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第四部分 躍入量子世界 第6章最後的力量

現在,你已經看到了兩種量子場,一種負責所有的電磁作用,另一種形成了人類已知的最強大力量——名副其實的強相互作用,以及它延伸出來的強核力。

在某種意義上,這些作用力及它們所屬的場都是建築之力。雖然磁荷會彼此吸引或排斥,但電磁力確保了電子能留在原子核周圍。沒有它,電子可能飛走,或者坍塌到原子核中,這些之所以沒有發生,是因為虛擬光珠阻止了這種行為。電磁場提供了原子的電穩定性以及原子們互相分享電子、組建分子,以及形成我們自己的物質構成的機制。

另一方面,強核力管理著原子核自身內部。它將中子與質子拉在一起,構建起原子核。沒有它,所有的原子核都會解體,我們會在一瞬間變成一團質子與中子之霧,地球與其他所有物質都一樣。

構成這一切的根本,是將夸克禁錮在這些質子與中子之中的強相互作用以及從背景中出現的膠子,它們創造了質子與中子。

現在你已遊覽了這兩種場,看到了它們相互作用的粒子和作用力攜帶者,是它們給了這個世界堅硬的性質,雖然迷幻,但還是能被把握。你見到了電子與光子互相的嬉戲和轉化。你見到了膠子與夸克都在珍貴的金原子或平常的氫原子的核中搖擺。氫原子雖然普通,卻是宇宙中質量最小、含量最多的物質構材,恆星們在內核裡將它們融合在一起,建造出最終構成你我的物質。

氫原子,它或早或晚的枯竭將會引發宇宙中所有恆星的死亡……

想到這最後一句話,你忽然記起了五十億年後我們太陽的命運,一下子恢復了自己正常大小,留下那個縮微版的你依然在某處飄蕩,逗留在那個你以正常眼睛無法看見的世界。

自從你舒服地躺在小島沙灘上懶洋洋地仰望星辰以來,你對宇宙的感知已經發生了巨大的改變。你現在已經知道沒有什麼是真正空的,所有東西都與其他所有東西相互作用,直到原子的最深處,正是這些遙遠的相互作用,構建了原子並讓它們成為一個整體。

你廚房窗外的天空,現在已經變紅。太陽正在西邊落下,將大片雲層塗上火燒般的色彩。

喝著已經變冷的咖啡,你漫不經心地走了幾步,站到窗邊向外看去,看向天空,忽然之間,你明白了恆星世界的真相。

宇宙裡所有的恆星都發射出光芒,將光子與各種粒子投向自己的周圍,這些光子和粒子都是它們內核中原子核聚變工廠的直接或間接產物。雖然引力——在自己周圍的時空中所引起的彎曲——讓每一個接近或經過自己周圍的物體掉向自己,但那些粒子與光子的風暴則是向外吹去,朝向太空,朝向遠方,在不可見但充滿整個宇宙的背景場中輻射出陣陣漣漪。

宇宙就像一個巨大的海洋,一些(非常認真的)太空工程師們想要建造有著巨大風帆的宇宙飛船,巨大的風帆將利用太陽風將飛船帶入宇宙深處,這樣,宇宙水手們就能沿著時空曲線前進,不需要任何燃料……

夜晚已經降臨,你紋絲不動。天空一片晴朗。你注視著星空。星星不是很多,這兒的光污染太強。你知道從這裡看到的星星與你在熱帶島嶼上看到的不同。你正接受著來自銀河系不同地方的恆星們所釋放的光子。那些都是恆星,巨大的球體,它們的引力能量通過原子核的融合將大原子從小原子中製作出來。

