# 物理學最大的謎團：反物質、暗能量與萬有理論——唐·林肯 > 物理學家唐·林肯談反物質、暗能量與萬有理論，梳理當代物理學尚未解開的謎題。 - 原標題：#497 – Biggest Mysteries in Physics: Antimatter, Dark Energy & ToE – Don Lincoln - 期數：第 497 期 - 釋出日期：2026-05-29 - 嘉賓 / 主題：物理學未解之謎 - 網頁版：https://lex.qiaomu.ai/tw/ep/don-lincoln/ - 官方頁面：https://lexfridman.com/don-lincoln/ - 精讀字數：約 12406 字（閱讀約 28 分鐘） > 本文為 lex.qiaomu.ai 基於原始訪談的 AI 改寫中文精讀，非官方翻譯；引用請註明出處並連結網頁版。 1650年代，你要是當時最聰明的人，你會注意到兩件毫不相干的事。一件事是你被絆一下會摔倒，這是每個人每天都感受得到的重力。另一件事是你抬頭看天，星星在夜空裡列隊走過，行星在恆星之間穿行。這兩件事看起來毫無關係。你手裡的三明治掉在地上被狗叼走，跟月亮掛在天上，能有什麼關係？ 牛頓乾的事，就是告訴人類：月亮其實一直在往下掉，只是它掉得太快，每次都錯過地球。 費米實驗室（Fermilab）粒子物理學家唐·林肯（Don Lincoln）在 Lex Fridman 播客裡說，物理學的歷史，本質上是一部統一的歷史。每一代物理學家都在幹同一件事：把看起來完全不同的現象，證明它們背後是同一個東西。 牛頓的理論叫“萬有引力定律”，英文是 Newton's law of **universal** gravitation。那個“universal”不是隨手加的。它是在說，天上的重力和地上的重力是一回事。在此之前，人們真的認為是兩套不同的法則，一套管天體，一套管人間。牛頓把它們合成了一條公式。 ## 每一次統一，都先把兩個世界合成一個 麥克斯韋（James Clerk Maxwell）在1860年代做了同樣的事。當時人們研究電，也研究磁，但沒覺得它們有什麼關係。磁鐵是能吸住鐵的石頭，電是摩擦出來的火花，或者天上劈下來的閃電。一個能吸東西，一個能電人，怎麼看都是兩碼事。 然後麥克斯韋把過去五十年間一堆科學家的實驗結果收拾整理，寫成了四個方程。這些方程的樣子很直白：等號一邊全是電相關的項，另一邊全是磁相關的項。翻譯成人話就是，電等於磁。 林肯說，這是個令人震驚的概念。你冰箱上吸著孩子畫作的那塊磁鐵，和劈開夜空的那道閃電，是同一個東西。 麥克斯韋方程組還有個附帶效果。你把它們稍微算一下，會得到一個波動方程，說明電場和磁場在互相激發地振盪。再算一下波的速度，得出來的數字正好是光速。光速就這麼從方程裡自己蹦出來了。這個結果在當時非常有說服力，因為沒人告訴麥克斯韋要去算光速，它自己出現了。 電磁學還順帶解釋了大量化學現象。原子靠電磁力結合在一起。沒有電磁學，或者電磁學稍有不同，原子就不是現在這個樣子，我們也不會在這裡。 林肯在這裡稍微激動了一下。他說當時肯定有人問，你研究磁鐵和火花有什麼用。答案是，整個技術社會都是這次基礎研究的副產品。沒有對電的掌控，我們現在還在種地做鞋。基礎研究到實際應用，有時候要等一百年、兩百年，但它確實會徹底改變世界。 ## 愛因斯坦把時間和空間也合併了 1905年，愛因斯坦的奇蹟年。最有名的那篇是狹義相對論，它說了一件對沒深入研究過的人來說完全說不通的事：兩個人經歷的時間不一樣。 牛頓認為時間對所有人是統一的。你的時間、我的時間、火星上某人的時間，都一樣。愛因斯坦說不是。運動速度不同的人，經歷的時間不同。 很多人以為“時空”這個概念是愛因斯坦發明的。實際上，把空間和時間明確寫成同一個東西的，是愛因斯坦的老師閔可夫斯基（Hermann Minkowski）。