# 從相對論到上帝粒子
Source : 博客來
以下摘要我比較感興趣的物理學家與其事蹟.
比較早期的諾貝爾物理學得獎者中, 具有劃時代意義的是原子模型三個粒子 (電子, 質子, 與中子) 的發現者, 因為他們的貢獻開啟了人類一窺微觀世界奧秘之門, 依發現之先後順序列表如下 :
| 粒子 | 發現年 | 發現者 | 國籍 | 諾貝爾獎 |
| 電子 | 1897 年 | 約翰湯姆森 | 英國 | 1906 年物理學獎 |
| 質子 | 1919 年 | 拉塞福 | 紐西蘭 | 1908 年化學獎 |
| 中子 | 1935 年 | 查德威克 | 英國 | 1935 年物理學獎 |
這三位得獎人其實都出自英國卡文狄許實驗室 (即劍橋大學物理系實驗室), 三人一脈相承是師生關係, 湯姆森與拉塞福師徒兩人還長期擔任實驗室主任. 此實驗室自 1871 年由馬克斯威爾創立以來的 144 年間, 目前為止總共產生了 29 位諾貝爾獎得主, 平均每五年就有一位, 真是成果豐碩產量驚人. 其中化學獎 6 位, 生醫學獎 3 位, 物理學獎 20 位, 對於上個世紀的物理學成就功不可沒.
電子的發現者約翰湯姆森 (John Thomson) 是卡文狄許實驗室的第三任主任, 他在利用陰極射線管進行氣體導電的實驗中發現, 陰極射線是由一種帶負電的粒子組成, 他將之取名為電子. 由於比原子小很多 (是第一個被發現的次原子粒子), 此發現推翻了之前原子是最小粒子的假說. 除了陰極射線的研究外, 湯姆森在陽極 (離子) 射線方面的實驗則發現了同位素, 並催生了質譜儀的發明. 這些成就使其獲頒 1906 年物理學獎.
電子的發現開啟了往後一連串的物理大發現. 1905 年愛因斯坦以光電效應揭開光的波粒二元性, 這給了法國理論物理學家德布羅意 (Louis de Broglie) 非常大的啟發, 他在 1923 發表的論文中就把光的波粒二元性推展到任何物質均具有波動性質 (稱為物質波), 認為不只是光, 任何運動粒子也會產生波動, 並依此預測當電子束穿過小孔時也會如同光波那樣出現繞射現象. 愛因斯坦得知後非常高興, 而德布羅意也因為愛因斯坦的推介而聲名大噪.
德布羅意的推論在 1927 年被約翰湯姆森的兒子喬治湯姆森 (George P. Thomson) 以晶體的電子繞射實驗證實了, 使得德布羅意於 1929 年因為發現電子的波動性而獲得物理學獎. 喬治湯姆森的實驗給後來的量子力學理論提供了堅實的實證基礎, 因此他也獲頒 1937 年物理學獎. 約翰湯姆森與喬治湯姆森是目前為止諾貝爾物理學獎唯一的父子檔. 父親證明電子是一個粒子, 而兒子則證明電子是一種波動, 電子的波粒二元性都在他們父子倆手中被發現與證實, 真是個傳奇. 附帶一提, 既然物質也含有波的性質, 那為何我們日常經驗中感受不到呢? 德布羅意在他的博士論文中提出此物質波的公式, 其波長與質量成反比. 生活中所見物質之質量太大, 其波長極小, 因此感受不到物體的波動現象, 要在像電子那樣的次原子微觀世界中才會顯現.
質子的發現者拉塞福被稱為是核子物理學之父, 他因為發現放射性物質會衰變成另外一種物質, 並放射出 α 粒子與 β 粒子 (其實除此之外還有後來萊因斯在 1956 年才發現的中微子) 而獲頒 1908 年的諾貝爾化學獎, 據說拉塞福對此不太高興, 因為他認為自己是物理學家而非化學家, 應該頒給他物理學獎才對. 這本書是針對物理學獎, 因此沒有列入拉塞福, 但是在湯姆森與查德威克兩章中有提及拉塞福的貢獻.
