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夸克與宇宙起源

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內容簡介

  筆者以錢思亮先生紀念演講的內容為大綱,寫成了這本基本粒子最前沿的科普書籍,以說故事的方式,深入淺出地介紹了近代粒子物理中幾個舉足輕重的重大發現:

  一、拉塞福帶領人類看見原子之中還有結構,開啟了一個全新的研究領域

  二、藉南木、葛蔓、蕃蔓三個人物的研究,由三個脈絡敘述物理學家如何解構中子與質子,找尋更基本的結構。

  三、質子與中子之下有更小的結構,並且顯現出新的規律。本篇主要敘述丁肇中先生,以及小林與益川,在「代」的問題上之突破。

  四、從反物質的發現講起,然後從宇稱不守恆講到CP破壞的發現,最後才引入沙卡洛夫的洞察。從這一篇開始真正講述本書的第二主題,也就是宇宙起源。

  五、小林自承理論還有不足之處,再介紹雅思考格不變量與「四代」夸克的研究。也在這一篇關聯起本書的兩個主題「夸克」和「宇宙起源」。

  六、質量之源與神之粒子……抑或神譴?希格斯粒子是真正的答案,或是我們需要另闢蹊徑?這篇與上一篇皆與侯維恕教授自己的重大研究成果有關。

本書特色

  ★台大前校長李嗣涔先生、台大物理系熊怡教授專文推薦。

  ★侯維恕教授以其親身參與理論及實驗研究的心歷路程,並略帶詼諧的語氣帶領大家進入更深層的探討。

  ★在上帝粒子─希格子的發現過程中,侯教授不但是參與的科學家之一,還扮演重要的角色。

名人推薦

  人一生中能夠參與聖杯的追尋是一件令人感動回味的經驗,也希望讀者能從本書中感受到台灣科學界躍上世界舞台的喜悅。─李嗣涔先生(台大前校長)

  本書並沒有為「夸克與宇宙的起源」劃下句點,反而帶給我們的是對未來研究物理的憧憬和期望!─熊怡先生(台大物理系 教授)
 

作者介紹

作者簡介

侯維恕教授


  美國加州大學洛杉磯分校物理博士,中華民國物理學會會士,現任台灣大學物理系特聘教授並主持高能實驗室。專業研究領域是粒子物理理論與實驗,專注於「味道」與CP破壞問題,特別關切可測現象及實驗之互動,近年開始研究電弱對稱破壞與質量產生。2010年獲國科會「攻頂計畫」,在大強子對撞機LHC搜尋四代夸克,加入CMS實驗第一階段升級計畫「畫素偵測器」之製作,並有台大「拔尖計畫」之配合支持。

  2010年又獲教育部學術獎之肯定,在2012年再得教育部國家講座的殊榮。作者學術著作眾多,已發表的個人理論論文約140篇、CMS論文約300篇、Belle論文約400篇。
 

目錄

序一:物理的聖杯        李嗣涔 台大前校長
序二:熊怡 台大物理系教授
前言(代序)    

壹.從1908年化學獎說起:Rutherford 石破天驚    
拉塞福    
拉塞福掌握新工具    
My Hero: 拉塞福「石」破天驚    
宇宙的「演化」    

貳.南木、葛曼、蕃曼的洞察    
原子核乃是一滴「核子」    
南部的驚人洞察    
1950–1960年代的強子動物園    
1964年夸克模型    
1969年深度非彈性散射:電子自質子大角度散射    
部分子模型與夸克    
夸克與宇宙演化    

參.丁的發現與小林—益川的拓殖    
從「輕子」到革命前夕    
1974年11月革命
三代的預測與發現
基本費米子

肆.沙卡洛夫與宇宙反物質消失
反物質的預測與發現
什麼是反物質?
宇宙反物質消失之謎
宇稱不守恆到CP破壞
沙卡洛夫觀點
CP破壞、宇宙物質當道與你

伍.四代夸克「通天」
B介子工廠與三代夸克CP破壞的驗證
小林自承不足與三代夸克雅思考格不變量
四代魔法─千兆倍的CP破壞

陸.神/譴之粒子?—特重夸克凝結
神之粒子:質量之源
大科學
希望抑幻滅—神譴粒子?
費米子質量產生
希格斯場的本性?
四代夸克散射與「自能」
強湯川耦合與對稱性自發破壞
真假聖杯與四代夸克的追尋