他數學比愛因斯坦好，看著愛因斯坦的方程發現，一個人的空間和時間，等於某個係數乘以另一個人的空間和時間。空間和時間在數學上就是同一個東西的兩個分量。 這件事很難接受，因為我們對時間的感受太直接了。時間在流，連續地流，我們不知道它到底是什麼，但我們在本能層面完全知道它是什麼。空間則不太一樣。你可以在空間裡走來走去，往前走再走回來，空間給你很大的自由度。時間只給你一個方向，往前走容易，往回走很難。 狹義相對論有個前提，就是光速對所有人都一樣。不管你怎麼運動，怎麼測量，光速永遠是同一個數字。這個假設在當時聽起來有點傻，但愛因斯坦把它當作公理，推出了一整套理論，然後所有預測都對上了。 現在這個假設已經被直接測量過了。粒子物理學家有辦法驗證：某些亞原子粒子衰變時會發光。你讓兩個粒子對撞，知道粒子是什麼時候產生的，周圍佈滿探測器，測量光到達探測器需要多長時間。結果就是光速。 更妙的是，有些粒子本身以光速的95%甚至97%飛出來，然後衰變成光子。你測量這個光子到達探測器的時間，還是光速。如果愛因斯坦的假設錯了，一個接近光速運動的粒子衰變出的光子，速度應該是兩倍光速左右，到達探測器的時間應該只有一半。但沒有，還是光速。 林肯說，他第一次接觸這個想法時，覺得怪異程度爆表。但當你接受“這是光在時空中的速度”這個框架之後，一切都變得合理了。光速其實是時空本身的一個屬性，跟光沒多大關係。空間能傳播一定強度的電場，也能以某個固定速度傳播東西。這個速度就是光速。我們覺得怪，是因為我們堅持把空間和時間當成兩樣東西。 ## 把引力和加速度合併，再把引力變成幾何 廣義相對論是另一次統一。愛因斯坦想到，如果你在一艘非常安靜的火箭飛船里加速，你會感覺自己像是在經歷重力。加速度和重力在感覺上無法區分。 這個想法已經很妙了。但真正讓林肯佩服的，是愛因斯坦從這個想法往下走了一步：既然加速度和重力無法區分，那能不能把重力描述成時空的彎曲？ 時空是平的，像一張地圖上的東西南北，這已經夠難想象了。現在愛因斯坦說，把你手裡的地圖揉皺、彎曲，那個彎曲就是重力。 林肯說，這個想法令人震驚，令人腦洞大開。 那麼這種想法是怎麼來的？林肯說，科學需要很多東西。你需要知道前人做了什麼，需要懂數學才能算出理論的推論，需要紀律性來跟自己和其他人爭論，因為大部分想法都是錯的。但在這之上，還需要一種直覺的火花。這種東西非常難創造。這也是為什麼我們崇敬這些人，因為這種能力很罕見，大部分人一輩子有一次“啊哈”時刻就不錯了，有些人一次都沒有。 而且光有想法還不夠。林肯說他經常收到一些創意人士的來信，這些人沒有完整的歷史知識，沒有數學訓練，也沒有自我批判的能力。他們提出各種理論，通常一眼就能看出哪裡行不通。要成為改變世界的那個人，想法本身遠遠不夠，你需要把想法和紀律、批判結合起來。這個合金才叫天才。 ## 愛因斯坦也有他無法接受的瘋狂 有個細節很有意思。愛因斯坦能接受時空彎曲這種瘋狂的想法，但他接受不了量子力學。量子力學對他來說太怪了。 林肯說，對他自己來說量子力學也很怪。但愛因斯坦即使不接受量子力學，他仍然是一個極有價值的批評者。他不是不懂量子力學，他懂。他思考它的推論，然後說，如果你是對的，那應該會這樣。然後別人去做實驗，發現他說的“這樣”真的發生了，於是可以說，看，量子力學是真的。 這就是科學程序的另一半。不光要有“啊哈”時刻，還要有人把想法往死裡捶，反覆測試，反覆批判，確認它是不是真的。林肯說，這種批判有時候讓人不舒服，沒人喜歡聽別人說你的想法可能是錯的。但這是科學最強大的地方。 玻爾（Niels Bohr）有句話林肯很喜歡：我們都同意你的想法很瘋狂，但問題是，它夠不夠瘋狂？ ## 標準模型：四種力變成三種 到1930年代，物理學家已經確認自然界有四種基本力：引力、電磁力、強核力、弱核力。強核力把原子核綁在一起，弱核力負責某些型別的放射性衰變。後兩種力只在原子核內部起作用，所以大部分人一輩子沒有直接體驗過。 