投稿類別:物理類

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1 投稿類別 : 物理類 篇名 : 作者 : 林書秀 大安高工 電機二甲 林雨奇 大安高工 電機二甲 指導老師 : 林松裕老師

2 壹 前言 前幾個禮拜, 逛新聞網頁時看到了 上帝粒子現形? 研究團隊明天揭謎底 的新聞, 一時好奇就點進去看了一下, 因為對大型強子對撞器 <Large Hadron Collider> 挺有興趣的, 所以就開始搜集找資料, 使我對近代物理學有比較深刻的了解了, 如果真的因此發現了什麼東西的話, 我相信對整個世界的影響是相當大的, 所以我想在這把這個攸關世界的東西做個介紹 貳 正文 這座位於瑞士日內瓦近郊歐洲核子研究組織 CERN 的粒子加速器, 作為國際高能物理學研究之用 是目前世界上最大的粒子加速器設施, 由全球 85 國中的多個大學與研究機構, 超過八千位物理學家共同合力出資合作興建 大強子對撞器是史上所建的最大與最複雜機器, 設在法國與瑞士邊界的二十七公里長隧道內, 請注意這指的是一個圓周為 27 公里的圓形隧道, 因為不易找到如此大塊的平地, 因此整個設備是在地底下五十到一百公尺之間 隧道本身直徑就有三公尺, 放置兩個質子束管 加速管由超導磁鐵所包覆, 以液態氦來冷卻 耗費 60 億法郎建造, 估計全部完成會花費 80 億美金 一 加速器與對撞器 討論 粒子對撞器 Collider 之前要先談 粒子加速器 Accelerator, 自從牛頓把我們生活周遭的物理現象提出解釋後, 愛因斯坦和刻卜勒等人又把天文巨觀的現象解釋了, 量子力學再把分子級微觀的世界也提出描述, 這使得近代的物理學家很鬱悶, 一些人只好鑽到更細微的世界去, 也就是質子 電子以下的超微世界 質子的大小只有 公尺, 人類最好的電子顯微鏡都還看不到, 更細微的粒子要怎麼觀察? 所以就有科學家設計了一種設備, 利用電磁場可以把帶電粒子加速的特性, 把一束帶電粒子 ( 比如說是一束電子束 ) 加速, 當把速度加到非常高的時候去撞擊其他的粒子, 如果控制得很精確的話就可以撞碎質子, 從而利用各種分析儀器可以得到這些微粒子的資料 這種設備就叫作 粒子加速器 Accelerator, 怎麼把這些肉眼都看不到的東西, 利用電磁場去控制到精準的相撞, 真的不是想像的這麼簡單 當然剛開始做的加速器是直線形的, 不過很快就發現問題的 隨著能量的需求越來越高, 需要加速的路徑也越來越長, 動輒幾十 幾百公里的, 上哪兒找地方興建這麼長的加速器啊 2

3 於是又有聰明人改成了環狀加速器, 就像圓形的運動場跑道般, 這下只要你喜歡, 高興多跑幾圈都沒問題了 但是後來的發展又出現瓶頸, 每一個微粒子所能攜帶的能量大小與速度都有極限, 當速度接近光速時, 要再提升, 所需要的能量是呈幾何倍數增加 技術不得不再提升下發展出了對撞系統, 之前的加速器是一束高能粒子去撞一個靜止的, 而現在則是讓兩束高能粒子去對撞, 好處是顯而易見的, 能量立刻翻倍, 缺點呢? 當然需要的精密度和困難度也翻好幾倍, 失敗率也增高了不少, 這種新的型式就稱為 粒子對撞器 Collider 而 LHC 可使被加速的質子能量達到 7TeV ( 註一 ) 二 標準模型與強子 ( 一 ) 標準模型 物理學家認為宇宙具有四大基本力, 在描述次微粒子的物理學裏, 標準模型描述了強力 弱力及電磁力及組成基本粒子的理論 到目前為止, 幾乎所有對以上三種力的實驗的結果都符合這套理論的預測 但是標準模型目前找到的粒子中並沒有辦法解釋第四種基本力 - 重力 標準模型中分為費米子及玻色子 其中費米子就是組成物質的粒子而玻色子則負責傳遞各種作用力 費米子跟玻色子 ( 即力的中介者 ) 的配對, 用以描述費米子之間的力 其中包含的玻色子有 : 膠子 光子 W Z 玻色子 這些已知粒子卻都不能解釋質量的來源, 因此又另外假設一種質量粒子, 就是希格斯粒子, 推測為質量的源頭 三 超對稱 科學家在一九八 年代提出 超對稱最小擴展模型 的理論, 所謂的 超對稱 (SUSY), 有些高能物理學家相信自然界中有一種基本的對稱性, 組成世界的每個基本粒子應該都有電荷等相同的 超夥伴, 包括已知的夸克 電子等基本粒子都該有一個 超對稱粒子, 也就是說這理論要是成立, 基本粒子種類至少要加一倍 而台大物理系教授何小剛最近確認有種 X 粒子, 是標準模型中不曾見過的基本粒子, 加強了 超對稱最小擴展模型 理論成立的可能性 這超對稱到底是否存在的可能證據, 也是要觀察的重點 四 強子 3

