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如何探索物理的未解題?

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    物理學中有件事情
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    自幼時就一直非常困擾我。
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    近百年來科學家思索著這個問題
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    但沒有答案。
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    自然界中最小的東西,
    即量子世界的微粒子,如何與
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    自然界中最大的東西,即星系裡
    以重力連結的行星和恆星相對應呢?
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    童年的我,為這樣的問題搜索枯腸。
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    我操作顯微鏡和電磁鐵,
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    我研讀微物質的力學
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    和量子力學,
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    讚嘆其描述和我們的觀察
    是如此的相應。
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    我也觀看星星,
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    閱讀我們所知的重力,
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    想當然耳,大和小的兩個系統
    必然有種精美而優雅的相應方式。
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    但可惜卻沒有。
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    根據書本,
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    我們很懂這兩個各別的系統,
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    但是一旦嘗試以數學模式來連結,
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    就完全行不通了。
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    百年來,
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    我們對於如何解決
    這基本的物理問題一籌莫展,
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    沒有可以支持的證據。
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    對於小老弟在下──
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    小小、好奇、不信服的詹姆斯──
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    這是絕對不可接受的。
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    今天的我,仍是個不易信服的小孩。
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    時間快轉到 2015 年十二月,
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    我重拍額頭,
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    突然有個物理世界裡的靈光一閃。
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    始自我們在歐洲核子研究組織
    CERN 看到有趣的數據:
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    它們隱射一種新的粒子,
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    暗示一個可能不同凡響的解答。
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    我仍是個不信服的小子,
  • 1:54 - 1:56
    現在也是個找尋粒子的人。
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    我是 CERN 的物理學家,
    用「大型強子對撞機(LHC)」,
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    一具到目前為止所安裝過的
    最大型的科學實驗儀器。
  • 2:04 - 2:07
    這是條在法國和瑞士邊界間的
    二十七公里長的隧道,
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    埋在一百公尺深的地下。
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    隧道裡,
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    我們用比外太空更低溫的超導磁體
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    把質子加速到接近光速,
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    使它們每秒彼此互相撞擊數百萬次,
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    收集碰撞的碎片,
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    搜索新的、尚未被發現的基本粒子。
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    其設計和施工費時幾十年,
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    全球各地數以千計的
    物理學家通力合作,
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    在 2015 年夏天,
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    我們不眠不休地讓
    LHC 開始運轉,
  • 2:40 - 2:45
    實驗用到人類前所未有的
    最高撞擊能量。
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    高能量至關重要,對粒子而言,
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    能量和質量轉換守恆,
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    質量只是個自然界擺在那兒的數字。
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    為要發現新的粒子,
  • 2:57 - 3:00
    我們必須耗費更多的能量。
  • 3:00 - 3:03
    因此,我們必須建造更大、
    更耗能的對撞機;
  • 3:03 - 3:05
    而世界上最大的對撞機
