8 十分特別的關係
和頂誇克、希格斯玻色子一樣，W玻色子和Z玻色子也非常不穩定。標準模型中較重的粒子都有相同的命運：產生之後立刻消亡，隻存在極短的一瞬間。將W玻色子和Z玻色子的質量與其他基本粒子相比就會發現，它們毫無疑問也屬於“巨人族”。不過，它們的大小卻可忽略不計，是完完全全的點粒子，可以在一個無限小的空間內集中一個金原子的質量。仿佛是相應的某種懲罰，它們的存在注定是最短暫的。
它們的平均壽命在10-22秒到10-25秒之間，沒有任何設備能測得它們衰變之前走過的路徑。就算以光速運動，它們走過的距離也隻是介於質子大小和誇克大小之間。另外，由於它們非常重，就連最強大的加速器也無法賦予它們足夠的能量來將平均壽命拉長到原來的幾百萬倍或幾十億倍——這對於測得它們的飛行時間是十分必要的。
為了測量如此短暫的時間，人們必須采用完全不同的特別方法——利用物質分解成基本粒子時的奇特性質。
雙生的狄奧斯庫洛伊兄弟
所有粒子都遵守量子力學的法則。不管微觀世界的物質行為看起來多麽奇怪，它們就是由這些法則掌控的，這已被驗證了無數次。了解了這些規則，我們才造出現代社會人類活動賴以存在的精巧工具。如果老天突然開了個奇怪的玩笑，讓量子物理不再起作用，那包括飛機和汽車、醫院和通信、手機和電腦、工廠和物流在內的一切都會停止運行。
量子力學的基本法則之一是不確定性原理，而測量極短平均壽命的關鍵正在於此。
在經典物理學中，我們可以隨便選擇兩個物理量，比如一輛法拉利衝過F1比賽終點線時的速度和位置，兩個物理量可以同時測得而沒有精度限製。但這在量子物理中是不可能的，在這裏，一個新的規則禁止“不相容量”被同時測準。如果將其中之一的不準確性降為零，另一個的不準確性就會無限大。位置和動量就是一對典型的不相容量。
通常，不確定性原理會被解釋為與測量動作的擾動有關的不確定性。為了確定電子的位置，我們可以使用高能光子並測量它們的發散角度，但光子與電子發生相互作用時，就會改變電子的速度。不過，1927年德國物理學家海森堡提出的這個原理還有更深的含義：它涉及量子係統的典型特征，即在所有可能的狀態中搖擺不定，直到測量發生時才突然歸於其中一個狀態。
我們來看一個簡單的例子。足球比賽開始時，裁判會通過拋硬幣來決定哪一方先開球，硬幣在空中運動時一直在兩個可能狀態之間轉換，好比在同一時刻既是正又是反。直到硬幣掉到草坪上的那一刻，這兩種互斥狀態的疊加才被打破，硬幣不是正就是反，不再模棱兩可。
就算沒有測量帶來的擾動，量子物體的兩個不相容量也不會同時有準確的值。當我們在測量時，會記錄到係統某一特定狀態的不確定性，但其實所有狀態都有這種不確定性。量子係統並不能無限自由地經曆所有可能的狀態，而是有嚴格的規律要遵循，盡管我們對其中的意義還不甚明了。不確定性原理就是這些規律之一，是誰也無法打破的禁忌。
這是量子力學中我們尚不完全理解的諸多事情之一。它是一個非常有效的理論，我們一直都在用，盡管我們不知其所以然。諾貝爾獎得主理查德·費曼曾在20世紀70年代說：“沒有人明白量子力學。”這話在今天依然成立。在不確定性原理及我們每天都在驗證的其他規則及現象之外，還有我們尚不知道的東西，可能在背後有我們不了解的對稱及守恒法則在起作用。在還無法探索它之前，我們必須接受繼續運用量子物理卻無法進一步解釋的挫敗感。
