漫游第35篇读书笔记

“当你深入到物理学的基本定律，一直到物理学的地下室后，你会发现自己身处一片疯狂混乱的领域，在这里，知识和幻想没有差别。”——蒂姆·詹姆斯

大家好，我是漫游。

今天和您分享的是《量子和粒子物理学何以解释一切》，作者蒂姆·詹姆斯。

好几年前，我买过一本《量子物理史话-上帝掷骰子吗》。前面大部分读的还算顺畅，到最后的量子部分就卡住了，什么叠加态、 时间倒退、反物质云云，感觉物理学好像变成了玄学。

不久前我刚读完一本《万物大历史》（第32篇读书笔记），其中讲到：万物从虚无中诞生。我一下产生一个念头：玄学的尽头是科学！宇宙始于大爆炸，最初的几分钟是一个“量子的世界”。从宇宙起点到世界万物是复杂性不断提升的过程，想理解复杂性，还得回到源头。

恰巧，我在图书馆发现这本小书，书名就很诱人。谁能不好奇世界如何解释呢？

关于本书

本书作者蒂姆·詹姆斯（英国）是一名高中教师，教授化学和物理。在获得化学硕士学位后，他专攻量子力学，并在毕业后随即开启了教学生涯。除了课堂，他还热衷于科学传播。他的另一本科普作品《元素周期表何以解释一切》也已在国内出版，第三本关于“宇宙”的书正在创作之中。

本书英文版出版于2019年，2021年引进出版了中文版。特意说一下时间，是明确书中所提及的理论进展和实验记录都是基于2019年之前的科学共识。

看到量子、粒子、物理，可能你已经开始挠头了。完全不用！整本书没有一个数学公式，文字易读又有趣，即使是第一次读物理的人，也能读懂并有所收获。而且本书只有234页，开本也小，快的话一天就能读完。

本书还是一本量子物理的“群星闪耀时”，普朗克、爱因斯坦、玻尔、薛定谔、海森堡、德布罗意、狄拉克、费曼……大神们轮番登场，其中提出粲夸克的科学家名叫谢尔顿·格拉肖（Sheldon Lee Glashow）。哇，世界上真有一个“Sheldon”！（来自《大爆炸》剧迷的惊呼）

何以解释一切？

知识之树的三根主枝

作者将纷繁的理论网络比喻成一棵知识之树，各个理论像树枝联系在一起。其中有三根主枝：第一个是广义相对论，可以解释天文学、宇宙学和引力；第二个是电弱理论，可以解释质量、光、放射性、经典力和化学；第三个是量子色动力学（QCD），可以解释原子核。

科学家正在努力将后两者结合起来，形成一个“大统一理论”（GUT），它可以解释整个粒子物理的标准模型。到时三根主枝就变成两根：广义相对论解释引力，统一的量子场论解释引力之外的全部。让我们拭目以待！

粒子的大家族，雅致的夸克

先把引力放一边，来看看粒子世界。

                                                                       （粒子物理的标准模型）

量子场论涉及两种物体：物质粒子（夸克、电子、中微子）和相互作用的场粒子（光子、胶子、W粒子、Z粒子）。物质粒子统称为“费米子”，拥有空间等属性；传递力的粒子统称为“玻色子”，能够相互重叠。是不是有点懵？不急，让我们从熟悉的开始。

曾经，人们认为组成万物的基本结构是原子。1897年电子被发现，打破了这一传统观念，陆续原子核、质子、中子相继被发现。于是，科学家们认为已经解决了原子的结构问题，电子、质子、中子被认为是基本粒子，量子论也对其做出了精确的预测。

直到1936年，安德森通过云室观测到正电子轨迹，证明了反物质的存在，但这些并不令人震惊，因为都在预测之中。让人震惊的是另一条轨迹：其行为几乎与电子完全相同，它被命名为“μ子”。μ子重量是电子的200倍，寿命仅有0.000002秒。

μ子之后，科学家就像开盲盒一样，陆续又发现τ子、π介子、K介子、eta粒子和W粒子……到70年代初，已经有400多种新粒子被发现。热爱简洁的科学家开始在混乱中寻找规律，默里·盖尔曼将一种更小的亚结构命名为“夸克”。通过分析这些新粒子的质量、电荷、自旋和寿命，他认为所有粒子都可以理解成夸克的组合。

最初，夸克被分为两种类型：上夸克和下夸克，上夸克带+2/3电荷，下夸克带-1/3电荷。2个上夸克+1个下夸克=1个质子，1个上夸克+2个下夸克=1个中子，其他粒子也不例外，除了K介子。为了K介子，盖尔曼又命名了第三种夸克：奇夸克，与下夸克对应。

