漫游第35篇讀書筆記

“當你深入到物理學的基本定律，一直到物理學的地下室后，你會發(fā)現(xiàn)自己身處一片瘋狂混亂的領域，在這里，知識和幻想沒有差別?！?/b>——蒂姆·詹姆斯

大家好，我是漫游。

今天和您分享的是《量子和粒子物理學何以解釋一切》，作者蒂姆·詹姆斯。

好幾年前，我買過一本《量子物理史話-上帝擲骰子嗎》。前面大部分讀的還算順暢，到最后的量子部分就卡住了，什么疊加態(tài)、 時間倒退、反物質云云，感覺物理學好像變成了玄學。

不久前我剛讀完一本《萬物大歷史》（第32篇讀書筆記），其中講到：萬物從虛無中誕生。我一下產(chǎn)生一個念頭：玄學的盡頭是科學！宇宙始于大爆炸，最初的幾分鐘是一個“量子的世界”。從宇宙起點到世界萬物是復雜性不斷提升的過程，想理解復雜性，還得回到源頭。

恰巧，我在圖書館發(fā)現(xiàn)這本小書，書名就很誘人。誰能不好奇世界如何解釋呢？

關于本書

本書作者蒂姆·詹姆斯（英國）是一名高中教師，教授化學和物理。在獲得化學碩士學位后，他專攻量子力學，并在畢業(yè)后隨即開啟了教學生涯。除了課堂，他還熱衷于科學傳播。他的另一本科普作品《元素周期表何以解釋一切》也已在國內(nèi)出版，第三本關于“宇宙”的書正在創(chuàng)作之中。

本書英文版出版于2019年，2021年引進出版了中文版。特意說一下時間，是明確書中所提及的理論進展和實驗記錄都是基于2019年之前的科學共識。

看到量子、粒子、物理，可能你已經(jīng)開始撓頭了。完全不用！整本書沒有一個數(shù)學公式，文字易讀又有趣，即使是第一次讀物理的人，也能讀懂并有所收獲。而且本書只有234頁，開本也小，快的話一天就能讀完。

本書還是一本量子物理的“群星閃耀時”，普朗克、愛因斯坦、玻爾、薛定諤、海森堡、德布羅意、狄拉克、費曼……大神們輪番登場，其中提出粲夸克的科學家名叫謝爾頓·格拉肖（Sheldon Lee Glashow）。哇，世界上真有一個“Sheldon”?。▉碜浴洞蟊ā穭∶缘捏@呼）

何以解釋一切？

知識之樹的三根主枝

作者將紛繁的理論網(wǎng)絡比喻成一棵知識之樹，各個理論像樹枝聯(lián)系在一起。其中有三根主枝：第一個是廣義相對論，可以解釋天文學、宇宙學和引力；第二個是電弱理論，可以解釋質量、光、放射性、經(jīng)典力和化學；第三個是量子色動力學（QCD），可以解釋原子核。

科學家正在努力將后兩者結合起來，形成一個“大統(tǒng)一理論”（GUT），它可以解釋整個粒子物理的標準模型。到時三根主枝就變成兩根：廣義相對論解釋引力，統(tǒng)一的量子場論解釋引力之外的全部。讓我們拭目以待！

粒子的大家族，雅致的夸克

先把引力放一邊，來看看粒子世界。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（粒子物理的標準模型）

量子場論涉及兩種物體：物質粒子（夸克、電子、中微子）和相互作用的場粒子（光子、膠子、W粒子、Z粒子）。物質粒子統(tǒng)稱為“費米子”，擁有空間等屬性；傳遞力的粒子統(tǒng)稱為“玻色子”，能夠相互重疊。是不是有點懵？不急，讓我們從熟悉的開始。

曾經(jīng)，人們認為組成萬物的基本結構是原子。1897年電子被發(fā)現(xiàn)，打破了這一傳統(tǒng)觀念，陸續(xù)原子核、質子、中子相繼被發(fā)現(xiàn)。于是，科學家們認為已經(jīng)解決了原子的結構問題，電子、質子、中子被認為是基本粒子，量子論也對其做出了精確的預測。

