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第五部分 到達空間與時間的源頭 第3章反物質

在地球整個歷史的大多數時間裡,它表面上的絕大多數都不為人類所知。今天我們可以借助人造衛星所拍攝的整個地球的照片來繪製全球地圖,但僅僅近至幾個世紀之前,只有歐洲、美洲和亞洲的小塊土地被當地居民繪製過地圖,從來沒有人繪製過整個世界的地圖。來自許多不同文明的勇敢無畏的探險家們因此不得不離開自己安逸的家園穿過狂風巨浪航行在海中,去探索在他們的家國之外是不是還有其他地方存在。一個接一個地,他們發現了遙遠地方的大片從未被自己同伴踏足過的陸地。他們也發現了其他文明。被水域包圍的小塊岩石被命名為島嶼,大的,被命名為大陸。每一次這樣的發現都擴展了人類的疆域,同時,也讓我們的祖先進一步認識到一個很簡單的事實:我們都生活在一個漂浮在巨大宇宙裡的極其豐富多彩但又相當小的球體表面上。

數十年過去了。

經歷了各種各樣的暴力、貪婪和好奇,我們對地球有了更多的瞭解,未知世界逐漸從地平線外變成了頭頂之上。太空成了每個人只要抬頭看一眼就充滿好奇的新謎團。但那裡的距離大得無法想像。當我寫這本書時,人造衛星已經飛到了離地球幾億公里外的地方,試圖尋求存在於我們星球上的水的起源,或許還有生命構件本身起源的答案。探險已不再是將人類送往危險的航程中。機器人能夠代替我們完成這個任務。但星際旅行所帶來的興奮正在上升,在二十一世紀,有沒有可能我們身處地球,卻依然當一個探險者?

當然有這個可能。

人們可以將目光對準海底,那裡的環境對我們的技術(更不要說身體)是巨大的挑戰,真正潛到大洋最深處的人比踏上月球的人還少。

或者,人們可以走完全不同的另一條路:搞科學。

雖然科學與駕駛帆船或宇宙飛船相比沒那麼拉風,但它可以帶你去任何地方。從海底深處,到我們可見宇宙邊緣。甚至更遠。在閱讀本書的過程中,或許你已經注意到,你的意識能夠帶你到達你的身體無法接近,以及從來沒有人到過的地方。在深入研究空間與時間的本質,或者粒子與光的量子行為的過程裡,沒有兩個讀者在閱讀本書時經歷完全一樣的旅程——沒有人可以在各自大腦中看到完全一樣的圖像。通過在你的大腦裡創建星系和虛擬光珠,你進入了理論研究的世界,一個沒有限制與邊界的世界。

沒有人能夠事先知道朝著哪個方向航行,他們能夠找到島嶼或大陸,必須經過許多探險家的失敗,才能鋪就通往偉大發現的道路。運氣的確存在,但無法被依賴。以過去的發現為基礎,是一條更可靠的捷徑。科學也同樣如此,反物質的發現,走的就是這條我們古老的祖先所走過的探索之路。人類中的一位天才以下面這個令人驚訝的事實打開了所有其他人的眼睛:構成我們的物質,構成我們行星、恆星以及星系本身的物質,只是所有物質的一半——他並不僅僅是依賴運氣想出了這點。他是在別人在他之前已經蓋好的大廈上加蓋了一層。確切地說:依據愛因斯坦對於物體在非常高速度下運動時行為的研究,再結合以量子粒子們奇怪的行為。這個人就是保羅·狄拉克(Paul Dirac)。他創建了量子場理論,作為結果,他發現了反物質。狄拉克是英國科學家,並在一九三二年至一九六九年間擔任英國劍橋大學盧卡斯數學教授,這是世界上最崇高的科學教授席位之一。艾薩克·牛頓在一六六九年到一七二年擔任此職,該椅子上還坐過史蒂芬·霍金,從一九七九年直到二九年。

那麼反物質究竟是什麼東西?

你已經知道方程式E=mc2代表什麼意思:質量能夠轉化成能量,同樣,能量也能轉化成質量。這是一個相當高的交換率。就像你在前一章中所見,能量能夠從真空裡,從場裡借出一小會兒,創建出粒子。

現在,回到縮微版的你。

你仍然在被掏空的宇宙中,被真空包圍——確切地說,被電磁場的真空包圍。

就在你的眼前,一個電子憑空出現。

為什麼它會出現?因為它可以。所以你看到一個電子出現了。噗!就這樣。

瞬息之前,除了真空,什麼都沒有。現在,有了一個電子,而電子帶有質量。它憑空出現這一事實就意味著一些沉睡著的能量被轉化成質量。那個E=mc2的公式在行動。很簡單。

但電子還帶著電荷。這就帶來一個問題:那個電荷是從哪兒來的?

質量來自能量,質量與能量是等同的,因此從借來的能量中產生質量是一個平衡的過程,只是將一種形式的能量變換成另一種形式而已。但電荷完全就是另一碼事了。電子出現後,也隨之出現了一個負電荷。而在這之前,沒有電荷;在這之後,有了一個電荷,這,顯然,無論如何都是無法接受的。如同我在上一章結束時所提到的,你不能無中生有地創造出某樣東西而不付出代價。這從來不會在現實生活中發生——我能聽見你的歎息——至少這次,你會因為聽到在量子世界裡也同樣如此而感到高興。

那麼,我們怎麼處理這個電荷?我們只能對此視而不見嗎?

