科学在身边：宇宙专题｜粤语

万有理论是科学家梦寐以求的一种终极理论，而且人类对此的追求，已经延续了几千年。原始民族大多流传着各种神话和传说，试图解释世界运行的规律。宗教以外，当然还有科学或哲学。例如，古希腊的哲学家就尝试运用几条基本公理，推导出世界上各种现象背后的原理。十七世纪的牛顿力学，也是运用数学和实验推导出来的一套既简单而又能够解释物体运动原理的理论。

但是进入二十世纪，科学家又发现牛顿力学原来也不是万有理论，代之而起的是相对论和量子力学，而且两者并不相容。于是，人类又再次回到追寻万有理论的循环里面，希望有朝一日可以找到这个终极理论。而超弦理论，就是目前其中一个比较有希望的方向。

关于对万有理论的追求，很多人可能觉得难以理解。究竟万有理论的吸引力在哪里？为什么科学家千方百计都要找到它呢？找到万有理论，又是否代表科学的终结呢？这些问题，张老师会为你逐一探讨。

# 这是《科学在身边．宇宙专题》的最后一集。下个星期将会有全新的专辑推出，名为《科学在身边．未来科学家》。在这个专辑里面，张老师会换一个角度，跟你说说科学家是怎样炼成的，科学家究竟是怎样的一群人，与及他们又是怎样做研究的。透过这个全新的角度，希望可以为你带来另一种启发。这个专辑将会在下星期一同样时间，在《知道粤语频道》上线，有兴趣的朋友，欢迎免费订阅。

【主播简介】

张浩然，科技大学理论物理学学士及物理学哲学硕士，英国布里斯托大学教育博士。

知乎主页：

https://www.zhihu.com/people/DrHaoranZhang

各位听众好：为了提升我们节目的素质，使您们有一个更好的聆听体验，我们准备了一份只有五条问题的简单问卷，希望邀请尊贵的您，给我们宝贵的意见。连结在此：

https://wj.qq.com/s/2817419/44c6

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【专辑简介】

《知道．粤语频道》是首个云集博士级学者的粤语频道，旨在为全球粤语听众打造一系列「生活品味」内容！

标准模型是粒子物理学的核心理论。但是标准模型的最大缺陷，就是没有考虑到万有引力。宇宙里面有四种基本力，分别是强力、弱力、电磁力、万有引力。其中前面三种力都出现在微观尺度，可以用量子力学中的标准模型来解释，而万有引力则可以用爱因斯坦的相对论来解释。

一般来说，量子力学和相对论通常都可以二择其一。可是，宇宙中真的有些情况，是量子力学和相对论都无能为力的，例如是在黑洞的中心，或者在宇宙大爆炸不久，因为这些都是微观尺度，量子效应很明显，同时万有引力又大到不能忽略不计。

科学家的终极目标，是寻找一个在任何的物理条件底下，都能够解释宇宙中所有现象的万有理论。量子力学和相对论，各自都有不能应付的时候，所以都不能算是万有理论。而这个困难的其中一个解决方案，就是超弦理论 (superstring theory)。超弦理论的内容是什么呢？它为何有希望成为科学家梦寐以求的万有理论呢？关于这个问题，张老师会在这一集为你讲解。

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巨型强子对撞机 (LHC) 是人类历史上能量最大的粒子加速器，建造成本达到48亿美元，每年的营运开支也达到10亿美元。这台机器2008年9月10日开始运作，在过去的11年间进行了很多大大小小的实验。其中最重要的成果之一，就是发现希格斯玻色子 (Higgs boson)，也就是大名鼎鼎的「上帝粒子」。

「标准模型」是粒子物理学目前最成功的理论，它的雏形早在1950年代就已经出现。如今，标准模型已经成为了粒子物理学之中的牛顿定律，拥有非常重要的地位。但是标准模型有一处空白，必须以一种前所未知的粒子来填补。科学家一直苦苦寻找这个神秘粒子，最终在2012年，在巨型强子对撞机的实验里，才终于证实了这个粒子的存在。这个粒子，就是「上帝粒子」。