真令人驚歎,多少有些與我們人類所習慣的相反,一切東西看起來都構成了某種建造的力量。

看起來似乎如此,因為你還沒看到我們知道的所有東西。

要看到所有,我們還需要第三個量子場。

第三個充滿整個宇宙的海洋,與另外兩個一樣,但這個海洋裡基本作用力的攜帶者既不是光子,也不是膠子或介子。

在某種意義上,我們可以把這個場看成一個毀滅的場,一個將另外兩個場建造起來的東西拆除的場。它是統治我們宇宙的四種作用力中的最後一種。

這最後一種作用力也是核力:就像你已經看到過的強核力,它只作用於組成原子核的構件上。但這個作用力比強核力弱許多,因此被稱為「弱核力」。它所屬的無處不在的量子場被稱為「弱核力量子場」,弱核力量子場有著屬於它自己的基本粒子和作用力攜帶者。自發的原子核分裂,一個被稱為「放射性」的過程就是它的特徵之一。

在你出發去見證放射性現場反應之前,或許應該提醒你,放射性奪去了許多它的發現者們的生命。因為他們不知道這種致命的不可見光會慢慢地打碎自己身體,他們不加防護地處理那些具有很強放射性的原始材料,受到了大劑量的輻射……偉大的波蘭裔法國科學家瑪麗·居裡——唯一一位獲得過諾貝爾物理學獎(一九三年,表彰她共同發現了放射性)和諾貝爾化學獎(一九一一年,表彰她發現了兩種新原子:鐳和釙)的科學家,就是這許多犧牲者之一。她或許不知道自己因何去世,但你即將看到的東西,就是如果她有著今天我們所具備的知識就應該能夠看到的情形,要是她也能像你一樣變成縮微版的話。

你把冷咖啡倒入水池,意識已經又回到了縮微版的自己身上,你那微小的眼睛過了一小會兒才適應了黑暗。

你依然在剛才那個金原子附近。

它就在你面前,這是一個強壯而堅硬的原子,只有具備比太陽更大的引力才能把它造出來。黃金不是在恆星活著時形成的,而是誕生於恆星的爆炸死亡。當我們的太陽死亡時,它也能產生一些黃金,或許有一天,它們將出現在未來外星物種的手指(或者觸鬚?)上。

你看著它,但是這個金原子看起來並沒有顯出幾乎所有人類都確定賦予它的富貴之氣。

為什麼它會被崇拜呢?

它會隨著時間的變化而改變嗎?如果附近有別的原子,它會抓住它們構建一個出色的分子嗎?

你等待了一會兒,看看它是不是有什麼特殊才能。

沒有。

什麼都沒發生。

這就是一切。

在它身上什麼都沒發生,這個事實本身就是黃金如此值錢的原因之一。

金子不會生銹。它不被氧化(當氧原子的電子與其他原子結合時,就發生了氧化)。它也不被腐蝕。如果你有一塊金子的話,它是所有金屬中最有韌性的一種:與所有其他金屬相比,你能把黃金拉成最長最細的金屬絲(鉑和銀遠未到這個程度就已斷裂)。將許多金原子放在一起後,你可以將它熔鑄成幾乎任何你想要的形狀。不管你怎麼處理它,它都依然保持導電性,也就是說,在一條金原子所組成的長鏈的一頭引入一個電子,它能沿著長鏈波動,在另一頭釋放。

所有這些出類拔萃的性能都能帶來各種實際應用,雖然從戴在手指的婚戒上難以看到這一切。這些應用本身就能讓黃金成為無價之寶。

再加上黃金稀少、難開採、誕生於死去的恆星這些事實,你可以理解它為什麼這麼昂貴了吧?我們準備離開了,畢竟在金原子上不會有什麼變化發生。

你需要另一個原子向你展示新鮮事,巧了,邊上就來了一個。

這個原子更大。

你看到九十四個電子圍繞著一個由九十四個質子和一百四十五個中子構成的原子核旋轉。二百三十九個夸克監獄。比金原子還多四十二個。

這個原子是臭名昭著的鈽元素的一種形式,因為它有二百三十九個夸克監獄,它又被稱為鈽-239。還有其他形式的鈽,就像除了那塊你在廚房找到的金塊,還有其他形式的金元素,它們的不同在於其原子核中中子數的不同,中子數可多可少,但它們的質子數永遠都是相同的(否則就不再是鈽或金了)。

