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歡迎回到我的課程，從大爆炸到暗能量。正如我們在前兩堂課中討論的那樣，我們想解決這些關於宇宙的基本問題。這是大綱。我們完成了第一堂課，從日常生活到大爆炸，第二堂課，元素的誕生和希格斯玻色子。因此，在本次講座中，我們想談談暗物質和反物質。因此，兩者都是當前宇宙構成的神秘組成部分。為了開始解決這些問題，我想介紹一個稱為功率譜的概念。你可能不熟悉這個詞。所以我想給你一些關於它是什麼的想法。所以我們就談到了宇宙微觀背景。這就是我們仍然可以觀察大爆炸發生的方式。 138億光年遠，這意味著我們正在觀察138億年前的宇宙。那時宇宙非常熱，並且輻射出大量的光。我們今天觀察到的是大爆炸發出的光，由於宇宙的膨脹而被拉伸，波長更長。所以你以前看過這張照片，所以這裡發生的事情是，在宇宙的早期階段，它非常熱，甚至原子都不存在。它們會融化成某種叫做等離子體的東西。它是一種由電子和原子核組成的湯。所以那時候，宇宙是如此緻密，光線無法穿透它，真的，所以我們無法看穿它。這就是為什麼宇宙的那部分看起來有點霧濛濛、模糊不清。但在某一時刻，舊電子與原子核結合在一起，成為中性原子。那時，宇宙突然變得透明，所以光現在可以毫無問題地穿過它。這就是所謂的重組階段。我確實知道為什麼它被稱為複合，它是電子與原子核的結合。從而使它們成為不尋常的原子。我們今天看到的是在這個重組階段發出的光，在宇宙中傳播了 138 億年。最終透過望遠鏡到達我們身邊。這就是我們可以從這個時代獲得的訊息，當時宇宙只有 38 萬年的歷史。而且，我們當時可以觀察到的是，透過研究這個階段的溫度，透過觀察我們今天可以觀察到的所有不同類型的方向。但我們發現，任何地方的溫度都幾乎相同，而且精度非常高。大約每十萬分之一。但事實證明，根據你觀察到的位置，溫度有微小的差異。這實際上是當宇宙非常熱和稠密時，聲音通過電子和原子核湯的等離子體傳播的結果。因此，這些聲波有時也稱為聲波，這些聲波仍然可以在所謂的功率譜中看到。如果這對您來說沒有意義，那也沒關係。實際上，我們不會在稍後的討論中提供太多技術資訊。但是，對於那些想了解功率譜定義的人來說，這就是。所以，你要做的就是觀察整個天空的溫度。我們無法在平面地圖上描繪天空，因此我們只是以蛋形的方式將其打開，以嘗試顯示您可以觀察到的宇宙的整個方向。你看到的是一些熱點和一些冷點。而且，正如我所說，它們僅相差 10 到負 5 左右，差異很小。但儘管如此，您還是可以觀察到這種溫度變化，這取決於您觀察到的方向。如果你精通數學，你應該做的就是用球諧函數來分解這個方程中的溫度變化，即 delta T。然後計算這個量，給出功率的定義。對於給定的角度尺度。這個數字L，指的是角度尺度。讓我告訴你那是什麼。因此，如果你改變溫度圖的角分辨率，你在這裡看到的是，你實際上可以從非常大的尺度來看正在發生的事情，而不是粗略的畫筆圖片。以非常精細的尺度，觀察這些微小的點。所以你可以做的是，從這張整個天空的地圖開始，你可以分離出更廣泛的筆刷比例上的特徵和微小點比例上的特徵。這就是這些角度解析度的差異。因此，根據您所查看的分辨率，您可能會看到相當大的溫度變化，並關注這一時刻。這是反差最大的時候。如果你去那裡，對比度相當暗淡。這就是這個角功率譜的定義，根據您使用的角分辨率，您可能會看到更大或更小的對比度，這會繪製在這個功率譜中。這就是角功率譜的想法。最重要的是，因為整個宇宙現在都被來自138億光年外的光的背景照亮了，所以它前面的一切，也就是整個宇宙的內容，都被顯示出來了。因此，如果您仔細研究來自大爆炸的光，您將獲得有關內部情況的資訊。這就是我們的想法，如何獲得有關當今宇宙構成的資訊。所以，你得到的一項資訊其實是宇宙的形狀。這對你來說可能聽起來很奇怪。但正在發生的事情是，你可以看到那邊正在發生的大爆炸的側面。有一些典型的空間大小與早期透過等離子體傳播的聲波有關。你能做的就是衡量它對你來說有多大。這就是所謂的角度大小。聲視界的大小對你來說看起來有多寬，這實際上告訴你宇宙的實際形狀是什麼。你在這裡或這裡看著一個固定大小的物體，如果宇宙是平的，那麼這裡的角度與這裡的大小成正比。但如果宇宙以某種方式彎曲，那麼你的視角大小可能看起來更小或更大。這就是你可以區分宇宙形狀的方法。在這裡，如果你改變宇宙的形狀，你的角功率譜應該看起來不同。當你所期望的和數據一致時，宇宙具有完全平坦的形狀，它根本不是彎曲的。因此，根據這些數據，並將其與理論上的預期進行比較，您實際上可以了解宇宙的形狀。那麼答案就是宇宙看起來像這個一樣完全平坦。你還可以看看宇宙內部有什麼。因此，根據宇宙中普通原子的組成，由於該社區的某些歷史原因，通常稱為重子。宇宙中原子的數量最終也會改變這個角譜的形狀。因此，再次回顧數據，您可以嘗試根據普通原子來確定宇宙的組成是什麼。這是您可以從數據中提取的數字。看看當你改變宇宙中原子的數量時它會發生多大的變化。因此，透過查看這些數據，您可以提取當今整個宇宙的組成部分。這就是所謂的宇宙能量收支。因此，當我們透過觀察這些明亮的恆星和星系來欣賞宇宙時，它們看起來是如此美麗。但它們加起來只佔宇宙能量預算的大約一半。如果你把一種叫做中微子的幽靈般的粒子放在一起，我們在之前的講座中簡要討論過，你知道，令人驚訝的是這些微小粒子的數量幾乎與所有恆星和星系的總和相同。因此，這些微小的東西可以構成大量的能源預算，因為它們的數量太多了。但很明顯，它與宇宙能量預算的 100% 相去甚遠。現在介紹其餘的普通物質，它們由電子、質子和中子組成。他們放棄了大約 4.4%。因此，這與 100% 相差甚遠。然後是稱為暗物質的成分。我們在之前的講座中再次討論過這一點。粗略地說，它們約佔宇宙的四分之一，但仍然剩下相當多的部分。其餘的稱為暗能量，約佔宇宙的 70%。正如我們將在本講和下講中討論的那樣，我們不知道什麼是暗物質，我們不知道什麼是暗能量。所以，宇宙的 95% 仍然是我們未知的。我們知道它們存在，但不知道它們是什麼。所以當我們直到 2003 年才發現這種情況時，我們感到非常驚訝。所以，我們現在必須徹底改變我們對宇宙的看法。我們曾經認為整個宇宙是由我們的物質所組成的。但事實並非如此。僅佔不到5%。剩下的95%，仍然是一個大謎團。除了我們發現了一些未知的東西之外，還有另一個謎團。宇宙中應該有一些我們知道的東西，但事實並非如此。這就是所謂的反物質。因為我們實際上可以在實驗室製造反物質，所以大爆炸也一定製造了反物質。但就我們所知，宇宙中不存在反物質，這實際上是一件好事，我們將在這張圖片的後面討論這一點。因此，把它們放在一起就是當前宇宙的能量預算。而我們製造的，或由其製成的，實際上不到 5%。而剩下的95%仍然是一個大謎團。好吧，現在你的問題是，考慮到構成宇宙的普通原子的數量，這樣可以嗎？如果您還記得我們在上一講中討論過的內容，即能源預算中氦氣的含量是多少，請想一想。

