#497 物理学最大谜团：反物质、暗能量与万物理论——唐·林肯

当然。物理学有很多不同的研究方式，但在我看来，粒子物理学家和宇宙学家的做法是试图真正找到支配自然法则的基本原理。如果我们回到，比如说，1650年左右，你是当时最聪明的人，你注意到了两件事。一件是你发现当你绊倒时会摔倒，这就是我们每天都能体验到的重力本质。但还有天文学，你仰望天空，看到星星划过天际，行星在恒星间移动。而这似乎与你掉下三明治、被狗抢走这件事毫无关系。所以牛顿的聪明之处在于，他看着这一切，想到也许月亮正在下落，但它错过了地球。所以在1650年左右，我们有所谓的“天体引力”——支配天空的引力，以及“地球引力”——地球上的引力。现在我们不再这样区分了，我们只认为它是重力。但在当时，这一点并不明显。事实上，如果你翻阅书籍，牛顿的理论是“牛顿万有引力定律”。“万有”这个词之所以存在，是因为他意识到这两件看似毫无关联的事情实际上是同一回事。这绝对是非常聪明的。牛顿可以说是我所知的最聪明的人类之一。但无论如何，这是第一个容易描述的物理学统一，你可以用一种现代人能够理解的方式来表述。当然，你可以追溯到更早，比如人们讨论化学、原子的本质。回到德谟克利特，他在很多方面都是错的，但认为物质存在最小颗粒的想法是对的。所以这有点有趣，当你读化学书时，它们说原子的概念可以追溯到德谟克利特。他的想法是，比如油的最小原子是光滑的，当然，因为油是光滑的；醋的最小原子是尖锐的，因为醋是酸的，会刺痛你的舌头。所以原子是小小的尖刺状东西。他在很多方面是错的，但关于存在微小粒子的想法是对的。我们现在对他的概念有了非常不同的理解。所以你可以追溯到更早。但说到统一，还有更多例子。比如，回到1830年左右，科学家们试图理解电。当时有很多进展，人们确实理解了一些东西，但那时有两个我们现在熟悉的现象。一个是磁铁，当时磁铁大多只是被磁化的小铁片，可以吸住钢铁。另一个是电，当时他们能产生小火花来玩耍，或者更广泛地说，是天空中划过的闪电。当你想到这一点时，闪电和那块小磁铁似乎真的毫无关联。但在19世纪，许多科学家探索了它的各个方面。比如，当电流通过导线时，似乎会产生磁场。他们做了一系列实验，有很多名字，但在1860年左右，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦将过去50年间酝酿的所有这些想法整合起来，写下了他的电磁定律。这些定律非常迷人。如果你看电磁定律，它们是微分方程或积分方程，但基本上，它们说的是：一边是包含电的项，另一边是等于磁的项。所以忽略所有数学符号，你有电的一边等于磁的一边，电等于磁。这是一个惊人的概念。这两件事——闪电和吸住你家孩子艺术作品的磁铁——实际上是同一回事。这是另一个例子，电和磁被统一成了电磁学。现在我们有两个例子：一个是重力的统一，即地球引力和天体引力；另一个是电和磁。我一会儿会告诉你更多，但有一点很重要，因为目标当然是统一一切。如果我能做我想做的事，我会有一个统一的理论，解释所有能量、物质、空间和时间的行为，这是一个宏大的目标。

没错。整个达尔文进化论，我们人类的基因与香蕉的基因有大量重叠，这本身就相当惊人。这能成立真是令人惊叹。所以这确实了不起。但至少对于我这类科学家来说，我们想的是：好吧，生物学固然有趣，但归根结底，生物学中发生的一切都是由分子运动引起的。然后你会说，这很好，但分子之所以如此行为，是因为它们由原子构成。再下一步是，原子固然了不起，但原子的行为方式又取决于原子核和电子。而原子核又由质子和中子组成。因此，包括我在内的一些人，想要一直挖到最底层，找出自然界最小的基本构件，所有那些更复杂、更有趣、更抽象的事物都由它构建而成。但最底层到底是什么？而且，这固然很好，但如果你知道了最小的基本构件是什么，那并不能告诉你整个故事。这就像你有一大堆乐高积木，却不知道如何拼在一起。你还需要知道它们如何相互作用、如何运作。这就是我们研究的内容——力。所以我们熟悉各种亚原子力。例如，电和磁是电磁学的组成部分，而电磁学支配着许多事物的行为——这很神奇：电磁学当然解释了电和磁，但它也解释了光如何运作，解释了化学的很大一部分原理。电磁学是1860或70年代的理论。它的美妙之处在于，如果你对麦克斯韦方程组稍加微积分运算，很容易就能看出电学定律和磁学定律结合在一起会形成一个所谓的波动方程，这表明这些电场和磁场在振荡、在变化。如果你有一个波，它就会传播。通过计算你会发现，这些波传播的速度就是光速。于是人们惊叹：光速竟然从这些方程中推导出来了。我想这一定非常有说服力。当然，电磁学在化学中也扮演着极其重要的角色，因为毕竟原子是靠电磁力结合在一起的。原子的运作方式还有更多内容，比如所有量子力学的那些东西。但如果没有电磁学，或者电磁学与现在大不相同，那么原子也会截然不同。所以电磁学在维系我们这个世界方面起着巨大作用。因此，能够很好地理解它，是科学上一次惊人的进步。当然，能够驯服电磁学，也是为什么人们能在你做播客时听到你的声音——因为通过互联网的奇迹，或者仅仅是驱动电脑的电力。我想借机说一句：过去人们会说，你摆弄那些磁铁和火花有什么用，谁在乎呢？但正是这种对自然法则最根本的探索，产生了无数衍生成果。其中一个重大衍生成果就是我们整个技术社会。如果没有掌控电力的能力，我们可能还在城市里当农民和鞋匠，但肯定不会有现在拥有的一切。好了，我不再多说。但这确实很好地展示了，这种对深层次、未知神秘事物的探索，如何在一两百年后改变世界。至于我现在从事的科学，人们常问：了解原子内部如何运作、夸克内部如何运作有什么用？我不知道答案。但稍微务实一点看，如果回到大约100年前，当时人们试图理解原子内部的质子和中子如何结合在一起、如何分裂、如何组合等等，这最终导致了核能。无论你对核能持何种看法——有人喜欢，有人不喜欢——但它确实强大。它将为人类产生能量。而且，当我们逐渐停止从地下开采化石燃料时，这可能是我们选择的道路。无论如何，人类都需要能源。没有人会回到18世纪的生活方式。而一个巨大的能源来源，如果我们愿意的话，就是改造原子核。这看起来似乎与任何事情都毫无关系，却为人类提供了一个机会——当然，这需要我们仔细思考如何去做，以及是否愿意去做——但它给了我们以前没有的东西。

没错。但我们必须真正记住，当人们担心核武器——诚然非常危险——甚至核能（其产生的废料需要处理）时，科学所做的是发现和利用自然呈现给我们的力量。这并非新鲜事。火也是如此。火可以烧毁你的房子，也可以烤熟你的牛排。力量就是这样。这是人类必须理解的事情。这就是为什么当我们谈论科学时，必须由整个社会进行广泛的对话，因为科学家能做的是弄清楚世界如何运作。而社会必须决定我们希望如何应用或不应用这些知识。

确实如此。确实如此。

没错。爱因斯坦是个相当了不起的人。1905年是他的奇迹年，他写了多篇论文。最广为人知的是狭义相对论，其中他揭示了一个让没有深入研究过的人难以理解的现象：两个人对时间的体验是不同的。时间，你知道，是个迷人的东西。我们并不真正理解时间是什么，这很奇怪。你会觉得这应该是我们非常了解的东西，但实际上并非如此。我们知道很多关于时间的事，但真正理解它，还差得远。不过，牛顿认为时间对每个人都是普适的。所以我的时间、你的时间、火星上或半人马座阿尔法星上某个人的时间，每个人都以相同的方式体验时间。爱因斯坦证明并非如此，不同相对速度运动的人对时间的体验不同，这绝对是个令人震撼的概念。现在，大多数人认为爱因斯坦随后说，他发明了时空，即空间和时间是同一回事。他确实支持这个观点，但真正的洞见来自他的一位老师，名叫闵可夫斯基，他研究了爱因斯坦的方程。闵可夫斯基在数学上比爱因斯坦更擅长一些。他发现，如果你看这些方程，基本上一个人的空间和时间等于某个数字乘以另一个人的空间和时间。这相当惊人。所以，这就是爱因斯坦和闵可夫斯基共同提出这个难以置信的概念的地方：空间和时间实际上是同一回事。这违背了我们对世界运作方式的理解，因为时间只是流逝，它是连续的。我们在直觉层面、经验层面知道它是什么。我们可能无法从形式层面理解它，但我们知道时间是什么。它让今天成为今天，而不是昨天或明天。空间则有点不同。你可以走到某个地方，再走回来，可以四处移动。你在空间中移动的自由度比在时间中更大。你总是可以向前移动时间，但向后移动就有点困难了。不过，爱因斯坦理解这一点，让每个人都以非常不同的方式思考世界。那是在1908年，闵可夫斯基真正严格地阐述了时空概念。

嗯，那是一个前提。他有两个前提。一个是自然法则对每个人都相同。所以如果你以某个速度运动，或者我以某个速度运动，我可以说我没动，而你在以某个速度运动。这没有争议，这就是我们所说的伽利略相对性，来自几百年前。但爱因斯坦有争议的说法是，每个人测量到的光速都相同，无论我们如何相对运动。你测量光速会得到一个数值，我测量光速也会得到一个数值。这与牛顿、伽利略或任何前辈的说法非常不同。正是这两个前提结合在一起，导致了狭义相对论的所有怪异之处。你可能会轻易地说，第二个前提——每个人测量到的光速相同——简直荒谬。而且，你知道，这可以测试。所以这就引出了相对论的检验，而爱因斯坦的方程，包含这两个假设，完美地预测了一切行为。实际上，我们已经通过实验证明，光速对每个人都是相同的。但一开始并非如此。实际上是这个假设导致了预测，预测被证实为真，所以假设成立。对于那些想知道的观众，如何测量光速对每个人都相同？粒子物理学家是这样做的：有一些亚原子粒子在衰变时会发出光，这是它们的衰变产物。所以你把两个东西碰撞在一起，你知道粒子何时产生，然后在碰撞点周围放置探测器，测量光到达探测器所需的时间。天哪，它就是光速，本该如此。然而，有时在这些碰撞中，一些产生的亚原子粒子以非常高的速度飞出，可能是光速的95%或97%或很大比例，然后它们衰变成光子。所以你测量光子到达探测器所需的时间，结果显示光以光速传播。如果爱因斯坦的猜想是错误的，那么一个以接近光速飞出的粒子衰变成以光速传播的粒子，这个粒子应该以两倍光速之类的速度传播，所以它到达探测器的时间应该减半，但事实并非如此。这是一个严谨的、重要的测量，表明：我们可以测量从静止产生的粒子中发出的光速，它是光速；然后我们可以测量从运动物体中发出的光速，它仍然是光速。所以这是一个实际的测量，但在爱因斯坦的时代无法做到，现在可以了。

嗯，我得告诉你，我第一次遇到这个时，它相当怪异，简直爆表了。但随着你越来越熟悉，越来越适应这个想法，要记住的是：光速是光在时空中的速度。一旦你接受这一点，一切就变得非常合理了。突然之间，所有东西都各归其位。我认为存在一个终极速度并不那么令人震惊。它只是说明这是空间的一个属性，就像空间可以传播一定强度的电场，可以支持某些东西一样，无论空间是什么。我们不知道空间是什么，但无论它是什么，它都有能力以那个速度在空间或时间中传播这些事物。其他一切都源于我们坚持把空间和时间分开。这就是我的看法。至少对我来说，一旦我接受了这一点，一切就变得非常舒适了。

