基本粒子

宇宙的起源一直是天文學中想要探討的問題，而要瞭解宇宙更早期的情況，就必須研究「基本粒子」（物質組成的最基本單位，稱為基本粒子），例如原子是由電子以及原子核所組成的，而原子核是由質子與中子所組成的，質子與中子又分別是由三個夸克 (quark) 以不同的方式組成（質子：兩個上夸克和一個下夸克；中子：一個上夸克和兩個下夸克）。其中電子與夸克是基本粒子，質子和中子則不是。除了電子與夸克之外，還有許多基本粒子，共同組成宇宙中所有已知的物質。

將基本粒子繪出簡圖如下：

各種基本粒子都帶有很明顯的自旋 (Spin) 數。根據量子力學，任何粒子（不限於基本粒子）的自旋角動量必須量子化，且量子化後必須是1/2的整數倍（包括零），而自旋為1/2的奇數倍的粒子又稱為費米子（Fermion），自旋為1/2的偶數倍的粒子又稱為玻色子（Boson）。這兩種粒子的主要分別，在於同一類費米子（例如電子）的每一個粒子都具有不同的能態，而玻色子則無此限制。換句話說，當一個費米子佔住了一個能態後，就排斥其他同類的費米子佔同一能態。這一種現象，在物理中稱為「不相容原理」(Exclusion principle)。

1、費米子分為兩類：夸克和輕子。

（1）夸克共有6種，及各自的反粒子，這6種夸克又可分為3「代」。依序是：

第一代：u（上夸克）、d（下夸克）；
第二代：s（奇夸克）、c（魅夸克）；
第三代：b（底夸克）、t（頂夸克）

（2）輕子：比質子輕的費米子稱為輕子（Lepton），共存在6種輕子和他們各自的反粒子。

其中3種是電子和與它性質相似的 μ 子和 τ 子。
而這三種各有一個相伴的微中子。他們也可以分為三代：

第一代：電子（Electron，e -）；電微中子（νe）
第二代：緲子（Muon，μ -）；緲微中子（νμ）
第三代：陶子（Tauon，τ -）；陶微中子（ντ）

2、玻色子分為兩類：規範玻色子及希格斯粒子，這是一類在粒子之間起媒介作用、傳遞相互作用的粒子，並不遵守「不相容原理」。

（1）規範玻色子：自然界一共存在四種基本交互作用力，因此也可以把這些玻色子分成四類：

a）萬有引力：引力子 (graviton)
b）電磁作用力：光子 (photon)
c）弱作用力：W 及 Z 玻色子，共有3種：W + 、W − 、Z0
d）強作用力：膠子 (gluon)

（2）希格斯粒子 (Higgs) 尚未在加速器上產生出來【註1】，物理學家們認為希格斯粒子與其他粒子的相互作用而使其他粒子具有質量，其相互作用越強質量就越大。

科學家們猜想仍有其他基本粒子存在，但實驗一直未能找到証據，比如星系中有很多暗物質，我們並不知道是什麼，有些科學家就猜想它們是一些作用力很弱但質量非零的粒子，究竟暗物質是否為另一種基本粒子？答案只能期待在更多的觀測及實驗中才有機會找到。

【註1】希格斯粒子本身質量極大，目前的加速器能量還無法達到，而理論的計算也比較困難。物理學家們普遍希望能夠在大型強子對撞器（Large Hadron Collider，簡稱LHC）上產生出希格斯粒子。

---

參考資料1.維基百科--基本粒子  http://en.wikipedia.org/wiki/Elementary_Particle
2.Bradley W. Carroll and Dale A. Ostlie（1996），「AN INTRODUCTION TO MODERN ASTROPHYSICS」，Addison-Wesley Publishing Company
3.國立科學工藝博物館  http://www3.nstm.gov.tw/

Read more »

希格斯粒子是什么，为什么被称为上帝粒子呢？ 关注问题写回答

 作者：知乎用户

链接：https://www.zhihu.com/question/23138692/answer/47779190
来源：知乎
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。

