DDS054-「微中子（I）」

本文的目的是給讀者介紹有關「微中子（neutrinos）」研究的最新發展。所謂的「微中子」，指的是一種經由「貝他衰變（beta decay）」，所形成的基本粒子，也就是核反應（nuclear reaction；例如核反應爐、太陽，甚至宇宙「大爆炸」）後的一種產物，但它不同於一般核反應後形成的輻射（radiation），而是以粒子（particle）的形態存在。如同其他許多理論物理學上的重大發現，都是先由理論演繹其存在，然後才由實驗予以證實（例如前文的「黑洞」以及「引力波」，甚至後文將介紹的「引力透鏡」），「微中子」的發現當然也不例外。雖然早在 1930 年代，理論物理學家就預期它的存在，但遲至 1953 年時才被具體偵測到，其間過程也充滿曲折，略述於下：

首先，我們知道，一個「中子（neutron）」經「貝他衰變」後，就能形成一個「質子（proton）」和一個「電子（electron）」。依據「能量守恆定律（the law of conservation of energy；即熱力學第一定律）」，自然界中任何反應，在「密閉系統（close system）」中，其反應前和反應後的總動能（momentum and energy）應維持不變（即相同），但當科學家們實際測量「貝他衰變」前後總動能時，卻發現衰變後的總動能較衰變前為少，似乎有些動能在「貝他衰變」過程中消逝了。

就在科學家們為此現象困惑不解時，已故著名物理學家 Wolfgang Pauli（1900-1958） 提出一個當時（1930 年）連他自己也沒有把握的猜想，那就是：「貝他衰變」後的產物，除了當時已知的「質子」和「電子」外，一定還有另外一個粒子被釋射出來，帶走了那缺失的動能，只是以當時儀器的能奈，還無法偵測得到。〔註一：事實上，即使以今天的科技，要偵測到這「微中子」仍是非常困難的，主要是因為它不荷電、幾乎不具質量、以光速行進，而且又不和其他物質產生任何反應；註二：「微中子」的平均質量為 3.7 eV，不到電子質量（約511,000 eV）的十三萬分之一。〕

下圖（from http://andthejoyofdiscovery.wordpress.com/tag/neutrino/）右上角即是 Pauli 的檔案照片，而圖中右下方的黒㸃，即是 Pauli 所猜測，「中子」經「貝他衰變」後，形成「質子」和「電子」時，所釋射出來的「另外一個粒子」。事隔三年後（1933 年），另一位已故的著名物理學家 Enrico Fermi（1901-1954），才替此看不見的粒子正名為「微中子」。這「微中子」名稱，在意大利文的原義上，即是「中性的小傢伙（the little neutral one）」的意思，後來有同事和 Pauli 開玩笑，把它改為「不存在的中性小傢伙（the little neutral one who isn’t there）」，言下之意即是對此「微中子」的是否真正存在，充滿著質疑。

儘管如此，最終藉由其他理論和實驗的證實（見下文），「微中子」不但存在，而且還是形成宇宙各種物質的三種主要基本粒子（參見前文 DDS003-「2013 年的 Pi Day」的説明）。另外，依其旋轉方式的不同，這些「微中子」可概分為三種： electron neutrino（e）、 muon neutrino（μ） 和 tau neutrino（τ）（見下圖左下方的三個藍色格子：from http://scienceblogs.com/startswithabang/2013/09/18/the-little-bit-of-dark-matter-we-know/）。〔註一：為表彰他們兩人對「微中子」的發現和後繼的相關研究，Pauli 和 Fermi 最終分別獲頒了 1945 和 1938 年的諾貝爾物理學獎。註二：證實「tau neutrino（τ）」存在的 Martin Perl（1927-2014；1995 年諾貝爾物理學獎得主）不幸於上個月（9 月 30 日）逝世，享年 87 歲。〕

