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撞出希格斯粒子:深入史上最大實驗現場

Smashing Physics: Inside World’s Biggest Experiment

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優惠組合

 

內容簡介

★★讓內行人帶領我們直探位在瑞士的尖端研究現場。
這裡不僅孕育驚人的科學新發現,更是回饋全人類福祉的超級腦力發明工廠!

◎2013諾貝爾物理學獎得主希格斯大力推薦

「本書讓讀者身歷其境體驗何謂世界一流、最後也成功導致諾貝爾獎的科學研究。這種等級的研究,一生能夠碰到幾次呢?這是個不能錯過、值得一讀的精彩好故事。」
──陳凱風(台大物理系教授)專文導讀、專業審定。

★近二十年物理界最激勵人心的躍進
  希格斯粒子是什麼?它有什麼重要地位,使全世界的科學家都密切注意。台灣的物理菁英也不落人後,組團至瑞士參與這件科學盛事。這一切,又和你我每日生活有何關係?
  為了這行蹤飄忽的粒子,科學家決定通力合作,建造史上最大、最昂貴也最精密的儀器「大型強子對撞機」。這部耗資超過一百億瑞士法郎(相當三千億新台幣)的龐然大物,大部分藏在地底。在全長二十七公里,恰能繞台北市蛋黃區轉一圈的隧道裡,兩團粒子用接近光速正面對撞、撕裂四射。科學家是如何從瞬息的碰撞之中,鎖定希格斯粒子出沒的蛛絲馬跡?儀器為什麼又非得大、非得高能不可呢?

★超難得,高能物理學行家完全導遊
  本書作者巴特沃斯教授,任職於這具儀器所在的歐洲核子研究機構,現身說法分享這場世紀大追尋中,整整六年之中,身為職業科學家的精采日常。
  例如,大型強子對撞機才剛上線試運轉,怎麼就「爆炸」了?微中子真的跑得比光速快嗎?對撞的超高能量有無可能創造出黑洞,摧毀地球?
  正如同大型強子對撞機被物理學家稱為「不會失敗的實驗」,閱讀本書也不會讓讀者空手而歸。讀著細細鋪陳的章節,我們會逐漸了解物理緊密相扣的的奧秘:希格斯粒子被發現的意義是什麼?它代表人類對宇宙的根本原理──物理學,已有多深的認識?目前我們離「大一統理論」還有多遠?一窺科學家心中,至於願意為之竭盡思慮、燃燒熱情的宏大願景。

★科學的重要在於日常看得到
  利用這千載難逢的題材,作者除了談物理學的卓越勝利,也談科學與你我的緊密關聯。
  當許多科學家集合智力、齊聚追尋某些超難問題時,一些現今不可或缺的重要科技,就會不經意地「順便」被發明出來。伯納李爵士於1989年,便在歐洲核子研究機構創造了「全球資訊網」(WWW)的雛形,將我們帶進資訊時代。
  粒子對撞實驗產生驚人的數據流,相當於每秒有兩張藍光DVD的資料,透過網際網路分發到全世界的「分散式計算網格」進行處理(沒錯,物理學家坐享世界最大頻寬),現在它也能轉為用來設計藥物分子和預測嶄新材料,台灣也擁有一個這樣的網格,默默地在造福科學社群。
  不可思議的科技,往往從不可思議的科學計畫中誕生。我們已習以為常的醫療器材:電腦斷層掃描、核磁共振造影(MRI)、正子放射造影(PET)、甚至癌症重粒子治療,一百年的前人看見會覺得宛如魔法,這都多虧科學家對原子的特性有透徹了解才能實現。當人類對物理掌握得更透徹,誰知道還會帶來多大的突飛猛進?太空電梯、量子電腦、甚至星際旅行的動力,都有可能在某個方程式、某次實驗裡忽然現蹤。
  在研究教學之餘,巴特沃斯也經常作為專業來賓,作客英國電視節目,以圈內人的觀點、普羅大眾的語言,生動有趣地講解科學界的新突破、趣聞與八卦。在本書中,他帶領我們一路攀上了當代科學視野的高峰,不只展示沿途風景之美,一路上發現的寶物更彷彿在說:科學不但有用,更是非要不可!

