能夠聆聽何需閱讀

點擊上方藍色標識讓曉書童說給您聽

---

第三課，粒子

上節課我們說到了宇宙，裡面有光和其他物質在運動。光由光子組成，這是愛因斯坦憑直覺想出的光的微粒。我們看到的物體都是由原子組成的。原子由一個原子核和圍繞它的電子組成，原子核由緊密聚集在一起的質子和中子構成。質子和中子則由更小的粒子構成，美國物理學家蓋爾曼為它們取名“夸克”。我們所觸碰到的每樣東西都是由電子和這些夸克組成的。

夸克之所以能夠在質子和中子裡“黏”在一起，是因為一種物理學家們稱作“膠子”的粒子，它是從英文的“膠水”變化而來的，科學家們取名時似乎並沒有發覺這個詞有點可笑。

我們身邊的所有物體都是由電子、夸克、光子和膠子組成的，它們就是粒子物理學中所講的“基本粒子”。除此之外還有幾種粒子，例如中微子——它佈滿了整個宇宙，但並不跟我們發生交互作用，還有希格斯玻色子，他是在不久前日內瓦歐洲核子研究中心的大型強子對撞機發現的粒子。但這些粒子並不多，只有不到十種。這少量的基本原料，如同大型樂高玩具中的小積木，靠它們建造出了我們身邊的整個物質世界。

量子力學描述了這些粒子的性質和運動方式。這些粒子當然並不像小石子那般真實可感，而是相應的場的“量子”，比方說光子是電磁場的“量子”。它們的消失和重現遵循量子力學的奇特定律：存在的每樣東西都是不穩定的，永遠都在從一種相互作用躍遷到另一種相互作用。

即使我們觀察的是空間中一塊沒有原子的區域，還是可以探測到粒子的微小湧動。徹底的虛空是不存在的，就像最平靜的海面，我們湊近看還是會發現細微的波動和振盪。構成世界的各種場也會輕微地波動起伏，我們可以想象，組成世界的基本粒子在這樣的波動中不斷地產生、消失。

這就是量子力學和粒子理論描述的世界。這和牛頓的世界相去甚遠：在那裡，冰冷的小石子在不變的幾何空間裡沿著精確而漫長的軌跡永恆不變地運動著。量子力學和粒子實驗告訴我們，世界是物體連續的、永不停歇的湧動，是稍縱即逝的實體不斷地出現和消失，是一系列的振盪，就像20世紀60年代時髦的嬉皮世界，一個由事件而非物體構成的世界。

粒子理論的細節在20世紀50—70年代逐漸得到完善。參與這項工作的有20世紀最偉大的物理學家，如理查德·費曼和蓋爾曼，還有一群舉足輕重的意大利人。這些細節的建構導出了一個複雜的理論，它建立在量子力學的基礎上，被稱為“基本粒子標準模型”，一個不太浪漫的名字。

20世紀70年代，在其所有預測被一系列實驗證實之後，這個“標準模型”終於得以確立。1984年，意大利現在的參議員卡洛·魯比亞還憑著這個模型的首批數據獲得了諾貝爾獎。2013年希格斯玻色子的發現，完成了“標準模型”確認工作的最後一環。

雖然有一系列成功的實驗，物理學家們卻從未真正認真看待“標準模型”。這個理論至少第一眼看上去零零碎碎，東拼西湊。它由不同的理論和方程集合而成，看不出有什麼清晰的秩序。它描述了某些場，通過由某些常數決定的某些力相互作用，表現出某些對稱性。這距離廣義相對論和量子力學的簡潔方程還很遙遠。

標準模型方程對世界進行預測的方式也複雜得離譜。直接使用這些方程會得出毫無意義的預測，因為計算出來的每個數都是無窮大。要想得到有意義的結果，必須假定參數本身就是無窮大，才能抵消荒謬的結果，讓它們變得合理。雖然它在實際應用上是可行的，但那些追求簡潔的人卻仍然覺得它有所欠缺。

愛因斯坦之後20世紀最偉大的科學家，量子科學最重要的建立者，標準模型第一個也是最主要的方程的作者叫做保羅·狄拉克，在他生命的最後幾年曾反覆表達他對這一狀況的不滿，他說：“我們還沒有解決這個問題。”

