62-67

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霞罗
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1 宇宙新認識隨著宇宙科學的進展, 原以為已建立了頗為完整的科學宇宙觀, 但最近科學家推論人類認知的宇宙, 實際上只占宇宙物質及能量整體總和的 5% 果真如此, 那麼人類對宇宙的認識仍極有限! 陳露生

宏觀的宇宙宇宙浩瀚硎乎人硎的想像硎它的硎源為何硎本質真硎又是什硎硎人硎硎古硎今在硎本溯源的好奇心硎動下硎硎硎科技的硎展硎對宇宙的硎硎似乎已有幾個硎段的大幅增硎按天文物理學家的硎硎硎我們硎硎測到的最遠星系硎硎在 140 億光年硎硎 10 23 公硎硎之外在硎硎一個廣大的硎硎裡硎有數兆個星系硎硎 10 12 個硎硎平均每個星系包含 1,000 億個恆星硎硎 10 11

2 宏觀的宇宙宇宙浩瀚硎乎人硎的想像硎它的硎源為何硎本質真硎又是什硎硎人硎硎古硎今在硎本溯源的好奇心硎動下硎硎硎科技的硎展硎對宇宙的硎硎似乎已有幾個硎段的大幅增硎按天文物理學家的硎硎硎我們硎硎測到的最遠星系硎硎在 140 億光年硎硎公硎硎之外在硎硎一個廣大的硎硎裡硎有數兆個星系硎硎個硎硎平均每個星系包含 1,000 億個恆星硎硎個硎硎因此硎前所硎硎測到的硎個宇宙硎硎包含有硎個恆星硎也就是 1,000 億兆個恆星硎個天文數字硎如果用硎容易理硎的硎法來描述硎可以硎成硎宇宙恆星的硎數硎硎未必比地硎上所有海邊硎硎的硎數硎來得少硎個比喻硎硎人想硎在硎硎聖硎創世硎硎 22 硎硎 17 硎硎硎的硎硎承硎亞伯拉硎硎我必使你的後硎硎增硎如同天上的星硎海邊的硎硎一應硎硎似早已向人們宣告硎天上星星的數硎和海邊硎硎的數硎是硎硎硎硎的! 微觀的基本粒子宏硎的宇宙固然令人硎嘆其廣硎無邊硎微硎的宇宙同樣令人硎硎其硎微奧硎依據物理學家所建硎的物質基本硎子標準模型硎宇宙中所有的物質硎由基本硎子構成各元硎的基本硎子是各元硎的原子硎各硎原子則由原子核硎硎原子核旋硎的硎子所硎成各元硎的原子核由不同數硎的質子及中子所構成硎質子及中子則由更小的基本硎子夸克硎子硎所硎成夸克硎前硎實硎硎接硎實有上下硎奇硎底硎 6 硎夸克存在硎兩個一硎硎 3 硎夸克其中硎夸克是在 1974 年由硎硎物理學家丁硎中硎現的硎硎夸克則是於 1995 年由硎國硎硎國家實硎室硎現的各硎夸克硎質硎差硎很大硎最硎的硎夸克硎其質硎硎硎於一個硎的原子核硎硎最硎的上夸克硎其質硎只有硎夸克的三硎六千分之一理硎上硎各夸克硎有其硎對應的反硎子存在 2 個以上的夸克硎強核力作用硎硎成強科學頑童理查費曼費曼博士為量子電動力學理論解決了不少問題蠥同時他首創了一個解釋液態氦超流體現象的數學理論之後蠥他跟葛爾曼合作蠥研究弱交互作用 ( 例如貝塔衰變 ) 蠥做了許多奠基的工作後來數年蠥費曼成為發展夸克理論的諳鍵人物蠥提出了在高能量質子對撞過程中的成子 (parton) 模型子硎例如兩個正反夸克硎成介子硎 3 個夸克則硎成硎子輕子硎子也是構成物質的微小基本硎子硎硎前硎實硎硎實存在的硎子有硎子硎子濤子及其各硎硎對應的微中子硎硎各硎硎子理硎上也各有其硎對應的反硎子存在 1931 年安德森在宇宙射硎中硎現正硎子硎 1956 年實硎硎實微中子的存在硎子的質硎大硎是硎夸克的三十五硎分之一硎基本硎子硎的硎互作用力有 3 硎硎按其強度大小硎依序是強核力硎磁力弱力基本硎子硎的硎 3 硎作用力硎硎力硎構成硎然界已知的 4 硎基本作用力強核力是強度最大的基本作用力硎是硎硎力硎夸克硎束硎在強子中硎它攜帶的硎硎硎分為硎硎硎 3 硎硎硎揮作用硎硎產生硎力硎硎似因硎硎硎產生硎磁力硎硎好像一條弦一樣硎科學發展 2006 年 4 月蠥 400 期 63

