《科學人》隨身包:粒子

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本電子特刊由《科學人》行銷部特別編製,讓廣大讀者獲取CP值最高的科學知識。


中學時總學到物質由最小單位原子構成,其實原子中別有洞天——夸克。


〈微中子激發新物理〉解析本文主角微中子,性質如何變化多端,科學家又該如何捕捉它的身影。


世界上兩項最精密的實驗竟得到不同答案?〈中子壽命真矛盾〉深入討論兩組實驗數據差異,進一步釐清中子壽命的精確值。


〈大強子對撞機量測美夸克〉描述科學家期望借助大強子對撞機(LHC)來捕捉尚未發現的粒子,一補標準模型的美中不足的缺陷,邁向基礎理論的更深處。

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Publisher
遠流出版
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Published on
Sep 1, 2018
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Pages
26
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Language
Chinese
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Genres
Science / General
Science / Physics / Atomic & Molecular
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聚焦物理世界──認識時空、物質、宇宙與量子力學的24堂進階課

你一定好奇:時間是如何流動的?重力從哪來?為什麼有質量?然而課本裡卻沒有答案。本特輯除了解答上述基本問題之外,還要告訴你:粒子物理與宇宙學怎會搭上關係,以及自己也可以動手做的量子實驗!

精采單元:

時間之謎從粒子到物質無垠宇宙量子樂園尖端應用

導讀

讓大師領你踏進物理之門──台灣大學物理系教授 高涌泉

《科學人》這份著名科普雜誌進入台灣社會已近10年,這本特輯即是《科學人》這些年來所刊載物理類文章的精華選集。現今科學發展迅速,已經沒有人得以理解一切科學新知,即便單以物理這一學科而論,也不可能有人可以全面掌握各物理領域的進展。《科學人》的主旨在以深入淺出的方式,介紹科學上重要的新進展,所以如果我們想要大致了解物理學在過去10年間有何重要發現,這本特輯是最好的起點。

我們可以從這本特輯的文章分類得知,物理學在過去10年中,所關注的對象仍舊是在「量子」與「時空」這兩個歷久彌新的主題,而粒子物理、凝態物理、原子物理、量子電腦與宇宙學也還是當今物理學中火紅的領域。

更具體一點講,這本特輯觸及的物理題材包括:為人預期能夠找到希格斯粒子的大型強子對撞機(LHC)、有奇特性質的石墨烯、能產生超短脈衝的光頻梳、新型超導體、出人意料之外的宇宙加速膨脹與暗能量、全像宇宙、黑洞等。以上每項題材都已引出上千篇研究論文,有些已受諾貝爾獎肯定(石墨烯與光頻梳),有些可以預期未來會得到諾貝爾獎(從大型強子對撞機得到的發現)。這些廣泛的題材如果沒有行家帶領,很難自行摸索、一窺究竟。我可以想像一位物理教授指導其正要進入實驗室開始研究石墨烯性質的研究生,先閱讀〈一枝鉛筆畫出奈米碳網〉一文,在知道一點石墨烯的大概之後,再去鑽研專業性論文。

《科學人》主篇文章都是在作者與編輯一起句句琢磨之後,才得以與讀者見面,而作者本人(或作者群)也多是文章所介紹科學發現的當事者或是名筆,我要在此特別點出這本特輯中的幾位作者:〈度量時間,以光為尺〉的作者之一霍爾是2005年諾貝爾物理獎得主;〈一枝鉛筆畫出奈米碳網〉的作者之一蓋姆是2010年物理諾貝爾獎得主,此文另一作者金也被某些內行人認為應該與蓋姆一起分享此獎;〈重力是一種幻覺嗎?〉作者馬多西納在文中解說自己的全像重力論,是當今最受矚目的理論物理學者;〈粒子物理革命即將來臨〉的作者奎格是知名粒子現象學者,曾領導美國費米加速器實驗室理論部門10年;〈宇宙的起源〉作者特納是整合粒子物理、天文物理與宇宙學的先驅,以及「暗能量」一詞的命名者;〈奇妙的量子棋步〉作者尼爾森是第一本也是最暢銷的量子計算教科書的兩位作者之一;〈時間是雙向的嗎?〉作者卡洛爾出版過暢銷相對論教科書與科普書;〈神秘的時間流〉作者戴維斯也是多本暢銷科普讀物的作者。

