星期六, 3月 26, 2016

世紀實驗﹕探索神秘的粒子世界

假期用來清之前太忙未去的博物館展覽,所以星期五去了科學館看這個講粒子加速器的展覽

粒子物理,有些地方我也不大明白,有點好奇這個展覽打算怎樣說故事。因為多年前由德國設計的一個展覽,就難到連在下也看不明白,很難想像一般人還能怎樣理解。

展覽入口提及了一堆本地贊助和協助機構,即是整個展覽由科學館自行設計的麼﹖我很難想像香港科學館怎樣能單靠自身力量去搞一個粒子物理學展覽。
但見到裡面的展品就明白這些不可能是科學館自己設計的,那些展品一定來自有份建設大型強子對撞機(LHC)的國家。場刊和網頁都有提及展覽內容是由倫敦科學博物館提供,有點奇怪為何沒在入口說明。

入口處陳列了一些有關早期次原子粒子研究的展品,並提及歐洲核子研究組織(CERN)的成立—正是他們主持建設LHC。

拍這張純粹因為一見到「兆」字的翻譯就令人頭痛﹕
問題是「兆」字可以同時代表幾個不同的數值
說明牌的「兆」字指 tera- (10^12),萬之後的數詞以萬進位、萬億為兆是清代的習慣,也是台灣的譯法。而香港以往是跟台灣譯法的。
但大陸卻把「兆」當成 mega- (10^6),十萬為億、十億為兆(即百萬)。更慘的是,這不是因為共產黨破壞文化,其實民國初年也是這樣譯,結果到現在電台頻率的 megahertz (百萬赫) 還是被普遍稱為「兆赫」。而這又不是民國初年玩新文化搞出來的,中國「自古以來」已經有一個數詞代表三個數值的習慣,可謂「差不多先生」之尤。
於是多謝古人,到今天你見到有「兆」字的數值,沒有英文的話還要大費周張去猜究竟它是指哪個數……

因為沒預期帶相機所以用手機拍得不清楚,這封信是由出席聯合國教科文組織的各國代表打電報給其中一位CERN倡議人。內容很好玩,說組織已於各國代表同意的條款下誕生,「母子平安,醫生謹以致賀」。(英文真的這樣寫﹗XD)
之後大家會繼續見到科學家的幽默感。

這個展覽好處在於,旁邊放了不少漫畫講解粒子物理。本來就已經難明的事,如果還不用多點圖像的話,只會趕客。
我猜有不少觀眾是第一次接觸「暗物質」和「暗能量」這些連科學家都未搞清楚的概念。

當然,其實更重要的是解釋一下原子和構成它的基本粒子是甚麼一回事﹕
其實這幅圖應該放在入口,因為連這點也不明白的話,其他故事也不用說下去了。
(的確科學課程有教原子的,中學有讀理科的自然也應該知道質子、中子和電子。但你總不能預期所有入場的人都認識這個。總有些人沒學過的,更不用說有些人已把所有事還給老師。)
當然其實它放在這裡,主要是為了解釋「所有由夸克組成的物質都稱為強子,這就是大型強子對撞機名字的由來」這一點。

入口展示歷史的第一區後是劇場,播放一段由四位老中青科學家講述工作的影片。其中那個女生自稱是博士生,當日負責在內部會議中向團隊其他成員宣佈找到希格斯粒子(當然對外宣佈就是大人物去做啦),說亡父是科學教師但無緣見到這一刻云云。
(來源)
我有懷疑過這些是否演員,不過在一個過萬人參與的研究組織中,有這樣的例子似乎也不奇怪。而且願意(甚至希望)上鏡的科學家其實也不少。
(後話﹕相貌也不錯的,早知應該拿相機來拍 :P )

對撞機用的磁鐵組,每組最長十六米多一點,這是基於歐洲公路貨車的尺寸限制。就正如講「路徑依賴」時通常會提及「馬的身型影響了羅馬馬車路的闊度,繼而影響鐵路軌距,最後影響了太空穿梭機用的火箭尺寸」這個故事(儘管故事不完全正確但大體沒錯)。這種關係實在有點像 James Burke 那個著名的《Connections》科學史節目。
你以為外圍那塊是磁鐵﹖(其實我也以為是)
抱歉,其實不是。

中間穿過的兩條管是對撞機裡兩束相反方向粒子穿越的通道。雖然它們是要碰撞的,但只會安排在有探測器的特定地點相撞,在其餘位置自然要分隔開。
真正的磁鐵是包著那兩條管的線圈,是超導體電磁鐵來的。
包著它們的「眼鏡型」不鏽鋼就只是用來固定位置的套環。
外圍很大塊的,其實只是鐵塊。用來傳導整條管的磁場和導熱,然後整條大管浸在液態氮下保冷而已。