能量和時間也是不相容量，服從不確定性原理。如果我們想精確地知道其中之一，就必須接受另一個的極大不確定性。能量浮動ΔE乘以時間變化Δt，應大於等於h/4π。因為普朗克常數h的值很小，所以在宏觀世界中，我們可以放心忽略這個影響。就算測量得非常精細，我們也無法感覺到不確定性原理的限製，因為實驗本身的不精確性要大得多。
能量和時間被不確定性原理不可分割地連在一起，此消彼長，一個的精確度提高，另一個的精確度就會降低。反之亦然。
這讓人想起希臘神話中的狄俄斯庫裏雙生子卡斯托耳和波魯克斯。他們優勢互補，一個善於馴馬，一個善於格鬥，兩人一起參加了無數的戰鬥，共同做出了許多壯舉，其中最著名的就是隨其他阿耳戈英雄到科爾基斯尋找金羊毛。傳說，他們的母親是勒達，卡斯托耳的父親是斯巴達之王廷達洛斯、勒達真正的丈夫，而波魯克斯則是宙斯化作天鵝與勒達所生。勒達在同一個晚上先和眾神之王**又和丈夫同床，懷上了這兩個孩子。兩兄弟一起長大，二者有著非常強烈的感應，但卡斯托耳是會死的凡人，而波魯克斯則擁有不死之身。
卡斯托耳戰死沙場時，波魯克斯悲痛欲絕，他請求父王宙斯讓自己死去，以便到冥界與弟弟重逢，並永居於亡者的國度。為了不失去兒子，宙斯準許卡斯托耳在奧林匹斯山過一天，在冥界過一天，讓兩兄弟可以繼續一起生活，在光明與黑暗之間交替出現。
卡斯托耳和波魯克斯被稱為“狄俄斯庫裏兄弟”，意為“宙斯之子”。現在“狄俄斯庫裏”被引申為失去手足而悲痛萬分的人。黃昏之星赫斯珀洛斯與清晨之星福斯福洛斯(1)的交替出現，也被認為與這兩兄弟有關(2)，後來人們才知道這兩顆星其實都是金星——黎明、黃昏時天空中最亮的星。畢達哥拉斯學派也用這兩兄弟的形象來代表宇宙的和諧——兩個天體半球交替出現於大地上下，循環往複。兩兄弟的聯合由此成為永生不死的象征，並出現在許多古羅馬石棺上，而卡斯托耳和波魯克斯的宏偉雕像今天也矗立在羅馬卡比托利歐廣場的入口，歡迎著來到此地的遊人。
抓住卡伊洛斯的頭發
限製我們獲取知識的原理，也可以反過來用於擴展我們的知識。我們可以換個角度理解不確定性原理：在極短的時間內，係統能量的不確定性可以非常大。係統不停經曆所有可能的狀態，當然也可能經曆能量非常高的狀態，隻要時間非常短。
對這一理解的運用之一，就是解釋不穩定粒子的衰變。比如，渺子如何在弱相互作用之下衰變？它在衰變成電子和中微子時，要放出一個傳遞弱力、重達80GeV的W玻色子。質量僅相當於1/10GeV的粒子如何能產生是自己800倍重的物體？這似乎是不可能的，除非違反能量守恒定律。
實際上，這個過程分兩個階段發生。第一階段很短，渺子在隨機漲落中變成中微子並釋放出較重的W玻色子。如果這一階段的時間短到被不確定性原理允許，那就不會違反任何規則，不會有任何差錯。但W玻色子一定要迅速從現場消失，分解成一個電子和一個中微子，這就是第二階段。於是，這個過程中一開始是有一個渺子（帶電），很短時間後有一個電子（也帶電）和兩個極輕的中微子，最終狀態的質量小於初始質量，這意味著電子和中微子不會靜止，而是具有動能。綜合來看，初始粒子的能量和衰變產物的能量相等，沒有違反能量守恒和電荷守恒的鐵律。渺子發生能量漲落並放出W玻色子而衰變的過程完全隨機，所以在任一時間間隔內發生衰變的比例是一樣的。量子力學和不確定性原理讓我們可以理解不穩定粒子衰變曲線的特征走向。