深信大自然和谐的科学家不能忍受不对称，上夸克也得有个伴！于是提出第四个夸克：粲夸克（charm quark），是“Sheldon”为它命名！它的中文译名来自中国物理学家王竹溪，取自《诗经·唐风·绸缪》“今夕何夕，见此粲者”，粲（音灿）是美好的意思。顿时感觉粲夸克非常雅致！

这还没有完，后来科学家又命名了底夸克、顶夸克，夸克家族扩展到了6名成员。看到这，你是不是觉得就是科学家们的命名游戏？1968年，上夸克、下夸克、和奇夸克被发现；1974年，粲夸克被发现；1977年，底夸克被发现；1995年，顶夸克被发现。它们都是真实的存在！

量子眼中的世界

                                                                   （作者手绘的电磁波示意图）

相比实实在在的物质粒子，可以叠加的场粒子就显得很玄幻了，这里简单讲一下光（笔者也没理解更多）。光是一种电磁波，它是量子化的，即光子。我们身处电磁场中，周围充满了光子。我们所能看到的一切物体，都是这些物体的电子在跳跃，扰动了周围的电磁场，并通过电磁波射向四处。

有些被我们眼睛捕获，视网膜后部还是电子，它们吸收了这些电磁扰动，然后通过视神经把电流输送到大脑，于是我们“看到”眼前的一切。在量子眼中，电磁场中的振动是我们唯一见到的事物，而可见光只是小部分。

除了光学，经典物理、化学、生物学……所有事物和现象都是粒子相互作用的结果：树枝折断是茎中原子重新排列的结果；不管是摩擦力、拉力还是浮力，都是光子场的电斥力；电子通过光子传递进行能量交换，使每一个化学反应得以发生；渗透到大气层中的放射性粒子是引起生物DNA在转录时发生突变的源头；没有玻色子，太阳中心的夸克就无法把质子变成中子，核聚变不会发生，太阳也不会发光……一切将不复存在！

等一等，别忘了还有引力！

宇宙的出厂设置

宇宙大爆炸发生的几分钟内发生了很多事，生成了这个世界赖以运行的根基。

我们有了四种基本力：强核力、电磁力、弱核力、引力，还有了基本粒子：费米子、玻色子。量子场论解释了前三种力，费米子构成各种物体，玻色子控制它们如何行动；引力留给广义相对论。

电磁力可以移动电子，电子能与电磁场/光子场耦合，场粒子是光子，耦合能力是电荷。电荷有正、负，电磁力既可以吸引，也可以排斥。

强核力可以移动原子核中的质子和中子，它的场是胶子场，场粒子是胶子，耦合能力叫色荷，分为三种。强核力总是吸引的，因此夸克总是组合出现。

中微子是1956年被首次发现的。它没有电荷和色荷，不与光子场、胶子场耦合。它偶尔会与电子相互作用，而且上夸克变成下夸克时会激发出中微子。根据诺特定理，它一定与某个很弱的场相互作用，科学家称这个场为“弱场”。

弱场中的力叫弱核力，涉及三种场粒子：带正、负电荷的W粒子（1983年被发现）和不带电荷的Z粒子（1973年被发现）。W粒子和Z粒子的发现证明了中微子的行为和弱场的存在。

这三种力都十分重要：没有电磁力，我们眼前的一切将不复存在；没有强核力，不会有稳定存在的原子核，也就不会有原子、分子以及万物；没有弱核力，太阳不会发光，不会有放射性，生物多样性也不会发生。

如果给四个力比比强弱，你会怎样排序？如果电磁力大小是1N，那么强核力是1.01N，弱核力是0.99N。这里数值只是为了对比量级，电磁力和强核力可不是仅仅相差0.01。电磁力可以使化学反应得以发生，如果把它的威力形容为炸药爆炸，强核力引发的就是核爆炸！

说回引力，一个让粒子物理学家们感到恼火的家伙。以前面同样的单位去度量，引力是0.0000000001N！引力不仅最弱，而且比弱核力还要弱约一万亿倍！这非常反直觉。

引力的特殊性还有很多，引力可以解释一大堆粒子，但很难计算单个粒子的引力。在不考虑引力的时候，量子场论运行良好；反之，一切都会轰塌。所以知识之树暂时还得保留两个主枝。

除了基本力和基本粒子，我们还有了宇宙规则：物理学第一定律-能量守恒，此外，量子世界里，电荷、轻子数、弱超荷也是守恒的；物理学第二定律-“熵”。

群星闪耀时

量子力学“足球队”

                                                               （1927年第五界索尔维会议合影）

在量子力学的发展过程中，量子物理学家获得了超过30个诺贝尔奖。最早发现电子的J.J.·汤姆孙1908年因证明电子是粒子获得诺奖，他的6个学生也获得了诺奖，包括卢瑟福、玻尔……。有趣的是他的儿子乔治·汤姆孙又证明电子并非总是粒子（1927年），它有时像光子一样具有波动性，也获得了诺奖（1937年与戴维逊分享）。