這幅插圖展示了裡面的磁場﹕

要在常溫下併合和維修,卻要在超低溫下運作,可以想像部件的冷縮熱漲有多嚴重。事實上經冷卻後這些磁鐵之間必定會產生空隙。就像馬路接駁位要填上橡膠一樣,磁鐵部件之間就靠這些連接組件來承受伸縮張力﹕

事實上這些連接組件就曾經破裂,導致液態氮洩漏,結果花了超過一年停機維修﹕
另一宗意外竟然只因為雀鳥把法包碎掉到地面設施,又要清理維修。別看這部對撞機大得驚人(圓周直徑27公里、偵測器有幾層樓高),就連一塊麵包碎也足以令它停機。連核反應堆也未必有那麼敏感。

把磁鐵部件拆開剖面,就是這樣﹕

電磁鐵的首尾(當然有首尾要不然電從哪裡來﹖)都是被樹脂充填,由樹脂的坑洞可以看到電線進出的方式﹕

(上面)一般的電磁鐵是兩極,某些地方會做四極聚焦磁鐵,進一步收窄粒子束﹕

中間的第四區又是播放影片,以簡單線條勾畫粒子對撞的探測器,足有幾層樓高﹕

要吸引觀眾,動畫的粒子對撞場面當然少不了。這裡「畫公仔畫出腸」了質子裡面的相連夸克﹕
(雖然我懷疑沒科學背景的觀眾有多少會「記得」這個三角形是想描繪夸克。也許加上標示會清楚一點,但就會破壞了原畫面的簡潔。)

用廣東話講會比較簡單,「撞一大堆野出黎」 :P

還要讓人明白那個大圓環只是軌道,碰撞是發生於幾個探測器中﹕

展出各探測器的不同部件,老實說這方便解說比較弱,不太能讓人明白是怎樣探測的。分別是ATLAS穿越輻射追蹤器CMS所用的矽製路徑探測器

現代大型研究通常涉及很多國家和組織,而CERN本來就是國際組織、LHC又是國際項目。一件CMS元件已經由多個國家分別製作﹕

解說ATLAS量能器的不同部分。它們就包在先前的追蹤器外圍,本身還要分開幾層,第一層電磁量能器先攔截電子和光子測量其能量,第二層強子量能器攔截質子和中子,最後第三層緲子譜儀是用來追蹤緲子
(中性粒子如中子或光子在追蹤器裡都是追蹤不到的,直到被量能器截下為止。)

說明牌指CMS的電磁量能器總共要用上76000個鎢酸鉛晶體(當電子和光子穿過時會發光,能量越高發光越多),這些晶體每個長成要兩天。這批晶體是靠一間已轉型的前蘇聯兵工廠花十年製作出來的。另一個項目ALICE的電磁質譜儀也是用同一種晶體。

這是另一項目LHCb使用的頂點定位器,用來精確定位碰撞產生的底夸克。可見其孔洞比其他探測器小得多,只距離碰撞點7 mm。
說明牌指為了避免被粒子束蒸發,注入粒子束後甚至要把組件拉後。那麼又如何精確測量﹖沒有解釋。(是發生碰撞時再推回去嗎﹖)

LHC的實驗是以「每秒發生四十萬次碰撞」的頻率進行,自然會產生出海量的數據,單一電腦不可能處理得到。所以他們一開始就建立了一個全球網絡,把數據複製並分散儲存於不同地點的雲端伺服器,以便各地科學家取用分析。亞洲幾處地方都有參與研究的中心,但只有台灣一早參與設立了最高等級的 tier 1 數據中心。(這點多年前《科學人》報導過,但現在找不到那篇文章。)
當然這又沒有香港的份。事實上以香港興建機場第三條跑道的錢,已經足夠單獨建立一部LHC有餘。事實上人家集合各國之力也「只是」用了132.5億美元(約1033億港元,已包括截至找到希格斯粒子為止的運作費,而三跑預算是1415億)。興建那條「不快的高鐵香港段」也用上近九百億,反正都要倒錢落海,投資在LHC之類的大科學項目足以令香港成為科研項目的大股東了。

展示研究室角落的地方,複製了很多研究室常見的學術海報之類。但最吸引人的當然是科學家順道貼上的諷刺漫畫﹕

「138億年前,就在宇宙誕生之前,外星科學家正在準備開動LHC實驗」
(因為外界對LHC的安全有質疑,認為有可能製造黑洞之類的危險後果。)

「遺失愛貓—尋獲請歸還予薛丁格,既生且死。」
(因為是「扮研究室」的環境,所以現場沒有解說。這個「薛丁格的貓」的梗你要懂一點量子力學皮毛才懂得笑。「Dead and alive」則是戲仿通緝令上的「Dead or alive」—生死不拘。)

「前粒子物理學家是最差的生物學家」
(因為他們只靠把東西撞散來研究 XD)

「強大雷射束—切勿以剩下那隻眼來觀望」
(笑點﹕剩下那隻眼﹖)

