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科學人 5月號/2013 第135期 SCIENTIFIC AMERICAN

  • 刊別:月刊級別:普遍級
  • 出版地:台灣語文:繁體中文
  • 條碼:4719025000594
  • 出版社:遠流
  • 出版日期:2013年05月01日
  • 封面標題:微中子大變身
  • 定價:220 優惠價:95209
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本期封面故事

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微中子激發新物理

解開微中子的秘密,將有機會揭起未知領域的面紗。
撰文/赫希(Martin Hirsch)、帕斯(Heinrich P?s)、波洛德(Werner Porod)翻譯/李沃龍

重點提要
■微中子是最奇特的基本粒子,它似乎蔑視一切由電子與夸克這類性質清楚的粒子所設下的規律。
■由於質量輕盈且變化多端,極難被偵測到的微中子困擾了實驗學者數十載。
■直到今日,微中子的基本性質仍無定論。一些尚待釐清的問題包括:它們微小質量的來源、微中子反物質的本質與微中子的類型數目,以及它們如何在飛行途中轉換身分。
■揭露微中子的真實本性或許能夠引導我們邁向更加統一的物理理論。

僅有少數的物理學家能有幸為世界引入一種新的基本粒子。包立(Wolfgang Pauli)在1930年想到微中子這個概念時,內心的疑慮使他對此粒子有所保留。包立稍後告訴同事:「我做了件可怕的事,我假設有一種無法被偵測到的粒子存在。」

微中子確實難以捉摸,它如鬼魅般的本質,使它幾乎不受阻礙地穿越物質,包括那些物理學家在粒子探測器中所使用的材料。事實上,大部份微中子可俐落地穿透地球而不碰觸到其他粒子。不過包立的憂慮稍微誇張了些:微中子其實是可以被偵測到的,雖然需要花費極大的力氣並設計精巧的實驗才能成功。

微中子是最奇特的一種基本粒子:它們不能用來建構原子,也不會與其他物質作用;它們是唯一不帶電荷的物質粒子;它們非常輕,質量不到電子這種次輕物質成份的百萬分之一;此外,微中子還是所有粒子中最善變的,它們可在三種型態(或風味)間變換身分。

80多年來,這些微小粒子一直令物理學家感到驚訝。直至今日,一些關於微中子的根本問題仍懸而未決:微中子的風味真的只有三種,抑或更多呢?為何所有的微中子都如此輕?微中子的反物質是否就是它自己?為什麼微中子可以如此輕易變換身分?

針對這些問題所設計的新實驗,正在世界各地的粒子對撞機、核反應器,甚至廢棄的礦坑裡如火如荼地進行著。所獲得的答案,應該能對大自然的內在運作方式提供基本線索。

微中子的奇異特性可做為一盞明燈,指引物理學家邁向大統一理論──該理論除了重力之外,所有的粒子與作用力,都可用條理一貫的數學架構描述。標準模型是目前關於粒子與作用力的最佳理論,但它無法含括微中子的所有複雜性質,因而亟需擴展論述。

質量輕卻關係重大
在標準模型上擴充微中子的部份,最常用的方式是引入一種稱為右旋微中子的新粒子。正如同電荷規範粒子的電性多寡一樣,自旋決定了一個粒子能感受到弱核力,即造成放射性衰變的作用力;只有左旋粒子才能感受到弱核力。因此,這些假設存在的右旋微中子,必然比那些已經被實驗證實的左旋微中子更難以捉摸。所有的微中子都被歸類為輕子(一群包含電子在內的粒子家族),這代表它們並不會感受到在原子核內把質子與中子緊箍在一起的強核力。由於不帶電荷,微中子也不會受電磁力影響。如此一來,三種已知風味的微中子能感受到的只剩下重力與弱核力,但右旋微中子甚至不受弱核力影響。

如果右旋微中子真的存在,它將合理解釋另一項微中子之謎:為何電子微中子、緲子微中子與τ微中子這三種左旋微中子的質量如此微小?

