第一性原理：21堂科学通识课 (【英】马库斯·乔恩).pdf.pdf

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版权信息 COPYRIGHT 书名：第⼀性原理：21堂科学通识课 作者：【英】⻢库斯·乔恩 译者：周⾃恒 出版社：中国科学技术出版社 出版时间：2024年6⽉ ISBN：9787523605103 字数：105千字 前⾔ 我唯⼀知道的就是⾃⼰⼀⽆所知。 ——苏格拉底（Socrates） 我⽣来⼀⽆所知，只有⼀点⼉时间四处奔波试图改变这⼀点。 ——理查德·费曼（Richard Feynman） 最近，我受邀为⼀家律师事务所做了⼀场关于量⼦计算机的讲座。主 办⽅提醒我，要假设听众不具备任何科学知识，于是我开始思 考：“要理解量⼦计算机，⼤家需要知道的第⼀性原理是什么？”所谓 第⼀性原理，就是由它可以引出其他所有相关的知识。 在整理讲稿时我突然想到，对于其他各种科学概念，我也可以采⽤相 同的思路，在这个⼤家都没有多少空闲时间的世界中，告诉他们要理 解某个话题所需要知道的第⼀性原理，然后告诉他们其他知识是如何 从第⼀性原理出发，沿着逻辑的链条被推导出来的。 要以通俗易懂的⽅式讲解⼀些深奥的话题，这或许是⼀种全新⽽有趣 的尝试。光不可能被追上，这⼀事实引出了爱因斯坦的相对论。类似 地，物质的基本构件——原⼦及其组成部分，既可以表现为局域性的 粒⼦，⼜可以表现为扩散性的波，这⼀不寻常的事实引出了量⼦理论 的⼤部分内容。⼤⾃然对于保证局域规范对称性的执着（不得不承 认，这确实很难理解！），引出了400年来物理学的巅峰——粒⼦物 理学标准模型。 当然，并⾮所有主题都如此清晰明确，有些复杂的主题，如⼈类演化 和⼤脑，并不是从⼀个单独的问题出发的。尽管如此，我还是想尽⾃ ⼰所能在这⼀框架下探讨21个话题，从全球变暖到希格斯粒⼦，从电 到宇宙⼤爆炸，从⿊洞到⾃然选择和⼈类演化。希望⼤家喜欢！ 马库斯·乔恩 第1章 引⼒ 每⼀个物体与其他物体之间都存在着相互吸引的⼒。 （飞⾏的）诀窍在于学会怎么把⾃⼰扔向地⾯但又不落地。 ——道格拉斯·亚当斯（Douglas Adams） 引⼒是⼀种“万有”的吸引⼒，即任意两个物体之间都存在这种⼒。街 上路过你身边的⾏⼈和你之间就有引⼒，你⼝袋⾥的硬币和你之间也 有引⼒。当然，你并不会注意到它们，因为引⼒实在太弱了——尽管 你可能并不这样认为，毕竟你得费好⼤劲⼉才能跳起⼀⽶⾼，但很快 就会被引⼒拉回到地⾯上。⽆论如何，引⼒真的很弱，如果你⽔平伸 出⼿臂，就会发现质量⾼达⼏⼗万亿亿吨的地球所产⽣的引⼒，却不 ⾜以把你的⼿臂拽下来。 虽然引⼒本身很弱，但它的⼤⼩可以随着质量的增加⽽变⼤。⾃然界 中还有另⼀种⼒——电磁⼒，它既可以表现为吸引⼒，也可以表现为 排斥⼒，因此在通常的质量中，电磁⼒是相互抵消的。和电磁⼒不 同，引⼒总是让物体相互吸引（参⻅第2章），因此引⼒的效果是可以 积累的：物体质量越⼤，引⼒越⼤。正因如此，在⼝袋⾥的硬币以及 街上路过的⾏⼈这些⼩物体上，引⼒所产⽣的作⽤是微不⾜道的，但 对于像⾏星、恒星、星系以及整个宇宙这样庞⼤的物体来说，引⼒的 作⽤就⼗分可观了。 实际上，我们可以推导出引⼒在多⼤阈值下会开始占据主导地位。先 看⼀个原⼦，它是由⼀个带正电的原⼦核和⼀些围绕原⼦核旋转的带 负电的电⼦组成的（参⻅第8章）。正是电⼦之间相互排斥的⼒让原⼦ 与原⼦不会撞在⼀起，从⽽让物体能够保持⼀定的形状。在最简单的 原⼦——氢原⼦中，只有⼀个质⼦和⼀个围绕其旋转的电⼦，它们之 间的引⼒⾮常微弱，只有它们之间电磁⼒的1040分之⼀。这意味着， 如果⼀个物体所包含的原⼦数量超过1040个，那么引⼒的⼤⼩就会超 过电磁⼒。 对于⼀个由岩⽯构成的物体来说，1040个原⼦所对应的直径约为600千 ⽶；⽽由冰构成的物体相对来说能够塞进更多的原⼦，其1040个原⼦ 所对应的直径约为400千⽶。当引⼒占据主导地位时，所有物质都会在 引⼒的作⽤下形成最紧密的结构，也就是球形。因此，我们可以预 ⾔，太阳系中所有直径⼤于600千⽶的岩⽯天体都是球形的，⽽所有直 径⼩于600千⽶的岩⽯天体则是⼟⾖形状的。对于由冰构成的天体，这 个阈值⼤约是400千⽶。可以肯定的是，在太阳系之外，这⼀预⾔也是 成⽴的。 其实，⼈们最早认为引⼒就是磁⼒。1600年，英国科学家威廉·吉尔伯 特（William Gilbert）⽤天然磁铁矿的碎块进⾏实验，他发现这种“磁 ⽯”的质量越⼤，其对铁块所产⽣的吸引⼒就越⼤。他还发现这种吸引 ⼒是相互的，即磁⽯对铁块产⽣的吸引⼒和铁块对磁⽯产⽣的吸引⼒ ⼤⼩完全相等。基于这⼀发现，吉尔伯特指出是磁⼒将太阳系中的天 体拉在了⼀起。 罗伯特·胡克（Robert Hooke）是艾萨克·⽜顿（Isaac Newton）最⼤ 的劲敌，胡克对吉尔伯特的发现⾮常感兴趣。但是，他认为太阳能够 让⾏星围绕其旋转，靠的并不是磁⼒，因为物体在⾼温下会失去磁 性，⽽太阳的温度显然是⾮常⾼的。不过，胡克还是将磁⼒看作是⼀ 个能够解释太阳系中天体运动的因素。⾸先，引⼒能够从⼀个物体中 发出，穿过真空对另⼀个物体产⽣作⽤；其次，物体的质量越⼤，所 产⽣的引⼒也越⼤；⽽且，这种⼒是相互作⽤的，这些性质和磁⼒的 性质都是相符的。 约翰内斯·开普勒（Johannes Kepler）的⾏星运动定律揭示了关于引 ⼒作⽤的更多线索。1609—1619年，这位德国数学家仔细研究了丹⻨ 天⽂学家第⾕·布拉赫（Tycho Brahe）在⽂岛天⽂台对⾏星⽤⾁眼进 ⾏观测的精确记录，经过不懈努⼒，他推导出⽀配⾏星运动的三条定 律。 开普勒⾏星运动第⼆定律指出，⾏星在距离太阳较近时运动速度较 快，⽽距离太阳较远时运动速度较慢。更准确地说，这条定律指出， ⾏星与太阳的连线在相等时间内扫过的⾯积相等，且这⼀⾯积与⾏星 运动速度及其与太阳的距离的乘积成正⽐，这个量⽤现代术语来说， 就是⾏星的轨道⻆动量。⽜顿发现，只有当⾏星的⼒完全指向太阳， 且在其路径上没有任何分量时，这个量才是守恒的。 想想看，这是⼀个何等惊⼈的发现。在⽜顿之前，⼏乎所有思考过⾏ 星运动的⼈都认为是存在⼀个⼒沿着轨道推动着⾏星运动，这个⼒的 来源可能是天使跟着⾏星边⻜边吹⽓或是扇动翅膀所产⽣的⼒。然 ⽽，⽜顿从开普勒第⼆定律中发现了关键信息，即并没有什么⼒在驱 动⾏星沿着轨道运动，它们运动的根本原因是惯性，即物体保持其运 动状态的趋势。⽜顿在他的第⼀运动定律中概括了这⼀观点：“除⾮受 到⼒的作⽤，否则物体将保持静⽌或匀速直线运动状态。”（在地球 上，任何物体总会受到⼒的作⽤，例如踢出去的⾜球会受到摩擦⼒的 作⽤⽽减速，如果没有这样的⼒，⾜球将会永远沿直线运动下去。） 基于这⼀敏锐的洞察，⽜顿准确描述了这种永远指向太阳的引⼒对⾏ 星运动轨迹所产⽣的作⽤——它不断地将⾏星拽离原本的直线路径， 将它们永远囚禁在绕太阳公转的轨道上。 然后，⽜顿还需要搞清楚引⼒的精确性质——它的⼤⼩是如何随⾏星 与太阳这两个巨⼤天体间的距离发⽣变化的。⽜顿的成功之处在于， 他猜想引⼒是“万有”的，即作⽤在⾏星上的⼒，与让苹果从树上掉下 来的⼒是同⼀种⼒。在当时，这样的猜想是⼗分激进和⼤胆的，因为 它公然挑战了教会的教义。按照教会的说法，天与地不但由不同的元 素构成，⽽且遵循着完全不同的运⾏规律。但是，这⼀猜想让⽜顿得 以将地球作⽤在掉落的苹果上的⼒与地球作⽤在⽉球上的⼒进⾏直接 ⽐较。根据苹果与地球中⼼的距离以及⽉球与地球中⼼的距离，⽜顿 就可以计算出引⼒的⼤⼩是如何随距离⽽变化的。 乍看之下，地球对苹果的引⼒与其对⽉球的引⼒似乎⽆法进⾏⽐较， 因为苹果会落下来但⽉球不会。然⽽，⽜顿的天才之处在于，他发现 这种表⾯现象是虚假的，⽉球实际上真的在下落。 ⽜顿假设有⼀⻔⼤炮沿⽔平⽅向发射⼀颗炮弹。炮弹在⻜⾏过程中会 被引⼒向下拉并最终在⻜⾏了500⽶后落到地⾯上。然后，他假设⽤⼀ ⻔更⼤的炮以更快的速度发射炮弹，这次炮弹⻜⾏了5000⽶后才落 地。最后，他假设⽤⼀⻔超级⼤炮以每⼩时18000千⽶的速度发射炮 弹。在如此快的速度下，炮弹在朝地球下落的同时，地⾯也在不断弯 曲，于是炮弹永远不会落地！实际上，炮弹会永远做圆周运动，⽽⽉ 球的运动与这⼀情形完全相同。对于“为什么⽉球以及地球的其他卫星 不会掉下来”这个问题，答案是出乎意料的——它们真的在往下掉，只 不过永远掉不到地⾯上⽽已。 ⽜顿通过测量苹果下落的时间估算出苹果的加速度，⼜通过⽉球在相 同时间内向地球下落的距离估算出⽉球的加速度。对⽐两者，再加上 已知的苹果和⽉球到地⼼的距离，⽜顿得出了引⼒与距离的平⽅成反 ⽐这⼀定律，也就是说，如果两个物体之间的距离变成原来的两倍， 则它们之间的引⼒就会变成原来的四分之⼀；如果距离变成原来的三 倍，则引⼒就会变成原来的九分之⼀，以此类推。 椭圆的焦点是其长轴上的两个定点，其位置满⾜以下条件：椭圆上任 意⼀点到两个焦点的距离之和为常量。 ⽜顿的重要发现不⽌于此，他还指出⾏星在⼀个指向太阳且与距离的 平⽅成反⽐的引⼒作⽤下，其绕太阳公转的轨道是⼀个椭圆。开普勒 ⾸先发现⾏星公转的轨迹是椭圆，并不是古希腊⼈所认为的圆形。开 普勒在其⾏星运动第⼀定律中阐述了这⼀发现：“⾏星沿椭圆轨道运 ⾏，太阳位于椭圆的⼀个焦点上。” ⽜顿之所以会关注对开普勒第⼀ 定律的解释，缘于1684年8⽉埃德蒙·哈雷（Edmund Halley）的来 访。哈雷前往剑桥拜访⽜顿，希望能够解决他的两个朋友——罗伯特· 胡克与克⾥斯托弗·雷恩（Christopher Wren）之间的争论。尽管没有 确凿的证明，但胡克坚持认为如果引⼒指向太阳，并且其⼤⼩与距离 的平⽅成反⽐，那么⾏星的公转轨道应该是椭圆的，这与开普勒的发 现⼀致。⽜顿告诉哈雷他已经证明了这⼀轨道确实是椭圆的，但他在 三⼀学院的研究室⾥找了半天，也没找到他的计算⼿稿。哈雷的来访 不仅提醒⽜顿重新计算⼀遍，更促使他着⼿⽤两年的时间完善了此前 在引⼒和运动⽅⾯未发表的研究成果，⽜顿最终出版了堪称最伟⼤的 科学成果之⼀的《⾃然哲学的数学原理》。 实际上，⽜顿证明了在向⼼的、⼤⼩与距离平⽅成反⽐的引⼒作⽤ 下，物体运动的轨迹是椭圆，但在更普遍的意义上来说，其轨迹应该 是圆锥曲线。假设有⼀个底⾯向下直⽴的圆锥，⽤⼀把锋利的⼩⼑在 圆锥上进⾏切割。如果⼩⼑是从圆锥的⼀侧切割到另⼀侧，那么切⾯ 的边缘就是椭圆（其中，当切⾯平⾏于底⾯时，其切⾯边缘为圆，圆 是⼀种特殊的椭圆）。如果⼩⼑从圆锥的⼀侧切⼊，从底⾯切出，且 切⾯与圆锥的另⼀侧平⾏，则切⾯的边缘就是⼀条单侧开⼝的抛物 线。如果⼩⼑从圆锥的⼀侧切⼊，并从底边向下切出，则会得到⼀条 单侧开⼝的双曲线（⻅图1-1）。 图1-1 圆锥切割 说明：以三种⽅式对圆锥进⾏切割，分别得到抛物线（左）、椭圆 （中）和双曲线（右），这三种情况均为物体在太阳引⼒下可能的运 动轨迹。 这三种形状分别对应着三种不同的物理情况。如果⼀个物体所具备的 速度或能量不⾜以使其脱离太阳，那么它将被永远囚禁在椭圆轨道 上，⾏星就属于这种情况；但是，如果它具备⾜够的能量脱离太阳， 它就会沿着双曲线轨迹⻜向遥远的星⾠⼤海；如果它正好处于脱离和 不能脱离的交界处，就对应着抛物线的情况，此时，要想摆脱太阳的 引⼒束缚，只能让它与太阳之间的距离变成⽆穷⼤，这意味着需要⽆ 穷⻓的时间。 通过第⼀运动定律，⽜顿不仅可以解释⽉球绕地球的运动和⾏星绕太 阳的运动，还可以解释海洋中的潮汐现象。潮汐现象主要是由⽉球和 太阳引发的。 引发潮汐的并不是引⼒，⽽是引⼒差。拿⽉球来说，由于其引⼒会随 着距离的增加⽽减弱，因此当海洋朝向⽉球时，底层海⽔所受到的引 ⼒会⽐表层海⽔更弱，这种引⼒差会在海⾯上形成⼀个隆起。这个隆 起会随着地球⾃转在海⾯上移动，于是便造成海岸处的海平⾯时⽽上 升时⽽下降。不过，这只能解释每天两次潮汐中的⼀次。引发另⼀次 潮汐的原因，是在背对⽉球的⼀⾯，底层海⽔由于距离⽉球更近，因 此所受到的引⼒⼤于表层海⽔，这种引⼒差会使得表层海⽔与底层海 ⽔相互远离，从⽽形成了另⼀个海⾯隆起（⻅图1-2）。 图1-2 潮汐⼒ 说明：朝向⽉球的海⾯上会产⽣隆起，因为⽉球对表层海⽔的引⼒⼤ 于对底层海⽔的引⼒，⽽背对⽉球的海⾯上产⽣隆起的原因则正好相 反。 实际上，⽆论在任何地⽅，两次潮汐之间的时间间隔都不是24⼩时， ⽽是差不多25⼩时。这是因为在地球⾃转时，⽉球并不是在空中静⽌ 不动的，⽽是沿着与地球⾃转相同的⽅向绕地球公转，其公转⼀周的 时间为天。这意味着现在位于⽉球正下⽅的海洋中的某⼀点，在 24⼩时之后就不再位于⽉球正下⽅了，⽽这个点要再次回到⽉球的正 下⽅，就需要地球再额外⾃转1/周，所需的时间为24⼩时的 1/，也就是⼤约53分钟。因此，两次潮汐之间的间隔并不是24⼩ 时，⽽是24⼩时53分钟。 ⽉球引发的潮汐强度是太阳的两倍，⽜顿根据这⼀点正确推测出⽉球 的密度是太阳的两倍。这是⼀个举世瞩⽬的结果，这个结果之所以能 够成⽴，是出于⼀个不寻常的巧合——在那个时间点上，⽉球和太阳 在天空中的⼤⼩完全相同。[1]这个巧合也意味着，我们可以周期性地⻅ 到⽇全⻝，此时太阳会被⽉球完全遮挡。不过，这样的奇观在地球历 史上只有⼤约5%的时间才能⻅到，因为⽉球正在慢慢地远离地球（参 ⻅第6章）。20世纪70年代，阿波罗计划的航天员在⽉球上留下了数 ⾯能反射激光的“隅⻆镜”，通过计算从地球发射的激光脉冲到⽉球再 反射回来所需要的时间，我们测出⽬前⽉球远离地球的速度为每年约4 厘⽶。 在地球上，不仅海洋会产⽣潮汐现象，岩⽯也会，这通常称为“固体潮 汐”。⼤约公元前100年，古希腊哲学家波希多尼（Posidonius）发现 了⼀个奇怪的现象：在低潮时，井⽔⽔位会上升，⽽在⾼潮时，井⽔ ⽔位会下降。直到1939年，⼈们才对这⼀现象做出了解释。⽔井通常 挖掘于含⽔丰富的地层，在⾼潮时，地层向上隆起，便会像海绵⼀样 将井⽔吸⾛；⽽在低潮时，地层回落，⼜会将之前吸收的⽔挤回到井 ⾥。井⽔⽔位的⾼低变化取决于若⼲变量的影响，在某些情况下这种 ⽔位差可以⾼达⼀⽶左右。 1992年，位于⽇内瓦附近的欧洲核⼦研究中⼼（CERN）的物理学家 们发现了另⼀种由固体潮汐引发的现象。CERN有⼀台⼤型正负电⼦对 撞机（LEP），它是在岩层中建造的⼀座巨⼤的环形地下隧道。物理学 家们发现，在这座地下隧道中⻜驰的正负电⼦，其速度或者说是能 量，每隔25⼩时就会发⽣两次上涨。这个现象让他们深感困惑，后来 有⼈发现是潮汐⼒让隧道所在的岩层发⽣了变形，导致LEP环的⻓度每 隔25⼩时发⽣两次⼤约1毫⽶的伸缩。 固体潮汐最令⼈震撼的⼀个例⼦莫过于外表像⽐萨⼀样的⽊卫⼀。⽊ 星这颗巨⾏星再加上它附近其他卫星所产⽣的潮汐⼒剧烈地拉扯和挤 压着⽊卫⼀，导致其内部摩擦⽣热，使岩⽯液化，让⽊卫⼀成了太阳 系中⽕⼭活动最活跃的天体。实际上，若按同等质量换算，⽊卫⼀产 ⽣的热量甚⾄⽐太阳还多！ 毋庸置疑，⽜顿的引⼒定律具有强⼤的预⾔能⼒，但是在某些情况下 这⼀定律也会失效，这是因为1915年阿尔伯特·爱因斯坦 （Albert Einstein）发现引⼒的来源并⾮质量⽽是能量（参⻅第12 章）。质能的确是能量的⼀种形式，但还有其他形式的能量，它们也 具有引⼒，尤其是在太阳附近，其引⼒⽐太阳系中其他任何地⽅都要 强。在这⾥，储存在引⼒场中的能量本身也具有引⼒，这意味着引⼒ 的⼤⼩会⽐⽜顿所预⾔的结果要稍⼤⼀些，这能够解释距离太阳最近 的⾏星——⽔星的⼀些异常运动。⽔星的公转轨道并不是固定的椭 圆，其椭圆轨道会不断改变⽅向，称为“岁差”，使其运动轨迹呈现出 类似花瓣的形状。 ⽜顿的引⼒定律会失效，爱因斯坦的引⼒理论，即⼴义相对论同样也 会失效。⼴义相对论预⾔⿊洞的中⼼以及宇宙⼤爆炸的起点是⼀个匪 夷所思的密度⽆穷⼤的“奇点”（参⻅第14章，第17章）。物理学家希 望“量⼦”引⼒理论能够解决这个问题（参⻅第7章）。⽬前，唯⼀能够 将引⼒理论（不⼀定是⼴义相对论）和量⼦理论统⼀起来的框架是“弦 理论”。在弦理论中，基本粒⼦不再是点状，⽽是在⼗维时空中振动的 质能弦。这⼀理论也允许⼆维、三维、四维等低维度物体的存在，它 们被称为“膜”，这些膜可能与引⼒的未解之谜有关。 很多物理学家相信，⾃然界的四种基本⼒都只是同⼀种超⼒的不同部 分，但很难想象什么样的公式能够描述这样⼀种超⼒。弦理论为解决 这⼀难题提供了⼀种可能性，也许我们的宇宙只是漂浮在⼗维时空中 的⼀座三维的岛屿，即“3-膜”。如果其他的⼒都只局限于我们的3- 膜，⽽只有引⼒会泄漏到⼗维的“体（bulk）”中，那么其强度就会被 稀释，这可以巧妙地解释为什么引⼒会弱得如此难以置信。 333 [1] 潮汐⼒由引⼒差产⽣，它的⼤⼩并⾮与距离的平⽅成反⽐，⽽是与 距离的⽴⽅成反⽐。设物体质量为m，距离为r，则产⽣的潮汐⼒⼤⼩ 约为m/r，⽽m约为ρd，其中ρ为物体的平均密度，d为直径，d可由rθ 算出，其中θ为物体在天空中的张⻆。综上可得，潮汐⼒约为ρθ，⼜由 于太阳和⽉球在天空中的视直径⼏乎相等，因此两者所产⽣的潮汐⼒ ⼤⼩与它们的密度成正⽐。由于⽉球引发的潮汐⼤⼩是太阳的两倍， 因此其平均密度也是太阳的两倍。 第2章 电 利⽤这种是引⼒1040倍的⼒，我们为全世界提供能量。 那就拿⼀瓶闪电、⼀只⼲净的⼤酒杯和⼀只开塞钻进来吧。 查尔斯·狄更斯.狄更斯⽂集：尼古拉斯·尼克尔贝[M].杜南星，徐⽂绮译. 上海：上海译⽂出版社，1998：755. ——查尔斯·狄更斯（Charles Dickens） 电为全世界数⼗亿⼈的家中带来了光明，还为洗⾐机、电视机和⼿机 提供能量。未来，电还有可能成为⻜驰在路上的数⼗亿辆汽⻋的能量 来源。电之所以能做到这⼀切，只有⼀个原因：它代表了⼤⾃然极其 强⼤的⼒量。 为了感受电的强⼤⼒量，我们先来看⼀只蚊⼦。和你我以及世间万物 ⼀样，蚊⼦也是由原⼦构成的（参⻅第8章），其中原⼦核带正电，核 外电⼦带负电。异性相吸，正是原⼦核与电⼦之间的吸引⼒使得原⼦ 得以维持其结构。现在假设有⼀种神奇的⼒量能够让蚊⼦中的所有电 ⼦消失，只剩下带正电的原⼦核。由于同性相斥，这些原⼦核会⼀哄 ⽽散，蚊⼦就会被炸成碎⽚。⽽引发蚊⼦爆炸的能量⼗分巨⼤，⼀个 ⽕花、⼀捆炸药甚⾄是⼀颗氢弹的能量都⽆法与之相提并论，这种能 量堪⽐导致全球⽣物⼤灭绝的能量，即相当于6600万年前那颗⼀座城 市般⼤⼩的⼩⾏星撞击地球导致恐⻰灭绝时所释放的能量！ 之所以会产⽣这样的结果，是因为电磁⼒⼗分强⼤，其强度是引⼒的 1040倍（参⻅第1章）。但值得⼀提的是，我们并不会注意到这种⼗分 强⼤的⼒，因为在⽇常物质中，正电荷和负电荷的数量是相等的，这 使得电的排斥⼒和吸引⼒达到⼀种精妙的平衡，两者相互抵消。这就 是为什么当你在街上和另⼀个⼈擦肩⽽过时，并不会被其吸引或者排 斥，甚⾄根本不会感受到这种强⼤的⼒⼀丝⼀毫的迹象，即便它是你 们之间的引⼒的1040倍。 然⽽，如果有可能制造出电荷的不平衡，就像刚才提到的蚊⼦⼀样， 我们就可以释放出电的强⼤⼒量，⽽这正是电能够为世界提供能量的 秘密。积⾬云中就存在这种电荷的不平衡，也正是它导致了闪电的放 电现象。发电⼚也会制造出电荷的不平衡，从⽽产⽣电流，即电荷的 流动，来为我们的世界提供能量。 电与磁存在本质上的联系，但却很少有⼈注意到这种联系。因此当 1820年，丹⻨物理学家汉斯·克⾥斯蒂安·奥斯特 （Hans Christian Orsted）发现这⼀联系时，科学家们都感到⼗分震 撼。奥斯特在为学⽣上课时，发现有电流流过的导线让附近的磁针发 ⽣了偏转，他指出电流能够产⽣类似磁⽯的效果，并猜测磁本身就是 由在铁等物质内部流动的电流所产⽣的。 “场”后来成为20世纪和21世纪物理学的核⼼概念。 英国科学家、电学之⽗迈克尔·法拉第（Michael Faraday）对奥斯特 的发现进⾏了研究，从中发现了电与磁的⼀些本质联系。将两块磁⽯ 相互靠近，你会感觉到它们之间凭空存在⼀种强⼤的⼒，法拉第确信 这⾥必然有什么东⻄。他提出，有⼀个⽆形的磁场从磁⽯向周围各个 ⽅向延伸出来。同理，他猜想，⼀块与⽑⽪摩擦后带上静电的琥珀， 也会向周围延伸出电场。 在19世纪，当时其他的电学开拓者⼤多着眼于导线中的电流，只有法 拉第发现电场和磁场才是问题的关键，是它们传递着电磁⼒所产⽣的 巨⼤能量。相对地，电流只不过是⼀种次⽣现象：电⼦在电场的驱使 下流动，⽽电场碰巧贯穿了铜线这样的导体。于是，当⼀条导线连接 电池两极形成回路时，导线周围就形成了电场，导线中的⾃由电荷 ——电⼦，在电场的驱使下移动，便形成了电流。（电⼦是在1897年 才被发现的，因此法拉第以及与他同时代的科学家⼀直由于不知道导 线中流动的东⻄到底是什么⽽深感困惑。） 我们可以准确描述电场与磁场之间的关系：变化的电场产⽣磁场，⽽ 变化的磁场产⽣电场。其中前半句指的是奥斯特的发现，因为当形成 电流的电荷在导线中流动时，电场便会不可避免地随之移动；⽽后半 句指的则是电磁感应现象，由法拉第于1831年发现，它是我们这个电 ⼒世界的基⽯，因为全世界成千上万座发电⼚都是通过改变穿过导体 的磁场来发电的。具体来说，就是使⽤某种动⼒源，例如通过核反应 或燃烧天然⽓、⽯油或煤炭所产⽣的⽔蒸⽓推动由导线构成的线圈， 即发电机在磁场中旋转。 实际上，电和磁不仅是在本质上存在联系，准确地说，它们就是同⼀ 种东⻄的两个不同⽅⾯，这⼀点直到1905年才被爱因斯坦发现。正如 他揭示了空间和时间是⼀个被称为“时空”的整体的两个不同部分⼀ 样，电和磁也是⼀个被称为“电磁⼒”的整体的两个不同部分（参⻅第 10章），⽽我们看到的是电场还是磁场，取决于我们相对于其源点的 移动速度。 变化的电场产⽣磁场，⽽变化的磁场也产⽣电场，你现在能阅读到这 些⽂字，也是拜这⼀发现所赐。英国苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克· ⻨克斯⻙（James Clerk Maxwell）于1863年发现，光是⼀种电磁 波，即在充满空间的、⽆形的电磁场中传播的⼀串涟漪，就像池塘⽔ ⾯上的涟漪⼀样。在这样的波中，电场的变化，或者说是衰减产⽣了 磁场，⽽磁场的变化或者说是衰减，产⽣了电场，电场的衰减⼜再次 产⽣磁场，周⽽复始。因此，电磁波是可以⾃我维持的，它可以持续 地重新产⽣⾃⼰。 ⻨克斯⻙发现红光是⼀种缓慢振荡的电磁波，⽽蓝光则是⼀种快速振 荡的电磁波。重点来了，⻨克斯⻙的电磁理论没有限制电磁波的振荡 速度，因此电磁波只是空间中的涟漪，它可以⽐红光振荡得更慢，也 可以⽐蓝光振荡得更快。实际上，⻨克斯⻙指出，像这样⾁眼不可⻅ 的颜⾊有上亿种，从振荡速度很快的γ射线，到振荡速度很慢的⽆线电 波。德国物理学家海因⾥希·赫兹（Heinrich Hertz）于1888年⽣成并 探测到了⽆线电波，后来在1901年，意⼤利⼈古列尔莫·⻢可尼 （Guglielmo Marconi）将⽆线电波⽤于欧洲和北美洲之间的通信。可 以说，正是⽆线电波创造了21世纪我们所⽣活的这个紧密联系的世 界。 费恩曼.费恩曼物理学讲义（第2卷）[M].郑永令等，译.上海：上海科学 技术出版社，2005：12. ⻨克斯⻙将电场和磁场的作⽤规律提炼为其著名的电磁⽅程，这堪称 19世纪物理学的巅峰。美国物理学家理查德·费曼 （Richard Feynman）说：“从⼈类历史的⻓远观点来看，例如过1万 年之后回头来看，毫⽆疑问，在19世纪中发⽣的最有意义的事件将是 ⻨克斯⻙对电磁学定律的发现。” 然⽽，电的“杀⼿级应⽤”并⾮⽆线电波，⽽是电灯。从效果上看，电 灯的出现成倍提⾼了⼈类的⽣产⼒，因为它使得在⿊夜中⼯作成为可 能。要点亮千家万户的电灯，就需要⻓距离传输电⼒，解决这⼀问题 的是塞尔维亚裔美国⼯程师尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）。 特斯拉在美国的竞争对⼿托⻢斯·爱迪⽣（Thomas Edison）主张使⽤ 在导线中单向流动的电流，但这⼀⽅案有⼀些弊端：由于推动电⼦在 导线中移动需要消耗能量，因此这种“直流电”的电场会随着距离的增 加⽽减弱，这意味着和距离发电⼚较近的住户相⽐，距离发电⼚较远 的住户所接收到的电场较弱，导致电灯的亮度也较暗。对于这个问 题，爱迪⽣给出的解决⽅案是将发电⼚建在尽量接近⽤户的地⽅，但 在19世纪80年代的纽约，这意味着⼤约每隔1千⽶就需要建造⼀座发电 ⼚。 特斯拉发现如果能够产⽣极强的电场，即⾼压电，尽管电场会因驱动 电⼦移动损失能量⽽变弱，但只要电场⾜够强，这些损失就可以忽略 不计。在现在的英国，⻓距离输电所使⽤的电压⾼达35千伏，也正是 出于这个原因。 各国民⽤电压标准有所不同，中国的民⽤电压标准为220伏。——译者 注 和英国以及欧洲⼤部分国家⼀样，中国的民⽤交流电变化频率也是每 秒50次（50赫兹），也有⼀些国家（如美国）使⽤的交流电频率为60 赫兹。——译者注 这⾥有⼀个问题，在电⼒进⼊住户之前，必须先将其电压降到家⽤电 器所使⽤的240伏 ，但这对于直流电来说很难做到。不过，特斯拉发 现，这⼀点可以使⽤电流⽅向周期性变化的交流电来实现。在英国， 电荷⼀会⼉往⼀个⽅向移动，⼀会⼉⼜往另⼀个⽅向移动，这样的变 化每秒会发⽣50次。 特斯拉采⽤的降低电压的⽅法是让电流通过⼀个缠绕圈数较多的线 圈，然后在旁边放置⼀个缠绕圈数较少的线圈。第⼀个线圈中快速变 化的电场会感应出快速变化的磁场，⽽这个磁场⼜会在第⼆个线圈中 感应出快速变化的电场。由于第⼆个线圈中导线的缠绕圈数较少，于 是其中所产⽣的感应电场，即电压就会⼩于第⼀个线圈。通过这样 的“变压器”，电⽹中35千伏的电压就被降到了各种电器可以使⽤的 240伏。 如果你够仔细，就会发现交变电流中变化的电场产⽣变化的磁场，继 ⽽⼜产⽣变化的电场，这正是产⽣电磁波的过程（⻅图2-1）。我们在 导线中传输的其实正是电磁波——不是像光那样在⾃由空间中传播的 电磁波，⽽是⼀种沿导线传播的电磁波。我们不会将它当成⼀种波， 是因为它从上向下再向上⾛完⼀个完整的振荡周期需要⼤约1万千⽶的 距离，这差不多⽐任何导线都要⻓。在导线上的任意⼀点，电场只是 在来回改变⽅向，使得电荷以每秒50次的频率来回振动。 图2-1 电磁波的⾃我维持 说明：在电磁波中，变化的电场产⽣变化的磁场，⽽变化的磁场又产 ⽣变化的电场，周⽽复始。 出⾃特斯拉于1939年写给宝拉·佛蒂奇（Paula Forteach）⼥⼠的⼀封 信。 毫⽆疑问，特斯拉的交流电系统⽐爱迪⽣的直流电系统更加复杂，但 它有史以来第⼀次实现了⻓距离输电，从⽽让现代世界的诞⽣和发展 成为可能。对于这个在1884年来到美国闯荡的28岁年轻⼈来说，这⽆ 疑是⼀个举世瞩⽬的成就。特斯拉的灵感来⾃他童年时期在塞尔维亚 观察到的⼀种神奇现象，即在⼲燥、寒冷的空⽓中很容易积累静 电。“那个冬季⽐以往任何时候都要寒冷和⼲燥。⾛在雪地上的⼈会留 下清晰的⾜迹，⽽砸到其他物体上的雪球会像命中了⼑锋的⽅糖⼀般 四散开来。在某个⻩昏，我按捺不住地抚摸了猫的背。它的背瞬间变 成了⼀床闪闪发光的毯⼦，⽽我的⼿带起了阵阵⽕花。⽗亲轻描淡写 地说，‘不过是电罢了，跟你在雷⾬天看到的劈到树上的闪电⼀样’。⺟ 亲似乎震惊了，她说，‘别跟猫玩了，回头它弄出⽕灾来可不得了。’她 说。我则开始异想天开，想象着⼤⾃然会不会是⼀只巨⼤的猫？如果 是的话，谁给它抚背？那个⼈只能是上帝吧——我想出了这样⼀个结 论。……你根本⽆法想象这个奇妙的景象给我稚嫩的想象⼒带来了多 ⼤的影响。我⽇复⼀⽇地问⾃⼰：什么是电？但却⽆从解答。⼏⼗年 过去了，我还在问⾃⼰同样的问题，还是⼀如往常地没有寻找到答 案。” 费恩曼.费恩曼物理学讲义（第2卷）[M].郑永令等，译.上海：上海科学 技术出版社，2005：12. ⻓距离输电的实现打开了众多难以想象的技术的可能性。如今，我们 不仅可以⽆线传输声⾳，还可以将⿊夜挡在⻔外，如此这般不胜枚 举。理查德·费曼写道：“在上万的地⽅成万台发动机发动着⼯⼚和家 庭中的机器——所有这些，都是由于电磁学定律的知识⽽运转起来 的。” 然⽽当电被应⽤于技术领域时，⼈类开始意识到其在⾃然界中的核⼼ 地位。⼈们原本并没有注意到这⼀点，因为正如之前所说，在通常情 况下，巨⼤的电磁⼒处于完美平衡、相互抵消的状态。不过，电荷的 不平衡在微观领域却是普遍存在的，因为当物质仅含有少数原⼦时， 从统计上看正负电荷的数量是不太可能完全相等的。即便数量相等， 依然可能存在强⼤的电磁⼒，因为⼀个原⼦的负电荷相对于⾃身的负 电荷来说可能距离另⼀个原⼦的正电荷更近，由于电磁⼒会随着距离 增加⽽减弱，此时吸引⼒会⼤于排斥⼒，于是两块微⼩的物质之间可 能产⽣强⼤的吸引⼒，即使它们各⾃都不带有净电荷。 由此可⻅，原⼦完全处于极其强⼤的电磁⼒的⽀配之下。