把夸克拉在一硎形成強子硎條弦硎作硎子硎硎硎硎子來傳硎力硎硎描述強核力的理硎硎硎為硎子硎動力學硎硎理硎使強作用得以和弱作用硎磁作用硎一用硎似的數學模式加以描述 2004 年的硎硎爾物理獎硎就硎硎 3 位硎國理硎物理學家硎以硎彰他們在 1973 年硎現強作用理硎中夸克硎子具有漸硎硎由的性質也就是夸克硎的作用力硎會硎硎硎硎硎小硎減弱硎漸硎硎由硎硎反之硎硎夸克彼此硎硎硎硎交互作用就硎

圖中的粉紅色圓點蠥則是符合各種現代觀測數據的宇宙物質 - 能量組成模式顯示宇宙不僅由傳統的物質所構成蠥麉必須包含大量的暗物質及暗能量蠥才能與各種觀測結果吻合大硎無法成為硎由硎子硎硎會硎在一硎以上硎現硎對奠定硎子硎動力學的基礎及建構硎子標準模型硎硎獻硎多硎磁力是因硎硎硎產生硎其強度大硎是強作用的 10-2 倍弱力是硎子之硎硎磁力以外的作用力硎其強度大硎是強作用的 10-14 倍

3 把夸克拉在一硎形成強子硎條弦硎作硎子硎硎硎硎子來傳硎力硎硎描述強核力的理硎硎硎為硎子硎動力學硎硎理硎使強作用得以和弱作用硎磁作用硎一用硎似的數學模式加以描述 2004 年的硎硎爾物理獎硎就硎硎 3 位硎國理硎物理學家硎以硎彰他們在 1973 年硎現強作用理硎中夸克硎子具有漸硎硎由的性質也就是夸克硎的作用力硎會硎硎硎硎硎小硎減弱硎漸硎硎由硎硎反之硎硎夸克彼此硎硎硎硎交互作用就硎宇宙全部物質 - 能量的組成圖中縱座標表示暗能量的量蠥橫座標表示物質的總量蠥包含可見物質及不可見物質綠色範圍以外不符合由 CMB 觀測所得的宇宙物質及能量的分布模式黃色範圍以外的部分蠥不符合觀測所得的星系團性質藍色範圍以外的宇宙物質及能量的分布模式蠥則不符合觀測超新星所得的結果圖中的深藍色圓點蠥是經精確推定的宇宙中所含標準物質模型的物質總量圖中的粉紅色圓點蠥則是符合各種現代觀測數據的宇宙物質 - 能量組成模式顯示宇宙不僅由傳統的物質所構成蠥麉必須包含大量的暗物質及暗能量蠥才能與各種觀測結果吻合大硎無法成為硎由硎子硎硎會硎在一硎以上硎現硎對奠定硎子硎動力學的基礎及建構硎子標準模型硎硎獻硎多硎磁力是因硎硎硎產生硎其強度大硎是強作用的 10-2 倍弱力是硎子之硎硎磁力以外的作用力硎其強度大硎是強作用的倍作用力傳紈子按硎子標準模宇宙中尚有糑 95 糑的物質及糑糑糑屬於暗物質及暗糑糑糑人糑對其一無所知糑科學家既秝測不到糑也不了糑糑些暗物質及暗糑糑存在的形式及性質圖片提供磧國磧磧然科學博物磧磧磧樺 2001 年 4 月美國太空總署發布新聞指稱蠥哈伯太空望遠鏡觀測到一顆形成於 100 億年前的超新星 ( 左下圖箭頭所指處 ) 蠥正持續加速遠離我們 ( 右下分析圖 ) 也就是說蠥宇宙擴張的速度沒有減緩蠥反而愈來愈快這個新證據支持了愛因斯坦 80 多年前提出的神祕暗能量正在加速宇宙擴張的理論科學家認為暗能量可能是解開時間空間物質與能量本質的諳鍵所在蠥目前仍不知道它到底是何物蠥也不知道直接觀測和研究它的方法 64 科學發展 2006 年 4 月蠥 400 期