  • 3:05 - 3:07
    是 LHC。
  • 3:08 - 3:13
    然後,我們碰撞質子
    千萬億(10 的 24 次方)次
  • 3:13 - 3:17
    我們經年累月慢慢地收集資料。
  • 3:19 - 3:23
    或許新的粒子會以突起的形狀
    呈現在資料的平滑線外──
  • 3:23 - 3:26
    稍微偏離預期值,
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    小小群集的數據點,
    使得平滑的線不再那麼地平滑。
  • 3:30 - 3:32
    例如,這個凸起,
  • 3:33 - 3:36
    2012 年累月的數據採集後,
  • 3:36 - 3:38
    導致發現了「希格斯粒子」,
  • 3:38 - 3:39
    或稱「希格斯玻色子」,
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    和因證明它存在而獲得的諾貝爾奬。
  • 3:44 - 3:48
    2015 年看到的能量凸起
  • 3:49 - 3:53
    代表人類發現新粒子的絕佳機會,
  • 3:53 - 3:56
    這些長期謎題的新解答,
  • 3:56 - 4:00
    因它所耗的能量幾乎是
    發現希格斯玻色子時耗能的兩倍。
  • 4:01 - 4:04
    我的許多同事
    整個職涯都在追尋此刻,
  • 4:04 - 4:06
    坦率地說,對好奇的我而言,
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    這是我一輩子等待的時刻。
  • 4:09 - 4:12
    2015 年是跳下去做,
    不回頭的時刻。
  • 4:13 - 4:15
    因此於 2015 年六月,
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    LHC 又運轉了。
  • 4:19 - 4:22
    同事和我屏息、緊張又興奮,
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    終於看到質子以有史以來
    最高的能量互撞。
  • 4:26 - 4:29
    鼓掌,開香檳,慶祝。
  • 4:29 - 4:32
    這是科學的里程碑,
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    我們不知道會在
    這全新的數據裡找到什麼。
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    數週後,我們發現了凸起的數據。
  • 4:44 - 4:46
    凸起雖不算大,
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    但已足以讓人訝異。
  • 4:49 - 4:52
    從 1 到 10 的訝異程度,
  • 4:52 - 4:54
    10 代表你已發現了新的粒子,
  • 4:54 - 4:56
    這是個程度大約 4 的訝異。
  • 4:56 - 4:57
    (笑聲)
  • 4:58 - 5:04
    我花了無數的時間秘密開會,
  • 5:04 - 5:06
    和同事辯論這個小凸起,
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    努力在雞蛋裡挑骨頭,
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    看它是否經得起最嚴厲的檢視。
  • 5:12 - 5:15
    即使在數月不眠不休地工作後──
  • 5:15 - 5:18
    不回家,而是睡在辦公室,
  • 5:18 - 5:20
    以糖果零嘴當晚餐,
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    大桶大桶地喝咖啡──
  • 5:22 - 5:26
    物理學家就是
    把咖啡變成圖表的機器──
  • 5:26 - 5:27
    (笑聲)
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    這個小凸起並未消失。
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    幾個月後,
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    我們向世界展示了這個小凸起
    和一個非常明確的信息:
  • 5:37 - 5:40
    這個小凸起有趣,但是不明確,
  • 5:40 - 5:44
    讓我們收集更多的數據
    並持續關注它。
  • 5:44 - 5:46
    我們試圖非常冷靜地看待它。
  • 5:47 - 5:50
    儘管如此,世界隨它起舞。
  • 5:50 - 5:52
    新聞界喜愛它。
  • 5:53 - 5:59
    人們說它讓他們想起發現
    希格斯玻色子路上的那個小凸起。
  • 5:59 - 6:02
    更棒的是,我的理論派同事們──
  • 6:03 - 6:05
    我喜歡我的理論派同事們──
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    我的理論派同事們寫了五百篇
    關於這個小凸起的文章。
  • 6:09 - 6:10
    (笑聲)
  • 6:11 - 6:15
    粒子物理學的世界已然翻轉。
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    這個小凸起的什麼特點
  • 6:20 - 6:24
    使得成千上萬的物理學家
    熱血沸騰呢?
  • 6:26 - 6:27
    這個小凸起獨一無二。
  • 6:28 - 6:30
    這個小凸起顯示
  • 6:30 - 6:33
    我們看到了意料之外的大量碰撞,
  • 6:33 - 6:36
    碰撞後只殘留兩個光子,
  • 6:36 - 6:37
    兩個光粒子。
  • 6:37 - 6:38
    這相當罕見。
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    粒子碰撞不像汽車碰撞。
  • 6:42 - 6:43
    碰撞的規則不同。
  • 6:43 - 6:46
    當兩個粒子以接近光速的速度互撞,
  • 6:46 - 6:47
    行為就由量子世界的規則所掌控。
  • 6:47 - 6:49
    在量子世界中,
  • 6:49 - 6:52
    這兩個粒子能短暫地
    創造一個新粒子,
  • 6:52 - 6:55
    只瞬間存在,
  • 6:55 - 6:58
    頃刻後分裂成其他粒子,
    並擊中我們的偵測器。
  • 6:58 - 7:01
    想像一下兩輛汽車互撞,
    汽車在相撞的當下消失,
  • 7:01 - 7:03
    原地出現了一輛自行車──
  • 7:03 - 7:04
    (笑聲)
  • 7:04 - 7:07
    那輛自行車緊接著爆炸,
    變成兩個滑板,
  • 7:07 - 7:08
    撞到我們的偵測器。
  • 7:08 - 7:09
    (笑聲)
  • 7:09 - 7:11
    當然不是字面上的撞上,
  • 7:11 - 7:13
    偵測器可是很貴的啊。
  • 7:14 - 7:18
    僅僅兩個光子撞擊偵測器的
    事件非常地罕見。
  • 7:18 - 7:22
    由於光子具有量子的特性,
  • 7:22 - 7:27
    新粒子,也就是這些虛搆的自行車,
    出現的機率相當罕見,
  • 7:27 - 7:29
    只產生兩個光子的新粒子非常罕見。
  • 7:30 - 7:33
    但是有一選項極可能發生,
  • 7:33 - 7:36
    和一個長期存在的未解題有關,
  • 7:36 - 7:39
    就是那個自幼就困擾我的重力問題。
  • 7:42 - 7:45
    或許你認為重力強而有力,
  • 7:45 - 7:49
    但是相較於自然界的其他力量,
    它其實超弱的。
  • 7:49 - 7:51
    當我跳起時,能夠短暫地擺脫重力,
  • 7:52 - 7:55
    但我卻無法用手撿起一粒質子。
  • 7:56 - 8:00
    相較於自然界的其他力量,
    重力的強度如何呢?
