夸克仙蹤

歡迎來到奇妙的世界

吉爾摩

有人說，科學這道「冷光」，把世界上的所有神祕氣氛，都給破壞掉啦；意思是倘使我們知道，世界上的一切不過是由原子堆砌起來的，這整個世界就不再值得我們驚豔、嚮往了。

不過你能夠說，因為只是一些原子，一切就沒什麼了不起了嗎？那豈不就等於有人聲稱，管他什麼莎士比亞名著、《聖經》，還是八卦雜誌，全都不過是文字的組合而已，因而不值得一看？所以，是否能夠吸引人的關鍵，顯然不在於基本單位是文字或是原子，而是怎樣組合這些基本單位。

好吧，就算你認為原子本身既冷僻、又千篇一律，全無趣味性可言（我本人可是非常不贊同這個觀點），也不能說原子打造出來的世界，一定比某種不確定、神祕兮兮的材料組合起來的世界還無趣。舉個最簡單的例子吧！我們大夥兒裡面，對新台幣一塊錢銅板有興趣的人，只怕不是很多。但是當你的手上有十億個一塊錢銅板，十億新台幣！我保證每個看到或聽到的人，都會眼睛一亮、耳朵豎起。如果繼續在十億的後面再加三個零，那麼連富豪在內，做夢都會快樂得笑醒過來。可見興趣實在沒有什麼定數，完全看你的想像力夠不夠豐富。

現在且讓我們把注意力，從銅板轉移到原子。其實一顆原子本身，就像我希望在這本書裡證明的，已經是個奇妙的東西了。也許只因為是一顆原子，所以引起不了多大的注意，但是當數目一多，情況就很可能不一樣了，正如上面所舉的例子，一兆的數量使得平凡的一塊錢銅板成為眾所矚目的好東西。

現在再想一個數字：一兆的一億億倍。這麼大的數字已經超出了我們在日常經驗裡可以理解的範圍，然而就是由這麼多個原子，造就出許許多多、各式各樣的實物。譬如說，就是差不多這個數目的原子，可組合起來製造出你我，也可以組合成其他跟人體大小差不多、任何你可以想像得到的生物、人工製品，或是自然形成的各種物品。比人體大些的物品，當然就需要更多的原子了。

以往很多人喜歡說「只要是想像得到的，都有可能」，現在我們已經認識到，除了想像得到的任何東西，原子還能組合成我們無從想像的世間萬物。  

>> 這是個超乎想像的世界  

科學帶給人們各種訊息，其中一項就是告訴我們，宇宙根本不接受人的想像力限制。一些科學上的發現，諸如量子力學，就跟我們熟悉的思想方式格格不入。天地之間還有許多現象，並不是我們憑藉著邏輯上的訓練，就能得到合理的解釋，而這些出人意表的不時點綴，也正是科學最奇妙、最吸引人之處。

一般人還有一種錯誤想法，總以為科學提供了某個問題的答案之後，就可以讓人對相關的領域不再好奇。其實剛好相反，科學固然啟蒙於人們的好奇念頭，但它的唯一作用跟功能，卻是激發出人們更進一步的好奇心；科學具有所謂「滾雪球」的效果，科學間或提供的問題答案，只不過是整個程序過程中，一些不太重要的副產品而已。更正面的意義是：科學不斷帶給我們全新的想法、全新的觀念，從而讓我們對自然產生出更多、更大的好奇心。我現在實在無法相信，從全然的無知出發，仍能激發出我們的好奇心，我也不相信在得到了一部分答案之後，好奇心會逐漸消蝕掉。我反而相信，新發現的知識只會在讓我們目瞪口呆之餘，鼓舞我們想辦法發掘更多的事實真相。  

>> 這個東東我看不懂ㄝ！  

根據我的觀察，似乎一般人都不認為，科學上的發現竟是非常奇妙而叫人吃驚的。偶爾會有讀者告訴我，我寫的書裡面，有些東西他們左看右看就是看不懂。當然我必須反躬自問，作點檢討，讀者有如斯回響，可能是因為一個完全不可否認的因素，那就是我的講解方式或許有某種問題與缺陷，以致於績效不彰，有負於讀者，有待改善與加強。但是在某些情況下，我會猜測問題出在這些讀者對「懂或不懂」這個用詞的理解程度。

