科學人 博學誌：邁向新物理

在物理學中，「出差錯」很吸引人。當理論與實驗不吻合時、當實驗得到奇怪結果時、當理論出現弔詭時，物理學家鑽研矛盾之事，得到了劃時代的新知。現在我們知道粒子組成萬物、宇宙與能量的關聯、量子物理不是科幻劇情。但我們是否尚未發現所有的粒子？宇宙的誕生時期是否就如我們所想？量子科技能否成真？此特輯訴說了物理學三大領域的突破與矛盾，一旦我們化解其中的矛盾，令人興奮的新物理時代即將來臨！

精采單元：粒子世界‧宇宙能量‧量子不科幻

勇踏前人未至之境
陳凱風  台灣大學物理系教授
不知道各位讀者喜不喜歡觀賞科幻片，尤其是那些以宇宙為場景的太空電影呢？前一陣子，我
趁著連續幾次搭長程飛機的機會，慢慢地把幾部累積已久的太空電影消化完畢。包括由麥特．戴蒙主演的「絕地救援」（The Martian），討論的是主角怎樣在缺乏資源的火星拚命存活下來，以及還在地球的科學家與太空船上的太空人如何發揮知識，想盡辦法把主角救回地球；「星際效應」（Interstellar），講述地球末日將至，透過穿越蟲洞、替人類尋找新天地的故事；「地心引力」（Gravity），珊卓．布拉克主演的女主角在太空任務中發生意外之後，努力尋找各種方法，好重新回到地球重力的懷抱。

近年來電影特效技術進步實在很快，尤其是電腦繪圖方面，有非常多的畫面可以運用直接計算或影像合成製作出來，也不再受限於攝影棚的實體空間和拍攝手法。然而，太空電影的場景、劇中出現的高科技道具或是太空船等，一直都和人們在製作電影的當下對宇宙、太空科技的知識與想像直接相關。剛好這幾部電影，都是假設科技沒有離現在太遙遠，為了劇情需求，或多或
少有些虛構，但不至於完全跳脫我們的知識範圍。也許大家只對火星上種植馬鈴薯、父女之間超越時空的親情聯繫或太快犧牲的喬治．克隆尼有比較強烈的印象；但是這些電影的細節部份清楚表現出我們對宇宙的物理學與太空旅行技術的了解程度，比過去進步許多。

看到這些精采、神奇眩目的畫面，尤其是「星際效應」裡，由2017 年諾貝爾物理獎得主索恩（Kip S. Thorne）提供的數學模型才得以影像化的黑洞以及絢麗新星球的場景，不知道你是否感到興奮，渴望也來一場感官刺激的太空旅行？就算現實上無法成行，也許或多或少會想要「多看一下、多知道一些」，我想這就是我們人類對未知事物純粹的好奇心，以及對新知識的渴望。相信我們每個人心中多少都會浮現這類念頭，這就是我們持續探索大自然，以及尋找這個世界背後的運作機制最主要的原動力之一。

人類憑藉著好奇心嘗試去探索並理解我們所居住的世界，已有很長的一段歷史。天文學可以說是最早的科學之一：想像古人在夜晚抬頭一看，銀河與滿天星斗，多少可以猜想有一個遠大於我們居住範圍的空間，「置放」著一些會發光的星體，看起來與太陽月亮一般存在。觀察我們生活周遭可得的各種事物，有不少是可以不斷切割、抽取出更基本的素材，例如水、土或氣體，不難想像這些很可能是構成世界的基礎材料之一。當然經過數千年的發展，我們對大自然的理解進展非常多：我們已經知道天外有天，地球之外有太陽與行星、太陽系外有銀河、銀河外有更多的結構。甚至知道這些看得到的星體遠遠不足以支撐起我們的宇宙，因此要引入無法直接觀測到的「暗物質」與「暗能量」來詮釋。同時我們也不斷剖玄析微，知道構成所有物質的基本結構是
原子，原子分割下去還有原子核與電子，原子核中還有質子中子，繼續分割質子中子還可以得到夸克等，而不是僅具有象徵意義的「四元素」。

我們對大自然的了解程度與過去是不可同日而語。大到銀河與星系的尺度、能依靠廣義相對論來描述，小到基本粒子、需要使用量子力學與量子場論的語言，物理學的確越來越接近這個世界的基本設計規則。然而，如果詢問「我們已經知道大自然一切的原理？」，這答案依然是否定的。即使到今日，還是可以輕易找出物理學家、科學家無法回答的「大哉問」。我們唯一能做的事就是繼續大膽猜測，然後期望有一天可以在實驗裡量測並驗證這些新的想法。當然有些點子已遠超過現行技術極限，因此相關的實驗需要數年、甚至數十年醞釀，才有機會去證實，或是推翻這些猜想。這並不代表這些想法不是大自然背後的運作規則之一，只是我們會處在長時間缺乏直接證據的狀態下。

