极简宇宙史（3）

第5章 一所特别的监狱

咖啡越来越凉，你端着牛奶的手也开始酸痛。但你毫不在意。

那个缩微版的你已将氢原子孤单的电子抛在身后，正越来越深入地潜入氢原子，向它的核心处飞去。许多一闪而逝的光珠（你在冰箱贴与冰箱之间看到的那种虚光子）在你周围不断地出现、消失，证实了你所飞奔而去的原子核的确带有电荷，也推翻了认为在电子与原子核之间只是一无所有的虚空的想法。

以你现在所在的原子大小尺度，你穿过了极大的距离才到达氢原子的核心。

但你还是找到了它。

与电子一样，原子核看上去也没有自己特别的形状，但它的确有质量。原子核很重，比电子重多了。重了1836倍。它的确带有电荷，果真是完全与电子相反的等量电荷。

它被称为“质子”。

它比电子大，但与原子本身大小比（也就是电子占据的空间大小），它又显得极其微小。出生于新西兰的英国物理学家欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）在一九一一年发现了它的存在，在这个伟大发现的三年前，他刚刚因对当时而言还非常新颖的放射性现象进行的研究而获得诺贝尔化学奖。他有所不知的是——当然，他不可能知道——与电子不同，质子不是基本粒子。它的里面还有一个世界。

你已不再花时间去挑战不可能之事，你立刻闭起眼睛，伸开双臂，用瑜伽的方式去感觉质子里面的世界。

突然之间，你感觉到一种大过一切的力量，你以前所经历体验过的任何作用力与这个力量相比，就像是孩子的游戏。你睁开眼睛，直直地看着。

电磁力能够轻易胜过你：有些磁铁能够彼此紧密贴合，你永远没机会把它们分开。

引力也能战胜你，事实上它的确如此：你永远不可能跳脱地球的引力。

但现在你面对的简直就是另一种水平的力量。

在质子内部，那个看上去像模糊云状的球体中，你瞥见无数虚拟粒子出现、消失，就像发生在冰箱贴与冰箱之间或电子与质子之间的电磁光珠一样。但这些不是虚光子。它们携带的是另一种作用力，这种作用力与其所属的量子场一起，成为宇宙中所有物质得以稳定存在的重要因素。

没有它，所有我们熟悉的东西都将在转眼间消失。所有东西，包括你的身体。

那些在这里携带着这种惊人力量以保持一切物质完整的虚拟粒子比携带电磁力的虚光子有力几百倍，它们携带的是所谓“强相互作用力”。

但如果它们“只是”作用力的携带者，你为什么没有看到它们所在场中的基本粒子？虚光子令带电荷粒子互相作用，那么这里发生相互作用的又是什么？

你毫不犹豫地跃入质子中，又一次闭起你缩微版的眼睛，抬起你缩微版的手开始摸索……感觉……搜寻这么强大力量的携带者存在的目的……那么多能量围绕在你身边，你需要竭尽全力才能集中注意力，但最后，你还是成功了。你能辨出三种东西，三种模糊的、波状的、沉重的被科学家们称为“夸克”的小东西。这个名字或许听起来很奇怪，但所有名词在让我们熟悉之前不都这样？

除了现在的你，没有人真正见过夸克本身。它们自己甚至不能独立存在——那些不停地出现并消失在它们周围的强有力的虚拟小家伙们不会让这种事发生。夸克之间距离越远，它们的强相互作用力的携带者就会变得越狂躁，比宇宙中所有其他已知的力量更有效地将它们拉回到一起。

对于生活在质子里的三个夸克来说，生活实在很受限制，如同是在监狱，真的。

那么那些虚拟监狱守卫呢，强相互作用力的携带者们，它们又都是谁？是什么东西？它们不是光子，非常确定。它们也不是电磁场的一部分，记住：它们是另一种完全不同的场——“强相互作用量子场”的表现。

它们将夸克们粘在一起的能力非常高效，因此得到了“胶子”的名字。

夸克与胶子。

它们构成了我们宇宙中所有的质子。

缩微版的你正在探访的最小监狱里还是有些怪事的。

我们中的大多数人绝对相信如果自己被投入铁窗之后，作为一个人，自由就是离开你的牢房，离守卫越远越好。然而，对于禁锢在质子里的夸克，不管是不是有罪，自由却是反过来的。对于它们来说，自由在于短距离。它们之间距离越短，就越能自由地进行自己想要的行动。夸克的自由度真的是一个很奇怪的概念：当它们之间的距离变短后，就具有能够获得一整个世界的可能性。

由于发现了这种独特的自由度，三位美国科学家戴维·格罗斯（David Gross）、弗朗克·维尔切克（Franck Wilczek）和戴维·波利策（David Politzer）获得了二〇〇四年的诺贝尔物理学奖。这的确是一个很难理解的概念。在他们获奖之前几年，有一次我在剑桥大学遇见了戴维·格罗斯和弗朗克·维尔切克，我一直在想应不应该向他们报销当年我在试图理解他们的工作时不得不吞下的治头疼的药片钱。

夸克与胶子。

基本粒子夸克是由自己构成的。

胶子也是如此。

作为我们所知道的最强力量——强核力的携带者，胶子将夸克监禁在一起，只有在夸克彼此非常接近时它们才能得到自由，因此确保了构成我们的物质不会裂开。

夸克与胶子。

真是两个奇怪的名字，虽然它们被用来形容最真实的本质，但因为离我们日常生活实在太远，听起来似乎毫无意义。然而，强相互作用力及其夸克和胶子关系到构成我们身体的大约99.97%的物质。如果一个六十公斤重的成人一下子失去了自己的夸克和胶子的话，他将一下子只重十八克。显然，他肯定活不了。

要了解时至今日人类对自身的真相知道多少，或只想知道我们由什么构成，我们就必须了解夸克与胶子。对我来说，这已经是一个开展研究的好理由了，更不要说它们将很快带领我们旅行到时空诞生后大约一秒的世界。

我们已经提到过，这些新家伙们属于强相互作用场。显然，这也是一个量子场，因此，我们先前在电子与光子身上发现的大多数诡异的量子行为——譬如，在此处消失，然后出现在彼处，也就是“隧穿”——在这里也同样存在。但我们需要强调的是，强相互作用场与电磁场不一样，虽然它也充满了整个宇宙。如果你愿意的话，可以把它看成是另一种海洋，它的水滴是夸克与胶子，而不是电子与光子。没什么规定说粒子只能属于一个海洋：带有电荷时，夸克既属于电磁场，又属于强相互作用场。它们能与两种不同的作用力携带者——光子和胶子——相互作用。但在短距离中，胶子的力量比光子强许多许多。

那么这个新的海洋是个什么东西？它的基本粒子是些什么？

强相互作用场有六种不同的夸克。如果有足够的能量，这六种夸克能够在强相互作用场里的任何地方任何时间出现。但在原子核中只有六种中的两种。它们就是所谓的“上夸克”与“下夸克”。宇宙中所有的质子中都有两个上夸克和一个下夸克，所以我们可以公平地说，质子“向上”的力量大于“向下”的，或许这就解释了为什么它们在自己亚原子监狱里还能如此开心。

但质子并不是唯一的夸克监狱，正如你能够在你的金原子里看到的那样。

缩微版的你对氢原子已经没有多少兴趣了，于是跳回刚才你切割宝贝的厨房桌子上。

你的金原子还在，于是你跳了进去。

深藏在七十九个旋转着的电子下面的金原子核比氢原子核大了好多。为了与七十九个电子配对，你找到了七十九个质子。但还有其他模糊的小球围绕或分隔这些质子。这些是不带电荷的小球。你能数出一百十八个。

因为它们是电中性的，这些模糊的小球们被取名为“中子”。它们也是夸克监狱，它们是由英国物理学家詹姆斯·查德威克（SirJames Chadwick）发现的，查德威克是那位杰出的卢瑟福①的助手，他也因此于一九三五年获得了诺贝尔物理学奖。

