2015 十一月號
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第120期電子報  出刊日期:1041118


科學新文摘

 

緝捕超高能微中子

數十個超高能微中子 穿越了大半個宇宙, 落入「冰塊」偵測器裡。 這些遠來的信差或許 可以幫忙解答某些長久以來、 懸而未決的宇宙難題。
撰文/郝爾琛( Francis Halzen )
翻譯/李沃龍

緝捕超高能微中子「冰塊」( IceCube )是地球上最雄心壯志的極限實驗之一,於 2010 年在南極展開了。這座埋在極區冰層底下的巨大粒子偵測器,專門用來捕捉行蹤隱匿的超高能微中子 ── 幾乎可直接穿越每一種物質的基本粒子。我是這項計畫的主持人,本計畫的首要目標是透過微中子來研究遙遠的宇宙現象,特別是神秘高能事件,它會產生宇宙射線這類持續轟擊地球的帶電粒子。  

我們預估「冰塊」只能偶爾捕捉到這些超高能微中子;這些粒子幾乎不具質量,也不帶任何電荷(這就是為何它鮮少與其他粒子交互作用的原因),並以接近光速行進。無論它們來自地球鄰近區域或極遙遠處,一旦到達地球,多半不會停下腳步、流連徘徊;而是高速穿透我們的行星,繼續未完的旅程。因為這些難處,在這實驗的最初幾年、偵測器還在興建時,我們一點也不盼望蒐集到的數據會有任何驚人的發現。但在 2012 年,情況突然改觀。  

有一天,在例行會議中,我們的螢幕突然出現了前所未見的圖案。訊號顯示我們捕捉到兩個微中子,能量超過粒子加速器曾產生的最高能微中子的 1000 倍,更是太陽發射的一般微中子的 10 億倍左右;它們顯然來自離地球遙遠處、某個壯觀的高能過程。當我們理解到自已正在目擊某個不尋常事件時,整間會議室立即滿溢興奮之情。在萬分驚喜的當下,我們的一名研究生以電視影集「芝麻街」的角色,暱稱這兩個粒子為「伯特」( Bert )與「爾尼」( Ernie )。這些名字不僅有趣,也遠比我們通常分配給微中子事件的一長串數字名稱更容易記憶。  

在花費一整年並重新以全新方式分析該數據後,我們終於有信心認定它們確實如前述,是首度關於遙遠微中子宇宙圖像的第一筆線索。自那時起,我們總共發現了 54 個超高能微中子,許多仍以「芝麻街」的角色命名,其中稱為「大鳥」( Big Bird )的粒子,能量比「伯特」或「爾尼」還高兩倍。  


我們目前正致力確認這些微中子的來源和形成機制。可能的源頭有超新星,以及其他稱為 γ 射線爆發的恆星爆炸;這兩類現象均被認為能產生宇宙射線。假如我們能藉由追溯微中子而找到這些宇宙射線的源頭之一,將能夠展開全新的研究,推論製造出這些粒子的極端事件,並理解背後的物理學。  

當宇宙射線遇上光子

從太空持續不斷轟擊地球的宇宙射線,是由極高能光子與其他帶電粒子組成。科學家發現它們迄今已經超過一個世紀了,但對它們的形成機制仍一無所知。當它們抵達地球,我們便完全無法追溯其源頭位於何方,因為它們帶有電荷,通過星系和星系際磁場會改變其行進方向。不過幸運的是,理論認為宇宙射線會在其誕生地與光子交互作用,而產生微中子。  

和宇宙射線不同的是,微中子確實會透露自己從何而來。由於它們鮮少與其他物質交互作用,因此幾乎沒有任何物質可改變它們的路徑。雖然宇宙射線無法帶領我們追溯其起源,它們產生的超高能微中子卻可代勞。  