直到1936年，安德森通過云室觀測到正電子軌跡，證明了反物質的存在，但這些并不令人震驚，因為都在預測之中。讓人震驚的是另一條軌跡：其行為幾乎與電子完全相同，它被命名為“μ子”。μ子重量是電子的200倍，壽命僅有0.000002秒。

μ子之后，科學家就像開盲盒一樣，陸續(xù)又發(fā)現(xiàn)τ子、π介子、K介子、eta粒子和W粒子……到70年代初，已經(jīng)有400多種新粒子被發(fā)現(xiàn)。熱愛簡潔的科學家開始在混亂中尋找規(guī)律，默里·蓋爾曼將一種更小的亞結構命名為“夸克”。通過分析這些新粒子的質量、電荷、自旋和壽命，他認為所有粒子都可以理解成夸克的組合。

最初，夸克被分為兩種類型：上夸克和下夸克，上夸克帶+2/3電荷，下夸克帶-1/3電荷。2個上夸克+1個下夸克=1個質子，1個上夸克+2個下夸克=1個中子，其他粒子也不例外，除了K介子。為了K介子，蓋爾曼又命名了第三種夸克：奇夸克，與下夸克對應。

深信大自然和諧的科學家不能忍受不對稱，上夸克也得有個伴！于是提出第四個夸克：粲夸克（charm quark），是“Sheldon”為它命名！它的中文譯名來自中國物理學家王竹溪，取自《詩經(jīng)·唐風·綢繆》“今夕何夕，見此粲者”，粲（音燦）是美好的意思。頓時感覺粲夸克非常雅致！

這還沒有完，后來科學家又命名了底夸克、頂夸克，夸克家族擴展到了6名成員?？吹竭@，你是不是覺得就是科學家們的命名游戲？1968年，上夸克、下夸克、和奇夸克被發(fā)現(xiàn)；1974年，粲夸克被發(fā)現(xiàn)；1977年，底夸克被發(fā)現(xiàn)；1995年，頂夸克被發(fā)現(xiàn)。它們都是真實的存在！

量子眼中的世界

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（作者手繪的電磁波示意圖）

相比實實在在的物質粒子，可以疊加的場粒子就顯得很玄幻了，這里簡單講一下光（筆者也沒理解更多）。光是一種電磁波，它是量子化的，即光子。我們身處電磁場中，周圍充滿了光子。我們所能看到的一切物體，都是這些物體的電子在跳躍，擾動了周圍的電磁場，并通過電磁波射向四處。

有些被我們眼睛捕獲，視網(wǎng)膜后部還是電子，它們吸收了這些電磁擾動，然后通過視神經(jīng)把電流輸送到大腦，于是我們“看到”眼前的一切。在量子眼中，電磁場中的振動是我們唯一見到的事物，而可見光只是小部分。

除了光學，經(jīng)典物理、化學、生物學……所有事物和現(xiàn)象都是粒子相互作用的結果：樹枝折斷是莖中原子重新排列的結果；不管是摩擦力、拉力還是浮力，都是光子場的電斥力；電子通過光子傳遞進行能量交換，使每一個化學反應得以發(fā)生；滲透到大氣層中的放射性粒子是引起生物DNA在轉錄時發(fā)生突變的源頭；沒有玻色子，太陽中心的夸克就無法把質子變成中子，核聚變不會發(fā)生，太陽也不會發(fā)光……一切將不復存在！

等一等，別忘了還有引力！

宇宙的出廠設置

宇宙大爆炸發(fā)生的幾分鐘內(nèi)發(fā)生了很多事，生成了這個世界賴以運行的根基。

我們有了四種基本力：強核力、電磁力、弱核力、引力，還有了基本粒子：費米子、玻色子。量子場論解釋了前三種力，費米子構成各種物體，玻色子控制它們?nèi)绾涡袆?；引力留給廣義相對論。

