科學人 6月號/2012 第124期 SCIENTIFIC AMERICAN

超越費曼圖
將大自然的各種力統一起來，或許沒有物理學家
原來所想的那麼困難。
撰文?伯恩（Zvi Bern）、狄克森（Lance J. Dixon）寇索爾（David A. Kosower）
翻譯?高涌泉

重點提要
■物理學家對於粒子碰撞的了解，最近經歷了一場寧靜革命。知名物理學家費曼所引入的觀念對於很多應用而言已到達極限。作者與合作者已經發展出新的方法。
■物理學家利用新方法，可以更可靠地描述在大強子對撞機（LHC）那種極端條件下普通粒子的行為，這將幫助實驗學家尋找新粒子與新作用力。
■新方法還有更為深刻的應用：它讓一種於1980年代被物理學家放棄的統一理論有了新生命，重力看起來像是雙份的強核力一起作用。

春天某個晴朗的日子，本文作者狄克森從英國倫敦地鐵的茂恩都站進入地鐵，想前往希斯洛機場。倫敦地鐵每天有300萬名乘客，他瞧著其中一位陌生人，無聊地想著：這位老兄會從溫布頓站離開地鐵的機率有多大？由於此人可能搭上任何一條地鐵路線，所以該如何推算這個機率呢？他想了一會，領悟到這個問題其實跟粒子物理學家所面對的麻煩很像，那就是該如何預測現代高能實驗中粒子碰撞的後果。

歐洲核子研究組織（CERN）的大強子對撞機（LHC）是這個時代最重要的探索實驗；它讓質子以近乎光速前進並相撞，然後研究碰撞後的碎片。我們知道建造對撞機及偵測器得用上最尖端的技術，然而較不為人知的是，解釋偵測器的發現同樣也是極為困難的挑戰。乍看之下，它不應該那麼困難才對，因為基本粒子的標準模型早已確立，理論學家也一直用此模型來預測實驗的結果，而且理論預測所依賴的是著名物理學家費曼（Richard P. Feynman）早在60多年前就發展出來的計算技巧，每位粒子物理學家在研究生階段都學過費曼的技巧；關於粒子物理的每本科普書、每篇科普文章，也都借用了費曼的概念。

然而費曼的技巧對於當下的問題而言，其實已經無效！它雖然提供了一種直觀、近似的方法來掌握最簡單的過程，但是對於更複雜的過程或是更精確的計算來說，卻是無可救藥地繁雜。和預測一位地鐵乘客會往哪裡去相比，預測粒子碰撞後會出現什麼結果難太多了。即便是LHC中一次很普通的碰撞，我們就算是用上全世界的電腦，也沒有辦法推算出其結果。如果理論學家不能就已知物理定律與已知的物質形式做出精確的預測，那麼就算對撞機真的產生了新東西，我們又怎麼知道呢？就我們所知，LHC可能已經找到了大自然某些奧秘的答案，但是我們卻仍被蒙在鼓裡，原因就是我們對於標準模型方程式的解還不夠精確。

近年來，我們三人以及合作者已經發展出一種新的辦法：么正法（unitarity method），來分析粒子反應過程，它可以避開費曼法的繁複性，基本上等同於一種可以預測地鐵乘客會往哪裡去的高度簡便方法，其關鍵在於體認到每當地鐵乘客面臨選擇時，他的選項其實是受到相當限制的，因此我們可以把要追求的答案分解成一連串行動的機率。這個新方法已經讓我們解決了粒子物理中很多原本無從解決的理論問題，因此我們能夠更深入理解現今基本粒子理論的預測，辨認出新發現。這個方法也可以用於另一個有趣的模型，而得到很多結果；這個模型和標準模型類似，但是所描述的是一個理想化的世界，物理學家對它很感興趣，因為它被視為追求最終理論路上的墊腳石。

撰文/李家維

好個英挺漢子，一身汗味，鼻樑上還有道刀疤，吸引我的是他黑膚和紅髮的組合。住在索羅門群島的美拉尼西亞人，是非洲之外膚色最黑的人。這裡地近赤道，強烈的紫外線照射下，大家理應都有一頭黑髮，但他們之中竟有5 ~ 10% 的人頭頂金髮或紅髮，這原是住在高緯度的白人特徵啊！

三萬年前，來自非洲的美拉尼西亞人先祖移居索羅門群島，4000年前源自台灣的南島語族也路過此地，他們都該是黑髮人。可以想像，當400年前白人到此見到金髮黑人時，會有多麼訝異。這謎底直到今年5月初才揭曉，《自然》登了篇短文，說索羅門群島的金髮是因為製造黑色素的基因起了突變，這和白人的金髮根源不同，是在地的特有變異，既和食物不相干，也非與同屬智人的白人混血而來。美拉尼西亞人在來此之前，曾先後和兩個不同人種雜交過，即尼安德塔人和丹尼索瓦人（Denisova），後兩者都已滅絕，但他們的部份基因仍可在美拉尼西亞人身上找到，這是近兩年來的人類基因新知。

