萬物的道理——從粒子到宇宙
“物理學研究的對象是宇宙中的萬物，所以呢，這個物理就是萬物的道理。”在北京圖書大廈一層共享空間，北京大學物理學院教授馬伯強將一場名爲“從粒子到宇宙”的講座，從高等學府的課堂搬到了這個鬧市中的“三味書屋”。面對現場濟濟一堂、橫跨老中青幼四個階段的衆多觀衆，馬教授笑言想不到會有這麼多“學生”來聆聽物理學講座。
從微觀到宇觀物理學研究的是萬物的道理
“物理學追求的是用統一的，簡單的語言描述宇宙萬物所遵循的運動規律，揭示它們的結構及相互作用。”人類所關注的一個基本問題是“世界是由什麼組成的？”馬伯強拋出問題，隨後針對這一問題進行了梳理：“兩千年前，中國與古希臘的哲學家都對此做出了自己的回答。中國古代，我們認爲萬物世界是由五種元素組成的，也就是所謂的金、木、水、火、土；古希臘也同樣有‘土、火、氣、水’四元素說，另外一種說法‘原子說’由古希臘的哲學家留基伯首先提出，後經他的學生德謨克利特的進一步發展，形成歐洲最早的樸素的原子論。”
馬伯強介紹，關於德謨克利特還有一個很有趣的故事：這位哲學家通過思考“一個純粹的物體是否能夠無限拆分成更小的部分？”“無限拆分後的物體還是這個物體本身嗎？”進而提出了觀點——無論多麼純粹均勻的東西，都是由大量獨立的微粒組成的，這些微粒極小，以至於他們不能再被分割下去。這些微粒就是原子，萬物是由原子所組成的，它們只是在宏觀上看起來不同。
微觀世界的奇妙探索從原子到粒子的認知之旅
英國化學家、物理學家，被稱爲近代化學之父的約翰·道爾頓，提出了世界上第一個原子的理論模型，第一次將原子從哲學帶入科學研究中。“道爾頓認識到空氣是由各種各樣的元素所組成的，通過對空氣的認識提出了原子論。這一發現在今天仍然發揮着重要的作用。”那麼，具體什麼是原子呢？“原子並不簡單，它有非常複雜的結構。”馬伯強向聽衆展示出了一幅現代原子圖像，核心是非常重的原子核，外邊是電子雲在圍着它運動。
科學家們對原子結構的認知是通過一系列實驗完成的——湯姆遜通過氣體導電方面的理論和實驗研究發現了“電子”，並獲得了1906年諾貝爾物理學獎；湯姆遜的學生盧瑟福通過α散射實驗揭示出了原子存在一個非常重的核心，也就是原子核，電子則是繞着原子核運動。盧瑟福繼而提出了新的原子模型——“行星模型”，新西蘭還發行了一版郵票來紀念他。
到20世紀30年代，物理學進入原子核物理時代，研究發現組成物質的基本單元是質子、中子、電子和中微子。馬伯強講述了它們的發現過程，並總結：“有些粒子，我們不能直接看到它，但是我們可以通過間接的過程，也就是由它和別的物質發生反應，產生我們可以看得見的信號。我們對粒子的探測就是通過這種方式在不斷地擴大”。
“而後，通過對宇宙射線的研究又發現了許多新的粒子。我們每時每刻都在不斷地被小且帶電的粒子轟擊着。”馬伯強說，通過宇宙線實驗相繼發現了正電子、μ子、π介子、K介子等粒子。1964年夸克模型的提出使物理學正式進入粒子物理時代。“那麼，我們今天再回答世界是由什麼所組成的？該問題的答案是夸克和輕子——無論是地球上的山川河流，還是空中的星雲，都是由剛纔我們所說那些夸克和輕子所組成的。”
宇宙的創生與演化宇觀宇宙學與科學視野的無限拓展
