量子力學

量子力學

量子力學的奧義(The Secrets ofQuantum Physics) 2014

http://pan.baidu.com/s/1o63siee

導演: Tim Usborne

主演: Jim Al-Khalili

類型: 紀錄片

官方網站: http://www.bbc.co.uk/programmes/b04v5vjz

製片國家/地區: 英國BBC

語言: 英語

集數: 2

單集片長: 1 hour

劇情簡介

量子力學是描寫微觀物質的一個物理學分支，與相對論一起被認為是現代物理學的兩大基本支柱，許多物理學理論和科學，如原子物理學、固體物理學、核子物理學和粒子物理學以及其他相關的學科，都是以量子力學為基礎。

19世紀末，經典力學和經典電動力學在描述微觀系統時的不足越來越明顯。量子力學是在20世紀初由馬克斯·普朗克、尼爾斯·玻爾、沃納·海森堡、埃爾溫·薛定諤、沃爾夫岡·泡利、路易·德布羅意、馬克斯·玻恩、恩裏科·費米、保羅·狄拉克、阿爾伯特·愛因斯坦等一大批物理學家共同創立的。透過量子力學的發展，人們對物質的結構以及其相互作用的見解被革命化地改變，同時，許多現象也得以真正地被解釋。借助量子力學，以往經典理論無法直接預測的現象，可以被精確地計算出來，並能在之後的實驗中得到驗證。除透過廣義相對論描寫的引力外，迄今所有其他物理基本相互作用均可以在量子力學的框架內描寫（量子場論）。

“量子力學揭密”將會跟隨吉姆·阿卡裏（Jim Al-Khalili）教授一起探究最準確卻又非常令人費解的科學理論——量子力學。彼時正值20世紀初，科學家們剛剛開始探索隱藏在物質內部的秘密。他們發現了一個事物可以同時處於多個位置的領域；在那裏，機遇和概率起到主導作用，而現實本身似乎只有在我們對其觀察的時候才真正存在。

BBC 影片之量子力學  纏結   http://pan.baidu.com/s/1pLvyG1l

量子論 科學的基石

量子論的適用範圍

由於所有的東西都是由微觀粒子組成的，可以說處理微觀世界的量子論是「所有科學的基礎」

誕生於20世紀初的量子論是物理學中的重要理論。簡單地說，它是研究原子、電子等微觀世界的物理規律的理論。它與著名的愛因斯坦相對論並列，是現代物理學的兩大基礎理論之一。

可能有人認為微觀世界和我們的日常生活沒有什麼關係，實際上並非如此。自然界是由大量的原子等微觀粒子集合而成的，因此，認為「量子論作為自然界全體的最為根本的法則」也並不為過。

實際上，量子論的「適用範圍」可不止是微觀世界。比如說在電腦和手機等產品中不可或缺的「半導體」器件就得益于量子論。現在的各種家用電器中都植入了半導體晶片。如果沒有量子論，也就沒有今天的半導體工業，所以現代社會確實是構建在量子論的基礎上的。

連化學、生物學也在量子論的範疇之內

要想理解化學反應的原理，量子論也是必不可少的。「量子化學」是應用於化學領域的量子論，它在藥品開發領域正起著重要的作用。根據量子論的計算，就能知道各種不同的分子的性質 如何以及可能發生的化學反應。

在製藥、纖維、化妝品等涉及到各種分子的化工產業中，量子化學的方法得到了廣泛應用，對於新材料研發，研究它們的性質要花費非常多的時間和成本。通過量子化學的計算來預言分子的性質，不僅可以節約大量的能量，也可能設計出更為優越的材料。

截止到目前，要在分子水準上理解生命的構成，量子論也是必不可少的。在這個領域的量子論的應用就是「量子生物學」，期待它將會有更近一步的發展。

教程：錢伯初量子力學全集76講

http://pan.baidu.com/s/1gfAxfpD

課程介紹：　　量子力學是現代物質科學的支柱。蘭州大學錢伯初先生主講的這部量子力學教學視頻為大家詳細講述了波函數與Schrodinger方程，一維勢場中的粒子，力學量用算符表達，力學量隨時間的演化與對稱性，中心力場，電磁場中粒子的運動，量子力學的矩陣形式與表像變換，自旋，力學量本征值問題的代數解法等內容。　　量子力學是研究微觀粒子的運動規律的物理學分支學科，它主要研究原子、分子、凝聚態物質，以及原子核和基本粒子的結構、性質的基礎理論，它與相對論一起構成了現代物理學的理論基礎。量子力學不僅是近代物理學的基礎理論之一，而且在化學等有關學科和許多近代技術中也得到了廣泛的應用。　　量子力學的基本原理包括量子態的概念，運動方程、理論概念和觀測物理量之間的對應規則和物理原理。　　在量子力學中，一個物理體系的狀態由波函數表示，波函數的任意線性疊加仍然代表體系的一種可能狀態。狀態隨時間的變化遵循一個線性微分方程，該方程預言體系的行為，物理量由滿足一定條件的、代表某種運算的算符表示;測量處於某一狀態的物理體系的某一物理量的操作，對應于代表該量的算符對其波函數的作用;測量的可能取值由該算符的本征方程決定，測量的期待值由一個包含該算符的積分方程計算。　　波函數的模平方代表作為其變數的物理量出現的幾率密度。根據這些基本原理並附以其他必要的假設，量子力學可以解釋原子和亞原子的各種現象。　　關於量子力學的解釋涉及許多哲學問題，其核心是因果性和物理實在問題。按動力學意義上的因果律說，量子力學的運動方程也是因果律方程，當體系的某一時刻的狀態被知道時，可以根據運動方程預言它的未來和過去任意時刻的狀態。　　但量子力學的預言和經典物理學運動方程(質點運動方程和波動方程)的預言在性質上是不同的。在經典物理學理論中，對一個體系的測量不會改變它的狀態，它只有一種變化，並按運動方程演進。因此，運動方程對決定體系狀態的力學量可以作出確定的預言。　　但在量子力學中，體系的狀態有兩種變化，一種是體系的狀態按運動方程演進，這是可逆的變化;另一種是測量改變體系狀態的不可逆變化。因此，量子力學對決定狀態的物理量不能給出確定的預言，只能給出物理量取值的幾率。在這個意義上，經典物理學因果律在微觀領域失效了。　　據此，一些物理學家和哲學家斷言量子力學擯棄因果性，而另一些物理學家和哲學家則認為量子力學因果律反映的是一種新型的因果性——幾率因果性。量子力學中代表量子態的波函數是在整個空間定義的，態的任何變化是同時在整個空間實現的。　　20世紀70年代以來，關於遠隔粒子關聯的實驗表明，類空分離的事件存在著量子力學預言的關聯。這種關聯是同狹義相對論關於客體之間只能以不大於光速的速度傳遞物理相互作用的觀點相矛盾的。於是，有些物理學家和哲學家為瞭解釋這種關聯的存在，提出在量子世界存在一種全局因果性或整體因果性，這種不同于建立在狹義相對論基礎上的局域因果性，可以從整體上同時決定相關體系的行為。　　量子力學用量子態的概念表徵微觀體系狀態，深化了人們對物理實在的理解。微觀體系的性質總是在它們與其他體系，特別是觀察儀器的相互作用中表現出來。