當然,即使天文學家對於宇宙射線的起源有一些頭緒,我們仍需要實際數據來證實或排除某些可能性。宇宙射線的源頭之一可能是大質量恆星垂死前的痛苦掙扎。在大型恆星的臨終時刻,核心再也無法維持所擁有的質量時,就會塌縮成所謂的中子星這類緻密天體,或是形成更緻密而沒有任何物質可逃脫的黑洞。除了製造出極猛烈的亮光(超新星),塌縮過程可能經由衝擊波的型式,把大量的重力位能用於加速粒子。早在 1934 年,天文學家巴德( Walter Baade )與茲維基( Fritz Zwicky )就已猜測超新星可能是宇宙射線的源頭之一; 80 年後,這假說依然備受爭議:在銀河系裡,每世紀約發生三次超新星爆發事件,把恆星的部份質量轉化成加速粒子的燃料,因而造成星系裡宇宙射線的穩流( steady flow )。  

一般來說,源自銀河系外的宇宙射線,能量比來自地球鄰近區域的更高,因此其源頭能量必定更加強大,來源之一可能是 γ 射線爆發。比起一般超新星,神秘的 γ 射線爆發甚至更耀眼,可能涉及某些超大質量的恆星在極端條件下引發恆星的一種特殊塌縮。  

活躍星系核( active galactic nuclei )可能是銀河系外宇宙射線的源頭之一。根據理論推測,在這類星系的中心處有可吸引大量物質的超大質量黑洞。當物質墜入這種黑洞時,某些粒子的行進方向可能會向外偏折,並加速至極高速度而成為宇宙射線。  

捕捉微中子

「冰塊」實驗必須具備極大型的偵測器,才能偵測到源自那種高能過程的宇宙射線產生的微中子。我們使用位在南極地表下 1.5 公里處、已形成 10 萬年之久、一立方公里大小的整塊冰層,來執行這項實驗。冰是最佳的天然微中子偵測器,當微中子偶爾與冰裡的原子交互作用時,會釋出一連串放射出藍光的帶電粒子而發亮。這種所謂的切侖科夫輻射,能在純淨且晶瑩剔透的冰裡行進數百公尺。在整座「冰塊」的主體內,總共裝設了 5160 具光學感測器來偵測這種發光現象。  

............. 未完

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人 2015 年第 165 期 11 月號】


活動訊息_圖示

愛因斯坦為何如此重要?

這位傑出科學家的心血結晶,改變了人類文明,創造的價值難以估計!
撰文/格林恩( Brian Greene )
翻譯/甘錫安

愛因斯坦 廣義相對論100年愛因斯坦曾經說過,只有兩樣東西可能是沒有極限的,其一是宇宙,其二是人類的愚蠢。此外他也坦承,自己其實不是很懂宇宙。

我們聽到這句話時,會偷笑一下,至少嘴角會微微上揚,但完全不會反感。原因就是「愛因斯坦」這個名字代表慈祥和藹的智者。可見這位心地善良、髮型奔放的科學天才,他的各種經典形象已經深深嵌入我們的集體文化記憶,包括騎著自行車、伸出舌頭,以及用那雙銳利的雙眼瞪著我們。愛因斯坦已經成為探索智慧的正統與力量的象徵。

1905 年,愛因斯坦在科學界聲名大噪,人們稱這一年是他「重要的一年」。當時他在瑞士專利局每天工作八小時,每週工作六天,利用閒暇時間撰寫了四篇論文,改變了物理學的發展。他在當年 3 月提出:光不是一種波動,而是由稱為「光子」的粒子構成,這項發現奠定了量子力學的基礎。兩個月後,愛因斯坦的計算為原子假說提供了可測試的預測,後來藉由實驗確定,證明物質由原子構成。到了 6 月,他完成狹義相對論,發現空間和時間具有其他人未曾預測的特質。簡而言之,距離、速度和時間長度,三者是相對的,取決於不同的觀察者。為了總結這個理論, 1905 年 9 月,愛因斯坦推導出狹義相對論的結果,這個結果後來成為全世界最著名的方程式: E = mc2 。

