《宇宙自然生命简史：25恼人的粒子物理学》歌词

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[00:00:05] 欢迎收听科学有故事

[00:00:09] 比科学故事更重要的重要

[00:00:11] 更重要的是科学精神

[00:00:17] 在苏格兰有一座本尼维斯山这座山啊

[00:00:21] 以多云而闻名

[00:00:24] 有一个叫做威尔逊的英国科学家经常啊

[00:00:27] 就爬到山顶上去看云在1911年的某一天

[00:00:31] 他看着看着

[00:00:32] 突然就有一个念头冒了出来

[00:00:35] 为什么不找一个更简单的办法来看云呢

[00:00:38] 他马上就返回在剑桥的卡文迪许实验室建造了一个人工云是这是一个不太复杂的装置

[00:00:47] 在一个密闭的玻璃容器中输入纯净的乙醇或者甲醇蒸汽

[00:00:53] 然后通过降低温度使得蒸汽达到过饱和的状态

[00:00:58] 这样就可以制造出挺像那么回事儿的人工云来

[00:01:03] 结果就是这个发明让威尔逊获得了诺贝尔奖

[00:01:07] 你还别不信

[00:01:10] 我们从何而来

[00:01:13] 要去向何方

[00:01:18] 一个星球一个实验

[00:01:22] 请听我为您讲述有关宇宙自然生命简史

[00:01:31] 这个装置让威尔逊得到了一个意想不到的额外收获

[00:01:35] 当它加速一束阿尔法粒子流穿过云室的时候

[00:01:40] 就会留下一条肉眼可见的痕迹

[00:01:43] 就好像啊是飞机的痕迹一样

[00:01:45] 当时还正值发明粒子探测器没有多久

[00:01:49] 这两者结合呢就提供了足以令人信服的证据来证明亚原子粒子啊

[00:01:56] 它确实存在

[00:01:57] 后来呢

[00:01:58] 卡文迪许实验室的另外两个科学家发明了更强大的质子加速器

[00:02:04] 而在大洋彼岸的加州大学伯克利分校厄内斯特劳伦斯在差不多同一时间制造出了著名的回旋加速器

[00:02:14] 这种令人印象深刻的机器

[00:02:16] 在很长一段时期内也被激动的叫做原子粉碎器

[00:02:21] 这类奇异的机器

[00:02:22] 不论是过去还是现在他们的工作原理基本上都差不多

[00:02:27] 首先呢是把一个制止或者其他带电粒子沿着环形或者现行的轨道加速到极高的速度

[00:02:35] 然后啊

[00:02:36] 在引导他们去撞击另一个例子

[00:02:40] 人们在观察撞击后飞出去的碎片

[00:02:43] 所以呢

[00:02:44] 人们会把他们叫做原子粉碎器

[00:02:47] 在那一段时期物理学家们的雄心壮志和他们建造的机器在一同成长

[00:02:54] 他们直接发现或者推测出的粒子家族也越来越大

[00:02:59] 似乎啊

[00:02:59] 永远没有止境

[00:03:01] 什么夸克啊

[00:03:02] 妞子啊

[00:03:03] 陶子派戒指W 波色子娇子等等多的连物理学家们自己也感到有点不安了

[00:03:11] 有一次一个学生问物理学家

[00:03:14] 费米一个粒子的名称的时候

[00:03:16] 他是这么回答的年轻人啊

[00:03:18] 如果我能把这么多粒子的名称

[00:03:21] 都给记住的话

[00:03:22] 我早就成为一名植物学家了

[00:03:25] 今天加速器的名字听起来呢

[00:03:28] 就像是战场上的新鼓气什么超级质子同步加速器大型正负电子对撞机大型强子对撞机相对论性重离子对撞机这些机器要消耗的能量也是非常巨大的

[00:03:46] 以至于他们中的有些机器啊

[00:03:48] 只能在深夜启动

[00:03:49] 因为只有这样才能让周边城市的居民不会注意到家里的电灯在机器开火的时候变得暗了一些

[00:03:59] 例如啊

[00:03:59] 让一个电子在不到一秒的时间内

[00:04:02] 沿着一根七公里的管道跑上个47000圈

