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第五部分 到達空間與時間的源頭 第2章沒有什麼「什麼都沒有」

你還在自己的廚房裡。

夜已經很深,很暗,一片安靜。

如果你以前就覺得世界很美,那麼現在你經歷過的旅程顯然帶給它更多的風味。所有一切看上去都更深刻,充滿力量和神秘。

哪怕是你不起眼的廚房。

你身邊的空氣裡充滿了漂浮著的原子,它們沿著地球在時空中引起的曲線下滑。

這些最初形成於早已死亡的恆星內核的原子們。

在你體內,以及任何地方的原子們,正經歷著放射性衰變帶來的崩解。

在你腳下,地板——它的電子們拒絕讓你通過,因此讓你能夠站立、行走、奔跑。

你的行星地球,由人類已知的三種量子場所形成的一團物質,被所謂第四種作用力(雖然實際上它不是力)引力聚在一起,漂浮並穿行在時空之中。

這些聽起來如此離奇,或者就像是徹底的神跡,你決定再給自己煮杯咖啡,然後你走回起居室,坐進那舒服、堅實,給你安全感的舊沙發裡。

你試圖整理一下頭腦裡亂轉的各種想法。生命的意義是不是隱藏在某個地方,在我們剛才一起看過的世界之外的某個地方?你至今所學到的東西真的對頭嗎?

在你開始探訪比你已經到達的更為遙遠的地方之前,讓我告訴你:揭開世界之謎是一個正在進行中的工作。科學或許還不能回答所有問題,雖然它已經回答了不少。這取決於你的期望是什麼,我可以告訴你一個真相,本書的結局未必比開始更易於理解。如同美國理論物理學家愛德華·威滕(Edward Witten)所說:「在遠離你安逸家園之外的宇宙,並不是為了你的方便而被創造的。」

或許我們應該記住我們一起離開安逸的日常生活,進入黑暗的海洋,因為不管這個論斷多麼謙遜,但它提供給我們每個人完全的自由,讓我們能夠以個人的方式解釋我們所看到的東西。這是一件好事。因為不同的觀點越多,人性就越豐富,科學也越能往前發展。

我在上一章結尾就已提示,在我們充滿信心打開通往未知世界的大門之前,我們必須先熟悉被科學家們稱為「真空」的那個概念。這是當今理論物理學家們理解量子現實的基礎——這是一個理論模型,它幫助我們作出精確到難以置信的程度的預言,這些預言已被無數次不同實驗反覆檢驗並證實。

在宇宙中隨意選擇一個地方,一個區域,拿走其中所包含的一切。我指的是所有東西。

奇怪的是,剩下的並不是空無一物,雖然你覺得自己已經拿走了裡面的一切。

這合乎邏輯嗎?一點都不。但大自然並不在乎我們人類怎麼想。

現在,請閉起眼睛。

為什麼?

因為我們周圍有些東西是不能承受被看著的,你將要面對的真空就是其中之一。

在我們開始之前,先等一分鐘,放鬆一下,想想那次你從可愛的熱帶小島坐飛機回家的旅程。

你或許記得在飛機起飛不久後你就睡著了。真的,如果你問下那位看上去古里古怪的鄰座,他大概會告訴你在整個飛行的大部分時間裡,你都鼾聲震天。

那麼在你整整八小時的睡眠之中,飛機上到底發生了些什麼呢?你在整個飛行中穿越了幾個時區?的確,如果沒有一個人仔細觀察,那麼任何一架飛機在空中具體飛過的軌跡又有誰知道?

你對這次航程的瞭解只限於你睡著之前和醒來之後。你看向窗外,看到你的飛機從一個遙遠小島上的跑道起飛,看到它安全地降落在你家所在的地方。在兩者之間,你的腦子裡沒有任何飛行軌跡的印象。你完全不知道中間發生了什麼。