 錢伯初量子力學     http://pan.baidu.com/s/1kUBu95H

 8 Most Beautiful Equations In Physics

Heisenberg Uncertainty Principle

∆P ∆x ≥ ħ/2

Introduced by Werner Heisenberg in 1927, the uncertainty principle is a limit on quantum mechanics. It states that the more certain you are about a particle's momentum (P) the less certain you are about the particle's position (x) i.e. momentum and position can never both be known exactly.

The Einstein Field Equations

Gᵤᵥ + Λgᵤᵥ = (8πG/c⁴)Tᵤᵥ

Only fitting that the greatest physicist has a second equation in this list and one arguably more important than his first. It gives the fundamental reason for gravity, mass curving spacetime (a four dimensional combination of 3D space and time).

The Wave Equation

∂²u/∂t² = v²⍢²u

The wave equation is a 2nd order partial differentiation equation that describes the propagation of waves. It relates the change of propagation of the wave in time to the change of propagation in space and a factor of the wave speed (v) squared.

Second Law Of Thermodynamics

dS > 0

Not an equality but an inequality, stating that the entropy (S) of our universe always increases. Entropy can be interpreted as a measure of disorder, hence the law can be stated as the disorder of the universe increasing. An alternative view of the law is heat only flows from hot to cold objects.

Maxwell's Equations

⍢͢ . E͢ = ρ/ε₀

⍢͢ . B͢ = 0

⍢͢ ⨯ E͢ = Ḃ͢

⍢͢ ⨯ B͢ = μ₀j͢ + μ₀ ε₀Ė͢

Maxwell's laws are a collection of four equations that were brought together and used to formulate a unified description of electricity and magnetism by Scottish physicist James Clerk Maxwell in 1862. They were since refined, using calculus, into the most elegant form shown above or technically speaking in "differential form".

The Schrödinger Equation(s)

Ĥψ = Eψ

ĤΨ = i ħ (∂Ψ/∂t)

The equation incorporates two key concepts of quantum mechanics: the wave function (ψ) and operators (anything with a hat over it) which operate on a wave function to extract information. The operator used here is the Hamiltonian (H) and extracts the energy. There are two versions of this equation, depending on whether the wavefunction varies in time and space or just in space.

Einstein's Mass Energy Equivalence

E = mc²

A consequence of Albert Einstein's theory of special relativity and the most famous equation in physics. This equation states that mass (m) and energy (E) are equivalent. The relation is very simple, only involving multiplication of mass by a very large number (c is the speed of light). Specifically, this equation first showed that even mass not in motion has an intrinsic "rest" energy. It has since been used in nuclear and particle physics.

Newton's Second Law

F = ma

One of the oldest physics equations, formulated by Sir Isaac Newton in his famous book Principia in 1687. It is the cornerstone of classical mechanics, which allows the motion of objects subjected to forces to be calculated. Force (F) is equivalent to mass (m) multiplied by the acceleration of the mass (a). The underline notation indicates a vector, which has both a direction and a magnitude.

 訂閱文章

活生生的量子世界

張貼者：2016年8月31日 上午11:19Robert Chan   [ 已更新 2016年9月20日 上午9:38 ]

活生生的量子世界

量子力學不只與微小的粒子有關，還適用於大大小小的東西：鳥類、植物，甚至人類。

撰文／費德拉（Vlatko Vedral）翻譯／張明哲

重點提要

■量子力學通常被認為是描述微觀之物（分子、原子、次原子粒子）的理論。

■不過，幾乎所有的物理學家都認為它適用於各種大小的東西。它的特徵無法彰顯，不只是因為物體的大小。

■過去幾年來，實驗學者從越來越多的巨觀系統看到量子效應。

■纏結這種典型的量子效應可以發生於大的、常溫的系統裡，包含生物體在內，即便分子的振動可能會破壞其纏結。

根據標準的物理教科書，量子力學是微觀世界的理論，用來描述粒子、原子和分子；而描述巨觀尺度的梨子、人和植物時，就得改用一般的古典物理。分子與梨子間有個邊界，在那兒量子力學的奇特行為消失，出現我們熟悉的古典物理行為。量子力學只適用於微小世界的這種印象，普遍存在於人們的科學知識裡。例如，在暢銷名著《優雅的宇宙》的第一頁，美國哥倫比亞大學的物理學家格林恩（Brian Greene）提到，量子力學「提供一個理論架構，讓我們理解最小尺度下的宇宙。」古典物理（涵蓋量子以外的所有理論，包括愛因斯坦的相對論）則負責最大尺度的世界。

然而，對世界做這種方便的切割，其實是種迷思。很少現代物理學家會認為古典物理和量子力學具有同等的地位，古典物理應該僅是具有量子本質的世界（不論大小）的一種有用的近似。雖然在巨觀世界可能比較難看到量子效應，但原因基本上跟大小無關，而是跟量子系統彼此作用的方式有關。一直到10幾年前，實驗學者仍未證實量子行為可以出現在大尺度系統，如今這已是家常便飯。這些效應比任何人所想的都還要普遍，甚至可能出現在我們身體的細胞裡。