在每个质子中，胶子禁锢着两个上夸克和一个下夸克。上夸克占了多数。在中子里则正好反过来：下夸克二比一领先上夸克。

那么这些监狱又是怎么叠在一起构成原子核的呢？它们为什么不彼此分开或塌缩？那些质子可都是带有正电荷的，它们应该彼此排斥才对啊。

但是没有。为什么？因为强相互作用场和它的作用力携带者不许它们分开，不过是通过一种很奇怪的方式。一种残余的方式。

缩微版的你大胆地决定靠近一点，仔细看看那些难以捉摸的胶子如何将夸克禁锢在质子之中，以理解上面那段话是什么意思。它们就在那里，你没法看得太清楚，但你可以用瑜伽的方式感觉到。它们出现然后消失，防止夸克自己跑开。

突然，发生了一件非常奇怪的事。

某样东西离开了。有东西跳出了质子。那是什么？胶子？毕竟，这没有什么不可以。它们是守卫，不是囚犯……

但是，不对，不是胶子。

不管怎么说，好像不是自己走掉的。

你将自己瑜伽的感知力再次提高……这就是了。

胶子恰巧不是那种自己离开的东西。它们必须找到另一个胶子配对，一个朋友。当遇见合适的那位时，它们变成了另一种东西……

你环顾四周，就在那里，你的左边，两个夸克之间，再次发生。

一个胶子从背景场中出现，它的朋友也来了，另一个胶子，它俩合在一起……啪！就像光能变成电子，这两个胶子将自己变身为两个夸克！一对没被胶子束缚的夸克双胞胎！它们自由了，作为全新的粒子，它们离开了它们所属的夸克监狱！

你看着它们离开。

它们冲着邻近的夸克监狱奔去。实际上它们已成为另一种作用力的携带者，一种并不作用于夸克，而是作用于夸克监狱本身的作用力。当它们到达夸克监狱时，它们又变回胶子，在自己消失前开始守卫那里的夸克……

正是因为存在这种交换，中子与质子才能共存于原子核中。利用从一个监狱跑去另一个监狱的方式，两个胶子变成的夸克确保了原子核的稳定。参与交换的粒子，那对穿行于监狱之间的夸克双胞胎被称为“介子”。它们所携带的作用力被称为“强核力”。这是一种吸引力，非常强大的吸引力。

日本理论物理学家汤川秀树早在实验发现介子存在之前很久就已预言了它们的存在，他因此获得了一九四九年的诺贝尔物理学奖。

还有一个有趣的插曲，存在于所有质子和中子内部的夸克和胶子的这些纠缠，正是造成我们很早以前就已提过的丢失的质量的原因，正是这些丢失的质量让恒星发光②。

你现在已经很熟悉了，在恒星中，小的原子融合在一起变成更大的原子。也就是说恒星们将中子与质子们聚拢在一起，而且与分开时相比，这些中子和质子们一旦聚在一起，就不需要那么多虚拟胶子来守护它们的夸克（或介子来守卫它们的监狱）。有点像两个公司合并后，一些员工岗位就重复了，有些员工就会因此失业……在恒星内核，多余的胶子与介子也被解雇。因为它们带有一些能量，而且能量就是质量，解雇它们就意味着聚合而成的新原子核质量会变小。这就是为什么所有因聚变而产生的原子核比聚变前原子核各自重量之和要轻。这点与现实生活中解雇员工不同，然而，这些丢失的质量变成能量让恒星闪耀，其兑换率就是E=mc2。

在恒星内部深处，引力的能量被用来合成原子，这个过程又会让质量被转化成光和热，以及其他许多虽然存在但无法被我们眼睛看见的粒子。虽然我们生活中的大多数真相都隐藏在我们的感官之外，但一切都在我们的宇宙中被联系到了一起。

①卢瑟福是历史上最令人印象深刻的实验学家，他还发现了原子具有原子核（我在本章前面已经提到这一点）。他曾经担任过英国剑桥大学卡文迪许实验室主任，查德威克就在那里工作。

②如果你忘了在哪里，请参见第一部分，第3章。

第6章 最后的力量

现在，你已经看到了两种量子场，一种负责所有的电磁作用，另一种形成了人类已知的最强大力量——名副其实的强相互作用，以及它延伸出来的强核力。

在某种意义上，这些作用力及它们所属的场都是建筑之力。虽然磁荷会彼此吸引或排斥，但电磁力确保了电子能留在原子核周围。没有它，电子可能飞走，或者坍塌到原子核中，这些之所以没有发生，是因为虚拟光珠阻止了这种行为。电磁场提供了原子的电稳定性以及原子们互相分享电子、组建分子，以及形成我们自己的物质构成的机制。

另一方面，强核力管理着原子核自身内部。它将中子与质子拉在一起，构建起原子核。没有它，所有的原子核都会解体，我们会在一瞬间变成一团质子与中子之雾，地球与其他所有物质都一样。

构成这一切的根本，是将夸克禁锢在这些质子与中子之中的强相互作用以及从背景中出现的胶子，它们创造了质子与中子。

现在你已游览了这两种场，看到了它们相互作用的粒子和作用力携带者，是它们给了这个世界坚硬的性质，虽然迷幻，但还是能被把握。你见到了电子与光子互相的嬉戏和转化。你见到了胶子与夸克都在珍贵的金原子或平常的氢原子的核中摇摆。氢原子虽然普通，却是宇宙中质量最小、含量最多的物质构材，恒星们在内核里将它们融合在一起，建造出最终构成你我的物质。

氢原子，它或早或晚的枯竭将会引发宇宙中所有恒星的死亡……

想到这最后一句话，你忽然记起了五十亿年后我们太阳的命运，一下子恢复了自己正常大小，留下那个缩微版的你依然在某处飘荡，逗留在那个你以正常眼睛无法看见的世界。

自从你舒服地躺在小岛沙滩上懒洋洋地仰望星辰以来，你对宇宙的感知已经发生了巨大的改变。你现在已经知道没有什么是真正空的，所有东西都与其他所有东西相互作用，直到原子的最深处，正是这些遥远的相互作用，构建了原子并让它们成为一个整体。

你厨房窗外的天空，现在已经变红。太阳正在西边落下，将大片云层涂上火烧般的色彩。

喝着已经变冷的咖啡，你漫不经心地走了几步，站到窗边向外看去，看向天空，忽然之间，你明白了恒星世界的真相。

宇宙里所有的恒星都发射出光芒，将光子与各种粒子投向自己的周围，这些光子和粒子都是它们内核中原子核聚变工厂的直接或间接产物。虽然引力——在自己周围的时空中所引起的弯曲——让每一个接近或经过自己周围的物体掉向自己，但那些粒子与光子的风暴则是向外吹去，朝向太空，朝向远方，在不可见但充满整个宇宙的背景场中辐射出阵阵涟漪。

宇宙就像一个巨大的海洋，一些（非常认真的）太空工程师们想要建造有着巨大风帆的宇宙飞船，巨大的风帆将利用太阳风将飞船带入宇宙深处，这样，宇宙水手们就能沿着时空曲线前进，不需要任何燃料……

夜晚已经降临，你纹丝不动。天空一片晴朗。你注视着星空。星星不是很多，这儿的光污染太强。你知道从这里看到的星星与你在热带岛屿上看到的不同。你正接受着来自银河系不同地方的恒星们所释放的光子。那些都是恒星，巨大的球体，它们的引力能量通过原子核的融合将大原子从小原子中制作出来。

真令人惊叹，多少有些与我们人类所习惯的相反，一切东西看起来都构成了某种建造的力量。

看起来似乎如此，因为你还没看到我们知道的所有东西。

要看到所有，我们还需要第三个量子场。

第三个充满整个宇宙的海洋，与另外两个一样，但这个海洋里基本作用力的携带者既不是光子，也不是胶子或介子。

在某种意义上，我们可以把这个场看成一个毁灭的场，一个将另外两个场建造起来的东西拆除的场。它是统治我们宇宙的四种作用力中的最后一种。

这最后一种作用力也是核力：就像你已经看到过的强核力，它只作用于组成原子核的构件上。但这个作用力比强核力弱许多，因此被称为“弱核力”。它所属的无处不在的量子场被称为“弱核力量子场”，弱核力量子场有着属于它自己的基本粒子和作用力携带者。自发的原子核分裂，一个被称为“放射性”的过程就是它的特征之一。

