2013 九月號

 

第九十五期電子報  出刊日期:1020915   

 

 


 

粒子與場是真實的嗎? 

 

 

 

 

物理學經常把宇宙描述成是由微小的基本粒子所組成的,這些粒子會透過力場相互拉扯。他們稱此學科為「粒子物理」,而稱此工具為「粒子加速器」,所認定的世界觀類似「樂高」積木的組合模型。但是這樣的觀點卻隱匿了一件鮮為人知的事實:量子力學的粒子詮釋以及場詮釋,大大超出了我們平常對於何謂「粒子」與何謂「場」的認知,以至於越來越多的人相信世界可能是由某種完全不同的東西所組成的。

 

問題並不在於物理學家欠缺一套能夠恰當描述次原子世界的理論——他們已經有了這麼一套理論,它的名字就是「量子場論」。理論物理學家在1920年代末期至1950年代初期發展出了這套理論,它結合了更早的量子力學與愛因斯坦的狹義相對論,成為粒子物理中標準模型的概念根基。標準模型能夠用一個共同的架構來描述物質的基本組成元素以及它們之間的交互作用,是科學史上最成功的理論。物理學家每天用它來計算粒子碰撞的結果、大霹靂時物質的合成、原子核內的極端情形以及其他種種狀況。

 

所以大家可能會驚訝物理學家居然還沒弄清楚這麼一套成功的理論到底在講些什麼,也就是究竟什麼是其「本體」,或者說,什麼是其物理圖像。這個問題和已經討論甚多的量子力學之謎(例如封閉盒子裡的貓是否可以同時既是死的又是活的)是不同的兩件事;我們如果不能好好詮釋量子場論,在探索(超越標準模型的)任何可能的新物理(例如弦論)路途上,便會受到阻礙。假如我們還不了解已有的理論,就很難建構新理論。

 

乍看之下,標準模型的內容很清楚:第一,它有一群基本粒子,例如夸克與電子;第二,它有四種力場,可以傳遞這些基本粒子間的交互作用。這樣的圖像出現在教室的黑板上,也出現在《科學人》的文章中。可是無論這個模型如何成功,它還是無法令人全然滿意。

 

首先,粒子與場的分際其實很模糊。量子場論分配給每一種基本粒子一個場,例如電子有電子場;與此同時,傳遞交互作用的力場都已量子化,沒有連續性,因而產生了粒子(例如光子、膠子),所以粒子與場的區別似乎是人為的。物理學家經常把兩者之一看成是更為基本的東西,這一個問題——究竟量子場論最終是關於粒子或是場——引來了不休止的辯論。一開始這是大人物間的爭論,雙方陣營都有著名的物理學家與哲學家支持。儘管多數物理學家承認古典概念並不適合量子場論,然而即便是今日,兩種觀點在教學場合都還派上用場。如果「粒子」與「場」等字眼所引發的意象並不符合理論的內涵,物理學家與哲學家就應該想出替代辭彙。

 

既然這兩種標準的古典概念纏在一起成了死結,一些物理哲學家已經在建構更為激進的替代品。他們設想物質世界最基本的組成元素是無形的東西,例如關係或性質。一個特別激進的點子是一切東西都可化約至無形之物,而不必提到個別的物體。這是非常違逆直覺的革命性觀點,但有些人爭辯說,迫使我們不得不接受這想法的正是物理。

 

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2013年第139期9月號】

 

撰文/庫爾曼(Meinard Kuhlmann)

翻譯/高涌泉


 

 


 

 

 

行星寶寶披羽絨毯 天文新發現

 

中央研究院團隊觀察發現,金牛座的RY星有一層前所未見的半透明塵埃層,
就像柔軟的羽絨毯,孵化著年幼的行星寶寶。
(圖取自中研院天文及天文物理所網頁www.asiaa.sinica.edu.tw)

【中央社記者陳至中台北23日電】

中央研究院團隊觀察發現,金牛座的RY星有一層前所未見的半透明塵埃層,就像柔軟的羽絨毯,孵化著年幼的行星寶寶。

由中研院天文及天文物理所助研究員高見道弘主持的研究團隊,加入國際大規模系外行星及星盤普查計畫,以金牛座RY星作觀察對象,論文本月發表於「天文物理期刊」,獲得國際重視。