現在,要是有人告訴你,你的飛機按照完全不是你想像的路線飛行會怎麼樣?去了木星,比如說。或者像中微子那樣,穿過了地球,或者在時間中來回穿越?我猜你可能很難相信。

但是,不管你是不是在做夢,你的確在第三部分中經歷過這種詭異的軌跡,在八小時時間內飛到了四百年後的地球。所以,我們必須更仔細地看看到底發生了些什麼。

你現在知道如果要讓這個情景真正實現,你的飛機必須以非常快的速度飛行。的確,它得飛入很遠的外太空,接近光速,然後再飛回已經過了四百年的地球。

在現實生活中,你或許能夠找到很多無可辯駁的論據來否定這樣的軌跡,或否定你乘坐的飛機可能有這樣類似詭異的軌跡,但依然如此:如果我告訴你,在你睡著的時候,你乘坐的飛機不僅真的飛入太空並且飛了回來,而且它實際上還同時沿著各種可能或不可能的路徑從你入睡的彼時彼地,又回到了你醒來的此時此地,又會怎麼樣呢?穿過地球,然後回來;繞過木星,回來;所有的路徑,都被飛過。

你大概從此再也不會相信我的鬼話了,對嗎?

很好。

這意味著你已做好準備一探真空了。

你的咖啡、花瓶、你的沙發、你的屋子,都不見了。

你回到了只有意識才能訪問的世界,你幾乎就是個影子:完全透明,只有一點點形狀。你不受周圍一切的影響,也不會影響周圍的一切。

然而,你的周圍到底是什麼,並不完全清楚。

在你看起來,那裡,嗯,什麼都沒有。

只有黑暗,籠罩著一切,延伸到無窮。

你早已對這種劇烈變化的風景見怪不怪,依然漂浮在這看起來就像被掏空了所有一切內容物的宇宙中。

一開始,這幅景象頗讓你平靜,但很快,你不得不承認,你覺得無聊。既然無事可做,你再次想起我剛告訴你的關於在飛機上睡著的事。

一架真正的飛機真的可能完全按照不可預期的方式飛行嗎?對各種可能的路線保持開放的心態是一回事,但真的從地球中心飛過?或在時間裡來回穿梭?別開玩笑了!

是的,你是對的。「別開玩笑了!」是面對如此可笑想法的唯一自然反應。

但你依然應該對此保持開放心態,因為對於飛機來說聽起來瘋狂的事,對於微粒來說可能非常真實。

現在就讓我們拿粒子來思考一下,一顆沒有被任何人觀察著的粒子。你想像一下它從一個地點運動到另一個地點,你只能在起點與終點探測到它。現在,同樣一個問題:如果你不去觀察,這個粒子究竟是沿著什麼軌跡從起點運動到了終點?

顯然這取決於……

但是不對,它並不取決於任何東西。對飛機來說,這個想法可能過於抽像,但對粒子來說,這是真實情況。只要你沒有去觀察,一個粒子就能真的經過你能夠想像的所有途徑,不管這些途徑聽起來合不合理。粒子的運動和行為與你在日常生活中所看到或經歷到的一切都不相同。或許你在遊歷原子的內部結構時已經瞥見了這個秘密,看到了電子和其他粒子並不只是一個球狀的某塊物質。現在我們將接近一個更深層的真相:量子場會給粒子帶來奇怪的效應。

一個粒子屬於量子場意味著它的確分裂成許多它自己的影像,一直都是。所有這些影像所經過的軌跡填滿了空間與時間中的每一點,如果你想偶遇的話,在任何一個時間或地點都有可能見到那個粒子,只是幾率大小不同罷了。

更糟糕的是,在物質的粒子或光子被探測到之前,它們無數的自身影像可以再次分裂並變成其他東西,然後再變回它們一開始的自身。就像光子開始變成電子,電子變成光子,在我們沒有觀察的時候,宇宙中所有的粒子都能變成另外的東西。量子微粒是一些難以捉摸的小傢伙:當大自然沒被關注時,一切可能發生的事都發生了。如果你不相信我說的話,請自己看。

