通識導賞﹕上帝粒子 解到你明

【明報專訊】一年一度的諾貝爾獎塵埃落定，村上春樹再次大熱倒灶，不過「上帝粒子」卻是眾望所歸，研究這個理論的英國物理學家希格斯，與分開發表有關理論的比利時物理學家恩勒特，獲得今屆物理獎。


早在去年，當全球最大型的實驗儀器在瑞士和法國邊境的地底，終於證實了被稱為萬物之源的上帝粒子的確存在時，就連霍金都說，「這個發現應能為希格斯贏得諾貝爾獎」。


究竟，上帝粒子是什麼？

1. 上帝粒子，萬物之源？

我們大概都知道，所有物件，都由原子（atom）所組成。而每粒原子，又包含一顆由質子和中子組成的原子核，以及若干電子。所以，要了解一件物件的質量（mass），便要從組成它的粒子着手。質量愈大，它所感受的重量愈大，我們可以透過不同的量度方法知道它的重量，可是科學家一直未能解釋，質量從何而來。去年上帝粒子被發現的時候，香港科技大學物理學講座教授蕭文禮Gary亦有親身見證，他以稻米舉例，「我們知道一顆米有幾大、有幾重，這是可以量度的，不過那只是一個數字。我們好想知道，每粒米的質量是從何而來呢？為什麼會有質量？」


印證萬物質量

在一九六四年，英國科學家希格斯（Peter W. Higgs）就提出上帝粒子的概念，認為這種無法用肉眼或普通儀器偵測到的微小粒子，會形成遍布世界、無處不在的「希格斯場」。當一些粒子在場中運動，就像在糖漿中前進，因受到阻力而變得凝滯，粒子因此有了「質量」。蕭教授再打比喻，「像我們在水中游水，水的阻力會讓人感到寸步難移，若不知道自己身處水中，還以為是體重無故增加」。科學家就假設，「如果整個宇宙都瀰漫着由上帝粒子形成的希格斯場，我們便好像從未離開過海洋的魚一樣，不知道身在水中但又感到無形的阻力。這股阻力，可理解為萬物質量的根源」。不同的魚，會有感受到不同的阻力，正如不同的粒子有不同質量。


宴會的比喻

希格斯場的概念抽象，一九九三年，英國科學部長威廉William Waldegrave舉辦一場比賽，邀請科學家用一頁紙的篇幅解釋希格斯場，最後勝出的David Miller這樣比喻﹕假設希格斯場是一個宴會場所，場裏有很多政客、工作人員。當一個普通人來到，因為不受注目，他可以自由地在人群中穿梭來往，就如一些「沒有質量」的粒子，在場中不感阻力。但當進場的人是英國首相，他必然吸引很多在場的人圍攏，即使想前進也受到重重阻礙，令他「有質量」。


之所以，科學家說沒有上帝粒子，就沒有人類，因為倘若希格斯場不存在，宇宙中的所有粒子運動時都不會遇到阻力，全都以光速前進，這樣的話，粒子將不能結合停滯，就不會有原子、DNA、蛋白質，宇宙中沒有任何物質，一切生命都不會發生。蕭教授說，科學家早已接受上帝粒子的理論，但一直無法從實驗印證。直至去年，希格斯及其他物理學家提出幾十年的假設，終在歐洲核子研究中心的大型強子對撞機（Large Hadron Collider，LCH）得到肯定。


2. 如何找到上帝粒子？

既然上帝粒子用普通方法無法偵測得到，科學家就一直想方法激發它的出現。沿用蕭教授的比喻，若希格斯場是海洋，上帝粒子就應該是水點，而要找出水點，大概就要令水中發生撞擊。科學家知道質子被撞後會轉化為能量，新粒子會因而產生。位於瑞典及法國邊境的對撞機，或稱粒子加速器，裏頭的質子被加速至接近光速的速度運行，一瞬間便經歷上百萬次碰撞。物理學家從混亂的碰撞結果找出定律，「情况跟從連環交通意外的撞擊碎片去分析車禍成因相似」。


光速撞擊 發現痕迹

質子被加速至光速的99.9999991％，兩粒質子對撞後爆炸分解，引發的能量，可以產生出上帝粒子。上帝粒子的質量，大約是質子的一百三十倍，但它只會出現數以百萬億分之一秒，之後就會分解成其他粒子。實驗室儀器就透過感應上帝粒子遺下的足迹，找出它存在的證據。


蕭教授說，若不用質子做實驗，本來其實也可用電子，「但LHC是環形的同步加速器，比質子輕的電子會損耗較多能量。若採用電子的話便需要線形加速器，要興建足夠長度的直線加速器也不容易」。要產生上帝粒子，需要的能量很高，蕭教授作出以下的比較，「其實每粒質子所帶的能量只不過是大約一隻飛蚊的動能，非常微不足道。不過LHC非凡之處是能把相等的能量擠在比蚊子小一百萬億倍的空間。因此要把質子加速至接近光速才有足夠的動能。況且加速器不單為一粒而是數以億計的質子加速 。 除此之外，加速器的磁石需要冷卻至接近絕對零度才能運作。以我所知，他們所交的電費很高昂」。


3. 找到上帝粒子後，可以做什麼？

上帝粒子是探索宇宙藍圖的重要線索，科學家和哲學家長久以來都希望能夠從不同物質研究宇宙如何組成。蕭教授說，「我們現今所知道的事物，都由原子所組成」，但事實上「原子只佔宇宙裏所有物質的百分之五，還有很大部分是不明的所謂『暗物質』和『暗能量』」。上帝粒子的「出現」，相信科學家會有更多新發現。


地底實驗室避干擾

歐洲核子研究中心（CERN）位於法國及瑞士邊境的地下大型強子對撞器，是現今世界上最大和最複雜的實驗儀器。從構思至今經歷了三十多年是由來自百多個國家、近萬個科學家和工程師長年累月合作的成果。它建在地底約一百公尺，圓周達27公里，像一條巨大的地底隧道。.


蕭教授說，實驗要在地底進行，主要是避免從外太空來的「不速之客」——宇宙射線。這些來自外太空的高能粒子偶爾會穿透地球大氣層，在地面的儀器是可以「感受」到的。這些不速之客會擾亂對實驗結果的分析。二來，在地底進行可以盡量減少周遭環境對實驗造成的影響。地面上的一切活動，例如貨車駛過也可以騷擾到實驗的運作。


選址法瑞邊境

這個龐大的加速器，選址瑞士法國的邊境，蕭教授說很大程度是因為CERN的基地就在瑞士日內瓦。「CERN是個國際化的組織，有不少來自世界各地的專家長駐，選址在附近是可以理解的」。美國芝加哥其實本來也有一個加速器，不過由於加速器的能量和碰撞頻率不夠高，所以無法找到上帝粒子。現在上帝粒子已被發現，科學家正開始籌備下一個大計劃。「聽說中國對未來興建比LHC更強大的加速器亦有興趣作進一步研究，若然成事將帶動中國科技以及整個社會的開展」。


正名「希格斯玻色子」

翻查資料，最初「上帝粒子」這名稱首先在一本科普讀物中出現，而並非由希格斯所提出。有人認為，利用類似神學的字眼來命名這種不太多人明白的粒子，似乎是為了觸動那些反科學的宗教者。作為無神論者，希格斯其實並不喜歡「上帝粒子」的稱呼，他起初並不願意把自己的名字冠在粒子之前，可是他最後寧願這稱為「希格斯玻色子」（Higgs boson）。


■希格斯場動畫﹕ed.ted.com/lessons

文 陳嘉文

圖 資料圖片、網上圖片

編輯 方曉盈

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