量子力学中每个理论都很快被推翻！但正因如此，量子力学是团队努力的结果。作者将量子物理学家们组成一个足球队，阵容如下：普朗克是经理，爱因斯坦是队长，玻尔是守门员，德布罗意、玻恩、索末菲、泡利是中场，海森堡和薛定谔是前锋，施特恩、格拉赫是后卫。毫无疑问，球队吉祥物是一只猫。

这些“球星”只是1926年前后量子力学的代表，往后还有提出量子场论的狄拉克、提出弱场和量子电动力学（QED）的费曼、提出量子色动力学（QCD）和引入夸克的盖尔曼等等，真是群星闪耀！

物理女王

作者在书中特别提到了一位杰出的女性物理学家：阿马莉·埃米·诺特。诺特定理（1915年提出）是理论物理学中最重要的指导原则，它表达了连续对称性和守恒定律的一一对应。基于诺特定理提出的对称性和守恒定律，一个个粒子及其属性相继被提出，然后被探测证实。

轻子数是诺特定理得到的守恒量之一，宇宙中轻子（轻子是电子、μ子、τ子及其反物质的统称）的数量保持恒定。但“β衰变”（居里夫人的发现，另一位物理女王）会造成“对称性破缺”：不稳定原子核中心的一个质子转变成中子时，原子会吐出一个电子，这个电子会迅速远遁形成“放射性”。于是泡利提出β衰变一定还产生了另一种不带电的反轻子，费米把它称为“中微子”。

中微子探测器一般建造在地底深处，以屏蔽宇宙射线以及其它背景辐射。中微子有三代，1956年探测到电中微子后， 1962年、1974年又相继探测到μ中微子、τ中微子。太阳产生的中微子不断地轰向地球，它们毫不迟疑地穿地球而过。当你读到这句话的时候，大约有650亿个中微子从你小拇指的指尖穿过。

玄学的尽头是科学

量子世界中，不仅有反物质和弱场，还可以无中生有。《道德经》里恰有一句：“反者道之动，弱者道之用。天下万物生于有，有生于无。”神秘而奇异的宇宙，既是一切的起点，也是一切的终点。真空不空，道法自然！

量子力学真的太奇怪了！连费曼都说自己不懂量子力学。作者用“四边三角形”来形容这种怪异，而量子世界充满了四边三角形和反常的数字，平行宇宙和悖论潜伏在每一个角落，物体不受时间和空间的限制。

谈到量子力学，玻尔说“只能用诗性的语言来表达。”在“哥本哈根诠释”中，粒子的属性混合成“叠加态”，不被测量时，它处于“叠加态”；被测量时，“叠加态”会坍缩到“本征态”，得到一个普通版的粒子。叠加态下，粒子既不上旋，也不下旋；既不存在于此处，也不存在于彼处；它既是一切，也是虚空。

你是不是认为这种既…又…的状态只存在于幻想中？2014年8月，奥康奈尔通过实验让一个宽60微米(头发的直径)的条状金属在接近绝对零度时处于了叠加态：它的振动既轻柔又强烈，表明粒子的移动既剧烈又温和，每隔几纳秒，原子就会同时出现在两个地方，既接近平衡位置，又远离平衡位置。2018年5月，范纳在室温下构建了一个量子鼓，光子处于叠加态，撞击和不撞击同时发生，量子鼓可以同时振动和静止。

还有怪异的量子纠缠，爱因斯坦称之为“幽灵般的超距作用”。因其违背了狭义相对论（粒子速度不能超过光速），所以爱因斯坦宣称是量子力学错了。1993年，三位科学家提出“量子隐形传态”，用状态信息绕过了速度问题。通过引入第三个已知状态的粒子（丙），在“量子门”控制下，让丙与两个（甲、乙）未知状态的纠缠粒子其中之一（乙）发生纠缠，“三角纠缠”下能实现将丙的某状态通过乙传递给甲。

                                                                        （潘建伟院士）

如果次数足够多，理论上可以把丙的所有属性依次全部转移给甲，相当于传送了粒子本身。2017年7月4日，中国潘建伟领导的团队实现了有史以来最远的量子隐形传态：起点是西藏的实验室，终点是距离地球1400千米的Micus卫星。

量子世界里奇异的事还有很多：“量子隧穿”效应下，电子可以穿过“墙壁”，出现在墙的另一边，就像崂山道士学会了穿墙法术；费曼预测的“反粒子”是在时间上后退的普通粒子，仿佛哆啦A梦钻进了时光机；2017年的一个实验中，细菌和一束激光发生了纠缠……简直匪夷所思！

未来，粒子世界可能还会带来更多奇异的事，但神秘并不意味着“违背自然法则”，它只是意味着我们还不知道其中的细节。与其说科学在走向尽头，不如说一切才刚刚开始。