四種力，這本身已經是個成就。但物理學家想的是，這四種力會不會其實是同一種力的不同表現？ 1950年代末到1960年代初，有人開始懷疑弱核力和電磁力其實是同一個東西。到1967年，溫伯格（Steven Weinberg）、格拉肖（Sheldon Glashow）和薩拉姆（Abdus Salam）成功把電磁力和弱核力統一成了電弱力。他們證明，在足夠高的能量下，這兩種力是同一個東西。 但這裡有個大問題。電磁力的作用範圍是無限的，我們能看見幾百萬光年外的星星，說明電磁力能跨越整個宇宙。弱核力在比質子還小的距離上就基本消失了。你說這兩個是同一個東西，一個能摸到宇宙邊緣，一個連原子都出不去，這聽起來很蠢。 1964年，三組共六位物理學家提出了一個辦法。他們說，如果這些力是透過粒子傳遞的，電磁力由光子傳遞，弱核力由W和Z粒子傳遞，那麼只要讓光子沒有質量，讓W和Z粒子有質量，就能解釋為什麼兩種力的範圍差這麼多。 怎麼給粒子質量？再加一個場，後來叫希格斯場（Higgs field）。這個場充滿整個空間。有些粒子和這個場發生相互作用，就獲得質量。有些不相互作用，就沒有質量。W和Z粒子跟希格斯場互動，獲得質量，所以弱核力範圍很短。光子完全無視希格斯場，所以沒有質量，電磁力範圍無限。 林肯用了一個類比來解釋場是什麼。你現在坐在一個重力場裡，你看不見它，但你拿一支筆放在空中鬆手，它往下掉。筆有質量，和重力場互動，所以往下掉。如果你有一個沒有質量的粒子，它感覺不到重力場，它會一直飄在那裡。希格斯場也是類似的，有些粒子有“希格斯荷”，能和它互動，獲得質量；有些粒子沒有，就保持無質量。 這個機制叫電弱對稱性破缺。說人話就是：宇宙大爆炸之後極熱極能量高，希格斯場是零，所有粒子都沒有質量，都在以光速飛。宇宙冷卻到某個溫度，希格斯場“開啟”了，W和Z粒子獲得質量，光子還是沒有，於是電磁力和弱核力從此分道揚鑣。 這個“開啟”發生在宇宙誕生後10的負12次方秒。 林肯說，希格斯理論其實是在電弱理論上面打的一個補丁。電弱理論只在極高能量下成立，要在低能量下也能用，就需要這個補丁來給粒子質量。 ## 怎麼知道希格斯場是真的 問題是，我們從來沒看見過希格斯場。我們也從來沒看見過電磁場，沒看見過重力場。我們看見的是場的效應。現代物理學的框架叫量子場論，它說每種粒子都有一個對應的場，場可以像鼓面一樣振動。區域性的特定振動就是粒子。電磁場的振動是光子，希格斯場的振動是希格斯玻色子。 所以，你不能直接看見場，但你可以激發場，讓它振動，然後探測振動。 2000年代初，物理學家覺得加速器已經足夠強，可以製造並探測希格斯玻色子了。當時在執行的是費米實驗室的萬億電子伏特加速器（Tevatron），位於芝加哥郊外。它用接近光速的質子和反質子對撞，1995年就是在這臺機器上發現了頂夸克。 費米實驗室升級了裝置，每秒碰撞次數提高到原來的十倍，能量也稍微提高了一點。他們在拼命找希格斯。 要理解加速器為什麼能找新粒子，得回到 E=mc²。所有人都聽過這個方程，但很少有人真的理解它說的是能量和質量可以互相轉換。你可以把運動能量變成質量，變成新粒子。 具體怎麼做？拿兩個沒有內部結構的粒子，以極高能量從相反方向對撞。兩個方向的動量互相抵消，淨動量為零。碰撞之後如果停下來，那些能量必須去某個地方，它可以變成質量，變成粒子。宇宙法則規定，如果你造一個粒子，必須同時造一個反粒子來配平。 加速器本質上就是能量轉物質的機器。任何自然界不存在的粒子，理論上都可以這樣造出來。反電子（正電子）1932年被發現，反質子1955年在伯克利的 Bevatron 被發現。這些都是實驗室裡真做出來的東西。 但造反質子很貴。費米實驗室每2.3秒把10的13次方個質子打到靶上，能得到10的8次方個反質子。也就是說，平均要打十萬個質子，才能得到一個反質子。每12到24小時收集一次，能攢到10的12次方個反質子，也就是一萬億個。