此話怎講？我想一般人習慣上會預設一個標準，來衡量他自己是否搞懂一樁事物，然後每當有人向他解釋某件事情時，他會毫不自覺的馬上拿這個解釋，與他心目中的成見（其中可能也有確實有道理的想法，不過更多的只是他心目中的信念罷了）互作比較。兩者切合的話，自然就認為：「嗯，蠻有道理的嘛！」若是互相牴觸，他心裡的實際反應是「根本是胡說八道！」，不過嘴巴上得講究留點口德，更重要的還得顧到自己的風度形象，所以自然要儘量表現得客氣一點，於是都是這麼說：「真抱歉，我實在不大懂你的高見！」

其實這是大家都懂得的、所謂圓融的為人處世準則。對於你我都熟悉的日常事物，這樣的準則可能仍有存在的價值，但是對非常新穎的事物，就不能依樣代公式了。譬如待會兒你們在書裡讀到的一些東西，不但奇怪，全然出乎意料之外，甚至還有可能讓你非常難以接受。西方人有句老諺語說：太陽底下哪有什麼新鮮事兒？這根本就是瞎掰！世上還有太多事情，我們從來就沒有搞清楚過。

在審查一個全新狀況的時候，我們就有可能發現某些全新的事物，這些發現不必跟已知的事物「道理相通」。我們有可能因為缺乏先前的經驗，而覺得新的發現甚至違背了我們的「常識」。所謂常識，不過是我們從日常生活裡，累積萃取得來的經驗共識，而在日後相類似的情況下，可當作一個相當靠得住的判斷準則。

但是量子世界並不屬於我們的日常經驗，相對論所描述的世界也是一樣，後者涉及的物體均以接近光速的速率來運動，從我們經驗中發展出來的直覺，實在無法派上用場。

在這些從未接觸過的領域裡，我們無權去預設任何立場，更不應該把任何先入為主之見強加在大自然上，認為如何如何就有道理，否則就沒道理。在遇到以往從未經驗過的事物時，我們心態上必須拋棄所有成見，把自己當作嬰孩，一切從頭學起。嬰孩對世界沒有成見（至少我是這樣認為），他們都是像學習新事物般的，理解這個世界。因此，在進入量子物理學的討論之前，我們必須讓自己變成一個「重生」的學生。

從另外一個角度來看，這世界既然不是我們創造的，因而大自然的一切法則，也由不得我們決定或左右。不管這些法則長得啥模樣，討不討我們喜歡，我們拿它是一點辦法都沒有。我們可以做到的，只是想法子在能力範圍之內，儘量從花花大千世界裡去發掘、發現這些法則，然後想辦法把它們整理出一些頭緒來。

這中間最重要的一個層次，其實是讓我們驚訝、讚歎自然法則的奧妙。驚訝讚歎才是我們對大自然的應有反應，有別於那種一概不信邪的頑固與執著，更不是剛愎自用，非得要「一以貫之」，叫所有新的事物一定要削足適履。  

>> 帶你繞過廚房，享受盛宴  

我必須承認這本書並不很科學。我這麼說，倒不是因為我有心在這本書裡，鼓吹那份伴隨著科學研究的奇妙感覺；也不是因為我所描述的粒子世界，跟其他現代科學家的觀念有什麼不同，這一點請大家放心。那麼我幹嘛在這兒批評自己的書不科學呢？我其實是希望指出，這本書欠缺重要的實驗證據。在書裡我採用了類比的方式，來說明各種粒子的性質，但是並沒有提出支持這些詮釋的實驗根據。科學靠的就是實驗；對於宇宙應該是什麼樣子，我們完全沒有、也不應該有預設的認知，而是必須透過觀測，一點一滴的累積。為了不讓讀者產生錯誤的印象，我才作此聲明。

科學上的許多發現，聽起來著實叫人難以置信，尤其是量子物理上的發現。但是我們必須無條件的接受，因為唯有這些發現所推敲出來的世界，會與實際上的觀測結果相符合。而與觀測結果相符合，是科學的頭一個、也是最後一個必要條件。這也說明了一件看似非常奇怪的現象，那就是為什麼老愛在雞蛋裡挑骨頭、又善於跟別人唱反調的科學家，卻在科學上能夠捐棄成見，觀念一致。