拉塞福的名言 : "科學只有物理一個學科, 其他不過相當於集郵活動而已", 言下之意, 物理學是科學中的科學, 其他的學問不過是建築在其上的衍生物而已. 以前在教科書上讀到拉塞福的名字時, 並沒有留下甚麼印象; 但現在讀到這句話, 拉塞福在我的腦海中將與馬克斯威爾以及愛因斯坦等偉人並立. 我對科學的定義相當狹隘 (嚴謹), 但是比拉塞福的稍寬, 即物理學加上其描述語言-數學而已. 我認為, 能經過重複實驗而得到相同結果的學問才能稱為科學. 社會科學應該稱為社會人文學才對, 如果社會學也稱得上是科學, 那麼不同媒體同時做的總統候選人支持率應該結果一致啊!
# 拉塞福的黃金火花
# 拉塞福 (Ernest Rutherford)和原子核的發現
中子其實源自拉塞福在 1920 年一次演講中, 為了解釋原子量與原子序差距而提出的一個假說, 認為原子核中應該存在一個電中性的粒子 (他原先假想是質子與電子的結合). 而發現中子的查德威克是拉塞福的學生, 他是在老師的理論指導下, 經多次實驗才終於在 1932 年成功捕捉到中子. 中子的發現使人類找到釋放核能之門的鑰匙 (開啟潘朵拉之盒?), 因為用中子來轟擊鈾原子核, 可以引起核分裂的連鎖反應.
這三種粒子的發現開啟了往後幾十年高能粒子物理學的高速發展, 實驗物理學家陸陸續續發現了更多次原子粒子, 不斷地證實或否定了理論物理學家的預測與猜想. 例如電子在之後的粒子物理學的標準模型中, 與渺子 (muon), 中微子 (neutrino) 以及濤子 (tauon) 一起被歸類為輕子 (lepton, 不參與強交互作用的粒子), 而且是所有輕子中質量最輕的 (事實上輕子這名詞取得不好, 因為輕子中的濤子不但不輕, 還非常重, 是質子的 2 倍重, 是電子的 3500 倍重). 1995 年的物理學獎就是頒給發現濤子的史丹福大學教授佩爾 (Martin Perl, 丁肇中的老師) 以及首次以實驗捕獲中微子的加州大學教授萊因斯.
2013 年物理學獎頒給英國愛丁堡大學的希格斯教授與比利時理論物理學家恩格勒, 以表彰他們在粒子物理學中建構標準模型的貢獻, 因為就在前一年 (2012), 歐洲核子研究組織 (CERN) 以大型強子對撞機 (LHC) 實驗捕捉到所謂的上帝粒子-希格斯坡色子, 驗證了希格斯與恩格勒等人於 1964 年所提出的希格斯場與希格斯機制理論. 此理論認為有一個遍布全宇宙的希格斯場, 而希格斯玻色子是希格斯場的振動. 所以找到上帝的粒子就間接證明了希格斯場的存在.
希格斯坡色子是標準模型所預測的 61 種基本粒子中最後被找到的粒子. 其特徵是 : 電中性, 自旋為 0, 與極不穩定 (生成後立刻衰變). 在量子力學中, 基本粒子被分成兩種 : 自旋為整數的坡色子 (波函數對稱) 與自旋為半整數的費米子 (波函數反對稱), 分別遵守兩種不同的統計規律 (坡色-愛因斯坦統計與費米-狄拉克統計). 費米子是組成物質的要素, 例如電子與原子核內的質子與中子都屬於費米子, 我們所見的物質世界都是由費米子構成的; 而坡色子是傳遞作用力的, 例如光子 (電磁力), 膠子 (強作用力), 以及尚未被發現的重力子都是坡色子. 物質會結合為一團是靠坡色子傳遞的作用力將費米子黏在一起, 例如質子是由兩個上夸克與一個下夸克組成; 而中子是由一個上夸克與兩個下夸克組成, 就是靠膠子在夸克之間傳遞強作用力, 將它們黏在一起; 而原子核中帶正電的各個質子, 也是靠膠子傳遞強作用力, 才能抵抗質子之間的電磁力, 將它們束縛在原子核內.
今天休假一天在家, 終於把這本書大致看完, 可以拿去還了. 要搞懂物理學真不容易, 這些物理學家真是神人. 研究物理好比是王陽明的格物致知, 從窮究萬物之理來反看我們的心, 或許能打破物質與心靈的藩籬, 將物與心融合在一起. 我在想, 這遍佈宇宙的希格斯場該不會就是所謂的佛法無邊吧! 坡色子會不會就是業力呢? 費米子與希格斯場交互作用取得質量, 這是萬法惟心造嗎? 或許有一天量子物理學家能貫通這一切, 用數學語言來闡釋佛法也說不定.
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