世界上的人們對醫(yī)生、妓女、水手、殺人犯、伯爵夫人、古羅馬人、陰謀家和波利尼西亞人的生活十分了解，卻對轉(zhuǎn)換后變成我們這些人的物質(zhì)一無所知，我認為這是不公平的。
——普里莫·萊維
據(jù)介紹，《物質(zhì)的秘密》是法國很著名的科普暢銷書，對此我表示難以理解，因為這本書雖然短，但一點也不有趣。在我看來，這本書能給人的不在于獵奇，而是讓我們試著理解微觀和宏觀，多一些視角。而最后，借這本書提出的一些開放問題，比如超對稱性、反物質(zhì)、暗物質(zhì)、暗能量等等，討論一個終極問題——宇宙為什么是這個樣子。
原子，以及不確定性
原子最初的意思，是不可分割 。它最早出現(xiàn)在古希臘羅馬時代的某些思想家的想法中。他們從物質(zhì)不能被無限分裂的原則出發(fā)，認為必須承認在物質(zhì)的內(nèi)部應該存在著一個極限，一旦到達這個極限，我們無法繼續(xù)分割物質(zhì)?？隙ù嬖谝粋€“物質(zhì)的最小塊”：這一極端的、不可分割的實體，被他們稱作“原子”，在希臘語中意為“不可分割”。
而中國古代哲學家不這樣看，他們認為物質(zhì)可以無限制地細分下去，比如，一根一尺長的棍子，給它中間截斷了，扔一半兒，留一半兒，還剩半尺，接著截，是半尺的半尺，四分之一尺，繼續(xù)日復一日地截，你就是截上一千年一萬年，都還是可以繼續(xù)截下去，它是無限的。
中國古代哲學家的這個觀點，被稱為“物質(zhì)無限可分”，之前古希臘哲學家的觀點，被稱為“物質(zhì)有限可分”。
誰對呢，要等到19世紀英國物理學家盧瑟福登場。他發(fā)現(xiàn)，如果想辦法把一些粒子用很高的速度打出去，那么就有可能擊中它前面的一些東西，從而產(chǎn)生一些奇怪的現(xiàn)象——大部分粒子都穿過了金箔，但是有少量被彈了回來。
于是，盧瑟福了解到物質(zhì)之中潛藏著一些比原子小得多的堅硬的點。所以原子只能是這樣一個結構：它由高密度的核和在核周圍運動的電子組成。
在發(fā)現(xiàn)原子核后的幾年間，人們越來越清楚地認識到，普通的物理定律不能用于描述原子的特性和運動。物理學家們尤其不理解原子是如何發(fā)出或吸收光的。這一認知迫使他們在糾結痛苦中麻醉自己，放棄既有經(jīng)典物理學中最牢固的某些原則。
一個嶄新的物理學形成了，它專門針對原子和原子的組成部分，那就是“量子物理學”。
在量子力學中，最不可思議的是，不確定性原理。
一個粒子，“既在這里，又在那里”！
比如 ，粒子“自旋”，你任意選定一個方向為正，反方向自旋是負。
現(xiàn)在假設這里有一個電子，在我觀測它之前，你問我一個問題：這個電子的自旋是正的還是負的？
如果是普通物體，比如一個臺球，答案就應該是它“要么正，要么負”?？墒菍﹄娮觼碚f，答案就必須是它“既是正的，又是負的”。
因為，一個沒有被觀測的電子，其實是兩種自旋狀態(tài)的“疊加”，這就是“量子疊加態(tài)”。
但是，只要你“觀測”這個電子的自旋，你得到的結果就“或者是正的，或者是負的”。
而你到底會得到“正”還是“負”的哪個結果，這是一個真正的“不確定性”事件！
沒有任何辦法能事先預測你的觀測結果。
物理學家可以用電子的波函數(shù)精確預測你獲得每個結果的概率大小是多少，但是面對一次單獨的觀測，從理論上講就沒有任何辦法可以預測結果。
因為量子力學這個性質(zhì)，我們可以肯定地說是生活在一個不確定的世界。
放射性，核武器