在介紹新知之外,《科學人》偶爾也會刊出以科學哲學、科學史、微妙科學概念的解說、科學人物等為主題的文章。例如,這本特輯中〈粒子宇宙學開創史〉的作者凱薩是美國麻省理工學院物理學家兼科學史家,他在文中介紹了粒子宇宙學這門新興學問誕生的歷史,又例如〈艾弗雷特的異想世界〉一文介紹了艾弗雷特這位只活了51歲的物理界非主流人物,如何在1950年代於美國普林斯頓大學發展出現今為科哲專家重視的「量子力學的多重宇宙詮釋」的故事。而〈你也誤會了大霹靂?〉一文目的在於破除有關宇宙膨脹的一些誤解,這些誤會是連一般物理學家都可能不知不覺的。這類文章的教育意義比起新知介紹的文章,有過之而無不及。

由於本書內容的多樣性,無論你有多少科學背景,是高中生、大學生、研究生、業餘科學愛好者,甚或是物理專家,都可以從本書學到一些東西。?

導讀者簡介

高涌泉

台灣大學物理系教授、《科學人》編譯委員會召集人。研究專長為量子場論,亦致力於科學教育與科普寫作,著有《另一種鼓聲》、《武士與旅人》等科學散文集,長期為《科學人》撰寫專欄「形上集」。

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推薦

【推薦文一】?

小時候,往往在跑遍圖書館和書局後,仍苦惱地找不著像是「宇宙有多老」這類問題的可靠答案;在今日,網路資訊過度發達,卻也不免讓人迷失於知識爆炸的洪流中--到底哪個版本才是對的?《科學人》長是此症的良藥,而本特輯不但性屬特效,更是十全大補。在此難得當下,謹題一詩共勉:?

科技日新奇

學思無止息?

人間天地事?

笑問科學迷?

--吳俊輝(台灣大學物理系暨天文物理所教授)?

【推薦文二】?

無論馬上、桌上、枕上,每回翻開《科學人》,就是另一次無法放手的開始。我自身較為熟悉的領域在物理和天文,自然更為眷顧相關文章,這次《科學人》精采100特輯《聚焦物理世界》將過去10年之間精采紛呈的物理文章重新整理,輯為特刊,內容涵蓋尖端物理的各個方向,以饗對物理發展抱持高度興趣的讀者,委實功德無量。?

--孫維新(台灣大學物理系教授、國立自然科學博物館館長)?

【推薦文三】?

Scientific American的作者往往是極負盛名的科學家,所以一些國內教授也樂於予以翻譯,引介最新潮的知識。《聚焦物理世界》涵蓋了時空本質、量子計算、宇宙學的進展等,主要著重在基礎物理,其他領域的文章雖不多,但也有最熱門的鐵基超導體、石墨烯,以及光頻梳技術等三篇,後兩篇的作者裡都有諾貝爾獎得主。我相信讀者一定可以從這些高品質的文章中獲益良多!?

--張明哲(台灣師範大學物理系教授)?

【推薦文四】?

還記得小時候對生活周遭的各種現象充滿好奇,不停地追問為什麼的日子嗎?然而甚麼時候開始「長大」的我們不再好奇?直到有一天聽見人們談論宇宙的起源、時光旅行的可能、量子力學的最新科技等等時,似乎有那麼一點點好奇心重心被燃起,卻又不敢再向前。如果有一天,對知識的需求單單只是為了滿足我們的好奇心,不用被考試所束縛,是否可以不再害怕而單純享受知的喜悅?《科學人》再科普推廣的深耕是有目共睹的,這一次將之前的精彩文章編為特輯,一次滿足我們對知識的渴望,期待與您分享這場饗宴。?

--張清俊 (北一女中物理科教師)

窺探大腦挑戰思考、記憶與意識形成的25道難題

大腦主宰了我們理解世界與思考的方式,但我們對大腦卻所知有限。

從大腦基因與神經連結,能否解開記憶的編碼與意識的形成?藥物可以讓人更聰明嗎?先進的神經造影技術,能否讀出我們的思想?且讓本特輯與你一同遨遊腦海。精采單元:

從基因、神經元到大腦意識與記憶之謎心智功能再提升奇幻旅程

導讀

中央研究院院士 曾志朗 專文導讀?

