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發現上帝粒子啟示 香港學生能否走到科研最前線? 蕭文禮博士 教育講論 人氣: 788 回覆: 0


2013年10月19日

蕭文禮博士教育講論

發現上帝粒子啟示
香港學生能否走到科研最前線?


2013年諾貝爾物理學獎於上周頒發予有關「上帝粒子」(God Particle)希格斯粒子(Higgs Boson)的研究,由英國科學家希格斯(Peter Higgs)與比利時籍科學家昂格列(Francois Englert)共同獲得,我為兩位前輩獲獎感到十分高興。科研路上經常會面對種種的挑戰和機遇。他們對科學的探求、熱愛,以及不畏的精神值得年青人借鏡。

過去一直由歐美帶領的大型科研項目,香港有條件參與嗎?香港學生可以踏上尖端科研之路嗎?

大約五年前,正當我在歐洲核子研究中心(CERN)作研究訪問期間,大型強子對撞機(Large Hadron Collider,簡稱LHC)剛剛正式啟動,我仍記得當日在CERN主報告廳與其他科學家熱切期待着LHC啟動這歷史性的一刻,氣氛和奧運會開幕有點相似。與奧運會不同之處是奧運會每四年舉行一次,而許多科學家為這一天已經足足等了數十年,當中不少學者的畢生事業是建基於這個實驗的成敗,緊張但興奮的心情是可以想像。

毫無疑問,LHC是現今世界上最大和最複雜的實驗儀器,從構思至今經歷了三十多年,是來自百多個國家近萬位科學家和工程師經過長年累月合作的成果,可以說是國際化「大科學」的表表者。LHC是座落於瑞士和法國邊境的一座龐大的粒子加速器,其圓周二十七公里的隧道位於地底約一百公尺。

加速器內的質子(構成原子核的粒子)以接近光速運行,一瞬間便經歷上百萬次的碰撞。物理學家要從混亂的碰撞結果推斷出宇宙定律,情況與從連環交通意外的碎撞擊片去分析車禍成因有點相似,不過困難度就相差不知多少倍,需要解決的工程和技術的問題可想而知。由此可見純科學研究的出發點雖然並非應用,但研究路上遇到的難題,卻往往帶動應用技術的發展。如互聯網便是由於粒子物理學家需要與世界各地學者分享及傳遞大量數據而帶來的副產品。

要了解為何科學家不惜花上畢生精力和龐大研究經費去進行這項艱巨的實驗,便要從俗稱上帝粒子的希格斯玻色子粒子(Higgs Boson) 說起。原來半個世紀前,理論物理學家已提出這粒子的存在可以解開萬物質量來源之謎。究竟上帝粒子是什麼呢?相信大家都有以下的經驗。當我們在水中暢泳時,海水的阻力每每今人感到寸步難移。如果不知自己身處水中,還以為是體重無故增加。

發現上帝粒子

在六十年代初,希格斯和多位理論物理學家提出一項大膽的假設: 如果整個宇宙彌漫着一股肉眼看不見的「場」,我們便好像從未離開過海洋的魚兒一樣,不知身在水中但又感到無形的阻力。這股阻力便可理解為萬物質量的根源。正如不同的魚類遇到的阻力不同,構成宇宙萬物的不同基本粒子(例如電子、光子)所感受到的希格斯場程度也大有所別,因而擁有不同的質量。

既然希格斯場無處不在,我們身於其中又怎樣證明它真正存在?在平靜的海洋內生活的魚群當然不能分別自己是否正在水中棲息,不過在大風浪下,情況就不同。打一個比喻:假設在LHC內以相反方向運行的質子是兩艘以高速對撞的重型潛艇,碰撞所產生的水花就正是我們尋覓已久的上帝粒子。換句話說,如果將希格斯場比喻為汪洋,上帝粒子就是構成汪洋的水點!產生這「上帝水點」需要很高能量,這正是LHC實驗因難之處。

去年7月4日,LHC正式宣布發現了上帝粒子。剛巧當時我應邀往CERN作學術報告。因而有幸親身見證到這項科學革命的揭幕。作為理論物理學家的我和同行感到最欣慰的莫過於這項實驗結果再一次證明了理論家的構想不單是「紙上談兵」。上帝粒子是摸索宇宙藍圖的重要線索。隨着對這粒子性質的了解,科學家相信會有更多新發現。宇宙學數據顯示由原子構成的物質只佔少數,大部分是不明的所謂「暗物質」和「暗能量」。究竟暗物質和暗能量是什麼?這些前沿的問題便有待進一步的探討。

選修科技學系

如同學的興趣在於基礎科學如物理,而在選修大學主修科目時只着重眼前的前途出路,放棄理想和興趣,這不是太可惜了嗎?其實香港的科研成果已廣獲認同,香港三所大學包括我們香港科技大學的科研人員今年初便攜手成立 「聯合基礎物理研究中心」,希望在這項國際競賽中出一分力。科大學生亦開始參與國際項目的研究,例如LHC實驗。假以時日,能創造一番成績也不足為奇。

上世紀科學家純粹因對微觀世界的好奇而作出研究,引發出量子物理的發現。時至今日,這些基礎科究成果已成為我們生活的必需品,例如手機、電腦等等,數不勝數。或許今天科學家對粒子物理的探求會為我們帶來更美好的明天!

作者為香港科技大學物理學講座教授、高等研究所資深學人
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