1896年3月，法國物理學家利·貝克勒爾發(fā)現(xiàn)不含磷的鈾鹽能釋放輻射，而以往以為射線與磷光有關。
如果說物質(zhì)能夠自發(fā)放射出射線，即能量，那么物質(zhì)就并非一成不變。在鈾元素里一定“一直發(fā)生著某種事情”，甚至是非常特別的事情，一種僅憑當時的物理學定律并不能了解的事情。于是，那個時代最偉大的頭腦們都在琢磨：
鈾“放射”的這些輻射是由什么東西組成的？
鈾是從哪里獲得的能量以保持如此持久的放射？
1898年，偉大的女性居里夫人分離出了鐳，同時創(chuàng)造了“放射性”一詞，這個詞很快就在全球非常有名了—— 人們迅速賦予這些射線一些神奇的功能品質(zhì)，認為它們擁有某種生命力量。一些報刊聲稱這些射線能夠戰(zhàn)勝癌癥和結核，治愈陽痿和高血壓，去除跖疣，防止脫發(fā)……
1913年，尼爾斯·玻爾發(fā)現(xiàn)：原子核而不是原子本身或電子才是放射性的根源。
（原子中的）外圍電子在原子的外圍運行，它們只參與化學反應。例如，這些電子能夠與其他原子的電子相互作用并因此通過化學鍵將多個原子聯(lián)系起來，成為一個分子。但電子與放射性完全沒有關系。放射性對應的其實是某些原子核在一定時間后轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌雍说倪^程，而伴隨著這一轉(zhuǎn)變的正是輻射或粒子的釋放。我們稱之為物質(zhì)的“衰變”。
但是為什么某些原子核會自發(fā)發(fā)生衰變呢？因為它們是不穩(wěn)定的。
為什么不穩(wěn)定呢？因為這些原子核包含了過多的能量。然而一個系統(tǒng)總是傾向于擺脫它過剩的能量。
根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程：能量與質(zhì)量是等價的——E=mc2
放射性其實是原子核最終找到的一個用來排出它過剩核能的方式。在放射出粒子的同時，放射性原子核轉(zhuǎn)變?yōu)閯e的原子核，以這樣的方式新產(chǎn)生的物體的總質(zhì)量比最初原子核的質(zhì)量小。在這一活動中，有質(zhì)量消失了。但它并未憑空消逝：它以能量的形態(tài)重獲發(fā)現(xiàn)，即這一衰變產(chǎn)生的粒子所帶的能量。
1930年代，物理學家們才明白了所有原子核都是由質(zhì)子和中子組成，這些粒子也稱為“核子”。
簡單說事情是這樣的：在一個原子核中，如果質(zhì)子和中子的核力和電荷間的作用力（庫侖力）相互抵消，那么這個原子核就是穩(wěn)定的；在其他情況下，質(zhì)子和中子數(shù)量不足以使吸引力和排斥力之間達到一種平衡，那么這個原子核就是帶有放射性的：它最終會發(fā)生衰變，這兩種力角逐達到嚴重失衡所耗費的時間，便是原子核在衰變之前所經(jīng)歷的時間。
人的身體本身也是有放射性的，因為它含有一些有放射性的元素，例如鉀40和碳14。這些元素來自哪里呢？鉀40是星系高溫的殘留物，星系高溫在50億年前產(chǎn)生了組成地球的物質(zhì)。我們每個人體內(nèi)都有一點鉀40，主要是在骨頭中。至于碳14，它是由宇宙射線在空氣中誘發(fā)的核反應所產(chǎn)生的，這些宇宙射線促進氮向帶放射性的碳衰變。一個重70千克的人的身體里，每秒發(fā)生著4000次 衰變。如果再加上因為鉀40而引起的放射性，那么結果就是，每個體重正常的人身體里每秒鐘總共會進行約10000次衰變。