大腦揭密,快跑;欲窺全貌,還早!?

「你的心裡在嘀咕什麼?」這句話意含著我們對世事的很多盤算皆來自「心」的運作。但科學和醫學研究也都告訴我們,這個「心」字指的絕不是生理器官的那個心,因為那些心臟移植成功的病人,並沒有因變心而改變性情,更沒有因此失去「自我」而不知道「我」是誰。所以這個「心」,指的應該是每個人經驗累積的存放平台,是抽象的情緒感受器,以及對記憶中意象和理念重組的資訊轉換機,更是能在意念和意念的碰撞中、在壓抑和活化的意識亂流中,衍生出新意念的萬花筒。至於那些能做比對、計算、算計以及能量分配的認知方式,只不過是讓思維凝聚的必然程序,是所謂「心智」的總體表現中不可或缺的一個層面。?

用這樣的角度來看心思和智慧,科學家就可以先拋開捉摸不定的「心思」,而以科學論證的方式來建構「心智」的運作平台。不論是用哪一種隱喻去比擬心智的運作(硬體如感受器、轉換機、萬花筒等,軟體如比對、計算、算計、能量分配、決策等),都需要有一個生理上的操作實體,做為感官、記憶、計算、決策、理解等知識運作的中介平台,那就是我們所熟知的「腦」——由一兆個神經元所組成,塞在空間不夠大的頭殼裡,形成彎彎曲曲充滿皺摺的灰質和白質,掌管神經資訊的傳遞和加工,包括感知、辨識、回應和儲存,而且串連不同腦區對特定的認知作業形成即時有效的神經迴路。這些複雜但又井然有序、由生理到心理層次的運作,通過現代高科技的各種腦神經顯影儀的掃描,科學家已經握有非常明確的證據。雖然影像的時空解析度仍待加強,且成像的分子基礎尚待釐清,但我們已經可以很科學的問「你的腦子裡在想什麼?」而不會感到「心」虛了!?

確定思維運作的所在地是「腦」之後,科學家就不再像早期的哲學家只能坐而思,必須起而行,走進實驗室,以更精密的神經顯影技術,搭配設計巧妙的實驗和高超的統計分析方法,由各個面向去探討腦的功能。如各種不同認知作業的神經資訊(what),會在腦的哪一個區塊內部活化或在哪幾個區塊(上皮質、下皮質、新皮質、舊皮質,還有小腦)形成連結的迴路(where)?特定迴路之間如何完成連結、如何相互激盪產生消–長的能量(how)?為什麼會演化出這樣的結構和功能(why)?這些不同面向的議題,觸及生命現象的各個層次,從最基層的基因研究,到神經系統的發展和組合,到行為的產生和規範,到意識的覺知和情緒的感受,到最高層的是非判斷,在經過數個「腦的十年」的實驗探討與理論建構,慢慢揭開了腦的神秘面紗。但科學家在期待下一個「腦的黃金十年」時,也心知肚明有更多問題等待解決。?

在新一代的腦研究中,有一個特性是不可忽略的:即每一個議題的提出,都有很清楚的跨領域內涵;各領域的研究進展和成就,都會影響其他領域對本身研究的重新思考。例如,緊接著人類基因組定序計畫的完成,腦科學研究也整合了基因研究與蛋白質分析技術的進展所帶來的新發現,以基因轉殖或基因剔除動物為對象,再搭配高密度神經元群體記錄的尖端技術,開展了腦神經演化的近因及遠因解密工作。此外,由於物理學家在低溫超導的技術革新,以及對核磁訊號的分析模式越來越成熟,各種神經影像的時空解析度也就越精準,帶動了認知神經科學的全面發展,並促使跨顱磁性刺激(TMS)在介入性的實驗研究和臨床治療上,發揮極大的效能。這些跨領域的研究,引領著不同專業的學者,把各自的觀點聚合(converge)在如何理解生命現象的共同問題上。?