究竟标准模型的问题在哪里呢？「上帝粒子」如何填补这个缺环呢？「上帝粒子」又为什么叫做「上帝粒子」呢？这些问题，张老师会在今集为你逐一解答。

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为了研究基本粒子，科学家除了埋头苦干，进行各种行外人难以明白的理论计算之外，还需要一些适当的实验仪器来进行实验，验证他们的理论。讲到高能粒子物理学的实验仪器，当然不得不提的是粒子加速器。其中最有名的粒子加速器，应该就是位于瑞士和法国边境地底的巨型强子对撞机 (LHC) 了，它是人类目前所建造的能量最大的粒子加速器。

巨型强子对撞机真的很巨型。它的圆周有27公里，差不多就是北京市二环路包着的范围。「强子」泛指好像质子一类的粒子，巨型强子对撞机就是设计用来加速强子的。「对撞」两个字的意思亦都很清楚，因为它会让两束强子高速对撞。

那么，巨型强子对撞机的原理又是怎样的呢？让粒子对撞的意义又在哪里呢？今集，张老师会为你介绍这一台可怕又可敬的巨型机器。

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「高能粒子物理」是物理学里面一个很重要而又有趣的课题。如果说量子力学是有关微观粒子的物理学，那么高能粒子物理就是基本粒子的物理学。基本粒子当然也是微观粒子，微观粒子却不一定是基本粒子。原来，所谓的微观粒子只要足够小就可以了，但是基本粒子除了要小之外，还要是不能够再进一步分割的，是物质的最基本组成单位。

原子并不是物质的最基本组成单位，因为原子可以进一步分割成质子、中子和电子。质子和中子各自又是由「夸克」（quarks） 组成，这夸克才是基本粒子。除了夸克之外，电子、中微子等等称为「轻子」（leptons），也是基本粒子。

还有一种很有趣的基本粒子，它们不代表物质，而是代表能量，科学家都把这些当成为粒子来研究。比如是代表光的「光子」（photon），代表万有引力的「重力子」（graviton），还有号称「上帝粒子」的「希格斯玻色子」（Higgs boson），都是基本粒子。

这么多不同的基本粒子，科学家是怎样研究它们的呢？这些研究又有什么用呢？在这一集，张老师会跟你一起告别低能，畅谈这一门引人入胜的高能粒子物理。

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张老师在大学读物理时做过一个超导体悬浮实验：把磁石放在一块超导体上面，再倒入液态氮。过了一会之后，那块磁石竟然浮起来了！这个现象叫做迈斯纳效应，1933年由德国物理学家迈斯纳及奥克林菲尔德发现。

这个超现实的迈斯纳效应是怎样来的呢？原来，迈斯纳效应是一种宏观量子效应，亦即它本身是一种量子效应，不过由于某种原因，它在宏观世界显现了出来。究竟超导体是什么？它的超导跟量子力学有什么关系？量子效应又如何能够变得宏观呢？在这一集，张老师会为你解释这个神奇的现象。

〔图〕超导体悬浮实验

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上次提到，量子电脑是利用量子力学的原理来进行运算的。由于微观粒子可以同时存在多种量子态的叠加，所以量子电脑比传统电脑有更高的容量与运算能力。

不过有利必有弊。量子电脑可以轻易破解目前在網上交易常用的RSA加密技术，因此必须寻找替代方案。其中一种替代方案称为量子加密技术，它也是基于量子力学原理，而且理论上不会被破解。

这种量子加密技术目前已经有商业应用，而其背后的原理－－「量子缠结」（quantum entanglement），也是非常有趣的一种现象，爱因斯坦称其为「鬼魅般的超距作用」，2016年中国科学院的量子实验卫星墨子号，为量子缠结的研究取得了重大突破。而量子缠结也是《三体》里面智子进行超距通讯的原理。究竟量子缠结是什么？这种原理如何用来加密？它跟智子又有什么关系？今集，张老师会为你进行深入浅出的介绍。

