关于语冰讲座

周课，是位于北京的一个小规模学术沙龙，以来自海内外各高校或刚离开校园的青年学子为基本人员构成。周课的目的在于不同专业学生的互通有无，其宗旨是“个人代表专业，群体构成通识”：成员们轮流主讲，把自己的所学和盘托出，收获大家的反馈，在讨论中汲取新知。

北京民生现代美术馆与周课合作推出语冰讲座，将周课精彩的课程带入美术馆公共空间，让青年学子们携着学术的赤诚，把所知、所学、所思向广大公众普及介绍。《庄子》曰：“夏虫不可语冰。”作为在学术殿堂的门槛上踌躇满志的青年学子，愿穷竭“夏虫”的绵薄之力，“知其不可而为之”。

主讲人：

讲座笔记：

1.  感官的“实在”

洋葱的构造方式很特别，某种程度上很像我们去认识世界的方式。人一开始是用感官去认识世界的，那就是眼睛的视觉、耳朵的听觉、舌头的味觉、鼻子的嗅觉和皮肤的触觉。

图1.人的五官代表的五种感觉

既然我们对世界最初、最表面的认识是直接通过感官进行的，那么要理解世界，我们必须先理解什么是感官。而我们的感官能力有限，很多时候不能探索世界的每个层次的细节，所以为了更全面地认识世界的样子，则须借助一些仪器才能观察到。

那么下一个问题就出现了，这也是现在科学哲学的讨论中一个非常重要的论题，那就是科学家们借助仪器观察到的东西究竟是不是“实在的”？如果我们承认“眼见为实”——我们通过眼睛看到的东西是真实存在的——那我们借助一些科学仪器看见的东西，能否说它是实在的呢？举个例子，有的人视力不是很很好，通过肉眼看不见什么东西，但戴上眼镜就能看见，那么通过眼镜看到的是不是实在的？

从这个问题出发，我们可以继续延伸。眼镜其实就是一种镜片构成的光学仪器，还有很多光学仪器更为复杂，比如相机、显微镜等等。这张照片（图2）就是用显微镜看见的洋葱表皮细胞，那大家觉得用显微镜观察到的东西是实在的吗？

图2.洋葱表皮细胞

其实无论是通过肉眼看见也好、通过眼镜或者显微镜看见也好，我们最终“看见的”都只是被科学家们称作“可见光”的射线而已，换成我们更为熟悉的概念，就是“红橙黄绿青蓝紫”这些颜色的光线。还有些光线，即便我们知道它在那儿但却看不见，比如红外线、无线电波、紫外线、X光等。

这是（图3）NASA的一个X射线望远镜观察到的两个星系碰撞的照片。这个场面通过可见光是看不见的，而是要用望远镜捕捉它发来的X射线，数据再交给NASA处理出照片中的色彩。那么这个本来不在肉眼可见范围，却可以通过仪器 “看见”的东西是真实存在的吗？

图3.NASA星系碰撞照片

还有更不可思议的：要是这个东西用任何光线都看不到了，我们还可以借助别的粒子去看。电子显微镜就是这么一种让电子束去撞击物体，最终形成影像的仪器。图4是一张用电子显微镜看到的噬菌体的影像。

图4.电子显微镜下的噬菌体

噬菌体是一种通过细菌来复制自己的病毒，长度大概在一百纳米左右。这个尺寸已经比刚才的细胞又小了100倍，通过任何光学显微镜都是看不见。而电子显微镜会向它发射电子，有的地方电子容易通过，有的地方电子无法穿透，最终用接收的信号显示出影像。那么用电子显微镜才能看到的是真实存在的吗？

我想大家应该都能接受“戴眼镜看到的事物是真实的”，但对再往后的几种观测可能会有点疑问。不过，科学中还有许多更深层、更微观的观测，比如构成了病毒的原子、原子里的原子核等等，那我们就需要更厉害的仪器，在后面的介绍中，我们可以再次感受一下自己对“实在”的接受是处在哪个层面。