至此，就任何一個重大的科學發現而言，既然有了理論上的支撐，也有了正式命名，接下來當然就是看能否真正偵測到它的存在了。首先，當屬 Clyde Cowan 和 Frederick Reines 兩位物理學家，藉由位在美國南卡羅萊那州（South Carolina, USA），剛新建完工的 Savannah River 核能發電廠，其反應爐的核衰變過程，偵測證實了此「微中子」的確切存在。這項重大的成果，給研究「微中子」的科學家們，帶來了莫大的鼓舞，也進一步帶動了後繼「微中子」的各種相關研究。其中之一即是，探索來自宇宙其他恆星的「微中子」，因為它們也可視同一自然界的超巨大核反應爐，也應同樣地能釋射出來更多的「微中子」。對這些來自宇宙天際的「微中子」，在天文物理學上統稱為 cosmic neutrinos，以有別於來自鄰近太陽或地球上的各種核衰變產生的「微中子」。

果不其然，歷經了近三十年的尋尋覓覓，到了 1960 年代，科學家們在加拿大安大略省礦區（Sudbury, Ontario, Canada），一名為 「Sudbury」的微中子觀測站（Sudbury Neutrino Observatory；簡稱 SNO），首次具體偵測到來自太陽的「微中子」。該觀測站建在地下約兩公里深的礦坑中，偵測器的標靶（target）為一直徑 12 公尺的壓克力圓球（見下圖；from http://www.businessinsider.com/what-is-a-neutrino-2013-12），內中充填了 1000 噸的重水（D₂O），其外層又注滿了一般的水（H₂O），用來遮阻外來的輻射，在其外圍（直徑約 17 公尺）則裝置了約 9600 個「光倍管（photomultiplier tubes；PMTs）」，用來偵測「微中子」撞擊重水分子的原子核時，所釋射出來光（即「契倫柯夫輻射（Cherenkov radiation）」的通量。另外，Raymond Davis 在美國南達科塔州（South Dakota）的一地下金礦區，也同樣證實偵測到了來自太陽「微中子」的存在。〔註：目前世界上所有有關「微中子」的觀測站，都是深埋在地下至少一公里之處，主要是為了避免，其他如核電廠的反應爐或宇宙射缐來源之干擾。〕（待續）

DDS053-「今年的諾貝爾物理學獎」

〔慟：上周五（10 月 10 日）是台灣海洋學界最黒暗的一天，船齡才不到兩年的海洋旗艦研究船「海研五號」，不幸於當天晚上 8 㸃 11 分，因天候海況不佳，於澎湖龍門外海四浬處觸礁沉沒，造成兩人（中研院環變中心研究員許世傑博士和海科中心研究人員林怡君小姐）不幸罹難，另 5位重傷，11 人輕傷。我們在此致上最誠摯的哀慟和悼念，願逝者安息，生者平安。下圖（上）為「海研五號」之前在海上航行的雄姿，而下圖（下）則為其沉沒瞬間所攝得的最後身影。〕

這篇短文算是「應景」之作，因為上周（10 月 6 日至 10 日）為科學界習稱的「諾貝爾獎周（Nobel Prize Week）」，所有今年的諾貝爾獎得主名單，在該周內依序予以一一公佈。其中星期二（10 月 7 日），即為「物理學獎」揭曉的一天，結果由三位日籍科學家（Isamu Akasaki、Hiroshi Amano 和Shuji Nakamura；見下圖；credit from Nobelprice.org），以發明藍光二極體（blue light-emitting diodes; LED）及其在現代光電科技上的應用，共同獲此殊榮。當然，如同任何獎項之評選，總是難免有遺珠之憾，最後花落誰家，總是「幾家歡樂、幾家愁」，相信對那些未能獲獎的其他被提名人而言，能被提名其實就是一種無上的光榮和肯定，何況以他們在各自領域裡的傲人成就，相信日後還是有機會贏得此項桂冠的，我們在此也先予以最誠摯的祝福。

