穿越長達10公里的隧道後,不用喊芝麻開門,山洞裡厚重巨大的金屬門自動緩緩滑開。這裡沒有阿里巴巴的金銀財寶,但有探索宇宙起源與神秘粒子的知識寶藏。

山洞裡的科學家,用最先進研究吸引人才到地震災區

義大利的巨石國家實驗室(Laboratori Nazionali del Gran Sasso)位在亞平寧山脈深處,上方有1400公尺高的山峰罩頂,是目前全球最大的地底核子物理實驗室。戴上超大的「安全帽」是為了隔絕像大雨持續落在地球上的宇宙射線與自然界的輻射線干擾,才有可能觀察到難以捉摸的微中子(neutrino)和黑暗物質(dark matter)。

實驗室位在深山彷彿置身銅牆鐵壁中,2009年中部大地震時毫髮無傷,鄰近的拉奎拉(L’Aquila)卻有上百座建物傾塌,超過三百人喪生,其中包括55名大學生。眼看城市變廢墟,學生英年早逝,當時擔任巨石國家實驗室主任的寇恰(Eugenio Coccia)憂心忡忡,再也沒人願意到拉奎拉就學、工作了。

寇恰與同事們化悲傷為力量,決定以他們的長才協助災區重生:在山城拉奎拉籌劃一所高等研究所,以巨石國家實驗室的聲譽吸引國際一流的學者並培訓年輕學者,不只遏止人口外流,還要招來人才。

巨石國家實驗室是全球最大的地底核子物理實驗室(攝影/鄭傑憶)

科學家用高等教育,帶動城市重建與復甦

文化與藝術的光彩經常掩蓋義大利在科學上的成就,可是如英國物理學家霍金(Stephen Hawking)說的,是伽利略在16世紀奠定了現代自然科學。諾貝爾物理獎得主費米(Enrico Fermi)1901年在羅馬出生,後來因為法西斯反猶太政策,決定帶著妻小前往美國,但他已經為義大利的粒子物理學打下了深厚的基礎。

1982年巨石實驗室成立,目前科學家來自24個國家,與證明「上帝粒子」—希格斯波色子(Higgs boson)存在的歐洲核子研究組織(CERN)合作之外,美國哥倫比亞大學、芝加哥大學都有實驗在此進行,年輕的研究生能夠接觸到最尖端的核子物理研究。

在義大利政府與歐盟的支持下,巨石科學研究院(GSSI)2013年誕生,在實驗室原本就擅長的粒子天文物理與數學之外,還有現代社會少不了的資訊科技。更不忘初衷,設立了都市規劃與社會科學,讓化為一片廢墟的小鎮成為活生生的田野調查場域,從在地的脈絡協助拉奎拉重拾活力。

區域發展經濟學教授法姜(Alessandra Faggian)在英、美執教鞭多年後,決定放下在美國俄亥俄大學的教職,回到義大利擔任巨石科學研究院的副教務長,她對記者表示:「因為這個計畫很有意義。」對拉奎拉和鄰近受地震波及的地區而言,城鄉發展與區域規劃不是紙上畫畫的理論空談,而是現實迫切的需要。

位在深山中的巨石國家實驗室,像是戴了一頂安全帽(巨石國家實驗室提供)

在受到自然重創之處實現夢想

在拉奎拉長大的塔薇妮(Elena Taviani)親身體驗過2009年的地動山搖,積極參與家園重建後,她到羅馬薩皮恩薩大學(University La Sapienza)念建築。她發現,實體的重建過程中涉及各方利益的矛盾與折衝,抽象的集體記憶也影響了城市發展。理論的反思加上對重建硬體與軟體的觀察,她回到拉奎拉的巨石科學研究院攻讀博士學位。

美國學者白禮緒(Barry Barish)是重力波研究的翹楚,並在去年獲得諾貝爾物理獎,他也是巨石科學研究院的科學委員會成員並長期合作。去年底再度訪問這所在地震後創立的學術殿堂時,他說:「當我聽聞這個計畫時,只是個夢想,如今這個夢想已經在遭到自然重創的城市裡實現。」

許多尖端的粒子物理研究在巨石實驗室進行(巨石國家實驗室提供)

看不見不代表不存在,科學家尋找暗物質

大自然的力量無情摧毀城鎮帶走人命,但大自然仍舊讓科學家深深著迷,想要在伽利略、牛頓和愛因斯坦的肩膀上,進一步解開宇宙的奧妙。

課堂上的物理已經讓不少學生頭昏眼花,「可是目前我們所認識到的物質、能量還只是冰山一角,根據推論,暗物質佔了宇宙中物質的85%。」巨石實驗室的研究員達達柏(Antonio D’Addabbo)解釋,暗物質既不會發光,也不對電磁波反應。不只肉眼難見,也很難透過儀器觀察,然而,看不見不代表不存在。