1933年，居里夫人的女兒和女婿——伊雷娜·約里奧-居里和弗雷德里克·約里奧-居里發(fā)現(xiàn)了人工放射性。他們指出，原子核并不是不可破壞的，恰當?shù)剞Z擊原子核，就可以使它們衰變，即改變它們的質(zhì)子和中子數(shù)量。
1938年，兩位德國化學家，哈恩和斯特拉斯曼觀察到含有92個質(zhì)子的鈾原子核轉(zhuǎn)變?yōu)橹缓?6個質(zhì)子的鋇原子核，而自從發(fā)現(xiàn)了人工放射性，人們知道鈾原子核如所有原子核一樣，能夠捕獲或釋放幾個質(zhì)子或中子，但是這總是少量的，像鈾235原子核裂變成兩半——從一個含有92個質(zhì)子（和143個中子）的原子核，被1個中子撞擊，變成一個含有56個質(zhì)子的原子核（鋇）和一個含有36個質(zhì)子的原子核（氪）……這一切伴隨著巨大能量的釋放，準確地說是2億電子伏特的能量！——意味著一個原子里發(fā)出了超過其他原子1億倍的能量！
有了這個理論，人類就很容易生產(chǎn)出自我毀滅的武器了。
宇宙只有四種力
萬有引力。正是它讓我們能夠坐下，讓我們在跌倒時會疼痛。但是它也控制著很多其他的現(xiàn)象，從物體的掉落到行星的移動。萬有引力同時也是原始氣體得以形成恒星的根源，正是它使原始氣體結合形成了恒星。也是它使得形成的恒星之間相互吸引，進而形成星系。
電磁力。它比萬有引力強得多，對我們的影響隨處可見，比如家用電器，從吸塵器到咖啡機，再到電冰箱和電熨斗。但在更基礎的層面，它主要保證了原子和分子的內(nèi)聚力，控制所有的化學反應及光學現(xiàn)象。和萬有引力一樣，電磁相互作用的影響也是趨向于無窮的，但是，因為它時而具有吸引力，時而具有排斥力（根據(jù)電荷正負性而變化），在遠距離時它的疊加效果因為物質(zhì)整體呈中性而被抵消了。
弱相互作用力。其作用距離很短，大約為10-18米，幾乎是一種通過接觸來實現(xiàn)的相互作用，它的特征是強度非常微弱、非常難以觀察到。但這并不能阻止它扮演一個重要角色，特別是在太陽中，它決定著氫原子核的聚變反應。如果它從宇宙中消失，那么我們的恒星就會停止閃耀。
強相互作用力。是四種基本作用力中強度最大的，它的作用距離范圍約為10-15米，它如某種強力膠將兩個核子（質(zhì)子或中子，對它來說無所謂）一個貼一個地粘上，但是只要將兩個核子分開一點點，強相互作用就會迅速減弱。這并不影響它成為如此強大且令人難以置信的存在。例如它能夠在幾個10-15米的距離間，阻攔一個以每秒10萬公里的速度投擲過來的質(zhì)子。
一句話說清楚就是，質(zhì)子和中子通過強核力形成原子核，弱核力保證原子核不會太大，電磁力保證原子核和電子能夠形成原子，以及原子可以結合形成各種分子乃至萬物，萬有引力保證物質(zhì)能夠形成星球，等等。宇宙的演變其實就是在這很少的幾條規(guī)則限制下不斷優(yōu)化的過程，最后孕育出生命。而物種的進化也是如此，其實是我們的DNA不斷優(yōu)化適應環(huán)境過程。
懸疑問題
1.暗物質(zhì)
我們都知道，地球繞著太陽轉(zhuǎn)，恒星繞著星系轉(zhuǎn)，星系繞著星系團轉(zhuǎn)。
我們也知道，旋轉(zhuǎn)速度越快，需要“拉住”它們的引力也必須越大。
而觀測到的真實情況就是，星系團外圍的星系繞著星系團旋轉(zhuǎn)的速度，和星系外圍的恒星繞著星系旋轉(zhuǎn)的速度，都遠遠超出了預期。