即使是我們這些靠研究這類效應吃飯的人，也還沒完全理解它所教給我們的、關於自然運作的方式。量子行為難以視覺化，也不容易以常識理解。它迫使我們重新思考觀看這宇宙的方式，並接受一個新穎又陌生的世界圖像。

纏結難解的故事

對量子物理學家而言，古典物理是全彩世界的一個黑白影像，無法完整呈現這個豐富的世界。在舊教科書的觀點裡，當尺度一變大，色調就不再豐富。個別粒子具量子性質，一堆粒子則變為古典。然而，關於尺寸並非決定性因素的第一個線索，可以追溯到物理學最有名的思想實驗之一：薛丁格的貓。

1935年，薛丁格想出這個病態的情節來說明微觀與巨觀世界是連在一起的，我們無法畫出界線。量子力學說，放射性原子可以同時處於衰變及未衰變的狀態；若將原子與一瓶可以殺死貓的毒藥連上關係，使得原子衰變會導致貓死亡，則貓會如同原子般處於模稜兩可的量子態。怪異性質由一個感染到另一個，大小在此不重要，問題是為何貓的主人都只會看到他們的寵物非死即活？

以現代的觀點，世界看起來像古典的，是因為物體與環境間複雜的交互作用將量子效應掩藏了起來。例如，貓的生死資訊透過光子和熱交換，迅速滲漏到環境裡。量子現象會牽涉到不同古典狀態的組合（例如同時死與活），而這種組合很快會散逸掉。這種資訊的滲漏是「去同調」過程的基礎。

大的東西比小的容易去同調，這就是為什麼物理學家通常可以只把量子力學當成微觀世界的理論。但在許多例子裡，這種資訊滲漏可被減緩或停止，如此一來，量子世界就會全然顯露。纏結（entanglement）是典型的量子現象，這是薛丁格1935年在那篇將他的貓介紹給全世界的論文裡發明的名詞。纏結將幾個獨立粒子綁為不可分割的整體。一個古典系統總是可以分割的，至少原則上是如此；由個別組件集合而得的性質，在個別組件裡也會有。但是纏結的系統無法如此分割，並且會導致奇怪的結果：纏結的粒子即使互相遠離，仍會表現為單一整體，這就是愛因斯坦所稱、著名的「幽靈般的超距作用」。

物理學家通常講的是電子等基本粒子的纏結。這些粒子可粗略想像為旋轉的小陀螺，以順時針或反時針方向旋轉，轉軸指向任意給定的方向：水平、垂直、45度角等。測量其自旋時，必須選定一個方向，觀測粒子是否順著那個方向轉動。

為了方便說明，假設粒子表現的是古典行為。你可以將一個粒子沿水平軸順時針方向旋轉，另一個沿水平軸反時針方向旋轉；如此一來，兩者的總自旋為零。它們的轉動軸在空間中是固定的，測量結果會取決於你選的方向是否沿著粒子的轉動軸。如果對兩者都做水平軸的測量，則會看到兩個粒子轉動方向相反；如果都做垂直軸的測量，則完全不會偵測到這兩個粒子的轉動。

然而，如果是具有量子性質的電子，則情況會驚人的不同。你可以讓粒子的總自旋為零——即使你沒有給定個別粒子的轉動方向。測量其中一個粒子時，你會看到它隨機以順時針或反時針方向轉動，就好像粒子是自己決定要朝哪個方向轉。而且，不管你選擇測量哪個方向，只要對這兩個粒子測量同一方向，則測得的轉動方向永遠相反，一個順時針，一個反時針。它們怎麼知道要這樣做？這仍然是個極其神秘的性質。不僅如此，如果你對一個粒子做水平軸測量，對另一個做垂直軸測量，則個別仍可量到部份自旋；這就好像粒子沒有固定的轉動軸。因此，測量結果是古典物理無法解釋的。

誰在幫助原子排列？

是大部份的纏結實驗都只用到幾個粒子，因為一大群粒子不容易隔絕環境的影響，其中的粒子很容易跟無關的粒子纏結，破壞原始的內在連結。以去同調的說法，就是有太多資訊滲漏到環境裡，造成系統有古典的行為。對我們這些尋找纏結的實際用途（例如量子電腦）的研究人員來說，保持纏結是一項重要的挑戰。

2003年，有一個巧妙的實驗證實，如能減少滲漏或加以抵消，則大的系統也可以保持纏結。英國倫敦大學學院的伊普利（Gabriel Aeppli）等人將一塊氟化鋰鹽放在外加的磁場裡。鹽裡的原子就像旋轉的小磁棒，會盡量與外加磁場同向，這種反應表現為磁化率。原子間的作用力就像同儕壓力般，會讓它們更快排列整齊。研究人員改變磁場強度，然後測量原子排得多快。他們發現，原子的反應速度比彼此作用力的強度所能提供的還快。顯然有額外的效應幫助原子排列整齊，而研究人員認為這是纏結造成的。若真如此，則鹽塊裡1020個原子形成了巨大的纏結態。

為了避免熱能所造成的無序運動，伊普利的團隊是在極低的溫度下做實驗——僅千分之幾K。不過，在那之後，巴西物理研究中心的狄紹薩（Alexandre Martins de Souza）等人以室溫或更高的溫度，在銅羧酸鹽之類的材料裡發現了巨觀纏結，自旋粒子間的交互作用強到可以抗拒熱能所造成的無序。在其他例子裡，則必須用外力抵擋熱效應。物理學家在越來越大、越來越高溫的系統裡看到纏結：從以電磁場捕獲的離子到晶格裡的超冷原子，再到超導量子位元（見下方〈纏結升溫中〉）。

這些系統就像薛丁格的貓。考慮一個原子或離子，其電子可能靠近或遠離原子核——或是既靠近又遠離。這種電子就像薛丁格的思想實驗裡可能衰變、也可能沒衰變的原子。不管電子在哪兒，這整個原子是可以向左或向右移動的，運動方向是左或右就像貓是死的或活的。物理學家以雷射操控原子，可以將這兩種性質連上關係。如果電子靠近原子核，就讓原子向左移動；如果電子遠離原子核，就讓原子向右移動。如此一來，電子的狀態就跟原子的移動纏結起來，如同原子衰變跟貓的狀態纏結起來一樣。同時既向左又向右移動的原子，可以模擬既死又活的貓。