近幾年，標準模型還出現了一個明顯的缺陷。天文學家們發現，在每一個星系的周圍都存在著一團巨大的雲狀物。我們是通過它對星體的引力和它使光發生偏折的現象才間接發現它的。我們無法直接看到這團巨大的雲，也不知道它由什麼組成。科學家們提出了很多假設，卻沒有一個說得通。很明顯有東西在那兒，但它具體是什麼，我們卻無從知曉。今天我們把它稱為“暗物質”，一種無法用標準模型描述的東西，不然我們也不會看不見它了。它不是原子，不是中微子，更不是光子。

親愛的讀者，天空和大地上存在著超出我們的哲學或物理學想象的東西，這也不是什麼新鮮事了。就在不久之前，我們還在懷疑無線電波和中微子的存在呢，儘管它們充滿了整個宇宙。

迄今為止，標準模型仍然是解釋物質世界最好的理論，它的預測全都得到了證實。除了暗物質和廣義相對論中被描述為時空曲率的引力之外，其它的它都很好地解釋了已知世界的方方面面。

曾有人提出其他理論，試圖替代標準模型，但都被實驗推翻了。例如，20世紀70年代有人提出了一個叫做SU（5）理論，它看起來很不錯，用一個更簡潔優雅的結構取代了標準模型中無序的方程。這個理論預測質子會以一定的概率衰變，分解成電子和夸克。科學家們造了很多巨型儀器，來觀測質子的衰變。由於衰變需要太長時間，所以不能一次只觀測一個質子，有些物理學家為尋找可觀測到的質子衰變奉獻了一生。可是，唉，至今還沒有人觀測到質子的衰變呢。SU（5）這個漂亮的理論，雖然簡潔美妙，卻得不到上帝的青睞。

同樣的故事也許正在上演。有一種被稱為“超對稱”的理論預言存在一類新粒子。在整個物理生涯中，我不斷聽說有同事在滿懷信心地期待著這些粒子被發現。但是隨著時間的流逝，一天天、一月月、一年年、數十載……這些超對稱粒子依然沒有現身。物理學史並非只有成功。

所以我們現在還只能依賴標準模型。它可能不太優美，但是用來解釋我們周圍的世界卻很好用。誰知道呢，仔細想想，或許並不是這個模型不優美，而是我們還沒有學會從正確的角度看待它，沒有發現隱藏其中的簡潔。

如今，我們對物質的認識是這樣的：

屈指可數的幾種基本粒子，不斷地在存在和不存在之間振動、起伏，充斥在似乎一無所有的空間中。它們就像宇宙字母表裡的字母，以無窮無盡的組合，講述星系、繁星、陽光、山川、森林、田地，以及節日裡孩子臉上的笑容和星光璀璨夜空的漫長曆史。

第四課、空間的顆粒

我前面介紹的物理理論，儘管有些晦澀繁雜，並且有的問題仍舊懸而未決，卻已經比過去更好地描述了這個世界。我們本該對此心滿意足，可事實卻並非如此。

在我們所瞭解的物理世界的中心，存在著一個悖論。我說過，20世紀物理學的兩顆明珠是廣義相對論和量子力學。前者是宇宙學、天體物理學、引力波、黑洞以及其他許多研究的起源；後者則是原子物理、核物理、基本粒子物理、凝聚態物理等學科的基礎。這兩個理論帶來了豐富的成果，奠定了當代科技的基石，徹底改變了我們的生活方式。但這兩個理論不可能同時正確。至少依照目前的形式，它們是相互矛盾的。

一個大學生如果早上聽了廣義相對論的課，下午學了量子理論，可能會覺得教授們犯糊塗了，或者懷疑他們是不是至少有一個世紀沒有交流過了，不然為什麼早上世界還是彎曲的空間，所有東西都是連續的，下午它就成了一個能量量子躍動的平直空間？

悖論在於兩個理論都非常好用。

大自然就像一位年長的智者，有兩個人跑去找他解決爭端。聽了第一個人的話，智者說：“你說得有道理。”第二個人堅持為自己辯解。智者聽完對他說：“你說得也有道理。”智者夫人在另一個房間聽到了他們的談話，大聲說道：“但是他們兩個不會都有道理吧？”智者認真思考了一下，點點頭說：“你也很有道理。”