“希格斯粒子”（Higgs particle）与空间中的物体的质量的形成有关。有了质量，粒子才会结合为原子，有了原子，才会有分子，有了分子，才能有物体。因此，“希格斯粒子”被认为是一种形塑了世界万物的粒子，没有它，就没有人们所见的世界，可能这就是为什么它会被赞誉为“上帝粒子”（God particle）的原因。
上个世纪六十年代，英国物理学家彼得·希格斯（Peter Higgs）开始尝试研究物质拥有质量的根本原因。需要知道的是，“质量”不只简单地代表物体所含的物质的量，它的另一个意义在于物体获得加速度的难度。举个例子，一辆较重的大卡车要刹车或加速，肯定会比一辆较轻的小轿车困难得多，用的时间长，需要的能量也大。加速的难度越大，质量越大。
据说，希格斯在一次野外散步的时候突发奇想，认为空间就像水，水中的物体在运动时会遇到阻力，让运动变得困难，相应地，粒子穿行于空间中，也应该承受某种“阻碍”，使其需要有所付出才能获得加速度，在宏观世界中体现为“质量”。空间中的这种使物质获得质量的机制，被称作“希格斯场”（Higgs field）。
理论物理学家布莱恩·葛林（Brian Greene）曾经提到过一个很有意思的比喻：可以把“希格斯场”想象成“狗仔队”，把空间中的各种物质看作“明星”。“狗仔队”看见明星就会一拥上前，将其团团围住，而明星则必须要使劲往前挤才能逃走；明星挤得越费劲，与狗仔队的互动越多，受到的阻碍越大，当然也从侧面说明，他的“名气”越大。演员们的名气，就等价于物质的“质量”。由于演员们的名气有大有小，相应地，不同物质（基本粒子）的质量也各不相同。比如，光子的（静止）质量是零，因此光能以理论上空间中的最快速度运动。
后来，欧洲核子研究组织（CERN）在日内瓦建造了一座“大型强子对撞机”（LHC），科学家们开始尝试把粒子加速到接近光速的速度，希望能从空间中找到“希格斯场”中的粒子，也就是“希格斯粒子”，以此验证希格斯的理论。
2013年，通过对撞机实验，初步确认已经发现了“希格斯粒子”，定名为“希格斯玻色子”（Higgs Boson，粒子分为“玻色子”和“费米子”两类，它们的自旋特性不同），证明了“希格斯场”的存在，希格斯本人也因此荣获诺贝尔奖。
* “希格斯玻色子”仅仅是基本粒子，比如电子等的质量的来源，虽然世界万物都由基本粒子构成，然而它却并不完全是物质的全部的质量的给予者。物体的绝大部分质量来自于胶子场中的能量。根据公式 E=mc^2，能量与质量是一回事，两者可以相互转化。

图片来源：Youtube 视频截图
视频地址：https://www.youtube.com/watch?v=1Yt-1IKoZTE

“希格斯粒子”的发现，应该算是人类探究空间的一个重大里程碑，因为它不仅证明了“真空不空”，而且还说明，“空间”不是一种虚无的东西，它拥有自己与生俱来的固定的特性；“希格斯粒子”被认为普遍存在于空间中，作用就是给运动的物质施加质量（加速的难度）。这同时也说明了，即使是人们一般认为的“绝对真空”，也能够对物质造成实在的影响。

可以参考这里：
Higgs boson（Wikipedia 上关于希格斯玻色子的详细解释）。
Peter Higgs interview: 'I have this kind of underlying incompetence'（Peter Higgs 的访谈）。
还有，PBS NOVA 的纪录片《The Fabric of the Cosmos: What Is Space?》

作者：知乎用户
链接：https://www.zhihu.com/question/23138692/answer/47779190
来源：知乎
著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。

Read more »

天文學大突破 窺見人類起源

（綜合二十八日電）天文學家今天宣布首次偵測到宇宙最早恆星的訊號，這些恆星誕生於136億年前，也就是宇宙大爆炸1.8億年後。若經證實，不僅得一窺宇宙初期樣貌，也有助了解神祕的「暗物質」(dark matter)。