聽起來很多，但一克反物質需要10的23次方個反質子。所以一天能造出百億分之一克，一年大概一納克。 一克反物質和一克物質湮滅，釋放的能量相當於廣島和長崎兩顆原子彈的總和。想要一百萬噸當量的爆炸力，大概需要25克反物質。按費米實驗室當年的產能，要連續執行250億年。 NASA 估算過，生產一克反氫的成本大約是62到63萬億美元。同樣當量的核武器，美國現在的成本大概是1000萬到5000萬美元。差了八個數量級。 林肯說，反物質作為能源，物理原理這一關早就通了，真正卡住的是工程。原理上我們知道怎麼做，能量可以造反物質，反物質可以造能量。但你需要把反物質儲存起來，不能讓它碰到任何物質。如果一艘反物質飛船的約束系統失效哪怕一百萬分之一秒，你就沒了。這在《星際迷航》裡是劇情，在現實中是物理。 ## 2012年7月4日 回到希格斯。費米實驗室和歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）在賽跑。 林肯說，當時的情況很微妙。很多物理學家同時戴著兩頂帽子。一頂是費米實驗室的帽子，拼命想在自己的機器上找到希格斯。另一頂是 CERN 的帽子，知道 LHC 如果存在希格斯就一定能找到。 他們知道希格斯可能不存在。在找到之前，理論可能是錯的。就像暗物質，可能不是真的。但當時有很多證據指向希格斯可能存在。 而且兩臺機器都能給出確定答案。希格斯理論對每一個可能的質量都有預測，你可以逐個質量區間去搜。100這個質量單位沒有？那它不是100。103沒有？不是103。兩臺機器都能找到它，或者100%確定地排除簡單希格斯理論。 但 LHC 有壓倒性優勢。它的碰撞率是費米實驗室的10倍，能量是3.5倍。之前頂夸克的例子，費米實驗室花了六個月到一年，只找到38個候選事件，其中大概19個是真的。而 LHC 每秒就能造一個頂夸克。這個差距沒法比。 費米實驗室把其他質量區間都排除了，最後確定如果希格斯存在，質量應該在120到145之間。他們拼了命想搶在 LHC 前面。林肯說，如果再給費米實驗室兩到三年執行時間，他們一定能發現希格斯。但2012年7月，資料不夠。 LHC 2008年開機，壞了，修好，2010年重新開機，2011年執行得不好，2012年捲起袖子幹，然後就找到了。 2012年7月4日，CERN 宣佈發現希格斯玻色子。費米實驗室在宣佈前兩天發了一篇測量結果，說某些區間可以排除，某些區間還不能排除，但如果希格斯存在，一定在我們目前還無法排除的區間裡。 林肯在這裡特別強調了一個細節。2012年7月4日，他們宣佈發現的是一個“與希格斯玻色子一致的粒子”。這個措辭很講究。當時還有其他理論預測不止一個希格斯粒子。超對稱理論說有五個。1964年的原始希格斯理論說有一個。所以當時只知道找到了一個粒子，還談不上確認希格斯理論就是對的。 又過了14年，事情才慢慢清楚。他們測量了這個粒子的質量，確定了它的自旋是零。他們發現了它的衰變方式：它優先衰變到能衰變的最重粒子，因為能量守恆。它不能衰變到頂夸克，因為它太輕了，但可以衰變到底夸克，可以衰變到W和Z粒子，還可以透過一種奇怪的方式衰變到光子。所有原始希格斯理論預測的衰變方式，他們都觀測到了，而且衰變率符合理論預測。 林肯說，現在他可以比較有把握地說，彼得·希格斯（Peter Higgs）、羅伯特·布勞特（Robert Brout）、弗朗索瓦·恩格勒（François Englert）和他們的同事在1960年代是對的。但2012年7月4日那天，他們不確定。 關於“上帝粒子”這個綽號，林肯講了個故事。這個叫法來自萊德曼（Leon Lederman）的書。萊德曼在書裡說，我們叫它上帝粒子，但其實應該叫“該死的粒子”（goddamn particle），因為它太難找了，給我們添了太多麻煩。萊德曼曾經是費米實驗室的主任，給林肯的一本書寫過前言。