2013 十二月號
2013 十二月號 ----- 最後修改日期:

圖示

第九十八期電子報  出刊日期:1021210   

科學新文摘

 

把「光子」變重了—基本粒子的質量起源

文/侯維恕(台灣大學物理學系教授)

理論物理學家布繞特、盎格列與希格斯的數頁推演,揭開了長達半世紀之久的史詩,搜尋所謂的神之粒子。

對一般人而言,「質量從哪裡來?」似乎問得不著邊際,但對於粒子物理學家卻是一個最深刻的問題。方司瓦.盎格列(François Englert, 1932~) 與他已過世的同事羅伯. 布繞特(Robert Brout, 1928~2011), 以及彼得. 希格斯(Peter Higgs, 1929~),在1964 年分別提出理論,說明何以能讓傳遞作用力的粒子變得有質量,以至於弱作用力可以與電磁作用力融合為「電弱作用」。這個通稱希格斯機制的理論發現,今後的正式名稱將是「BEH機制」,以紀念無緣獲獎的布繞特。

諾貝爾物理委員會今年所引用的得獎理由,是歷來最長的。除了盎格列與希格斯獲獎是因為「理論上發現一種有助我們了解次原子粒子質量起源的機制」,更強調「所預測的基本粒子最近被歐洲核子研究中心大強子對撞機的ATLAS 和CMS 實驗找到,因而獲得證實」。這便是大家近來耳熟能詳的希格斯粒子,俗稱「神之粒子」。超導環場探測器(A Toroidal LHC Apparatus, ATLAS)與緊湊緲子螺管偵測器(Compact Muon Solenoid, CMS)實驗於2012 年7 月4 日在歐洲核子研究組織(CERN)宣布「找到了!」質量約126 GeV/c2(基本粒子質量單位,GeV 為10 億電子伏特,c 為光速),在銫與鋇原子質量之間。這兩個實驗,台灣都有參加,而花了近50 年才找到的這顆上帝粒子,終於完成了粒子物理標準模型的最後一塊拼圖。盎格列與希格斯也在發現一年後,分別以81 及84 歲高齡得到了期待已久的榮譽。

從實驗發現到理論得獎

今年7 月歐洲高能物理大會在瑞典斯德哥爾摩舉行,歐洲物理學會特別將2013年「高能與粒子物理獎」頒給ATLAS 及CMS 實驗,理由是:發現一顆希格斯粒子,與布繞特– 盎格列– 希格斯機制所預測的相符。此獎也同時頒給ATLAS 實驗的第一位發言人葉尼與CMS 實驗的頭兩位發言人戴拉內格拉及弗迪以表彰三人的貢獻。筆者本身以及台大也參與了CMS 實驗,算是沾了邊,但這兩個實驗分別有約3000 人參與,在台灣還有中大參與CMS、中研院參與ATLAS。布繞特、盎格列與希格斯則早在1997 年便已榮獲此獎。從諾貝爾委員會已將歐洲核子研究中心CERN 及ATLAS與CMS 的貢獻寫在得獎理由裡,參考過去1979、1984 及1990 年的類似用語,將來是不會有「發現一顆希格斯粒子」的諾貝爾獎頒給實驗了。

但這畢竟是高能物理界的盛事,CERN對此非常重視,其蛛絲馬跡可說就是在「發現一顆希格斯粒子」的用字裡。當2012 年7 月4 日宣告發現「似希格斯粒子」,便是在CERN 舉行。但當時應是已過了諾貝爾委員會的評選時程,所以雖有期待,卻獎落別家。今年3 月在義大利阿爾卑斯山區舉行的冬季粒子物理大會中,ATLAS 與CMS 實驗分別報告了對新粒子性質的檢測結果,與標準模型希格斯粒子的預期相符,因此實驗及理論的總結報告者均認為可以將「似」希格斯粒子改稱「一顆」希格斯粒子了,CERN 也趕緊同步在網頁上作此宣告。筆者當時聽說後略感詫異,戲稱一定是諾貝爾委員會的短名單日期要截止了。到了斯德哥爾摩歐洲高能物理大會,果不期然,「一顆希格斯粒子」進入ATLAS 與CMS 的得獎理由。

那麼為何這個發現與得獎這麼有張力呢?讓我們從2008 年的物理獎得主南部陽一郎(Yoichiro Nambu,1921~) 說起, 把時間拉回到1960 年前後。

超導理論到自發對稱性破壞

南部陽一郎因「發現次原子物理的自發對稱性破壞機制」獲得諾貝爾獎,這個貢獻正是盎格列與希格斯工作的起頭,而他的諾貝爾演講初稿提供了不少軼聞。

專攻粒子物理的南部在東京大學受教育時接觸過固態物理。1957 年他已在芝加哥大學任教,聽了一個令他困惑的演講。當時還在做研究生的施瑞弗(Robert Schriefer)主講尚未發表的BCS 超導理論(1972 年諾貝爾物理獎)。令南部困惑的是,BCS 理論似乎不遵守電荷守恆。但南部為他們的精神所動,開始尋求瞭解問題之所在。在BCS 理論裡面,電子與電子間藉交換聲子而形成所謂的「古柏對」(Cooper pair),在低溫時古柏對的玻色子性質可以形成「玻色– 愛因斯坦凝結」(Bose–Einstein condensation 或BEC)成帶電超流體,因而出現超導現象。但古柏對凝結態本身帶電荷,也就是前面所說的不遵守電荷守恆。南部花了兩年的時間才弄清楚,寫文章釐清規範不變性如何在BCS 理論中維繫。物理學裡守恆律對應到特定的不變性,而規範不變性對應到電荷守恆,所以規範不變性被維繫著也就意味電荷守恆並沒有真正被破壞掉。南部指出維繫規範不變性的乃是一種無質量激發態,這個激發態與超導體中的電磁場結合成所謂的電漿子,可以解釋實驗上看到的麥斯聶效應(Meissner effect)。