法新社與「自然」（Nature）期刊報導，天文學家數十年來不斷探尋，如今靠著安裝在澳洲沙漠一個餐桌大小的無線電光譜儀偵測到這些恆星訊號，比預期發現的時間還早好多年，讓科學界振奮不已。儘管仍須其它實驗證實，但一名觀測者難掩興奮地說，這是自2015年發現重力波之後，最重大的天文突破。

研究主要調查員、亞利桑那州立大學（Arizona State University）天文學家鮑曼（Judd Bowman）表示：「發現這些微弱的訊號，對了解初期的宇宙開了一扇窗。」「望遠鏡看得不夠遠，不能直接看到這些古老的恆星，但我們會在它們發亮時看到它們。」

天文學家說，看到宇宙剛剛發亮時的景象，即使只是一個極微弱的訊號，意義比知道宇宙大爆炸更重要，因為生命來自星球，因此「我們看到了人類的起源。」

這些恆星活躍於136億年前，換句話說，大爆炸產生宇宙1億8000萬年後，就有這些恆星，而我們的太陽和太陽系形成，則又是約90億年後的事了。科學界早就預期會發現這些恆星存在的證據，只是沒想到這麼快就偵測到訊號。

科學家認為，宇宙大爆炸約40萬年後，宇宙仍是一片漆黑，充滿了氫氣。亞利桑那州立大學地球與太空探索學院（School of Earth and Space Exploration）表示，後來引力慢慢把氣體密度最高的地區拉在一起，形成恆星。

這份研究偵測到的是來自原始氫的訊號，而這些氫之所以會被偵測到，是因為恆星當時發出了光亮。

使專家意想不到並感到興奮的是，這個訊號顯示意外的低溫和異常明顯的波頻，而天文學家認為這可能是看不到的暗物質造成的。如果確實如此，這將是首次證實科學家搜尋了幾十年的暗物質確實存在。

研究資料顯示，初期宇宙的溫度比原來估計的低一倍，只有攝氏零下270度。特拉維夫大學天文學家巴卡納說，這種意外低溫可能是普通物質與暗物質互動，而能量被後者吸走所致。

形成人類所能看到和觸摸的一切事物的普通物質，只占宇宙所有質量的4.9%，暗物質占26.8%，其餘68.3%則是黑暗能量。

科學家相信在宇宙大爆炸後大約40萬年，宇宙又黑又冷，只充滿氫氣和氦氣；後來重力使宇宙氣雲最密集地區逐漸凝聚形成星球；而人類的太陽和太陽系是在大約90億年後才形成。

最早的恆星是宇宙中所有重元素（heavy element）的來源，包括延續生命必要的元素。

Read more »

諾貝爾物理學獎：何為重力波？微弱的時空「漣漪」

綜合外電報導，3名美國學者因鑽研雷射干涉重力波（Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO）有成而獲獎。魏斯(Rainer Weiss)、索恩(Kip Thorne)和巴瑞許(Barry C Barish)因為對雷射干涉重力波天文台探測器（LIGO detector）有卓越的貢獻，以及對重力波的深入觀察而共享本屆諾貝爾物理學獎。本屆獎金共900萬瑞典克朗（約3,500萬台幣），其中魏斯獲得一半，而巴瑞許和索恩則平分另一半。

美國天體物理學家巴利許、索恩和魏斯因首度成功直接觀測到重力波，共享2017年諾貝爾物理學獎。成功觀測重力波為揭開終極宇宙的奧秘敞開大門。

法新社和美國有線電視新聞網（CNN）報導，愛因斯坦（Albert Einstein）一個世紀前預言的重力波，是其廣義相對論的部分內容，然而直到2015年，科學家才首度偵測到重力波。重力波是微弱的時空「漣漪」，很難觀測到。