[00:04:07] 正是因为这些机器的庞大和能量的巨大甚至啊

[00:04:12] 有些人开始感到了恐惧和害怕

[00:04:14] 他们害怕这些激情的科学家们无意中会制造出一个微黑洞来吞噬整个地球或者呢

[00:04:22] 制造一种叫做奇异夸克的东西

[00:04:25] 有人认为啊这种东西会与其他粒子相互作用产生难以控制的连锁反应带来可怕的灾难性的后果

[00:04:34] 当然啊

[00:04:34] 这些都是以讹传讹的瞎担心并没有任何真实的理论依据大家也不用担心

[00:04:41] 寻找例子需要大大的集中精神

[00:04:44] 因为这些例子不但又小又快

[00:04:46] 而且常常是转瞬即逝

[00:04:49] 很多例子从出现到消失往往只有往往只有十的负二十四次方秒

[00:04:56] 即便是寿命最长的不稳定粒子

[00:04:59] 也只能存在十的负七次方秒而已

[00:05:02] 有些例子啊

[00:05:03] 非常难以捕捉

[00:05:04] 比如说每一秒钟就会有一万一亿个几乎没有质量的中微子抵达地球

[00:05:12] 他们绝大多数都来自太阳的任何反应

[00:05:15] 他们几乎会全部穿过地球上的一切东西

[00:05:19] 包括你和我的身体就像什么都不存在一样

[00:05:23] 为了能够捕捉到它们科学家们需要在地下深处通常啊是废矿井里面建一个巨大的水池这样呢

[00:05:32] 才能不受别的辐射干扰

[00:05:34] 然后他们在水池里面注入相当于30 个标准泳池的种水

[00:05:40] 种水呢

[00:05:41] 也就是含有大量氢的同位素氘的水

[00:05:45] 只有这样你才能偶尔观察到一次中微子和氢原子核相撞

[00:05:50] 产生出的微弱的一点点散光

[00:05:54] 而科学家们则手在水池边耐心地计算着每一丁点儿的能量

[00:06:00] 用来逐步增进我们对宇宙基本性质的了解1998年

[00:06:06] 日本的观测人员报告了中微子确实有质量

[00:06:10] 但非常非常小

[00:06:11] 只有电子的1000万分之一

[00:06:14] 我不知道大家是否看过电影2012 1 开场就是在印度的那迪加铜矿

[00:06:20] 在那个地底深处的实验室就是这样一个中微子探测器电影中说

[00:06:27] 太阳大爆发

[00:06:28] 导致中微子似乎变成了一种新的粒子把地核也给加热了

[00:06:33] 为了表现这个情节啊

[00:06:35] 那个印度的科学家打开了深达180 米的一大锅水的盖子

[00:06:40] 然后就会惊讶地看到那锅水烧开了

[00:06:44] 但是我们必须要知道中微子的质量啊

[00:06:47] 实在是太小了

[00:06:48] 如果是要靠它们携带的动能来加热地核

[00:06:52] 那还差得太远了

[00:06:53] 除非这些中微子都转变成了某种反物质

[00:06:57] 那还差不多

[00:06:58] 但是如果是反物质粒子的话

[00:07:00] 那么在没有抵达地核之前

[00:07:02] 也早就和其他物质作用而湮灭掉了

[00:07:06] 所以啊

[00:07:06] 电影中的情节是不可能发生的

[00:07:09] 不过呢

[00:07:10] 增加看科幻电影的乐趣

[00:07:12] 也是听我这个节目地好处之一吧

[00:07:15] 如今啊寻找例子

[00:07:17] 真正要花费的东西不是别的

[00:07:20] 就是钱

[00:07:21] 而且是大量的钱

[00:07:23] 有意思的是啊

[00:07:24] 在现代物理学中要寻找的东西越小

[00:07:28] 用于寻找他的设备反而就越大

[00:07:31] 欧洲核子研究中心是欧洲最大的核研究组织他就像一座城市

[00:07:37] 位于法国和瑞士的边界处占地呢

[00:07:40] 有一平方公里

[00:07:42] 他有3000多名全职的雇员