我們不能那麼做,因為這太重要了。宇宙中的每一個電子都帶著一個電荷,其他許多基本粒子也都如此。

那麼這個電荷從哪裡來?

最簡單的答案往往就是正確答案,這就是:一個電子從來不會被單獨創造。它必須與另一個與它除了電荷之外一模一樣的粒子一同被產生。那個粒子所帶電荷是正的,它被稱為「反電子」。

我們是為了讓所有被「無中生有」的電子-反電子對的電荷總和為零才設想出這個反電子概念。在這裡我們不需要E=mc2或其他任何公式幫忙。這種現象並沒有違反任何規則:在電子與反電子被創造出來以前,總電荷是零,之後依然是零。

這就是保羅·狄拉克想出來的絕妙主意。

這又怎樣?你迷惑不解,可以理解。

當時沒有人知道一個與電子完全一樣,除了電荷相反的粒子是不是真的存在。從來沒有人見過這種粒子。

今天,我們到處都能探測到它們。

電子與反電子對被「無中生有」的過程被稱為粒子-反粒子偶的產生。

反方向的過程同樣存在:當一個電子與反電子相遇時,它們發生湮滅,消失了,噗!不見了,它們的質量變回能量,在一瞬間,變成光。

電子們與它們的相反自己產生於電磁場,當它們相遇湮滅後又變回到電磁場。

既然電子自身存在著,又因為它們是從電磁場中通過電子-反電子偶生成的,那麼推論就是反電子們也應該自身存在。事實上它們的確存在,但不是在任何地方都能找到它們。

一九二八年,狄拉克稱反電子為「海裡的洞」,他說的海就是我們現在所稱的電磁量子場,「洞」則是因為它所反映的缺失電荷。

他的「洞」——反電子,在五年之後的一九三三年被實驗發現,狄拉克因他出類拔萃的直覺獲得了當年的諾貝爾物理學獎。他關於場的理論涵蓋了自你開始探訪微觀世界以來到處可見的各種場,並引導他自己發現了反物質。

真正首先探測到狄拉克的反電子的是美國物理學家卡爾·D.安德森(Carl D.Anderson)。但安德森沒有把它命名成反電子,而給了它一個新名字:正電子,至今這個名字仍在使用。安德森在三年後的一九三六年因為他出色的偵探工作獲得了諾貝爾獎。

這樣,反物質誕生了。

我剛才說所有物質中的一半是反物質。但如果只有反電子的話,那就不是所有物質的一半了。那麼有沒有反夸克、反光子和反膠子?

對於電子適用的,對於其他粒子也適用。

它們都有相反的自己。

反夸克的確存在,反中微子和反光子也一樣。但有些粒子,不帶電荷的那些可以同時屬於兩個陣營,成為它自己的反面。光子就是一個好例子:因為光子與反光子都不帶電荷,所以它們一模一樣。

那麼為什麼不管在哪裡,我們都看不到所有其他反粒子出現在我們身邊?

答案是它們就在這裡,就在你身邊,但很少量,因為每次一個反粒子出現,都只能存在非常非常短的時間。記住,任何反粒子與它對應的正常粒子遇到時就會立刻湮滅,依照E=mc2變成一縷能量與光消失。

然而,在宇宙中的某個地方,是否存在一整個由反物質構成的世界,一個反世界,如果你想這麼稱呼它的話。沒有誰知道是否有這樣的世界存在,但如果它們的確存在,而且如果你真的有一天碰巧在外太空見到一個來自它們世界的你,不要握手。你和你的「反你」將變成炸彈立刻爆炸。非常劇烈的爆炸。

就是這樣,我們周圍依然有一些反物質存在。甚至就在你體內,就現在。

每次放射性衰變發生時,就會產生一些反物質,但會迅速和與之對應的正常物質湮滅,產生非常高能的光線,通常它會直接射過你的身體,你和其他人都不會注意到它。

你的眼睛看不到這些光線,因為,我們早先已經討論過,你的眼睛從來不需要進化出這種探測它們的能力。但雖然你的眼睛看不見,科技卻可以——一些機智的工程師們成功地把這個發現轉化成一些高效的醫療診斷和研究工具。PET就是一例。它們被應用於醫院。PET的意思是正電子成像術(Positron Emission Tomography)。醫生們將液體「示蹤劑」注射到你體內,這種示蹤劑本身具有放射性,每次發生衰變時就會釋放出一個正電子。這個正電子隨後與它遇到的第一個電子發生湮滅,變成強大的伽瑪射線,被體外的PET探測器測到,這些信號能被用來重建你的身體如何運作的3D模型。相當聰明。

很好。

你現在已經知道了場和它們的真空。

你知道了它們可能被統一。

你知道質量和電荷以及反物質。

這意味著你已作好了準備,可以超越你在第一部分所見到的宇宙,開始新的旅行,奔向大爆炸,甚至更遠處,直到空間與時間的源頭。

所以,如果我是你的話,會深吸一口氣,然後再翻到下一頁。

  1. 多劇烈?根據E=mc2來算,只要僅僅一克反物質與正常物質發生湮滅,就能產生當年投在廣島原子彈所釋放能量的三倍。七十公斤重的你與同樣重的「反你」湮滅將等同於引爆210,000顆這樣的原子彈。真是一次有力的握手。​​​​​