2015年10月11日 星期日

諾貝爾獎特寫:粒子物理made easy

今屆諾貝爾物理學獎得獎者是兩位粒子物理學家,他們發現了中微子振盪,證明中微子是有質量的。

甚麼? 中微子振盪? What the hell? 一般常人對物理,特別是粒子物理,總有一總望而生畏,敬而遠之的感覺。其實如果你要完全明白粒子量化的行為,當然牽涉到極高深的數學及抽象理論,但如果你只想明白個大概,其實粒子物理並不是那麼可怕的,甚至是十分幽默有趣。因此史丹福決定借粒子物理學再奪得一諾貝爾獎的時刻,為大家介紹一下最簡化,最淺白的粒子物理理論,讓大家認識一下我們的世界,我們的宇宙,是由甚麼組成的。



首先介紹幾個最基本的概念,其中一些概念有很可愛的又很奇怪的名稱,因為粒子物理學家大多都很幽默的,很喜歡「玩嘢」,特意改一些很貼近生活,不很「科學化」的名稱:

1. 反粒子 (antiparticle):大家在鏡裡面看到的自己,樣子相同,左右卻調轉。反粒子就好像鏡裡面的粒子,質量相同,但其他的物理性質都調轉,電荷、色電荷、自旋等都調轉。大家聽過正電子掃瞄嗎? 中學不是教電子是帶負電的嗎,為何會有正電子? 原來正電子就是電子的反粒子,質量相同,但電荷調轉。

反粒子構成的物質就是反物質,而反物質和物質一旦相遇,就會互相消滅大家,釋放出巨大能量,這個過程叫做湮滅。大家有看過Dan Brown的《天使與魔鬼》嗎? 小說也好,電影也好。那差點把梵蒂岡完全炸毀的,就是從CERN偷出來的反物質。

2. 色電荷 (colour charge):這概念用電荷來做比喻比較好解釋。很久以前,科學家發現物質有種特性,該特性有兩種狀態,兩種相同狀態會互相排斥,兩種不同狀態會互相吸引,他們加起來又會互相抵銷。科學家想用一個人們常用的概念去為它命名,令大家都容易理解,所以有了「正電荷」及「負電荷」兩個概念,其實「正電荷」沒有甚麼「正」,「負電荷」也沒有甚麼「負」,只不過電荷剛好有兩種狀態,正負同樣是兩個狀態,所以用此命名,易於理解。其實假如當初科學家把它命名為「左、右」、「上、下」,其實一樣可以呀。

同樣地,後來科學家又發現了另一種特性,今次有三種狀態,於是科學家就以顏色做類比,把三種狀態命名為「紅、藍、綠」這三原色,把這特性稱為「色電荷」。其實紅粒子不是紅色,藍粒子不是藍色,綠粒子不是綠色。道理與正負電荷一樣。

紅光加藍光加綠光會變白光,同樣地紅粒子加藍粒子加綠粒子會變白粒子,而我們世界所有物質,所有獨立存在的粒子,都必須是白色的,所以只有幾個可能組合,分別為「紅 + + 綠」、「紅 + 反紅」、「藍 + 反藍」、「綠 + 反綠」。反顏色就是之前提及的反粒子的顏色。

3. 味道(flavour) :甚麼? 顏色之後又有味道? 不錯,早就跟你說過粒子物理學家是很幽默很「玩嘢」的,特別是大名鼎鼎的葛爾曼(Murray Gell-Mann),他「玩嘢」程度到達極致,曾用佛家的「八重道」為粒子理論命名,另外他又曾用海鷗的叫聲為粒子命名,海鷗quark quark叫,所以有了quark這種粒子,也就是之後會介紹的夸克。

至於味道,有一次葛爾曼與朋友在雪糕店聊天,發現雪糕球好像粒子,不僅色彩繽紛,更有朱古力、雲哩拿等不同味道,於是它就把不同種類的粒子稱為不同的「味道」。今次諾貝爾獎主角中微子就有3種味道。

4. 自旋 (spin):這概念不太好解,有一點類似經典力學中的角動量。還記得當年A level chemistry教的electronic structure? 電子有n, l, m, s四個quantum number,當年我們不是有很多甚麼1s2 2s2 2p6 3s2 3p6,有印象嗎?