大多數基本粒子透過與無所不在的希格斯場作用,來獲得它們的質量。去年,在瑞士日內瓦附近歐洲核子研究組織(CERN)大強子對撞機(LHC)工作的物理學家宣佈,他們已辨識出一種新粒子,其性質符合長期尋找的希格斯玻色子,希格斯便成了一個家喻戶曉的名字。此玻色子是希格斯場所對應的粒子,就像光子是電磁場所對應的粒子一樣。在此過程中,希格斯粒子會帶走與其作用粒子之弱核力版本的電荷。由於右旋微中子缺乏這種電荷,它們的質量並不取決於希格斯場。取而代之的是,這些質量或許源自於一種發生於大統一時全然不同的極高能機制,造就右旋微中子成為超重粒子。

量子效應可連結右旋微中子與其左旋兄弟,使得其中一方將其巨大的質量「傳染」(infect)給其他粒子。不過,這種傳染力非常微弱:例如右旋微中子若得了肺炎,左旋微中子只會有輕微的咳嗽,這意味左旋粒子的質量將極微小,這關係稱做翹翹板機制(seesaw mechanism),就像是右旋微中子與左旋微中子在翹翹板的兩端,而質量較大的粒子會將質量較小的粒子抬起。

編輯的話

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撰文/李家維

皮肉撕裂、筋骨俱傷,我這一跤摔得不輕。開春了,華山文創園區的遠流別境妝點完成,主人王榮文父女辦了個癸巳春酒雅會,好酒好菜,眾文人吟詩寫字、講平仄、論筆勢,好不快活。我湊興在旁侍墨提紙,張大春和亮軒各打賞我墨寶一幅:「祗今有美酒 菽麥共天涯 與汝且相會 園葵待發花」,「億載星河滄浪客 十方花雨逍遙遊」。深夜歸途中,我樂極了,三分醉意、一個踉蹌,下巴著地,就鮮血淋漓地進了急診室。頦下縫了八針、牙床錯位、右臂挫傷軟弱,心慌之下血壓陡升。過去這一個月,我頻繁求醫,頗有病患心得。外科手術果然進步,四天後即可拆線,只是我有蟹足腫體質,這發硬紅腫的傷疤一時好不了。整骨師妙手回春,幾番推揉,骨架歸了位,也神奇地瞬間治癒了我半年多的宿咳;說給胸腔內科醫生聽,他說聞所未聞。令我擔心的是居高不下的血壓,檢查了腎功能,又換了三種藥才略見起色。家父逝於心肌梗塞,我當然知道此事之凶險。更慌的是,有位同事聽說我今年連摔了兩跤,拉一旁悄聲說得注意是否為帕金森氏症前兆。家母也表示意見了,她說我必然是犯了太歲,該多做些功德。真是一片杯弓蛇影。

惜命如我者,必得細讀這期《科學人》的特別報導〈醫學大未來:幹細胞當家〉。新興的再生醫學將用幹細胞來修補受創的心肌,去疤長肉,心臟不再衰竭;組織工程學將在嚴重的筋肉創傷處植入生物骨架,新肌肉甚至器官都可能再生;3D列印即將創造出有血管和腎小管的完整人工腎臟;更重要的是,帕金森氏症也可能用幹細胞療法來治療了。四項新發展都是我的憂心事,早點成功吧!就在我療傷之際,長孫誕生了。看他剛被從娘胎拉出,憋得紫紅的身上滿覆黃油,活像剛出土的秦俑,而擦洗之後,立現粉嫩,眾人疼愛。這時大家猶豫已久的命名大事該有結論了,我力主稱之李小蛇或李巨蟒,但沒人支持,最後取了有些瓊瑤味的李穆風。我仍想私下喊他巨蟒,我們同屬蛇,雖然隔了一甲子。〈緬甸蟒在金門〉適時刊出,對我當然有些心理補償效果。

目錄

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物理學 28 微中子  激發新物理 文/赫希(Martin Hirsch)、帕斯(Heinrich P?s)、波洛德(Werner Porod)

36微中子變身的最後一道謎題 文/邱淑慧
太空科技 48 平價上太空 文/史騰(S. Alan Stern)
生態學 54 人魚之間 文/波瑞爾(Brendan Borrell)
62小潟湖生命之歌 文?趙世民

古生物學 68 恐龍性事難解 文/斯維特克(Brian Switek)
氣候科學 72 灣流效應 文/萊瑟(Stephen C. Riser)、羅澤(Susan Lozier)
流行病學 78 痘病毒——來自動物的新威脅 文/夏哈(Sonia Shah)

84痘病毒Q&A 整理/陳品妤
生態學 86 緬甸蟒在金門 文/林思民
鑑識科學 92 鑑識科學 讓罪犯無所遁形 文/李名揚
科學Easy Learn 100 聽障者福音——電子耳 文/李名揚


