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作者: kftseng (羅雲) 看板: BudaXfile
標題: Re: 電磁風暴!!
時間: Sat May 22 22:11:01 2004
※ 引述《abstsai (嬰愚)》之銘言：
> 呵呵..一毛孔有三千大千世界耶。科學家要找組成世界的最初的
> 粒子，可能還有得找。
目前找到的有頂垮克等基本物質，甚至有發現微量的反物質的「嫌疑」，
之所以說是「嫌疑」是因為不容易觀測到，同樣的實驗條件很難複製出來
一再證明，科學的立場是要可以在同樣的狀況下一再出現的才會證明其存
在。
今天倒是看到一個報導，關於地磁的問題。現在南北極的臭氧破洞，除了
溫室效應以外，還有另外一個問題所造成的，就是南北極的磁力逐漸在消
失當中。這是一個很自然的現象，在地質學上可以證明，從地球生成至今，
已經發生過數百次以上。隨著地磁的消失，也會跟著地磁的反轉，也就是
南極和北極對調。
目前已知的影響有，因為磁力線的弱化和消失，大氣當中的電離層也會變
薄，逐漸消失，而這會構成宇宙輻射的大幅度侵入地球大氣當中，也有可
能會對於人類未來產生更多的異種病變。屆時所能夠保護地球的磁力現象，
則會由大陽風所取代，大陽風係為一種由大陽黑子活動等向外吹出的大量
的磁力、磁性離子等。目前南北極可見的極光即為大陽風和南北極的磁力
線相互作用而產生。
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http://forums.chinatimes.com.tw/tech/techforum/main.htm
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到了第二次大戰結束之後，由於美蘇積極發展核武。因此雙方都投入大量的人力
跟財力於基礎物理的研究。而基本粒子的研究直接關係到核武的設計跟發展，雙
方的投入更是不遺餘力，於是各種粒子加速器就像雨後春筍般的建造，而許多新
的粒子也陸陸續續被發現了。當時實驗室發現新粒子的速度非常快，所以曾經有
個笑話說，有一位理論物理學家辛辛苦苦的寫好論文，當他投入郵筒走回辦公室
翻閱新到的實驗報告時，赫然發現他的新理論已經被推翻了。由於當時發現的「
基本粒子」實在太多了，一時好像又回到元素「週期表」發現前的混亂局面。當
然就有很多人聯想到這些「基本粒子」會不會像當初的「基本元素」一樣，其實
是由更基本的粒子組合而成的？於是在1960年代開始出現了「夸克模型」（quark
model）和「部分子模型」(parton model)來解釋質子、中子、其他粒子及更小結
構的問題。由於這些粒子的確在質量以及電荷等性質上有明顯的規律性，因此夸
克模型以及部分子模型的觀念對這些粒子的特性預測得很成功，提出這些模型的
科學家並因為當時有個實驗室宣稱發現了夸克而獲得諾貝爾獎。雖然後來發現這
個實驗其實是個烏龍事件，不過這個獎絕對沒有頒錯。因為，即使實驗室一直沒
有直接找到單獨的夸克，但是在間接事件上的實驗結果卻不容我們否定夸克的存
在。因此，夸克模型主宰了近三十年來粒子物理的發展主軸。早期研究中子、質
子結構時所提出的夸克模型只用到兩種夸克，一種是帶1/3單位負基本電荷(-1/3)
的下(down)夸克，另一種是帶2/3單位正基本電荷(+2/3 )的上(up)夸克。質子是
帶+1單位電荷，所以它是由兩個上夸克（共+4/3）加上一個下夸克(-1/3)所組成
的，合計是2×（2/3）+（-1/3）= +1。而中子是不帶電的，所以它的組合方式�
O兩個下夸克（-2/3）加上一個上夸克(+2/3)所組成的，合計是2×(-1/3) + (2/3)
= 0（圖1）。這兩個夸克一般都取英文字母第一字簡寫成u (上)和d (下)夸克。
而質子和中子可以分別用P（質子）=（uud）和N（中子）=（udd）來表示其組成
方式。
但是，很快的實驗物理學家就發現有些粒子無法用這兩個夸克的組合來解釋。因
為有些新粒子的性質跟質子、中子很像，可是帶著（-1/3）基本電荷的卻不是下
夸克，而是一個質量大了非常多倍的未知夸克。所以他們自然就推測這是一個也
是帶（ -1/3）基本電荷的新夸克，這個夸克就被命名為「奇(strange)夸克」簡
