金星上到底有沒有生命?我們能從動物體內培養人類器官?電子皮膚已經可以使用了?量子計算到底有什麼?一系列問題都在今年的WE大會上揭曉答案。
60秒速覽WE大會:金星上有沒有外星人?腦機接口如何造福癱瘓病人?文/騰訊科技 孫實 喬輝
11月7日,騰訊科學WE大會舉行。來自四大洲、六個國家的七位全球頂尖科學家,包括:當代最偉大的理論物理學家之一的Steven Weinberg、量子物理學家潘建偉、腦機接口先驅 Miguel Nicolelis、人造皮膚領域「材料大師」鮑哲南、金星生命跡象發現者Jane Greaves等,在線上相聚,分享的科學話題包括地外生命、腦機結合、人造皮膚、器官復刻。
騰訊CXO網大為:人類現在必須重構地球上的重要基礎設施
騰訊CXO網大為在開場致辭中,直言不諱地提到:從森林大火到颱風 洪水和前所未有的高溫天氣,全球肆虐的氣候災害表明 「地球正在改變」,人類正經歷著地球歷史上的一個特殊時期,所以人類一定要要保護這個唯一的家園。
網大為認為,人類現在必須重構地球上的重要基礎設施,同時不對地球環境產生負面影響。
網大為從多方面進行了舉例:
·要通過保護水源來確保水資源的安全,儘量減少廢物排放和汙染,減少珍貴水資源的非必要消耗;
·要發展智慧農業,在降低資源消費的同時提高糧食產量;
·要推動生產力的發展,實現貨物運輸和人員交通的零汙染或極低的碳和其它汙染物排放;
·要不斷改善自身的健康和安全水平要在全球範圍內監測疾病和病菌的傳播,助力開發切實有效的解決方案,以應對疫病和其它重大疾病的爆發。
網大為強調,通過建設這種具有強大恢復能力的體系,我們不僅可以實現更高的生活品質,也能從根本上為人類的未來保駕護航,從本質上講這種能夠滿足人類食物、能源、水和健康需求的智慧體系,將會是人類作為一個物種的重大進步。
據悉,近期網大為還撰寫了《重構地球-AI For FEW》一書,該書系統闡述了AI For FEW領域的前沿理論、前沿探索和前沿思考,首次披露了騰訊利用AI種植黃瓜和番茄等幕後故事,描繪了人工智慧應對地球級挑戰的新路徑、新思考、新理念。該書以獨特的視角,深入探討人工智慧在解決食物、能源、水等地球級問題的前景及路徑,是該領域研究的開山之作,即將在今年內出版。
騰訊CXO網大為:人類現在必須重構地球上的重要基礎設施斯坦福工程學院化工系系主任鮑哲南:小白鼠已經可以正常地使用電子皮膚了
鮑哲南幾年前曾提出過一個設想:電子工業將會有一個巨大的改變,我們將會用像人造皮膚一樣的電子器件讓我們人和人之間溝通。
在鮑哲南看來,電子皮膚也必須是像人的身體一樣,可以覆蓋在身體上而不會束縛人的運動,同時也不會碎裂,這個電子皮膚在身體上的時候也必須要能夠工作。基於此,電子皮膚必須要解決三個問題:
第一,電子皮膚所用的電子材料不能再是剛硬的,因為剛硬的材料放在身體上,當身體在運動的時候,這些材料就會斷裂。所以必須把這些材料做成像皮膚一樣的柔軟,像皮膚一樣可以拉伸,甚至可以自修復,可以生物降解。
第二,這些材料還需要把它們做得真正可以感受到不同的物體。
第三,我們的皮膚可以感受到不同的知覺,使用電子皮膚的話,如果我們的大腦不能處理這些信號的話,還是沒有感覺,所以皮膚的信號或者人造皮膚的信號需要能夠和人體結合起來。
鮑哲南針對這三點進行了大量的實驗,目前已經有了重大突破。首先是材料,鮑哲南提出用那些可以自己修復的化學鍵去製作這些新型的電子材料,使所得到的電子材料,即使其中的化學鍵斷裂之後,它們也會自己重新修復,就有了可拉伸性和自修復性,甚至可以有生物降解的性能。
