科技報導

如何打造國家科學能力

如何打造國家科學能力
知識通訊評論第121

《自然》雜誌訪問多國科技代表人物,他們提出建立國家科學能力的政策。

林泉寶(Lim Chuan Poh

新加坡:建立全球聯繫網

新加坡科技研究局主席

新加坡在去年歡慶政府投資科技業滿二○週年。從一九九一年到二○一○年,花在研究與發展上的公共支出佔國內生產總值的比例成長了一倍,從百分之○點四增加到百分之○點八。公共部門裡,科研人員的人數也增加了三倍,接近一萬三千人。

一個重大的成就是我們的獎學金制度。從二○○一年起,多虧了這項制度,有才能的年輕新加坡人才得以進入全世界頂尖大學及實驗室,接受大學到博士後研究的教育訓練。之後這些學生再回到新加坡,繼續他們長達六年的研究。藉由出國工作的機會,他們親身體會到富裕環境對追求卓越科學有多重要。他們也帶回新的人脈網絡以及合作關係。

在過去五年,新加坡還提供機會給亞洲以外的學生及研究員,讓他們來新加坡參與大學生研究見習、攻讀博士或做博士後研究。至今,我們已吸引五十多個國家超過六百名的年輕研究員,他們來自美國、巴西、英國、俄國、埃及、蘇丹以及澳洲等等。

很多學生表示,他們很感激有機會能到新加坡,並且在亞洲一個有世界級研究的環境裡工作。他們說很驚訝這裡有如此卓越的基礎建設、充沛的資源以及優良科學品質,以及來自世界各地的頂尖研究人員。許多人將新加坡當作前往亞洲的入口,並期待能繼續在亞洲發展。

這些年輕的國際學生為研究注入清流,使得新加坡發展出我們這種小國不可能有的豐富且多樣學術研究面貌。藉由這些人才,新加坡將能與世界各研究社群接軌。

法納羅夫(Bernie Fanaroff

南非:大膽想像

南非平方千米陣列天文望遠鏡計畫主任

平方千米陣列望遠鏡(SKA)。

自一九九四年轉型成民主國家後,打造科學實力應該不是南非的首要任務。但是在一九九六年,國家白皮書卻將建立領先科學領域的相當能力列入重點項目。它主張:若不這樣做,國家將陷入「次級國家那種因循於溫飽、永無翻身之日的困境」。

南非為成為天文科學中心的已經努力很久,也有好幾項大型設施—HESS(高能量立體視野望遠鏡)伽瑪射線天文台、南非大型望遠鏡以及MeerKAT 電波望遠鏡。平方千米陣列望遠鏡(SKA)在此地建設的最大部分,共有兩千七百個碟形天線(其餘的會在澳洲西部建造),該項建設將使南非在十年內成為天文界的領導者。

諸如SKA的大型計畫不僅會提高科學知名度,也會吸引年輕人才及資源投入。南非是很好的例子,證明國家若能集中火力在特定領域,就能取得大型計畫的機會。

在非洲建造世界最大科學儀器的主意,打動了所有非洲人的心。外國人士原本抱著懷疑的態度,但像是在廣大的北開普省建立保護區以及架設MeerKAT先驅望遠鏡等實際建樹,都足以令所有人心服口服。

南非為參與SKA計畫已奮鬥了九年,期間不管是政府、社會大眾、媒體、商界及非洲聯盟都熱情支持。選定的地點不僅在科學需求上最佳,成本也低。活躍的電波天文學社群更應運而生。自二○○五年起,已有超過四百項研究及訓練、五項SKA大學研究講座訓練獲得補助。與跨國科技公司訂定的互惠協議,通過共同研究,也肯定本地年輕科學家及工程師的能力。

老爸爸的遺傳風險

大部分的基因突變是無害的,但是史帝文森研究團隊研究發現,有些基因突變與小孩罹患自閉症及思覺失調症有關。該團隊表示,雖然他們的研究尚無法證實,比起年紀較輕者,年紀較長為人父者,較容易遺傳與疾病發生相關或有害的基因給小孩,從資料看來如此推論相當合理。先前一些研究指出,小孩被診斷出罹患自閉症的機率,隨著小孩出生時父親年齡愈高而增加。而根據二○一二年發表針對七十八組母親、父親及小孩的完整基因排序的研究結果,發現了數十個與自閉症發生相關的新突變基因,並且發現突變基因來自父親的機率,是來自母親四倍。 此研究結果或可有助解讀,泛自閉症候群病例近年來明顯增加的趨勢。根據美國疾病控制與預防中心在二○一二年的報告,每八十八個美國小孩中,就有一人被診斷出罹患泛自閉症候群,比起二○○七年增加了百分之七十八。病例的增加,或許部分可歸因於更先進及較徹底的自閉症診斷過程,但是加州大學洛杉機分校神經生物學家蓋舒文(Daniel Geschwind)表示,「我認為我們將會發現,地球上若某地區男人年紀很老才為人父,該地區小孩罹患自閉症的機率一定偏高」。