需要強調的是，衰變的發生需要一個高能中間粒子，不確定性原理允許它出現，隻要存在時間足夠短暫，短到無人能夠記錄。因存在時間太短而無法直接觀察到的粒子稱為虛粒子，它們就像幽靈一樣出沒在實粒子周圍，稍縱即逝，能逃過任何觀察。
我們正是利用了不確定性原理來測量最大質量和最不穩定粒子的平均壽命，竅門就在於盡量測準其質量（或者說能量）。
對於平均壽命幾乎無限長的穩定粒子，將有充足的時間進行無數次測量，直接測出質量並得出一個非常清晰的概率分布，因為不確定性原理導致的不準確性是可忽略不計的。但對於平均壽命很短的粒子，我們就無法直接測量其質量，因為時間不夠。
不過，我們可以測量衰變產生的所有粒子的能量，由此找出母粒子的質量。需要注意的是，就算實驗精度無限大，每次測量的結果也會略有差別。畢竟是母粒子自己的能量在無限短的存在時間內漲落變化。多次測得初始粒子的質量後，我們會發現一個鍾形的概率分布（稱為“共振曲線”），其最高點對應中間質量，粒子平均壽命越短，曲線越寬。這就是巧妙所在：測量這個分布的寬度，也就是不確定性原理中的ΔE，我們就能得出Δt——粒子的平均壽命。
不確定性原理讓我們能夠抓住稍縱即逝的卡伊洛斯（Kairós），那短到無法測量的時刻。古希臘人將他表現成一個年輕人，留著我們今天會覺得很朋克的奇怪發型：額前留一撮，後腦勺全剃光。這是一個難以捉摸的神，代表神奇的時刻、突現的機會、會改變一切的意外瞬間，是卡爾·奧爾夫的《布蘭詩歌》裏歌頌的“世界之主，命運女神”（Fortuna imperatrix mundi）。
不確定性原理讓我們可以在卡伊洛斯迅速轉身而去，隻留給我們光禿禿而無處下手的後腦勺之前，抓住他額前的那一綹頭發。海森堡提出的不確定性原理看似限製了我們的測量能力，結果卻成了我們抓住較重基本粒子極短平均壽命的竅門。
以能量測時間
當我們用不確定性原理去計算粒子的平均壽命時，還會遇到另一個悖論：衰變粒子的質能漲落ΔE（實際要測量的量）與其平均壽命Δt成反比。於是事情出現了反轉：之前我們一直能毫無問題地測得較長的平均壽命，測很短的平均壽命則有困難；現在正相反，平均壽命越短，描述粒子質量的鍾形曲線就越寬，於是也越容易準確測得。比如，用現在的設備可以很容易地測得幾GeV的曲線寬度，但它對應的平均壽命非常短，隻有10-25秒左右。要算出更長的平均壽命須測得更窄的曲線寬度，這可不容易。這也解釋了為什麽W玻色子、Z玻色子、頂誇克的平均壽命都已確定，而希格斯玻色子的平均壽命卻依然令我們頭疼。我們預計希格斯玻色子的平均壽命是其同類的1000倍，這意味著一個非常窄的曲線寬度，而這個寬度就連最精密的儀器也無法測出。
“巨人粒子”中平均壽命最精確的是Z玻色子，這要歸功於歐洲核子研究中心在LHC之前的加速器LEP——正負電子對撞機。正負電子都是點粒子，且點粒子非常“幹淨”的碰撞最適合進行此類測量。LEP從1989年運行至2000年，產生了幾百萬個Z玻色子，因此，我們才得以準確測出其曲線寬度：約2.5GeV，對應2.2×10-25秒的極短平均壽命。