电磁⼒不仅 维持着原⼦⾃身的结构，还可以让原⼦和原⼦相互结合形成分⼦。化 学的本质也是电，因为它研究的是原⼦中电⼦的重新排列。你的身体 能够保持完整也是拜电磁⼒所赐，如果组成你的分⼦外⾯没有电⼦产 ⽣的排斥⼒，你就会被地球的引⼒给压扁。 不过，电在⽇常⽣活中所扮演的⻆⾊远不⽌于此，它甚⾄驱动着⽣命 本身。1781年，路易吉·伽伐尼（Luigi Galvani）发现电流刺激能够让 死⻘蛙的腿发⽣抽搐。电能够驱动死亡的⾁体，这⼀发现为当时年仅 19岁的玛丽·雪莱（Mary Shelley）提供了灵感，她因此开始创作⼩说 《弗兰肯斯坦》（Frankenstein），随后于1818年出版。电驱动着⽣ 物学，我们都是电能⽣物。⻝物中的电⼦跨越细胞壁产⽣电场，促使 三磷酸腺苷（ATP）这样的供能分⼦被⽣产出来。最重要的是，电⼦ 在你⼤脑中的神经元之间流动，才使得你能够阅读和思考这些⽂字， 并将它们转化为⻓期记忆——如果它们⾜够有趣的话！ 第3章 全球变暖 ⼆氧化碳等分⼦吸收地表辐射出的热量，并将其积蓄在⼤⽓层中。 地球可能很快就会变得像⾦星⼀样。 ——史蒂芬·霍⾦（Stephen Hawking） 地球⼤⽓层中的某些⽓体分⼦能够积蓄地表散发出的热量，正是因为 有了它们，地球才不⾄于被冻住，使得⽣命的诞⽣成为可能。实际 上，如果没有Y重要的蓄热⽓体——⽔蒸⽓，我们的地球就会变成⼀ 颗平均⽓温只有零下18摄⽒度的⼤冰球。 我们周围的空⽓并不是⼀副冷⾯孔，⽽是会被太阳光加热，这⼀点是 在1856年由⼀位鲜为⼈知的美国科学家尤妮斯·富特（Eunice Foote） 发现的。富特本来姓⽜顿，她的⽗亲⼩艾萨克·⽜顿 （Isaac Newton, Jr.）正是那位发现万有引⼒定律的著名英国物理学 家艾萨克·⽜顿的远房亲戚。富特在⼀些⻓玻璃管中充⼊氧⽓、氢⽓等 不同⽓体，并在其中插⼊温度计。她将这些玻璃管放在太阳下晒，发 现在所有⽓体中，⽔蒸⽓和⼆氧化碳，她称之为“碳酸”，升温幅度Y ⼤。她由此推测，⼤⽓中这两种⽓体含量的变化，也许会导致⽓候变 化。富特因此成为史上第⼀个指出这种联系的⼈。 爱尔兰物理学家约翰·丁达尔（John Tyndall）在不知道富特的发现的 情况下，于三年后独⽴确认了这⼀事实，更重要的是，他还将这⼀研 究向前推进了⼀步。富特并没有确定是来⾃太阳的可⻅光直接加热了 空⽓，还是太阳光先加热了地表，然后地表辐射出的不可⻅的红外线 加热了空⽓。丁达尔制作了⼀个红外辐射源，这是⼀个装满开⽔的铜 制⽴⽅体（称为“莱斯利⽴⽅体”），并以此证明了⽔蒸⽓和⼆氧化碳 并不直接吸收太阳光，⽽是吸收地表辐射出的红外线。回想起来，空 ⽓并不是直接被太阳光加热的这⼀事实并不奇怪。毕竟⼏乎所有⼈都 知道，⼤⽓是透明的，它并不吸收可⻅光，否则我们怎么能透过⼤⽓ 看到太空中的⽇⽉星⾠呢？ 所以事情是这样的，⽩天来⾃太阳的可⻅光⼀路穿过⼤⽓层加热地 表，然后热量以红外线的形式辐射出来，被⼤⽓中的⽔蒸⽓和⼆氧化 碳吸收（⻅图3-1）。丁达尔写道：“⼤⽓层允许太阳的热量进⼊，却 限制热量的离开，这导致热量积蓄在地球表⾯。”显然，这就是著名 的“温室效应”，虽然这个名字并不恰当。在温室中，空⽓升温主要是 因为玻璃屋顶阻⽌了空⽓上升（对流）带⾛热量，⽽不是因为存在能 吸收热量的分⼦。 图3-1 蓄热原理 蓄热：太阳加热地表，然后地表辐射出的热量被⼤⽓中的⽔蒸⽓、⼆ 氧化碳等“温室⽓体”吸收。 ⼀般来说，红外线容易被只含有两三个原⼦的简单分⼦吸收，因为红 外线的能量与这些分⼦的振动相匹配。简单来说，你可以认为⽔ （H 2 O）或⼆氧化碳（CO 2 ）分⼦中的原⼦是由可以伸缩的弹簧连接起 来的。 ⼤⽓剩余%的成分中绝⼤部分是氩⽓，占⽐%。 ⼤⽓中含量Y⾼的分⼦是氮⽓（N 2 ），其占⽐为%，其次是氧⽓ （O 2 ），其占⽐为%。那么问题来了：为什么氮⽓和氧⽓没有表 现出温室⽓体的效应呢？ 要回答这个问题需要⼀点专业知识。只有当 分⼦中两个原⼦之间弹簧的伸缩会同时改变分⼦中正负电荷的分布 （称为“偶极矩”）时，这种分⼦才会吸收红外线。幸运的是，氮⽓和 氧⽓分⼦都不满⾜这⼀条件，否则我们的地球就会变得像烤炉⼀样炎 热！ 在过去65万年中曾出现过7次冰期，最后⼀次冰期结束于⼤约万年 前。⼈们普遍认为，这⼏次冰期都是由于地球从太阳接受的热辐射量 的变化导致的，⽽其根本原因是被称为“⽶兰科维奇周期”的地球轨道 变化。 富特和丁达尔的发现引起了轰动，因为它不仅说明了像空⽓这种没有 实体的东⻄也能积蓄热量，更说明了像⼆氧化碳这种在⼤⽓中含量仅 为%的微量成分也能产⽣如此巨⼤的效应。富特和丁达尔都指出 ⼆氧化碳与⽓候之间可能存在联系。1896年，瑞典化学家斯万特·阿伦 尼乌斯（Svante Arrhenius）指出，在冰期的末尾，是⼆氧化碳浓度的 上升帮助地球重新回暖。 同时他还指出，燃烧煤炭、⽯油等化⽯燃料 会产⽣⼤量的⼆氧化碳，从⽽导致“热室效应（hot- house effect）”。这个词后来没有被沿⽤下去，今天我们则普遍称之 为“全球变暖”。阿伦尼乌斯也因此成为史上第⼀个提出⼈类活动会改 变⽓候的科学家。 现在我们知道他说得没错。根据夏威夷莫纳罗亚⽕⼭顶部的监测数 据，⼆氧化碳浓度已经从1958年的%上升到2021年的 %，并且⼆氧化碳浓度的上升与全球⽓温的上升趋势吻合，这印 证了阿伦尼乌斯的预测。 由于没有科学观测的数据，要了解历史上地球⽓候的变化情况，我们 需要通过间接指标来推算⽓温和⼤⽓中⼆氧化碳的浓度。例如，⼆氧 化碳浓度可以通过树⽊的年轮和⽣物的甲壳进⾏推算，⽽⽓温则可以 通过冰芯进⾏推算，因为不同温度下形成的雪存在可被测量的差异。 这些证据所绘制出的图景令⼈感到不安。与⼯业时代之前相⽐，燃烧 化⽯燃料所产⽣的⼆氧化碳已经使全球⽓温上升了⼤约摄⽒度，⽽ 2016—2020年更是成了有记录以来Y热的时期。格陵兰和南极的冰盖 以及全球的冰川都在加速消融，北冰洋海冰的⾯积和厚度也在过去⼏ ⼗年间快速下降。不仅如此，⼈类产⽣的⼆氧化碳还会被海洋吸收形 成碳酸，导致海⽔酸化，对珊瑚等⽣物的⽣存环境造成威胁。 ⽬前，世界各国正在努⼒将相⽐⼯业时代前的⽓温上升⽔平控制在2摄 ⽒度以内，这需要在2050年前减少80%的⼆氧化碳排放，这是⼀个⼗ 分艰巨的任务。尽管如此，我们必须找到⼀种替代燃烧化⽯燃料产⽣ ⽔蒸⽓推动汽轮机运动的发电⽅法，可能的选项包括通过光伏板直接 利⽤太阳光发电以及利⽤⻛能和海浪发电。 然⽽，并不只有燃烧化⽯燃料产⽣的⼆氧化碳会导致全球变暖，⽤⽯ 灰岩⽣产⽔泥的过程也是⼆氧化碳排放的⼀种来源。此外，甲烷、⼀ 氧化氮等其他温室⽓体的浓度也在上升。⼀氧化氮的排放主要来⾃汽 ⻋尾⽓，⽽甲烷的排放则主要来⾃农场中饲养的牲畜的代谢活动。 令⼈担忧的是，我们可能早晚会迎来某个拐点，此时正反馈循环会让 问题进⼀步恶化。例如，海冰减少会让反射回宇宙空间的太阳光减 少，从⽽加速全球变暖。随着永久冻⼟的融化，⼟壤会释放出固定在 其中的甲烷，它⽐⼆氧化碳的温室效应更显著，从⽽进⼀步加速全球 变暖。 Y讽刺的是，尽管⼈类造成的温室效应正在威胁⼈类⽂明⾃身的存 续，但正如之前所说，温室效应其实是在过去40亿年间维持地球宜居 环境的功⾂。⾃然界甚⾄存在⼀种调控⼤⽓中⼆氧化碳浓度的机制， 它能确保地球不会因为⼆氧化碳浓度过⾼⽽过热，也不会因为⼆氧化 碳浓度过低⽽过冷。⼆氧化碳会与岩⽯和⽔发⽣反应⽣成碳酸，形成 ⽯灰岩以及其他碳酸盐。当板块构造相互挤压时，这些含有⼆氧化碳 的岩⽯就会沉⼊地球内部（参⻅第6章）。通过⽕⼭活动等⽅式注⼊⼤ ⽓的⼆氧化碳越多，这种碳循环就会以更快的速率将⼆氧化碳埋⼊地 下。⼤⾃然就是通过这种⽅式来调节⼤⽓中的⼆氧化碳浓度，维持全 球⽓温的稳定。不幸的是，碳循环只能在⻓期尺度上发挥作⽤，并不 ⾜以在短期内去除⼈类以空前速率向⼤⽓排放的⼆氧化碳。 尽管如此，碳循环本身在历史上也曾发⽣过异常，分别在22亿年前、 亿年前和亿年前。这三次碳循环异常都表现为⼆氧化碳浓度 过低，导致地球完全被厚厚的冰层覆盖，直到⽕⼭活动喷出⾜够的⼆ 氧化碳融化了冰层，才为“雪球地球”时代画上了句号。 将地球与其Y近的邻居⾦星进⾏⽐较，更能体现出板块构造和碳循环 的重要性。⾦星和地球⼤⼩差不多，早期的⾦星上可能也有海洋和河 流。然⽽，由于⾦星与太阳的距离⽐地球近30%，这使得⾦星中的海 洋蒸发⼤量⽔蒸⽓进⼊⼤⽓层，导致热量积蓄，让⽓温进⼀步升⾼， 形成了⼀种危险的正反馈循环。在⼤⽓层顶部，⽔分⼦在太阳紫外线 辐射的作⽤下被分解成氢原⼦和氧原⼦，逸散到宇宙空间中。不仅如 此，⽓温的升⾼还导致⼆氧化碳从岩⽯中析出，现在⾦星⼤⽓中⼆氧 化碳浓度⾼达96%，其表⾯温度超过了⾦属铅的熔点，其表⾯⼤⽓压 强相当于地球上⼤约1000⽶深的海底的⼤⽓压强。 卡尔·萨根.宇宙[M].陈冬妮，译.⼴西：⼴西科学技术出版社，2016： 106. ⾦星⼤⽓中的⼆氧化碳总量与地球岩⽯中所固定的⼆氧化碳总量相 当，因此，⾦星失控的温室效应为我们敲响了警钟。美国⾏星科学家 卡尔·萨根（Carl Sagan）写道：“不可控温室效应很可能会出现，我 们必须认真对待，全球温度哪怕只提⾼⼀两摄⽒度，都会带来灾难性 的结果。” 关于温室效应，曾有⼀个谜团困扰了科学家很多年，它就是“黯淡太阳 悖论”。太阳模型显示，地球诞⽣之初，太阳的亮度只有现在的70%， 按道理说，地球应该⾮常寒冷才对。然⽽，根据地球上保存⾄今Y古 ⽼的岩⽯——锆⽯所提供的证据，早在44亿年前地球上就已经存在液 态⽔了。对此，Y好的解释是原始地球拥有很厚的⼤⽓层，且在⽕⼭ 活动的作⽤下含有⾼浓度的⼆氧化碳，其含量⾼达70%，⽽不是现在 的%。但仅靠这些似乎还不够。 2021年，位于德国哥廷根的⻢克斯·普朗克太阳系研究所的研究者勒内 ·海勒（René Heller）及其同事提出，地球诞⽣后不久曾遭到⼀个质量 接近⽕星的天体的撞击，⽉球便是由此诞⽣的。Y初，⽉球与地球的 距离可能只有现在的1/15，它在岩浆或液态海洋中引发了⾼达2千⽶的 潮汐。潮汐是天体之间由引⼒作⽤引发的拉扯和挤压。在第1章中提到 过，潮汐效应使⽊卫⼀成了太阳系中⽕⼭活动Y活跃的天体。在原始 地球上可能也产⽣了类似的潮汐热，潮汐热与温室效应叠加，才使得 地球逃过了被冰冻的命运。 尽管温室效应可能是地球在早期没有被冰冻的主要原因，但“黯淡太阳 悖论”对于⽕星来说是个更⼤的问题。⼤量证据表明⽕星表⾯曾存在液 态⽔，⽽在⽕星诞⽣后的前5亿年中，其表⾯甚⾄存在河流和海洋。问 题是⽕星与太阳的距离是地球的倍，这意味着它从太阳接受的热量 只有地球的⼀半。⽕星究竟是如何逃过被冰冻的命运的，⾄今依然是 ⼀个未解之谜。 第4章 太阳为什么是热的 因为它的质量⾮常⼤。 太阳是⼀块燃烧的⽯头，它⽐希腊要⼤⼀点。 ——阿那克萨哥拉（Anaxagoras），公元前434年 太阳之所以是热的，原因⾮常简单：因为它的质量⾮常⼤。就像⾃⾏ ⻋打⽓筒中的空⽓会因被压缩⽽变热⼀样，太阳中所有物质的庞⼤质 量挤压着其内核中的物质，所以太阳也就变热了。太阳的核⼼温度⾼ 达1500万摄⽒度，在如此⾼的温度下，所有物质都被分解为⼀种被称 为等离⼦体的状态。因此，虽然太阳是由⼤约1000亿亿亿吨氢和氦构 成的，但如果你把1000亿亿亿吨烤豌⾖罐头或是1000亿亿亿吨电视机 堆在⼀起，它们也能像太阳⼀样产⽣1500万摄⽒度的⾼温。 实际上这并⾮完全正确，太阳的组成物质对其温度会有微⼩的影响， 因为较重的原⼦拥有较多的电⼦，从⽽更有效地阻碍热量离开太阳， 这⼀效应被天⽂学家称为“不透明度”。 由于太阳的温度仅取决于其庞⼤的质量，因此即便完全不知道太阳的 能量来源是什么，我们也可以在探索太阳内部结构⽅⾯取得⼀些惊⼈ 的成果。 1920年，英国天体物理学家亚瑟·爱丁顿 （Arthur Eddington）就做到了。他提出，由于太阳是⼀个巨⼤的⽓ 体球，它既不膨胀也不收缩，因此在其内部任意位置上，向内的引⼒ ⼀定是与⾼温⽓体产⽣的向外的推⼒完全平衡的。他据此推测出太阳 内部各层的性质变化，从结果上说，他“看⻅”了太阳的内部结构。 但是太阳的质量只能解释为什么它在此时此刻是热的，⽽它每时每刻 都在向宇宙空间释放热量。太阳的温度没有因此⽽下降，这意味着有 什么东⻄在不断产⽣热量，其速率与太阳散失热量的速率⼀致。这个 问题⼀度令科学家感到困惑。天王星的发现者威廉·赫歇尔 （William Herschel）之⼦亨利·赫歇尔（Henry Herschel）写 道：“这个巨⼤的奥秘……是思考太阳这团巨⼤的⽕球是如何维持燃 烧的。化学上的每个发现都令我们愈发困惑，甚⾄让原本有可能的解 释也变得希望渺茫。” 在19世纪那个蒸汽时代，物理学家们都思考过太阳是不是⼀堆巨⼤的 煤炭。虽然没⼈能够解释煤炭燃烧所需的氧⽓是从哪⾥来的，但是他 们计算出，如果太阳的燃料是煤炭的话，它顶多只能燃烧5000年。当 时，⽆数地质学和⽣物学证据都表明，地球的年龄远不⽌5000年。今 天，通过测定陨⽯——地球的建造者从它诞⽣之初遗留到现在的碎 ⽯，我们得知地球的年龄约为亿年，由此便可推测出太阳的年龄 也是这个数量级，这差不多是煤炭太阳可维持燃烧时间的100万倍。 从另⼀个⻆度说，⽆论太阳的能量来源是什么，它的能量密度⼀定是 煤炭的100万倍。直到20世纪初，⼈们才发现了太阳的能量来源：核 能。 现在我们知道，太阳的能量来源是将最轻的元素氢原⼦的原⼦核聚合 成第⼆轻的元素氦，⽽这个核聚变过程的副产物就是太阳光。 质⼦含有两个上夸克和⼀个下夸克，中⼦含有⼀个上夸克和两个下夸 克。要将质⼦转化为中⼦，就需要将⼀个上夸克转化为下夸克。要实 现这⼀⽬标，上夸克需要释放⼀个正电⼦——电⼦的反粒⼦和⼀个电 中微⼦，这⼀过程由弱相互作⽤完成。 ⼀个氢原⼦核只含有⼀个质⼦，⽽⼀个氦原⼦核含有两个质⼦和两个 中⼦，因此，将氢聚变成氦的过程并不是⼀蹴⽽就的。在第⼀步中， 两个质⼦碰撞并结合。然⽽，只含有两个质⼦的原⼦核是不稳定的， 因此要完成这⼀步，其中⼀个质⼦必须变成中⼦。只有⼤⾃然 的“弱”核⼒才能完成这种神奇的转化，⽽这种⼒被称为弱⼒也是有原 因的。 在量⼦世界中，“弱”是“罕⻅”的同义词（参⻅第15章）。实 际上，在太阳内部，两个质⼦发⽣撞击，然后由弱⼒将其中⼀个质⼦ 变成中⼦，这个现象⼗分罕⻅，所有的质⼦都两两结合需要100亿年 才能完成（太阳的年龄约为50亿年，因此它已经消耗了差不多⼀半的 燃料）。 氢聚变为氦的第⼀步就如此难以完成，这意味着太阳产⽣热量的效率 很低。为了让你对这种低效有⼀个直观的认识，可以想象有⼀块和你 的胃⼤⼩和形状都相同的太阳核⼼，相⽐之下你的胃产热效率更⾼！ 你可能会问，既然太阳产热效率这么低，它为什么还能保持这么⾼的 温度呢？这是因为太阳并不只有这⼀⼩块，⽽是由⽆数个和你的胃⼀ 样⼤的⼩块堆叠⽽成的。 通过拖延氢聚变为氦的第⼀步的发⽣，弱⼒确保太阳需要100亿年才 能将其内核中的氢全部转化成氦。这是⼀件⾮常幸运的事，因为这为 像我们⼈类这样的复杂⽣命的演化提供了充⾜的时间。 实际上，在20世纪初，⼈们并不认为太阳的温度⾜以引发核聚变反 应。因为质⼦带正电，两个质⼦之间会产⽣强⼤的排斥⼒。要想让它 们⾜够接近并克服排斥⼒，通过核⼒结合在⼀起，它们就必须具有极 ⾼的速度，这和具有极⾼的温度是同⼀个意思。但是，计算表明，核 聚变反应所需的温度⾼达100亿摄⽒度，⽽爱丁顿所估算的太阳核⼼ 温度为1500万摄⽒度，两者相差约1000倍。 太阳是如何在理论值的1/1000的温度下维持其核聚变反应的呢？要解 释这⼀问题，需要借助量⼦理论。具体来说，和其他亚微观粒⼦⼀ 样，质⼦也具有波的性质（参⻅第7章）。我们可以将质⼦的排斥⼒ 想象成⼀堵墙，⽽另⼀个接近的质⼦没有⾜够的能量越过这堵墙，就 像让跳⾼运动员挑战5⽶⾼的横杆⼀样。这时轮到质⼦所具有的量⼦ 波动性质出⻢了。波在本质上是可以传播的，它可以穿过墙进⾏传 播，于是便存在⼀个很⼩的概率，使得质⼦可以⾃动跑到墙的另⼀ 侧。 这种效应被称为量⼦隧穿效应，即使太阳的温度只有核聚变反应所需 温度理论值的1/1000，在量⼦隧穿效应的帮助下，质⼦依然可以相互 靠近并结合。英国威尔⼠物理学家罗伯特·阿特⾦森 （Robert Atkinson）和德国物理学家弗⾥茨·豪特曼斯 （Fritz Houtermans）于1929年最早发现了这⼀点。豪特曼斯写 道：“那天晚上，我们写完论⽂之后，我和⼀位漂亮的姑娘出去散 步。夜幕降临，星星接连出现在天空中，闪闪发光。‘星光闪耀真是太 美了！’我身边的姑娘赞叹道。我挺起胸骄傲地说，‘就在昨天，我终 于明⽩星星为什么会闪耀了！’” 那天晚上，豪特曼斯⼀定和那位姑娘聊得很投缘，因为两年后那位姑 娘——夏洛特·⾥芬斯塔尔（Charlotte Riefenstahl）嫁给了他。准确 地说，她总共嫁给他两次，第⼆次是在1953年，此前的战争期间，他 们曾被强制分居。 太阳产⽣热量的速率和它向宇宙空间散失热量的速率正好相等，这仿 佛告诉我们它⾃带⼀个天然的恒温器。事实的确如此。如果产⽣的热 量太多，太阳的⽓体就会膨胀并冷却，使核反应速率下降；如果产⽣ 的热量太少，太阳的⽓体就会收缩并升温，使核反应速率上升。 在氦之后，如果聚变反应还能继续进⾏，那么这⼀元素合成过程的下 ⼀步就应该是让两个氦核聚变成铍-8。不过，铍-8的原⼦核是不稳定 的，所以下⼀个元素合成的步骤实际上是⼀个罕⻅的过程——3个氦 核同时结合到⼀起形成碳-12。这⼀反应也被称为“3α过程（triple- alpha process）”，因为氦核也被称为α粒⼦（alpha particles）。这 ⼀过程需要⼤约1亿摄⽒度的⾼温，只能在⽐太阳质量更⼤的恒星中才 能进⾏。 在质量最⼤的恒星中，合成元素的核反应可以⼀直进⾏到铁，铁的原 ⼦核含有的质⼦和中⼦数量加起来超过50个。此时，恒星不再产⽣热 量，⽽是像吸⾎⻤⼀样从内核吸收热量，导致内核失控坍缩以及灾难 性的超新星爆发。 恒星是了解元素合成的关键，⽽元素合成⼜是了解恒星的关键，因为 恒星发出的光正是元素合成的副产物。光在从恒星核⼼向外移动的过 程中会遇到很⼤的困难，因为恒星中物质的密度很⼤。光会受到从原 ⼦中脱离的⾃由电⼦的阻碍（等离⼦体实际上就是带电的⽓体，包括 带负电的电⼦以及失去电⼦后带正电的原⼦，也叫离⼦）。⼀般来 说，太阳中的光⼦每前进1厘⽶就会撞到电⼦⽽发⽣偏转，因此光⼦在 离开太阳的过程中只能像醉汉⼀样左摇右晃地前进。光⼦如果沿直线 前进，只需要2秒就能到达太阳表⾯，但光⼦实际的路径是弯弯曲曲 的，它们需要花费⼤约3万年才能到达太阳表⾯。因此，今天我们看 到的太阳光，其实是在上⼀个冰期中产⽣的！另外，当光⼦来到太阳 中温度较低的区域时，它们的能量会降低，尽管最终它们会变成我们 所看到的可⻅光，但其实它们⼀开始是能量极⾼的X射线。 太阳是⼀个⽓体球，没有固体表⾯，在天⽂学家的定义中，太阳表⾯ 就是光⼦结束缓⾏状态，开始在宇宙空间⾥畅通⽆阻地⻜⾏的那个界 ⾯，被称作光球层。当光⼦经过3万年的漫⻓旅程到达光球层后，只 需要再经过500秒就能到达地球。 毫⽆疑问，太阳是⼀个⽓体球，但如果它只是⼀个普通的⽓体球，那 将是相当⽆聊的。然⽽，有⼀样东⻄把太阳从⼀个可预测的、⽆聊的 ⽓体球，变成了⼀个不可预测的、翻腾的、爆炸性的⽓体球，为我们 带来⽆尽惊叹的极端物理实验室，这个东⻄就是磁场。 磁场是由运动的电荷产⽣的。在⼀块普通的条形磁铁中，原⼦中电⼦ 的运动产⽣了磁场，原⼦本身则是原地不动的。但太阳并不是⼀团普 通的⽓体，⽽是等离⼦体。在太阳等离⼦体中，产⽣磁场的电荷—— 电⼦，是可以⾃由运动的，这种运动会改变磁场，磁场的改变⼜会影 响电荷的运动，继⽽⼜会影响磁场，如此往复……从⿊⼦的磁涡旋到 太阳耀斑爆发，众多太阳磁现象都源于这种⾼温等离⼦体和磁场之间 的复杂相互作⽤。 实际上，还有⼀个因素在影响太阳磁场。太阳不是⼀个刚体，因此其 表⾯和内部的⾃转⻆速度不同，甚⾄其表⾯上不同纬度的⾃转⻆速度 也不同。于是，太阳的磁场⼀直处于扭曲的状态，像橡⽪筋⼀样积蓄 着能量。 当磁环穿过太阳表⾯时，我们就看到了⼀个⿊⼦。⿊⼦⼏乎总是成对 出现，因为磁环会从太阳的⼀处穿出表⾯，⼜从另⼀处穿⼊，所以当 磁⼒线⾮常扭曲时，就会断开，然后与其他磁⼒线发⽣“重联”，此时 所释放的能量可以将上百万摄⽒度的⾼温等离⼦体掀起数万千⽶⾼， 形成太阳耀斑。太阳甚⾄还会喷出时速⾼达⼏百万千⽶的飓⻛——太 阳⻛，太阳⻛带着太阳的磁场吹到太阳系的各个⻆落。从某种意义上 说，地球其实是在太阳的⼤⽓层内部公转的，⽽太阳的⼤⽓层⼀直延 伸到远超太阳系最外侧⾏星的地⽅，在这⾥，太阳⻛与星际物质发⽣ 猛烈的冲撞，就像铲雪⻋冲进漫天⻜雪⼀般。2012年8⽉25⽇，美国 航空航天局（NASA）于1977年发射的旅⾏者1号空间探测器探测到显 著增强的宇宙射线，即来⾃银河系的⾼能粒⼦流，这意味着它成了史 上第⼀个离开太阳⼤⽓层进⼊星际空间的⼈造⻜⾏器。 了解太阳并不只是⼀种学术研究活动，搞清楚我们身边这颗恒星所产 ⽣的“空间天⽓”，关系到我们地球⼈类的⽣死存亡。通过对其他类太 阳恒星的研究，⼈们发现它们可以爆发超级耀斑，尽管⼗分罕⻅，却 ⾜以摧毁地球这样的⾏星。此外，⼀个更值得担忧的问题是⽇冕物质 抛射（CME），更准确的叫法应该是⽇冕磁爆发。CME于20世纪70 年代才被发现，巨量的太阳等离⼦体和磁场像导弹⼀样被抛射到宇宙 空间中，想象⼀下质量⼏乎相当于珠穆朗玛峰的物体，以⺠航客机⻜ ⾏速度500倍的速度被抛进太空的情形。 邱园，即英国皇家植物园，位于伦敦西南部，始建于1759年。——译 者注 史上有记录的最强烈的太阳活动，是发⽣于1859年9⽉1⽇的卡林顿事 件，它就是⼀次CME。英国天⽂学家理查德·卡林顿 （Richard Carrington）在伦敦南部观测到⼀次太阳耀斑，与此同 时，位于邱园 的磁⼒计发⽣了“爆表”。卡林顿事件永久改变了⼈们 对太阳的看法。在1859年9⽉1⽇之前，⼈们认为这颗恒星对地球的影 响仅限于引⼒和太阳光带来的热效应。⾃此之后，⼈们发现太阳表⾯ 的剧烈翻腾能够向地球发射磁⼒炮弹，造成灾难性的后果。在卡林顿 事件中，全世界的电报收发员都遭遇了触电，明亮的⾎红⾊极光照亮 了低纬度地区的夜空，⼈们甚⾄可以在夜⾥看报纸。 尽管在1859年，我们尚且落后的科技已经能够探测到CME的发⽣，但 当时的世界对科技的依赖程度并不⾼，因此CME并未造成严重的损 害。然⽽，今天情况却完全不同了。磁场变化可以在电⽹中产⽣强⼤ 的感应电流，⾜以烧毁各种设备。这种电磁感应现象也是造成1859年 电报收发员集体触电以及1989年加拿⼤魁北克省⼤停电的罪魁祸⾸。 但今天真正受到威胁的是地球周围不计其数的⼈造卫星，我们的⽣活 已经完全离不开它们。其中⻛险最⼤的是通信卫星、⽓象卫星以及全 球定位卫星（它们不仅能够帮助我们定位，同时也在全球⾦融交易中 扮演着关键性⻆⾊）。⼀些富裕的国家已经开始强化基础设施以应对 CME的威胁。⽆论如何，我们应该清醒地认识到，这颗赐予我们⽣命 的太阳，也完全有可能在眨眼之间让我们重回没有电⼒的时代。 第5章 热⼒学第⼆定律 让东⻄⽆序的⽅式总⽐让东⻄有序的⽅式多得多，如果每种⽅式概率 均等，那么世界⼀定会从有序逐渐变为⽆序。 让猫从包⾥出来⽐把它放回包⾥可要容易多了。 ——威尔·罗杰斯（Will Rogers） 热⼒学第⼆定律能够解释为什么城堡只能坍塌不能⾃⾏复原，为什么 鸡蛋只能打碎不能⾃⾏拼合以及为什么⼈只能⻓⼤⽽不能变年轻。你 可能会说，这些问题根本不需要解释，因为它们都是理所当然的事 情。不过，对物理学家来说，没有什么事是理所当然的。实际上，在 19世纪末之前，完全没有⼈能解释这些问题。 令⼈迷惑的地⽅在于，⽀配世界运⾏的物理学基本定律同时允许⼀个 过程正向和反向发⽣。以引⼒定律为例，如果给你看⼀段卫星围绕⾏ 星公转的视频以及这段视频倒序播放的版本，你怎么知道哪个版本反 映的是现实呢？引⼒定律可以让卫星沿⼀个⽅向公转，也可以让卫星 沿相反的⽅向公转，两者是同等合理的。相对地，如果给你看⼀段花 瓶摔成碎⽚的视频以及⼀段碎⽚⻜起来重新组成完整花瓶的视频，显 然你知道前者反映的是现实⽽后者不是。但为什么会这样呢？⽀配卫 星运动的定律在时间上是对称的，⽽花瓶是由原⼦组成的，那么⽀配 原⼦运动的定律在时间上怎么就不是对称的了呢？ 显然，在组成花瓶的原⼦尺度以及花瓶的尺度之间，⼀定发⽣了某件 事，⽽且这件事在时间上⼀定是单向的。幸运的是，我们并不需要深 ⼊原⼦的尺度去寻找答案。 想象⼀个摔碎的花瓶。它可以碎成1块⼤的和10块⼩的，也可以碎成2 块⼤的和5块⼩的，还可以碎成100块很⼩的。实际上，花瓶破碎所可 能形成的情况有很多种。现在想象⼀个完整的花瓶，它有⼀种且只能 有⼀种情况能保持完整。因此，如果所有这些情况发⽣的概率均等， 那么花瓶⼏乎只能从完整变成破碎，因为花瓶破碎的⽅式相⽐保持完 整的⽅式来说实在是压倒性的多。 本章开头所提到的⼏个例⼦，如城堡坍塌、鸡蛋打碎、年龄增⻓，它 们都有⼀个共同点，都是从有序状态向⽆序的状态发⽣变化。这些变 化之所以会发⽣，是因为所有事物变⽆序的⽅式⽐变有序的⽅式要多 得多。 出⾃斯诺于1959年在剑桥⼤学发表的关于“两种⽂化”的演讲，原⽂ 是：“有⼀两次，我问他们有多少⼈能形容⼀下‘热⼒学第⼆定律’。反 应是冷淡的，也是消极的，⽽这只不过是⼀个相当于问科学家‘你读过 莎⼠⽐亚的作品吗’的问题”。——译者注 ⽆序总是在增加，或者说，⾄少⽆序永远不会减少，于是便得到了热 ⼒学第⼆定律。物理学家和⼩说家C·P.斯诺（）说：“不知 道热⼒学第⼆定律如同从未读过莎⼠⽐亚的作品。” 实际上，物理学家使⽤⼀个专⻔的术语来称呼⽆序。他们将⽆序称为 熵，它指的是与⼀个宏观状态（在花瓶的例⼦中，就是其保持完整的 状态）相对应的所有微观状态数量的总和，即它能变得破碎的所有情 况的数量。确切地说，热⼒学第⼆定律指出：“熵永远不会减少。”这 ⼀定律的严格数学公式被镌刻在19世纪奥地利物理学家路德维希·玻尔 兹曼（Ludwig Boltzmann）的墓碑上，他于1906年不幸⾃杀⽽亡， 可能是由于他因相信原⼦的存在⽽遭受了嘲讽。 A·S.爱丁顿.科学思想的变化与哲学的关系：物理世界的本质[M].张建 ⽂，译.北京：中国⼤地出版社，2016：81. 热⼒学第⼆定律在物理学中占据核⼼地位且⾮常重要，任何理论如果 与之冲突，都会遭到严重质疑。英国物理学家亚瑟·爱丁顿说：“我 想，熵增原理——热⼒学第⼆定律在‘⾃然’法则中具有⾄⾼⽆上的位 置……若发现你的宇宙理论与热⼒学第⼆定律相反，那我觉得你就没 有希望了，没有什么好说的，只有耻辱地倒下去。” 热⼒学第⼆定律具有和其他物理定律不太⼀样的特性，因为它并不是 ⼀条在任何情况下都不会失效的铁律，⽽是⼀条在绝⼤多数情况下成 ⽴的定律。不过，这⾥的“绝⼤多数情况”已经⾮常接近“所有情 况”了，因此与爱丁顿的说法并不⽭盾。花瓶碎⽚弹起来重新组成⼀ 个完整的花瓶，这种事并不是完全不可能发⽣，只是极其不可能发⽣ ⽽已。要看到这样的情况发⽣，你可能需要耐⼼等上相当于宇宙年龄 好多倍的漫⻓时间。 但是，如果⽆序总是在增加，为什么我们所⽣活的世界看起来却是有 序的呢？尤其是⽣命，它们似乎成功逆转了熵增的趋势。我们周围充 满了各种⾼度有序的系统，如细菌、树⽊和⼈类。那么⽣物是如何对 抗熵增的呢？答案在于，热⼒学第⼆定律只规定熵在总体上是增加 的，但并没有规定熵不能在某个局部环境中减少。 彼得·阿特⾦斯.宇宙运⾏四法则[M].马学虎，译.辽宁：⼤连理⼯⼤学 出版社，2012：39-40. 要理解这⼀点，我们需要先了解⼀下由19世纪的物理学家⾸先发现的 ⼀个结论。⽜津⼤学的彼得·阿特⾦斯（Peter Atkins）说：“我们所 有的⾏为，从思想领悟到艺术创作，从内⼼来讲都制约于蒸汽机的原 理。” 在蒸汽机中，⾼温蒸汽推动活塞（容器中⼀堵可移动的墙）做 功，并转变成低温的⽔。 具体来说，它是这样⼯作的。热是微观尺度下的随机运动，⽽温度是 反映分⼦平均动能的指标。在⾼温蒸汽中，⾼速运动的⽔分⼦撞击活 塞，这⽆数次撞击产⽣的整体效果就推动了活塞。（另外，并⾮所有 ⽔分⼦都是朝向活塞运动的，因此蒸汽机的效率不可能达到100%， 即不可能将蒸汽中的所有热能都转化成活塞的动能。）推动活塞会消 耗⽔分⼦的部分能量，使⽔蒸⽓冷却。通常情况下，当⽔蒸⽓被释放 到环境中时，它会逐渐冷却到与环境⽓温相同的温度。 现在假设让温度为T的⽓体分⼦增加Q的热量，则其熵增加了Q/T。这 个结论看起来有点⼉匪夷所思，但实际上⾮常符合直觉。让低温⽓体 增加热量就像在安静的图书馆⾥打鼾，这会产⽣⾮常明显的效果，即 带来较⼤的熵增。但让⾼温⽓体增加同样多的热量就像在喧闹的⽕⻋ 站⼤厅⾥打鼾，根本就没⼈会注意到，即带来较⼩的熵增。 