因此，我們提出的模型，必須跟我們眼睛看得到的一切現象相呼應，互不牴觸，更應該在一切可能範圍之內，對我們尚未見過的事物作出正確的預測。

科學決非靠著一次或兩次轟動世界的實驗就能定讞；想藉由一次「偉大實驗」來搞定一切，原則上是根本不足取的（雖然偶爾也有像粒子物理研究碰到的難題，由於實驗成本過高，因而做不了太多次實驗）。幾乎所有的物理知識，可說沒有一樣是僅憑著單一一次觀測結果，而都是經過了日積月累、數以千計的反覆驗證，有的觀測次數甚至還高達百萬之多。

此外，記錄這些觀測結果的實驗人員亦非等閒之輩，其中包括了各個頂尖國家實驗室的科學家、大學裡的專業研究人員，以及高中物理實驗室裡進行科學入門教學的師生。任何一項為人接受的物理陳述，都必須跟這些人所做的無數次量測完全吻合，必須與每一次量測一致，不能有任何例外；當然，還得與我們日常生活中觀察的一切現象相符合。

通常，這些理論可以在觀測之前，正確預測出結果。也正由於有這麼大量的證據，讓我們早已習慣於許多因襲下來的成見，難以敞開心胸，接受不同的看法與觀點。

有人曾說，走在科學的奇蹟之路上，就像出席一場色香味俱佳的饗宴，不過在通往宴會大廳的路上，必須經過漫長且無聊乏味的廚房。「廚房」所比喻的，是做實驗、解釋實驗結果的過程，此過程既艱苦、複雜又冗長，但卻是使我們對科學結論產生信念的唯一理由與依據。

在這本書裡，我偷偷走了捷徑，繞過廚房，邀請你直接來到宴會大廳，品嚐宴會裡的各種美味。但是你千萬要牢牢記住，唯有造訪過廚房，你才能夠確定你吃進的珍饈佳餚不會出問題，才知道科學的奇妙是真材實料、童叟無欺的東西。我們今天之所以能夠在宴會上大快朵頤，完全得歸功於前人不計艱苦辛勞的進行各項研究。而當我們在大廳裡品嚐美味之際，別忘了這種辛苦艱巨的工作還在廚房裡再接再厲的進行著。  

>> 瞧！處處都是驚喜  

今天，我們對原子和次原子的世界所描繪的圖像，有太多讓人意想不到的驚喜，在此略敘如下：  

．普遍的干涉效應（effect of interference，見第二章）。當事物縮小到原子層次時，大尺度的觀念如粒子、波動等等，就不再適用了，而是被振幅（amplitude）的觀念取代。不過振幅這玩意兒，跟我們的日常生活經驗就好像牙齒尺寸不同的兩個齒輪，完全無法咬合。然而在這個世界上，任何有可能發生的事物，都全無選擇的存在一個相對應的振幅；振幅都會發生干涉，會相加或相減，所以我們觀測到的，其實是由振幅的總和決定出來的。

．相位（phase，見第二章）的永恆角色。在古典物理上，相位是一種「波浪似的」東西，用來描述不同振幅之間的某種相對方向，進而決定相互的影響結果，看看是相加、相減，或達成某種程度的妥協。相位，是不可或缺的東西。

．由測不準原理所描述的量子起伏（quantum fluctuation，見第三章）。世界上有許多量，特別是動量與能量，有可能發生少許的變動。長時間來看，總能量一定維持不變，是個常數，但是在極短暫的時間內，卻有上下起伏的現象。

．能量起伏的產物：虛粒子（virtual particle，見第八章）。考慮的時間愈短，能量的變化可能就愈大。在極其短暫的時間內，能量的變化甚至可以大到產生出新粒子的靜質量能。此種虛粒子既會從無到有的創生，又能很快從有到無的湮滅，而就在這須臾存在的瞬間，虛粒子促成了維持我們這個世界的所有交互作用。

．鮑立不相容原理（Pauli Exclusion Principle，見第四章）：來自於當兩個粒子交換位置時，有的粒子的振幅會變號，有的不會變號。由此原理出發，我們可以得到一些甚為有趣的結論，諸如為什麼會有原子，以及為什麼我們能夠站在地面上等等。

．重整化（renormalization，見第八章）：用來處理因為無限多的虛粒子，而可能伴隨而來的無限大的能量。事實上，這些粒子的能量絕大部分都掩埋在一個無底深洞裡，我們可觀測到的只是暴露在表面的靜質量能。  