不过在此之前，让我们先回过头来，看看人所赖以认识世界的感官，在剥开几层实在之后看，究竟是怎么回事。

大家应该都听说过原子。任何物质都是由原子构成的，这是由玻尔兹曼、爱因斯坦等物理学家通过一系列实验证实的。原子最早是古希腊人德谟克利特提出的，原子的英语atom就是从古希腊语而来，意思是不会破、不可分割的东西，所以在中文里原子最早也被翻译为“莫破”。

那么人的视觉如何用原子解释呢？很早期的时候人们曾以为是眼睛发出了某种东西，照在物体上形成了视觉。后来我们放弃了这种想法，取而代之的是柏克莱在《光学新论》里提出的——因光照在物体上而使我们形成视觉。视觉的形成完全依赖于进入眼睛的可见光，也就是说人能看见的只有可见光。试想一下，若我们在一个不透光的房间里，再把所有灯关掉，大家就什么也看不见了。那么，我现在之所以能看见自己的手，一定是因为光源——无论这种光源是太阳也好、灯泡也好、甚至是在被窝里举着的手机屏幕发出的光源——经过某种路径照在手上，最终进到我的眼睛里形成影像。如果一点光都没有，就会什么也看不见，伸手不见五指。

那原子在这个过程中起了什么作用呢？原子由带正电原子核和绕核旋转的带负电的电子组成，而光是一种电磁波，在照射到原子时它们会发生相互作用。这一作用的结果使得某些颜色的光被吸收了，有些颜色的光被反射了。当白光照射到一个物体上时，橙色的光被反射而其他颜色的光被吸收，最终只有橙色进入人的眼睛，就会形成“物体是橙色的”视觉。

再来说触觉。从原子层面看，触觉是在构成我们身体的原子和构成其他物体的原子接近时发生的。但是身体的原子和物体的原子并不会真地接触——如果接触，那它们就融为一体了，也就不是我们所说的“触摸”。比如，我要拿起桌子上的一瓶水，水瓶外侧是一个整体，而我的手在拿起水瓶后并没有与水瓶融为一体，我的手和水瓶还是两种东西，我还能把我的手抽回来，所以它们的原子层面上并没有完全接触，并没有真正的“碰上”。那么，我们“触摸”到的究竟是什么呢？如果我们观看这个过程的在原子层面的放大演示就会发现，当一个原子和另一个原子靠近的时候，是由某种力把它们给推开了，防止它们真正碰在一起，所以我们感受到的“触摸”其实是这种把原子分开的力，而这个力是来自于原子最外层的电子。电子是带着负电的粒子，两个原子最外层的都是带负电的粒子，两个负电荷相互排斥，最终导致两个原子在某个距离上就不能够再相互靠近，而是被某种力给推开。所以我们的触觉摸到的不是物质的原子，而是两个原子之间相互的力。

所以，这就和我们凭借经验而形成的常识似乎发生了一些冲突，视觉是光线和原子发生相互作用后产生的一个最终进入到我们眼睛中的结果；触觉是原子和原子之间的一个相互作用力最终进入到我们神经信号中的结果。概括一下，所谓感觉都可以原子的电磁理论来解释，关于这方面的理论，前辈物理学家们已经建立起来了，那就是麦克斯韦提出的电磁理论。（图5）

图5.麦克斯韦电磁方程

麦克斯韦通过这四个方程构成的方程组解释了一切电荷之间的相互作用，包括我们熟悉的光。以刚才的例子来讲，我们看见一个东西是光线这种电磁波照射到了原子和它的外层电子之间产生一个电磁相互作用，最终有些光回来了，有些光没有回来，或者进去了，形成了视觉。触觉是在两波原子相互靠近的过程中，因为电子和电子之间的电磁相互作用把它们推开而使我们感受到的这种推开的作用力。