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正如你在宇宙能量收支中所看到的，暗物質約佔 25%，也就是目前宇宙能量收支的四分之一。而且我們也了解到，當前宇宙中似乎不存在反物質。所以我們想開始討論暗物質。我們在第一堂課中談到了這一點。如果你觀察太陽系，所有行星都圍繞著太陽旋轉。但它的速度是由離太陽的距離決定的。它會下降，就像距離的平方根一樣。我們也了解到，每顆行星都以相當高的速度繞著太陽運行。但這裡最重要的是，隨著你距離重力源越來越遠。因為根據平方反比定律，引力會變弱，所以它的公轉速度應該會變慢。這就是我們在太陽系中看到的這種情況。但如果你看看銀河系的規模，這就是我們自己的銀河系。我們的太陽系距離中心28,000光年遠。事實似乎並非如此。我們的太陽系實際上移動得非常快，比來自恆星的整個引力源加起來支持我們的速度要快得多。因此，在我們的銀河系中還存在著恆星之外的其他東西。這正在把我們拉進銀河系。因此，如果我們實際上嘗試將其作為距離銀河系中心的函數來測量，那麼這就是我們的太陽系。我們以每秒約 220 公里的速度行駛。但即使到了我們銀河系越來越遠的外圍，自轉速度似乎也絲毫沒有下降。這很奇怪，對吧？我們從牛頓那裡學到的是，如果重心和引力源以某種方式集中。然後當你離重力源越來越遠時，我們應該放慢速度。但顯然，物體在接近銀河系邊緣的速度並沒有減慢，因此質量肯定要大得多。當你走得越來越遠時，它實際上會不斷地進來，這就是我們所說的銀河暈的暗物質。因此，即使你去銀河系的某些地方，你根本看不到任何恆星。那麼旋轉速度似乎並沒有下降，所以這就是我們有關於暗物質存在的良好證據的地方。因此，您實際看到單顆恆星甚至給定星系中的氣體的旋轉速度的方式仍然是使用多普勒頻移。所以如果你觀察這樣的星系。我們正從側面觀察這個星系；我們正在觀察銀河系的側面。這就是我們可以研究的一種理想。因為如果你遠離中心，你可以看到來自恆星或氣體的光有多少是多普勒頻移的。所以這會告訴你這個地區的恆星是否正在向我們靠近。然後我們預計光線應該比實際應該更藍。如果星星向內移動，那麼在我們看來，光線應該比應有的顏色更紅。這正是您在這張照片中看到的。所以這條線就是銀河系的中心。縱軸繪製的是光的波長。你看到的是，在星系中心的左側和右側，你看到不同的波長。那是因為銀河系的這一部分現在被推入，被推入。但這裡最重要的是，當你到達星系的外圍時，波長看起來非常平坦。這意味著旋轉速度再次幾乎持平。它似乎並沒有像太陽系那樣下降。在人們研究過的所有星系中都是如此，仙女座星係就是這樣。同樣，當你在仙女座星系中向外移動時，旋轉速度或多或少是恆定的。而如果你認為萬有引力的來源只是恆星而不是其他。旋轉速度應該會沿著這條黃色曲線下降。但顯然這裡缺少一些東西。我們再次將其歸因於暗物質的存在。這是星系的另一個例子。我們再次看到平坦的旋轉曲線，而重力源僅來自銀盤中的恆星。應該給你這個折疊曲線，以便其他東西可以彌補其餘部分。人們以這種或那種方式研究的任何星系基本上都是這種情況。這種研究是由一位名叫維拉·魯賓 (Vera Rubin) 的天文學家在 70 年代開創的。所以我們今天所知道的星系的真實本質是這樣的。所以它其實是一個暗物質的海洋。在這片海洋中，星星是嵌入的，所以它們有點散佈在其中。但暗物質的海洋仍在持續流動，甚至超越了一百萬光年。這就是星系的真實圖像。我們在望遠鏡中看不到這一點，但這實際上是星系的真實本質。現在你在這裡看到一幅非常有趣的圖片。所以你在這裡看到的其實是兩個星系。但在那裡你會看到一些東西真的非常伸展。例如，由於這張照片，它看起來有點像您在迪士尼電影中看到的柴郡貓。這齣現在《愛麗絲夢遊仙境》中。這是一張顯示其他事物極度扭曲的圖片。因為重力。現在的問題是，你認為我們如何理解這張非常有趣的圖片？它不可能是一個如此拉伸的星系。在我們看來是這樣的，但是，不可能有這樣的天體。那麼如何理解這個對象呢？

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所以這張柴郡貓的照片看起來非常非常有趣。所以你在這裡看到的是，一個應該有圓形形狀的星系在我們看來非常非常拉伸。而我們想知道的是我們如何理解和解釋這張圖。事實證明，這是一個看起來非常非常拉伸的例子。這是另一個例子。因此，如果你在宇宙中看得更遠，你就會開始看到這些星系團。我在第一堂課中提到過，我們再次看到一些看起來非常非常伸展的東西。這是其中的一個，這是另一個，這是另一個，一旦你開始尋找它們，你就會開始真正發現其中的許多。還有另外一個。這個星系團被稱為 Abell 2218，距離我們 21 億光年，但這裡發生的事情是，這個星系團幾乎是由暗物質的海洋組成的，只是這些星係如此散佈在這片暗物質的海洋中。因此，由於暗物質存在非常強的引力，而引力的作用實際上如下。所以我們在第一堂課中討論了這個想法，愛因斯坦告訴我們引力其實是空間的扭曲。當空間像這樣扭曲時，光線也會因為空間扭曲而彎曲。所以這裡發生的事情是，假設你正在觀察來自遙遠星系的光。所以這就是你所在的地方。你可能會認為，光應該直接從光源、恆星或星系一直傳到我們這裡。光本身也認為它是直線前進的但空間本身是彎曲的，所以當光想筆直前進時，實際上，它實際上會因為空間本身而彎曲，被扭曲。光彎曲的程度由所謂的偏轉角給出。所以如果你知道重力源的質量，並且知道光線距離源有多近，那就是這裡的 r sub c，你知道的其餘常數，重力的強度，那就是牛頓常數，和光速。因此，您可以計算有多少光因重力而偏轉或彎曲。因此，考慮到這種情況，在星系團中會發生這樣的事情。因此，如果我們有一個嵌入暗物質海洋中的星系團，就會有相當強大的引力來拉動一切，從而扭曲空間。想像一下您正在觀察這個星系團。但它後面還有另一個星系。它可能很遠，但必須完全沿著同一個方向。如果發生這種情況，那麼由於該星系團中暗物質的強大引力，從該星系發出的光也會彎曲。但請記住，星系本身俱有大小和形狀，如果光線彎曲，就會發生星系的這種形狀看起來極度扭曲的情況。這是一個，實際上是電腦模擬。因此，如果你想像這個星系團是從它後面的所有其他星系前面穿過的。這些星系對你來說可能會是什麼樣子，所以如果星系團恰好位於給定的遙遠星系的前面，你就會開始看到這些環。如果它不完全在它的上面，那麼你可能會看到一個環的一部分。這就是遙遠的星系看起來完全被拉伸和扭曲的方式，因為它前面的星系團具有強大的引力。因此，這是一種稱為重力透鏡效應的效應，因為重力的作用有點像透鏡，會放大和扭曲其後面物體的影像。透過在透鏡成像時使用這種計算，您可以知道有多少物質施加了重力、扭曲了空間和彎曲了光線。所以，如果你拍一張這樣的照片，這又是一張星系團的照片，你會看到一堆這些小點，每個點基本上都是星系。