型硎基本硎子硎的硎互作用硎是硎由交換傳硎子來硎現的例如夸克之硎的強作用硎是由 8 硎不同硎子所傳硎硎微中子以外的其他硎子硎因有硎硎硎它們硎的硎磁作用是由光子來傳硎硎硎子硎包含微中子硎硎的弱作用硎是由 W 玻硎子及 Z 玻硎子來傳硎的最後硎 2 硎傳硎子於 1983 年硎實硎室硎現硎實硎硎於傳硎硎力的硎子硎硎今尚未硎實硎硎實暗物質及暗能量

4 型硎基本硎子硎的硎互作用硎是硎由交換傳硎子來硎現的例如夸克之硎的強作用硎是由 8 硎不同硎子所傳硎硎微中子以外的其他硎子硎因有硎硎硎它們硎的硎磁作用是由光子來傳硎硎硎子硎包含微中子硎硎的弱作用硎是由 W 玻硎子及 Z 玻硎子來傳硎的最後硎 2 硎傳硎子於 1983 年硎實硎室硎現硎實硎硎於傳硎硎力的硎子硎硎今尚未硎實硎硎實暗物質及暗能量物理學家硎合各硎硎硎的最新天文硎測數據硎包括宇宙微波硎景星系團硎新星硎資料硎獲硎硎人的推硎硎前述數硎硎大的星硎中硎所包含的傳硎可見的物質硎硎硎實硎上只占宇宙全硎物質及硎硎硎和的 5 硎換硎之硎宇宙中尚有硎 95 硎的物質及硎硎硎屬於暗物質及暗硎硎硎人硎對其一無所知硎科學家既硎測不到硎也不了硎硎些暗物質及暗硎硎存在的形式及性質宇宙微波硎景源硎硎 140 億年前宇宙大爆炸初始硎熾熱的硎漿物質所放射出的光硎在宇宙不斷硎硎擴大硎硎中硎它們硎硎數十億年才傳抵地球硎使人硎有機會硎由現代先硎儀器硎硎測分析其硎現的硎硎形式硎以了硎宇宙初期物質及硎硎的情形硎及硎硎宇宙硎硎擴大後其硎對應的硎化星系團是宇宙中物質硎中的區域硎其中包含硎硎放 X 光的大硎熾熱氣硎硎由熾熱氣硎的溫度及硎河硎硎的硎度硎科學家可以推估星系團的硎質硎硎硎現它遠遠硎硎由硎測得到的硎河及熾熱氣硎的質硎此外硎在宇宙擴展硎硎中硎硎硎時硎硎大硎形成的硎河硎系硎也提供了暗硎硎存在的佐硎硎新星是恒星爆炸時所形成的硎它硎在很硎暫時硎內放出如硎河硎亮度的光硎硎因此硎在極為硎遠的地方硎天文學家仍得以捕捉硎測硎並硎由硎測其亮度硎可推硎其硎硎及硎硎硎度硎以了硎宇宙硎時硎硎硎硎的情形中央大學太硎及硎測硎硎中心硎幾年的天文硎測硎也曾硎現硎新星的爆炸硎並得到國硎的承硎硎於暗物質及暗硎硎占宇宙硎大硎分物質及硎硎的硎大硎現硎使人硎對宇宙的硎知及探硎硎硎入了一個全新的硎硎它對科學界所硎成的影硎及硎撼硎可媲硎 16 世硎波硎天文學家哥硎尼提出的地動硎硎硎學硎主張地球是硎硎太硎硎硎硎硎推硎了硎時公硎的地球是太硎系中心的硎硎硎念硎對人硎的宇宙硎奠硎一硎硎的新硎硎碑 and STScI 科學家首次繪製出的暗物質分布圖新物理理論的建構由於天硎物理學及硎子物理學不斷地有新硎現及新推硎硎使得前述硎子標準模型在硎硎硎硎現硎時不夠完硎硎無法一硎硎用例如硎愛因斯坦以來硎科學家們一硎希望硎找到一硎大硎一理硎硎把 4 硎基本作用力用硎一的數學模型加以描述硎但硎今尚未完全硎成硎特別是硎力尚未硎以硎子理硎硎硎硎磁作用弱作用強作用硎一加以描述此外實硎硎測所見硎偶有硎既有標準模型不硎完全吻合的地方硎似硎硎可硎有尚未硎人硎現的其他基本硎子及作用硎係如今推斷有人硎一科學發展 2006 年 4 月蠥 400 期 65

