我们如何探索物理学中没有被解答的问题
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0:01 - 0:05有一些关于物理方面的事情,
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0:05 - 0:09从我还是个小孩的时候
就开始并一直困扰着我。 -
0:11 - 0:13它和一个问题有关,
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0:13 - 0:16科学家们已经在这个问题上
探索了将近100年, -
0:16 - 0:17却毫无结果。
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0:19 - 0:22自然界中最小的事物,
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0:22 - 0:24量子世界中的那些粒子,
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0:24 - 0:27是如何与自然中最大的事物,
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0:27 - 0:31即在万有引力作用维系下的
行星、恒星以及星系相匹配的? -
0:31 - 0:34小的时候,我时常会为
这样的问题感到疑惑。 -
0:34 - 0:37我会不停地摆弄显微镜和电磁铁,
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0:37 - 0:39我还会去阅读了解粒子间作用力和
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0:39 - 0:41量子力学,
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0:41 - 0:43然后惊叹于那描述
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0:43 - 0:45与我们的观察竟如此契合。
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0:46 - 0:48那时我仰望星空,
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0:48 - 0:50读到我们有多了解重力,
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0:50 - 0:54然后我会严肃思考
这一定有一些精巧的地方 -
0:54 - 0:56使得这两个系统匹配。
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0:57 - 0:58但事实上并没有。
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1:00 - 1:01书上会说,
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1:01 - 1:03是的,我们分别在这
两个领域上了解了很多, -
1:04 - 1:07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, -
1:07 - 1:08每件事都变得不合逻辑了。
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1:09 - 1:10而且100年来,
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1:10 - 1:15我们关于如何解决这个
几乎是物理灾难的想法 -
1:15 - 1:17从没有被证据支持过。
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1:18 - 1:20对于小小的我,
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1:20 - 1:22幼小的,好奇的,多疑的詹姆士,
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1:22 - 1:25这个答案绝对满足不了我。
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1:26 - 1:28我仍然是一个充满怀疑的小孩。
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1:28 - 1:32快进到现在,2015年12月,
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1:33 - 1:36我发现自己突然出现
在物理世界的正中央, -
1:36 - 1:38并完全沉迷于此。
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1:40 - 1:43一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, -
1:43 - 1:46某种新的粒子的线索,
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1:46 - 1:50也说明这个问题的答案
极有可能是非同寻常的。 -
1:52 - 1:54所以,我觉得我仍然是
一个小小的怀疑论者, -
1:54 - 1:56而我现在成为了一个粒子猎人。
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1:56 - 1:59我是CERN大型强子对撞机
(LHC)实验的物理学家, -
1:59 - 2:03这是有史以来规模最大的科学实验。
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2:04 - 2:07这个机器是法国和瑞典
交界地区的一个27公里的隧道, -
2:07 - 2:09深埋于地下100米处。
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2:09 - 2:10在这个隧道里,
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2:10 - 2:14我们使用低于外部空间
温度的超导磁体 -
2:14 - 2:18来加速质子运动,
使其速度接近光速, -
2:18 - 2:21并使得质子以每秒
上百万次的速度互相撞击, -
2:21 - 2:24收集撞击后产生的碎片,
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2:24 - 2:28来进行新的、未发现的
基本粒子的研究。 -
2:29 - 2:31它的设计和构造花费了
全世界上千名物理学家 -
2:31 - 2:34数十年的时间,
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2:34 - 2:372015年的夏天,
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2:37 - 2:40我们不知疲倦地
以人类曾经在对撞机试验中 -
2:40 - 2:45使用过的最高能量
一次次打开LHC的开关。 -
2:46 - 2:48更高的能量是必要的,
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2:48 - 2:51因为粒子能量和粒子的质量
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2:51 - 2:53是守恒的,
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2:53 - 2:55质量只是自然给出的一个数值。
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2:56 - 2:57为了发现新的粒子,
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2:57 - 3:00我们要找到更大的数值,
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3:00 - 3:02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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3:05 - 3:07也就是大型强子对撞机LHC。
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3:08 - 3:13然后,我们让质子对撞一千万亿次,
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3:13 - 3:17并在数个月内
慢慢地收集这些数据, -
3:19 - 3:23然后新粒子猛然出现在我们的数据里,
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3:23 - 3:26和你们所期望的有点偏差,
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3:26 - 3:30很小的一簇数据表使得
一条平滑的线变得有些粗糙。 -
3:30 - 3:32比如,距离2012年的数据记录
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3:33 - 3:36几个月之后发现的这个碰撞,
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3:36 - 3:38引领我们发现了希格斯粒子
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3:38 - 3:39——应该叫希格斯玻色子——
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3:39 - 3:42并因为证明其存在而
获得了诺贝尔奖。 -
3:44 - 3:482015年,能量出现了大幅波动,
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3:49 - 3:52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 -
3:52 - 3:53来探寻新粒子的存在,
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3:53 - 3:56探寻那些存在已久的问题的答案。
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3:56 - 3:59因为这次的能量接近两倍于
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3:59 - 4:01我们曾发现的希格斯玻色子。
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4:01 - 4:04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, -
4:06 - 4:09这就是我一生都在等待的时刻。
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4:09 - 4:11这个时刻就是2015年。
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4:12 - 4:152015年6月,
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4:16 - 4:18LHC再一次启动了。
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4:19 - 4:22我和我的同僚们一起
屏住呼吸,紧张到咬指甲, -
4:22 - 4:24最终我们看到了
第一次质子对撞, -
4:24 - 4:26伴随着有史以来最大能量。
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4:26 - 4:29于是立刻爆发了掌声,欢呼,庆贺。
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4:29 - 4:32这是科学史上的里程碑,
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4:32 - 4:37我们完全不知道我们会从
全新的数据当中得出什么。 -
4:40 - 4:42几周过去了,
我们发现了一个碰撞。 -
4:44 - 4:46这不是一次很大的碰撞,
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4:47 - 4:49但是也足够让你惊讶到挑眉。
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4:49 - 4:52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,
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4:54 - 4:56那么这次大概只能有“四”。
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4:56 - 4:57(观众笑声)
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4:58 - 5:04我花了数小时,数天,
数周时间参加秘密会议, -
5:04 - 5:06和我的同事们讨论这次小碰撞,
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5:06 - 5:09用我们最无礼的方式对着它指指点点,