◎各界好評
巴特沃斯是第一位把科學探索過程用內行人觀點生動描寫出來的作者!——希格斯(Peter Higgs)教授書評

這是本獨一無二的書,紀錄了粒子物理學界二十年來的跌宕起伏,並以發現希格斯玻色子磅礡作結。在我職業生涯中所熟知的喬恩.巴特沃斯,是一位思想有見地、富創造力、人好相處,偶爾會直言不諱的物理學者。他性格中的各個面向,都體現在這本精彩的書裡。——考克斯(Brian Cox)「物理界的搖滾巨星」,共同著有《為什麼 E = mc2?》

本書遠遠不只是另一本訴說如何利用大型強子對撞機尋找希格斯粒子的故事―讀者得以藉由作者的經驗,深入探索、並沉浸在科學發現的過程,那些必經的政治角力、內心悸動、和一場純粹理性與智識的冒險!——卡利里(Jim Al-Khalili),著有《悖論》、《解開生命之謎》

這本書用「巷子內」的精闢觀點,生動且深入地介紹了希格斯玻色子的發現過程,揭露高能物理學家生涯中的點點滴滴,更精湛地詮釋了高能物理近年最重要的發現。——《新科學家》雜誌

想弄懂何謂希格斯粒子、大型強子對撞機在進行什麼樣實驗的讀者,本書一是場你專屬的閱讀饗宴。身為職業科學家,不可避免得與「現實」世界的政治角力、經濟景氣等因素無縫接軌,作者在此挺身而出、面向公眾,強力捍衛資助基礎科學研究之必要。——湯普森(Steve Thompson)「史蒂夫物理」部落格

巴特沃斯教授講出了身為科學家對科學普及的熱誠與擔憂,亦生動描述了與記者、大眾的互動,令同樣身為科學家及科普作家的我獲益匪淺。無論讀者是學生、老師,或純粹對粒子物理學有興趣,我都保證你會讀得過癮。―余海峯/博士,瑞典皇家理工學院粒子及天體粒子物理組

現行高中物理課程新增了宇宙學、基本粒子等單元。在我教學時,學生對相關報導及影片極有興趣。甚至近年大考試題也陸續出現「希格斯玻色子」、「標準模型」等內容。我認為本書恰能提供想認識高能物理的人一份絕佳的閱讀材料,它免除了教科書般艱澀的理論,卻簡潔易懂地交代了許多重要物理概念。讓讀者身歷其境,了解科學發展整體的過程。——盧政良/博士,高雄中學物理教師、高師大兼任助理教授

自古希臘哲學家泰利斯(Thales of Miletus)最早提出「什麼是萬物本原?」,人類對於這個問題的探索至今未曾停止。高中教科書給出了答案:夸克、輕子、規範玻色子與希格斯玻色子,卻去除了知識的脈絡,科學發現的過程卻極為複雜。本書對於高中生有些艱澀,但若要理解粒子物理學、標準模型,與科學發展過程的來龍去脈,本書大大填補了教科書的不足。——邱博文/物理教師,從事高中物理教學工作二十餘年
 

作者介紹

作者簡介

巴特沃斯Jon Butterworth
牛津大學物理學博士,現擔任英國倫敦大學學院物理暨天文學系系主任,曾參與歐洲核子研究機構(CERN)大型強子對撞機(LHC)兩大實驗團隊之一:超環面儀器(ATLAS)的高能粒子物理學家。執筆大受歡迎的《衛報》部落格「生活與物理」(Life and Physics)。為BBC第4電台科普節目《無限猴子籠》(The Infinite Monkey Cage)的常駐來賓,在許多場合擔任科普大使發表演講,並參與紀錄片《高速撞擊的粒子》(Colliding Particles)拍攝。
  曾獲英國物理學會所頒發的查兌克獎(Chadwick Prize)與英國皇家學會所頒發的沃弗森獎(Wolfson Research Merit Award)。著作《撞出希格斯粒子》進入2016年皇家學會年度科學書籍獎決選名單。
  個人網頁:www.hep.ucl.ac.uk/~jmb

譯者簡介

陳劭敔
陳劭敔,清華大學理學院學士班數學物理組畢業,目前赴德國科隆大學攻讀物理碩士。自從被愛因斯坦的相對論敲到頭之後,便對時空物理展現出濃厚的興趣,深信有生之年能親眼目睹《星際效應》中的科技。中學時代熱愛實驗,獲頒科展大小獎項無數,大學籌備過三屆研究導向的科學營隊。平時關注能解決人類困境的科技―如氣候變化、生態浩劫、永續能源、星際移民,認為物理能提供關鍵的解決方案。

 