「保持冷靜,然後賴地硬」
(老實說我不知 blame root 是否有特別意思,但我猜是指跑步跌倒後推說被樹根絆倒,即是廣東話「賴地硬」之意。)
(補記﹕朋友指教說ROOT是CERN用來分析數據的程式,換言之這裡的 blame ROOT 是指把失敗責任推給ROOT程式。倒仍是「賴地硬」之意。)

「研究室」中,先前影片的女生再次出現,展示發現粒子訊號的一刻﹕
(來源)

的確需要向觀眾解釋一下標準模型裡面這堆基本粒子是甚麼一回事﹕
(其實單是中間「無端端」有堆現實中不見構成物質的重夸克就已經夠難理解了。)

事實上科學家探測到的不是希格斯玻色子,而是它的衰變產物,這一點自然也需要解釋﹕
(咦﹖我突然發覺好像整個展覽都沒解釋過費米子玻色子是甚麼意思……﹖)

教學生電腦時,在下會告訴他們互聯網起源於美國應付冷戰而建立的分散式網絡系統(ARPANET)。但如果深入一點的話,也可以告訴他們現在用URL和超文本方式傳送資訊的形式(WWW),其實是由CERN的人員開發出來。

最後一區的入口有一張投影桌,展示粒子物理學尚有哪些問題有待解答。嘗試用這個模式去介紹是不錯,可惜的是投影解像度太低,英國原展覽只用英文或者還可以、 圖畫起格也沒問題,中文「起格仔」幾乎就看不到是甚麼字。有些我自己猜得到(反正就是科學雜誌也讀得到的那些),有些我也不知道確實說了甚麼。

解釋玻色子如何傳遞相互作用力是好事,不過你假設觀眾會自動看得明費曼圖……﹖
就像最右那幅描述弱核力的費曼圖,實際上相當違反直覺。其實在觀察者看來,並不是一個下夸克和一個中微子交換W玻色子, 然後變成上夸克和電子,而是下夸克變成上夸克,然後射出W玻色子再衰變成電子和反中微子。在量子力學而言,反粒子等於是一個逆時間行走的正粒子,所以一個 向外射出的反中微子,在費曼圖中可以一個射向內的中微子代表。看倌是否明白﹖在下就不敢說自己真的明白。但至少看倌應該明白為何我說費曼圖不是自動看得明 白的。

粒子之間的關係圖,是否比那些電視劇角色關係圖更複雜﹖

如果說香港沒有參與,也不公平。不過是這幾年才開始,並非像台灣般一早投入,角色自然就輕得多了。

暗物質存在的證據之一﹕觀察星系旋轉速度與星系可見物質推算的速度不符。由於旋轉速度與質量有關,顯示有一些質量是來自「觀察不到的物質」。

暗能量存在的跡象﹕觀察到的宇宙膨脹數據,與根據已知物質總量推算的不同模式皆不符合,顯示有未知的斥力參與宇宙膨脹。

Science被戲稱為「晒銀紙」,基礎研究尤其難有實際應用。但事實上LHC也不是沒有現實貢獻,例如研發LHC使用的超導體磁鐵可改善核磁共振造影的質素,開發質子束技術也可以用來治癌。LHC的龐大數據量也帶動了相關運算和信息學技術的發展。
問題是﹕花了近千億的LHC,如果要「自負盈虧」,每次治癌要收多少錢才夠﹖除了億萬富翁之外還有誰用得起﹖
所以政府資助基礎研究,是無法避免的。因為大開支而現金回報太少或回報期太長的投資,根本不是商業機構願意和能夠承擔的。

同樣道理,其實一些需要長期承擔的事業,是否適合商業經營﹖亦屬疑問。就像核能發電,高輻射核廢料要儲存以十萬年計才能把輻射降至較低水平。連一個國家能否 生存十萬年也成疑問(中國人吹得再遠也只能吹到「五千年」罷,十萬年根本是智人物種史的數量級啦),你期望電力公司會有那麼長壽去看守核廢料﹖

未來展望這方面,我想真的不能期望觀眾(包括在下)看得明白了。你想討論超對稱

2 則留言:

婉兒 說...

I really enjoyed Particle Physics in A-level Physics and this was largely due to our CERN trip to Geneva. Not all I understood EVERYTHING but it was really eye-opening :D Another part of this was due to the pride we had in Manchester having a long history with Particle Physics and the order of the periodic table :) And if that wasn't enough, my Physics teachers all fancied the Manchester University lecturer Brian Cox (who's involved in CERN too) and he does a lot of BBC science programmes to make Physics a pleasure to learn :D

One thing though, WWW came from CERN and perhaps the money we threw into the 'Big Bang Machine' wasn't a waste after all :)

方潤 說...

香港去年才播完Brian Cox的Human Universe。

這個展覽本來在倫敦的,不過既然去過看真的,應該就不會滿足於此吧。