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5:09 - 5:11看它能不能经受得住详细的检查。
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5:12 - 5:15但是经过了几个月的狂热实验
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5:15 - 5:18——睡在实验室连家都不回,
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5:18 - 5:20用糖果棒代替晚餐,
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5:20 - 5:22喝了一桶又一桶的咖啡——
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5:22 - 5:26物理学家变成了把咖啡
转化成了图表的机器。 -
5:26 - 5:27(观众笑声)
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5:27 - 5:30这个小碰撞并没有消失。
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5:31 - 5:33所以几个月后,
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5:33 - 5:37我们把这个小碰撞非常清楚的
介绍给了全世界。 -
5:37 - 5:40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。 -
5:44 - 5:46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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5:50 - 5:52新闻界喜爱它。
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5:53 - 5:55人们说这让他们想起了
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5:55 - 5:59发现希格斯玻色子的那次碰撞。
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5:59 - 6:02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——
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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)
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6:11 - 6:15整个粒子物理世界都痴迷于此。
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6:16 - 6:20但是这次粒子对撞到底为什么
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6:20 - 6:24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。
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6:28 - 6:30这次小碰撞意味着
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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,
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6:36 - 6:37就是两种光粒子。
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6:37 - 6:38这是很少见的。
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6:39 - 6:42粒子对撞不像汽车碰撞。
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6:42 - 6:43它们的规则是不一样的。
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6:43 - 6:46当两个粒子以接近光速的速度发生碰撞,
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6:46 - 6:47量子世界就出现了。
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6:47 - 6:48在量子世界中,
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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,
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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, -
7:01 - 7:03一辆自行车凭空出现——
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7:03 - 7:04(观众笑声)
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7:04 - 7:07然后这辆自行车又发生了
爆炸,变成两块滑板 -
7:07 - 7:08撞向我们的检测器。
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7:08 - 7:09(观众笑声)
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7:09 - 7:11我希望这不是真的。
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7:11 - 7:13因为它们太贵重了。
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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,
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7:22 - 7:25极少有可能产生新的粒子——
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7:26 - 7:27也就是那些所谓的“自行车”——
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7:27 - 7:29会产生两个光子。
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7:30 - 7:33但是其中一个可能性是很大的。
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7:33 - 7:36它和一个长期存在的问题有关,
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7:36 - 7:38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。
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7:42 - 7:45重力对大家的影响太大了。
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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。 -
7:49 - 7:51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。
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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。
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8:03 - 8:05也就是小数点后39个零。
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8:05 - 8:06更可怕的是,
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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,
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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,
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8:15 - 8:20也是人类最成功的成就之一
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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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8:26 - 8:29好像大部分的重力都不知所踪。
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8:30 - 8:32我们只能感受到一点点,
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8:32 - 8:34但是剩下的部分在哪儿?
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8:34 - 8:35没有人知道。
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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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8:43 - 8:45即使你在后面——
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8:45 - 8:47我们生活在三维空间里。
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8:47 - 8:50我希望这个陈述没有争议。
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8:50 - 8:52(观众笑声)
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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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8:57 - 9:00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。
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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。
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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
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9:16 - 9:17已经有很长时间了,
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9:17 - 9:20但是这始终是一个抽象的数学概念。
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9:20 - 9:23我是说,看看你们周围——
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9:23 - 9:26你非常清楚这是三维空间。
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9:27 - 9:29但是假如这不是真的呢?
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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?
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9:39 - 9:42假如重力其实和其它的力一样强呢?
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9:42 - 9:46假如你能在超三维空间看到它呢?
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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?