然後你仔細觀察每個星系的形狀和大小。然後你會發現這個星係正在發生這種系統性的彎曲。因此，透過結合星系從一種方式到另一種方式的扭曲方式，你實際上可以弄清楚引力源在哪裡，有多少，而且你實際上可以透過這種方式創建暗物質地圖。這是我們的同事，東京大學的 Masakiyo Takada，他一直致力於繪製暗物質圖，儘管我們實際上並沒有看到它。因此，我們實際上可以透過使用這種稱為重力透鏡的技術對不可見、不可見的暗物質進行成像。這是他的助手在幫他做研究。這張照片可能是巨大星系中暗物質最引人注目的例子。這看起來像是一幅非常美麗的圖畫，實際上是距離我們40億光年遠的星系團的圖畫。但事實上，這實際上是一個非常好的非常醜陋的地方，所以我們很幸運我們根本不在那裡。所以，這裡發生的事情是，這實際上是一對兩個星系團，塗成紅色的是普通氣體變熱並輻射X射線。另一方面，這裡畫成藍色的是暗物質的位置，我們透過觀察剛才談到的引力透鏡效應找出了暗物質的位置。你首先註意到的是確實有一對氣體和暗物質，氣體和暗物質。所以這裡有一個集群，那裡有另一個集群。但你注意到的第二件事是氣體和暗物質的位置不同。這裡氣體和暗物質再次位於同一個地方。所以我們自然會想，為什麼會這樣呢？因為我們了解到星系團基本上是一個暗物質的海洋，它應該將星系和氣體保留在裡面。但這種氣體有點位於暗物質海洋之外。所以當人們對此進行了詳細的研究後，發現這是兩個星團以每秒4500公里的不可思議的速度相撞的後果。人們做了電腦模擬，透過以下方式重現了這張圖片。所以這裡有兩個星團，每個星團都是一片藍色的暗物質海洋，氣體在裡面灑落。但當它們碰撞時，氣體實際上會相互作用，變熱，並且存在摩擦，它們會減慢並被拋在後面，但暗物質只是繼續移動，就好像什麼都沒發生一樣。所以這個電腦模擬的結果看起來就跟我們在這張圖片中看到的一模一樣。所以這種氣體被留下了，但現在它被引力拖到了暗物質後面，這個著名的例子被稱為子彈星團，因為這個形狀看起來像一顆子彈所以這是一個很棒的例子，它表明暗物質是我們可以觀察到的所有星團中的主要引力源，但同時，暗物質與世界其他部分的相互作用非常少。所以它就像什麼都沒發生一樣繼續下去，這就是暗物質本質的一部分。因此，如果你試圖創造整個宇宙的星系地圖，我們還沒有成功，因為宇宙是一個很大的空間。我們只成功做到了其中的一部分。但這就是這樣一個例子，這張地圖跨度有2億光年。而你看到的那個單獨的黑暗就是單獨的星系。你所看到的是星系在整個宇宙中幾乎均勻分佈，但你看到了這些微小的皺紋。有些部分則較密集一些，有些部分則較稀疏一些。所以我們想做的是透過電腦模擬來了解這種結構的起源。因此，我們的同事吉田直樹對具有暗物質的現實宇宙和沒有暗物質的不切實際宇宙進行了廣泛的電腦模擬。從我們在宇宙微波背景中看到的這些微小的漣漪開始。十的負五度 (10^-5)。空心部分有更多的暗物質，因此它實際上將更多的物質拉入其中，並且在對比粘液中變得越來越稠密。一天結束時，你會得到一些斑點，它們非常密集、豐富，是暗物質。當然，這部分最終也會吸入普通氣體，氣體會相互作用，變得非常熱，失去能量，最終崩潰，然後形成恆星和星系。另一方面，在這個不切實際的宇宙中，沒有暗物質，也沒有暗物質的強大引力，因此即使在 138 億光年之後，對比度也從未真正增加。所以在這樣的宇宙中，如果沒有暗物質，就不會有任何恆星，沒有星系，也沒有我們。所以從某種意義上來說，暗物質對我們的誕生確實很重要，否則就不會有恆星來承載我們的生命。這就是這個非常有趣的影片剪輯中實際呈現的內容。這個人就是喬治‧斯穆特先生，我在柏克萊的一位同事。在獲得諾貝爾獎後，在發現宇宙微波背景中的這種漣漪後，他決定與加州軍樂隊一起重現大爆炸。讓我為您播放這段影片剪輯。銀河系中心有一個超大質量黑洞。所以喬治·斯穆特先生這裡是一個超大質量黑洞，重達太陽的四百萬倍。所以這裡有一個問題。所以如果我們還記得我們在宇宙能量收支中討論過的內容的話。那麼 Cal 波段中普通原子的比例是多少呢？這將是暗物質的一部分。？

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所以我希望你已經看到暗物質對我們來說非常重要。沒有暗物質，就沒有恆星、星系、我們。所以現在我們當然希望你了解這種暗物質的本質。到底是什麼？因此，我們掌握的有關暗物質性質的資訊其實非常有限。所以我們知道的一件事是它的移動速度一定很慢。我們稱這種屬性為冷。我們談論冷暗物質。因為某些東西很熱，所以它移動得很快。當物體變冷時，它的移動速度非常緩慢。所以我們稱之為冷暗物質。它也必須是電中性的。如果有電的話。然後，它應該反射光。因為如果你看，如果你用光照射它，任何帶電荷的東西都會把它反射回給你。但我們沒有看到這一點，所以它一定是電中性的。它也必須是長壽的。據我們所知，即使是我們自己的星係也含有大量暗物質。這意味著它們必須至少存活138億年，所以它的壽命也一定很長。但這些幾乎是我們對暗物質本質的唯一了解。但還有一些關於它的定量資訊。例如，當我們提出暗物質應該構成我們星系的幾乎整個質量的想法時，自然的猜測是，它們可能是恆星。只是昏暗的。我們無法在望遠鏡中看到它們。一些恆星大小的物體，非常暗淡，我們可以在望遠鏡中看到它們，但可能構成了我們的星系暈。我們稱他們為「大男人主義」。它代表巨大的緊湊光暈物體。但即使這些 MACHO 在望遠鏡中可能無法直接看到，仍然有一種方法可以找到它，而這又是基於重力透鏡的想法。所以我們能做的就是繼續監測，假設附近的一個叫做大麥哲倫星雲的星系中有一百萬顆恆星，當你繼續觀察這裡的這百萬顆恆星時，我們就在銀河系的郊區，有時這MACHO可能會穿過視線到達大麥哲倫星雲中的一顆恆星。當它發生時，它會再次扭曲空間，彎曲光線，因此它的作用就像一個透鏡。這樣會收集更多的光。所以，你正在觀察的星星可能會突然看起來像是在燃燒，然後又變暗到之前的亮度。所以這被稱為引力微透鏡事件。儘管人們尋找它，但實際上這樣的東西很少。透過這種方式，我們實際上可以限制構成我們銀河系光環的 MACHO 數量。因此，對於典型的範圍，或你對天文物體的期望，這是一個太陽質量 10 到負 2 個太陽質量、10 到負 4、10 到負 6。 %。所以他們的數量還不夠。也許他們都不是。所以，不可能是這些暗淡的星星。所以現在我們對暗物質質量的上限大約是十到負七個太陽質量。這就是暗物質的重量。另一方面，如果暗物質非常非常輕，那麼它實際上不適合我們自己的星系。如果，你可能知道，電子會圍繞原子核旋轉，那麼在這種情況下，電子具有一定的形狀和一定的半徑，這決定了原子的大小。同樣，如果暗物質在來自給定星系的引力場中旋轉，它們也會給你一個暗物質的斑點和形狀，它具有一定的特徵尺寸，稱為玻爾半徑。因此，您可以使用稱為量子力學的物理定律來解決這個問題。如果您對此不熟悉，請不要擔心。因此，您可以根據星系的質量計算給定的引力。