粒子物理與宇宙學

 

Glashow’s Snake(或Ouroboros)

引自Prof Sulak's Lecture Notes, Boston University Physics
http://physics.bu.edu/cc104/chapters10and11.html

 

Nancy Ellen Abrams 與 Joel R. Primack的潤飾版Glashow’s Snake

Image: Glashow’s Snake rendered by Nancy Ellen Abrams and Joel R. Primack, (c) Abrams, Primack 2006

文/陳育霖
其實最早見到這概念, 是台大物理系黃偉彥老師, 在台大成立天文物理研究所和宇宙學與粒子天文物理學研究中心時, 最常告訴大家的想法, 2003年美國國家科學院更是以連結夸克到宇宙(Connecting Quarks with the Cosmos)為標題, 討論新世紀的11項科學問題.

以電弱理論成名的理論物理學家Sheldon Lee Glashow, 1979年諾貝爾物理獎得主, 提出的知名物理圖像.
這個圖像名為Glashow’s Snake(或Ouroboros, 是古代蛇正在吞食自己的尾巴的象徵符號).

圖中標示出了宇宙中的四種基本作用(力)與其作用的空間尺度, 宇宙到行星的距離範圍, 是重力(萬有引力)作用範圍, 人類到原子尺度, 電磁作用力當道, 在原子尺度內, 強作用與弱作用力風行.

Ouroboros 正在吞食自己的尾巴的象徵符號, 則像是李德曼(Leon M. Lederman), 薛拉姆(David N. Schramm)在1989年合著的 《從夸克到宇宙》(From Quarks to the Cosmos: Tools of Discovery). Leon M. Lederman是實驗粒子物理學家, David N. Schramm是理論天文物理學家. 歷經1980年代, 兩個不同尺度的領域巧妙地找到共同出路.

Leon M. Lederman與David N. Schramm在《從夸克到宇宙》的序, 來詮釋Ouroboros最淺顯易懂也最像我對這個概念的認知:



《從夸克到宇宙》的【序】

人 們在沉靜中思考的時候，常會問身外之事：為什麼我會在這裡？這些東西存在的理由是什麼？我們懷著敬畏的心仰望少有的清朗夜空，問說：在上面的是什麼？宇宙 是怎麼來的？為什麼它這麼美麗？這些問題一直是宗教、哲學和科學談論的焦點。這本書的目的是想揭示，現代物理學正在建構很雄偉的智慧殿堂──要完整瞭解這 個世界──包括的範圍很廣，從宇宙的創生，到原子內極微小的世界，而這小世界正是瞭解大自然定律的起點。
　　這是一篇兼述不可想像小的和超大的故事。這個故事敘述了原子的內太空是如何組成，也娓娓道來外太空的行星、星球和銀河系，也就是全宇宙。
　 　內太空與外太空這兩個故事，在1980年代戲劇性地合而為一。說真的，這種會合反映在我們的專業生活中。我們之一的薛拉姆是理論天文物理學家；另外一位 李德曼則是粒子實驗家出身的研究所所長。這個實驗室是費米國家加速器實驗室（Fermi National Accelerator Laboratory），此地曾於1989年進行過全世界最高能量的粒子撞擊。回溯至1981年，我們在義大利的多羅麥特山（Dolomite mountains）一起健行的時候，我們就認為粒子物理和早期的宇宙一定關連密切，如果將理論天文物理學界和加速器實驗室合在一起探討，一定可以得到很 好的結果。從美國國家航空暨太空總署（National Aeronautics and Space Administration, NASA）獲得初期的經費，我們就共同召集一群年輕、又有活力的天文物理學家，他們的研討和演講，激起了實驗室的智慧火花。「天文」也受次核子詳細現象的 引發，也極需要用來塑造早期宇宙形成的模式，在那個時候只有夸克（quark）和輕子（lepton）的太初渾沌存在而已。這種獨特的合作，鼓勵我們去撰 寫這一本正在你手上的書。我們想特別謝謝費米實驗室和它的贊助者──美國能源部，提供了場所、氣氛和智慧參與的激發，這些對書寫這篇故事特別有助益。
　 　雖然，有很多從內太空∕外太空的會合而出現的是抽象觀念，它們確有實驗科學的驗證。我們希望傳達實驗和理論的密切關係，這樣可以導致對宇宙新的瞭解。這 個關係就是所謂科學方法的核心。很清楚它是一個很深入的主題，但是我們會試著去避免哲學的微妙，保持著必要的觀點，以使讀者可以享受這一趟內太空∕外太空 探險。
　　因為這些是實驗科學的核心，我們決定要特別集中在實驗的工具上，這些是過去五十多年來獨力演變出來的，與設造理論的深度，同樣有非凡的 成就。「望遠鏡和顯微鏡」的故事，敘說了粒子和輻射探測器的發展──從早期蓋格計數器（Geiger counter），到最近的微頂矽片器材（silicon strip microvertex），從本生燈到超導超級對撞機（superconducting supercollider），從伽利略的手持望遠鏡，到巨大的無線電望遠鏡，還有很快就有的，哈伯太空望遠鏡的運行。
　　最後，我們引用雨果的詩，他們問：「望遠鏡抵達不到的地方，顯微鏡就發生了作用。兩者哪一個的視野比較大？」極小及極大都要去觀看才能瞭解這個宇宙。

1989年4月                            李德曼、薛拉姆
　
　
　 　自從六年前我們鬆了一口氣交出手稿後，內太空∕外太空的關連又發生很多美好的事情。對於我們的書，我們接到無數致賀的明信片，但是有十六封指出我們的錯 誤，我們一直無法更正，直到此新版本再次出版才有機會。這本平裝書也包括了一些及時且讓人興奮的新發展，諸如在1995年發現的頂夸克，以及在1990年 代初的宇宙背景探測衛星的極佳成果。這些新的結果加強了，也更使這本《從夸克到宇宙》的色彩圖片更美。我們也為超導超級對撞機計畫的胎死腹中感到遺憾，但 我們仍樂觀地希望擬議的大型強子對撞機（Large Hadron Collider）會在瑞士日內瓦的CERN實驗室完成。如此本平裝書就反映了兩個科學的最新發展，以及兩者的關連，包括政治上及科學上的。

 李德曼(Leon M. Lederman), 實驗粒子物理學家
1922年7月15日出生, 美國粒子物理學家, 1988年因微中子研究獲諾貝爾物理獎

 

薛拉姆(David N. Schramm), 理論天文物理學家

美國天文物理學家, (October 25, 1945 – December 19, 1997)
是大霹靂學說(Big Bang)的先行者與專家, 宇宙學中太初核合成(Big Bang nucleosynthesis)、宇宙射線、超新星爆炸、重元素形成理論都有重要貢獻.