非常大。

对。

确实。

那我给你举个更基础的例子。钠和氯。钠是一种爆炸性金属，你把它放进水里，还挺有意思的——它不会完全爆炸，但会发热、蹦来蹦去。氯呢，是一种气体，会要你的命。这两种东西都很致命、很可怕。但当你把它们混合在一起，晚上撒在食物上，就是盐，对吧？这就是一个例子，既体现了统一性，也体现了更深层的化学理解——两种危险的东西如何结合在一起，变成不仅无害、而且对人类生命不可或缺的物质。所以你描述的情况并不罕见。想想看，别的先不说，就一个事实：我们告诉小孩子，世界是由原子构成的。这听起来很疯狂。大多数人从未见过原子，但几乎没人再怀疑这一点。我认为这只是个熟悉度的问题——文化慢慢接受了它，然后即使没有直接证据，它也成了真实存在。事实上，你提到的其中一门课《我们如何知道我们所知》，我觉得那是个合理的问题：我们怎么知道有原子？当然，我们有办法知道。

没错。爱因斯坦意识到的是，如果你在一艘火箭飞船里，飞船非常安静且正在加速，你会感觉像在经历重力。所以，正如你所说，当他意识到加速度和重力感觉非常相似时，那是他最高兴的时刻之一。让我印象深刻的是，这个已经很巧妙的想法，不知怎么地引导他结合自己的时空概念和加速度-重力概念，意识到可以把重力描述为时空的弯曲。时空是恒定的，就像东、西、南、北，这已经够难理解了。但他现在说，嗯，把你的地图揉皱、弯曲等等，那就是重力。这是一个令人震惊、颠覆认知的想法。

是的，我同意。科学涉及很多方面。当然包括了解前人成果，掌握能推导出理论含义的数学，以及与自己或他人辩论的纪律，因为大多数想法都是错的。但还有你刚才描述的那种直觉火花。这是非常非常难以创造的东西。我们之所以尊崇这些人，是因为这是一种罕见的特质。大多数人一生中只有一次那种“顿悟时刻”，如果有的话。而且这很棘手，因为我确信你也有体会，我收到很多创意思想家的来信，但他们缺乏必要的历史知识、数学训练和自我批判能力。所以他们提出想法，但往往很容易看出这些想法行不通。因此，要成为那种改变我们世界观的人，光有想法是不够的。这些创意想法还不够。你需要纪律和批判。正是这些因素的融合，才造就了历史铭记的天才。

公平地说，对我来说也很奇怪。但问题是，即便如此，爱因斯坦可能花了他生命最后几年试图把电、磁和重力统一成一个东西，但他没有成功。不过，他仍然是量子力学非常有价值的批评者。他不是不理解，他确实理解。他思考了量子纠缠等所有含义。不完全是全部，但他负责提出了“如果你们是对的，那么就会导致这个结果”的观点。当然，后来人们去验证，发现爱因斯坦对量子力学的推论是真实的。所以他们可以说，看，量子力学是真实的。所以，他对此进行了深入思考，做的正是我刚才说的那件事。有那种火花想法，但也有批判想法。如果你能批判一个想法，你可能会扼杀它。每当我有一个绝妙想法却被扼杀时，总是很沮丧，但被扼杀总比留着它浪费时间好。所以在他那个案例中，他不是在产生“顿悟”，而是在说：好吧，让我们接受你的顿悟。看看它。如果它是对的，那意味着什么？意味着这个。这让人们可以去测试它。因此，他对科学进步的另一部分做出了至关重要的贡献，那不仅仅是顿悟时刻，而是反复推敲、测试、批判，确保它是真实的。只有完成了所有这些，你才能真正确定自己是对的。这就是为什么科学是如此强大的工具。正是那种对抗性的、近乎粗暴的批判，大多数人不喜欢。他们不喜欢别人说：“是的，你的想法可能是错的。”但这是至关重要的。这是科学过程中关键的一部分。

是的，是的。我们都同意你的想法很疯狂，但它够疯狂吗？

没错。

那么，我们现在要跳到20世纪30年代左右。到那时，人们已经意识到存在四种互不关联的力。一种是引力，第二种是电磁力，这些是大家相对熟悉的。但还有另外两种力，它们只在原子核内部才真正重要，这也是为什么大多数人从未接触过它们。一种是强核力，它把原子核束缚在一起；另一种是我们所谓的弱核力，它负责某些类型的放射性。既然大多数人不会摆弄原子核，也不会接触放射性，自然就不了解它。到30年代，科学家们通过足够的实验和理论推导，确认了这四种力的存在。这本身已经是一个成就。我的意思是，在我们追求万有理论的目标中，我们希望认为存在一种力——这就是我们所说的统一。也许这四种力只是看待同一种基本力的不同方式。但在30年代，我们就停留在那个阶段：四种力。然后我们继续推进，到了50年代末和60年代初，一些人开始思考，也许弱核力和电磁力实际上是同一种力。于是他们致力于将这两种力统一起来，证明它们是关联的。结果确实如此。他们成功证明了电和磁实际上是同一种力的两个不同方面，我们现在称之为电弱力。不过，你在关于希格斯玻色子或“上帝粒子”的文章中读到的故事，被大大简化了。因为在1964年，有三个团队共六位研究者发表了重要论文，讨论所谓的希格斯场。我稍后会解释那是什么，但希格斯场很重要。然而，直到1967年——也就是三年后——史蒂文·温伯格和其他人才真正统一了电磁力和弱力。

没错，那是在1967年。好吧，大家都说这件事发生在1964年，但实际上并非如此。它实际上跨越了好几年。好了，现在——你刚才说的没错。温伯格、格拉肖和萨拉姆证明了电磁力和弱力在高能量下是相同的。但有一个问题：电磁力的作用范围是无限的。我们知道这一点，因为我们可以看到数百万光年外的恒星。这说明这种力的范围基本上是无限的。然而，弱力在远小于质子大小的距离上就几乎不存在了。所以，如果说“哦，它们是相同的”，但一个能跨越宇宙，另一个却连原子都出不去——这听起来就很荒谬。我的意思是，直观的想法是：“好吧，我们刚刚证明了这个想法很蠢，所以扔掉它吧。”这太荒唐了。而正是1964年的那些想法拯救了局面。那么，电弱力是真实的，但电磁力和弱力却表现得如此不同，这怎么可能呢？这种情况发生的方式是，这些力是由一种粒子从一个亚原子粒子传递到另一个亚原子粒子。对于电磁力，这个粒子是光子；对于弱力，我们现在称之为W和Z玻色子。所以，希格斯和他的同事们提出的想法是：好吧，电弱力是真实的。我们让电磁力和弱力区分开来的方式是，电磁力的载力粒子没有质量，而弱力的载力粒子有质量。于是，他们假设存在一个场，这个场与电弱场不同，我们称之为希格斯场。希格斯场充满整个空间。关键点来了：有些粒子与这个场相互作用，有些则不。与场相互作用的粒子获得质量，不与场相互作用的粒子没有质量。这就是核心思想：希格斯场赋予弱力粒子质量。然而，光子对希格斯场视而不见，不与它相互作用，因此没有质量。

那么，我们来谈一个更熟悉的东西，试着给这些术语建立一些直观感受。太好了。好吧。就在我们面前，有一个引力场。你现在看不见它，但它就在那里，就在那里。你看。

如果我拿一支笔或别的什么东西，放在那里，它会感受到一个力，然后掉下去。非常有洞察力，我知道。所以我们有引力场，还有这支笔。笔有质量，质量和引力场相互作用，它就掉下来了。现在，如果我们有另一个——我给你一个物体。

好了。

行为艺术。开始吧。

这个东西有质量，我们松手让它落下。多么奇妙，它真的会下落。但当我们退一步思考真正发生了什么，其实是这个东西的质量与这个我们看不见的场相互作用。正是这种作用赋予了它重量。现在，我这里有一个你看不见的粒子，但它确实存在。它没有质量。我把它放在那里。因为它没有质量，所以它感受不到引力。它仍然漂浮在那里。而这其实就是希格斯场的全部含义。有些粒子拥有可以称为“希格斯电荷”的东西，能与场相互作用并感知它，而其他粒子则没有。这就是你刚才读到的那段话真正要表达的意思。这挺巧妙的，因为在日常生活中，希格斯场就在那里。希格斯场不为零，就像引力不为零一样，所以物体会获得质量。但在超高能量下，希格斯场的强度会降为零。因此，无论物体是否有质量，或者是否有希格斯电荷，它们都没有——或者说它们有希格斯电荷，但希格斯场为零，它们就不相互作用，也就没有质量。这就是温伯格、萨拉姆和格拉肖所说的：在极高能量下，希格斯场为零。由于希格斯场为零，弱力粒子感受不到质量，因此它们可以像光子一样以光速运动，一切都很和谐。当宇宙在大爆炸后冷却时，最初非常热、能量非常高，没有任何东西有质量。宇宙冷却下来，在某个特定温度下，希格斯场“开启”了。在它开启的那一刻，它赋予了弱力粒子质量，但没有赋予光子质量。这就是我们所说的电弱对称性破缺。这听起来很拗口，但它只是说，在宇宙早期历史中，大爆炸后10的负12次方秒的那一刻，希格斯场开启了，粒子获得了质量。这就是整个概念。所以这又是非常巧妙的一点。电弱对称理论本身并不需要希格斯，因为它只适用于非常非常高的能量。但为了让它在低能量下也能成立，你需要修正这个理论，而修正的方法实际上就是给它贴上一个“创可贴”。希格斯理论只是贴在电弱对称理论上的一个创可贴。正是这个创可贴修复了问题，因为它让粒子在低能量下获得了质量。

我们从未直接看到过希格斯场。希格斯场是一个假设性的理论概念。但这对我们的大多数场来说都是如此。我们从未直接看到过电磁场，也从未直接看到过引力场。我们看到的是场产生的效应。所有这些理论现在都被称为量子场论。量子场论的核心思想是，如果你有一个量子场，这个场可以像鼓面一样振动。但它并不完全像鼓面那样振动，而是局部振动。所以你可以有特定的局部振动。这些特定的局部振动就是粒子。在电磁场中，振动就是光子。在希格斯场中，振动就是希格斯玻色子。因此，我们无法直接看到场，但我们可以激发场，让它振动，然后探测这些振动。希格斯玻色子的概念是在1964年被预测的。它在1967年变得有用，之后科学家们开始寻找它。所以在21世纪初，人们开始认为我们已经建造了足够强大的粒子加速器，能够创造并探测这些振动。当时正在运行的加速器是芝加哥郊外费米实验室的一个大型粒子加速器，叫做Tevatron。我们让质子和反质子以接近光速的速度、在极高能量下对撞。正是在这个加速器上，1995年发现了顶夸克。但我们升级了设备。我们每秒的对撞次数增加了十倍，能量也略有提升。我们让质子和反质子猛烈对撞，希望能找到希格斯玻色子。