LEP還產生了相當多的W玻色子，其曲線寬度為2.1GeV，比Z玻色子略小，因此對應的平均壽命也稍長，為3×10-25秒。
LEP的能級不足以產生頂誇克對或希格斯玻色子，因此，我們還不能在理想環境中測得這二者的平均壽命，隻是在LHC中通過各種方法進行了估算。質子是複合粒子，碰撞相對複雜，測量起來也很困難。目前，對頂誇克的曲線寬度及其對應的平均壽命已經有了粗略的估計，在較大實驗誤差下，其曲線寬度在1.3GeV左右，對應的平均壽命在4×10-25秒左右。
希格斯玻色子值得單獨拿出來說一說。根據標準模型預測，希格斯玻色子的質量相當於125GeV，也就是說其曲線寬度僅有0.004GeV。其質量的不確定性很小，共振曲線非常窄，LHC的任何實驗設備都無法直接測量它，於是，我們想了一些巧妙的辦法進行估算。目前的結果顯示，希格斯玻色子的曲線寬度不超過0.020GeV，從而可以得出其平均壽命下限為3×10-23秒。希格斯玻色子的壽命要比這個時間久一些，但我們離能夠測出它真實的平均壽命還有一段很遠的距離。
為什麽測出較重基本粒子，尤其是希格斯玻色子的曲線寬度及平均壽命如此重要呢？首先，這可以檢驗標準模型的預測是否正確，更重要的是，這種測量能為我們帶來新的發現。如果希格斯玻色子的曲線寬度或平均壽命與預測值有異，就可能表示有“不一般”的衰變方式：希格斯玻色子與未知粒子耦合。第一個證明這種“不一般”的衰變方式的人，就能成功打破標準模型，並打開通向新的物理學的大門。這些研究可能會讓我們發現新粒子，也許是看不見的粒子，甚至是暗物質的某些神秘成分。
LHC的後繼者——巨型加速器FCC在初期應該能夠準確測出所有較重基本粒子的曲線寬度和平均壽命。FCC是正負電子對撞機，和LEP一樣采用點粒子產生的極強的碰撞，易於研究。不過，這一次的能量高到足以將W玻色子、Z玻色子、希格斯玻色子、頂誇克等所有“巨人粒子” 研究清楚。
該項目計劃產生大量的重粒子——包括標準模型中的所有較重粒子，以研究它們的特性，尋找最輕微的異常。目前對W玻色子及Z玻色子曲線寬度和平均壽命的測量將有數量級的提升，而對於頂誇克和希格斯玻色子的測量，數值有望精確到百分位。
奔忙的信使
俯瞰埃爾科拉諾海的帕皮裏別墅被維蘇威火山的噴發掩埋，在厚達30米的灰燼下長眠了將近1700年。
這是皮索內家族的別墅，在維蘇威火山噴發前由尤利烏斯·凱撒的嶽父盧修斯·卡爾普爾尼烏斯·皮索內命人修建，用以彰顯家族的尊貴。皮索內是一位淵博的文人，他熱愛文化，喜歡伊壁鳩魯派哲學。在別墅遺跡中挖掘出了幾百幅已碳化的莎草紙卷軸，這也正是別墅名稱的由來(3)。
帕皮裏別墅是一座宏偉的建築，長250多米，寬約50米，主體部分有三層。任何想一睹其貌的人，都可以去參觀太平洋帕利塞德附近、鄰近洛杉磯的保羅·蓋蒂博物館。在建造之時，保羅·蓋蒂這位特立獨行的美國百萬富翁明確要求建築師要忠實仿照帕皮裏別墅。
在那裏發現的無價之寶中，不隻有莎草紙，還有優美的壁畫、珍貴的馬賽克鑲嵌畫、彩色大理石地麵，以及87尊雕像——其中58尊為銅像，其餘為大理石像。這些雕像中，有的是絕對的傑作，那不勒斯國家考古博物館為此專辟了一個展廳。其中的一尊赫爾墨斯像一直令我著迷，許多學者認為它是古羅馬人仿的古希臘大雕塑家留西波斯的作品。