小m是暗物質的質量。這就是這個重力場中暗物質軌道的大小，僅此而已。向上為質量的平方反比。所以暗物質越輕，它就會變得蓬鬆且擴散得更廣。所以在某些時候它根本不適合銀河系。因此，由於暗物質必須適合星系的大小，因此質量不能小於任何東西。而這個數字其實就是這裡的這個數字。 10 到負 22 電子伏特，如果你看一下 mc 的平方。這給了你一個範圍。所以我們知道，由於對重力透鏡效應的探索，它的質量必須小於十到負七個太陽質量。另一方面，它必須比某物更大，這樣暗物質的軌道才能適合星系內部。這就是我們的發現。因此，就千兆電子伏特的單位而言，它必須介於十的負31和十的50之間，因此我們設法將暗物質質量的範圍限制在八一，即81個數量級內。這就是自 20 世紀 30 年代茲威基先生指出暗物質的可能性以來，我們在 70 年來取得的進展。所以，這裡的要點是，我們實際上對暗物質的性質知之甚少，我們對暗物質的單獨品質有相當多的口頭了解。另一條訊息又是一條非常薄弱的訊息。我們知道暗物質在這個碰撞的子彈簇中互相穿過。因此，我們也可以限制暗物質自身相互作用的頻率，也就是所謂的散射截面。再次強調，如果您不熟悉橫斷面的概念，請不要擔心。當你將暗物質相互散射時，這基本上可以告訴你暗物質的大小。這告訴你暗物質的可能性有多大。會被彼此分散。這是基於各種數據的。例如，透過觀察星系團的形狀，我們知道暗物質的相互作用不應超過一定數量。所以這又告訴你，暗物質是一個與我們其他人和它本身相互作用較弱的物體。再說一遍，我們對此知之甚少。因此，鑑於這種情況，我們正在嘗試將我們的想法從 MACHO 轉向 WIMP。所以在這種情況下，WIMP 是一個縮寫詞，它告訴你它們是非常非常弱的相互作用物體，甚至比我們之前討論過的中微子的相互作用更弱。 WIMP 代表弱相互作用大質量粒子。所以它們應該是早期宇宙中產生的重穩定粒子。重，意味著質量大，並且由於 E 等於 mc 平方，因此需要更多的能量來製造。所以到目前為止，我們可能沒有足夠的能量在實驗室中製造它們，但大爆炸的能量如此之大，任何重粒子都應該產生，其中一些可能仍然殘留下來。這就是我們在講座剩餘部分將重點討論的想法。這個想法很簡單。當一切都非常熱並且處於平衡狀態時，你，你，你創造的暗物質粒子與我們所知的任何其他粒子一樣多。但隨著溫度下降，暗物質的數量也應該減少，因為宇宙不再能夠製造它們。只是沒有足夠的能量來製造它們。但一旦存在，暗物質就在那裡，失去它的唯一方法是暗物質會彼此相遇並湮滅成其他一些粒子種類。因此，根據它們相遇和消滅的頻率，我們知道剩下了多少，因此這條曲線顯示了可能留下的數量，這取決於它們相遇和消滅彼此的頻率。但是一旦變成，宇宙變得足夠大，暗物質變得足夠稀，它們將停止彼此相遇，因此它們不能再失去它們的數量，然後宇宙就被他已經製造的一定數量的暗物質困住了。所以暗物質被凍結了。這就是我們使用的字。其實不用擔心這些方程，但如果這是一個非常簡單的估計，您就可以做出。如果 WIMP 的想法被證明是正確的，那麼暗物質粒子可能有多重，結果約為 300 吉電子伏特。實際上，這是一個非常有趣的數字，因為這就是大型強子對撞機實驗目前正在研究的能量類型。但同時，因為暗物質應該存在於我們周圍，也許我們實際上可以捕獲它們。但是，由於暗物質與我們的相互作用非常少，因此很難捕獲它們。它們無時無刻不在我們身邊經過，而我們卻沒有註意到。所以這就像在曼哈頓這樣的大都市中試圖尋找——試圖聆聽一種非常非常微弱的聲音。當然，這看起來完全不可能。那麼你要做的就是去一個非常安靜的地方，在那裡你可以隔絕噪音。那麼，那應該在哪裡呢？要聽到暗物質微弱的聲音，我們必須去一個安靜的空間，但哪裡會有這樣安靜的空間呢？所以，這是你的下一個問題。

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所以我們想看看我們可以在哪裡捕獲暗物質。我們必須去一個非常安靜的空間，因為暗物質與我們的互動非常少，就像聽到非常非常微弱的聲音一樣。正如您可能還記得先前講座中對中微子的研究，為此目的的最佳位置是進入地下，因為來自地表甚至外太空的所有噪音都被完全排除在外。因此，如果你想尋找暗物質，地下是一個理想的地點。地下可能是這樣的。這是一張日本神岡礦場的照片，當時我和家人聚在一起。你可以看到，外面一片漆黑。你必須開車進入這個礦井，裡面挖了一個空洞，你想在那裡放置一個非常非常靈敏的實驗設備，你也許能夠看到暗物質粒子在其中非常非常微弱的相互作用。基本想法非常簡單。我們有一個原子核，這是你選擇的原子核。暗物質粒子進來了。而且，偶爾，你可能會看到暗物質撞擊原子核，原子核被反沖。所以原子核突然獲得了一點能量。這種能量是您希望在實驗設備中記錄的東西。如果你計算一個原子核獲得多少反沖能量，它實際上取決於，當然，暗物質移動的速度有多快。但同時，原子核的質量是多少，暗物質的質量又是多少。你可以計算出來並發現，獲得盡可能多能量的最佳情況是當暗物質的質量和原子核的質量彼此相當接近時。所以你想知道暗物質的質量是多少。但正如我們在 WIMP 的情況下討論過的那樣，300 GEV 被證明是暗物質的正確品質。那麼，你想要選擇的是一個相當大的核，比方說它有 200、300 個核子，這對於暗物質這一類別中的最佳反沖能量來說大約是合適的質量。檢測這種反沖能量的方式取決於您使用哪種實驗技術。有些實驗依賴電離，有些實驗依賴聲子，有些實驗依賴閃爍，或它們的組合。你知道，但同樣，在我接下來的講座中，你不需要擔心這些技術到底是什麼。這是在日本神岡礦場進行的一項此類實驗。實驗的名字是X-Mass，Xmass。它必須建造得非常乾淨，以避免任何可能的噪音污染。這就是為什麼人們穿著乾淨的衣服並試圖盡可能乾淨地建造這個設備。它們已經完成了，在這個裝置中你可以放入一噸液化氙。這就是您在地下捕獲暗物質的方法。這是目前尋找地下暗物質探測的最大實驗。而且這個劇情非常複雜。再說一次，你不需要太擔心細節，但這裡的重點是這一點。因此，這裡的綠色曲線告訴您到目前為止實驗已經探索了多少。橫軸是暗物質的質量；縱軸顯示暗物質與普通原子核相互作用的頻率。因此，這條線以上的所有內容都已通過實驗排除，這意味著對於給定質量，暗物質的相互作用應該小於該數字。另一方面，您可能從某些理論模型中期望的是這裡的這個區域。所以你會看到，對於給定質量的暗物質，實驗靈敏度現在正在切入理論上預期的相互作用大小。所以它告訴你的是，這實際上變得非常有趣。換句話說，我們可能會在未來幾年的某個時候看到該文件在地下被發現的報導。所以這變得非常令人興奮。另一方面，有些人認為等待暗物質在地下被捕獲會花費太多時間。您正在尋找的是將該敏感探測器放置在地下，您可能希望在一年內進行兩次探測。這是非常非常罕見的事情。於是有些人不耐煩了，開始思考其他尋找暗物質的方法。好吧，讓我們來吧。