電磁力可以移動電子，電子能與電磁場/光子場耦合，場粒子是光子，耦合能力是電荷。電荷有正、負，電磁力既可以吸引，也可以排斥。

強核力可以移動原子核中的質子和中子，它的場是膠子場，場粒子是膠子，耦合能力叫色荷，分為三種。強核力總是吸引的，因此夸克總是組合出現(xiàn)。

中微子是1956年被首次發(fā)現(xiàn)的。它沒有電荷和色荷，不與光子場、膠子場耦合。它偶爾會與電子相互作用，而且上夸克變成下夸克時會激發(fā)出中微子。根據(jù)諾特定理，它一定與某個很弱的場相互作用，科學家稱這個場為“弱場”。

弱場中的力叫弱核力，涉及三種場粒子：帶正、負電荷的W粒子（1983年被發(fā)現(xiàn)）和不帶電荷的Z粒子（1973年被發(fā)現(xiàn)）。W粒子和Z粒子的發(fā)現(xiàn)證明了中微子的行為和弱場的存在。

這三種力都十分重要：沒有電磁力，我們眼前的一切將不復存在；沒有強核力，不會有穩(wěn)定存在的原子核，也就不會有原子、分子以及萬物；沒有弱核力，太陽不會發(fā)光，不會有放射性，生物多樣性也不會發(fā)生。

如果給四個力比比強弱，你會怎樣排序？如果電磁力大小是1N，那么強核力是1.01N，弱核力是0.99N。這里數(shù)值只是為了對比量級，電磁力和強核力可不是僅僅相差0.01。電磁力可以使化學反應得以發(fā)生，如果把它的威力形容為炸藥爆炸，強核力引發(fā)的就是核爆炸！

說回引力，一個讓粒子物理學家們感到惱火的家伙。以前面同樣的單位去度量，引力是0.0000000001N！引力不僅最弱，而且比弱核力還要弱約一萬億倍！這非常反直覺。

引力的特殊性還有很多，引力可以解釋一大堆粒子，但很難計算單個粒子的引力。在不考慮引力的時候，量子場論運行良好；反之，一切都會轟塌。所以知識之樹暫時還得保留兩個主枝。

除了基本力和基本粒子，我們還有了宇宙規(guī)則：物理學第一定律-能量守恒，此外，量子世界里，電荷、輕子數(shù)、弱超荷也是守恒的；物理學第二定律-“熵”。

群星閃耀時

量子力學“足球隊”

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1927年第五界索爾維會議合影）

在量子力學的發(fā)展過程中，量子物理學家獲得了超過30個諾貝爾獎。最早發(fā)現(xiàn)電子的J.J.·湯姆孫1908年因證明電子是粒子獲得諾獎，他的6個學生也獲得了諾獎，包括盧瑟福、玻爾……。有趣的是他的兒子喬治·湯姆孫又證明電子并非總是粒子（1927年），它有時像光子一樣具有波動性，也獲得了諾獎（1937年與戴維遜分享）。

量子力學中每個理論都很快被推翻！但正因如此，量子力學是團隊努力的結果。作者將量子物理學家們組成一個足球隊，陣容如下：普朗克是經(jīng)理，愛因斯坦是隊長，玻爾是守門員，德布羅意、玻恩、索末菲、泡利是中場，海森堡和薛定諤是前鋒，施特恩、格拉赫是后衛(wèi)。毫無疑問，球隊吉祥物是一只貓。

這些“球星”只是1926年前后量子力學的代表，往后還有提出量子場論的狄拉克、提出弱場和量子電動力學（QED）的費曼、提出量子色動力學（QCD）和引入夸克的蓋爾曼等等，真是群星閃耀！

物理女王

作者在書中特別提到了一位杰出的女性物理學家：阿馬莉·埃米·諾特。諾特定理（1915年提出）是理論物理學中最重要的指導原則，它表達了連續(xù)對稱性和守恒定律的一一對應?；谥Z特定理提出的對稱性和守恒定律，一個個粒子及其屬性相繼被提出，然后被探測證實。

