《物質之輕》:把「原子大小」變成可見宇宙半徑100倍的簡單方法

《物質之輕》:把「原子大小」變成可見宇宙半徑100倍的簡單方法
Photo Credit: Depositphotos
我們想讓你知道的是

如果你剛剛才掙扎著要從床上起身,或者你在經歷過漫長的一天後,才剛滿懷感激地帶著一本好書倒在安樂椅上,你可能會很難接受重力很微弱的事實。然而,在基礎層級上,重力確實相當微弱。荒唐的微弱。

唸給你聽
powered by Cyberon

文:法蘭克.維爾澤克

重力微弱嗎?是,實務上是

在公平的比較下,和其他基礎作用力比起來,重力在基本粒子之間的作用微弱得荒唐。

如果你剛剛才掙扎著要從床上起身,或者你在經歷過漫長的一天後,才剛滿懷感激地帶著一本好書倒在安樂椅上,你可能會很難接受重力很微弱的事實。然而,在基礎層級上,重力確實相當微弱。荒唐的微弱。

這裡有一些對比。

原子是透過電作用力維持的,帶正電的原子核和帶負電的電子之間有著電吸引力。想像我們可以把電作用力關掉,但是重力吸引力還在。重力可以把核子和電子維持得多緊密?猜猜看,一個以重力束縛的原子會有多大?跳蚤那麼大?不對。老鼠那麼大?也不對。摩天大樓?還是不對,再猜猜。地球?還差得遠呢。告訴你吧,以重力維持的原子大小會是可見宇宙半徑的100倍。

太陽造成的光線偏轉是鼎鼎有名的一種重力效應。英國遠征隊在1919年進行的相關觀測,是廣義相對論的一次勝利,也讓愛因斯坦一舉成為世界名人。整個太陽對附近的光子施加作用,可以偏轉其路徑達1.75弧秒,約略是1度的0.05%。現在,我們和強作用力對膠子的作用比較,幾個夸克就偏轉了膠子的直線路徑,其程度之劇,使得膠子可以在質子的半徑範圍內完全掉轉過頭,而且就這樣待在裡頭。

我們還可以做一個數字上的比較。因為電作用力和重力隨距離衰減的方式是一樣的(也就是呈平方反比),我們在任何距離都會得到同樣的比例。讓我們比較在一個質子和電子之間的電作用力和重力,電作用力大約比重力強10000000000000000000000000000000000000000倍,以科學計數法來寫,就是1040倍(你知道科學家為什麼偏好使用科學計數法了吧)。「吹牛!」吹毛求疵的批評者會說:「質子是複雜的物體,你應該比較在基本的基礎物體之間的作用力。」好吧,你這聰明的傢伙,但這麼做只會讓情況更糟!如果我們比較在兩個電子之間的兩種作用力,我們會得到一個甚至更大的數字,大約是1043,這是因為電子的質量比質子小,但是電荷強度是一樣的。

當你從床上起身,就是在使用昨天晚餐產生的化學能的其中一小部分,克服整個地球的重力拉力。任何嘗試藉由對抗重力來燃燒卡路里(舉重、做健美體操)的人都能證明,重力並沒有太投入這場對抗。一小點卡路里就可以用上非常久。

我再給你一個能說明重力有多微弱的測度。電磁輻射身負現代天文學的重責大任,從無線電碟形天線、光學望遠鏡,到X光衛星,都跟電磁輻射有關。電磁輻射同時也承擔現代通訊科技的重責大任,從傳統無線電、衛星(微波碟形天線),到光纖,也全都仰賴電磁輻射。相反地,儘管我們歷經英勇奮鬥,卻仍然從沒能偵測到重力輻射。

重力是主宰天文學的作用力,但這是因為其他作用力沒有出場。雖然別的作用力強大太多了,不過有吸引力也有斥力。正常來說,物質會達到精確的平衡,作用力互相抵消。電作用力暫時的不平衡(小小的那種)會導致雷雨;強作用力小小的暫時不平衡,則會引發核爆。大規模的平衡崩毀並不持久。然而,重力永遠只有吸引力。雖然重力在各別基本粒子的等級相當微弱,但會毫不留情地一直累加。溫柔的作用力有福了!因為它們必承受宇宙。

相關書摘 ►《物質之輕》:表面看來「重力」真的很微弱,但表象一定是騙人的

書籍介紹

《物質之輕:諾貝爾物理學獎得主的質量起源之旅》,貓頭鷹出版社出版
.透過以上連結購書,《關鍵評論網》由此所得將全數捐贈兒福聯盟

作者:法蘭克.維爾澤克
譯者:柯明憲

在21世紀,粒子物理學家一直期望一位新的達爾文來解釋粒子的起源……本書並不是達爾文的《物種起源》再現,而是比較像《小獵犬號航海記》,是一趟探索之旅的大眾化記述,描寫沿途地景以及新發現、尚待解釋的生物——數學物理學家戴森。

「如果有一天世界毀滅了,只能留下一句話給後世的倖存者,我想應該會是原子假說裡的這句話:『所有物質都是由原子組成。』」——核子物理學家理查.費曼。

費曼的這句話很美,可惜的是,他是錯的。至少在現在的科學家眼裡是錯的。從科學革命以來,科學家開始重新建構我們對這個世界的認知,而其中最基本、最重要,卻也最難以理解的,卻是這樣簡單的一個問題:「物質是什麼?」

牛頓在設計他的三大運動定律時,前提是所有物質的質量皆為守恆。然而,科學家們對質量的的定義與來源,卻一直沒有定論。重力和電力是怎麼產生的?甚至,質量真的是守恆的嗎?

在本書中,2014年諾貝爾物理學獎得主維爾澤克帶領讀者跟隨物理學家的腳步,探索物質的起源,了解世界的組織架構。

getImage
Photo Credit:貓頭鷹出版社

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航

或許你會想看
更多『評論』文章 更多『科學』文章 更多『精選書摘』文章
Loader