目錄

好評推薦
導讀 物理學的喜悅悸動/陳凱風教授
譯序 一場豐盛的學習之旅
前言
第一章 在開始談數據之前
  1.1 為何儀器要這麼大
  【科學解釋1】標準模型的粒子與作用力
  1.2 「絕不失敗」的理論
  1.3 大家都會對這件事感興趣的
  1.4 禍從天降
  1.5 在我們等待的時候
  【科學解釋2】夸克、膠子、噴流
  1.6 名字、慣性、媒體
  【科學解釋3】玻色子與費米子
  1.7 第一次「推進」
第二章 重生
  2.1 低能量粒子對撞與電子伏特
  2.2 最小偏差
  2.3 能量與質量
  2.4 「你有沒有可能會摧毀世界?」
  2.5 科學的深遠影響
  2.6 液態氬到M理論
  【科學解釋4】場、量子與其他
第三章 高能
  3.1 七兆電子伏特
  3.2 這不只是在模擬而已
  3.3 哥本哈根
  【科學解釋5】截面與光度
  3.4 夏日巴黎
  3.5 超對稱
  3.6 姓名、聲譽、引用
  3.7 洋蔥的下一層
  3.8 走入未知的世界
  【科學解釋6】規範理論
第四章 標準模型
  4.1 科學很重要
  4.2 科學委員會
  4.3 探索與調查
  4.4 來自南極的插曲
  4.5 質子的結構
  4.6 聖誕節禮物―對撞重離子
  4.7 希格斯粒子的重要地位
第五章 謠言與極限
  5.1 為什麼峰值會代表玻色子
  5.2 「狼來了」
  【科學解釋7】σ、機率、可信度
  5.3 兆電子伏特加速器出現的峰值
  【科學解釋8】費曼圖
  5.4 W玻色子和W玻色子對
  5.5 微中子界在同一時間的進展
  5.6 量子場和遺失的引言
  5.7 排除極限:玻色子大反擊
  5.8 孟買
  5.9 理論、實驗,由誰領軍?
第六章 第一個希格斯粒子徵兆與瘋狂的微中子
  6.1 個案研究:超越光速的微中子之謎
  6.2 微擾理論:我們是否遮蔽了新的物理
  6.3 幾個標準差?
  6.4 驚奇、峰值、愚蠢交織出的希格斯玻色子
  6.5 緲子:洋蔥的最後一層
  6.6 這是什麼?
第七章 步步逼近
  7.1 八兆電子伏特
  7.2 會議的詛咒
  7.3 波動:反物質與光譜學
  7.4 微中子矩陣
  7.5 大自然,自然嗎?
  7.6 如履薄冰的興奮時刻
第八章 大發現
  8.1 揭曉
  8.2 在洋蔥之外:大型強子對撞機計算網格
  8.3 請不要鑽牛角尖
  8.4 標準模型的希格斯玻色子?
  8.5 名字大有玄機
第九章 放眼未來
  9.1 我想要希格斯粒子星際引擎
  9.2 希格斯玻色子的未來
  9.3 希格斯先生的下一步
  9.4 大型強子對撞機的未來
  9.5 標準模型的未來
  9.6 超對稱與超越標準模型的未來
  9.7 歐洲核子研究組織的未來
  9.8 粒子物理學的未來
  9.9 科學的未來
  9.10 我的下一步
致謝
中英對照表及索引
 

物理學的喜悅悸動
陳凱風教授/國立台灣大學物理學系

  本書可以說是近十年以來,實驗粒子物理領域裡發生的大小事,以及「參與其中人員心中的悸動」的完整紀錄。
  我比作者晚個幾年加入大強子對撞機,也屬於不同的實驗團隊,卻同樣經歷過對撞機啟動的風潮。所以在讀這本書時,我不僅「心有戚戚焉」,更一起與作者同步回憶著:加速器運作初期發生意外時的失落、發現希格斯玻色子當下的感動,以及至今仍沒有觀測到超越標準模型的現象的些許不滿。
  如果讓我來描述同一段經歷,恐怕內容,包括討論的物理問題、甚至自身參與的大小國際會議,都會和本書作者十分相似,只有細節與實際接觸的人事物不同罷了。也就是說,這本書不僅是作者個人的記錄,更是所有參與大強子對撞機的工作夥伴與競爭對手、數千人共同的心路歷程。
  當然,背景不同的讀者,不一定能有完全相同的共鳴。然而本書絕對可以給您一次十分精彩的、關於近年粒子物理進展的回顧。能夠讓讀者身歷其境,體驗一下何謂世界一流、最後也成功催生諾貝爾獎的科學研究,背後的初衷與過程的酸甜苦辣。想一想,這種等級的研究一生能夠碰到幾次呢?本書是讀者不能錯過、值得一讀的精彩好故事。
  本書共分成九個章節,第一章敘述了從對撞機實驗起動之前的準備工作,一直到LHC重新啟動的進展。中間也一併介紹為何希格斯玻色子是這麼重要,在標準模型裡牽一髮而動全身,而為何尋找它會是個「不會失敗」的任務等等。
  第二章就是正式開始擷取數據,除了討論一些對撞的技術問題,還加上作者如何用逗趣的方式回應「對撞機是否可能摧毀世界?」這種不怎麼科學的問題。
  第三章一路到第八章,就是逐漸「發現」新玻色子的過程:羅馬不是一天造成、新粒子也不是一天就能發現的。而是得花很長的時間,科學家們仔細分析逐漸收集而來的對撞資料、與已知的理論比對,才能沒有疑慮地宣布新發現。當然科學家們不僅運作LHC實驗,也會用不同的角度切入粒子物理的研究。本書也同時穿插其他相關科學研究的進展,有些成果令人振奮、也有些成果令人沮喪。本書的最後、也就是第九章,討論了發現新色子之後可能的下一步,有些已經是「現在進行式」呢!
  書中提到的物理,很多是近幾年的全新知識。就連領域不同的物理學家,也不一定會接觸到。所以,沒有辦法簡單吸收是十分正常的。雖然有人會說,科普書寫作必須要能解釋到連「家裡的祖母」都能夠理解,然而我連向祖母解釋「在瑞士只吃麵包、不吃白米飯,是吃得飽的」都有困難了,要簡單又精確闡述粒子對撞,幾乎是不可能的任務!
  無論如何,本書用非常簡單的比喻來解釋這些重要的議題,以專業角度來看,描述得其實相當精確,有別於一些隔靴搔不到癢處的科普書。本書適合想要入門、想要簡單抓住核心概念的讀者。當然,這不是教科書,不可能由此完整習得實驗粒子物理的最新知識。然而,如果讀者能夠仔細耐心地閱讀本書比較專業、或是說比較消耗腦力的部分,應該會非常有收穫。
  如果讀者您被我說服了,願意花上一小段美好的時光遨遊在粒子物理的世界裡,相信您一定可以理解粒子物理家為什麼接受挑戰也無所畏懼、遭遇困難也依然甘之若飴。
  就像本書作者自述的一小段話一樣:「每當我回想起史上規模最大的實驗儀器,大型強子對撞機,跑出第一批高能實驗數據時,心中就會洋溢著喜悅與激昂。」--陳凱風,寫於前往瑞士日內瓦的飛行中
 