在你出发去见证放射性现场反应之前，或许应该提醒你，放射性夺去了许多它的发现者们的生命。因为他们不知道这种致命的不可见光会慢慢地打碎自己身体，他们不加防护地处理那些具有很强放射性的原始材料，受到了大剂量的辐射……伟大的波兰裔法国科学家玛丽·居里——唯一一位获得过诺贝尔物理学奖（一九〇三年，表彰她共同发现了放射性）和诺贝尔化学奖（一九一一年，表彰她发现了两种新原子：镭和钋）的科学家，就是这许多牺牲者之一。她或许不知道自己因何去世，但你即将看到的东西，就是如果她有着今天我们所具备的知识就应该能够看到的情形，要是她也能像你一样变成缩微版的话。

你把冷咖啡倒入水池，意识已经又回到了缩微版的自己身上，你那微小的眼睛过了一小会儿才适应了黑暗。

你依然在刚才那个金原子附近。

它就在你面前，这是一个强壮而坚硬的原子，只有具备比太阳更大的引力才能把它造出来。黄金不是在恒星活着时形成的，而是诞生于恒星的爆炸死亡。当我们的太阳死亡时，它也能产生一些黄金，或许有一天，它们将出现在未来外星物种的手指（或者触须？）上。

你看着它，但是这个金原子看起来并没有显出几乎所有人类都确定赋予它的富贵之气。

为什么它会被崇拜呢？

它会随着时间的变化而改变吗？如果附近有别的原子，它会抓住它们构建一个出色的分子吗？

你等待了一会儿，看看它是不是有什么特殊才能。

没有。

什么都没发生。

这就是一切。

在它身上什么都没发生，这个事实本身就是黄金如此值钱的原因之一。金子不会生锈。它不被氧化（当氧原子的电子与其他原子结合时，就发生了氧化）。它也不被腐蚀。如果你有一块金子的话，它是所有金属中最有韧性的一种：与所有其他金属相比，你能把黄金拉成最长最细的金属丝（铂和银远未到这个程度就已断裂）。将许多金原子放在一起后，你可以将它熔铸成几乎任何你想要的形状。不管你怎么处理它，它都依然保持导电性，也就是说，在一条金原子所组成的长链的一头引入一个电子，它能沿着长链波动，在另一头释放。

所有这些出类拔萃的性能都能带来各种实际应用，虽然从戴在手指的婚戒上难以看到这一切。这些应用本身就能让黄金成为无价之宝。

再加上黄金稀少、难开采、诞生于死去的恒星这些事实，你可以理解它为什么这么昂贵了吧？我们准备离开了，毕竟在金原子上不会有什么变化发生。

你需要另一个原子向你展示新鲜事，巧了，边上就来了一个。

这个原子更大。

你看到九十四个电子围绕着一个由九十四个质子和一百四十五个中子构成的原子核旋转。二百三十九个夸克监狱。比金原子还多四十二个。

这个原子是臭名昭著的钚元素的一种形式，因为它有二百三十九个夸克监狱，它又被称为钚-239。还有其他形式的钚，就像除了那块你在厨房找到的金块，还有其他形式的金元素③，它们的不同在于其原子核中中子数的不同，中子数可多可少，但它们的质子数永远都是相同的（否则就不再是钚或金了）。

虽然金原子没什么好看的，但这个钚原子不一样，你已经感觉到有些不同寻常的事很自然地即将发生，就在钚-239的原子核中。

毫不犹豫地，你穿过一层又一层电子外壳，穿过填有虚光子的巨大真空，来到它的原子核边上。那二百三十九座夸克监狱就在你的眼前。强核力让它们整齐地堆积在一起，但你的直觉让你特别关注其中的一个中子。

你冲了进去。

那里有两个下夸克和一个上夸克，被固执的胶子紧紧地捆绑着。

你刚安顿好自己，就看到一个你从没见过的虚拟粒子击中了一个下夸克。这个你从未见过的虚拟粒子自发出现，能将下夸克变成上夸克。这个变了身的夸克原本所属的中子也因此变成了质子，引起了一场骚乱。现在整个原子核已不再平衡。其后果迅速展现，极为剧烈。

你的第六感让你赶快找地方躲起来，缩微版的你迅速撤离原子核和电子层，回头一看，那个钚原子核已经分裂分裂再分裂，变成较小的原子核，每个新原子核都想——有一些没有成功——抢夺自己的电子带走。在整个过程的每一步中都有带着极高能量的粒子飞出，包括有些你从未见过的。你的钚原子已经衰变，就发生在你的眼前。这场衰变形成的所有产物正被飞速射出。就像一场把自己燃烧殆尽的焰火，除非周围有很多钚-239原子。但你的厨房里没有那么多钚-239原子，所以很快就一切归于平静。

你刚目睹了自然界已知的第四种作用力——弱核力的一个侧面。它的携带者能将一种夸克变化成另一种。这些作用力携带者被称为W和Z玻色子。

你刚才见到的是一个原子通过衰变变成更小更稳定的原子。这就是原子核的自发核裂变，它是核聚变的反面。放射性衰变。这也是放射性的根源，弱核力及其携带者W和Z玻色子就主宰着这个领域。

沃尔夫冈·泡利——那个发现了不相容原理的同一个泡利——大约在一百年前研究了这种原子衰变。与你不同，他当时并不知道“场”这一概念，但他通过比较放射性衰变发生之前与之后的观察，发现一些能量不见了。于是他预言一定有一种粒子将这份能量带走，这种粒子具有很小的质量，不带任何电荷，非常难以捕捉，而一旦射出，将射穿我们所知道的所有物质，几乎不被阻挡。

我们现在已经知道这种新粒子的存在。你刚才就见到了它。在放射性衰变所释放的所有粒子中，只有这个你从未见过。它被称为“中微子”。

美国物理学家弗雷德里克·莱因斯（Frederick Reines）和他的同事们在一九五六年用实验探测到了中微子，大约四十年后的一九九五年，莱因斯因此获得了诺贝尔化学奖。他曾经说过，中微子是人类想象出来的最小真实。今天，我们知道这些中微子们（有许多种中微子）只受到弱核力场与引力影响。它们对电磁场及强相互作用场完全没有反应。

对于它们来说，原子真的就像你第一次见到它们时的印象一样：是空的。

这是一件好事。

为什么？

因为如果中微子与原子相互作用，我们就会有大麻烦，因为中微子被太阳大量地制造出来。

事实上，非常非常多。

大概有六百亿个中微子穿透你每一平方厘米的皮肤。

每一秒。

但它们根本就没注意到你。一个也没有。

不管这听起来多么让你不快，但它们分辨不出你与其他东西的差别。它们穿过你的身体，穿过地球④，继续它们奔向宇宙的旅程，就像你和我们的地球从来没有在那里一样。

现在我们都已经被教导放射性很危险，我们应该远离那些放射性材料如钚或铀或镭或钋……越远越好——的确如此。但因为中微子无法分辨你与真空，它们不可能是造成这种危险的因素。

带来危险的缘由在于衰变中释放的其他粒子，幸运的是，它们已经是你的老朋友了。

当原子核发生衰变时，它会分裂并发出中微子、夸克监狱、电子与光子。后面三种都很危险。

这些粒子中个头最大的是被互相绑在一起的四个夸克监狱：两个质子与两个中子结合在一起。它被称为“阿尔法粒子”，实际上就是一个失去电子的氦原子。为了成为正常原子，这个氦原子核就要想方设法偷到两个电子。它有几种方法实现这一目标。它可以从周围原子中抢两个过来（粗暴），它也可以与周围原子分享（互利），或者收留两个无主的电子（乐善好施的撒玛利亚人）。