你漂浮其中的無邊夜空中有一些事情正在發生:一個白色無門的立方體房間出現在你周圍,很快,你發現自己位於其中,它的牆壁被完美的白色微小探測器蓋滿。幾百萬個。

就在你的正前方,這個無門的房間中間從地板到天花板豎著一根金屬柱子,有你的手臂那麼粗。

房間裡唯一的另一件東西就是一台黃色的儀器,看上去有點像那種能夠彈射網球的裝置。這個奇怪的小機器人看上去正通過它的發球管注視著你。

顯然替他編寫程序的人很講禮貌,它向你打了個招呼:「你好!」

它沒有嘴巴或眼睛或耳朵或任何器官,但它能說話,嗓音有點沙啞。

「你好。」你回答道,誰知道呢,你打算開始提問。

那機器打斷了你,解釋說它身體裡充滿著蠢蠢欲動的粒子,它將從現在開始,一個接一個地將它們拋向房間的另一邊。

如果你想知道它們是光子還是物質粒子,回答是兩者都有可能——因為你將要看到,物質與光在根本上具有同樣的行為。

顯然機器人已經等不及了,立刻開始倒數:

「三……二……一……」

管子裡出現了一個粒子,一瞬間,房間的另一邊響起一聲鈴響。你好奇地覺得那個機器人很滿意自己的動作。

你向一邊微微側過身去,看到牆上的一個探測器變黑了,位於金屬柱子後面。

第一個問題:「那個粒子是怎麼去往那裡的?」機器人問道。

它那空洞的職業聲調並沒有讓你不快,你站到投球手拋出微粒的位置,一條直線連接了發球管與變黑的探測器。那條顯然就是粒子軌跡的直線幾乎碰到了金屬柱,還差一點兒。

「這就是軌跡。」你回答,抬起手指指向那粒子唯一可能經過的方向。

「錯!」機器人回答道,簡單直接。

「再說一遍?」你說,頗感意外。

「你的答案不正確,不管你指向的是哪個方向。」機器人說道,你懷疑編程者是不是真的考慮了禮貌。

「但只有這條可能的線路!我現在就看著它。」

「如果你依賴感官與直覺,」機器人繼續說道,「那麼你將一直給出錯誤的回答。每個剛進入這間房的人都會犯這個錯誤。量子微粒所遵循的規則與你們日常生活中的不同。對於粒子來說,你的感官和直覺沒有用。忘掉它們。」

不管你覺得它的態度多麼粗暴,這個機器人說得一點不錯。雖然它的外表看上去沒什麼了不起,它卻具有實現本書所述的各種方程式的能力,事實上它是世界上最先進的計算機——就像計算機常常是科學家們真實生活中最好的朋友一樣,它能幫助他們看清自己的理論,我們的機器人超級計算機也將在我們這本書的剩餘部分中給我們提供許多幫助。

它能按照我們人類已知的自然規律模擬任何進程。例如,你現在所在的白色房間,就是這台計算機的傑作,裡面所發生的一切都遵循著大自然已知的法則。

或許看起來我們的機器人所投出的粒子按照標準直線飛行,但粒子們屬於很小的微觀世界,位於我們的常識之外。計算機說你錯了,因為剛才所發生的事件與你是否看見或是否聰明沒有關係。計算機談論的是大自然,在這點上大自然堅定而清晰:粒子的行為不同於網球,而是量子微粒。從一個地方運動到另一個地方,它們會在時間與空間上經過所有可能的路徑,只要這些路徑出發於起點,終止於終點。因此機器人所發射的粒子的的確確經過了所有地方。同時經過。那根柱子的左邊與右邊,以及從中間穿過。甚至在房間外面,進入未來並回來——直到它擊中牆上的一個探測器為止。

不用擔心,你並不需要理解這些。事實上你是不是理解完全沒有任何影響,自然就是這麼運行的。無人觀察的粒子的確沿著時空所能提供的一切可能路徑運動。房間中央豎著的金屬柱子也不改變任何東西。實際上它豎在那裡的意義只是為了讓你有個參照。拿走它後粒子照樣從它原本所在位置的左邊和右邊穿過。

另一方面,那些在牆上的探測器們,的確造成不同:擊中其中的一個令粒子最終出現在某個地方。

在你身後,那個黃色的粒子發射機器開始振動,變得熱了起來。你猜想它是不是出了故障。似乎看穿了你的想法,它突然又開口說話。

「所有的一切都正常,我在放慢時間。那需要能量。你下一次眨眼的時候,我將投出另一個粒子。你將會看到這個房間會變成什麼樣子,或許你真的能夠見證這個粒子從發球管到對面牆上所有可能經過的途徑。」