真相是，出版商覺得“上帝粒子”這個書名能賣更多。萊德曼本人從來沒覺得這跟宗教有什麼關係。 ## 為什麼大統一理論那麼遠 電弱統一之後，下一步是把電弱力和強核力統一成大統一理論（GUT）。再下一步是把引力也拉進來，成為萬有理論（TOE）。 林肯說，他不認為短期內會有快速進展。 為什麼？因為能量尺度差得太遠。大統一理論的能標大概是10的15次方，比現在最強的加速器高出一千萬億倍。粒子加速器的能量大概每20年提高7倍，按這個速度算，要500年。而且這個增長速度也會像摩爾定律一樣放緩，所以實際可能更久。 林肯對弦理論有個很坦率的評價。他說這個想法很迷人，他不相信，但他很喜歡，希望它是對的。但他同時引用了一句格言：你絕對不應該相信自己以為的東西。即使你覺得弦理論是對的，你也不應該相信，因為它還沒有被驗證。 他用了一個很生動的類比。假設你是一個兩百萬年前的南方古猿，在非洲肯亞某處晃悠。你的體型大約一米，你能走一米，十米，一百米，一千米，一萬米。這些距離你都能應付，你對周邊環境的預測大體上靠譜。但如果你往東走500英里，你在非洲腹地，你根本不可能預測到印度洋，不可能預測到抹香鯨，不可能預測到海底山脈。你更不可能知道阿爾卑斯山或南極洲。 物理學家現在的情況就是這樣。我們能測量的能標是10的4次方 GeV，大統一理論需要10的15次方，差了一千萬億倍。你要從你能看見的世界外推一千萬億倍，然後說，嘿，我們搞對了。林肯說，這個機率有多高？他的回答是：你在逗我嗎？ 這跟聰明不聰明沒關係。真正的原因是，往上走一定會撞見新東西。就像化學家永遠預測不到核物理。化學的能標和核物理的能標差得不多，但核物理是完全不同的東西。當年人們計算太陽的年齡，按照化學燃燒算出來只有一千萬年，這明顯不對。為什麼不對？因為太陽燒的是核聚變，不是化學。 所以林肯認為，通往萬有理論的正確路徑在下面。從現有測量出發，看還有什麼不知道的，一層層往上摸。夸克下面還有沒有更小的東西？暗物質是真的嗎？如果是真的，它是什麼？暗能量的本質是什麼？空間和時間的本質是什麼？ 這些問題是可以探索的。他預計，在他的孩子那一代，人類能把測量精度提高10倍到100倍。但這跟外推一千萬億倍是兩碼事。 ## 反物質去哪了 宇宙學有一個巨大的謎題。大爆炸之後，宇宙裡有大量能量。按照 E=mc²，能量應該產生等量的物質和反物質。但我們現在環顧宇宙，只看見物質。 反物質去哪了？ 沒人知道。但有一些線索。物理學家可以透過數宇宙中的質子和宇宙微波背景中的光子，反推出早期宇宙裡物質和反物質的不對稱程度。結果是：每十億個反物質粒子，對應十億零一個物質粒子。十億個和十億個互相湮滅，消失殆盡，剩下那一個，就是我們。 整個宇宙的所有星系、恆星、行星、你和我，都來自這個十億分之一的殘渣。 什麼機製造成了這個微小不對稱？這是重子生成（baryogenesis）研究的問題。有一種可能是宇宙誕生時本來就不對稱，不是由物質和反物質轉化來的。另一種可能是量子力學裡有某種機制讓物質和反物質可以互相振盪，而這個振盪有輕微不對稱。 我們已經知道這種不對稱存在。1960年代在一種只存在於加速器裡的短暫粒子中測量到了物質和反物質的差異。但那個差異太小，解釋不了宇宙的物質存量。 費米實驗室現在在做的是另一條路，叫輕子生成（leptogenesis）。輕子是電子這一類粒子，中微子也是輕子。費米實驗室現在是世界上最強的中微子加速器。 中微子有個奇怪的性質：它們會變身份。有三種中微子，你可以想象成貓、美洲豹和老虎。如果你發射一束純貓，走一段距離，你會發現裡面有了貓、美洲豹和老虎，再走一段，又全變回貓。這叫中微子振盪，1998年就被證實了。 費米實驗室的計劃是，造一束中微子，再造一束反中微子，比較兩者的振盪行為。如果兩者振盪速率有細微差異，再加上其他幾個機率很小的事件，也許能解釋為什麼宇宙裡物質比反物質多。 林肯說，如果要押上全部家當，他賭兩者振盪速率一樣。