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我们如何探索物理学中没有被解答的问题

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    有一些关于物理方面的事情,
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    从我还是个小孩的时候
    就开始并一直困扰着我。
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    它和一个问题有关,
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    科学家们已经在这个问题上
    探索了将近100年,
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    却毫无结果。
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    自然界中最小的事物,
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    量子世界中的那些粒子,
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    是如何与自然中最大的事物,
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    即在万有引力作用维系下的
    行星、恒星以及星系相匹配的?
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    小的时候,我时常会为
    这样的问题感到疑惑。
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    我会不停地摆弄显微镜和电磁铁,
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    我还会去阅读了解粒子间作用力和
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    量子力学,
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    然后惊叹于那描述
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    与我们的观察竟如此契合。
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    那时我仰望星空,
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    读到我们有多了解重力,
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    然后我会严肃思考
    这一定有一些精巧的地方
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    使得这两个系统匹配。
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    但事实上并没有。
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    书上会说,
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    是的,我们分别在这
    两个领域上了解了很多,
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    但是当我们尝试着将它们
    以数学的方式联系在一起的时候,
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    每件事都变得不合逻辑了。
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    而且100年来,
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    我们关于如何解决这个
    几乎是物理灾难的想法
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    从没有被证据支持过。
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    对于小小的我,
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    幼小的,好奇的,多疑的詹姆士,
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    这个答案绝对满足不了我。
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    我仍然是一个充满怀疑的小孩。
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    快进到现在,2015年12月,
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    我发现自己突然出现
    在物理世界的正中央,
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    并完全沉迷于此。
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    一切开始于我们在欧洲粒子物理研究所
    (CERN)的数据中看到一些有趣的东西,
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    某种新的粒子的线索,
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    也说明这个问题的答案
    极有可能是非同寻常的。
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    所以,我觉得我仍然是
    一个小小的怀疑论者,
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    而我现在成为了一个粒子猎人。
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    我是CERN大型强子对撞机
    (LHC)实验的物理学家,
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    这是有史以来规模最大的科学实验。
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    这个机器是法国和瑞典
    交界地区的一个27公里的隧道,
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    深埋于地下100米处。
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    在这个隧道里,
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    我们使用低于外部空间
    温度的超导磁体
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    来加速质子运动,
    使其速度接近光速,
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    并使得质子以每秒
    上百万次的速度互相撞击,
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    收集撞击后产生的碎片,
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    来进行新的、未发现的
    基本粒子的研究。
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    它的设计和构造花费了
    全世界上千名物理学家
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    数十年的时间,
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    2015年的夏天,
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    我们不知疲倦地
    以人类曾经在对撞机试验中
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    使用过的最高能量
    一次次打开LHC的开关。
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    更高的能量是必要的,
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    因为粒子能量和粒子的质量
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    是守恒的,
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    质量只是自然给出的一个数值。
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    为了发现新的粒子,
  • 2:57 - 3:00
    我们要找到更大的数值,
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    为了做到这一点,我们要
    制造更大更高能量的对撞机,
  • 3:02 - 3:05
    而这个世界上最大,能量最高的对撞机
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    也就是大型强子对撞机LHC。
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    然后,我们让质子对撞一千万亿次,
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    并在数个月内
    慢慢地收集这些数据,
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    然后新粒子猛然出现在我们的数据里,
  • 3:23 - 3:26
    和你们所期望的有点偏差,
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    很小的一簇数据表使得
    一条平滑的线变得有些粗糙。
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    比如,距离2012年的数据记录
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    几个月之后发现的这个碰撞,