打開盒子-通往希格斯粒子之路

打開盒子-通往希格斯粒子之路
國立臺灣大學物理學系 蕭維翰

2012年7月4日下午,尋常台北溽暑,對地球上某個族群卻意義非凡。我躲在檯燈下、螢幕前,與全世界關切物理的同好一起收看CERN的記者會,看著126GeV左右的那個峰值、Prof. Higgs泛淚的雙眼──儘管猶有許多未定之數──“I think we have it. Do you agree?’’ 我的一廂情願讓我相信這天一座巍峨的里程碑在物理史上被立起。約兩個禮拜前,我在系館的佈告欄的繁多演講公告中瞥見了 Tonelli教授的頭像,細看其來歷與演講資訊,竟然是關於 Higgs(-like) Boson 的演說!過兩天,擔任系學會副會長的同學詢問我擔任此活動側寫人員的意願,尋不著理由拒絕的我一口答應下來──此即本文的前世因緣了。本文不涉及過分深入的物理內容,如標準模型(Standard model)組成、希格斯機制(Higgs mechanism)的細節等;而著重從側面描繪整個演講活動的進行,記錄非物理、物理本科的聽眾與Tonelli教授在演講中的互動,並參考筆者自身成長閱聽的經驗抒發一些感想。

活動前一個小時,自演講廳外走過,廳外已聚集了許多民眾,更有中小學的同學集體前來。開講前演講廳內更擠得水洩不通,連走道上都坐滿了興致勃勃的聽眾,引首企盼講者Tonelli教授的到來。時辰一到,演說便隨著Tonelli教授的簡報展開,條目的安排十分有邏輯:首先簡介我們尋找Higgs Boson的動機,從質量在物理學中扮演的角色、標準模型描述的世界、電弱作用的統一、標準模型中質量產生的機制(Spontaneous Symmetry Breaking and Higgs Mechanism)、我們所知的世界與我們所知的有限(Tonelli教授笑稱他甚至無法跟他孫女解釋我們周遭環境內究竟有什麼),緊接的是大強子對撞機(LHC)的簡介,包括地景及兩個大型實驗團隊CMS與ATLAS的位置、設施、偵測器的基本想法與工作人員等,以及我們寄予它的期待──一部強力的顯微鏡與強力的望遠鏡,帶領吾人探索至小與至遠的宇宙角落。隨後,教授簡略了提出了我們在實驗中主要捕捉的三個衰變過程,並秀出圖表討論實驗結果,清楚地指出透過那些跡象,兩個實驗團隊得以做出發現新粒子的結論。最後,提點了一些未來的可能性,若此粒子真是眾所期待的Higgs則如何,若不是又如何;也鼓勵台下的我們,他口中下一個世代的物理學家,一同投入他們的探索歷險。

主講人 Guido Tonelli 教授 (Pisa大學; CMS 實驗 2010-2011 發言人)

Tonelli教授對於時間的掌握十分精準,因而我們有十分充裕的Q&A時間。相較於專業的研討會,科普演講的問答時間,就我看來,是格外有趣的:從一般聽眾的提問,我們可以窺知普羅大眾對於該議題的大概想像,以及他們的期待。儘管有時候問得並不精確或甚至荒誕,但對於專業人士也不失為是一個新的可能視角的開闢,同時也可以估計哪一類議題的科普讀物吸引了民眾的目光;另一方面,如何不涉及艱澀的數學術語而又能盡量精確的將物理圖像傳達給聽眾也讓我們檢視講者對於整個問題的體會。長達一個多小時的開放問答,問題大多集中在幾類:

  1. 自發對稱性破缺為什麼、如何與質量有關?
  2. 究竟是不是我們期待的Higgs Boson?
  3. 對大統一理論的幫助如何?