在上一講中我們已經嘗試用希格斯玻色子來做到這一點。如果你將足夠的能量放入真空中，那麼該能量可能會轉化為新粒子的質量。所以也許我們可以在這些粒子加速器實驗中製造暗物質粒子，例如大型強子對撞機。但你可能會問一個非常好的問題。好的。假設你確實製造了暗物質。但暗物質不該被看到，那你怎麼知道你已經產生了暗物質呢？嗯，這個想法其實非常簡單。你可以決定暗物質是否是透過減法產生的。所以，如果大型強子對撞機中的質子束從你的一側進入螢幕。一束質子從螢幕的另一邊射來，它們就在這裡正面碰撞。如果碰撞是正面的，那麼樑的上方和下方、樑的左側和右側之間不應該有任何差異。一切都必須圍繞梁對稱。但如果你碰巧看到這樣的事件，那麼你仍然想知道有些事情很奇怪。因為，在這裡你可以看到上面有顆粒噴霧，但下面沒有任何東西。但這不可能是真的，因為一切都必須平衡。在正面碰撞中，一切都必須圍繞著它對稱。所以唯一可能的結論是，好吧，有粒子向上移動。一定還有[未知]粒子向下運動。但向下運動的粒子是看不見的，這就是為什麼它們之間看起來存在巨大的不平衡。也就是說，這張圖片告訴你它們是向下運動的看不見的粒子，帶走了能量和動量。所以這就是你可以知道無形的東西已經被創造出來的方式。基本上，總結你能看到的所有東西，然後透過減法，你可以知道某些東西正在以看不見的方式發展。所以這就是你可以判斷暗物質粒子可能是在這些粒子碰撞實驗中產生的方式。所以我們的夢想就是這樣的。我們從宇宙學測量中了解到，透過觀察宇宙微背景、星系團、重力透鏡效應，我們知道應該有多少暗物質。這相當於整個宇宙的 25%。因為這是由它們在早期宇宙中湮滅的速度決定的，這告訴你一些關於它的本質的信息，它們可以以多快的速度相互湮滅。如果你能在地下找到暗物質，那就可以告訴你暗物質相對於普通物質的散射頻率。這也告訴我們暗物質的一些特性，稱為散射截面。如果我們能在粒子加速器上製造它們，你將會學到更多關於它的知識。你可以測量它的質量，你可以測量它與其他粒子的耦合。而且，這些資訊也可以讓你計算這些東西，就像粒子加速器可以讓你測量質子和中子相互黏合形成原子核的頻率一樣。這使你能夠預測大爆炸中可以合成多少氦。這與強烈的觀察形成鮮明對比，結果證明他們彼此同意。這就是我們了解宇宙誕生僅 3 分鐘時的樣子。我希望你記住這一點。同樣，如果你可以使用粒子對撞機實際測量暗物質的特性。並預測它們與普通物質相互作用的強度。其中有多少應該留給現在的宇宙。如果這與我們在宇宙學測量中觀察到的一致，只有這樣我們才能聲稱我們取得了勝利。然後當我們了解了暗物質粒子是什麼時，同時我們也了解了暗物質被創造時宇宙是什麼樣子的。這其實是宇宙的錯誤。宇宙的年齡只有十億分之一秒。這樣，我們希望能夠遠遠超越 3 分鐘前合成氦的宇宙，回到暗物質形成的地方。這就是我們希望在理解宇宙起源方面取得進展的方式。好吧，下一個問題是反物質。關於反物質你了解多少？

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那麼當我們講完暗物質後，下一個主題就是反物質。反物質聽起來應該只出現在科幻電影中，但它們是真實的。它們存在。我們可以製造它，也可以使用它。那麼它是什麼？首先，我演講的一個主題是宇宙中不存在反物質。似乎與我們在之前的一些講座中談到的中微子有很大關係。僅透過觀察中微子的數量，我們就相信它們一定發揮了一些非常重要的作用。所以我們已經多次觀察這個宇宙，宇宙的圖像。但如果你只看我們現在所知的宇宙中粒子的數量，它看起來就像這樣。我們是由什麼組成的。電子、質子和中子。甚至主要的暗物質也位於此處。但宇宙中最豐富的物質粒子其實是中微子，數量幾乎是十億倍。當然，宇宙有很多光。而這種光是以光子的形式存在的。這些是微小的顆粒，即光的顆粒。它們大多來自大爆炸本身。這就是宇宙微波背景。所以這些光子比中微子稍微多一點。如果你走到宇宙任何空曠的地方，每立方公分仍有 400 個光子，相當於一塊方糖的大小。在相同大小、相同體積的情況下，您應該會發現大約 300 個中微子。所以宇宙其實充滿了中微子，數量只有成噸。因此，儘管它們的重量很小，但它們加起來對宇宙能量預算的貢獻相當於所有恆星的總和。因此，考慮到中微子的絕對數量，至少我們感覺到它們一定在宇宙的演化中發揮了一些非常重要的作用。這可能與我們今天觀察到的宇宙中不存在反物質有關。那什麼是反物質呢？對於我們所知道的每一個粒子，例如電子、質子，都有一個反物質對應物。反物質粒子或反粒子具有與粒子相同的質量。如果它們不穩定，它們也有相同的壽命。但許多屬性卻恰恰相反。它們具有相反的電荷。例如，我們體內的電子，現在我們在電子產品中經常使用電子，它們帶有負電荷。它的反物質對應稱為正電子。它帶有正電荷，因此得名正電子。就質子而言，它又出現在我們的體內。它構成了原子核。質子有一種反粒子，稱為反質子。不是一個很有創意的名字。質子帶正電荷，反質子帶負電荷。中子也構成原子核。中子不帶電荷，因此是中子，對嗎？而它的反粒子就是反中子。沒有電荷，為零，相反也為零。所以反中子也不攜帶電荷。因此，對於宇宙中存在的每個粒子，都有一個帶有相反電荷的反粒子對應物。這是人工創造反物質的第一個例子。早在 1933 年，這項實驗就已完成，實驗是透過將一種稱為伽馬射線的強光放入膠片中來完成的。透過光子與薄膜內其他物質的相互作用，產生了一對以黃色顯示的粒子。其中之一是電子。另一種是正電子。你，你能分辨出哪個是哪個。因為在磁場中，帶電粒子會彎曲。但它彎曲的方式取決於電荷的符號。這樣你就可以分辨出哪一個是電子，哪一個其實是正電子。這項探索是由艾琳·約裡奧-居里和弗雷德里克·約裡奧-居里完成的。他們也是諾貝爾獎得主，不是因為這個發現，而是他們在科學領域、科學領域做了許多其他重要的工作。就質子而言，它又出現在我們的體內。它構成了原子核。質子有一種反粒子，稱為反質子。不是一個很有創意的名字。質子帶正電荷，反質子帶負電荷。中子也構成原子核。中子不帶電荷，因此是中子，對嗎？而它的反粒子就是反中子。沒有電荷，為零，相反也為零。所以反中子也不攜帶電荷。因此，對於宇宙中存在的每個粒子，都有一個帶有相反電荷的反粒子對應物。這是人工創造反物質的第一個例子。早在 1933 年，這項實驗就已完成，實驗是透過將一種稱為伽馬射線的強光放入膠片中來完成的。透過光子與薄膜內其他物質的相互作用，產生了一對以黃色顯示的粒子。其中之一是電子。另一種是正電子。你，你能分辨出哪個是哪個。因為在磁場中，帶電粒子會彎曲。但它彎曲的方式取決於電荷的符號。這樣你就可以分辨出哪一個是電子，哪一個其實是正電子。這項探索是由艾琳·約裡奧-居里和弗雷德里克·約裡奧-居里完成的。他們也是諾貝爾獎得主，不是因為這個發現，而是他們在科學領域、科學領域做了許多其他重要的工作。第一個反質子樣品是在伯克利的一座小山上生產的。這個,這個地方叫勞倫斯伯克利國家實驗室,.他們建造了一個更大的。