2013年5月23日 星期四

DDS011-「質量(I)」

「質量(mass)」這個物理、化學上最常見的參數,表面看起來似乎再「耳熟能詳」不過,但真要細究起來,可就沒你想像中那麼簡單。前文(DDS-003-2013 年 的 Pi Day」)已把宇宙萬物,其之所以有「質量」的由來,做了詳盡的說明。簡言之,各種物體之所以有「質量」,主要是來自「奚氏玻子(Higgs boson)」在「奚氏場(Higgs field)」中彼此相互反應的結果。換句話說,「質量」可以視為宇宙萬物的「本質(intrinsic property)」之一。

在我們日常生活經驗中,一個物體的「質量」常以「重量(weight)」來表示,下圖所示即是此兩者間的換算公式(from: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mass.html)。由於任何一個物體,其重量的大小,又視該物體所在「重力場(gravitational field)」的強弱而定,物體受的重力愈大,重量也顯得更重,這就是為什麼,你的體重在地球上是 60 公斤,但到了月球就只剩下 10 公斤了(因為月球表面的重力只有地球的六分之一),而你要是將來有機會,去「脈衝星(pulsar)」旅遊的話,你的體重可能就超過 1000 億噸了!當然,變的是「重量」,不變的是「質量」,也就是說,儘管「重量」因地而異,但「質量」是不變的。同樣道理,你搭乘電梯上樓時,你的體重變輕,而電梯向下時,你的體重又增加了〔註:登山、搭飛機也是如此〕。你會說:「這些我都早已知道了,你把我當白癡啊?!」「好!真的很抱歉,但請稍安勿躁,我擔心的是,你可能只知其一,不知其二。」


說實話,既然你都知道了,我也不知該怎麼繼續冩下去。這樣吧!讓我換個角度來考考你。你總知道「愛因斯坦」那舉世聞名的 E=mc2 公式吧?!〔註:E 代表能量,m 代表質量,c 是「光速」。〕在這,我先不跟你深入探討這公式的物理意義,我們暫且只把它當成一個,再簡易不過的數學公式來看。那我請問你,依該公式,當「質量」為零時,「能量」是多少?你說:「當然是零。」也沒錯,依公式,看來確是如此。但是,慢點,你知道「光子(photon)」是沒有質量(massless)的,並以「光速」進行(即所習稱的光線),它可是有「能量」的,要不然我們那能用太陽能(或稱日光能)來做為替代能源。可見,「質量」這玩意,絶沒我們想像中那麼簡單,不是一個用簡單數學,就可以輕易處理的計量。

再回到「重量」,我們知道,「公斤」這個重量單位,是以至今貯存在法國巴黎的一塊鉑(platinum)銥(iridium )合金的重量,做為全世界「公斤」這個重量單位的標準,其他任何重量的量測工具,都是依此重量來釐定的。你也知道,測量一個物體的「重量」,要能達到如「原子鐘(atomic clock)」,測量時間那麼精準,以目前的科技水平來說,還是無法達成的。然而,今年 1 11日,美國加州理工學院 Holger Müller 等人在著名科學期刊〔Science 339, 5542013, DOI10.1126/science.1230767〕上,發表了一篇,題目為「連結時間和粒子質量的時鐘(A clock directly linking time to a particle's mass)」的研究報告。此論文被評為歷年來少見的「簡潔、乾淨」科學論文〔註:書寫研究論文能達到「簡潔、乾淨」的境界,是對作者一種至高無上的讚賞和肯定,表示其思慮單純、邏輯清晰、方法新穎、論證紮實。一個好的科學,就是一個簡單的科學,要是雜七雜八,扯了一大堆,看似作者知識飽滿,內容也豐碩多源,其實是在浪費期刊的寶貴篇幅,這也是為什麼,著名學術期刊的論文,大都是短小精悍,少有長篇大論的,所謂「一矢中的」、「一刀斃命」,科學文章求的是「乾淨俐落」,不要「拖泥帶水」。〕

作者在該文中,主要是利用「量子物理學(quantum physics)」的基本概念:任一物體(object)都可被視為一種「波(wave)」,並以「波動方程式(wavefunction)」表之。因為被視為波,它必然有「振動(oscillation)」,而「質量」愈「重」的物體,其振動也愈「快」,藉由此種概念,就能把「質量」和「時間」兩個原來完全不附屬的物理量,巧妙地連結在一起。換句話說,測量一個物體其波動方程的振動頻率,就可以得知其「質量」。〔註:可見在科研工作上,「學科交差」的重要性,你當然可以專注鑽研你自己本科的專業,但是若能結合其他專業的知識,不但能豐富你的研究內容,更能有助於你可能夢寐以求的創新思考。〕

Holger Müller 等人的方法,就是採用一定強度(intensity)和脈衝(pulse)的雷射光束(laser beam),先輻照部分銫-133Cs-133)原子的氣體,然後將被輻照過和未被輻照過的兩類銫原子氣體混合,觀測其彼此不同波動的干擾(interference)情形〔註:此有如你同時丟兩顆石子到池塘中,所引發的水波干擾現象〕。依據「愛因斯坦」的「相對論」,那些被輻照過的銫-133 原子,其動量較大,質量也較重,因而其振動頻率也較快,精確的測量此因振動頻率不同,所造成的時間差異,就可推算出銫-133原子的質量。Holger Müller 等人,以此法成功地測得的銫-133原子的質量,其準確度(accuracy)可達 4 x 10-9,較目前所知的銫-133原子量,在精確度(precision)上,足足的高出了十倍。

沒有留言:

張貼留言