……而本書的要角夸克，還沒列入上述的清單裡呢。

現在，請你接受我的邀請，找個座位舒舒服服的坐下來，盡情享用這頓豐盛的知識大餐！

由愛麗絲夢遊仙境談物理

張嘉泓

一般的印象，高能物理學家總是孤芳自賞，在象牙塔裡完全不懂分享。  

英國Bristol University的吉爾摩（R. Gilmore）教授曾在著名的歐洲粒子加速器中心（CERN）等高能物理實驗室工作，很清楚納稅大眾的興趣對科學研究是生死交關的，所以他真的無所不用其極地試著與「平凡人」溝通。在前兩本科普寫作中，吉爾摩以《愛麗絲夢遊仙境》等通俗故事為素材，把量子物理的知識寫進寓言奇想式的小說，令人印象深刻；這本二○○一年新書《夸克仙蹤》則利用家喻戶曉（至少在西方是如此）的一九○○年美國童話小說《綠野仙蹤》（The Wizard of Oz），來介紹同樣難以用常識來理解的基本粒子的現象。  

這些構成所有物質基本組成成分的小顆粒以及它們彼此之間的交互作用，「原則上」決定了宇宙間所有的現象。科學家原本預期，我們研究越基本的東西，必然也就越簡單而容易理解；但出人意料地，基本粒子的性質非常奇特（比如它的空間分布是由一個複數的波函數來描述），彼此的關係曲折離奇，不時還透著一點魔幻的氣氛，這和《綠野仙蹤》所描寫的奇幻世界有些神似。在故事中，堪薩斯州鄉下的小女孩桃樂絲，意外地進入了魔幻世界，展開了一段尋找出口的旅程。這段旅程象徵著科學家探知越細微的物質組成成分的過程。  

隨著尺度的縮小，各式各樣的神奇人物與場景一個一個出現：重力女巫、相位干涉舞蹈團、電磁女巫、原子花園、強子收藏家、夸克巫師、波色子沼澤，讓人不由得眼花撩亂。當然這些角色都是作者精心設計來比喻細小的尺度下，科學家所學到的現象。於是讀者跟桃樂絲與她的朋友經歷了電子的波動、測不準原理、原子的構成、原子核、核內的強子、構成強子的夸克、夸克之間的色彩作用力、弱作用力、標準模型、希格斯子，基本上我們對基本粒子的了解與所用的工具，都已完整包括在內了。  

總的來說，這是一本充滿巧思、細心書寫、想像力豐富的科普書，翻譯也非常用心而流暢（可惜少了前兩冊中非常有用的名詞注釋）。只是，對一心求知的讀者來說，本書的意義可能不在於它小說的特性，而在於它實在像極了柏拉圖的《對話錄》。  

總的來說，這是一本充滿巧思、細心書寫、想像力豐富的科普書，翻譯也非常用心而流暢（可惜少了前兩冊中非常有用的名詞注釋）。只是，對一心求知的讀者來說，本書的意義可能不在於它小說的特性，而在於它實在像極了柏拉圖的《對話錄》。  

非常弔詭地，本書有一半以上的篇幅，其實不是小說情節的鋪陳，而是由那些有著奇怪名字的角色，在為始終感覺迷惑的桃樂絲循循善誘地解說自然的現象，對話的氣氛會一下由魔幻文體轉成哲學式的清晰冷靜：「舞者的舞衣都像在流動似地，末端如夢幻一般消失在空氣中」，變成了「散布在色力線上的膠子，每個都成了新的色彩源，因此使得膠子場的能量密度在各個距離下都差不多」。你會發現，在後者這種比較清醒的氣氛下，作者的書寫功力，反而得到更大的發揮；把抽象的現象，不訴諸華麗的比喻，而用簡單的觀念與語言，作清晰而精確的描述；不是讓讀者像吃飯一樣毫不費力氣地吸收，而是需要他們花一些些腦筋去參與（如同桃樂絲一樣）。這樣「對話錄」式溝通情境的形式，在科普書是很難得見到的。  

畢竟，科學是一種人類在「理性而清醒的反覆討論並實證」的情境中進行的活動。媚俗式的科普寫作，如果把讀者帶離這個情境，所呈現的即使再有趣，恐怕都不是科學的真相。  

（本文轉載自《中時》開卷91.7.21）