基本粒子物理超入門：一本讀懂諾貝爾獎的世界級研究

前言

第一章 這個世界上最龐大、最精密的機械
J-PARC如何生成微中子？

300公里長的巨大「實驗室」
也會用在癌症治療與犯罪搜查上
世界五大加速器
總之就是很大！
宇宙到底有多大呢？
基本粒子到底有多小呢？
物理學最先進的研究，用的是小孩子都想得出來的方法
加速器的「油門」和「方向盤」是什麼呢？
人類做得出來的最大磁場，只有健康磁石的十倍左右
在一圈1.6公里的軌道上跑三十萬圈以後相撞！
抓好時間點，每二十萬分之一秒從後面推一把
從Giga到Tera——和硬碟容量一樣逐漸進化的加速器
集結了許多大企業的國家級計畫
中國花了二十年也做不出來？
或許你曾在哪裡聽過微中子這個詞，因為這是日本的專長
就像有多個影廳的影城般，J-PARC也是由數個加速器構成
打碎、濃縮、過濾——如何生成微中子
用超導磁鐵技術可以產生比健康磁石還要強二十倍的磁場
J-PARC的實驗裝置
用最龐大的裝置來研究最微小的事物

第二章 人類對於「小」的概念能夠理解到什麼程度呢？
基本粒子概論——從原子到夸克

Q 為什麼要做這個工作呢？
沒必要特地去做自己喜歡的工作
Q 要是發生地震等災害，造成研究設施停電的話，研究會停止嗎？
每年電費高達五十億日圓！
Q 會研究如何用粒子束來破壞物質嗎？
Q 你們怎麼會知道如何製造出微中子束呢？
在加速器出現以前，人們是如何研究原子的呢？
為什麼物理學不討論幽靈呢？
電子是什麼？
Q 如何用SPring-8查出咖哩有沒有下毒呢？
有毒咖哩內的原子為什麼會發光？
能夠查出犯人身分的最強科學搜查方法
帶正電的質子與不帶電的中子
Q 在加速器內繞圈圈的粒子（質子）是如何產生並放入的呢？
陽離子與陰離子的生成方式
離子源與電荷轉換裝置
天才學者包立預言了微中子的存在
支配自然界的四種力
以前人的命名拿到現在來看常讓人覺得尷尬
不用正或負來命名，改用紅、藍、綠
基本粒子整理
物理學家認為「做不到某些事」的原因

第三章 開拓「知識」的瞬間
超級神岡探測器如何捕捉微中子呢？

Q 您說J-PARC的離子源一開始會先製備H-離子，之後再轉換為H+離子。為什麼這樣會比較好加速呢？
Q 我想知道更多關於HIMAC的事
Q 怎麼用中子破壞癌細胞呢
Q 為什麼電子在急轉彎時會放出光線呢？
Q 電子一秒會繞原子核幾圈呢？
Q 只用質子和中子就能製造出任何物質嗎？
Q 為什麼我們可以測出質子和中子的質量是多少呢？
Q 為什麼在基本粒子的世界中，15分是很長的一段時間呢？
Q 電漿與基本粒子有什麼關係嗎？
Q 《鋼彈》裡的粒子束刀或《星際大戰》裡的光劍做得出來嗎？
東西被破壞時會產生微中子
為什麼當我們暴露在微中子射線下時一點感覺都沒有呢？
宇宙中到處都是光和微中子
Neutrino（微中子）並不是New-torino，而是Neutr-ino
Q 微中子比電子還要小嗎？
難以想像的「捕獲難度」
無法像製造電器產品般製造出微中子產品的原因
利用弱交互作用看到微中子
為什麼可以飛得比光速還快？
神的影像源自於契忍可夫輻射嗎？
造就諾貝爾獎得主的劃時代實驗裝置
人類第一次不使用光來觀測天體的瞬間
不守株的話就等不到兔子
微中子的兩個未解之謎
微中子會在三個種類間變來變去
Q 從宇宙中飛來的天然微中子和加速器製造出來的微中子束有什麼不同呢？
掀起全世界討論熱潮的驚人實驗（第一世代）
T2K實驗可以拿到諾貝爾獎嗎？
Q 微中子束通過的路上沒有障礙物嗎？
Q 穿過地球的微中子為什麼可以被超級神岡探測器探測到呢？
Q 微中子要花多少時間才會抵達神岡探測器？
Q 有任何證據可以證明神岡探測器所觀測到的微中子真的是從東海村發射出來的微中子嗎？
Q 日本會輸給美國或歐洲嗎？
有競爭才有進步
Q J-PARC在國會預算會議中沒有被刁難嗎？