下一步需要做的是將這些材料做成靈敏的傳感器,它既需要有靈敏度,也需要可以分辨不同的外界的信號。鮑哲南早期開發一個可以測壓力的傳感器,是用小的金字塔做成的形狀,當塔尖接受到壓力的時候,塔尖會變形,使得電信號改變,但壓力更加大的時候,塔底也會變形,使得電信號的改變更加大,這樣我們就可以測出不同的壓力。
最後需要做的就是,所接收到的信號讓大腦可以理解。人造皮膚必須能夠把傳感器所得到的信號改變成這樣子的脈衝的信號,那有了這個信號之後,還需要把這個電信號直接接到我們的神經,通過神經才可以傳輸到大腦,所以人造皮膚必須非常柔軟,必須不傷害到我們的神經或者大腦。
鮑哲南透露,現在已經把它植入小老鼠的身體小老鼠可以正常地運動,正常地生活證明這些人造皮膚是確實是可以和生物體系相容的。
斯坦福教授鮑哲南:電子皮膚必須要解決三個問題中國科學院院士、量子物理學家潘建偉:量子力學的第二個孩子,正準備大展拳腳
潘建偉指出,目前我們所面臨著的計算能力的瓶頸,就是我們擁有的計算能力是非常有限的,如果把全球的所有的計算機的計算力加在一起,一年都沒辦法完成對2的90次方個數據的窮舉搜索,傳統的發展模式目前已經受到了嚴重的制約。因為摩爾定律正在逐漸地逼近極限,那麼大概會在不到十年左右的時間,電晶體的尺寸大概就會達到原子尺寸——亞納米水平,這個時候,電晶體的電路原理將不再適用。
那麼怎麼來解決這些問題?潘建偉給出了答案:量子力學。量子力學生的第一個小孩就是現代信息技術,它又已經準備好產生第二個小孩,這個小孩可以解決算力不夠、信息傳輸不安全等問題。
潘建偉介紹,量子計算本質上,目前的國際學術界大概把它們分成三個階段:
第一階段:我們希望能夠造出一臺機器來,這臺機器在計算某個具體的問題上,它可以比目前最快的超級計算機算的快。那麼為了達到這個目標,我們大概需要有50個量子比特的相干操縱,這是當時我們學術界的一個目標之一。
第二階段:我們希望能夠操縱數百個量子比特的這麼一種量子計算機,這叫做專用量子模擬機,那麼利用它可以來揭示若干經典計算機無法勝任的一些計算任務。
第三階段:我們希望能夠來實現一種可編程的通用量子計算機。
除了量子計算,潘建偉又介紹了量子通信方面的相關應用,其中一個就是所謂的量子秘鑰分發。比如有兩個人為了進行安全的通信,可以先送一系列單光子,處於各種各樣狀態的單光子,由A送給B。
如果中間有個竊聽者存在,光子的能量是不再可分的,不能分成半個,所以如果竊聽者要把這個光子拿走的話,接收者B就收不到了。
再或者竊聽者對這個光子做個測量,那麼量子力學裡面有個原理---測不準原理,去測量光子,就會影響光子的疊加態。
所以說有了竊聽就必然會被發現:第一,它不能分半個光子,光子是不可分割的;第二,這種光的狀態是去測量它,它就會被擾動。
那麼這個通信的雙方,把那些被別人擾動過的或者被別人拿走的光子扔掉,就可以形成了一種安全的秘鑰分發,利用安全的秘鑰分發你就可以實現了加密內容不可破譯的安全的量子通信。
潘建偉最後表示,隨著量子計算的發展,我們可以把它用到經典密碼的破譯、氣象預報、金融分析和藥物設計等多個方面,這些都是它未來可以應用到的相關領域。
量子物理學家潘建偉:量子計算 量子通信 究竟有什麼用?史丹福大學、東京大學教授中內啟光:異種培育人體器官不是科幻
中內啟光正嘗試在動物體內培育功能完整的可移植的人體器官,之所以要切入到這個領域,是因為很多病人都會出現晚期器官衰竭,對於某些人體器官,已經有人造或機械器官來取代它們的功能,但目前器官移植仍是治療晚期器官衰竭的唯一方法,但這種療法面臨幾個問題:
