如何探索物理的未解題?
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0:01 - 0:05物理學中有件事情
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0:05 - 0:09自幼時就一直非常困擾我。
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0:11 - 0:16近百年來科學家思索著這個問題
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0:16 - 0:17但沒有答案。
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0:19 - 0:24自然界中最小的東西,
即量子世界的微粒子,如何與 -
0:24 - 0:31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? -
0:31 - 0:34童年的我,為這樣的問題搜索枯腸。
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0:34 - 0:37我操作顯微鏡和電磁鐵,
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0:37 - 0:39我研讀微物質的力學
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0:39 - 0:41和量子力學,
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0:41 - 0:45讚嘆其描述和我們的觀察
是如此的相應。 -
0:46 - 0:48我也觀看星星,
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0:48 - 0:50閱讀我們所知的重力,
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0:50 - 0:56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。 -
0:57 - 0:58但可惜卻沒有。
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1:00 - 1:01根據書本,
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1:01 - 1:04我們很懂這兩個各別的系統,
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1:04 - 1:07但是一旦嘗試以數學模式來連結,
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1:07 - 1:08就完全行不通了。
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1:09 - 1:10百年來,
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1:10 - 1:15我們對於如何解決
這基本的物理問題一籌莫展, -
1:15 - 1:17沒有可以支持的證據。
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1:18 - 1:20對於小老弟在下──
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1:20 - 1:22小小、好奇、不信服的詹姆斯──
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1:22 - 1:25這是絕對不可接受的。
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1:26 - 1:28今天的我,仍是個不易信服的小孩。
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1:28 - 1:32時間快轉到 2015 年十二月,
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1:33 - 1:36我重拍額頭,
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1:36 - 1:38突然有個物理世界裡的靈光一閃。
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1:40 - 1:43始自我們在歐洲核子研究組織
CERN 看到有趣的數據: -
1:43 - 1:46它們隱射一種新的粒子,
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1:46 - 1:50暗示一個可能不同凡響的解答。
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1:52 - 1:54我仍是個不信服的小子,
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1:54 - 1:56現在也是個找尋粒子的人。
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1:56 - 2:00我是 CERN 的物理學家,
用「大型強子對撞機(LHC)」, -
2:00 - 2:03一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, -
2:07 - 2:09埋在一百公尺深的地下。
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2:09 - 2:10隧道裡,
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2:10 - 2:14我們用比外太空更低溫的超導磁體
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2:14 - 2:18把質子加速到接近光速,
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2:18 - 2:21使它們每秒彼此互相撞擊數百萬次,
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2:21 - 2:24收集碰撞的碎片,
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2:24 - 2:28搜索新的、尚未被發現的基本粒子。
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2:29 - 2:31其設計和施工費時幾十年,
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2:31 - 2:34全球各地數以千計的
物理學家通力合作, -
2:34 - 2:37在 2015 年夏天,
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2:37 - 2:40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。 -
2:46 - 2:49高能量至關重要,對粒子而言,
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2:49 - 2:53能量和質量轉換守恆,
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2:53 - 2:55質量只是個自然界擺在那兒的數字。
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2:56 - 2:57為要發現新的粒子,
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2:57 - 3:00我們必須耗費更多的能量。
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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
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3:05 - 3:07是 LHC。
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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。
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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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3:26 - 3:30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,
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3:33 - 3:362012 年累月的數據採集後,
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3:36 - 3:38導致發現了「希格斯粒子」,
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3:38 - 3:39或稱「希格斯玻色子」,
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3:39 - 3:42和因證明它存在而獲得的諾貝爾奬。
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3:44 - 3:482015 年看到的能量凸起
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3:49 - 3:53代表人類發現新粒子的絕佳機會,
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3:53 - 3:56這些長期謎題的新解答,
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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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4:07 - 4:09這是我一輩子等待的時刻。
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4:09 - 4:122015 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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4:16 - 4:18LHC 又運轉了。
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4:19 - 4:22同事和我屏息、緊張又興奮,
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4:22 - 4:26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。
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4:29 - 4:32這是科學的里程碑,
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4:32 - 4:37我們不知道會在
這全新的數據裡找到什麼。 -
4:40 - 4:42數週後,我們發現了凸起的數據。
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4:44 - 4:46凸起雖不算大,
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4:47 - 4:49但已足以讓人訝異。
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4:49 - 4:52從 1 到 10 的訝異程度,
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4:52 - 4:5410 代表你已發現了新的粒子,
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4:54 - 4:56這是個程度大約 4 的訝異。
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4:56 - 4:57(笑聲)
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4:58 - 5:04我花了無數的時間秘密開會,
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5:04 - 5:06和同事辯論這個小凸起,
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5:06 - 5:09努力在雞蛋裡挑骨頭,
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5:09 - 5:11看它是否經得起最嚴厲的檢視。
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5:12 - 5:15即使在數月不眠不休地工作後──
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5:15 - 5:18不回家,而是睡在辦公室,
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5:18 - 5:20以糖果零嘴當晚餐,
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5:20 - 5:22大桶大桶地喝咖啡──
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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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5:27 - 5:30這個小凸起並未消失。
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5:31 - 5:33幾個月後,
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5:33 - 5:37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,
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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。
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5:47 - 5:50儘管如此,世界隨它起舞。
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5:50 - 5:52新聞界喜愛它。
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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──
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6:03 - 6:05我喜歡我的理論派同事們──
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6:05 - 6:09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)
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6:11 - 6:15粒子物理學的世界已然翻轉。
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6:16 - 6:20這個小凸起的什麼特點