生命現象本就錯綜複雜,但這些複雜現象的背後,仍然是清晰可見的自然規律。因為人類只有一個腦,它的運作遵循著生物演化的原生設定,也在這個基礎上,和周遭環境所給予的不同社會壓力,形塑個體的行為型態,所以每一個人的行為不但代表個人腦神經的生物傾向,也反映出腦做為資訊的轉換平台的抉擇與適應過程,代表的是社會的集體規範。就腦生長發展的觀點而言,個別差異是遺傳的結果,也是環境的縮影,更是在兩者長期適應(accommodation)和同化(assimilation)的互動下所形成的產物。這其中的奧秘,科學家目前還不很清楚,但由疊積的有限知識,已經讓科學家充份了解,靠單一領域的研究欲窺腦的全貌,絕對是不可能的任務,沒有超越領域的合作,就無法解開大腦的秘密,這已經是全世界腦科學家的共識了。?

目前,歐美的科學家都把腦科學的研究,由基因到神經發展的生化變化,到認知運作,到行為表現的整合,訂定為本世紀最重要的科研項目(我刻意不寫「之一」)。美國早已走在前面,歐盟也急起直追,在正進行的第七期科研架構計畫(EU FP7)中,特別設立一個主題,名之為「人類心智及其複雜性」(Human Mind and Its Complexity),探討腦在人類文明所扮演的角色。我是這個主題的諮詢委員之一,有幸見聞數百件由研究有成的學者提出的計畫案,我們審核的標準是跨領域的整合,和提出有風險但能清楚界定「腦的複雜性」的實驗設計。我國在這一方面的整合,比之歐美的大步進展,就顯得很薄弱。神經科學的個別研究散在各研究機構,沒有整合的機制;認知神經科學的概念,在台灣的學術界仍待建立。?

為什麼會產生這麼一個荒蕪的景象呢?我想,傳統學科本位的心態阻止了跨領域研究的思維,而新世代的社會科學研究人員在生物演化和認知哲學的知識背景也明顯不足,使他們對新興的腦科學研究望之卻步。為了開創新局,讓所有愛科學新知的科學人,都能更了解腦科學的進展,《科學人》雜誌編輯部集結了過去相關的文章,以四個單元去介紹腦科學研究和生命現象的關係,希望借由這些比較令人感興趣的生活面,看到腦神經運作的複雜性。男女有別嗎?人類以右手傾向者居多,反映左右兩腦功能的不對稱,那其他動物也如此嗎?你吃螃蟹時會注意牠是右利、還是左拐子?有增進記憶的藥丸嗎?學會讀寫漢字的腦和學會讀寫英文或其他拼音文字的腦有差別嗎?腦中神經訊息流動澎湃,是我們的夢之源?那「出槌」的流動是創意之母嗎??

太多的問題待解,但了解腦就是了解自我,了解社會文化,了解人在宇宙間、在萬物中、在歷史長河裡的定位。文明是腦的反映圖像,是腦的創作,也反過來規範腦的成長。我正在用演化中的腦、用腦創作的語言去談腦。也許,我觸動你或他的腦,產生出會改變腦的能量。人腦雖皺,潛力無窮。欲窺全貌?還早!

導讀者簡介

曾志朗

中央研究院院士、語言學研究所特聘研究員,陽明大學神經科學研究所特聘講座教授,《科學人》雜誌榮譽社長。開創漢語文神經語言學的研究領域,也是研究記憶、閱讀和注意力的國際知名認知科學家,並致力於科學文化的提昇。在《科學人》雜誌的專欄「科學人觀點」10年不曾間斷,曾獲金鼎獎最佳專欄寫作獎。

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推薦

【推薦文一】?

神經科學是上世紀70年代才出現的新興學門,結合了基礎的神經解剖、生理、藥理、病理與化學等學門,臨床的神經與精神病學,再加上行為與認知科學,乃成為真正的整合科學。神經科學之所以能夠結合這麼多領域的人才,乃是因為它研究的是大腦的運作,最終目的是了解人的意識與思想,甚至個性與人格。《科學人》這本專刊裡的文章,都是一流神經科學家的第一手研究成果,配合由淺入深的說明與精心繪製的圖表,絕對是神經科學最佳的入門讀物。?

--美國奧克蘭大學客座教授 潘震澤?

【推薦文二】?

腦子是天生內建好的,所以八週大的嬰兒就已知道喜愛協和、而不喜愛不協和的樂音,所以男人與女人的腦構造與功能會有所差異,所以經歷災難也會懂得驚恐。但腦子也會學習,透過神經元群將記憶編碼;同時參與形成記憶的這些神經元群,還可以萃取出普遍化概念。經驗更可以重塑腦子,改變其構造與連線,讓音樂家擁與不同凡響的音樂腦。且讓《科學人》精采100特輯,為我們說明腦子的神奇之處。?

