9.难以置信的空洞
10-11米,10-12米,10-13米,10-14米,10-15米
从10皮米到1飞米
从X射线波长到大约一个碳原子核大小
握紧拳头。现在假想一下,你的拳头代表着原子的原子核大小。那么按比例计算,整个原子的半径大约是5千米。原子的99.9999999999999%都是空的(一个典型的原子核,体积只有整个原子的万亿分之一左右,却占据了原子99.9%的质量)。
因此,如果把所有空余的原子空间全部排除在外,你便能够将70多亿人挤压成一块方糖那么大。在地外空间,比如中子星上,引力正在做同样的工作:创造出一个由特殊状态的原子核物质(退化物质)组成的天体,直径只有10~20千米,然而其质量相当于一颗恒星。
这些空旷也意味着你的旅程的下一阶段——从10-11米(10皮米)到10-15米(1飞米)的量级,是一片让人难以置信的空洞。事实上,这比你之前经历的星系际和星际太空之旅要恶劣得多。至少在那里,偶尔还有一个分子或一颗星际尘埃陪着你。而在原子内部,哪怕是遇到一个转瞬即逝的电子都成了一种奢望。虽然电子的物理尺寸不太容易定义(甚至可以说,电子的物理尺寸并没有多大意义),但有些实验表明,电子的大小不及原子的原子核大小的千万分之一。
这段穿越空荡原子的旅程确确实实能使你拥有更多的时间,来思考包裹着你的空间的基本性质,以及这种性质是如何与你在上一章中从最细微层面上体验到的奇特现象相关的。
在我们当前对宇宙的探索之旅中,概念上最具挑战性的问题便是基本现实的量子性质。虽然量子物理让人迷惑不已,但这显然就是宇宙运行的方式。
我们成功地将量子物理的数学描述与自然(比如原子物理学)融合起来,从而制造出一些目前人类所知的最精确、预测能力最强的工具。
在量子领域,我们也推导出一些关于宇宙基本性质的最精确的实验测量数据。我们测量了一些古怪但又十分重要的对象的数量,例如所谓的电子反常磁矩(anomalous magnetic moment of the electron),其精度达到了惊人的小数点后11位。我们的量子电动力学(QED,包含相对论物理学)曾精确地预测出这一数值,达到了同等级别的精度。
10-12米
我们对这些微观现象进行的数学物理研究效果极好,应用了功能多样的研究工具,涉及范围从狄拉克矩阵和波函数的构建,到优雅直观地描述粒子相互作用的费曼图。我们也发明出了强大的、高度数字化的设备,它们的名字令人印象深刻,比如“对称环境”“希尔伯特空间”“运算符”,以及“特征值”。
然而,所有这些数学物理研究的核心都是一种让我们备感困惑的反常物理。海森堡不确定性原理告诉我们,物体和系统的特性是不可分割的,两者具有互补性。比如,我们无法同时精确地测量一个粒子的位置和动量:若其中一个数值测量得比较精准,那么另一个就无法确定。这种不确定性并不只是由我们的观测所导致的,它是一种固有的属性。
微小物体呈现出的特性,既可归于离散粒子,又可归于波型实体。
而在我们传统的、宏观的世界中,粒子与波这两种特征通常是互不兼容的。
科学家仍在尝试解决所有这些问题,而我们也有一些选择能够帮助我们理解量子世界。
量子物理的三大阐释
举个例子,量子力学中所谓的“哥本哈根解释”表明,唯一的真实只来自概率和统计。这就像是沿路向下滚动的骰子一般。本质上,粒子既不在此处,也不在彼处,直到某物和粒子发生了交互作用后,这些粒子的位置才得以确定。它们的去向由概率云给定,由波函数描述,其精确的行为由一种叫作薛定谔方程的数学装置所获取。一旦对粒子进行观测(影响),波函数就会“坍塌”,并由此确定粒子的位置和性质。
哥本哈根解释认为,在波函数失效之前,根据方程所述,粒子本质上存在于任一位置、所有位置。如果我们不喜欢这一点,那可就不好办了,毕竟大自然才不关心我们是否开心。