南部以深度思考著稱,故假如前面偏理論性的描述使你感到迷惑,敬請不要介意。讓我們換一個角度就麥斯聶效應說明。此效應為1933年所發現,基本上說就是磁場不能穿透超導體;當磁場進入超導體,經過些許距離後便遞減消失(該距離稱為「倫敦穿透距離」,London penetration depth)。而之所以如此,乃是前述所謂的電漿子在超導體中行進時變成有質量的,因此跟一般的庫倫力不一樣,跑一段距離就沒有作用了。所以呢,熟知多年的麥斯聶效應其實就是我們所要討論的希格斯或BEH 機制。


【更詳細的內容,請參閱第528期科學月刊】

焦點活動與要聞

 

文組生的物理課──專訪陳秋民老師

文/羅佩琪、廖英凱

「猜猜看這是什麼?」

等不及自我介紹,坐下的同時,陳老師從口袋中掏出一個拳頭大小的黑色螢幕。

「這是行車記錄器。但這不稀奇,有趣的是我最近用杜邦公司一百二十磅的Kevlar線,把它懸掛在一平方米的風箏做高空攝影!Kevlar原本的用途是做防彈衣,線雖然不粗但張力很夠,風箏目前最高可以飛到一公里左右……這是我用它拍出來的東吳校園,是不是很漂亮?」

用最喜歡的科學發明當開場,這似乎是物理演示實驗界的祖師爺,也是東吳大學物理系的陳秋民副教授最貼切的自我介紹。眼神中閃動著熱情,陳教授指著實驗室裡一台自動纏繞漆包線區的機器,微笑道:「而且這個東西,也是從社區的資源回收場『撿』回來的喔!」

風箏航拍-東吳大學

重啟文組生的科學心,拾回失落的物理興趣

自稱「拾荒多年」的陳老師,不只在資源回收場中尋獲各種演示教具的材料與靈感,更從中拾回了無數文組生失落的物理興趣。

身為一位文組生的物理老師,陳老師常年在任職的東吳大學開設「生活中的物理與應用」,亦曾在客座北京清華大學時講授「文科物理」,這些定位為通識課程的物理課專收非物理系的學生,尤以社科院、法律系、日文系等文組學生為大宗。

「教這些學生多少深奧的物理知識、複雜的理論……這些從來就不是我的重點。」談起開課的初衷與目標,陳秋民教授直言,在文組學生以物理為未來終身職涯規畫的可能性極低的情況下,讓他們重新對科學活絡起來、重新充滿興趣與自信──這,才是陳老師最大的盼望。

這個盼望背後,其實正反映著兩岸都正在發生、沉重的科學教育困境:不論是台灣或大陸,國小的科學教育皆是為了激發興趣,所以實驗、動手操作的比例高,但是到了國、高中,因為升學壓力日增,物理、化學等科目開始以「解題」為課程導向,逐漸地,不擅長考試的學生對科學的興趣在一張張考卷中被擊垮,走上文組生的路,與科學分道揚鑣。

全文網址: http://pansci.tw/archives/50821

新書介紹


書  名:《星空協奏曲》 
作  者:高涌泉、曹亮吉、徐光台、姚珩、吳俊輝???     
出版者 :臺大出版中心 
出版時間:2013年10月 
內容簡介

對於浩瀚星空,從古至今,人們總有無限的想像。 
人類的好奇心是如何引發這場震撼世界的科學革命,顛覆了自希臘時代以來的宇宙觀? 
本書集結國內第一流學者講演之內容,帶領讀者穿梭古今,一同聆聽這一曲由哲人們共同譜出的千年樂章。  

星空協奏曲

 

學科中心近期研習活動

 

物理學科中心102年度課綱微調課程教師增能,研習投影片下載

http://goo.gl/hRsmyi (陳義裕教授宇宙學)

http://goo.gl/0q3U5W (高文芳教授宇宙學新知)

 

 

 


科學活動及演講

 

 

主  題:2014動手做物理教學研討會

日  期:103年至1月23日(四)

地  點:國立中興大學

參加對象:高中職自然科教師

 

主  題:都市裡的星空-屋頂上的天文台

日  期:102年12月28日(六)13:00 至 14:00

地  點:國立自然科學博物館科學中心地下樓演講廳

參加對象:學校師生、一般民眾

 

 

主  題:高中物理競賽初體驗冬令營(初階課程)

日  期:103年1月18日(四)

地  點:國立科學工藝館
參加對象:國一至高一學生
活動網址:http://www.nstm.gov.tw/edu/2014wintercamp/#


主  題:2014遠哲彰化科學冬令營-中區

日  期:103年1月21日(二)至1月25日(六)

地  點:國立彰化師範大學進德校區
參加對象:國小一至六年級學生
活動網址:http://www.ytlee.org.tw/ActivityIntroduction.aspx?ActivityID=1055

 

 

 

 

 

 

 

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