引力是由質(zhì)量提供的，而星系內(nèi)部的可見物質(zhì)所提供的引力根本支持不了外圍恒星那么大的旋轉(zhuǎn)速度。所以唯一的解釋就是星系內(nèi)部還有一些別的物質(zhì) —— 比可見物質(zhì)多得多的物質(zhì) —— 在提供這個引力。
物理學家排除了各種可能性：黑洞、流浪行星、星際氣體……，我們不得不設想，星系團和星系內(nèi)部必然存在著大量的“暗物質(zhì)”。
而天文學家們陸續(xù)考察了很多星系團，結果每個星系團都有這個現(xiàn)象。物理學家計算，這個宇宙中暗物質(zhì)的總質(zhì)量應該是已知物質(zhì)的6倍。至于是什么組成的，我們不知道。
更神奇的是，2018年3月29日，包括雙子座北天文臺、W·M·凱克天文臺、哈勃太空望遠鏡和世界上其他幾個天文臺聯(lián)合在《自然》雜志發(fā)表一篇論文，說有一個編號為 NGC1052-DF2 的星系，它的內(nèi)部，沒有暗物質(zhì)！因為，天文學家測量了這個星系外圍恒星的運動速度，發(fā)現(xiàn)它們正好就是星系內(nèi)部那些可見物質(zhì)的引力所能提供的速度，根本不需要暗物質(zhì)。
這說明，暗物質(zhì)用不存在證明了自己的存在。
另一個角度也可證明暗物質(zhì)的存在。我們知道光會偏向高質(zhì)量物體。在到達地球途中，某些遙遠星系發(fā)出的光需要從某個星系團附近經(jīng)過。那么這束光的路線就會發(fā)生彎曲，就好像它穿過了一個光學系統(tǒng)。這個星系對我們來說就不再是發(fā)光的一個點，而是發(fā)光的弧形，我們稱這種變形現(xiàn)象為“引力透鏡”。根據(jù)這些弧形的形狀和大小，我們能夠推測出造成這一變形的星系團的質(zhì)量。而結果是清楚的：這樣測量出來的星系團的質(zhì)量是它可見質(zhì)量（即它所含的可見星體質(zhì)量）的10倍（與前面6倍的說法有一些沖突，屬于測量問題，但能夠證明其存在）。所以不可見質(zhì)量的確存在，這就是產(chǎn)生引力但卻不發(fā)光的暗物質(zhì)。
2.暗能量
我們都知道宇宙在膨脹。但你想這是有點問題的，宇宙大爆炸以后，膨脹速度受到引力的影響，應該越來越慢才對，但事實就是宇宙在膨脹，還在加速膨脹，幾十億年來一直在加速。
這就只有一種解釋，有一種反引力，在扮演這個宇宙膨脹加速器角色。這就是暗能量。
暗能量是真空中的能量。宇宙越膨脹，真空越大，暗能量就越大?，F(xiàn)在物理學家知道，在50億年以前，暗能量的比例達到一定數(shù)值，宇宙就已經(jīng)開始加速膨脹了。
而隨著空間越來越大，暗能量越來越多，宇宙膨脹的加速度也會越來越大。這就意味著遠方的星系是以越來越快的速度離我們而去，不可能再回頭。
物理學家計算，再過一萬億年，除了銀河系以外，我們的天空中將會再也看不到其他的星星。
3.標準模型與超弦理論
科學家搞研究不僅僅是為了滿足好奇心，也要建功立業(yè)?？茖W家的建功立業(yè)才不是為了拿什么獎金，科學家是要建立一個體系，一座科學大廈，能夠解釋所有問題。
所以有了標準模型——能夠把前面說的這些所有東西 —— 除了引力之外 —— 都描寫清楚，而且無比精確。標準模型預言應該有一個叫做“ 希格斯波色子 ”的東西，現(xiàn)在也被發(fā)現(xiàn)了，也就是所謂“ 上帝粒子 ”。
但是標準模型解釋不了暗物質(zhì)和暗能量，標準模型還有一個問題，它引力放到了一邊，單獨用廣義相對論進行描述。