虽然哥本哈根解释是关于量子力学基本性质的理论中最受欢迎的观点,但它并非唯一的。另一种观点曾在20世纪早期及中期被提出,该观点认为,粒子确实如离散的“传统”实体一般存在,它们有着明确的位置,但同时与一种叫作“导航波”的物质一起存在。导航波决定了粒子移动的路径及方式,例如,它们会衍射和干涉粒子(另外一种波状性质,我们可在10-10米这一量级中遇到,也就是最后一扇导致你身体衍射的缩放房门)。我们需要两个方程来描述对量子世界的这种解读:一个是波函数,另一个是将粒子行为与波关联起来的方程。
10-13米
量子力学的三种不同解释
虽然量子力学对于原子、量子及亚原子粒子等系统的描述十分出色,但物理学家仍然在争论,在更深层次上粒子究竟发生了什么。
这种所谓的量子力学德布罗意–玻姆理论(de Broglie–Bohm version)与哥本哈根解释中的许多预测是一致的,但它坚持认为粒子就是粒子,波就是波。这一理论也暗示宇宙是确定不变的。所以如果你知道宇宙中某一瞬间所有物质的性质,你应该(原则上)能够预测出未来会发生什么。
但是一个被称为非局域性(non-locality)的棘手问题出现了。本质上,两个粒子之间一旦互相有了联系(例如,两个粒子是在同一亚原子过程中产生的),那么当它们冲向宇宙时,它们仍会保持联系(纠缠)。一个粒子随后的状态将会影响另一个粒子的状态,即便它们的距离非常遥远。这种性质能够在对光子、原子甚至更微小的固体物质所进行的实验中得到证实。这也是量子领域中最奇特的方面之一。
哥本哈根解释处理了这种“鬼魅般的超距作用”(爱因斯坦的说法,用来描述他对量子物理整体性质的怀疑),不过其处理方式基本相当于耸耸肩说:“事情就是这样的。”德布罗意–玻姆理论试图做出更进一步的处理,它表示一个系统的波函数没有空间限制,它确实遍及全宇宙。一个粒子的行为总是与其他任何由同一波函数掌控的粒子绑定在一起。
但是还有另一种理解量子力学的方法:多世界解释,或称埃弗雷特解释。用基本术语来说,多世界理论认为,波函数描述了某物既不“坍塌”也不“引导”粒子的发生概率。相反,所有能够发生的可能事件一定会发生,只不过它们不在同一个世界里发生。
这是一种非常具有挑战性的后设理论:宇宙中的一个电子发生碰撞的每一种可能的结果,每一个光子的折射和衍射,每一种放射衰变,每一个亚原子事件,都衍生出了一个独立的世界,都对应着一种平行的存在,特定世界会产生特定的结果。换句话说,我们所经历的这一瞬间的世界,只不过是这一瞬间所发生的无限可选路径中的一条。
有了类似这样的观点,还有谁能“指责”物理是无聊的呢?
颜色、气味以及复合材料
所有这些对于量子的思考都说能帮助你度过缩小量级时遭遇原子空白的时间。随着我们到达10-15米的量级,我们就可以仔细看看宇宙的一些原始成分了。我们即将近距离接触原子核物理。
在每个原子的中心处,是其原子核。最简单的原子就是一个单独的质子,一个具有正电荷、质量约为电子的1 836倍的粒子。将更多质子放在一起,那么中子的数量自然也会增加。中子,即电中性粒子,它几乎只比质子质量重0.14%。稳定的原子核倾向于有着几乎相同数量的质子和中子。但是总体来说,中子与质子的数量之比,会随着原子核大小的增加而增加。比如,最普遍的稳定元素铁,其原子核拥有30个中子和26个质子。
原子核是个棘手的问题。它们看上去很复杂,质子和中子通过一种原子核力(“强原子力”)“感受”所有其他质子和中子的存在。完整的原子核能够呈现一系列的行为,包括“令人激动的”能态,甚至那些双中子位于主原子核之外的情况,即晕核(halo nuclei)。过去几年里,物理学家给原子核建立的模型包括将它们描述成液态水滴,或者是有着能量外壳的全量子物体(与原子的电子极为相似)。
不同数量的中子可以与拥有同样数量质子的原子核绑定,这导致了同一元素中有差别的原子,即同位素,这一系列原子通常是不稳定的(放射性的)。每一种元素都有36种不同的同位素,元素氙和铯的同位素最多:氙有9种稳定的同位素和27种具有放射性的同位素,而铯有1种稳定的同位素和35种不稳定的同位素。