本特輯的主題是「邁向新物理」，集結了數個尖端領域相關研究的文章。如果你想要知道這些方向在近年來的研究成果，尤其想要了解科學家腦袋裡到底在「想些什麼」，那麼本特輯非常值得一讀，一定可以滿足你的好奇心。《邁向新物理》從探討最新的基本粒子物理研究開始：〈為什麼有質量？〉一文討論「質量」這個看似稀鬆平常卻又非常深奧的概念，以及為何必須引入希格斯機制來讓基本粒子獲得慣性、具有質量。同時也討論，我們其實對整個宇宙的質量組成、整個粒子物理標準模型背後結構的知識依然所知不多。〈通往希格斯粒子之路〉則是接續前文，敘述粒子物理學家如何努力在加速器實驗室裡尋找希格斯理論的直接證據，也就是發現「希格斯玻色子」，完成標準模型裡缺失的一片核心拼圖。然而物理學家也十分明白，目前的標準模型絕非終極理論，〈夸克之內別有洞天？〉以及〈幾何萬有理論〉兩篇文章就是討論或許還有更基本的粒子結構；即使這些猜想目前還沒有實驗證據，也因此接受的人並不多。當然，物理學家還是不斷努力把實驗與理論做到最好，至少要在核物理的尺度上必須完備，〈中子壽命真矛盾〉就是在描述這樣的研究工作。

非常有趣的一件事，就是最小尺度的粒子物理學居然也能和宇宙誕生的大尺度問題銜接在一起，這就是〈粒子宇宙學開創史〉一文討論的主題。當然，若把宇宙誕生之初想像成是高能量高密度的一團「夸克湯」，那麼這些物理問題也就理所當然是相通的，就如〈宇宙的起源〉的敘述。倘若宇宙有個起點，那它到底是怎麼演變成我們今天看到的樣子呢？至今，綜合許多觀測與實驗，科學家發現這其實是個非常不直覺的問題，也許我們還欠缺了一些重要的知識與線索，尤其關於「暗能量」的部份。接下來三篇文章〈宇宙能量正在流失？〉、〈操控宇宙的幕後黑手〉與〈戳破宇宙暴脹〉，就是討論近年在這個方向上的研究，的確可以期待宇宙學還有很多發展！看到這裡，或許你已經開始思考這個宇宙、時間與空間的本質到底是什麼？是複雜而連續？還是和〈宇宙是由位元構成的嗎？〉說的一樣？難道就如〈多重宇宙很量子〉一文所討論的，是否已需要超乎傳統物理學、引入多重宇宙的概念來詮釋宇宙誕生與量子力學？當然很可惜地，目前科學家還不能在實驗上證實這樣離奇的想法就是了。

量子現象其實離我們一點也不遙遠，不僅在對撞機的粒子物理裡或宇宙誕生的大問題會遇到，其實簡易的桌上實驗就能模擬，如同〈量子實驗，自己動手做〉所說的一樣。然而量子物理的特性，除了是物理學家描述大自然的法則以外，也能替資訊科學帶來突破性的發展，包括資訊傳輸與加密，這些都在〈奇妙的量子棋步〉與〈量子金鑰 鎖住鈔票〉這兩篇文章內介紹並討論。〈弦論×超導體〉一文告訴我們，超導體的研究居然可以借用完全不同的弦論。這兩個差異極大的物理領域居然可以互通，完全表現出大自然運作機制的精巧，有時候是超出想像的奇妙。最後〈理性．量子．新啟蒙〉則是討論量子物理的機率詮釋，如果可以拓展到遠離物理學的領域，相對於傳統的理性架構，也許更適合用來描述人類的行為。

希望你在讀過這麼多令人眼花撩亂的尖端研究之後，沒有被各式各樣的專業術語給搞昏頭，而且能夠體會物理學家為何會如此熱中尋找「新物理」的發展。我一直認為物理學家或科學家本質上都是「唯恐天下不亂」的一群人。這裡的「天下不亂」可不是指好萊塢電影裡的那些邪惡科學份子，而是總希望能夠在大自然裡觀測，尋找出物理學或任何科學所不能解釋的新現象，並非活在一個無所不知的世界中。最有趣的部份，一直都是那些此時此刻並不知曉、也無法完全理
解，但是有一定機會能夠藉由分析工作或實驗，歸納出新的運作規則。仔細研究超出過去知識範疇的現象，能夠幫助我們更進一步建構大自然的真實運作機制。

最後，我引用「星艦奇航記」（Star Trek）系列影集裡非常經典的格言來總結：「宇宙，最後的邊疆。這是星艦企業號的航程。它的任務，是去探索這未知的新世界，找尋新的生命與新文明，勇踏前人未至之境。」希望我們能夠在物理研究上持續不斷精進，尋找並探索前人未至之境，即使在這些科幻片裡的太空技術離我們的現實還是那麼的遙遠！

導讀  勇踏前人未至之境  文／陳凱風   台灣大學物理系教授
第一單元：粒子世界
008 為什麼有質量？
018 通往希格斯粒子之路
028夸克之內別有洞天？
036 中子壽命真矛盾
042 微中子質量怎麼來？
050 幾何萬有理論
060 粒子宇宙學開創史

第二單元：宇宙能量
070 宇宙的起源
078 宇宙能量正在流失？
086 操控宇宙的幕後黑手
094 戳破宇宙暴脹
102 宇宙是由位元構成的嗎？
110 多重宇宙很量子

第三單元：量子不科幻
120 量子實驗，自己動手做
126 奇妙的量子棋步
138 量子金鑰 鎖住鈔票
146 弦論╳超導體
154 理性．量子．新啟蒙

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