個振動態的性質對應到不同硎子的性質圖片提供磧國磧磧然科學博物磧磧磧樺 1997 年 5 6 月間蠥哈伯太空望遠鏡發現位於武仙座方向的宇宙深處蠥距離我們約 60 億光年外的一次巨大超新星爆炸這是爆炸前後照片對照所看到的突然出現的巨大超新星爆炸

string theory 硎硎對硎理硎硎 supersymmetry 硎硎硎就是理硎物理學家硎步建作用愈強硎硎子的質硎就愈大交互作用硎硎為硎子帶來質硎交互構的理硎模型硎以硎強既有的標準模弦硎是 1970

Higgs 硎的名字命名硎弦不硎是何硎硎弦可以振動硎各弦硎的特殊硎是它描述的硎子場硎可硎只有一個硎也就是數學上可硎的模型只有一個硎硎合硎有理硎必硎的唯一性硎使很多科學家硎信硎是一個找尋更基本理硎的正硎方向

再硎硎弦硎硎動包含了硎子硎力場硎因為弦硎模型中硎硎是有一個振動態對應到硎力子的性質硎使弦硎得以推導出愛因斯坦的廣硎硎對硎硎也就是硎力作用的理硎可以用硎子化的方式來描述

5 個振動態的性質對應到不同硎子的性質圖片提供磧國磧磧然科學博物磧磧磧樺 1997 年 5 6 月間蠥哈伯太空望遠鏡發現位於武仙座方向的宇宙深處蠥距離我們約 60 億光年外的一次巨大超新星爆炸這是爆炸前後照片對照所看到的突然出現的巨大超新星爆炸無所知硎且占宇宙硎大硎分的暗物硎理硎硎為每個基本硎子的質硎是硎質及暗硎硎硎更硎一步佐硎硎由某硎機制產生的根據硎理硎硎所子標準模型有待硎強及修正有物質的基本硎子和硎力硎子硎硎會希格斯場硎 Higgs field 硎弦硎硎另一硎硎子硎希格斯玻硎子硎硎生硎 string theory 硎硎對硎理硎硎 supersymmetry 硎硎硎就是理硎物理學家硎步建作用愈強硎硎子的質硎就愈大交互作用硎硎為硎子帶來質硎交互構的理硎模型硎以硎強既有的標準模弦硎是 1970 年代為硎硎某些強型硎硎由數學推演來推硎硎干物理現子現硎硎硎出來的硎再推展到基本硎硎但硎些理硎尚未硎硎由實硎得到子的物理理硎它把物質基本硎子硎完全的硎硎為一個硎段硎硎硎段可硎是硎希格斯場以理硎物理學家彼得弦硎也可硎是一個硎圈硎硎作硎希格斯硎 Peter Higgs 硎的名字命名硎弦不硎是何硎硎弦可以振動硎各弦硎的特殊硎是它描述的硎子場硎可硎只有一個硎也就是數學上可硎的模型只有一個硎硎合硎有理硎必硎的唯一性硎使很多科學家硎信硎是一個找尋更基本理硎的正硎方向其次硎在硎子硎子場硎的數學推硎中硎硎是出現一些無硎大的硎硎硎硎得不合理硎但弦硎沒有硎硎無硎大的問硎再硎硎弦硎硎動包含了硎子硎力場硎因為弦硎模型中硎硎是有一個振動態對應到硎力子的性質硎使弦硎得以推導出愛因斯坦的廣硎硎對硎硎也就是硎力作用的理硎可以用硎子化的方式來描述弦硎中硎了一硎的弦外硎硎有其他硎數的物硎硎一硎物硎的獨特硎硎硎淡化了硎各硎不同硎數的物硎地位平硎地存在於弦硎中弦硎的硎測之一是時硎的硎數是十硎硎也有另一個對偶理硎硎測的時硎是十一硎硎然圖片提供磧國磧磧然科學博物磧磧磧樺 15 世紀歐洲由教皇主政蠥那是一個以地球為宇宙中心的地心體系時代蝣時學者哥白尼主張日心地動說蠥他想提出太陽居中行星和地球都繞著太陽轉動的日心體系觀點蠥但是不敢說蠥直到 1543 年確定自己將死時才對外發表而在西漢末年的尚書經. 考靈曜中已有一句話 : 地恒動不止蠥而人不知蠥譬如人在大舟中蠥閉牖而坐蠥舟行而不覺也這句話的意思和後來哥白尼所發表的看法雷同 66 科學發展 2006 年 4 月蠥 400 期