粒子加速器，當時最大的，現在看起來還是很小，但是，卻是當時最大的──。這張圖展示了反質子的誕生。那你要做的就是加速這個環內的質子。您將質子粉碎到目標上，從而產生大量粒子。其中有一個反質子，這個反質子進入了這個照相膠片，因為它有電荷，負電荷你實際上可以看到它。但是，當反質子在一段時間後進入這裡時，它成功地在薄膜內部遇到了質子，因為薄膜中有很多原子核。當反質子和質子相遇時，它們會恢復能量，彼此湮滅，而這種能量現在會產生各種其他種類的粒子。而且它們看起來像一顆星星，所以這就是所謂的星星事件。正如你所看到的，你可以用能量來創造成對的物質和反物質。因為E等於mc平方。 N 物質和反物質可以成對湮滅，再次恢復能量，因為 E 等於 mc 平方。反質子的發現為埃米利奧·塞格雷和歐文·張伯倫贏得了諾貝爾物理學獎。如今，我們實際上可以相當常規地對物質和反物質進行實驗。這就是電子以這種方式發生的碰撞。正電子從另一邊來，它們在中間湮滅。它們變成了純粹的能量，而這種純粹的能量現在物質化為其他形式的質量。在這種情況下，夸克。所以粒子和反粒子湮滅為能量，而能量可以產生一對粒子和反粒子。所以，這是一件需要記住的非常重要的事情。反物質不僅用於科學研究，也被用於醫院等領域。您可以使用一種稱為正子斷層掃描的技術來掃描您的身體以定位癌症的位置。正如你所看到的，正電子。有沒有。這是電子的反物質。所以你能做的就是向你的身體注入一種實際上會發射正電子的放射性同位素。你可以透過尋找伽瑪射線來定位正電子與附近電子的湮滅。這就是光的能量。這樣您就可以掃描您的身體並確定癌症在您體內的位置。您也許可以實際使用放射療法來瞄準該區域以殺死癌細胞。這就是你可以透過使用反物質來進行正子斷層掃描。這是另一張正電子發射的圖片，是你可能的大腦的斷層掃描或寵物。你可以立即看出，如果你受到可卡因的影響，你的大腦看起來與正常大腦有很大不同。所以這是告訴你永遠不要濫用可卡因等藥物的另一種方式，這對你非常不利。無論如何，這就是我們對反物質的了解。在科幻電影中，反物質以不同的方式出現。例如，這是星際爭霸戰電影中的企業號太空船的引擎示意圖，該引擎由反物質提供動力。因為如果你真的儲存反物質。並將反物質轉化為能量。這很容易做到，你只需將反物質與物質撒在一起，它們就會湮滅並產生能量。事實證明，這種能源的效率是普通汽油的 3 億倍。因此，如果你在太空船上，你會希望盡可能有效地儲存能量，因此反物質看起來確實是一個很好的選擇。這就是為什麼《星際爭霸戰》電影依賴反物質來實現這一點。這就提出了一個問題——好吧，哪種能源比其他能源更有效？當你談論能量時，我們總是在微觀物理中使用稱為電子伏特的單位，它是微量的能量。這是電子透過一個電壓加速而獲得的能量。也就是說，如果您確實有電池，通常電壓約為 1.5 伏特。電子所獲得的能量是這個數字的 1.5 倍。很少，但這是我們使用的能量單位。現在，如果你想到一個質子，它有一定的重量，你可以將其質量轉化為能量。又是你，用 e 等於 mc 平方。結果大約是十億電子伏，我們稱這個單位為GeV。對於典型的化學反應，例如燃燒燃料。甚至炸藥或汽油。您獲得的典型能量約為一電子伏特。這大約是質子質量的千分之一。如果使用核分裂反應堆，通常會獲得一百萬個電子伏特（MeV）。這大約是質子質量的千分之一。這是十億分之一，是千分之一。所以你看核融合的效率比燃燒燃料高出約一百萬倍。核融合的效率可能比核裂變高十倍，因此您可以獲得質子質量的百分之一的能量。但如果你利用物質和反物質的湮滅，你就可以將質子的質量完全轉化為純能量。所以你100%使用這個。所以這大約是一個 GeV 的能量。比核融合的效率高出一百倍，比化學燃料的效率高出十億倍。這就是為什麼反物質非常有用，但也可能非常危險。在丹布朗的小說《天使與魔鬼》以及湯姆漢克斯主演的好萊塢電影中，反物質都出現了。因此，這種反物質顯然是在運行大型強子對撞機的歐洲核子研究組織歐洲實驗室中產生的。根據小說，一位科學家在總幹事不知情的情況下生產了四分之一克的反物質。大量的反物質落入壞人之手，有些人因使用反物質作為武器而受到威脅。這當然聽起來不太好。現在的問題是，總幹事顯然不知道科學家產生了四分之一克的反物質。但如果你算一下，為了產生這麼多反物質，他們一定花了約十億、兆、兆美元。為此需要這麼多的電力，而總幹事並不知道這一點，所以這意味著實驗室必須有大量的預算。我真的很嫉妒它。不管怎樣，這只是一個故事，你當然不可能花這麼多錢來生產反物質。不用擔心至少四分之一克的反物質會落入壞人手中。但這有什麼大不了的呢？四分之一克反物質，聽起來這麼少？事實證明，四分之一克的反物質一旦與普通物質湮滅，產生的能量相當於廣島原子彈的能量。這可不是開玩笑的事。所以你可以看到一點點反物質與物質湮滅，可以產生巨大的能量。如果你能成功地創造出這麼多反物質湮滅，這就是反物質湮滅的效率。但正如您所看到的，無論如何這實際上都是不可能的。好吧，現在我們來看看早期宇宙的情況。所以反物質確實很危險，一旦產生能量就可以創造出物質和反物質對。所以早期宇宙必定存在大量的物質和反物質。但我們需要它們之間有很小的差異。因為一旦宇宙膨脹和冷卻，物質和反物質就會一對一地湮滅成純粹的能量。所以他們幾乎都被消滅了，這就是剩下的，那就是我們。所以我們顯然贏了，但我們不知道為什麼，這就是大問題。那麼你認為我們怎麼可能因為物質和反物質之間的微小差異而在大爆炸中倖存下來呢？有什麼想法嗎？

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這就是當前宇宙的樣子。這個物質構成了我們、恆星和星系。但不存在反物質。如你所知，這是一件好事，對嗎？如果我們真的遇到了反物質對手，那麼我們一見面，就會互相湮滅。那真的很危險。據我們所知，在我們的宇宙中，我們沒有看到[未知]物質和反物質相互排列並噴射出大量能量。所以，這意味著，據我們所知，我們的整個宇宙僅由物質組成，沒有反物質。所以現在的宇宙應該是這樣的。我們顯然贏了，但我們不知道為什麼。所以我們能夠理解宇宙是如何形成這種情況的唯一方法就是這樣。當時大爆炸時，存在著巨大的能量，能量創造了物質和反物質。但正如我們所知，物質和反物質總是成對出現，一對一。因此，如果有十億零一個物質粒子，那麼也應該有十億零一個反物質粒子，數量相等。但如果它們保持相等，它們就會互相湮滅，宇宙就會變得完全空虛。但這並不是宇宙在我們看來的樣子，至少我們存在，所以我們需要剩餘的物質。因此，唯一可能的方法是必須有某種機制從十億反物質中挑選出一種，並以某種方式將其轉化為物質。所以我們現在有十億零兩個物質粒子和十億個反物質粒子。所以差異大約是十億分之二。只有在物質和反物質開始相互湮滅之後，兩者的差異才得以保留。這就是我們。所以我們相信這就是我們在大爆炸中倖存下來的方式。物質仍然存在，因為不知何故，反物質的一部分變成了物質，它們被重新洗牌，但我們不知道如何，這就是問題所在。