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【科學講堂】夸克看不見 冇圖有真相

2018-10-10
■金鬖漈眶撗y菌,是引起食物中毒的常見病菌。 網上圖片■金鬖漈眶撗y菌,是引起食物中毒的常見病菌。 網上圖片

日常生活中我們經常說「眼見為實」:看得到的東西我就採信,也就是所謂的「有圖有真相」。然而在科學的領域裡,研究的東西愈來愈細、愈來愈遠,科學家們又是如何看待「眼見為實」這個偏好呢?今天就跟大家討論兩個相關的例子。

之前跟各位分享過原子核中的質子和中子,其實是由更小的「夸克(quark)」所組成的;夸克與夸克之間有一種我們平日不常見的吸引力,叫作「強作用力(strong force)」。

這個理論有一個有趣的地方:強作用力有3種電荷,分別被稱為藍、綠和紅,而當這3種電荷走在一起的時候,就可以互相抵消。

質子和中子整體上來說不帶有這種強作用力的電荷,由此可知,我們需要3顆夸克才能製成一枚質子或中子;比方說2顆夸克的製成品,就必定帶有強作用力的電荷,而不可能是質子或中子了。

那麼我們平日熟悉的電荷又如何?大家應該都還記得質子帶正電,電子帶負電,而中子不帶電。在這個理論下,有些夸克的電荷是電子的三分一。

各位看官可能會馬上想:奇怪!在現實中為什麼沒有聽說過物件的電荷是分數來的?更甚者,為什麼我們好像沒有見過一顆夸克?

夸克理論逐漸被接納

這就是這個理論弔詭的地方:當兩個物件分開得愈來愈遠,我們熟悉的電磁力和萬有引力都會愈來愈弱;然而強作用力卻會變得愈來愈強。假若我們想將質子中的夸克用力拉開,我們要用的力會愈來愈大、投進愈來愈多的能量;當投進的能量夠大,這些能量卻會根據愛因斯坦的E=mc2而變成新的質子、中子或其他粒子,而不會有任何「孤獨」的夸克跑出來。因此這個理論有點兒站在不敗之地:它假設了夸克的存在,同時卻又解釋了為什麼我們永遠都不會直接見到夸克。

在這個骨節眼上,我們當然不應輕易採信這個夸克理論。不過,夸克能解釋的現象愈來愈多,經歷了不少實驗的考驗,才逐漸成為我們接納的理論。

不過不是每一個理論都這麼幸運。意大利學者弗拉卡斯托羅(Girolamo Fracastoro)在16世紀提出了相當於現代的病菌理論,猜想可能是一些細小的物質在人群中傳播,散播疾病。

然而,當時流行的卻是從古希臘時代流傳下來的瘴氣理論(miasma theory),認為是從環境中釋出的有害物質(例如受污染的水源、有害的空氣)令人生病;因此同一個地方的居民容易一同染病,但卻不是人與人之間互相傳染。

現在我們當然認同病菌的理論,但在16世紀這個理論卻不受重視;其中一個重要的原因,自然是因為在當時還未有人能夠看到這些病菌。及後我們能夠利用顯微鏡觀察各樣的微生物,自然成為了病菌理論的一大強證。

小結

大自然的規律千變萬化,看來我們不一定每次都能「眼見為實」。不過看不見的夸克自然不應該輕易相信:受到現今肯定的理論,其實都是經歷了不少實驗考驗的。

■張文彥博士 香港大學理學院講師

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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