但沒人知道，不做測量就不知道。日本也有一個團隊在做類似的事，這是一場競賽。 他說，這就是做一個研究科學家的感覺。如果你不困惑，說明你沒在幹活。 ## 空的空間裡有什麼 暗能量的定義是：空間的能量，或者空間裡的能量。最常見的說法是空間本身的能量，它表現為一種排斥性的引力。 1990年代末，天文學家在測量宇宙膨脹速率。當時有三種可能。第一種，宇宙物質產生的引力足夠大，膨脹會減慢、停止、然後反向收縮，最後大擠壓。第二種，膨脹會減慢但永遠不會停止。第三種，臨界情況，膨脹永遠減慢，趨近於零但永遠不到零，也不反轉。 測量結果是第四種。宇宙不但在膨脹，而且在加速膨脹。引力應該讓膨脹減慢，現在加速了，說明存在一種排斥力。這就是暗能量。 愛因斯坦在建立廣義相對論時曾經引入過這個東西。他當時認為宇宙是永恆不變的，但他的理論預測宇宙會坍縮，所以他加了一個宇宙學常數來抵消。後來哈勃發現宇宙在膨脹，愛因斯坦說不需要了，把這項拿掉，還覺得自己當初加進去很蠢。結果1998年發現，他最初的想法是對的。 那麼暗能量到底是什麼？林肯說不知道。最常見的想法是它就是空間本身的能量。但也可以想象成空間裡有一種場，這個場在把空間推開。目前沒有儀器能區分這兩種可能。 這裡有個被稱為“物理學最糟糕預測”的問題。 你可以測量宇宙膨脹速率，算出暗能量的密度。然後你可以用量子場論計算，如果暗能量來自空間中的場，它的密度應該是多少。你把一個體積內所有波長的能量加起來，從長波長加到短波長，加到你能想象的最小波長。每一項貢獻一點能量，加起來得到一個數字。 這個數字比實際測量到的暗能量密度大了10的120次方倍。一後面120個零。 為什麼這麼離譜？因為計算涉及最短波長的四次方，任何東西的四次方都是個大數。即使假設在 LHC 能標出現新物理，把積分上限降下來，也只能把差距從10的120次方降到10的60次方。還是大得離譜。 林肯說，這說明量子場論裡有什麼東西錯得很厲害。也許有另一個場，效果相反，把能量抵消掉了。但抵消到零很容易，加一減一等於零，加二減二等於零。難的是抵消到只剩一點點。暗能量就是那個剩下的一點點。完美抵消容易，不完美抵消難得多。 暗能量的另一個奇怪之處是它的密度似乎是常數。注意，是密度常數。宇宙在膨脹，體積在變大，如果密度不變，總能量就在增加。普通物質的密度會隨著宇宙膨脹而下降，因為質量不變體積變大。暗能量的密度不降，這意味著它在宇宙能量中的佔比越來越大，最終會主導一切。 林肯說，這指向一個猜測：暗能量是空間的屬性，空間是量子化的，空間膨脹的時候新的空間量子在出現，每個量子攜帶一定能量，所以密度保持不變。但他馬上強調，這只是一個猜測，不應該有人相信。 ## 暗物質：五倍於我們能看見的東西 暗物質比暗能量更神秘。林肯說，他也不知道暗物質是什麼，但他知道它不是什麼。 為什麼相信暗物質存在？因為天文觀測和理論預測對不上。星系轉得太快，星系團運動得太快，遙遠星系的引力透鏡效應和可見物質的預測對不上。三個獨立的觀測都指向同一個方向。 最容易講的是星系自轉。一個星系裡的恆星繞中心轉，需要的向心力來自引力。你把能看見的物質產生的引力算進去，會發現星系轉得太快，按道理早該把自己甩散了。但它沒有。 這裡面有一個簡單的等式：維持圓周運動需要的力等於引力。這個等式哪裡可能錯？三種可能。引力定律錯了，也就是牛頓的萬有引力公式不對。或者 F=ma 錯了，也就是慣性定律不對。或者等號右邊還有我們沒看見的質量。 過去25年，林肯說他本來傾向於前兩種，覺得可能是我們對引力或慣性理解不夠。但有兩個觀測改變了他的想法。 一個是子彈星系團（Bullet Cluster）。兩個星系團相撞。星系團裡有星系本身、星系周圍的氫氣雲，可能還有暗物質。星系本身碰撞時基本不互動，會直接穿過去。但氣體雲會互動，會在中間停下來，變得非常熱。 如果沒有暗物質，你會看到兩個星系團分開，中間有一大團熱氣體。