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    引领我们发现了希格斯粒子
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    ——应该叫希格斯玻色子——
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    并因为证明其存在而
    获得了诺贝尔奖。
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    2015年,能量出现了大幅波动,
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    这表示我们人类作为一个物种
    遇见了有史以来的最佳机会
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    来探寻新粒子的存在,
  • 3:53 - 3:56
    探寻那些存在已久的问题的答案。
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    因为这次的能量接近两倍于
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    我们曾发现的希格斯玻色子。
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    我的许多同僚终身奉献于事业
    为的就是这一刻,
  • 4:04 - 4:06
    坦白讲,对于小小的,
    充满好奇心的我来说,
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    这就是我一生都在等待的时刻。
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    这个时刻就是2015年。
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    2015年6月,
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    LHC再一次启动了。
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    我和我的同僚们一起
    屏住呼吸,紧张到咬指甲,
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    最终我们看到了
    第一次质子对撞,
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    伴随着有史以来最大能量。
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    于是立刻爆发了掌声,欢呼,庆贺。
  • 4:29 - 4:32
    这是科学史上的里程碑,
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    我们完全不知道我们会从
    全新的数据当中得出什么。
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    几周过去了,
    我们发现了一个碰撞。
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    这不是一次很大的碰撞,
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    但是也足够让你惊讶到挑眉。
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    但是要给挑眉的幅度
    从一到十划分等级的话,
  • 4:52 - 4:54
    如果“十”表示你发现了一种新粒子,
  • 4:54 - 4:56
    那么这次大概只能有“四”。
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    (观众笑声)
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    我花了数小时,数天,
    数周时间参加秘密会议,
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    和我的同事们讨论这次小碰撞,
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    用我们最无礼的方式对着它指指点点,
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    看它能不能经受得住详细的检查。
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    但是经过了几个月的狂热实验
  • 5:15 - 5:18
    ——睡在实验室连家都不回,
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    用糖果棒代替晚餐,
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    喝了一桶又一桶的咖啡——
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    物理学家变成了把咖啡
    转化成了图表的机器。
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    (观众笑声)
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    这个小碰撞并没有消失。
  • 5:31 - 5:33
    所以几个月后,
  • 5:33 - 5:37
    我们把这个小碰撞非常清楚的
    介绍给了全世界。
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    这个小碰撞虽然令人关注,
    但它并不是最终结果。
  • 5:40 - 5:44
    所以我们会继续关注它,
    记录下更多数据。
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    也因冷静我们想以
    极度清醒的态度来观察它。
  • 5:47 - 5:50
    全世界也一直在关注着它。
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    新闻界喜爱它。
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    人们说这让他们想起了
  • 5:55 - 5:59
    发现希格斯玻色子的那次碰撞。
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    比这更令人振奋的是,
    我的理论家同事们
  • 6:03 - 6:05
    ——我爱他们——
  • 6:05 - 6:08
    我的理论家同事们写了500篇
    关于这个小碰撞的论文。
  • 6:08 - 6:10
    (观众笑声)
  • 6:11 - 6:15
    整个粒子物理世界都痴迷于此。
  • 6:16 - 6:20
    但是这次粒子对撞到底为什么
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    导致了上千名物理学家
    都兴奋地难以自抑?
  • 6:26 - 6:27
    这次小碰撞是独特的。
  • 6:28 - 6:30
    这次小碰撞意味着
  • 6:30 - 6:33
    我们眼见着未曾预期过的
    大量粒子对撞,
  • 6:33 - 6:36
    它们的残骸只形成两种光子,
  • 6:36 - 6:37
    就是两种光粒子。
  • 6:37 - 6:38
    这是很少见的。
  • 6:39 - 6:42
    粒子对撞不像汽车碰撞。
  • 6:42 - 6:43
    它们的规则是不一样的。
  • 6:43 - 6:46
    当两个粒子以接近光速的速度发生碰撞,
  • 6:46 - 6:47
    量子世界就出现了。
  • 6:47 - 6:48
    在量子世界中,
  • 6:48 - 6:52
    这两个粒子可以简单地
    创造出一种新的粒子。
  • 6:52 - 6:55
    这种新粒子只会有一瞬间存在,
  • 6:55 - 6:58
    在它分解成其他的粒子之后
    恰好被我们的检测器检测到了。
  • 6:58 - 7:01
    想象一下汽车的碰撞,
    两辆车因受撞击而消失,
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    一辆自行车凭空出现——
  • 7:03 - 7:04
    (观众笑声)
  • 7:04 - 7:07
    然后这辆自行车又发生了
    爆炸,变成两块滑板
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    撞向我们的检测器。
  • 7:08 - 7:09
    (观众笑声)
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    我希望这不是真的。
  • 7:11 - 7:13
    因为它们太贵重了。
  • 7:14 - 7:18
    两个光子撞击被探测器捕捉到
    这种事情太少见了。
  • 7:18 - 7:22
    并且由于光子的特殊量子特性,
  • 7:22 - 7:25
    极少有可能产生新的粒子——
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    也就是那些所谓的“自行车”——
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    会产生两个光子。
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    但是其中一个可能性是很大的。
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    它和一个长期存在的问题有关,
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    从我还是个小孩的时候
    就一直困扰着我,
  • 7:38 - 7:39
    也就是重力。
  • 7:42 - 7:45
    重力对大家的影响太大了。
  • 7:45 - 7:49
    但是它同大自然其它的力量
    相比又实在太微弱了。
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    当我跳起来的时候,
    我可以短暂性地克服重力,
  • 7:52 - 7:55
    可我却不能从我手里拿起一个质子。
  • 7:56 - 8:00
    把引力的强度和其它的
    自然力量相比会如何?