所以，正如你所看到的，這確實是一個生死攸關的問題。因此，如果反物質世界是物質世界的精確鏡像，那麼宇宙就不可能選擇物質而不是反物質。他們應該創造等量的。我們現在應該走了。因此，選擇物質而不是反物質必定有某種原因。這意味著物質和反物質的行為之間必定存在一些微妙的差異。反物質世界不應該是物質世界的精確鏡像。那麼如何解釋這種差異呢？用粒子物理學的行話來說，這當然是違反 CP 的，但沒關係。小林益川先生早在 1973 年就提出了一個理論，應該可以解釋物質和反物質行為的這種微妙差異。最近剛剛獲得了諾貝爾物理學獎。那那是什麼？再次回顧我們所知道的物質結構，周圍有原子和電子。原子核位於中間，由中子和質子組成。而中子和質子又被進一步劃分為蓋爾曼提出的這些微小的夸克，我們在前面的講座中簡單地講過這一點。因此，如果你看一下這個列表，你會發現我們周圍的一切都是由原子組成的。因此，它們是由電子組成的。下夸克和上夸克。兩個下夸克和一個上夸克將組成一個中子。一個下夸克和兩個上夸克將組成一個質子。所以我們周遭的一切似乎都是由這三種基本粒子、電子組成的。下夸克和上夸克。這看起來是一個相當簡單的世界。但是當人們開始尋找各種實驗以及來自外太空的粒子時，人們發現了一種叫做μ介子的奇怪粒子。據你所知，μ子看起來和電子一模一樣，只是更重。且性質與電子完全相同。這有點奇怪。為什麼大自然需要重演？我們只用電子就可以了。為什麼我們需要第二個稱為 μ 子的粒子？它就像電子的老大哥。事實上，當μ子被發現時，諾貝爾獎得主拉比二世甚至說是誰下令的。所以我們其實還不知道這個問題的答案。大自然為什麼會重演？儘管μ子對你來說可能不熟悉，但它就在我們身邊。因此，如果您建造一個具有非常高電壓的設備，有時您會看到明亮的橙色光穿過它。你看到它發生了嗎？這裡？這裡？所以μ介子來自天空或外太空，並且一直落在我們身上。正如我們所說，μ子實際上像X射線一樣穿過我們的身體，每秒、每分鐘大約有一千個μ子。所以我們周圍有大量來自外太空的μ子。 μ子也並非毫無用處。因此，我心中的物理學英雄之一、來自勞倫斯伯克利國家實驗室的另一位諾貝爾物理學獎得主路易斯·阿爾瓦雷斯實際上決定利用μ子來尋找埃及金字塔中的隱藏密室和寶藏。所以，想法很簡單。有一個傳說，加薩的一座金字塔，實際上有一個隱藏的密室，所以裡面甚至可能隱藏著寶藏。但如果這是真的，那麼這個部分的岩石比其他部分少。如果 μ 子穿過這些岩石，這裡的岩石就會減少，因此損失的 μ 子也會減少。但在這裡你有更多的石頭，你失去了更多的石頭。所以你會看到這邊來的μ數量和那邊來的μ數量有所不同。所以他把這個偵測器放在這個房間的中間，測量從那個方向和那個方向傳來的μ介子通量，並進行比較。這是一個絕妙的主意。不幸的是，透過這次測量的結果，他可以證明那裡並沒有隱藏的密室。嗯，這就是生活。但無論如何，這種技術早在 1970 年就發表在《科學》雜誌上，這激發了最近將 μ 子用於實際目的的靈感。你可以透過火山看到。你知道，火山是一件大事。來自外太空的μ子。他們一直深入火山。所以你實際上可以測量穿過火山的μ介子，你實際上可以找到岩漿在哪裡。如果你能看到岩漿上升，那麼你就可以預測火山爆發很快就會發生。這就是使用μ子對火山進行成像的方法。這實際上可能會幫助我們預測特定地震下一次噴發的時間。關於μ子就講這麼多。所以現在，路易斯·阿爾瓦雷斯是我們的英雄之一，因為他非常有創意，提出了許多有趣的想法。他不僅使用介子來研究埃及金字塔。他也是──真正指出恐龍滅絕可能性的人受到小行星撞擊的打擊。所以他確實是一個非常有創造力的人。現在回到基本粒子列表。正如我告訴過你的，μ介子已經被發現。但隨之而來的是許多其他發現。我們現在發現了下夸克的一個兄弟姐妹，它之所以被稱為奇怪是因為它看起來確實很奇怪。現在有一個上夸克的老大哥了。但在那個老大哥被發現之前，小林益川預測，如果有電子和μ子，那麼實際上一定有第三種這種類型的電子和μ子。如果存在下夸克和奇異夸克，那麼一定還有第三種同類型的夸克。儘管在那個階段上夸克是單獨存在的，但一定還有另一個夸克，而且還有另一個夸克，這是他們的大膽預測。那麼他們是如何得出這個預測的呢？事實證明，正如我所說，他們的預測得到了實驗驗證，這是他們提出這個理論一年後發現的上夸克的老大哥。然後又是一年後、三年後。這些圓圈其實是畫出來的。作為該粒子的質量。圓圈越大，它就越重。而且，底夸克之後的下一個，當然，應該還有超越這個魅力的第三個。這實際上花了很長時間，因為那個粒子非常重，那就是被稱為頂夸克的粒子。所以他們的預測確實是正確的。但我還沒告訴你他們為什麼要做出這個預測。每種類型又分為三種種類。這確實與物質和反物質之間的差異有關。因此，如果我們有三個對象，那麼您可以將這些點連接起來，一、二、三。他們將形成一個三角形。假設這是物質粒子的三角形。在反物質世界中，它是反物質的反映。所以現在你可以看到物質和反物質看起來確實不一樣。但如果只有兩個，那麼你就可以將兩個物體的點連接起來。如果你反思一下，你就看不出它們之間有什麼不同。因為線反射了，它看起來仍然是一條線，所以物質世界和反物質世界看起來一模一樣。因此，對於給定物種，您至少需要三個物體，以便您可以區分物質和反物質。因此，預測每種粒子類型都有所謂的三代粒子。這就是他們做出預測的方式，現在需要進行更大規模的實驗測試。他們想透過建造另一種類型的粒子加速器來測試這個預測，即物質和反物質的行為有何不同。一場正面競賽日本KEK。這些都是超級高科技機器，您需要在 4 英里範圍內具有微精度來對準非常高科技的儀器。每四納秒就有一次粒子束以光速碰撞。我想說，這是一台超級高科技機器。以這台機器為例，這是柏克萊史丹佛機器，在史丹佛大學建造的。你可以看到伯克利方面的領導者彼得唐尼（Peter Downey）提出了這台機器的想法。喬納森·多爾凡（Jonathan Dorfan）曾是史丹佛大學的領導人，現在是日本沖繩大學的校長。這些加速器，一個是由史丹佛小組建造的，另一個是由柏克萊小組建造的，這是針對電子的，抱歉，這是針對電子的正電子。伯克利戒指甚至採用伯克利校色，實際上是黃色和藍色。因此，他們嘗試使用這台機器來測量行為物質和反物質之間的差異，他們發現了微小的差異，正如小林益川理論所預測的那樣。這告訴你，他們之間確實存在差異。我不會過多介紹該圖的細節，但會介紹一種稱為 B 介子的粒子。假設這是一個粒子。還有它的反物質版本，反B介子。他們觀察了這些粒子如何隨著時間而衰減。您可以看到藍色粒子和紅色反粒子之間有明顯差異。事實上，正如小林益川理論所預測的那樣，粒子和反粒子的行為彼此略有不同。所以，那很好。但是，有一個問題。所以，因為一切都如預期，這實際上提出了一個新問題。因為問題在於，當粒子與反粒子的差異已經被小林和益川的理論所理解。現在，我們可以預測宇宙中物質和反物質的差異有多大。我們能解釋一下物質與反物質之間十億分之一的差異嗎？答案是我們只能解釋 10 到負 26。所以很明顯我們仍然錯過了一些我們需要的重大差異。必須有更多的差異來解釋我們宇宙中物質相對於反物質的優勢。我們也沒有看到物質和反物質如何重新洗牌彼此。這也是我們必須尋找的東西。所以現在是問題所在。現在我們知道在夸克研究中物質和反物質的行為有何不同。但這顯然還不夠，那麼我們還能在哪裡尋找物質和反物質之間可能的差異呢？

