【物理好好玩S2EP01】為微中子寫的一首詩

文|張嘉泓
(東方IC)

微中子以接近光速到達地表,接著就直接以直線穿過了地球,只花了0.04秒,接著就繼續往前,好像什麼事都沒發生。每10億個穿過地球的微中子,大約只有一個會與構成地球的原子交互作用。這個奇特的性質,激發了詩人的好奇與詩興。

詩歌是最有用,也最無用的。我的意思是,詩要不就用在最盛大的莊重儀典,要不就是詩人毫無功利之心、閒情逸致的抒發。關關雎鳩,在河之洲,窈窕淑女,君子好逑,詩經的第一篇,原來應該是在婚禮大典上吟唱用的。君言不得意,歸臥南山陲,但去莫負問,白雲無盡時,這時的詩人,肯定是很廢的。在兩個極端之間,很奇怪的,日常生活中,好像比較用不上詩。但無論哪一種情況,詩絕對是至情至性的表現。有這首楊煥的詩為證:我是忙碌的,我是忙碌的,我忙於把生命的樹移植於戰鬥的叢林,我忙於把發酵的血釀成愛的汁液。我是忙碌的。

那是什麼樣的情況,會讓詩人為一個基本粒子寫詩呢?1960年美國以「兔子四部曲」聞名的小說家厄普代克(Updike)寫了一首詩,很誇張的取名為:〈宇宙等級的惡劣行徑〉(Cosmic Gall)就是為一個粒子所寫的詩。

微中子會在其他粒子改變身份時出現

這個惡劣的粒子叫微中子,特點是它會在其他粒子改變身份的時候出現。精確一點說,其他基本粒子可以透過放出一個微中子,或吸收一個微中子,來改變自己的身份。在傳統的看法之中,基本粒子是不可能會改變身份的,否則怎麼會是基本的呢?但在二十世紀初,物理學家就硬生生地在一連串的觀察中,看到粒子的確會變身。例如去年四月跟大家所介紹的,放射性原子核的衰變現象,就是中子變成了質子,放出一個微中子與一個電子。而在大部分的粒子變身過程中,都出現微中子的身影。這就是為什麼,在學術上,微中子是很要緊的一個粒子。

厄普代克的詩是這樣開始的:

微中子,它們非常微小,

沒有電荷也沒有質量,

竟然連交互作用都沒有。

這裡詩人有一點誤會了。因為微中子沒有電荷,的確沒有電磁交互作用。但微中子會在其他粒子衰變時現身,就表示它不是完全沒有交互作用。只是這個作用實在非常微弱,術語稱它為「弱交互作用」。籠統的說,微中子的確是獨來獨往的粒子,不太跟其他同儕打交道,平常不容易感覺它的存在,因此微中子的發現過程相當奇特。

物理學家是「簡單美學」控

當年物理學家興奮地研究著當紅的放射性原子核衰變,卻發現衰變前後,能量並不守恆。這個戲劇性的結果,促使比較激進的物理學家,例如波爾(Niels Bohr),開始主張放棄能量守恆這個定律。但波爾的學生包力(Wolfgang Ernst Pauli),雖然私生活十分散漫,學術上竟然比老師還要保守,不願輕易拋棄,已經陪伴物理學家多年的守恆定律。他看出,衰變過程中,能量消失,很可能是有一個我們沒測到的新粒子,偷偷帶走了一部分能量。如果把它帶走的能量算進來,能量應該依然是守恆的。

這可以說是歷史上極少數,保守懷舊的態度所帶動的激進革命。雖然新的基本粒子是很自然的一個想法,但物理學家是簡單美學控,壓根兒希望基本粒子數目越少越好,所以要打破這個成見,需要一點勇氣,包力的學術權威也有些幫助。因為這個新粒子不帶電,包力就把它稱為中子neutron,後來這個名字被搶先出現、目前的中子用掉了。物理學家只好用義大利文的慣用字根ino,再創造一個名字給它:neutrino,意思是小中子。中文斯文講究一點,就翻譯成了微中子。

所以打從出生,微中子一開始就給人偷偷摸摸的感覺,但它可是到處都有。如上所述,放射性原子核在衰變時,會放出微中子,因此地表上到處都是。核反應爐內發生核分裂反應時,會伴隨原子核的變換,也產生許多微中子。更豐富的微中子來源是太陽,以及宇宙中的恆星。

我們活在由微中子所構成的傾盆大雨中

太陽的燃燒是一個核融合的反應,四個氫原子核,也就是四個質子,要融合為兩個質子兩個中子組成的氦原子核。很明顯的,在過程中,有兩個質子得改變身份,變為中子,於是就會產生大量的微中子。這些微中子向四面八方放射,到達地球的,每一平方公分,大概就大拇指的面積,每一秒就有接近一億個。我們簡直就是活在由微中子所構成的傾盆大雨之中。

聽眾一定很好奇,雨下多了會積水,那這麼多的微中子會堆積在哪裡呢?微中子另一個奇特之處,就是它停不下來,精確一點說,沒有粒子可以有效地擋住它的運動。剛剛已經提到它是電中性,因此沒有電磁作用,唯一擁有的弱作用又十分微弱,意思就是發生作用的機率很低。這在所有基本粒子之中,只有微中子是獨一無二、如此孤傲的。所以當它與其他粒子靠近時,幾乎完全無視對方存在,呼嘯而過。

它從太陽產生之後,以接近光速到達地表,接著就直接以直線穿過了地球,只花了0.04秒,接著就繼續往前,好像什麼事都沒發生。每十億個穿過地球的微中子,大約只有一個會與構成地球的原子交互作用。這個奇特的性質,激發了詩人的好奇與詩興,所以厄普代克的詩接著寫道:

地球是個可笑的圓球,

微中子毫不放在眼裡,直接穿透過去!