  • 8:00 - 8:03
    它等于10的负39次方。
  • 8:03 - 8:05
    也就是小数点后39个零。
  • 8:05 - 8:06
    更可怕的是,
  • 8:06 - 8:09
    所有我们现在已知的其它自然力量
    都能够被一种名叫“标准模型”的东西
  • 8:09 - 8:11
    精确地描述,
  • 8:11 - 8:15
    这是目前我们所使用的最好的
    描述自然的最小模型。
  • 8:15 - 8:15
    坦白地说,
  • 8:15 - 8:20
    也是人类最成功的成就之一
  • 8:20 - 8:24
    ——除了重力,
    这是被排除在标准模型之外的,
  • 8:24 - 8:26
    这太疯狂了。
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    好像大部分的重力都不知所踪。
  • 8:30 - 8:32
    我们只能感受到一点点,
  • 8:32 - 8:34
    但是剩下的部分在哪儿?
  • 8:34 - 8:35
    没有人知道。
  • 8:36 - 8:40
    但是有种理论
    提出了一个疯狂的设想。
  • 8:42 - 8:43
    你和我——
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    即使你在后面——
  • 8:45 - 8:47
    我们生活在三维空间里。
  • 8:47 - 8:50
    我希望这个陈述没有争议。
  • 8:50 - 8:52
    (观众笑声)
  • 8:52 - 8:55
    所有我们现在已知的粒子
    都存在于三维空间,
  • 8:55 - 8:57
    实际上,粒子只是给
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    在三维空间产生的碰撞
    起的另一个名字,
  • 9:00 - 9:02
    空间中的局部震动。
  • 9:03 - 9:07
    更重要的是,我们学过的
    所有用来描述这些东西的数学知识
  • 9:07 - 9:10
    都建立在只存在三维空间的假设之上。
  • 9:10 - 9:13
    但是数学仅仅是数学,
    我们可以用任何方式摆弄它。
  • 9:13 - 9:16
    人类幻想着存在额外维度空间
  • 9:16 - 9:17
    已经有很长时间了,
  • 9:17 - 9:20
    但是这始终是一个抽象的数学概念。
  • 9:20 - 9:23
    我是说,看看你们周围——
  • 9:23 - 9:26
    你非常清楚这是三维空间。
  • 9:27 - 9:29
    但是假如这不是真的呢?
  • 9:30 - 9:36
    假如那些消失的重力
    其实都流失到了超三维空间,
  • 9:36 - 9:38
    而你和我都看不到呢?
  • 9:39 - 9:42
    假如重力其实和其它的力一样强呢?
  • 9:42 - 9:46
    假如你能在超三维空间看到它呢?
  • 9:46 - 9:49
    还有,假如你和我经受的重力
    其实仅仅是重力的一小部分,
  • 9:49 - 9:50
    所以看上去这股力才这么微弱呢?
  • 9:52 - 9:53
    如果这些假设都是真的,
  • 9:53 - 9:56
    我们就要扩展我们的粒子标准模型。
  • 9:56 - 10:00
    让更多的粒子,比如多维重力粒子
  • 10:00 - 10:03
    这种存在于超维空间的特殊的
    引力子也能够被涵盖进来。
  • 10:03 - 10:05
    我看到了你们脸上的表情。
  • 10:05 - 10:06
    你们也许会问我这样的问题:
  • 10:06 - 10:10
    “在我们被困于三维空间的情况下,
    我们怎么能证实这种疯狂的
  • 10:10 - 10:13
    科幻小说里的设想?”