一群散佈於五大洲的理論物理學家正在努力解決這個問題。這個研究領域被稱為“量子引力”，其目標是找到一個理論，也就是一系列方程來解決現在這種“精神分裂”的局面。

物理學已經不是第一次面對兩個看起來完全對立的偉大理論了。而過去每一次成功地將相互矛盾的兩個理論統一時，我們的世界觀都產生了巨大的飛躍。牛頓整合了伽利略的拋物線運動和開普勒的天體橢圓運動，發現了萬有引力。麥克斯韋將電和磁的理論結合起來，提出了電磁場方程。愛因斯坦在解決電磁學和經典力學的明顯衝突時，發現了相對論。

因此，物理學家發現這種偉大理論之間的矛盾時只會興奮不已：這是一個難得的機會。我們是否可以建立一個思考世界的概念框架，來兼容上述兩種理論呢？

在這裡，在科學的前沿，在人類認知能夠抵達的邊界，科學變得愈發迷人了，它閃耀在對原初想法的鍛造中，在直覺和嘗試裡，在那些被選擇又被放棄的道路上，在不斷產生的熱情中，在於努力想象那些從未被想象過的事。

二十年前，這個領域還是一團迷霧，現在道路已經出現，喚起了大家的樂觀與熱情。然而道路不止一條，因此還不能說問題已經解決。多樣性引發了爭論，但這是健康的：在迷霧完全消散之前，相互批評，各抒己見，是有益而無害的。解決這個問題的一個重要嘗試是一個叫做“圈量子引力”的研究方向，許多國家的研究小組都在從事相關研究。

圈量子引力試圖把廣義相對論和量子力學結合起來。這個嘗試很謹慎，它只使用這些理論中已有的假設，適當改寫這兩個理論，使它們相容。但它的結論相當激進：它又一次深刻地改變了我們看待現實世界結構的方式。

它的中心思想很簡單。廣義相對論告訴我們空間不是一個靜止的盒子，而是在不斷運動，像一個移動中的巨大軟體動物，可以壓縮和扭曲，而我們被包在裡面。另一方面，量子力學告訴我們，所有這樣的場都“由量子構成”，具有精細的顆粒狀結構。於是物理空間當然也是“由量子構成的”。

這正是圈量子引力的核心結論：空間是不連續的，不可被無窮分割，而是由細小的顆粒，或者說“空間原子”構成的。這些顆粒極其微小，比最小的原子核還要小几億億倍。圈量子引力用數學形式描述了這些“空間原子”，也給出了它們演化的方程。它們被稱為“圈”或環，因為它們環環相扣，形成了一個相互關聯的網絡，從而編織出了空間的紋理，就像細密織成的巨大鎖子甲上的小鐵圈一樣。

這些空間的量子在哪裡？它們不存在於任何地方，也不在“空間之中”，因為它們本身就是空間。空間就是一個個引力量子相互勾連而成的。世界又一次顯得更接近關係的集合，而非物質的集合。

圈量子引力理論的第二個結論更為極端：在“空間是連續的、物體存在其中”這個觀念消失後，“時間不受事物影響、一直流逝”這個基本而又原始的想法也不復存在了。這些描述空間和物質的顆粒的方程不再包含“時間”這個變量。

這並不是說一切都保持穩態，沒有變化。相反，它說明變化是普遍存在的，但我們不再能把這個基本過程形容為“一個瞬間接著另一個瞬間”。在空間顆粒的微小尺度下，大自然的舞步不再追隨，唯一的樂團指揮手中，那根棒子所揮出的同一節拍，每一個物理過程都有自己的節奏，獨立於鄰近的其他過程。時間的流逝發生在世界之內，從量子事件之間的相互關係中產生，這些量子事件本身就是時間的源頭。