2.  “看见”原子

当我们知道构成物质的单位是原子之后，我们就想去研究原子，那原子能不能被看见呢？

我们刚才提到，通过电子显微镜可以观察到一个几百纳米的病毒，但是原子的尺寸更小，在0.1纳米（10的负10次方米）左右，这种大小用电子显微镜根本看不到。但是科学家还是有办法，图6是两张原子的照片，左边是硅的表面原子照片，右边是一层石墨表面照片，上面的小原点就是原子。

图6.硅和石墨表面的原子照片

图7.（右一）扫描隧道显微镜

拍摄原子照片采取的仪器叫做“扫描隧道显微镜”（图7），扫描隧道显微镜个头非常大，但是它的个头主要是为了真空以及防震等功能。扫描隧道显微镜的原理是什么呢？让我们假想有两层原子，在它们上方安装有一个探针，探针和原子之间是什么都没有的，当给探针和原子分别通电，两者之间的电压会导致一种特殊能量叫“隧道效应”，“隧道效应”完全取决于探针到原子之间的距离，所以靠近原子的地方在屏幕上会感应出一种电子通过，远离原子的地方会感觉到没有电子传播，最终形成了图6那样的照片——亮的地方是探针靠近原子地方，有一些电子从这儿通过，暗的地方就是远离原子的地方，没有电子通过。所以，借助“扫描隧道显微镜”，在非常微观的尺度上我们已经可以给原子拍照片，回到我们一开始提出的问题：这种仪器观察到的东西是真实存在的吗？

其实，对于原子的研究很早就开始了，二十世纪初，人们对于原子的模型最早的推测就是球，但是这个球和正常的实心球还不太一样，有一个模型大家高中时候可能听说过，叫“葡萄干布丁模型”（图8），在国内一般被翻译成枣糕模型或西瓜模型。这个模型是一个英国物理学家汤姆生提出的，汤姆生发现原子可以发射出一种更小的粒子叫电子（原子外层绕它转的那些粒子），他认为既然原子能往外发出电子，那说明原子肯定不是最小的单位，还是可以分；如果原子不是“实心球”，那至少也是“实心球”中带有点电子。

图8.汤姆森葡萄干布丁模型

但是这种模型后来证实也有问题，证实这个模型有问题的人叫卢瑟福，他是一位英国物理学家，但他出生在新西兰，所以现在新西兰货币上有一种面额是印着卢瑟福头像的，虽然应该不是面值最高的，但反正钞票上印着的物理学家也不多。卢瑟福做了什么呢？他使用了一个高能粒子也就是α粒子做了一个实验。科学家们当时发现，α粒子的能量特别高，速度特别快，可以穿透很多东西。所以卢瑟福就拿了一块延展性好的金属，也就是金子，将它拉成非常薄的薄片，变成金箔，以至于这种金箔可能就只有几层电子，然后他用法α粒子去撞金箔。

如果原子模型就是汤姆生提出的葡萄干布丁模型，那么它应该是一块松软的布丁，α高能粒子应该就可以毫无阻拦的穿透这层电子。卢瑟福本意是想去测量原子的电子外层，但是结果发现有很多阿尔法粒子的角度非常大，甚至有些阿尔法粒子被完全反向弹了回来，这就和葡萄干布丁模型很矛盾。实验结果说明了，原子中间可能有一个原子核的结构，而且原子的质量全都集中在非常小的原子核上，正是这种结构导致大部分α粒子可以顺利通过，但是有些不幸撞上原子核的就会被弹了回来。所以卢瑟福提出，原子不是个实心球，而是中间有一个特别小的原子核，外层是电子绕着它转。这也是我们非常熟悉的，当今也在非常广泛使用的原子的模型，有人管它叫太阳系模型。中间原子核就像太阳，外面是行星“电子”绕着它转。

