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《极简宇宙史》第四部分 跃入量子世界 第2章如同海里的鱼

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现在想象一下自己是一条鱼,因为某种原因,你想去看看作为自己家园的海洋上面有些什么。从海洋深处,你尽力加速,如鱼雷一般向上冲去。你的目标是我们人类所称的海面,而作为鱼,大概是被称为天花板的地方。

你游得很快,越来越快。水压迫着你的鳞片。随着你离液态世界的尽头越近,周围的光线也变得越发明亮起来。现在,你出水了。周围已经没有水将你包裹,你飞行在一种蓝色的虚空之中(我们人类称它为大气)。你用力扇动鱼鳍,但无法游向更高处。你并不像鸟一样,确实,你还是更像鱼一些,向上的旅程突然终止,沿着因地球的存在而带来的时空曲线向下滑动,落回海中。

片刻之后,在你大海深处的家中,你与自己的鱼类朋友讨论自己刚才的经历,那些朋友与你一样对未知世界充满好奇。你们很快就同意在上面——你们巨大水世界的屋顶之外——是不可能游动的。你们相信,海洋上面,是一片蓝色虚空。

我们人类知道得更多。我们知道海洋之上是空气,而且我们现在知道我们所谓的空气远远不是虚空。没有它,几分钟后我们就无法存活。

然而,我们中的大多数并没有比海里的鱼聪明多少:我们不也认为在外太空里,大气层之外,我们珍贵的空气上面,什么都没有了吗?我们不也认为太空仅仅是黑暗的虚空?

如同你将在本书余下部分所看到的,这种想法完全错了。

外太空远远不是空的。

作为鱼类,当你短暂地跃出海面时,你进入了另一个世界,一个主要由气体与尘埃,而不是液体构成的世界。

现在,你将要进入的世界比你刚才见到的更广泛。它被称为“量子世界”,它是基本物质与光的世界。

与海洋不同(海洋由水构成,延伸到与空气交界处为止),量子世界无处不在:在海洋里,在陆地上,在构成我们的物质中,在光里,在外太空里,甚至在“虚空”的太空中。人类花了几千年才走进它的国度。进入量子世界的大门深埋在微观物质之中。因为空气、引力和其他许多因素会让整个图景变得特别复杂,我们先暂时忽略它们。

忽略它们的最好方式莫过于把你送回外太空。

在你将冰箱贴从冰箱上取下再次检查它的表面时,你没看到它有任何可见的变化。还是黑色,依然光滑。但你能感觉到作用力,毫无疑问。真是奇怪。

你再次将脸颊贴紧冰箱,再做一遍实验,你将注意力完全集中在冰箱贴与冰箱上,其余的一切都从你身边消失。地板、空气、你那块金子、墙壁、你的整个厨房与公寓,都不见了。你的家园不见了,就连地球、月亮和其他一切也都消失了。

你漂浮在太空里,来到一个遵循着至今已知的所有大自然规律的意识世界。你的周围没有空气,也不再有引力。真的,什么都没有,除了你自己、冰箱贴、冰箱,以及那让冰箱贴与冰箱相互作用的不知什么的东西。

到现在,你应该已经熟悉了这种情形,所以你不再为此惊异或担心,而只关注自己手头的实验。

紧贴着冰箱的你的脸已经很冷了,冰箱贴还在你的手里。你放开手,在这松手的一瞬间,你进入了一场新的探险:听起来真是不可思议,你开始变小了!在你游历时空时,你变大了,以便理解巨大的宇宙尺度,接着你又以极限速度观察世界,所以你高速移动。现在,你又将开始探索量子世界的旅程,所以你变小了。

变得很小。

你正变成自己的缩微版。一个只有几个原子那么高的自我缩微版。

到底有多小?