因為中間的氣體質量遠大於星系本身，你會預期引力透鏡的畸變出現在中間。 如果有暗物質，星系穿過去，氣體停下來，暗物質不和氣體互動，也穿過去。你會預期引力透鏡的畸變出現在星系所在的位置。 觀測結果是後者。畸變出現在星系那裡，不在氣體那裡。 另一個是蜻蜓星系（Dragonfly 2 和 Dragonfly 4）。這兩個星系的自轉完全符合牛頓定律。這意味著讓其他星系轉太快的那個東西，跟物質本身的性質無關，因為有些星系沒有那個東西。一個沒有暗物質的星系，本身就是暗物質存在的最強證據。因為你必須能把暗物質拿掉，才能解釋為什麼這個星系不需要它。 那暗物質到底是什麼？林肯說，首先排除了黑洞和流浪行星。1990年代做過 MACHO、OGLE 等實驗，找那些看不見的大質量緻密天體。找到了一些，但遠遠不夠。暗物質比普通物質多五倍，如果它們是黑洞，應該到處都是，我們早該看見了。 所以暗物質最可能是某種粒子。長期以來物理學家管它叫 WIMP，弱相互作用大質量粒子。找了30年，用了三種方法。 第一種是直接探測。暗物質就在這個房間裡，像風一樣穿過地球。把探測器放在地下深處，等它撞上什麼東西。做了，什麼都沒看見。中微子也能被探測到，但 WIMP 的訊號特徵不一樣。 第二種是間接探測。暗物質可能在星系中心聚集。如果暗物質有反物質版本，它們可能湮滅產生光子。去找伽馬射線。問題是伽馬射線還有其他來源，比如中子星，很難確認。 第三種是對撞機。用高能粒子對撞造暗物質粒子。暗物質只透過引力互動，造出來就直接飛出探測器，你看不見。但你看見的是動量守恆造成的反衝。一邊有一團能量，另一邊什麼都沒有。中微子也會造成類似訊號，所以你得精確計算中微子的貢獻，然後希望看到多餘的事件。也沒成功。 林肯說，問題在於暗物質可能的質量範圍太廣了，從一個小行星的質量到比電子還輕得多，中間什麼都有可能。他們已經排除了一些區間，但整體範圍太大。這就是為什麼他不做暗物質實驗，因為如果你只搜一個質量區間，你對其他區間就是瞎的。需要很多團隊做各種完全不同的實驗，覆蓋各種引數空間。 他說，如果暗物質真的存在，他希望有生之年能看到答案。但這需要運氣，你得找對地方。 ## 個人故事：從愛荷華農村到費米實驗室 林肯在一個窮鄉僻壤長大。父母沒上過大學，不能在學業上指導他，但非常支援他。他媽媽後來笑說，到六年級還是七年級，她就完全幫不上數學了。 有幾件事塑造了他。第一，他是個貪婪的讀者。他喜歡科幻，一天能讀一本書。他媽媽很頭疼，好心給他買一本書，他說謝謝，第二天書就讀完了。科幻培養了他的想象力。 第二，1970年代有一批很好的科普作家：阿西莫夫（Isaac Asimov）、卡爾·薩根（Carl Sagan）、喬治·伽莫夫（George Gamow）。他們寫給普通人看的科學書。一個小孩讀不懂教科書，但能讀懂這些書，從中獲得科學的線索。 第三，他像大部分後來成為科學家的人一樣，對一切有不可抑制的好奇心。他有一種準哲學的頭腦，關心那些過去屬於神學、後來屬於哲學、現在屬於科學的問題。宇宙是怎麼來的？為什麼宇宙是這個樣子？為什麼物理定律是這些定律？宇宙會不會終結？怎麼終結？ 他在大學修了哲學和宗教的輔修，因為他好奇，希望學這些歷史能幫他理解這些問題。後來他意識到，他要找的答案不在那些方向裡。但他仍然學到了人類過去是怎麼問這些問題的。 他決定做科學家，問題只是做宇宙學/天體物理還是粒子物理。1980年代中期他做選擇，當時宇宙學的觀測還很少，太多思考，太少測量。粒子物理則可以做實驗。吸引他的是能真正得到一個答案，而不是坐在那裡琢磨答案可能是什麼。 他說，這也是為什麼他花了很多時間寫書。他想，一定還有另一個愛荷華、堪薩斯或蒙大拿的小孩，在某個小鎮上，沒有受過高等教育的父母，接觸不到這些東西。他希望其中一些人讀了他寫的東西，能找到自己的路。他說，這些年他確實遇到過一些年輕人跑來跟他說，我是因為看了你的影片或讀了你的書才來 summer intern 的。 