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▌粒子物理革命即將來臨
▌文／奎格（Chris Quigg）
▌翻譯／高涌泉
▌提供／科學人
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如果物理學家被迫要以一個字來說明建造大型強子對撞機（LHC）的理由，他們通常會回答「希格斯粒子」（Higgs particle）。希格斯粒子是大家關注的焦點，它是現今最成功的粒子理論中，剩下還沒有被找到的粒子。不過整個故事遠比這有趣得多。在粒子物理史上，新對撞機在能量上的躍升是前所未見的。我們不知道它會發現什麼，但是它所找到的東西以及所撞見的新問題，必將改變粒子物理的面貌，而且將影響相關的科學領域。
在這個新世界裡，我們希望能夠弄懂，將電磁交互作用與弱交互作用這兩種自然界中的力區分開來的，到底是什麼。這對於我們如何看待日常世界將有廣泛的影響。對於一些簡單又深奧的問題，我們將獲得更新的了解，像是為什麼有原子？為什麼有化學？為什麼能有穩定的結構？
尋找希格斯粒子是關鍵的一步，但它只是第一步而已。在這之外還存在著一些現象，它們或許可以澄清為何重力會遠比其他自然界的力還弱，並揭露充滿宇宙的神秘暗物質的面目。我們還可能更進一步了解物質的各種形式、時空的性質，以及外在形式相異的各類粒子所具有的內在統合性質。這些問題彼此似乎都有關聯，而且也牽涉到當初引發物理學家預測出希格斯粒子的一堆問題。LHC將幫助我們改進這些問題，也會讓我們起步去找出答案。
以實驗驗證標準模型
粒子物理中的「標準模型」能夠解釋已知世界中的很多東西，而它的名稱也意味著它還在進展。標準模型是在進展快速的1970與1980年代建構出來的，當時一連串重要的實驗發現與新提出的理論得以相輔相成。很多粒子物理學家把過去15年看成是鞏固的年代，和更早快速前進的年代不一樣。然而，儘管標準模型已經獲得更多實驗的支持，可是也有越來越多現象超出了標準模型的範圍，同時新的理論想法也擴充了我們的概念，描繪出一個更豐富、更完備的世界觀的可能模樣。實驗與理論兩者持續搭配發展，意味著未來10年粒子物理將蓬勃發展，或許我們將來回頭看，會看到革命其實一直就在蘊釀。
依我們目前的了解，物質由夸克與輕子這兩大類粒子所構成，此外還要再加上四種已知基本力中的電磁力、強力與弱力。我們這裡暫且將重力放在一旁。夸克構成了質子與中子，並能產生與感受電磁力、強力與弱力。輕子中最著名的是電子，這類粒子不會感受到強力。夸克與輕子的區別在於夸克帶有顏色而輕子則否。所謂的顏色是和電荷類似的概念，這只是一種比喻，和普通的顏色沒有關係。
標準模型的指導原則是，它的方程式必須是對稱的。就好像無論你從什麼角度去看一顆球，它看起來都是同一個樣子。對於方程式來說，如果你改變定義方程式的觀點，方程式也必須維持不變。不僅如此，如果我們在時空中的不同點採取不同觀點，方程式也仍然保持不變。
當我們如果要求一個幾何物體具有對稱，此物體的形狀就必須受到嚴格的限制；一顆球如果有些凹凸，它就不可能從任何角度看起來都一樣。同樣地，方程式的對稱性也會對方程式設下嚴格的限制。這些對稱所導致的交互作用，則是由玻色子這種特殊粒子來傳遞的。
標準模型以這種方式顛覆了蘇利文的格言「功能決定形式」，而在標準模型裡卻是「形式決定功能」。換句話說，理論的形式（表現於方程式所定義出的對稱之中）決定了由理論來描述的功能（粒子間的交互作用）。例如，假設我們要求無論怎樣選擇定義夸克的顏色（而且這種選擇不會依時空點的不同而異），描述夸克的方程式必須保持不變，則這種要求就會導致強核力，強力是由八種稱為膠子的粒子所傳遞的。另外電磁力與弱力種力則整合成「電弱力」，而它們奠基於另一種對稱。電弱力是由四種粒子來傳遞：光子、Z玻色子、W＋玻色子、W－玻色子。
以對稱破缺解釋電弱理論
電弱交互作用的理論是由格拉肖、溫伯格和薩萊姆所提出來的，他們以此獲得了1979年諾貝爾物理獎。弱力所涉及的是輻射性β衰變，不會作用在所有的夸克與輕子。每個夸克與輕子都還可再分成左旋與右旋兩類，兩者互為鏡像。β衰變力只會作用於左旋粒子，這件事發現於50多年前，現今我們還不了解原因。不同左旋粒子之間的對稱定義了電弱理論。