[00:07:45] 还有6500 多名兼职的科学家和工程师全世界的粒子物理学家差不多有一半儿都在这里工作

[00:07:52] 欧洲核子研究中心最值得自夸的就是他那条周长达到了27 公里的地下隧道

[00:08:00] 还有一根比埃菲尔铁塔还要重的磁铁

[00:08:04] 要敲开一个原子其实并不是很难

[00:08:07] 每次你打开日光灯就可以了

[00:08:10] 但是啊

[00:08:10] 你要想敲开原子核那就不容易了

[00:08:13] 需要大量的资金和巨大的电力供应

[00:08:17] 如果想要再深入到夸克的级别

[00:08:20] 也就是构成质子中子的基本粒子级别的话

[00:08:23] 你需要的则是数以万亿瓦特的电力和相当于一个中美洲一个小国家年度预算的资金量

[00:08:31] 欧洲核子研究中心在2005 年启用的一台大型强子对撞机它的花费就超过了15 亿美元

[00:08:40] 而每次开机都需要十四万亿瓦的能量

[00:08:44] 不过呢

[00:08:45] 上面这些数字与美国原本计划要建造的一台机器相比

[00:08:49] 那就是小巫见大巫了

[00:08:52] 美国在上世纪80 年代决定在德州的沃克西哈奇建造一台超级超导对撞机

[00:09:00] 但不幸的是啊

[00:09:01] 它在建造过程中

[00:09:02] 便与美国的国会发生了激烈的对撞项目

[00:09:05] 黄掉了这台机器原本可以让科学家们自豪地发现物质的终极属性啊

[00:09:13] 这话听着有点耳熟

[00:09:14] 科学家们经常用寻找终极XX 来筹集资金的设计

[00:09:19] 那台机器的科学家们宣称他有可能重建宇宙在最初的十万分之一秒时的条件

[00:09:27] 原计划呢

[00:09:28] 他们是想让粒子在一条周长达到84 公里长的隧道中飞驰消耗的能量啊

[00:09:36] 达到了惊人的九十九万亿瓦

[00:09:39] 这真是一个宏伟的计划

[00:09:41] 光是建造费用就达到了80 亿美金

[00:09:44] 后来啊预算又被提高到了100亿美金

[00:09:48] 每年的运行费用也高达数亿美元

[00:09:51] 你在历史上恐怕找不出更好的例子来诠释把钱埋在地下

[00:09:57] 这句话了

[00:09:58] 1987年到1993年

[00:10:00] 美国的国会在花费了20 亿美金挖空了一条22 公里长的隧道之后呢

[00:10:07] 终于受不了了

[00:10:08] 他们取消了这个项目

[00:10:09] 所以啊

[00:10:10] 直到今天德州还总是自夸拥有一个宇宙中最昂贵的地洞

[00:10:16] 不过从照片上来看呢

[00:10:18] 这个地方其实就是一片巨大的空地

[00:10:21] 环形散落着一串失望的小镇

[00:10:24] 如果这台机器真的建在这里的话

[00:10:26] 那么毫无疑问

[00:10:27] 这里将成为一个旅游圣地小镇的居民就是卖卖盒饭都能发财

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[00:11:00] 所以啊

[00:11:01] 建造粒子加速器最大的一个特点就是贵超级花钱

[00:11:06] 去年啊

[00:11:06] 在中国的科学界曾经掀起过一轮激烈的争议起因啊

[00:11:11] 就是中科院计划建造一台超级对撞机

[00:11:14] 结果呢

[00:11:15] 遭到了德高望重的杨振宁先生的反对

[00:11:18] 反对的一个重要原因就是花钱实在太多了

[00:11:22] 不值得

[00:11:23] 中科院高能物理研究所的计划呢

[00:11:25] 是分成两个阶段

[00:11:27] 每个阶段的花费是400亿和一千亿人民币

[00:11:32] 这个世界上恐怕没有什么单个工程需要花的钱比这个还多了作为对比啊

[00:11:38] 我可以告诉你贵州的那个全世界最大的单口径射电望远镜fast 的造价仅仅是十多亿人民币

[00:11:46] 而武广高铁的总投资是1166亿人民币