  • 10:13 - 10:14
    我们经常会用的方法是
  • 10:14 - 10:16
    让两个质子互相撞击——
  • 10:16 - 10:17
    (观众笑声)
  • 10:17 - 10:20
    很难让碰撞反射到任何
  • 10:20 - 10:23
    可能存在的超维空间里,
  • 10:23 - 10:25
    很难随时制造出这种多维引力子,
  • 10:25 - 10:30
    然后让其迅速返回到三维空间的LHC上
  • 10:30 - 10:32
    再分解成两个光子,
  • 10:32 - 10:34
    两个光粒子。
  • 10:35 - 10:38
    这种假想出来的
    超维引力子
  • 10:38 - 10:42
    是假想的可能存在的
    所有新粒子中的一种,
  • 10:42 - 10:44
    它拥有特殊的量子特性,
  • 10:44 - 10:48
    碰撞后能够分解出两个光子。
  • 10:50 - 10:56
    因此,解释重力的奥秘
  • 10:56 - 10:59
    以及发现超维空间的可能性
  • 10:59 - 11:01
    ——现在你应该有所察觉了,
  • 11:01 - 11:04
    为什么上千个物理怪才
    在小小的,两个光子的碰撞面前
  • 11:04 - 11:07
    同时失去了冷静。
  • 11:07 - 11:10
    这种类型的探索将会改写课本。
  • 11:11 - 11:11
    但是请记住,
  • 11:11 - 11:13
    我们这些正在践行的实验主义者
  • 11:13 - 11:15
    想要说的是
  • 11:15 - 11:16
    非常清楚的:
  • 11:16 - 11:17
    我们需要更多的数据。
  • 11:18 - 11:20
    有了更多数据,
  • 11:20 - 11:24
    这个小碰撞就会变成新鲜出炉的
    美好的诺贝尔奖了——
  • 11:24 - 11:26
    (观众笑声)
  • 11:26 - 11:29
    或者更多的数据将会填满
    碰撞数据边上的空白,
  • 11:29 - 11:31
    然后变成又一条光滑的线条。
  • 11:32 - 11:33
    所以我们记录了更多的数据,
  • 11:33 - 11:35
    七个月后的数据量达到了以前的五倍,
  • 11:35 - 11:37
    这次小小的碰撞
  • 11:37 - 11:39
    变成了平稳的线条
  • 11:43 - 11:47
    新闻上报道着“大失所望”,“希望破灭”,
  • 11:47 - 11:49
    还有粒子物理学家们“十分难过”。
  • 11:49 - 11:51
    在这样的基调下,
  • 11:51 - 11:55
    你肯定会觉得我们已经决定
    中断LHC试验,各回各家。
  • 11:55 - 11:56
    (观众笑声)
  • 11:57 - 11:58
    但我们不是这样做的。
  • 12:01 - 12:03
    可是为什么不呢?
  • 12:04 - 12:07
    我的意思是,如果我没有发现新的粒子
    ——我也确实没有发现——
  • 12:08 - 12:11
    如果我没有发现新的粒子,
    那么我怎么会站在这里发表演讲?
  • 12:11 - 12:13
    为什么我不羞愧地低下头,
  • 12:14 - 12:15
    然后灰溜溜的离开呢?
  • 12:19 - 12:23
    粒子物理学家是一群探险者。
  • 12:23 - 12:26
    我们工作的大部分内容是绘制图表。
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    我这么解释吧:
    暂时先忘掉LHC。
  • 12:30 - 12:34
    想象你是一个太空探险家,
    正踏上一个遥远的星球
  • 12:34 - 12:35
    寻找外星人。
  • 12:35 - 12:37
    你的第一个任务是什么?
  • 12:38 - 12:41
    立即围着整个星球飞一圈,
    登陆,然后快速地看看周围环境,
  • 12:41 - 12:43
    有没有明显的生命迹象,
  • 12:43 - 12:45
    然后向总部报告。
  • 12:45 - 12:46
    这就是我们现在所处的阶段。
  • 12:47 - 12:49
    我们第一次查看LHC,
  • 12:49 - 12:51
    看看有没有新的,
    大到无法忽视的粒子,
  • 12:51 - 12:53
    然后我们可以报告什么也没有。
  • 12:54 - 12:56
    我们看见了外表奇特的外星人
    出现在遥远的山上,
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    可是一旦我们靠近了,
    看到的只有一块岩石。
  • 12:59 - 13:01
    然后我们又该怎么做呢?
    就这样放弃然后飞回去吗?
