智慧路: (科學與信仰) 上帝的粒子

2013年11月
文/黃小石

自17 世紀牛頓發現萬有引力定理以來,許多自然界的奧 秘與規律便逐漸揭開。物理學家意識到這些定律是相關的, 相信自然界的定律同於一源,所有不同現象都能用一個定 律來解釋。這是一個極大的奧秘,帶來極大的驚喜。

◎希格斯玻色子

解釋物質與天文現象最基本的理論,也是目前為止最成 功的理論——粒子物理「標準模型(Standard Model)」, 30 多年來,能無誤地解釋及預期一切可觀測的現象,但卻 有一重要缺環:這理論是對的嗎?如果是的話,這定律與 我們有何關係?它又是從何而來?

約在30 年前,美國物理學家利昂‧ 萊德曼(Leon Max Lederman,1988 年物理諾貝爾獎得主),出版了暢銷書《上 帝粒子》,述說當時物理學界一個炙熱的研究課題:如何 證實「希格斯玻色子」的存在?這是一種具有質量的玻色 子,沒有自旋,不帶電荷,且極不穩定。

也許是這個粒子的質量相對的高,半衰期又出奇的短, 難以證實;而若要證實「標準模型」又非得找到它不可, 所以利昂便稱之為「那該死(或上帝咒詛)的粒子(The Goddamn Particle)」,但是Goddamn 是粗俗用語,不宜當 作書名,所以把「咒詛」去掉,變成「上帝粒子」。

◎物質質量的來源

按照粒子物 理「標準模 型」,宇宙中 所有的物質 都由6 種「強 子」、6 種 「輕子」及4 種力場的「玻 色子」組成。 1964 年, 英 國物理學家希 格斯(Peter Higgs) 發表 重要論文,假 設所有空間都 充滿新的力場 (稱為「希格 斯場」),這力場與其他基本粒子所產生的交互作用,是 物質質量的來源。

若以大廳代表空 間,大廳中站滿的人 代表「希格斯場」, 有兩個人同時要從大 廳的一端走去另一 端;他們代表兩個不 同的粒子,其一是大 明星,另一個卻是無 名小卒;兩人進入大 廳後,許多站著的人 上來與大明星說話、 要他簽名,所以他只 能緩慢地移動,而那 無名小卒卻很快地穿 過大廳;大明星與廳 中站著的人有很強的 交互作用,便如質量 很高的粒子;無名小 卒與人沒有什麼「交 互作用」,像是沒有 質量的粒子。

若大廳中沒人(沒 有「希格斯場」), 大明星與小卒子便會 走得一樣快,故大廳 中的人把本來一樣的 情況改變了,這便是 「希格斯場」的作用 ──破壞了一種對稱 性,把本來簡單的物理現象弄得複雜,同時呈現多彩多姿 的宇宙。

◎大型強子對撞器

由於「希格斯玻色子」的質量較大,物理學家需要建造 超大粒子加速器,將質子加速到近光速,並以粒子對撞來 達到最高能量(約14 萬億電子伏特);再藉著愛因斯坦「質 能轉換」公式及量子力學原理,將撞擊能量轉換為粒子, 並從中找出「希格斯玻色子」。

1993 年,美國國會停止「超導超大型加速器(SSC)」的 建設;位於瑞士日內瓦近郊的「歐洲核子研究組織(CERN)」, 集合了8,000 多位物理學家,在1998 年建造了規模比SSC 小很多的「大型強子對撞器(LHC)」,並於2008 年啟用, 作為國際高能物理學研究中心,希望能找到「希格斯玻色 子」。

目前,宇宙平均溫度甚低,「希格斯玻色子」已衰變, 在地上找不到了。要證明它的存在,必須製造一個高溫(即 高能)環境,將一部分能量轉換成高質量粒子,再藉這些 粒子的衰變過程來鑑定這粒子。LHC 把質子加速到接近光 速,再將兩束等速的高能質子正面相撞,由質子中的「膠 子」交互作用,產生「希格斯玻色子」;這些「希格斯玻 色子」立刻衰變為雙光子(或4 個「輕子」)。

科學家分 析這些衰 變粒子的 軌跡,確定 了「希格 斯玻色子」 的存在。

LHC 的兩個 最大偵測 器產生的 資料量,每 秒千億次 碰撞, 足 可裝滿10 萬張光碟; 六個月所 得的數據, 由六千多位物理學家分析,找到300 件「希格斯玻色子」 衰變的證據。

2012 年7 月4 日,CERN 總監羅爾夫‧ 豪雅宣佈:「我 們找到了粒子物理的缺環,有了新的發現。我們發現一種 與『希格斯玻色子』相容的新粒子。」同年9 月,兩篇研 究報告在Physic Letters 發表,每篇論文由三千多位物理 學家具名,這是近代物理學一項劃時代的成就。

◎希格斯玻色子與生命

希格斯場的存在,是物質取得質量的緣由,比如電子的 質量便是出於與「希格斯場」的交互作用而得;電子具體 的質量,雖然只是沒有什麼道理的數值,卻是剛好能讓生 命存在的數值。

若是「希格斯場」的數值(246MeV) 稍微變化一些,電子 的質量便不一樣,從而轉變一切原子的化學特性。尤其是 氫、碳等元素,化學變化不一樣了,那麼生命便難以存在 了。「希格斯場」,這瀰漫整個空間獨一無二的「力場」, 其數值何以這麼「湊巧」,剛好能維續生命的存在?

「希格斯玻色子」的發現,雖然說明物理界運用了50 年 的「標準模型」基本正確,但仍有意料之外的結果:「希 格斯玻色子」衰變為兩個光子的過程存在,但細看之下, 由其所產生的雙光子數目卻比預計的多,表明「標準模型」 中可能還有些未曾預期的粒子存在,與「希格斯玻色子」 交互作用,使「希格斯玻色子」有其他的管道衰變為兩個 光子。這想法若是成立,也許可以成為將來研究及探測宇 宙中,極為神秘的「暗物質(Dark Matter)」的好方法。 「希格斯玻色子」的發現,的確找到了所有基本粒子中 最重要的粒子,為「標準模型」畫上了一個句點,同時也 揭開了新物理的面紗。

上帝讓我們用理性探討祂創造的自然界,並不故意誤導 我們。愛因斯坦說得好:「上帝是微妙難測的,但祂沒有 惡意。」

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