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第四部分 躍入量子世界 第5章一所特別的監獄

咖啡越來越涼,你端著牛奶的手也開始酸痛。但你毫不在意。

那個縮微版的你已將氫原子孤單的電子拋在身後,正越來越深入地潛入氫原子,向它的核心處飛去。許多一閃而逝的光珠(你在冰箱貼與冰箱之間看到的那種虛光子)在你周圍不斷地出現、消失,證實了你所飛奔而去的原子核的確帶有電荷,也推翻了認為在電子與原子核之間只是一無所有的虛空的想法。

以你現在所在的原子大小尺度,你穿過了極大的距離才到達氫原子的核心。

但你還是找到了它。

與電子一樣,原子核看上去也沒有自己特別的形狀,但它的確有質量。原子核很重,比電子重多了。重了1836倍。它的確帶有電荷,果真是完全與電子相反的等量電荷。

它被稱為「質子」。

它比電子大,但與原子本身大小比(也就是電子佔據的空間大小),它又顯得極其微小。出生於新西蘭的英國物理學家歐內斯特·盧瑟福(Ernest Rutherford)在一九一一年發現了它的存在,在這個偉大發現的三年前,他剛剛因對當時而言還非常新穎的放射性現象進行的研究而獲得諾貝爾化學獎。他有所不知的是——當然,他不可能知道——與電子不同,質子不是基本粒子。它的裡面還有一個世界。

你已不再花時間去挑戰不可能之事,你立刻閉起眼睛,伸開雙臂,用瑜伽的方式去感覺質子裡面的世界。

突然之間,你感覺到一種大過一切的力量,你以前所經歷體驗過的任何作用力與這個力量相比,就像是孩子的遊戲。你睜開眼睛,直直地看著。

電磁力能夠輕易勝過你:有些磁鐵能夠彼此緊密貼合,你永遠沒機會把它們分開。

引力也能戰勝你,事實上它的確如此:你永遠不可能跳脫地球的引力。

但現在你面對的簡直就是另一種水平的力量。

在質子內部,那個看上去像模糊雲狀的球體中,你瞥見無數虛擬粒子出現、消失,就像發生在冰箱貼與冰箱之間或電子與質子之間的電磁光珠一樣。但這些不是虛光子。它們攜帶的是另一種作用力,這種作用力與其所屬的量子場一起,成為宇宙中所有物質得以穩定存在的重要因素。

沒有它,所有我們熟悉的東西都將在轉眼間消失。所有東西,包括你的身體。

那些在這裡攜帶著這種驚人力量以保持一切物質完整的虛擬粒子比攜帶電磁力的虛光子有力幾百倍,它們攜帶的是所謂「強相互作用力」。

但如果它們「只是」作用力的攜帶者,你為什麼沒有看到它們所在場中的基本粒子?虛光子令帶電荷粒子互相作用,那麼這裡發生相互作用的又是什麼?

你毫不猶豫地躍入質子中,又一次閉起你縮微版的眼睛,抬起你縮微版的手開始摸索……感覺……搜尋這麼強大力量的攜帶者存在的目的……那麼多能量圍繞在你身邊,你需要竭盡全力才能集中注意力,但最後,你還是成功了。你能辨出三種東西,三種模糊的、波狀的、沉重的被科學家們稱為「夸克」的小東西。這個名字或許聽起來很奇怪,但所有名詞在讓我們熟悉之前不都這樣?

除了現在的你,沒有人真正見過夸克本身。它們自己甚至不能獨立存在——那些不停地出現並消失在它們周圍的強有力的虛擬小傢伙們不會讓這種事發生。夸克之間距離越遠,它們的強相互作用力的攜帶者就會變得越狂躁,比宇宙中所有其他已知的力量更有效地將它們拉回到一起。

對於生活在質子裡的三個夸克來說,生活實在很受限制,如同是在監獄,真的。

那麼那些虛擬監獄守衛呢,強相互作用力的攜帶者們,它們又都是誰?是什麼東西?它們不是光子,非常確定。它們也不是電磁場的一部分,記住:它們是另一種完全不同的場——「強相互作用量子場」的表現。