4 所謂的 強子 指的是在原子之內的粒子, 原子是由質子 中子 與電子所構成的, 其中質子與中子組合成原子核, 而電子在外圍環繞, 原子核中的粒子間被強作用力緊聚在一起 ( 原子彈 核子彈就是利用這種力量的釋放產生驚人威力 ) 而具有強作用力的粒子都叫做強子, 簡單來說, 質子和中子就是 強子, 而大型強子對撞器中這次要作的實驗用的就是質子 五 質量與質量粒子 其實質量的觀念到牛頓之前根本沒有, 以前只知道重量而不知道有質量, 一直到牛頓用了第二運動定律 f=ma 重新定義了質量與力之間的關係, 可當時大家也以為是力與重量的關係式而已 這種情況一直到太空時代人們發現所有東西在太空中竟然都沒重量了 可是牛頓第二運動定律 f=ma 卻依然有效, 原本認為是同一樣東西卻有兩種不同的表現, 現在很清楚知道那根本就是兩樣完全不同的事情了 質量 重量, 根本不同 ( 一 ) 重力 其實重量只是質量在重力場中的表現, 因為物體具有質量, 而地球的力場作用在物體的質量上, 產生了重力, 所以重量其實只是一種力, 就是重力, 一件物體有多少重量, 是因為它的質量在重力場中產生的重力結果 而科學家將世界上的所有力量都分析研究過後, 整合成自然界的四種基本力, 強作用力 ( 強力 ), 弱作用力 ( 弱力 ), 電磁力, 重力 這四者之中就是以重力最弱, 舉例來說, 拿一塊小磁鐵就可以吸起一支迴紋針, 而這迴紋針上的重力是整個地球作用產生的, 一個小小的磁鐵產生的電磁力就可以輕易勝過整個地球的重力 可諷刺的是, 這樣微弱的重力卻是主宰整個宇宙的力量, 恆星從星雲開始凝聚成團 ; 形成星球 ; 點燃 ; 爆炸, 到死亡 ; 轉成紅巨星 ; 經歷各種核聚變, 一直到最後可能產生的白矮星 中子星 甚至是黑洞, 這所有的過程中一切依賴的全是這最小的力 - 重力 甚至有的科學家認定如果最終真的有宇宙末日, 會造成這宇宙結束的原因也是因為這個重力 但我們卻對這重力的產生來源 - 質量, 知道的卻不多 目前知道質量 一旦出現, 自己本身就會產生一個重力場, 而且這重力場很特殊, 只有單 一方向的力, 也就是說只有引力而沒有斥力, 不像磁力有吸力 斥力 而根據牛頓的運動定律, 要有質量才可以承受其他力場的力量, 也就 4