http://www.ed.ac.uk/news/ebulletin/july05/article35034.

6 20 世紀 60 年代蠥英國科學家彼得希格斯提出蠥空間都彌漫著大量至今未知的神祕亞原子粒子 - 希格斯玻色子這種宇宙大爆炸時產生的粒子與宇宙中的普通物質相互作用蠥導致它們有了質量蠥現今人們看到的恆星行星和宇宙蠥都是以這種模式產生的多年來蠥科學界雖然花費了大筆資金蠥但是仍沒找到希格斯玻色子的蹤跡大量實驗結果顯示蠥希格斯玻色子很可能存在蠥但需要更大規模的實驗設備才能發現它硎硎告訴我們時硎只有四硎硎但可硎的原因之一是多出的六硎或七硎硎得很小硎未硎硎測到另一個可硎硎是我們其實活在一個四硎的孤硎硎域上硎且時硎的形狀及硎度硎硎硎我們如何定硎其測硎方法才有意硎理硎中推導出來的時硎性質硎在一些假想的情況中硎可以和我們的硎硎大不硎同硎對硎理硎最早於 1971 年硎提出硎理硎中每個玻硎子硎有它硎對應的硎硎子硎硎每個硎硎子有它硎對應的玻硎子硎硎玻硎子硎硎硎子硎互硎換的對硎性硎就叫做硎對硎性硎它硎對應伴硎的硎子硎為硎伴子硎伴子硎未硎硎現硎每硎硎子的硎伴子硎硎為硎硎子硎例如夸克硎子的硎伴子硎為硎夸克硎硎子硎其硎如中性伴子硎力伴子硎硎伴子硎硎是為了探硎前述 95 硎以上的宇宙未知物質及硎硎硎各國物理學家天文硎測硎備及最先硎的實硎室硎正分工合作硎硎多方硎的硎硎硎期望硎把人硎所知極其有硎的宇宙奧硎硎步硎硎宇宙科學探索的方向依據硎國國家科學基硎會及硎源硎委由 17 位硎國知名物理學家硎成的顧問委員會硎於 2004 年 6 月提出的報告硎子宇宙硎 21 世硎硎子物理的硎命硎 Quantum Universe 硎 the revolution in 21st century particle physics 硎硎硎硎於硎國史丹硎大學工學硎硎硎硎硎具硎建硎以下列 3 個主硎硎 9 硎硎硎的物理基本問硎硎做為 21 世硎探硎宇宙科學的主硎方向主軸一 : 大統一力場理論硎 1 硎是否硎有未硎硎現的硎然界原理硎新的物理法則定律硎硎 2 硎如何硎硎暗硎硎的奧硎硎硎 3 硎硎已知的 4 硎時硎外硎是否有更多硎度的硎硎硎硎 4 硎硎然界的 4 硎基本作用力是否歸於同一來源硎主軸二 : 物質基本粒子硎 5 硎硎今已知物質的基本硎子有 57 硎硎為何有如此多硎硎子硎硎 6 硎暗物質硎硎是何物硎如何在實硎室中硎硎出來以供硎硎硎 7 硎微中子硎提供科學家何硎探硎宇宙的硎硎硎主軸三 : 宇宙演化進程硎 8 硎宇宙如何演化成今日的狀態硎硎 9 硎反物質為何消失無硎硎陳露生矺法矺科學發展 2006 年 4 月蠥 400 期 67