《上帝的粒子》與標準模型

既然斗大的書名寫著「上帝的粒子」,本書當然清楚地交代希格斯 (Higgs) 粒子的提出與發現過程。但它不只是聚焦在希格斯粒子,我倒覺得本書更像是記錄二十世紀以來,一本關於「標準模型」(standard model)的簡史。

就算你從沒聽過標準模型,或者對它的印象停留在《星際效應》中老教授寫滿黑板的可怕公式海,也先別急著按上一頁離開。當然,為了精確描述許多現象的發生,物理理論不可避免地必須寫下一些方程式,但是這些看似很複雜,常常也讓物理系學生算得想死的方程式背後,往往其實蘊含著很單純、很直覺、很簡潔的概念。

舉例來說,在中小學的時候,我們總是學到「一大堆的力」,分別由不同的方程式所描述。像是彈簧的彈力遵守虎克定律,輪胎與地面的摩擦力有摩擦力公式,地球繞著太陽轉有萬有引力公式。當時的我以為,所謂「科學的進展」就是不斷地發現越來越多的公式,用來描述自然世界中各式各樣的現象。而所謂的「萬有理論」,應該是像一個龐大的工具箱一樣,裝滿了各種公式,根據我們遇到的事件,拿出不同的公式解決。

但「自然世界」 (The Nature) 不是這樣對待我們的。

當我們更進一步,往更微小的世界窺去時,你一輩子所能遇到所有生活中各式各樣的「力」,其實都由四種最基本的力組成。(而且,單純以「生活所遇到」而言,兩種最基本的力就足矣。)

自然世界,就像是圍棋一樣,由很少量的組成元素 (黑子與白子),搭配上少數幾條規則,就能創造出極端複雜,人腦無法駕馭的變化 (李世石QQ)。

講了這麼多,到底什麼是「標準模型」呢?就像古希臘哲學家泰利斯(Thales) 認為萬物都是由「水」所構成;中國古代也有大自然的現象皆由「木、火、土、金、水」五種變化所總括的概念,當代科學家從簡單的假設出發,透過數十年的理論辯證、實驗發現,整理出一套用以描述宇宙間組成元素和交互作用的理論 — — 它,就是「標準理論」。

標準模型中,宇宙間的組成元素和交互作用都可用上表的基本粒子解釋 photo credit: wikipedia

《上帝的粒子》是一本故事書,講述著科學家們建構與驗證標準模型的故事。本書分為兩個部份 — — 「發明」與「發現」。

第一部份「發明」是關於理論的故事。這一部份從「對稱」的概念出發:什麼是對稱呢?「如果某事物經過某種轉換之後,該事物仍不改變,我們就稱該事物具有『這種轉換的對稱性』。」比方說,正方形旋轉90度之後,看起來完全沒有改變,則正方形具有「旋轉90度的對稱性」。同樣地,圓形則對任何角度都具有對稱性。科學家們發現:物理定律的「對稱性」和物理性質的「守恆」息息相關,這也是建構標準模型的過程中,一項很重要的指導原則。

在這一部份我們會接著看到,那些聽起來既酷炫又神祕的粒子,像是「夸克」、「微中子」等等,是基於什麼樣的理由被發明出來。最後,當然也會看到最熱門的主角 — — 希格斯粒子,是怎麼登場的。

第二部份「發現」則是實驗的故事。比起理論的發展,實驗的進展則加上了些「政治味」。在書中,我們會看到科學家如何和政府爭取經費,政府又是如何對粒子物理學打武器的主意,而美國和歐洲的科學家們又是既合作又競爭。故事的最後停在2012年7月4日,歐洲核物理中心(CERN)向世人宣布:「他們的實驗結果和希格斯粒子的特性一致!」雖然基於科學家謹慎的措詞,他們並未直接宣布發現希格斯粒子,但對於人類企圖理解世界所提出的理論「標準模型」而言,無疑是個有力的證據!


對於物理系的學生而言,教科書是部英雄史,它只記載著最終的結果與少數的英雄們。面對這些宛如「天下掉下來的公式」,學生們只能讚嘆天才們的英明和自已的愚蠢。但歷史不是這個樣子的!《上帝的粒子》是本很精采的歷史導向的科普書。看完它,你可能還是對標準模型一知半解,但是你會看到一個理論是經歷多少錯誤和修正,才走到今天的樣貌;你會看到無數科學家的名字,他們嘗試、他們犯錯,就像一大群拿著小紙杯努力倒水的人們,最後才成就一片名為希格斯的海洋。喔對,你還會看到庖立 (Pauli) 怎麼樣嗆楊振寧的 XD。

最後,一定要做點解釋:標準模型的完成絕對不是物理學發展的終點。我在上文中所寫標準模型是「一套用以描述宇宙間組成元素和交互作用的理論」有些言過其實了。目前,重力還未納入標準模型的範圍,暗物質與暗能量的存在也暗示「可能」還有些東西是標準模型不能解釋的。


《上帝的粒子》是本很精采的科普書,但它同時也是本有點門檻的科普書。雖然《上帝的粒子》不會探究標準模型的細節,但要說明理論的發展故事,不可避免地出現一些專有名詞。若企圖理解每一個專有名詞,絕對是個大工程,我想也非作者的本意。所以,有些地方看不懂很正常的。

在此推薦給讀物理、喜歡物理的朋友們,標準模型的建立是一段非常精采的故事!


對我其它文章有興趣,請點部落格地圖