【科学讲堂】夸克看不见 冇图有真相

2018-10-12 01:01:12  阅读 17 次 评论 0 条
■金色葡萄球菌,是引起食物中毒的常见病菌。 网上图片
■金色葡萄球菌,是引起食物中毒的常见病菌。 网上图片

  日常生活中我们经常说「眼见为实」:看得到的东西我就採信,也就是所谓的「有图有真相」。然而在科学的领域里,研究的东西愈来愈细、愈来愈远,科学家们又是如何看待「眼见为实」这个偏好呢?今天就跟大家讨论两个相关的例子。

  之前跟各位分享过原子核中的质子和中子,其实是由更小的「夸克(quark)」所组成的;夸克与夸克之间有一种我们平日不常见的吸引力,叫作「强作用力(strong force)」。

  这个理论有一个有趣的地方:强作用力有3种电荷,分别被称为蓝、绿和红,而当这3种电荷走在一起的时候,就可以互相抵消。

  质子和中子整体上来说不带有这种强作用力的电荷,由此可知,我们需要3颗夸克才能製成一枚质子或中子;比方说2颗夸克的製成品,就必定带有强作用力的电荷,而不可能是质子或中子了。

  那幺我们平日熟悉的电荷又如何?大家应该都还记得质子带正电,电子带负电,而中子不带电。在这个理论下,有些夸克的电荷是电子的三分一。

  各位看官可能会马上想:奇怪!在现实中为什幺没有听说过物件的电荷是分数来的?更甚者,为什幺我们好像没有见过一颗夸克?

  夸克理论逐渐被接纳

  这就是这个理论弔诡的地方:当两个物件分开得愈来愈远,我们熟悉的电磁力和万有引力都会愈来愈弱;然而强作用力却会变得愈来愈强。假若我们想将质子中的夸克用力拉开,我们要用的力会愈来愈大、投进愈来愈多的能量;当投进的能量够大,这些能量却会根据爱因斯坦的E=mc2而变成新的质子、中子或其他粒子,而不会有任何「孤独」的夸克跑出来。因此这个理论有点儿站在不败之地:它假设了夸克的存在,同时却又解释了为什幺我们永远都不会直接见到夸克。

  在这个骨节眼上,我们当然不应轻易採信这个夸克理论。不过,夸克能解释的现象愈来愈多,经历了不少实验的考验,才逐渐成为我们接纳的理论。

  不过不是每一个理论都这幺幸运。意大利学者弗拉卡斯托罗(Girolamo Fracastoro)在16世纪提出了相当于现代的病菌理论,猜想可能是一些细小的物质在人群中传播,散播疾病。

  然而,当时流行的却是从古希腊时代流传下来的瘴气理论(miasma theory),认为是从环境中释出的有害物质(例如受污染的水源、有害的空气)令人生病;因此同一个地方的居民容易一同染病,但却不是人与人之间互相传染。

  现在我们当然认同病菌的理论,但在16世纪这个理论却不受重视;其中一个重要的原因,自然是因为在当时还未有人能够看到这些病菌。及后我们能够利用显微镜观察各样的微生物,自然成为了病菌理论的一大强证。

  小结

  大自然的规律千变万化,看来我们不一定每次都能「眼见为实」。不过看不见的夸克自然不应该轻易相信:受到现今肯定的理论,其实都是经历了不少实验考验的。

  ■张文彦博士 香港大学理学院讲师

  短暂任职见习土木工程师后,决定追随对科学的兴趣,在加拿大多伦多大学取得理学士及哲学博士学位,修读理论粒子物理。现任香港大学理学院讲师,教授基础科学及通识课程,不时参与科学普及与知识交流活动。

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