--長庚大學生理科副教授 黃榮棋?

【推薦文三】?

小自一個眼神,大至一個精密的創作、神奇的發現、偉大的親情流露……,在無盡的時空中,人類所有文明的總和都來自這裡—腦子。現在,世界各地許多聰明的腦子傾全力去探索人類腦子的奧秘,精采的成果讓我們更清楚自己,也更增添心中的讚嘆,讚嘆我們共有的奧秘。揭露越多奧秘會發現還有更多奧秘,窺探大腦是個無盡的、精彩的探索之旅。也是一個教師可以放在身邊,了解自己、認識學生的最佳寶藏。

--花蓮高中生物科退休教師 廖美菊?

【推薦文四】?

這是一本能讓讀者盡情享受的腦科學彙編,我們可以跟隨二十一世紀科學家的腳步,一起解密這顆令人目眩的腦。不論是腦的構造、功能與疾病都能在其中得到有用的見解。想想看閱讀這本腦的奧義書時,正使用著腦的種種功能來認知理解腦的種種奧秘,這是多麼奇妙呀!地球上只有人類可以用腦來了解腦喔,邀請您與我一起探索迷人的腦內大千世界吧!?

--北一女中生物科教師 孫譽真?

【推薦文五】?

神經科學要有很多研究工具,要讀懂這方面的論文,也需要有深厚的神經解剖以及神經生理的基本素養,這方面,科學人雜誌的翻譯及編輯團隊表現優秀,能讓讀者了解體會,甚至運用於日常生活,現在集結成書,對讀者更方便了,我樂於推薦。?

--陽明大學教授 程樹德

讓科學光芒普照


絕美杉林溪,今年8月中旬第21屆吳健雄科學營在此展開。150位高中生學員分別來自台灣、香港、馬來西亞和中國大陸,再加上12位教授、37位高中教師以及35位輔導助理,圍繞著四位講座大師,共享國際上少見的六天科學盛宴。我有幸自首屆即參與,年年受益。


在美國加州大學柏克萊分校教了50多年書的沈元壤院士,先由柏克萊校訓"Let there be light"(讓光芒普照)談起人類對光的認知歷史。2000多年前柏拉圖和歐幾里得竟不約而同認為我們之所以能視物,是源自眼睛中射出的火光!牛頓主張光是粒子,馬克士威則認為光是波動。沈元壤以簡明的方程式逐步帶領大家由光的二象性、量子紀元到雷射的興起及應用。雷射創下了地球上的最大壓力、最高溫及最低溫,也依之偵測到宇宙的重力波。


剛滿50歲的葉軍院士是沈元壤讚不絕口的光學大師,他細述如何以雷射創造超冷原子,並製作出世上最精確的原子鐘,精密度可達10-19。也就是以之度量地球的46億年歷史,誤差將小於一秒!結合精密計量及量子物理,我們既可探究複雜的量子系統,也能檢驗自然界的基本定律,並探索新物理及發展意想不到的新應用。


去年7月,我初訪位於中國深圳的華大基因公司,這家公司是全球基因定序的龍頭,在那裡我看到前所未見的宏偉生物產業。楊煥明院士是華大基因的創辦人及理事長,他以溫州腔吟詩似地歌頌〈美好基因,美好生活〉。他認為定序技術的發展,使生命變成序列化和數位化,為21世紀的生物學及醫學帶來革命性的進展。中國及美國都已啟動百萬人的全基因組定序計畫,也雄心宣示要為全球所有生物物種進行基因定序。合成新生命已是必然,但是伴隨的倫理考量尚待規範。


深陷官司已兩年半,仍被限制出境的翁啟惠院士當然是科學營的焦點。他深居簡出多時,我衷心讚佩吳健雄基金會有此勇氣與榮幸,邀請他來啟迪年輕學子,精闢的演講贏得多次滿堂彩。翁啟惠是醣分子的宗師,他發展的分子探針及醣晶片,可判別正常與疾病細胞表面的醣分子差異,並以之設計針對傳染病與癌症的廣效疫苗及新治療藥物。聽著演講,我也想著這期《科學人》的專題企劃〈全球迎戰傳染病新威脅〉,台灣社會仍要繼續禁錮可能是人類健康救星的翁啟惠嗎?