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9:52 - 9:53如果这些假设都是真的,
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9:53 - 9:56我们就要扩展我们的粒子标准模型。
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9:56 - 10:00让更多的粒子,比如多维重力粒子
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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。
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10:05 - 10:06你们也许会问我这样的问题:
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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?”
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10:13 - 10:14我们经常会用的方法是
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10:14 - 10:16让两个质子互相撞击——
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10:16 - 10:17(观众笑声)
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10:17 - 10:20很难让碰撞反射到任何
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10:20 - 10:23可能存在的超维空间里,
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10:23 - 10:25很难随时制造出这种多维引力子,
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10:25 - 10:30然后让其迅速返回到三维空间的LHC上
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10:30 - 10:32再分解成两个光子,
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10:32 - 10:34两个光粒子。
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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,
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10:44 - 10:48碰撞后能够分解出两个光子。
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10:50 - 10:56因此,解释重力的奥秘
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10:56 - 10:59以及发现超维空间的可能性
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10:59 - 11:01——现在你应该有所察觉了,
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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。
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11:07 - 11:10这种类型的探索将会改写课本。
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11:11 - 11:11但是请记住,
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11:11 - 11:13我们这些正在践行的实验主义者
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11:13 - 11:15想要说的是
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11:15 - 11:16非常清楚的:
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11:16 - 11:17我们需要更多的数据。
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11:18 - 11:20有了更多数据,
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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)
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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。
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11:32 - 11:33所以我们记录了更多的数据,
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11:33 - 11:35七个月后的数据量达到了以前的五倍,
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11:35 - 11:37这次小小的碰撞
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11:37 - 11:39变成了平稳的线条
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11:43 - 11:47新闻上报道着“大失所望”,“希望破灭”,
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11:47 - 11:49还有粒子物理学家们“十分难过”。
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11:49 - 11:51在这样的基调下,
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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?
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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,
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12:14 - 12:15然后灰溜溜的离开呢?
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12:19 - 12:23粒子物理学家是一群探险者。
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12:23 - 12:26我们工作的大部分内容是绘制图表。
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12:27 - 12:30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?
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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。
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12:47 - 12:49我们第一次查看LHC,
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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。
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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, -
12:56 - 12:58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? -
13:01 - 13:03当然不能。
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13:03 - 13:05如果这么做了,
我们就是糟糕的科学家。 -
13:05 - 13:09不会,我们准备花费
数十年时间来探索, -
13:09 - 13:10在地图上画出版图,
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13:10 - 13:13用最好的工具筛掉沙子,
-
13:13 - 13:14检查每一块石头,
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13:14 - 13:16挖掘地底深处的秘密。
-
13:16 - 13:18新粒子要么立刻出现,
-
13:18 - 13:21像巨大而无法忽视的碰撞一样,
-
13:21 - 13:25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。
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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? -
13:39 - 13:41我们会建造一个更大的机器。
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13:41 - 13:42(观众笑声)
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13:42 - 13:44我们会以更高的热情去探索。
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13:44 - 13:46我们会以更高的热情去探索。
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13:47 - 13:50计划已经开始
在100公里长的隧道里进行, -
13:51 - 13:53LHC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, -
13:56 - 13:58我们只决定要继续探索。
-
13:58 - 14:01但是假如用100公里长的隧道
-
14:01 - 14:02或是500公里长的,
-
14:02 - 14:05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,
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14:07 - 14:10我们仍然没有找到新粒子
该怎么办呢? -
14:12 - 14:14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)
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14:16 - 14:18也许我们应该重新思考。
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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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14:25 - 14:28我们已经开始在LHC的
某些部分运用人工智能 -
14:28 - 14:29和机器学习技术。
-
14:29 - 14:32但是想象一下
运用如此复杂的算法 -
14:32 - 14:33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。
-
14:36 - 14:37但是假如可以呢?
-
14:37 - 14:38假如这个终极问题:
-
14:38 - 14:42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 -
14:44 - 14:47注定是没有答案的,
在可预见的未来也不可能被解答呢? -
14:47 - 14:50假如从我还是个孩子的时候开始
就困扰着我的那些事情 -
14:50 - 14:53注定了我一生都不可能找到答案呢?
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14:54 - 14:55那么……
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14:56 - 14:58它就更令人神魂颠倒了。
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15:00 - 15:03我们将会被迫从全新的角度去思考。
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15:04 - 15:06我们会回到最初的设想,
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15:06 - 15:08来确认某处是否所有缺陷。
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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, -
15:21 - 15:23也许她现在还没出生,
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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, -
15:27 - 15:31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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15:37 - 15:38谢谢大家。
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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:
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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。
- Video Language:
- English
- Team:
- closed TED
- Project:
- TEDTalks
- Duration:
- 15:54
Yolanda Zhang approved Chinese, Simplified subtitles for How we explore unanswered questions in physics | ||
Yolanda Zhang edited Chinese, Simplified subtitles for How we explore unanswered questions in physics | ||
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Chen Zou accepted Chinese, Simplified subtitles for How we explore unanswered questions in physics |