在第一种情况下，那个被夺走电子的原子又会去寻找其他电子……当附近有生物（就像位于厨房里的你），皮肤上的原子失去电子后就会发生诡异的化学反应，导致所谓放射性灼伤。这是阿尔法粒子危险的缘由。

放射性衰变发射的第二种粒子是非常高能的电子，它能将远处的正常电子打飞（带来同样类型的危险），第三种类型则是高能光子，伽玛射线——我们在早先飞越宇宙时见过它们，当时强调的是它们无与伦比的高能所伴随的高频率。

伽马射线能够通过击中原子将后者的一个电子带走，让该原子成为急着寻找另一个电子的离子，同样烧灼我们的皮肤。

但是伽马射线也可能使事情变得更糟糕。

没有什么东西能够迫使它们只停留在我们皮肤的表面。它们可以穿过皮肤，给身体更深处造成局部混乱，不仅仅是把电子赶出其原子家园，还能破坏分子，例如我们细胞中的DNA分子，因而改变我们的指令库，而我们的身体正是依赖这些指令来制造维持生命所必需的各种物质。其后果往往是癌症和/或基因突变。

放射性可能带来的后果是可怕的。对此没有人提出疑义。但是，它也有令人高兴的一面：正如引力、电磁和强相互作用那样，放射性尽管是一种破坏性的作用力，但它却是随时随地始终发生的一种自然现象，甚至在我们体内也存在，只是水平非常低。除非经受了高水平的放射性辐射，否则没有什么大不了的。

事实上，每一个人都应该感谢放射性的存在。的确，它能杀死你，但没有它，你甚至不可能来到这个世界。在地球上，我们脚下深处，一直以来，我们的星球恰好有着许多能够衰变的原子。现在比过去少了一些，但依然，地球的地幔层是放射性的。当原子在那里衰变时，它们所释放出来的粒子撞击邻居，产生热量，就是这种热量保持我们地球的温暖。如果没有放射性，就不会有地震或火山爆发，地球表面早在几十亿年前就会是一片冰冷。我们所知的生命或许不会存在。

放射性打破原子，放射性有杀伤力，但它所代表的弱核力场将恒星储存在构成我们星球家园的原子中的一部分能量释放出来，还给我们，不可或缺地温暖了我们的世界。

最后，在把你送上另一场探访空间与时间起源的旅程之前，让我们小小地总结一下：原子能作为整体，通过原子核的裂变或聚变，能释放出它们所隐藏的巨大能量，人类试图在核电站中以各种效率利用这些能量。我们只能希望有一天，技术的发展能让这些技术变得更加安全清洁，因为它们有着巨大的潜力。

尽管核能有着不怎么良好的公众印象，尽管过去有着不当使用，但我们不应该忘记，没有核力，我们就不会存在。没有放射性，地球上就不可能出现生命。

当然，我指的是我们所知道的生命形式。

①卢瑟福是历史上最令人印象深刻的实验学家，他还发现了原子具有原子核（我在本章前面已经提到这一点）。他曾经担任过英国剑桥大学卡文迪许实验室主任，查德威克就在那里工作。

②如果你忘了在哪里，请参见第一部分，第3章。

③或氢或其他原子，真的。

④这是发生在日间的情况，在夜间，它们也同样穿过你，不过是在它们穿过地球之后。

第五部分到达空间与时间的源头

第1章 要自信

当我开始对某些人认为是纯理论物理学感兴趣时，我还不到二十二岁。在这之前我学了几年纯数学，非常喜欢它纯粹的美。古希腊哲学家柏拉图曾经说过——大约在二千五百年前，那时候没有人知道什么是天堂——数学是上帝与人类交流的语言。

在英国剑桥大学接受了我学习高等数学和理论物理的申请之后，我的第一反应是：“太好了！可以开始对真实世界进行深度思考了！”

我一点都不知道后来发生在我身上的事，就像你们也一点都不知道接下来的几章会带给你们什么一样。

在我进入剑桥前的那个暑假，我阅读了几本教科书还有过去和当时几位大师的著作，想清楚地了解科学对于我们周围的世界有什么说法。我特别注重量子世界方面的课题，毕竟，就像我们在第四部分中所发现的，微观世界是我们一切事物的根本，在那里，我们发现了构成我们宇宙万事万物的基本构件——的确，就算爱因斯坦的广义相对论也需要我们在理解这些基本构件之后才能用在更大尺度上解释宇宙的样貌。

许多诺贝尔物理学奖被授予那些在非常微小的领域作出突破性贡献的科学家们。

不用说，我对我自己将要开始的旅程兴奋不已，当我能够领会这些知识开拓者所创建的理论时，我开始记下他们无与伦比的想法，确保自己正确地领悟了他们的思想：

我想我可以很有把握地说，没有人懂得量子力学。

理查德·费曼（Richard Feynman）,一九六五年诺贝尔物理学奖获得者。

上帝很微妙，但他不会恶作剧。

阿尔伯特·爱因斯坦，一九二一年诺贝尔物理学奖获得者。

没有任何能够转换成图像的语言可以描述量子跃迁。

马克斯·玻恩（Max Born），一九五四年诺贝尔物理学奖获得者。

那些在一开始接触量子理论时没有感到震惊的人不可能真正理解它。

尼尔斯·玻尔（Niels Bohr），一九二二年诺贝尔物理学奖获得者。

我又很怀疑，或许上帝喜欢恶作剧。

阿尔伯特·爱因斯坦

这些出自量子理论之父们的论断足以动摇哪怕最具自信的学生们的信心。但是，我还是与来自世界各地的两百名年轻学生一起，坐着听完了天方夜谭似的讲课，还通过了当时被称为数学荣誉学士第三部分的考试——这个考试大概可以算是世界上历史最悠久的数学考试了，它依然以纯数学为主——我们所学到的新东西之多让我们没什么时间去思考它们背后所具有的哲学意义。

然后机会来了。

我进入剑桥九个月之后，我们时代最有名（也最聪明）的物理学家史蒂芬·霍金教授邀请我做他的博士研究生，与他一起研究黑洞和宇宙起源问题。深度思考将要成为必修课。于是，我花了一个夏天的时间搜寻所能够找到的一切材料，并且仔细阅读，结果差不多达到了你现在阅读这本书的水平。因为我有霍金做导师，可以把这一切综合起来，到达了更远更远的地方。现在，轮到你来做同样的事情了。

我们还有什么没有看到？

好吧，这是个脑筋急转弯问题。

一九七九年，一个非常特殊的诺贝尔物理学奖被颁给了三位理论物理学家：美国的谢尔登·李·格拉肖（Sheldon Lee Glashow），巴基斯坦的阿布杜斯·萨拉姆（Abdus Salam）和美国的斯蒂文·温伯格（Steven Weinberg）。

多年以来，科学家们一直试图理解你刚见到的弱核力中的一些独特的性质。格拉肖、萨拉姆与温伯格作出了一个令人吃惊的发现：电磁力与弱核力是早就存在的另一种作用力、另一种场的两种不同表现。他们发现，在宇宙的早期，至少有两种充满着我们整个宇宙的不可见的量子海洋曾经是同一个海洋，所谓“电弱场”。

这本身就是一个了不起的突破（所以得了诺贝尔奖），但它还为更大的理论——将自然界所有已知作用力统一起来（因此也就统一为一个理论）——的诱人前景铺下了道路。

对于这种统一的追求将贯穿于从现在到本书最后你所有的体验之中。带着这个目标，你将飞向空间与时间的源头，飞进黑洞，甚至飞出我们的宇宙。

然而，为了能够到达那里，你需要先了解当一个人将一处空间里所有东西都取出后，得到的是什么。

第2章 没有什么“什么都没有”