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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。
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6:28 - 6:30這個小凸起顯示
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6:30 - 6:33我們看到了意料之外的大量碰撞,
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6:33 - 6:36碰撞後只殘留兩個光子,
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6:36 - 6:37兩個光粒子。
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6:37 - 6:38這相當罕見。
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6:39 - 6:42粒子碰撞不像汽車碰撞。
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6:42 - 6:43碰撞的規則不同。
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6:43 - 6:46當兩個粒子以接近光速的速度互撞,
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6:46 - 6:47行為就由量子世界的規則所掌控。
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6:47 - 6:49在量子世界中,
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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,
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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──
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7:03 - 7:04(笑聲)
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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。
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7:08 - 7:09(笑聲)
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7:09 - 7:11當然不是字面上的撞上,
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7:11 - 7:13偵測器可是很貴的啊。
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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,
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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。
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7:30 - 7:33但是有一選項極可能發生,
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7:33 - 7:36和一個長期存在的未解題有關,
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7:36 - 7:39就是那個自幼就困擾我的重力問題。
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7:42 - 7:45或許你認為重力強而有力,
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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,
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7:52 - 7:55但我卻無法用手撿起一粒質子。
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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。
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8:03 - 8:05小數點之後跟著 39 個零。
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8:05 - 8:06更糟的是,
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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,
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8:16 - 8:20那是人類最大的成就之一,
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8:20 - 8:24重力標準模型不存在是唯一的例外。
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8:24 - 8:26難以置信。
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8:26 - 8:29彷彿大部分的重力消失不見了。
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8:30 - 8:32我們察覺到少許重力,
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8:32 - 8:34但其他的部分呢?
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8:34 - 8:35沒有人知道。
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8:36 - 8:40但有個理論提供了瘋狂的解釋。
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8:42 - 8:43你們和我──
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8:43 - 8:45包括坐在後面的諸位──
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8:45 - 8:47我們生活在三度空間裡。
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8:47 - 8:50希望這並無爭議。
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8:50 - 8:52(笑聲)
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8:52 - 8:55所有已知的粒子也存在三度空間裡。
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8:55 - 8:57事實上,粒子只是別名,
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8:57 - 9:00是三度空間裡的激發;
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9:00 - 9:02空間中的局部擺動。
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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。
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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。
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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。
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9:27 - 9:29但,倘若事實並非如此呢?
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9:30 - 9:33如果消失的重力
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9:33 - 9:38流入了我們看不見的第四度空間呢?
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9:39 - 9:42如果重力和其他的力量同樣有力,
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9:42 - 9:46前提是增加維度來看待它;
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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?
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9:52 - 9:53假如這是真的,
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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」,
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10:00 - 10:03存在另一度空間的重力子。
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10:03 - 10:05我注意到你們的臉上的表情。
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10:05 - 10:06你們該問我:
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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!」
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10:13 - 10:14老法子,
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10:14 - 10:16使兩個光子互撞──
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10:16 - 10:17(笑聲)
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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,
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10:25 - 10:30並且撞擊到三度空間的 LHC,
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10:30 - 10:32又再分裂為兩個光子,
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10:32 - 10:34兩個光粒子。
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10:35 - 10:38這假設的超維度重力子,
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10:38 - 10:42唯一可能假設的新粒子,
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10:42 - 10:44具有特別的量子空間特性,
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10:44 - 10:48能產生我們這個小小的二光子凸起。
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10:50 - 10:55因此,解釋重力的奧秘,
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10:55 - 10:59和發現另一度空間的可能性──
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10:59 - 11:01現在或許你們稍稍明白了
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11:01 - 11:04為何成千上萬的怪胎物理學家
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11:04 - 11:07會因小小的兩光子凸起而集體激動。
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11:07 - 11:10這樣的發現將會改寫教科書。
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11:11 - 11:12但請記住,
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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。
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11:18 - 11:20有了更多的數據,
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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)
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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。
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11:32 - 11:33因此我們收取更多的數據,
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11:33 - 11:35又經過幾個月,增加了五倍的數據,
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11:35 - 11:37我們的小凸起
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11:37 - 11:39成為平滑的線條。
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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」。
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11:49 - 11:51根據報導的語氣,
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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)
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11:57 - 11:58但我們沒那樣做。
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12:01 - 12:03為什麼不呢?