總編輯的話:我的珊瑚情緣

玻片標本盒裡,有一件我珍愛的蒐藏,那是來自六億年前中國貴州瓮安的磷礦切片。這岩石薄片被磨成30微米厚,光可穿透,在顯微鏡下能觀察到珊瑚群體的化石。這是世間已知最古老的珊瑚標本,也是最袖珍的。我把標本移到干涉光顯微鏡下,五彩繽紛的呈色,顯示牠們死後被礦物取代並填充的情形,也確認牠們是古老的床板珊瑚類群,和圓錐狀的四射珊瑚同是古生代海洋的造礁主角。

20多年前,我在美國洛杉磯路過一間奇石店,見到一塊來自廣西、約三億年前的床板珊瑚化石,保存極佳,六角形的柱狀體和細密橫紋都栩栩如生。儘管重達25公斤,我還是興奮地搬回家。我手邊有另一塊四億年前的四射珊瑚,珊瑚間隙被紅岩填充,這麼漂亮,就被4000年前的齊家人看上,雕成一只紅蟾蜍,是少見的珍稀古文物。這種珊瑚化石只產於陝西秦嶺的寧強縣,而齊家人住在甘肅和青海,如此看來,自古距離從不是玩物者的障礙。

2億5000萬年前,西伯利亞火山群大爆發,引起的全球增溫滅絕了95%的陸地與海洋物種。那是個屍橫遍野的時代,床板珊瑚和四射珊瑚都澈底罹難了,取而代之的是存活至今的六射及八射珊瑚。

我對自然的迷戀始自珊瑚,在澎湖海邊長大,記憶的核心就是那炫目多樣的珊瑚礁生態。當時澎湖最流行的建材是硓𥑮石,採自隆起的珊瑚礁岩,亦即老珊瑚的遺骸。外婆家的房子和圍牆全由硓𥑮石堆疊而成,從牆裡挖出貝殼是我的童年尋寶樂。喜讀這期《科學人》的〈珊瑚金字塔——大洋洲的古文明〉,由定年專家沈川洲訴說太平洋小島上的神秘遺蹟。原來科斯雷古帝國人也與澎湖人有同好,但若他們果真是採活珊瑚來建塔,就不環保了。

全球現生的珊瑚有難!近年來漁船已難再採到深海的貴重紅珊瑚活枝,而岸邊的珊瑚礁區更是滿目瘡痍。今年2月國際學者發起「珊瑚礁50」(50 Reefs)的行動計畫,他們指出過去30年因氣候變遷、污染及人為破壞,全球已損失50%的珊瑚礁,悲觀預言即使各國遵行2015年巴黎氣候峰會的協議,到2050年時,全球最多也只剩10%的珊瑚礁區,海洋生態將隨之崩解。他們認為只能集中力量,保住50處慎選的珊瑚礁區,做為將來復興海洋的保種基地。台灣的蘭嶼可能獲選,但我們只能等待國際組織來保住自己的珍寶嗎?自己的珊瑚礁該自己救!

  地球物理

 

  地球是個發電機--真實與虛擬共舞

 

  地球磁場的起源與磁極方向的反覆改變,一直是難解的謎團。藉由NASA華人科學家的介紹,了解如何透過電腦模擬與實驗獲得解答。

 

  撰文 趙丰(Benjamin Fong Chao)

 

  宇宙間看似空空,實際上物質、能量、力,這些我們描述為「場」的,卻是無所不在地充斥在整個宇宙空間裡。以我們的太陽系為例吧,所有物質的行徑,大至太陽本身、行星、衛星,小至塵埃、粒子,都受到萬有引力(重力)的擺佈,這是眾所周知的。然而,所有的帶電粒子,包括宇宙射線、太陽風,行星周遭的電漿層、電離層,卻額外還受到磁場的限制約束。

 

  照牛頓的說法,重力是所有具質量的物質都有的通性;而根據愛因斯坦的廣義相對論,重力則是指物質「扭曲」了周遭時空的結果。那麼,磁場又是打哪兒來的呢?讓我們來看看地球的例子。

 

  中國人是最早發現磁針會指向北方這個現象,並且利用它來確定方位。而對於地球磁場的現代科學研究,則是起始於16世紀時英國吉伯特(William Gilbert)的永久磁鐵假說:敢情地球內部有個巨大的永久磁鐵,而使磁針總是順著指向北方?