回到蒸汽机的话题。推动活塞使得⾼温蒸汽的热量减少，也让熵⼩幅 减少。同时，同样多的热量被释放到周围环境中，这使得周围环境的 熵⼤幅增加。于是，我们以宇宙整体上较⼤幅度的熵增为代价，换来 了局部较⼩幅度的熵减。 地球⽣物圈是⼀个有序的岛屿，但是其周围的环境需要为这种有序付 出代价。简⾔之，⽣命在将⽆序排放到宇宙中。 实际上地球的温度确实有少许上升，这是因为地表辐射的热量会被⼤ ⽓层中的⽔蒸⽓、⼆氧化碳等“温室⽓体”吸收并积蓄起来。 绝对零度是指所有微观运动完全静⽌时所对应的温度，相当于 摄⽒度，也记作0开尔⽂。 从根本上说，宇宙就是⼀台巨⼤的蒸汽机，驱动地球以及整个宇宙中 ⼀切活动的，是⾼温的恒星与低温的宇宙空间之间的温度差（⻅图5- 1）。实际上，地球向宇宙空间辐射的热量与其从太阳吸收的热量相 等，否则地球⼀定会变得越来越热。 太阳光的光⼦以⽐绝对零度⾼ 6000摄⽒度的温度（相当于太阳表⾯温度）到达地球，⽽地球辐射出 的光⼦温度⽐绝对零度⾼300摄⽒度（相当于室温）。 光⼦的能量 与其温度成正⽐，这意味着地球每从太阳接收1个光⼦，就要释放出 6000/300=20个光⼦。显然，同样多的能量分散到20个光⼦中，⽐ 聚集在1个光⼦中更加⽆序，因此这可以量化地显示，地球上各种过程 所做的功是如何让宇宙的熵增加的。 图5-1 宇宙蒸汽机 说明：宇宙中的⼀切活动或者说做功，都是由⾼温的恒星和低温的宇 宙空间之间的温度差所驱动的。 此处的“质量”指的是“品质（quality）”，⽽不是物理学上表达类似“重 量”概念的“质量（mass）”。——译者注 由于地球向宇宙辐射的能量与其从太阳吸收的能量相等，因此驱动地 球上⼀切活动的并不是来⾃太阳能量的“数量”，⽽是能量的“质量” 。来⾃太阳的光⼦温度⾼，意味着它们的能量质量较好，可以驱动各 种⽣物过程，例如植物利⽤光合作⽤将⽔和⼆氧化碳转化为葡萄糖。 这样的⽣物过程会降低热量的质量，最终变成质量较差的低级热量辐 射到宇宙中，这样的能量⽆法再驱动任何有⽤的活动。 出⾃艾略特于1925年所作的诗歌《空⼼⼈》的最后⼀句。 恒星最终会将所有热量辐射到宇宙空间中，使得宇宙各处的温度趋于 平均。没有温差这⼀驱动蒸汽机的核⼼要素，宇宙就不能继续做功， ⼀切活动将陷⼊停滞。宇宙这台巨⼤的机器停⽌⼯作，这种状态被称 为“宇宙热寂”。⽤诗⼈.艾略特（）的话来说，世界的终 结将“不是嘭的⼀响，⽽是嘘的⼀声”。 但为什么如今宇宙正在变得越来越⽆序呢？答案显⽽易⻅，因为它在 过去是更加有序的。我们所在的宇宙诞⽣于⼀次⼤爆炸，这意味着⼤ 爆炸必然是⼀个有序的、低熵的状态。这个结论对于物理学家来说是 不适的，因为有序的状态是⼀种特殊的状态，物理学家不喜欢接受宇 宙中存在某种特例，相对地，他们更希望这种状态是由物理学定律所 导出的⾃然结果。⽆论如何，宇宙起始于⼀个低熵状态，这⼀问题需 要给出解释，但⽬前⼈们还没能给出这⼀解释。 因此，城堡坍塌、花瓶破碎、年龄增⻓，产⽣这些现象的根本原因是 宇宙⾃从⼤爆炸之后就在不断膨胀。远在天边的事情竟然与近在眼前 的⽇常存在某种联系，还有⽐这更令⼈震惊的吗？你放在桌上的咖啡 会变冷，竟是因为最遥远的星系正在离我们远去！ 但是，这⾥存在⼀种不可避免的结果。如果在将来，宇宙膨胀到达极 限，然后开始进⼊相反的过程⽽向内收缩，即“⼤坍缩”，这个过程就 像是“⼤爆炸”的镜像，⽽时间的⽅向也会逆转。坍塌的城堡会重新耸 ⽴起来，破碎的花瓶会重新拼合完整，所有⽣物都会返⽼还童！任何 智慧⽣命观察宇宙的思维过程也会逆转，正所谓双重否定就是肯定 ——如果现在不是不下⾬，那么就是在下⾬。坍缩宇宙中逆向发⽣的 现象，看起来和我们所处的膨胀宇宙中正向发⽣的现象是⼀模⼀样 的。⼤爆炸和⼤坍缩是完美对称的，正如我们所知，尽管我们认为宇 宙正在膨胀，但此时此刻我们也许正处在⼀个⼤坍缩的宇宙中也说不 定呢！ 或许我应该引⽤德国物理学家阿诺德·索末菲（Arnold Sommerfeld） 的⼀段话来作为本章的结尾：“热⼒学是个有趣的东⻄。你第⼀次看 过之后，会觉得完全不懂。第⼆次看过之后，会觉得基本懂了，只有 ⼀两处不懂。第三次看过之后，你知道你确实不懂，但那时你已经习 惯了，懂不懂对你已经⽆所谓了。” 第6章 板块构造 地壳并不是完整的⼀块，⽽是由破碎的板块拼接⽽成的，升腾的岩浆 推动这些板块相互挤压碰撞。 为什么⽇本频发地震和海啸？是上天的愤怒引发的吗？不，那是地壳 的板块构造运动和碰撞的结果。板块构造运动是地球调节内部温度的 机制，没有引发地震的板块运动，我们的星球也不可能存在⽣命。 ——亚当·汉密尔顿（Adam Hamilton） 曾⼏何时，地质学家们认为地球表⾯只会上下运动以形成⼭脉等地 形，后来他们发现原来地表还会横向运动。地球表⾯其实是由不同⼤ ⼩的板块构成的，这些板块会缓慢地滑动、碰撞，或是⼀个板块俯冲 到另⼀个板块的下⽅。这种板块构造学说，直到半个多世纪之前还被 认为是⼀种彻头彻尾的异端。 1912年，德国⽓候学家阿尔弗雷德·魏格纳（Alfred Wegener）⾸先对 地壳的情况有所察觉。早在1620年，英国政治家和哲学家弗朗⻄斯·培 根（Francis Bacon）就注意到，从当时还不太准确的世界地图上看， ⾮洲的⻄海岸线与南美洲的东海岸线形状惊⼈地相似。培根及其他⼈ 对于这种相似性只是停留在好奇的层⾯，并未进⾏深⼊的研究，但魏 格纳不⼀样，他发现不仅这两个⼤陆沿岸的岩⽯是相同的，⽽且连化 ⽯也是相同的。他由此得出结论，⾮洲⼤陆和南美洲⼤陆曾经是连在 ⼀起的，就像两块巨⼤的拼图，后来它们才彼此分离，越漂越远。 这句话是玻尔对奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）说 的，当时泡利在哥伦⽐亚⼤学发表了⼀场关于海森堡-泡利基本粒⼦⾮ 线性场理论的演讲，演讲结束后玻尔对他说了这句话。［‘Innovation in Physics’ by Freeman Dyson （Scientific American, , , , September 1958）］ 魏格纳的“⼤陆漂移”理论在当时完全没有得到重视，每次他提起这⼀ 理论都会遭到冷遇。雪上加霜的是，他⽆法提出⼤陆移动的合理机 制，也⽆法解释⾮洲⼤陆和南美洲⼤陆是如何跨越数千千⽶的海床到 达现在的位置的。丹⻨物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）曾说 过：“你的理论是疯狂的，但它是不是⾜够疯狂以⾄于成为真理呢？” 后来⼈们发现，魏格纳的理论确实疯狂到成了真理。不幸的是，他于 1930年去世，数⼗年后⼈们才发现了确凿的证据证明他的理论是正确 的。 第⼀条跨⼤西洋电报电缆是由伊桑巴德·⾦德姆·布鲁内尔（Isambard Kingdom Brunel）的蒸汽船⼤东⽅号（SS Great Eastern）于1866年铺设 的。 19世纪，⼈们在铺设欧洲和美国之间的跨⼤⻄洋海底电报电缆时，在 ⼤⻄洋中部发现了⼀条奇怪的⼭脊。 20世纪60年代，美国海军的声 呐探测显示它不是⼀条普通的⼭脊，⽽是⼀座纵贯⼤⻄洋的巨⼤⼭ 脉，北起冰岛，南⾄⻢尔维纳斯群岛，绵延1万千⽶。 通过测量海床岩⽯的磁场，⼈们发现了隐藏在这座纵贯⼤⻄洋的海底 ⼭脉之下的线索。这些岩⽯是由远古⽕⼭喷出的岩浆凝固形成的，但 在其凝固之前，组成岩⽯的原⼦会在地球南北⽅向的磁场作⽤下排 列，凝固之后，远古磁场的⽅向也随之在岩⽯上永久固定下来。 这些固化的磁场形成了⼀种特殊的图案，在⼤⻄洋中脊的两侧呈现出 对称的磁条带，即岩⽯先按⼀个⽅向磁化，然后按相反的⽅向反向磁 化，周⽽复始（⻅图6-1）。 图6-1 磁条带 说明：当板块相互分离时，岩浆会从板块之间的裂缝涌出，凝固之后 形成的新地壳会被地球磁场磁化，其磁极⽅向与地球磁场⼀致。由于 地球磁场的⽅向会发⽣周期性反转，因此新⽣成的岩⽯的磁极⽅向也 会跟着反转。 这种“磁极反转”的证据在陆地上也被发现过，对这⼀现象的解释是， 地球磁场（与条形磁铁相似）的⽅向会发⽣周期性的反转：北磁极变 成南磁极，南磁极变成北磁极。地磁极反转的成因尚不完全清楚，但 关键在于，当⽕⼭喷出的岩浆凝固时，它会按照当时的地磁场⽅向被 磁化。于是，海床上的磁条带就成了⼀条强有⼒的线索，因为根据地 质学家的测定，越接近⼤⻄洋中脊的岩⽯越年轻，越远离⼤⻄洋中脊 的岩⽯越古⽼，对这⼀现象的唯⼀解释就是⼤⻄洋中脊正在制造地 壳。 ⼤约亿年前，当恐⻰还是地球霸主时，南美洲⼤陆和⾮洲⼤陆是连 在⼀起的。后来地壳发⽣断裂，岩浆涌出，海⽔灌⼊裂缝。年复⼀ 年，地壳的裂缝处不断涌出岩浆，制造出更多的地壳，缓慢⽽持久地 推动两块⼤陆进⼀步分离。今天在埃塞俄⽐亚的阿法尔地区正在发⽣ 同样的事情，在那⾥，三块地壳板块相互拉扯，⼀⽚新的海洋正在诞 ⽣，将来它的⼤⼩可能会与⼤⻄洋不相上下。 与魏格纳的想象不同，南美洲⼤陆和⾮洲⼤陆并不需要跨越数千千⽶ 的海床以到达现在它们所在的位置，因为最初那⽚海床根本不存在， 它是在两块⼤陆之间⽣成的，并且随着它不断⽣⻓，两块⼤陆也被它 越推越远。实际上，⼤⻄洋中脊每年会喷出⼤约5⽴⽅千⽶的岩浆—— 相当于美国华盛顿州圣海伦⽕⼭在1980年的灾难性⼤喷发中喷出的 ⽴⽅千⽶熔岩的20倍。“⼤洋中脊”是⼀座座地壳制造⼯⼚，它们 在全球每年会制造出⼤约30⽴⽅千⽶的新地壳。 地球是⼀个固定⼤⼩的球，因此它不可能凭空制造出更多的地壳。要 理解其中的机制，我们需要知道地球的板块是漂浮在地幔上的，地幔 是⾼温、⾼密度的地球内部物质。板块上⾯可以承载陆壳或洋壳或者 同时承载两者。尽管魏格纳关于地壳漂移的主张是正确的，但其错误 之处在于，他认为只有⼤陆才会漂移。 由⽕⼭岩构成的洋壳⽐由花岗岩构成的陆壳更重，于是在熔融的地幔 中，陆壳漂浮的⾼度⽐洋壳更⾼。这解释了⼀个我们认为理所当然的 事实：为什么海床⼜低⼜潮湿，⽽⼤陆⼜⾼⼜⼲燥。按照地质学家的 说法，陆壳是地球的“浮渣”。 ⼤洋中脊不断制造地壳，推动板块相互挤压。当两个陆壳板块碰撞 时，由于陆壳重量轻，它们就会隆起形成⼭脉，喜⻢拉雅⼭脉就是这 样形成的。但是，对于不断增加的地壳物质来说，隆起只是暂时性的 权宜之计，在某个地⽅，旧的地壳必须被销毁。这种情况发⽣在洋壳 板块与陆壳板块碰撞的地⽅，例如南美洲的⻄海岸。 因为洋壳⽐陆壳更重，所以它便会俯冲到陆壳板块下⽅进⼊地幔。同 时，海⽔、⻉壳以及其他⼀些海洋中的碎屑也会⼀起进⼊地幔，这降 低了上⽅陆壳的熔点，导致⽕⼭喷发，例如贯穿智利的安第斯⼭脉就 是这样的⽕⼭。当洋壳沉⼊地幔时，它会与其上⽅的陆壳产⽣持续的 摩擦，这种摩擦会造成强烈的地震，例如灾难性的2010年智利⼤地 震。 不过，板块并不只是在⼤洋中脊被制造出来，在挤压下沉中被销毁， 板块之间还会发⽣滑动移位，位于美国加利福尼亚州的圣安德烈亚斯 断层就属于这种情况。在那⾥，太平洋板块擦过北美洲板块，导致洛 杉矶和旧⾦⼭之间的距离以每年5厘⽶的速度在缩⼩。板块构造学说能 够解释我们在地球上所⻅到的⼤部分现象，地质学失去了板块构造学 说，就像⽣物学失去了达尔⽂的⾃然选择演化学说⼀样，其意义会⼤ 打折扣。 魏格纳在⼀次格陵兰实地考察过程中去世，年仅50岁。他穷其⼀⽣也 未能参透驱动地壳运动的⼒量到底是什么，其实答案就是试图从地球 内部逃出来的热量。即使在诞⽣亿年后的现在，地球依然保存着 其诞⽣时的熔融状态所留下的部分热量。此外，岩⽯中的铀、钍、钚 等放射性元素的衰变也会产⽣热量。这些因素的共同作⽤使得地球内 部保持液态，⾮常黏稠，⽽且就像在锅⾥烧⽔⼀样，地球内部的液体 也会翻腾，较轻的液体上升冷却，较重的液体则下沉。正是地幔中的 这种液体循环，使得“魏格纳的拼图”处在持续的变化之中。 持续的板块运动不仅重塑了地表的形态，同时也在让地球变得适宜⽣ 存⽅⾯扮演着关键性的⻆⾊。⼆氧化碳是⼀种强⼒的温室⽓体，它能 够将热量积蓄在⼤⽓层中（参⻅第3章）。⽕⼭将⼆氧化碳源源不断地 送⼊⼤⽓层，然后被海洋吸收并⽤来制造海洋⽣物的碳酸盐外壳。当 这些海洋⽣物死后，它们的壳会留在海床上，并随着海洋板块沉⼊⼤ 陆板块下⽅的过程⼀起进⼊地幔。如此，这条板块传送带得以有效地 防⽌⼤⽓中的⼆氧化碳浓度上升到危险⽔平。 如果没有板块构造运动持续去除⼤⽓中的⼆氧化碳，地球的结果就会 像发⽣在⾦星上的⼀样。随着⽕⼭喷出的⼆氧化碳浓度持续累积，⾦ 星⼤⽓中的⼆氧化碳浓度已⾼达%，⼤约是地球的100倍，⽽其表 ⾯温度之⾼⾜以熔化⾦属铅。位于美国加利福尼亚州⼭景城的搜索地 外⽂明计划（SETI）研究所的天⽂学家赛思·肖斯塔克 （Seth Shostak）说：“⽬前不存在板块构造运动的⾏星⼏乎都不适合 ⽣存，如⾦星和⽕星。板块构造可能是任何星球诞⽣多样⽣命形式的 前提条件。” 地球板块沉⼊地幔的过程似乎永远都⽆法被观察到，但我们可以利⽤ 地震时地球内部产⽣的地震波，在计算机的辅助下⽣成地球内部的X射 线图像。这种地震层析成像可以显示出在地幔包裹下的地壳表⽪。⽐ 地幔更深的地⽅是地核，它包括液态铁构成的外核和固态铁构成的内 核。令⼈感到惊奇的是，地震层析成像显示板块会以⼀整块的形式下 沉到地核，这⾮常出乎意料。我们本来以为板块会熔化，但实际上完 整的板块能够在外核外⾯堆积起来。 如果地核确实是⼀座板块的坟场，那么另⼀个现象也可以因此得到解 释，即从地核升腾⽽起的⾼温地幔柱，它们像喷灯⼀样灼烧着板块底 部。在夏威夷群岛下⾯就有这样⼀个喷灯，实际上，夏威夷的每座岛 屿都是⼀座⽕⼭，它们就是在板块漂过这个喷灯的过程中诞⽣的。地 核的温度⾼达5000摄⽒度，与太阳表⾯温度相当。可能正是因为外核 外⾯的板块坟场使得地核的热量只能从堆叠的板块缝隙中涌出，从⽽ 形成了地幔柱。 地震层析成像还发现在地幔中存在两团和⼤陆⼀样⼤的物质，位于我 们脚下2000千⽶的深处，正处于地核的上⽅。它们⽐周围物质的温度 或密度更⾼，因此能够在成像中凸显出来。地质学家不清楚它们是如 何到达那⾥的，但有⼀种猜测认为它们是忒亚（Theia）的残骸，即假 说中曾经撞击地球的⼀个和⽕星⼤⼩相当的天体，它的撞击将地幔喷 溅到宇宙空间中，最终形成了⽉球。⼀般认为这⼀撞击事件发⽣在地 球诞⽣后不久，也就是说这个化⽯般的残骸应该已经完整保存了45亿 年之久，这听起来有点⼉匪夷所思。 关于板块构造运动的⼀个关键问题在于，它是何时开始的？根据最新 的证据，它可能开始于⾄少32亿年前。因为从那个时候起，板块构造 运动持续地填埋⼤⽓中的温室⽓体，这⼀过程可能对数⼗亿年间地球 ⽓候的稳定起着⾄关重要的作⽤。⽣命最早诞⽣于38亿年前，板块构 造运动可能在⽣命的演化过程中扮演了重要的⻆⾊。 没⼈知道板块构造运动是如何开始的，但它不太可能是在陨⽯撞碎地 壳这种突发事件的影响下开始的，⽽更可能是由于地球冷却导致地球 内部逐渐收缩⽽引发的。地球的原始板块构造可能经过了数亿年的时 间才变成我们如今所看到的样⼦。 第7章 量⼦理论 粒⼦可以表现出波的性质，波也可以表现出粒⼦的性质。 每周⼀、周三、周五我们讲波动理论，周⼆、周四、周六我们讲粒⼦ 理论。 ——威廉·布拉格（William Bragg） 19世纪初，当物理学家们刚刚开始探索原⼦及其组成的时候，他们发 现了⼀些难以置信的现象。构成世界的基本单位——原⼦、电⼦、光 ⼦等竟然会表现出两种截然相反的性质。它们可以表现得像粒⼦，就 像微缩的台球；也可以表现得像波，就像池塘⽔⾯上扩散的涟漪。 不要去纠结⼀个局部的粒⼦是怎样像波⼀样传播出去的，真相是构成 世界的基本单位既不是粒⼦也不是波，⽽是⼀种在我们的词汇中不存 在，也⽆法⽤⽇常⽣活中的任何东⻄进⾏类⽐的概念。也许这并不值 得⼤惊⼩怪，毕竟原⼦那么⼩，1000万个原⼦排起来也就只有这句话 结尾处的句号那么宽，⽀配如此细微尺度的定律和⽀配我们⽇常世界 的定律不⼀样，这也很正常吧。 波动⼒学——它更⼴为⼈知的叫法是“量⼦理论”，取得了异乎寻常的 成功，它让激光、计算机和核反应堆成了现实，也解释了为什么我们 脚下的⼤地如此坚固以及为什么太阳会发光发热。量⼦理论不仅为我 们提供了⼀种理解和构建事物的⽅式，同时也为我们打开了⼀扇窗， 通向隐藏在现实背后的那个反直觉的、像爱丽丝仙境⼀般的世界。在 那个世界中，⼀个原⼦可以同时存在于两个地⽅，相当于你可以同时 身处伦敦和悉尼；在那个世界中，事情可以毫⽆原因地发⽣；在那个 世界中，两个原⼦即便处于宇宙的两端，也可以瞬时产⽣相互影响。 所有这些奇怪的现象都是因为构成世界的基本单位同时具有粒⼦和波 的性质，⽽且它是双向的：不仅波可以表现出粒⼦的性质，粒⼦也可 以表现出波的性质。⾸先，让我们来看⼀看如果波表现出粒⼦的性质 会产⽣怎样的结果。 1801年，英国物理学家和博学家托⻢斯·杨（Thomas Young）设计了 ⼀个巧妙的“双缝实验”，并以此揭示了光是⼀种波。此前⼈们⼀直没 有注意到光具有波的性质，因为光的波⻓（从上到下，再从下到上振 荡⼀个周期所⾛过的距离）只有千分之⼀毫⽶，⽐⼀根头发丝的宽度 还要⼩很多。但是，光除了可以表现出波的性质之外，还可以表现出 ⼀串光⼦的性质。1923年，美国物理学家亚瑟·康普顿 （Arthur Compton）发现了“康普顿效应”。他⽤⾼能光束（γ射线） 轰击电⼦，发现电⼦被击退了，就像被⼀串微⼩的⼦弹击中的结果⼀ 样。 光竟然是⼀串光⼦，这可以说是科学史上最令⼈震惊的发现之⼀。当 你透过玻璃往外看时，你在看到窗外景⾊的同时，也会看到⾃⼰的脸 在玻璃上反射出的淡影，就好像另⼀个⾃⼰在盯着你看。玻璃中之所 以会出现“⻤影”，是因为它并不是⼀个完全透明的介质，虽然⼤部分 光能够穿过玻璃，但依然有⼀部分被反射了回来。如果光是⼀种波， 那么这种常⻅的现象便很容易理解了。假设有⼀艘快艇驶过⽔⾯激起 了⼀串⽔波，⽔波碰到了漂浮在⽔⾯上的⼀块⽊头，此时⼤部分波会 继续前进，另外⼀部分则被反弹回来。但是，当把光看成波时很容易 解释的现象，把它看成⼀串光⼦时却根本⽆法理解了。毕竟，如果每 个光⼦都是相同的，那么它们所受到的影响也应该是相同的——要么 全部穿过玻璃，要么全部反射回来。但如果事实是⼀部分穿过玻璃， ⼀部分反射回来，那么唯⼀的解释就是每个光⼦都有⼀定概率穿过玻 璃或者被反射回来。换⾔之，我们⽆法知道某个特定的光⼦会⾛哪条 路，这完全是⽆法预测的。 不仅是光⼦，原⼦、电⼦等整个亚微观世界的所有粒⼦都是这样的。 令⼈震惊的是，宇宙的最底层也充满着随机性。我们能够知道⼀颗⾏ 星在空间中的运动轨迹，却⽆法知道某个亚原⼦尺度的粒⼦在空间中 的轨迹。我们只能知道它经过⼀条路径的概率以及经过另⼀条路径的 概率，以此类推。 这让爱因斯坦感到⼗分沮丧，他曾说过⼀句名⾔“上帝不掷骰⼦”。丹 ⻨物理学家尼尔斯·玻尔对此反驳道“你别指挥上帝该怎么做”。量⼦世 界的唯⼀可取之处在于，尽管它本质上是不可预测的，但这⼀不可预 测性则是可以预测的！量⼦理论正是这样⼀种⽤来预测不可预测性的 ⽅法。 刚才我们讲了波表现出粒⼦的性质时会发⽣什么，那么粒⼦表现出波 的性质时⼜会如何呢？这意味着粒⼦可以做到波能做到的事，例如波 可以在拐⻆处弯曲，否则你不可能在相隔⼀条街的地⽅听到警笛声。 除此之外，波还可以做到另⼀件事，这件事在⽇常世界中微不⾜道， 却能在量⼦世界中引发惊天动地的结果。想象⼀下暴⻛⾬在⼤海上掀 起巨浪，但转天⻛⾬过去，海⾯恢复平静，只有微⻛形成的细⼩波 纹。如果你⻅过这样的景象，可能会注意到滔天巨浪的表⾯上也可以 存在细⼩的波纹，这其实是每种波都具备的性质。如果可能存在两个 或更多的波，则它们的组合或者称为叠加，同样可能存在。 光⼦、电⼦等亚原⼦粒⼦的波具有⽐较奇妙的性质，它们是概率波， 这是⼀个抽象的数学概念，它在空间中的传播和起伏可通过薛定谔⽅ 程来确定。在波⽐较⼤，或者⽤术语来说，具有较⼤的振幅的地⽅， 粒⼦存在的概率较⼤；在波⽐较⼩的地⽅则粒⼦存在的概率较⼩（实 际上，这⼀概率是与振幅的平⽅相关的，但我们不必在意这个细 节）。 假设⼀个描述氧⽓分⼦的量⼦波在房间左边的振幅较⼤，那么这个分 ⼦有接近100%的概率位于房间左边；⽽假设⼀个描述相同氧⽓分⼦的 量⼦波在房间右边的振幅较⼤，那么这个分⼦有接近100%的概率位于 房间右边。我们刚才说过，如果可能存在两个波，那么它们的组合也 可能存在，但在这个例⼦中，这个波表示的是氧⽓分⼦可以同时存在 于房间的左边和右边！ 欢迎来到诡异的量⼦世界。量⼦波不仅可以表示粒⼦在空间中的位 置，⽽且可以表示粒⼦的任何已知属性。因此，⼀个粒⼦不仅可以同 时位于两个或多个不同的位置，还可以同时做两件或多件不同的事。 这是量⼦计算机的基本原理，它正是利⽤这⼀性质同时进⾏多种运算 的（参⻅第16章）。 然⽽，量⼦⼗分脆弱，它会在与周围环境的相互作⽤中消失。我们可 以看到身边的事物，是因为它们反弹出的光⼦进⼊了我们的眼睛。⽽ 要想观察到⼀个亚微观粒⼦，⽐如电⼦，我们也必须让光⼦之类的东 ⻄从观察⽬标上反弹出来，然后观察它是如何被反弹的。但这个观察 ⾏为不可避免地会消除量⼦性，此时电⼦不再同时处于多个位置，⽽ 是选择出现在某⼀个特定的位置，这个过程称为“退相⼲”。⽽如果电 ⼦可以同时处于多个位置，那么它将永远⽆法被真正观察到。你可能 会问，这有什么关系呢？答案是这的确会产⽣⼀些影响。 这与⼀种被称为“⼲涉”的波现象有关，托⻢斯·杨在1801年曾利⽤这⼀ 现象证明光是⼀种波。基本上，当两个波叠加时，如果⼀个波的波峰 正好与另⼀个波的波峰叠加，则波会被增强；⽽如果⼀个波的波峰与 另⼀个波的波⾕叠加，则波会被抵消。这两个过程分别被称为“相⻓⼲ 涉”和“相消⼲涉”（⻅图7-1）。重点在于，量⼦波在被观察之前可以 发⽣这两种⼲涉，⽽这会让⼀切变得不⼀样。 图7-1 相长⼲涉与相消⼲涉 说明：⼀切量⼦诡异之处的源头为表⽰⼀个电⼦做某件事的概率的量 ⼦波可以与表⽰⼀个电⼦做另⼀件事的概率的量⼦波发⽣⼲涉。 假设两个相同的保龄球相互碰撞后沿相反⽅向弹开，此时如果有⼀⾯ 表盘，那么这两个球弹开后前进的⽅向可以是任意的，例如10点和4点 ⽅向，或者7点和1点⽅向，等等。如果让两个球重复碰撞⼏千次，它 们反弹的⽅向会遍布表盘上的每个⽅向。但如果是两个相同的粒⼦相 互碰撞并弹开，那么在某些⽅向上，它们的量⼦波之间会发⽣相⻓⼲ 涉，⽽在另⼀些⽅向上则会发⽣相消⼲涉，甚⾄完全抵消。于是，如 果它们重复碰撞⼏千次，你会发现粒⼦沿表盘上某些⽅向⻜⾏的概率 会⾼于预期，相对地，在某些⽅向上粒⼦却完全不会出现。 当然，没⼈会关⼼这种量⼦保龄球会怎么⻜，但这⼀现象展现了⼲涉 起关键性作⽤的量⼦世界与我们的⽇常世界之间的显著区别。正是这 种能表示不同概率的量⼦波之间的⼲涉，解释了为什么原⼦以及我们 身边的⼀切得以存在，⽽在前量⼦时代的物理学，或者说经典物理 学，则完全⽆法解释这些。 简单来说，我们认为原⼦中有⼀个像太阳⼀样的原⼦核，电⼦像⾏星 ⼀样围绕它旋转。詹姆斯·克拉克·⻨克斯⻙于19世纪提出的电磁定律 指出，当⼀个带电粒⼦加速时（电⼦围绕原⼦核旋转时需要改变⽅ 向，这也是⼀种加速），它会辐射出电磁波或者光，就像⼀座迷你灯 塔。这会持续消耗电⼦的能量，导致其旋转轨道越来越靠近原⼦核。 实际上，计算表明，电⼦在⼀亿分之⼀秒内就会撞上原⼦核。理查德· 费曼曾说：“从经典物理学的视⻆来看，原⼦根本不可能存在。” 如果电⼦真的会在旋转中撞上原⼦核，那么你脚下的地板将会瞬间崩 塌，因为原⼦核的⼤⼩只有整个原⼦的⼗万分之⼀。量⼦理论可以解 释为什么这⼀切不会发⽣。有⽆数种可能的量⼦波能够描述⼀个电 ⼦。例如，⼀个量⼦波描述电⼦沿正⽅形轨道运动，另⼀个量⼦波描 述电⼦⻜到最近的恒星再⻜回来，等等。但关键在于，当你把所有这 些量⼦波叠加在⼀起时，在接近原⼦核的区域内它们全部相互抵消 了。因此，电⼦在旋转中撞上原⼦核的概率为零，于是你、我以及我 们身边这个有形的世界才得以存在。 构成物质的基本单位具有波的性质，这⼀点也造成了其他⼀些显著的 影响。虽然在⽇常世界中我们可以测量⼀辆汽⻋的属性，⽐如它的位 置和动量（即它的质量与速度的乘积），但在亚微观领域中却不可能 同时准确测出这两个属性。假设有⼀个波，它以规律的周期上下振荡 且⽆限延伸。如果这样⼀个正弦波描述了⼀个粒⼦，那么这个粒⼦处 于任何位置的概率（其振幅的平⽅）都是相等的，我们根本⽆法确定 它所在的位置。但是，波上下振荡的频率与粒⼦的运动速度（严格来 说是它的动量）相关，缓慢振荡的波具有较低的动量，⽽快速振荡的 波具有较⾼的动量。在这个例⼦中，波是保持不变的，因此我们能准 确地知道它的动量。 现在来看看如果我们要将波限制在局部时会发⽣什么。我们可以叠加 另⼀个振荡较快的正弦波，于是这两个波会在某个区域之外的空间中 相互抵消。如果再叠加⼀个振荡更快的波，还可以将其进⼀步局域 化，然后还可以再叠加⼀个更快的，以此类推。这样做的代价是，我 们将越来越⽆法确定粒⼦的动量，因为原本描述这个粒⼦的波上叠加 了越来越多不同的波，每个波都具有不同的动量。 总之，⻥和熊掌不可兼得。我们越是确定粒⼦的位置，就越是不能确 定粒⼦的动量；反过来，越是确定粒⼦的动量，就越是不能确定粒⼦ 的位置。这就是海森堡不确定性原理，它告诉我们永远不可能知道量 ⼦世界的全部。有⼀些成对的物理量，如位置—动量、能量—时间 等，是不可能同时确定两者的——知道⼀个，就不知道另⼀个。量⼦ 领域就像⼀张报纸上的照⽚，当你凑得很近时，它就会变得模糊且难 以分辨。 还有⼀个神奇的现象也和这⼀原理有关，那就是真空其实并不是空 的。如果我们凑近了看，观察⼀个特定位置的⾏为会导致该位置所包 含的东⻄的动量变得⾮常不确定。简⽽⾔之，真空中充满了能量，粒 ⼦会突然出现然后⼜瞬间消失，这都是因为海森堡不确定性原理。它 并不是⼀个毫⽆依据的理论，原⼦中翻腾的能量海洋持续冲击着外围 的电⼦，这可以通过电⼦能量的“兰姆位移”观测到。兰姆位移是由威 利斯·兰姆 （Willis Lamb）发现的，他因此被授予1955年的诺⻉尔物 理学奖。 波粒⼆象性，即粒⼦可以表现出波的性质，是⼀个尚未完全被打开的 礼物盒。如果在波的叠加和量⼦随机性之上再增加⼀个要素，就会得 到整个量⼦世界中最诡异的性质——它实在太匪夷所思了，以⾄于爱 因斯坦认为它是⽆稽之谈，⽽且这⼀定意味着量⼦理论是有缺陷的、 不完备的。这个要素就是⻆动量守恒，即在⼀个孤⽴系统中，⻆动量 是保持不变的。以旋转的花样滑冰运动员为例，其⻆动量与其旋转的 速度和到旋转轴的平均距离的乘积相关。因此，如果滑冰运动员将⼿ 臂往回缩，其到旋转轴的平均距离减⼩，要想保证⻆动量不变，就只 能以更快的速度旋转。 这⼀点在下⾯的情况下会产⽣⼀种⾮常诡异的现象。假设在伦敦的⼀ 座实验室中有两个孤⽴的电⼦。电⼦具有⼀个称为“⾃旋”的量⼦属 性，简单来说，你可以认为电⼦可以沿顺时针或逆时针⽅向旋转。要 保证⻆动量为零，即两个电⼦的⾃旋相互抵消，有两种可能的状态： 第⼀个电⼦可以沿顺时针⽅向⾃旋，第⼆个电⼦沿逆时针⽅向⾃旋； 或者第⼀个电⼦沿逆时针⽅向⾃旋，第⼆个电⼦沿顺时针⽅向⾃旋。 但是请记住（这⾥是重点），这两种可能的状态是可以以叠加态存在 的，即两个电⼦可以同时处于顺时针-逆时针和逆时针-顺时针⾃旋的 状态。 现在假设没有⼈在观察这两个电⼦，于是它们处于这个诡异的量⼦叠 加态，此时将其中⼀个电⼦装进盒⼦⾥带到悉尼，然后在悉尼打开盒 ⼦进⾏观察，此时你会发现这个电⼦的⾃旋⽅向为顺时针或逆时针中 的⼀种，其结果是随机的，就像抛硬币看正反⾯⼀样。如果发现它在 沿顺时针⽅向⾃旋，那么留在伦敦的那个电⼦会⽴即进⼊沿逆时针⽅ 向⾃旋的状态，因为这两个电⼦的⻆动量必须守恒为零。如果发现悉 尼的电⼦在沿逆时针⽅向⾃旋，那么留在伦敦的那个电⼦⽴即进⼊沿 顺时针⽅向⾃旋的状态。即便装有第⼆个电⼦的盒⼦被⽤某种⼿段搬 运到了宇宙的尽头，这样的现象依然会发⽣。换句话说，这两个电⼦ 之间存在瞬时的相互影响，这完全违背了爱因斯坦的狭义相对论，即 任何信息的传输速度都不可能超过光速（参⻅第10章）。难怪爱因斯 坦会认为这⼀现象很荒唐，⽽且他认为这⼀现象恰恰证明量⼦理论是 不完备的。 以诺⻉尔奖得主，法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）于1982 年开展的实验为⾸，多个实验都揭示了粒⼦之间以⽆视光速这⼀宇宙 速度极限的⽅式产⽣相互影响的现象的确是可能发⽣的。爱因斯坦错 了，瞬时相互影响，或称“⾮局域性”，是量⼦理论不可或缺的⼀部 分。 尽管粒⼦和波好像从本质上是⽔⽕不容的，但在我们最好的现实模型 ——量⼦场论中，从⼀开始就已经整合了这些概念。在量⼦场论模型 中，构成⼀切的基本单位是场，有电⼦场、光⼦场，每种基本粒⼦都 有对应的场。