有人問他剛去費米實驗室時的事。他說是的，他週一到週六每天早上八點幹到午夜，完全自願，因為他想待在那裡。週日從早上八點幹到下午五點，因為五點到午夜他得洗衣服、買日用品。 他說他熱愛這種生活。現在不行了，因為有其他責任。但如果他有錢，他還是會做同樣的事。沒有什麼比解決一個難題更讓他著迷。 他說，所有科學家都聰明。但區分聰明人和真正科學家的，是驅動力和毅力。對他來說，實驗做不出來會讓他惱火，他不會讓宇宙或者實驗室打敗他。有些人遇到裝置壞了會說，唉，不行了，回家吧。他會更生氣，投入更多精力。當然，也有人需要更好的生活平衡。但當你看到那種驅動力和強度，你就知道那個人會贏。 ## 如果真想搞明白這些事，可以從這幾件事開始 - 把物理學史當成一部統一史來讀。不要從公式開始，從“哪兩件看起來不相干的事被證明是同一件事”開始，牛頓、麥克斯韋、愛因斯坦、電弱統一，每一站都是一次合併。 - 想理解希格斯機制，先抓住一個核心比喻：場就像重力場，看不見但無處不在，有“荷”的粒子和它互動獲得質量，沒有“荷”的粒子直接穿過去。別急著摳數學。 - 看到“物理學家發現新粒子”這類新聞，注意區分“發現了一個粒子”和“證實了一個理論”。2012年7月4日宣佈的是前者，後者又花了十幾年。對弦理論、萬有理論這類宏大敘事保持健康的懷疑。問三個問題：它的預測能在什麼能量尺度被檢驗？我們現有的手段離那個尺度差多遠？如果差一千萬億倍，這個理論的可信度該怎麼打折？ - 想跟蹤真實的前沿，盯住這幾個具體問題，別停在抽象口號上：暗物質到底是什麼粒子，中微子和反中微子的振盪速率有沒有差異，暗能量的密度有沒有隨時間變小。這幾個問題背後都有正在執行或計劃中的實驗，不是純理論空談。盯具體問題，比盯“萬有理論什麼時候能實現”有用得多。 - 下次有人問基礎研究有什麼用，想想電磁學。1860年代研究磁鐵和火花的人，不知道這會產生整個技術社會。但林肯也提醒，技術是雙刃劍，核武器和核廢料都是真實的代價。科學負責搞清楚世界怎麼運轉，社會負責決定用不用、怎麼用。這兩件事需要分開談，也需要全社會一起談。 - 如果覺得門檻太高，從林肯自己起步的地方開始：1970年代的科普書，阿西莫夫、薩根、伽莫夫。他說小時候讀不懂教科書，但能讀懂這些書，從中獲得線索。一本能讀懂的科普書，比十本讀不懂的教科書有用。 整場對話裡，林肯反覆說的一句話是“我不知道”。暗物質是什麼，不知道。暗能量是什麼，不知道。為什麼物質比反物質多，不知道。萬有理論什麼時候能實現，不知道，但他給出了一個五百年起步的估計。 奇怪的是，這些話從他嘴裡說出來，一點不讓人覺得洩氣。他講每一個“不知道”的時候，前面都跟著一大段“我們知道什麼”。我們知道暗物質不是黑洞，不是流浪行星，不是大質量緻密天體。我們知道暗能量在加速宇宙膨脹，密度大概是常數。我們知道中微子會變身份，而且這事1998年就證實了。知道邊界在哪裡，本身就是進展。 他說，如果暗物質真的存在，他希望有生之年能看到答案。但緊接著補了一句，這需要運氣，你得找對地方。一個在費米實驗室幹了幾十年的人，談到自己最想知道的答案，語氣是這樣的：我想知道，但我也可能永遠不知道。 他從愛荷華農村出發，父母沒上過大學，一天讀一本借來的科幻小說，最後走到費米實驗室。他寫書、錄影片，就是想讓下一個來自小鎮、找不著門路的孩子知道：這個問題你也可以問。 採訪最後，Lex 引用了居里夫人的話：生活中沒有什麼可怕的東西，只有需要理解的東西。 林肯現在還在費米實驗室工作。每天面對的是人類至今沒搞明白的問題，是宇宙裡五倍於可見物質的暗物質，是加速膨脹卻不知道為什麼加速的宇宙，是十億分之一的不對稱留下的我們。他說，如果你不困惑，說明你沒在幹活。 所以這周能做的一件小事：挑一個從沒搞懂過的物理問題，花二十分鐘看一個影片或讀一篇科普。如果它讓你產生一種“不搞清楚難受”的感覺，那就夠了。