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因此，我們從已經被實驗驗證的小林-增川理論的研究中了解到，夸克似乎無法完成這項工作。我們需要物質和反物質的行為之間存在更大的差異，以便您可以解釋它們之間的差異。因此，宇宙會湮滅物質和反物質，最終我們會得到少量多餘的物質。那麼，可能是什麼粒子造成了物質和反物質之間的這種差異呢？所以，我們的想法是，現在的新典範可能是中微子造成的。事實證明，中微子是一個非常好的候選者，因為我們需要的一個條件是物質和反物質可以互相洗牌。現在中微子似乎也有非常奇怪的特性，這對我們的情況有幫助。所以我們了解到的一件事是，中微子實際上可能在物質粒子（即中微子）和反物質粒子（即反中微子）之間發生變化。我們還沒有看到這一點，但實際上只有中微子才能做到這一點，因為中微子不攜帶電荷。反中微子也不帶電荷，負零與零相同。因此原則上中微子可以轉變為反中微子並回傳。這將幫助我們重新調整物質和反物質。這個想法來自福田和柳田兩位先生，並成為非常流行的範式之一，用於解釋我們為什麼存在，為什麼宇宙中只有物質而沒有反物質。首先，我們已經知道中微子實際上以一種非常有趣的方式變形。這是我也參與過的實驗，叫做KamLAND。那也是在神岡的地下。它裝有一公斤礦物油，而不是像「超級神岡」的水。實際上，礦物油中可以摻雜其他材料，當內部發生某種相互作用時（稱為液體閃爍體），使其發光。而且，實際上，這對比水箱所能敏感的低得多的能量更敏感，這對於中微子的研究非常有用。而且，這個實驗可以偵測到來自日本各地核電廠的中微子，實驗開始時它們就在運行，當然，福島事件後大部分都停止了。讓我們看看之後會發生什麼，但是，無論如何，這個核反應器實際上產生了相當多的中微子。 KamLAND 實驗在神岡礦山中檢測到了這種物質。透過研究這些中微子，這個實驗可以真正證明中微子從一種物質轉變為另一種物質。就像我們所看到的其他粒子一樣，正如小林增川理論所預測的那樣。中微子又分為三種類型，分別稱為電子中微子、μ子中微子和τ中微子。但對於這裡討論的目的來說，名稱並不重要。重要的是，隨著時間的推移，想像這是一個時間軸，產生中微子，這100%會開始真正消失，這就是中微子振盪的開始。一旦它們消失，就會真正回來然後再次消失然後回來。你會看到中微子確實在振盪。之所以會發生這種情況，是因為核電廠產生的中微子類型現在變成了其他種類。卡姆蘭德看不到，但隨後又回來，卡姆蘭德可以看到，然後再次消失到卡姆蘭德看不到的其他物種。這就是為什麼您將中微子的調製或振盪視為時間的函數。因此中微子會從一種物質轉變為另一種物質。實驗的領導者是井上先生。我扮演一些小角色。這就是為什麼我將圖片尺寸設定得小得多。因為中微子具有這種非常有趣的特性，它可以從一種物質轉變成另一種物質，這給了我們某種希望。中微子也可以從物質版本轉變為反物質版本，反之亦然。現在，同樣的實驗 KamLAND 正在尋找這樣的現象。因此，如果有一些最大的原子核，例如氙，然後原子核內的中子可能想要衰變或β衰變，中子就會轉化為質子。如果它這樣做了，你就必須改變電荷，這樣它才能吐出一個電子。同時，它吐出反電子中微子。但如果反電子中微子是同一個粒子，或是可以變成電子中微子，也就是這個反中微子可以變成中微子。然後中微子可以被另一個中子吸收，變成質子並吐出另一個電子。那麼只有當反中微子能夠轉變為中微子時，這才有可能。這個過程稱為中微子雙β衰變。我們已經知道，這個過程每 10 到 24 年、一兆、一兆年才會發生一次。我們不能等那麼久。但如果我們真的收集這些內核，比如說 10 到 24 個，那麼這個過程可能每年發生一次。所以這就是我們想要尋找的方式，物質與反物質之間的重新洗牌。同時，我很抱歉。而且，而且，而且，你實際上需要一個非常大規模的實驗來達到這個目的，因為你需要收集這麼多的氙原子來尋找這種轉化。最終，氙核會變成重子核，吐出 2 個電子。所以我們能做的是，在這個礦物油或液體閃爍體罐中，懸掛另一個氣球，裡面也有液體閃爍體，然後將氣態氙氣溶解到其中。事實證明，氙不能溶解在礦物油中。現在我們有100公斤的濃縮氙。並且對該過程的可能壽命具有最佳下限。也就是說，這種情況在 10 到 25 年內實際發生的次數不到一次。這種情況可能只會發生一次，可能是 10 到 25 年的 3.4 次。我們仍在進一步改進這個實驗，尋找物質和反物質之間可能的重新洗牌但如你所知，這不可能是故事的全部。就像我們做的這個e加e減實驗一樣，尋找B介子和反B介子之間的差異。我們也應該尋找中微子和反中微子之間的差異。我們想要做到這一點的一種方法是遠距離發射中微子束。你可以發射中微子。您也可以拍攝反中微子並觀察它們的行為。正如我們剛才談到的，一種中微子可以演變成另一種中微子。我們嘗試用中微子來測量這個機率。但你也可以測量反中微子的相同機率並進行比較。如果它們不同，你會發現物質和反物質的行為之間可能有另一個差異。因此，這種行為可以解釋我們宇宙中物質相對於反物質的起源。事實上，這種實驗正在發生，你再次需要一個強大的加速器。並且，使用該加速器可以產生一束中微子。將他們射向約 300 公里外的超級神岡實驗。然後你要做的就是嘗試利用長距離來觀察中微子轉化為不同的物種，以及反中微子轉化為不同的物種。美國也有類似的想法，在更遠的距離（約 1300 公里）上嘗試這項實驗。美國是一個大國。同樣，它可以支援這種長基線。伊利諾州的費米實驗室有一個大型功率加速器。目標可能建在南達科他州的霍姆斯特克礦場。因此，您希望透過這種方式發現中微子和反中微子的行為彼此之間存在細微的差異。而中微子是否也可以轉化為反中微子已經被卡姆蘭德和許多其他實驗所尋找。將兩個和兩個放在一起也許你可以證明中微子確實是造成這一現象的原因。創造出超過反物質的多餘物質，以便我們能夠在大爆炸中倖存下來。因此，這種研究如果成功的話，將真正帶我們到大爆炸的最早時刻。因此，利用暗物質，我們認為我們可以回到宇宙誕生十億分之一秒的那一刻。利用凍結在真空中的希格斯玻色子，我們已經探索了宇宙只有萬億分之一時的情況。二老的。但如果這個想法經得起實驗檢驗，那麼我們現在就為反物質在最終消失時提供了種子，當時宇宙的年齡只有 10 到負 26 秒。這還沒有發生，但人們正在非常努力地探索反物質是如何消失的，這樣我們就可以生活在當前的宇宙中，而不必擔心被反物質的轟擊而毀滅。