電弱理論在建構之初有兩項缺點。首先，它預測有四種傳遞長距力的粒子，這類粒子稱為規範玻色子；但是自然界只有一種長距力粒子，即光子。其他三種規範玻色子都只會傳遞短距力，範圍約在10-17公尺之內，也就是比質子半徑的1/100還小些。根據海森堡測不準原理，這意味著這些傳遞短距力的粒子帶有約等於1000億電子伏特（即100GeV）的質量。第二項缺點是夸克之間與輕子之間的家族對稱，意味著夸克和輕子不能帶有質量，然而夸克與輕子都是有質量的粒子。
解決這些缺點的辦法，在於認清自然定律的對稱並不必然會反應於這些定律所推導出的結果，物理學家稱這種情況為「對稱破缺」。1960年代中期，希格斯、布繞特、翁勒等人建構出了對稱破缺的理論架構。他們的靈感來自於超導性這種看似不相干的現象，也就是某些物質在低溫時帶有電流但電阻為零。雖然電磁現象的定律是對稱的，但是超導材料內部的電磁現象卻不是對稱的，光子在超導體內部會獲得質量，因此阻止了磁場滲入超導體內部。
物理學家發現這個現象恰好是電弱理論最好的典範。如果空間中充滿了某種「超導體」，而這種超導體只會影響弱交互作用，但不會影響電磁交互作用，那麼W玻色子與Z玻色子就會獲得質量，弱交互作用的範圍也就受到限制。這種「超導體」由希格斯玻色子所構成，而夸克與輕子也是藉由與希格斯玻色子的交互作用才獲得質量。當粒子以這種方式來獲得質量，而不是內在就具有質量，這些粒子和弱力所要求的對稱性之間就不會發生矛盾。
現代電弱理論（含希格斯粒子）可以非常精確地解釋很多實驗結果。此理論是以夸克與輕子為物質的組成單元，並以規範玻色子來傳遞交互作用；這個典範完全改變了我們對於物質的看法，並且暗示著當粒子具有非常高的能量，強、弱、電磁交互作用便有可能合而為一。雖然電弱理論是觀念上極了不起的成就，但是還不夠完備。這個理論說明了夸克與輕子如何可能獲得質量，但是並無法預測這些質量的大小。此外，它也無法預測希格斯粒子的質量：希格斯粒子是理論不可或缺的一環，但是理論不能預測其質量。許多粒子物理與宇宙學中的重要問題，都和電弱對稱到底如何破缺有密切關聯。
探索希格斯粒子的性質
由於1970年代出現一連串有意思的觀測，理論學家受到鼓舞，開始認真看待標準模型，著手探索模型的適用範圍。在1976年末，我和美國費米國家加速器實驗室的李輝昭，以及現在任教於維吉尼亞大學的薩克，設計了一個想像實驗來探索電弱力在超高能量時的行為。我們研究了一對對W、Z和希格斯玻色子間的碰撞，這個練習在當時可能像是空想，因為那時候這些粒子都還沒有找到。但是物理學家有責任去檢驗任何理論，辦法就是把理論中所有的元素都當做是真實的東西，然後去考慮所得出的結果。
我們發現這些粒子所產生的各種力之間有微妙的關係。我們把計算結果推廣至極高的能量，結果發現希格斯粒子的質量要小於一兆電子伏特（1TeV），否則我們的計算就沒有意義。如果希格斯粒子的質量比1TeV還小，則弱交互作用就會保持微弱，那麼電弱理論在任何能量之下就還是可靠的。希格斯粒子的質量如果大於1TeV，弱交互作用在1TeV能量附近就會增強，一堆奇怪的粒子現象就會出現。這樣的條件很有意思，因為電弱理論並不能直接預測出希格斯粒子質量。這個質量底限所代表的意義是，一旦LHC實現了我們的想像實驗，我們必然會發現一些新東西，如不是希格斯粒子就是其他新現象。
實驗或許已經看到了希格斯粒子在背後所發出的效應。這種效應是測不準原理的另一種後果：此原理允許希格斯之類的粒子短暫出現，雖然這段時間太短，以致於我們無法直接觀測到它，不過卻已足以在粒子反應過程中留下微細的記號。歐洲核子研究組織（CERN）的大型電子–正子對撞機（LEP）已偵測到這類希格斯粒子的效應。物理學家在比較理論預測與精確測量的結果之後，其結論強烈暗示希格斯粒子的確存在，而且質量小於192GeV。
如果希格斯粒子的質量真的如我們所要求般的小於1TeV，則會出現一個有趣的問題。在量子理論中，像質量這類的物理量並不是設定之後就永遠不改變，而會受到量子效應的修正。就如同希格斯粒子會在背後影響其他粒子，其他粒子也會影響希格斯粒子。這些粒子攜帶了不同的能量，它們的淨效應大小取決於標準模型在何種能量時會被更深層的理論所取代。如果標準模型到了1015GeV（強交互作用與弱交互作用到了這個能量似乎會合而為一）還適用，那麼這些高能粒子就會作用在希格斯粒子身上，賦予它相當高的質量。如此一來，我們就無法解釋為什麼希格斯粒子的質量小於1TeV。