很高兴你问这个问题。这真的很迷人。好吧。每个人都听说过爱因斯坦的方程E=mc²。但没人真正理解它的含义。也许他们听说过能量等于质量，质量等于能量。我不知道，但他们听说过这个方程，科学界最著名的方程。但这个方程背后隐藏着一个非常迷人的概念：能量和物质是等价的，你实际上可以把运动能量转化为质量。这是我们很久以前就知道的事情。这基本上是在1928年就被预测出来的。所以是很久以前的事了，实际上差不多100年了，而且这一点毫无争议。我们一直在做这件事。最简单的做法是取两个没有内部结构的粒子。你知道，最接近真正数学意义上的小圆球的东西。如果你把这两个东西撞在一起，它们会从一个方向带着巨大的能量过来，从另一个方向也带着巨大的能量过来。方向相互抵消。所以净动量、净能量为零，没有运动。于是这两个东西以完全平衡的能量撞在一起。如果它们碰撞，可能会停下来。那么这些能量必须去某个地方，而这些能量真的可以创造质量，创造粒子。现在，关于两个东西碰撞并产生一个粒子，有一些特殊的规则。它必须同时产生一个反物质粒子来平衡。这只是自然法则的规则。为什么会这样？我们有一些想法，但在很多方面，答案就是“因为宇宙的法则就是这样”，而这正是我们试图理解的东西。但这是千真万确的。所以粒子加速器做的事情之一，就是简单地把能量转化为粒子。因此，基本上任何自然界中不存在的粒子，我们都可以用这种方式制造出来。你可以制造反电子（正电子）。取两个粒子，让它们对撞。能量停留在那里，就会产生一个电子和一个反电子。事情就是这样。我们知道反电子是在1932年被发现的。这都相当简单。反质子是在1955年在伯克利的Bevatron上发现的。所以这就是你做的事情。你可以把能量转化为一对物质-反物质粒子。反过来也成立，这一点我们可能会谈到。你可以把物质和反物质放在一起，它们会产生能量。这个过程是双向的。能量可以产生物质和反物质，物质和反物质也可以产生能量。这是千真万确的。我们一直在做。这一点毫无疑问。

当然。

哦，成本非常高。在费米实验室的机器上，我们必须将10万个质子撞击到某个目标上，才能制造出一个反质子。所以，这确实需要不少功夫。

如果你想制造反电子，只需以特定能量撞击即可。电子更容易，因为据我们所知，电子内部没有任何结构。它们很简单，有固定的质量，仅此而已。所以，如果你以合适的能量撞击粒子，就能非常容易地制造出它们。这就像老式收音机，你得调准频率，才能收到信号。如果偏了一点，就不行。但像质子这类粒子的问题在于，它们不是点状粒子，更像是装满东西的垃圾桶。因此，制造反质子非常困难。不过，你可以通过提高碰撞能量来获得更多反质子。如果能量低于某个阈值，比如你用较低能量碰撞两个质子，就没有足够的能量产生反质子，所以不会发生。达到一定能量后，你才能勉强制造出来。碰撞能量越高，产生的反质子就越多。大致就是这样，能量越高越好。

没错。我们刚才在讨论积累反物质。

好的。那么，这通常指的是制造反质子，而不是制造所有粒子。我们先聚焦反质子这一块。费米实验室现在已经不制造反质子，我们在2011年停止了，因为关闭了大型加速器，转而专注于粒子物理的其他方面。不过，当时我们以120 GeV（千兆电子伏特）的能量撞击质子来制造反质子。这能量非常大。确实，CERN的大型加速器现在的能量比费米实验室的加速器高得多，这没问题。但CERN并不是用那种方式制造反质子。所有这些大型实验室都不只有一个加速器。在费米实验室，有5个不同的加速器，就像开老式手动挡汽车，你不能一下子从零加速到超高速，必须一个接一个地加速，越来越高。而在CERN，他们用大型加速器复合体中的“二档”来制造反质子。他们的加速器只有26 GeV，而费米实验室是120 GeV。费米实验室虽然已停运，但运行时的能量大约是CERN现在的4倍。这是为什么呢？因为CERN不需要像费米实验室那样制造那么多反质子。他们目前的实验项目完全不同，非常有趣，包括试图弄清楚反重力是向上还是向下落，这挺酷的。我们大致知道答案，但那是另一回事。总之，回到反质子的话题。

费米实验室现在不做了。它曾经是顶尖的，但现在不是了。唯一真正大规模制造反质子的加速器是CERN的一个小型加速器。所以，这就是反质子的情况。如果我们回到反物质的话题，可以继续聊，因为那非常酷。

超级酷。至于你提到的制造高能未知粒子，能量越大越好。确实，LHC的能量非常高，每次碰撞的能量大约是费米实验室机器的7倍。同时，每秒的碰撞次数大约是费米实验室的100倍。所以，LHC确实能制造出比老费米实验室的Tevatron更大、更重的粒子。这是事实。因此，如果你想研究高能物理，现在就去CERN。这也是为什么我和许多同事，在完成费米实验室加速器上我们认为能做的所有前沿测量后，看到这台能量高7倍、每秒碰撞次数多100倍的更强大机器时，都说：“当然，我们去那里工作。”给你一个规模概念：顶夸克（top quark）是迄今发现的最重粒子，1995年在费米实验室被发现。当时有两篇发现论文，我作为合著者的那篇，我们花了6个月到1年时间收集碰撞数据，数据量很大。我们的论文只有38个顶夸克候选事件。38个。我们知道其中一半是垃圾，因为建造那样的探测器会有所谓的背景噪声。背景和有效信号各占一半，所以实际可能只有19个顶夸克，花了6个月到1年收集数据。但现在在LHC，我们每秒就能产生一个顶夸克。这就是更高能量和更多每秒碰撞次数带来的效果。额外的能量让你超过阈值，就能大量产生。将1995年的费米实验室加速器与现在的CERN加速器相比，每秒碰撞次数可能增加了1000倍。所以，从极其费力、像拔牙一样，变成了现在顶夸克成了背景噪声，我们得想办法剔除它们。它们太多了，会干扰我们真正想寻找的东西。它们就像30年前的老古董。

那我给你一些数字。在CERN加速器运行时，碰撞速率非常惊人。我们每秒大约有10亿次碰撞。没错，就是10亿。

实际上，有些碰撞是同时发生的。所以每秒大约有4000万个时间点，每个时间点内可能有20次碰撞。这就是为什么总数能达到10亿。

某种程度上是的。当人们想到粒子束时，通常会联想到激光束，但粒子束实际上看起来更像细小的意大利面条，只不过比意大利面条还要细得多。在大型强子对撞机（LHC）中，不同加速器的情况各不相同，粒子束大约有这么长。你会让一束质子朝一个方向运动，另一束质子朝相反方向运动，它们彼此穿过。你可以把这想象成两群蜜蜂。大多数情况下，蜜蜂会彼此穿过而不发生任何事，但偶尔会有一些蜜蜂迎面撞上，翅膀、条纹什么的搅成一团。

当它们相互碰撞时，一次碰撞在这里，一次在那里，另一次在别处。由于粒子束非常细，大约只有一根头发丝的粗细，你很难分辨左右方向，但可以沿着运动方向观察。它们的大小大致如此。我们在周围放置了探测器，可以实际看到粒子从这边来、从那边来。这真的很神奇。每次交叉时大约会发生20次碰撞。但大多数碰撞都极其无聊，因为它们体现的是我们已经非常熟悉的物理现象，已经测试了几十年，我们对此了如指掌，根本不关心。说"我们每秒制造十亿个亚原子粒子"这种事已经有点司空见惯了，但谁在乎呢？这就是前沿科学家的常态。你需要做的是挑出那些酷的、奇怪的、没人见过的碰撞。这些粒子束碰撞时，我们用巨大的探测器包围碰撞点。LHC有两个巨大的探测器，一个叫CMS，是我参与的那个，另一个叫ATLAS。我们不太提另一个，不过它们都非常了不起。

事实上，它们都是非常了不起的探测器。

哦，当然。在粒子物理学中，我们确实希望竞争对手做得非常好，只是不要比我们做得更好就行。

对。其中一个，我们的CMS探测器，是较小的那个。它长70英尺，高50英尺，宽50英尺，有五层楼高，重达14000吨。

小的。ATLAS实验装置长150英尺，宽80英尺，重仅7000吨。小菜一碟。你可以把ATLAS探测器放在足球场上，四个就能填满整个场地，边上只够给啦啦队、送水员和教练留点空间。它们就是这么大。这些绝对是巨型探测器，本质上就是相机。它们每秒可以拍摄4000万张照片。所有数据从探测器流出来，我们无法全部记录，因为那会填满所有磁带，而且里面全是那些我们不关心的无聊东西。所以我们做的是：当粒子束相互穿过时，我们训练探测器只记录那些可能有意思的特定配置，比如探测器里有大量能量，或者一边有大量能量而另一边没有，或者有四团能量等等。这叫做触发机制。我们有快速电子设备，每秒从4000万张可能的照片中选出大约10万张真正酷的，然后传给下一级——经过优化的商用处理器，运行我们的最终分析代码但速度极快。它们做快速粗略的分析，进一步筛选好坏。这个计算机集群每秒接受大约1000次碰撞，我们记录下来做进一步分析。这就是实际发生的情况：每秒5000万次可能的碰撞中，快速电子设备和计算机选出1000次，然后通过分析软件交给研究生，他们从中挑出那少数几个可能带来下一个诺贝尔奖的碰撞。这真的很惊人。我向加速器建造者、探测器建造者、让软件工作的人、让PB级数据在全球无缝流动的人致敬。这太了不起了，我非常感激。

这真的很有趣，因为寻找希格斯粒子的是一个社群。整个社群都知道LHC即将上线。所以尽管我们很多人一直在费米实验室的加速器上工作，但很多人正在过渡到CERN的加速器。我们处于一个非常有趣的境地：一边戴着费米实验室探测器人员的帽子，拼命想在费米实验室找到希格斯玻色子；同时戴着CERN的帽子，知道如果希格斯存在，CERN就能找到它。所以我们有点神经质，既希望旧设备能成功，又知道新设备会更好。两个实验都有很多人。

我知道希格斯玻色子可能不存在，但有很多证据指向它可能存在。我知道两个实验——费米实验室的加速器和CERN的加速器——要么能找到希格斯，要么如果它存在的话就能排除它。

这是一种可能性。也许希格斯理论是错的。

对吧？在你知道它存在之前，它可能是错的。就像暗物质，人们谈论暗物质，但它可能不是真的。它很可能存在，但也可能不存在。

是的。这就是这类物理学的妙处所在——先有理论，理论做出预言。理论中有一些我们不知道的参数。如果质量是这个值，就会得到这个结果；如果质量是那个值，就会得到那个结果。但我们可以对每一种可能的希格斯质量进行计算。然后我们就可以去搜索：假设希格斯质量是某个单位的100，我们看到了吗？没有。那它就不是100。再看看103，有吗？没有。所以我们就能这样一步步排查。两个加速器要么能找到它，要么能彻底排除简单希格斯理论的预言，100%确定。不过，CERN的加速器每秒碰撞次数是Fermilab的10倍，能量是3.5倍。还记得我之前说顶夸克时，Fermilab六个月才19个，而CERN每秒一个吗？毫无疑问，形势已经很明朗了。LHC（大型强子对撞机）要找到它会更容易。但你知道，我是Fermilab的科学家，我们当然希望Fermilab赢。

