原子內的世界 - Enhancing Science Learning Through Electronic ...
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撞向你手掌的粒子平均動能只有半個電子伏特。那能量太低了，不如伸到太陽中心吧。那兒溫度約開氏一千五百萬度，在你的手掌氣化之前，你感覺到粒子的平均動能約有二萬五千電子伏特
二十世紀物理學發展的其中一條軌跡，可以逐層揭開原子世界的面紗為主軸。物理學家在洞悉原子核結構之後，繼續以碰撞實驗去探究核粒子（即質子或中子）的結構。一枚核粒子的直徑約為米(1)，我們當然要用更高能量的粒子做「子彈」，才可以把核粒子撞破，進行解剖。
回顧另一篇文章"物理學家如何探究物質的終極結構"所述的兩個實驗，低能量的粒子與整個原子核碰撞，它好像有近視毛病一樣，把整個原子核看成是一顆粒子，分不清原子核內的核粒子。我們需要把它的能量提升至大於原子核的結合能(2) (binding energy)，它才有機會撞擊(「看見」)其中一粒核粒子，甚至把核粒子從原子核踢走。「子彈」能量愈高，「解像度」就愈高。因此，科學家建造高能粒子加速器（如圖一），用來探究微觀世界。粒子加速器，其實是超級顯微鏡呢！
(Photo Courtesy Stanford Linear Accelerator Center. www.slac.stanford.edu/
圖一 史丹福線性粒子加速器。左圖為加速器外觀，下右圖為內觀。)
自一九六六年至一九七八年，美國一組以費德曼(Jerome Friedman)、肯道(Henry Kendall)及泰勒(Richard Taylor)(3) 為首的物理學家利用圖一所示的電子加速器，把電子能量提升至約一百億電子伏特(4)，然後撞向核粒子（圖四）！
(圖二 高能電子撞擊核粒子實驗。白色方格顯示一個人高度。
Photo courtesy Stanford Linear Accelerator Center.)
究竟一電子伏特有幾多能量？若果能夠見到空氣分子在室溫下的運動，你可能會吃一驚，因空氣分子都是以平均每秒幾百米的速度亂竄，它們不停撞擊你，令你感覺到大氣壓力(5)的存在。室溫空氣粒子的平均動能(6)，約為四十份之一電子伏特。太陽表面很熱了吧，溫度約開氏六千度。想像用你的手掌輕撫太陽表面，感覺不錯吧，撞向你手掌的粒子平均動能只有半個電子伏特。那能量太低了，不如伸到太陽中心吧。那兒溫度約開氏一千五百萬度，在你的手掌氣化之前，你感覺到粒子的平均動能約有二萬五千電子伏特。需要把這能量再提升四十萬倍才達到一百億電子伏特！
這樣高能量的電子轟擊核粒子，後果如何？當時很多物理學家都以為電子應穿透核粒子，毫無障礙。結果出人意表地，發現即使最高能量的電子仍有些會被大角度散射，情形就跟盧瑟福實驗一樣。著名的物理學家費曼教授(Richard Feynman)看到實驗數據不久便得出結論﹕核粒子內有極細小而堅硬的粒子！之後的實驗逐漸證明，這些粒子性質與蓋爾曼(Murray Gell-Mann)教授(7)及他的學生史威(George Zweig)於一九六四年提出的夸克子(quarks)相若(8)，因此我們相信核粒子是由夸克子組成的。現在一般相信有六種夸克子，稱為上(up)、下(down)、奇異(strange)、燦(charm)、底(bottom)、及頂(top)夸克。它們質量各異，電荷也分兩組﹕上、燦及頂夸克電荷為正三份之二，而下、奇異及底夸克為負三份之一（負一為電子的電荷）(9) 。這些夸克的不同組合，便造成各種粒子 (10)。例如一粒質子主要由兩粒上及一粒下夸克組成。
高能電子與核粒子的碰撞研究，無論方法、實驗結果、以致最終的發現都與盧瑟福以粒子撞擊原子相似。還有一項驚人巧合之處，記得盧瑟福注意到核子的質量數約為原子數兩倍，因而推測有中子的存在嗎？物理學家注意到電子「感覺」到的夸克子只佔核粒子質量的一半左右（又是一半！），於是很自然地，人們就推測核粒子內有另一種粒子，稱為膠子(gluons)。如中子一樣，膠子不帶電荷，亦因此電子差不多「看」不見膠子的存在。
夸克子和膠子都有一個奇特的性質，就是不喜歡拋頭露面。直至今天，科學家仍未能觀察到一枚獨立自由的夸克子或膠子。似乎夸克子及膠子之間的強作用力(strong force)(11) 使到它們被禁閉於核粒子中。夸克子的禁閉問題 (confinement problem)，是物理學上一個未完全明白的大懸案呢！