让我们看看。

当你在阅读本书时,书本或电子屏幕离你的眼睛大约有几只手掌那么远。在这个距离上,你的眼睛能分辨出的最小尺寸大约是一毫米的二十分之一,也就是人类头发直径的三分之一。

现在,缩微版的你缩小后的尺寸是刚才你眼睛所能看到最小尺寸的十万分之一。这大概是能看到你的冰箱贴与冰箱之间是不是真的有什么事情发生的合适尺寸。

虽然缩小身体这件事总有些让你心神不定,但你还是专注于观察冰箱贴或冰箱之间是否有什么东西伸出幽灵般的手把对方拉向自己。你转动着自己微小的脑袋上下左右观察着。

你什么都没有看到。

你知道自己的右边是冰箱贴,而左耳后面就是冰箱,但以你现在的大小,它们离你太远,你无法看清。

所以你耐心等待。

什么都没有发生。

什么都没有。

在漫长而孤独的等待之后,你决定试试别的方法:与其观看,或许用感觉能解决问题。就像你小时候通过想象自己拥有超能力来打发时间一样。

你虚拟着做了几下深呼吸,集中注意力,然后你闭起眼睛,如同一个在太空里的微小瑜伽大师,比微尘还小,紧闭双眼,伸开双臂,就像你在电影里看到的那样。

一开始,你什么都感觉不到。然后,感觉来了。

你感觉到自己就像海里的鱼,围绕着你的一切似乎都包裹在某种……什么东西呢?显然,不是水……你睁开自己微小的双眼,渴望找出是什么构成了这片海洋。但那种感觉突然消失了,再一次,你的身边什么都没有。这种感觉的确很奇怪,甚至有些令人害怕。但你不是胆小鬼,很快你就推断出与我们宇宙中存在的许多东西一样,你所感觉到的东西是真实的,虽然无法被我们的眼睛看到。

所以,你再次闭起双眼,以瑜伽的方式进入这个量子世界。

“海洋”还在那里,包裹着你。甚至还有……洋流?是的。开始于冰箱贴所在的地方,终止于冰箱。那里有着循环流动着的作用力,直接穿过你的身体,你意识到自己现在所感觉到的就是让冰箱贴与冰箱相互作用的东西,就是所谓的“电磁场”。在你闭起的微小眼睛之后,它就像一片由作用力构成的薄雾,包裹着一切,无处不在,在离冰箱贴和冰箱最近的地方最密集。波浪穿行其中,以光速前进,告诉你冰箱贴与冰箱正迅速接近,意味着早晚有一刻,它们将撞在一起,意味着……你睁开双眼,一幅恐怖的景象出现在你眼前,让你合不拢嘴:一片巨大的黑色冰箱贴正向你飞来,就要把你压扁。

你后退一步,害怕得瑟瑟发抖。

你离冰箱贴的距离已经让你能够看到在其表面摇摆着的原子。甚至在它们边上也有微小的激流流过。这些激流是什么?电流吗?还是磁流?或者两者都是?对此你毫无头绪,不过可以确定的是……等等!那是什么?

一些事情发生了。

你亲眼目睹。

不是从冰箱贴伸往冰箱方向的手臂,而是某种光。到底是真实的还是虚拟的,你分辨不出,但显然,有光。不知它们从哪里出现,但就在你微小的眼睛前面,似乎在冰箱贴表面之上。或者是里面?你转头看向它飞去的地方,那扇冰箱门,它体积巨大,也正向你迎面而来……

你屏住自己微弱的呼吸。

你马上就会被压得粉身碎骨。

越来越多奇怪的光珠从片刻前还看起来隔开了冰箱贴与冰箱之间的虚空中出现,现在这片虚空显然已不再是虚空了。你的身边有光珠闪亮,它们在冰箱贴与冰箱之间来回交错,就像有一大群微天使将两件物体拉向彼此。

这场表演让你着迷,虽然自己的缩微版身体正处于生命的最后时刻,但你仍在困惑这些光珠是自己想象出来的还是真实存在的……它们看上去的确不像真的,因为它们只存在一瞬间,而且不知来自何处,但它们显然又对冰箱贴产生着非常真实的效应……是的,这些明亮的小东西携带着让你的冰箱贴贴近你家冰箱的力量……

你闭起你微小的眼睛。

你就要被压扁了。

但是,砰!

