万物的道理——从粒子到宇宙
“物理学研究的对象是宇宙中的万物，所以呢，这个物理就是万物的道理。”在北京图书大厦一层共享空间，北京大学物理学院教授马伯强将一场名为“从粒子到宇宙”的讲座，从高等学府的课堂搬到了这个闹市中的“三味书屋”。面对现场济济一堂、横跨老中青幼四个阶段的众多观众，马教授笑言想不到会有这么多“学生”来聆听物理学讲座。
从微观到宇观物理学研究的是万物的道理
“物理学追求的是用统一的，简单的语言描述宇宙万物所遵循的运动规律，揭示它们的结构及相互作用。”人类所关注的一个基本问题是“世界是由什么组成的？”马伯强抛出问题，随后针对这一问题进行了梳理：“两千年前，中国与古希腊的哲学家都对此做出了自己的回答。中国古代，我们认为万物世界是由五种元素组成的，也就是所谓的金、木、水、火、土；古希腊也同样有‘土、火、气、水’四元素说，另外一种说法‘原子说’由古希腊的哲学家留基伯首先提出，后经他的学生德谟克利特的进一步发展，形成欧洲最早的朴素的原子论。”
马伯强介绍，关于德谟克利特还有一个很有趣的故事：这位哲学家通过思考“一个纯粹的物体是否能够无限拆分成更小的部分？”“无限拆分后的物体还是这个物体本身吗？”进而提出了观点——无论多么纯粹均匀的东西，都是由大量独立的微粒组成的，这些微粒极小，以至于他们不能再被分割下去。这些微粒就是原子，万物是由原子所组成的，它们只是在宏观上看起来不同。
微观世界的奇妙探索从原子到粒子的认知之旅
英国化学家、物理学家，被称为近代化学之父的约翰·道尔顿，提出了世界上第一个原子的理论模型，第一次将原子从哲学带入科学研究中。“道尔顿认识到空气是由各种各样的元素所组成的，通过对空气的认识提出了原子论。这一发现在今天仍然发挥着重要的作用。”那么，具体什么是原子呢？“原子并不简单，它有非常复杂的结构。”马伯强向听众展示出了一幅现代原子图像，核心是非常重的原子核，外边是电子云在围着它运动。
科学家们对原子结构的认知是通过一系列实验完成的——汤姆逊通过气体导电方面的理论和实验研究发现了“电子”，并获得了1906年诺贝尔物理学奖；汤姆逊的学生卢瑟福通过α散射实验揭示出了原子存在一个非常重的核心，也就是原子核，电子则是绕着原子核运动。卢瑟福继而提出了新的原子模型——“行星模型”，新西兰还发行了一版邮票来纪念他。
到20世纪30年代，物理学进入原子核物理时代，研究发现组成物质的基本单元是质子、中子、电子和中微子。马伯强讲述了它们的发现过程，并总结：“有些粒子，我们不能直接看到它，但是我们可以通过间接的过程，也就是由它和别的物质发生反应，产生我们可以看得见的信号。我们对粒子的探测就是通过这种方式在不断地扩大”。
“而后，通过对宇宙射线的研究又发现了许多新的粒子。我们每时每刻都在不断地被小且带电的粒子轰击着。”马伯强说，通过宇宙线实验相继发现了正电子、μ子、π介子、K介子等粒子。1964年夸克模型的提出使物理学正式进入粒子物理时代。“那么，我们今天再回答世界是由什么所组成的？该问题的答案是夸克和轻子——无论是地球上的山川河流，还是空中的星云，都是由刚才我们所说那些夸克和轻子所组成的。”
宇宙的创生与演化宇观宇宙学与科学视野的无限拓展
“粒子物理的研究为什么和整个宇宙相关呢？”经由这个问题，马伯强详细讲解了科学家们研究宇宙的创生与演化的过程：1916年爱因斯坦建立了广义相对论，将整个宇宙作为研究对象，认为宇宙是静态的；但弗里德曼用理论推演，发现整个宇宙是在膨胀当中，这随后也被哈勃的观察和研究证实了。马伯强细致地讲述了多普勒效应与红移和蓝移，他用汽车开近开远鸣笛声出现的变化举例，说明了光谱线中的位移现象。