(1) 牽涉到比較專精的量子場論知識。追溯筆者自身經驗,高中時在成大聽講知道對稱性破缺的概念時幾乎不能想像,因為中小學對於「對稱」的使用幾乎侷限於圖形的鏡像與點對稱;直到進入物理系才知道對稱可以指稱系統任何的不變性質,

希格斯粒子系列》魏特曼:我希望希格斯粒子不存在

魏特曼:我希望希格斯粒子不存在
知識通訊評論第121

科學家在2012年7月宣稱,他們可能找到了被外界俗稱為上帝粒子的希格斯粒子,且聽聽因與此發現密切相關理論得到諾貝爾獎的一位物理學家的看法。

今年的林島會議適逢本世代粒子物理的最大發現。安阿伯密西根大學榮譽退休教授暨理論粒子物理學家魏特曼(Martinus Veltman),因粒子物理方面工作,共享了一九九九年的諾貝爾物理獎,而希格斯玻色子的存在正是「標準模型」所預測的。然而在過去三十年,魏特曼本人卻一直懷疑希格斯粒子的是否存在。

魏特曼

簡單來說,希格斯玻色子是什麼?
這無法以古典物理解釋。弱作用力(可對比於電磁交互作用)量子場論的數學困境,在於屬於媒介粒子的W及Z玻色子不具質量。解決之道是假設在整個宇宙間存在有一個力場。媒介粒子可藉由與「希格斯場」的交互作用得到能量,也就是質量。在量子場論,有場就會有伴生粒子,例如電磁場的伴生粒子是光子。相較零質量且自旋為1的光子,希格斯玻色子質量大且無自旋。

發現新粒子帶給您什麼感想?
一開始我對之十分冷淡,現在有時間好好思考,發現其意義重大。早在五十年前,科學家就已經預測有希格斯粒子,現在我們成功找到它,這的確是理論的驚人成果。希格斯粒子應該存在其實是由於非常抽象的理論原因,好幾年來,我一直研究希格斯粒子不存在會帶來的後果。這項新發現代表我暫時會放棄上述努力,至少暫時如此。

為什麼您過去會懷疑希格斯粒子不存在?
首先,希格斯粒子應該存在於各個地方,將質量傳遞給其他粒子,但竟然過去三十年到四十年都逃過儀器的偵測。再來,因為希格斯粒子的能量散布在整個宇宙,應該會導致空間扭曲,如果你去計算一下,這樣宇宙應該會扭曲成只剩足球大小。這是粒子物理面對的最大難題。

您現在想法改變了嗎?
這並不是信仰或心情的問題。只是客觀情況讓我想要知道證據在哪裡。科學家從一九七〇年代初就開始尋找希格斯粒子,每年都會有鬧笑話的,預測說希格斯粒子其實就在角落。因此我才下結論,希格斯粒子不存在的機率比較高。
幸好,在歐洲粒子物理研究中心發佈結果之前,就有人打電話通知我,不然我真的會在林島大會說出「希格斯粒子不存在!」這一類蠢話。

希格斯粒子系列》希格斯粒子之外的新物理

希格斯粒子之外的新物理
知識通訊評論第112

最近粒子物理學家關心的希格斯粒子是否找到,其實並不是最關鍵的,因為物理標準模型理論並不完整,無論是否找到,都需要新的物理。

歐洲粒子物理研究中心

作者為文時,物理學家正為可能觀察到的希格斯玻色子興奮不已。在分析了瑞士日內瓦附近,歐洲「歐洲粒子物理研究中心」大強子對撞機的數據之後,這個歐洲高能物理實驗室日前宣布,他們在一二五GeV(十億電子伏特)能區發現這個粒子的訊號,在物理學理論中,希格斯玻色子認為是賦予其他粒子質量的粒子。

這個可喜的訊號,是否代表科學家已尋獲希格斯玻色子,仍言之過早,若是為真,許多人同時會認為這是粒子物理學標準模型的明證。之前,其他數據提供的間接跡象顯示,希格斯的的質量很可能小於一百五十GeV,這點與「歐洲粒子物理中心」的發現可說不謀而合。不過,我是一個喜歡唱反調的人。我要說無論希格斯玻色子是不是存在,我們都已經知道,必然要有超越標準模型的物理學。現在讓我們思考一下它的可能性。

希格斯粒子系列》從BCS到Higgs

平常「高高在上」的粒子物理,有時也會向研究低能量現象的凝態物理取經。 耗資數十億美元、位於日內瓦的大型強子對撞機(LHC)啟動,這是物理學界的大事。未來一旦LHC捕捉到物理學家期盼已久的希格斯(Higgs)粒子,必然是轟動全球的報紙頭版新聞。就算LHC沒有找到希格斯粒子,如果發現其他東西,也一樣會是超級大新聞。總之未來一陣子,大家一定會持續遇上希格斯這三個字。
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