雕像是一個坐著的少年，他專注地凝視前方，兩腿略分開，右腿向前，左腿屈起，左腳在後。上半身則反過來：放鬆的左臂在前，前臂放在大腿上，右臂在後，手掌撐在所坐的岩石上，手略微朝外。
雖然這是一座靜像，看起來是一個坐著休息的少年，但他的姿態充滿動感。他上半身的扭轉，哪怕隻是那微微的一點兒，也讓觀者想圍繞雕像轉一圈，從不同角度去欣賞它。
腳踝上帶翅膀的涼鞋讓他的身份確鑿無疑：這是宙斯和女神邁亞之子赫爾墨斯，眾神之中最敏捷者——不管是從一個地方飛到另一個地方，還是用頭腦進行思索。他以思維敏捷、聰明伶俐著稱。
他在早上出生，中午就已經走出了搖籃，他發現了一個龜殼並用它做了一把裏拉琴。當天晚上，他向強大的兄長太陽神阿波羅發起挑釁——從其牛群中偷了50頭小母牛，並成功瞞了過去。
宙斯讓這位敏捷之神當神界與人間的信使，天空中速度最快的行星——水星——之名也來自他(4)。他負責將宙斯的神旨傳達給凡人。這位偉大信使的奔忙，將兩個不同的世界連在了一起，讓本質相異的東西有了關聯。
基本的相互作用由一些非常特別的粒子承載，它們被稱為媒介子，是一種特別的信使。和那位足踏帶翼涼鞋的神一樣，這些粒子也聯係著異質而不可再分的東西。它們連起誇克和輕子，讓其相互作用，令其轉變，有時也決定其終結。
在這裏，不確定性原理下能量與時間的奇特關係再次起了作用。我們可以這樣看兩個帶電粒子之間的電磁相互作用：第一個粒子放出一個能量為ΔE的光子，這個光子立刻被第二個粒子吸收。一切都是有規律的，但會有那麽極短的一瞬間，兩個粒子和放出的光子是同時存在的，這似乎違背了能量守恒定律，事實上隻要這個瞬間短於不確定性原理規定的Δt就沒關係。傳送的能量ΔE越大，時間Δt就越短，因此媒介子所能走過的最長距離cΔt也就對應最小的傳送能量。由於任何媒介子所帶有的能量都不可能小於其質量對應的能量，因此相互作用的範圍就與媒介子的質量有關，媒介子的質量越小，相互作用的範圍越大。
對於電磁相互作用來說，事情很簡單：因為光子沒有質量，所以電磁相互作用的範圍也就無限大。任何帶電粒子都和全宇宙中其他所有帶電粒子相互作用，不管它們分布在哪裏。
另一方麵，弱相互作用的媒介子W玻色子和Z玻色子則很重，不確定性原理禁止它們飛出很遠的距離。能量80～90GeV粒子的作用範圍被限製在原子核以內，因此弱相互作用還沒接近原子核邊緣就消失了。正是因為被限製在如此微小的尺度上，人類花了幾千年才意識到它的存在也就不奇怪了。
自然界各大基本力作用範圍的區別，對於我們的宇宙結構具有決定性意義。敏捷的信使們各自扮演不同的角色，各有各的工作範圍，隻在清楚劃定的管轄區域內奔波。這些赫爾墨斯的弟子將我們的物質世界組織得井井有條、平衡而和諧。
完美的一對
能量和時間是天生一對，不確定性原理將它們聯係在一起，讓它們有了不可分割、此消彼長的關係。一個變得很大，另一個就會變得很小；一個站在舞台中央，另一個就會消失在遠處。但二者的角色隨時可能互換。
雖然是不相容量，但它們其實被一些深層的東西聯係在一起。這是一種強大的關聯，根植於我們這個物質宇宙最細微的肌理之中。能量守恒定律是最普遍的法則之一，每次遇到它我們就能感受到那種深層的東西，而能量守恒與時間又有著特別的關係。