這就是所謂的「層級問題」。一種解決辦法是，先假設不同粒子具有的大數量貢獻，這些貢獻在加加減減之後剛好留下一個小質量。除非有更深刻的原理在背後要求這種精確的相消，否則物理學家對這種相消並不信任。因此我和大多數的同事一樣，認為LHC除了希格斯粒子之外，還很可能發現其他新現象。 超越已知物理
理論學家已經設想出許多可以解決層級問題的辦法，這些辦法會涉及尚未發現的新現象。最被看好的是超對稱理論，它假設每個已知粒子都有個還未找到、帶有不同自旋的超對稱同伴。如果大自然是百分之百超對稱的，則每個粒子和其超對稱同伴將帶有相同的質量，因此它們對於希格斯粒子的影響會完全抵消。不過如果真是這樣，物理學家現在就應該找到超對稱同伴了，但由於還沒找到，所以就算真有超對稱，它必然是破缺的對稱。如果超對稱同伴的質量小於1TeV，那麼希格斯粒子質量所受到的淨效應就不至於過大。在此條件下，LHC便足以發現這些新粒子。
另外一種解決層級問題的辦法稱之為「特彩」（technicolor，這個名詞源自於強核力中的「顏色」，是顏色的一種推廣。）這種理論假設希格斯粒子不是真正的基本粒子，而是由尚未發現的粒子所組成的。在這種假設之下，希格斯粒子並不是基本粒子。我們可以利用能量在1TeV（把希格斯粒子束縛在一起的力大約就是這個能量級）左右的碰撞，去探索希格斯粒子的內部，從而揭發它的結構。和超對稱一樣，特彩意味著LHC會找到一堆奇特的粒子。
第三種辦法是個非常刺激的點子，認為只要進行更為細緻的檢驗，便能解決層級問題，因為這種辦法假設在我們所熟悉的三維空間之外，真正的空間還擁有更多的維度。這些額外的空間維度可能會修正各種力與能量的關係，最後讓各種力結合起來。在這種情況之下，各種力的結合以及新物理的出現，可能會發生在遠低於1012TeV的能量，也許低至只有幾TeV而已，這要視額外維度的大小而定。在這種情況之下，LHC便可能提供一扇窗去探索空間的額外維度。
除此之外，還另有一項證據指出新的現象會出現在TeV尺度附近。宇宙物質大半是由暗物質所組成，這些神秘的暗物質似乎是某種新粒子。如果這種粒子以弱力的強度和其他粒子有交互作用，只要這些粒子的質量大約落在100GeV~1TeV之間，那麼大霹靂就必然會製造出一定數量的這類粒子。不管什麼樣的新現象可以解決層級問題，它都可能會提示我們暗物質粒子究竟是什麼。
踏入新的物理世界
開啟TeV能量尺度的探索，意味著實驗物理就此進入新天地。當今加速器實驗的首要任務，就是仔細探索電弱對稱破缺、層級問題以及暗物質等謎題。物理學家有足夠的動機去研究這些題目，LHC這個新工具（取代費米實驗室的正負質子對撞機）也搭配得上。我們找到的答案不僅能滿足粒子物理，也會加深對於日常世界的了解。
儘管這些是很高的期待，事情卻還沒有結束。LHC可能發現一切交互作用都會統合起來的線索，或是各粒子質量符合某種規律的跡象。任何對於新粒子的詮釋都會影響已知粒子的稀有衰變。揭開電弱交互作用的面紗後，很可能澄清這些問題、改變我們對它們的看法並激發未來的實驗。
鮑威爾因為發現π介子而獲得1950年諾貝爾物理獎（這個粒子是由湯川秀樹在1935年所提出），目的是解釋核力。鮑威爾的實驗是在高山上將高敏度的光學乳劑暴露於宇宙射線之下，他後來回憶：「當我們回收乳膠底片，拿到布里斯托顯影，我們馬上了解到，一個全新的世界揭露在我們面前就好像忽然間，我們闖入了一座圍起來的果園，裡頭受保護的果樹已經盛開，有豐盛的奇花異果等著採收。」在我想像之中，鮑威爾這段描述應當就是我乍見TeV能量尺度時的感覺。
（本文由科學人提供，原載於科學人2008年第73期3月號）
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▌改造微生物 二氧化碳變燃料
▌文╱科科報編輯小組
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美國基因學家Craig Venter在美國一場研討會上說，他正在製造一種微生物，能吃掉二氧化碳轉成燃料，預計在18個月內問世。
Venter說，某些既有的微生物會吸收二氧化碳並排放辛烷，只是排放量太少。他將利用基因改造，製造出會吸收二氧化碳並排放甲烷等燃料的微生物來生產第四代燃料。
這項研究最大的挑戰是不易從空氣中取得高濃度二氧化碳來餵飽微生物，改造過的微生物也會植入「自殺基因」，跑出實驗室會自動死亡。
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