你还在自己的厨房里。

夜已经很深，很暗，一片安静。

如果你以前就觉得世界很美，那么现在你经历过的旅程显然带给它更多的风味。所有一切看上去都更深刻，充满力量和神秘。

哪怕是你不起眼的厨房。

你身边的空气里充满了漂浮着的原子，它们沿着地球在时空中引起的曲线下滑。

这些最初形成于早已死亡的恒星内核的原子们。

在你体内，以及任何地方的原子们，正经历着放射性衰变带来的崩解。

在你脚下，地板——它的电子们拒绝让你通过，因此让你能够站立、行走、奔跑。

你的行星地球，由人类已知的三种量子场所形成的一团物质，被所谓第四种作用力（虽然实际上它不是力）引力聚在一起，漂浮并穿行在时空之中。

这些听起来如此离奇，或者就像是彻底的神迹，你决定再给自己煮杯咖啡，然后你走回起居室，坐进那舒服、坚实，给你安全感的旧沙发里。

你试图整理一下头脑里乱转的各种想法。生命的意义是不是隐藏在某个地方，在我们刚才一起看过的世界之外的某个地方？你至今所学到的东西真的对头吗？

在你开始探访比你已经到达的更为遥远的地方之前，让我告诉你：揭开世界之谜是一个正在进行中的工作。科学或许还不能回答所有问题，虽然它已经回答了不少。这取决于你的期望是什么，我可以告诉你一个真相，本书的结局未必比开始更易于理解。如同美国理论物理学家爱德华·威滕（Edward Witten）①所说：“在远离你安逸家园之外的宇宙，并不是为了你的方便而被创造的。”

或许我们应该记住我们一起离开安逸的日常生活，进入黑暗的海洋，因为不管这个论断多么谦逊，但它提供给我们每个人完全的自由，让我们能够以个人的方式解释我们所看到的东西。这是一件好事。因为不同的观点越多，人性就越丰富，科学也越能往前发展。

我在上一章结尾就已提示，在我们充满信心打开通往未知世界的大门之前，我们必须先熟悉被科学家们称为“真空”的那个概念。这是当今理论物理学家们理解量子现实的基础——这是一个理论模型，它帮助我们作出精确到难以置信的程度的预言，这些预言已被无数次不同实验反复检验并证实。

在宇宙中随意选择一个地方，一个区域，拿走其中所包含的一切。我指的是所有东西。

奇怪的是，剩下的并不是空无一物，虽然你觉得自己已经拿走了里面的一切。

这合乎逻辑吗？一点都不。但大自然并不在乎我们人类怎么想。

现在，请闭起眼睛。

为什么？

因为我们周围有些东西是不能承受被看着的，你将要面对的真空就是其中之一。

在我们开始之前，先等一分钟，放松一下，想想那次你从可爱的热带小岛坐飞机回家的旅程。

你或许记得在飞机起飞不久后你就睡着了。真的，如果你问下那位看上去古里古怪的邻座，他大概会告诉你在整个飞行的大部分时间里，你都鼾声震天。

那么在你整整八小时的睡眠之中，飞机上到底发生了些什么呢？你在整个飞行中穿越了几个时区？的确，如果没有一个人仔细观察，那么任何一架飞机在空中具体飞过的轨迹又有谁知道？

你对这次航程的了解只限于你睡着之前和醒来之后。你看向窗外，看到你的飞机从一个遥远小岛上的跑道起飞，看到它安全地降落在你家所在的地方。在两者之间，你的脑子里没有任何飞行轨迹的印象。你完全不知道中间发生了什么。

现在，要是有人告诉你，你的飞机按照完全不是你想象的路线飞行会怎么样？去了木星，比如说。或者像中微子那样，穿过了地球，或者在时间中来回穿越？我猜你可能很难相信。

但是，不管你是不是在做梦，你的确在第三部分中经历过这种诡异的轨迹，在八小时时间内飞到了四百年后的地球。所以，我们必须更仔细地看看到底发生了些什么。

你现在知道如果要让这个情景真正实现，你的飞机必须以非常快的速度飞行。的确，它得飞入很远的外太空，接近光速，然后再飞回已经过了四百年的地球。

在现实生活中，你或许能够找到很多无可辩驳的论据来否定这样的轨迹，或否定你乘坐的飞机可能有这样类似诡异的轨迹，但依然如此：如果我告诉你，在你睡着的时候，你乘坐的飞机不仅真的飞入太空并且飞了回来，而且它实际上还同时沿着各种可能或不可能的路径从你入睡的彼时彼地，又回到了你醒来的此时此地，又会怎么样呢？穿过地球，然后回来；绕过木星，回来；所有的路径，都被飞过。

你大概从此再也不会相信我的鬼话了，对吗？

很好。

这意味着你已做好准备一探真空了。

你的咖啡、花瓶、你的沙发、你的屋子，都不见了。

你回到了只有意识才能访问的世界，你几乎就是个影子：完全透明，只有一点点形状。你不受周围一切的影响，也不会影响周围的一切。

然而，你的周围到底是什么，并不完全清楚。

在你看起来，那里，嗯，什么都没有。

只有黑暗，笼罩着一切，延伸到无穷。

你早已对这种剧烈变化的风景见怪不怪，依然漂浮在这看起来就像被掏空了所有一切内容物的宇宙中。

一开始，这幅景象颇让你平静，但很快，你不得不承认，你觉得无聊。既然无事可做，你再次想起我刚告诉你的关于在飞机上睡着的事。

一架真正的飞机真的可能完全按照不可预期的方式飞行吗？对各种可能的路线保持开放的心态是一回事，但真的从地球中心飞过？或在时间里来回穿梭？别开玩笑了！

是的，你是对的。“别开玩笑了！”是面对如此可笑想法的唯一自然反应。

但你依然应该对此保持开放心态，因为对于飞机来说听起来疯狂的事，对于微粒来说可能非常真实。

现在就让我们拿粒子来思考一下，一颗没有被任何人观察着的粒子。你想象一下它从一个地点运动到另一个地点，你只能在起点与终点探测到它。现在，同样一个问题：如果你不去观察，这个粒子究竟是沿着什么轨迹从起点运动到了终点？

显然这取决于……

但是不对，它并不取决于任何东西。对飞机来说，这个想法可能过于抽象，但对粒子来说，这是真实情况。只要你没有去观察，一个粒子就能真的经过你能够想象的所有途径，不管这些途径听起来合不合理。粒子的运动和行为与你在日常生活中所看到或经历到的一切都不相同。或许你在游历原子的内部结构时已经瞥见了这个秘密，看到了电子和其他粒子并不只是一个球状的某块物质。现在我们将接近一个更深层的真相：量子场会给粒子带来奇怪的效应。

一个粒子属于量子场意味着它的确分裂成许多它自己的影像，一直都是。所有这些影像所经过的轨迹填满了空间与时间中的每一点，如果你想偶遇的话，在任何一个时间或地点都有可能见到那个粒子，只是几率大小不同罢了。

更糟糕的是，在物质的粒子或光子被探测到之前，它们无数的自身影像可以再次分裂并变成其他东西，然后再变回它们一开始的自身。就像光子开始变成电子，电子变成光子，在我们没有观察的时候，宇宙中所有的粒子都能变成另外的东西。量子微粒是一些难以捉摸的小家伙：当大自然没被关注时，一切可能发生的事都发生了。如果你不相信我说的话，请自己看。

你漂浮其中的无边夜空中有一些事情正在发生：一个白色无门的立方体房间出现在你周围，很快，你发现自己位于其中，它的墙壁被完美的白色微小探测器盖满。几百万个。

就在你的正前方，这个无门的房间中间从地板到天花板竖着一根金属柱子，有你的手臂那么粗。

房间里唯一的另一件东西就是一台黄色的仪器，看上去有点像那种能够弹射网球的装置。这个奇怪的小机器人看上去正通过它的发球管注视着你。

显然替他编写程序的人很讲礼貌，它向你打了个招呼：“你好！”

