瞎聊基本物理

溫中承 2008

2008年物理圈子最重要的新聞，應該就是費時多年─堪稱人類史上最巨大、最昂貴機械的加速器─大強子對撞機─即將啟動。

『什麼是加速器？為什麼要勞民傷財來蓋它？』

這陣子，每當我向人介紹自己念物理系，總會碰到此問題。平日，物理不像史地、藝術，甚至生物、地科，生活中不時可拿來耍耍嘴皮子(容我這樣說)增添生活情趣。大多數的人聽到物理兩個字，總會面露難色：『喔!我從xxx開時數學就不好!』

每次碰到這反應，我不禁暗想：『我的數學也不太好，但我們不是在講物理嗎？』

好不容易有物理新聞上了版面，難得讓沉默寡言又常被誤會的物理系學生，終於逮到機會可以服務大眾(或者說賣弄)一下，豈不該把握機會？

問題一：什麼是加速器？

我們知道要仔細了解一個東西的成分，最好的方法就是把它打碎。加速器就是把兩個東西加速到很快，然後對撞成碎片，了解它們的組成。

反過來說，如我們想製造新東西，最簡單的方法就是把兩個東西拿來揉一揉，看看能否產生什麼新花樣。加速器把兩個粒子對撞也具有類似的功能。

然而，不論是物質分解或合成的過程，它們根本上都受到物理基本定律的支配，因此研究這些對撞過程成了探索世界最有效的方法。

問題二：聽說這不是人類蓋的第一作加速器了，建造這座大強子加速器有什麼特殊目的？

對稱性支配世界

物理學家發現我們生存的世界是相當對稱的。這不是說宇宙有規律的形狀，反而更簡單些。大家都做過理化實驗，我們從不懷疑作出來的實驗結果和隔壁班做的有何不同，當然更不能與課本相違( 不然的話，這兩班怎會不約而同想辦法讓數據跟課本一樣)。相同的實驗結果意味著實驗過程所遵守的物理定律是相同的。換句話說，物理定律具有時間與空間的平移對稱：在這裡(我們班)、那裡(隔壁班)、過去(古代人做)、未來(現代人做)，物理定律該是一樣的，我們就說物理定律具有時空的平移對稱性。多想一些，我們也不覺得在南半球會做出跟北半球不同的實驗結果，這意味著物理定律有著旋轉對稱的存在：換個方向，物理定律是一樣的。

你說，這三歲小孩都知道，簡直是廢話。也許我們姑且把所謂的平移對稱、旋轉對稱…稱作廢話對稱。

請別小看它們，物理學家透過數學方法，可以從這些廢話對稱推導出動量守衡，能量守衡與角動量守衡定律。

等等！怎麼忽然冒出這些鬼東西。的確，當我們第一次在物理課本看到世界存在xx守恆，多少覺得有些唐突荒謬，一下子難以接受。於是，物理學家的主要的任務就是想辦法讓你接受乍聽之下荒謬的道理：你問為什麼會有守恆定律，物理老師告訴我因為這個世界有空間、時間平移與旋轉的對稱性。你不服氣：『那為什麼會有這些對稱？』老師反問：『這些不是廢話嗎？』

是力‧也是物質

提到掌控這個世界的物理定律具有對稱性，我們也要談談世界中物質的組成。

首先我們需要稍稍調整『什麼是東西？』的概念。為什麼我們說這是一顆蘋果？因為我們看到他的顏色，摸到他的形狀......。然而，我們看得到它是因為蘋果表面反射的光刺激我們的視網膜產生視覺，摸到他是因為蘋果表面的電子跟我手上的電子互相排斥，使我的手無法穿過它的表皮......，換句話說，我所看到、摸到的，只是蘋果對我產生的作用，不見得就是物質『真正』的樣子。

如果我們把頻果切的很碎，切到不能再切，它的組成就叫它基本粒子，我們會發現這些粒子長得和蘋果很不一樣。

這裡我們要做一個粗略的比喻。

我們都看過光。半夜起來上廁所，在電燈打開的同時，廁所就『充滿光』。這些光看起來是連續地散佈在廁所各處，忽然我有股衝動想研究光的組成。當然，拿放大鏡是沒用的，於是我跟室友愛因斯坦借了套儀器，把光打進去，量量它的強度。我竟然發現光是一粒一粒的進入儀器，而非我所想像連續的分布。( 我很興奮的把這個發現告訴我的室友，他說這他在1905年就知道了(光電效應)，還因此得了諾貝爾獎)

準備好了嗎？我們往核心再邁進一步。

早在幾百年前，我們已經知道光是一種電磁場。簡單來說，電磁場用來告訴我們帶電物體間如何進行電磁交互作用：電子A與電子B之間怎麼會有排斥力？科學家會說電子A在空間中產生電磁場，這個場給電子B一個力(就是電磁力)，改變電子B的運動。當然，反過來說也成立。換句話說，電磁場某些時候不僅是一種看起來亮亮的東西(光)，某些時候，它也是讓物體(電荷)動起來的『力』。

如今更令人驚訝的是，所有組成物質的基本粒子竟然也是一種場，散佈在空間中，既可以組成蘋果，也可以對彼此施力，好像電磁場一樣。

『力』有對稱性

一開始理化實驗的例子告訴我們，物理定律在任何地方、任何時間、任何方向該是一樣的。也就是說，物理定律所描述的『力』無論在何時、何處、哪個方向，都一樣。這不難想像，兩個電子相斥，放在這裡、那裡、今天、明天、東西南北，不會忽然變成相吸。後來，我們也發現，『力』具有另種比較特別的對稱性，稱作規範對稱。這裡不詳細討論它是什麼，總歸來說，所有『力』經過規範變換( 如同前個例子經過平移、旋轉變換)，它們該是一樣的。阿哈！於是，當我問這些『力』為什麼會這樣那樣，老師就可以依樣畫葫蘆的回答我：『因為規範對稱！』

但，不幸的，如果把這件事寫成數學式子，規範對稱自動要求所有的『力』，也就是場，所組成的粒子，都不具有質量。這顯然和事實不符！怎麼辦？

席格斯先生的法子

有位物理學家叫席格斯，想了一個辦法。他假定一開始的高溫宇宙中所有的場都是沒有質量的，這些場當然包含了我們所熟悉的電子、光等等...，但其中有位老兄我們不熟，就是席格斯所假設存在的席格斯場。這個場的存在讓物理定律在宇宙逐漸降溫的過程中，有了想要發生變化的傾向，結果是許多『力』不再具有規範對稱，許多粒子有了質量，包含席格斯粒子。而這個過程有個專門的，很有水準的名稱，叫做『自發性對稱破缺』。提出理論的科學家，正是今年的諾貝爾物理獎得主。

許多間接證據都支持席格斯的想法可能是正確的，唯一的缺憾是我們還沒有看到任何一顆席格斯粒子。我們會想也許是它很重很重，而很重的粒子(跟人類一樣)都喜歡衰變成較輕的粒子，因此自然界的席格斯粒子都衰變光了。

人類的大絕招就是，既然找不到，看能不能製造一個出來。

沒錯！這座新蓋的、很貴又很大的加速器，最重要的目的就是，如果能造出一個席格斯粒子，表示真有它的存在，於是乎填上解釋自然界非常重要的一塊拼圖。

※本文圖片擷取自網頁：http://www.ibtimes.com/cern-lhc-update-bump-atlas-cms-data-may-have-been-caused-more-one-particle-2396174(如有冒犯著作權敬請告知)