5 是沒有質量的東西不管你個頭大小, 基本上這玩意兒就是不受力 也就是 跟大小無關只和質量有關 因此很讓人疑惑這質量的根源到底是什麼? 自 己既可以發出力場, 又是受力的關鍵 1964 年, 英國理論物理學家希格斯提出一種假設, 如果質量是一種未被發現的微粒子造成的 當然這種 希格斯玻粒子 (Higgs Boson) 還沒被發現, 所以被物理學家稱 上帝粒子 或 聖杯, 這次大型強子對撞器 (LHC) 最最重要的一次實驗, 就是想試圖找到這種想像中的粒子 六 建造目的 現在這些主流的高能物理學家已經走到瓶頸了, 在基本粒子的研究上, 有個 標準模型 理論, 但有 1/3 是空有理論而無法證實的, 就如前面所提的質量粒子 希格斯玻粒子 (Higgs Boson), 其實都還只是在理論階段 而且從 20 世紀初量子力學建立後, 後來出來的理論 ( 包括黑洞理論 ) 都缺乏實際證明, 也就是這些都是架構在原有的基礎上的理論多未被證實, 可是這些物理學家等不及找到足夠的證據來證明了, 迫不及待的在這些理論之上又發展更高的理論, 在愛因斯坦相對論之後最被重視的叫 弦論, 在物理學界最多人研究的學說就是弦論, 可惜這弦論的基礎同樣脆弱得可以 這些理論就這麼一層層的疊上去, 因此只要下層的理論有一點修正, 上 面可能就要垮一票 這樣的情況下可以想見物理學家的焦躁不安了, 不趕緊 找一些實際數據證明, 自己的研究方向有沒有搞錯都完全不知道了 ( 一 ) 各式理論 1 弦論 弦論 說有九個空間維度與一個時間維度, 在宇宙大爆炸那瞬間的 10 的負 43 次方分之一秒, 所謂 蒲朗克時期 的剎那間這九個空間維度彼此相當 但在接下來這九維中的六維會蜷屈收縮成團, 存在於伴隨時空中每一點之四維坐標的小球 這六維空間收縮後的大小, 據估計皆為 10 的負 33 次方分之一公分左右 這麼小的空間在我們居住的三維空間根本測不到 所以也是必須藉對撞器重現當時宇宙大爆炸的那瞬間, 在 10 的負 43 次方分之一秒內去測量這的六維空間是否存在, 才能讓 弦論 有一個立論的基礎 2 反物質 5

6 1930 年物理學家狄拉克提出反物質的觀念, 他發現在理論上電子竟然有可能帶負電 也可能帶正電, 當時的電子可是都帶負電的, 還從沒見過正電子 1932 年在實驗室證實了正電子的存在, 很快的連帶負電的質子也出現了, 由於電性都是相反的, 因此稱呼為反物質 (anti-matter) 1980 年後實驗室更是可以大量製造反物質出來, 由於現在的反物質都是在實驗室中以高能量撞擊時, 同時生成對稱性的物質與反物質 而實驗中物質與反物質相撞會有對消湮滅作用, 將彼此都化為最基本的能量而消散, 而天文學家合理推測這宇宙中應該有一半的世界是由反物質組成 3 暗物質 這樣解釋吧, 拿條繩子綁住一顆球作圓周甩動, 有繩子綁住球才不會飛出去, 在太空中星體或星系的移動也是繞著圓周跑的, 就如同地球繞太陽般, 整個太陽系也是繞著銀河中心轉, 在這過程中綁住星球的不是繩子, 而是星球彼此之間的重力羈絆 缺少了重力拉住, 星球或星系也會 飛 出去 但是牛頓的萬有引力定律說明重力是隨距離平方變小的, 也就是說距離一旦變兩倍, 重力就變成四分之一, 這也是證明重力是在空間中是以二維擴散的證據, 維繫的重力越到外圍就越沒力, 因此越外圍星體也就不可以再維持本來的速度了, 一定要把速度降下來, 不然一樣會飛走 可奇怪的事發生了,1970 年代薇拉 露蘋 (Vera Rubin) 研究銀河系的星體運動, 訝異的發現離星系中心很遠處的恆星, 它們在軌道上的移動速率並沒有比較慢, 事實上銀河系中大部份離銀河系中心不同距離的天體, 幾乎都以近於同樣的速度在繞行銀河系 她不甘心再檢視其他的星系, 卻發現其他星系也與銀河一樣, 星體的移動都是以接近同樣的速度在繞星系中心 問題來了, 難道牛頓騙人? 要不這下怎麼解釋? 天文學家暫時決定牛頓沒有騙人, 那也就是另外有東西在幫重力的忙, 因此他們必須想出來到底是什麼幫忙拉住這些星體的, 而且這玩意兒的力量還很大, 大到遠超過我們已知星體力量的好幾倍 根據各式的天文觀測, 我們了解宇宙有著看不見的未知物 暗物質 ( 註二 ), 但這 暗物質 結構不明 組成未知 存在不明確, 甚至究竟有沒有 6