第四章 為了一百年後的世界而發展的物理學
與相對論和宇宙的關係

Q 兩把光劍互擊的時候真的會互相彈開嗎？
Q 若能碰到極光的話，會像是被雷打到一樣有觸電的感覺嗎？
Q 微中子是由什麼構成的呢？
Q 為什麼當不同微中子的質量有差異時，會彼此影響產生變化呢？
Q 藉由光觀測天體與藉由微中子觀測天體有什麼不一樣呢？
Q 可以從日本發射微中子束至美國或歐洲的探測器嗎？
Q 除了水以外，有沒有其它方法可以探測微中子呢？
Q 超級神岡探測器裡面的水有必要使用純水嗎？
Q 將光打在光電倍增管上時就會產生電流，這和太陽能板不是很像嗎？
力是什麼呢？
Q 強交互作用是如何運作的呢？
仔細看「弱交互作用」會發現……
不是傳接球而是單方面狂丟球
T2K實驗中會如何應用弱交互作用呢？
以能量製造出粒子
夸克漂浮在由能量組成的高質量濃湯內
出現瞬間就消失的弱玻色子，其質量卻大得不可思議
為什麼人類沒辦法實際感受到強交互作用與弱交互作用呢？
Q 當微中子穿過地球的時候，會不會受到重力影響呢？
Q 《福音戰士》中的陽電子砲有辦法做得出來嗎？
「屋島作戰」真的有用嗎？
能量轉換效率很差的炸彈
Q 相對論究竟是甚麼呢？
融合了光的世界與力的世界的理論
Q 光是以什麼為介質前進的呢？
可以把比光速還快的粒子縫在襪子裡面嗎？
Q 時光機做得出來嗎？
愛因斯坦添加的謎之「宇宙常數項」
從被拋起到落地的這段時間，就是我們所處的世界嗎？
宇宙的誕生與未來的樣子
誰「拋起」了宇宙？
若能看到140億光年遠的地方＝看到「過去」的樣子……
看得到的宇宙邊界
為什麼我們能存在於這個宇宙內呢？
在十億個粒子中只找得到一組成對的「物質」
佔了宇宙96%的「黑暗」
Q 暗物質是什麼呢？
連愛因斯坦都不知道自己有多天才
Q 多田老師有沒有想過，微中子可以有哪些用途呢？
在三十年前的人們想像中，三十年後的科技是什麼樣子？
手機就是由許多不曉得未來可以做什麼用的技術製作而成
研究發表會，就像是把各種商品陳列在東急手創館的架上
為了一百年後的人們

後記

 

前言

　　過去曾有個電視節目，叫做「Project X」。年輕人可能沒有聽過，不過這是一系列相當受歡迎的記錄片，介紹了撐起日本戰後快速成長時期的偉人們，於二〇〇〇年至二〇〇五年於NHK播放。

　　物理學家小柴昌俊老師曾在這個節目中登場。他發現了一些有助於解析微中子（neutrino）這種基本粒子的線索，並以此獲得了二〇〇二年的諾貝爾物理學獎。

　　「超級神岡探測器」（Super-Kamiokande）是目前全世界最大的微中子探測器。而「Project X」則介紹了其原型「神岡探測器」的建設過程以及相關內容。在節目的最後，進入總結時，NHK的記者問了小柴老師一個有些尖銳的問題。