[00:11:52] 包括所有的高铁站

[00:11:53] 那么一架全新的C 919 客机的售价呢

[00:11:57] 大约是3 .5 亿人民币左右

[00:12:00] 总之啊粒子物理学是一项昂贵的事业

[00:12:04] 但他同时也是一项多产的事业

[00:12:07] 随着2013 年希格斯波色子被找到所有标准粒子模型中的61 种粒子就全部被找到了

[00:12:16] 但不幸的是标准粒子模型只能解释电磁力弱核力和强核力的产生和作用机制

[00:12:23] 他无法解释引力

[00:12:25] 而为了解释引力物理学家们又提出了很多其他的非标准理论模型

[00:12:32] 在这些理论模型中呢

[00:12:33] 就含有更多的例子种类虽然例子啊

[00:12:37] 确实找到了一大堆可是用费曼的话来说就是我们很难理解这些粒子之间的关系

[00:12:44] 大自然为什么需要他们又是什么

[00:12:47] 连接着这个例子和那个例子呢

[00:12:50] 每当我们尽力打开一个盒子必然又会在里面发现另一个锁着的盒子

[00:12:57] 有人认为存在一种叫筷子的粒子运动速度啊

[00:13:01] 甚至超过光速

[00:13:03] 有人则渴望找到引力子就是一切引力产生的根源

[00:13:08] 那么我们究竟已经到达了多深的地方

[00:13:11] 现在还很难说

[00:13:13] 卡尔萨根在他的名作宇宙中提出了一个假设

[00:13:16] 如果你钻进一个电子钟

[00:13:19] 你可能会发现电子本身又是一个宇宙

[00:13:23] 上世纪50 年代出现了大量的科幻小说就描述这种结构科幻小说家们幻想着数量巨大的更小的基本粒子构成了相当于星系一样的结构

[00:13:35] 而每一个这样的基本粒子

[00:13:37] 又是一个更小级别的宇宙宇宙中又嵌套着宇宙如此一级一级往下没有尽头

[00:13:45] 而网上也是一样无穷无尽

[00:13:48] 但是啊并没有几个励志物理学家会同意这样的幻想

[00:13:52] 因为正如我们之前说过的微观世界与宏观世界的运行规则似乎啊大不相同很难类比

[00:14:01] 而且根据我们的量子理论物质最小

[00:14:04] 也只能小到十的负35 次方米

[00:14:07] 这样的一个级别

[00:14:09] 不可能再小下去了这个呢

[00:14:11] 就叫做普朗克尺度

[00:14:13] 他是整个量子理论的根基

[00:14:16] 这样的世界啊

[00:14:17] 已经超出了大多数人的理解能力

[00:14:20] 现如今啊

[00:14:21] 即便是阅读最基础的粒子物理学指南

[00:14:24] 你也必须穿过一条布满专业词汇的荆棘之路

[00:14:29] 比如说你会在书上看到这样的语句带电的派戒指和反派戒指分别列变为一个妞戒指加一个反中微子和一个反缪戒指和一个中微子他们的平均寿命呢

[00:14:44] 大约只有2 .063 乘以十的负八次方秒

[00:14:48] 中性的pi 介子衰变为两个光子平均寿命大约是0 .8 乘十的负16 次秒er Miao 戒指和反喵戒指又继续衰变为啊

[00:15:01] 我不想再念下去了

[00:15:02] 因为大家肯定听晕了

[00:15:04] 其实我刚才念的还是来自一本专门为普通读者撰写的书

[00:15:09] 作者是那个最善于深入浅出

[00:15:12] 讲解物理学的物理学家史蒂文温伯格到了上世纪60 年代加州理工的物理学家盖尔曼他尝试着把杂乱的例子啊

[00:15:22] 重新整理一番

[00:15:24] 他发明了一种新的粒子的分类的方法

[00:15:27] 这种方法用温伯格的话来说呢

[00:15:30] 就是再次减少墙纸的复杂性

[00:15:32] 使他们更清晰墙纸这个词也是物理学中的一个术语

[00:15:38] 他们是制止终止这些由强核力支配的粒子的总称

[00:15:44] 盖尔曼的理论主要是说墙纸也是由一种更小

[00:15:49] 更基本的粒子组成的她的同事想给这些最基本的粒子起名为部分子