图9.按卢瑟福关于原子的太阳系模型设计的标志

卢瑟福告诉我们，原子是有原子核的，并且根据他的测量，原子核非常小。原子的大小是0.1纳米，原子核比它还要小10万倍。什么概念呢？假设北京鸟巢的长度是500米，那么比它小10万倍就是0.5厘米的黄豆大小的一个东西。所以如果整个鸟巢是原子的话，原子核就是鸟巢中央放的一粒黄豆。

一直有很多直观的科研机构都试图展示原子核究竟有多小。欧洲核子研究中心简称CERN有一个非常大的建筑物，叫做Le Globe（图10）。它最早是瑞士的一个展览会使用的展览建筑，后来展览会结束，瑞士政府把它捐给了CERN，又把它搬运了几十公里搬到CERN所在的地方，成为了CERN第一栋主要办公建筑物。

图10.CERN的建筑Le Globe

搬过来之后打算让CERN自己出一个展览策划，CERN中有一个研究员非常有小聪明，他提出，这个球形建筑物是一个直径40米的中空球体，我们可以拿它展览原子，原子什么都没有，只有一个东西叫原子核，所以就在这个展览直径40米的圆球中间放一颗乒乓球，就相当于原子核（按真实比例算下来其实原子核只有灰尘大小），然后收门票请大家来看原子模型就好了。当然实际按比例核算原子核比乒乓球要小得多，但再小可能就不方便选择实物进行展示了，展出了也会因为太小而无法被大家发现。当然这个建议最后没有被采纳，因为他们考虑到公众形象的问题——拿巨额布置展览的经费就买一个乒乓球，还要收门票请公众参观不太合适。这是关于原则模型的一则趣闻。

现在我们知道原子里面有原子核和电子，并且原子核非常小。然而几乎所有原子的质量都集中在原子核上，原子核的大小只有原子大小的10万分之一，也就意味着体积上是它的10的10次方，也就意味着它的密度应该是正常我们生活中物质的10到15次方倍，这是什么概念呢？1立方毫米的原子核的质量是100万吨，100万吨什么概念，大概香山可能一共就那么重吧。这一粒东西如果一不小心掉到了地球上，那它砸穿地球就跟我们挥手拍空气一样，不会遭遇任何阻力就直接穿到地层里去了。有这种密度这么大的物质存在吗？有，在天文学家观测在宇宙里存在一种特别的星体，叫中子星，中子星质量和太阳差不多，直径只有1公里，密度非常大。

我们能看见原子核吗？因为大部分电磁波在原子最外层就被电子挡住了，所以我们需要用穿透力比较好的方法才能“看见”原子核，大家进来的时候都被X光安检过，X光穿透性就好一些，但是也穿不透原子。还有更厉害γ射线，它可以穿透原子看见原子核，因为原子外层的电子挡不住这个γ射线，只有原子核能挡住。比如图11是一个卡车在通过γ光安检仪，透过γ光安检仪我们就能看见每一个原子核，如果这个部位东西比较厚，就意味着原子核比较多，就成为了图像中的暗部；如果某部位没有东西，那么原子核就少，就成为亮部。用这个仪器可以很清晰地看清楚每部分物质，因此这个在海关安检应该是必备的。

图11.γ射线安检仪成像

以上就是这是我们能够看见原子核的方法，以这种方式的看见，大家觉得原子核是真实存在的吗？

3.  原子核里有什么

接下来，我们想问原子核里有什么？刚才提到的CERN的主要目的就是研究原子核。人们很早就发现原子核肯定是有内部结构的，因为原子会发出一些特别的现象，叫做衰变，也发出一些射线，包括α射线、β射线和γ射线三种。最早研究它的是我们都熟悉的居里夫人。科学家发现射线是从原子核里射出来了，那么原子核肯定还有它自己的内部结构以及一些更基本的粒子。