  • 8:00 - 8:03
    是 10 的負 39 次方。
  • 8:03 - 8:05
    小數點之後跟著 39 個零。
  • 8:05 - 8:06
    更糟的是,
  • 8:06 - 8:12
    所有其他已知的自然界力量都可被
    所謂的「標準模型」完美地描述。
  • 8:12 - 8:15
    那是我們目前描述自然界
    最小尺度的最佳模型。
  • 8:15 - 8:16
    坦白說,
  • 8:16 - 8:20
    那是人類最大的成就之一,
  • 8:20 - 8:24
    重力標準模型不存在是唯一的例外。
  • 8:24 - 8:26
    難以置信。
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    彷彿大部分的重力消失不見了。
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    我們察覺到少許重力,
  • 8:32 - 8:34
    但其他的部分呢?
  • 8:34 - 8:35
    沒有人知道。
  • 8:36 - 8:40
    但有個理論提供了瘋狂的解釋。
  • 8:42 - 8:43
    你們和我──
  • 8:43 - 8:45
    包括坐在後面的諸位──
  • 8:45 - 8:47
    我們生活在三度空間裡。
  • 8:47 - 8:50
    希望這並無爭議。
  • 8:50 - 8:52
    (笑聲)
  • 8:52 - 8:55
    所有已知的粒子也存在三度空間裡。
  • 8:55 - 8:57
    事實上,粒子只是別名,
  • 8:57 - 9:00
    是三度空間裡的激發;
  • 9:00 - 9:02
    空間中的局部擺動。
  • 9:03 - 9:07
    更重要的是,我們用來描述
    所有這些玩意的數學
  • 9:07 - 9:10
    全都假設只有三度空間。
  • 9:10 - 9:13
    但數學就是數學,
    我們可以隨意擺弄數學。
  • 9:13 - 9:17
    長久以來,人們一直悠遊於
    更多維度的數學中,
  • 9:17 - 9:20
    但僅僅是個抽象的數學概念而已。
  • 9:20 - 9:23
    我的意思是,看看你們的周圍──
    坐在後面的諸位,請環顧四周──
  • 9:24 - 9:26
    顯然只有三度空間。
  • 9:27 - 9:29
    但,倘若事實並非如此呢?
  • 9:30 - 9:33
    如果消失的重力
  • 9:33 - 9:38
    流入了我們看不見的第四度空間呢?
  • 9:39 - 9:42
    如果重力和其他的力量同樣有力,
  • 9:42 - 9:46
    前提是增加維度來看待它;
  • 9:46 - 9:49
    如果你我目前體驗到的重力
    只是一小部分,
  • 9:49 - 9:50
    所以才會看起來這麼弱呢?
  • 9:52 - 9:53
    假如這是真的,
  • 9:53 - 9:58
    我們就必須擴大粒子的標準模型,
    包括其他的粒子,
  • 9:58 - 10:00
    「超維度的重力子」,
  • 10:00 - 10:03
    存在另一度空間的重力子。
  • 10:03 - 10:05
    我注意到你們的臉上的表情。
  • 10:05 - 10:06
    你們該問我:
  • 10:06 - 10:10
    「要怎樣去測試
    這瘋狂而科幻的想法呢?