還沒來得及細想,你禁不住眨了一下眼,機器人的確開始了又一次倒數。時間的流逝也開始變慢了。

「三……二……一……」

粒子以極慢的速度離開機器人。一開始,它看上去像是一團模糊的雲。

你就站在發球管後面,看著它似乎分裂成無窮多的自身鬼影,實際上成為一種波,一種被它所屬的背景場推動著的波紋,向著空間與時間的各個方向運行,從柱子的左邊與右邊,還有中間穿過,還穿過了房間的牆壁,分裂成你能夠想像到的極限之多的自身影像,真的是這樣,直到突然之間聚集在一起,結束在房間另一邊牆上的一個點上,觸發了另一個探測器。探測器變黑。鈴聲響起,時間回復到正常速度流逝。

你剛才拜計算機模擬所賜見到的在白色房間中所發生的圖景,就是科學家們相信無人觀察到的粒子的行為。當有人對它們進行觀察時,所有的規則都改變了。當雷達在整個航程中不停地跟蹤飛機時,它就不可能出現在被探測到的地點之外的地方。同樣,當有人試圖探測一個粒子時,就像那些安裝在牆上的探測器所做的,粒子就不再出現在所有地方,而是只在一個地方。然而,與裡面坐著乘客的飛機不同,在沒有人觀察時,粒子真的到處都在。

從表面上看,這聽起來就像「森林中倒下一棵樹」的問題:如果沒有人聽到,那麼樹發出聲音了嗎?當我們在場時,樹真的倒下了嗎?但我們這裡所談的不是哲學——我們談的是大自然,是包圍並構成我們自己的粒子們的行為。

現在,為什麼粒子——大自然——會在乎有沒有人觀察它?是的,許多科學家也在思索這個問題。這個問題引領著一些科學家做出看似瘋狂的回答,我們將在第六部分中做一下介紹。現在,就讓我們先指出你剛才所見證的現象已經被無數實驗所證實。粒子無處不在,又突然不在那裡了,探測器本身迫使被拋出的粒子必須擊中房間裡牆上某處的探測器。

「如果你感到迷惑,這是完全正常的,」機器人說道,「我向你展示的就是探測真相會改變自然的活生生例子。」

「再說一遍?」你皺著眉頭,問道。

「真相在你注視它時發生了改變。」機器人又重複了一遍,「如果你感到迷惑,這是完全正常的。」

非常微小的量子世界,看上去是一個由各種可能性構成的混合體。

所有粒子所屬的量子場是這些可能性的總和,然而,當有人試圖找出粒子的真相時,看見粒子就意味著許許多多存在著的可能性中的一個被選了出來,這種選擇就是你探測到它這個行動本身。沒有人知道為什麼會這樣,或者這是如何實現的,但真實的結果就是如此。在你與量子世界相互作用時,多重性變成了單一性。就好像,在別人眼裡,在生命中的某個時間點對於某個話題,你所具有或不具有的所有想法的可能性都存在,直到有人聽到你大聲說出的時候,在此之後那種無限的可能性突然被縮小為一個想法。這就是那間白色房間牆上掛著的探測器所做的事。它們迫使機器人發射的粒子最後落在某個地方,而非一直處在所有地方,剝奪了它們無處不在的特性。

你逐漸意識到這件事可能帶來的後果,不禁汗毛倒豎,雖然你依舊只是一個影子。這是不是就意味著有了合適的探測器,你就能夠創造你自己的真實世界?僅僅通過試圖探測它們,你是否能夠讓粒子——物質本身——以這種而不是那種的方式運動,以此來塑造你自己想要的宇宙?威滕曾經說過宇宙並不是為了你的方便而被創造的,或許他錯了。