最早人们发现原子核是由两种不同的粒子构成的，一种叫质子，一种叫中子，质子带电，中子不带电。后来又发现了越来越多的粒子，当时的科学家猜测这些构成原子核的粒子应该就是最基本的粒子，因此把它们都叫做“基本粒子”。欧洲核子研究中心（CERN）里的一个由印度政府馈赠的湿婆雕像，有神话记载，一旦湿婆开始跳舞，宇宙就会开始运行，所以为什么宇宙在运行、物质在变化，都是因为这个神在跳舞。有一位英国的天文学家叫卡尔萨根曾经就比喻，整个宇宙就是基本粒子在跳舞，所有基本粒子在这个宇宙里跳舞构成我们认识到所有的现实中的变化。

我们怎么去看见基本粒子呢？有一些机构专门干这些事情。我们举一个好玩的基本粒子叫中微子，中微子是一种几乎没有质量，速度接近光速，能够穿透大部分东西的粒子，因为它没有质量，没有电荷，所以它几乎不和任何东西发生反应，从太阳发出的中微子几乎全部穿透地球进入到宇宙内层。它几乎不和物质发生，但是我们总能通过一些办法，我在这把这种办法叫“人海战术”——稍后我们会解释——来想办法观测它。

日本神冈有一个“素粒子”研究中心，“素粒子”翻译过来就是基本粒子的意思，研究中心例有一个超级神冈实验室。它建在一个地下的设施里，主要探测仪器（图12）基本就是一个非常高非常深的水罐，里面要灌满水，仪器周围有好多小点，每一个小点就是一个光电倍增管探测器，准备探测发出来的光。当装满水之后，中微子穿过这些水，它们中有特别少的一部分会以非常高的、接近光速的速度穿过水，水中光速会变慢为只有真空中的四分之三，所以中微子进来之后，一定比水中的光速要快，这一部分中微子就会发出一种特别的电磁辐射，叫做切连科夫辐射。

图12.日本超级神冈实验室

大家看过核电站的照片吗？核电站的反应堆会发出幽幽的蓝光，这个蓝光不是里边装了灯泡，而是核电站在发生核反应过程中会发出一些速度非常快的高能粒子，它们的速度超过了水中的光速而发出蓝色的光。同理，中微子在穿过这些水的时候也会超过水中的光速发出蓝光，最终就可以对光亮进行探测，我们就知道观测到了中微子。

我再举一个例子，美国的IMB实验室，它是加州大学欧文分校、密歇根大学、布鲁克黑文国立实验室共同建立的。实验室借了美国一个著名的盐商Morton的一个盐井，然后在里面装满了水希望用来观察质子的衰变。他们测算了一下，如果装满水后，里面应该有10的31次方的质子，但是他们看了一年也没看见一个衰变，所以他们估测质子的半衰期大于10的31次方。就是等到海枯石烂、宇宙尽头也看不到。他们虽然没有看到自己想看的质子衰变，却看到了一次中微子爆发，就是在1987年的一次超新星爆发，从宇宙那头射过来巨量的中微子，他们估测当时中微子数量是10的8次方，在这次爆发中，他们有幸观察到了8个；考虑到中微子是一种非常难以和其他物质发生反应的粒子，这已经非常了不起了。

那么这种时候我们所说的“看到”是什么呢？我们真的看见有中微子过来吗？我们看见的只是中微子穿过介质时所发出的一些痕迹。好比你抬头看天，看见天上一个航迹云，那这算看见了飞机吗？

科学家想把所有的基本粒子都想办法找出来，这就需要靠加速器，用加速器把粒子“撞”出来，所以基本粒子越找越多，命名把希腊字母都用完了，每种粒子还有带正电的，有带负电的，又把电荷标识出来叫正粒子、反粒子。后来科学家们发现这不太对啊，我们发现了小200个“基本粒子”，比化学元素还多，那这还能叫“基本粒子”吗？