  • 10:10 - 10:13
    我們到底身處在三度空間裡啊!」
  • 10:13 - 10:14
    老法子,
  • 10:14 - 10:16
    使兩個光子互撞──
  • 10:16 - 10:17
    (笑聲)
  • 10:17 - 10:23
    碰撞反射到或許存在的
    多度空間已經夠難了,
  • 10:23 - 10:25
    遑論頃刻間造出超維度的重力子,
  • 10:25 - 10:30
    並且撞擊到三度空間的 LHC,
  • 10:30 - 10:32
    又再分裂為兩個光子,
  • 10:32 - 10:34
    兩個光粒子。
  • 10:35 - 10:38
    這假設的超維度重力子,
  • 10:38 - 10:42
    唯一可能假設的新粒子,
  • 10:42 - 10:44
    具有特別的量子空間特性,
  • 10:44 - 10:48
    能產生我們這個小小的二光子凸起。
  • 10:50 - 10:55
    因此,解釋重力的奧秘,
  • 10:55 - 10:59
    和發現另一度空間的可能性──
  • 10:59 - 11:01
    現在或許你們稍稍明白了
  • 11:01 - 11:04
    為何成千上萬的怪胎物理學家
  • 11:04 - 11:07
    會因小小的兩光子凸起而集體激動。
  • 11:07 - 11:10
    這樣的發現將會改寫教科書。
  • 11:11 - 11:12
    但請記住,
  • 11:12 - 11:16
    我們這些當時真正做實驗的人
    傳達的訊息非常的清楚:
  • 11:16 - 11:18
    我們需要更多的數據。
  • 11:18 - 11:20
    有了更多的數據,
  • 11:20 - 11:24
    這小小的凸起可能會成為
    漂亮、清新的諾貝爾獎──
  • 11:24 - 11:26
    (笑聲)
  • 11:26 - 11:29
    或者增加的數據
    會填滿凸起周邊的空間,
  • 11:29 - 11:31
    使它成為平滑、順暢的線條。
  • 11:32 - 11:33
    因此我們收取更多的數據,
  • 11:33 - 11:35
    又經過幾個月,增加了五倍的數據,
  • 11:35 - 11:37
    我們的小凸起
  • 11:37 - 11:39
    成為平滑的線條。
  • 11:43 - 11:47
    新聞報導了「大失望」、
    「消逝的希望」,
  • 11:47 - 11:49
    以及粒子物理學家們很「悲傷」。
  • 11:49 - 11:51
    根據報導的語氣,
  • 11:51 - 11:55
    你們會認為我們已經決定
    關掉 LHC,打道回府了。
  • 11:55 - 11:56
    (笑聲)
  • 11:57 - 11:58
    但我們沒那樣做。
  • 12:01 - 12:03
    為什麼不呢?
  • 12:04 - 12:07
    如果我沒發現新粒子──
    而我的確沒發現──
  • 12:08 - 12:11
    如果我沒發現新粒子,
    怎麼還在這裡對你們演講?
  • 12:11 - 12:14
    我怎麼沒羞恥地低著頭,
  • 12:14 - 12:15
    躲回家裡去呢?
  • 12:19 - 12:23
    粒子物理學家是探索者。
  • 12:23 - 12:26
    我們繪製很多的圖。
  • 12:27 - 12:30
    暫時先不管 LHC,讓我這樣來描述:
  • 12:30 - 12:32
    想像你是個太空探險家,
  • 12:32 - 12:35
    飛到一個遙遠的行星去搜索外星人。
  • 12:35 - 12:37
    你的第一個任務是什麼?