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上回讲到，「量子穿隧效应」是所有半导体的基础，而半导体是现今所有电子科技的基础。今次要讲量子力学的另外一个应用，这个应用也是跟电脑有关，不过不是传统的电脑，而是更厉害的量子电脑 (quantum computer)。

1981年，物理学家费曼 (Richard Feynman) 在麻省理工的一次学术研讨会上，讨论了量子电脑的构想。费曼是1965年诺贝尔物理学奖的得主，他有一个绰号叫做「科学顽童」，因为他经常都有一些异想天开的想法。作为一名量子物理学家，他当时关注的是如何使用电脑来模拟量子物理中的现象。传统的电脑由于容量和运算能力的限制，只能对物理系统进行近似的模拟，亦即是说这些模拟既不完整，也不准确。费曼并不满足于近似的模拟，于是他就提出，有没有可能运用我们对量子力学的认知，建构一种全新的电脑，用量子力学来模拟量子力学。这个设想，就是量子电脑的雏型。

那么具体来说，量子电脑的原理是怎样的呢？它目前发展到什么程度呢？除了模拟之外，量子电脑还可以用来解决什么问题呢？今集，张老师会为你讲解。

参考文献：

Bravyi, S., Gosset, D., & Koenig, R. (2018). Quantum advantage with shallow circuits. Science, 362(6412), 308-311.

Feynman, R. P. (1982). Simulating physics with computers. International Journal of Theoretical Physics, 21(6), 467–488.

He, Y., Gorman, S. K., Keith, D., Kranz, L., Keizer, J. G., Simmons, M. Y. (2019). A two-qubit gate between phosphorus donor electrons in silicon. Nature, 571(7765), 371.

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很多年前有一个魔术，你可能也听过，就是著名魔术师大卫高柏飞 (David Copperfield) 于1986年表演的「穿越长城」的魔术。在这个魔术里面，大卫高柏飞从长城的一侧消失，过了一会，竟然在长城的另外一边出现，就好像他穿过了长城一样。由于长城在中国人心目中的重要性，这个魔术当年引起了全国广泛的关注。

当然，魔术归魔术，大卫高柏飞不可能真的穿过了长城。但是在量子力学里面，像这样穿墙透壁的表演，并不是魔术，而是在微观世界里面很普遍的一种现象，名叫「量子穿隧效应 (quantum tunneling effect)」。

量子穿隧效应有很多重要的应用。张老师在大学时就做过一个利用量子穿隧效应拍摄原子照片的实验。另一个更重要的应用是半导体，亦即现今所有电脑和手机的基础。没有量子穿隧效应，就不可能有电脑和手机，更加不可能有互联网。那么，量子穿隧效应究竟是什么？原子的照片是怎样拍出来的呢？这个效应又是怎样跟电脑和手机有关？请留意今集的节目。

【图一】量子穿隧效应的原理

【图二】扫描电子穿隧显微镜的原理

【图三】利用扫描电子穿隧显微镜拍摄的石墨原子

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「平行宇宙」是科幻故事里面很常见的主题。通常的说法是这样的：我们所身处的宇宙并不是唯一一个宇宙。除了我们的宇宙之外，还有很多个相似的宇宙平行地存在着。其中一些宇宙里面，可能还有另外一个你，但是你在那个宇宙中的遭遇，又跟这个宇宙中的你不尽相同。

平行宇宙并不完全是科学幻想。这个理论其实是哥本哈根诠释以外，量子力学的另外一种理解方式。提出平行宇宙理论的是一位名叫 Hugh Everett 的美国物理学家。他是爱因斯坦的粉丝，小时候就已经跟当时在普林斯顿大学任教的爱因斯坦通信，长大后亦进入了普林斯顿大学物理系，专攻量子力学。平行宇宙理论，就是他在1957年发表的博士论文里面提出来的。

那么，平行宇宙理论的内容是什么呢？它如何解决哥本哈根诠释的问题？它跟科幻故事里面的平行宇宙又有什么分别呢？今集，张老师会带你进入这个引人入胜的话题。

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