阿宅物理第3話——物質結構與鍊金術

（原文同步刊載於泛科學）

        先前，人稱（？）物理界蔡頭的大抖宅，向大家介紹了反物質的箇中奧妙，卻也帶出讓人困惑的問題：為何宇宙中的反物質這麼稀少？物理學家因此提出許多理論，試圖揭開這個謎底。然而，組成物質與反物質的粒子其實相當多樣，特性亦不相同；於是，物質比反物質多的現象，也可能隨著粒子種類的區分而有不同因素，如果不追根究柢，就太辜負了阿宅的熱血！大家是否如鋼之鍊金術師愛德華‧愛力克[1]一樣，準備好探求物質的原理了呢？Go！

＜鋼之鍊金術師＞主角愛德華‧愛力克描述的科學家（出處：單行本第一卷）

        根據西方鍊金術的古老傳說，只要拔到獅子的鬃毛擁有賢者之石，就能將普通的金屬鍊成黃金；而在＜鋼之鍊金術師＞裡，「等價交換」是最基本的法則，主角愛德華‧愛力克是這麼說明的：「如果要得到某樣東西，就必須要付出同等的代價。」依現代化學理論而言，我們可以將等價交換法則理解為原子不滅定律與質量守恆定律，亦即：化學反應只是讓物質中的原子重新排列、組合，反應前後原子種類及數目不會改變，總質量也不會改變[2]。於是，說到底，要從沒有黃金成份的物質鍊出黃金是不可能的事，就算你有賢者之石也一樣（雖然它在許多電玩遊戲裡很好用）——因為金原子不會憑空出現，也無法由化學反應合成。不過，即使我們沒辦法真的鍊金，從碳製造鑽石倒是可能的：鑽石是由碳原子組成的特定結構，只要符合某些條件，我們就可以用碳合成出鑽石。

＜鋼之鍊金術師＞裡針對等價交換的說明（出處：單行本第一卷）

        「可是瑞凡，[3]」各位或許要問了：「原子到底是什麼呢？」如中學理化課所教，所有物體都是由原子構成的；原子又包含了原子核，以及環繞其外的電子。若以簡單的圖像表示，近似於：

原子結構示意圖（黑：電子，紅：質子，藍：中子。出處：維基百科）

位於中心的原子核，由質子（以紅色表示）與中子（以藍色表示）組成；電子則繞著原子核運行（不過必須注意的是，圖裡的顏色僅為區分之用，不代表真實顏色；電子的軌跡也不是圖中所畫這麼簡單）。原子核實際上只佔了原子中心極極極～微小的區域。通常，我們說原子的直徑約為$10^{-10}$公尺（0.1奈米），原子核的直徑則大約是原子的萬分之一強。也就是說，如果原子核跟我們人類一樣大的話，那麼整個原子的大小就是圍繞你周圍十多公里遠的範疇 [4]。

        電子是人類最熟悉的基本粒子之一，我們日常生活用到的電，都是藉由電子來輸送。因電子帶負電，為了方便，我們將其電荷定為 -1單位。同時，電子還有個結拜夥伴，稱為電子中微子（electron neutrino），顧名思義，是電中性的微小粒子[5]。這一對換帖的，我們歸類為輕子（lepton）第一代（first generation）。再者，我們有渺子[6]（muon）和渺子中微子（muon neutrino）結成的輕子第二代；與濤子[7]（tau）和濤子中微子（tau neutrino）搭配的輕子第三代。這所謂第幾代，是以電子、渺子和濤子的發現順序來分，並無輩分大小——就像火影的初代目到七代目[8]，是以擔任時間來排序，不見得都有血緣關係。渺子、濤子與電子雷同，均帶 -1 單位電荷，但是質量較大，可看做威力加強版的電子。不過，因為渺子和濤子壽命極短、稍縱即逝，所以幾乎只能在實驗裡看到。