不是那种意思。

所以我们拼尽全力，做了我刚才说的那些工作。我们排除了某些区域，确定了某些质量范围，知道那里没有。最后我们得出结论：如果希格斯玻色子存在（当时我们还不确定），它的质量大概在——如果我没记错——120到145之间。我们已经排除了其他所有可能性。戴上CERN的帽子，我们说，好吧，我们会找到它的。但我们真的、真的、真的在努力。如果我们再让Fermilab的加速器运行两三年，Fermilab就能发现或排除它——而在这个案例中，结果会是发现希格斯玻色子，因为它是真实存在的。我们毫无疑问会找到它，但2012年7月时，我们的数据还不够。我们还需要几年。不幸的是，2008年（或者说幸运的是），LHC启动了，但它出了故障，修好后在2010年重新启动。2011年运行得不好。2012年，他们撸起袖子说，干吧。然后它启动了。所以，你知道，Fermilab知道如果现在还没找到，那就来不及了。总之，到了2012年，CERN在7月4日宣布结果的前两天，Fermilab做了一次测量，说我们可以排除某些区域，但有些区域还无法排除。但我们知道——这一点很重要——如果希格斯玻色子存在，它一定在我们目前无法排除的这个区域内。这就是LHC宣布“我们找到了”前两天的情况。那是2012年7月4日。

没错。不过，我们要非常具体地说明当时做了什么。我们发现了一个与希格斯玻色子存在一致的粒子。当时还有其他理论，预言的不是一个，而是多个希格斯玻色子。比如超对称理论，它说不是有一个，而是五个希格斯玻色子。而1964年原始的希格斯理论说只有一个。所以我们当时真正知道的只是发现了一个理论。我们并没有完全确认希格斯理论是正确的。我们找到的数据表明它看起来是对的，但直到运行更长时间，我们才能排除其他替代理论。事情就是这样。现在，随着时间的推移——毕竟已经过去14年了——我们基本上排除了其中一些理论，并且验证了很多东西。我们找到了粒子的质量，知道了希格斯玻色子的自旋——它是零自旋。我们还发现了希格斯玻色子的衰变方式。它优先衰变成通过能量守恒允许的最重粒子。它不能衰变成顶夸克，因为它太轻了，但可以衰变成底夸克，可以衰变成W和Z粒子，还能以一种奇特的方式衰变成光子。我们寻找了原始希格斯理论假设的所有衰变方式。

我们验证了它以理论预言的速率进行这些衰变。所以现在，随着时间的推移，我很放心地说，彼得·希格斯、罗伯特·布绕特、弗朗索瓦·恩格勒和他们的同事在60年代是对的。但我们在7月4日那天并不确定。我们只知道发现了一个与理论一致的粒子。但这类发现往往只是刚刚达到发现门槛。要完成更复杂、更精细的测量需要时间，而这就是我们一直在做的。

嗯，我不认为它像爱因斯坦的一些工作那样重要。我的意思是，它是一个重要的预言，就像夸克的预言一样。希格斯在验证这一点上非常重要和有趣。希格斯有点像验证了夸克的存在。它是一个重要的里程碑，我绝不想贬低它，但有些发现改变了我们对世界的看法，比如爱因斯坦的工作。它不是那种级别的。而且有个有趣的故事。之所以叫它“上帝粒子”，是因为利昂·莱德曼的一本书。如果你读过他的书，他会说，我们叫它上帝粒子，但应该叫它“该死的粒子”，因为它给我们找它带来了这么多麻烦。利昂曾管理Fermilab，他还为我的书作过序。我和他聊过，他是个非常有趣的人。真相是，这本书叫《上帝粒子》是因为出版商认为这样能卖得更多。但后来记者们接受了这个说法，我们就叫它上帝粒子了。利昂从未认为它与宗教有关，甚至——他是个超级爱开玩笑的人——叫它“该死的粒子”。

是的。

没错。

这是一件大事，但它是标准模型的一部分。标准模型包含了已知的力和已知的粒子等等。希格斯玻色子唯一真实的一点是，它是标准模型中最后一个未被验证的部分。标准模型并不能回答所有问题，这就是为什么物理学中还有未解之谜，但它是一个句号，标志着大约50年发现和探索的结束。我们终于可以说，标准模型虽然不完整，但就目前而言，它大体上是正确的。

所以GUT是"大统一理论"（Grand Unified Theory）的缩写。我们之前提到过四种已知的亚原子力：电磁力、引力、强力和弱力，而电弱对称统一将弱力和电磁力合并成了电弱力。GUT的目标是将电弱力和强力合并为一种大统一力。这样一来，引力就被排除在外，因为引力在本质上似乎有着显著的不同。随后，人们希望在更高能量下，能够将所有已知的亚原子力——强力、弱力和电磁力——与引力一起融合成万有理论。但正如你所说，GUT只是这条路上的一个中转站。那是最终目标。而目前，我不得不说，我看不到短期内会有快速进展。我觉得我们离那一步还有相当距离。

也许我们会想出一些非常酷的东西。我们在80年代初确实有过一些想法，也做了测试，但都没能成功。

我个人认为，存在支配物质、能量、空间和时间的规则，这些规则我可能还不知道。可能还有一些我尚未意识到的现象，但我确实相信，存在某种规则在支配着现实。从这个意义上说，一旦我们理解了支配现实的基本规则，那就是万有理论。我们不可能知道一切。你知道，有些东西是不可知的，比如黑洞内部，我们不知道里面有什么，但这并不意味着里面什么都没有。所以，我们所能知道的与真理之间是有区别的。因此，我确实相信这些规则的存在。我也相信，只要有足够的时间、技术和努力，我们最终能搞清楚这一切。不过，这不会发生在我有生之年，也不会发生在我孙辈甚至曾孙辈的有生之年。

从统一引力到统一电磁力花了200年。从统一电磁力到统一电弱力花了100年。你可能会说，嗯，从200年降到100年，速度在加快，但难度也在增加，因为统一能标大约在10^15量级，我们来算一下。这比我们今天能建造的最高能量加速器还要高出一千万亿倍。而且，我们正在遭遇收益递减。粒子加速器的能量大约每20年提升7倍。要到达一千万亿倍，如果你真的相信每20年提升7倍，那大概需要500年。但你知道，这就像摩尔定律，不可能永远持续下去。我们不可能每20年都再提升7倍。所以，是的，我认为这需要非常长的时间。这是我的预测。有些人要乐观得多，我们可以聊聊那个。

没错。

是的，是的。但比如说，你提到了超弦理论。我还没回答那个问题。我先把它放一放。超弦理论是个迷人的想法。我不相信它，但我喜欢它。我希望它是真的。有句格言说：你绝对不应该相信你所想的东西。所以即使你认为超弦理论是真的，你也不该相信它，因为它还没被检验过。现在，假设超弦理论是正确的。我是说，假设它正确，100%正确。我不知道它是否正确，所以我不在乎。它可能是对的，但在被验证之前，它只是一个疯狂的猜测。所以，我们必须有办法验证它。是的，实证方面很重要。你明天早上醒来可能就有了完美的理论，但如果我无法证明它，我就不在乎。

那是另一种选择？

当然。

而且你提到的那些能量，那些尺度，都在黑洞内部，你永远无法亲眼看到。

所以，你知道，你只能看到黑洞的外部，而看不到黑洞的内部。你刚才说的内容非常重要，也非常正确，而且可能不会发生，但这仍然很好。好吧。当我们谈论超弦时，有两个选择。要么超弦理论是正确的，它在普朗克能量尺度上做出预测，那么我们就得想办法建造能产生普朗克能量的设施。这是第一种可能。第二种可能是，这个目前只适用于普朗克能量尺度的理论，有人能找到一种方法，把这些方程解出来，从而预测出电子的质量，对吧？这是一件很棘手的事。我不是弦理论家，所以我不能告诉你这有多大可能，但我可以告诉你，他们从80年代就开始研究这个问题，进展并不大。而且，如果让我说，我认为可以公平地说，弦理论仍然是一个模糊的概念，这样说可能不太公平，但让我解释一下为什么我这么说，因为他们拥有的只是近似方程的近似解。这本身就说明我们离真正掌握它还有很长的路要走。所以，是的，如果某个聪明的年轻人，正在听这个播客的人，能找到一种方法，把超弦理论用可处理的方式解出来，让它的预测从当前适用的尺度一直延伸到今天可测量的尺度。如果真能这样，那我可能会收回我的质疑或我的想法。但我认为这很可能不成立，很可能行不通。所以，让我，我很喜欢这个。好吧，我们退一步。我来打个比方。我为牛津大学出版社写了这本书，《爱因斯坦未完成的梦》，爱因斯坦未完成的梦想就是提出一个万有理论。它之所以未完成，是因为它确实没完成。所以这本书的第二部分，副标题是“迈向万有理论的务实进展”，重点在“务实”，因为当你读关于万有理论的书，看播客，看YouTube视频时，这些内容通常是由理论家写的。理论家是那些有宏大想法的人，他们非常非常聪明，但往往缺乏一种务实精神，他们会说，超弦，你看，有这些振动的小东西，是不是很酷？但你必须落到实处，你知道吗？所以，我们假设超弦理论或类似的东西是正确的。它应该发生的能量尺度大约是10的15次方倍，10的19次方GeV。我们目前能做到的大约是10的4次方GeV左右。所以那是10的15次方，也就是一千万亿倍的能量。我们现在所做的，就是用我们最好的测量手段观察世界，然后试图外推一千万亿倍，找出一个能解释一切的理论。我有几个类比，但我喜欢这个。假设你是200万年前非洲的某个南方古猿，在肯尼亚某处游荡，对吧？你大约一米高，所以你的尺度是米级。你可以朝每个方向走10米，也就是30英尺，没问题。你可以走100米，300英尺。你可以走1000米，半英里。你可以走1万米，60英里。10万米是10的5次方，这已经不太可能了。但我们需要从我们能看到的尺度到普朗克尺度的距离，不是10的5次方，而是10的15次方。所以在这个类比中，想想这个在非洲游荡的家伙。如果他走100英尺左右，周围看起来和现在差不多。他可以对自己看到的东西做出预测，当他走到新地方时，预测很可能还成立。但如果他开始向东走500英里，他在非洲中部游荡，对印度洋完全没有概念。他永远无法预测抹香鲸或海怪。他永远无法想象海底是什么样子。往北走，他还在非洲，他永远无法想象阿尔卑斯山或南极洲。即使走更小的距离，往上一英里，情况不会有太大变化。但如果他往上走10英里，他会无法呼吸并冻僵。如果往上走100英里，他会死。如果往下走2英里，他会烤熟。关键在于，我们就像那个南方古猿。我们有一个可以研究的领域，甚至可以在一定程度上预测如果我们走远一点会发生什么。但走得越远，我们基于局部的预测就越不能代表那些更遥远地方的现实。所以基本上，他对世界的理论完全是胡扯。即使他有最好的理论，他的理论也无法预测阿尔卑斯山，无法预测企鹅、火烈鸟，这些都不存在，你知道吗？情况就是这样。这就是我们现在在做的事。我们基于已有的理解，可以预测10倍或100倍的范围，但我认为，认为我们能基于目前测量的理解，预测出一千万亿倍之外的东西，这绝对是傲慢的顶峰。所以我的观点，部分因为我是一个实验物理学家，正确的进步方式，迈向万有理论的务实进展，是去审视那些我们目前没有答案的问题。比如，有没有比夸克更小的东西？我不知道。暗物质是真的吗？我不知道。如果是真的，它是什么？我不知道。暗能量是真的吗？是的，很可能，但我不知道。空间和时间的本质是什么？我不知道。但这些是我们可以去探索的问题。我预计，这是我的预测，我们会在现有能力的基础上，把理解提升10倍或100倍。我们也许能在我的孩子那一代做到这一点。但要预测一千万亿倍之外的东西，我很确定超弦理论是错的。不是因为人们不聪明，而是因为会有新东西出现。我的意思是，如果你在谈论化学，你永远无法预测核物理，而那只是能量的小幅提升，对吧？原子核里有东西让太阳燃烧，人们曾经计算太阳的年龄，认为它只有1000万年，否则就会烧尽。这显然是错的，错就错在核物理。这就是为什么我相当有信心地说，虽然有人可能认为超弦可能是对的，也许它是对的，我也希望它是对的。如果它是对的，那会很棒。但当你用那么小的杠杆臂去预测一千万亿倍之外的东西，然后说，哦，我们搞对了。这概率有多大？我的回答是，你在开玩笑吧。