[00:15:55] 但被他否决了最后定的名字就是我们现在人人都知道的quark

[00:16:01] 这个名字呢

[00:16:02] 其实来源于一部小说

[00:16:04] 芬尼根守灵夜中的一句话

[00:16:06] 像麦克老大三呼夸克

[00:16:09] 但是夸克的简洁性也没有保持多久

[00:16:12] 因为物理学家们对夸克的理解稍微一深入就发现啊

[00:16:16] 夸克还得继续细分下去

[00:16:19] 虽然如此微小的夸克不可能有颜色味道或者其他我们能够感知的任何物理性质

[00:16:26] 但是物理学家们还是把他们分成了六类分别起了六个非常有趣的名字

[00:16:33] 这六个名字是上下齐灿顶底

[00:16:39] 中间那个灿就是璀璨的璨表示美的意思

[00:16:44] 更有趣的事呢

[00:16:45] 物理学家们把他们统称为为就是味道的味啊

[00:16:49] 然后啊

[00:16:50] 还进一步的把他们分为红绿蓝三种颜色

[00:16:54] 当然他们其实是根本没有颜色的

[00:16:57] 而这些术语产生的年代

[00:16:59] 正是在加州流行迷幻药的时代

[00:17:02] 有人怀疑啊

[00:17:03] 这并不是一种巧合

[00:17:05] 所有这一切呢

[00:17:06] 就被称作标准粒子模型

[00:17:09] 它实际上是整个微观世界的零件箱标准模型

[00:17:14] 总共由36种夸克12 种轻子八种骄子两种W 粒子一种the 例子

[00:17:21] 再加上光子和希格斯粒子一共呢就是61 种粒子组成的

[00:17:27] 另外还要再加上三种基本的力弱核力强核力和电磁力四大基本力中的引力并不包括在标准粒子模型中

[00:17:37] 在这个模型中

[00:17:39] 夸克是最基本的建筑材料又有一种叫作交子的基本粒子作为跨课之间的黏合剂夸克和胶子组成了质子和中子它们又结合在一起

[00:17:51] 构成了原子核电子和中微子呢

[00:17:55] 则是由轻子构成的

[00:17:57] 这个青是轻重的轻啊

[00:17:59] 夸克和轻子又统称为费米子

[00:18:03] 携带或产生力的基本粒子

[00:18:05] 例如光子和胶子则统称为波色子儿希格斯粒子呢则是产生质量的粒子完全听晕了

[00:18:13] 对吧

[00:18:13] 那几乎是肯定的

[00:18:15] 就算换了一个专业对口的粒子物理学家来也很难把这些粒子的名称啊

[00:18:20] 给全部都给记全了

[00:18:22] 不过啊

[00:18:23] 我觉得作为我们普通的科学爱好者来说

[00:18:26] 最重要的就是知道原子中子质子

[00:18:30] 这些我们经常听到的子其实啊

[00:18:33] 都不是基本粒子

[00:18:34] 因为他们都还不够基本他们也都是由更小的粒子组成的

[00:18:40] 但是啊

[00:18:41] 电子却是一个基本粒子

[00:18:43] 它没有办法再分下去了

[00:18:45] 至少在我们目前的科学理论中

[00:18:47] 他无法再分下去了

[00:18:49] 其实呢

[00:18:50] 大多数物理学家都觉得这个标准模型不够简洁

[00:18:54] 在1985 年播放的一部电视纪录片中来得慢就是这样评论的

[00:18:59] 他们确实太复杂了些

[00:19:01] 并且充满了太多臆想的参数

[00:19:04] 我实在不明白为什么造物主为了创造我们已知的这个宇宙要不厌其烦地转动20 个血牛来设定20 个参数呢

[00:19:13] 对物理学家而言啊没有什么比寻找终极简洁性更重要的了

[00:19:19] 然后我们现在似乎离得还很远手里有的只是貌似优雅的一团混乱

[00:19:26] 正如莱德曼所指出的

[00:19:28] 有一种深深的感觉

[00:19:30] 现在的这幅图景并不美丽标准模型不但笨拙

[00:19:35] 而且也不完整

[00:19:36] 有一样重要的东西