沒有印象? 好,喚醒一下大家A level記憶。



對,當中的4s1s就是spin number,自旋數的意思。電子的自旋數,可以是+1/2,或是-1/2。有的印象了嗎?

5. 世代 (generation):粒子分三個世代,我們的宇宙,有超過99.99…%的物質都是由第一世代粒子組成的,第二第三世代粒子很高質量,也就是很高能量,所以很不穩定,很容易衰變成第一世代的粒子,所以它們只於宇宙開始初期,或經粒子對撞器產生超大能量時才存在。

好,有了這些基本概念後,我們可以慢慢介紹每種基本粒子了。

根據其中一個本世紀最強的物理理論──標準模型(standard model),最基本的粒子共有三大類,夸克(quarks)、輕子(leptons)及玻色子(bosons)



夸克(quarks)6種味道,分別為上(up)、下(down)、魅(charm)、奇(strange)、頂(top)、底(bottom)。其中,updown為第一世代,charmstrange為第二世代,topbottom為第三世代。記得之前提過,宇宙絕大多數物質,都是由第一世代粒子組成嗎? 所以我們最常接觸的中子(neutron)、質子(proton),都是由三粒第一世代夸克,也就是上及下組成的。中子由一上兩下組成,質子由兩上一下組成。

為甚麼是3? 因為要3種顏色,紅、藍、綠才能組成白色的中子、質子嘛,還記得嗎?

上、魅、頂有+2/3電荷,下、奇、底有-1/3電荷。所以你計一計,就得到中子帶零電荷,質子帶+1電荷。

由三粒夸克組成的粒子,如中子、質子,叫重子(baryon),另外一類又兩粒夸克組成的粒子,叫介子(mesons),它們是由夸克與反夸克結合而成,就顏色而言,它們可以是「紅 + 反紅」、「藍 + 反藍」或「綠 + 反綠」。如香港人較熟悉的諾貝爾物理學得獎者丁肇中發現的J/ψ介子就是由一粒魅夸克和一粒反魅夸克組成。而湯川教授預測的π介子則是又上夸克及下夸克的夸克反夸克組成的。這裡說的湯川教授,不是那個很英俊有型,迷到萬千少女,剛剛新婚令大量師奶連煮飯動力都失去的「神探伽利略」福山雅治,湯川學教授;而是日本第一位諾貝爾獎得獎者湯川秀樹教授。不說你不知道,據聞湯川學的角色原形就是這位日本物理巨人湯川秀樹教授。

6種味道,3種顏色,正反粒子,6x3x2,所以夸克一共有36種。

至於輕子(lepton),最鼎鼎大名的莫過於初中生都認識的電子(electron)。而渺子(muon)及陶子(tauon)的性質與電子差不多,只不過質量更大而已。電子、渺子及陶子分別是第一、第二及第三世代的粒子。

而今次諾貝爾獎的主角中微子(neutrino)也是輕子。它們有三種味道,對應其他三種輕子,反別是電子中微子、渺子中微子及陶子中微子。

大家會考或dse時學過的beta decay,是由中子衰變成質子及電子的。但原來這並不是故事的全部,科學家發現在這衰變過程中,有一些能量靜靜消失了,但根據能量守恆定律(conservation of energy),能量不會自己消失,所以物理學家Pauli提出或者有一種粒子,靜悄悄地帶走了那點能量。「悄悄的我走了,正如我悄悄的來。我揮一揮衣袖,帶走了一點雲彩」,就是那些少許的能量。

中微子是一種神出鬼沒,幽靈般的粒子。它沒有電荷,接近零質量。說它像鬼,因為沒有人看得見鬼,鬼又可以穿透門,穿透牆,飄來飄去。而中微子,一樣沒人看得見,而且它不只可以穿透門,穿透牆,基本上沒有甚麼可以阻擋它,它可以輕易地穿透整個地球,一點困難都沒有!「輕鬆」!在你閱讀這篇文章的時候,已經有不知多少中微子穿過你身了。

這樣孤僻低調的粒子,該如何探測它呢?