这时候就需要我们觉得再去分类找找规律。有一个物理学家叫穆雷·盖尔曼默里·盖尔曼是加州理工大学的一名物理教授，他发现这些粒子可以按某种特别的规律排成一些比较有趣的形状，他说这就意味着粒子内部存在一些特别的对称性，针对这种对称性，他提出了一个夸克假说。夸克假说认为，这些基本粒子其实还是由更小的粒子组成的，更小的粒子叫做夸克，总共有6种不同的夸克，因此用夸克之后所有这些粒子只需要6种粒子就可以解释了，这种假说更简洁、基本一些。他提出一共有6种夸克，分别是上夸克、下夸克、内夸克、奇夸克、顶夸克和底夸克。

穆雷有一个跟他同走廊的同事叫费曼，也是一个著名的美国物理学家，费曼当时看见实验结果的时候并不支持夸克假说，他认为实验结果虽然在很多维度上都和夸克的相似，电荷一样、质量一样、自旋一样——但是特质都一样也不一定说明你找到就是夸克，所以费曼自己建立一套理论叫部分子，说我这理论也很符合实验，不一定找的就是你的夸克，也可以是部分子。

这提了一个非常深刻的问题，就是我们按照物质的某种特征去寻找出来的结果，是不是你真正想去找的那种物质。比如某位同学姓夏，夏同学戴眼镜，头发3厘米长，身高1.8米，体重80KG，但当我们真的上大街找到一个戴眼镜，头发3厘米长，身高1.8米，体重80KG的人，他是不是一定是夏同学呢？

在粒子物理学界，如果发生这种情况，我们会认为是找着了。假说存在一个粒子，电荷是多少，质量是多少，自旋是什么样的，如果你真的找到这么一个粒子，我们就认为你真找到这样一个粒子。

最后我们把夸克模型，还有其他一些粒子，合起来构成一个图13所显示的标准模型。这里面包括我们认识刚才说完的6种夸克，还有一类轻子，包括电子、，刚才说的中微子也在这里。剩下的是产生他们之间相互作用的粒子，我们一共有四种相互作用，模型只能描述其中三种相互作用：参与强相互作用的胶子，参与弱相互作用的还有传递电磁作用的光子。

图13.粒子的标准模型

4.  寻找希格斯粒子

但是当物理学家一开始把这些相互作用粒子放进去之后，发现这模型还存在一些问题。在60年代，有一位英国物理学家叫彼得·希格斯，他和其他一些物理学家预言应该还有一种特殊的“场”，叫“希格斯场”，它的激发粒子是“希格斯粒子”，以弥补模型的问题。但是从来没有人找到过希格斯粒子，所以从上世纪60年代物理学界就踏上了寻找希格斯粒子的征程，最终在2012年最终宣布找到了这一粒子，宣布找的希格斯粒子的人正是我们之前提到的CERN。他们为了寻找希格斯粒子建设了全长27公里的大型强子加速器LHC，比北京地铁二号线还要长出一些。但是LHC里面不跑地铁，而是抽成真空，再放进去一些质子加速、再对撞。这差不多相当于你发现有一个瓷瓶子，摇一摇能响，你想知道里边是什么，就把它砸碎。找两个高速质子让它相撞，看看能够撞出来什么东西，这就是寻找希格斯粒子的基本思路。

对撞机（图14）是一个非常巨大的容器，研究人员形容它是一个四层楼高的“瑞士手表”，非常精密地巨大仪器。它通过质子的碰撞收集数据，那么有大量的质子同时碰撞，碰撞产物有大量的粒子，所以这是一个非常巨大的数据储备工作量。