我可能错了，我承认我可能错了，但这就是为什么我认为真正的问题不是人类的智慧，而是我们尚未发现的东西。我们不知道。我的意思是，举个简单的例子，其实并不简单。暗物质是什么？我们一点头绪都没有。一点都没有。我们知道很多它不是什么，但我们不知道它是什么。所以，你谈超弦。好吧，也许暗物质符合超弦理论，或者也许暗物质受一种与超弦概念完全对立的物理规律支配。

要提出像时空这样的概念，有一种思路是认为空间和时间并非真实存在，它们是从熵中涌现出来的。这是一种新的思考方式，或许有一定道理，我希望人们去思考它。但归根结底，它只是一个想法，这才是关键。正如你所说，它必须与宏观世界联系起来，必须得到验证。如果无法验证，那它就是个疯狂的想法。理论家们极具创造力、聪明才智，是些非常有趣的人，但我不在乎这些。我想要的是能验证这个想法的测量结果，因为想法太多了。如果你去翻阅期刊，会发现大量理论论文提出了各种精巧的想法，但最终都消亡了。最近有一个我喜欢的想法，可能仍然成立，是关于暗物质的。我们简单的暗物质模型认为存在一种重的亚原子粒子，它漂浮在宇宙中，产生引力。但有人提出，也许存在复杂暗物质，这意味着整个暗物质领域。也就是说，有暗原子，它们之间相互作用。这是个精巧的想法，我很喜欢。它曾一度风靡。我们研究过它，它可能仍然成立，但简单的想法大多已被证伪，因为我们测试过，发现行不通。同样，还有关于大额外维度的讨论。引力之所以比其他力弱得多，可能是因为引力可以渗透到其他力无法进入的维度中。

那是个很酷的想法。但关键在于，这些可爱、酷炫、有趣的想法不断消亡。所以，我当然希望某个新巧妙的点子能成为那个正确的理论，但我不知道如何从错误想法的风暴中把它挑出来。

有两个方向。你提到的是自上而下的方式：有人提出一个可检验的大想法。但科学进步还有另一种方式，不是先有理论再被验证，而是源于"咦，这有点奇怪"。例如，20世纪30年代的弗里茨·兹威基，或者20世纪70年代的维拉·鲁宾，她做了些简单的事。她问：星系旋转的速度有多快？旋转速度很容易计算，用高中物理就能算出来，得到一个答案，然后去测量，发现结果不对。这就是"哇，咦，我不知道这是什么"。这引出了暗物质的假说。暗物质不是万有理论，但它是一个线索，一个强有力的线索。我们应该顺着这条线索去探索。也许我们整个理论大厦会因此崩塌，也许不会。也许它只是个小问题，我们可以修补现有的理论。我不确定。所以另一种选择就是进行大量精确的测量，找出结果与现有理论预测不一致的地方。那也是一个线索。

我某种程度上同意，但我想回到我之前的反对意见。超弦理论目前的形式，除了额外维度（这在某种程度上算是小问题），确实允许极其大量的可能宇宙。但如果我们能够将这些预测与某种物理测量联系起来，那么我们就可以剔除那些替代方案。我们可以把它们扔掉，说，这就像方程里的x=5，我可以代入任何数字，没关系。但如果x=5=9，那么我就排除了除了4之外的一大堆数字。所以弦理论确实允许很多预测，但如果我们能通过测量来排除它们，它就不再是这样了。我们会修改弦理论，保留振动弦的概念，我非常喜欢这个概念。真的非常喜欢。但在我们能够验证它之前，我们做不到。所以你现在问它是不是死了？在我看来，要杀死这样一个理论非常困难。真正意义上的杀死，意味着做出一个预测，然后它失败了。但可能发生并且正在发生的是，人们从20世纪70年代就开始研究它。也就是说，大约50年来，人们一直在研究它，但它并没有解决问题。所以我认为，人们正在审视这一点，然后问自己：我是否愿意把一生都投入这个方向，而很可能30年后我们也不会比现在前进多少？这很像20世纪40年代和30年代，人们开始思考量子力学的意义。我小时候在70年代也想做这个。但当我读研究生时，我意识到那些非常聪明、比我更聪明的人，为此付出了大半生的努力，却没有取得决定性的进展。所以，作为一个想要回答问题的科学家，你必须决定：我真的要接手一个如此困难、在我有生之年都无法解答的问题吗？我认为这正是超弦理论正在发生的情况：人们说，它真的很棒，可能是对的，但我不想把一生都投入到一个我在有生之年可能看不到进展的事情上。

你知道，很多这类理论都受到热情人士的推崇。它们有粉丝，人们热爱它们，但它们没有做到科学该做的事——做出预测。不过，圈量子引力有点不同。这个理论发展得更完善，而且它并不是万有理论，这点我们得说清楚。圈量子引力不是万有理论，它只是一个量子引力理论，仅此而已。它并不试图囊括所有已知力，只是想把引力量子化。目前，引力在本质上将空间视为光滑连续的。对于有数学背景的观众来说，在爱因斯坦的广义相对论中，引力是无限可分的，没有最小的单位，所以微积分法则基本适用。然而，在足够小的尺度上，空间可能不再可分——就像你可以从游泳池里舀出一杯水，再舀出四分之一杯，但最终当你取出一个水分子后，就无法再取出更小的东西了。圈量子引力正是试图将引力量子化，这就是它的作用。这与弦理论不同，弦理论试图将引力与其他力统一起来。实际上，弦理论之所以引起理论物理学界的极大兴趣，根本原因在于它最初并不是作为万有理论被开发的，而是作为强相互作用力的理论。它与QCD（量子色动力学）竞争，QCD是目前公认的强相互作用力理论。结果，弦理论团队和QCD团队竞争了一段时间，弦理论基本失败了，人们转而关注量子色动力学。但后来有人注意到，弦理论预测了一种零质量自旋-2粒子，而可以证明任何零质量自旋-2粒子就是引力子。所以，如果一个理论包含零质量自旋-2粒子，你就有了引入引力的候选方案。然后，天哪，人们变得极度兴奋，因为这个原本朝着其他量子力方向发展的理论，现在引入了引力，成了万有理论的候选者。但圈量子引力不是这样。圈量子引力只是试图理解空间本身的结构，这本身已经非常了不起。是的，我时不时会和罗韦利交流。我写过他的理论，也指出过其中的一些问题，但我通常落后他和同事们大约两个月的进展。因为最初圈量子引力预测光速不是普适的，光速会依赖于光的频率——高频光以某种速度传播，低频光以不同速度传播，这与光的波长与空间结构相互作用有关。所以这是圈量子引力的一个问题。如果你观察伽马射线暴——那些距离十亿光年甚至更远的超级天文爆炸事件——它们会喷射出所有波长的光。如果圈量子引力的预测正确，当你观测到这些伽马射线暴时，不同波长的光会因速度不同而在地球上不同时间到达。但事实并非如此，它们同时到达。于是我写道，这基本扼杀了圈量子引力，结果收到了罗韦利先生或博士的一封尖刻的便条，说：我们已经否定了那个预测，修改了理论，那不再成立。现在，圈量子引力的那个旧预测不再有效。因此，关于光速一致性的观测不再能推翻新的圈量子引力。它本可以推翻旧版本，但没有推翻新版本。

确实如此。

最近还有一个绝妙的观测，我很喜欢。引力波的观测，来自两颗中子星的轨道运动并合。它们产生了引力波，太棒了。而且因为它们不是黑洞，而是中子星，碰撞爆炸后发出了极其明亮的闪光。天文学家看到了闪光，引力波天文学家看到了时空的涟漪。距离是1.4亿光年，这意味着光需要1.4亿年才能到达地球，而光和引力这两个事件到达的时间差只有1.7秒。这告诉我们引力以光速传播。这是一个精彩绝伦的测量。我们之前认为引力以光速传播，但现在有了测量证据，我们证明了这一点，而且，天哪，这让我印象深刻。

没错，这有点奇怪。

这是个很难很难的问题，因为我们不知道空间到底是什么，但让我们从简单的地方开始。我们先假设空间不是量子化的。好吧，它很可能就是量子化的，我不知道，但总得有个起点。所以我们从微积分的空间说起，那种可以无限分割的空间。现代版本的量子力学叫做量子场论。它假设：第一，空间存在；第二，在空间中，每个已知的亚原子粒子都有对应的场。所以有光子场、电子场、上夸克场、下夸克场，等等，所有场都存在。这些场可以振动，当它们振动时，就产生了亚原子粒子。比如，电子场以特定方式振动，就形成一个电子。同时，电子场也可以不以那种特定方式振动，而是以另一种方式振动，虽然仍在振动，但并不是一个精确的电子。这就是我们所说的虚粒子。关于虚粒子，有很多种讨论方式。我现在说的这种，是我们能用的最精确、最复杂的方式。我稍后会用一个更简单的方式来帮助理解。但关键是，这些场存在，特定的振动对应已知的粒子，而稍微不同的振动就是虚粒子——那些并不真正存在的粒子。这就是我们对空间的理解：所有这些场都存在，它们都在微微振动。如果你注入合适的能量，就能让它们以特定方式振动，从而产生那个亚原子粒子。但即使你不注入能量，这些场依然存在，并且仍在振动。这些振动的波动就是我们所谓的虚粒子。你的观众可能从其他途径听说过虚粒子，那种说法认为空的空间就是空的，只是物质和反物质粒子会短暂出现，在极短时间内又合并消失，重新回到场中。这两种说法都是正确的。量子场论说的是，这些涟漪在出现，或者说这些粒子在出现和消失。这听起来很疯狂。你看着空的空间，什么也没发生，但它们发生得足够快，以至于无法被看到，却确实有可观测的后果。我能想到两个实验测量结果，验证了这种听起来疯狂的事情确实在发生。一个是卡西米尔效应。在卡西米尔效应中，你拿两块平行的金属板，把它们靠得非常非常近。如果虚粒子存在，那么在板之间，这些粒子出现和消失；在板之外，粒子也在出现和消失。然而，由于两块板靠得很近，这限制了板之间能出现的粒子的波长，因为粒子不能延伸到板外。所以短波长的粒子可以在板之间存在，但长波长的不能。而在板之外，没有这种限制，短波长和长波长的粒子都可以存在。净效果是，板外有更多虚粒子，板内更少。因此产生了一个净压力，会把两块板推到一起。这是我们一直在讨论的一个预测。你猜怎么着？它确实发生了。那些板被推到了一起。这验证了空的空间中这些粒子的存在。还有另一个测量，它改变了像电子、μ子等粒子的磁性质。这是在1948年发现的。如果你用旧式的标准量子力学——你知道电子的自旋、电荷，可以计算出它的磁矩，会得到一个数值。如果你实际测量，会发现测量结果与1930年代的量子力学预测相差0.1%。这个测量是在1948年完成的。人们当时很困惑。这件事发生在纽约的谢尔特岛会议上。在回家的路上，有人看到了这个测量结果，思考之后，发明了我们现在所说的量子电动力学。旧量子力学将物质量子化，而第二次量子化将物质和场都量子化，在这种情况下是量子化了电场。在这个量子化的场中，它预测，在一个裸露的、自旋并带电荷的电子周围，有一片虚粒子浴，这些粒子在它周围不断出现和消失。所有这些出现和消失的粒子的集合，会改变你能测量到的亚原子粒子的磁性质，变化正好是0.1%。我们已经测量了这个，而且测量得非常精确。我们测量了电子和μ子的磁性质，精确到12位有效数字——数一下，12位。理论和数据在前10位上完全一致。然后到了理论和数据都有一些不精确的地方，它们开始出现分歧。所以可能那里有些有趣的事情在发生。但10位有效数字的一致，已经非常惊人了。