寫為s。之後陸陸續續又發現了魅夸克（c）、底夸克（b）和頂夸克（t）。第三
位獲得諾貝爾獎的華裔科學家丁肇中博士，就是因為證實了魅夸克的存在而獲得
諾貝爾獎的。
除了夸克以外，還有一類被稱為「輕子」的粒子，這一類粒子以電子為代表。其
實電子很早就已經被發現了，後來量測其質量的時候發現它的質量只有質子的1/1836
而已。後來陸續又發現了比電子重大約207倍的「渺子」（μ muon）和3484倍的
「淘子」（τ tauon），當初會稱為輕子是因為電子太輕了，可是這些第二代跟
第三代的輕子其實還是很重的，只是比起同一代的夸克輕而已。所以叫做輕子已
經有點名實不符了，不過約定俗成，大家還是稱它們為輕子。
剛剛提到第幾代第幾代的粒子，這是高能物理學家的一種分類說法。因為這些基
本粒子太多了，所以物理學家就把它們按照其各種特性分類，以便記憶跟比較。
整體來說，所有的粒子先分成傳遞各種作用力的「規範子」(gauge boson)跟構成
物質的「粒子」，粒子這一類裡面又分「輕子」跟「夸克」兩種家族，而輕子跟
夸克又可以用帶電荷數各分成兩型。像輕子就可以分成中性的「微中子（ν neutrino）
型輕子」跟帶 -1個基本電荷的「電子型輕子」。每一個家族中又有3個成員，所
以我們稱為有三「代」。像電子型輕子依質量大小順序就有「電子」、「渺子」
和「淘子」三代，而微中子型輕子也有對應的「電子型微中子」、「渺子型微中
子」和「淘子型微中子」三代，微中子的質量到目前還是一個未解的謎。1998年
5月日本神岡山實驗室曾宣稱找到了微中子有質量的間接證據，不過確實情況如何，
仍有待其他實驗室的複驗才能確定。
至於夸克則分成上、下型夸克兩個型。上型夸克依照質量大小有「上up」、「魅
charm」和「頂top」三代夸克，它們都帶+1/3基本電荷，其中的頂夸克質量遠超
過其他粒子，一直到1994年才被實驗室找到。下型夸克則有「下down」、「奇
strange」和「底bottom」三代夸克，它們都帶有-1/3基本電荷。以下我們先把這
一些基本粒子做成表1說明。剛剛提到在粒子之外還有一些做為作用力傳播媒介的
「規範子（或規範玻色子）」（gauge boson）。目前已知的基本作用力有「重力」、
「電磁力」、「強作用」和「弱作用」4種，所有作用力都經由規範子的媒介傳遞，
就好像植物之間要靠風力、昆蟲等媒介傳遞一樣。在這4種作用力中強作用最強，
電磁作用次之，弱作用再次之，重力作用最弱；但是強作用和弱作用都是屬於短程
的核作用力，所以一般生活中不會感受到它們的存在。表2把各種作用力的規範子
整理出來供大家參考。
目前粒子物理所能探索的最小結構只到夸克和輕子，作用力則只到4種作用力。但
是，根據以往數千年來的經驗，很多人都不同意這些就是宇宙最終的基本原理，所
以探索宇宙最終真理的努力一直沒有停止過。不過，基本粒子的探索這幾年遇到了
嚴重的瓶頸。由於探索的粒子越來越小，所需的加速器能量越來越高，經費自然
跟著水漲船高。現在全世界幾乎沒有一個國家能夠獨立負荷建造粒子加速器的費
用，即使是美國也在前幾年因為負擔不起而中止了新超導超級加速器（SSC）的建
造，以前那種天天有新發現的美好時光似乎已經不再了。
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雖然夸克模型非常成功，可是實驗物理學家始終無法把夸克單獨分離出來，他們
只能找到1個正夸克跟1 個反夸克的介子(meson)和3個同正或同反夸克組成的強子
(hadron)。這種一定要搭配出現的現象使物理學家很困惑，最後科學家們只好歸
納出它的一些特性，成為一個叫做量子(quantum)色(chrome)動力學(dynamics)的
理論。這個理論假設所有的夸克都帶有某種量子數，他們戲稱它為顏色，因為它
們的組合就好像三原色色光的組合一樣。假設每個夸克都帶有三原色中的一種顏
色，而自然界可以出現的粒子一定要是白色的，所以夸克只能跟帶著互補色的反
夸克一起組合成無色的介子；或者，它也可以由分別帶有三原色的3個夸克組成強
子。這樣的理論其實只是描述夸克組合的行為特性，並沒有解釋色動力學的真正
原理。不過由於粒子物理是還在成長中的新學問，我們還有太多不清楚的事情要
去研究、釐清，這樣的研究才會有新意。
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