其次，由於我這個「部落格」所關注的議題，主要均集中在粒子/量子/原子和天文物理的相關領域上，而這些領域也幾乎囊括了，歷年來頒發「諾貝爾物理學獎」的一半以上，因此本文的目的是藉此機會，針對「諾貝爾物理學獎」一些你可能不知道的相關情事，予以條列說明於下，以饗讀者，至於有關「諾貝爾獎」的整體介紹，則請參閲前文 DDS005-「諾爾獎」。

一、所有侯選人的推薦函，均是由「諾貝爾獎委員會」，以邀請方式向相關單位或個人（如過去曾獲得該獎的得主）寄發，任何個人不得自我推薦，而且所有相關資料，依規定得塵封保密 50 年後，始能公諸於世。

二、所有針對各個候選人的各項決議均採多數決，一旦確定受獎人名單後，即不可更換，也不得重提異議或申訴。下圖即為「諾貝爾獎委員會」，從發出推䔍邀請函到各階段審查的時間流程圖（credit from Nobelprice.org）。

三、自 1901 年「諾貝爾獎」設置以來，迄今（2014 年）共頒發了 108 次，其間 1916、1931、1934、1940、1941 和 1942 年，因兩次世界大戰發生或未能有適當人選，並未頒發。另外，由於其中有多次是由多人分享，故總共有 199 人獲此殊榮，但扣除 John Bardeen 分別於 1956 and 1972 獲得兩次，故實際上擁有「諾貝爾桂冠（Nobel Laureate）」的共有 198 人。有關這些得主的完整名單和其獲獎的主要貢獻和成就，有興趣的讀者，可查閱以下該網頁之說明（http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/index.html）。此外，可能正如你所料，在這眾多獲獎者中，以「愛因斯坦」最孚人氣，堪稱家戶喻曉的媒體寵兒（參閲前文 DDS002-「Pi Day (II)」及 DDS009-「愛因斯坦又對了！」）。

四、就每一年獲獎人數統計而言，其中有 47 次頒予單一個人，31 次頒予兩人，30 次由三人分享，主要是因為依「諾貝爾」先生遺言和「諾貝爾獎委員會」之規定：「受獎者必須對物理學有重大超人之貢獻，獎金可由多人分享，但最多不得超過三人」。

五、就所有得獎人的生日（birthday）而言，2 月 28 日和 5 月 21 日最多，依中國人的命理説法，這兩天應算是如假包換的良辰吉日了。

六、依得獎人的歲數而言，迄 2012 年止平均年齡為 55 歲。其中最年青的是 Lawrence Bragg，當時他才 25 歲，和他父親共同獲頒 1915 年的「諾貝爾獎」，而年齡最長者是，2002 年獲頒「諾貝爾獎」 的 Raymond Davis Jr.，當時他已屆 85 歲高齡。另外，「諾貝爾獎」從不頒發給已去逝的人，除非該人在宣佈得獎後去逝，就所有得獎人（不分獎別）而言，紀錄中只有 Erik Axel Karlfeldt（1931 年的文學獎）和 Dag Hammarskjöld（1961 年的和平獎）兩人。〔註：今年「和平獎」得主 Malala Yousafzay，來自巴基斯坦，年僅 17 歲，打破了「諾貝爾獎」有史以來，年紀最輕的記錄，真是英雄出少年，年輕人加油！〕

七、就性別而言，在眾多獲獎者中，只有兩位是女性：分別為 1903 年的 Marie Curie（即我們熟知的居禮夫人，她在 1911 年時，又獲頒了「諾貝爾化學獎」）以及 1963 年的 Maria Goeppert-Mayer。

八、有趣的是，在所有「諾貝爾物理學獎」得主中，有四對父子檔，他們分別是：1915 年的 William Bragg 和 Lawrence Bragg、Niels Bohr（1922 年） 和 Aage N. Bohr（1975 年）、Manne Siegbahn（1924 年） 和 Kai M. Siegbahn（1981 年）以及  J. J. Thomson（1906 年）和 George Paget Thomson（1937 年） 。