 

  而在另一方面,在19世紀西方電磁學發展以後,人們終於了解到什麼是磁場,以及產生磁場的過程與方法。要產生電磁場,一個有效的方法是利用將機械動能轉化成電磁能。這樣的機器裝置,在日常生活中通稱為「發電機」(dynamo)。我們一般家用的電就是如此來的,汽車裡的也是。不過,這樣的裝置必須是在永久磁鐵所產生的磁場中才行。

 

  如果地球內部有一種類似的裝置,其伴生的磁場可以替代永久磁場,循環自生而不滅,那麼就有可能解釋地球的磁場。這就是地球發電機(geodynamo)理論。然而,地球有可能是這樣一個大發電機嗎?

 

  受限於人們對地球內部的所知有限,這兩種說法就一直擱置著。再說,磁性物質如何具有永久磁性,硬是等到了20世紀,原子論與量子論出現以後,才得到解釋。

 

  就在時序進入20世紀中葉,隨著對於地球的了解逐漸增加,永久磁鐵這個選項竟然很輕易的就被拋棄了。因為永久磁鐵有所謂居里溫度(Curie temperature)的限制,超過這個溫度時,磁鐵的永久磁性就會自動消失。居里溫度通常約在攝氏數百度左右,但是地球內部的溫度,除了表層以外,只要深度達到約100公里(地球半徑的1~2%),溫度就已經超過攝氏1000度了!

 

  既然不是永久磁鐵,那麼地球是個大發電機了?逐漸,科學家開始認真考慮這個選項,而且是「越看越有趣」。大自然在此展現了無比奇妙的想像力,把地球這樣的行星,塑造成一個如假包換的發電機。讓我們來看看,它必須具備哪些條件。

 

  首先,地球內部必須要有大團的導體物質。它要能夠流動;還要有足夠的動力和能量來驅動、並且長期維持這樣的流動。而這些基本條件,地球居然同時都具備了!

 

  這得追溯自宇宙形成過程中的許多現象。行星是聚合了星體爆炸後的遺物而形成,而宇宙中的這些遺物,有許多的成份是鐵。這是因為鐵是原子核位能最低的元素,因此是恆星核融合反應最後的主要產物。在這些遺物聚合之後,內部的分層過程使比重較大的鐵聚集在球體核心。而聚合的過程中,巨大的重力位能轉換成熱能,使溫度不斷提升,鐵核心因而熔融成液態。地球內部可能存在的核衰變反應,產生放射性核能而提供額外的熱能,再加上地球外層逐漸冷卻,在冷熱差異的情形下,液態的鐵心便產生對流。

 

  地球的體積要夠大、而且鐵核心的對流要夠強,加上地球自轉的推波助瀾,最後才能成為自發性、永續的發電機,進而產生磁場。證諸其他行星與衛星,其中有許多均帶有磁場。沒有磁場的,包括了火星、月球(主要原因是質量太小、已經冷卻)與金星(自轉太慢而不利於磁場的自生)。

 

  這樣強大的「發電機」,想要在實驗室裡複製出來,可說是難上加難;但是在強大的電腦裡,卻能以數據來模擬。這牽涉到磁流體動力學(magneto-hydrodynamics),在重力場和旋轉的三維空間中,極其繁複的非線性數學計算。類似這樣的電腦數學模擬計算不勝枚舉,有幾個較為淺顯的例子,例如:用電腦來預報天氣的變化與颱風的行徑,或是模擬原子彈試爆的影響、飛機在氣流中的飛行、星系的演化以及城市的交通等。

 

  大約在10年前,終於首度成功在電腦裡,模擬出地球磁場的產生(也就是所謂地球發電機模型)的是本期〈地球磁場即將反轉?〉一文的作者格拉茲麥爾(Gary Glatzmaier)和其合作者羅伯茲(Paul Roberts)。更加有趣的是,他們的這項模型不但模擬出地球發電機,而且還模擬出大自然的另一件傑作──地球磁場的自發反轉現象。這是非線性數學裡混沌(chaos)現象的一項體現,在該篇文章中述之甚詳。

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