宇宙發生極端暴力事件，例如黑洞相撞或恆星核心崩塌，就會產生重力波。

瑞典皇家科學院（Royal Swedish Academy ofSciences）秘書長韓遜（Goran K Hansson）說：「他們的發現震撼全世界。」

他們於2015年9月首度發現重力波，2016年2月對外宣布，這項歷史性成就是數十年科學研究的成果。

自那時起，他們便勇奪各項天體物理學大獎。

索恩（Kip S. Thorne）和魏斯（Rainer Weiss）在加州理工學院（California Institute ofTechnology）共同打造雷射干涉重力波天文台（LaserInterferometer Gravitational-Wave Observatory,LIGO），巴利許（Barry C. Barish）接著完成計畫。

台灣清大電機系、光電所教授趙煦等5名師生，參與美國研發高靈敏度的雷射反射鏡，協助探測到重力波，這項重要的科研成果也獲得有諾貝爾獎前哨站之稱的基礎物理「突破獎」。

清大指出，獲獎的LIGO團隊結合了多達15國、上千名科學家，偵測到13億光年外兩個黑洞碰撞的活動，證實了愛因基坦百年前在廣義相對論中即預測存在的重力波，此項發現被譽為找到「物理界聖杯」。

科學家首度直接觀測到的重力波，發生在距離地球大約13億光年處。瑞典皇家科學院說：「儘管傳至地球的訊號已極度微弱，仍為天體物理學出現重大變革帶來希望。對於太空發生的最激烈事件，重力波提供了全新的觀測方式，並且挑戰人類知識的極限。」

此外，自2015年來，科學家還3度偵測到難以捉摸的重力波，兩次由雷射干涉重力波天文台偵測到，一次則由義大利卡西納（Cascina）歐洲重力天文台（European Gravitational Observatory）的處女座偵測器（Virgo）。

諾貝爾評審委員會解釋：「重力波以光速傳播，充塞宇宙，一如愛因斯坦在其廣義相對論中所述。」

諾貝爾評審委員會說：「愛因斯坦曾預言，人類恐怕永遠無法觀測到重力波。不過LIGO計畫利用一對巨大的雷射干涉儀，在重力波通過地球時，測量比原子核小上數千倍的變化。」

Read more »

發現控制周期基因機制 分析晝夜作息規律 美3學者破解生理時鐘黑盒

【諾貝爾醫學獎】
作息有時是健康之道。美國三名科學家發現控制生理時鐘（circadian rhythm）分子機制，解釋晝夜作息規律背後的運作，令外界關注睡眠時間和燈光環境等影響，榮獲本年諾貝爾醫學獎。

瑞典卡羅琳醫學院昨宣佈，三名得主為霍爾（Jeffrey Hall）、羅斯巴什（Michael Rosbash）和揚格（Michael Young），三人將平分900萬瑞典克朗（861萬港元）獎金。三人是2013年邵逸夫生命科學與醫學獎得主，曾在中文大學演講。諾貝爾獎評審在聲明中指，地球上所有生物都適應地球自轉，花朵晝開夜合，人類在夜間出現睡意，科學家早在18世紀就發現，除了日照因素，生物體內是有生理時鐘，主宰睡眠和飲食模式，以至荷爾蒙和體溫變化的節奏，但一直未知這個內建的時鐘是如何運作。
直到1970年代，科學家發現果蠅控制生物時鐘的基因，稱之為周期基因（period gene）。同屬布蘭戴斯大學的霍爾和羅斯巴什，與洛克菲勒大學的揚格，1984年分別成功隔離出周期基因，霍爾和羅斯巴什發現由周期基因轉錄產生的PER蛋白會在夜間累積，在日間解降，形成24小時周期。
兩人提出這種周期性機制之所以形成，是因為PER蛋白有機制阻斷周期基因激活，令PER蛋白數目累積到一定水平後回落，周期基因之後重新激活，周而復始。揚格1994年為此提供重要拼圖，發現另一條生物時鐘基因轉錄產生的TIM蛋白，跟PER蛋白結合後可走回細胞核，阻斷周期基因激活。三人在這框架下發現更多與生理時鐘有關的基因、蛋白機制，如光線如何令生理時鐘同步。