九、我們一般也稱「諾貝爾獎」得主為 「Nobel Laureate」，這個 「laureate」 意為「桂冠」，指的是希臘神話中阿波羅神（the God Apollo）頭頂上所戴，由月桂（laurel；學名為 Laurus nobilis）枝葉編織而成的圓形圈環。在古希臘時期，該「桂冠」主要是用來標織運動比賽中的勝利者或詩人的至高榮耀，後來才被引伸至「諾貝爾」得獎人。

DDS052-「我寫部落格的心路歷程（II）」

（承前文）回想我當時決定寫這一系列「部落格」短文的目的，無非是期望能給中文讀者，介紹一些及時的科學新知（見下圖即為最早三篇短文之簡介），而這所謂的「新知」，指的主要是一些長久以來，一直困擾著科學家們的重大科學議題，雖然目前它們還算不上，能完全解決/回答這些問題，但至少在階段性上，有了可受公評的重大突破，甚至新的發現。其實，科學的本質就是「精益求精、日新又新」，何況在解決舊問題的同時，也可能帶來新的課題，如此薪火相傳，生生不息，給人類科學文明的進展，劃下了前所未有的輝煌軌跡。

坦白説，這不是一份輕鬆、討好的工作，為了寫這個「部落格」，我平均每周必須閱讀 20 至 30 篇的科學新知報導和文章，以及其他相關的書籍（累積迄今，也大約看完了近 20 本的電子書），除了閲讀外，我也花了不少時間，分門別類，依不同主題做了詳盡的筆記。這樣過了段時間，等到自己覺得對準備要寫的主題，有了較充分的理解，而且相關資料的搜集，也累積到了足夠的量，其中若有不足或尚有存疑之處，還得再進一步詳查相關資料加以補正，待一切就緒後，才著手開始書寫，完成後再按既定的時程（目前維持每十天一篇），編排到「部落格」上。在極少數情況下，對有些論㸃，我自己也搞不懂，但為求忠於參考的文獻資料，也一定加以註明。科學首重誠實，不能壞了規矩。

我每天花在閱讀、查詢資料和書寫上面的時間平均至少 6 小時，一年三百六十五天（人出國不在台灣除外），既沒周未，也沒例假日。日子也就這般飛逝而過，咋看起來似乎也是相當單調乏味（有人說，我每天固定只會坐在咖啡廳裡寫東西，活的像 75 歲的老人，我想這只是每個人，給自己設定的人生目標不同罷了），但我的內心深處卻是充滿著興奮和快慰，想想還有什麼更好的方法，在書寫和閱讀間，能讓我不但獲得了我想了解的科學新知，更能讓我和這些新知與時共進，對我來說是何其有幸啊！回想我還在唸高中時，曾經一度希望將來自己成為一位作家，也看了許多當時成名作家的作品，後來上了大學又進了研究所，最後走上了科研教學這條路，匆匆也就過了近四十年，這個深埋在心裡的種子，也就逐日萎枯而終，不了了之了。如今能靜下心來，重新拾起禿筆，專注地寫這個「部落格」，也算是對自己「年少輕狂」的一種救贖吧！

前文DDS051-「我寫部落格的心路歷程（I）」提到，我是「糊裡糊塗」的開始寫這「部落格」的，這絕非自謙或誇大之辭。今年五、六月間，我赴美短暫停留，其間也到全美最大的連鎖書店（Barnes & Noble）逛逛，進門後逕直趨前，請問店員有沒和「部落格」有關的書籍，他好心引領我到另一通道上，兩側加起來有滿滿三個書架那麽多，全是有關「部落格」的書，也才知道寫「部落格」，還不是我先前以為的「雕蟲小技」，其中學問可大了。在其附設的咖啡廳裡，和家人喝了杯咖啡後，臨走時也就順手挑了一本入門款的書（Blogging for Dummies by Amy Bair and Susannah Gardner）。隨後斷斷續續翻閲，才知「部落格世界（blog world）」之大，超乎你的想像，阿貓阿狗，各種光怪陸離的主題，應有盡有，任何人只要有意願，無論身處何時何地，都可以「自立門戶」，盡情揮灑，何其快意！

