2011年12月24日 星期六

粒子如何變上帝?

瑞士和法國邊界的大型強子對撞器(Large Hadron Collider,簡稱 LHC)今年真是豐收,9 月創造可能違反相對論的超光速微中子(見 10 月 8 日本欄),如今不到三個月,遍尋不獲的「上帝粒子」(the "God" particle)又在那裏現身

上帝粒子原名希格斯粒子(Higgs particle),由 Peter Higgs 和五位物理學家在 1964 年提出其存在的可能性,理論上「應該」存在,實際是否存在當時無法深究,要等待足夠能量的粒子對撞器建成才能做實驗。Peter Higgs 顯然不是上帝,那希格斯粒子有何能耐被稱為上帝粒子呢?

上帝又叫「神」。一些高高在上、遙不可及的原則或理想,我們稱作「神聖」;高不可攀的夢中情人,我們叫做「女神」;神,是捉不到的。物理學有幾個大理論,古典力學形容日常物體和天體的動態,相對論解釋質量、時間、空間的互動,標準模型(Standard Model)則是基本粒子世界的規律。基本粒子是拆不開的粒子,可說是物質最細的組成部分,它們之間的吸引、排斥、演變就是由標準模型解釋的。一個理論最「煞食」的地方是成功預測某事件的發生或某物體的存在,上世紀六十年代標準模型開始成型的時候,很多基本粒子還未發現,標準模型已經預測它們的存在,後來一顆顆基本粒子陸續出現,確立了標準模型的地位,唯獨一顆遲遲未肯現身,就是希格斯粒子。這顆粒子像神一樣,捉不到。

捉不到,還是根本不存在?預測終歸預測,落空不出奇。可是,標準模型往績彪炳,預測「百發百中」,難道今次巧遇滑鐵盧?是標準模型百密一疏,還是物理學家搜尋不力?疑團像神一樣,很詭弔。

詭弔久了,仍是找不着答案,人變得沮喪,開始咒罵;中國人說「他媽的」,西方人說「f*ck」、「sh*t」、「goddamn」。諾貝爾物理學獎得主 Leon Lederman 寫過一本關於希格斯粒子的書,替其冠上「the "goddamn" particle」的稱號,有市場觸覺的出版社編輯繼而改成「the "God" particle」,並以此作書名,「上帝粒子」的名字從此不脛而走。有些科學家不喜歡這個稱號,認為希格斯粒子與神和宗教「牛頭唔搭馬嘴」,不齒這種赤裸裸的宣傳手段。我認為這樣解讀是膚淺的,如我以上所說,「神」一字集合了希格斯粒子遍尋不獲的事實、標準模型可能事有蹺蹊的詭弔、及物理學家長時期煎熬的沮喪與無奈。這樣一個名字簡直是神來之筆。

「神」還有另一重意思。除了天上和廟裏的神,香港人愛把某些「好勁」的人封為神,例如揸車好勁的人叫「車神」,烹飪好勁的人叫「廚神」,讀浸會大學胸脯好勁的女生叫「浸大咪神」,我懷疑天賦異禀的男人愛叫自己做「Dickson」,由此路進,希格斯粒子有什麼好勁的特質呢?

標準模型說,希格斯粒子賦予物體質量。質量(mass)不同重量(weight),有地心吸力才有重量,同一質量在不同星球有不同重量,因為星球地心吸力強弱有別。無重狀態下,物件沒有重量,但仍有質量。質量愈大,推動所需的氣力愈大。舉例,無重狀態下一隻象和一隻蟻的重量相等,都是零;但是象的質量大,用同一力度推,象會慢慢飄移,蟻已飛到千尺之外。質量可說無處不在,有「嘢」就有質量,但是有「嘢」為什麼就有質量?那些「嘢」是如何「獲取」那些質量的呢?

標準模型假設宇宙存在着一幅無處不在的希格斯場(Higgs field),任何感受到希格斯場的物質便有質量(這個「場」的概念類似磁場,鐵被磁石吸引,就是感受到磁石的磁場),可是希格斯場不能直接對物質產生作用,必須透過一些中介粒子,這些就是希格斯粒子。換個說法,能與希格斯粒子發生作用的物質便有質量。再說得淺白一點,希格斯粒子是宇宙所有質量的來源!你說希格斯粒子係咪好勁?既然咁勁,被譽為「神粒子」也就理所當然。

如果你是虔誠基督徒,希格斯粒子與神連上或許更有意思。感受到希格斯粒子令物體有質量,受神感召令生命更富質量,世上還有更貼切的比喻嗎?

大型強子對撞器的兩組科學家今月宣佈看見希格斯粒子的蹤跡。如很多基本粒子一樣,希格斯粒子曇花一現,不能直接觀察,要靠消失後遺留的「蛛絲馬跡」作推測,牽涉複雜的統計學;凡用統計,必須考慮實驗結果可能是數據隨機浮動的副產物,沒有結論能夠百分百肯定,物理學通常要求 99.99994% 肯定才算新發現。今次兩組科學家的信心度分別是 95% 及 98%,未算正式發現希格斯粒子,但總算令人鼓舞。大型強子對撞器每天仍在收集新數據,如果希格斯粒子真的存在,信心度只會愈來愈高;如果不存在,上帝顯然是跟我們開玩笑,給我們 95 分、98 分,卻不肯給我們夢寐以求的 99.99994 分。

無論你信不信上帝,祝大家一個快樂聖誕!

(2011 年 12 月 24 日 信報副刋)

5 則留言:

  1. 謝謝你的文章。我雖是物理本科畢業,但看一般報章簡介上帝粒子時也感到有點吃力,也未盡回答心裏的疑問。真懷疑一舨讀者是否會明白。但你的文章能深入淺出,而且有趣味性及幽默。我十分推薦。

    回覆刪除
  2. 謝謝。

    一般報導未必有這樣的篇幅和時間,還要多謝信報給我空間。

    回覆刪除
  3. 發現微中子違反光速是 CERN,不是 LHC。CERN 有好多研究項目,LHC 是 CERN 之下最重要的一個項目。

    http://www.telegraph.co.uk/science/science-news/8783011/Speed-of-light-broken-at-CERN-scientists-claim.html

    回覆刪除
  4. 嚴格來說,你或許說得對……

    超光速微中子實際上在遠離 LHC 七百多公里的意大利偵測到的,但那些微中子卻是由 LHC 製造的。LHC 是整個 project 一部分,你說 CERN 或許更正確。

    文中不想「無端端」用多一個「生字」,故籠統地說 LHC 算了,不是完全正確,也不完全錯誤。

    回覆刪除
  5. 回想,說 LHC「創造」超光速微中子比較恰當,作了修改。

    原文(第一段):9月發現可能違反相對論的超光速微中子

    改成:9月創造可能違反相對論的超光速微中子

    謝謝匿名提點。

    回覆刪除