科學通常以小碎步的方式前進,很少像發佈警報般預告驚天動地的發現。不過這位科學家在一年之內發出了四次警報,具創造性的見解可說無與倫比。極短的時間內,科學界就感受到愛因斯坦的研究成果正在改變科學家對相對性的基礎理解,然而對一般大眾而言,愛因斯坦還沒有成為愛因斯坦。

1919 年 11 月 6 日,情況開始轉變。 愛因斯坦在狹義相對論中提出任何物體的速度都不可能超越光速。這個理論明顯與牛頓的重力理論互相衝突。在牛頓的重力理論中,重力可穿越空間,即時產生影響。由於這個隱約浮現的矛盾,愛因斯坦勇敢試圖改寫已有數百年歷史的牛頓重力,這項工作極為艱鉅,連他的忠誠支持者也認為極難實現。德國科學界泰斗普朗克( Max Planck )曾說:「身為老朋友,我必須勸你放棄 …… 你不可能成功,即使你成功,也不會有人相信你。」愛因斯坦從不屈服於權威,繼續堅持、再堅持,努力近 10 年之久。

1915 年,愛因斯坦終於發表廣義相對論。這個理論以空間與時間中的扭曲以及彎曲為基礎,令人驚奇的嶄新概念澈底改寫重力。依據廣義相對論,地球並非抓住從你手中落下的茶杯,提早結束它的壽命,而是地球使周遭環境彎曲,使茶杯沿時空滑水道下滑,最後接觸地面。愛因斯坦指出,重力顯現在宇宙的幾何結構中。

愛因斯坦提出廣義相對論至今 100 年來,物理學家和歷史學家拼湊出一致但複雜的廣義相對論誕生過程(參見 44 頁〈苦思廣義相對論〉)。我很榮幸能以科普文章濃縮愛因斯坦的研究過程,寫下他優雅的舉止和蹣跚的步伐,直到最後登上高峰。然而,細讀他的研究過程不僅完全無法理解愛因斯坦創造性的跳躍,反而為這個理論令人驚奇的創意和讓人折服的美,更增添一層光彩。

.......... 未完

【欲閱讀更豐富內 容,請參閱科學人 2015 年第 164 期 10 月號】

 

 


活動訊息_圖示

主  題:科學史講座(九)
日  期:104年11月24日(星期二)下午14:00~17:10。
講  師:姚珩教授、張海潮教授
地  點:國立臺灣大學思亮館國際會議廳
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:1884769

主  題:物理磨課師課程介紹,暨影片錄製實作
日  期:104年11月26日下午13:30-17:10
地  點:逢甲大學資訊電機館地下一樓 B28電腦教室
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:1884116

主  題:104年數位化科學實驗-STEM跨領域學習研討會
日  期:104年11月28日(星期六)09:00~17:10
講  師:陳秋民教授
地  點:東吳大學物理系第一教研大樓
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:1874353

 

主  題:在自然中看見科學,用科學來理解自然
日  期:104年11月20日 14:10 至 16:10
講  師:孫維新 館長
地  點:國立自然科學博物館地下樓國際會議廳(藍廳)
活動網址:http://cal.nmns.edu.tw/NMNS_Cal/Detail_Ann.aspx?ANID=9217

主  題:如何從牛頓力學到愛因斯坦方程式?
日  期:104年11月21日 14:00~16:00
講  師:許祖斌老師、游輝樟老師
地  點:臺南成功大學/成功校區/物二館49223室

主  題:有機太陽電池現況及未來發展
日  期:104年11月20日14:10~15:00
講  師:黃裕清博士
活動網址:http://www.phys.nchu.edu.tw/activitydetail.php?data_no=1890

主  題:太空中的5個科展研究
日  期:104年11月28日14:00~15:30
講  師:蕭俊傑博士
地  點:國立自然科學博物館科學中心地下樓演講廳
活動網址:http://apply.nmns.edu.tw/public/activity/412/index.asp?actId=412

主  題:「兩岸四地物理教育教育研討會」
日  期:104年12月10日~12月12日
地  點:墾丁福華飯店
活動網址:http://physedu.nknu.edu.tw/introduction.html

 

 
 

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