熱門:

2019年3月29日

張綺霞 訪談錄

中大物理系教授朱明中 讓香港為物理大發現出力

粒子物理學看似抽象,其實與我們非常貼身。科學家相信,宇宙萬物從原子細胞到星體星系,全由數種基本粒子組成,透過强、弱、電磁及重力4種相互作用衍生宇宙萬象,然而近年科技進步,發現更多暗物質與能量,2012年歐洲核子研究中心(CERN)透過大型強子對撞機(LHC)的實驗,發現希格斯粒子(俗稱「上帝粒子」)的存在,讓人更理解基本粒子質量起源。

中大物理系教授朱明中早於2013年就領導中大、港大和科大的教授及研究員及學生參加LHC中最大形探測器「超環面儀器」(ATLAS)的實驗工作,讓香港也為這重要物理發現貢獻力量。他也希望,本地社會能看到基礎科學研究的價值。

LHC的實驗雖然全世界科學家都可參與,但需要先證明自己能有所貢獻,才能獲得入場券,朱明中團隊花了一年時間工作,終於在2014年才正式成為其成員。整個強子對撞機放在一個長27公里的圓形隧道中,有4個以上的探測器,以ATLAS最大型,大小就像是中大校園內掛着中大校徽、俗稱「飯煲」的建築,比中大的新亞水塔高約三分一,「很是壯觀」。

 

探測器附近是實驗室,停機時科學家便會下去工作,「隧道正是加速器的一部分,真空管裏面有質子,我們會以巨大電磁場去加速,將它們困住成一束,讓兩束高速的粒子對準對方,碰撞在一起。」ATLAS除了能量度希格斯粒子,也能找出所有未被發現的粒子,這卻需要仔細分析才能得出結論,「物理學家都相信有未被發現的粒子存在,問題是我們實驗的能量或者運氣夠不夠。」

希格斯粒子理論

各種粒子均有固定質量,才能組成萬事萬物,質量的大小變化,形成不同的結構和模樣,但這些質量是從何而來?希格斯機制理論由此而生,主張所有基本粒子都是與希格斯場的互相作用中獲得質量。「就像我們跳進水池後走得特別慢,感覺自己突然重了很多,遲鈍了很多,這個水池就像是希格斯場。」

希格斯場隱藏於真空中,存在於四周,平時感覺不到。「就如我們從前不覺得有空氣存在,要靠拍手造成震動發出聲音製造風才能證明。現在做的也是同樣,用撞擊製造『風』,讓我們找到希格斯場存在。」

希格斯粒子正是在希格斯場誕生,大型強子對撞機讓質子與質子對撞,製造的能量是其質量的7000倍,是光速的99.69%,讓希格斯粒子得以產生。「希格斯粒子的質量很高,比電子的質量高4萬倍,撞擊的實驗能量夠高時,才能產生重粒子。」希格斯粒子很重,但很快就衰變成其他粒子,要量度得非常準確,才能確定其存在。這也是科學家努力分析數據的原因。

根據大爆炸理論,宇宙從大爆炸產生,溫度與能量都極高,一開始充滿希格斯粒子,但很快就冷卻,衰變成我們所知的粒子,今天難以看到希格斯粒子的存在。他表示,由於粒子束的數目很少,所以並不危險。「每粒粒子很高能量,但我們人體裏面的粒子數量遠多於它,所以影響很輕微。」就算可能在強力對撞中產生微型黑洞,很快就以霍金輻射形式蒸發,成為普通的粒子。

「最初LHC運作時也有人示威,怕製造黑洞消滅地球,如今運作六七年也沒有發生。」比較需要小心是實驗過程所產生的輻射,但探測器和加速器都在地底100米,運作時沒有人能進去,在地面量度到的輻射幾乎沒有,問題不大。

探測器記錄每粒粒子的能量、方向、速度等數據。物理學家要從這些粒子的數據重塑撞擊過程,要排除一些已知的變化及假訊號,找出未知的。他也有帶學生前往參與實驗,當中更有本科生。除了分析數據,也有電子工程的工作,改善探測器的硬件。因為在高輻射的環境中,儀器很容易出現故障。「平時我們用的電路板捱不了多久,要用特別設計。」一開機就要運作兩三年,除了停運一兩天作檢查維修,期間沒有人能進去,就算出現故障,維修也未必及時。香港團隊正打算為芯片加裝儀器,以偵測其運作是否正常。「未來將會在2021年重新開機,運作到2023年。」

在旺角看到星空

朱明中從中學開始就喜歡天文學,立志要從這個方向發展。「我在伊利沙伯中學讀書,就在旺角火車站旁邊,那時是七十年代,在學校足球場也能看到漂亮的星空。回校看星是我很喜愛的活動,看到宇宙如此壯觀,很想去理解究竟。」後來他取得獎學金去美國讀大學,主修物理學,朝粒子物理學發展,畢業後在當地做相關研究。因為這門學問,正能為理解宇宙起源和變化提供答案。