柒.結論與展望
附錄一  鍥而不舍的精神典範
附錄二  四代夸克的追尋
附錄三  把「光子」變重了
 

序一

物理的聖杯
李嗣涔  台大前校長


  1976年9月中我負笈到美國史丹福大學電機系念博士,三個星期以後的10月初諾貝爾物理獎宣佈,史丹福大學物理系的Richter教授與丁肇中博士以共同發現 J/ 粒子而得獎,電機系系館就在物理系館隔壁,我也常去物理系圖書館找書,可以感受到一些興奮的氣氛,對我這個剛從台灣到美國念書的年輕學生而言,想到隔壁樓有一位新出爐的諾貝爾獎得主,就覺得與有榮焉。但是為什麼叫J/ 粒子這麼奇怪的名字就搞不清楚了,後來去史丹福書店買了一本科普書籍才慢慢了解到,原來丁肇中博士團隊先發現到新粒子,但為了慎重起見一再重複實驗而沒有發表論文,直到丁博士有一次到史丹福線性加速器中心聽到Richter團隊好像在同樣能量也發現新粒子,才立刻投出論文,結果兩團隊同時登出論文但是取了不同名字,導致後來用了合成的名字。為此還產生了到底誰先發現的爭議,雙方在新聞上大打筆仗。

  1976年適逢美國建國兩百年,為了紀念這個大日子,媒體請了對人類文明進展有重要貢獻的美國人來寫紀念性文章,其中包含了1947年發明電晶體的三位諾貝爾獎得主,結果報上同時刊出兩篇文章,史丹福大學電機系剛退休的蕭克萊教授寫了一篇,另兩位得獎人巴定及布萊頓合寫了一篇,兩篇各講各的發明故事,針鋒相對互相批評。我當時還偶然可以在電機系大樓見到蕭克萊教授,這兩件事情在我心靈上產生了重大的衝擊,為何重大的科學發現往往導致個人或團隊的衝突,後來我慢慢理解原來這是在奪取聖杯的過程中,由於歷史定位的大帽子壓力下,人性最赤裸裸的自然展現。發現宇稱不守恆的楊振寧與李政道交惡的過程,也跳不出這最基本的法則。從此以後我就愛看基本粒子物理的科普書籍,不僅是了解科學最前沿的發現過程,還要去感受人性的衝突與淬鍊。1982年回國任教以後就會等出國開國際會議的空檔到書店蒐購新的科普書籍,樂此不疲。網路購物興盛以後直接從網路訂購電子書省了我不少麻煩,不過前沿物理發現的故事雖然很好看,但是那是別人的故事,與我沒有關係,與台大沒有關係。

  這本書不同了,台大物理系的侯維恕教授以他在錢思亮先生紀念演講的內容為大綱寫成了這本基本粒子最前沿的科普書籍,在上帝粒子-希格子的發現過程中,侯教授不但是參與的科學家之一,還扮演重要的角色,而我在台大校長任內曾提供經費支持侯教授的計畫,讓我覺得與有榮焉。

  2006年台大在教育部邁向頂尖大學的支持下,希望在5到10年中進入世界百大,而我深切了解要成為世界一流大學,最重要也是最根本的問題是要改變師生的心態,從跟隨者(me too) 轉變成領航者(follow me)。研究題目的選擇與團隊的組成是成功的第一要素。因此我推動了領航計畫,由上而下選擇了近二十個團隊計畫予以支持。侯教授的計畫是其中之一,也是我最看好的計畫,他把四代夸克的搜尋帶入希格子CMS的實驗中讓我充滿了希望,台大也終於有機會參與大發現的過程,這才是領航的精神,這才是成為世界一流大學應有的表現。

  希格子的聖杯已經於2013年頒給了英格列及希格斯,看來四代夸克的可能性已經黯淡,侯教授仍不退縮,寄望2015年大強子對撞機維修完成重新啟動以後,能在更高能量下看到新物理,我衷心的祝福他,也掩不住仍保持淡淡的期望,人一生中能夠參與聖杯的追尋是一件令人感動回味的經驗。也希望讀者能從本書中感受到台灣科學界躍上世界舞台的喜悅。

序二

熊怡 台大物理系教授


  侯維恕教授請我為這本新書作序,這是我人生第一次為朋友的新書寫序,當然就義不容辭地一口答應下來,並好好地拜讀之。自從侯維恕教授於2012年榮獲第16屆教育部國家講座,研究教學之餘,既積極投入科普通俗演講以及撰寫科普的介紹性文章。