　　「那麼，小柴老師。微中子究竟有什麼用途呢？」
　　我心想「這問題問得還真是直接啊」，既緊張又期待地靜觀小柴老師會如何回應這個問題。於是小柴老師這樣回答。

　　「過去我們發現電子的時候，沒有任何一個人知道電子會有什麼用途。然而現在，電子（＝電力）卻成為了我們生活周遭不可或缺的東西。同樣的，現在的我們也不曉得微中子有什麼用途，但數十年後，或者數百年後，微中子一定會成為與電子同樣重要的東西。」

　　這段話讓我相當感動。因為這段話用一般人也聽得懂的方式，說明了基礎科學的研究如何影響我們的生活，也提到需經過一定的時間才會真正影響到我們的生活。我心想，真不愧是有拿到諾貝爾獎的學者。

　　基本粒子物理學，是為了探究這個世界上所有事物之根源的深奧學問。

　　聽起來或許像是在裝模作樣，但也確實因為過於深奧，感覺好像和我們的日常生活是完全不同的世界。所以一般人難免會像剛才提到的記者般，提出「那這個東西究竟有什麼用途呢？」之類的疑問。

　　不過我們這些物理學家可能是過於害羞、可能是態度傲慢，常不會花太多心力解釋自己在做些什麼。
　　這麼說或許會得罪那些至今一直致力於物理科普書籍的作者。但我想問各位讀者們一個問題。
　　「您真的有完全看懂這些書在講什麼嗎？」
　　不是我在說，我以前是個很不認真、頭腦很差的高中生，這類物理科普書籍我沒有一本能夠從頭到尾讀完。
　　為什麼讀不完呢？原因也沒什麼大不了的。
　　因為這些作者的頭腦太好了。

　　仔細想想這也是理所當然的。既然要研究最深奧的學問，他們的頭腦就不可能差到哪裡去。這些老師們抱著「這樣寫讀者應該看得懂吧」的想法寫出來的內容，對一般人來說還是太困難了些……。

　　我和大多數人一樣「看物理相關書籍時，常會看不懂」，但厲害的物理老師們大多不會有這樣的經驗。頭腦很聰明的老師們一看到數學式時，馬上就能理解這個算式想講些什麼，我卻辦不到。要是沒有把物理概念一個個轉換成具體的圖像或例子，就沒辦法記住。這也是我的優點。

　　我常為來參觀我所任職之研究設施的人們導覽，且常有人稱讚我的說明「相當簡單易懂」。如果這不是場面話的話，大概就是因為我會在腦中描繪出具體的圖像吧。我只是把我為了理解這些物理概念而描繪出來的圖像傳達給其他人而已。

　　因此，為了活用我的這個優點、為了幫助那些像我一樣在讀過物理學書籍後感到挫折的人們，我試著寫下了這本書。我用自己的方式，努力寫出有趣的內容，希望讀者閱讀本書時不會因為看不懂而中斷。

　　「物理學是什麼呢？」、「這又有什麼用途呢？」如果讀者能夠一口氣讀到最後，就可以看到我對這些問題的回答。這是不同於小柴老師、具備我個人風格的答案（不過別因為這樣就從後面開始看，這樣就犯規了（笑））。

　　這本書是以我在日本中央大學杉並高中所教授的四次課程內容為基礎製作而成。每次上課時，學生們會提出相當多的問題，而我則在上課時一一回答這些問題，這就是我們課程進行的方式。在讀這本書的時候，如果覺得有什麼地方看不太懂，通常在下一次的授課中就會解答您的疑惑。所以閱讀本書時，無須過度在意看不懂的地方，繼續看下去就對了。

　　特別是第二章，講的不是「實驗」而是「理論」，可能會讓人覺得有點無聊。這時只要當作自己是邊聽課（讀書）邊放空，撐一下就過去了。或者跳過第二章，直接閱讀第三章也沒關係。

　　那麼就讓我們馬上開始吧。