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穹蒼解密 3D - 教育資源

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在電影《穹蒼解密 3D》裏,我們回顧了歷史上多位科學巨人的成就,了解到他們的科學發現如何影響人類生活和啟發我們。科學家之路是如何啟程的?大部分的科學研究是由觀察開始。科學家就他們觀察到的事情提出問題。科學家會為這些問題作出假設(假設是對於問題的潛在答案),並預測這些假設的結果。科學家會設計實驗來驗証他們訂立的假設。如果實驗的結果和預測的一樣,科學家會重覆又重覆這個實驗來確認是否每次實驗都能得出一樣的結果;如果實驗的結果和預測的不同,科學家就會去調整或重新訂立假設,再進行實驗來試驗新的假設。最後,科學家得到實驗的數據後便會分析實驗的結果,並作出結論。

以上過程的核心為「假設演繹法」,可透過下面流程圖了解:

hypothetical-deductive method

從二十世紀至今,科學家為了印證一些假設而建設了電影中所提及的大型強子對撞機 (LHC)進行實驗,當中涉及大量的粒子加速和撞擊,而分析其中粒子性質就是物理學範疇中的量子力學。

量子力學為探究微觀世界(如亞原子等級)的物理分支,於十九世紀與二十世紀之交開始逐步由普朗克、愛因斯坦、玻耳、薜定諤、海森堡及狄拉克等物理學家建構起來的,現在跟相對論成為現代物理學的兩大支柱。

量子力學的研究對象

量子力學的一類重要研究對象是基本粒子。在量子的世界中,所有物質都可以被還原成61種基本粒子,它們不能由更小的粒子構成。想像一下基本粒子就像積木一樣,我們所知的所有物質都是由它們砌成的。基本粒子組成了原子(例如是氫)和分子(例如是水),而原子和分子構成了這個世界。

量子力學的應用

量子力學的應用在日常生活中可說無處不在,例子如下:
電腦、智能電話:構成處理器的集積電路
GPS:原子鐘較正
醫療設備:磁力共振成像
核能發電:濃縮鈾的衰變過程

大型強子對撞機(LHC)位於瑞士日內瓦,是世界上最大的粒子加速器。科學家可以利用它來進行粒子撞擊實驗,得知粒子如何互相影響,從而去研究不同的物理問題,例如是研究基本粒子特性、完成統一場論、找出暗物質和暗能量是甚麼等。

運作原理

在周長27公里由超導磁鐵組成的環形管道中,兩束質子會向相反方向持續地加速(速度可以接近光速,但無法超越光速),具有高能量的兩束質子會互相撞擊。兩束質子碰撞後,因為能量和速度夠高,能撞出新的粒子,這就是科學家想觀測和研究的。

加速器

LHC一共有有四個不同的加速器,質子在經過這些加速器後,才會進入主加速環。主加速環有四個碰撞點,在碰撞點下分別有七個不同的粒子探測器。這些粒子探測器是用來探測和鑑別粒子的,它們可以測量粒子的特性,例如是粒子的能量、動量和電荷等,科學家從而可以找出粒子碰撞後產生的新粒子是甚麼。

重要成就

其中一個透過LHC的對撞實驗尋找到的是希格斯玻色子。科學家在2012年證實了希格斯玻色子的存在,這項發現完整了粒子標準模型。

LHC的官方網站:https://home.cern/science/accelerators/large-hadron-collider

大型強子對撞機的模擬示範

在太空館內地下的展廳設有大型強子對撞機的模擬示範,有興趣的讀者可以前來一試。

為甚麼大型強子對撞機要建造在地底下呢?

答:在地底建造隧道比在地面上建造一樣的設施更便宜。同時,大型強子對撞機用的環形隧道是之前大型電子正電子對撞機所在的位置,重用這已建成的地底隧道更符合經濟效益。價錢是唯一的考慮因素嗎?當然不是!地底的環境其實是大型強子對撞機的天然屏障,周圍的岩石可以降低到達大型強子對撞機的自然輻射,減少對探測器的干擾。大型強子對撞機運行時產生的輻射也會被岩石阻擋,避免輻射影響到周圍的環境。

為甚麼要將大型強子對撞機建造在27公里的管道中?

答:其實大型強子對撞機只是碰巧重用了之前為另一實驗而建造的周長27公里隧道。物體會沿直線運動,有外加力才能令物體沿曲線運動。在大型強子對撞機中,所需的能量取決於粒子運行的速度和圓形管道的周長。想像大型強子對撞機的管道是賽車的賽道,它的彎位較小彎度就越急;彎位較大,彎的程度就較小。要將粒子沿著較彎的管道移動需要較強大的能量,但大型強子對撞機能運用的能量有所限制,最終科學家將大型強子對撞機建造在27公里的管道中,比只有109米長的國際太空站長上二百多倍。27公里就足夠了嗎?科學家的目標是建造更大型的對撞機,而這就有待你們在未來研究和建造了。

大型強子對撞機比外太空還要冷?

答:大型強子對撞機中的超導磁鐵被冷卻至攝氏−271.3度,比外太空的-270.5度還要冷。它是世界上最大的低溫系統,而這系統是利用液態氦來維持的。為甚麼大型強子對撞機需要如此的低溫?這個接近絕對零度的溫度是用以維持超導磁鐵的超導狀態及令粒子探測器中較重的氣體保持在液態,用來探測粒子。如果大型強子對撞機不能保持這樣的低溫,粒子就不會沿着環形管道運行而有機會沿直線撞向管道的外圍了。

大爆炸

大爆炸是一個描述字宙起源和演化的字宙學模型。根據大爆炸,字宙是由一個奇點開始,在大爆炸過後整個宇宙就是一個很細小、高密度和高溫度的狀態開始,不斷膨脹而演變到今日的狀態。

重力波

重力波是時空的漣漪,是由加速的物體產生的,它會扭曲時空,令身處時空的物質變形。物體的質量越大,所造成的時空扭曲也會越大。想像時空是一張彈床,當有質量的物體存在,他們會令彈床下陷,令它變形,其他質量較小的物體靠近時會繞着質量較大的物體移動。在太陽系中,位於中心的太陽的質量大,造成的時空扭曲也較大,地球等的行星會沿着這彎曲了的時空圍繞着太陽運行。當有質量的物體在時空中運動時,所造成的時空扭曲也會跟着移動。這些扭曲的變化會以光速,像波一樣向外傳播,這就是重力波。

粒子加速器

粒子加速器利用電磁場(由電荷產生的物理場)來加速帶電粒子,令它們獲得高能量。粒子加速器有兩種,分別是環型加速器和直線加速器。環型加速器會將粒子在圓形結構裏持續地加速,而粒子在直線加速器則會在直線中加速,去到加速器的尾端。粒子加速器的應用廣泛,舊電視中的顯像管和X光都運用了粒子加速器;在醫學上,粒子加速器可以用於癌症的治療。

希格斯玻色子

希格斯玻色子又叫上帝粒子,它是標準模型裏的一種基本粒子,是一種玻色子(玻色子為一類依循玻色-愛因斯坦統計的粒子,它們和費米子構成基本粒子的家族)。希格斯玻色子是61種基本粒子中唯一一種沒有質量的粒子,根據希格斯機制,它會給予其他基本粒子質量。希格斯玻色子是科學家根據基本粒子模型估算存在後超過40年,在2012年才通過大型強子對撞機發現的。

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