許多其他的實驗也擴展這種基本概念，使大量的原子也可以纏結，進入古典物理不可能說明的狀態。如果體積大且高溫的固體可以纏結，則只要稍用想像力就可以問：又大又暖和的特殊系統——生命，也是如此嗎？

質子半徑的量子問題

精確測量質子半徑的兩項實驗，得到了完全不一樣的數值，到底是量子電動力學仍不完備，還是我們忽略了什麼？

撰文／伯諾爾（Jan C. Bernauer）波爾（Randolf Pohl）

翻譯／高涌泉

重點提要

■一項測量質子半徑的新實驗發現，質子比預期來得小。

■這個情況意味著物理學家若不是不夠深入了解質子，就是還不夠澈底了解目前最精準的科學理論——量子電動力學。

■我們希望，這個較小的質子半徑數值能夠導致物理定律從根本進行修訂。

如果你一直以為科學家已經很了解質子，沒人能指責你錯得太離譜，因為質子畢竟是宇宙中物質最主要的成份、恆星熔爐的燃料。質子所帶的正電拉住了帶負電的電子而形成氫原子，在一個世紀前，對於這種現象的研究開啟了量子力學革命；現代物理學家則可以設法讓超高能量的質子對撞來產生像希格斯粒子這種奇異的東西。

但是對於質子的最新研究卻讓我們大吃一驚。我們兩人（伯諾爾與波爾）以及各自的實驗團隊，用了兩項互補的實驗，對於質子半徑做了至今最精確的測量。在實驗開始之初，我們以為所得到的結果只會讓已知質子大小的精確性提高一些而已，但是我們錯了。測得的質子半徑和已知半徑相差很大，這個差值是任一測量誤差量的五倍以上，意味著發生這種巧合的機率將小於10exp(-6)。

因此一定有什麼地方不對勁，若不是我們還不夠充份理解質子，不然就是我們並不了解這些質子精密測量實驗所使用的物理原理。我們進入宇宙深處，卻看到了異常現象，因此有很大的機會可以得知一些新東西。

欠缺的移位

我們的故事起於義大利的聖塞扶羅島，數十位物理學家在這座島上會面，討論的主題是如何更嚴格地檢驗物理學中（甚至於可說是一切科學中）最精確的理論——量子電動力學（quantum electrodynamics, QED）。

QED的歷史可追溯至1928年，當時狄拉克（P.A.M. Dirac）結合了量子力學與狹義相對論而得到今天所謂的狄拉克方程式。這是電磁現象的最佳理論，因為它可以完整描述光與物質如何交互作用。一個例子是，QED可以用物理定律與基本常數（譬如電子質量）來說明原子結構。也因為如此，物理學家便利用簡單的原子如氫原子來檢驗QED。他們能夠從理論去預測實驗的結果，誤差不超過10-12，實驗誤差也差不多就是這麼大。

我們兩人在聖塞扶羅島首次碰面。那時我們為了增進對於QED的了解，都正著手測量質子。當時對於質子最精密的測量來自某種實驗技術，伯諾爾的實驗改進了這種實驗技術，已經開始要探究質子的內部結構。

波爾的實驗團隊則用了全新的方法。他們研究的系統是一種奇異、沒有電子的氫原子型態，他們查驗了這個系統的能階細微移位，這個移位與質子大小密切相關。這種移位由已過世的藍姆（Willis E. Lamb）於1947年首次在正常的氫原子中測得。雖然物理學家仍然稱呼這種現象為「藍姆移位」（Lamb shift），但是他們已經了解它其實來自兩種不同的因素。

對於藍姆移位的第一項貢獻來自所謂的虛粒子，即在原子內部一下子蹦出來但又馬上消失的幽靈。科學家能夠用QED計算這些虛粒子如何影響原子能階，準確度極高。但是近年來，對於藍姆移位第二項貢獻的不準度已經開始限制科學家的預測能力。這第二項因素與質子半徑有關，也與電子奇特的量子性質有關。

在量子力學中，用來計算電子行為的是雲狀、散佈在原子內的波函數。波函數（更精確地講，是波函數絕對值的平方）描述了在某處找到電子的機率，而且它只有幾種特殊的形式，我們稱為原子態。

有些原子態（因為某些歷史原因它們稱為「S態」）的波函數在原子核的位置上有最大值，也就是說，我們在質子內部找到電子的機率不為零，而且這個機率會隨著質子半徑變大而增大。當電子跑到質子內部，電子所「感受」到的質子電荷（和電子位於質子之外相比）會比較小，因此質子與電子之間的整體束縛力會減低。

由於束縛力降低，使得原子最低能量態（即1S態）的藍姆移位改變了0.02%。這個比例或許看起來微不足道，但是科學家已經把原子基態（1S態）與第一激發態（2S態）之間的能量差測得非常精確——誤差在數個10 exp(-15)而已。因此如果我們想用精密實驗來查驗QED理論，當然必須把質子半徑造成的極小效應考慮進來。

過去八年，波爾的實驗團隊已經試著要把質子半徑精確量出來，但是在聖塞扶羅島第一次會議時，實驗似乎還無法上軌道，讓大家感到疑惑。

這時，伯諾爾的團隊正要開始澈底研究質子半徑；他的方法並不依賴氫原子能階的測量，反之，他們把電子射向氫原子，看它們如何散射開來，以推算出質子半徑。

粒子狂熱 Particle Fever

張貼者：2015年1月26日 下午3:57Bob Chan   [ Robert Chan 已於 2017年8月27日 上午7:46 更新 ]

BBC地平線：走進歐洲粒子物理研究所BBC: Horizon: Inside CERN(2016)

http://pan.baidu.com/s/1nvg0ZVV

 歐洲核子研究組織（European Organization for Nuclear Research，CERN）是世界上最大型的粒子物理學實驗室。一種全新粒子的發現可能改變人們對宇宙的看法。