“宇宙膨胀的另一个证据就是Big-Bang（宇宙大爆炸）理论。”马伯强表示，伽莫夫刚提出这个理论时遭到了很多人的嘲笑，甚至Big-Bang这个名字也是一种调侃，但后来这个理论得到了证实——两位贝尔实验室的年轻科学家彭齐亚斯和R.W.威尔逊意外测到不明来源的3.5K热辐射（后修正为3K），通过与普林斯顿大学几位科学家讨论，提出了宇宙的微波背景辐射，为宇宙大爆炸理论提供了强有力支持，这两位科学家也因此获得了1978年的诺贝尔物理学奖。
“宇宙诞生于一次爆炸。从一个极小、密度与温度极高，由夸克轻子组成的世界迅速膨胀，然后降温变成了强子，通过具体的反应，再形成不同的物质和能量形式，变成了我们的星球和今天地球上的各种生物。根据Big-Bang，我们也可以估算出宇宙的年龄是137亿岁。”马伯强说。
理论与观测的交响曲科学幻想的边界
马伯强介绍，我国以高能物理所的实验室作为基础进行宇宙线的探测，北大等高校也有不少研究机构将粒子和整个宇宙联系起来，开展相关研究。近年来，国家各种实验设施在不断增加，譬如电子对撞机、地下实验室等，不断通过实验测量新的物质。“人类对物质世界和宇宙的探索是没有止境的。相信通过实验和理论的互相推进，我们中国学者能够在对物质世界的探索中发挥作用，为人类发展做出应有的贡献。”马伯强说。
讲座后的提问环节，现场有人问到多维宇宙和宇宙大爆炸之前的情形，马伯强认为，前者是量子力学发展过程当中产生的一个概念，但在实验层面无法证实，所以这个理论不见得正确。针对后者，他表示：“物理学是实验科学，其实我们物理学不谈这样的事情，我们谈的是在这个世界我们能够直接或间接测量的信号。不能实验检验的东西，是我们今天的物理学不能回答的问题，这是物理学的准则。”
现场还有名八岁的小朋友提问：“夸克是否能打破胶子逃脱出来？”马伯强表示这个问题的核心是能不能找到自由的夸克。“今天我们的科学理论是这样的：目前还不能看到自由的夸克，因为它最终的表现要么是质子，要么是中子，要么衰变成别的粒子。”他补充说：“如果我想把两个夸克拉开，我拉它的劲儿越强越难拉出，所以说夸克是被束缚在强子里的。如果有一天这个问题能够解决的话，这将是一个可能获诺贝尔奖的成果。”文/刘晨摄影/崔立洋
活动简介
“科技耀京城”系列讲座是由北京市科学技术协会主办，北京青年报社承办的科学文化传播活动。每场活动会走进一家书店，邀请一位科学界专家学者，介绍一个前沿科学领域，展现一项国家科技成就，完成一次科学精神的传递。
物理学的对象是宇宙中的万物，从粒子到宇宙、从微观到宇观。世界是由什么组成的？宇宙如何创生与演化？本次讲座邀请了北京大学物理学院马伯强教授为公众开展名为“从粒子到宇宙”的主题讲座。
主讲嘉宾
马伯强，北京大学物理学院博雅特聘教授，国家杰出青年基金获得者，教育部长江学者，入围全球前2%的顶尖科学家榜单，曾任中国科学院高能物理研究所研究员。马教授长期从事理论物理、粒子物理、中高能核物理、粒子天体物理学及宇宙学等理论研究。
书店介绍
北京图书大厦是北京发行集团旗下经营规模最大、图书品种最全、最早实行信息化技术管理的旗舰书城。北京图书大厦建成于1998年5月18日，位于长安街畔，地处西单繁华商圈，地理位置得天独厚，被称为北京市文化“地标性”建筑。大厦经营面积1.6万平方米，全品种经营图书、音像制品30余万种，是北京第一家全流程信息化管理的图书发行企业，其始终保持市场领先地位的销售业绩和经营规模使北京图书大厦堪称全国“第一书城”。