7 暗物質 也無法確定 可是這又是維繫眾多銀河系運轉的唯一解釋, 否則就要有另外的假說提出了 ( 二 ) 解決方法 這些科學家相信目前這個宇宙的主要結構與成份, 決定於最最最初宇宙大爆炸時的那大爆炸後 10 的 43 次方分之一秒內 這也就是大型強子對撞器 (LHC) 最重要的一項實驗, 摹擬出宇宙初生成的大爆炸, 看看那時到底發生什麼情況, 當時產生了那些粒子, 後來又是如何的演變 但是要作到接近的地步可是要把粒子加速到接近光速才行, 而光這點就要花上一年時間去加速 質子流加速至 99.99% 光速後, 質子束分成兩的方向射入 27 公里的環型加速管內, 每秒在環型加速管內一萬一千二百四十五圈, 兩束逆向的質子流每秒可產生六億次對撞, 每兩個質子粒子對撞時產生的溫度比太陽中心還超過十萬倍 ( 太陽中心 度, 十萬倍也就是 1.56 兆度 C) 這樣的溫度已經相當程度的接近當年宇宙大爆炸了 這些高能物理學家就是想藉此知道, 在重現大爆炸的高溫下, 是否能 讓當年的場景重現, 他們可是有好幾點疑惑想藉這次實驗解謎 1 力 物理學家認為在宇宙誕生的初期, 宇宙應該只有一種力, 後來隨著溫度降低, 才分化出宇宙四大基本力 這過程是怎麼發生的, 四種力的本質又是什麼? 為什麼重力會這麼弱? 是否有滲入其他空間維度中? 2 空間 弦論說這世界是由九維空間與一維時間構成, 而除了我們現存的 三維, 其餘六維收縮為弦狀的微小空間去了, 空間收縮的過程是怎麼 發生的? 是否就是這六維影響到重力? 3 標準模型 現今微粒子的標準模型理論有 1/3 都還在理論, 是否可以找到證 據證明這些粒子的存在 7

8 七 建造疑慮 在大型強子對撞器建造之初, 有人質疑, 兩個質子粒子對撞時撞擊點上產生的溫度, 比太陽中心還超過十萬倍, 也就是約 1.56 兆度 C 這麼高的溫度不會出問題嗎? 人類目前根本還無法控制 3000 度 C 以上的高溫 更別提什麼 1.5 兆了 這個需要詳細解說一下, 首先這個對撞只是發生在兩個質子之間, 質子有多大? 直徑約 公尺 ; 質量是 公克! 質子在接近光速的時候所攜帶的能量確實非常之大, 但這也只是僅針對質子這麼小的粒子而言 在光速的時候理論上每個質子 7 兆電子伏特的能量, 實際估計大約只能到達 5 兆電子伏特, 所以兩個質子以幾近光速的速度對撞後, 會產生 10( 理論值可到 14) 兆電子伏特的能量 電子伏特 (Ev) 表一電子經過 1 伏特電場加速所得的動能 但 1 兆電子伏特大約只是一隻蚊子飛行時具有的動能 所以溫度雖高, 但高溫時間小於 秒, 根本不足以形成任何的破壞, 同時對撞器的環型隧道是全球最大的冷凍系統, 大型強子對撞器週邊的超導體氦冷卻系統, 使機器的溫度維持在攝氏零下二百七十一點三度 所以就不用擔心了 之前還有人憂慮這模擬大爆炸會產生微黑洞, 一個不小心會把地球就這麼給吞了進去, 美國一位物理學家還真的控告到法院去, 要求法院下令停止實驗 雖然說單以機率來論, 這種事情的概率真的存在, 但是這種機率是真的相當低的, 何況事實上在我們的地球上空, 宇宙間不斷的有高能粒子撞擊到地球的範圍來, 這些高能粒子有許多所攜帶的能量還遠高於這次實驗, 地球這麼被轟了五十億年了, 也沒有產生出什麼黑洞 其實 黑洞之父 霍金大師有提出一個論點, 黑洞是會幅射蒸發的, 物質旋入黑洞, 使黑洞往同一方向旋轉而產生磁場 該磁場強到將粒子聚焦成沿著黑洞旋轉軸方向往外噴射的射流 ( 註三 ) 就從自轉軸的上下兩個方向會噴發出能量與物質, 因而會逐漸蒸發而萎縮, 如果這理論沒錯, 那微黑洞由於能量實在太小了, 恐怕在出現的一瞬間就因為蒸發而消散了, 根本不會產生任何危險 八 目前發現結果 自 2000 年運作到現在, 歐洲粒子物理研究中心 (CERN) 的兩個團隊 8