Beta decay反應是:中子 質子 + 電子 + 反中微子
調轉的反應就是:反中微子 + 質子 中子 + 正電子 (這裡談的是電子中微子,其他味道的中微子都類似,只是電子收換成了對應的輕子)

那我們只要用一個滿佈質子的靶子,讓成千上萬中微子撞去,總有少許中微子能撞上質子,而放出正電子。那我們只要探測正電子就好了。正電子很易探測,因為它碰上電子就會湮滅,放出能量,我們就是要探測那些能量。

這個滿佈質子的靶子是甚麼? 是水。 水是H2O,又氫及氧原子組成,氫原子核就是質子啦。所以研究中微子的科學家都是在一個大水槽中工作。下圖就是今屆諾貝爾獎得獎日本科學家梶田隆章仗使用的「超級神岡探測器」。



牆上的圓圈就是探測湮滅能量的儀器。紅圈是工作人員,大家可以想像到這探測器有多大。當它們運作時,整個水槽都會入滿水。想不到原來水槽對粒子物理學都如此有貢獻吧?

輕子、渺子、陶子、電子中微子、渺子中微子、陶子中微子,連同其反粒子,共12種輕子。

好,最後到標準模型中的最後一類粒子──玻色子。

玻色子是傳遞基本作用力的粒子。基本作用力共有四種,反別是重力、電磁力、強作用力及弱作用力。

把蘋果掉到牛頓頭上的就是重力,但重力太複雜,不包括在標準模型內。讓磁鐵吸起金屬的,或讓正負電荷相吸的,就是電磁力。大家中學chemistry讀過的ionic bondcovalent bonemetallic bondvan der Waals force,總之令不同原子,不同分子連在一起的,都是電磁力。令中子及質子在原子中緊貼的,是強力用力,沒有了強作用力,質子們會因正電荷互相排斥而拆散,就再沒有原子了。弱作用力是負責beta decay的力。

萬物一切的力都是這四種力。那麼葉問打日本人用的力是甚麼力? 那是電磁力,因為葉問拳頭表面的質子與日本人表面的質子排斥而產生的。

傳遞電磁力的基本粒子是光子,沒有質量。會考、DSE物理都有教過,不多說了。

傳遞弱作用力的基本粒子是W+玻色子、W-玻色子及Z0玻色子,它們有質量。不但有質量,更是很重。之前提過的beta decay反應是中子衰變成質子、電子及反中微子,但原來如果我們再看深入一點,其實應該是中子衰變成質子及W-玻色子,W-玻色子再衰變成電子及反中微子。在這反應中W-玻色子就做了傳遞弱作用力的工作。科學家後來更發現原來電磁力及弱作用力根本上就是同一種力,只不過光子沒有質量,W+玻色子、W-玻色子及Z0玻色子則很重衰變得很快,所以電磁力可以遠及無限距離,弱作用力則只可以在原子核這個非常短的距離內發生作用。這個理論由粒子物理學家溫伯格(Steven Weinberg)及沙拉姆(Abdus Salam)提出,稱為溫沙理論。純一了電磁力及弱作用力是物理學中非常非常非常重要的突破,現在很多科學家窮一生之力,就是想把其餘兩種力都統一,這個理論可以解釋世界上發生的一切事情,成為「theory of everything」。

傳遞強作用力的基本粒子是膠子(gluon)。膠子與光子一樣,沒有質量,但它卻有很強的色電荷。它們傳遞強作用力,也就是負責把夸克綁在一起。兩個夸克越分開,它們之間就有越多膠子,所以能量就越強。要把兩粒夸克完全分開就需要無限大的能量,因此在我們的宇宙中,夸克永遠被綁在一起,以重子或介子形式存在。從另一個角度思考,因為膠子有很強的色電荷,它們可以交換夸克的顏色,例如紅藍膠子可以把紅夸克交換成藍夸克,所以因為膠子,我們宇宙中單獨存在的粒子必須是白色;因為膠子,夸克不能單獨存在。(夸克不能單獨存在及單獨存在的粒子必須是白色其實是同一意思,因為夸克帶紅、藍、綠色,所以它們自然不能單獨存在。) 膠子共有8種顏色。

36種夸克,12種輕子,8種膠子,連同光子、W+玻色子、W-玻色子及Z0玻色子,共60基本粒子。但標準模型預言共有61種粒子。

最後一種,就是尋尋覓覓近四十多年,在2012年終於被CERN的超級強子對撞器發現,無人不知,無人不曉,震驚全世界,小數可以上得到港聞頭版的科學發現,號稱「上帝粒子」的希格斯玻色子。


(史丹福要去街,打左咁多,post住先,返來介紹埋最後呢隻基本粒子…)

沒有留言:

張貼留言