高見道弘指出,科學界認為環繞年輕恆星的「原行星盤」,也就是一圈盤狀氣體和塵埃,就是行星形成的現場。這些塵埃會形成類地行星、類木行星、衛星、行星環、小行星等。

中研院團隊則是發現在「原行星盤」外,還覆蓋著一層半透明的塵埃。高見道弘團隊運用夏威夷的Subaru天文望遠鏡及日冕儀,成功在「近紅外波段」取得一張金牛座RY星的圖像。

RY星是一個年輕的恆星,而上述圖像非常特別,高見道弘等人觀察到微妙的跡象,RY星的盤面輻射光偏離了中心,像是覆蓋著一層蓬鬆的羽絨毯。

研究團隊猜測,這層塵埃是掉落到形成恆星後的殘留物,「保暖」著原行星盤的溫度,可能影響到該恆星系統裡的行星數目、體型大小。

為了證實這圈「羽絨毯」的存在,而非只是原行星盤的散射光,中研院團隊進行了大量的模擬計算,最後排除其他可能性。論文發表於「天文物理期刊」,被認為對天文學界瞭解行星系統的形成,是一大進展。  

全文網址:http://www.cna.com.tw/News/firstnews/201308230031-1.aspx

 

新書介紹

 書  名:《宇宙起源》
 作  者:李傑信
       美國洛杉磯加州大學物理博士
      美國航空暨太空總署總部太空任務科學家

 出版者 :臺大出版中心
 出版時間:2013年8月

導讀 

⊙李傑信

五百年前,人類還為地球是不是宇宙的中心爭論不休。通過對火星軌道的觀測,尤其開始使用犀利的望遠鏡後,太陽是我們宇宙中心的事實,終於塵埃落定。望遠鏡也像魔鏡一樣,打開人類的視野,直直伸向幾近無窮的蒼穹。


 

 


 

學科中心近期研習活動

 

 主  題:自然領域數位化科學實驗演示南區教師工作坊
 日  期:102.10.17(四) 08:30~12:30
 地  點:國立高雄中學
 講座師資:全中平教授、學科中心種子教師 
 參加對象:中、小學對數位化科學實驗演示有興趣的教師

 主  題:物理學史研習會
 日  期:2013年9月28日(星期六)08:30~17:30
 地  點:臺北市士林區外雙溪東吳大學第一教學研究大樓 源流講堂(R 0601)
 講座師資:北京清華大學物理學系退休教授郭奕玲、沈慧君
      河北大學宋史研究中心、科學技術史研究所教授厚宇德及國內學者
 參加對象:大、中、小學對物理學史有興趣的學者專家、教師及學生

 

 

 


科學活動及演講

 

 主  題:神之粒子, 然後呢? 
 報名日期:102.09.10(二)15:30~17:30
 參加對象:青少年學生及一般民眾 
 研習地點:臺大集思台大會議中心–國際會議廳 
 活動網站:http://case.ntu.edu.tw/register/

 

 主  題:「週日閱讀科學大師」講座
 日  期:102.09. 15~12.22 每週日上午10:00~12:00
 地  點:國立科學工藝博物館南館國際演講廳
 參加對象:青少年學生及一般民眾

 活動網站:http://serv.nstm.gov.tw/edu/query.asp

 

 主  題:「科學視野在科博」講座
 日  期:102.09. 27~12.27 每週五下午14:00~16:00
 地  點:國立自然科學博物館立體劇場地下樓國際會議廳(藍廳)
 參加對象:青少年學生及一般民眾

 活動網站:http://cal.nmns.edu.tw/NMNS_Cal/Detail_Ann.aspx?ANID=7729

 

 

 

 

 

 

 

物理學科中心網址: http://physical.tcfsh.tc.edu.tw/physical/index.html
聯絡電話:(04)22226081轉811          聯絡信箱:physics@tcfsh.tc.edu.tw
聯絡人:  蔡沛霖