简单来说，在场的空间中每⼀点上都有⼀个不同的值， 就像空间中每⼀点上都有⼀个竖⽴的弹簧，弹簧顶上放着⼀个⼩球。 弹簧可以上下伸缩，⽽⼩球的⾼度就代表场的值。如果这些弹簧并⾮ 各⾃孤⽴⽽是彼此相连，那么⼀个弹簧的振荡就会影响相邻的弹簧， ⽽场更像是⼀张弹簧床垫。 在量⼦场论模型中，⼀个弹簧的振荡会对相邻的弹簧产⽣扰动，进⽽ 对再相邻的弹簧产⽣扰动，以此类推，这产⽣了⼀串在场中荡漾的涟 漪，就像⻨⽥中的⻨浪⼀样，这个涟漪就是粒⼦。因此，在量⼦场论 中，粒⼦本质上就是波。 这⾥还缺少⼀个要素。这些弹簧并不能以任意频率振荡，它们只能以 某个基本频率，或是这个基本频率的两倍、三倍这样的频率振荡，这 被称为波的“量⼦化”。量⼦理论的⼀个基本观点就是我们的世界在本 质上是⼀份⼀份的，⽆论是能量还是电荷都存在不可继续分割的最 ⼩“量（quanta）”，这也是“量⼦（quantum）理论”这个名称的来 源。 量⼦场是构成世界的基本单位。物质由原⼦构成，原⼦由原⼦核和电 ⼦构成，原⼦核由质⼦和中⼦构成，质⼦和中⼦由夸克构成，⽽夸克 和电⼦由场构成。以我们⽬前的知识来看，量⼦场就是⾃然阶梯的基 ⽯。 量⼦理论⼀个引⼈注⽬的地⽅就是，尽管⾃其诞⽣⾄今已经过了⼀个 多世纪，但它依然能够不断带来新的惊喜和谜团。通过将量⼦叠加和 随机性与其他要素相结合，可以产⽣很多其他的量⼦性质，要讲清楚 这些可能需要花上⼀整本书的篇幅。但是，有⼀个细节需要重新审视 ⼀下，因为它并不完全正确。量⼦体在本质上并不脆弱，它们表现得 脆弱是因为它们太⼩了，我们从未真正直接观察到它们，⽽是设法让 量⼦体在⼀个探测器上留下痕迹，这个探测器可能包含上百万个原 ⼦，⽽我们实际上观察的是这些原⼦。类似地，我们的眼也⽆法直接 看到光⼦，⽽是这些光⼦在视⽹膜的数百万个原⼦上留下了痕迹，⽽ ⼈眼观察的是视⽹膜上的原⼦。因此，我们从未真正观察世界，我们 观察的是⾃⼰。在⼤量原⼦上留下痕迹这个过程，导致了量⼦性的消 失，就像在⼀个⼈声鼎沸的⾜球场⾥说悄悄话⼀样。严格来说，数百 万个原⼦在⼀个状态所对应的量⼦波，不会与数百万个原⼦在另⼀个 状态所对应的量⼦波发⽣重叠，没有波的重叠就不会发⽣⼲涉，⽽⼲ 涉是量⼦性的基础。不重叠的波是不相⼲（decohered）的，因此量 ⼦性消失的过程也被称为“退相⼲（decoherence）”。 从另⼀⽅⾯来看，如果量⼦体能够完全孤⽴于周围的环境，那么它将 不会发⽣退相⼲从⽽继续保持量⼦性。因此，量⼦理论并不是⼀个仅 适⽤于微观物体的理论，⽽是⼀个适⽤于孤⽴物体的理论。它之所以 在极微⼩的尺度上显现，是因为相⽐⼤的物体来说，我们更容易让原 ⼦之类的微⼩物体达到孤⽴状态。但是，如果我们可以让⼤的物体从 周围环境中孤⽴出来，它也会表现出量⼦体的性质。全世界的物理学 家和⼯程师正在努⼒实现这⼀点，⽬的是制造出量⼦计算机。将你从 周围环境中孤⽴出来极其困难，但并⾮不可能实现，如果真的实现 了，你将会成为量⼦体，可以同时⾛进两扇⻔！ 第8章 原⼦ 原⼦是⼤⾃然的字⺟表，将它们按不同的⽅式排列，就可以构成⼀朵 玫瑰花、⼀个星系，或是⼀个新⽣的婴⼉。 假如由于某种⼤灾难，所有的科学知识都丢失了，只有⼀句话可传给 下⼀代，那么怎样才能⽤最少的词语来传达最多的信息呢？……所有 的物体都是由原⼦构成的。 费恩曼.费恩曼物理学讲义（第1卷） [M].郑永令等，译.上海：上海科 学技术出版社，2005：2. ——理查德·费曼 公元前440年，古希腊哲学家德谟克利特（Democritus）拿起⼀块⽯ 头，或是⼀根树枝，或是⼀枚陶⽚，没⼈知道他拿的到底是什么。但 重要的是，他提出了这样⼀个问题：“如果我把它切成两半，再切成 两半，能不能永远这样切分下去呢？”德谟克利特的答案是否定的， 他⽆法想象⼀个物体可以被⽆限细分下去。后来，他提出⼀定存在⼀ 种最⼩的物体，它⽆法被切成两半。于是他借⽤希腊语中表示不可分 割的单词atomos，将这⼀物质的最⼩单位命名为“原⼦（atom）”。 ⼈们发现原⼦存在的直接证据是很久以后的事了，但在此之前的千百 年间，⼈们也积累了很多间接的证据。18世纪，瑞⼠数学家丹尼尔·伯 努利（Daniel Bernoulli）提出，像空⽓、⽔蒸⽓这样的⽓体是由⽆数 随机⻜舞的原⼦构成的。如果将⽓体装进容器中，这些原⼦就会撞击 容器内壁，就像冰雹砸在屋顶上⼀样。它们会在容器内壁上产⽣⼀种 ⼒，这就是我们在宏观上所感受到的⼀种平均的推⼒，或者说是压 ⼒。 伯努利想象有⼀个圆柱体容器，⾥⾯有⼀堵可移动的墙，或者说是活 塞，那么如果容器中的⽓体体积被压缩到原来的⼀半会发⽣什么？伯 努利认为，此时原⼦只需要⻜⾏原来的⼀半距离就可以撞击到活塞， 因此原⼦撞击活塞的频率会变成原来的两倍，即产⽣的压⼒会变成原 来的两倍。如果有个⼈尝试推着活塞不让它弹回来，那么他⼀定会感 受到这⼀变化，因为他需要花更⼤的⼒⽓才能让活塞在容器中保持不 动。同样的道理，如果⽓体体积缩⼩到原来的三分之⼀，压⼒就会变 成原来的三倍，以此类推。爱尔兰物理学家罗伯特·波义⽿ （Robert Boyle）于1662年观察到同样的规律，这⼀规律因此被命名 为“波义⽿定律”。 接下来，伯努利想象对装有⽓体的容器加热。由于加热后原⼦的运动 会变快（热是原⼦的微观运动），因此它们会更频繁更猛烈地撞击活 塞，表现为⽓体压⼒上升。他的推理再⼀次与真实⽓体的状况⼀致。 法国科学家杰克-亚历⼭⼤-塞萨尔·查理（Jacques-Alexandre- César Charles）于1787年观察到同样的规律，这⼀规律因此被命名 为“查理定律”。 伯努利的成就在于他仅仅基于⽓体是由⽆数像蜂群⼀样随机⻜舞的原 ⼦构成的这⼀假设，就成功预⾔了⽓体的两个可测属性。实际上，在 很多⽓体中，撞击容器内壁的并不是原⼦，⽽是多个原⼦组成的⼩团 ——分⼦。例如，⽔蒸⽓中的分⼦是由两个氢原⼦和⼀个氧原⼦连接 ⽽成的（H 2 O）。⽆论如何，不管组成⽓体的基本单位是分⼦还是原 ⼦，都不影响伯努利的结论。 19世纪，苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·⻨克斯⻙和奥地利物理学家 路德维希·玻尔兹曼注意到伯努利的洞察，并进⼀步推导出⽓体原⼦的 统计学属性。然⽽，关于原⼦的存在却依然充满争议。1906年，玻尔 兹曼在⼀次度假中⾃杀，其他科学家对玻尔兹曼观点的敌意或许是造 成他精神抑郁的原因。讽刺的是，就在玻尔兹曼⾃杀的前⼀年，爱因 斯坦通过对神秘的布朗运动现象的解释，给出了原⼦存在的最好证 明。 1827年，苏格兰植物学家罗伯特·布朗（Robert Brown）⽤显微镜观 察⽔⾯上的花粉颗粒，发现它们会随机游动。此后⼤约100年间，没 有⼈能够搞清楚这些花粉颗粒为什么会疯狂地舞动。后来，爱因斯坦 在1905年提出了⼀个猜想，每个花粉颗粒都受到来⾃其周围⽔分⼦的 持续撞击。在某个特定时刻，从⼀侧撞击的分⼦数量⼤于另⼀侧，这 会导致花粉颗粒的不规则运动。你可以想象有⼀群⼈在⼀⽚空地上围 着⼀个巨⼤的充⽓球，每个⼈都会从随机的⽅向推动它。 爱因斯坦提出了⼀个⽤来描述布朗运动的数学理论，他的预⾔在三年 后被法国科学家让·巴蒂斯特·佩兰（Jean Baptiste Perrin）证实。为 了⽅便，佩兰将花粉颗粒换成了藤⻩颗粒（它是柬埔寨的⼀种树上分 泌出的⻩⾊胶质）。爱因斯坦的理论预测了在⽔分⼦的持续撞击下花 粉颗粒运动的速度和距离，其中的关键问题在于⽔分⼦的⼤⼩，因为 ⽔分⼦越⼤，花粉颗粒所受到的⼒就越不平衡，因此布朗运动就会变 得越不规则。佩兰将其对藤⻩颗粒的观察与爱因斯坦的理论进⾏⽐ 较，从⽽得出了⽔分⼦以及组成它的原⼦的⼤⼩。他的结论是⼀个原 ⼦的⼤⼩⼤约是⼀百亿分之⼀⽶，所以我们才说1000万个原⼦连起来 只有⼀个句号那么⼤。 尽管佩兰的证明很有说服⼒，但依然是⼀种间接的证明。原⼦存在的 实际证明要等到1981年，当时在瑞⼠苏黎世的国际商业机器公司 （IBM）⼯作的格尔德·宾宁（Gerd Binnig）和海因⾥希·罗雷尔 （Heinrich Rohrer）发明了扫描隧道显微镜。尽管它的名字有点⻓， 但其实⼯作原理⾮常简单。假设⼀位盲⼈想要“看到”另⼀个⼈的脸， 他就会⽤⼿指去触摸。同样，扫描隧道显微镜是使⽤⼀根⾮常细的⾦ 属针去触摸⼀个物体表⾯的微观形态。但是要做到这⼀点需要很多的 才智和巧思。例如，如何避免周围环境中的震动对设备的影响，这也 是宾宁和罗雷尔能够获得1986年诺⻉尔物理学奖的原因。 世界复杂的表象之下隐藏着简单的本质，这⼀思想是科学的主要驱动 ⼒之⼀。尽管它看起来是对的，却没⼈知道它为什么是对的。 当两位物理学家将扫描隧道显微镜探针的上下移动转换成图像后，他 们倒吸了⼀⼝凉⽓：原⼦就像微⼩的⾜球，或者像堆在箱⼦⾥的迷你 橘⼦。这⼀结果与2500年前德谟克利特仅凭思想的⼒量所得出的结论 完全相同。但是，德谟克利特不仅猜想原⼦是构成物质的不可分割的 微粒，⽽且他还猜想原⼦具有有限的⼏种不同形状和类型，通过将它 们以不同的⽅式组合起来，就可以形成⼀朵玫瑰、⼀个星系或是⼀个 新⽣的婴⼉。万物都是原⼦的不同组合⽽已。这个世界也许看起来复 杂得不可思议，但是德谟克利特认为，这只是⼀种错觉，它只是反映 了⼏种基本构件的⽆尽排列组合⽽已。 19世纪后期，法国科学家安托万·拉瓦锡（Antoine Lavoisier）编写了 ⼀个物质列表，这些物质是⽆法通过任何⼿段变成其他物质的，例如 ⾦，它们很有可能是由单⼀种类的原⼦组合⽽成的。他列出了23种基 础物质，或者叫“元素（elements）”。当然，其中⼀些并不基础，也 不应该出现在这张列表上，例如“热质（caloric）”，它是⼀种与热有 关的假想的流体。如今，我们知道从最轻的氢到最重的铀，⼀共有92 种天然元素。但即便是拉瓦锡的列表中似乎也包含了相当多的基本组 成部分，肯定⽐德谟克利特当初所设想的寥寥数种要多。 原⼦可能是由更⼩的物体构成的，这⼀迹象的发现源于⼀位俄国⻄伯 利亚的化学家——德⽶特⾥·⻔捷列夫（Dmitri Mendeleev）。在编 写⼀本教科书时，他发现元素的性质是有规律的。在1869年的当时， ⼈们总共已经发现了67种元素。⻔捷列夫把这些元素做成卡⽚，按原 ⼦量从⼩到⼤排成⼀排。他惊讶地发现化学性质相似的元素竟然出现 在同⼀竖列中，⽽且这种性质的变化具有周期性，因此他把元素的这 种排列⽅式称为“元素周期表”。通过这张表，⻔捷列夫预⾔了“缺 少”的元素的性质，这些元素后来被⼀⼀发现。 英国物理学家约瑟夫·汤姆逊（）于1897年发现了电⼦， 这是⼈类第⼀次认识到⽐原⼦更⼩的物体。后来，新⻄兰物理学家欧 内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）于1911年发现了原⼦核，也是 他提出了原⼦的结构模型，即原⼦核像太阳，⽽电⼦像⾏星⼀样围绕 其旋转。尽管原⼦核的⼤⼩只有原⼦的⼗万分之⼀，却占了原⼦总质 量的%。捷克裔英国剧作家汤姆·斯托帕德（Tom Stoppard）曾 经⽣动地诠释了原⼦核的⼤⼩：“伸出拳头，如果你的拳头像原⼦核 ⼀样⼤，那么整个原⼦就像圣保罗（⼤教堂）⼀样⼤。如果这是⼀个 氢原⼦的话，那么就会有⼀个电⼦像⼀只蛾⼦⼀样在这座空旷的⼤教 堂⾥⻜来⻜去，⼀会⼉⻜到穹顶下，⼀会⼉⻜到圣坛上。” 原⼦核中含有质⼦，它的质量是电⼦的约2000倍，并且带有与电⼦等 量但极性相反的正电荷。在最轻的氢原⼦中，原⼦核中只有⼀个带正 电的质⼦，它的电荷与围绕它旋转的仅有的⼀个电⼦所带的负电荷达 到完美的平衡，⽽正是这两种相反电荷之间的吸引⼒使得氢原⼦能够 保持其结构。原⼦核中质⼦的数量总是与其核外电⼦的数量相等。 氢原⼦与碳、铀等其他原⼦之间的关键区别在于其原⼦核中包含的质 ⼦数量，这等价于其核外电⼦的数量。氢原⼦含有1个质⼦和1个电 ⼦，碳原⼦含有6个质⼦和6个电⼦，⽽铀原⼦则是⼀个巨⼤的怪兽， 它的原⼦核含有92个质⼦，周围则有92个呼啸⻜⾏的电⼦。 实际上，除氢原⼦外，其他原⼦的原⼦核中还含有除质⼦以外的另⼀ 种粒⼦。 1932年，英国物理学家詹姆斯·查德威克 （James Chadwick）发现了中⼦。中⼦的质量和质⼦相当，但它不 带电荷，对原⼦的性质也没有显著的影响，因为原⼦的性质⼏乎完全 是由电⼦的数量决定的。 根据19世纪的经典物理学理论，电⼦绕原⼦核旋转时会像微型电台⼀ 样辐射电磁波，这会消耗电⼦的能量，使得电⼦在不到⼀亿分之⼀秒 的时间内撞向原⼦核。但这并没有发⽣，因为我们周围的世界都是由 原⼦构成，⽽且它们显然⾮常稳定。电⼦之所以不会在旋转中撞上原 ⼦核，是因为它们具有奇妙的波的性质，这⼀点是在20世纪初被发现 的。电⼦的⾏为并不遵循经典物理学，⽽是遵循量⼦物理学，⽽表示 电⼦的量⼦波本质上是扩散的，因此并不会被压缩到⼀个原⼦核的微 ⼩体积中（参⻅第7章）。 尽管电⼦具有波的性质能够解释为什么它们不会撞上原⼦核，从⽽维 持原⼦的结构，但是并不能解释为什么原⼦中的所有电⼦不在同⼀个 轨道上运⾏。原⼦中的电⼦是原⼦与外部世界产⽣相互作⽤的界⾯， 它们与其他原⼦的电⼦之间的相互作⽤决定了原⼦的性质：它们如何 与其他原⼦结合（也就是它们的化学性质），以及它们的导电性和导 热性。如果每种原⼦的所有电⼦都排列在同⼀轨道上，那么它们的外 部界⾯也应该是相同的，也就是都具有完全相同的性质，即世界上只 有1种元素，⽽不是92种不同的元素，这个世界的多样性和复杂性便 ⽆从谈起。 奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利提出了“泡利不相容原理”，以此解释 了这92种原⼦之间的区别。泡利不相容原理是⼀条量⼦世界的规则， 它规定两个相同的电⼦不能共享同⼀个轨道。原⼦是⼀个三维物体， 因此描述电⼦的轨道不仅需要知道其与原⼦核的距离，还需要知道它 在空间中旋转的⽅向。正如我们需要两个数——纬度和经度，来确定 地球上的某个位置，要确定⼀个电⼦的轨道也需要两个数，再加上电 ⼦与原⼦核的距离，总共需要三个量⼦数。但实际上，电⼦还具有第 四个属性：⾃旋。简单来说，你可以理解为电⼦会沿顺时针或逆时针 ⽅向⾃转。 根据泡利不相容原理，电⼦会按距离原⼦核从近到远依次排列在不同 的“层”上。第⼀层最多能容纳2个电⼦，第⼆层是8个，第三层是18 个，以此类推。我们看⼏个例⼦：有6个电⼦的原⼦，其第⼀层有2个 电⼦，第⼆层有4个电⼦；有12个电⼦的原⼦，其第⼀层有2个电⼦， 第⼆层有8个电⼦，第三层有2个电⼦。于是，我们便很容易理解为什 么某些原⼦具有相似的性质——例如锂、钠、钾，因为它们最外层都 只有1个电⼦，所以它们与外界发⽣相互作⽤的⽅式相同。这就是⻔捷 列夫元素周期表中所呈现的规律的本源。 泡利不相容原理不允许所有电⼦处于同⼀轨道，这解释了为什么会有 92种天然元素⽽不是只有1种，也解释了为什么世界如此丰富多彩以 及为什么你能读到这些⽂字。 尽管和德谟克利特所想象的⼀样，世界的多样性是由少数构件按不同 ⽅式组合⽽产⽣的，但和他的想象不同的是，原⼦核和电⼦的存在说 明原⼦并不是不可分割的。特别是现在我们已经发现了真正不可分割 的基本粒⼦，令⼈惊讶的是，它们只有3种：上夸克、下夸克和电⼦ （参⻅第15章）。质⼦其实是由2个上夸克和1个下夸克构成的复合粒 ⼦，⽽中⼦则是由2个下夸克和1个上夸克构成的复合粒⼦。神奇的 是，整个宇宙的多样性都来源于区区3种基本构件的排列组合。德谟 克利特在两千多年前就参透了现实世界的终极本质，不得不说，他的 思想在这个意义上是完全正确的。 第9章 演化 令⽣物在对稀缺⻝物资源的竞争中取得优势并存活和繁衍的性状，会 在其后代中变得越来越普遍。 环境选择了那些能够提⾼存活率的突变，结果是⼀系列从⼀种⽣命形 式向另⼀种⽣命形式缓慢进⾏的变化，就是新物种的起源。 卡尔·萨根.宇宙[M].陈冬妮，译.⼴西：⼴西科学技术出版社，2016：25. ——译者注 ——卡尔·萨根 为什么赛⻢如此适合在赛道上⻜奔？因为饲养者会从⼤量⻢匹中选出 那些跑得更快的，然后让它们繁衍后代，并重复这⼀过程。为什么⽣ 物如此适应它们所处的环境？查尔斯·达尔⽂（Charles Darwin）的天 才之处在于，他发现这个问题的答案⾮常简单。正如⼈类会按奔跑速 度对⻢匹进⾏⼈⼯选择⼀样，某种机制也会按⽣物对环境的适应性对 它们进⾏⾃然选择。 实现这⼀⾃然选择的机制其实出奇的简单。⽣物产⽣了过多的后代， ⽽⻝物则相对缺乏，于是只有那些带有能够在⻝物竞争中取得优势的 性状的个体才能⽣存下来并繁衍后代，继⽽将这些性状遗传下去。 1831—1836年，达尔⽂作为随⾏⾃然学家，跟随⼩猎⽝号 （HMS Beagle）勘探船进⾏了⼀次为期5年的航⾏，在那之后，达尔 ⽂产⽣了⾃然选择的想法。在这5年间，达尔⽂在南美洲开展了丰富多 样的⾃然考察。尤其是在加拉帕⼽斯群岛，他发现不同岛屿上的雀⻦ 都有不同形状的喙，每种喙的形状都完美地适于取⻝当地的坚果和种 ⼦。如果当地盛产较⼤的坚果，则⻦类会⻓着短粗的喙以便敲开坚 果；如果当地只有较⼩的种⼦可以吃，则⻦类会⻓着细⻓的喙。 为什么加拉帕⼽斯群岛上的⻦类和动物会如此适应它们的⻝物来源 呢？⼀个想法开始在达尔⽂的脑海中萌芽。他发现加拉帕⼽斯群岛上 的⽣物都是1000千⽶外南美⼤陆上⼀些常⻅物种的近亲，这意味着它 们都发源于南美⼤陆。但是，⼤陆上其他⼀些同样可以居住在岛上的 动物和⻦类却没有出现在这⾥。显然，捉摸不定的⻛和洋流意味着只 有⼀⼩部分⽣物能够成功漂洋过海到达这⾥。加拉帕⼽斯群岛是⽕⼭ 活动形成的，在⼏百万年前才从海底升起来，因此对于那⼀⼩部分到 达这⾥的⽣物来说，这⾥就是⼀⽚处⼥地，于是它们的种群传播开 来，占据了所有可⽤的⽣态位。例如，有⼀种雀⻦迁徙到整个群岛区 域，然后在每⼀座岛屿上分别演化出不同类型的喙，以便更好地适应 当地的⻝物。 在⼩猎⽝号上时，达尔⽂并不知道是什么驱动着物种的变化，让每个 物种都与其所在的环境完美契合。但回到英国之后，年仅27岁的达尔 ⽂仔细翻阅着他的加拉帕⼽斯考察笔记，他慢慢发现原来他所观察到 的现象可以⽤⼀种极其简单的理论来解释。动物会⽣出⼤量的后代， 植物也会产⽣⼤量的种⼦，但由于⻝物的数量不⾜以养活如此⼤量的 后代，因此⼤多数⽣物会饿死。达尔⽂发现，那些能存活并繁衍后代 的个体，都具有⼀些令它们在⻝物竞争中取得优势的性状，⽽这些性 状⼜会遗传给它们的后代。久⽽久之，有益性状在种群中的占⽐逐渐 上升，⽽不利于⽣存的性状则逐渐消失。 这就是“⾃然选择演化”。这个想法⾮常简单，以⾄于达尔⽂的朋友及 其拥护者托⻢斯·赫胥黎（Thomas Huxley）评论道：“我为什么这么 笨，竟然没想到这⼀点。”当然，要透过⾃然界纷繁复杂的表象看清楚 其产⽣这⼀复杂表象的简单内在机制，还是需要⼀些天赋的。 ⽣物学家和作家理查德·道⾦斯（Richard Dawkins）将⾃然选择下的 演化称为“科学史上最伟⼤的想法”。它之所以伟⼤，是因为它提供了 ⼀个完全⾃然的机制来创造复杂的事物，⽐如加拉帕⼽斯群岛上雀⻦ 特化的喙，以⾄于让⼈产⽣⼀种“设计错觉”。⽆论如何，正如道⾦斯 所讽刺的：“设计错觉是如此成功，以⾄于到现在⼤多数美国⼈（尤其 是很多有影响⼒和富有的美国⼈）依然顽固地拒绝承认这只是⼀种错 觉。” 论⽂完整标题为《论处在⽣存竞争中的物种之起源（源于⾃然选择或 者对偏好种族的保存）》，查尔斯·达尔⽂著，发表于1859年11⽉24 ⽇。 ⾃然选择演化理论，或称“天演论”，与教会所宣扬的上帝以现在的形 态创造了所有⽣物这⼀教义是相违背的，因此达尔⽂在20年间⼀直没 有发表他那惊为天⼈的想法。直到1858年，阿尔弗雷德·拉塞尔·华莱 ⼠（Alfred Russel Wallace）基于其在印度尼⻄亚和⻢来⻄亚的⾃然 考察，产⽣了和达尔⽂完全相同的想法，这激励了达尔⽂将他的想法 撰写出来。于是，1859年，达尔⽂出版了《物种起源》，这是⼀部可 与⽜顿的《⾃然哲学之数学原理》⽐肩的伟⼤作品，堪称科学史上最 重要的著作之⼀。 根据达尔⽂的理论，地球上今天存在的所有⽣命都是在⾃然选择的驱 使下，由⼀个共同的祖先经过亿万年的时间演化形成的。这⼀思想不 仅与圣经中上帝创造世界的记载相违背，同时也与教会所宣扬的⼈类 是按上帝的样⼦被创造出来的这⼀教义相违背。根据达尔⽂的理论， ⼈类也不过是另⼀种动物罢了。 由于在⼈类⼀⽣的时间内，物种不太可能发⽣变化，因此达尔⽂知道 ⾃然选择演化需要数亿年的时间才能创造出现在这个丰富多彩的⽣物 世界。不过，我们也有可能亲眼⻅证⾃然选择演化的杰作。在英格兰 北部的⼯业化城市中，⼯⼚烟囱冒出的⿊烟将树叶染成了⿊⾊。在当 地⽣活的桦尺蛾曾经以浅⾊为主，但浅⾊的桦尺蛾因为在⿊⾊的树叶 间变得⾮常显眼，所以更容易被⻦类捕⻝。于是，浅⾊的桦尺蛾逐渐 被深⾊的桦尺蛾所取代，因为深⾊的个体更容易在这种环境下隐藏⾃ ⼰从⽽存活下来。深⾊桦尺蛾从1811年被发现，到了1895年其数量就 已经占据了整个种群的98%。 达尔⽂的理论在病毒和细菌的加速演化中也可以得到⻅证。从2019年 起，全世界都经历着新冠肺炎疫情⼤流⾏，我们⽬睹了病毒在达尔⽂ 式的军备竞赛中演化出了传播能⼒更强的毒株，并在与其他毒株的竞 争中取得了优势。类似的军备竞赛也在细菌中上演，这解释了为什么 抗⽣素的有效性会越来越低：因为尽管抗⽣素能够杀死感染者体内的 绝⼤多数细菌，但⼀定存在少数细菌携带着能帮助它们存活下来的性 状。于是，它们的后代中携带这种抗⽣素耐受性状的个体⽐例会不断 上升，最终导致抗⽣素对它们不再有效。 刘易斯·托马斯.细胞⽣命的礼赞：⼀个⽣物学观察者的⼿记[M].苏静 静，译.北京：中信出版集团，2020：4.（此处的“进化”含义等同于本 书译⽂中使⽤的“演化”——译者注） ⾃然选择演化也曾造成过⽆数⽣命的牺牲。16世纪，⻄班⽛殖⺠者来 到美洲，同时也带来了麻疹、天花等疾病，⽽当地的阿兹特克⼈和印 加⼈对这些疾病没有任何⾃然免疫⼒。⻄班⽛殖⺠者之所以对这些疾 病拥有免疫⼒，是因为数百年来欧洲曾有数千万⼈死于这些疾病，⽽ 这些殖⺠者是那些幸存者的后裔，他们身上或多或少都携带着能产⽣ ⼀定免疫⼒的性状。正如美国⽣物学家刘易斯·托⻢斯 （Lewis Thomas）所说：“进化仍旧是⼀场冗⻓、⽆穷尽的⽣物赌 局，唯有赢家才能留在桌上。” 达尔⽂的⼤胆之处不仅在于他敢于发表违背教会教义的天演论学说， 还在于他的理论中其实还缺少两个关键的要素。第⼀个要素是变异的 机制：是什么产⽣了供⾃然进⾏选择的新性状？第⼆个要素则是遗传 的机制。 最初，达尔⽂认为代与代之间的信息传递是依靠⽗⺟各⾃携带的某种 液体，它们在后代身上发⽣了融合。就像红⾊颜料和⽩⾊颜料混合后 会变成粉⾊颜料，但我们也同时永久失去了原本的红⾊颜料和⽩⾊颜 料，这种遗传液体的融合也能让性状发⽣混合，但同时也会永久失去 某些性状。于是，我们应该只能看到⻓着蓝棕混合⾊眼睛的个体，⽽ 不会再看到⻓着蓝⾊或棕⾊眼睛的个体。久⽽久之，这种遗传液体的 混合应该会让种群中所有⽣物个体的性状趋于近似，但这样的情况并 未发⽣。 达尔⽂不知道的是，布尔诺（现捷克共和国）的⼀位奥古斯丁修道⼠ 发现了遗传的机制。1856—1863年，格雷⼽尔·孟德尔 （Gregor Mendel）进⾏了豌⾖杂交实验，并记录了性状在整体中的 遗传情况。例如，开紫⾊花的豌⾖与开⽩⾊花的豌⾖杂交，并没有产 ⽣开淡紫⾊花的后代，⽽是⼀部分开紫⾊花，另⼀部分开⽩⾊花，且 两种花⾊的⽐例是可以预测的。孟德尔发现某些性状可以平等地遗 传，即同时来⾃双亲，⽽另⼀些性状则是显性遗传的，但关键的⼀点 在于，性状是以不可分割的微粒的形式遗传的，⽽并不是可以任意混 合的液体。孟德尔的发现在后来被称为“基因”。 孟德尔拥有达尔⽂所缺少的⼀块关键拼图，⽽达尔⽂也拥有孟德尔所 缺少的⼀块关键拼图。英国⽣物学家史蒂夫·琼斯（Steve Jones） 说：“孟德尔和达尔⽂是天⽣⼀对，但遗憾的是，很多天⽣⼀对⼀⽣都 ⽆缘相遇，他们⼆⼈就是这样。” 1866年，孟德尔在《布隆⾃然科学研究协会会刊》上发表了他的研究 成果，但这本期刊实在没有什么名⽓，导致他的成果⼏乎⽆⼈问津， 直到1900年才被予以重视。此后不久，美国⽣物学家托⻢斯·亨特·摩 尔根（Thomas Hunt Morgan）开始进⾏果蝇杂交实验，并观察到与 孟德尔的豌⾖相似的遗传规律。此外，他进⼀步发现携带遗传性状的 物理元素——基因，位于名为“染⾊体”的微⼩条状结构中。⼀个新的 学科——遗传学⾃此诞⽣。 关于遗传物质的准确细节要等到20世纪后半叶才被发现。⽣命的基本 构件——⽣物的原⼦，是细胞，它是⼀⼩包黏糊的液体，⾥⾯包裹着 分⼦机器。细胞的中⼼有⼀个细胞核，⾥⾯含有由名为“脱氧核糖核酸 （DNA）”的⼤分⼦构成的染⾊体。 A总是与T配对，G总是与C配对。因此，如果将细胞中的双链DNA从 中间分开，就会形成两条互补的单链，⽽DNA的复制正是利⽤了这种 互补性。细胞液中游离的A会像拼拼图⼀样⾃动与单链上的T结合，同 样地，T会与A结合，G会与C结合，C会与G结合，结果就形成了原始 DNA的两个相同副本。 DNA分⼦看上去像两条交错的螺旋形阶梯。这种双螺旋结构的核⼼是 ⼀串由四种分⼦构成的序列，这四种分⼦称为碱基——腺嘌呤（A）、 ⻦嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T），它们两两成对，⽽A、 G、C、T这四个字⺟就组成了遗传密码。 每三个碱基编码代表⼀种 特定的氨基酸，它是蛋⽩质的基本构件，⽽蛋⽩质是负责完成各种⽣ 物活动的分⼦，它们能加速⽣命的化学反应，在眼睛⾥感受阳光，以 及维持你的身体结构（⻅图9-1）。 图9-1 DNA双螺旋结构 说明：四种分⼦，或称“碱基”——腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧 啶（C）和胸腺嘧啶（T）——两两成对。A、G、C、T这四个字母组 成了遗传密码，每三个编码代表⼀种氨基酸，氨基酸是蛋⽩质的构 件。 基因就是编码了⼀个蛋⽩质的⼀⼩段DNA，它与孟德尔的联系也正在 这⾥。孟德尔发现的遗传性状与基因有关，例如，某个特定基因会产 ⽣影响豌⾖发育的蛋⽩质，从⽽决定豌⾖是皱粒还是圆粒。 DNA不仅解释了遗传的机制，也解释了变异的机制。后代从亲代继承 性状时，需要复制亲代的DNA。然⽽，以⼈类DNA为例，复制它意味 着要将30亿个字⺟准确⽆误地抄下来，这个过程不可避免地会出错。 实际上，⼤约每复制10亿个碱基对就会出现⼀个错误。基因复制会发 ⽣各种各样的错误，可能是⼀个字⺟复制错了，或者是⼀段DNA被删 除或者重复了。此外，紫外线、病毒、致癌物、核辐射等都会导致基 因的改变，或者说突变。 你的⽗⺟为你提供的基因种类是相同的，但他们提供的版本是不同 的，这取决于他们各⾃家系中积累的随机突变。同⼀种类基因的不同 版本称为“等位基因”，它可以产⽣不同的性状。例如，有⼀个基因可 以控制头发颜⾊，来⾃⺟亲的副本可能代表红⾊头发，⽽来⾃⽗亲的 副本可能代表褐⾊头发，⾄于哪个性状会在你身上“表达”出来，取决 于哪个是显性的，哪个是隐性的。 对于⼀对等位基因来说，显性或是隐性可能是由不同的原因决定的， 需要具体基因具体分析。每对等位基因中，⼀个基因来⾃⺟亲，另⼀ 个基因来⾃⽗亲，它们会产⽣不同的蛋⽩质，但有些蛋⽩质会覆盖另 ⼀些蛋⽩质的作⽤。最简单的情况是，某个基因产⽣了⽆效的蛋⽩ 质，它不能发挥任何作⽤，于是另⼀个基因产⽣的有效蛋⽩质便是显 性的。对于隐性遗传等位基因来说，⼀个很好的例⼦就是红⾊头发。 有⼀个称为MC1R的蛋⽩质，它通常的作⽤就是清除⽑发和⽪肤中的红 ⾊⾊素。如果它⽆效，那么红⾊⾊素就会积累，让⼀个⼈⻓出红⾊的 头发。 通过从⽗⺟继承不同版本的基因，你就继承了⼀部分⺟亲的特征，同 时继承了⼀部分⽗亲的特征。这个混合的过程是随机的，就像把两副 扑克放⼀起洗⼀样。这也说明了有性⽣殖能够⼤⼤增加后代产⽣新性 状的概率。 从根本上说，达尔⽂的天演论告诉我们，地球上的每个细胞都是从⼀ 个共同祖先开始，通过⾃然选择的过程演化⽽来的，⽽这个共同祖先 ⼤约出现于40亿年前，它是⼀个被称为“最后共同祖先（LUCA）”的 细胞。没⼈准确地知道它是如何诞⽣的，因为即便是最简单的细胞也 是⼀台⾼度复杂的⽣物机器。基因中的错误，或者说突变，是随着时 间以稳定的速率积累的。因此，如果对于某个特定基因，⼀个物种所 具有的突变⽐另⼀个物种多⼀倍，我们就可以推测出它从同⼀个祖先 分离的时间也⽐另⼀个物种要早⼀倍。这就是现代⽣物演化树的构建 过程，这⼀概念最早也是由达尔⽂提出的。不过，细菌有⼀个不太好 的习惯，它们不仅能够将DNA遗传给后代，还会相互交换DNA。