三萬年前，有另一支智人已經遷徙到西伯利亞，他們何時跨越陸橋及如何抵達南美也是個熱門議題。新研究推翻了傳統觀點，〈第一個美洲人〉指出，這支移民竟是早在1 萬6000年前駕船出發，沿美洲西岸南行，在1萬4600年前抵達美洲最南端。人類學家稱這是智人全球旅程的終點，但是我們該知道，大遷徙的最後一棒是由台灣出發的南島語族完成的。他們在7500年前由大陸來到台灣，接著展開跨洋之旅，最後散居東到南太平洋的復活節島，西至非洲的馬達加斯加島。他們是台灣原住民的先祖，也是最偉大的航海勇士。

智人、尼安德塔人和丹尼索瓦人都是人屬動物的成員，人屬源自東非是教科書中的傳統觀點，但是〈人類真正的起源？〉又是個顛覆的新發現。新出土的源泉南猿可能取代阿法南猿，成為人屬的祖先，他們住在200萬年前的南非草原，有好幾個人意外摔落地下洞穴，近乎完整的遺骸兼具了人屬和南猿屬的特徵。更吸引我的是這些化石骨頭上有類似皮膚的紋路，如果屬實，就可以探知他們的膚色和髮色了。

黑皮膚是住在熱帶的保護色，但並不全然有利。高雄醫學大學在索羅門群島有個醫療團，新近完成一項令人訝異的檢驗報告：20歲以下的索國青少年竟然有62%曾感染登革熱，再次感染就可能致命呀！這麼高的盛行率是過去不曾想像的，他們的黑皮膚遮掩了患病後的出血點，也因此讓醫生輕忽誤判了。登革熱是快速擴展的熱帶病，既無疫苗又難救治，〈死亡交配 根除登革熱〉介紹了爭議的滅蚊新策略。夏天將至，台灣也是疫區，我們該及早有個對策。

物理學
32 超越費曼圖
文／伯恩（Zvi Bern）、狄克森（Lance J. Dixon）、寇索爾（David A. Kosower）

40 向物理之美說不
文／黃宇廷

44 這些奇怪的圖如果出現在《物理評論》中……
文／高涌泉

生物科技
46 死亡交配  根除登革熱
文／崔維帝（Bijal P. Trivedi）

生理學
54 暫停呼吸的極限
文／帕克斯（Michael J. Parkes）

科學人看科學人
60 蒲慕明 眺望中國神經科學的未來
文／龐中培
神經科學家蒲慕明在台灣成長、美國成名，並在中國的科學發展上取得重大成就，影響層面正逐漸擴大。

氣象學
66 盯緊風暴
文／盧布成科（Jane Lubchenco）、海斯（Jack Hayes）

72 天氣預報走入鄉鎮
文／李名揚

人類演化
76 人類真正的起源？
文／黃凱特（Kate Wong）

生命科學
86 海龜性別  環境決定
文／程一駿

公共衛生
92 滅絕小兒麻痺的兩難
文／布蘭斯威爾（Helen Branswell）

98 美蘇冷戰 醫學合作
文／史萬森（William Swanson）

考古學
102 第一個美洲人
文／普林格爾（Heather Pringle）

人物專訪
110 明日電腦預言師-強森
採訪／格內麥爾（Larry Greenemeier）

【專欄】
6 科學人觀點 曾志朗
成敗皆網路，突圍亦網路

24 形上集 高涌泉
方勵之談天空為什麼是藍的

26 網路不打烊 林守德
升級成福爾摩斯的華生

28 不可勝數 李國偉
離散數學走進舞台中央

30 上下古今人間世 趙丰
蒼茫大地何去何從：方向為憑

114 專家看新聞 蓋斯特
跨界科研正流行

115 資訊世界 波哥
Wi-Fi Q&A

116 健康與科學 麥肯納
淋病的反擊

118 真真假假 薛莫
無事自擾

119 反重力思考 米爾斯基
數學萬歲！

【單元】
10 總編輯的話

12 讀者論壇

14 科學人新聞
超對稱已死？
抗體變成電晶體
無痛分娩的風險
生物光海灣
哥德巴赫的質數
明察青光眼
升空準備尚未完成
捲曲的新物種
線上盜版如何傷害電影業
吃優格，展雄風
冰原裡的微生物
眾星雲集救科學

120 生物手記
艾氏樹蛙妙爹地

122 在家玩科學
心跳、脈搏一起動起來！

124 圖表會說話
食物沙漠有礙健康

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