特別報導 38 醫學大未來:幹細胞當家  受損心肌的再生之道  文/賈布爾(Ferris Jabr)  超強黏膠  文/高曼(Christine Gorman)  用糖培養的器官  文/哈爾蒙(Katherine Harmon)  重建腦內森林  文/賈布爾(Ferris Jabr)

【專欄】
6 科學人觀點 曾志朗
不信者恆不信:隱身部落格的陰謀論者

23 形上集 高涌泉
改進科學教育

24 網路不打烊 張寶芳
群眾募資成就創意

26 不可勝數 黃文璋
擲筊裡的機率

106 專家看新聞 楊國斌
人民的僵局

107 資訊世界 波哥
超炫螢幕的敗筆

108 健康與科學 麥肯納
撼動免疫系統

110 真真假假 薛莫
幻覺證據

111 反重力思考 米爾斯基
法網恢恢


8總編輯的話
10讀者論壇
14科學人新聞 透視麥哲倫雲 振動一嗅間 固態光源燈泡 「醫生,我有乖乖吃藥:)」 追隨星星的糞金龜 雜食的寵物 家務與房事 犛牛專家高處不怕寒 高效率奈米導線電池 讓漸凍人暢所欲言 探索冥王星外的新世界 運用陽光好處多 養蛆清傷口 外吐小體洩癌蹤 用吸盤搭便車
112生物手記 台東蘇鐵艱困的明天
114在家玩科學 頭髮變身濕度計
116圖表會說話 熱到海深處

雜誌簡介

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《科學人》雜誌-全球科普雜誌第一品牌
自2002年創刊以來連續9年榮獲出版界最高榮譽雜誌出版金鼎獎!

身為全球科普雜誌的第一品牌,《科學人》一直領先報導全球最先進的科學脈動與產業趨勢,除生命演化及天文奧秘的探索外,也包括成就未來經濟創新的各種工具:「NBIC,Nano-Bio-Info-Cogno(奈米科技、生物科技、資訊科技與神經科技)」,及其聚合衍生的「長壽醫學」、「未來能源」、「淨化科技」、「即時通訊」、「人工智慧」及「前進太空」等產業趨勢內容。除了原Scientific American文章精確編譯外,台灣延伸企劃採訪篇章更佔40%以上,藉由淺顯易懂的編輯呈現方式,帶給產業精英、知識家庭、高中及大專院校師生最具未來性的知識力。

精采欄目介紹:

封面故事
自「主題篇章」中,選出全球最關注的議題作為封面故事。
如:〈迎向低碳能源時代〉、〈火星泰坦有生命嗎〉、〈機器人軟體革新〉…等。

科學人專欄 (科學人觀點、總編輯的話及重要國內科學家的在地觀點)
集結許多國內最頂尖科普作家,分別有曾志朗(中央研究院院士)、李家維(國立自然科學博物館前館長)、王道還(中央研究院助理研究員)、高涌泉(台灣大學物理學系教授)…等,以幽默或獨特的見解探討最新的議題。

主題篇章(全球重要關注議題,與最新科學科技發現)
以深入淺出的語言報導全球及在地最先趨的科學科技發展和研究。如:〈網路編碼,引爆通訊革命〉、〈更潔淨環保的柴油引擎〉、〈幹細胞是癌症元兇〉等。
另有台灣自製篇章:「科學人看科學人」,介紹全球重量級科學家之學思歷程,讓讀者更深刻認識其所以成功的經驗而有所啟發。如〈蘋果電腦發明人沃茲尼克:我用發明改變世界〉、〈諾貝爾生醫獎得主:馬歇爾—別怕挑戰教科書!〉

焦點單元(科學人新聞/ 科學人剪影/ 科技解剖室/ 謠言與真相/ 專家解答/ 科學Easy Learn)
●科學人新聞:生活的新奇發現與科學解釋。
●科學人剪影:簡介當代具有成就或是發展潛力科學家。
●科技解剖室:以簡單的圖像介紹各種科技產品的運作原理。
●謠言與真相:以科學邏輯詳細解答讀者可能產生的謬誤。
●專家解答:互動專區,邀請專家為讀者提出的科學問題作精闢的解答。
●科學Easy Learn:台灣特別企劃單元,淺顯且完整解釋日常生活中的科學原理。如:伸卡球、颱風等。

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