这意 味着在LUCA附近，演化树就⻓得不太像树了，⽽是更像⼀⽚茂密的灌 ⽊丛。 在物理学上，⿊洞的事件视界指的是⼀个令落⼊其中的物质有去⽆回 的点（参⻅第14章），它将⿊洞隐藏起来，让我们⽆法观察到其内部 的样⼦。与之相仿，⽣物学家也提出了⽣物事件视界，在它之外的⼀ 切都⽆从知晓。 第10章 狭义相对论 光是追不上的。 光速在我们的物理理论中扮演着⽆限⼤速度的⾓⾊。 爱因斯坦.爱因斯坦⽂集（第⼆卷）[M].范岱年等，编译.北京：商务印 书馆，2011：106. ——阿尔伯特·爱因斯坦（1905年） 光是追不上的。年仅16岁的爱因斯坦在想象和⼀束光⻬头并进的情形 后得出了这样的结论。他之所以能够想象这⼀情形，是因为詹姆斯·克 拉克·⻨克斯⻙所提出的⼀个理论。1863年，这位苏格兰物理学家发现 电、磁和光之间存在⼀种出乎意料且令⼈震惊的联系：光是在散布于 整个空间中的⽆形的电磁场中传播的⼀种波（参⻅第2章）。爱因斯坦 认为，如果真的能追上这样⼀种电磁波并与之⻬头并进，那么它看起 来就会变成静⽌的，就像冰冻海⾯上的海浪⼀样。然⽽，⻨克斯⻙的 理论并不允许这种静⽌的波存在。由于追上光意味着会产⽣⼀种不能 存在的东⻄，因此爱因斯坦认为光⼀定是不可能被追上的。 真空中的光速不可超越，这⼀结论对我们最珍视的时空观念产⽣了巨 ⼤的影响。⽽这些将会由爱因斯坦在他“奇迹般的”1905年提出。 如果光是追不上的，那么它实质上就在我们的宇宙中扮演着⽆限⼤速 度的⻆⾊，即在定义上是⼤于所有数字的，因此是不可能达到的。不 仅是以⽆限⼤速度运动的物体⽆法被追上，⽽且我们⽆论以多⼤的速 度运动，都应该认为光速是⽆限⼤的，因为我们的速度和光速相⽐是 可以忽略不计的。因此，光速对任何⼈来说都应当是恒定不变的，⽆ 论光源以及观察者以多⼤的速度运动。 速度的定义是物体在单位时间内移动的距离，因此如果所有⼈观测到 的光速都相同，那⼀定是⼤家对距离和时间的观测出了问题。假设你 站在铁轨旁边观察⼀辆匀速驶过的列⻋。列⻋上有⼀个简单的时钟， 它由地板上的激光发射器和天花板上的反射器构成，激光束从地板竖 直向上发射然后被天花板反射回来，我们将激光上下来回⼀次的时间 当作这个时钟的⼀秒。假设列⻋是透明的，你可以站在铁轨旁边从侧 ⾯看到列⻋⾥的这个时钟。还要假设列⻋的运⾏速度相对于光速来说 ⾜够快，以便让结果更明显。（这只是⼀个思想实验，并不直接反映 真实情况，但它可以⽤来揭示⼤⾃然的底层原理。） 从铁轨旁边观察，你看到的光束不再是直上直下的，⽽是⼀种不同的 运动轨迹。当光束射向天花板时，列⻋也在同时向前运动，因此从铁 轨旁边观察，光束是向斜上⽅发射的。类似地，当光束反射回地板 时，列⻋继续向前运动，从铁轨旁边观察，光束是向斜下⽅反射的。 于是我们得出了这样⼀个结论，光并不是直上直下运动的，相⽐从⻋ 上乘客的视⻆观察，光⾛过了更⻓的距离，换句话说，站在列⻋外⾯ 的你，所看到的“⼀秒”时间变得更⻓了（⻅图10-1）。 图10-1 思想实验：列车上的时钟 说明：将在列车地板和天花板之间来回反射的光看作“时钟”：铁轨旁 边的观察者（图中下半部分）相⽐列车上的乘客（图中上半部分）看 到光⾛了更长的距离，因此他所看到的时间⽐车上乘客所看到的时间 要慢。 尽管这个思想实验看起来有点⼉不现实，但它揭示了⼀个基本事实： 如果某⼈以匀速从你身边经过，那么他的时间相对于你来说就会变 慢。此外，他在空间中的距离也会在其运动⽅向上缩⼩，但这⼀点⽐ 较难以⽤视觉的⽅式呈现出来。因此，我的时间和你的时间不⼀样， 我的空间也和你的空间不⼀样。通过这个巨⼤的宇宙阴谋，⼤⾃然确 保宇宙中的所有⼈都能观测到相同的光速。宇宙中并没有“绝对”时 间，即没有⼀个全局背景下的时钟；也没有“绝对”空间，即没有⼀个 全局的画布⽤来测量物体的⻓度。⼀切都取决于观察者的相对速度， 正是因为如此，我们才使⽤“相对”这个词来描述爱因斯坦的理论。光 速是宇宙的基⽯，⽽空间和时间只是流沙。 关于此处提到的另⼀个影响因素。某⼈⾝上有些部分距离你较远，有 些部分距离你较近，对于距离你较远的部分，光到达你的眼睛需要⾛ 更长的距离，这导致它们看起来在轮转。因此，如果这个⼈的脸朝向 你，你会看到他的⼀部分后脑勺。这种奇妙的效应称为“相对论性光⾏ 差”或“相对论性射束”。 当某⼈以匀速经过你身边时，他的时间看起来变慢了，这称为“时间膨 胀”，⽽其空间的收缩被称为“洛伦兹收缩”。在没有其他因素影响的情 况下（确实还有其他因素），如果某⼈以相当快的速度（相对于光速 不可忽略的速度）经过你身边时，他看起来就像是在黏稠的液体⾥艰 难地⾏⾛，⽽且会在其运动⽅向上被挤压成⼀张薄饼。 列⻋上的时钟的思想实验还反映出另⼀个事实。在伽利略的时代，科 学家们就已经发现，对于所有以匀速运动的观察者来说，运动定律是 完全相同的。毕竟，两个在⾏使的列⻋上的⼈互相扔球，和两个站在 轨道旁边的⼈互相扔球，球在空中的运动轨迹是完全相同的。爱因斯 坦发现，对于所有以匀速运动的观察者来说，并不只是运动定律相 同，⽽是所有定律都相同，尤其是⽀配光速的光学定律。 爱因斯坦的理论被称为“狭义”相对论，他后来⼜对其进⾏了推⼴，这 ⼀理论已经被⽆数事实证明是正确的。例如，1971年，美国海军天⽂ 台的科学家将⼀台⾮常精确的铯原⼦钟装到⻜机上进⾏环球⻜⾏。当 他们将原⼦钟带回华盛顿之后，发现机载原⼦钟确实⽐地⾯上的原⼦ 钟慢了，并且与通过狭义相对论所计算出的数值⼀致。航天员的时间 也会变慢。俄罗斯物理学家伊⼽尔·诺维科夫（Igor Novikov）说，苏 联礼炮号空间站上的航天员以每秒8千⽶的速度绕地球⻜⾏了1年时 间，他们于1988年返回地⾯后，相当于进⼊了百分之⼀秒后的未来。 这种时间膨胀效应是⾮常微⼩的，因为⻜机和⻜船的速度相对于光速 来说还是太慢了，但对于以接近光速⻜⾏的亚原⼦粒⼦来说，这⼀效 应就⼗分可观了。⼀个典型的例⼦是μ⼦，它们是由宇宙空间中的⾼速 原⼦核（即宇宙射线）轰击地球⼤⽓层顶部的空⽓分⼦所产⽣的。μ⼦ 以%光速的速度穿过空⽓，与此同时它们会在平均⼀百五⼗万分 之⼀秒的时间内发⽣衰变，也就是说，它们会在⻜⾏千⽶后消失。 然⽽，与这⼀预期不同的是，它们可以⻜⾏千⽶，⾜以⼀路抵达地 ⾯。实际上，每平⽅⽶地表每秒会受到⼏百个μ⼦的撞击，就在这⼀瞬 间它们正穿过你的身体！ 很明显，宇宙射线所产⽣的μ⼦⻜⾏的距离是我们当初所预想的25倍， 这⼀现象可以通过狭义相对论完美解释。μ⼦有⼀个内部时钟来触发其 衰变，根据爱因斯坦的理论，⾼速⻜⾏的μ⼦所经历的时间与在地表上 的我们所经历的时间不同。由于μ⼦的⻜⾏速度是光速的%，因 此在地表的观察者看来，μ⼦的时间流逝速度是地表的1/25，于是它们 存在的时间就会是原本预想的25倍，这些时间⾜够它们⼀路抵达地 ⾯。 那么，如果从μ⼦的视⻆来看⼜是怎样⼀番景象呢？此时，μ⼦的时间 流逝速度是完全正常的，因为它相对于⾃⼰是静⽌不动的！于是，它 会在⼀百五⼗万分之⼀秒后发⽣衰变。然⽽，它会看到地表以% 光速的速度接近，由于洛伦兹收缩导致其运动⽅向上的空间距离缩⼩ 为原来的1/25，因此它便能够在这极短的时间内抵达地⾯。⽆论你怎 么看——从μ⼦的视⻆来看，或是从位于地⾯的观察者视⻆来看，结论 都是成⽴的，这就是相对论的神奇之处。 假设有⼀个⽔平的⽊棒吊在天花板上，就像⼀个巨⼤的指南针。你看 不见它，你只能看到它在相互垂直的两⾯墙上投下的影⼦。你可以将 这两⾯墙上的影⼦分别叫作“长度”和“宽度”，但从不同⾓度看这个房间 的观察者所看到的长度和宽度也不同。类似地，时空从本质上说就像 这个指南针，我们只能看到它的两个影⼦——“时间”和“空间”，但不同 的观察者（处于不同的速度下）所看到的时间和空间也不同。⼀个⼈ 看到收缩的空间和膨胀的时间，另⼀个⼈可能看到膨胀的空间和收缩 的时间。时间和空间可以互换，因为它们都不是本体，真正的本体是 时空。 实际上，相对论并不是说⼀个⼈的时间和另⼀个⼈的时间不同，或者 ⼀个⼈的空间与另⼀个⼈的空间不同，事实更加匪夷所思。相对论说 的是，⼀个⼈的空间是另⼀个⼈的空间和时间，⽽⼀个⼈的时间是另 ⼀个⼈的时间和空间。 但这⼀步并不是爱因斯坦迈出的，⽽是爱因斯 坦⼤学时代的数学⽼师，曾经批评爱因斯坦是“懒惰的狗”的赫尔曼·闵 可夫斯基（Hermann Minkowski）迈出的，他说：“从现在起，空间 本身和时间本身都将只是影⼦，只有它们结合在⼀起才能真正存在。” 我们通常认为存在⼀个三维的空间——左右、前后和上下，以及⼀个 ⼀维的时间——过去和未来，但实际上只有⼀个四维的时空。当我们 接近光速时，会发现空间和时间的统⼀是⼀个显⽽易⻅的事实。只不 过我们⽣活在⼤⾃然的慢⾏道上，我们所经历的只是时空的影⼦，就 像⼀个物体在洞⽳壁上投下的平⾯影⼦——空间是⼀个影⼦，时间是 另⼀个影⼦。 当然，相对论还有更多的意义。为什么光是追不上的？到底是什么让 你追不上光呢？假设有⼀个物体被加速到越来越接近光速，那么它必 将产⽣越来越⼤的阻抗，⽽当物体以光速运动时，这⼀阻抗就会变成 ⽆限⼤，这就是为什么有质量的物体永远⽆法达到光速。要理解这⼀ 阻抗的来源，可以想象⼀个质量较⼩的物体，例如⼀个杯⼦，你很容 易推动它，但对于⼀个质量较⼤的物体，例如⼀台冰箱，你就很难推 动它。这种对移动的阻抗称为“惯性”，实际上惯性就是我们对质量的 定义。⼀个结论就是，⼀个物体被加速到越快的速度，它所产⽣的阻 抗就越⼤，因为实际上它的质量会变得越来越⼤。 当物体的速度增加时，唯⼀发⽣改变的是它的动能。如果你曾经被⼈ 骑⾃⾏⻋撞倒过，你就⼀定知道这种能量的厉害！动能具有质量，正 是这种质量产⽣的对移动的强⼤阻抗使得任何有质量的物体都⽆法达 到光速。实际上，爱因斯坦发现不仅动能具有质量，任何形式的能量 都具有等效的质量，⽽且他得出了⼀个或许是相对论中最令⼈震惊的 结论——能量和质量可以相互转化。不仅能量具有等效的质量，质量 也蕴含着能量。爱因斯坦将这⼀规律总结成了那个最著名的物理学公 式：E=mc2。 质量竟然是能量最紧凑的形式。质能向热能的转化不仅造就了氢弹的 毁灭性威⼒，同时也点燃了太阳，成了太阳光的最终能量来源。 第11章 脑 脑的主要活动就是改变它⾃身。 在头脑中，罂粟花是红的，苹果是⾹的，云雀是唱的。 奥斯卡·王尔德.⾃深深处[M].朱纯深，译.北京：译林出版社，2015：95. ——奥斯卡·王尔德（Oscar Wilde） ⼈脑包含⼤约1000亿个神经元以及1万亿个⽀持细胞，这些⽀持细胞为 神经元提供能量并维持它们的健康，但仅凭庞⼤的细胞数量并不能说 明⼈脑到底是如何⼯作的。美国神经科学家杰拉德·费施巴赫 （Gerald Fischbach）指出：“肝脏⼤约包含1亿个细胞，但是把1000 个肝脏连起来并不能创造出丰富的内⼼世界。” 蒂姆·伯纳斯-李.编织万维⽹：万维⽹之⽗谈万维⽹的原初设计与最终命 运[M].张宇宏，萧风，译.上海：上海译⽂出版社，1999：12. ⼈脑能产⽣丰富内⼼世界的秘密在于神经元之间的连接。⼈脑能编码 ⼤量的信息、记忆和思想，都是基于连接的⼒量。万维⽹ （World Wide Web）的发明者蒂姆·伯纳斯-李（Tim Berners-Lee） 说：“我们所知道的，我们所成为的，全部都来⾃我们的神经细胞进⾏ 联系的⽅式。” ⼈脑在持续地改变⾃身，它会根据通过身体感官涌⼊的外部信息更新 神经元之间的连接。美国科学作家乔治·约翰逊（George Johnson） 说：“当你读⼀本书或与他⼈对话时，这⼀经历就会在脑中产⽣物理改 变。你每次结束⼀段经历，你的脑就会被改变，有时是永久性的改 变，这想想还是有点⼉可怕的。” 和普通细胞⼀样，神经元也有⼀个细胞体，其中包含⼀个细胞核。但 不同的是，从神经元的⼀侧会伸出⼀条细⻓的缆绳状结构，称为“轴 突”，在神经元的另⼀侧则有数个像⼿指⼀样的突起，称为“树突”。轴 突可以向另⼀个神经元发送电脉冲，⽽树突则可以接收其他神经元通 过轴突发送的电信号（⻅图11-1）。 图11-1 神经元 ⼀个神经元可拥有多达约⼀万个树突，因此它能够与约⼀万个其他神 经元产⽣交互。这意味着⼈脑中可形成多达⼀千万亿个连接，这或许 能够解释⼈脑为什么能储存如此⼤量的信息，⽽正是这些信息让你成 为你。 关键在于，⼀个神经元的轴突并不是与另⼀个神经元的树突直接接触 的，它们之间有⼀个间隙，称为“突触”。在这⾥，来⾃轴突的电信号 会被转化为化学信使，并在轴突末端的⼀个称为“终扣”的结构处被释 放到突触间隙中。然后，这些化学信使会在突触间隙中扩散，并与受 体结合，打开离⼦通道从⽽触发⼀个新的电信号。 通过化学信使来介导电信号可以让神经元产⽣⾮常丰富的反应。这是 因为化学信使（或称为“神经递质”）有很多不同的种类，当且仅当树 突具备相应的受体时，神经递质就会对树突产⽣不同的作⽤。有些神 经递质会触发（激发）树突中的电流，⽽另⼀些则会阻断（抑制）树 突中的电流。 ⼈脑中Y重要的两种神经递质都是简单的氨基酸：γ-氨基丁酸 （GABA）和⾕氨酸，后者是⼀种化⽯级的古⽼化学信使系统，细菌从 ⼗多亿年前就在使⽤它。⽤旧⽅案来解决新问题是演化的⼀个常⻅特 性，⼏乎所有神经元之间的通信都是由GABA和⾕氨酸介导的。其他神 经递质，如多巴胺和⼄酰胆碱，只是对其发挥⼀定的调控作⽤。⼤多 数可以影响⾏为的药物，其原理都是通过阻断或模拟某种神经递质来 刺激特定受体或者产⽣与该神经递质相同的效果。 神经元经常被类⽐为计算机中的逻辑⻔。逻辑⻔由晶体管构成，多种 逻辑⻔连接在⼀起就可以构成电路，实现诸如将两个数相加之类的功 能。不过，逻辑⻔只是输⼊两个电信号，并根据输⼊的电流产⽣⼀个 输出信号，⽽神经元则可以接受来⾃⼀万多个树突的输⼊，其输出的 信号取决于所有这些输⼊信号与神经突触处的⼤量神经递质和受体之 间的复杂相互作⽤。因此，神经元是⼀台⽣物计算机的基本构件，正 如逻辑⻔是硅基计算机的基本构件⼀样，这种说法并没有错，但神经 元的功能远不⽌于此，实际上，⼀个神经元本身就是⼀台计算机。 ⼈脑的重量约为千克，通常是与我们⼤⼩相当的动物脑重量的约3 倍。它是我们已知宇宙中（当然，已知宇宙也是⼈脑⾃⼰已知的！） Y复杂的物体。根据美国神经科学家保罗·⻨克莱恩 （Paul MacLean）的理论，在演化过程中依次产⽣了3种不同的脑， 它们⼀层⼀层叠加起来形成了现在的⼈脑。美国记者莎朗·伯格利 （Sharon Begley）说：“⼈脑中的现代部分叠加在古⽼部分之上，就 像是在⼀台⼋轨磁带播放机的上⾯⼜造了⼀台iPod。” 我们那千克的“⼩宇宙”中Y原始的部分是脑⼲和⼩脑，它们是爬⾏ 动物的脑的主要结构。我们的“爬⾏动物脑”负责控制⾃动化的⽣命功 能，如体温、呼吸、⼼率和平衡。包裹在爬⾏动物脑外⾯的是在⼤约 2000万年前由Y早的哺乳动物所演化出的结构，这⼀被称为“边缘系 统”的结构主要组成部分包括海⻢体、杏仁核和下丘脑，它们负责将或 好或坏的经历作为记忆保存下来，因此它们也负责控制情绪。包裹在 边缘脑外⾯的是所有结构中Y⼤的，它就是“⼤脑”，或称为“新⽪ 质”，它Y早是在灵⻓类中开始发挥重要作⽤的。它可以驳回膝跳反射 这类由原始脑结构所产⽣的反应，并负责语⾔、抽象思维、想象以及 意识。它具有近乎⽆限的学习能⼒，也是我们⼈格的载体。简⽽⾔ 之，新⽪质让我们得以成为⼈。 实际上，在爬⾏动物脑、边缘脑和新⽪质外⾯，还包裹着另外⼀层结 构，那就是坚硬的头⻣。在头⻣⾥⾯还有三层强化保护组织，称为“脑 膜”，这三层脑膜之间填充有⼀些特殊的缓冲液体，称为“脑脊液”。 （脑膜发⽣感染会导致可能致死的炎症，称为“脑膜炎”。） 新⽪质分为两个半球，中间由⼀束称为“胼胝体”的神经纤维相连。因 此，我们其实有两个脑。⼀般来说，左脑更擅⻓解决问题、数学和书 写，⽽右脑则更富有创造⼒，擅⻓艺术或⾳乐。左脑控制右侧身体的 运动，⽽右脑则控制左侧身体的运动，造成这⼀现象的原因尚未完全 清楚。也正是因为这样，左脑发⽣卒中的⼈会丧失右侧身体的活动能 ⼒，反之亦然。（卒中通常是由脑⾎栓导致的，它会阻塞局部⾎供， 造成附近脑组织的损伤或坏死。） 这⾥有⼀个⼤问题：这些令⼈眼花缭乱的复杂神经回路是如何让我们 记忆和学习的呢？⼀般来说，我们会记住那些对我们重要的事，⽽忘 记那些对我们不再重要的事。如果听到⼀个新的意⼤利语单词，⽽且 你已经会说意⼤利语，那么相⽐不会说意⼤利语的⼈来说，你会更容 易记住这个新单词。如果你已经掌握了在滑雪板上保持平衡的⽅法， 那么相⽐从没滑过雪的⼈来说，你会更容易学会如何在冲浪板上保持 平衡。 此外，重复似乎对于记忆和学习也⾄关重要。婴⼉在学说话时会不断 重复同⼀个词，⼈们学习弹吉他时也会反复练习同⼀组和弦。当然， 上⾯这些例⼦并不能说明⼈脑中的神经回路是如何让我们记住新东⻄ 和学习新技能的，但它可以提示我们⼈脑中有两个关键的过程：和已 有知识建⽴联系以及重复。 我们已有的知识是通过⼈脑中1000亿个神经元之间的连接⽅式来编码 的。没有⼈知道这些连接⽅式是如何编码复杂信息的，但⽆论如何， 所有证据都指出，神经元之间的连接⽅式是我们形成知识的关键。神 经元之间的连接是通过树突形成的，即树突也就代表着我们的知识。 因此，要记忆新东⻄或学习新技能，神经元之间的树突连接⼀定需要 发⽣某种变化。 假设有两个已经建⽴连接的神经元——第⼀个神经元的轴突连接着第 ⼆个神经元的树突。现在第⼀个神经元开始发送信号，因为它受到了 某种刺激，可能是来⾃外界的感官信息。我们之前说过，两个神经元 之间的树突连接代表我们已有的知识，如果此时的刺激是重复的并且 与我们已有的知识相关——轴突和树突之间的突触间隙中释放的神经 递质就会放⼤相关的电信号，于是树突就会强化这⼀连接。这⼀强化 有多种⽅式，其中⼀种是树突⽣⻓出⼤量的“树突棘”从⽽增加其连接 点。 当然，仅由⼀个树突相连的两个神经元只能编码⾮常少的信息，但你 脑中的⼤量神经元联合起来，就可以编码你所有的知识。通过强化⼤ 量神经元⽽不只是⼀对神经元之间的连接，新知识会被永久连接到你 已有的知识中并记忆下来。⼩说家多丽丝·莱⾟（Doris Lessing） 说：“这就是学习，你突然明⽩了⼀些你原本就已经明⽩的事，但变换 了⼀种新的⽅式。” 通过神经元之间强化连接的过程，编码这些知识的⽹络持续发⽣着变 化。它不仅会强化连接，还会产⽣新连接，断开⼀些原有的连接。如 果将⼈脑中的神经⽹络想象成⼀⽚灌⽊丛，有些地⽅会⻓出新的枝 叶，⽽有些地⽅则会被修剪掉，正如相互之间没有共同信息的神经元 会断开连接⼀样，这就是遗忘的过程。⼈脑能做到，⽽宇宙中其他已 知的东⻄做不到的，就是对其⾃身的持续重构和重连。 学习新技能的过程与产⽣记忆的过程⾮常相似。例如，学习骑⻋需要 使⽤某些特定的肌⾁，于是强化与控制这些肌⾁的神经元相连的树突 就可以让它更快速更容易地控制这些肌⾁。因此，和记忆⼀样，像骑 ⻋这样的技能也是由⼀个神经元⽹络来编码的，它会⾃动形成永久的 连接。 神经元之间连接的增强和削弱以及产⽣新连接来修改⽹络结构的能 ⼒，称为“神经可塑性”。我的脑需要具备神经可塑性才能写出这些⽂ 字，⽽你的脑也需要具备神经可塑性才能读懂我的⽂字。 ⼈脑是⼀种超凡的计算机，因为普通硅基计算机只能根据⼈类编写好 的程序来完成⼀项任务，但⼈脑却不需要从外部进⾏编程，它是⼀种 ⾃编程计算机。婴⼉出⽣时就具备⼀个神经⽹络，其连接⽅式具有⽆ 数种可能性。对婴⼉的脑进⾏编程，即产⽣新连接、强化⼀些连接， 以及剪掉更多的连接，是通过他对世界的感受，通过眼睛、⽿朵、⿐ ⼦和⽪肤不断涌⼊的各种信息来完成的。 神经可塑性是⼈脑的⼀⼤秘密，正如⾃然选择之于演化，DNA之于遗 传学⼀样，神经可塑性是理解⼈脑的⼀个核⼼思想，没有它，⼀切都 毫⽆意义。神经可塑性解释了新经历是如何持续改变脑连接的，这是 ⼀团终极的可编程物质。它解释了婴⼉是如何从⼀张⽩纸成⻓为各具 特⾊的⼈，它还解释了相邻脑区的神经元可以接替与某些任务相关的 受损神经元，使得卒中病⼈能够恢复某些身体机能的现象。复健是⼀ 个漫⻓且艰⾟的过程，因为这⼀重编程过程与⼉童第⼀次学习某种技 能的过程⾮常类似。 神经可塑性会伴随你的⼀⽣，即便是百岁⽼⼈的脑也依然能够建⽴新 的连接，因此他们也能学会使⽤计算机。尽管不能像⼉童⼀样学得那 么快，但他们依然能够学会。 神奇的是，⼈脑只需要⼤约20瓦的功率就能够完成如此海量的计算， 这相当于⼀颗昏暗的电灯泡所需的功率。相⽐之下，与⼈脑计算效率 相近的超级计算机则需要20万瓦的功率。换句话说，⼈脑的能量效率 是超级计算机的1万倍。 尽管如此，脑依然是⼈体所有器官中能耗Y⾼的。虽然它的质量只占 ⼀个成年⼈体重的2%～3%，但是却消耗了全身氧⽓的⼤约20%，也 正是由于这⼀原因，地球上⼤多数⽣物都没有脑。美国认知科学家和 哲学家丹尼尔·丹尼特（Daniel Dennett）在他的著作《意识的解释》 中描述了幼年期的海鞘，它在海中游荡并寻找可以定植的岩⽯。当找 到岩⽯之后，它就不再需要脑了，于是就把脑给吃了。脑的能耗太⾼ 了，即便是像幼年期海鞘这样拥有脑的⽣物，也会在不再需要它时果 断地将其舍弃。哥伦⽐亚裔美国神经科学家鲁道夫·利纳斯 （Rodolfo Llinás）说：“基本上，⾃然界有两种动物：动物以及没有 脑的动物。后者被我们称为植物，它们不需要神经系统，因为它们不 需要主动运动，它们不会在发⽣森林⼤⽕的时候拔根逃跑！任何需要 主动运动的东⻄都需要神经系统，否则它会死得很快。” 科幻作家经常会想象未来的⼈类会拥有更⼤的脑，但这⼀想象与化⽯ 证据不符。我们的祖先克鲁⻢努⼈是⼀种⽣活在4万⾄1万年前的史前 ⼈类，实际上他们的身体和脑⽐我们的要⼤5%～10%。⼀个可能的原 因是他们每时每刻都要担⼼⾃⼰的⽣死存亡。⽽如今，我们⼤部分⼈ 都⽣活在相对安全的环境中，不需要⾃⼰打猎和觅⻝，被驯化的家养 动物⽐它们的野⽣近亲拥有更⼩的脑。正如古⼈类学家路易斯·李奇 （Louis Leakey）所说：“⼈类通过⽂明⾼效地驯化了⾃⼰。”因此， 未来⼈类的脑不⼤可能⽐我们的更⼤，反⽽可能⽐我们的更⼩。 我们能否完全理解⼈脑？⼀些学者认为，这在逻辑上是不可能的。美 国⽣物学家艾默⽣·M.⽪尤（Emerson ）说：“如果⼈脑简单 到能够被我们理解，那就意味着我们也简单到⽆法理解它。”从逻辑上 说，⽪尤是对的。⼈脑永远⽆法完全理解⼈脑，就像你永远不能提着 ⾃⼰的鞋带让⾃⼰停在半空中。不过，努⼒试图理解⼈脑的并不是只 有⼀个⼈的脑，⽽是许多⼈的脑，即国际科学共同体的集体智慧。正 如⼀句意⼤利谚语所说：“所有的⼤脑并不装在同⼀个脑袋⾥。” 第12章 ⼴义相对论 引⼒就是加速度。 如果⼀个正在观察鸟的物理学家落下⼭崖，他不必担⼼他的望远镜， 因为望远镜会随他⼀起下落。 ——赫尔曼·邦迪（Hermann Bondi） ⼀位天才对⼀个困扰⼈类400年的难题给出了⼀个简单的解释。这位天 才就是爱因斯坦，⽽这个难题则是伽利略通过⽐萨斜塔实验提出的。 据说伽利略曾经从⽐萨斜塔上扔下各种不同质量的物体，发现它们落 地所需的时间相同。 这样的实验是很难实现的，因为表⾯积较⼤的物体会受到更⼤的空⽓ 阻⼒，⽽表⾯积较⼩的物体会受到较⼩的空⽓阻⼒，所以直到很久之 后的⼀个实验才对此得出了明确的结果。1971年8⽉，阿波罗15号的指 挥官⼤卫·斯科特（David Scott）在⽆空⽓阻⼒的⽉球表⾯上让⼀把 锤⼦和⼀根⽻⽑同时下落，当时的⿊⽩电视机屏幕上出现了两团模糊 的尘⼟，这⽆可争辩地说明锤⼦和⽻⽑是同时落到⽉球表⾯的。 稍微思考⼀下就会发现，这真的是⼀个⾮常令⼈困惑的结果。假设冰 场上有两架相同的雪橇，⼀架是空的，另⼀架上⾯坐着⼀名⼉童。现 在假设⽤同样⼤⼩的⼒推动两架雪橇。显然，载有⼉童的雪橇质量更 ⼤，或者说惯性更⼤，因此⽐空雪橇更难推动，即更难改变其速度， 或者说更难加速。换句话说，对两个不同质量的物体施加同样⼤⼩的 ⼒所产⽣的加速度是不同的。 如果将上⾯的推⼒替换成引⼒，即对不同质量的物体施加相同的引 ⼒，那么它们应该获得不同的加速度才对。但实际上，它们下落的加 速度是完全相同的。看来引⼒可以根据物体的质量进⾏调整，例如， 如果⼀个物体的质量是另⼀个物体的两倍，那么它所受到的引⼒也是 另⼀个物体的两倍，这样就能补偿质量的差异，使两者产⽣相同的加 速度。 爱因斯坦的天才之处在于，他发现实际上并不需要引⼒做任何调整， 因为有⼀种情况可以让所有不同质量的物体⾃动产⽣相同的加速度。 1g相当于在地球表⾯的物体受到地球引⼒所产⽣的加速度，其⼤⼩约 为 假设有⼀艘载着⼀名航天员的宇宙⻜船，它位于⼀个远离地球等任何 引⼒源的地⽅。此时，假设⻜船的加速度为1g ，于是航天员就能够站 ⽴在船舱的地板上，就像站在地球表⾯上⼀样。假设窗外是⼀⽚漆 ⿊，⽽且船舱能够完美隔绝引擎产⽣的震动，那么此时这名航天员会 认为船舱就停在地⾯上。 现在，假设航天员⼿⾥拿着⼀把锤⼦和⼀枚图钉，从距离地板相同的 ⾼度放⼿。在航天员看来，这两样东⻄会在引⼒的作⽤下同时落到地 板上，但我们知道事实并⾮如此，因为⻜船周围没有任何引⼒源，所 以实际发⽣的事情是，锤⼦和图钉放⼿后悬在空中，然后地板以1g的 加速度向上加速。显然，地板会同时撞上锤⼦和图钉，不然还能怎么 样呢？对于伽利略所观察到的不同质量的物体会在引⼒的作⽤下以相 同加速度下落的现象，这是⼀种看起来⾮常简单的解释。 爱因斯坦的智慧之处在于，他发现在地表受到引⼒的作⽤，与以1g的 加速度加速运动，这两种情况是完全⽆法分辨的。实际上，它们不只 是⽆法分辨，⽽是⼀模⼀样的。我们发明了⼀种⼒称为引⼒，是因为 我们不知道我们实际上是在做加速运动。 我们正在做加速运动这件事并不是显⽽易⻅的，也正是因为这样，爱 因斯坦之前的所有⼈都没有注意到这⼀点。⽽且，这件事对那个航天 员也并不是显⽽易⻅的，因为他也认为⾃⼰正在受到引⼒的作⽤。不 过，假设航天员能从船舱左侧沿⽔平⽅向向右侧墙壁发射激光，那么 他会注意到右侧墙壁上光点的位置要⽐左侧稍微低⼀点点。这是因为 在激光穿过船舱的过程中，地板也同时在向上加速运动。（当然，这 ⼀效果⾮常微⼩，因为光速⾮常快，但这只是⼀个思想实验！） 然⽽，航天员认为他受到引⼒的作⽤，因此他会认为是引⼒让光线发 ⽣了弯曲，于是光线被向下拉了⼀点点。但实际上发⽣了什么呢？众 所周知，光在任意两点之间总会沿Y短的路径前进，也就是沿直线前 进。但是，对于⼀张纸上的两个点，只有当纸本身平坦时，两点之间 的Y短路径才是直线。如果纸是褶皱的，那么两点之间的Y短路径也 不再是直线了。于是我们可以认为，既然光线向下弯曲了，那么整个 空间就是弯曲的。⽽且，由于受到引⼒作⽤和做加速运动是⽆法区分 的，因此引⼒也⼀定等同于空间的弯曲。 这就是我们为什么能够在不知不觉中做加速运动的原因：空间是弯曲 的，尽管我们没有注意到。我们认为太阳和地球之间存在引⼒，就像 ⼀根⽆形的绳⼦拴着地球围绕太阳旋转。但其实这只是⼀种错觉。实 际上，根据爱因斯坦的理论，是太阳的质量让其周围的空间发⽣弯 曲，形成了⼀个低⾕，地球在低⾕的边缘运动，就像幸运⼤转盘⾥⾯ 的⼩球，它其实只是在惯性的驱使下，沿弯曲空间中的Y短路径运 动。这种路径称为“测地线”，可以理解为在平坦的⽩纸上⽤直线连接 两点之后，将⽩纸弯曲之后的样⼦（⻅图12-1）。 图12-1 ⾏星围绕太阳运动 说明：太阳使其周围时空形成了⼀个低⾕，⽽⾏星就像幸运⼤转盘⾥ 的⼩球⼀样在低⾕的斜坡上运动。 美国物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）⼗分精辟地概括了爱因斯坦 的引⼒理论：“物质告诉时空如何弯曲，⽽弯曲的时空告诉物质如何运 动。”这句话中的细节在于“时空”⼀词，即被物质弯曲的不仅是“空 间”⽽是“时空”（其实弯曲时空的并不仅是物质，⽽是能量，⽽质能只 是能量的⼀种Y紧凑的形式）。 质量弯曲的不仅是空间⽽是时空，这⼀点可以帮助我们理解为什么我 们能够在地球表⾯上做加速运动，与此同时我们还对此毫⽆察觉。和 任何⼤质量的物体⼀样，地球也会使其周围的时空发⽣弯曲，⽽我们 之所以没有跌落到时空的⾕底，是因为脚下的⼤地提供了向上的⽀持 ⼒，阻⽌我们继续下落。尽管我们没有在空间中运动，但却依然在时 空中运动，因为我们正在时间中运动。这让我们产⽣了⼀种引⼒的错 觉，正如在空间中加速的航天员也会产⽣引⼒错觉⼀样。实际上，地 球围绕太阳公转的路径很⼤程度上是由于时空中时间部分的弯曲形成 的，⽽空间部分的弯曲产⽣的影响相对较⼩。 物质能够弯曲时空，这还会造成另⼀个重要的现象。假设有⼀种理想 的时钟，它由⼀个激光器和⼀枚反射镜构成，激光器发出的激光通过 反射镜反射回来，我们将激光⼀来⼀回所经过的时间称为这个时钟 的“1秒”。假设有两个这样的时钟，⼀个放在地球表⾯，另⼀个放在⾼ 空中。