在你開始誇口之前,我很抱歉地告訴你威滕是對的,你新發現的能力只是一種虛幻。你無法塑造宇宙,因為在你一瞥之後,構成量子世界的所有量子可能性中,究竟哪一個會成為現實無法事先被預料。這是構成宇宙的量子場的魔法之一。量子世界將我們所認為的確定性變成了可能性或概率,對於我們以實驗探索那個世界,其給出的結果沒有人能夠以完全的自信預先猜到,就像扔硬幣或擲骰子一樣。科學家們曾經認為這種不確定性來自於他們自身認知的缺乏,但一九六四年北愛爾蘭物理學家約翰·斯圖爾特·貝爾(John Stewart Bell)發表的一個傑出定理證明了這種想法的錯誤。在貝爾提出的這條定理的指導下,法國物理學家阿蘭·阿斯佩(Alain Aspect)進行的實驗證實:可能性而非確定性的存在是對於極其微小的世界你不得不接受的客觀性質。

好吧。

但這一切與你原先要探索的真空又有什麼關係?別急,你馬上就會瞭解。

那個滿是探測器的白色房間消失了,與它一起消失的還有房間中央的金屬柱子和那台黃色的機器人,居然連「再見」也不說一聲。

你又回到了看起來如同黑夜的宇宙中間,只有自己一個人,周圍什麼都沒有。

你又縮小到縮微版的自己,開始看到某些東西的擾動。

這好像是……好像是一個粒子(或許有兩個,你也不能確定)剛好出現在你眼前,又突然化作一縷微光消失。

什麼都沒有,然後突然有了一些東西,現在又什麼都沒有了。

奇怪。

現在,又發生了一次。再一次。無數次,到處都有。

你現在所看到的顯然是粒子無中生有地自發形成。而在它們因為某種原因消失之前,這些粒子也按照它們量子的自由所允許的一切可能路徑運動。

你應該能夠接受上面所說的那句話的最後部分了,你已經在白房間裡看到了這些無人觀察的量子粒子如何運動。但它們怎麼可能無中生有?

好吧,它們周圍並不是什麼都沒有。量子場無處不在。

粒子要出現,就得先從量子場中借到一些能量。因為這些場填滿了所有時間與空間,粒子因此可以在任何時間與地點出現。這就是為什麼說宇宙中任何地方都不存在真正真空的原因。

你朝黑暗的更深處看去,突然,就像一直蒙在你眼前的某種濾鏡被脫下,整個真實世界一下子展現在你的眼前。粒子們。在聚合。到處都是。填滿了一切,從不停起伏的循環沸騰背景中射過。虛擬粒子們到處移動,互相作用,在一縷縷光或能量中出現然後消失。一場無與倫比的焰火表演正在所有的地方上演,沒有漏掉任何一個角落。可以說這與你以前曾認為的巨大虛空的太空中「什麼都沒有」的想法完全相反。

這就是科學家所稱的真空。

這就是當所有一切都被取走後所剩下的:位於最低能量水平中的量子場,虛擬粒子們自發從場中生成,只是移向各處,直到重新被吞噬湮滅。

我再說一次:在我們的宇宙中不存在所謂真正什麼都沒有的「空」。

當某個地方所有的東西被拿走之後,你可能有理由認為那裡什麼東西都不會留下。但事實就如你無法把某處的時間與空間拿走一樣,你也無法拿走量子場的真空。

但如果真空不是真正的空——如果量子場的真空真的可被所有開始在其中生成的粒子所定義——那麼就會帶來一個很合理的問題:是不是到處的真空都一樣,還是真空的性質可以隨著地方的不同而不同?換句話說,有沒有許多種不同的真空?

一九四八年,荷蘭物理學家亨德裡克·卡西米爾(Hendrik Casimir)研究了按照以上方式定義的真空,他的結論是,如果這真的是宇宙的真實存在,而非僅僅是理論設想,那麼不僅僅我們周圍應該真正存在著不同的真空,而且它們還應該在我們的世界裡留下非常確鑿的效應。我們應該能夠探測到這種效應。

想像有一道牆,裝在萬向輪上,將兩間房分開,其中的一間充滿空氣,另一間充滿水。或許你認為牆會因此移動,被水推向一邊,朝充滿空氣的房間移動。現在,想像將兩塊很小的金屬板平行相對放置。沒有其他作用力的話,就像剛才的房間,它們應該互相排斥(或吸引)對方,因為它們所分隔開的真空之間是不同的。

為什麼?

