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【科學講堂】物理學家常問「自然」

2017-06-14

與現有理論相悖 「上帝粒子」質量成疑團

科學家們都在替什麼樣的問題找答案?我們心中都有一個大約的概念:他們在解釋各種各樣的「為什麼」。

這個想法大致正確,不過實際上來說卻不是如想像般直接:是否每一件物事,每一種現象,背後都有一個值得探究的原因?

和牛頓(Isaac Newton)同時期的萊布尼茲(Gottfried Wilhelm Leibniz)就在他的哲學論述中經常用到一個相關的原則-充分理由原則(Principle of Sufficient Reason):每一個事實、真理或事件都有一個充分的理由去解釋它們的存在或發生。

這個原則在哲學的範圍內受到廣泛討論,今天不在此詳細分享,不過這個原則看來是太強了,因為萊布尼茲利用它,看來不是很困難地就證明了很多驚人的結論:上帝是存在的、一模一樣的兩件物件(例如兩顆鑽石)是不可能存在的等等。

地球半徑「自然」 因已對其有一定了解

當然當我們細想,應該不難想到有些問題真的好像是沒有什麼特別原因的:比方說,為什麼地球的半徑是大約6,400公里,而不是其他數字?

我們有這樣的想法,其實並不理所當然:主要是因為我們現在對太陽系及地球形成的理解,告訴我們地球的大小沒有什麼特別意義。假若我們對太陽系及地球的形成並不知曉,又怎麼可以肯定地球的半徑沒有什麼特別原因?在這個骨節眼上,探索宇宙是如何形成的物理學家很愛問一種問題:這個數值是否「自然」?大家可能會有點疑惑:這個問題是什麼意思?什麼是「自然」?

舉例來說,對物理學家來講,原子核中的質子(proton)的大小就自然得很。為什麼?因為質子是由更細小的夸克(quark)所組成,而這些夸克是因為強核力(strong nuclear force)的吸引力而聚在一起。強核力跟我們熟悉的地心吸力(gravitational force)或電磁力(electromagnetic force)「有點」不同:兩顆夸克的距離越遠,它們之間的強核力就越大。

到了某個距離,夸克之間的強核力變得無比巨大而將它們「黏」在一起;而這個距離,剛好就是一枚質子的大小。

希格斯粒子質量「不自然」地小

那麼有沒有什麼「不自然」的例子? 2013年確定發現的希格斯粒子(Higgs boson)正好就是。

這顆被戲稱為「上帝粒子」的質量,理論上來說應該受到各種其他粒子(包括還未發現的粒子)影響。縱使這些影響絕對不小,它們之間卻很大部分奇蹟似地互相抵消,致令希格斯粒子的質量不自然地小。

這就好比一間公司每天都有茷雂j量的金額流進流出(例如今天進賬一千萬,明天支出六百萬),然而月底結賬時才發現只賺了五元六角,這是否很不自然?這也好像一枚放在金字塔頂端的雞蛋:為什麼它還沒有滾下來?

小 結

「 為什麼」這種問題不難問,然而卻不一定問得有意思,因此有些科學家就以「自然不自然」來作為發問的出發點。當你看見在金字塔頂端沒有滾下來的雞蛋,是否也覺得背後一定有什麼值得了解的原因? 張文彥博士

作者簡介:香港大學土木及結構工程學士。短暫任職見習土木工程師後,決定追隨對科學的興趣,在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位,修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師,教授基礎科學及通識課程,不時參與科學普及與知識交流活動。

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