越接近地表，引⼒越强，空间也越弯曲，地表的时钟中激光所 ⾛过的路径也越弯曲，这意味着激光需要更⻓的时间⾛完这段路径， 因此地表时钟的1秒要⽐⾼空时钟的1秒更慢。换句话说，引⼒能够使时 间变慢。 显然，这意味着住在较低楼层的⼈⽐住在较⾼楼层的⼈的年龄增⻓得 慢，因为较低的楼层更接近地球的质⼼，引⼒也会稍微更强⼀些。实 际上，2010年，美国国家标准技术研究所（NIST）的物理学家证明， 在⼀座阶梯上，站在下⾯⼀阶的⼈的时间就⽐站在上⾯⼀阶的⼈的时 间慢。这⼀差距⼗分微⼩，因为地球的引⼒相对较弱，但依然可以通 过两个⼗分精确的原⼦钟测量出来。 光的上下波动就像⼀个时钟，引⼒也会让光振动得更慢。红光⽐蓝光 振动更慢，因此这⼀现象被称为“引⼒红移”。引⼒红移由来⾃北美洲 的两位物理学家罗伯特·庞德（Robert Pound）和格伦·雷布卡 （Glen Rebka）于1959年证实。他们通过在⼀座⽶⾼的塔中向上 发射光束测量出了引⼒红移。这是⼀项了不起的成就，因为在如此短 的距离内引⼒红移效应是⾮常微弱的。不过，这⼀现象在⽩矮星所发 出的光中却⾮常容易观测到，⽩矮星是⼀种超⾼密度的恒星，其表⾯ 引⼒⾮常强。 1915年12⽉，正值第⼀次世界⼤战爆发期间，爱因斯坦在柏林的⼀系 列讲座中发表了⾃⼰的引⼒理论。这⼀理论被称为“⼴义”相对论，因 为它不仅适⽤于狭义相对论中所探讨的观察者以匀速运动的特殊情 况，同时也适⽤于观察者的运动速度发⽣变化，即处于加速运动时的 情况。它相⽐⽜顿的引⼒理论更近了⼀步，因为⽜顿的引⼒理论在很 多⽅⾯是与狭义相对论⽭盾的。 ⾸先，⽜顿引⼒定律认为太阳的引⼒可以瞬时影响地球——换句话 说，引⼒，或者说引⼒的影响，是以⽆限⼤的速度传播的。因此，如 果太阳奇迹般地突然消失了，那么地球应该会在瞬间注意到这⼀变化 并⽴即⻜离原本的轨道。然⽽，狭义相对论的⼀个基本观点就是没有 任何东⻄的速度能够超过光速。既然光需要经过分钟的时间才能从 太阳到达地球，那么如果太阳突然消失，地球也应该继续公转分钟 之后才会注意到这⼀变化并开始⻜离原本的轨道。爱因斯坦在⼴义相 对论中解决了这⼀⽭盾，⼴义相对论认为引⼒场也是以光速传播的。 ⽜顿引⼒定律与狭义相对论的第⼆个⽭盾在于，在⽜顿的理论中，质 量是引⼒的来源，⽽狭义相对论认为所有能量都具有等效质量，因此 它们都是引⼒的来源。这⼀⽭盾在⼴义相对论中也得到了解决。 爱因斯坦经过10年的深思熟虑才将狭义相对论推⼴到⼴义相对论。其 中，他Y重要的⼀个灵感出现于1907年，当时他正在瑞⼠专利局做⼀ 名专利核查员，⼯作⾮常清闲。“突破忽然有⼀天就降临了。当时我正 坐在伯尔尼专利局办公室的椅⼦上，突然⼀个想法冒了出来，如果⼀ 个⼈⾃由下落，那么他应该感觉不到⾃⼰的重量。” 此后，爱因斯坦⼀直将他关于⾃由下落的⼈感觉不到引⼒这⼀发现称 为其毕⽣Y幸福的⼀个想法。这个想法成了从狭义相对论跨越到⼴义 相对论的桥梁，因为如果⾃由下落的⼈感觉不到引⼒，那么这个⼈的 状态就可以⽤不包含引⼒的狭义相对论来描述，这意味着爱因斯坦可 以在他1905年发表的理论的基础上继续进⾏扩展。然⽽知易⾏难，爱 因斯坦花费了10年的时间，其间曾⽆数次⾛进死胡同，经过不懈努 ⼒，Y终才完成了⼴义相对论这⼀⾮常成功的理论，并以此告诉⼈们 引⼒只不过是时空的弯曲⽽已。 如果时空可以被质量或能量弯曲，那么它也会发⽣振动，产⽣起伏的 波动。这就是引⼒波——⼀种由爱因斯坦在1916年预⾔的时空涟漪。 由于引⼒⾮常弱，因此他怀疑引⼒波也⾮常弱，以⾄于⽆法被探测 到。然⽽，在爱因斯坦去世16年后，⼈们发现了⿊洞（参⻅第14 章）。⿊洞是已知Y强的引⼒源，它的发现改变了⼀切。2015年9⽉14 ⽇，美国物理学家成功探测到了由两个⿊洞的合并所引发的，横跨半 个宇宙才到达地球的引⼒波（参⻅第17章）。在爱因斯坦提出预⾔的 近100年后，他的预⾔终于得到了证实。 第13章 ⼈类演化 ⽤三个词来总结⼈类及其祖先的特点：迁徙、迁徙，还是迁徙。 我们居住在洞⽳⾥的祖先的基因组中，是否已经包含了⼀组或多组基 因，能够让现代⼈类创作出极其复杂的⾳乐以及撰写出含义深刻的⼩ 说呢？早期⼈类似乎已经具备了远超出适应当时环境所需要的智慧潜 能。 ——⼤野乾（Susumu Ohno） ⼤约700万年前的⾮洲，⼈类开始与⿊猩猩、倭⿊猩猩在演化路线上分 道扬镳。在随后的数百万年中，多个古⼈类物种离开了他们出⽣的摇 篮，通过数次迁徙前往世界的各个⻆落。我们这⼀物种——智⼈，⼤ 约出现于30万年前，曾经与其他⼀些古⼈类共同⽣活在地球上（⻅图 13-1）。然⽽，匪夷所思的是，其他古⼈类物种都已经灭绝，智⼈是 ⽬前仅存的⼀个⼈类物种。 图13-1 ⼈类物种的演化 留存到最后的⼈类物种：尽管只有⼀个⼈类物种存活到现在，但在过 去⼏百万年中，曾有数个不同的古⼈类物种共同⽣活在地球上。 ⼈类与⿊猩猩的演化分离可能是由于东⾮⼤裂⾕的⽓候变化导致的。 普遍⼲燥的⽓候导致森林⾯积缩⼩，古⼈类被迫⾛出森林来到稀树草 原上。原本已经适应了草原⽣活的⼤批⻝草动物的诱惑可能也对古⼈ 类⾛出森林起到了⼀定的作⽤。 理查德·道⾦斯，黄可仁.祖先的故事：⽣命起源的朝圣之旅（上）[M]. 许师明，郭运波，译.北京：中信出版集团，2019：81. 到⼤约450万年前，我们的祖先已经开始直⽴⾏⾛了⼀段时间，这让他 们得以从其他⼤多数动物中脱颖⽽出。对此，最⽣动的⼀个证据是在 坦桑尼亚拉多⾥发现的，它的年代⽐450万年前这⼀时间点稍晚⼀点。 ⼤约360万年前，3个南⽅古猿⾛过⼀⽚刚刚被落下的⽕⼭灰覆盖的区 域，他们的脚印得以保留⾄今并展现在我们眼前。理查德·道⾦斯 说：“有谁不好奇这些⼈彼此之间是什么关系？他们漫步的时候是否牵 着⼿？甚⾄他们是否交谈？他们在那个上新世的黎明⼀起做了什么被 时光遗忘的事？” 直⽴⾏⾛让我们的祖先能够去更远的地⽅寻找⻝物，以及从更远的地 ⽅发现捕⻝者的威胁。直⽴⾏⾛还解放了他们的双⼿来搬运⻝物、制 作⼯具以及挥动武器。但是，创新总要付出代价。直⽴⾏⾛需要对腿 ⻣的结构做出巨⼤的改变。不仅⼤腿⻣要变得更⻓，⻣盆要变得更 短、更宽，⽽且还需要演化出更有⼒的臀部肌⾁，即臀⼤肌，以便保 持⻣骼直⽴并带动它们进⾏奔跑。 所有这些改变都需要在直⽴⾏⾛能够带来任何⽣存优势之前完成，因 此直⽴⾏⾛是如何演化出来的⾄今尚不完全清楚。其中⼀个有趣的可 能是，⼈类最初的⼏步（字⾯意义上的）是在树上迈出的。⻓臂猿和 红⽑猩猩经常会在树枝间⽤双腿站⽴以便够到⾼处的多汁树叶和果 ⼦，因此我们的祖先可能当时也做了同样的事情。当他们来到草原上 时，便保持了之前的⾏⾛习惯，可能是为了从⼀棵树移动到另⼀棵树 以躲避危险。 尽管我们的南⽅古猿祖先已经学会了直⽴⾏⾛，但他们的脑依然很⼩ ——⽐其他猿类要⼤⼀点，但也就相当于⼀颗葡萄的⼤⼩。从此之 后，越来越⼤的脑成了⼈类演化的趋势，形成这⼀趋势的⼀个原因是 ⽕的使⽤以及烹饪的发明。可以确定的是，⽕和烹饪出现于⾄少约40 万年前，也有可能早在200万年前就已经出现了。⼤猩猩之类的猿类拥 有相对于体重来说⾮常巨⼤的胃⽤来消化⻝物，这会消耗⼤量的能 量。但是，烹饪能够将⻝物中的⻓链蛋⽩质分解成为可直接利⽤的氨 基酸，它就像是⼀个位于体外的胃，分担了体内的胃的⼀部分⼯作。 ⽤于消化⻝物的能量减少了，这些能量就可以⽤来强化脑的功能，毕 竟脑是⼀个更加耗能的器官，它消耗的能量占全身的约20%。促使脑 容量增⻓的另⼀个因素是更⼤⽐例的⾁⻝，因为⾁类相⽐植物来说能 量密度更⾼。 有了更⼤的脑，我们的祖先就可以从事更复杂的活动，如捕猎草原上 危险的⼤型动物，这需要复杂的团队协作才能完成。⼤规模合作的证 据来⾃男性和⼥性之间体型差异的逐渐缩⼩。在某些对雌性存在激烈 求偶竞争的物种中，雄性的体型都⽐雌性要⼤得多，这样他们才能战 胜其他雄性。⽽对于求偶竞争不太激烈，甚⾄是实⾏⼀夫⼀妻制的物 种，就不再需要这样的“两性异形”了。减少雄性之间的⽃争对于合作 狩猎的团队来说⾮常重要。 拥有更⼤的脑也让我们的祖先得以发展出⼯具。不过，在漫⻓的岁⽉ 中，这些⼯具的样⼦并没有发⽣太⼤的变化。⼈类最早的⼯具是被敲 碎后露出锋利边缘的鹅卵⽯，出现于⼤约260万年前的南⽅古猿晚期， 但在之后的⼤约100万年中，⼯具的样⼦⼏乎没有发⽣变化。⼤约170 万年前，出现了⼀些更复杂的⼿持⽯斧，它⽐之前的鹅卵⽯拥有更⻓ 更锋利的刃，但此后直到30万年前，⼯具的样⼦依然保持不变，这段 时间被古⼈类学家称为“⽆聊的140万年”。 当然，可能这段时间也出现了⽊制⼯具但没能流传下来。但是，⼯具 缺乏变化可能反映出在⼈类历史的⼤部分时间⾥，我们的祖先都是在 50⼈左右的较⼩规模群落中⽣活的，因此发明和创新不容易⼴泛传 播。像⽕这样的重要发现可能经历了数次发现、消失、再发现的过 程。直到最后⼀次冰期末期，即万年前，⼈类发明了耕种，伴随着 ⻝物的⼤量增加，⼈类才得以建⽴⼤规模的⽣活群落，增强了相互交 流，使发明和创新能够快速传播。 直⽴⼈是第⼀个具有⼈类身体外形的古⼈类物种，他们出现于190万～ 180万年前。在露天的草原上，直⽴⾏⾛具有⼀定的优势，因为这样可 以尽量减⼩身体被太阳直射的⾯积。可能就是在这个时候，我们的祖 先褪去了身上的⻓⽑，变成了⼀种与众不同的“裸猿”。通过裸露的⽪ 肤，直⽴⼈能够通过出汗的⽅式⾼效地散热。直⽴⼈还拥有⻓⻓的腿 和强有⼒的臀⼤肌，他们是天⽣的奔跑者，也许他们曾⻓距离追逐野 兽，不停地奔跑直到他们的猎物累倒在地。尽管⽐直⽴⼈跑得快的动 物有很多，但其他的捕⻝者，甚⾄是狼，都没有直⽴⼈跑得远。 直⽴⼈是第⼀个⾛出⾮洲的古⼈类物种，可能是在⽓候变化的驱使 下，他们于⼤约180万年前⾛出⾮洲，⾸先传播到⻄亚，然后是东亚和 南欧。⼤约60万年前，可能有另⼀个古⼈类物种——海德堡⼈第⼆次 ⾛出⾮洲，他们是尼安德特⼈和现代⼈类的祖先。然⽽，尽管⾮洲通 常被认为是⼈类演化的摇篮，但也有观点认为某些演化发⽣在⾮洲之 外，然后这些古⼈类物种后来⼜回到了⾮洲。⽬前，并没有⾜够的化 ⽯记录证明存在这样的事件。 智⼈⾸先出现在30万年前的⾮洲，相⽐他们的祖先，智⼈具有显著增 ⼤的脑，并发展出庞⼤的新⽪质，因此具备了更强的思维能⼒。智⼈ 分别于10万年前和6万年前先后两次⾛出⾮洲⼤陆，并逐渐取代了此前 ⾛出⾮洲的其他⼈类物种。 在欧洲，现代⼈类与尼安德特⼈发⽣了接触，他们与这些身材矮⼩粗 壮，颧⻣格外突出的古⼈类共同⽣活了⼏万年，随后尼安德特⼈于⼤ 约4万年前灭绝。实际上，说尼安德特⼈已经灭绝是不完全正确的，因 为他们与我们的物种发⽣了混⾎。我们之所以知道这⼀事实，是因为 在现代欧洲⼈的DNA中，有⼤约2%来⾃尼安德特⼈。⽽且，⼀个⼈携 带的2%与另⼀个⼈携带的2%并不相同，再加上全世界总共有约80亿 ⼈，因此现存的尼安德特⼈DNA总量显然⽐他们在地球上存在的时候 还要多！ 尼安德特⼈可能是最后⼀个在地球上与我们共同⽣活过的⼈类物种， 我们只是侥幸胜出⽽已。⼤约5万年前，现代⼈类到达印度尼⻄亚的佛 罗⾥斯岛（可能产⽣了灾难性的后果），那⾥是佛罗⾥斯⼈的家园。 佛罗⾥斯⼈是在2004年才被发现的，他们有个昵称叫“霍⽐特⼈”，因 为他们的身⾼只有1⽶左右。岛屿矮态常⻅于⽣活范围局促的物种，这 是为了适应有限的⻝物资源，佛罗⾥斯⼈是唯⼀已知遭遇这⼀命运的 ⼈类物种。 佛罗⾥斯⼈有可能是直⽴⼈的后代，也可能是⼀种早于直⽴⼈⾛出⾮ 洲的未知古⼈类的后代。在180万年前的当时，⼤量海⽔被封锁在冰盖 中，因此东南亚半岛的⾯积⽐现在要⼤，像佛罗⾥斯岛这样的岛屿在 当时是可以直接通过陆地到达的。 随着现代⼈类的⾜迹遍布世界，他们不仅遇到过佛罗⾥斯⼈和尼安德 特⼈，还遇到过丹尼索瓦⼈。丹尼索瓦⼈的发现来⾃2008年在⻄伯利 亚阿尔泰⼭脉的丹尼索瓦洞⽳中出⼟的⼀根指⻣，⼈们发现⼤部分东 亚⼈身上都有丹尼索瓦⼈的DNA。这⼀发现提出了⼀个问题：还有多 少我们没发现的其他古⼈类物种？由于⼤部分古⼈类物种的种群数量 都不超过10万⼈，可能最多100万⼈，因此其⻣骼化⽯是极其罕⻅的， 有可能整个物种⾃始⾄终都没有留下任何痕迹，只有在他们曾与智⼈ 或智⼈的某个祖先发⽣过杂交的情况下，其DNA才会保留下来并诉说 着他们的秘密。 为什么智⼈能够成为最后唯⼀幸存下来的⼈类物种呢？这依然是⼀个 未解之谜。其中⼀种可能性与我们更⻓的童年有关。在过去的150万年 中，⾃然选择演化在我们的婴⼉期和⻘春期之间额外增加了6年的时 间。实际上，这是由双⾜直⽴⾏⾛造成的，因为直⽴的姿态需要让臀 部变窄，于是产道也随之变窄。由于我们的脑⻓得越来越⼤，这迫使 我们还处于胎⼉阶段时就要提早出⽣，将更多的⽣⻓发育过程留到⼦ 宫外完成。 重要的是，有证据表明尼安德特⼈的童年更短，他们可能早在⼗⼀⼆ 岁就能达到性成熟。童年时期⼈脑的可塑性更⾼，也拥有更强的重连 接能⼒，因此更⻓的童年为我们提供了对快速变化的环境更强的适应 能⼒，⽽当时正值冰期末期，⽓候快速变化，尼安德特⼈就在那时灭 绝了。美国作家奇普·沃尔特（Chip Walter）说：“若⾮拥有漫⻓的童 年，我们也不会成为留存到最后的猿⼈。” 或许，⼈脑在童年时期的剧烈适应性变化能够解释为什么我们与祖先 之间微⼩的DNA差异会产⽣如此不同的能⼒。尽管我们与⿊猩猩有 98%～99%的DNA都是相同的，但它们不会说话，更不会建造城市、 制造智能⼿机或是登上⽉球。显然，⼀定有某种东⻄将这1%～2%的 基因差异放⼤，最终形成现实世界中超乎想象的巨⼤优势。 第14章 ⿊洞 ⼀团极度致密的物质在时空中制造了⼀个⽆底洞，任何东⻄，甚⾄是 光，都⽆法从中逃脱。 ⿊洞是宇宙中最完美的宏观物体：其构造中的唯⼀元素就是我们的时 空观念。 ——苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar） 质量极⼤的恒星会产⽣极强的引⼒，甚⾄连光都⽆法逃脱，因此看上 去是⿊⾊的，第⼀个认识到这⼀点的是18世纪的⼀位神职⼈员和博学 家约翰·⽶歇尔（John Michell）。尽管他预⾔了“暗星”的存在，但他 的推理却是错误的，因为他错误地认为质量极⼤的天体是可以存在 的，⽽不会由于其本身庞⼤的引⼒坍缩成⼀个微⼩的质点。直到爱因 斯坦提出的引⼒理论取代了⽜顿的理论之后，我们才能真实地描述在 极⼤的引⼒下会发⽣什么。但令⼈意外的是，这⼀描述并不是爱因斯 坦本⼈给出的。 卡尔·史瓦⻄（Karl Schwarzschild）是⼀位柏林天⽂学教授，在第⼀ 次世界⼤战爆发时他志愿参军，因为当时反犹太主义兴起，他需要以 此证明犹太⼈也是爱国的德国⼈。此后，他在⽐利时管理过⽓象台， 在法国的炮兵阵地计算过弹壳轨迹。1915年12⽉末，他全身突发疱 疹，剧痛难忍，并在阿尔萨斯前线的⽶卢斯战地医院被诊断为寻常型 天疱疮，这是⼀种⾃体免疫疾病，即患者的免疫系统攻击⾃⼰的⽪ 肤。 1915年11⽉，爱因斯坦在柏林的普鲁⼠科学院举办了⼀系列为期四周的 讲座，并在此期间发表了他的新引⼒理论。当时正在休假的史瓦⻄参 加了11⽉18⽇的那场讲座。⽜顿将太阳和地球之间的引⼒想象为⼀根⽆ 形的绳⼦，它拴着地球在轨道上公转，⽽爱因斯坦发现实际上是太阳 的质量弯曲了周围的时空，形成了⼀个低⾕，⽽地球则是在这个低⾕ 的边缘运动，就像幸运⼤转盘中的⼩球⼀样。 问题在于如何计算出在任意质量下时空的精确弯曲程度，这是⼀个⾮ 常困难的问题，因为原本⽜顿的理论中只有⼀个引⼒⽅程，⽽爱因斯 坦却给出了10个，就连他⾃⼰也只能计算出太阳这样的恒星附近时空 弯曲的近似解。然⽽，史瓦⻄却超越了爱因斯坦，他计算出了时空弯 曲的精确解。史瓦⻄将他的解法发给了在柏林的爱因斯坦，爱因斯坦 对此感到⼤为震撼。 约翰·惠勒于1967年创造了“⿊洞”⼀词，其灵感来⾃课堂上⼀名学⽣的 提议。 但史瓦⻄并未⽌步于此。他发现如果恒星的质量被挤压到更⼩的体 积，则其周围的时空低⾕会变得更深，最终变成⼀个⽆底洞，任何东 ⻄，甚⾄是光，都⽆法从中逃脱。对于这样⼀个物体，它的名字要到 半个世纪之后才被发明出来，但如今地球上⼏乎所有⼈都知道这个 词，那就是“⿊洞”。 当⼀颗⼤质量恒星迎来⽣命的终结，即它已经消耗了所有的燃料，不 能继续产⽣向外膨胀的热量以抵抗向内收缩的引⼒，此时它将会变成 ⼀个⿊洞。然⽽，爱因斯坦并不相信这样⼀种物体有可能会存在（但 他同时也没有意识到他的理论暗示了宇宙⼤爆炸的存在——没有⼈是 不会犯错的），⽽且持这样观点的并不只有他⼀个⼈。问题在于，如 果⼀颗恒星坍缩到⾜够⼩并成为⿊洞，那么它的引⼒将使其继续坍缩 下去，直到它变成⼀个体积⽆限⼩，密度⽆限⼤的点。这样的“奇 点”是⽆法容忍的，没有意义的，这意味着⼀个理论彻底失效，⽆法给 出任何有意义的解释。 数⼗年来，物理学家们⼀直在努⼒证明⼤⾃然有办法防⽌引⼒将恒星 压缩到这样⼀个可怕的奇点。20世纪20年代，⼈们寄希望于量⼦理 论。根据海森堡不确定性原理（参⻅第7章），如果组成物质的基本构 件被挤压到⾜够近的距离，它们就会互相排斥，就像⼀群愤怒的蜜 蜂。但是，在1903年，⼀位名叫苏布拉⻢尼扬·钱德拉塞卡的19岁印度 物理学家证明，只要恒星的质量超过太阳的倍，即便是量⼦理论也 不⾜以防⽌它失控坍缩成为⼀个没有体积的点。 接下来，⼈们寄希望于旋转能够防⽌⿊洞的形成，或许旋转产⽣的向 外的离⼼⼒能够防⽌引⼒的失控。但是，在1963年，新⻄兰数学家罗 伊·克尔（Roy Kerr）找到了能够描述在旋转中坍缩的恒星周围时空弯 曲的精确表达式——其结果依然是⼀个⿊洞。钱德拉塞卡后来写 道：“在我超过45年的漫⻓科研⽣涯中，最令我震惊的⼀次经历就是克 尔发现了爱因斯坦⼴义相对论⽅程的精确解，它给出的精确表达意味 着宇宙中充斥着⽆数个巨⼤的⿊洞。” 还有⼀种可能，⼀颗⼤质量的恒星并⾮均匀坍缩，因此其中的物质也 不会同时精准地集中于⼀个点上，这样也可以防⽌奇点的形成。然 ⽽，在1965—1970年，英国物理学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose） 和史蒂芬·霍⾦证明了⼀系列奇点定理，并指出⽆论引⼒坍缩如何不均 匀，奇点总是⽆法避免的。 在⿊洞的数学研究⽅⾯取得进步的同时，却很少有⼈认真研究如何在 宇宙中寻找真正的⿊洞。⼏乎所有⼈都认为，因为⿊洞会吸收⼀切， 包括光，所以它们是⿊的，在漆⿊的宇宙空间中是不可能被观测到 的。但他们错了，他们忽略了⼀点，即⿊洞并不像在数学概念中那样 是孤⽴存在的，⽽是镶嵌在星系物质之中，这⼀点改变了⼀切。 1971年，在位于英格兰东萨塞克斯郡赫斯特蒙索堡的格林尼治皇家天 ⽂台⼯作的两位天⽂学家保罗·默丁（Paul Murdin）和路易丝·⻙伯斯 特（Louise Webster）正在寻找位于天鹅座的⼀个强⼤的X射线源。他 们瞄准了⼀颗编号为HDE 226868的巨恒星，发现它围绕着⼀个不存 在的东⻄旋转。通过其轨道周期为天这⼀线索，他们推算出这个不 存在的东⻄是⼀个质量⾄少相当于太阳4倍的天体。⼀个质量巨⼤同时 ⼜完全⿊暗的天体，符合这⼀条件的只能是⿊洞。 天鹅座X-1是天⽂学家们在银河系中发现的10多个⿊洞中的第⼀个。其 中，X射线（⾼能光束）来⾃从相邻的巨恒星上吸出来的物质，它们像 流进地漏的⽔⼀样以漩涡状被吸进⿊洞，并在这个过程中被加热到⽩ 炽状态。默丁和⻙伯斯特指出，尽管⿊洞确实是⿊的，但处于周围环 境中的⿊洞却不是⿊的。 天鹅座X-1是⼀个恒星级⿊洞，它是由⼀颗⼤质量恒星形成的。这颗恒 星在其⽣命末期发⽣超新星爆发，⽽它的内核却反过来向内坍缩。然 ⽽，早在多年前⼈们就发现了另⼀种完全不同类型的⿊洞存在的证 据，只不过当时没有⼈意识到它是⼀个⿊洞。1963年，加州理⼯学院 的荷兰裔美国天⽂学家⻢丁·施密特（Maarten Schmidt）发现了类星 体，它们的体积只有太阳系⼤⼩，但它发出的光却相当于⼀个包含 1000亿颗恒星的星系所发出的光的100倍，驱动恒星的核聚变能量根本 不⾜以产⽣这样的现象。1969年，剑桥⼤学的天体物理学家唐纳德·林 登-⻉尔（Donald Lynden-Bell）提出，类星体只有⼀种解释，那就是 ⼤量物质在经过吸积盘被吸⼊⿊洞的过程中被加热到数百万摄⽒度， 但这⾥的⿊洞不是天鹅座X-1这种恒星级⿊洞，⽽是质量相当于数百亿 个太阳的超⼤质量⿊洞。 类星体的⼤部分能量来⾃位于其中⼼的超⼤质量⿊洞，⽽并⾮来⾃恒 星发出的光，但具有同样特性的并⾮只有类星体⼀种，这种类型的星 系还包括赛弗特星系和耀变体。由于这种活动星系只占所有星系的约 1%，因此⼈们可能会认为超⼤质量⿊洞是⽐较罕⻅的。然⽽，20世纪 90年代发射的哈勃空间望远镜，由于其位于⾼空轨道消除了⼤⽓散射 效应，因此能够观测到在很多星系中⼼⾼速运动的恒星，并证明它们 都是在超⼤质量⿊洞的引⼒作⽤下运动的。现在我们知道，⼏乎每个 星系的中⼼都有⼀个超⼤质量⿊洞，只不过在99%的星系中，⿊洞都 没有处于活动状态，因为它周围缺少⾜够的⽓体和撕裂的恒星。 2019年4⽉，由全球射电望远镜阵列组成的事件视界望远镜（EHT）得 到了史上第⼀张⿊洞照⽚，它被命名为M87星系，是⼀个质量相当于 65亿个太阳的巨型怪兽。这张照⽚展现了事件视界表⾯的炽热⽓体， 事件视界是⼀个临界点，越过这个临界点的所有物质和光都会有去⽆ 回，不会再次出现在我们这个宇宙中。EHT团队花了更⻓的时间对收 集⾃射⼿座A*的数据进⾏分析，这是位于我们银河系中⼼的⼀个质量 相当于43亿个太阳的超⼤质量⿊洞。这张照⽚最终于2022年5⽉12⽇ 发布。 为什么在每个星系的中⼼都有⼀个超⼤质量⿊洞呢？原因不得⽽知。 是不是先有了超⼤质量⿊洞，然后星系和恒星才以它为核⼼开始聚拢 的呢？还是先诞⽣了星系，然后在其核⼼再形成超⼤质量⿊洞的呢？ 这是⼀个宇宙级别的先有鸡还是先有蛋的问题。尽管天⽂学家已经明 确知道恒星级⿊洞是⼤质量恒星在⽣命末期发⽣超新星爆发形成的， 但没有⼈知道超⼤质量⿊洞是如何形成的。它们是由稠密星团中的恒 星合并形成的呢，还是由巨型⽓体云直接坍缩形成的呢？对⼀些在宇 宙诞⽣后⼏亿年内形成的星系所进⾏的观测让这个问题变得更加扑朔 迷离，这些星系的中⼼已经形成了质量相当于数⼗亿个太阳的超⼤质 量⿊洞（⻅图14-1）。 图14-1 引⼒引擎 说明：某些星系的中⼼存在超⼤质量⿊洞，它们强⼤的能量抛射出⾼ 速喷流，将⼤量物质喷射到所在星系之外的宇宙空间。 从宇宙尺度来看，超⼤质量⿊洞和其所在星系相⽐还是很⼩的，就像 洛杉矶这样的⼤城市中的⼀个细菌。然⽽，⼤⼩并不重要，重要的是 它们所释放的庞⼤能量。超⼤质量⿊洞的巨⼤能量可以从其两极抛射 出超⾼速物质喷流。在星系的中⼼区域，喷流的速度很快，会将有可 能形成新恒星的⽓体物质吹⾛，从⽽阻碍恒星的形成。⽽在星系的外 围区域，喷流速度变慢，⽓体受到压缩，从⽽引发恒星的形成。 随着EHT发布更多超⼤质量⿊洞的照⽚，⼈们将可以对爱因斯坦引⼒ 理论的预⾔进⾏精确的验证。同时，各种⿊洞也是我们基本物理理论 的测试场。实际上，爱因斯坦的引⼒理论预⾔⿊洞中⼼存在⼀个毫⽆ 意义的奇点，这表明这⼀理论在此处是失效的，我们需要⼀个更深⼊ 更完善的理论。量⼦理论成功解释了亚微观领域中物质的基本构件， 以及将这些基本构件结合在⼀起的三种⾮引⼒作⽤⼒。于是，⼈们希 望能找到⼀种“万能理论”，将爱因斯坦的引⼒理论与量⼦理论统⼀起 来，从⽽揭示⿊洞中⼼到底发⽣了什么。 ⿊洞已经显示出爱因斯坦的引⼒理论与量⼦理论之间存在某种出乎意 料且⼗分巨⼤的联系。1973年，霍⾦对包围⿊洞的事件视界这⼀单向 膜的量⼦效应进⾏了思考。在远离⿊洞的地⽅，量⼦理论告诉我们真 空中充满了由亚原⼦粒⼦及其反粒⼦在瞬间出现和湮灭所产⽣的能 量。然⽽，在事件视界的边缘，事情会变得不同。⼀对粒⼦和反粒⼦ 产⽣之后，其中⼀⽅可能会进⼊事件视界⽽落⼊⿊洞。由于没有相反 的粒⼦引发湮灭，留下来的粒⼦便会永久存在，从“虚粒⼦”的状态跃 升为⼀个“实粒⼦”（参⻅第19章）。 根据霍⾦的理论，这些称为“霍⾦辐射”的粒⼦会持续从⿊洞中流出， 于是⿊洞便不再是⿊的了！在此之前，以⾊列物理学家雅各布·⻉肯斯 坦（Jacob Bekenstein）发现⿊洞的表⾯积与它的熵相关。这是⼀个 匪夷所思的结果，因为熵是⼀个衡量系统⽆序程度的热⼒学属性，它 与温度相关。然⽽，⼀切存在辐射的物体都具有温度，霍⾦发现⿊洞 存在辐射，那么⿊洞也⼀定具有温度。 对于恒星级⿊洞来说，霍⾦辐射极其微弱，但对于宇宙⼤爆炸产⽣的 微型⿊洞来说却是⾮常显著的。霍⾦辐射的能量⼀定来⾃某个地⽅ ——它来⾃引⼒场本身。因此，当引⼒场随时间逐渐减弱，最终⿊洞 会在⼀道耀眼的霍⾦辐射中消失。这引出了⼀个难题，因为量⼦理论 的基本性质是信息⽆法被消灭。当⿊洞消失，或者说“蒸发”之后，原 本描述变成⿊洞的那颗恒星的信息，即描述构成恒星的每个原⼦的类 型和位置的信息到哪⾥去了？⾄今这仍然是科学界中⼀个尚未解决且 充满争议的问题。 ⽤美国物理学家约翰·惠勒的话来说：“⿊洞告诉我们空间可以像⼀张 纸⼀样团成⼀团直到成为⼀个⽆限⼩的点，时间可以像被吹灭的⽕焰 ⼀样消失，⽽我们认为‘神圣’且不可改变的物理定律也可以变得毫⽆意 义。” 第15章 标准模型 世界的纷繁复杂都来⾃三种基本作⽤⼒结合在⼀起的，区区三种基本 构件的排列组合。 当然，我想写的是红矮星和⽩矮星的故事，它们的记忆之镜，它们的 宇宙⽕箭（以反引⼒驱动），它们的乘务员强⼦、胶⼦、π介⼦、轻⼦ 和μ⼦，以及粲夸克和有⾊夸克。但我们不可能都是物理学家。 ——多丽丝·莱⾟ 标准模型是⼀种关于世界基本构件以及它们如何相互结合的理论。它 描述了万物——从星系、恒星到⼈——是如何由12种物质粒⼦组成 的，它们通过三种⾮引⼒作⽤⼒产⽣相互作⽤，然后由⼀种称为希格 斯玻⾊⼦的特殊粒⼦将其在整体上绑定在⼀起。尽管“标准模型”这个 名字听上去平平⽆奇，但它是400年来物理学的巅峰，也是史上最成功 的科学理论之⼀。以⾊列裔美国物理学家内森·塞伯格 （Nathan Seiberg）说：“它为我们提供了⾼达10位⼩数的精度，这是 之前在科学上从未取得过的成就。” 标准模型中的基本粒⼦分为两种：费⽶⼦（物质的构件）和玻⾊⼦ （物质之间作⽤⼒的介质）。以电⼦为代表的费⽶⼦的⼀个重要特性 是它们必须遵守泡利不相容原理，即不允许两个相同的费⽶⼦在空间 中处于同⼀位置。美国物理学家理查德·费曼说：“事实上，电⼦不能 彼此堆积在⼀起以维持桌⼦和其他所有东⻄的固体形状。”与“社恐”的 费⽶⼦不同，以光⼦为代表的玻⾊⼦都是“社⽜”，它们不受泡利不相 容原理的制约，可以⽆限地彼此堆积在⼀起，⽆数光⼦可以在⼀束激 光中⼀起流动。 实际上，夸克也可以两个⼀对构成介⼦，其中包含⼀个夸克和⼀个反 夸克（参见第19章）。夸克具有⼀种称为“⾊荷”的属性，它可以类⽐ 为“电荷”，但具有三种不同类型：蓝、绿和红，但它并不代表实际的 颜⾊。所有复合粒⼦，如质⼦和中⼦（含有⼀个蓝⾊、⼀个红⾊和⼀ 个绿⾊夸克），以及介⼦（含有⼀个任意颜⾊的夸克和⼀个相同颜⾊ 的反夸克），都是⽆⾊的，或者说是⽩⾊的。 我们先讲讲物质粒⼦——费⽶⼦。不可思议的是，我们和世界万物都 是由区区三种费⽶⼦构成的：电⼦、上夸克和下夸克。夸克以三个为 ⼀组构成质⼦和中⼦，其中质⼦由两个上夸克和⼀个下夸克构成，⽽ 中⼦由两个下夸克和⼀个上夸克构成。 质⼦和中⼦进⼀步构成原⼦ 核，再加上电⼦就构成了原⼦。⾃然界中天然存在的原⼦共有92种： 从最轻的氢，到最重的铀。 尽管宇宙中的物质都可以解释为电⼦、上夸克和下夸克的⽆尽排列组 合，但实际上还存在第四种物质粒⼦，它的性质与其他三种物质粒⼦ ⼤相径庭。中微⼦的质量只有电⼦的⼀百万分之⼀，⽽且它也极度“社 恐”，⼏乎不会与物质产⽣任何相互作⽤。中微⼦是恒星发光核反应的 副产物（参⻅第4章），在宇宙⼤爆炸的最初时刻也产⽣了⼤量的中微 ⼦。宇宙中充斥着这种幽灵般的粒⼦，事实上，中微⼦是宇宙中仅次 于光⼦的数量第⼆多的亚原⼦粒⼦（参⻅第20章）。 于是，四种物质粒⼦构成了世界万物。如果事情到此为⽌的话那就太 简单了，但事实并⾮如此。出于未知原因，⼤⾃然决定将这四种基本 构件复制三份，于是便额外多出两“代”物质粒⼦，它们之间的区别主 要在于质量⼤⼩。因此，电⼦、上夸克、下夸克和中微⼦都属于第⼀ 代物质粒⼦，除此之外，还有第⼆代物质粒⼦：μ⼦、奇夸克、粲夸克 和μ中微⼦，以及第三代物质粒⼦：τ⼦、顶夸克、底夸克和τ中微⼦ （⻅图15-1）。μ⼦具有和电⼦相同的性质，但其质量是电⼦的207 倍，⽽τ⼦的质量是电⼦的3000倍。所有的⾮夸克物质粒⼦统称轻 ⼦。 图15-1 物质的构成 三⽣万物：通常的物质是由仅仅三种粒⼦的排列组合构成的：上夸 克、下夸克和电⼦（再加上电中微⼦）。但出于某些神秘的原因，⼤ ⾃然将其基本构件复制了三份。 为什么会有三代物质粒⼦呢？