9 分別召開記者會 他們光是今年就檢視了三五 兆次粒子碰撞的殘骸, 其中約有十次可能已讓希格斯玻色子現形 ( 註四 ), 而 他們已偵測到希格斯玻色子存在的 跡象, 並大幅縮小它可能存在的區間, 假以時日, 應該就會 發現 這種粒子 ( 註五 ) 參 結論 在與我們習習相關的生活中, 也許可以靠這個大型強子對撞器讓我們能有更 多的認識, 不管是 希格斯玻粒子 反物質 暗物質 超對稱 弦論 標準模型 重力 都需要驗證 如果人類能掌控重力, 猶如科幻小說中的情節就可以實現, 人類可以自由翱 翔天際, 可以搭建浮空城市, 可以輕易取得地下礦藏, 甚至可以擁有星際航行的 能力 現今的所有能源生產方式都有缺點, 火力發電空氣污染嚴重, 水力受限地形, 風力不穩定噪音過大, 核能發電又有核污染問題, 而 物質 與 反物質 的對湮滅反應, 所產生的純能源無幅射 無污染的問題, 能源產生效率還勝過核分裂及核聚變反應, 可說是真正無限的能源, 那是人類真正的一大步 暗物質 雖然尚未證實, 但暗物質代表著人類未知可是卻維繫所有銀河星 系運轉的重要力量, 這力量如此之龐大到甚至超過質量重力的四倍, 如果能夠了 解甚至掌控這股力量, 那時就是我們能真正探訪整個宇宙的時候了吧 肆 引註資料 : 註一 : 鄔宏潘 (2009) 量子科學雜誌,15 號, 起訖頁碼 :78 註二 : 鄔宏潘 (2008) 量子科學雜誌, 復刊 12 號, 起訖頁碼 :66 註三 : 史蒂芬霍金 ( 原著 ) 吳中超 許明賢 ( 合譯 )(1995) 書名 : 時間簡史 出版 者 : 藝文印書館 註四 : 作者 : 閻紀宇 綜合報導 文章名稱 : 上帝粒子現形? 研究團隊明天揭謎底擷取日期 2010/3/18 取自網址 //tw.news.yahoo.com/%e4%b8%8a%e5%b8%9d%e7%b2%92%e5%ad%90%e7%8f 9

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6 2012 8476你猜得到它是什麼嗎 它就是 高分子! 生活中的高分子 有種物質的重要性不亞於我們所呼吸的空氣, 不管身在何處, 都有它的存在, 它甚至就隱藏在人體裡面! 人類若失去了它, 就得回到遠古時代, 甚至可能終止生命 高分子是什麼 高分子是由千個 甚至萬個以上的原子所組成, 呈現柔軟的特性 日常生活中使用的塑膠袋就是由高分子製造的, 人體組成中的 DNA 也是一種高分子 2012 8476

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