好似女僕通過空蕩的大廳,

恰如光子穿透明亮的玻璃。

傲視最能飄散的濃郁香氣,

完全不顧隔絕的厚牆堅硬。

詩人一點都沒有誇張,如果要用防護層來擋住微中子,所需的厚度,不是一公尺,不是一公里,必須厚達數個光年。微中子就是這樣神奇,但卻到處都是的一種東西。

1955年,物理學家測到微中子的痕跡

這麼孤僻、難以捕捉的粒子,要偵測到它自然非常困難,包力提出微中子這個概念之後,將近30年時間,物理學家都無法找到直接的觀測證據。包力曾經開玩笑,如在告解一樣,懺悔自己犯了大錯,竟然假設了一個無法觀察到的基本粒子。但很幸運的是:在他去世前三年,1955年,物理學家成功的在核反應爐旁,測量到微中子的痕跡。

微中子雖然孤僻,不常與其他粒子作用,但只要數目夠多,嘗試足夠次數的搭訕,總會有一兩次成功的邂逅,這畢竟是一個機率問題。1968年開始了一個很經典的實驗,物理學家利用美國南達科他州一處礦坑,在地底深處儲存大量的液體,以礦山作為隔絕,使得微中子成為唯一可能進入液體槽的粒子,然後靜靜的等待。請聽眾注意:不是等待微中子的到來,微中子一直從來沒停,是等待微中子很稀罕的,與液體中的粒子發生作用,改變粒子的身份。

當時使用十萬加侖的含氯乾洗劑,氯原子核中的一個質子,有很小的機率,被微中子撞擊,會在吸收了它之後變成中子,形成氬同位素。物理學家會打入氦氣來收集氬元素以及氬同位素。而氬同位素會衰變,產生信號,於是就能數出邂逅事件發生的次數。這個實驗非常困難,因為即使有大量參與者,發生的機率還是很低,但科學家終於還是在重量達上噸的液體中,裡面至少有一兆兆顆氯原子,平均每兩天收集到一個氬同位素,也就是每兩天,在大約一兆顆微中子經過之後,會發生一次微中子與氯原子核的邂逅。果然是個孤僻的傢伙。

有四個諾貝爾獎,是與微中子的研究直接相關

在這之後物理學家還發現許多微中子的特立獨行。微中子有三種口味,行進之間,微中子會改變口味,這個現象顯示,不同口味的微中子之間事實上有一個很小的質量差,只是到現在還沒有辦法量到質量的確切值。微中子質量如何產生是一個非常令人困惑的謎,至今,還沒有解決,但已經有四個諾貝爾獎,是與微中子的研究直接相關。未來還有無數的實驗等著進一步探究微中子的性質,許多物理學家,包括我自己,相信奇異的微中子,正是我們進一步深究宇宙奧祕的一把鑰匙。

儘管科學家對它如此著迷,詩人可並不怎麼覺得有趣。我們得承認,微中子的行為的確有些冒犯。在夜晚,它們從地球另一邊的太陽,穿過地球,毫無預警就從地下侵入你家。於是,這是詩人對微中子的最後指控:

晚上,它們從尼泊爾進來,

刺穿紐約正在纏綿的愛人與女郎,

就從床的正下方,科學家笑開懷,

好神奇呀、我說,真是無禮又魯莽。

但現在聽眾聽完今天的節目之後,應該比詩人更了解,微中子對於世界的現狀,實在非常重要。沒有微中子,太陽與恆星就無法燃燒。沒有微中子,放射性原子核無法衰變,就無法供應地球內在的能量,地心就不會像現在是熱騰騰的了。它默默扮演這麼多的角色,卻從不打攪我們,實在是心裡苦,但不說。

〈宇宙等級的惡劣行徑〉Cosmic Gall——John Updike

Neutrinos, they are very small.

They have no charge and have no mass

And do not interact at all.

The earth is just a silly ball

To them, through which they simply pass,

Like dustmaids through a drafty hall

Or photons through a sheet of glass.

They snub the most exquisite gas,

Ignore the most substantial wall,

Cold-shoulder steel and sounding brass,

Insult the stallion in his stall,

And scorning barriers of class,

Infiltrate you and me! Like tall

And painless guillotines, they fall

Down through our heads into the grass.

At night, they enter at Nepal

And pierce the lover and his lass

From underneath the bed – you call

It wonderful; I call it crass.

下一回的物理好好玩,我將和大家分享「2021年科學十大發現」,歡迎大家繼續收聽。

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