雖然金原子沒什麼好看的,但這個鈽原子不一樣,你已經感覺到有些不同尋常的事很自然地即將發生,就在鈽-239的原子核中。

毫不猶豫地,你穿過一層又一層電子外殼,穿過填有虛光子的巨大真空,來到它的原子核邊上。那二百三十九座夸克監獄就在你的眼前。強核力讓它們整齊地堆積在一起,但你的直覺讓你特別關注其中的一個中子。

你衝了進去。

那裡有兩個下夸克和一個上夸克,被固執的膠子緊緊地捆綁著。

你剛安頓好自己,就看到一個你從沒見過的虛擬粒子擊中了一個下夸克。這個你從未見過的虛擬粒子自發出現,能將下夸克變成上夸克。這個變了身的夸克原本所屬的中子也因此變成了質子,引起了一場騷亂。現在整個原子核已不再平衡。其後果迅速展現,極為劇烈。

你的第六感讓你趕快找地方躲起來,縮微版的你迅速撤離原子核和電子層,回頭一看,那個鈽原子核已經分裂分裂再分裂,變成較小的原子核,每個新原子核都想——有一些沒有成功——搶奪自己的電子帶走。在整個過程的每一步中都有帶著極高能量的粒子飛出,包括有些你從未見過的。你的鈽原子已經衰變,就發生在你的眼前。這場衰變形成的所有產物正被飛速射出。就像一場把自己燃燒殆盡的焰火,除非周圍有很多鈽-239原子。但你的廚房裡沒有那麼多鈽-239原子,所以很快就一切歸於平靜。

你剛目睹了自然界已知的第四種作用力——弱核力的一個側面。它的攜帶者能將一種夸克變化成另一種。這些作用力攜帶者被稱為W和Z玻色子。

你剛才見到的是一個原子通過衰變變成更小更穩定的原子。這就是原子核的自發核裂變,它是核聚變的反面。放射性衰變。這也是放射性的根源,弱核力及其攜帶者W和Z玻色子就主宰著這個領域。

沃爾夫岡·泡利——那個發現了不相容原理的同一個泡利——大約在一百年前研究了這種原子衰變。與你不同,他當時並不知道「場」這一概念,但他通過比較放射性衰變發生之前與之後的觀察,發現一些能量不見了。於是他預言一定有一種粒子將這份能量帶走,這種粒子具有很小的質量,不帶任何電荷,非常難以捕捉,而一旦射出,將射穿我們所知道的所有物質,幾乎不被阻擋。

我們現在已經知道這種新粒子的存在。你剛才就見到了它。在放射性衰變所釋放的所有粒子中,只有這個你從未見過。它被稱為「中微子」。

美國物理學家弗雷德裡克·萊因斯(Frederick Reines)和他的同事們在一九五六年用實驗探測到了中微子,大約四十年後的一九九五年,萊因斯因此獲得了諾貝爾化學獎。他曾經說過,中微子是人類想像出來的最小真實。今天,我們知道這些中微子們(有許多種中微子)只受到弱核力場與引力影響。它們對電磁場及強相互作用場完全沒有反應。

對於它們來說,原子真的就像你第一次見到它們時的印象一樣:是空的。

這是一件好事。

為什麼?

因為如果中微子與原子相互作用,我們就會有大麻煩,因為中微子被太陽大量地製造出來。

事實上,非常非常多。

大概有六百億個中微子穿透你每一平方厘米的皮膚。

每一秒。

但它們根本就沒注意到你。一個也沒有。

不管這聽起來多麼讓你不快,但它們分辨不出你與其他東西的差別。它們穿過你的身體,穿過地球,繼續它們奔向宇宙的旅程,就像你和我們的地球從來沒有在那裡一樣。

現在我們都已經被教導放射性很危險,我們應該遠離那些放射性材料如鈽或鈾或鐳或釙……越遠越好——的確如此。但因為中微子無法分辨你與真空,它們不可能是造成這種危險的因素。