它没有嘴巴或眼睛或耳朵或任何器官，但它能说话，嗓音有点沙哑。

“你好。”你回答道，谁知道呢，你打算开始提问。

那机器打断了你，解释说它身体里充满着蠢蠢欲动的粒子，它将从现在开始，一个接一个地将它们抛向房间的另一边。

如果你想知道它们是光子还是物质粒子，回答是两者都有可能——因为你将要看到，物质与光在根本上具有同样的行为。

显然机器人已经等不及了，立刻开始倒数：

“三……二……一……”

管子里出现了一个粒子，一瞬间，房间的另一边响起一声铃响。你好奇地觉得那个机器人很满意自己的动作。

你向一边微微侧过身去，看到墙上的一个探测器变黑了，位于金属柱子后面。

第一个问题：“那个粒子是怎么去往那里的？”机器人问道。

它那空洞的职业声调并没有让你不快，你站到投球手抛出微粒的位置，一条直线连接了发球管与变黑的探测器。那条显然就是粒子轨迹的直线几乎碰到了金属柱，还差一点儿。

“这就是轨迹。”你回答，抬起手指指向那粒子唯一可能经过的方向。

“错！”机器人回答道，简单直接。

“再说一遍？”你说，颇感意外。

“你的答案不正确，不管你指向的是哪个方向。”机器人说道，你怀疑编程者是不是真的考虑了礼貌。

“但只有这条可能的线路！我现在就看着它。”

“如果你依赖感官与直觉，”机器人继续说道，“那么你将一直给出错误的回答。每个刚进入这间房的人都会犯这个错误。量子微粒所遵循的规则与你们日常生活中的不同。对于粒子来说，你的感官和直觉没有用。忘掉它们。”

不管你觉得它的态度多么粗暴，这个机器人说得一点不错。虽然它的外表看上去没什么了不起，它却具有实现本书所述的各种方程式的能力，事实上它是世界上最先进的计算机——就像计算机常常是科学家们真实生活中最好的朋友一样，它能帮助他们看清自己的理论，我们的机器人超级计算机也将在我们这本书的剩余部分中给我们提供许多帮助。

它能按照我们人类已知的自然规律模拟任何进程。例如，你现在所在的白色房间，就是这台计算机的杰作，里面所发生的一切都遵循着大自然已知的法则。

或许看起来我们的机器人所投出的粒子按照标准直线飞行，但粒子们属于很小的微观世界，位于我们的常识之外。计算机说你错了，因为刚才所发生的事件与你是否看见或是否聪明没有关系。计算机谈论的是大自然，在这点上大自然坚定而清晰：粒子的行为不同于网球，而是量子微粒。从一个地方运动到另一个地方，它们会在时间与空间上经过所有可能的路径，只要这些路径出发于起点，终止于终点。因此机器人所发射的粒子的的确确经过了所有地方。同时经过。那根柱子的左边与右边，以及从中间穿过。甚至在房间外面，进入未来并回来——直到它击中墙上的一个探测器为止。

不用担心，你并不需要理解这些。事实上你是不是理解完全没有任何影响，自然就是这么运行的。无人观察的粒子的确沿着时空所能提供的一切可能路径运动。房间中央竖着的金属柱子也不改变任何东西。实际上它竖在那里的意义只是为了让你有个参照。拿走它后粒子照样从它原本所在位置的左边和右边穿过。

另一方面，那些在墙上的探测器们，的确造成不同：击中其中的一个令粒子最终出现在某个地方。

在你身后，那个黄色的粒子发射机器开始振动，变得热了起来。你猜想它是不是出了故障。似乎看穿了你的想法，它突然又开口说话。

“所有的一切都正常，我在放慢时间。那需要能量。你下一次眨眼的时候，我将投出另一个粒子。你将会看到这个房间会变成什么样子，或许你真的能够见证这个粒子从发球管到对面墙上所有可能经过的途径。”

还没来得及细想，你禁不住眨了一下眼，机器人的确开始了又一次倒数。时间的流逝也开始变慢了。

“三……二……一……”

粒子以极慢的速度离开机器人。一开始，它看上去像是一团模糊的云。你就站在发球管后面，看着它似乎分裂成无穷多的自身鬼影，实际上成为一种波，一种被它所属的背景场推动着的波纹，向着空间与时间的各个方向运行，从柱子的左边与右边，还有中间穿过，还穿过了房间的墙壁，分裂成你能够想象到的极限之多的自身影像，真的是这样，直到突然之间聚集在一起，结束在房间另一边墙上的一个点上，触发了另一个探测器。探测器变黑。铃声响起，时间回复到正常速度流逝。

你刚才拜计算机模拟所赐见到的在白色房间中所发生的图景，就是科学家们相信无人观察到的粒子的行为。当有人对它们进行观察时，所有的规则都改变了。当雷达在整个航程中不停地跟踪飞机时，它就不可能出现在被探测到的地点之外的地方。同样，当有人试图探测一个粒子时，就像那些安装在墙上的探测器所做的，粒子就不再出现在所有地方，而是只在一个地方。然而，与里面坐着乘客的飞机不同，在没有人观察时，粒子真的到处都在。

从表面上看，这听起来就像“森林中倒下一棵树”的问题：如果没有人听到，那么树发出声音了吗？当我们在场时，树真的倒下了吗？但我们这里所谈的不是哲学——我们谈的是大自然，是包围并构成我们自己的粒子们的行为。

现在，为什么粒子——大自然——会在乎有没有人观察它？是的，许多科学家也在思索这个问题。这个问题引领着一些科学家做出看似疯狂的回答，我们将在第六部分中做一下介绍。现在，就让我们先指出你刚才所见证的现象已经被无数实验所证实。粒子无处不在，又突然不在那里了，探测器本身迫使被抛出的粒子必须击中房间里墙上某处的探测器。

“如果你感到迷惑，这是完全正常的，”机器人说道，“我向你展示的就是探测真相会改变自然的活生生例子。”

“再说一遍？”你皱着眉头，问道。

“真相在你注视它时发生了改变。”机器人又重复了一遍，“如果你感到迷惑，这是完全正常的。”

非常微小的量子世界，看上去是一个由各种可能性构成的混合体。

所有粒子所属的量子场是这些可能性的总和，然而，当有人试图找出粒子的真相时，看见粒子就意味着许许多多存在着的可能性中的一个被选了出来，这种选择就是你探测到它这个行动本身。没有人知道为什么会这样，或者这是如何实现的，但真实的结果就是如此。在你与量子世界相互作用时，多重性变成了单一性。就好像，在别人眼里，在生命中的某个时间点对于某个话题，你所具有或不具有的所有想法的可能性都存在，直到有人听到你大声说出的时候，在此之后那种无限的可能性突然被缩小为一个想法。这就是那间白色房间墙上挂着的探测器所做的事。它们迫使机器人发射的粒子最后落在某个地方，而非一直处在所有地方，剥夺了它们无处不在的特性。

你逐渐意识到这件事可能带来的后果，不禁汗毛倒竖，虽然你依旧只是一个影子。这是不是就意味着有了合适的探测器，你就能够创造你自己的真实世界？仅仅通过试图探测它们，你是否能够让粒子——物质本身——以这种而不是那种的方式运动，以此来塑造你自己想要的宇宙？威滕曾经说过宇宙并不是为了你的方便而被创造的，或许他错了。

在你开始夸口之前，我很抱歉地告诉你威滕是对的，你新发现的能力只是一种虚幻。你无法塑造宇宙，因为在你一瞥之后，构成量子世界的所有量子可能性中，究竟哪一个会成为现实无法事先被预料。这是构成宇宙的量子场的魔法之一。量子世界将我们所认为的确定性变成了可能性或概率，对于我们以实验探索那个世界，其给出的结果没有人能够以完全的自信预先猜到，就像扔硬币或掷骰子一样。科学家们曾经认为这种不确定性来自于他们自身认知的缺乏，但一九六四年北爱尔兰物理学家约翰·斯图尔特·贝尔（John Stewart Bell）发表的一个杰出定理证明了这种想法的错误。在贝尔提出的这条定理的指导下，法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）进行的实验证实：可能性而非确定性的存在是对于极其微小的世界你不得不接受的客观性质。