第一,器官捐獻不足,僅僅在美國,就有10萬多人在等待器官移植,但只有3萬人能夠獲得移植。
第二,排異反應問題。即使病人足夠幸運得到了移植,也必須吃藥來抑制免疫系統,防止人體對移植器官產生排異反應。
所以,中內啟光的思路是在活體中培育器官,也就是在動物體內的生長環境中,通過使用誘導多能幹細胞技術製造嵌合體的方法來培育器官。
如何得到嵌合體?中內啟光將黑鼠的多能幹細胞注入白鼠的囊胚期胚胎。囊胚期是胚胎的早期階段,通常是受孕後的三到四天形成。三周後,兩種鼠類的嵌合體就產生了,這就是培育嵌合體的方法。
在中內啟光心中,誘導多能幹細胞是最偉大的生物學和醫學發現之一。比如選用皮膚纖維源細胞之類的體細胞,然後在其中引入胚胎幹細胞中的4個基因,這些體細胞變成了多能幹細胞這樣的胚胎幹細胞,這就是誘導多能幹細胞名字的由來。
生成之後,它們就像胚胎幹細胞一樣活動,並且可以分化成許多不同的細胞類型,這項技術可以讓我們容易地培育來自患者的多能幹細胞,這不僅是對生物學也是對醫學的重要貢獻,尤其是再生醫學。
中內啟光介紹其正在研究在牲畜體內培育人體器官。假設有一位晚期心衰患者,首先生成患者的誘導多能幹細胞,然後將其注入有器官形成障礙的豬胚胎的囊胚中,這個胚胎事先經過基因改造,所以無法自我形成心臟,那麼如果可以生成人-豬嵌合體,這個嵌合體全身都應該有人類細胞,尤其心臟應該完全是由人類細胞組成的,因為豬細胞無法生成心臟,所以當這隻嵌合體豬長到一定程度,就可以取出心臟供人體移植,儘管這顆心臟是在豬體內培育的,但心臟細胞完全來自病人自己的誘導多能幹細胞,所以它本質上屬於自體器官移植,也就是病人自己的細胞和心臟移植到自己體內,所以移植時和移植後都不需要免疫抑制。
中內啟光表示,該方法還適用於培育其它器官,比如胰臟、胸腺、肝臟、血管和血液,以及最近培育的腦、肺和甲狀旁腺等,目前對大多數器官的試驗都取得了成功。中內啟光感慨:「這聽起來像科幻故事,但實際上已經得到了很好的數據驗證。」
當然,這類的實驗也會面臨很多爭議,比如倫理和社會問題。中內啟光稱,很多人的擔憂在於動物的人像化,比如人面豬身,還有人認為利用動物培育人類器官是對動物福祉的侵害。
但中內啟光表示,他的所有研究都是在得到相關機構批准的情況下進行的,包括政府以及史丹福大學道德委員會和相關大學的動物實驗委員會。我們正一步步地做研究。保持透明度並接受這些機構的監督。
中內啟光最後強調,如果研究取得成功並能夠為患者提供自體器官,就可以挽救許多患者的生命或提高他們的生活質量,並大大降低醫療費用。
史丹福大學中內啟光:異種培育人體器官已經得到了驗證杜克大學神經生物學、神經學和生物醫學工程教授Miguel Nicolelis:腦機接口技術給癱瘓人群帶來福音
從1998年開始,Miguel Nicolelis就和同事著手研究腦機接口技術,希望將活體動物或人類的大腦與設備直接連接。
Miguel Nicolelis的構想,也經過了不斷地調整和變化。Miguel Nicolelis最初的實驗是在猴子身上進行的,之後逐步實現了人類實驗。第一個實驗是讓一隻恆河猴學會了玩電子遊戲。這個遊戲的規則是,讓光標穿過顯示屏上隨機出現的一個球體,由猴子通過操縱杆來完成。
每一次光標成功穿過目標,猴子就能得到一滴喜愛的橙汁作為獎勵。但它不知道的是,每次正確完成操作,我們就會記錄下它大腦中100個神經元的活,然後把這些腦電信號發送給一組計算機。由它們來提取其中的運動指令 ,將其嵌入、然後轉化為機械手臂可以理解的電子指令。