属于同一元素,但作为不同同位素的原子有类似的化学性质,因为它们分享和交换电子的方式大体相同。但是不同同位素的质量和电子能级的微妙变化,确实会导致一系列可检测到的不同行为。比如,生物通常更倾向于由更轻的同位素构成,最简单的原因就是,更轻的原子活动所需的能量更少。在观察某个环境样本中存在什么样的同位素时,这种倾向性能帮助我们检测生命系统的存在并解密其行为。温度也会对不同同位素的化学反应产生不同的影响。这改变了化合物中的同位素比率,留下了能够延续成百上千年,甚至亿万年的独一无二的特征。
之前游览星系区域时,我们便找到了地球的原子核花园之起源。因为我们的太阳系是星际物质浓缩而成的,所以地球上的所有原子核都有着一段长长的历史,深锁在它们10-15米的区域内。在自然界,恒星中的核聚变所生成的重元素中,最重的是铁元素(稳定的铁元素拥有56个质子和中子)。聚变反应吸收热量,意味着它们所释放的能量不再比开启聚变反应所需的能量多。这使得那些暴烈的超新星,或者古老又巨大的恒星能够形成更重的元素。在这种高能态的环境中,多余的中子和质子实际上能够被迫结合在一起,即使该过程吸收能量而非释放能量。这就是钴、镍、铀甚至钚等元素形成的地方。
我们也发明了形成更大、更重的原子核的方式,比自然界能够形成的还要大。超大原子核非常独特:一个相对稳定的有着非常多质子和中子的小岛,与原子核本身内部的倾向性能级相关。目前最大原子核的纪录持有者是oganesson(之前叫作ununoctium,源自拉丁文的“118”),其质子数为118(中子数176),但它只有890毫秒的半衰期。
但是,这些如此丰富的复杂性究竟来自何处?严格来说,质子和中子并非真正的基本粒子。相反,它们也是组合物。一个质子实际上是由3个叫作“夸克”的实体组成的(两个“上夸克”和一个“下夸克”),这3个夸克通过强原子力(或色力)绑定在一起,介于其间的是几乎无质量的“胶子”,它们在很短的距离内进行交换。夸克携带了1/3单元的电荷(一个单元为一个电子所携带电荷),能够经受所有基本的相互作用——引力、电磁力、强相互作用及弱相互作用。一个中子也是由3个夸克所组成的,一个上夸克,两个下夸克。
10-14米
亚原子粒子
遍布宇宙的基本要素,包括光子、希格斯玻色子等。诸如质量、电荷及量子力学“自旋”等的性质刻画出一组不同的族群。亚原子粒子的存在时间是短暂的,它们在不同的条件下被创造和毁灭,其能量和质量可交换。
请深吸一口气,接下来还有更多粒子等着我们。刚刚提到的只是质量最小的夸克,还有一些质量稍大的粒子(并未在质子或中子中找到),它们有着不同的“味道”,被叫作“奇夸克”“粲夸克”“顶夸克”以及“底夸克”。另外,质子质量和中子质量的99%都来自夸克的动能(运动的能量)及胶子的能量(感谢爱因斯坦的相对论)。如果能拆分出单个的夸克,则它本身几乎是没有质量的。在质子或中子中,这3个夸克也成了一片虚无的夸克和反夸克云,叫作“海夸克”。
如果以上这些没有给你带来任何安全感,那么欢迎你来到亚原子的奇异世界。在你穿过空荡的原子后,这里是一片崭新的富有活力之地。
让我们暂停下来,思考一下。50亿年前,我们只是宇宙中零星存在的、污垢般的“元素”,飘浮在太空中,这些元素自行组成了电子、夸克和胶子。现在,我们是能够自我维系的生命形式,已经进化出对自身和周边宇宙的认知。我们的大脑使用着860亿神经元,经历了许多代的更迭,我们发明出了能够揭露本质的数学结构,而它与我们的日常经验基本毫无共通性。
这种情况被享誉世界的爱因斯坦总结出来,他十分震惊地宣布,宇宙中最让人无法理解之事恰恰在于宇宙是可以理解的。换句话说,真正让人无法理解的,就是宇宙能够理解它自己。
10-15米
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