跳至主要内容

穹苍解密3D

在电影《穹苍解密 3D》里,我们回顾了历史上多位科学巨人的成就,了解到他们的科学发现如何影响人类生活和启发我们。科学家之路是如何启程的?大部分的科学研究是由观察开始。科学家就他们观察到的事情提出问题。科学家会为这些问题作出假设(假设是对于问题的潜在答案),并预测这些假设的结果。科学家会设计实验来验证他们订立的假设。如果实验的结果和预测的一样,科学家会重复又重复这个实验来确认是否每次实验都能得出一样的结果;如果实验的结果和预测的不同,科学家就会去调整或重新订立假设,再进行实验来试验新的假设。最后,科学家得到实验的数据后便会分析实验的结果,并作出结论。

以上过程的核心为「假设演绎法」,可透过下面流程图了解:

「假设演绎法」

从二十世纪至今,科学家为了印证一些假设而建设了电影中所提及的大型强子对撞机 (LHC)进行实验,当中涉及大量的粒子加速和撞击,而分析其中粒子性质就是物理学范畴中的量子力学。

量子力学

 

量子力学为探究微观世界(如亚原子等级)的物理分支,于十九世纪与二十世纪之交开始逐步由普朗克、爱因斯坦、玻耳、薜定谔、海森堡及狄拉克等物理学家建构起来的,现在跟相对论成为现代物理学的两大支柱。

量子力学的研究对象

量子力学的一类重要研究对象是基本粒子。在量子的世界中,所有物质都可以被还原成61种基本粒子,它们不能由更小的粒子构成。想象一下基本粒子就像积木一样,我们所知的所有物质都是由它们砌成的。基本粒子组成了原子(例如是氢)和分子(例如是水),而原子和分子构成了这个世界。

量子力学的应用

量子力学的应用在日常生活中可说无处不在,例子如下:
计算机、智能电话:构成处理器的集积电路
GPS:原子钟较正
医疗设备:磁力共振成像
核能发电:浓缩铀的衰变过程

大型强子对撞机 (LHC)

 

大型强子对撞机(LHC)位于瑞士日内瓦,是世界上最大的粒子加速器。科学家可以利用它来进行粒子撞击实验,得知粒子如何互相影响,从而去研究不同的物理问题,例如是研究基本粒子特性、完成统一场论、找出暗物质和暗能量是甚么等。

运作原理

在周长27公里由超导磁铁组成的环形管道中,两束质子会向相反方向持续地加速(速度可以接近光速,但无法超越光速),具有高能量的两束质子会互相撞击。两束质子碰撞后,因为能量和速度够高,能撞出新的粒子,这就是科学家想观测和研究的。

加速器

LHC一共有有四个不同的加速器,质子在经过这些加速器后,才会进入主加速环。主加速环有四个碰撞点,在碰撞点下分别有七个不同的粒子探测器。这些粒子探测器是用来探测和鉴别粒子的,它们可以测量粒子的特性,例如是粒子的能量、动量和电荷等,科学家从而可以找出粒子碰撞后产生的新粒子是甚么。

重要成就

其中一个透过LHC的对撞实验寻找到的是希格斯玻色子。科学家在2012年证实了希格斯玻色子的存在,这项发现完整了粒子标准模型。

LHC的官方网站:https://home.cern/science/accelerators/large-hadron-collider

太空馆相关展品

 

在太空馆内地下的展厅设有大型强子对撞机的模拟示范,有兴趣的读者可以前来一试。

大型强子对撞机的模拟示范

大型强子对撞机知多点

 

为什么大型强子对撞机要建造在地底下呢?

答:在地底建造隧道比在地面上建造一样的设施更便宜。同时,大型强子对撞机用的环形隧道是之前大型电子正电子对撞机所在的位置,重用这已建成的地底隧道更符合经济效益。价钱是唯一的考虑因素吗?当然不是!地底的环境其实是大型强子对撞机的天然屏障,周围的岩石可以降低到达大型强子对撞机的自然辐射,减少对探测器的干扰。大型强子对撞机运行时产生的辐射也会被岩石阻挡,避免辐射影响到周围的环境。

为什么要将大型强子对撞机建造在27公里的管道中?

答:其实大型强子对撞机只是碰巧重用了之前为另一实验而建造的周长27公里隧道。物体会沿直线运动,有外加力才能令物体沿曲线运动。在大型强子对撞机中,所需的能量取决于粒子运行的速度和圆形管道的周长。想像大型强子对撞机的管道是赛车的赛道,它的弯位较小弯度就越急;弯位较大,弯的程度就较小。要将粒子沿着较弯的管道移动需要较强大的能量,但大型强子对撞机能运用的能量有所限制,最终科学家将大型强子对撞机建造在27公里的管道中,比只有109米长的国际太空站长上二百多倍。 27公里就足够了吗?科学家的目标是建造更大型的对撞机,而这就有待你们在未来研究和建造了。

大型强子对撞机比外太空还要冷?

答:大型强子对撞机中的超导磁铁被冷却至摄氏−271.3度,比外太空的-270.5度还要冷。它是世界上最大的低温系统,而这系统是利用液态氦来维持的。为什么大型强子对撞机需要如此的低温?这个接近绝对零度的温度是用以维持超导磁铁的超导状态及令粒子探测器中较重的气体保持在液态,用来探测粒子。如果大型强子对撞机不能保持这样的低温,粒子就不会沿着环形管道运行而有机会沿直线撞向管道的外围了。

重要词语

 
大爆炸 大爆炸是一个描述字宙起源和演化的字宙学模型。根据大爆炸,字宙是由一个奇点开始,在大爆炸过后整个宇宙就是一个很细小、高密度和高温度的状态开始,不断膨胀而演变到今日的状态。
重力波 重力波是时空的涟漪,是由加速的物体产生的,它会扭曲时空,令身处时空的物质变形。物体的质量越大,所造成的时空扭曲也会越大。想象时空是一张弹床,当有质量的物体存在,他们会令弹床下陷,令它变形,其他质量较小的物体靠近时会绕着质量较大的物体移动。在太阳系中,位于中心的太阳的质量大,造成的时空扭曲也较大,地球等的行星会沿着这弯曲了的时空围绕着太阳运行。当有质量的物体在时空中运动时,所造成的时空扭曲也会跟着移动。这些扭曲的变化会以光速,像波一样向外传播,这就是重力波。
粒子加速器 粒子加速器利用电磁场(由电荷产生的物理场)来加速带电粒子,令它们获得高能量。粒子加速器有两种,分别是环型加速器和直线加速器。环型加速器会将粒子在圆形结构里持续地加速,而粒子在直线加速器则会在直线中加速,去到加速器的尾端。粒子加速器的应用广泛,旧电视中的显像管和X光都运用了粒子加速器;在医学上,粒子加速器可以用于癌症的治疗。
希格斯玻色子 希格斯玻色子又叫上帝粒子,它是标准模型里的一种基本粒子,是一种玻色子(玻色子为一类依循玻色-爱因斯坦统计的粒子,它们和费米子构成基本粒子的家族)。希格斯玻色子是61种基本粒子中唯一一种没有质量的粒子,根据希格斯机制,它会给予其他基本粒子质量。希格斯玻色子是科学家根据基本粒子模型估算存在后超过40年,在2012年才通过大型强子对撞机发现的。