文.圖/林志隆

 物理學研究的是物質的基本構造和物質間相互作用的規則。數千年來,人類對自然知識的追求,其實從沒脫離這兩個方向。

 當人類研究物質的基本構造時,最容易想到的方法就是把已知的物體切成碎塊來觀察。可是當研究的目標小到一個程度時,要切分的東西(例如細胞核或DNA)可能還沒有刀鋒的厚度大,傳統用刀切、用鋸子鋸的方法再也不管用了,科學家只好另外再想辦法。

 在20世紀初拉賽福研究原子內部結構時用了一種很有趣的方式。他用帶正電的α粒子(氦的原子核)去撞擊原子,然後看看這些α粒子穿過原子的時候會發生什麼事?這就好像用機槍掃射一個紙箱一樣,如果紙箱裡面裝的是棉花之類的東西,子彈幾乎都是直直的穿過紙箱(圖1上);但是,如果袋子裡面有一些比較硬的東西的話,我們就會發現某些子彈會四處亂飛。從子彈「散射」的角度和數量,科學家發現了原子中帶正電的原子核所占的體積很小,就好像一箱棉花裡藏了一小塊金塊一樣(圖1下)。這就是現代粒子加速器的雛形。

 如果用來當子彈的粒子速度越快,能量也越大,這時候不只可以更深入被撞擊的目標內部,還有可能把目標打成一堆碎片。靠著研究這些碎片,科學家就可以瞭解這些粒子的內部構造,並且從碎片中尋找新的粒子。這個方法就好像,當我們想要瞭解一輛汽車的構造時,如果沒辦法直接去拆一輛汽車來觀察,科學家就會把兩輛汽車(基本粒子)撞在一起(圖2) ,然後收集撞擊後的碎片來研究。於是,物理學家會發現車子裡面有方向盤、輪胎、引擎、椅子等等零件。就憑著這些破銅爛鐵,加上他們的想像力,科學家就得以拼湊出一部汽車的樣子。

 當科學家想要進一步研究更小的構造時,他們可以把前面階段所撞擊出來的碎片收集起來,然後用更高的能量讓這些碎片去互相撞擊或者是用碎片去撞擊另外一輛車子。假想兩個汽車引擎以很快的速度撞在一起,引擎會被撞得支離破碎,螺絲、活塞、連桿、汽缸碎片滿天亂飛,科學家又可以靠著這些碎片還有它們飛出來的樣子去拼出這個引擎的構造,而且還要想出引擎是怎麼動作的?這些都是需要非常豐富想像力的,所以高能物理的研究一直是非常具有挑戰性的研究。

 前面提到拉賽福他們研究原子構造用的是帶正電的α粒子,當時這些粒子都是由天然放射性物質裡面自然放射出來的;就算是到了第二次世界大戰之後,科學家大部分還是利用高空氣球去收集太空中來的「宇宙射線」 ,科學家沒辦法精確控制粒子出現的時間、地點、數量、能量等等因素,他們只能等著老天爺賞飯吃。科學家當然不滿意,於是他們決定自己製造這些粒子,一代代的改良之後就演進成為現代的「粒子加速器」 ,或者依照其特性稱為「粒子對撞機」。

 比較拉賽福的原子實驗跟現代的粒子加速器,當時的粒子來源是天然放射性元素衰變時釋放出來的放射線,裡面有α (氦原子核) 、β(電子) 、 γ(光子)等各式各樣的粒子(其實還有中子也會出現,只是當時量不到罷了) 。這樣的粒子種類繁多,而且能量高低差異很大,就像馬路上有行人、有腳踏車、有機車、汽車,搞不好還有滑板車跟溜冰鞋一樣,這樣子做研究當然是很傷腦筋。

 科學家做研究當然希望越來越深入越詳細,光是知道站在馬路上很危險已經不能滿足他們的求知慾,他們想要進一步瞭解站在快車道、慢車道和人行道有什麼差別?他們所看到的撞擊或煞車痕跡是多大的車在多快的速度下留下來的?所以他們會希望更精確的掌握實驗的變因。那種站在路旁邊等著看車禍的實驗方式已經不能滿足他們的需求,所以他們乾脆自己來製造車禍!

圖3.目前世界兩大加速器之一的美國國家費米實驗室,粒子在環狀的管道裡一邊繞圈圈一邊加速(取材自The Fermi National Accelerator Laboratory)。

 
圖1.如果紙箱中裝的是很均勻疏鬆的棉花,子彈幾乎直直的穿過紙箱,而且會很集中(上) 。當我們看到射入紙箱的子彈四散紛飛,甚至還會彈回來時,你會怎麼想?(下)

圖2.粒子加速器的構想就像把汽車撞爛,然後收集碎片來研究汽車的構造一樣。兩輛車高速對撞的效果會比只有一輛車在跑的效果好很多。

 科學家做研究當然希望越來越深入越詳細,光是知道站在馬路上很危險已經不能滿足他們的求知慾,他們想要進一步瞭解站在快車道、慢車道和人行道有什麼差別?他們所看到的撞擊或煞車痕跡是多大的車在多快的速度下留下來的?所以他們會希望更精確的掌握實驗的變因。那種站在路旁邊等著看車禍的實驗方式已經不能滿足他們的需求,所以他們乾脆自己來製造車禍!

 科學家利用不同質量的帶電粒子在磁場中轉彎弧度不一樣的原理先篩選出所要的粒子,然後再利用電荷「同性相斥,異性相吸」的原理把這些帶電的粒子加速,等到粒子的速度夠了之後再讓它們撞在一起,於是就可以等著看好戲了。因為粒子的速度是人為加速的,所以這樣的實驗設備就叫做「粒子加速器」(Accelerator) 。當然,加速的過程越長,粒子可以得到的能量就越高。所以加速器的規模也越蓋越大,費用也越來越貴,現在連美國這樣的國家都已經沒有財力去興建新一代的粒子加速器了。

 「粒子加速器」也被稱為「粒子對撞機」(Collider) ,這是因為現代的加速器都是讓兩束粒子束迎頭對撞以增加撞擊的效果。這樣做的理由很簡單,想像一輛車以兩百公里的時速撞上停在路邊的車,撞擊力道當然不如以四百公里時速撞上去,可是一輛車要開到四百公里是不太可能的事。不過沒關係,如果兩輛車都以兩百公里的時速迎面對撞,那跟以四百公里的時速撞上停在路邊的車是一樣慘的。所以現代的加速器都是讓兩束粒子迎頭對撞來增加效果,因此這種加速器也被稱為「粒子對撞機」。

 粒子物理(或稱高能物理)是現代物理研究的最先鋒,粒子加速器更是最有力的利器。人們靠著加速器的幫助,在短短的五十年中對於物質的瞭解跨進了非常大的步幅。可是加速器的發展在近幾年遇上了很大的瓶頸,這個瓶頸不是來自於科學本身,也不是來自於人類智慧的限制,而是來自於經濟能力無法負擔。雖然高能物理研究因此而有停滯不前的現象,但是歷史上許多這種停滯不前的時代,最後都會在科學家發揮他們的智慧之下突破,而在這樣的突破之後,展現的是更大更快的發展。也許就如古典物理學在十九世紀末的困頓,促成了二十世紀初量子力學和相對論的出現一樣,我們也期待在新的世紀裡會有新的發展和突破。

[回上頁]