        質子和中子也是我們很熟悉的粒子，它們組成了原子核。實際上，質子和中子都是由更基本的粒子（稱為夸克）所構成的。夸克跟輕子類似，兩兩一夥共三代，分別為第一代的上夸克（up）、下夸克（down），第二代的魅夸克（charm）、奇夸克（strange），和第三代的頂夸克（top）、底夸克（bottom）——這邊的配對順序很重要，就像＜火影忍者＞裡佐助X鳴人（攻受不可逆）一樣；其中，前者的上、魅、頂各帶 +2/3 單位電荷，而後者的下、奇、底各帶 -1/3 單位電荷。兩個上夸克加一個下夸克構成了質子，帶 +1 單位電荷；一個上夸克加兩個下夸克構成中子，並且不帶電。像質子與中子這般由三個夸克組成的粒子，我們都歸類為重子（baryon）。同時，雖然有許多其他重子，但它們跟渺子、濤子一樣，無法穩定存在於自然界中。

        到此，我們似乎開始看出端倪了：所有物體都是由原子構成，而其中原子核裡的質子和中子屬於（夸克組成的）重子；外圍的電子則屬於輕子——所謂的原子其實包含了兩種不同類別的粒子。這也是為什麼上篇文章提及，科學家要把宇宙的發展中，產生物質多於反物質的過程，分別稱為重子始源（baryogenesis）與輕子始源（leptogenesis）。另外，剛剛提到的所有粒子，都有相對應的反粒子。[9]

        在了解原子的結構之後，讓我們回到開頭的話題：要像愛德華‧愛力克那般鍊成黃金是否終究沒指望，只能洗洗睡了呢？等一下！既然化學反應無法製造金原子，那麼物理反應呢？所有原子核都是由質子和中子組成的，相異元素的原子核之間，區別在於質子數目的多寡不同。[10] 自由操縱質子、中子，以重組金原子核，是否可行？原則上，這件事大概或許也許不是不可能，但當下現實世界的地球人卻並不擁有這樣的技術，＜空想科學讀本＞已有詳細的分析，於此就不再贅述。總而言之，要無中生有鍊出黃金在目前仍然是超越人類能力的事情，雖然很遺憾，但也無可奈何，就像大抖宅買了票要聽 Bon Jovi 邦喬飛在台灣睽違二十年的開唱，演出卻因杜鵑颱風取消一樣幹。

＜鋼之鍊金術師＞裡將石頭鍊成黃金的一幕（出處：單行本第一卷）

        然而，前一回留下的（重子始源與輕子始源）分類問題，現在只回答了一半。我們知道原子核裡的中子和質子，與環繞其外的電子分屬不同類別了（重子與輕子兩類），但它們除了名稱不同外又有什麼本質上的差異呢？分成同一類難道就不行？你有想過這個嗎？沒有。因為你只會想到你自己。電子又為什麼要跟中微子配對？莫非有什麼不可告人的特殊關係嗎？緊張緊張緊張！危險危險危險！刺激刺激刺激！欲知如何，下回請繼續收看阿宅物理第四話！

參考資料：

1. David Griffiths (2008) Introduction to Elementary Particles, 2nd edition

註釋：

[1] 請參照漫畫＜鋼之鍊金術師＞。愛德華‧愛力克為該作主角。
[2] 此處所述僅就化學領域而言。
[3] 電視劇＜犀利人妻＞的經典台詞。
[4] 原子其實沒有固定的邊界，所以也並沒有確定的大小。這邊說的原子直徑是以測量相鄰原子之間的距離來定的。又，關於原子核只佔原子中心很小部份體積一事，可延伸參考中學時所教的拉塞福（Ernest Rutherford）散射實驗。
[5] 中微子又翻譯做微中子，然而為了避免與中子產生混淆，這邊均使用中微子的名稱。今年（2015）的諾貝爾物理獎便與中微子相關，之後會另有專文介紹其性質。
[6] 有時亦翻譯成緲子。
[7] 有時亦做陶子（不是跟李李仁結婚那位）。
[8] 請參照漫畫＜火影忍者＞。
[9] 所有粒子都有對應的（質量相等但電荷相反的）反粒子；然而有些粒子會是自己的反粒子。反粒子組成的物質就稱為反物質。詳情請參閱系列前兩篇文章。
[10] 換句話說，當兩個不同原子核裡質子數目相同，我們就稱此二者是同一元素。至於中子的數量呢？請查詢同位素（isotope）一詞。