没错。

反物质是在1928年被预言存在的。保罗·狄拉克当时试图将量子力学和相对论统一起来，因为最初的薛定谔方程并不具备相对论性。在这个过程中，他的方程很复杂，但最终归结为类似“方程平方等于1”的形式。两边开平方根，得到方程等于正1或负1。正1对应电子，负1对应某种东西。他当时不知道那是什么。有一段时间人们讨论过，认为它可能是质子，但似乎说不通。于是他坚持自己的方程是正确的，并认为存在一种反物质——他没有称之为反物质，而是电子的带正电的孪生兄弟，也就是我们现在所说的正电子，即反物质电子。所以它被预言了。1932年，卡尔·安德森和他的学生塞思·内德迈耶发现了它。他们看到了一个反物质电子，这非常酷。从那时起，人们就知道它是真实存在的。反物质被预言、被观测到，事情就是这样。1956年，反物质质子被制造出来，这需要大型粒子加速器提供足够高的能量，这项工作在伯克利完成。一年后，反物质中子也被发现。到了现在，我们可以通过撞击粒子来利用能量制造反物质质子和反物质电子。我们甚至已经制造出反物质氦核。也就是说，我们把两个反质子和两个反中子组合在一起，制造出了反物质氦核。这已经实现并被观测到，毫无疑问。在欧洲核子研究中心（CERN），他们甚至制造出了反物质氢。他们从一台较低能量的加速器中引出粒子束，制造反物质质子，收集它们，减速，冷却到接近绝对零度。他们使用钠-22来产生反物质电子，同样减速，然后将两者结合，形成真正的反物质氢原子——由一个反物质质子被一个反物质电子环绕。他们进行了令人难以置信的测量。他们激发这些原子，使其发光，并观察反物质原子发出的光。问题是：反物质氢原子发出的光是否与普通氢原子具有完全相同的光谱特征？根据理论预测，应该是相同的。答案是：确实如此。这些测试结果令人震惊。我们现在对反物质氢有了大量了解。最近，大概是2023年，CERN的ALPHA实验制造了反物质氢，将其放入一个容器中，然后释放并观察它会往哪个方向运动。它是向上落还是向下落？虽然从库仑定律的角度看，电荷可能相互吸引或排斥，因此反物质向上落似乎有点道理，但有很多充分的理论理由相信反物质也会向下落。于是他们进行了这项精彩的测量。他们先放入普通氢，计算出如果这样做，大约80%的氢原子会从容器底部掉出，20%从顶部逸出，因为引力非常弱，原子会从任何方向逃逸，但存在一个偏向，将氢原子向下拉。然后他们对反物质做了完全相同的实验。结果如何？他们发现反物质是向下落的。不过，目前的测量精度还不足以断言反物质受到的引力与普通物质100%相同。他们测量到反物质向下落的强度是普通物质的75%，但存在很大的不确定性。实验误差为正负0.13（这还不错，但不完美），理论模型误差为正负0.16。所以结果是0.75加减约0.29。这意味着它很可能在0.5到1之间，与1是一致的。他们正在改进测量。

确实如此。

非常非常难。好吧，情况是这样的。在2011年之前，费米实验室是地球上最强大的反质子生产设施。每2.3秒，我们用10的13次方个质子撞击一个靶，得到10的8次方个反质子。基本上，为了得到一个反质子，我们需要用10万个质子撞击材料。每2.3秒，我们得到大约10的8次方个反质子。然后我们在大约12小时内收集它们。最终，每12到24小时，我们收集、冷却等操作后，能得到大约10的12次方个反质子。10的12次方听起来很多，确实如此，那是一万亿。但你要记住，1克反物质含有10的23次方个反质子。这意味着在一天内，我们只能制造出大约1000亿分之一克。如果这样运行一年，大约就是1纳克。所以大约每年1纳克，差不多是这个数。这是一个合理的估计。1纳克是十亿分之一克。这意味着以那个设施的速率，几乎不停机地运行10亿年，才能制造出1克反物质。如果你将1克反物质和1克物质结合，释放的能量相当于广岛和长崎爆炸的总和。这说明，如果你想要100万吨当量，你需要大约25倍的能量。所以你需要运行250亿年才能获得100万吨当量的爆炸能量。

没错。

而且非常强大。所以简短的回答是，这不是一个物理学问题，而是一个工程问题。好吧，我有人能处理这个。嗯，好的。但说真的，事实是，如果你能组装并储存反物质，那么当然可以用它来加热物质，然后从火箭尾部喷出。它就会像火箭那样工作，让我们飞得很快。这没问题。

没错。所以如果你在前往半人马座阿尔法星的旅途中，哪怕只有百万分之一秒没能约束住它，砰，那就糟了。

这让我想起《星际迷航》里斯科蒂说："船长，反物质舱快要失去约束了，要爆炸了。"那正是会发生的情况。所以简短的回答是，原则上，反物质我们可以制造并用作能源，但可能还有便宜得多的能源。这取决于你需要做什么。旅行者号探测器还在靠钚运行，现在它们能量快耗尽了。如果需要，我们大概可以做得更好一些。所以我喜欢反物质这个想法，但现实是它的危险性——不是显而易见的武器危险，而是如果你在一艘由反物质驱动的飞船上，一旦它泄漏，你根本不会知道。那就完了。

原则上是的。这里涉及一些工程问题，但也涉及对基础物理的理解。我的意思是，我们知道怎么做。我们知道，你拿能量来制造反物质，必须约束它、储存它，还要处理所有困难的事情。但如果有什么新的理论能让反物质生产变得更容易，我会很惊讶。

你必须集中能量，就这么简单。如果有其他集中能量的方法，那也行得通。

而且记住，我们说的是把能量集中到质子大小的体积里。我的意思是，如果你把它集中到拇指大小，那么真正重要的是密度，局部密度。当你把两个质子撞在一起时，所有过程都发生在极小的体积里。所以关键是能量的局部密度。如果你在一个顶针里有很多能量，可能密度还不够。它必须非常接近才能发生。然后一旦发生，那就没问题了。所以如果有其他方法，我们知道如何用加速器实现那种密度。如果有人有聪明的主意来制造高密度能量，那么制造反物质就是小菜一碟，但关键就在于集中能量。

嗯，没错。

有一种东西叫重子生成（baryogenesis）。正如你所说，稍微重复一下你刚才讲的，这两者都是爱因斯坦的成果。爱因斯坦指出，当你利用能量时，会等量产生物质和反物质。他还说，大爆炸之后，宇宙中有大量能量，这应该会产生物质和反物质。但我们只看到了物质。反物质去哪了？答案是，我们不知道。不过，有一些想法和大量思考。实际上，费米实验室（Fermilab）目前正在用中微子做实验，试图更好地理解是什么让物质和反物质变得不对称。我们现在确实有一个关于这种不对称程度应该有多大的测量值，这还挺巧妙的。我们可以通过计算宇宙中的质子数量来做到这一点，只需观察星系等等。然后，我们可以观察宇宙微波背景辐射（cosmic microwave background），这算是大爆炸的余波，并从中计算光子的数量。通过一些数学运算，我们可以推断出，在早期宇宙中，某种机制造成了一个非常非常微小的不对称，以至于宇宙中每存在十亿乘以十亿个反物质粒子，就对应着十亿零一个物质粒子。那十亿个相互抵消、湮灭、摧毁了彼此，剩下的那一个就是我们。所以，是什么物理机制造成了这种极其细微的不对称，目前还不清楚。有一些想法。一种想法是，宇宙形成时就是这样，存在一种不对称，并非由物质和反物质产生。另一种可能性是，在重子生成这个总称下，有各种不同的理论。"重子"（baryo）来自"重子"（baryon）这个词，基本上就是指质子，而"生成"（genesis）意味着创造。我们这么说，只是因为质子是最重的粒子。所以重子生成就是物质的创造。在量子力学中，有一些理论认为物质和反物质可以相互振荡转换。在这个过程中存在一种微小的不对称。我们在一定程度上知道这是真的。20世纪60年代，我们用一种不同形式的物质测量到了这一点。我的意思是，不是质子，而是一种只存在于粒子加速器中的短暂物质。所以我们知道物质和反物质之间存在细微差异，但这还不够，无法解释那个问题。我们不确定。因此，在费米实验室，我们有一个想法，它有点颠覆了传统思路，不是重子生成，而是轻子生成（leptogenesis）。轻子（leptons）是中子。由于费米实验室目前是世界上最强大的中微子加速器，而中微子属于轻子，所以就有了这个想法。轻子生成极其复杂，但核心思想是它有可能成立。我们知道中微子实际上会改变身份。中微子有三种不同类型，就像猫、美洲豹和老虎。如果你有一束全是猫的粒子束，过一段时间，你会发现里面有猫、美洲豹，然后还有老虎，接着它们又会变回全是猫。这种振荡现象被称为中微子振荡。自1998年以来，我们就知道这是真的。我们正在研究的是，我们将制造一束中微子和另一束反物质中微子，然后研究它们两者的振荡行为。有可能——虽然可能性不大，但有可能——它们会以略微不同的速率振荡。如果中微子以略微不同的速率振荡，那么再加上其他几个极不可能发生的事件，可能会结合起来，解释为什么宇宙中物质更多。所以，如果我要押上全部家当，我会赌它们以相同的速率振荡，但我不知道，你也不知道，除非你去做测量。这就是我们正在做的事情。目前还有其他一些实验也在尝试测量这一点。所以费米实验室的团队和日本的另一个团队之间有一场激烈的竞赛，看谁能先完成这个测量。我们拭目以待。如果结果证明物质和反物质之间的振荡速率存在差异，那将是这个极其困难谜题中的一个巨大线索。我希望我能告诉你我知道答案，但实际上没人知道。我的意思是，这就是像我这样的研究科学家的处境——如果你不感到困惑，你就没做好你的工作。

是的。

这简直——我是说，完全疯狂。

暗能量要么是空间本身的能量，要么是空间中的能量。最常见的说法是空间本身的能量，它本质上是一种排斥性的引力形式。我们相信它是真实存在的，而相信的理由来自于观测。这就像我们之前讨论过的事情，我说过，你可以先思考这些理论上的东西，然后尝试提出一种测量方法；或者你也可以先进行测量，看看它们在哪些地方与预测不符，从而引导出新的方向。所以，在20世纪90年代末，一些天文学家正在研究宇宙的膨胀速率。大爆炸发生后，宇宙在膨胀，宇宙中充满了物质，而物质具有引力。因此，由宇宙物质产生的引力应该会减缓宇宙的膨胀。唯一的问题就是减缓了多少。当时有三种可能性：第一种是引力足够大，以至于宇宙的膨胀会减速、停止，然后被拉回一起，形成“大挤压”；第二种是宇宙会继续膨胀，速度减慢，但永远不会真正停止；第三种则是临界情况，膨胀会永远减速，只在无穷远处趋近于零，但永远不会完全停止或逆转。所以，这就是三种可能性，就像三扇门，选一、二或三。然后他们进行了测量，结果发现了什么？是第四扇门。宇宙不仅在膨胀，而且膨胀还在加速。考虑到引力会减缓膨胀，唯一能让这种情况发生的，就是存在一种排斥力。我们给这种排斥力起的名字就是暗能量。这是爱因斯坦在早期发展广义相对论时提出的概念，但当时因为他知道自己的理论预测宇宙会坍缩，而他相信宇宙是永恒且不变的，所以他需要某种东西来抵消这种坍缩。于是他发明了暗能量——他当时不这么叫，而是称之为宇宙常数。但几年后，埃德温·哈勃发现宇宙确实在膨胀。既然宇宙不再是静态的，爱因斯坦就说：“不需要宇宙常数了”，于是把它去掉了。他觉得自己当初加入这个想法很愚蠢，还为此感到尴尬。然而，到了1998年，情况变得明朗：他最初关于存在某种排斥性引力的想法是真实的，于是它又被重新放回了理论中。这就是暗能量的由来。目前我们相当确信宇宙的膨胀正在加速，而驱动它的就是暗能量。那么，暗能量到底是什么？

