科學人 博學誌:懸而未決的物理難題

科學人 博學誌:懸而未決的物理難題

  • 雜誌名稱:科學人
  • 刊別:特刊
  • 出版地區:台灣
  • 語言:繁體中文
  • 出版日期:2017/07/24
  • 定價:380
  • 優惠價:95361
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封面故事

20世紀初,物理學美麗而晴朗的天空出現兩朵烏雲,當代物理學家苦思不得其解。所幸,愛因斯坦等人撥開烏雲、走出困境,奠定近代物理的兩大理論:相對論與量子力學。如今,物理學看似再度烏雲罩頂,而且可能不只兩朵:暗能量、暗物質、超對稱、多重宇宙、黑洞等。為了撥雲見日,物理學家挑戰前人建立的知識,提出堪稱最瘋狂的點子來架構新理論,也透過實驗去觀察最精細之事。此特輯詳細紀實他們如何與這些未解之謎奮戰,而下一個「愛因斯坦」何時帶領我們看見新物理之路?

精采單元:挑戰已知‧理論狂想‧實驗無極限
 

編者的話

導讀人簡介:
高涌泉
台灣大學物理系教授,1956年生,美國加州大學柏克萊分校物理博士,研究專長為量子場論。熱愛閱讀,特別是西方哲學與偵探小說,也喜歡欣賞各種類型的電影。《科學人》雜誌編譯委員會召集人,長期為《科學人》撰寫專欄「形上集」,已集結成《非物理不可》一書。認為科普文章應有一定的文學性,著有《另一種鼓聲》、《武士與旅人》等科學散文集。

導讀:
看清知識的邊界
跳出框框思考之前,應先掌握已知的科學知識,融會貫通前人的工作,以挖掘其中的缺點。
撰文/高涌泉

這一本特輯的主題是物理學的前沿,或者說物理極限。一談到物理(或任何科學學科)知識的邊界,有一個具啟發性的小故事,值得介紹給有志青年:

荷蘭物理學家特霍夫特(Gerard 't Hooft)是1999年諾貝爾物理獎得主,因為證明了「電弱交互作用(electroweak interaction)理論」的「可重整性」(renormalizability)而獲獎。更明確講,他證明了一個理論如果包含帶質量又帶電荷的向量粒子(charged vector particle),而且這些向量粒子的質量來自(前幾年因為找到希格斯粒子而聲名大噪的)「希格斯機制」(Higgs mechanism),那麼無法處理的無窮大就不至於出現於這樣的理論中;以術語說,特霍夫特證明了在此種理論中所遇到的無窮大,都可透過所謂的「重整化」來消除,也就是這樣的理論是「可重整」理論。(如果向量粒子的質量不是來自希格斯機制,則無窮大將無法以重整化消除。)

1960年代,具有遠見的物理學者利用此種理論來描述弱作用,並進一步建構出統一電磁作用與弱作用的「電弱作用理論」,不過當時他們還無法嚴格證明此類理論的可重整性,直到特霍夫特於1971年因澈底理解理論的結構而完成數學證明。當時人們立即認知他這項成就是天才之作。特霍夫特的論文讓他得到博士學位以及近乎30年後的諾貝爾獎。他的指導教授維特曼(Martinus J.G. Veltman)也因長期關注這個(重整化)問題,並引導特霍夫特認知此問題於粒子物理的重要性,而與學生共享諾貝爾獎。特霍夫特在成名之後持續有重大突破,是1970、80年代最引領風騷的理論粒子物理學家。

特霍夫特獲諾貝爾獎之後來台灣訪問,我安排台灣大學的學生與他座談。學生問他如何尋找研究問題,他走到黑板前,以粉筆由上而下畫了一條線,然後說這條線代表科學知識的前沿,線的左邊是已知知識,右邊是未知的範疇;要提出不知道答案的問題並不困難,但是這些問題大半落在距離這條線很遠的(右邊)區域,獲得解決的機會並不大;真正困難的是看出哪些問題距離這條線不遠,我們較有可能解決,而把這條線往右邊推進一些。

所以尋找問題的第一步就是了解知識的邊界。我們常聽到「跳出框框思考」的建議,但是在跳出之前,必須先了解框框何在。愛因斯坦公認是最能跳出框框的物理學家,但是他用力最深之處卻在於「澈底掌握已知的科學知識,融會貫通前人的工作,挖掘其中的缺點」(參見《科學人》2016年9月號〈愛因斯坦如何做研究〉)。所以與其說愛因斯坦是創意的榜樣,不如說他是用功深思的最佳榜樣。

其次,研究科學最好能夠區別重要的問題與不重要的問題,我們只有專注在重要問題,才可能獲得有意義的結果,對於科學有所貢獻。不過特霍夫特提醒我們選擇研究問題不可以只看重要性,還要評估自己能夠破解它的機會,每個人必須選擇適合自己的問題,若不小心,會落入眼高手低的處境,而浪費了時間與資源。

愛因斯坦與特霍夫特都具有過人的眼光,他們對於評估「重要又可解決」問題的本事不是一般科學家所能及。他們在巔峰時期,可說沒有敗筆之作。(不過愛因斯坦
 

雜誌目錄

導讀  看清知識的邊界  文/高涌泉

第一單元:挑戰已知
10活生生的量子世界
16二維世界的量子重力論
24謎樣膠子 維繫萬物
32銀河系巨大費米泡
38第一道星光劃破黑暗時代
46智力的極限

第二單元:理論狂想
54粒子與場是真實的嗎?
62量子在你心
68暗原子:宇宙黑勢力
76黑洞火牆
84四維黑洞創太初
92多重宇宙真的存在嗎?

第三單元:實驗無極限
100終極X光機拍下飛秒瞬間
108質子半徑的量子問題
116超對稱玩完了?
124緝捕超高能微中子
132直視星空,破解宇宙膨脹
140傳頌大霹靂的重力波
148重力波照亮量子重力之路
 

內容簡介

《科學人》雜誌-全球科普雜誌第一品牌

自2002年創刊以來共11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。

《科學人》雜誌即將於2017年2月滿15週年!15年來,在「廣」的方面,《科學人》月月帶給台灣讀者科學新知、科學新聞、重要科學研究;而在「精」的方面,《科學人》推出15週年特別獻禮:「博學誌」系列文集,滿足您在單一領域更深入、更全方位的知識渴望。

「博學誌」系列文集

問,時間為何物?(2016/9/20全新出版) 台灣大學物理系教授 高涌泉 專文導讀

窺探大腦(2016/10/20修訂版)  中央研究院院士 曾志朗 專文導讀

發現天文之美(2016/11/20修訂版) 國立自然科學博物館館長 孫維新 專文導讀

掌握數位生活(2016/12/20全新出版) 台灣大學資工系教授 林守德專文導讀 活靈活現動物行為(2017/1/20全新出版)金鼎獎科普作家 張東君 專文導讀

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