖紅色的光束）」。依這些「電子」和「介子」被激發出來的軌道角度計算，此「奚氏玻子」的質量等同於 125.8 億電子伏特（GeV) ，約為質子質量的126倍，與「標準模型」所預期的質量完全脗合。最後，必需一提的是，科學家們為了找尋這個「奚氏玻子」，迄今一共花費了約 132.5 億歐元，而每年光是日常固定的運作費用就要10億歐元。所以說「科學」是「錢」堆出來的，「一流科學」則幾乎是「無價」的，有錢做大科學，沒錢做小科學，不要整天抱怨，更不要騙自己，身處「弱國寡民」之邦，有些事鐵定是搞不來的！



總之，今年的三月十四日（2013年3月14日），和往年格外不同，因為這一天，又在人類科學史上增添了輝煌的一頁，那就是，科學家們終於證實了「奚氏玻子」的存在，也解決了困擾科學界數十年來的最根本科學問題。至此，「標準模型」理論可說已完全被確立，也就是說，科學家們經過近半世紀以來，對宇宙中各種基本粒子的尋尋覓覓，暫時也算告了一個段落，接下來該何去何從，再再的考驗著「粒子物理」學家們的智慧。