正如我所说，最常见的想法是它是空间本身的能量。但至少可以想象，空间中存在一个场，这个场在空间存在的地方将空间推开。这是另一种可能性，我不确定我们是否有仪器能区分它们，但这通常不是人们所想的。人们通常认为它纯粹是空间的一种属性。

哦，对，那是另一个问题。

嗯，有一个测量方法，你可以测量宇宙膨胀的速度。由此，你就能得到暗能量的测量值。然而，如果你接着说，假设暗能量是由空间中的场引起的，那就是量子场论了。嘿，我对量子场论了解很多。所以我们可以用量子场论来计算量子场论导致的能量密度。基本上，你要做的是，在一个体积内，把所有波长——较长的、较短的、更短的、更更短的——都加起来，每个波长贡献一定量的能量。如果你把它们全加起来，就会得到一个数字。这个数字相当尴尬，是10的120次方倍——也就是1后面跟120个零——比暗能量的测量值大得多。

所以你会觉得，哎呀，这完全不好玩。这是因为这个方程会达到你能想象到的最高能量或最小波长粒子的四次方。任何东西的四次方都是个大数字。所以你就得到了那个糟糕的数字。现在，如果事实证明存在某种新物理，其能量尺度刚好在我们能用最大粒子加速器测量的范围附近——记得我告诉过你，那是一个因素。最大能量尺度，普朗克尺度，比我们现在能测量的要大10的15次方倍。那么，假设我们不需要计算到普朗克尺度，因为在我们已知的能量处发生了某种变化。这意味着我们不需要积分到普朗克尺度，而是积分到比普朗克尺度小10的15次方的位置。而这是四次方的关系，所以10的15次方的四次方是60。因此，即使我们说，唐，他很聪明，他明天会在LHC（大型强子对撞机）上发现点什么，能解决所有问题。现在问题解决了，好多了。它只差了10的60次方倍，这仍然大得离谱。所以，简短的回答是，很明显，量子场论中出了点问题，非常严重的问题。也许存在另一个场，能平衡掉能量，将其抵消。即使这样，也不是那么离谱。你可以想象有另一个场，就像我们有物质和反物质，它们平衡得很好。也许有类似的情况。你可以把它抵消掉。那会很完美。把某物抵消到零很容易，因为正1加负1等于零，正2加负2等于零。但我们仍然有暗能量。暗能量只有一点点。所以如果它被抵消了，它并没有被完全抵消，因为还剩下那么一点点暗能量。这本身就是个奇特之处。完美抵消很容易，理论物理学家在早餐前就能做八次。而不完美抵消则要难得多。

嗯，你可以——你要做的是假设存在另一个场，其效果与现有量子场相反。

但不是抵消到零。所以，如果它能抵消到零，当然，也许存在一个我们还没见过的、在极高能量下存在的场。我不知道，但它能抵消掉一切，我们就没事了。

嗯，那取决于它的预测。

就像所有理论物理学家做的那样。好吧，我们往方程里加点东西，看看会发生什么。这没什么问题。我这么说可能有点轻描淡写，但这正是你做的事。你会问：需要改变什么？我们有一个在大多数情况下都运行得很好的理论，但它在某个地方失效了。我们需要添加什么，才能在我们已经测量过的领域几乎不产生任何变化，同时又能解决这个棘手的问题？所以你基本上就是，嗒嗒嗒，好吧，我需要什么？加个6之类的。只要它不影响我们已经测量好的部分，又能解决那个大问题，那它至少算是一个候选理论。这并不意味着它就是对的，但至少能让你理解正确的答案应该长什么样。所以第一步就是弄清楚真正的答案应该是什么样，或者可能的真实答案是什么？然后一旦你大致了解了，其他人就可以说，好吧，让我想想有没有一个理论具备所需的性质，能完成我们需要它做的事。所以这是一个多步骤的过程，但第一步是：我们如何在不提出已经被排除的糟糕预测选项的情况下，驯服这个问题？这就是你做的事。而且，这确实是一个合理、可行的理论工作，因为你必须探索那些酷炫的想法。

绝对如此。就目前来看，如果暗能量是真实的——谁知道它是否完全如我们测量到的那样真实——那么随着宇宙变得越来越大，暗能量在宇宙能量平衡中所占的比例也会越来越大，它会占据主导地位，并驱动宇宙持续加速膨胀。如果暗能量变弱了，出于某种我们无法理解的原因，也许它会随时间变化，变得更小，那就会改变一切。如果它变强了，也会改变一切。

没错。最近有一项测量表明暗能量正在减弱。不过，这是一项新的测量结果，尚未得到证实，等等等等。没人应该相信它。但这暗示它可能正在变化，这本身就挺酷的，因为直到最近，主流观点还认为暗能量是恒定的。现在我要非常小心，因为这容易产生误导。人们说暗能量是恒定的。暗能量是一种密度。想想看，你有一个特定的密度。我们先从这点出发。然后宇宙膨胀了。能量等于体积乘以密度。如果宇宙变大而密度保持不变，那就意味着暗能量在增加。它不仅仅是在比例上增加并压倒普通物质；普通物质随着宇宙膨胀，其密度会下降，因为物质总量不变而体积变大，所以密度降低。而暗能量，直到最近，人们都认为其密度是恒定的。

这就是一个奇怪之处。而这又和空间的本质联系在一起。为什么和空间的本质有关？因为如果暗能量是空间中的一个场，当你增加体积时，你会认为能量密度会下降。但如果空间在膨胀，而空间是量子化的——我不知道它是不是——那么也许发生的情况是，空间并没有被拉伸，而是像空间的小粒子在不断出现，就像空间的气泡一样，每个气泡都包含一定量的暗能量。因此，这会让你觉得暗能量是空间的一种属性，而不是空间中的一个场。但这全都是非常模糊、靠猜测的东西。

不幸的是，我认为两者都是。我的意思是，它确实在描述一种现实，但它也可能在告诉我们一些关于空间的事情。

是的。我的意思是，从它似乎是恒定密度这一点来看，这看起来就是这样——现在这不是任何人应该相信的东西，请别相信——但在我看来，这倾向于这样一种观点：A，它是空间的一种属性；B，空间是量子化的；C，随着空间膨胀，空间的量子在不断出现；D，每一个这样的量子都带有一定量的能量，这就能解释恒定密度的问题。现在，请注意，这不是任何人应该接受的。这纯属胡说八道。

实验上。

找出空间的气泡，但这些量子很可能只有普朗克尺度那么大。

嗯，它们是空间的量子。我的意思是，这个想法是，你看一个沙丘，它看起来光滑而连续，但你能看到一粒粒的沙子，对吧？所以这就好比，当这个沙丘扩张时，新的沙粒不断出现，每一粒都是一个空间的量子。

人们一直在讨论引力的量子纠缠。在标准量子力学中，一个粒子可以同时处于两个位置。好吧。现在你有两个粒子。所以这个粒子可以同时处于两个位置。这个粒子也可以同时处于两个位置。你把它们放在彼此附近。如果它们靠得很近，就会有一定的引力。如果它们离得很远，又有另一种情况。如果一个近一个远，那又是另一种情况。你可以计算出与量子纠缠粒子处于两个位置相关的引力效应。人们正在讨论做这样的实验，试图看看通过这样的测量，他们是否能明确地确定引力是一种量子现象还是一种连续现象。这有可能在不久的将来实现，因为最近量子力学研究中的相关技术，让人们能够制造出足够精密的仪器来进行这种测量。当然，这不会告诉我们量子引力是什么。它不会告诉我们任何具体内容，但它会告诉我们引力是量子化的。仅仅知道这一点，首先，它就排除了整个连续引力的领域，理论物理学界就会把注意力转向别处，放弃这些东西，去思考其他方向。这并不会告诉你空间是量子化的，但如果实验证实了，它会告诉你引力是量子化的。所以，如果引力是量子化的，人们就会开始更多地思考空间是量子化的。

好吧。

哦天哪。暗物质是什么？第一，我不知道。第二，它极其迷人。

好吧。首先，也是最重要的一点，因为我是一个实验物理学家，老天，第一件事是我们为什么相信存在暗物质？原因是天文观测与牛顿力学或相对论的预测不符。星系旋转得太快，星系团移动得太快，而较近星系的引力场对极远星系造成的扭曲，也与我们从可见物质观测到的预测不符。所以有三个非常不同的理由让我们预测，我们对物理定律或宇宙物质构成的理解出了问题。最容易讨论的是旋转星系。不过，我说的并不只限于旋转星系，只是它最容易讲。观测显示，星系的旋转速度比应有的快。如果我们把看到的引力加起来，按理说，旋转得那么快的星系应该会把自己撕裂，但它们没有。那么答案可能是什么？好吧，一颗恒星要绕轨道做圆周运动所需的力，与引力通过一个等号相连。而预测是错的。所以要么引力错了，要么做圆周运动所需的力错了，要么等号错了。我是说，这真的很简单。其中有一项是错的。所以一种可能性就是牛顿引力定律——质量乘以质量除以r的平方再乘以常数——错了。另一种可能性是我们在基础物理中学到的牛顿第二定律F=ma错了。这两种可能性都完全存在。这边，也许我们不懂引力，也许有比我们能看到的更多的质量。所以这些，你知道，我的意思是，你能很简单地看待这个问题，然后列出一个清单，一本我们可以检验的菜谱，这挺好的。然后我们就这样做了。我们问自己：可能性有哪些？嗯，最明显的可能性是存在比我们能看到的更多的质量。有黑洞，有我们看不见的氢气，等等。那里有些东西。所以这是第一件事。于是你去观测，发现没有氢气，因为我们可以用射电波看到它。那不是它。在90年代，我们去找黑洞、流浪行星之类的东西。它们确实存在，但数量不够。那不是它。所以现在我们只剩下，要么存在某种我们看不见的物质，要么我们不懂引力，要么我们不懂惯性。现在，我个人，如果你问我这个，哦，我不知道，25年前，我会说最可能的答案是我们不懂惯性或引力。你知道，20年前，25年前，我会这么说。没问题。然而，有一些观测结果改变了我的想法。我认为暗物质更有可能。其中之一叫子弹星系团。在子弹星系团中，有两个大型星系团。在这些大型星系团里，嗯，任何星系都由几个部分组成。有星系本身，有环绕星系的氢气，也许还有暗物质。如果暗物质是真实的或不是真实的，当这两个星系相互穿过时，你会得到不同的答案。星系本身应该会相互穿过，基本上不相互作用，但关键是气体云。如果存在大团气体，当星系相互穿过时，气体云应该会相互作用，气体云应该停在中间，变得非常非常热。那么你会看到，如果没有暗物质，你会看到一个星系团、另一个星系团，中间有一大团气体云。因为中间的大团气体云比星系本身质量大得多，你会预期看到我们称之为暗物质扭曲的扭曲现象——在中间。然而，如果暗物质是真实的，星系相互穿过，气体云停下，暗物质不与气体云相互作用，所以它穿过去了。在这种情况下，你会预期看到扭曲出现在星系所在的位置。而这就是我们看到的。所以在我看来，这是一个强有力的证据。子弹星系团是暗物质真实存在的强有力证据。还有另一个例子，更近期的。子弹星系团是挺久以前的事了，叫蜻蜓星系。有蜻蜓2号和蜻蜓4号。这些星系完全按照牛顿定律旋转。所以它们完全按照牛顿定律旋转这一事实表明，导致星系旋转过快的因素不是物质的一种属性。但如果你有一个星系没有暗物质，无论出于什么原因它被剥离了之类，这是一个可爱的讽刺：一个没有暗物质的星系的存在，恰恰是暗物质真实存在的强有力证据，因为你可以把暗物质移除。所以DF2和DF4也让我觉得暗物质是真实的。所以现在，虽然修改惯性定律或修改引力定律的可能性仍然存在，但在我看来——这是Don的观点，但也可能是大多数科学界的观点——暗物质很可能是真实存在的。好了，这很棒。我把你们一路带到了暗物质。所以现在你会问我，你会说，Don，暗物质是什么？我会说，我不知道，但我知道它不是什么。好吧。我知道它不是黑洞。我知道它不是流浪行星。我知道我们做过测量。我们几乎覆盖了所有质量范围的致密天体，并把它们排除了。所以如果暗物质是真实的，它不能由那些东西组成。那么你就剩下一个想法：暗物质是一种粒子。这就是我们一直在思考的。我们长期以来称之为暗物质粒子的名字是WIMP，即弱相互作用大质量粒子。我们在过去，老天，30年里用各种方式寻找它们。有三种方式我们可能看到暗物质。直接方式，即暗物质存在于这个房间、我们的实验室里的每一个地方，暗物质像风一样穿过地球，我们放置探测器试图看到它们。我们做了，但什么都没看到。