原因很簡單,因為在兩塊金屬板外面的空間大於在兩者之間的空間。其後果就是在兩塊板之間無中生有出現的虛擬粒子應該與在兩塊板之外出現的粒子不同,兩種真空因此會不一樣。

結果是,金屬板應該會移動——它們的確移動了,美國物理學家史提夫·拉莫若(Steve Lamoreaux)與他的同事們在一九九七年通過實驗得到了證實。這種現象被稱為卡西米爾效應。

卡西米爾效應證實了真正的空無一物並不存在,不僅如此,它還顯示了我們的世界中存在著不同種類的真空,而且還會因此產生力:真空之力。

難以置信,你或許意識到自己又找到了一個非常非常根本的謎團的答案。

你早已知道,我們宇宙中所有的粒子都是量子場的表現。它們就像海裡的波浪。它們又像拋入空中的球。它們兩者都是,粒子與波,在它們所屬的量子場裡誕生,並沿著它們所屬的量子場前進。

現在,你還記得當時探訪微觀世界時自己注意到的現象嗎:你所遇見的所有同種類基本粒子都完全一樣,任意兩個電子都一模一樣?

怎麼會這樣?

在你的日常生活中,這種完美根本就不存在。無論你怎麼做、怎麼看、怎麼建造或怎麼思考,也不會有兩個完全一樣、完全沒有差別的物體。人類、鳥類,甚至思想,都不會這樣。就算它們看起來一樣,實際上也存在不同。那麼,怎麼可能所有電子和其他基本粒子永遠與它們的同類絕對而且完全相同呢?

答案在於,在整個宇宙中,所有的基本粒子,都誕生於同一個背景場中,也會在任何時候被同一個背景場所吞噬湮滅:某個量子場的真空。那些不可見的、充滿我們整個宇宙的背景海洋。

所有的電子都是電磁場完全相同的表現,它們都誕生於電磁場的真空之中,並在此中傳播。光子也一樣。

每次電子出現,成為實體,就像是它周圍的電磁場真空踢了一腳,把它從幽靈般的昏睡狀態中喚醒。每次膠子出現,背後的原因是強相互作用場真空中一些能量的增加或減少。每次放射性衰變發生,弱相互作用場的真空都會牽涉其中,發射出它的基本中微子。真空中能量越多,它能產生的基本粒子就越多。

很好,一切順利,讓我們繼續:看起來所有的場都有相同的行為,它們都遵循同樣的規則。那麼引力又如何?

在每一個引力起作用的地方,也都有一種引力場在起作用,雖然這種場有些不一樣,至少現在被認為如此,因為沒有人知道怎麼把它變化為量子場。

後面你會看到,沒有人知道如何讓粒子從引力場真空中出現而不帶來災難性的後果。但如果這的確可能,引力場就會牽涉到某種粒子,像其他場一樣,出現在引力場中成為引力攜帶者。這些粒子被稱為「引力子」。它們尚未被發現,時空彎曲依然是描述引力行為的最佳方式。

就算沒有所謂的引力子,甚至就算引力或許不具有量子屬性,但引力場也的的確確是一種場。這使得人類用來描述他們至今所知道的一切所使用到的場的數目是四個。

但為什麼是四個?

為什麼要有四種基本的場?

為什麼不用5種或者10種或者42種或17,092,008種場來解釋自然界的行為?

它們所對應的真空又如何?它們只是在所有的地方都和平共處卻對其他場的存在毫不在意?聽起來很奇怪,不是嗎?如果只有一種場,生活不是更簡單?

是的。

簡單性是理論物理學家非常熱切地想要追尋的東西。它甚至激發了他們的想像力,這也就是他們為什麼動足腦筋試圖把那四種已知的場統一到一種。

一種場統治一切,你或許想說。

但是,說起來容易,做起來就難了。

每種場的基本粒子甚至都不同,而且其中之一(引力場)的基本粒子甚至還沒有被探測到。

還要考慮激發一個場產生的結果與激發另一個場產生的結果不一樣。它們還各自帶有不同的電荷。事實上,它們都有著不同的性質:電磁場的效應具有長距性,既可以產生吸引,也能產生排斥,但引力場只有吸引,強相互作用場的效應又是非常短距離,還有……