地平線（Horizon）是英國廣播公司製作的一個流行並且播放已久的科學紀錄片。該節目首播於1964年5月2日；英國廣播公司對《地平線》目標的說明：地平線節目的目標是提供世界上最偉大的科學家和哲學家一個可以交流他們的好奇、觀察和看法的平臺，並將他們對世界的新看法引入到我們的日常知識。

走進歐洲粒子物理研究所

 國際高能物理大會近日在美國芝加哥舉行，與會科學家對歐洲大型強子對撞機所取得的最新發現成果進行了熱烈討論。此前大型強子對撞機研究人員曾經在最新資料中發現過“碰撞”跡象，因此一度有傳言稱，大型強子對撞機可能發現了一種新型粒子。然而，令科學家們失望的是，他們在大型強子對撞機的最新資料中未發現任何“碰撞”跡象。與會科學家認為，發現新型粒子的希望已成為泡影，距離真正的發現可能仍需許多年時間。

根據大型強子對撞機的最新研究成果，此前一度有人認為大型強子對撞機可能發現了一種新型粒子。如果這一傳言為真，那麼神秘的新型粒子可能會徹底改變我們對宇宙構成的基本認識。但是，所有參加國際高能物理大會的科學家發現，大型強子對撞機的最新資料中根本不存在“碰撞”跡象。英國伯明罕大學科學家、大型強子對撞機Atlas實驗專案負責人大衛-查爾頓表示，“為了採集資料，我們實施了許多次實驗。但是，在最新的實驗結果中，沒有發現‘碰撞’跡象。什麼都沒有。”專案組成員都對這一結果表示失望。

在國際高能物理大會的一次記者會上，查爾頓教授表示，“如果真的發現一種新型粒子，那將是一件極其美好的事情。但是，很遺憾。”不過，查爾頓認為，研究資料確實（與“碰撞”現象）很相似，而且大型強子對撞機的兩台探測器 Atlas和CMS採集到的資料都與“碰撞”很相符。查爾頓解釋說，“這可能只是統計上一次偶然事件，兩台探測器‘看到’了相似的東西。當它們出現時，奇怪的特點也很一致。但是，我們沒有對資料進行非常仔細地研究以確定是否真的認識它們。我們也沒有再次看到新的樣本。”

歐洲粒子物理研究所負責人法比奧拉-吉安奧蒂教授表示，她的團隊只是邁出了艱難歷程的第一步，他們將研究重點放在了對撞機的技術成功率上。“大型強子對撞機的優越表現都預示我們對新能量級有更細緻、更深入的理解，也對我們更好地理解基礎物理學有更重要的意義。”英國倫敦大學學院科學家、大型強子對撞機Atlas實驗團隊成員喬恩-巴特沃斯教授也表示，他們的團隊正在更加努力，致力於發現一類新型粒子，他們也堅信這些粒子肯定存在。

四年前，大型強子對撞機科學家聲稱發現了被稱為“上帝粒子”的希格斯-玻色子。根據現有的亞原子物理學理論-標準模型，科學家們堅持預言希格斯-玻色子的存在。自此以後，科學家們又在致力於尋找標準模型之外的相關證據。標準模型簡要地解釋了粒子是如何結合與交互從而形成了我們周圍的世界，還介紹了各種自然力是如何工作的。儘管標準模型已非常成功，但物理學家很清楚，該模型僅僅只能解釋我們整個宇宙一個小小的角落（僅占宇宙的大約4%）。它仍然無法說明暗物質、暗能量等理論。

大型強子對撞機的建設就是為了探索這些未知的新物理學領域，發展新的物理學理論用來解釋宇宙構成的奧秘。大型強子對撞機的發現成果將有可能預示物理學領域的最偉大革命。去年12月，大型強子對撞機兩台探測器 Atlas和CMS都發現了一種新型粒子存在的跡象，這一發現曾經讓整個粒子物理學界為之振奮。

雖然資料中的“碰撞”跡象可能只是統計上的偶然事件，但是它也可能是新物理學研究者一直翹首以盼的首個證據。今年初，大型強子對撞機再次實現全負荷運行，以前所未見的高速實施對撞，用於採集科學家們所需要的資料。歐洲粒子物理研究所數千位元科學家希望能夠取得科學上最偉大的發現成果，甚至比希格斯-玻色子的發現更為重要。然而，撞開新物理學領域的大門要比此前更為艱難，他們發現這扇大門仍然紋絲不動。實驗暫告段落，“碰撞”跡象消失。在粒子物理學領域，像這樣的無規律現象常有。這一次它未能給科學家帶來巨大驚喜，帶來的只是失望。

那麼，大型強子對撞機到底還要多久才能取得新的物理學發現？查爾頓教授表示，如果科學家們現在無法馬上有所新發現，那麼他們將準備長期戰鬥。“如果我們今年無法發現新粒子，我們可能還需要堅持許多年時間。”

粒子狂熱 ParticleFever (2013)

又名: 粒子燒 / 追蹤終極粒子

http://pan.baidu.com/s/1jHCbvx0

導演: Mark Levinson

主演: Martin Aleksa / Nima Arkani-Hamed / Savas Dimopoulos / Monica Dunford / Fabiola Gianotti / David Kaplan / Mike Lamont

類型: 紀錄片

製片國家/地區: 美國

語言: 英語

片長: 99 min

IMDb鏈結: tt1385956

劇情簡介

粒子物理學對電影剪輯的啟發－

剪輯大師 沃爾特·默奇與最前沿的偉大紀錄片《狂熱粒子》2013

 好萊塢電影剪輯師、音效設計師沃爾特·默奇。《現代啟示錄》“Apocalypse Now”(1979) 使他贏得了奧斯卡最佳音效獎，《英國病人》“ The English Patient” (1996)又贏得了空前的雙重奧斯卡聲音設計和電影剪輯獎。

沃爾特·默奇為法蘭西斯·福特·科波拉(Francis Ford Coppola)的大部分電影做音效設計，包括《雨族》“The Rain People”(1969)，《教父II》“The Godfather: Part Ⅱ” (1974)，其他代表作品還有喬治·盧卡斯的《美國風情畫》“ American Graffiti” (1973)，《竊聽大陰謀》“ The Conversation” (1974) 獲得奧斯卡獎提名。