好吧。

但这一切与你原先要探索的真空又有什么关系？别急，你马上就会了解。

那个满是探测器的白色房间消失了，与它一起消失的还有房间中央的金属柱子和那台黄色的机器人，居然连“再见”也不说一声。

你又回到了看起来如同黑夜的宇宙中间，只有自己一个人，周围什么都没有。

你又缩小到缩微版的自己，开始看到某些东西的扰动。

这好像是……好像是一个粒子（或许有两个，你也不能确定）刚好出现在你眼前，又突然化作一缕微光消失。

什么都没有，然后突然有了一些东西，现在又什么都没有了。

奇怪。

现在，又发生了一次。再一次。无数次，到处都有。

你现在所看到的显然是粒子无中生有地自发形成。而在它们因为某种原因消失之前，这些粒子也按照它们量子的自由所允许的一切可能路径运动。

你应该能够接受上面所说的那句话的最后部分了，你已经在白房间里看到了这些无人观察的量子粒子如何运动。但它们怎么可能无中生有？

好吧，它们周围并不是什么都没有。量子场无处不在。

粒子要出现，就得先从量子场中借到一些能量。因为这些场填满了所有时间与空间，粒子因此可以在任何时间与地点出现。这就是为什么说宇宙中任何地方都不存在真正真空的原因。

你朝黑暗的更深处看去，突然，就像一直蒙在你眼前的某种滤镜被脱下，整个真实世界一下子展现在你的眼前。粒子们。在聚合。到处都是。填满了一切，从不停起伏的循环沸腾背景中射过。虚拟粒子们到处移动，互相作用，在一缕缕光或能量中出现然后消失。一场无与伦比的焰火表演正在所有的地方上演，没有漏掉任何一个角落。可以说这与你以前曾认为的巨大虚空的太空中“什么都没有”的想法完全相反。

这就是科学家所称的真空。

这就是当所有一切都被取走后所剩下的：位于最低能量水平中的量子场，虚拟粒子们自发从场中生成，只是移向各处，直到重新被吞噬湮灭。

我再说一次：在我们的宇宙中不存在所谓真正什么都没有的“空”。

当某个地方所有的东西被拿走之后，你可能有理由认为那里什么东西都不会留下。但事实就如你无法把某处的时间与空间拿走一样，你也无法拿走量子场的真空。

但如果真空不是真正的空——如果量子场的真空真的可被所有开始在其中生成的粒子所定义——那么就会带来一个很合理的问题：是不是到处的真空都一样，还是真空的性质可以随着地方的不同而不同？换句话说，有没有许多种不同的真空？

一九四八年，荷兰物理学家亨德里克·卡西米尔（Hendrik Casimir）研究了按照以上方式定义的真空，他的结论是，如果这真的是宇宙的真实存在，而非仅仅是理论设想，那么不仅仅我们周围应该真正存在着不同的真空，而且它们还应该在我们的世界里留下非常确凿的效应。我们应该能够探测到这种效应。

想象有一道墙，装在万向轮上，将两间房分开，其中的一间充满空气，另一间充满水。或许你认为墙会因此移动，被水推向一边，朝充满空气的房间移动。现在，想象将两块很小的金属板平行相对放置。没有其他作用力的话，就像刚才的房间，它们应该互相排斥（或吸引）对方，因为它们所分隔开的真空之间是不同的。

为什么？

原因很简单，因为在两块金属板外面的空间大于在两者之间的空间。其后果就是在两块板之间无中生有出现的虚拟粒子应该与在两块板之外出现的粒子不同，两种真空因此会不一样。

结果是，金属板应该会移动——它们的确移动了，美国物理学家史提夫·拉莫若（Steve Lamoreaux）与他的同事们在一九九七年通过实验得到了证实。这种现象被称为卡西米尔效应。

卡西米尔效应证实了真正的空无一物并不存在，不仅如此，它还显示了我们的世界中存在着不同种类的真空，而且还会因此产生力：真空之力。②

难以置信，你或许意识到自己又找到了一个非常非常根本的谜团的答案。

你早已知道，我们宇宙中所有的粒子都是量子场的表现。它们就像海里的波浪。它们又像抛入空中的球。它们两者都是，粒子与波，在它们所属的量子场里诞生，并沿着它们所属的量子场前进。

现在，你还记得当时探访微观世界时自己注意到的现象吗：你所遇见的所有同种类基本粒子都完全一样，任意两个电子都一模一样？③

怎么会这样？

在你的日常生活中，这种完美根本就不存在。无论你怎么做、怎么看、怎么建造或怎么思考，也不会有两个完全一样、完全没有差别的物体。人类、鸟类，甚至思想，都不会这样。就算它们看起来一样，实际上也存在不同。那么，怎么可能所有电子和其他基本粒子永远与它们的同类绝对而且完全相同呢？

答案在于，在整个宇宙中，所有的基本粒子，都诞生于同一个背景场中，也会在任何时候被同一个背景场所吞噬湮灭：某个量子场的真空。那些不可见的、充满我们整个宇宙的背景海洋。

所有的电子都是电磁场完全相同的表现，它们都诞生于电磁场的真空之中，并在此中传播。光子也一样。

每次电子出现，成为实体，就像是它周围的电磁场真空踢了一脚，把它从幽灵般的昏睡状态中唤醒。每次胶子出现，背后的原因是强相互作用场真空中一些能量的增加或减少。每次放射性衰变发生，弱相互作用场的真空都会牵涉其中，发射出它的基本中微子。真空中能量越多，它能产生的基本粒子就越多。

很好，一切顺利，让我们继续：看起来所有的场都有相同的行为，它们都遵循同样的规则。那么引力又如何？

在每一个引力起作用的地方，也都有一种引力场在起作用，虽然这种场有些不一样，至少现在被认为如此，因为没有人知道怎么把它变化为量子场。后面你会看到，没有人知道如何让粒子从引力场真空中出现而不带来灾难性的后果。但如果这的确可能，引力场就会牵涉到某种粒子，像其他场一样，出现在引力场中成为引力携带者。这些粒子被称为“引力子”。它们尚未被发现，时空弯曲依然是描述引力行为的最佳方式。

就算没有所谓的引力子，甚至就算引力或许不具有量子属性，但引力场也的的确确是一种场。这使得人类用来描述他们至今所知道的一切所使用到的场的数目是四个。

但为什么是四个？

为什么要有四种基本的场？

为什么不用5种或者10种或者42种或17,092,008种场来解释自然界的行为？

它们所对应的真空又如何？它们只是在所有的地方都和平共处却对其他场的存在毫不在意？听起来很奇怪，不是吗？如果只有一种场，生活不是更简单？

是的。

简单性是理论物理学家非常热切地想要追寻的东西。它甚至激发了他们的想象力，这也就是他们为什么动足脑筋试图把那四种已知的场统一到一种。

一种场统治一切，你或许想说。

但是，说起来容易，做起来就难了。

每种场的基本粒子甚至都不同，而且其中之一（引力场）的基本粒子甚至还没有被探测到。

还要考虑激发一个场产生的结果与激发另一个场产生的结果不一样。它们还各自带有不同的电荷。事实上，它们都有着不同的性质：电磁场的效应具有长距性，既可以产生吸引，也能产生排斥，但引力场只有吸引，强相互作用场的效应又是非常短距离，还有……

再有……

要将两种材料变成合金，我们需要将两者加热。两者被加热到足够高温度后会熔化并混合成一种全新的材料，将原先的两种材料同时包含。

要让场融合起来，可以用同样的办法。但所需要的能量大得无法想象——高达一千万亿度的温度才能让电磁场与弱核力场统一成同一个。

一千万亿度绝对已经超出了我们今天所了解的宇宙范围了。

但未必一直如此。

事实上，这么巨大的能量的确存在过，在很久很久以前，到处都是。那时宇宙还年轻，体积也更小。萨拉姆、格拉肖与温伯格试图在纸上推算出当时自然的表现，他们成功地合并了电磁场与弱核力场，因此发现了电弱场。他们发现在极端条件下，一个单一的场统治着现在由两个不同的场统治的世界：电磁力与放射性。