“粒子物理的研究爲什麼和整個宇宙相關呢？”經由這個問題，馬伯強詳細講解了科學家們研究宇宙的創生與演化的過程：1916年愛因斯坦建立了廣義相對論，將整個宇宙作爲研究對象，認爲宇宙是靜態的；但弗裡德曼用理論推演，發現整個宇宙是在膨脹當中，這隨後也被哈勃的觀察和研究證實了。馬伯強細緻地講述了多普勒效應與紅移和藍移，他用汽車開近開遠鳴笛聲出現的變化舉例，說明了光譜線中的位移現象。
“宇宙膨脹的另一個證據就是Big-Bang（宇宙大爆炸）理論。”馬伯強表示，伽莫夫剛提出這個理論時遭到了很多人的嘲笑，甚至Big-Bang這個名字也是一種調侃，但後來這個理論得到了證實——兩位貝爾實驗室的年輕科學家彭齊亞斯和R.W.威爾遜意外測到不明來源的3.5K熱輻射（後修正爲3K），通過與普林斯頓大學幾位科學家討論，提出了宇宙的微波背景輻射，爲宇宙大爆炸理論提供了強有力支持，這兩位科學家也因此獲得了1978年的諾貝爾物理學獎。
“宇宙誕生於一次爆炸。從一個極小、密度與溫度極高，由夸克輕子組成的世界迅速膨脹，然後降溫變成了強子，通過具體的反應，再形成不同的物質和能量形式，變成了我們的星球和今天地球上的各種生物。根據Big-Bang，我們也可以估算出宇宙的年齡是137億歲。”馬伯強說。
理論與觀測的交響曲科學幻想的邊界
馬伯強介紹，我國以高能物理所的實驗室作爲基礎進行宇宙線的探測，北大等高校也有不少研究機構將粒子和整個宇宙聯繫起來，開展相關研究。近年來，國家各種實驗設施在不斷增加，譬如電子對撞機、地下實驗室等，不斷通過實驗測量新的物質。“人類對物質世界和宇宙的探索是沒有止境的。相信通過實驗和理論的互相推進，我們中國學者能夠在對物質世界的探索中發揮作用，爲人類發展做出應有的貢獻。”馬伯強說。
講座後的提問環節，現場有人問到多維宇宙和宇宙大爆炸之前的情形，馬伯強認爲，前者是量子力學發展過程當中產生的一個概念，但在實驗層面無法證實，所以這個理論不見得正確。針對後者，他表示：“物理學是實驗科學，其實我們物理學不談這樣的事情，我們談的是在這個世界我們能夠直接或間接測量的信號。不能實驗檢驗的東西，是我們今天的物理學不能回答的問題，這是物理學的準則。”
現場還有名八歲的小朋友提問：“夸克是否能打破膠子逃脫出來？”馬伯強表示這個問題的核心是能不能找到自由的夸克。“今天我們的科學理論是這樣的：目前還不能看到自由的夸克，因爲它最終的表現要麼是質子，要麼是中子，要麼衰變成別的粒子。”他補充說：“如果我想把兩個夸克拉開，我拉它的勁兒越強越難拉出，所以說夸克是被束縛在強子裡的。如果有一天這個問題能夠解決的話，這將是一個可能獲諾貝爾獎的成果。”文/劉晨攝影/崔立洋
活動簡介
“科技耀京城”系列講座是由北京市科學技術協會主辦，北京青年報社承辦的科學文化傳播活動。每場活動會走進一家書店，邀請一位科學界專家學者，介紹一個前沿科學領域，展現一項國家科技成就，完成一次科學精神的傳遞。
物理學的對象是宇宙中的萬物，從粒子到宇宙、從微觀到宇觀。世界是由什麼組成的？宇宙如何創生與演化？本次講座邀請了北京大學物理學院馬伯強教授爲公衆開展名爲“從粒子到宇宙”的主題講座。
主講嘉賓
馬伯強，北京大學物理學院博雅特聘教授，國家傑出青年基金獲得者，教育部長江學者，入圍全球前2%的頂尖科學家榜單，曾任中國科學院高能物理研究所研究員。馬教授長期從事理論物理、粒子物理、中高能核物理、粒子天體物理學及宇宙學等理論研究。
書店介紹
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