夸克，黑洞與上帝

黄啟新

夸克

「夸克」（quark）¹是組成物質的兩種基本粒子的其中一種²。1961年理論物理學家蓋爾曼（Murray Gell-man）提出「八正道」（Eightfold Way）理論，並導致後來「夸克模型」（Quark Model）的發展。³

簡單來說，我們所熟識的質子（proton）和中子（neutron）等「強子」（hadron）都是由更基本的夸克所組成。自然界有六種已知的夸克存在（見下表），

質子是由三粒夸克（兩粒上夸克和一粒下夸克）所組成：
 
    p = u + u + d
 
因為上夸克的電荷為+2/3，而下夸克的電荷為-1/3，所以質子的總電荷為+1（+2/3+2/3-1/3=+1）。
 
同樣地，中子是由三粒夸克（一粒上夸克和兩粒下夸克）所組成：
 
    n = u + d + d
 
中子的總電荷為零（+2/3-1/3-1/3=0）。
 
介子（meson）則是由兩粒夸克所組成。例如π⁺介子是由一粒上夸克和一粒反下夸克（anti-down quark）所組成⁴：
 
    π⁺ = u + d
 
π⁺介子的總電荷為+1（+2/3+1/3=+1）。

強子中的夸克是被「強作用力」（Strong Interaction）捆綁在一起的，而支配強作用力的量子理論是「量子色動力學」（Quantum Chromodynamics 或 QCD）。根據QCD，夸克是透過交換膠子（gluon）發生相互作用，而緊密地連結成強子。

從來沒有人見過單獨存在的夸克，高能撞 擊亦未能釋出自由的夸克 － 這就是所謂「夸克禁閉」（Quark Confinement）。QCD並沒有在夸克禁閉的問題上作出嚴格的解析證據，以說明夸克禁閉的由來。高斯（David Gross），波利策（David Politzer）及韋爾切克（Frank Wilczek）於1973年證明如果把強子內的夸克分得越開，它們之間強作用力的吸力便越大，因此不可能把夸克分開；相反當夸克越接近，強作用力便越 弱，這就是所謂「漸近自由」（Asymptotic Freedom）⁵。

正因為漸近自由的關係，要證明夸克的 存在唯有倚靠間接的方法。深入非彈性散射（deep inelastic scattering）實驗為強子是由夸克組成提供了證據。在1967年至1973年間，史丹福線性加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center - SLAC）的物理學家利用高能電子撞擊質子和中子，並意外地發現很多大角度散射，情況就好像物理學家盧瑟福（Ernest Rutherford）於1909年用α粒子射向金箔的實驗一樣，由此證明質子和中子是由更小的粒子（夸克）構成。

雖然從來沒有人見過單獨存在的夸克，但是相信現時沒有人會懷疑夸克的存在。事實上，已有多名物理學家因為夸克的研究而獲得諾貝爾獎：

• 蓋爾曼於1969年因他對基本粒子以及其相互作用分類的貢獻和發現而獲得諾貝爾獎。
• 丁肇中（Samuel Chao Chung Ting）和黎克特（Burton Richter）於1976年因為發現J/Ψ粒子而證實重子物質由夸克所組成而獲得諾貝爾獎。
• 弗里德曼（Jerome Friedman），肯德爾（Henry Kendall）及泰勒（Richard Taylor）於1990年因為電子對質子和中子的深部非彈性散射的調查有助夸克模型的發展而獲得諾貝爾獎。
• 高斯，波利策及韋爾切克於2004年因為他們在強相互作用中發現漸近自由而獲得諾貝爾獎。

黑洞

黑洞（black hole）是太空中的一個天體區域，它的引力場十分強大，甚至光線都被它強大引力拉回，所以黑洞本身不會發光，因此被稱為「黑洞」。⁶

早於1795年，法國數學家、物理學家和天文學家拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）就提出黑洞這個概念。他指在出一個質量足夠大的星球表面，它的引力場會強大得連光線都不可能逃出去。

根 據愛因斯坦（Albert Einstein）的廣義相對論（General Theory of Relativity），當一個質量足夠大的星體，當核熔合燃料不足夠維持本身温度，去抗衡星體自身的引力時，無限的引力坍縮 （gravitational collapse）就會形成黑洞。⁷

雖然黑洞是看不見的，但天文學家可藉著觀察黑洞周圍物質被吸引時的情況（例如強大的氣體噴射和穩定的強輻射放射）去找出黑洞位置。

雖然沒有人見過黑洞，可是現時大部份天文學家都相信黑洞的存在，他們甚致相信銀河系中心有一個超重質量黑洞（supermassive black hole）。加洲大學洛杉磯分校（UCLA）的銀河中心小組（Galactic Center Group）於2004年發現銀河系中心物體的質量相等於3,800,000個太陽質量，而半徑只有6.25光小時⁸，只有黑洞能夠在這麼小的空間裡有這麼巨大的質量。

