科学在身边：宇宙专题｜粤‪语‬ 知道粤语频道

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：
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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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