帶來危險的緣由在於衰變中釋放的其他粒子,幸運的是,它們已經是你的老朋友了。

當原子核發生衰變時,它會分裂並發出中微子、夸克監獄、電子與光子。後面三種都很危險。

這些粒子中個頭最大的是被互相綁在一起的四個夸克監獄:兩個質子與兩個中子結合在一起。它被稱為「阿爾法粒子」,實際上就是一個失去電子的氦原子。為了成為正常原子,這個氦原子核就要想方設法偷到兩個電子。它有幾種方法實現這一目標。它可以從周圍原子中搶兩個過來(粗暴),它也可以與周圍原子分享(互利),或者收留兩個無主的電子(樂善好施的撒瑪利亞人)。

在第一種情況下,那個被奪走電子的原子又會去尋找其他電子……當附近有生物(就像位於廚房裡的你),皮膚上的原子失去電子後就會發生詭異的化學反應,導致所謂放射性灼傷。這是阿爾法粒子危險的緣由。

放射性衰變發射的第二種粒子是非常高能的電子,它能將遠處的正常電子打飛(帶來同樣類型的危險),第三種類型則是高能光子,伽瑪射線——我們在早先飛越宇宙時見過它們,當時強調的是它們無與倫比的高能所伴隨的高頻率。

伽馬射線能夠通過擊中原子將後者的一個電子帶走,讓該原子成為急著尋找另一個電子的離子,同樣燒灼我們的皮膚。

但是伽馬射線也可能使事情變得更糟糕。

沒有什麼東西能夠迫使它們只停留在我們皮膚的表面。它們可以穿過皮膚,給身體更深處造成局部混亂,不僅僅是把電子趕出其原子家園,還能破壞分子,例如我們細胞中的DNA分子,因而改變我們的指令庫,而我們的身體正是依賴這些指令來製造維持生命所必需的各種物質。其後果往往是癌症和/或基因突變。

放射性可能帶來的後果是可怕的。對此沒有人提出疑義。但是,它也有令人高興的一面:正如引力、電磁和強相互作用那樣,放射性儘管是一種破壞性的作用力,但它卻是隨時隨地始終發生的一種自然現象,甚至在我們體內也存在,只是水平非常低。除非經受了高水平的放射性輻射,否則沒有什麼大不了的。

事實上,每一個人都應該感謝放射性的存在。的確,它能殺死你,但沒有它,你甚至不可能來到這個世界。在地球上,我們腳下深處,一直以來,我們的星球恰好有著許多能夠衰變的原子。現在比過去少了一些,但依然,地球的地幔層是放射性的。當原子在那裡衰變時,它們所釋放出來的粒子撞擊鄰居,產生熱量,就是這種熱量保持我們地球的溫暖。如果沒有放射性,就不會有地震或火山爆發,地球表面早在幾十億年前就會是一片冰冷。我們所知的生命或許不會存在。

放射性打破原子,放射性有殺傷力,但它所代表的弱核力場將恆星儲存在構成我們星球家園的原子中的一部分能量釋放出來,還給我們,不可或缺地溫暖了我們的世界。

最後,在把你送上另一場探訪空間與時間起源的旅程之前,讓我們小小地總結一下:原子能作為整體,通過原子核的裂變或聚變,能釋放出它們所隱藏的巨大能量,人類試圖在核電站中以各種效率利用這些能量。我們只能希望有一天,技術的發展能讓這些技術變得更加安全清潔,因為它們有著巨大的潛力。

儘管核能有著不怎麼良好的公眾印象,儘管過去有著不當使用,但我們不應該忘記,沒有核力,我們就不會存在。沒有放射性,地球上就不可能出現生命。

當然,我指的是我們所知道的生命形式。

  1. 或氫或其他原子,真的。​​​​​

  2. 這是發生在日間的情況,在夜間,它們也同樣穿過你,不過是在它們穿過地球之後。​​​​​