物理学家们对此感到⼗分不解。美国物 理学家伊⻄多·艾萨克·拉⽐（Isidor Isaac Rabi）在1936年发现μ⼦时 说：“这是谁定的？”更重版本的粒⼦是不稳定的，它们很快就会衰变 为常⻅的第⼀代粒⼦。由于它们太重，需要很⼤的能量才能产⽣，因 此如今我们只能在粒⼦加速器以及⾼能宇宙射线中⻅到它们。不过， 它们也会在宇宙⼤爆炸的⾼能条件下产⽣，因此我们有理由相信它们 在如今的宇宙形成的过程中扮演了重要的⻆⾊。 像所有类⽐⼀样，这种类⽐并不完美。它只能解释排斥的⼒，⽽不能 解释吸引的⼒，这需要对“量⼦”更加深⼊的理解。 讲完了构成我们的基本物质粒⼦，下⾯来讲讲将它们结合起来的基本 作⽤⼒。⾮引⼒作⽤⼒分为三种：电磁⼒、强⼒和弱⼒，每种⼒都有 ⼀种对应的粒⼦，即承载作⽤⼒的玻⾊⼦。想象⼀下有两名⽹球运动 员在来回击打⽹球，⼒通过⽹球撞击球拍的⽅式在两名运动员之间传 递，⽽载⼒粒⼦也是以这种⽅式在物质粒⼦之间传递作⽤⼒的。 电磁⼒是最常⻅的基本作⽤⼒。它不仅将物质中的原⼦绑在⼀起，还 建⽴了我们这个紧密连接的电⼒世界（参⻅第2章）。电磁⼒会作⽤于 所有带电荷的物体，所以它会作⽤于电⼦类的粒⼦和夸克，但不会作 ⽤于呈电中性的中微⼦。对于⼀个静⽌不动的电⼦来说，其电磁场会 向各个⽅向传播，但如果凑近了看，会发现它是由电磁场的粒⼦—— 光⼦构成的。 第⼆种基本作⽤⼒是强⼒。它体现了轻⼦和夸克的主要区别，因为强 ⼒只作⽤于夸克⽽不作⽤于轻⼦，所以它会作⽤于由夸克构成的质⼦ 和中⼦。强⼒负责维持原⼦核的结构，也是核裂变和原⼦弹爆炸所释 放的能量的来源。正如光⼦对应着电磁⼒，也有⼀个粒⼦对应着强 ⼒，它就是胶⼦（实际上，胶⼦不是只有⼀种类型，⽽是有⼋种类 型）。此外，正如电⼦是电磁场的发⽣源，夸克则是胶⼦场的发⽣ 源。但这⾥有⼀个主要且显著的不同点。电⼦所产⽣的电磁场是辐射 状传播的，其强度会随传播距离⽽衰减，但夸克会产⽣⼀条细⻓的“通 量管”，就像⼀根丝线⼀样，它只能连接到另⼀种不同类型的夸克，因 此强⼒不会随距离衰减，⽽且其强度很⾼。 要分开两个夸克需要巨⼤的能量，这⼀能量⾜以产⽣⼀个新的夸克-反 夸克对的质能（参见第10章），因此夸克永远⽆法孤⽴地存在。 因为夸克是由通量管相连的，所以它们⽆法被分开，我们也不可能⻅ 到⼀个单独的夸克。 夸克总是在质⼦、中⼦这样的复合粒⼦内部以相 互结合的⽅式存在。 第三种基本作⽤⼒是弱⼒。和强⼒⼀样，它也只作⽤在亚原⼦尺度。 弱⼒是唯⼀⼀种作⽤于所有粒⼦的⼒（实际上，弱⼒是唯⼀能作⽤于 中微⼦的⾮引⼒作⽤⼒）。不过，弱⼒并不能让粒⼦相互结合，⽽是 会产⽣⼀种特别的却很显著的作⽤：它能改变夸克的身份。例如，在 放射性β衰变过程中，原⼦核中的⼀个中⼦会变成⼀个质⼦，此时弱⼒ 会将中⼦的⼀个下夸克变成上夸克。 弱⼒负责参与太阳产⽣热量的核聚变反应以及地球内部的放射性衰 变，这⼀过程可以维持地球内部温度，从⽽让⽣命的诞⽣成为可能 （参⻅第4章）。同时，它也是较重的第⼆、三代物质粒⼦会快速衰变 为构成常⻅物质的稳定费⽶⼦的原因。 正如电磁⼒对应着光⼦，强⼒对应着胶⼦，弱⼒也对应着⼀种载⼒玻 ⾊⼦，实际上应该是三种：W-、Z0和W+玻⾊⼦。 标准模型的最后⼀块拼图是希格斯玻⾊⼦，它负责维系所有这⼀切 （参⻅第18章）。它之所以如此重要，是因为它修正了标准模型中⼀ 个引发问题的属性：所有的物质粒⼦都没有质量！希格斯玻⾊⼦为所 有费⽶⼦赋予了质量。实际上，完成这⼀任务的并不是希格斯玻⾊ ⼦，⽽是希格斯场。我们可以将希格斯场想象成充满整个空间的黏稠 糖浆，它会阻碍费⽶⼦的运动，从⽽使之产⽣对运动的阻抗，我们将 这⼀阻抗称为惯性或者质量。这⼀类⽐并不完美，因为费⽶⼦在相对 于希格斯场静⽌时依然具有质量。 我们每天都⽣活在希格斯场中，却从未察觉到它的存在，这看上去有 些难以置信。不过，如果向希格斯场中的⼀个位置注⼊⾜够的能量， 就会在场中激起涟漪，这就是希格斯玻⾊⼦。研究瑞⼠⽇内瓦附近的 ⼤型强⼦对撞机（LHC）的物理学家于2012年7⽉4⽇宣布发现了希格 斯玻⾊⼦。2013年，彼得·希格斯（Peter Higgs）被授予诺⻉尔物理 学奖，以表彰其在1964年就预⾔了希格斯玻⾊⼦的存在。 于是，我们便得到了完整的标准模型。它包含12种物质粒⼦，即费⽶ ⼦，以及12种载⼒粒⼦，即玻⾊⼦，再加上希格斯玻⾊⼦，它是唯⼀ 不传递⼒的玻⾊⼦，但它显然扮演着更加与众不同的⻆⾊。 实际上，希格斯玻⾊⼦是希格斯场的涟漪，就像⻨⽥中的⻨浪⼀样， 这⼀点也揭开了标准模型中所有基本粒⼦的真相：它们都是在充满空 间的量⼦场中荡漾的涟漪（参⻅第7章）。电磁场的涟漪是光⼦，电⼦ 场的涟漪是电⼦，以此类推。归根结底，⼀切都是由场构成的。这些 场在物理定律的⽀配下迈着错综复杂的舞步，它们之间的相互作⽤造 就了整个粒⼦物理世界。尽管物质从根本上是由场构成的，⽽且标准 模型在本质上是⼀种量⼦场论，但它依然可以⽤粒⼦的语⾔来解读。 标准模型获得了巨⼤的成功，它以超凡的精度预⾔了我们所⻅到的⼀ 切。实际上，它有些过于成功了。我们知道它并不正确，但它并没有 露出任何裂缝让我们能看到下⾯还藏着什么更深⼊更接近真理的理 论。我们知道它并不正确，是因为它没有预⾔粒⼦作⽤⼒的相对强度 以及质量。例如，为什么顶夸克的质量是电⼦的100万倍？为什么⼤⾃ 然要将其基本构件复制三份？为什么中微⼦的质量如此微⼩？物理学 家们没有答案。 标准模型的另⼀个严重问题在于，它没有包含我们⽇常⽣活中最常⻅ 的⼀种基本作⽤⼒：引⼒。我们从粒⼦实验中得不到解决这⼀问题的 线索，因为引⼒在微观尺度上太弱了，它基本上不会对单个亚原⼦粒 ⼦产⽣任何作⽤。不过，我们确实有⼀个成功的引⼒理论，这要感谢 爱因斯坦。但他的⼴义相对论认为引⼒是由时空弯曲产⽣的，⽽不像 其他三种⼒⼀样可以描述为载⼒粒⼦的量⼦交换，后者已被证明是⼀ 种成果丰硕的理论（参⻅第12章）。我们不知道如何将爱因斯坦的理 论“量⼦化”，以便⼀窥量⼦引⼒效应⽀配下的⿊洞核⼼。美国物理学 家丽莎·兰道尔（Lisa Randall）说：“粒⼦物理学标准模型很好地解释 了⼒和粒⼦，但当你把引⼒扔进⽅程时，它就会瞬间崩塌，你需要捏 造数值才能让它成⽴。” 然⽽，和最近数⼗年来标准模型中⼀个愈发显著的问题相⽐，上⾯这 些问题都显得没有那么重要了。物理学家们发现标准模型只描述了整 个宇宙中5%的质能。天⽂学家们发现，宇宙中⼤约25%的质能是以⼀ 种神秘物质的形式存在的，这些物质不会发出任何可探测的光，它们 的存在只能通过与可⻅的恒星和星系发⽣引⼒作⽤才能被察觉。没有 ⼈知道这些“暗物质”到底是什么，有⼈说它们是宇宙⼤爆炸的炽热⽕ 球形成的⿊洞，也有⼈说是⾄今尚未被发现的亚原⼦粒⼦。如果暗物 质是后者，那么就意味着还存在⼀整个“暗区”的粒⼦以及在它们之间 发⽣相互作⽤的“暗⼒”，这些我们统统都没有发现。 这还不是最糟糕的，整个宇宙中⾼达70%的质能都以“暗能量”的形式 存在。它具有负引⼒，从⽽加速宇宙的膨胀（参⻅第21章）。当使⽤ 标准模型预测真空能量密度（暗能量）时，它的计算结果是我们实际 观测数值的1后⾯120个零那么多倍，这强烈预示着我们忽略了某些⾮ 常重要的东⻄。美国天⽂学家史塔⻄·⻨⾼（Stacy McGaugh） 说：“可能我们现代宇宙学中最尴尬的⼀点就在于那些占⼤部分却看不 ⻅的成分。暗物质和暗能量占据了宇宙95%的质能，但我们除了它们 的名字之外对它们⼀⽆所知。” 第16章 量⼦计算机 它们要么是能利⽤⾃⼰在平⾏宇宙中的分身，要么是表现得像是能做 到这⼀点⼀样。 即便你能想象出算盘和世界上最快的超级计算机之间的差距，你也依 然丝毫⽆法想象出相⽐我们现在的计算机来说，量⼦计算机有多么强 ⼤。 ——朱利安·布朗（Julian Brown） 20年后的某个时候，⼀台量⼦计算机正准备解决⼀个问题。此时，它 瞬间分裂出多个⾃⼰的分身，每个分身都能独⽴计算⼀个分⽀。在不 到⼀秒的时间内，这些分⽀合并到⼀起并产⽣⼀个答案，⽽世界上最 快的超级计算机需要花费⽐宇宙年龄还⻓的时间才能得出这个答案。 简⽽⾔之，这，就是量⼦计算机。 就像电曾经改变了世界⼀样，量⼦计算机也具有改变世界的潜⼒。例 如，它可以让神经⽹络产⽣等同于⼈脑，甚⾄超越⼈脑的⼈⼯智能。 现在，⼀台量⼦计算机要么真的能利⽤⾃⼰在平⾏宇宙中的⽆数个分 身，要么是它表现得像是能够利⽤⾃⼰在平⾏宇宙中的⽆数个分身⼀ 样。不出意外地，⼤多数物理学家相信后者。不过，⽜津⼤学的量⼦ 计算先驱⼤卫·多伊奇（David Deutsch）却相信前者。他认为，量⼦ 计算机是⼀种崭新的东⻄，是⼈类建造的第⼀台能够利⽤平⾏宇宙的 设备。他的这⼀观点是有充⾜理由的，我们稍后会进⾏解释。 量⼦计算机利⽤了原⼦等粒⼦能够同时做多件事的能⼒来同时完成多 次计算（参⻅第7章）。我最早接触到“量⼦计算机”这个词是在1983 年，当时我在加州理⼯学院听理查德·费曼的系列讲座。费曼曾经参与 过原⼦弹的研制⼯作，并因在量⼦电动⼒学理论⽅⾯的贡献获得了诺 ⻉尔物理学奖，⽽且他还会敲邦⼽⿎！当时，他刚做完癌症⼿术，还 处在恢复期，因此加州理⼯的⽼师们都很照顾他，允许他讲任何他喜 欢的话题。他的讲座题为“计算机的潜⼒与极限”。他对计算机的终极 物理学极限很感兴趣，如电⼦元件能做到多⼩，计算机的速度能达到 多快，等等。当时，作为计算机基本构件的⼀个晶体管，包含⼤约 1000亿个原⼦，⽽如今的⼀个晶体管中只包含万个原⼦。但是， 费曼认识到晶体管缩⼩的极限就是单个原⼦的⼤⼩，但在这个尺度上 它会被量⼦理论所⽀配，这会产⽣⼀头全新的野兽——量⼦计算机。 普通计算机是由晶体管构成的，每个晶体管可以表示⼀个⽐特——0 或者1，这取决于晶体管是否允许电流通过。⽽量⼦计算机由量⼦⽐特 构成，每个量⼦⽐特可以同时表示0和1（或者说，在⼀个宇宙中表示 0，在另⼀个宇宙中表示1）。因此，⼀个量⼦⽐特可以同时参与两次 计算——在⼀次计算中作为0，⽽在另⼀次计算中作为1。两个量⼦⽐ 特可以同时表示4种可能性——01、11、10、00，因此就可以同时参 与4次计算。3个量⼦⽐特就是8种，以此类推。 你开始理解量⼦计算机的恐怖性能了吗？每增加⼀个⽐特，普通计算 机只能增加有限的性能；⽽每增加⼀个量⼦⽐特，量⼦计算机的性能 就可以翻倍，这种指数级增⻓的算⼒将很快碾压哪怕是最⼤的超级计 算机。 我们换⼀种⽅式来理解量⼦计算的⼒量。1965年，美国⼯程师⼽登· 摩尔（Gordon More，后来成为美国芯⽚制造商英特尔公司的联合创 始⼈）发现计算机的算⼒，即计算机能处理、存储的⽐特数量等差不 多每两年会翻⼀倍。这种翻倍增⻓的趋势从1949年起⼀直延续⾄今， 它被称为“摩尔定律”。相⽐之下，可⽤的量⼦⽐特数量⼤约每5年会 翻⼀倍，这看起来似乎平平⽆奇。但是别忘了：每增加⼀个量⼦⽐ 特，量⼦计算机的算⼒就会翻倍。于是，量⼦计算机虽然还处在萌芽 期，但其算⼒的增⻓并不是指数级的，⽽是指数的指数级的。换句话 说，在经历4次摩尔定律的翻倍增⻓之后，传统计算机的性能将变为 原来的16倍，⽽同样经历4次摩尔定律的翻倍增⻓之后，量⼦计算机 的性能将变为原来的⼤约万倍。 不过，当⼀台量⼦计算机拥有超过270个可⽤的量⼦⽐特时，它能同 时进⾏的计算数量就已经超过宇宙中所有基本粒⼦的总数了。因此多 伊奇提出了⼀个合理的问题：量⼦计算机是在哪⾥进⾏这些计算的？ 毕竟，整个宇宙都没有那么多物理资源来进⾏这些计算，⽽你的计算 机只有在内存空间充⾜的情况下才能完成计算。多伊奇的答案是量⼦ 计算机利⽤了平⾏宇宙中的物理资源，他认为，量⼦计算机迫使我们 严肃地思考平⾏宇宙这件事。 对于尝试建造通⽤量⼦计算机的⼈们来说，他们⾯临三个主要的问 题：第⼀，建造硬件；第⼆，纠正错误；第三，找⼀些有⽤的事给它 做。 就拿建造量⼦计算机这个问题来说，量⼦系统并不是⼩的物体，⽽是 孤⽴的物体。只不过将⼀个原⼦从周围环境中孤⽴出来，⽐将像你这 么⼤的物体从周围环境中孤⽴出来要更容易，因为空⽓分⼦和光线中 的光⼦⽆时⽆刻不在撞击着你。 尝试建造量⼦计算机的⼈们⾯临的问题是，他们需要让较⼤的物体保 持量⼦性，因为量⼦⽐特⾮常脆弱，⼀旦被周围环境影响就会丧失可 以同时做多件事的超凡能⼒。解决这⼀问题的办法是将量⼦⽐特（它 们可以是原⼦、电⼦或者类似的量⼦体）放在极其纯净的真空中，以 确保空⽓分⼦不会撞到它们，并将它们冷却到接近绝对零度，即可达 到的最低温度，以确保热产⽣的光⼦不会撞到它们。 但这种办法⽆法做到完美，我们永远⽆法完全杜绝某些漏⽹的空⽓分 ⼦和光⼦撞到量⼦⽐特，导致它们丧失量⼦性，发⽣退相⼲并变为普 通的⽐特。这种错误是可以纠正的，但对于每个量⼦⽐特，需要额外 10～100个量⼦⽐特才能纠正它的错误。传统计算机每执⾏⼀亿亿亿 次操作才会发⽣⼀次错误——即0反转成1或相反的错误。然⽽，量⼦ 计算机⼤约每执⾏1000次操作就会发⽣⼀次错误，这个概率太⾼了， 我们甚⾄不确定纠错机制在现实中能不能跟得上错误积累的速度。 ⽬前保持世界纪录的量⼦计算机是IBM于2021年11⽉发布的，它拥有 120个量⼦⽐特，⼏乎是⾕歌建造的前任纪录保持者的两倍。不过， 这个量⼦⽐特数量是具有欺骗性的，因为其中只有很⼩⼀部分量⼦⽐ 特可以⽤于计算，剩下的都⽤来纠正⽤于计算的那些量⼦⽐特中所积 累的错误。 除了建造和纠错所⾯临的问题之外，那些尝试建造量⼦计算机的⼈还 ⾯临着第三个挑战，那就是找⼀些有⽤的事给量⼦计算机来做。尽管 量⼦计算机可以分裂出⽆数个⾃⼰的分身，每个分身都能独⽴计算⼀ 个分⽀，最后这些分⽀合并到⼀起并产⽣⼀个答案，但我们⽆法访问 那些独⽴的分⽀，⽽且，要想得到答案，我们必须与量⼦计算机产⽣ 交互，消除其量⼦性。坦⽩来说，要找到需要⼤量并⾏计算且最终只 产⽣⼀个答案的问题是很困难的。 尽管如此，1994年，美国数学家彼得·秀尔（Peter Shor）还是找到 了⼀个可以由量⼦计算机解决的重要问题：它可以破解⽤来加密所有 银⾏和互联⽹数据的RSA密码。RSA加密依赖于某种正向容易完成但 反向极难完成的操作。我们很容易求出两个⼤质数的乘积，却很难对 ⼀个⼤数求出其质因数，⽽后者便是想要破解RSA加密信息的⼈必须 要⾯对的问题。加密信息的安全性依赖于这样⼀个事实：即使在最快 的超级计算机上，破解者也需要⼏百年才能找出这些质因数。秀尔指 出，量⼦计算机可以在⼀瞬间达成⽬标。（秀尔的成就并⾮仅限于 此，他在1995年证明了量⼦计算机的完美纠错⾄少在理论上是可能 的。） 秀尔算法引起了⼈们的极⼤关注和重视。在1994年，没有任何量⼦计 算机能够实现该算法，这⼀点也不重要，关键是⼀旦可⽤的量⼦计算 机被建造出来，世界上交换的每⼀份加密信息都将被解读，甚⾄有传 ⾔说，情报机构和犯罪分⼦⻓期以来⼀直在收集⼤量的⾦融和互联⽹ 数据，就盼着这⼀天的到来。 当然，像秀尔算法这样有⽤的算法可能少之⼜少，⽽且我们永远不可 能建造出能解决我们想象范围内任何问题的通⽤量⼦计算机。然⽽， 即使能证明这是真的，⼀种有限形式的量⼦计算机仍然可以颠覆性地 改变世界。为什么呢？因为有⼀件事量⼦计算机肯定能做到——模拟 量⼦系统的⾏为。它没有理由做不到这⼀点，毕竟量⼦计算机本身就 是⼀个量⼦系统——本质上它是⼀个可编程的分⼦。实际上，费曼在 1983年⾸次设想出量⼦计算机，正是为了模拟量⼦系统。 物理学家从不愿意承认的是，他们只能精确地解决⼀个问题：⼆体问 题。例如，他们可以预测电⼦在最简单的原⼦（氢原⼦）中围绕质⼦ 运⾏的⽅式，或者⽉球围绕地球运⾏的⽅式。除此之外，物理学中的 其他东⻄都是近似的。例如，当向⼀个原⼦中加⼊更多电⼦时，每个 电⼦的⾏为都取决于所有其他电⼦的⾏为，这样的问题将很快变得⾮ 常复杂，即使是超级计算机也⽆法建⽴相应的模型。 然⽽，每个原⼦和分⼦的⾏为都取决于其电⼦的排列，它正是通过这 些电⼦与外界产⽣相互作⽤。电⼦的排列决定了它的化学性质以及其 导电性和导热性等性能。但我们⽆法预测任何多电⼦系统的⾏为，因 为我们只能精确地解决⼆体问题，⽽⽆法精确地解决三体问题或是“N 体问题”。 但量⼦计算机可以。 ⽬前，我们不得不开展昂贵和耗时的药物试验。这些试验之所以必 要，是因为我们⽆法预测药物分⼦对其⽬标细胞所产⽣的⾏为。但是 有了量⼦计算机，我们就可以规避这些试验，并预测亿万种候选药物 的⾏为。这意味着我们只需要对少数成功的候选药物开展试验，以检 验其是否存在意外的副作⽤即可。 智能⼿机和特斯拉电动汽⻋之所以能够⾛进现实，得益于锂离⼦电池 的发展，它可以在很⼩的体积内储存⼤量的能量。但是，全世界的锂 资源已经捉襟⻅肘，⽽要找到⽤于制造电池的性能更好的新材料，需 要实际合成和测试成千上万种候选分⼦，这和药物试验⼀样昂贵和耗 时。然⽽，有了量⼦计算机，我们就有可能预测出亿万个分⼦的⾏ 为，从⽽对锂离⼦电池进⾏改进。 世界上约有40%的⼈⼝依赖⼩⻨作为主粮，种植⼩⻨需要使⽤化肥， ⽽化肥的⽣产依赖于弗⾥茨·哈伯（Fritz Haber）设计的哈伯-博施法 （不幸的是，在后来的第⼀次世界⼤战中，哈伯曾主导过恐怖毒⽓的 研制⼯作）。哈伯-博施法简称哈伯法，它可以从空⽓中提取氮元素 ⽤来制造作为化肥基本原料的氨⽓。问题是，它的能耗极⼤，基本相 当于全球航空业的总能耗。实际上，⼀块⽅形⾯包的碳⾜迹中，有 40%来⾃哈伯法。 不过，哈伯法并不是我们的唯⼀选择。植物的根部可以利⽤细菌⾼效 地从空⽓中提取氮元素，⽽这些细菌是利⽤固氮酶来完成这⼀过程 的。不过，固氮酶过于复杂，超出了我们的理解能⼒，但如果能够理 解它的⼯作原理，我们不仅可以模仿它，甚⾄还可以改进它。这意味 着我们可以彻底抛弃⼗分低效且耗能的哈伯法，从⽽对减少排放、抑 制全球变暖带来重⼤影响。 因此，即便没有通⽤量⼦计算机，我们依然可以通过崭新的超⾼效化 学反应为世界带来颠覆性的改变，这些化学反应可以帮助我们从岩⽯ 中提取贵⾦属以及从⼤⽓中封存⼆氧化碳。但如果通⽤量⼦计算机真 的可以实现，那么未来将超乎所有⼈的想象！ 第17章 引⼒波 它们是在像⿎⽪⼀样的时空表⾯产⽣的振动——是宇宙的声⾳。 ⼥⼠们、先⽣们……我们探测到了引⼒波。我们成功了！ ——⼤卫·雷茨（David Reitze） 引⼒波是时空结构中的波动，它以发⽣源为中⼼向外扩散传播，就像 池塘⽔⾯上的同⼼涟漪。爱因斯坦在1916年预测了引⼒波的存在，这 是基于他于1915年11⽉在柏林提出的引⼒理论——⼴义相对论所得出 的结果（参⻅第12章）。 根据⼴义相对论，质量——或者更⼴义地说，能量可以弯曲时空。事 实上，引⼒就是时空的弯曲。尽管我们觉得⾃⼰是被⼀种称为引⼒ 的“⼒”粘在了地球表⾯，但其实我们是站在地球的质能所创造的时空 低⾕的斜坡上。我们之所以没有意识到这⼀点，是因为时空是四维 的，⽽我们只能感知到其中三个维度，只有爱因斯坦天才般的洞察才 能看透其中的奥秘。时空也可以发⽣波动，从⽽产⽣引⼒波，这从本 质上证明了时空实际上是⼀个可以被物质的存在扭曲的“物体”。 只要物质的运动状态发⽣改变，或者说处于加速状态，就会产⽣引⼒ 波。在空中挥⼿，你就产⽣了⽆形的时空涟漪，它现在正以光速从你 的⼿向外传播，转眼间它已经⻜出地球⼤⽓层，越过⽉球向⽕星⻜ 去。经过四年多的时间，它将到达离我们最近的恒星系统——半⼈⻢ 座α。这个恒星系统包括三颗恒星，其中之⼀的⽐邻星已经确认有⼀ 颗⾏星在围绕它运⾏。如果这颗被称为“⽐邻星b”的⾏星上存在⼀个 先进的技术⽂明，⽽且他们建造了⼀个超级灵敏的引⼒波探测器，那 么你刚才在空中挥⼿发出的引⼒波就会在四年后被他们接收到！ 实际情况是，这样的引⼒波⾮常微弱，难以被探测到，因为引⼒是⼀ 种⾮常微弱的⼒，这等同于说时空是⾮常坚硬的。事实上，时空⽐钢 铁还要坚硬1000亿亿亿倍。让⿎⽪振动起来很容易，因为它具有很好 的弹性，但可以想象要让⼀张⽐钢铁坚硬1000亿亿亿倍的⿎⽪振动起 来有多难。时空的硬度⾼得如此令⼈难以置信，这意味着明显的引⼒ 波，即那些可能被地球上的实验所探测到的引⼒波，只能是那些由宇 宙中最剧烈的质量运动所产⽣的引⼒波。在实践经验中，这指的就是 像⿊洞这样的超致密物体的灾难性合并（参⻅第14章）。 这样的事件很少发⽣，因此即使是距离我们最近的事件也可能发⽣在 宇宙中⾮常遥远的地⽅。这意味着，当这些引⼒波到达地球时，由于 在⼴袤的空间中⾛了很远的距离，它们已经严重衰减，就像池塘中的 涟漪距离发⽣源越远就会变得越微弱⼀样。 引⼒波在经过时会引发空间的伸缩，但是这种效应太微弱了，在像⼈ 这样⼩尺度的物体上是⽆法测量出来的。为了能探测到引⼒波，我们 必须在⼀个⾮常⼤的物体上观测其伸缩。 在美国路易斯安那州利⽂斯顿，有⼀把4千⽶⻓的“激光标尺”。在千 ⾥之外的华盛顿州汉福德，有另⼀把同样4千⽶⻓的“激光标尺”。 2015年9⽉14⽇美国东部夏令时间凌晨5点51分，位于利⽂斯顿的标尺 发⽣了抖动，⽽7毫秒（不到百分之⼀秒）之后，位于汉福德的标尺 也发⽣了同样的抖动。这毫⽆疑问就是引⼒波留下的痕迹。 在细菌还是地球上最复杂⽣物的时候，⼀个遥远的星系⾥，两个怪兽 级的⿊洞被牢牢锁定在⼀个死亡旋涡中。它们最后⼀次围绕对⽅旋转 之后，互相亲吻并融合在⼀起。在那⼀瞬间，它们释放出了⼀场撕裂 时空的海啸。 这⼀事件的威⼒是超乎想象的。在氢弹爆炸中，⼤约1千克的质量会被 转化为其他形式的能量，主要是核爆的热量。然⽽，在两个⿊洞的合 并中，相当于太阳3倍的质量在瞬间消失，并以引⼒波的形式重⽣。 这些引⼒波的能量相当于宇宙中所有恒星发出的总能量的50倍。或者 换⼀种说法，如果⿊洞合并发出的是光⽽不是引⼒波，那么这些光的 亮度将相当于整个宇宙亮度的50倍。 ⿊洞合并产⽣的引⼒波在宇宙空间中传播了14亿年，并在这个过程中 不断减弱。当它穿过半⼈⻢座α和太阳之间的宇宙空间时已经衰减得 极其微弱，所产⽣的效应也只能让两颗恒星之间原本9万亿千⽶的距 离产⽣毫⽶的变化。为了探测引⼒波，汉福德和利⽂斯顿的科学 家们成功地测出了他们4千⽶⻓的激光标尺上发⽣的微⼩⻓度变化， 这⼀变化仅相当于⼀个原⼦直径的⼀亿分之⼀。想想看，1000万个原 ⼦排起来也就只有⼀句话结尾处的句号那么宽，由此可⻅这是⼀个何 等惊⼈的成就。 位于汉福德和利⽂斯顿的这两把4千⽶⻓的激光标尺合起来被称为 LIGO，全称为“激光⼲涉仪引⼒波天⽂台”。LIGO是⼀个技术杰作， 它的每个站点都有两条4千⽶⻓，呈L形排列的臂。所谓的臂其实是直 径⽶的管道，其内部是⽐宇宙空间还要纯净的真空，并在其中发射 功率⾼达1000千瓦的激光束。每根管道的末端都有⼀⾯40千克重的镜 ⼦，由只有⼏根头发丝粗细的玻璃纤维悬挂起来，这些镜⼦能近乎完 美地反射%的光线。2015年9⽉14⽇，这些悬挂的镜⼦发⽣了 细微的抖动，我们才得以捕捉到那⼀阵正在经过的引⼒波。 实际上，LIGO是世界上最灵敏的地震仪，其灵敏度⾜以探测到在美国 另⼀侧发⽣的⻛暴，在⼏⼗千⽶外道路上⾏驶的汽⻋，甚⾄可以辨别 出LIGO的⼯作⼈员在探测器臂旁边骑⾃⾏⻋。它可以对数百千⽶外海 浪拍击海岸的振动做出反应，也可以记录地球上⼏乎所有的明显地 震。⽽要捕捉到引⼒波经过时引发的近乎⽆限⼩的抖动，就需要将 LIGO与上⾯那些平凡的振动隔离开来。这是⼀个巨⼤的挑战，但是我 们已经突破了这⼀挑战，LIGO中悬挂的镜⼦成功地因14亿光年外发⽣ 的事件产⽣了抖动。也正是因为这⼀成就，2017年，LIGO项⽬背后的 3位科学家——雷纳·⻙斯（Rainer Weiss）、基普·索恩 （Kip Thorne）和巴⾥·巴⾥什（Barry Barish），被授予诺⻉尔物理 学奖。 2017年夏天，位于意⼤利⽐萨附近的欧洲引⼒波探测器Virgo加⼊了 LIGO计划。2020年2⽉，⽇本的⼤型低温引⼒波望远镜KAGRA也加 ⼊了LIGO计划。此外，LIGO印度也预计将在2024年内加⼊该计划。 到⽬前为⽌，⼈类已经探测到超过90个引⼒波爆发事件。 这些引⼒波事件中⼤多数都是由⿊洞合并引发的。⿊洞是⼤质量恒星 ⽣命的终点，当这样⼀颗恒星作为超新星爆发时，它发出的光通常会 超过⼀个拥有1000亿颗恒星的星系，但⽭盾的是，此时它的核⼼反⽽ 会向内坍缩（事实上，⼈们认为超新星爆发正是由这种坍缩引发 的）。随着内核的加速坍缩，恒星的密度越来越⼤，其引⼒也会变得 越来越强，最终任何东⻄，甚⾄是光都⽆法逃脱如此强⼤的引⼒。这 就是⿊洞诞⽣的时刻。 LIGO探测到的这些⿊洞构成了⼀个巨⼤的谜题，因为它们的⼤⼩远远 超过了⼈们的预期——就第⼀对⿊洞⽽⾔，其质量⼤约是太阳的30 倍。问题是，在超新星爆发中，恒星的⼤部分物质都会被吹散到宇宙 空间中，只有很少的物质会最终坍缩形成⿊洞。要形成⼀个质量相当 于30个太阳的⿊洞，需要⼀颗质量⾄少是太阳300倍的恒星。这样的 恒星⾮常罕⻅，实际上⼏乎可以认为是不存在的。 最近，在2019年5⽉21⽇，⼈们⼜探测到另⼀个事件，让这⼀问题变 得更加严峻。在这次事件中，⼀个有66个太阳质量的⿊洞与另⼀个有 85个太阳质量的⿊洞合并，形成了⼀个巨⼤的有142个太阳质量的⿊ 洞。在此过程中，有9个太阳的质量被转化成了光，这是我们有史以 来观测到的最强烈的爆发，在这⼀瞬间所释放的引⼒波⼤约相当于宇 宙中所有恒星能量总和的150倍。 上⾯提到的有66个和85个太阳质量的⿊洞，其问题在于，它们实际上 处于⼀个禁忌的范围，即50～135个太阳质量，⼈们预计质量在这个 范围内的恒星不会形成⿊洞。这是因为如此⼤质量恒星的内部温度会 ⾼达3亿摄⽒度，在如此⾼的温度下，光⼦的能量会⾃发地转化为电 ⼦-正电⼦对的质能（参⻅第19章）。电⼦和正电⼦向外产⽣的压⼒ 要⼩于光⼦产⽣的压⼒，于是恒星内部便⽆法产⽣⾜够的向外的推 ⼒，不⾜以对抗向内坍缩的引⼒，因此它会坍缩得⽐正常的超新星更 加剧烈。这种“⽣对不稳定性超新星”会发⽣极其猛烈的爆发，⽽且爆 发后不会留下任何东⻄，甚⾄连⿊洞的残余都没有。 有⼀种假说认为，有66个和85个太阳质量的⿊洞并不是由⼀颗超新星 形成的，⽽是由其他更⼩的⿊洞在更早的时候合并⽽成的，这意味着 ⿊洞可以多次发⽣合并。在某种意义上，这个通过合并产⽣的有142 个太阳质量的⿊洞是⾮常值得关注的。因为宇宙中包含质量相当于⼤ 约5～60个太阳的恒星级⿊洞，以及位于星系中⼼的质量相当于数⼗ 亿个太阳的超⼤质量⿊洞。如果超⼤质量⿊洞是随着时间的推移通过 不断的合并⽽形成的，那么我们应该能看到中等质量的⿊洞，这样便 能填补两者之间的空⽩。有142个太阳质量的⿊洞就是这种中等质量 ⿊洞（在100～10万个太阳质量之间）存在的第⼀个直接证据，它有 助于为这⼀假说提供⽀持。 2017年8⽉17⽇，LIGO和Virgo探测到了⼀个⾮常重要的引⼒波源。它 并⾮来⾃两个⿊洞的合并，⽽是来⾃两个中⼦星的合并。中⼦星的形 成是由于发⽣坍缩的恒星核⼼质量不够⼤，其引⼒不⾜以将⾃身全部 压缩成⼀个⿊洞。中⼦星被压缩到只有珠穆朗玛峰⼤⼩，但它的密度 极⼤，⼀块⽅糖⼤⼩的中⼦星，其质量便相当于地球上所有⼈的总质 量。 中⼦星的合并与⿊洞的合并差异很⼤。两个⿊洞的融合不会发出任何 可以被望远镜观测到的光，因为⿊洞堪称宇宙级吸尘器，它们早就将 周围所有可能发光的物质吸收殆尽。但关键是，中⼦星不是单纯由空 间和时间构成，⽽是由真正的可以发光的物质构成，⽽这些光便可以 被全球的传统望远镜捕捉到。 2017年8⽉17⽇探测到的⼀次⾼能光线的强烈爆发具有极为重要的意 义。在20世纪60年代，美国曾发射过⽤来探测γ射线的间谍卫星，希 望以此来发现当时苏联可能进⾏的秘密氢弹试验。令美国惊讶的是， 这些卫星⼏乎每天都能探测到γ射线的爆发。还好，我们⼤家都很⾛ 运，卫星上的探测器具有定向能⼒，能确定这些脉冲是来⾃宇宙空间 的（否则这可能会引发⼀场核战争）。20世纪80年代这些资料解密 后，天⽂学家们才得知这种“γ射线暴”的存在，他们猜测这是由中⼦ 星合并产⽣的。现在我们知道他们当时的猜测是正确的。 γ射线会携带产⽣它们的化学元素的指纹。2017年8⽉17⽇的那次中⼦ 星合并事件，向我们揭示了在恒星相互碰撞所产⽣的炽热⽕球中，发 ⽣了剧烈的元素合成核反应，这⼀过程制造出了相当于地球质量约10 倍的⾦。这提醒我们，发⽣在宇宙空间中的事情并不像你想象的那样 深奥，⽽是与你的⽣活有着千丝万缕的联系。你想看⼀颗恒星的碎⽚ 吗？举起⼿，你⾎液中的铁、你⻣骼中的钙、你每次呼吸时充满肺部 的氧⽓……这⼀切都是在地球和太阳诞⽣之前，在⽆数恒星的创造和 毁灭中形成的，是星尘铸成了你的躯体。从字⾯意思来说，你的确是 由上天创造的。如果你有⼀枚⻩⾦婚戒或⼀件⻩⾦⾸饰，那么现在我 们终于知道这种贵重⾦属的出处了：它来⾃合并的中⼦星。近在眼前 的⽇常与远在天边的宇宙之间竟然存在如此微妙的联系，还有⽐这更 令⼈震惊的吗？ LIGO和Virgo的实验⼈员并没有对探测到中⼦星和⿊洞的合并感到惊 讶，他们对这些探测结果早有预料，但最令⼈兴奋的莫过于这些发现 为⼈们打开了⽤引⼒波观测宇宙的“⼀扇窗”。假设你天⽣失聪，然后 某⼀天在⼀夜之间你突然能听到声⾳了，现在物理学家们和天⽂学家 们的感触就是这样的。过去，他们⼀直可以⽤⾁眼和望远镜“看到”宇 宙，现在，他们第⼀次可以“听到”它，⽽引⼒波就是“空间的声⾳”。 尽管很多科学发现可能会被夸⼤，但2015年9⽉14⽇引⼒波的发现， 毋庸置疑是⾃1609年伽利略⽤望远镜观测宇宙以来，⼈类在天⽂学领 域取得的最重要的进展。 地球上的引⼒波探测器会受到地⾯背景振动的影响，这些振动会混淆 真正的引⼒波源，使探测器⽆法探测到那些最低频率的引⼒波。这种 低频引⼒波是由位于星系核⼼的超⼤质量⿊洞合并，以及由百万个太 阳质量级的⿊洞吞噬⼏⼗个太阳质量级的⿊洞所产⽣的。⽽计划于 2037年发射升空的激光⼲涉空间天线（LISA）应该可以探测到这种低 频引⼒波。LISA是由三颗卫星构成的⼀个巨⼤的等边三⻆形，卫星之 间的距离在100万～500万千⽶之间，激光通过卫星上搭载的反射镜在 卫星之间来回反射。我们可以将三⻆形的边想象成巨⼤的标尺，当有 引⼒波经过时，⼀个⽅向上的空间将会被拉伸，同时在另⼀个垂直⽅ 向上的空间将会被压缩，因此测量标尺⻓度的细微变化就是这⼀计划 的关键所在。LISA的科学家们雄⼼勃勃，他们希望能够在数百万千⽶ 的尺度上探测到如⼀个原⼦的宽度般细微的⻓度变化。 引⼒波探测器的出现，让我们得以⻅证天⽂学新时代黎明的到来，宛 如⼀直习惯了寂静⽆声的我们，⼀下⼦获得了丰富多彩的听觉。但⽬ 前，这种感觉还是粗糙和稚嫩的，在进⼊有声世界的边缘，我们仿佛 依稀听到了在远处轰鸣的雷声，但尚未能听到⻦⼉鸣叫、婴⼉啼哭， 或是琴瑟和鸣般的动听⾳⾊。随着全球引⼒波实验的灵敏度不断提 ⾼，我们终将聆听到宇宙的动⼈乐章，到那时，谁知道⼜会有怎样的 奥秘等待我们去发现呢？ 第18章 希格斯场 物质的基本构件没有固有质量，⽽是通过与希格斯场的相互作⽤获得 了质量。 这个夏天我发现了⼀些完全没⽤的东西。 ——彼得·希格斯 它是⼀种充满整个空间的⽆形液体，从出⽣到死亡的整个⽣命过程 ⾥，我们都⼀直浸没在这种液体之中。然⽽，直到1964年，才有⼈开 始注意到它的存在，⽽直到2012年，它的存在才得到了确切的证明。 最终证明希格斯场存在的证据是场中的⼀个扰动，就像⼤海⾥的⼀朵 浪花，⽽这个扰动就是希格斯玻⾊⼦。 关于希格斯玻⾊⼦说来话⻓。它的故事始于20世纪上半叶，当时有实 验表明，物质的基本构件既可以表现出粒⼦的性质，也可以表现出波 的性质。随后，在20世纪20年代末，这两种性质被量⼦场论统⼀起 来。量⼦场论认为，整个空间中都弥漫着具有能量的流体，这种流体 就是场，⽽基本粒⼦只是场中荡漾的涟漪（参⻅第7章）。 20世纪50年代，美国物理学家朱利安·施温格（Julian Schwinger）将 量⼦场论应⽤于电⼦，他提出的量⼦电动⼒学理论揭示了关于⼤⾃然 基本作⽤⼒存在的根本原因。事实证明，⼈们经过200多年的实验才搞 清楚的这些神秘的电磁现象，只不过是电⼦波对称性的⼀个微不⾜道 的结果罢了。 所谓对称性，是指在某些东⻄发⽣变化的情况下，有⼀些东⻄依然保 持不变。假设你在⼀张台球桌上打台球。⽆论让台球桌悬空到离地1⽶ 的⾼度，还是离地3⽶的⾼度，台球桌上所发⽣的现象都不会有任何不 同。台球在球桌上⽆论是沿直线滚动，还是撞击并弹开其他球，其⾏ 为都是受⽜顿运动定律⽀配的，我们可以说⽜顿运动定律在球桌⾼度 发⽣变化时具有对称性。在物理学中，球桌的⾼度称为“规范”，因此 我们可以认为⽜顿运动定律在规范变换下是保持不变的，或者说是对 称的。我们也可以说，它是与规范⽆关的，或者说它具有“规范不变 性”。 在量⼦场论中，电⼦可以⽤⼀个波函数表示，这个波函数包含了关于 电⼦的⼀切可知信息。波函数有⼀个称为“相位”的参数，它表示波峰 在任意时刻所处的位置，这与上⾯例⼦中球桌的⾼度⼏乎是等价的。 ⾄关重要的是，如果这个规范在空间各处发⽣均等的变化，则这些变 化对电⼦的⾏为没有任何影响。 1918年，德国数学家艾⽶·诺特（Emmy Noether）证明了⼀个强⼤的 定理，这个定理表明如果存在像这样的“全局”对称性，那么就必然存 在⼀条守恒定律，即规定某个物理量必须保持不变（守恒）的定律。 在电⼦的量⼦场论中，这⼀守恒定律体现为电⼦的电荷守恒，即电荷 既不能被创造也不能被消灭。 台球桌的类⽐中蕴含着⼀个隐藏的假设条件，即球桌的所有部分都可 以同时升起。这对于⼀个正常的台球桌来说当然是正常的，但假设有 ⼀张10光年宽的宇宙级台球桌（别担⼼，这只是⼀个思想实验！）， 那么我们就不可能同时改变这个球桌的所有部分，因为根据爱因斯坦 的理论，没有任何物体能超过光速，这意味着球桌远端对⾼度调整做 出反应的时间要⽐球桌近端更晚。事实上，球桌远端需要等待10年才 能“注意到”球桌近端所发⽣的改变。因此，⼀般来说，当改变球桌的 ⾼度时，⾼度的提升需要在其表⾯传播，导致对于不同位置和时间， 球桌的⾼度是不同的。这是在爱因斯坦宇宙中可能发⽣的最好情况。 尽管如此，我们仍然希望物理学定律在任何地⽅都是⼀致的，这样台 球就会继续遵循⽜顿运动定律沿直线滚动。但是，由于球桌的表⾯已 不再平坦，在这种情况下要想让物理学定律保持不变，只有⼀种可 能，即在任意位置和时间，台球都受到⼀个补偿的⼒，这个⼒能精确 地抵消地形的起伏变化。 当规范在不同位置和时间持续发⽣变化时，物理学定律依然维持不变 的性质称为“局域规范不变性”。在台球桌的例⼦中，只有在存在补偿 ⼒的情况下，才能维持局域规范不变性。⽽在电⼦的例⼦中，电⼦波 函数的相位在不同的位置和时间都在持续发⽣变化，⽽维持局域规范 不变性的这种补偿⼒不是别的，正是电磁⼒。 电磁场只是局域规范不变性所产⽣的必然结果，当电荷在时空中某⼀ 位置运动时，电磁场负责将这⼀消息传播到其他位置，从⽽维持局域 规范不变性，⽽负责在电磁场中传播这个消息的就是“规范玻⾊⼦”： 光⼦。值得注意的是，即使物理学家对电、磁和光⼦⼀⽆所知，只要 知道电⼦以及局域规范原理，也可以推断出上述所有这⼀切必然是存 在的，因为只有这样才能维持电⼦的局域规范不变性。 施温格的发现引起了巨⼤的关注，以⾄于物理学家们不由得怀疑他是 否偶然间触碰到了⼀个普遍性原则。⼤⾃然维持局域规范不变性的需 要，是否不仅能解释电磁⼒的存在，⽽且还能解释弱⼒、强⼒等其他 基本作⽤⼒呢？曾⼏何时，物理学家们⼀直对此保有极⼤的希望，但 ⼀个问题的存在让这个希望破灭了。在某些情况下，量⼦电动⼒学⽅ 程的解会发⽣爆炸，从⽽得出毫⽆意义的结果。尽管物理学家们找到 了⼀种⽅法来解决这个⽆限性问题，但这种⽅法只有在⼒的载体没有 质量的情况下才能成⽴。⽽对于弱⼒来说，⼈们已经知道它并不满⾜ 这种条件。 在量⼦理论中，载⼒粒⼦是从真空中突然出现的。海森堡不确定性原 理允许质能突然出现，只要这些质能够及时消失即可，这有点像⼀个 ⼩伙⼦借了他⽗亲的⻋在夜⾥出去玩，只要第⼆天早上在他⽗亲发现 之前把⻋还回⻋库即可。借来的质能越多，就必须越快地把这些质能 还回去，因此它在消失前所能⾛过的距离就越短。承载电磁⼒的光⼦ 没有静⽌质量，因此其传播距离是⽆限的，这也是电磁⼒具有⽆限作 ⽤范围的原因。然⽽，弱⼒的作⽤范围⽐原⼦核的⼤⼩还要⼩很多， 因此弱⼒的载体⼀定具有很⼤的质量，⾄少在亚微观尺度上是很⼤ 的。事实上，⼈们发现必须存在三种这样的规范玻⾊⼦（相当于电磁 场中的光⼦），它们被称为W+、W-和Z0。[1] 弱⼒的载体具有质量，这似乎杜绝了⽤量⼦场论解释弱⼒的⼀切可能 性。因此，到20世纪60年代初，⼤多数物理学家不得不放弃了整个理 论，但爱丁堡⼤学的彼得·希格斯没有放弃。希格斯坚持认为⼀定有办 法绕过这个障碍，他推测也许弱⼒的载体不具有固有质量——这样便 可以⽤量⼦场论来描述它们，但它们可以通过某种外部过程被赋予质 量。 这个外部过程必然涉及⼀个迄今未被发现的、充满整个空间的场。在 宇宙⼤爆炸时，这个场需要处于关闭状态，此时弱⼒的载体没有质 量，然后这个场以某种⽅式开启并为它们赋予质量。这个场可以从对 称状态切换到⾮对称状态，这⼀过程称为“对称性⾃发破缺”。这个名 字听起来有点拗⼝，但其思想本身却⾮常简单。 ⽤笔尖直⽴着的铅笔处于⼀种不稳定的平衡状态，此时它是完全对称 的，但当它倒下时⼀定会倒向某个特定的⽅向，此时它⾃发地打破了 对称性。引⼒的作⽤⽅向是竖直向下的，⽽并不会偏向某个特定的⽅ 向，这个例⼦说明当基本定律具有对称性时，结果却不具有对称性。 这就是希格斯所设想的东⻄，它后来被称为“希格斯场”（⻅图18- 1）。 图18-1 希格斯场 说明：希格斯“势”可以⽤⼀种墨西哥帽的形状来表⽰，它描述了希格 斯场的能量。沿帽檐⽅向的振荡对应着零质量的⼽德斯通玻⾊⼦，⽽ 垂直于帽檐⽅向的上下振荡对应着有质量的希格斯玻⾊⼦。 即便如此，依然存在⼀个⼤问题。英国物理学家杰弗⾥·⼽德斯通 （Jeffery Goldstone）发现，当量⼦场以这种⽅式⾃发地打破对称性 时，就会产⽣零质量的粒⼦。质量为零的粒⼦，例如光⼦，应该是很 容易产⽣的，因此我们应该能够在粒⼦实验中观测到它们的存在才 对。然⽽，并没有⼈实际观测到这种“⼽德斯通玻⾊⼦”。 此时，对于时年35岁的希格斯来说，可谓万事俱备，只⽋东⻛。⽤他 的话来说：“这是我这辈⼦唯⼀真正原创的想法。”1964年7⽉，希格斯 发现，如果有⼀个新的场充满整个空间，并且发⽣对称性破缺，那么 确实可以产⽣多余的⼽德斯通玻⾊⼦。然⽽，关键是，如果这个场在 有规范玻⾊⼦存在的情况下发⽣对称性破缺，奇迹就发⽣了。从结果 上看，规范玻⾊⼦会“吃掉”⼽德斯通玻⾊⼦，但这个吞噬的过程不仅 导致了⼽德斯通玻⾊⼦的消失，与此同时也让W+、W-和Z0获得了质 量。 希格斯不仅⼀举拯救了量⼦场论，⽽且还阐明了物质被赋予质量的机 制。美国物理学家史蒂⽂·温伯格（Steven Weinberg）和巴基斯坦物 理学家阿⼘杜勒·萨拉姆（Abdus Salam）于20世纪60年代提出了⼀ 个理论，该理论认为电磁⼒和弱⼒只是某种单⼀的“电弱⼒”的两种不 同形式，只有在基本物质粒⼦不具有固有质量的情况下，这种统⼀理 论才有可能成⽴。希格斯则为此提供了⼀个外部机制，使这些物质粒 ⼦能够通过与他崭新且⽆所不在的场发⽣相互作⽤的⽅式来获得质 量。 实际上，还有另外五位物理学家也在同⼀时间提出了与希格斯相同的 想法。但希格斯与这个“六⼈帮”中其他成员的决定性区别在于，只有 他意识到他提出的新场的对称性⾃发破缺总共产⽣了四种⼽德斯通玻 ⾊⼦，⽽在为W+、W-和Z0玻⾊⼦赋予质量的过程中，有三种⼽德斯通 玻⾊⼦会被吃掉，最后还剩下⼀种。不寻常的是，它是⼀种有质量的 ⼽德斯通玻⾊⼦，这种粒⼦后来被称为“希格斯玻⾊⼦”。 此后的⼏⼗年间，随着⼤⾃然的所有构件以及基本作⽤⼒的载体—— 规范玻⾊⼦接连被发现，粒⼦物理学标准模型只缺少最后⼀块拼图， 它就是希格斯玻⾊⼦。它成了物理学的圣杯，因为发现希格斯玻⾊⼦ 不仅可以证明神秘的希格斯场的存在，还可以证明物质被赋予质量的 机制。 于是，科学家们耗资50亿欧元，在法国和瑞⼠边境的放牧草场下⾯建 造了⼈类史上最⼤的科学仪器——⼤型强⼦对撞机（LHC），它⾪属 于位于瑞⼠⽇内瓦附近的欧洲核⼦研究中⼼（CERN）。⼤型强⼦对撞 机的地下探测器有⼀座⼤教堂那么⼤，它能让质⼦以超乎寻常的速度 在其中相互撞击，⽽物理学家们则在撞击所产⽣的亚原⼦碎⽚中寻找 转瞬即逝的希格斯玻⾊⼦的蛛丝⻢迹。希格斯玻⾊⼦在产⽣后，其存 在时间还不到100亿亿分之⼀秒。 2012年7⽉4⽇，当宣布希格斯玻⾊⼦被发现的消息时，彼得·希格斯正 与“六⼈帮”中的另⼀位成员，⽐利时物理学家弗朗索瓦·恩格勒 （François Englert）⼀起坐在欧洲核⼦研究中⼼的礼堂⾥。消息⼀宣 布，周围便爆发出热烈的掌声，⼈们纷纷簇拥到他的身边向他表示祝 贺并与他握⼿。此时此刻，泪⽔在希格斯的眼眶中打转，经过48年之 后，他的预⾔终于得到了证实。讽刺的是，希格斯早在⼏⼗年前就已 经离开了基础物理学领域，因为他觉得基础物理学实在太复杂了。 希格斯场是科学界中的⼀个全新概念。引⼒场的发⽣源是质量，电磁 场的发⽣源是电荷，⽽希格斯场存在于空⽆⼀物的空间中，它没有任 何发⽣源。我们⼀⽣都浸没在希格斯场中，但就像⻥⽣活在⽔中⽽不 ⾃知⼀样，我们也不会意识到⾃⼰时刻身处于这样⼀种普遍存在的介 质中。 如果没有希格斯场，基本粒⼦就不会具有质量，构成你、恒星和星系 的原⼦就不会存在（实际上，希格斯场只贡献了你%的质量，其余 的质量都是来⾃你体内以接近光速运动的夸克在爱因斯坦狭义相对论 的⽀配下所产⽣的质量增⻓——但这%⾮常关键）（参⻅第10 章）。如果没有希格斯场，承载弱⼒的W+、W-和Z0玻⾊⼦就不会具有 质量，弱⼒本身也不会难以置信地微弱。正是因为弱⼒如此微弱，才 让太阳发光发热的核反应的第⼀步进展得如此缓慢，同时也解释了为 什么太阳需要100亿年才能耗尽所有的氢燃料，以及为什么像我们这样 的复杂⽣命有充⾜的时间演化出来。 同很多科学发现⼀样，希格斯玻⾊⼦的发现及其对标准模型的完善也 引发了⼀系列新的问题。希格斯场的起源是什么？它是由什么构成 的？占整个宇宙95%质能的暗物质和暗能量在哪⾥？最后，让我们⽤ 彼得·希格斯⾃⼰的话来作为本章的结尾：“让我成名的那件事在我⽣ 命中只占很⼩的⼀部分——也就是1964年夏天的三周时间⽽已。虽然 我做的⼯作不多，但它引发的后果却令我感到⼗分震惊。” [1] 由于弱⼒诱导的β衰变向中⼦加⼊了正电荷使之变为质⼦，因此弱 ⼒必然存在⼀个带正电的载体，它就是W+。由于β衰变的过程也可以 逆转，即向质⼦加⼊负电荷使之变为中⼦，因此还需要存在W-来与之 匹配。出于专业性的原因，还必然存在⼀个不带电的弱⼒载体，它就 是Z0。 第19章 反物质 光⼦不带电荷，因此当它转变为电⼦时，必须有另⼀个粒⼦去抵消电 ⼦所带的电荷，它就是电⼦的反粒⼦。 我认为反物质的发现可能是21世纪众多物理学飞跃中最重⼤的⼀个。 ——沃纳·海森堡（Werner Heisenberg） ⼤⾃然决定将其基本构件的数量增加⼀倍。每种亚原⼦粒⼦都存在其 对应的“反粒⼦”，反粒⼦具有与正常粒⼦完全相反的属性，例如电 荷。在1927年之前，没有⼈设想过会存在这样⼀个“反物质”的世界。 但在1927年，英国物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）写下了⼀个⽅ 程，它描述了电⼦在接近光速时的⾏为，狄拉克从这个⽅程中注意到 了⼀些不寻常的东⻄。 1925年，德国物理学家沃纳·海森堡、马克斯·玻恩（Max Born）和帕斯 库尔·约尔当（Pascual Jordan）也提出了⼀种对量⼦世界的等价理论描 述，称为“矩阵⼒学”。 狄拉克是量⼦理论的先驱之⼀。量⼦理论对原⼦及其组成部分在亚微 观领域提供了⼀种⾰命性的描述⽅法（参⻅第7章），同时它调和了在 20世纪初的实验中所揭示的两个看似相互⽭盾的特征：原⼦及其同类 既可以表现为局域性的粒⼦，⼜可以表现为扩散性的波。1926年，奥 地利物理学家埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）⽤薛定谔⽅程统 ⼀了“波粒⼆象性”，该⽅程描述了在空间中传播的概率量⼦波的⾏ 为。 薛定谔⽅程存在⼀个问题，它⽆法兼容20世纪的另⼀项⾰命性的物理 学成果。爱因斯坦于1905年发表的狭义相对论指出，当⼀个有质量的 物体以接近光速⾏动时，空间和时间就会出现⼀些奇怪的变化。薛定 谔⽅程能很好地描述轻原⼦中电⼦的⾏为，因为在轻原⼦中，原⼦核 中的质⼦数量较少，它们的电磁⼒只能让核外电⼦以远低于光速的速 度运动；但在重原⼦中，原⼦核中的质⼦数量较多，电⼦就会以接近 宇宙极限的速度运动，此时薛定谔⽅程就失效了。我们需要的是⼀个 能与狭义相对论兼容的新⽅程，⽽这正是狄拉克着⼿寻找的东⻄。 斯波克（也译作史波克）是著名科幻影视作品《星际迷航》（Star Trek）中的主要⾓⾊之⼀，他的性格特点包括沉着冷静，严谨理性，不 擅长社交等。——译者注 狄拉克是⼀个怪⼈，放在今天他可能会被诊断为患有⾃闭症。他⻓得 ⼜⾼⼜瘦，有点像⽵节⾍。他经常努⼒⼯作⼀个礼拜，然后在周⽇去 剑桥周边的乡间远⾜，穿着⻄装打着领带爬上⾼⼤的树⽊。在不善⾔ 辞这⼀点上，狄拉克简直就是物理学界的斯波克先⽣ 。在他的⼀次讲 座中，有学⽣举⼿提问：“狄拉克教授，我不太理解⿊板上的⽅ 程。”狄拉克回答：“那是注释，不是问题。”然后继续他的讲座。 出⾃1963年5⽉7⽇托马斯·库恩（Thomas Kuhn）在狄拉克位于英国剑 桥的家中对他进⾏的采访。 狄拉克研究物理学的⽅法和他的性格⼀样古怪。其他物理学家通常是 先为他们想要描述的现象找到能与之对应的⽇常概念，然后尝试⽤数 学⽅程来概括它，⽽狄拉克则敢于直接坐下来，仅⽤纸笔去猜测⽅程 的形式。狄拉克说：“这是我的⼀个怪癖吧，我喜欢摆弄⽅程，只是为 了寻找优美的数学关系，也许它们根本没有任何物理意义，⽽有时候 它们则真的具有物理意义。” 格雷厄姆·法⽶罗.天地有⼤美：现代科学之伟⼤⽅程[M].涂泓，吴俊， 译.上海：上海科技教育出版社，2020：147. 1927年11⽉底，狄拉克在圣约翰学院的简陋房间⾥寻找他所说的“优美 的数学关系”时，像变戏法⼀样凭空写出了⼀个⽅程，它后来被命名 为“狄拉克⽅程”，是如今刻在伦敦威斯敏斯特⼤教堂地板上的两个⽅ 程之⼀，另⼀个则是霍⾦关于⿊洞温度的⽅程（参⻅第14章）。美国 物理学家弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）说：“在物理学的所有⽅ 程中，狄拉克⽅程也许是最‘具有魔⼒’的了。它是在最不受约束的情况 下发现的，即受到实验的制约最少，且具有最奇特、最令⼈吃惊的种 种结果。” 狄拉克发现不可能⽤⼀个单纯的数字来描述电⼦的相对论特性，⽐如 它的能量，因此他需要使⽤⼀个被称为矩阵的2×2数表。这种“⼆维 性”解释了电⼦的⼀个令⼈困惑的特征。实验显示，电⼦的⾏为好像是 在进⾏顺时针或逆时针的⾃转，但如果电⼦真的在⾃转，那么只有当 其转速超过光速时，其⾏为才有意义，⽽根据爱因斯坦的理论，超光 速是不可能的。物理学家们不得不声称电⼦的“⾃旋”是⼀种全新的性 质，它是⼀种内在的量⼦属性，在⽇常世界中找不到能够类⽐的概 念。在狄拉克看来，电⼦的这种属性就这样从他写下的⽅程中凭空跳 了出来。狄拉克说：“（我的⽅程）正好给出了我们对电⼦所需的那些 性质。这对我来说真是⼀个意外的收获，完全出乎意料。”据美国物理 学家约翰·范弗莱克（John Hasbrouck Van Vleck）所说，狄拉克对 电⼦⾃旋的解释就像“魔术师从帽⼦⾥变出兔⼦”⼀样神奇。 ⾃旋的确很奇怪，但狄拉克⽅程中体现出的另⼀个特性却更加奇怪。 狄拉克写下他的⽅程时就注意到，⽅程的机制出现了离奇的重复，它 似乎不仅描述了带负电的电⼦，还描述了⼀种与电⼦质量相同但却带 正电的粒⼦。当时，⼈们只知道三种亚原⼦粒⼦：原⼦核中的质⼦， 围绕原⼦核运⾏的电⼦以及形成光的粒⼦。光⼦，似乎没有必要再出 现⼀个新的粒⼦，甚⾄当时⼀些很伟⼤的物理学家，如沃纳·海森堡和 沃尔夫冈·泡利也认为狄拉克⽅程⼀定是错的。然⽽，后来在距离剑桥 千⾥之外的地⽅所进⾏的⼀个实验证明，狄拉克是正确的，⽽海森堡 他们是错的。 现在我们知道宇宙射线其实是来⾃宇宙空间的⾼能原⼦核（主要是氢 原⼦核）。能量较低的粒⼦来⾃太阳，⽽能量较⾼的粒⼦则来⾃宇宙 深空，其中⼀些粒⼦所具有的能量相当于我们通过CERN的⼤型强⼦对 撞机等粒⼦加速器所能获得的最⼤能量的数千万倍。2018年，⼈们发 现了⼀个银河系外的宇宙射线源，它是⼀个由超⼤质量⿊洞驱动的“耀 变体”星系，编号为TXS 0506+056（‘Neutrino emission from the direction of the blazar TXS 0506+056 prior to the IceCube-170922A alert’ by the IceCube Collaboration ( 23 July 2018）。 1932年，位于帕萨迪纳的加州理⼯学院的美国物理学家卡尔·安德森 （Carl Anderson）正在研究宇宙射线，即来⾃太空的超⾼能粒⼦。 安德森预测这些⾼能粒⼦会撞击⼤⽓中的原⼦，并将其中的电⼦撞击 出来。他认为，如果能测出这些被撞击出来的电⼦的能量，就能以此 为线索推算出宇宙射线的能量。为此，他使⽤了⼀个极强的磁场来弯 曲电⼦，并得出了这样的结论：如果电⼦的能量⾼，运动速度快，那 么它们通过磁场的时间就会较短，弯曲幅度也会较⼩；相对地，如果 电⼦的能量低，运动速度慢，那么它们通过磁场的时间就会较⻓，弯 曲幅度也会较⼤。 安德森使⽤“云室”这⼀装置让电⼦显形。在这个装置内，电⼦轨道所 经过的地⽅会留下微⼩的⽔滴痕迹，他就可以对这些痕迹进⾏拍摄。 1932年8⽉2⽇，安德森冲洗了⼀块照相底⽚，他惊奇地发现⼀个与电 ⼦质量相当的粒⼦在磁场的作⽤下发⽣了弯曲，但其弯曲的⽅向与电 ⼦正好相反。尽管他对狄拉克的预⾔完全不知情，但他还是偶然间触 碰到了狄拉克所预⾔的带正电的电⼦，他⽴即将这种粒⼦命名为“正电 ⼦”。 此后的⼏⼗年中，⼈们陆续发现了许多其他的反粒⼦，包括反质⼦和 反中⼦。反粒⼦存在的原因有很多。⾸先，正如爱因斯坦所发现的， 质量只是能量的⼀种形式（参⻅第10章）。这意味着不仅质能可以转 化为其他形式的能量，其他形式的能量也可以转化为质能。 以光⼦为例，根据爱因斯坦的理论，它可以被转化为质能。然⽽，还 存在⼀条基本定律，它规定电荷既不能被创造也不能被消灭。如果⼀ 个不带电的光⼦只产⽣了⼀个带负电的电⼦，就会违反电荷守恒定 律，如果在这个过程中同时还产⽣了另⼀个粒⼦来抵消电⼦的电荷， 就可以解决这个问题了，这个粒⼦就是⼀个带正电的“正电⼦”。 我们再来看⼀看逆向的过程，即质能被转化为其他形式的能量的过 程。如果电⼦的质能被转化为光⼦，这也会违反电荷守恒定律。如果 是⼀个电⼦和⼀个正电⼦相撞后发⽣湮灭，并在这个过程中产⽣了⼀ 个光⼦，问题也可以得到解决（实际上，为了满⾜⼤⾃然的另⼀条规 则，即动量守恒定律，在这个过程中需要产⽣两个以相反⽅向运动的 光⼦）。 约翰·厄普代克.罗杰教授的版本[M].刘涓，李海鹏，译.河南：河南⼈民 出版社，2000：307. 美国⼩说家约翰·厄普代克（John Updike）很好地抓住了这个想法的 要点，他说：“想⼀想⼆进制吧。当物质与反物质相遇时，两种东⻄同 时化为乌有，转换成纯粹的能量。然⽽两种东⻄⼜都存在过，我的意 思是说，都经历过⼀种我们称作‘存在’的状况。想想1与-1这两个数 字。把它们加在⼀起等于零，对不对？想想看，把它们放在⼀起，然 后再把它们分开会是个什么状况。……现在你就有某种东⻄了，⽽且 是两个某种东⻄，⽽刚才你是⼀⽆所有。” 事实证明，原⼦核⼀直在以正电⼦的形式持续辐射出反物质粒⼦。这 些正电⼦是由⼀种放射性衰变产⽣的，这种放射性衰变会将原⼦核中 的质⼦变成中⼦，就像β衰变会将原⼦核中的中⼦变成质⼦⼀样（参⻅ 第15章）。在正常物质中，这些正电⼦基本上都会⽴刻撞上原⼦中的 电⼦，并湮灭变成光⼦。正是因为正电⼦不会停留太久，所以直到 1932年才有⼈注意到它们。 ⼈们已经证明，能辐射出正电⼦的放射性核素在医学上有着重要的⽤ 途。在正电⼦发射断层扫描（PET）中，医⽣会向病⼈体内注射⼀种 半衰期很短的放射性物质，这种物质会辐射出正电⼦并在体内扩散。 这些正电⼦会迅速与电⼦相遇并发⽣湮灭，产⽣以相反⽅向运动的⾼ 能光⼦，即γ射线。通过检测这些光⼦，就可以构建出全身或身体某个 部分的三维图像。 实际上，物理学家们已经制造出了少量的反物质。例如，在欧洲核⼦ 研究中⼼（CERN），物理学家们成功制造出了反氢原⼦，在反氢原⼦ 中，⼀个正电⼦围绕着⼀个反质⼦旋转，⽽不是像正常氢原⼦那样， 是⼀个电⼦围绕着⼀个质⼦旋转（⻅图19-1）。物理学家们想知道， 在引⼒的作⽤下，反物质是会像正常物质⼀样下落，还是会向上⻜起 来。理查德·费曼写道：“所有的实验证据以及少量的理论证据似乎都 表明，参与引⼒作⽤的是物质中所含有的能量。由于物质和反物质所 代表的能量都是正的，因此引⼒的作⽤对于它们来说没有区别。”然 ⽽，如果我们真能观察到反物质向上⻜起来的现象，那将是⾮常令⼈ 兴奋的，这将开创⼀种未曾设想过的崭新的物理学领域。 图19-1 反物质原⼦ 说明：在反氢原⼦中，⼀个正电⼦围绕⼀个反质⼦旋转，⽽在正常氢 原⼦中，是⼀个电⼦围绕⼀个质⼦旋转。 物质和反物质的湮灭可以将100%的质能转化为热能等其他形式的能 量。相⽐之下，让太阳发光的核聚变反应，其能量转换效率还不到 1%。因此，物质-反物质湮灭在效率上⾜以碾压任何核反应，使得反 物质成为⼀种完美的⽕箭燃料。《星际迷航》中企业号星舰的设定就 是使⽤反物质燃料，这正是基于这种完美的能量转换效率。不幸的 是，它的缺点也很明显，因为我们要先制造出反物质，这个过程所消 耗的能量要⼤于湮灭所释放的能量。 正电⼦在产⽣之后很快就会遇到正常物质中的电⼦⽽发⽣湮灭，之所 以会造成这⼀现象，显然是因为我们的宇宙⼏乎完全是由正常物质构 成的。但为什么会是这样呢？这成了科学界中最⼤的未解之谜之⼀。 问题在于，我们曾经研究过的⼏乎所有的亚原⼦过程，都会等量地产 ⽣物质和反物质。因此，可以设想在宇宙⼤爆炸中应该也产⽣了等量 的物质和反物质。然⽽，如果事实果真如此，那么这些物质和反物质 就会全部发⽣湮灭，宇宙中就只剩下光⼦了！ 为什么我们会⽣活在⼀个以正常物质占主导地位的宇宙中呢？有⼀个 观测结果为我们提供了⼀条线索：在现在的宇宙中，每⼀个物质粒⼦ ⼤约对应着100亿个光⼦。这意味着物理学基本定律存在轻微的偏差， 因此在宇宙⼤爆炸中，每产⽣100亿个反物质粒⼦，就会同时产⽣100 亿零⼀个物质粒⼦。于是，在⼀场湮灭的狂欢之后，100亿个物质粒⼦ 和反物质粒⼦全部消失了，只剩下⼀个物质粒⼦和100亿个光⼦，就像 我们现在观测到的情况⼀样。 物理学家们正在寻找这种相对于反物质来说更偏向于正常物质的亚原 ⼦过程。然⽽，到⽬前为⽌，⼈们还没有找到⾜以解释上述现象的这 种不对称性。反物质依然是⼀个谜！ 第20章 中微⼦ 尽管这种成群结队的幽灵⼏乎不会⼲涉物理世界，但它们却是宇宙中 数量第⼆多的粒⼦。 整整8光年厚的铅……你需要⽤这么厚的⾦属把⾃⼰包起来才能避免被 中微⼦撞到。我猜那些⼩混蛋⽆处不在。 ——迈克尔·夏邦（Michael Chabon） 竖起⼤拇指，每秒钟会有1000亿个中微⼦穿过你的指甲，⽽分钟之 前，它们还在太阳的中⼼。中微⼦是由太阳发光的核反应产⽣的，尽 管数量惊⼈，但它们强⼤的“社恐”属性意味着它们⼏乎不会被物质阻 挡。因此，绝⼤多数中微⼦会若⽆其事地穿过你的身体，在它们⾯ 前，你就和真空⼀样⽆形和透明。 中微⼦的存在是由奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利于1930年提出的，当 时他正在经历⼀场空前的⼈⽣危机。两年前，泡利的⺟亲因遭到丈夫 的遗弃⽽⾃杀，⽽与他结婚不到⼀年的妻⼦，柏林歌舞团的⼀位舞 ⼥，也和她的化学家男友私奔了。泡利甚⾄向维也纳的⼼理治疗师卡 尔·荣格（Carl Jung）寻求过帮助，对他来说，醉⼼于物理学能够帮 助他暂时忘却⽣活的痛苦。当时，有⼀个问题让泡利和其他很多伟⼤ 的物理学家感到⼗分忧虑，这个问题涉及⼀种特殊的放射性衰变，⽽ 他提出的关于中微⼦的理论只是⼀种“绝望的补救措施”。 放射性衰变是由法国物理学家亨利·⻉克勒尔（Henri Becquerel）于 1896年发现的，它指的是处于不稳定状态的原⼦核转变为更稳定的状 态，同时释放出能量的过程。两年内，新⻄兰物理学家欧内斯特·卢瑟 福以及其他⼀些物理学家已经认识到放射性衰变分为3种不同的类型， 它们会产⽣3种不同的辐射：α粒⼦（氦原⼦核）、β粒⼦（电⼦）和γ 射线（⾼能光束）。由特定原⼦核辐射出的α粒⼦和γ射线其能量总是 固定不变的，但β粒⼦的能量却可以在⼀个范围内发⽣变化——主要的 困惑也就在这⾥。 假设有⼀把⼿枪，在填充等量⽕药的情况下，每颗⼦弹离开枪管时的 能量和速度都应当是完全相同的。特定原⼦核辐射出的β粒⼦就相当于 ⽤等量的⽕药发射出去的⼦弹，它们的能量怎么会不同呢？这个问题 甚⾄迫使物理学巨匠之⼀的尼尔斯·玻尔做出了妥协，他说，在原⼦的 世界⾥，各种物理过程并不遵守能量守恒定律。能量守恒定律是物理 学的重要基⽯之⼀，它规定能量既不能被创造，也不能被消灭，只能 从⼀种形式转化为另⼀种形式，⽽玻尔的说法则反映出了物理