依該書所述，第一個「部落格」始於何時，其實已不可考，但相信大概是在 1994 年，開始時稱為「網路誌 (weblog)」，後來才縮減為「部落格（blog）」。也沒有人知道，現在全世界到底有多少「部落格」（因為有的只是短暫過後，就停止中斷了），但是可以確定的是，每天的增加量非常可觀，例如在 2007 年 5 月時，有 7 千 5 百萬個「部落格」，但是到了 2013 年春的時候，已攀升到近 1 億 2 百萬，以全世界 70 億人口計，平均約每 70 個人，就有 1 個「部落格」，去除小孩和老人，幾乎每 35 個人，就擁有他自己的一個「部落格」，你説瘋狂不瘋狂？所以讀者老爺，千萬不要小覷這個「部落格圈（blogosphere ）」，它可是「大腕」的很哩！事實上，「部落格圈」這個英文字，可和你熟知的地圈（geosphere）、大氣圈（atmosphere）、生物圏（biosphere）這些專用術語平起平坐的，也是你在字典裡，可以查得到的正式英文單字。

該書作者除了教你如何一歩歩建立你個人的「部落格」外，也介紹不少收費和不收費的各種網站，視個人需要和目的可以自行選擇，這收費和不收費的區別，主要在於前者有專業團隊，可以提供更多樣的編輯和客製化版面服務。當然，像我這類「部落格」，純是為了興趣和分享，那就使用免費的網路平台即可。作者也詳述了撰寫「部落格」時，應注意的各種技巧和考量，我算是運氣好，「糊裡糊塗」地也都做到了（當然，永遠有改進的空間）。閱完該書後，我個人深覺受益良多，真是活到老學到老，也算是老狗學了新花樣。記得有部 2009 年拍的老電影（「茱莉和茱莉亜（Julie and Julia）」），就是以寫「部落格」的故事為主題，有興趣的讀者，只要鍵入該影片名稱上網搜尋，即可免費觀賞該電影。

另外，也順便吹噓一下，細心的讀者應可看出，我寫這「部落格」，可是按歩就班，一歩歩來的，一些必要的知識，都盡量在之前的「部落格」文中予以舖陳，好讓讀者老爺你們回頭參閱。你或許會問，那你怎麼知道以後會用到呢？真是大哉問，答案可是簡單不過，老許（我的自稱）就是有這種天份（開玩笑的啦，別當真），我自承是個好的「旁觀者」，但從來不是一個好的「參與者」。說㸃輕鬆的例子，那就是我過去的學生，都會把他們的男女朋友，帶來和我見個面、吃個飯，事後我總是「鐵口直斷（當然只說好的，不能壞了自個兒的口德）」，也因此促成了許多美滿姻緣。另外，我過去看好的朋友、同事，如今也大多發展不錯，有些甚至升官封爵，位居權臣，讓我也感到與有榮焉。

好了，牛也吹過了，算是給大家娛樂一下。現在回到正經事上來，為了精益求精，從 DDS047-「物理常數」短文開始，我把網誌原來的名稱（「黙生札記（David's Essay）」），改為「黙生科普札記（David's Science Notes）」，以更符合我這網誌的內容。其次，版面的配置也做了些許調整，在右側欄位最上方增加了我的「Google+Badge」，便於有興趣的讀者，可以自行㸃入追蹤，我另外在 Google+ 中分享的其他貼文，緊接著在其下方，則依序表列了我Blog 中，㸃閱率最高的五篇短文。在右欄的最下方，也增加了一個我這 Blog 自開始以來的「總瀏覽量」，依據流量統計，目前每篇「部落格」文的閱覽人次已超過 600 人，而 G+ 的每天瀏覽人次則接近 800 人。最後，在每篇短文之末，也增加了一個「意見調查」欄，若你覺得該文還算有益於你知識的拓展，請不吝勾選，並代為轉介。當然，若你有其他評論或指教，則請在其下留言處告之，作為我往後書寫時改進的參考，因為這種廻響，是任何一個「部落格」能存活下來的基本動力。（全文完）