【人物專訪】探索宇宙間最微小的存在——專訪蔣正偉

宇宙的組成是從基本粒子開始,然而最小的粒子長什麼樣子、有什麼特性卻很少人知道。和我們生活比較有關聯的基本粒子,大概是X-ray及放射線:X-ray其實就是較高能量的光子,可以由加速電子而產生;而放射線是原子核衰變輻射出的粒子的統稱。就讓我們一起來探索這些次原子世界的現象吧!

採訪、撰文/廖梓甯

●遇見科學

從小對於科學有興趣的蔣教授,在父親的陶冶下,逐漸地走向物理領域,渴望理解物質最基本的概念。從十萬個為什麼與科學家的傳記開始,蔣教授閱讀越多,就對物理越發著迷。眾多的科學家中,蔣教授特別景仰愛因斯坦與費曼。這兩位科學家在他們的時代都從事著當代最重要的基礎研究,也就是愛因斯坦之於重力以及費曼之於量子電動力學。受到他們的啟發,蔣教授也立志從事基礎物理的研究,並且最後選擇了基本粒子現象學,研究宇宙最基本的組成,以及它們之間的交互作用。

●研究之路 — 不同「味」的夸克

從大學研究所ㄧ路到任教都沐浴在物理學中的蔣教授,對於基本粒子的認識及了解,能帶我們探索未曾想過的宇宙奧妙,並進一步地放大我們生活中的細節。就讓我們來看看蔣教授在研究所時專研的基本粒子—夸克。

在講夸克之前,我們得先從物質說起。物質由分子組成,而分子由原子組成,像是水由許多H2O分子組成,H2O由氫原子(H)及氧原子(O)組成。接著,我們放大一個原子,可以看見原子的中心有質子與中子,原子的周圍則有許多電子圍繞。那麼夸克在哪?夸克是組成質子與中子的粒子,分為上(u)、下(d)、奇(s)、粲(c)、底(b)及頂(t)夸克。通常物理學家會稱這六種夸克為六味(flavor),不是因為他們帶有酸甜苦辣等不同的味道,而是因著他們帶有不同的物理性質(如質量及電荷)而作區別。這些夸克不會單獨存在,而是會相互結合,形成複合粒子,統稱為強子。這些強子中最穩定的便是質子與中子,也就是我們前面提到構成原子核的單元。如此一來,我們得知夸克是多麽微小。

當時,蔣教授就是對這樣微小的基本粒子,做一系列的物理特性與交互作用等現象學的研究。可能對於我們來說,很難去想像這樣抽象又微小的粒子。但在物理學中,這些基本粒子可以藉由大型對撞機產生,並偵測到它們衰變的粒子的運動軌跡及電荷等訊號。接著,科學家會再利用物理模型做分析及預測,驗證我們對大自然的理解。因此看似抽象微小的粒子,實際上真實的存在於宇宙中,科學家也能藉由不同的方式「看見」這些粒子。

●成為第一的背後

科學家的研究動力,大都希望在新理論或實驗中拔得頭籌。然而,有時候除了盡心盡力的研究,機運也是重要的推手。蔣教授並沒有為了奪第一而去研究,反而是針對自己有興趣的主題認真專研,這樣的心態反而讓蔣教授在一次的機運下,得到了第一的殊榮。

2010年暑假,一個測量質子大小的新結果比早期測量到的少了幾個百分比,而這些微幾個百分比的差異卻可能顛覆物理學的根本。於是,蔣教授與威斯康辛大學的研究夥伴們開始針對這個主題做討論,最後在著名的物理評論短訊中發表了「第一篇」針對『質子大小異常 』的論文,表示並沒有簡單正常的理論或模型可以完善的解釋這樣的差異。

這篇論文比當時普林斯頓大學的一個研究組還早發表了完整的討論,並且受到許多團隊的肯定。當然,之後的實驗證明早期的測量結果可能有較大的誤差與不確定因子,所以導致這樣的差異。 這個經驗讓教授親身體驗到機緣與努力的重要性。首先,他湊巧地看到關於這個實驗的報導,並且瞭解到該問題的重要性,接著與夥伴們共同研究、討論了三、四個月,做了種種的嘗試與計算。否則,他們也可能不是第一個發表研究的團隊。

●基本粒子的前瞻性

聽了不少與基本粒子有關的故事後,當代的前瞻性基本粒子是什麼?目前最熱門的大概是希格斯粒子與微中子。希格斯粒子有別於其它我們發現的粒子,就是它不帶自旋。自旋聽起來很像自體旋轉,實際上,自旋跟旋轉、自轉沒有什麼關係,自旋為粒子與生俱來帶有的一種角動量,就像是質量、電量等等,是 基本粒子的一種特性。

前述的夸克、光子和現在提及的微中子都有自己的自旋數,自旋數是區別這些基本粒子的一個重要指標。舉例來說,夸克的自旋數為1/2,而光子的自旋數為1,因此自旋數對於粒子是非常重要的。然而,希格斯粒子卻是唯一沒有自旋數的基本粒子,因此引發科學家的好奇心想知道:它的特性是否完全符合理論的預測?是否有其他自旋數為零的基本粒子還待發現?這些有趣的課題讓蔣教授投身於這樣的研究當中。另一個當代前瞻性的研究為微中子,我們對於它的某些性質還不清楚,例如我們迫切地想知道它們的質量是否也是來自於希格斯機制。

至於基本粒子的應用,恐怕還相當遙遠。例如,微中子非常輕,不容易與周圍環境交互作用,這樣的特性可能對於量子通訊有助益,因為傳遞的速度可以接近光速,而且不易耗散。然而,有利必有弊,因著不易與環境交互作用的關係,微中子傳遞訊號也很難被接收器接收及解碼。但相信隨著科學的演進,人類可以揭開這些基本粒子更完整地的面貌,進而更好地產生、控制與運用它們,讓人們能更多的在生活中感受到這些微小而真實的存在。

●3/28 蔣正偉老師主講:「親愛的,我看透你了」

因應新冠肺炎防疫措施,本期講座不開放現場,敬請鎖定線上直播:https://www.youtube.com/user/NTUCASE/

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