[00:19:38] 这个理论就没有纳入那就是引力把一顶帽子放在桌子上

[00:19:43] 为什么他不会自己飞到天花板上呢

[00:19:46] 这个道理啊

[00:19:47] 你收遍所有的标准模型也找不到一个合理的解释

[00:19:52] 物理学家费满就未知

[00:19:53] 苦笑道

[00:19:54] 我们现在困在这样的一个理论中

[00:19:57] 这个理论真的不知道是对还是错

[00:20:00] 但我们能肯定他现在不是完全正确的

[00:20:03] 至少啊是不完善的

[00:20:05] 为了把所有的物理规律统一到一个理论中

[00:20:08] 物理学家们又发明了一种新的理论

[00:20:12] 这个理论就被称之为超弦理论

[00:20:15] 科学有故事

[00:20:17] 咱们下期接着说

[00:20:30] 我是刘敬政

[00:20:32] 我是王琴

[00:20:33] 我是无名

[00:20:34] 我是王旭东

[00:20:36] 我是罗老板

[00:20:37] 我是科学声音

[00:20:42] 今天是长假的最后一天哦

[00:20:43] 不知道大家是怎么度过这个长假的

[00:20:46] 但是对我来说呢

[00:20:48] 现在已经分不出节假日和工作日了

[00:20:50] 我该干嘛还是干嘛

[00:20:52] 这就是自由职业者和上班族的不同吧

[00:20:55] 前两天我带女儿去参观了一个叫做星球奇境的展览

[00:21:00] 两个人加起来的票价呢

[00:21:01] 是120 元

[00:21:03] 这个展览啊

[00:21:04] 大致可以分为三大类一类呢

[00:21:06] 是各种宇宙探测器和航天用品的模型

[00:21:10] 另一类呢

[00:21:10] 是有很多块屏幕上面可以戳戳点点查看八大行星的各种参数资料

[00:21:17] 最后一类啊

[00:21:18] 就是一部30 分钟的纪录片来看这个展览的人啊

[00:21:22] 那是巨多最多的时候啊

[00:21:23] 要排队两个多小时才能进场儿厂子里面呢

[00:21:27] 也是人满为患

[00:21:29] 根本无法仔细参观怎么说呢模型做的都很精致

[00:21:34] 但是缺少了生动有趣的讲解

[00:21:36] 光是让孩子们自己看看

[00:21:38] 其实啊并没有几个孩子能够提起兴趣

[00:21:41] 而那些屏幕上戳戳点点的东西啊

[00:21:44] 又实在是太枯燥了

[00:21:45] 我观察下来啊

[00:21:47] 没有一个孩子是在认真看内容的无非就是好奇的点

[00:21:51] 来点去而已

[00:21:53] 而最后那部影片介绍

[00:21:54] 太阳系的八大行星

[00:21:56] 我觉得做得实在是很一般

[00:21:58] 而且啊观看的人实在太多

[00:22:02] 他想展现的那种360 度的环幕效果也根本体会不到看完展览啊

[00:22:07] 我就有两个感受第一个感受呢

[00:22:10] 是高兴现在这样一个打着航天旗号的展览啊

[00:22:13] 居然能吸引到那么多的观众

[00:22:16] 而且票价

[00:22:17] 还不低哦

[00:22:18] 而且还是在上海虹桥枢纽这个比较偏远的地方说明啊

[00:22:23] 现在人们是多么需要精神和文化类的消费品

[00:22:28] 第二个感受就是科普真的很难

[00:22:30] 怎样才能让很多很多人在一起

[00:22:32] 既能让孩子感到不枯燥

[00:22:35] 又能达到科普的目的实在是不容易啊

[00:22:39] 这也是我们科普人需要不断思考的课题好今天的节目就到这里

[00:22:44] 如果您喜欢我的节目

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[00:22:47] 也可以赞助以致鼓励我们下期再见

[00:23:06] 嗯

[00:23:29] 嗯嗯嗯