我们为许多不同类型的暗物质做过这个。我们只是简单地把探测器放在地下深处，我们可以在里面看到中微子。这是真的。但暗物质，尤其是重暗物质，这些WIMP，它们有不同的信号特征。我们在这些探测器中没有看到任何暗物质相互作用的证据。

是的。

中微子确实算是一种WIMP。不过我们得小心理解WIMP的含义。它们是弱相互作用大质量粒子，但我们可以计算，中微子的质量根本不够。不是它。明白了。所以我们需要另一种形式。而我们至今没有看到任何证据表明暗物质风穿过地球。另一种可能性是，在星系中心你认为暗物质可能聚集的地方。如果暗物质存在，并且存在反暗物质，它们可能会湮灭并产生光子。所以我们寻找伽马射线和各种其他暗物质湮灭的信号。总是不断有公告说，哦，我们看到了。哦，没有。哦，你知道，问题是这种寻找暗物质的方法很难，因为还有其他方式产生伽马射线，比如中子星之类的。你真的需要非常非常了解星系的细节才能相信这一点。最后一种选择是我做的，我们把粒子以高能量或高质量对撞。我们试图制造暗物质粒子。如果你制造出暗物质粒子，因为它们除了引力外不与其他力相互作用，它们会逃逸出你的探测器。所以你看到的，你希望看到的，是一个事件：你碰撞粒子，一个暗物质粒子逃逸，你看不到它，但你能看到另一侧的反弹，因为动量守恒。所以你会看到这一侧有一团能量，另一侧什么都没有。那可能就是暗物质。中微子也会产生同样的现象。所以你需要完全了解中微子，计算你会看到多少，然后希望看到更多，那可能就是暗物质。同样，这也没成功。所以我们排除了某些暗物质粒子，但问题是可能的质量范围太大了。如果暗物质是粒子形式，可行的暗物质质量范围从小行星质量到远轻于电子的质量，中间所有可能都有。我们找过了，我们排除了这个相空间中的一些小区域，但那是一个很大的范围。

天文搜索对那种水平的暗物质并不敏感。但你知道，你会预期太阳系中有一些这样的粒子。如果它们像我们想的那样，比如小行星之类的东西，那么我们会加热它们，最终会看到它们。但如果它们真的是那种不与物质相互作用的暗物质，这意味着它们不会从太阳吸收能量。所以它们会非常暗。我不知道，也许它们就在那里。但我们寻找它们的唯一方法是一种叫做微引力透镜的东西。如果一个质量很大的物体，你有一颗遥远的恒星，一个质量很大的物体从那颗恒星和你之间经过，那颗恒星会暂时变亮。所以你只需要寻找这些所谓的微引力透镜事件，然后计数。我们看到了一些，你知道，黑洞从恒星前面经过，我们看到了它们，但我们看到的还不够多。对于像小行星这样质量非常小的粒子，它们根本不会产生足够强的增亮效应来被观测到。所以增亮效应有一个最小灵敏度，大约是月球质量的三分之一，这就是我们当时的灵敏度。所以，你知道，我认为没有人真的认为这些低质量粒子是可能的。他们更倾向于认为它们是看不见的黑洞，我觉得这完全合理。当那个被排除后，我想，好吧，可能是修正引力或惯性。但现在，子弹星系团和蜻蜓星系似乎也排除了那个。所以我心里认定暗物质似乎是真实的。而我们不知道它是什么。

它比普通物质多五倍。是的。

这就是它酷的地方。所以如果外面有年轻人想进入这个领域，理解暗物质是一件大事。我是说，它比普通物质多五倍。问题是，就像我告诉你的，如果质量范围从小行星到远轻于电子，如果你参与一个只关注一小段质量范围的实验，也许你不是那个幸运儿，没测对地方，你知道吗？这也是为什么，尽管我觉得它很迷人，但我没有做暗物质实验，因为如果你做一个搜索某个质量范围的实验，它会对其他质量范围视而不见。所以你需要很多小组做各种截然不同的实验，探索各种参数空间。话虽如此，在你看到它之前，仍然有可能我们并不理解引力或惯性。你知道，你不能排除那个可能性。

我是说，我不知道它是什么。我觉得它很酷。非常非常迷人。这是我真正希望在有生之年能理解的一件事，因为我想知道答案。

但你需要运气。我是说，你得找对地方，不管它是什么。或者你得想出一个大家都忽略了的真正酷的理论想法，这是另一种可能性。有些人非常非常执着地讨厌暗物质，很大程度上是因为我们找了这么多年，今天的实验比我刚当学生时灵敏了一百万倍，却仍然什么都没看到。这就是为什么人们真的讨厌暗物质。我是说，他们中的一些人认为我们现在应该已经看到了，但我不确定。

你会看到它绕轨道运行。或者它会遮挡前面的东西，或者——

我们在90年代做过这样的实验，叫做Macho、OGLE和其他一些，它们寻找你看不到的黑洞。你知道，黑洞，你看不到。它很完美。它是暗物质的完美候选。如果外面有足够多的黑洞，记住，数量是恒星的五倍，这意味着外面有大量该死的黑洞。我们应该看到它们，但我们没有。

嗯，你知道，我小时候在偏远地区长大，家境贫寒。父母很伟大，虽然没法在学业上给我太多指导，但非常关爱我。我妈常开玩笑说，她大概从六年级或七年级以后就辅导不了我数学了。但他们很支持我，而且我觉得有三件事促成了我的成长。第一，我小时候是个如饥似渴的读者，特别喜欢科幻小说，一天能读一本书。这把我妈逼疯了——她好心给我买本书，我说谢谢，结果第二天就读完了，她完全受不了。不过，科幻小说确实能激发想象力，事实也正是如此。此外，更严肃的科学启蒙来自1970年代一些优秀的科普作家，比如艾萨克·阿西莫夫、卡尔·萨根，还有一位叫乔治·伽莫夫的，他们为普通人写科学书。作为孩子，我肯定读不懂教科书，但能通过这些书窥见科学的门径。再加上，我和大多数后来成为科学家的人一样，对一切都抑制不住地好奇。我还有点哲学头脑，对那些过去属于神学、后来是哲学、现在更偏向科学的问题感兴趣：宇宙如何诞生？宇宙为什么是这个样子？宇宙的法则为什么是我们看到的这样？宇宙是被创造的吗？它又将如何毁灭？这些困扰人类数千年的宏大问题。所以，你说得对，我在大学辅修了哲学和宗教，就是因为好奇，希望了解这些历史能帮我理解这些问题。但在大学里我意识到，我寻找的答案并不在这些方向，不过我还是学到了这些问题在过去是如何被提出的。于是我成了一名科学家。唯一的问题是：我该成为宇宙学家/天体物理学家，还是粒子物理学家？做决定时是80年代中期，当时宇宙学的测量手段很少，更多的是对宇宙的思考，而缺乏实际测量。而粒子物理呢，天哪，你至少能做实验。吸引我的是能真正得到答案，而不是仅仅琢磨答案可能是什么。所以我成了粒子物理学家。没有家庭导师之类的帮助，这条路很艰难，但我还是走过来了。这也是为什么我现在会在这里，花大量时间写书等等——因为我觉得，在爱荷华、堪萨斯、蒙大拿，或者某个小镇上，一定还有其他孩子，他们没有那些父母受过高等教育的人所拥有的资源。我希望他们中有人读过我写的东西，能找到自己的路，因为多年来我觉得这非常有意义。我干这行够久了，确实有孩子来实验室跟我说：“嘿，我是暑期实习生，因为我看了你的视频或读了你的书。”所以我知道至少产生了一点影响。当然，我总想做得更多。我很感谢你的听众给我这个机会，因为谈论这些事很重要。这些问题真的很酷、很迷人，还没有答案，正等着年轻人花时间去思考——因为你的观众中，可能就有人能解答那些困扰了聪明人几十年的问题。

嗯。

确实如此。

嗯，是的。显然，聪明很重要——如果你是爱因斯坦，也许可以偷懒，但连他都没这么做，而我也不是爱因斯坦。事实是，当我年轻、没有家庭和孩子拖累时，我想不出还有什么比这更想做的事。有些人想去夜店，或者踢足球，但我想做测量、想理解、想学习，这太棒了。所以作为研究生——当然这不适用于所有人——我工作得非常疯狂。从周一到周六，我自愿待在实验室，从早上8点到午夜。周日则从早上8点工作到下午5点，因为5点到午夜我得洗衣服、买日用品。我热爱这一切，现在依然热爱。我现在不能再这样了，只是因为有了其他责任。但如果我很有钱，我还会做同样的事。这是我真正热爱的东西。对我来说，没有什么比解决一个难题更迷人的了。那种工作态度——嗯，有几个因素能把聪明人和真正的科学家区分开，因为所有科学家都聪明。但许多科学家具备的是：第一，一种驱动力和真正的毅力。对我来说，以及对我认识的许多科学家来说，试图测量某样东西却失败，会让我很恼火，我不会让实验室里的宇宙打败我。有些人东西坏了就会想：“唉，没成功，我回家吧，受够了。”但对我来说，这只会让我更生气，然后投入更多努力。当然，不是所有人都这样——我承认我有点疯狂，工作时间很长。但真正擅长这行的人，可能不会像我这么极端，有些人需要更好的生活平衡。但很多人是因为无法忍受不知道答案。当你作为一个年长者看到这种驱动力、这种寻求答案的强度时，你就知道这个人会成功。所以，如果某个学生——就像那个日本姑娘说的——如果这件事不能给你带来快乐，那它可能不适合你。你可以做一个阅读相关内容的爱好者。但如果你想成为真正的科学家，它必须是你存在的一部分。

我认为这对艺术家、音乐家也一样——他们不断练习，因为那就是他们自己。

谢谢你的邀请。