Miguel Nicolelis的想法是:當猴子能夠非常熟練地通過操縱杆玩遊戲的時候,就拿走操縱杆,打開腦機接口,觀察猴子能否讓機械手臂控制光標穿過目標。而且僅靠想像來完成這一過程 ,不涉及任何身體動作。正如大家所見,猴子做到了。這就是實驗的上半部分,將大腦從身體的束縛中解放出來,使之能夠直接與外部世界互動。
猴子一開始用操縱杆玩遊戲,這個操縱杆慣性非常低 ,精準度很高,能夠準確地將光標移入目標中。每一次操作完成,猴子都會得到一滴它喜歡的橙汁。猴子對遊戲越來越熟練,每天玩一個小時 ,準確率能達到99%以上。
Miguel Nicolelis稱:「我們意識到,是時候首次測試一下,通過腦機接口進行實時操作這個想法了。於是我們拿走了操縱杆,讓猴子自然地坐在椅子上。我們問自己:猴子能不能弄明白,它只需要動腦想像,就可以讓機械手臂控制光標,然後和之前一樣得到果汁呢?」
從結果來看,它做到了。猴子的身體沒動,手臂也沒動,只是想像著把光標移到目標內。與此同時,電腦記錄下猴子大腦發出的電信號,提取其中能夠控制真實手臂活動的運動指令,轉變其路徑,使之控制機械手臂來完成遊戲。逐漸地猴子能越來越熟練地,用大腦控制機械手臂完成遊戲,無需任何身體動作。
這只是腦機接口發展之初的情況,在過去20多年裡,Miguel Nicolelis製造出了很多不同種類的腦機接口。比如同時控制兩隻機械手臂的,還有控制腿部的,但接下來我要說的是其中最複雜的一種,我們稱之為「腦-機-腦接口」。
Miguel Nicolelis還介紹了另外一個實驗,證明動物能夠學會使用搭載了無線傳輸技術的腦機接口來控制一輛自動駕駛設備,載著某一對象從房間裡的某一隨機位置出發,到達目標位置。取走我們放在那裡的東西,而整個的過程全部通過思考完成。
Miguel Nicolelis表示,通過這一發現,轉化成新的治療手段,來幫助全世界2500萬因為嚴重的脊柱損傷而在痛苦中掙扎的人們。這樣的損傷一旦發生,病人就會喪失感覺和活動能力。受傷部位以下的身體無法動彈,因為大腦發出的包含著運動指令的電信號,無法再通過脊柱中的神經傳輸至身體的邊緣部位。
如果製造出一種計算機電子旁路,將採集到的腦電信號繞過損傷部位,以數字形式傳輸至一個可穿戴式的全新機械身體中,病人可以通過大腦控制該機械身體 使其移動到某一位置。
Miguel Nicolelis感慨:「有時候基礎科學能引領你,到達你從未想像過的地方,為你帶來意料之外的發現 。為了這一天,我等了38年。因為親眼見證了這一切,我的每一秒付出都是值得的。」
神經生物學教授Nicolelis:腦機接口技術如何讓癱瘓病人走向綠茵場天文學家、卡迪夫大學教授Jane Greaves:金星表面不可能存在生命,但云層的條件要好一些
今年9月份,一則關於「金星發現生命跡象」的消息刷屏,這個爆炸性的新聞背後的科學家就是Jane Greaves教授。
演講開始,格裡夫斯教授表示,她主要做天文學和天體生物學方面的研究,除了關注系外行星的研究之外,她對太陽系內的行星也很感興趣,最近迷上了金星。
格裡夫斯表示,金星是距離地球最近的行星,但它如今的環境非常惡劣,因此我們並沒有花太多時間去在金星上尋找生命跡象。人們過去關注更多的是火星,人類發射了可以在火星表面行走和觀察的探測車,也觀察了火星大氣層中是否存在生命跡象。
金星看起來並不適合生命存在,但人類也向金星發射了一些探測器,這些探測器發回的照片顯示,那裡的環境極其惡劣。金星的地表就像一個被烤熟了的貝殼,而且大氣層氣壓非常高,這是由於金星大氣層基本都是由二氧化碳組成的,也就是一種溫室氣體。