你或者（應該）奇怪，我們怎可以單憑一些簡接證據，就相信夸克子及膠子的存在？事實上，科學家仍在不斷努力尋找夸克子。最有趣的一系列實驗是最近開始在美國布碌希藩國家實驗室(Brookhaven National Laboratory)進行的高能重離子碰撞實驗(high energy heavy-ion collisions)(12)(圖五）。理論上，當溫度達至一個臨界點，物質內的夸克子及膠子就會衝破禁閉，重獲自由。這過程有點像煮開水，當溫度達至攝氏一百度時，水便從液態轉化成氣態(13)，水份子便「自由」了。理論上，這臨界溫度(critical temperature)大約是一萬億度(K）！這是太陽中心溫度的十萬倍！物理學家利用粒子加速器，首先把一些重元素（如鈾）的原子核（即所謂重離子heavy-ions）能量提升至約二千億電子伏特，然後兩束高能重離子對撞！重離子的動能便會因碰撞轉化成熱能，造成一個極熱極密的超小型(14)火球，溫度超過一萬億度（圖六）。若理論正確，這火球由自由的夸克子及膠子組成，以一種人類從未見過的全新物質態出現，稱為夸克－膠子槳(quark-gluon plasma)。可惜的是，由於火球急速膨脹，溫度很快下降，所以只維持在夸克－膠子槳態一段非常短的時候(15)，而科學家就要從火球的「殘骸」（圖七）–數以十萬計的各種粒子–尋找夸克－膠子槳的痕跡。聰明的你，當會注意到這又是「爆破典範」的延續。
高能重離子碰撞實驗有另一重大意義，就是重塑宇宙初開的景況。碰撞造成的火球，就像宇宙早期的大爆炸(16)(Big Bang)一樣。事實上，一萬億度的溫度亦只有在大爆炸時才可達到。現在，物理學家每天都在實驗室製造「小爆炸」，造出宇宙最熱的「熱點」，從而研究物質的終極結構，以致宇宙的起源！
(圖三:美國布碌希藩國家實驗室(Brookhaven National Laboratory)的相對性重離子碰撞器(Relativistic Heavy Ion Collider)。上圖圓形部份為對撞器外觀，圓周約二點四英哩。下左是加速器其中一段管道。右為其中一個粒子探測器。照片自http://www.bnl.gov/ 下載。Photo Courtesy Brookhaven National Laboratory.)
重離子 夸克–膠子槳
(圖四:高能重離子碰撞示意圖。)
(圖五: 重離子碰撞後的殘骸–一大堆粒子。此圖下載自www.bnl.gov ，為STAR實驗取得之數據。Photo Courtesy Brookhaven National Laboratory.)
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(1) 物理學家把米的長度稱為一費米(fermi)。
(2) 結合能等於從原子核拿走一粒核粒子所需的能量。
(3) 三人因這實驗嬴得一九九零年的諾貝爾物理學獎。
(4) 這約為查德威所用的粒子能量一萬倍。
(5) 地面的標準大氣壓力，大概等於十個大漢的體重把你壓著。
(6) 一般氣體粒子的平均動能正比於其溫度。
(7) 因其在粒子物理學上的貢獻而嬴得一九六九年的諾貝爾物理學獎。
(8) M. Gell-Mann, The Quark and the Jaguar (W. H. Freeman and Co., New York, 1994).
(9) 燦夸克子是丁肇中教授及里克特(Burton Richter)教授領導的兩個研究組分別發現。兩人因此分享一九七六年的諾貝爾物理學獎。
(10) 由夸克子組成的粒子稱為強子(hardons)，即受強作用力影響的粒子。
(11) 自然界四種基本力（強、弱、重力、電磁力）之一，主宰核子的世界。
(12) 可參考 http://www.bnl.gov/rhic/
(13) 物理學上稱為相變(phase transition)。
(14) 即約重離子大小，半徑約幾十費米。
(15) 估計約秒。
(16) 可參考 www.phy.cuhk.edu.hk/astroworld
參考資料：http://resources.emb.gov.hk/physics/articleIE/insideatom/insideatom_c.htm
- 2007-05-13 16:57:13 補充對不起!無圖!
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