默奇先生同時也是喬治·盧卡斯和法蘭西斯·科波拉的創始成員，及加州北部影業的成員。默奇指導的作品有《重返奧茲國》“Return to Oz” (1985) ，但作為一個電影剪輯師和聲音設計，默奇當之無愧在這個領域裏是舉世公認的大師。默奇在《現代啟示錄》中首次提出了“聲音設計”的概念，並與同事Ben Burtt一起，把電影聲音藝術提升到了一個新高度。

什麼是“上帝粒子” ?-2012年人類最偉大的發現

希格斯玻色子(Higgs boson)，別稱上帝粒子(God particle)，是粒子物理學標準模型預言的一種自旋為零的玻色子。它是標準模型中最後一種未被發現的粒子。它可以幫助解析為何其他粒子會有品質。有科學家認為“上帝粒子”的名稱是媒體誤導讀者的誇大之詞。2011年12月13日，歐洲核子研究中心科學家表示，他們發現了希格斯玻色子存在的跡象。但經考慮實驗其誤差之後，宣佈實驗結果無效。2012年7月4日科學家宣佈發現了一個新粒子，與希格斯玻色子特徵有吻合之處。

     沃爾特·默奇最喜歡的休閒方式就是坐在電視機前，手持碼錶，計算政客們在演講時每分鐘眼睛要眨多少下。“我只是從生理上被這種現象迷住了。比如，我會這麼說：‘你相信嗎?他一分鐘居然眨了八十次眼睛!’正常情況下我們一分鐘會眨眼15次，所以很明顯，這個人肯定心裏有鬼。”至今為止，政客之中，最高眨眼紀錄保持者仍是丹·奎爾(美國第44任副總統，他“眨眼率驚人的高”)。

默奇認為，眼瞼是靈魂之窗。或者，至少，眼瞼也是腦和嘴的同步性之窗。他通過一種獨特的方式來測試自己剪輯技巧的靈活度：他會打開一段影片，留心演員在哪里眨眼，然後重播影片，並且找到演員眨眼的那一幀——要知道，一秒鐘裏可有24幀!這就是他磨練卓越剪輯技術的奧秘。如果演員足夠優秀，那麼他們眨眼時也說明人物心緒改變，這樣可以決定應該在什麼地方進行剪切。——“要是哪一天我沒法再這麼做，就說明我該金盆洗手了。”

默奇將這個技巧一直沿用至今。在《500年後》(THX1138)，《美國風情畫》(American Graffiti)和《教父》(The Godfather)中，他都實踐了這個理論，還有《竊聽大陰謀》(The Conversation)——這是他的代表作中同時做聲音設計和畫面剪輯的。他憑藉《現代啟示錄》(Apocalypse Now)贏得了第一個奧斯卡獎——最佳音效獎(還記得直升機葉片的發聲漸漸模糊，最後被切分為吊扇聲的時候嗎?)，隨後又靠《英國病人》斬獲幾項奧斯卡獎(默奇是個相當“從一而終”的人，他曾為盧卡斯、科波拉、明格拉和門德斯的一系列影片擔任剪輯工作)。

     然而，作為現在最具傳奇色彩的剪輯師，他卻很平易近人，早早就乘著校車過來，在謝菲爾德站外接受我們採訪。他此行是為了宣傳今年備受關注的紀錄片《狂熱粒子》Particle Fever，一部尋找希格斯玻色子(上帝粒子)的紀錄片，默奇擔任《狂熱粒子》的剪輯。他禮貌而熱情，字句組成乾淨俐落，表意明確，簡直像是為你預先編輯了回應，知道應該在哪里停頓，哪里省略似的。起初，這樣令人不安——你擔心他出口的言論是否足夠自發。然後，你就明白了：他之前沒有開口，是因為他之後妙語連珠，口才遠勝我們大多數人。

他終生都對粒子物理學抱有濃厚興趣。他說，“大統一理論 Grand Unified Theory 會解釋你今天早餐吃了什麼，早餐是什麼構成的，接下來你要做什麼。我個人覺得它(預示未來這一點)永遠都不會發生。我認為它就像一個盒中盒，盒盒相扣。有趣的是追求這個理論本身，和由追求之中浮現出的東西吧。”

默奇贏得過三項奧斯卡獎，撫養四個孩子，空閒還飼養蜜蜂和學習音樂。最近，他還在間隙裏熱心于研究萬神廟，哥白尼的著作和日心說在西方天文學的起源之間的聯繫。歐洲核子研究中心的科學和創新之球是否如羅馬的穹頂一樣啟迪他的心靈?他會不會覺得近來我們越來越無法敬畏科學之美?

“那些熟悉數學的人癡迷于它的美麗。但是，對於一般人來說，這是很難領會的。而在19世紀，人們卻對科學普遍充滿激情，因為科學似乎遵循常識。”

儘管身為藝術家，默奇卻以一種相當科學，甚至近乎做手術般的態度對待工作。他全心投入剪輯，閒暇時候則寫作，顯然剪輯更中他的意。他已經69歲了，卻還是每天工作15小時。就像本片中的物理學家一樣，他是一位先驅者，為了世間的種種界限而操心。他認為聽覺開化尚處於起步階段。

“這對於人類文化是一種全新的體驗。早在電影音效進化時，很多理論家就認識到這種能力，並宣稱創造性地處理聲音的可以避免不成形的混亂噪音干擾。你可以想想，繪畫存在了多久，又是如何在數千年間塑造了我們看待世界的方式。對於聲音來說，這個過程才剛剛開始。”

我們可以在有限的口語辭彙內找到證據。“對於‘看’這個行為有許多許多的名詞——掃視，一瞥，窺探——但對於‘聽’這個行為則沒有。在一般情況下，我們認為聲音不太重要。所以我是在用一個不同的角度看世界。我可以構建音景，在他人不知不覺的情況下對他們產生影響。這只是個花招而已。當你拍攝東西時，會對人們的知覺產生直接吸引力，所以他們知道自己正在被所看到的東西影響。而聲音則類似於由側門而入，影響相對較小。”

默奇認為，有部分原因在於“我們的生物進化”的限制。雖然我們的眼睛可以表意，但我們的耳朵卻僅僅是“號角”，不具備表達功能。“如果我們有像星球大戰裏一樣的眼睛，比如說C-3PO那種，不會轉動的光碟式的眼睛，會怎麼樣呢?要是我們的耳朵都像狗的耳朵，可以豎起、撲倒或側轉和集中注意力，又會怎麼樣?