图14.大型强子加速机

为了发表这篇需要处理大量数据的论文，全世界各国的科研院所都加入进来处理这些数据，大概有上千个科学家，其中当然有中国科学家，这是一个非常浩大的工程。我们发现这些合作的国家中，包括正在打仗的国家，比如以色列和巴基斯坦，也包括敌对国家，比如印度和巴基斯坦，俄罗斯和格鲁吉亚等，他们都派出了科学家，参与到这次全世界范围内的推动人类文明进步的这项科研活动中来。这在科学界里成为一个美谈，甚至有人拍了一个纪录片，专门记录找到“希格斯粒子”过程，叫Particle Fever 粒子狂热。不禁让人想起席勒的欢乐颂：

欢乐女神圣洁美丽，

灿烂光芒照大地；

我们心中充满热情，

来到你的圣殿里！

你的力量能使人们

消除一切的分歧；

在你光辉照耀之下，

四海之内皆兄弟！

两个质子碰撞时能量非常高，会出来大量的粒子（图15），我们怎么知道哪一条轨迹是希格斯粒子？它们都不是。因为按照理论，希格斯粒子会很快地衰变成光子，肯定不会存在于这些粒子的轨迹当中。我能够找的只能是形成希格斯粒子之后所变成的那一对光子，这就需要把所有的发出的光子找到，再看看是否存在希格斯粒子的痕迹。这也是LHC探测器所需做的。

图15.一次质子碰撞所放出粒子的轨迹图像

图16.论文中的光子谱图像

图16是CERN论文中给出的一张数据图。它的横坐标是光子的能量，意味着应该是由什么质量的粒子衰变出来的。纵坐标是该能量下光子的数量，按照理论应该是能量越大对应的粒子就越少，如虚线（或黄线）所示。但是在125GeV附近的地方明显出现了一个凸起，这就是物理学家所找到的希格斯粒子的样子。

虚线是由理论计算出来的概率分布所得出的曲线，但我们知道概率事件的结果存在一定的波动。比如说我们扔硬币，扔六个硬币，那么期望大概是有三个正面，三个反面。不过扔过硬币的都知道，有可能出来四个正面，有可能只出来两个正面，这就是我们所说的波动。也就是说光子的数量按理说应该是这个曲线，但实际的数据都分布在这条曲线的周围，这块很多突然多起来一点，这块突然少一些。但是我们凭什么就认为这个凸起是出现了一个希格斯粒子呢？

刚才我们说扔一个硬币扔六次，可能会出现三个正面，也可能会出现两个正面、五个正面的情况。当出来的六个都是正面，你就会开始琢磨，是不是这个硬币是有点问题？实际上很多的研究，自然科学和社会科学的研究所做出的判断都基于这么一种琢磨，我们管这种判断标准称为显著性；也就是评价一个现象、一个结果有多大的可能不是随机出现的，也就是说它意味着某种新规律。比如扔六次硬币，六次都是正面概率只有六十四分之一，六十四分之一差不多就是百分之一点五左右，也就是说只有百分之一点五的概率你扔一个均匀硬币时会出来六次正面。在很多研究当中，主要是社会科学中认为只要这个概率小于5%就认为结果有显著性，也就是刚才我们所说的扔一个硬币扔六次都是正面的概率小于5%，那么当真的出现六次正面的时候你就可以说这个硬币是有问题。但在自然科学中我们发现概率为5%的事件其实也挺容易发生的，所以会要求结果满足更严苛的3σ原则。

σ代表一个概率事件结果的标准差。拿扔100万次硬币这件事来说，期望是出现50万次正面，当然实际结果大多会有或多或少的偏差，这里的标准差σ就是500次。我们能算出来50万减500次正面到50万加500次正面的概率是68.2%，这个范围就叫1σ。如果考虑50万减1000次到50万加1000次，就是说偏差了2σ即100次，这个里面的概率是95.4%。如果用3σ检验，我们认为落在3σ以外的都是比较奇怪的情况，也就是说扔100万次硬币出现了501500次正面或者更多，就说明这个硬币比较可疑。