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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,
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12:14 - 12:15躲回家裡去呢?
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12:19 - 12:23粒子物理學家是探索者。
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12:23 - 12:26我們繪製很多的圖。
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12:27 - 12:30暫時先不管 LHC,讓我這樣來描述:
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12:30 - 12:32想像你是個太空探險家,
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12:32 - 12:35飛到一個遙遠的行星去搜索外星人。
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12:35 - 12:37你的第一個任務是什麼?
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12:38 - 12:40是立刻環繞行星、掃視地面,
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12:40 - 12:41快速地巡視四周,
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12:41 - 12:43看有沒有大的、顯著的生命跡象,
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12:43 - 12:45並回報基地。
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12:45 - 12:46這正是我們眼前的階段。
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12:47 - 12:49我們先快巡 LHC,
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12:49 - 12:51看有沒有大的、顯著的粒子,
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12:51 - 12:53我們回報沒有。
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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。
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12:59 - 13:01接下來呢?我們放棄、飛離嗎?
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13:01 - 13:03絕不;
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13:03 - 13:05若那樣做,我們就是差勁的科學家。
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13:05 - 13:09不,我們用接下來的幾十年去探索,
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13:09 - 13:10繪製地圖,
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13:10 - 13:13用精密儀器仔細地篩過沙土,
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13:13 - 13:14翻遍每塊石頭,
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13:14 - 13:16往地表下鑽。
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13:16 - 13:21新粒子可能以
大而顯著的型態立即顯現, -
13:21 - 13:25或在收集許多數據後才會顯露出來。
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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。
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13:32 - 13:38如果十或二十年後,
我們仍然沒發現新的粒子呢? -
13:39 - 13:41我們就建造更大的機器。
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13:41 - 13:42(笑聲)
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13:42 - 13:44我們用更高的能量去尋找。
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13:44 - 13:46我們用更高的能量尋找。
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13:47 - 13:50我們已在規畫一百公里長的隧道,
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13:51 - 13:54它的撞擊力道是 LHC 的十倍。
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13:54 - 13:56大自然在何處擺放新粒子
不歸我們作主。 -
13:56 - 13:58我們只能決定繼續探索。
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13:58 - 14:01倘若用了一百公里的加速隧道,
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14:01 - 14:02五百公里的隧道,
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14:03 - 14:04或是一萬公里長,
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14:04 - 14:07漂浮在地球和月亮間
太空中的隧道, -
14:07 - 14:10仍然找不到新粒子呢?
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14:12 - 14:14也許我們粒子物理的理論是錯的。
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14:14 - 14:16(笑聲)
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14:16 - 14:18也許我們需要重新思考。
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14:19 - 14:24也許我們需要比現有
更多的資源、技術和專業知識。 -
14:25 - 14:28我們已經將人工智能和機器學習技術
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14:28 - 14:29用在部分的 LHC 中,
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14:29 - 14:33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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14:36 - 14:38如果,
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14:38 - 14:39如果最終的問題:
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14:39 - 14:42如果連人工智慧也不能
幫助我們回答問題呢? -
14:42 - 14:45如果這些數百年無解的問題,
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14:45 - 14:47注定在可預見的未來仍然無解呢?
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14:47 - 14:50如果那自幼就困擾我的問題
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14:50 - 14:53注定在我的有生之年無解呢?
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14:54 - 14:56那……
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14:56 - 14:58就會更加地迷人了。
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15:00 - 15:03我們將被迫以全新的方式思考。
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15:04 - 15:06我們必須回到原先的假設,
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15:06 - 15:09確定是否某個環節有著缺陷。
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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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15:19 - 15:21但某人──也許正在就學,
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15:21 - 15:23也許尚未出生──
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15:24 - 15:27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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15:32 - 15:35這不會終結物理學,
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15:35 - 15:36而會是個嶄新的開始。
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15:37 - 15:38謝謝。
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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:
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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。
- Video Language:
- English
- Team:
- closed TED
- Project:
- TEDTalks
- Duration:
- 15:54
Regina Chu edited Chinese, Traditional subtitles for How we explore unanswered questions in physics | ||
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JiYuan Zhang accepted Chinese, Traditional subtitles for How we explore unanswered questions in physics | ||
Helen Chang edited Chinese, Traditional subtitles for How we explore unanswered questions in physics | ||
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