這個理論描述的世界和我們熟知的那個相去甚遠。這裡不再有“包含”著世界的空間，也不再有事件發生“於其中”的時間。這裡只有空間和物質的量子持續相互作用的基本物理過程。我們周圍連續的空間和時間只是這些密集發生的基本過程產生的模糊景象。就像阿爾卑斯山上平靜而清澈的湖泊，其實是無數微小的水分子快速舞動形成的。

這個理論可以通過實驗證實嗎？我們正在進行思考和嘗試，但目前還沒有得到實驗的證實。然而，已經有很多不同的嘗試了。

其中之一源於對黑洞的研究。我們現在可以觀測到天空中由恆星坍縮形成的黑洞。被自身的重量壓垮後，組成恆星的物質坍塌，並從我們的視野中消失了。但它去了哪裡呢？

如果圈量子引力理論正確的話，那麼物質不可能坍縮成一個無窮小的點，因為無窮小的點是不存在的，存在的只有一塊一塊的有限空間。被自身重量壓塌的物質，會變得越來越密，直到量子力學可以產生一個反作用力，來抗衡這個壓力。

我們假定在恆星生命的最後階段，時空的量子浮動平衡了物質本身的重量，這個階段的恆星就被稱為“普朗克恆星”。如果太陽停止燃燒，形成一個黑洞，那這個黑洞的直徑約為1.5千米。在黑洞內部，組成太陽的物質會繼續坍縮，最終形成一顆如原子般大小的普朗克恆星。組成太陽的全部物質擠壓在一個原子大小的空間裡，普朗克恆星就是由這種極端的物質狀態形成的。

普朗克恆星是不穩定的。一旦壓縮到最大程度，就會回彈，重新開始膨脹。這就會導致黑洞的爆炸。假設有一個人在黑洞內部，坐在普朗克恆星上，他看到的爆炸過程其實是極高速的回彈。但是，時間流逝的速度對於他和黑洞外的人是不同的，就像時間在高山上比在海邊流逝得快一樣。只因為是極端情況，所以這裡時間流逝的速度差異極為巨大。對黑洞內部的觀察者來說回彈是瞬間發生的，對外部的人來說卻是一個極為漫長的過程。所以在我們看來，黑洞在很長時間內都沒有變化。我們說黑洞就是回彈的恆星，只不過這個過程是以極慢的速度在我們眼前播放的。

有可能在宇宙初生瞬間的熔爐裡，就有黑洞形成，其中有一些現在還在爆炸。如果是這樣的話，我們或許可以在天空中觀測到它們爆發時發射的信號，也就是來自天空的高能宇宙射線，從而觀察和測量由量子引力支配現象的直接效果。這是一個大膽的想法，有可能行不通，比如原始宇宙中並沒有形成足夠的黑洞，讓我們今天還能觀測到它們的爆炸。但是尋找信號之旅已經開始了，讓我們拭目以待。

這個理論的另一個結論極其轟動，它有關宇宙的起源。我們已經知道如何重建宇宙的歷史，追溯到最初它只有一丁點的時候，但是在此之前呢？圈量子引力的方程讓我們可以把宇宙的歷史再往前推一點。

我們發現，當宇宙被壓縮到極限的時候，根據量子理論會產生一個反作用力，造成大爆炸，這個著名的大爆炸很可能實際上是大反彈：我們的宇宙在自身重量下坍縮到非常小，然後反彈，開始膨脹，變成現在我們周圍不斷擴張的宇宙。宇宙被壓縮到堅果殼大小，開始回彈的那一瞬間，就真正進入了量子引力的領域：時間和空間一起消失了，世界融化成一團湧動的概率雲，儘管如此，我們還是可以用方程描述它。

我們的宇宙很可能誕生自某一個狀態後的反彈，經歷了一個過渡時期，在此期間，時間和空間都蕩然無存。

物理開闊了人類的眼界，我們看到的東西不斷地讓我們驚異。我們意識到人類滿腦子都是偏見，我們對世界本能的認識是片面和狹隘的。世界在我們的眼前不斷變化，我們對它的認識也在一點一點地不斷深入。

地球不是平的，不是靜止不動的。如果我們把20世紀物理學所有的發現放在一起，得到的線索會完全推翻我們以往對物質、空間和時間的認識。圈量子引力就是在試圖破譯這些線索，讓我們看到更遠的地方。