如今人們正在研究一條線索，即超弦理論——嘗試超越量子物理學和廣義相對論的范圍，在這里粒子不再表現(xiàn)為沒有維度的物體，而是細長的物體——超弦——在超過四個維度的時空中振動！更確切地說，超弦理論將我們所知的所有點狀粒子替換為唯一一種可展開的物體：超弦，它在比普通時空多出六個維度的時空中振動。
世界看似平凡，實則驚心動魄
如果前面的你都理解了，其實不理解也不影響接下來的問題。這一段的思想，其實是我2016年底看萬維鋼先生講過，至今，每一次想起，我都莫名驚恐。
這個宇宙其實很簡單，宇宙中的主要物質(zhì)是100多種原子，而原子又由質(zhì)子、中子、電子組成，質(zhì)子、中子都由兩類粒子組成，這兩類粒子沒有內(nèi)部結構，不可分割，那就是六種夸克和六種輕子。輕子就是對原子核內(nèi)聚力的強相互作用力不敏感的粒子，有3種不帶電且質(zhì)量非常輕，另外3種是大質(zhì)量且?guī)щ??？淇司褪菍υ雍藘?nèi)聚力的強相互作用力不敏感的粒子，也有6種。
六種夸克、六種輕子和四種基本的力——引力、電磁相互作用、強相互作用和弱相互作用，就能構建宇宙，就這么簡單。
但是，為什么呢？每一種夸克、輕子的質(zhì)量，每一種力的大小，為什么是如今我們探測到的這個數(shù)值。如果不是這個數(shù)值，宇宙則不會存在。
簡單舉個例子，比如“下夸克”的質(zhì)量，比上夸克稍微重一點，這導致一個單個中子的質(zhì)量要比單個質(zhì)子稍微大一點。因為質(zhì)子是由兩個上夸克和一個下夸克組成，中子是由兩個下夸克和一個上夸克組成。質(zhì)量越大就越不穩(wěn)定，一個自由的中子只有15分鐘壽命，過后就會衰變。而單個質(zhì)子非常穩(wěn)定，只有質(zhì)子穩(wěn)定，我們才能得到氫原子 —— 一個質(zhì)子加一個電子。宇宙中90%的原子都是氫原子。氫元素是一個非常活潑的元素，很容易和其他元素產(chǎn)生化學反應，比如氫氣和氧氣反應后產(chǎn)生水。宇宙想要有生命，就必須要有大量的氫原子。
那么，為什么下夸克的質(zhì)量是這個數(shù)值呢？只要下夸克的質(zhì)量調(diào)高一點 —— 一切物理定律都還有效，但是質(zhì)子可就不穩(wěn)定了。那樣的話，宇宙將會由氦原子主導，而氦原子非常不活潑，這個宇宙里甚至可能根本就不會有什么化學反應！當然就不會有生命存在。
再說引力。如果把引力調(diào)低，那么恒星的內(nèi)部壓力就不夠，根本發(fā)不了光。沒有光，還有生命嗎？但是，誰規(guī)定引力正好是這么大呢？
再如，如果把強相互作用的強度改變0.5%，或者把電磁相互作用的強度改變0.4%，那么宇宙中就不會有碳元素和氧元素 —— 這兩個元素，對生命可是太重要了。
為什么，為什么，為什么？這就好像有人專門把這些參數(shù)調(diào)好了，就是為了給我們一個能孕育生命的宇宙似的?？墒菫槭裁?？
到底是誰把這些參數(shù)調(diào)好的？如果你說是神，那神從哪里來的？
還有一種說法是平行宇宙，在大約10的500次方個宇宙中，絕大多數(shù)都不適合生存，人類只不過恰好生活在其中一個“適合人類生存的”宇宙里。這個恰好，和把什么都推給神其實沒啥區(qū)別。
更神奇的是，這些參數(shù)并非是允許生命存在的最佳狀態(tài)。物理學家研究發(fā)現(xiàn)，這些參數(shù)如果進一步優(yōu)化，能讓生命更容易出現(xiàn)。你說，這有多驚心動魄。
也許，這個宇宙根本沒有義務讓你理解。