眾所周知，物理學定律的每一種連續對稱性都對應著一個守恒定律，即某個可測量的物理量保持不變。如果改變時間軸的起點而運動規律保持不變，就意味著係統的能量守恒。這種關係非常強大，強大到能把兩個沒有共同點、看似完全不相關的量聯係在一起。
這種特別關係中隱藏著最大的奧秘——感謝掌管這二者此消彼長關係的不確定性原理，讓虛空可以轉變為一個美妙的物質宇宙。需要注意的是，真空也是一種物態，和所有物態一樣。就算它不含任何形式的物質，沒有物質粒子穿過，也不存在任何場，它也不是一片死寂。如果對它稍加擾動，並通過一係列實驗測量其能量，我們就會看到一連串分布在零周圍的隨機值。它隻是平均能量為零，這意味著在微觀尺度上，它其實要不斷經曆能量漲落。不確定性原理控製著這些隨機的小擺動，讓真空不停地湧動。
過去幾十年的觀測似乎都指向一個來之不易的結論：一切都始於一個這樣的微小漲落。就連真空也得遵守不確定性原理，不能一動不動、一成不變。它要不斷產生成對的粒子與反粒子，這些粒子在存在極短時間後再歸於原始狀態。多虧了不確定性原理，真空可以變成一種取之不盡的物質與反物質不停漲落、經曆各種狀態的場。
在這裏，我們可以將這樣的微小漲落想象成尺寸可忽略不計的氣泡，比誇克還要小得多。在某個微小的漲落中，奇怪的事情發生了：一些頑皮的泡泡沒有立刻回歸原始狀態，而是突然開始膨脹，變得巨大。這就是我們尚不完全了解的“宇宙暴脹”。
在極其短暫的10-35秒中，微小的異常膨脹成了宏大的世界。兩種完美混合的成分交織成一種狀態，它仍然具有與真空一樣的量子數，但已經呈現出更有趣的東西。
所采用的辦法簡單而巧妙。隻要將兩個互補的成分結合起來，一個能吸收的能量正好是創造另一個所需的能量，就可以了。
真空的能量為零，要創造質能，必須借用所需的能量。這是可以做到的，借了之後馬上歸還就可以。但如果從原始真空中伴隨質能誕生出一個時空結構，那一切也會奇跡般地互補。在這時空結構裏，任何形式的質量或能量都受到其他所有質量或能量的引力。當兩個物體之間形成聯係時，就會創造出一個能量為負的狀態，因為擺脫束縛需要消耗能量。正是自時空扭曲中誕生的引力，償還了物質從真空中湧現而造成的能量負債，負能量正好抵消正能量。“真空銀行”還來不及為了補救而惡意催債，借貸就很快得到了償還。
時空突然以遠高於光速的可怕速度膨脹，並在瞬間充滿了能量。需要注意的是，光速是不可超越的在這裏並不適用。在時空內部，任何事物都不可以超過光速，但如果是時空自身在膨脹，那可以要多快有多快。
和所有的微觀物體一樣，那個生發出一切的原始泡泡也有極小的皺褶，所有量子力學法則適用的係統都如此。暴脹大大拉伸了這些微小的密度起伏，將其擴展到宇宙尺度。我們周圍的大型結構，比如星係、星係團，就圍聚於這些極小但被暴脹擴展到宇宙尺度的不均質周圍。晴朗的夜空仿佛在告訴我們，微觀尺度上無可匹敵的量子力學在浩瀚空間中也留下了不可磨滅的印記。
如果沒有和能量捉迷藏的時間，也就不會有我們在這裏講述這個故事。
(1).?中文分別稱為長庚星和啟明星。——譯注
(2).?一般的說法是兩兄弟升上天空變成雙子座。——譯注
(3).?莎草紙的意大利文為papiro，複數為papiri，音譯為“帕皮裏”。——譯注
(4).?水星又名“墨丘利”，來自赫爾墨斯的羅馬名。——譯注