穿越平行宇宙

尽管现在我们还不知道万物构成的终极答案，但我们已经找到了一个令人激动的线索，前面也曾提到过。对我来说，有一件事让我感到十分狂热，那就是在CERN的大型强子对撞机中，两个相撞的质子产生了一个质量为质子97倍的Z玻色子。我曾经认为质量是守恒的，这很好理解，就好比两辆法拉利轿车相撞，当然不可能撞出一艘游轮，因为游轮的质量远大于两辆车的质量之和。所以，两个粒子相撞竟然产生了一个质量大于二者之和的新粒子，这听起来不是很像庞氏骗局吗？不过别忘了，爱因斯坦教导我们，能量E可以被转换为质量m，它们的关系是E=mc2，其中c代表光速。所以，如果在粒子相撞时，正好有一些动能可以任你安置，那么这些能量中的一部分就有可能被转换成新粒子。换句话说，总能量是守恒的（也就是保持不变），但是，粒子对撞过程对能量进行了重新分配，可能将一部分能量转变成之前不存在的新粒子。

动量也存在类似的情况。在台球游戏中，当白球撞到一颗原本静止的球时，后者直直飞向落球袋，而白球则逐渐慢下来，这个过程中，总动量是守恒的，但是进行了重新分配。守恒是物理学上最重要的发现之一。不止能量和动量，还有许多其他的量也是守恒的，我们最熟悉的例子是电荷，还有一些守恒的量比如同位旋和色荷。还有一些量在许多重要情境下是守恒的，比如轻子数（等于轻子的数目减去反轻子的数目）和重子数（等于夸克的数目和反夸克的数目分别除以3之后相减，由于质子和中子都包含3个夸克，所以它们的重子数都等于+1）。表6-2中列出了这些不同的粒子所具有的量的数目（称为量子数）。你会注意到，它们许多都是整数或简分数，在质量一列中还有3个数并未准确地测出来。

注：所有已知的基本粒子都可以由一套独特的“量子数”来进行描述，该表就展示了一些范例。

除了自身的量子数以外，粒子不具有任何其他性质。从这个意义上说，粒子是纯粹的数学对象。表中的质量对应着创造一颗静止粒子所需要的能量。我所使用的单位十分有趣，是MeV，相当于你用100万伏特的电压来加速一个电子时，它所能获得的动能。

我还记得一个“冷战”时期的笑话，说的是在西方世界，所有不被禁止的事情都是被允许的，而在东方，所有不被允许的事都是被禁止的。有趣的是，粒子物理学似乎遵循前者：所有不被禁止的反应（也就是违背某些守恒定律的反应）在自然界中都可能真的发生。这意味着，应该被我们看成物理学基本构件的，是守恒量，而非粒子本身！所以，粒子物理学只是对能量、动量、电荷等守恒量进行了重新分配。比如，按照表6-2，要烹制一个上夸克，需要将2/3个单位的电荷、1/2个单位的自旋、1/2个单位的同位旋和1/3个单位的重子数糅合在一起，最后再洒上些许MeV的能量，一道上夸克大餐就做好了。

那么，能量和电荷这种量子数又是由什么组成的？什么都没有——它们只是数字！一只猫也拥有能量和电荷，但除此之外它还拥有许多其他的性质，比如名字、味道和性格。所以，如果有人声称猫只是一个纯粹的数学对象，声称仅用两个数字就能完全描述它，似乎太过疯狂。然而，我们的基本粒子小伙伴们却能被量子数完全描述，除此之外不具备任何内禀性质！从这个角度看，我们绕了一大圈，又回到了柏拉图的面前。因为，正如他所认为的那样，宇宙万物是由一些微小的基本单位组成的，就像乐高积木一样，而这些基本单位似乎只是纯粹的数学对象，它们除了数学性质以外，不具备其他特性。在第9章，我们将更详细地讨论这个观点，那时你会发现，这也仅是一座巨大的数学冰山露出水面的小小一角而已。

在更技术的层面，如果你问“粒子是什么”，一些物理学家可能会油嘴滑舌地回答道：“它是拉格朗日量对称群不可约表示的一个元素。”这也太拗口了，一段本应愉快的聊天很可能就此画上了句号。但不管怎么说，它确实是一个纯粹的数学对象，只比数字的概念更广泛一点点。当然，弦理论或它的竞争理论都可能加深我们对粒子的理解，但是，所有主流理论都只是用一个数学实体来替代另一个而已。比如，假如表6-2中的量子数正巧对应着不同类型的超弦振动，那么，你就不应该把这些弦想象成用金棕色猫毛编成的毛茸茸小物件，而应该把它们看作纯粹的数学概念。它们只是在物理学上被冠以“弦”的名字，以强调它们具有一维的本质，这样就可以用那些不那么晦涩的日常事物来打比方了。

大自然就像一个乐高金字塔，每一层都由不同尺度的基本单元构成。如果我儿子亚历山大想玩乐高，他只能玩工厂生产出来的乐高，工厂生产什么乐高，他就只能玩什么乐高。假如他想玩原子的乐高，玩法是将它们放在火中炙烤，或浸入酸液中，或用其他方法来改变原子的排布，那么，这些事情叫化学；如果他想玩原子核乐高，玩法是用某种方法重新排列原子核内部的中子和质子，生成新的元素，那么，他做的事情叫核物理学；如果他用光速来对撞他的乐高块，让中子、质子和电子的能量、动量和电荷等发生重新分配，让它们变成新的粒子，那么，他做的事情叫作粒子物理学。最深层的构件似乎只是纯粹的数学对象。