輕子數(shù)是諾特定理得到的守恒量之一，宇宙中輕子（輕子是電子、μ子、τ子及其反物質的統(tǒng)稱）的數(shù)量保持恒定。但“β衰變”（居里夫人的發(fā)現(xiàn)，另一位物理女王）會造成“對稱性破缺”：不穩(wěn)定原子核中心的一個質子轉變成中子時，原子會吐出一個電子，這個電子會迅速遠遁形成“放射性”。于是泡利提出β衰變一定還產(chǎn)生了另一種不帶電的反輕子，費米把它稱為“中微子”。

中微子探測器一般建造在地底深處，以屏蔽宇宙射線以及其它背景輻射。中微子有三代，1956年探測到電中微子后， 1962年、1974年又相繼探測到μ中微子、τ中微子。太陽產(chǎn)生的中微子不斷地轟向地球，它們毫不遲疑地穿地球而過。當你讀到這句話的時候，大約有650億個中微子從你小拇指的指尖穿過。

玄學的盡頭是科學

量子世界中，不僅有反物質和弱場，還可以無中生有?！兜赖陆?jīng)》里恰有一句：“反者道之動，弱者道之用。天下萬物生于有，有生于無?！鄙衩囟娈惖挠钪?，既是一切的起點，也是一切的終點。真空不空，道法自然！

量子力學真的太奇怪了！連費曼都說自己不懂量子力學。作者用“四邊三角形”來形容這種怪異，而量子世界充滿了四邊三角形和反常的數(shù)字，平行宇宙和悖論潛伏在每一個角落，物體不受時間和空間的限制。

談到量子力學，玻爾說“只能用詩性的語言來表達?！痹凇案绫竟忈尅敝?，粒子的屬性混合成“疊加態(tài)”，不被測量時，它處于“疊加態(tài)”；被測量時，“疊加態(tài)”會坍縮到“本征態(tài)”，得到一個普通版的粒子。疊加態(tài)下，粒子既不上旋，也不下旋；既不存在于此處，也不存在于彼處；它既是一切，也是虛空。

你是不是認為這種既…又…的狀態(tài)只存在于幻想中？2014年8月，奧康奈爾通過實驗讓一個寬60微米(頭發(fā)的直徑)的條狀金屬在接近絕對零度時處于了疊加態(tài)：它的振動既輕柔又強烈，表明粒子的移動既劇烈又溫和，每隔幾納秒，原子就會同時出現(xiàn)在兩個地方，既接近平衡位置，又遠離平衡位置。2018年5月，范納在室溫下構建了一個量子鼓，光子處于疊加態(tài)，撞擊和不撞擊同時發(fā)生，量子鼓可以同時振動和靜止。

還有怪異的量子糾纏，愛因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”。因其違背了狹義相對論（粒子速度不能超過光速），所以愛因斯坦宣稱是量子力學錯了。1993年，三位科學家提出“量子隱形傳態(tài)”，用狀態(tài)信息繞過了速度問題。通過引入第三個已知狀態(tài)的粒子（丙），在“量子門”控制下，讓丙與兩個（甲、乙）未知狀態(tài)的糾纏粒子其中之一（乙）發(fā)生糾纏，“三角糾纏”下能實現(xiàn)將丙的某狀態(tài)通過乙傳遞給甲。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （潘建偉院士）

如果次數(shù)足夠多，理論上可以把丙的所有屬性依次全部轉移給甲，相當于傳送了粒子本身。2017年7月4日，中國潘建偉領導的團隊實現(xiàn)了有史以來最遠的量子隱形傳態(tài)：起點是西藏的實驗室，終點是距離地球1400千米的Micus衛(wèi)星。

量子世界里奇異的事還有很多：“量子隧穿”效應下，電子可以穿過“墻壁”，出現(xiàn)在墻的另一邊，就像嶗山道士學會了穿墻法術；費曼預測的“反粒子”是在時間上后退的普通粒子，仿佛哆啦A夢鉆進了時光機；2017年的一個實驗中，細菌和一束激光發(fā)生了糾纏……簡直匪夷所思！

未來，粒子世界可能還會帶來更多奇異的事，但神秘并不意味著“違背自然法則”，它只是意味著我們還不知道其中的細節(jié)。與其說科學在走向盡頭，不如說一切才剛剛開始。