格裡夫斯告訴我們,在幾十億年前,太陽的亮度不及現在,因此那時金星的表面溫度沒有現在這麼高。比如說當時有可能存在海洋,那麼也就有可能孕育出生命。但隨著太陽的亮度不斷增加,金星的環境變得惡劣起來,海洋因為更強的陽光開始乾涸,海水蒸發殆盡。水被分解為能夠自由逃逸的氫原子和氧原子,這些原子逃逸出大氣層之後,就只剩下了今天我們看到的高氣壓地表。生命在那裡不太可能存活,因為條件實在太惡劣了。
格裡夫斯提醒我們,雖然金星地面的溫度非常高,根本不可能存在生命,但金星雲層的條件也許會好一點,那裡更涼爽且更溼潤,並且氣壓和地球類似。金星大氣層的高度遠大於地球大氣層,高度大概在50-60千米。
如何把太空人送到金星大氣層?他們會存活嗎?格裡夫斯表示,當然不能!因為那裡90%都是硫酸,而且風勢極其猛烈!但格裡夫斯堅持認為也許能夠適應這些強烈氣流的微小生物可以在那裡存活,這就是為什麼人類打算在未來把重量很輕的氣球發射到金星的雲層中,通過現代信息與科技開展更多的觀測。
在地球上存在類似的高空生物圈嗎?格裡夫斯告訴我們,地球上存在一種所謂的空中生物圈,微生物或者單細胞可能漂浮在雲層中。在地球上,它們很可能會返回地表以獲得營養或休息,或在地表上具有自己的生命周期,但在金星上則不可能,如果這些微生物落到金星表面,它們會直接被烤乾。
科學家是如何判定金星大氣中存在生命痕跡的呢?格裡夫斯表示,他們是通過尋找金星大氣中磷化氫分子的光譜得到的信息。為什麼目標是磷化氫?這是因為磷化是地球生物圈的標誌之一,磷化氫是生活在無氧環境中的微生物的副產品,而金星的雲層恰恰就是無氧環境。如果金星大氣中也發現存在磷化氫,那麼就說明發現了生命活動的跡象。
格裡夫斯使用的是位於夏威夷的麥克斯韋望遠鏡(JCMT),這種一種射電望遠鏡,如果金星大氣層中真的有磷化氫,它就能觀測到磷化氫吸收射電波。
經過一段時間的觀測,格裡夫斯果然測到了磷化氫對射電波的吸收!這讓她非常興奮。為了進一步確定證據,她又去申請使用更為現代的天文望遠鏡,那就是位於智利高山地區的ALMA天文望遠鏡。格裡夫斯表示,最初通過麥克斯韋望遠鏡觀測到的結果,在ALMA也重複觀測到了。
金星上的磷化氫會是自然形成的嗎?格裡夫斯解釋說,我們也不能簡單地認為金星雲層中存在自然形成的磷化氫,因為金星上沒有多少游離氫,因此形成磷化氫會非常難。如果存在磷化氫分子,它要麼會與其它分子快速發生反應,要麼會被陽光破壞,所以它不會存在很久。
格裡夫斯強調說,我們不得不接受這個觀點:金星的雲層中是否存在生命?金星雲層中90%都是硫酸,但僅僅是也許,生物能以某種方式在小滴的硫酸中存活。這種小滴應該是硫酸和水的混合液體,而不是氣體或固體,這也許能讓微生物建立起微型生態系統。在金星幾十億年的歷史中,也許曾出現過達爾文《進化論》中物競天擇的景象,無論是否是最強健的生命體,它們可能也都曾逐漸進化並適應飄浮在雲層中的生活方式。
最後,她展示了一張由日本「拂曉號」探測器拍攝的金星照片,並表示希望能發射更多探測器來探測金星,給這個發現一個更滿意的答案。
天文學家Jane Greaves:金星到底有沒有生命?天體物理學家、麥吉爾大學教授Victoria Kaspi:快速射電暴可能不止來自某一種類型的天體
最近,貴州的「天眼」望遠鏡觀測到了來自太空的神秘無線電信號,並在《自然》雜誌上發表了重要文章,這種神秘的無線電信號就是所謂的「快射射電暴」(FRB)。
快速射電暴領域的重要人物,加拿大麥吉爾大學的Victoria Kaspi教授在WE大會上,帶來了精彩的演講。
首先,Victoria Kaspi向大家解釋了什麼是快速射電暴。她表示,接收快速射電暴的裝置和收音機類似,都是接收無線電信號的。我們接收到的快速射電暴基本上都是來自銀河系之外,這些信號轉瞬即逝,持續時間僅毫秒量級。