  • 12:38 - 12:40
    是立刻環繞行星、掃視地面,
  • 12:40 - 12:41
    快速地巡視四周,
  • 12:41 - 12:43
    看有沒有大的、顯著的生命跡象,
  • 12:43 - 12:45
    並回報基地。
  • 12:45 - 12:46
    這正是我們眼前的階段。
  • 12:47 - 12:49
    我們先快巡 LHC,
  • 12:49 - 12:51
    看有沒有大的、顯著的粒子,
  • 12:51 - 12:53
    我們回報沒有。
  • 12:54 - 12:56
    如同我們看到遠處
    有個像是外星人的怪異凸起,
  • 12:56 - 12:58
    一旦近看,發現只是個石頭。
  • 12:59 - 13:01
    接下來呢?我們放棄、飛離嗎?
  • 13:01 - 13:03
    絕不;
  • 13:03 - 13:05
    若那樣做,我們就是差勁的科學家。
  • 13:05 - 13:09
    不,我們用接下來的幾十年去探索,
  • 13:09 - 13:10
    繪製地圖,
  • 13:10 - 13:13
    用精密儀器仔細地篩過沙土,
  • 13:13 - 13:14
    翻遍每塊石頭,
  • 13:14 - 13:16
    往地表下鑽。
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    新粒子可能以
    大而顯著的型態立即顯現,
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    或在收集許多數據後才會顯露出來。
  • 13:26 - 13:31
    人類才剛開始以如此高的能量
    在 LHC 上探索,
  • 13:31 - 13:32
    我們要找的可多著呢。
  • 13:32 - 13:38
    如果十或二十年後,
    我們仍然沒發現新的粒子呢?
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    我們就建造更大的機器。
  • 13:41 - 13:42
    (笑聲)
  • 13:42 - 13:44
    我們用更高的能量去尋找。
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    我們用更高的能量尋找。
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    我們已在規畫一百公里長的隧道,
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    它的撞擊力道是 LHC 的十倍。
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    大自然在何處擺放新粒子
    不歸我們作主。
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    我們只能決定繼續探索。
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    倘若用了一百公里的加速隧道,
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    五百公里的隧道,
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    或是一萬公里長,
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    漂浮在地球和月亮間
    太空中的隧道,
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    仍然找不到新粒子呢?
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    也許我們粒子物理的理論是錯的。
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    (笑聲)
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    也許我們需要重新思考。
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    也許我們需要比現有
    更多的資源、技術和專業知識。
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    我們已經將人工智能和機器學習技術
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    用在部分的 LHC 中,
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    想像把這種複雜的演算法
    設計在粒子物理實驗裡,
  • 14:33 - 14:36
    教會它自己去發現超維重力子。
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    如果,
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    如果最終的問題:
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    如果連人工智慧也不能
    幫助我們回答問題呢?
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    如果這些數百年無解的問題,
  • 14:45 - 14:47
    注定在可預見的未來仍然無解呢?
  • 14:47 - 14:50
    如果那自幼就困擾我的問題
  • 14:50 - 14:53
    注定在我的有生之年無解呢?
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    那……
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    就會更加地迷人了。
  • 15:00 - 15:03
    我們將被迫以全新的方式思考。
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    我們必須回到原先的假設,
  • 15:06 - 15:09
    確定是否某個環節有著缺陷。
  • 15:09 - 15:13
    我們需要鼓勵更多人
    加入我們學習科學,
  • 15:13 - 15:16
    因為我們需要清新的眼睛
    研究這些百年的老問題。
  • 15:16 - 15:19
    我仍在尋找,沒有答案。
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    但某人──也許正在就學,
  • 15:21 - 15:23
    也許尚未出生──
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    最終能引導我們
    以全新的方式去看待物理學,
  • 15:27 - 15:31
    指出來,我們可能只是問錯了問題。
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    這不會終結物理學,
  • 15:35 - 15:36
    而會是個嶄新的開始。
  • 15:37 - 15:38
    謝謝。
  • 15:38 - 15:41
    (鼓掌)
Title:
如何探索物理的未解題?
Speaker:
詹姆斯 · 巴沙穆
Description:

詹姆斯 · 巴沙穆用最大型的科學實驗儀器,即歐洲核子研究組織 CERN 的「大型強子對撞機(LHC)」,試圖解答重要而仍未有解的物理謎題。巴沙穆在這有趣而易懂的演講中,帶領我們進入增加另一度空間的旅程,尋找尚未被發現的基本粒子,以期解釋「弱」重力之謎,並堅持繼續探索的動力。

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

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