粒子物理學在五六十年代曾有不少新發現,然而隨後數十年沉寂一時。花了數十年時間,才發展出技術,探測到希格斯粒子、中微子震盪與重力波等。「我1979年讀大學那時,已經聽到科學家說要找希格斯粒子,到2012年才找到。」近年他也參與大亞灣的中微子的研究,成功找出中微子震盪的新模式,為學說帶來長遠影響。「中微子確定存在已經數十年,但我們對當中絕大部分的性質都不是很了解,未來還有更多工作。」

中微子又有「幽靈粒子」之稱,數量龐大,可輕易穿越人體及一切物質,卻不會產生反應。「太陽除了發光,也會發射許多中微子,在把質量轉化成能量時,一半的能量都會被中微子帶走。許多恒星死時產生超新星爆炸,大量質量也轉變成中微子。」中微子就如物質的幽靈,散播於宇宙四方,不會消滅,也不會轉化成其他物質,然而它的存在,對理解宇宙的存在很關鍵。

「到現在物理學仍有一個大懸案:為何我們的物質遠多於反物質?自然界中每一種我們所知的粒子,也有它的反粒子,兩者相撞時會湮滅成能量,但為何找不到那些反粒子?」如果宇宙最早由大爆炸產生,能量冷卻成物質,生出一粒子時,也應該同時生出一反粒子,粒子和反粒子的數目應該一樣,這卻不是今天宇宙所見的情況。因為如果粒子與反粒子數量相同,一切物質,從星系到人,都不應該存在,全都在碰撞中轉化成能量,這個宇宙將是充滿爆炸的不穩定狀態。但現在宇宙卻是非常穩定,物質多於反物質。

人類對自己的存在覺得理所當然,但一切可能源於很小的偶然,物理學家推論,可能是中微子的作用。「中微子對反物質的反應大一點,累積138億年後,造成今天物質與反物質的不對稱,物質才得以存在。但背後原理我們仍在理解中。」

在港才有歸屬感

朱明中在美國畢業後研究了數年,最後決定回港,雖然美國在這範疇是世界領先,但他認為香港更需要這方面的研究。「在美國時我間中回港探朋友,某天夜裏等巴士看着四周,突然有好強的歸屬感,覺得一切都很親切,在美國住了16年都沒有。」他認為香港基礎科學一直未有大發展,有需要他努力的地方。「如果能在這裏推動基礎科學研究,我能做到的可更多。」

雖然他研究的都是一些看不到、摸不到、用不着的物質,但他認為,人應該要做一些有長遠影響的事。「影響愈長時間的,往往是愈基礎的研究。」在香港多年,他認為,社會不重視基礎研究的情況沒有太大改變,有時候教通識課,也接觸到一些很有興趣的外系學生,最後還是繼續讀醫學或金融。「這是整個社會文化問題,但我相信香港始終需要有這些東西。」他表示,無論學生將來選擇什麼職業,這些基礎的科學訓練也可以很實用,因為物理範疇牽涉不同方面的知識,「訓練思維才是最重要的」。

雖然粒子物理學許多事情都未被完全確定,宇宙和物質的起源,可能窮一生精力也未能找到答案,他笑言,這才是好玩的地方。「我們這一代是很幸運的,找到許多新事情,而這也只是起點。」

中國正打算興建製造希格斯粒子的機器,他也很歡迎,「但整個討論也應牽涉更多層面,機器要花很多錢,這些錢會否放進醫療扶貧更好?」但他相信,透過興建相關設施,將帶來很多科技上的突破,能在其他範疇應用,「這是一項值得的投資」。如今歐洲也在討論興建下一代的加速器,隧道將長100公里,接近新界的面積,但造價之昂貴讓各國卻步。「如今的LHC是80億美元,已經花了數十年興建,下一代隨時再貴10倍。」

 

朱明中小檔案

學歷:加州理工學院博士

職銜:香港中文大學物理系教授

研究領域:天體物理學、宇宙學、粒子物理學、理論及計算物理

 

撰文:張綺霞

[email protected]

 

放大圖片 / 顯示原圖

放大圖片 / 顯示原圖

訂戶登入

回上

信報簡介 | 服務條款 | 私隱條款 | 免責聲明 | 廣告查詢 | 加入信報 | 聯絡信報

股票及指數資料由財經智珠網有限公司提供。期貨指數資料由天滙財經有限公司提供。外滙及黃金報價由路透社提供。

本網站的內容概不構成任何投資意見,本網站內容亦並非就任何個別投資者的特定投資目標、財務狀況及個別需要而編製。投資者不應只按本網站內容進行投資。在作出任何投資決定前,投資者應考慮產品的特點、其本身的投資目標、可承受的風險程度及其他因素,並適當地尋求獨立的財務及專業意見。本網站及其資訊供應商竭力提供準確而可靠的資料,但並不保證資料絕對無誤,資料如有錯漏而令閣下蒙受損失,本公司概不負責。

You are currently at: www.hkej.com
Skip This Ads