目前有報導的捕捉到快速射電暴的次數只有100次左右,但如果我們仰望天空,理論上每天可以探測到一千次快速射電暴。這意味著它在宇宙中並不罕見,隨時隨地都在發生。但快速射電暴來自哪裡?是如何產生的?我們還沒有標準答案。
接收快速射電暴的裝置什麼樣子呢?Victoria Kaspi描述道,拋物面型的天線就像一個盤子,表面可以收集來自外太空的無線電波,並將它們集中到樹立在表面上的天線中。然後無線電波在天線中產生電流,電流通過電線傳輸到中控室的電腦中,電腦會將無線電信號放大並轉為數位訊號,記錄在電腦磁碟上。
隨後,Victoria Kaspi向大家展示了記錄快速射電暴的圖表,並向大家解釋了為什麼判定快速射電暴是來自遙遠的銀河系外。她表示,就像不同顏色的光以不同的速度通過稜鏡一樣,不同頻率的無線電波通過星際介質時的速度也不同,也會出現所謂的「色散」效應,根據這種效應就能反推快速射電暴的距離。
快速射電暴是一個比較年輕的研究領域,第一篇論文發表於2007年。快速射電暴是如何起源的呢?目前還沒有標準答案!Victoria Kaspi列舉了幾種可能性:超新星爆炸、中子星併合、黑洞吞噬中子星以及中子星磁層活動等等。
2006年,天文學家觀測到了重複爆發的快速射電暴。Victoria Kaspi說這是一個非常重要的事件。可重複的快速射電暴的發現,表明了發生快速射電暴的源頭沒有在事件中摧毀,這排除了像超新星爆發和中子星併合這種災難性的爆發事件。但所有的快速射電暴都會重複嗎?目前還不知道。
由於快速射電暴在天空隨機出現,科學家就需要一種能夠隨時觀察任意位置的望遠鏡,這聽起來是個很大的挑戰,但Victoria Kaspi正在加拿大使用新型的CHIME望遠鏡就是一種能夠滿足這種要求的裝置。CHIME翻譯過來是「加拿大氫氣強度映射實驗」,顧名思義,這是一臺位於加拿大的裝置。
CHIME是一種革命性的新型望遠鏡,它和你們見過的任何射電望遠鏡都不一樣,它沒有傳統的聚焦於一點的拋物面反射鏡,而是由四個圓柱形反射鏡組成。每個反射鏡長100米,寬20米。CHIME望遠鏡的總面積相當於五個曲棍球場,所有部件都是不可移動的,反射鏡都是沿正南正北方向放置的。
Victoria Kaspi表示,如果天空中有什麼出現在它上方,我們就可以看到。因此我們可以全天候地觀測整個北半球的天空,進而探測出快速射電暴。因此CHIME望遠鏡能在一年左右的時間裡探測到數百個快速射電暴。
Victoria Kaspi表示,CHIME每秒可產生13T的數據!數據處理也是一件非常困難的事情,但他們客服了種種困難,這個系統自2018年以來運行得非常好。
CHIME裝置在北半球獨步天下,而南半球就是位於澳大利亞的Parkes射電望遠鏡的天下了,但在觀測效率上,Parkes射電望遠鏡還是略遜一籌。
自從運行以來,CHIME已觀測到17個新的重複暴,這表明2016年探測到的第一個重複爆發源並不是個例。
通過對比重複暴和非重複暴的特點,Victoria Kaspi認為,重複爆發源和非重複爆發源可能是兩種類型完全不同的天體。她表示,快速射電暴可能不止來自某一種類型的天體,而是兩種甚至更多種類型的天體。
最後,Victoria Kaspi說:「目前我們正在製作第一個CHIME望遠鏡快速射電暴目錄,記錄500多個爆發源。我們還將進行多項研究,比如天空分布、屬性分布和散射程度分布,從而破解爆發源在宇宙中是如何分布的,我們對此感到非常興奮。」