它們將夸克們粘在一起的能力非常高效,因此得到了「膠子」的名字。

夸克與膠子。

它們構成了我們宇宙中所有的質子。

縮微版的你正在探訪的最小監獄裡還是有些怪事的。

我們中的大多數人絕對相信如果自己被投入鐵窗之後,作為一個人,自由就是離開你的牢房,離守衛越遠越好。然而,對於禁錮在質子裡的夸克,不管是不是有罪,自由卻是反過來的。對於它們來說,自由在於短距離。它們之間距離越短,就越能自由地進行自己想要的行動。夸克的自由度真的是一個很奇怪的概念:當它們之間的距離變短後,就具有能夠獲得一整個世界的可能性。

由於發現了這種獨特的自由度,三位美國科學家戴維·格羅斯(David Gross)、弗朗克·維爾切克(Franck Wilczek)和戴維·波利策(David Politzer)獲得了二四年的諾貝爾物理學獎。這的確是一個很難理解的概念。在他們獲獎之前幾年,有一次我在劍橋大學遇見了戴維·格羅斯和弗朗克·維爾切克,我一直在想應不應該向他們報銷當年我在試圖理解他們的工作時不得不吞下的治頭疼的藥片錢。

夸克與膠子。

基本粒子夸克是由自己構成的。

膠子也是如此。

作為我們所知道的最強力量——強核力的攜帶者,膠子將夸克監禁在一起,只有在夸克彼此非常接近時它們才能得到自由,因此確保了構成我們的物質不會裂開。

夸克與膠子。

真是兩個奇怪的名字,雖然它們被用來形容最真實的本質,但因為離我們日常生活實在太遠,聽起來似乎毫無意義。然而,強相互作用力及其夸克和膠子關係到構成我們身體的大約99.97%的物質。如果一個六十公斤重的成人一下子失去了自己的夸克和膠子的話,他將一下子只重十八克。顯然,他肯定活不了。

要瞭解時至今日人類對自身的真相知道多少,或只想知道我們由什麼構成,我們就必須瞭解夸克與膠子。對我來說,這已經是一個開展研究的好理由了,更不要說它們將很快帶領我們旅行到時空誕生後大約一秒的世界。

我們已經提到過,這些新傢伙們屬於強相互作用場。顯然,這也是一個量子場,因此,我們先前在電子與光子身上發現的大多數詭異的量子行為——譬如,在此處消失,然後出現在彼處,也就是「隧穿」——在這裡也同樣存在。但我們需要強調的是,強相互作用場與電磁場不一樣,雖然它也充滿了整個宇宙。如果你願意的話,可以把它看成是另一種海洋,它的水滴是夸克與膠子,而不是電子與光子。沒什麼規定說粒子只能屬於一個海洋:帶有電荷時,夸克既屬於電磁場,又屬於強相互作用場。它們能與兩種不同的作用力攜帶者——光子和膠子——相互作用。但在短距離中,膠子的力量比光子強許多許多。

那麼這個新的海洋是個什麼東西?它的基本粒子是些什麼?

強相互作用場有六種不同的夸克。如果有足夠的能量,這六種夸克能夠在強相互作用場裡的任何地方任何時間出現。但在原子核中只有六種中的兩種。它們就是所謂的「上夸克」與「下夸克」。宇宙中所有的質子中都有兩個上夸克和一個下夸克,所以我們可以公平地說,質子「向上」的力量大於「向下」的,或許這就解釋了為什麼它們在自己亞原子監獄裡還能如此開心。

但質子並不是唯一的夸克監獄,正如你能夠在你的金原子裡看到的那樣。

縮微版的你對氫原子已經沒有多少興趣了,於是跳回剛才你切割寶貝的廚房桌子上。

你的金原子還在,於是你跳了進去。

深藏在七十九個旋轉著的電子下面的金原子核比氫原子核大了好多。為了與七十九個電子配對,你找到了七十九個質子。但還有其他模糊的小球圍繞或分隔這些質子。這些是不帶電荷的小球。你能數出一百十八個。

因為它們是電中性的,這些模糊的小球們被取名為「中子」。它們也是夸克監獄,它們是由英國物理學家詹姆斯·查德威克(Sir James Chadwick)發現的,查德威克是那位傑出的盧瑟福的助手,他也因此於一九三五年獲得了諾貝爾物理學獎。