我想，那樣的話我們會對不同的聽覺方式有更多的感觸。馬和狗的耳朵可以動，靈長類動物則不行。”來回擺動如何?他笑了，耳朵一動不動，真誠無比。“它們不能做關節運動，所以只能來回擺動。”

《狂熱粒子》以所有懸念之源頭收尾。“上帝粒子”被發現了，但其能量狀態卻令人氣餒。“如果它稍強或稍弱一點，宇宙的穩定性將以一種方式或其他方式得到保證。但它就處在這個尷尬的值，讓我們的宇宙命懸一線，並可能在不發出任何警告的情況下自身崩潰。”

默奇的目光既穩重又沉著。他的目光並無閃爍。他說，他尚未幻想過宇宙大爆炸。“如果是這樣，這一刻我們坐在這裏說話，下一刻我們就會突然消失。而不會這樣：‘哦，不，那是什麼聲音?在這裏，它來了!’你不會得到任何預警，只會從物質轉變為純粹的能量。”默奇已經二者兼備：他既是一個美麗的核心，又為我們所有人傳播藝術。

謎樣膠子 維繫萬物

數十年前，物理學家發現萬物都是由夸克組成，並受到一種稱為「膠子」的粒子所束縛，而形成質子和中子。膠子維繫萬物，但是我們仍不清楚膠子作用的細節。

撰文／安特（Rolf Ent）、伍瑞克（Thomas Ullrich）、維努高帕蘭（Raju Venugopalan）

翻譯／陳義裕

重點提要

■這個世界的物質基本上都是由夸克組成，並由一種稱為「膠子」的極黏粒子束縛住夸克。物理學家對於夸克和膠子的運作雖已有長足的進展，但是令人困惑的謎題仍然存在。

■關於原子內質子或中子的質量和自旋，究竟有多少是來自夸克和膠子，我們仍不清楚。此外，夸克和膠子似乎具有奇怪的色荷，但質子或中子是色中性。

■未來的實驗將以前所未見的精細程度來呈現物質的組成，可以幫助物理學家更加了解夸克和膠子的作用。

古希臘人相信原子是組成宇宙萬物最小的單元。然而20世紀的科學家發現原子是可分割的，顯示出原子有更小的組成：質子、中子和電子。接著，人們又發現，質子或中子是由更小的夸克（quark）組成，並由一種稱為膠子（gluon）的粒子來「膠黏」夸克。我們現在知道這些粒子是真正的基本粒子，但是這個圖像其實仍不完備。

透過實驗方法來一窺質子或中子的內部，結果呈現在我們眼前的，竟然是眼花撩亂的景象。每個質子（或中子）都是由三個夸克和數個膠子組成，裡面同時還有成對的夸克與反夸克（夸克的反物質粒子）不斷產生又湮滅，這些夸克稱為「海夸克」（sea quark）。宇宙中由夸克組成的粒子也不是只有質子和中子；過去半個世紀以來的加速器實驗已經創造出一大堆內含夸克和反夸克的粒子，這類粒子和質子、中子合稱為強子（hadron）。

儘管已經增長了這些見解，也略微知道個別夸克和膠子的作用，說來令人洩氣的是，物理學家仍然無法透過夸克和膠子，來全盤解釋質子、中子和其他強子的一切性質與行為。例如，把質子內夸克和膠子的質量加總，結果還差質子的質量一截，這就形成一個謎題：不足的質量從何而來？再者，我們還想知道膠子究竟如何束縛夸克，以及為什麼這種束縛力會取決於夸克的特殊性質「色荷」（color charge）。此外，我們也不知道怎麼透過夸克和膠子的自旋（spin）來湊出質子的自旋。這也是一個謎題，因為要把這些粒子個別的自旋加總成質子整體的自旋，並不簡單。

如果物理學家能夠回答這些問題，我們才算是從最基礎的層面來了解物質運作的道理。釐清夸克和膠子的主要謎題，是辨明物質在最微小層面中的主要步驟。這些目前正進行的或未來的研究，包括探索夸克和膠子的奇特組態等，也應該都有助於解開謎題。如果運氣夠好，不久之後我們將可撥雲見日。

質子質量從何而來？

質量之謎是令物理學家最苦惱的問題之一，也讓我們稍稍了解夸克和膠子複雜的運作方式。

基本上，我們已經掌握夸克和輕子（lepton，另一類基本粒子，成員有電子、緲子等，參見右頁〈構成萬物的粒子〉）是如何擁有質量，機制是希格斯玻色子（Higgs boson）和無所不在的希格斯場（Higgs field）引起。2012年，我們在日內瓦附近、歐洲核子研究組織（European Organization for Nuclear Research, CERN）的大強子對撞機（Large Hadron Collider, LHC）中發現希格斯玻色子，算是一件風光盛事。

當粒子穿過希格斯場時，與希格斯場的交互作用就賦予其質量。有人會說，希格斯機制能夠解釋可見宇宙的質量起源，這句話其實不對。夸克質量只佔質子或中子質量的2%，我們相信其餘的98%主要由膠子的作用而來，但是絲毫不清楚膠子究竟如何形成質子或中子的部份質量，因為膠子根本沒有質量。

愛因斯坦著名的質能互換公式提供了解決此謎題的一條線索。把該公式改寫成m＝E/c2，我們可以把靜止質子的質量m視為其能量E，不過要再除以光速的平方（c2）。由於質子的能量大部份是由膠子所貢獻，理論上我們只需算出膠子的淨能量即可。

但是計算膠子的能量困難重重，原因之一是求得膠子的總能量受限於數個因素。沒有跟其他粒子結合的自由粒子，其能量就是運動能量，問題在於夸克或膠子幾乎不會單獨存在，夸克或膠子以自由之身存在的時間稍縱即逝（比3×10-24秒更短），恨不得立即跟其他次原子粒子結合而完全隱匿身影。再者，就膠子來說，總能量不只是運動能量，還有束縛夸克而形成新的粒子所耗費的能量。為了解決質量之謎，我們勢必得更加了解膠子究竟如何進行「膠黏」。在這一點上，膠子設下重重路障，鐵了心不讓我們輕易跨過。