助研不配合生理時鐘影響

英國醫學研究委員會科學家黑斯廷斯（Michael Hastings）表示：「過去生理時鐘被視為黑盒，我們不知它是如何運作。他們找出令時鐘運作的基因，當找到基因，這研究範疇就可隨心所欲發展。」
評審指出，生理時鐘對健康影響深遠，當外在環境和內在生理時鐘不同步，如短時內穿越多個時區產生的「時差反應」，適應前會令人渾身不妥。其他研究指出當作息節奏長期跟生理時鐘不配合，是會增加患癌症、神經性退化疾病、新陳代謝失調和炎症等疾病的風險。
評審之一赫格（Christer Hoog）表示：「我們對於不跟從自己時鐘的影響，知得越來越多。如果你一直不跟自己的鐘，會有甚麼後果？醫學研究正跟進這方面。」
美聯社/法新社/路透社/諾貝爾獎官網

霍爾Jeffrey Hall

專攻遺傳學研黑腹果蠅

72歲的霍爾是美國頂尖的遺傳生物學家，大學時原本打算學醫，但經過遺傳學家艾夫斯（Philip Ives）啟蒙後，對生物學出現濃厚的興趣，於是進入研究院專攻遺傳學，他畢生致力研究黑腹果蠅的生理結構和行為。
1984年，霍爾同羅斯巴什（Michael Rosbash）破解了果蠅的基因內藏調節日夜規律的生物鐘，聲名大噪。過去，科學界對生物在日夜行為變化的研究，主要圍繞着器官和組織方向進行，霍爾的研究成果既拓闊了科學家的視野，亦把遺傳學地位提升到新的台階。他昨日得知獲獎後，最初還以為是惡作劇，「感覺難以置信」。
《蘋果》記者

羅斯巴什Michael Rosbash

自謙「站在巨人肩上」

73歲的羅斯巴什昨凌晨5時被道賀電話吵醒，他說：「固網電話在1小時內響不停，原因通常是有死訊，我至今仍有點不知所措。」
對於得獎感受，羅斯巴什更稱要感謝他的研究對象：果蠅。不過，羅補充說：「我不過是站在巨人的肩膊上，這個獎項對我實在是受之有愧。」謙虛的羅斯巴什是美國出名的生物化學專家，幼年喪父，寒窗苦讀才取得今日的成就。他在布蘭迪斯大學做研究時認識霍爾，二人因興趣、運動嗜好和政治立場相近而成為好朋友，但羅斯巴什謙稱跟霍爾合作之所以取得成功，全賴揚格早期對果蠅基因的獨立研究奠下良好基礎。
《蘋果》記者

揚格 Michael Young

科研成果供競爭對手

68歲的揚格是美國國家科學院院、著名遺傳學家、洛克菲勒大學副校長，他自幼熱愛科學，大學師承遺傳學專家賈德（Burke Judd）。
在上世紀80年代初，為了觀察基因對果蠅日夜飛行的影響，他和助手在實驗室，4日4夜輪流注視果蠅行為，那時電腦和錄影還未普及，他便用紅筆在圖紙上畫紅線記錄，對科研的熱誠毋庸置疑。據霍爾回憶，他跟羅斯巴什的研究小組跟揚格的研究小組，在90年代處於既競爭又合作關係，但霍爾團隊要借用揚格發現的生物鐘基因蛋白抗體時，揚格二話不說就送去，用行動去表明科學家獨佔科研材料、為競爭保密的愚昧時代已過去。

Read more »

