相對論之後最偉大的物理學發現 -- 電視片《穿越蟲洞》簡介(一)

如果你想了解人類最新科學進展,如果你想知道頂尖科學家在想什麼,做什麼,如果你想透過世上萬物體驗生活之美,不妨看看美國系列片《穿越蟲洞》(Through the Wormhole)。

該片以生動畫面和深入淺出的解說展示了多種學科的基本內容,從天文學、物理學、生命科學、心理學、語言學、人工智能,直到最基本的哲學思考,其涉及面之廣、思考之深入令人驚歎。著名黑人演員摩根·弗里曼擔任前臺解說,一口標準美國英語,娓娓道來,盡顯忠厚長者風度。

我只看了第四季的10集,前三季還得找時間慢慢看。這裡選其中幾集,儘自己的理解提供簡介。

第一集英文標題是 Is There a God Particle(是否有上帝粒子),講粒子物理學最新進展,其中涉及2013年諾貝爾物理學獎得主,從中可以看出諾獎的意義。愛因斯坦的相對論大大擴展了人類眼界,人們不由感嘆:哦,世界原來是這樣!玻色子(命名出自印度科學家玻色)的發現是又一次飛躍,人們再次感嘆:哦,原子核內部原來是這樣!科學界從此信心大增。有一天人類真的看透了這個世界,那將產生多麼巨大的力量?

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宇宙是如何起源?此問題已攪擾人類兩千年之久。從盤古開天、上帝創世到穩恆宇宙之說,人們只能求助於神話和猜測。目前科學界普遍認為,宇宙起源於一次大爆炸。爆炸之初,所有物質形態都是純能量,質量為零。一瞬間,能量轉換為質量。此後經過一系列演變,產生了我們現在看到的宇宙空間 --- 恆星、行星和星系。這次能量到質量的轉換產生了一切,包括地球、地球上的生命和人類本身。

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宇宙大爆炸

這是迄今為止最合理的假說,但它仍然是一種假說,有待證實。其中的關鍵問題是:宇宙起源時能量如何轉換為質量?

十九世紀六十年代,以英國物理學家希格斯為代表,物理學界提出量子場理論,並以此為基礎創建了粒子物理標準模型。學界認為,有一種亞原子粒子在能量-質量轉換中起了關鍵作用,這就是被稱為上帝粒子的希格斯玻色子。如果能證實希格斯玻色子確實存在,量子場理論和標準物理模型將獲得堅實的實驗基礎。

希望寄託在LHC,即位於法國和瑞士邊界的大型強子對撞機。其主體是一個周長27公里的圓形隧道,建造於地下50到150米處。那是由34個國家(包括中國)合作建造的世上最強大的粒子加速器,來自80個國家的7000名科學家和工程師為其提供支持,包括來自臺灣的40人和來自中國大陸的20餘人。這一項目堪稱國際合作的範例,真希望世上有更多這樣的合作。

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LHC 強子對撞機

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LHC 佈局結構

研究的目標之一是通過質子對撞模擬微型宇宙大爆炸,從中觀察高能粒子的演變過程。質子在LHC中加速後獲取巨大能量,對撞後能釋放出成千更小的粒子,例如夸克和膠子。其中的希格斯玻色子將在一瞬間衰變,無法捕捉,但可以探測出其衰變生成物。研究生成物的拋射軌跡即可追溯出希格斯玻色子衰變之前的狀態。

在此過程中,如果兩個夸克迎頭對撞,全部能量將集中到一點,在希格斯場中產生擾動,從而生成希格斯玻色子。這種事件產生的概率只有萬億分之一。

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兩個夸克迎頭相撞

消息傳到英國,希格斯十分平靜。這一天他等了40年。第二年,他和另一位創始人恩格勒共同榮獲2013年諾貝爾物理學獎。

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到會科學家熱烈鼓掌慶祝

宇宙生成之謎終於有望破解,人類終於開始理解世間萬物究竟是如何形成。但這僅僅是第一步,前面的路還很漫長。眾多物理學基本概念有待深入探索,如玻色子的多樣性、超對稱結構和暗物質。歐洲核子中心正在改造 LHC,使其成為更加強大的粒子對撞機。希望在我們有生之年能看到重大突破,有幸見識物質世界的謎底。


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