你回到自己的厨房中,茫然地盯着冰箱门,那块冰箱贴刚好把自己贴上冰箱,发出轻微的金属撞击声。

你抬手擦去额头流下的冷汗,大口喘气,略觉尴尬——虽然你独自一人——觉得这只不过是自己的想象。

不过感觉上真的很逼真。

你刚才见证的正是一场超距反应,它并不是魔法,虽然我承认,这一切看上去的确很诡异。毋庸置疑,你看到的是那让两个磁性物体互相作用的神秘力量——电磁力,这种作用力由虚光子所携带,这种粒子非常独特,它们的存在只有一个目的:携带电磁力。它们出现在你的冰箱贴与冰箱之间,看起来它们从虚空中产生,但实际上并非如此。你已发现在宇宙中任何两个物体之间,不管它们是不是有磁性,都存在着某些东西,被称为电磁场。那是一个相互作用的海洋,虚光子可以在任何一个时刻出现其中。

就在现在,当你盯着冰箱看的时候,无数这样的虚拟光珠被冰箱贴与冰箱门交换,但你无法看见,也不再能够看见。这就是为什么它们被称为虚拟的原因。它们从并非虚空的虚空里出现,并在让任何人有机会看到它们之前消失无踪。

这样的虚拟力量携带者一直围绕在你身边,就在现在,甚至在你身体之内。

它们都属于电磁场,一片不可见的迷雾,充满的不仅是冰箱与冰箱贴之间的空间,而是整个宇宙。

那些互相排斥的磁铁又是怎么回事?你肯定见过那些,不是吗?

你马上就要经历的飞越原子之旅(几章之后)会让你知道,你刚见到的虚拟光珠对于构成我们及包围我们的物质可以吸引、排斥,或者毫无作用。

一切都取决于相应的物质到底由什么构成。事实上,它碰巧只取决于一种东西:一种被科学家们称为“电磁荷”的东西。就像你可以用体重秤测量自己的质量一样,你也可以用某种仪器测量自己的电荷。虽然整体来说,你的电荷量是零——人的身体是电磁中性的(否则冰箱贴就吸附在你身上了,那还是蛮讨厌的)。但对于构成你身体的每一个具体粒子来说却并非如此。

自然中只存在两种电磁荷,方便起见,它们分别被称为正的或负的,或者另一种说法:阳或阴。但你用任何别的名字称呼它们也没什么不可以,真的。

规则是虚拟光珠排斥同种电荷,而将异种电荷拉到一起,正电荷与正电荷之间、负电荷与负电荷之间会被两电荷间出现的虚拟光珠推开。电荷间距离越近,出现的虚拟光珠越多,排斥力就越大。而正电荷与负电荷之间却喜欢待在一起,就像你的冰箱贴与冰箱一样。同样,电荷间距离越近,它们之间的吸引力就越大。中性物体不在乎这些虚拟光珠,它们能够通过拥有完全相同数量的正电荷与负电荷实现中性(你的身体就是这样),或者完全不带任何电荷(某些你马上会遇见的粒子就不带任何电荷)。这些就是电磁场所遵循的规则。

现在,你或许会觉得这种关于冰箱贴与冰箱相互作用的解释无法被我们的眼睛看到,这不过是一个有用的模型构建,却未必真正对应于自然运作的真实机制。你或许会提出,电磁场只是科学家们用以描述带有电荷的物体如何在磁铁周围运动的图画工具而已。一幅图画。一幅充满智慧但却是想象出来的图画。你对此毫无异议,但也仅仅是幅图画而已。

当然你可以这么想,但未必代表这种想法正确。

你刚才所见识的场,这弥漫在整个宇宙之中然而又在带有电荷的物体周围及其之间变得活跃的不可见的迷雾,远远不只是一幅图画。

首先,它非常真实。

事实上,它不仅规范着所有带有电荷或磁荷物体的运动,还创造出宇宙中所有一切带有电荷与磁荷的粒子,包括光。你很快就会见到的电子就是它的一个表现,你眼睛所探测到的光线是另一个,它们都是这个场中的涟漪。

今天地球上许多最出色的科学家们倾向于认为电磁场具有比磁铁所展现出来的更本质的特性,当然也比冰箱更本质,甚至比光都更本质,当然也比你更本质。虽然最后一句话听起来十分离谱。

在本部分结束之前,你将了解另两个充满整个宇宙的量子场。你将了解到对于现代科学来说,你和我,以及我们所知道或看见的所有物质以及闪耀在任何地方的光,都是这些场的表现,或者涟漪。我们,人类,的确就是海洋里的鱼。一个由场构成的海洋。其他所有东西也都同样如此。虽然我们的祖先曾经一度生活在真正的海洋中,但他们仍然通过了亿万年的进化才认识到量子场的存在。