科學家想在黑暗中照進一點光,捕捉暗物質中作用極微弱的粒子,實驗室設置了高10公尺、直徑9.6公尺的巨大圓筒,裡面裝了3300公斤超純淨的稀有氣體「氙」(Xenon)。氙的活性很低可以排除背景值的影響,但受到粒子衝擊時仍會發出光芒,因此就像是「導火線」,一旦探測到,粒子將無所遁形。「這有助於我們理解星河與宇宙的結構。」達達柏說。

暗物質高深莫測,彷彿與現實生活脫節,但達達柏說,「電也曾經是難解的現象,如今卻是日常生活的必要,誰也離不開電。」

科學家想在實驗室解開宇宙的秘密(攝影/Kai Freund)

跟藝術家一樣,科學家也需要想像力

最尖端的科學家要有聰明才智、高抗壓的耐力,以及對知識的無限熱情,然而就像藝術家一樣,也需要創造力。尤其是面對既有理論無法解釋的現象時,要有想像力才能突破既有框架找出解答。

科學家在20世紀初觀察到違反能量守恆定律的現象,奧地利物理學家包利(Wolfgang Pauli)率先在1930年假設,這是因為β衰變的末態有一個中性而未被測量到的粒子存在。

從此科學家開始尋找新粒子,想一窺它的真面目。費米在1933年提出β衰變的弱相互作用理論,並把衰變中的中性粒子以義大利文命名為「微中子」(neutrino)。這超脫當時學說的解釋連一流期刊《自然》(Nature)都覺得太天馬行空,因此拒絕刊登。事後證明,《自然》錯過了這篇開啟物理學研究新領域的劃時代論文。

巨石實驗室研究員達達伯介紹進行中實驗(攝影/鄭傑憶)

古羅馬鉛塊的保護下,尋找虛無縹緲的微中子

微中子是性格淡定的粒子,輕飄飄且不帶電子,因此幾乎不與周遭發生反應,虛無縹緲來去無影蹤近乎隱形。在費米提出理論的25年後,才有物理學家探測到微中子,證明它的存在。只要能找到一顆,一顆微中子就可以讓天文物理與核子物理學翻開新頁。

微中子身形輕盈,比電子輕了好幾倍,但目前尚未準確測量出到底有多輕,而它衰變的特性依舊是個謎。巨石國家實驗室打造了一座名為「心臟」(Cuore)的探測器,放入988塊二氧化碲(TeO2)結晶體,希望能揭開難以捉摸的微中子神秘身世。

除了實驗室頂上戴的1400公尺「高帽」隔離宇宙射線,「心臟」還有三道鉛打造的保護牆,以隔離任何環境中的輻射。老祖宗的遺產守護著最前沿的儀器—二千多年前羅馬帝國沉船中的鉛塊從底部捧著「心臟」。

考古學家在1990年代於薩丁尼亞島海岸的沉船中,發現了羅馬帝國在西元前一世紀鑄造的鉛塊,「鉛的輻射雖然會在環境中衰減,但礦坑裡通常含有鈾,因此鉛塊上仍含有輻射,這會干擾到微中子的觀察。」達達柏說,羅馬人在分離鉛與銀時無意間也去掉了鈾,「在海底待了幾千年後,這些鉛塊純淨無輻射污染,成了最佳的隔離材質。」在文物保護部許可後,實驗室融化一部分的古羅馬鉛塊,放入「心臟」的底部。

二千多年前羅馬帝國沉船中的鉛塊(攝影/鄭傑憶)

科學家放眼浩瀚宇宙,不忘腳下土地

從無到有,巨石科學研究院在短短五年間樹立聲譽,今年收到來自世界各地1446份博士班學生申請書。發揚巨石實驗室在核子物理的優秀傳統,鑽研重力波(Gravitational wave)的布蘭凱希(Marica Branchesi)入選《時代》(Time)雜誌2017年全球最有影響力的百人榜。

除了吸引博士生的獎學金,為了讓研究員與教授在拉奎拉專心研究安心生活,巨石科學研究院提供家庭宿舍,還設立了雙語學校,方便經常在世界各地奔走的教職員培育下一代,在義大利語之外也能夠及早學習英文。

科學家的眼光落在浩瀚的宇宙,在最前線探索未知的物質,但不忘腳下的土地。若從遙遠的星河中回望,也能看到重生的拉奎拉,閃閃發光。

科學家與工程師安裝「心臟」(巨石國家實驗室提供)

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為什麼義大利古城總是充滿魅力?廢墟長出古蹟整型手術房,人民堅持守護歷史

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