人類漸進演化 不存在飛躍

（綜合報導）「對話」網登載了劍橋大學考古學與人類學系教授羅伯特‧弗利（Robert Foley）的文章《人類沒有巨大飛躍：為何我們一直以錯誤的方式看待人類進化？》（No giant leap for mankind:why we've been looking at human evolution in the wrong way?）。
作者稱，人類的進化是綜合各種因素並逐漸演進而成的，在此過程中並沒有飛躍性的步驟。
曾有觀點把某一特定事物看成是使人類進化得到飛躍性進步的決定性因素，但弗利認為，這種觀點是不對的。他以狩獵為例表示，人類祖先對肉類的攝入量多於其他靈長類動物，因此有人認為肉類是讓人類進化出龐大而複雜大腦的優質資源。不過，食用肉類的背後體現了原始人類在狩獵過程中的溝通、合作以及狩獵技術的進步，並不能簡單地將人類進化歸功於食肉。此外，人類的進化是一個漸進和累積的過程，這一過程十分漫長。
弗利表示，龐大的體型有助於抵禦捕食者和獲得更大的獵物，但是人類的早期祖先並不是又高又壯的物種，與現在的我們相差很遠。事實上，幾乎所有的早期人類體型都比較小。現在全球人均體重略大於60公斤，但是直到尼安德特人和現代人出現之前，沒有任何一種原始人的平均體重能達到50公斤，絕大多數都低於40公斤。在當今，隨著人類獲得更好的營養，人類的體型已經逐漸加大，體重也逐漸增加。
但這並非是人類進化道路上的常態，不能將當前人類的情況代入到人類進化過程中來反推。他表示，化石的發現和科學技術的進步可以幫助我們瞭解人類進化的節奏和方式，但人類進化過程中的飛躍並不存在。

Read more »

為何現代猿 不會進化為人？

（綜合報導）美國《芝加哥論壇報》網站刊登題為《猿為什麼不會進化成人？》的文章。文章內容摘轉如下：
為什麼地球上已經沒有古人類？
如果說進化一直在進行、物種總是在變化和適應，那麼，儘管舊的類人物種已滅絕，我們難道不應該看到從猿進化出新的類人物種嗎？
答：我們不想讓你知道事實，但你就是猿。
尼安德特人、古猿露西、湯恩幼兒和北京人也是。我們進化了，猩猩、大猩猩、倭黑猩猩和黑猩猩也進化了。我們大家都從生活在大約1400萬年前的一個共同祖先進化而來，一起組成了分類學上的人科。也叫人科動物，或者叫類人猿。
首先，我們稱之為猿的生物是我們的表親，不是我們的祖先。這就使它們很難進化成我們這樣。
加拿大湖首大學的人類學教授、美國國立自然歷史博物館人類起源項目的研究員馬特‧托赫裡說：「問為什麼今天的大猩猩不會進化成原始人，就好比問為什麼你表親的孩子跟你長得不像。這些生物1000萬年來有自己的家系。你不能在家系上隨意往返。」
人們很容易把進化想像成日益複雜化的、線性的漸進過程，以單細胞變形蟲開始、以我們結束。但進化是沒有終點的，即使有也肯定不是人類。在許多情況下，進化往往趨向於簡單高於一切。這就是為什麼住在山洞裡的動物失去了眼睛，鯨魚——它們是陸地哺乳動物的後代——幾乎沒有腿骨。連智力也並非神聖不可侵犯：海膽沒有中樞神經系統，但它們的祖先原本是有大腦的。
賓夕法尼亞州立大學古人類學家尼娜·雅布隆斯基說：「進化與特定條件下的生存和隨機突變有關，它有很大的偶然因素，但顯然沒有方向因素……一切生物都不過是在努力適應其周圍環境中的突發事件。」
換句話說，現代人類之所以能夠比其他古人類活得長，是因為我們能充分利用自身所處特定環境下的生態位。假如3萬年前氣候沒有發生變化，假如它的變化有所不同，那麼，倖存下來的也許就是尼安德特人而不是智人。
當我們問為什麼我們的猿類表親不會進化出人類所具有的特質時，一定要記住這一點。
現代類人猿生活在樹林茂密的環境中，爬樹能力是一大優勢，因此它們沒有必要像人類那樣用雙足直立行走。
黑猩猩和倭黑猩猩等生物沒有跟我們一樣的高耗能大腦，卻能夠使用簡陋的工具來築巢，牠們會欣賞美，甚至會悼念死去的同類。
雅布隆斯基表示：「我們的猿類表親不需要變得更像人，因為它們活得很好。」

Read more »