在每個質子中,膠子禁錮著兩個上夸克和一個下夸克。上夸克佔了多數。在中子裡則正好反過來:下夸克二比一領先上夸克。

那麼這些監獄又是怎麼疊在一起構成原子核的呢?它們為什麼不彼此分開或塌縮?那些質子可都是帶有正電荷的,它們應該彼此排斥才對啊。

但是沒有。為什麼?因為強相互作用場和它的作用力攜帶者不許它們分開,不過是通過一種很奇怪的方式。一種殘餘的方式。

縮微版的你大膽地決定靠近一點,仔細看看那些難以捉摸的膠子如何將夸克禁錮在質子之中,以理解上面那段話是什麼意思。它們就在那裡,你沒法看得太清楚,但你可以用瑜伽的方式感覺到。它們出現然後消失,防止夸克自己跑開。

突然,發生了一件非常奇怪的事。

某樣東西離開了。有東西跳出了質子。那是什麼?膠子?畢竟,這沒有什麼不可以。它們是守衛,不是囚犯……

但是,不對,不是膠子。

不管怎麼說,好像不是自己走掉的。

你將自己瑜伽的感知力再次提高……這就是了。

膠子恰巧不是那種自己離開的東西。它們必須找到另一個膠子配對,一個朋友。當遇見合適的那位時,它們變成了另一種東西……

你環顧四周,就在那裡,你的左邊,兩個夸克之間,再次發生。

一個膠子從背景場中出現,它的朋友也來了,另一個膠子,它倆合在一起……啪!就像光能變成電子,這兩個膠子將自己變身為兩個夸克!一對沒被膠子束縛的夸克雙胞胎!它們自由了,作為全新的粒子,它們離開了它們所屬的夸克監獄!

你看著它們離開。

它們衝著鄰近的夸克監獄奔去。實際上它們已成為另一種作用力的攜帶者,一種並不作用於夸克,而是作用於夸克監獄本身的作用力。當它們到達夸克監獄時,它們又變回膠子,在自己消失前開始守衛那裡的夸克……

正是因為存在這種交換,中子與質子才能共存於原子核中。利用從一個監獄跑去另一個監獄的方式,兩個膠子變成的夸克確保了原子核的穩定。

參與交換的粒子,那對穿行於監獄之間的夸克雙胞胎被稱為「介子」。它們所攜帶的作用力被稱為「強核力」。這是一種吸引力,非常強大的吸引力。

日本理論物理學家湯川秀樹早在實驗發現介子存在之前很久就已預言了它們的存在,他因此獲得了一九四九年的諾貝爾物理學獎。

還有一個有趣的插曲,存在於所有質子和中子內部的夸克和膠子的這些糾纏,正是造成我們很早以前就已提過的丟失的質量的原因,正是這些丟失的質量讓恆星發光。

你現在已經很熟悉了,在恆星中,小的原子融合在一起變成更大的原子。也就是說恆星們將中子與質子們聚攏在一起,而且與分開時相比,這些中子和質子們一旦聚在一起,就不需要那麼多虛擬膠子來守護它們的夸克(或介子來守衛它們的監獄)。有點像兩個公司合併後,一些員工崗位就重複了,有些員工就會因此失業……在恆星內核,多餘的膠子與介子也被解雇。因為它們帶有一些能量,而且能量就是質量,解雇它們就意味著聚合而成的新原子核質量會變小。這就是為什麼所有因聚變而產生的原子核比聚變前原子核各自重量之和要輕。這點與現實生活中解僱員工不同,然而,這些丟失的質量變成能量讓恆星閃耀,其兌換率就是E=mc2。

在恆星內部深處,引力的能量被用來合成原子,這個過程又會讓質量被轉化成光和熱,以及其他許多雖然存在但無法被我們眼睛看見的粒子。雖然我們生活中的大多數真相都隱藏在我們的感官之外,但一切都在我們的宇宙中被聯繫到了一起。

  1. 盧瑟福是歷史上最令人印象深刻的實驗學家,他還發現了原子具有原子核(我在本章前面已經提到這一點)。他曾經擔任過英國劍橋大學卡文迪許實驗室主任,查德威克就在那裡工作。​​​​​

  2. 如果你忘了在哪裡,請參見第一部分,第3章。​​​​​