上帝粒子：假如宇宙是答案，究竟什麼是問題

http://pan.baidu.com/s/1mhS7fG8

作者: (美)利昂·萊德曼

(美)迪克·泰雷西

譯者: 陳宏偉

圖書分類: 科普

資源格式: PDF

版本: 掃描版

出版社: 上海科技教育出版社

書號: 9787542834041

發行時間: 2003年12月01日

地區: 大陸

語言: 簡體中文

簡介: 內容介紹：

究竟什麼才是構成宇宙的終極粒子？從古希臘哲學家德謨克利特由聞到烤麵包的氣味推導出“原子”存在的“思想實驗”開始，無數的實驗家和理論家為解開這一謎案已經苦苦奮鬥了2000多年。在本書前幾章中，當代最偉大的粒子物理學家之一、1988年諾貝爾物理學獎得主萊德曼用幽默生動的語言，引領我們穿越歷史的長河，對人類探尋宇宙終極粒子的發現之旅作了簡要回顧。從中我們將會看到科學前輩們是如何通過一個一個的“尤里卡時刻”，將這一難題一步一步推進到揭開宇宙最後之謎的關鍵——上帝粒子。

“上帝粒子”是萊德曼對希格斯玻色子的別稱。這種粒子是物理學家們從理論上假定存在的一種基本粒子，目前已成為整個粒子物理學界研究的中心，萊德曼更形象地將其稱為“指揮著宇宙交響曲的粒子”。通過萊德曼妙趣橫生的講述，我們不但能夠清楚地瞭解到現代物理學家們是如何尋找基本粒子的，讀到現代物理學史上的許多趣聞軼事，還能對標準模型、大型一理論、超弦和暗物質等當代物理學前沿問題有更為深刻的理解，其中也包括“為什麼所有的物質都有品質”這一更為基本的問題。

作者簡介：

利昂·萊德曼，著名粒子物理學家。1922年7月15日生於紐約，1946年進入哥倫比亞大學物理系讀研究生，1951年獲得博士學位後留校工作，1958年後任該校教授，1979-1989年曾任費米國家加速器實驗室主任，並主持設計了超導體超級對撞機建造計畫。萊德曼長期從事教育工作，曾任美國科學促進會理事會主席。他在粒子物理實驗領域成果卓著，並因“中微子束方法及通過發現μ中微子驗證輕子的二重態結構”而榮獲1988年諾貝爾物理學獎。

迪克·泰雷西，《集萃》雜誌前任編輯，曾與人合作撰寫過《三磅宇宙與鐳射》一書。

科學家稱大型強子對撞機或將解開暗物質之謎

http://tech.sina.com.cn/d/i/2015-01-03/doc-icczmvun4621999.shtml

夸克之內 別有洞天?  撰文／林肯（Don Lincoln）翻譯／甘錫安

如果在目前已知最小的物質組成粒子內，還有尚未發現的粒子世界，物理學會發生什麼改變？

重點提要

■1869年，門得列夫（Dmitri Mendeleev）發現化學元素的性質有一定的重複模式，因此創立了元素週期表。物理學家後來認為，這種重複模式源自原子的結構。今天在粒子物理學中，或許也會出現相同的狀況。

■目前已知的12種基本粒子也有重複模式，因此可能並非真正基本，而是包含更小的粒子。物理學家暫時將這種粒子稱為「前子」（preon）。

■但是，其他證據並不支持這種可能性。歐洲核子研究組織（CERN）的大強子對撞機（LHC）和一些其他的實驗，或許可以解決這個問題。

宇宙是個既複雜又難以理解的地方。我們在空氣中行動自如，但沒辦法穿牆而過。太陽將一種元素轉變成另一種元素，讓地球沐浴在溫暖和光亮之中。無線電波可以將人類的聲音從月球表面送往地球，γ射線卻可能對我們的DNA造成無法復原的損害。從表面上看來，這些現象之間似乎互不相干，但是物理學家發現了若干原理，再整合成極度簡潔的理論，能夠解釋包含這些在內的許多現象。這項理論稱為粒子物理學的「標準模型」，涵括了使牆壁形成固體的電磁力、使太陽放射出光和熱的核力，以及現代通訊賴以運作和可能威脅人類健康的各種光波。

標準模型是史上發展得最成功的一項理論。本質上，這個模型假設無法再加以分割的物質粒子有兩種，分別是夸克和輕子。不同種類的夸克構成了質子和中子，最常見的輕子則是電子。適當比例的夸克和輕子可構成各種原子，再進一步構成宇宙中的各種物質。這些構成物質的粒子由四種力結合在一起，分別是大眾相當熟悉的重力和電磁力，以及較不熟悉的強核力及弱核力。電磁力與強、弱核力是透過交換「玻色子」來傳遞，但由微觀角度來解釋重力的各種嘗試，至今尚未成功。

標準模型還有其他問題無法解答，例如：力為什麼有四種，而不是三種或五種？基本粒子為什麼分成兩類，而不能以單一類別涵括全部的粒子？

這些問題都相當引人好奇，然而長久以來，另一個謎團一直吸引著我和許多物理學家的注意。標準模型把夸克和輕子視為不可分割的粒子，但令人驚訝的是，有許多跡象顯示，它們可能是由更小的粒子所構成。如果夸克和輕子不是最基本的粒子，而且更小的粒子確實存在，我們勢必得大幅修改我們的理論。拉塞福（Ernest Rutherford）於1911年發現原子結構之前，核能對人類而言難以想像，同樣地，進一步深入探索次原子世界，一定也會揭露我們目前想像不到的現象。

科學家要解決這個問題，必須讓粒子以極高的能量相撞。從1970年代開始觀察夸克以來，我們一直缺乏能夠一窺夸克內部的工具。但現在，歐洲核子研究組織（CERN）的大強子對撞機（LHC）正在加速運轉，將可協助我們完成這項任務。LHC日前已經發現重要的證據，證明標準模型中最後一個尚未找到的粒子——希格斯玻色子確實存在。