社会科学的定位的5%大概相当于2σ的偏差，更严格的1%大概相当于3σ。回来看这个图16，我们发现这个凸起的偏差达到了5σ级别，所以就认为它不该是一个随机事件，而是真的有这么一个我们不知道的例子导致了这个峰凸出来。5σ也是目前所有物理学新发现所需要达到的标准。

5σ是什么概念？它意味着假如这个凸起的峰真是由光子凭借概率的波动而堆起的高峰，这个事件出现的概率只有1/3000000。拿扔硬币来说，5σ是指你扔一枚硬币连着扔22次都是正面——那这个硬币绝对有问题了。

所以正常来说社会科学认为是一个硬币扔5次都是正面就觉得硬币有问题，但是物理学不能接受这么宽泛的标准，物理学接受的标准是你必须达到5σ以外才确认你这个东西有问题。比如说一枚硬币连着扔22个正面出来，你才能说这个硬币有问题。其实我们很可能在第十几次的时候就发现两面都是正面，这是对概率的感觉。比如说扔5次都是正面，你可能还觉得我可能是运气不好，扔10次都是正面你就开始怀疑人生，扔15次你就已经把硬币拽下来翻面看结果都正面。但是物理学家一定要想到扔22次都是正面才能确定这个硬币是真有问题。所以图片中的凸起意味着什么？它意味着质子和质子碰撞的过程中产生了大量的粒子，其中有一些希格斯粒子，它们的出现导致了在这个能量上的光子数量多了那么一点。

所以我们没直接观察到希格斯粒子，我们也没观察到希格斯粒子“划过天空时留下的航迹云”，我们观察到的只是“今儿这里好像云有点多”，可能是希格斯粒子。到头来我们不仅一个希格斯粒子也没看见，我们甚至不可能知道出来了这么多这个能量的光子有哪些是希格斯粒子衰变产生的，但是正因为这个能量上的光子数量多了那么一点，我们就认定希格斯粒子是存在的。但是科学上认为这很可信，有多可信？它只有1/3000000的可能性是随机的。

5.  结

我们认识到世界是由原子构成的，原子内部又是非常空旷的，这个空旷的中心是原子核，原子核由更微小的基本粒子构成，这些基本粒子由标准模型中的粒子构成，这个标准模型中最后一个粒子——希格斯粒子最终也在2012年被找到了，但是找到希格斯粒子的方式我们觉得比较奇怪，并不是我们捉到一个，甚至也不是看见它留下的轨迹，而只是一个统计学意义上的“找到”。事实上大部分的夸克都是通过这种方式找到的，也就是说统计上它有一个足够高的峰，高度高于5σ，就认为它是存在的。所以到了最内部最核心的地方，我们验证粒子的“实在”竟然是以这样一种方式去进行的。

最早我们说肉眼看见的“眼见为实”是实在的，戴上眼镜大家也觉得是实在的，再往后用显微镜看见了洋葱细胞它又是实在的，X线看见远处的银河系碰撞大家也觉得是实在的，用电子显微镜看见的病毒也觉得是实在的。到后来我们寻找粒子的方式就演变为不是去找这个粒子本身，而是去找这个粒子划过一些介质所留下的一些轨迹，找到了轨迹我们也认为这些粒子是存在的，包括质子、中子等。再到后来我们发现，可能统计上的一个峰就代表一个粒子的存在。所以到最后我们的结论好像来到了一个比较奇怪的地方，当我们一步一步觉得可以扩展我们感官，以至于将感官扩展到这种地步——能够通过统计量的规律证实一个粒子的存在，那么这时候，它真的存在吗？

我们用各种各样的方法去“看”，最终我们看到的是一层又一层的“实在”，从肉眼到显微镜到电子显微镜，就好像在一层层地剥一个洋葱，最后看下去剥到最里层，洋葱剥完了是什么样？也不知道是什么。这个追问也是今后留给更多的科学家，包括科学哲学家去探讨的问题。

谢谢大家！