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    当然不能。
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    如果这么做了,
    我们就是糟糕的科学家。
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    不会,我们准备花费
    数十年时间来探索,
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    在地图上画出版图,
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    用最好的工具筛掉沙子,
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    检查每一块石头,
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    挖掘地底深处的秘密。
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    新粒子要么立刻出现,
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    像巨大而无法忽视的碰撞一样,
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    或者它们可以在很多年后的
    数据收集过程中才出现。
  • 13:26 - 13:31
    人类只能怀着巨大热情
    从LHC里探索,
  • 13:31 - 13:32
    我们还有许多探索工作要做。
  • 13:32 - 13:38
    但是假设十年或是二十年后,我们
    仍然发现没有新的粒子,那该怎么办呢?
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    我们会建造一个更大的机器。
  • 13:41 - 13:42
    (观众笑声)
  • 13:42 - 13:44
    我们会以更高的热情去探索。
  • 13:44 - 13:46
    我们会以更高的热情去探索。
  • 13:47 - 13:50
    计划已经开始
    在100公里长的隧道里进行,
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    LHC将会使用十倍的能量
    来进行粒子对撞。
  • 13:53 - 13:56
    我们不会决定自然
    会把新粒子藏在哪里,
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    我们只决定要继续探索。
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    但是假如用100公里长的隧道
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    或是500公里长的,
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    甚至是10000公里长的
    对撞机,都只能
  • 14:05 - 14:07
    漂浮在地球和月球之间了,
  • 14:07 - 14:10
    我们仍然没有找到新粒子
    该怎么办呢?
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    那么也许我们研究
    粒子物理的方法是错误的。
  • 14:14 - 14:16
    (观众笑声)
  • 14:16 - 14:18
    也许我们应该重新思考。
  • 14:19 - 14:22
    我们可能需要比我们现在拥有的
  • 14:22 - 14:24
    更多的资源,技术和专家。
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    我们已经开始在LHC的
    某些部分运用人工智能
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    和机器学习技术。
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    但是想象一下
    运用如此复杂的算法
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    设计一个粒子物理试验,
  • 14:33 - 14:36
    让它自己去探索超维引力子的场景。
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    但是假如可以呢?
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    假如这个终极问题:
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    假如连人工智能都不能
    帮助我们解决问题呢?
  • 14:42 - 14:44
    假如这些存在了几个世纪
    的开放式问题
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    注定是没有答案的,
    在可预见的未来也不可能被解答呢?
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    假如从我还是个孩子的时候开始
    就困扰着我的那些事情
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    注定了我一生都不可能找到答案呢?
  • 14:54 - 14:55
    那么……
  • 14:56 - 14:58
    它就更令人神魂颠倒了。
  • 15:00 - 15:03
    我们将会被迫从全新的角度去思考。
  • 15:04 - 15:06
    我们会回到最初的设想,
  • 15:06 - 15:08
    来确认某处是否所有缺陷。
  • 15:09 - 15:12
    我们需要鼓励更多人
    加入我们来进行科学研究,
  • 15:12 - 15:16
    我们需要用新的眼光
    去看待这些世纪问题。
  • 15:16 - 15:18
    我没有答案,
    我仍然在寻找答案。
  • 15:19 - 15:21
    可是某些人
    ——也许她现在正在学校里,
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    也许她现在还没出生,
  • 15:24 - 15:27
    ——某天可以带领我们
    以全新的方式去探索物理世界,
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    她可以指出也许
    我们其实是问了错误的问题,
  • 15:32 - 15:34
    导致我们不可能找到
    物理上的正确答案,
  • 15:34 - 15:36
    反而能写出一部虚构小说。
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    谢谢大家。
  • 15:38 - 15:41
    (观众掌声)
Title:
我们如何探索物理学中没有被解答的问题
Speaker:
詹姆斯·比彻姆
Description:

利用史上最大的科学仪器,CERN的大型强子对撞机,詹姆斯·比彻姆(James Beacham)试图回答物理学中最重要的开放性问题。在这场有趣的、通俗易懂的演讲中,Beacham阐述了科学如何诞生,并带领我们踏上了在高维空间中寻找未被发现的基本粒子的旅程(并解释了重力之谜),还详细说明了坚持探索的动力所在。

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Video Language:
English
Team:
TED
Project:
TEDTalks
Duration:
15:54

Chinese, Simplified subtitles

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