詳細資料

  • ISBN:9789862623350
  • 叢書系列:貓頭鷹書房
  • 規格:平裝 / 384頁 / 21 x 14.8 x 2.5 cm / 普通級 / 單色印刷
  • 出版地:台灣
  • 適讀年齡:18歲~99歲
 

內容連載

3.7洋蔥的下一層

我在2.6節介紹過什麼是量能器,它在偵測器的「圓柱狀洋蔥」高科技結構占了一、兩層;超環面儀器和緊湊緲子線圈都是以這樣的層狀結構,包圍住大型強子對撞機的質子對撞處。每一層儀器負責收集對撞產生的粒子重要資訊、種類各異,科學家再分析數據去研究結果背後的物理機制。

量能器測量在其內部停下的粒子所放出的能量大小──按照設計,量能器能處理的粒子數量非常可觀。緊湊緲子線圈的鎢酸鉛結晶、超環面儀器的液態氬都盡可能取用最大的密度,好讓量能器能擔此重任。緊湊緲子線圈的鎢酸鉛是個很理想的材料,和玻璃一樣透明、卻重上好幾倍

(*編注:鎢酸鉛比玻璃重三倍多,甚至比鐵重一點點)。

緊湊緲子線圈的遊客中心裡展示了兩塊晶體,一個是玻璃、另一個是鎢酸鉛結晶。雖然兩種結晶看起來一模一樣,當你拿起來掂掂看時,卻能明顯感覺到兩者重量的差異。就算事前已經知道會有差別,實際感受起來還是有些不可思議。這種結晶還有個額外的特性是它對X射線的吸收率非常高:布里頓是我現在超環面儀器的同事,以前有一陣子在倫敦帝國學院的緊湊緲子線圈小組工作過,他跟我說過一件趣事:有一回布里頓把幾塊鎢酸鉛放在手提袋裡,要從歐洲核子研究組織帶到倫敦做測試。結果提袋在通過X光掃描機的時候,裡頭的鎢酸鉛看起來就和鉛塊一樣。檢查員確認行李的內容物時,發現原來袋子裡的透明結晶就是剛剛掃描器顯示的鉛塊,覺得非常難以置信。

但事實就是如此。鎢酸鉛擁有很高的密度,和許多適合做為量能器的材料一樣。強子、光子、電子──所有的粒子都會被它擋下。已知的兩種例外粒子分別是緲子和微中子:緲子能通過量能器、只會釋出一點能量;而微中子則是一點痕跡都不留。科學家可以晚一點追蹤緲子,對微中子卻完全沒轍,頂多只能透過動量不守恆的結果去推測說事件中有微中子生成。

(*編注:當初包立[Wolfgang Pauli)正是藉由觀察到β衰變事件中動量似乎不守恒,斷言有某種中性新粒子存在。微中子[neutrino]的名稱由費米[Enrico Fermi]提出。)

不過,雖然絕大部分的粒子都可以用量能器來測量能量,科學家手上的資訊還是不夠多。這時候就輪到偵測器內層的儀器上場了。這些設備能告訴我們粒子在誕生到撞上量能器的過程中,實際走過的精確路徑。

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