天體物理學家Kaspi:快速射電暴的起源是什麼?1979年諾貝爾物理學獎獲得者Steven Weinberg:人類沒有從探測器上看到過單獨存在的夸克,但這不妨礙我們認為夸克是存在的
世界著名理論物理學家、1979年諾貝爾獎獲得者Steven Weinberg在WE大會上,帶來的是有關基本粒子標準模型的科普演講。
Steven Weinberg首先回顧了他學生時代量子電動力學取得的驚人成就。他說:「在我讀研究生的上世紀50年代,理論物理取得了巨大的成就。比如量子電動力學理論的發展,這是一種光的量子理論,講的是電磁場和電子的相互作用。經過十多年的研究,理論物理學家發現了如何在這個理論下進行計算,並由此計算出了小數點後很多位的預測性結果,而這些計算結果後來也被實驗證實了」。
然而,話鋒一轉,Steven Weinberg表示,除了電磁力之外,還有約束質子和中子的強相互作用和引起粒子衰變的弱相互作用,這兩種相互作用量子電動力學並不能處理,人們亟需發展一種類似的量子理論。
在上世紀六七十年代,物理學家發展出基本粒子標準模型,這個模型將強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用放在一個框架當中。
為什麼在上世紀50年代,科學家沒有做出標準模型呢?Steven Weinberg表示,這是因為那時候人們還沒有對「對稱破缺」有很好的理解。
電荷有正負,那麼微觀世界的強相互作用有對應的特性嗎?Steven Weinberg表示,描述強相互作用是用的「色荷」。色荷的性質和電荷的性質非常不同,當色荷靠的比較近的時候,相互作用比較弱,反而當色荷距離比較大的時候,相互作用變強,所以我們永遠無法分開兩個夸克!到目前為止,人們都沒有從探測器上看到過單獨存在的夸克,但這不妨礙我們認為夸克是存在的。
到了上世紀七八十年代,粒子物理實驗發現了標準模型預測的粒子,從此該模型走進了物理教科書。但Steven Weinberg表示,物理學家並不滿意,因為標準模型粒子的各種參數(例如電荷和質量)無法從理論上得到,這些參數之間也找不出特定的規律。
有人可能會問,像太陽系中行星的質量和軌道參數不也無法從理論上得到嗎?Steven Weinberg解釋說,太陽系行星運動的參數是隨機生成的,但基本粒子的參數不是。這些參數肯定有內在關係,也包含物質創生的奧秘。
Steven Weinberg也談到標準模型的局限性,他表示,標準模型無法包含萬有引力。在通常情況下,引力作用比較弱,但當能量抵達「普朗克」能標下,引力作用會變得和強相互作用相當。
隨著能量的提高,電磁相互作用、弱相互作用和強相互作用就會融合到一起,但這個能量還達不到普朗克能標。
Steven Weinberg還提到宇宙加速膨脹的問題。1998年,天文學家發現宇宙正在加速膨脹,驅動膨脹的是一種叫「暗能量」的東西。暗能量並不能用真空漲落裡的能量理解,因為真空漲落的能量比暗能量大許多數量級。為什麼會是這個數值?他表示現在物理學家都不知道。
Steven Weinberg說:「上世紀50年代讀研究生的時候,我很羨慕前輩們在量子電動力學領域取得的成就,而我們這一輩理論物理學家建立了標準模型,將前輩們的成果進一步向前推進。標準模型解釋了自然界存在的所有其它作用力和我們發現的其它粒子,只有引力沒有給出解釋,我們(理論物理學家)的工作尚未完成,我們引以為傲的標準模型並不是最終答案。
最後,他鼓勵大家說:「今天年輕一代的理論物理學家們,你們有你們的使命,那就是解釋與自然界不同現象有關的這些巨大的、神秘的數字。」
諾獎獲得者Weinberg:夸克是否真實存在?