再有……

要將兩種材料變成合金,我們需要將兩者加熱。兩者被加熱到足夠高溫度後會熔化並混合成一種全新的材料,將原先的兩種材料同時包含。

要讓場融合起來,可以用同樣的辦法。但所需要的能量大得無法想像——高達一千萬億度的溫度才能讓電磁場與弱核力場統一成同一個。

一千萬億度絕對已經超出了我們今天所瞭解的宇宙範圍了。

但未必一直如此。

事實上,這麼巨大的能量的確存在過,在很久很久以前,到處都是。那時宇宙還年輕,體積也更小。薩拉姆、格拉肖與溫伯格試圖在紙上推算出當時自然的表現,他們成功地合併了電磁場與弱核力場,因此發現了電弱場。他們發現在極端條件下,一個單一的場統治著現在由兩個不同的場統治的世界:電磁力與放射性。

下一步是將這個新的場與第三個已知的量子場,那個統治夸克與膠子在原子核中相互作用的強相互作用場統一起來。如果能夠成功的話,我們或許就能構造出那個被恰當地命名為「大統一理論」的東西。要實現這一點,我們需要更高的能量。

高多少?

一個非常大的數字。大到往上加個十億度二十億度都產生不了什麼差別的程度。

現在問題是,我們怎麼知道這一切都是真實的?

我們怎麼知道薩拉姆、格拉肖與溫伯格算對了?更何況除了覺得「一」比「三」或「四」更合理之外,我們又怎麼知道真的有個大統一理論有待發現?

因為在將現有的場統一起來建立一個新的場的過程中,物理學家預言這個新的場或許有著自己的基本粒子和作用力攜帶者。為了驗證這些,他們建造了粒子加速器,已經存在的粒子在其中互相撞擊。不僅粒子被撞碎,向我們展示自己由什麼構成,撞擊發生處周圍的巨大能量還能激發沉睡於我們這片宇宙中的場。

到二一五年為止,這種撞擊所產生的最大能量相當於在撞擊處形成十億億度的高溫。這聽起來像是很高的能量,但記住我們談論的是粒子加速器,它加速的不是奶牛或行星,而是小到不能再小的粒子。從現實的角度,這種微觀粒子撞擊產生的能量都不足以讓蚊子飛起來,但在局部,這種撞擊所釋放的能量巨大。就像薩拉姆、格拉肖與溫伯格預言的那樣,全新的粒子(確切地說,W和Z玻色子)被創造出來——只有從電弱場的角度考慮才能合乎邏輯的粒子出現了。

我不知道你對此作何感想,但每一次此類成就都讓我驚歎不已。

引力在這裡又處於什麼角色?要將四種場統一成一個,我們必須也考慮引力,為什麼把它落下了?回答這個(棘手的)問題將是本書第七部分的目標。

但不要失去耐心,因為掌握了你現在看到的一切,就已經學到了我們對於構成你自身的物質所能夠瞭解到的幾乎所有一切,除了一個例外:你的質量。

這樣說吧,你或許會驚訝自己怎麼從來沒有聽人說起過:它看起來是一個很重要的問題,是不是?

好吧,質量來自何處?

你已經知道,恆星在其內部將小的原子核鍛造成更大的原子核。

那麼恆星是不是也會創造質量?

不,不是的。

恰恰相反。

由於聚變過程中顯得多餘的膠子遭到「驅逐」,聚合後的中子和質子損失了部分能量,根據愛因斯坦的方程式E=mc2,因此它們也就損失了部分質量。這就是恆星閃耀的能量之源。在前面你已經看到這個發生過程了。但這個過程還能讓你瞭解到更多:如果逐出膠子而使得原子核損失了質量,這就意味著膠子就是質量。就是說,這部分原子的質量恰恰來自將夸克禁錮起來的虛擬膠子濃湯。實際上,當科學家們對此展開細緻研究時,他們意識到這種存在於宇宙中所有中子和質子當中的「膠子濃湯能量」能夠用來解釋我們所知的非常多的物質的質量。非常多。但還不是全部。

例如,它沒有告訴我們,為什麼夸克和電子帶有質量。或者它們是如何變得有質量的,因為它們曾經是沒有質量的呀。

薩拉姆、格拉肖和溫伯格的研究表明,在很久以前,當極其年輕的宇宙發生膨脹並逐漸冷卻下來時,電弱場一分為二成為電磁場和弱場。不過我在前面沒有告訴你的是,要使這種情況發生,必須存在另外一個場。

另外一個量子場,它有自己的作用力攜帶者及其他所有的東西。

這些作用力攜帶者並不攜帶你在前面已經遇到過的所有作用力,但是又不存在其他起作用的某種作用力……那麼它們是怎麼做的?