哈勃太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）亦於1995年位於距離地球大約一億光年的NGC 4261螺旋形星系的中心發現另一個超重質量黑洞，其質量大約為太陽質量的12億（1,200,000,000）倍。⁹

天文學家亦相信在M87星系中心有一個超重質量黑洞存在，其質量大約為太陽質量的30億（3,000,000,000）倍，但體積卻只是與太陽系相若。¹⁰

上帝

讀者讀到這裡可能會問，究竟夸克，黑洞與上帝有什麼關係呢？以下是其相同之處：

從來沒有人見過

我們已經談過為何人不能看見夸克和黑洞的原因。在聖經出埃及記三十三：20，上帝亦向摩西說出我們不能看見衪的原因：

「（耶和華）又說、你不能看見我的面、因為人見我的面不能存活。」

原來只有死人能見到神的面，即使摩西能夠與上帝好像人與朋友說話一般面對面說話，亦不能見上帝的面。

間接的證據多不勝數

雖然我們無法「直接」證明夸克和黑洞的存在，但可以以「間接」的方法去證明。同樣地，我們亦有排山倒海的科學證據，去間接證明上帝的存在。

聖經羅馬書 一20說：

「自從造天地以來、 神的永能和神性是明明可知的、雖是眼不能見、但藉著所造之物、就可以曉得、叫人無可推諉．」

沒錯，我們的確可以從宇宙萬物中看見上帝。隨着科技的發達，科學家發現越來越多證據去證明人類的出現並非偶然，而是出於一系列精細得不能想像的微調 － 其中包括數以百計的宇宙微調¹¹及地球微調¹²。

例如：

• 電子和質子的數目相等的精確性高達10³⁷分之一，否則宇宙的電磁力就會支配重力，以致星系、星體、行星和生命無法形成。
• 電磁力常數和引力常數比例的精高達確性10⁴⁰分之一，否則生命不可能形成。
• 地球與太陽的距離適中：太遠（地球就會太冷）或太近（地球就會太熱）的話，地球就不可能有穩定的水循環（water cycle）。
• 地球的自轉週期適中：太長的話，日夜的温差就會太大；太短的話，大氣層的風速就會太高。

同樣地，自然生命的複雜與奥妙絕非進化論可以解釋的。例如DNA裡所儲藏複雜的資料和指令，以及好像細菌鞭毛（bacterial flagellum）等奇妙的分子機器（molecular machine）¹³，都令科學家嘆為觀止。

聖經約伯記十二7-9說得好：

「你且問走獸、走獸必指教你．又問空中的飛鳥、飛鳥必告訴你．或與地說話、地必指教你．海中的魚、也必向你說明。看這一切、誰不知道是耶和華的手作成的呢。」

的確，天地萬物都述說上帝的大能。

很多人以為看不見，不能以科學方法直接驗證的東西就不存在，並因此不相信有神。其實一些看不見，但能夠透過間接方法證明的東西亦是值得我們相信的。既然我們可以相信夸克和黑洞的存在，為何不能接受一位創造萬物的上帝呢？

1. 「夸克」又稱「層子」。
2. 另一類基本粒子為「輕子」（lepton），電子（electron）就是輕子的一種。
3. 以色列物理學家尼曼（Yuval Ne'eman）亦獨立地提出這套理論。
4. 「反下夸克」是下夸克的「反粒子」。反粒子是相對於正常粒子而言的，它們的質量、壽命、自旋都與正常粒子相同，但是所有的內部相加性量子數（比如電荷、重子數、奇異數等）都與正常粒子大小相同、而符號相反。
5. 強子內夸克之間的強作用力有點像橡膠帶，如果你嘗試把介子中的兩粒夸克拉開，夸克之間的勢能（potential energy）隨著距離增加而增加，情況就好像把一條橡膠帶拉長一樣。當勢能大於夸克對質量（即大於2mc²）時，這條橡膠帶就會斷，而在斷處會出現一對 新的夸克-反夸克，最後變成兩粒介子，而非兩粒單獨存在的夸克（見下圖）。

<-----  ( q -------- q )  ----->
<-----  ( q ---------------- q )  ----->
<-----  ( q -------- qq -------- q )  ----->
<-----  ( q -------- q )     ( q -------- q )  ----->

6. 「黑洞」這個名詞是由物理學家偉勒（John Wheeler）於1967年提出的。
7. 質量小於3.2個太陽質量的星體將形成白矮星（white dwarf）或中子星（neutron star）等致密天體；質量大於3.2個太陽質量的星體將形成黑洞。（參考：方勵之 褚耀泉，《從牛頓定律到愛因斯坦相對論》，南粵出版社，1989，p.99）
8. 參考 UCLA Galactic Center Group 網站。
9. 參考 HUBBLESITE 網站。
10. 參考 University of Tennessee Astrophysics University of Tennessee 網站。
11. 參考《精密微調的宇宙》一文及Reasons To Believe 網站。
12. 參考 Reasons To Believe 網站。
13. Michael J. Behe, Darwin's Black Box, Free Press, 1996, p.69