下一步是将这个新的场与第三个已知的量子场，那个统治夸克与胶子在原子核中相互作用的强相互作用场统一起来。如果能够成功的话，我们或许就能构造出那个被恰当地命名为“大统一理论”的东西。要实现这一点，我们需要更高的能量。

高多少？

一个非常大的数字。大到往上加个十亿度二十亿度都产生不了什么差别的程度。

现在问题是，我们怎么知道这一切都是真实的？

我们怎么知道萨拉姆、格拉肖与温伯格算对了？更何况除了觉得“一”比“三”或“四”更合理之外，我们又怎么知道真的有个大统一理论有待发现？

因为在将现有的场统一起来建立一个新的场的过程中，物理学家预言这个新的场或许有着自己的基本粒子和作用力携带者。为了验证这些，他们建造了粒子加速器，已经存在的粒子在其中互相撞击。不仅粒子被撞碎，向我们展示自己由什么构成，撞击发生处周围的巨大能量还能激发沉睡于我们这片宇宙中的场。

到二〇一五年为止，这种撞击所产生的最大能量相当于在撞击处形成十亿亿度的高温。这听起来像是很高的能量，但记住我们谈论的是粒子加速器，它加速的不是奶牛或行星，而是小到不能再小的粒子。从现实的角度，这种微观粒子撞击产生的能量都不足以让蚊子飞起来，但在局部，这种撞击所释放的能量巨大。就像萨拉姆、格拉肖与温伯格预言的那样，全新的粒子（确切地说，W和Z玻色子）被创造出来——只有从电弱场的角度考虑才能合乎逻辑的粒子出现了。

我不知道你对此作何感想，但每一次此类成就都让我惊叹不已。

引力在这里又处于什么角色？要将四种场统一成一个，我们必须也考虑引力，为什么把它落下了？回答这个（棘手的）问题将是本书第七部分的目标。

但不要失去耐心，因为掌握了你现在看到的一切，就已经学到了我们对于构成你自身的物质所能够了解到的几乎所有一切，除了一个例外：你的质量。

这样说吧，你或许会惊讶自己怎么从来没有听人说起过：它看起来是一个很重要的问题，是不是？

好吧，质量来自何处？

你已经知道，恒星在其内部将小的原子核锻造成更大的原子核。

那么恒星是不是也会创造质量？

不，不是的。

恰恰相反。

由于聚变过程中显得多余的胶子遭到“驱逐”，聚合后的中子和质子损失了部分能量，根据爱因斯坦的方程式E=mc2，因此它们也就损失了部分质量。④这就是恒星闪耀的能量之源。在前面你已经看到这个发生过程了。但这个过程还能让你了解到更多：如果逐出胶子而使得原子核损失了质量，这就意味着胶子就是质量。就是说，这部分原子的质量恰恰来自将夸克禁锢起来的虚拟胶子浓汤。实际上，当科学家们对此展开细致研究时，他们意识到这种存在于宇宙中所有中子和质子当中的“胶子浓汤能量”能够用来解释我们所知的非常多的物质的质量。非常多。但还不是全部。

例如，它没有告诉我们，为什么夸克和电子带有质量。或者它们是如何变得有质量的，因为它们曾经是没有质量的呀。

萨拉姆、格拉肖和温伯格的研究表明，在很久以前，当极其年轻的宇宙发生膨胀并逐渐冷却下来时，电弱场一分为二成为电磁场和弱场。不过我在前面没有告诉你的是，要使这种情况发生，必须存在另外一个场。

另外一个量子场，它有自己的作用力携带者及其他所有的东西。

这些作用力携带者并不携带你在前面已经遇到过的所有作用力，但是又不存在其他起作用的某种作用力……那么它们是怎么做的？

它们令一些粒子带有质量，另外一些却没有。例如光子和胶子并没有感觉其存在，并且它们仍旧不会有这种感觉。它们能够无视这个场穿行而过。因此它们就依然保持不带质量，到今天仍旧以光速运行。

但是夸克、电子和中子却意识到这个场的存在，于是变得带有质量。因此，它们无法做到以光速运行。

还是这个问题，我们怎么知道这就是真相？我们怎么知道这个神秘的场给了我们宇宙中所有有质量的粒子以质量？

好吧，与所有场一样，这个新的场也应该有它自己的基本粒子。

如同预料之中，它们不是那么容易见到或检测到。

根据计算，为了唤醒它们，需要巨大的能量——比电弱场所需要的能量都大。然而听起来难以置信，在二〇一二年，科学家们终于在位于瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心最强大的粒子加速器LHC⑤中唤醒了它。他们探测到属于这个场的一种基本粒子。这是整个拼图中缺掉的一块。我们宇宙中所有带有质量物质的质量起源，无论是否归因于胶子，种种猜想那时才真相大白。

这个发现真正证实了物理学家们一直走在正确的道路上。

媒体们称它为“希格斯粒子”（虽然或许存在着许多种不同的希格斯粒子），于是它的场的名字叫希格斯场或希格斯-恩格勒特-布鲁特场。英国理论物理学家彼得·希格斯（Peter Higgs）与比利时理论物理学家弗朗索瓦·恩格勒特（FranoisEnglert）因这个发现共同分享了二〇一三年的诺贝尔奖（他们和罗伯特·布鲁特早在四十多年前就预言了这个事实。遗憾的是，布鲁特于二〇一一年去世）⑥。简短地说，他们发现了在一百三十八亿年前，当我们的宇宙冷却下来时，质量是如何产生的。这是一个了不起的功绩，无论对他们来说，还是对整个人类来说。

这个发现登上了各类媒体的头条，不过尽管如此，这里还是有必要强调一下希格斯场并不能解释所有物质的质量起源，它只能解释其中的一部分。就像我们在前面所说的，中子和质子的大部分质量来自将夸克束缚在其边界之内的作用力，来自夸克–胶子浓汤。如果希格斯场突然失效了，那么夸克就会变成没有质量，我们也会死亡。但质子和中子的质量却几乎不会改变。

既然强作用力场对于我们存在物的质量如此关键，既然你知道所有我们已知物质的质量来自何处，现在，回想一下那些你在本章开头看到的从真空冒出来的粒子。你看到了它们……但你还是不要看到的好。天下没有免费的午餐，大自然不会允许粒子凭空出现，而不付出代价。

这个代价，你马上就要看到，就是一种新的物质的存在，它的名字叫作“反物质”。

①爱德华·威滕是被称为弦理论的奠基人之一，你会在本书第七部分结束时了解这些。顺便说一句，他是第一位也是至今唯一一位被授予菲尔兹奖（相当于数学界的诺贝尔奖）的物理学家。

②当我们的电子产品越来越小时，工程师们也越来越需要考虑这种效应。

③对于夸克也是如此，同样适用于质子、中子、光子或任何其他什么量子场的基本粒子。

④记住:原子核中质子和中子的数量越多，所需要看守夸克待在“监狱”里的胶子数量就越少。

⑤LHC代表大型强子对撞机，所有能与强相互作用场发生相互作用的粒子都被称为“强子”。质子就是强子的一种。LHC的作用基本上就是让质子带着相当强大的能量互相碰撞。

⑥诺贝尔奖仅授予在世的科学家。

第3章 反物质

在地球整个历史的大多数时间里，它表面上的绝大多数都不为人类所知。今天我们可以借助人造卫星所拍摄的整个地球的照片来绘制全球地图，但仅仅近至几个世纪之前，只有欧洲、美洲和亚洲的小块土地被当地居民绘制过地图，从来没有人绘制过整个世界的地图。来自许多不同文明的勇敢无畏的探险家们因此不得不离开自己安逸的家园穿过狂风巨浪航行在海中，去探索在他们的家国之外是不是还有其他地方存在。一个接一个地，他们发现了遥远地方的大片从未被自己同伴踏足