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【科學講堂】超大顯微鏡 微觀尋粒子

2019-12-11
■位於瑞士跟法國交界,歐洲核子研究組織(CERN)的大型強子對撞機,在地下175米的深處,有一條圓周長達27公里的圓形隧道。 網上圖片■位於瑞士跟法國交界,歐洲核子研究組織(CERN)的大型強子對撞機,在地下175米的深處,有一條圓周長達27公里的圓形隧道。 網上圖片

不知大家有否聽說過,在地球地下175米的深處,有一條圓周長達27公里的圓形隧道?這條隧道裡的磁鐵磁場強大,是地球本身磁場強度的10萬倍。為了維持如此強大的磁場,這些磁鐵更需要在攝氏零下271度之下運作。如此驚人的建築與設施,其實就是位於瑞士跟法國交界,歐洲核子研究組織(CERN)的大型強子對撞機(Large Hadron Collider),堪稱世上最大的顯微鏡。

探究物質結構 發現全新粒子

這個深藏地下、圓周長達27公里的建築,自然實至名歸地與「大」扯得上關係;不過為什麼它是一部顯微鏡呢?因為這個大型強子對撞機,其實是用來深入探究物質結構的:平日的生物顯微鏡可以用來察看各種細胞;電子顯微鏡可以看到金屬、結晶體的表面結構;但是這個大型強子對撞機,卻是希望超越組成原子核的質子與中子,發現新的粒子,並深入研究組成質子中子的夸克(quark)。用來察看如此微細結構的工具,難道還不是顯微鏡嗎?

然而這個「顯微鏡」為什�洎n建得那麼大?有什麼好處或需要?最歸根究柢的原因,在於我們需要把大量的能量「灌注」於一些粒子之上。愛因斯坦著名的狹義相對論告訴了我們,E = mc2,也就是說能量(E)和質量(m)可以互換:質量可以「化為烏有」,變成無形的能量;但反之無形的能量,也可以轉換成實質的質量。粒子物理學家一直很好奇,在微觀的世界裡,是否還有更多、更重的粒子未被發現?這些新的粒子自然在世界的各處造成或多或少的影響,或許可以幫助我們解答其他未解的問題。

在大型強子對撞機中,普通物質中的質子被加速到極高的速度與能量;這些高速度、高能量的質子其後會互相對撞;在對撞的那一刻,有些時候就可以將這些質子的能量轉化成較重的未知粒子。2012年大型強子對撞機發現的希格斯玻色子(Higgs Boson),就是一個好例子。自然能量、質量互換並不等同於能量虧欠:要產生愈重的粒子,我們要投放進去的能量就愈多。

質子速度愈高 相對波長愈短

量子物理學的基本原理,也可以解釋為什麼大型強子對撞機需要高能量。量子物理學告訴我們,任何物質,包括在對撞機裡被加速的質子,都可以被看成一束光:這道光束的波長,與物質的質量跟速度成反比,也就是說質子的速度愈高,其相對的波長就愈短。

要觀察細微的物件,需要波長短的光;長波長的光,就好像刻度粗疏的間尺,無法用來量度微細的事物。大型強子對撞機將質子加速到極高的速度,可以想像成是將這些質子變成刻度精密的間尺,再用來「剖析」其他的質子。

大型強子對撞機需要高能量的粒子,看來是可以理解了,但是為什麼它需要如此巨大的面積呢?這種圓形設計的對撞機,其實需要被加速的粒子不停的繞圈轉:每一次粒子經過某一個特定的位置,就會得到更多的能量。大家應該可以想像,當粒子的速度愈來愈高,要它們拐彎將會愈來愈困難。

現在的做法,就是運用強力的磁鐵。不過縱然用到如前所述的強力磁鐵,現在的大型強子對撞機也已高達圓周27公里了。在未來的日子裡要如何進一步探索微型的世界呢?大家可能要再多用一點心思了。■張文彥 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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