  《夸克與宇宙的起源》一書侯維恕教授以說故事的方式,深入淺出地介紹了近代粒子物理中幾個舉足輕重的重大發現: 從拉塞福的實驗「石破天驚」地打開了原子結構的奧祕以及原子內在的原子核,開啓了這一百年來對粒子物理實驗與理論的研究。進而產生了夸克模型,三代夸克與輕子的預測及發現,也因而引進了粒子物理中所謂的「標準模型」。1974年的11月革命丁肇中先生的實驗所發現的新粒子「J粒子」,在此扮演了舉足輕重的角色。 然而對三代全席「標準模型」的驗證,人類又花了數十年時間的努力,建造了一代又一代的高能粒子加速器及各種實驗探測器並有了新的發現,才得以建立起現今粒子物理的物質與反物質的微觀世界。

  到底夸克終究和宇宙起源有多大關聯? 侯維恕教授以其親身參與理論及實驗研究的心歷路程,並略帶詼諧的語氣帶領大家進入更深入的探討: 宇宙反物質的消失之謎,宇稱不守恆和CP破壞現象,四代夸克的追尋,質量之起源與希格斯粒子(神/譴之粒子)的發現等近代粒子物理中的重大問題。 物理乃實驗科學,探討宇宙和自然界的基本現象,不論是實驗發現了新的物理現象或是對自然界物理現象的新解釋,都必須經由各種實驗反覆的驗證及檢驗。俗語說 “真金不怕火煉” 自然界的真理與定律一樣不怕反覆的實驗驗證及檢驗(Trial and Error),這就是物理這門科學的實證精神! 這裡面有許多不怕失敗的心歷路程,也有許多最後成功的例子! 也唯有這種鍥而不捨的實證精神才能一步又一步地解開自然界的真實現象甚至宇宙起源之謎!

  這本書並沒有為「夸克與宇宙的起源」劃下句點。 反而帶給我們的是對未來研究物理的憧憬和期望!
 

詳細資料

  • ISBN:9789570529791
  • 叢書系列:科學叢書
  • 規格:平裝 / 216頁 / 17 x 22 cm / 普通級 / 全彩印刷 / 初版
  • 出版地:台灣
 

內容連載

壹.從1908化學獎說起: Rutherford 石破天驚
 
我們所熟悉的原子圖像,是一些電子如行星般繞著很小的原子核轉。再拉近了看,則原子核又有結構,乃是由質子與中子所構成。這些似乎自小學、中學起便已熟悉了的常識,不過就是現代人的一種基本認知。但是,人類是怎麼獲得這個知識的呢?畢竟原子比人類自身尺寸小一兆倍,而原子核又比原子再小上十萬倍,這樣的知識是不是太神奇了。
 
我們在標題裡已經提醒你,是當年Rutherford (即拉塞福)的「石破天驚」替我們發現的。然而,這1908年的化學獎又是怎麼回事?原子的結構難道不是十分物理的事情嗎?要把故事帶到夸克、以及夸克究竟與宇宙起源有什麼關聯,讓我們就從這裡起頭。
 
拉塞福
 
拉塞福 (1871–1937) 獲頒1908年的諾貝爾化學獎,諾貝爾委員會引述的理由是:「因他對元素解裂,以及放射性物質化性的探討。」1908年12月10日頒獎典禮上,瑞典皇家學院哈瑟伯格院長如是說:「拉塞福的發現,引出了令人高度驚訝的結論,也就是一個化學元素是可能被轉換成其他元素的,這與之前提出的任何理論都相矛盾。因此,從某個方面講,我們可以說研究的進展把我們又再一次帶回了古代煉金術士所提倡並堅持的蛻變理論。」
 
注意,這可是煉金術、也就是點石成金術還魂呢。
 
但哈瑟伯格繼續說:「雖然拉塞福的工作是由物理學家用物理方法所做出來的,然而它對化學探討的重要性卻是如此自明又影響深遠。因此,皇家學院毫不猶豫地就將原本為化學領域原創工作所設立的諾貝爾獎,頒發給這項工作的原創者。就像以往已經多次證明的,這再一次證明現代自然科學各支脈間彼此親密的互動關聯。」
 
也就是說,既然成就了遠古煉金術士所夢寐以求的,怎能不頒發諾貝爾「化學」獎給當事人!因為現在所用的chemistry (化學)一字,正是源自alchemy(煉金術),而化學家(chemist)可就與煉金術士(alchemist) 的字更像了。嘿嘿,但我們唸物理的人,心裡就不只是有點暗爽了。
 
其實,拉塞福自己盼望得到的是物理獎而不是化學獎,因此他在領獎時微酸的(大致)說道:「我的研究讓我看過各種的蛻變,但從沒看過有比我從物理學家蛻變成化學家更快的了。」那麼,讓我們來了解一下拉塞福究竟是如何發現元素能夠被轉換的。

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