它們令一些粒子帶有質量,另外一些卻沒有。例如光子和膠子並沒有感覺其存在,並且它們仍舊不會有這種感覺。它們能夠無視這個場穿行而過。因此它們就依然保持不帶質量,到今天仍舊以光速運行。

但是夸克、電子和中子卻意識到這個場的存在,於是變得帶有質量。因此,它們無法做到以光速運行。

還是這個問題,我們怎麼知道這就是真相?我們怎麼知道這個神秘的場給了我們宇宙中所有有質量的粒子以質量?

好吧,與所有場一樣,這個新的場也應該有它自己的基本粒子。

如同預料之中,它們不是那麼容易見到或檢測到。

根據計算,為了喚醒它們,需要巨大的能量——比電弱場所需要的能量都大。然而聽起來難以置信,在二一二年,科學家們終於在位於瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究中心最強大的粒子加速器LHC中喚醒了它。他們探測到屬於這個場的一種基本粒子。這是整個拼圖中缺掉的一塊。我們宇宙中所有帶有質量物質的質量起源,無論是否歸因於膠子,種種猜想那時才真相大白。

這個發現真正證實了物理學家們一直走在正確的道路上。

媒體們稱它為「希格斯粒子」(雖然或許存在著許多種不同的希格斯粒子),於是它的場的名字叫希格斯場或希格斯-恩格勒特-布魯特場。英國理論物理學家彼得·希格斯(Peter Higgs)與比利時理論物理學家弗朗索瓦·恩格勒特(Francois Englert)因這個發現共同分享了二一三年的諾貝爾獎(他們和羅伯特·布魯特早在四十多年前就預言了這個事實。遺憾的是,布魯特於二一一年去世)。簡短地說,他們發現了在一百三十八億年前,當我們的宇宙冷卻下來時,質量是如何產生的。這是一個了不起的功績,無論對他們來說,還是對整個人類來說。

這個發現登上了各類媒體的頭條,不過儘管如此,這裡還是有必要強調一下希格斯場並不能解釋所有物質的質量起源,它只能解釋其中的一部分。就像我們在前面所說的,中子和質子的大部分質量來自將夸克束縛在其邊界之內的作用力,來自夸克-膠子濃湯。如果希格斯場突然失效了,那麼夸克就會變成沒有質量,我們也會死亡。但質子和中子的質量卻幾乎不會改變。

既然強作用力場對於我們存在物的質量如此關鍵,既然你知道所有我們已知物質的質量來自何處,現在,回想一下那些你在本章開頭看到的從真空冒出來的粒子。你看到了它們……但你還是不要看到的好。天下沒有免費的午餐,大自然不會允許粒子憑空出現,而不付出代價。

這個代價,你馬上就要看到,就是一種新的物質的存在,它的名字叫作「反物質」。

  1. 愛德華·威滕是被稱為弦理論的奠基人之一,你會在本書第七部分結束時瞭解這些。順便說一句,他是第一位也是至今唯一一位被授予菲爾茲獎(相當於數學界的諾貝爾獎)的物理學家。​​​​​

  2. 當我們的電子產品越來越小時,工程師們也越來越需要考慮這種效應。​​​​​

  3. 對於夸克也是如此,同樣適用於質子、中子、光子或任何其他什麼量子場的基本粒子。​​​​​

  4. 記住:原子核中質子和中子的數量越多,所需要看守夸克待在「監獄」裡的膠子數量就越少。​​​​​

  5. LHC代表大型強子對撞機,所有能與強相互作用場發生相互作用的粒子都被稱為「強子」。質子就是強子的一種。LHC的作用基本上就是讓質子帶著相當強大的能量互相碰撞。​​​​​

  6. 諾貝爾獎僅授予在世的科學家。​​​​​