第三章 朝夕與永恒 6 粒子的一生
我們正漸漸習慣宇宙大尺度上的時間怪象，現在卻要勇敢掉頭，朝另一個方向走去。我們要從人類所能想象的最大物體轉向物質基本組成的極小尺度。這種感覺是驚人的，因為我們一下子跨越了50多個數量級：這個跳躍令人眩暈，心都要跳到嗓子眼兒了。
病毒（比如引起全球疫情的新型冠狀病毒）非常小，小到肉眼不可見，它們的尺寸通常在60~140納米之間（1納米為十億分之一米）。1000個病毒一個挨一個緊貼起來，也就一根頭發絲的厚度。如此微小的病原體隻有借助專門的設備才能看見，比如能將物體放大幾萬倍的電子顯微鏡。但對基本粒子來說，病毒依然是龐然大物，病毒之於誇克就像地球之於足球，可謂天差地別。
質量方麵，基本粒子也都很輕，光子甚至都沒有靜止質量。就算是頂誇克(1)等較重的基本粒子，相對於宏觀物體也不值一提——不隻是相對於恒星或行星如此，相對於一粒塵埃亦然。當進入無限小的世界時，我們就進入了由量子力學和狹義相對論統治的國度，這會讓我們僅剩的一點兒傳統時間概念也分崩離析。
千奇百怪的世界
物質由粒子構成，這些粒子通過交換粒子相互作用。這句話可用於總結玫瑰的香味是怎麽來的，以及恒星內部的熊熊火焰如何燃燒。
對物質基本組成的研究已有上千年的曆史。公元前600年前後，第一批古希臘哲學家開始為世界尋找科學的解釋時就曾考慮過這個問題。今天，我們用奇怪的名字稱呼基本粒子，但本質與阿那克西曼德等人將一切歸結於土、火、水、氣四元素也無甚差別。21世紀的科學家也是在尋找基本成分，通過它們的組合去解釋周圍物質的多樣性。
“標準模型”是對這古老問題的現代回答。這是誕生於20世紀60年代末的一種理論，是經過一個世紀的觀測和實驗才得出的。自從這種理論被采納，就有人對其爭相質疑，力圖證偽其中的某些預測，但迄今為止沒有一個人成功。
我們知道，這是一個不完整的理論，原因很多，首先就是它沒有考慮引力。宇宙中最常見的力卻未被包括在標準模型描述的相互作用中，這著實奇怪。但其實也可以理解，因為在微觀尺度上，引力的作用可以忽略不計。在宇宙空間中，當相互作用的物體質量巨大並相距遙遠時，引力主導一切，但在描述物質基本成分的運動時它卻變得無關緊要。至少在我們至今探索過的能量級上，基本粒子之間的相互作用是以引力之外的其他力為主的，它們超過引力許多數量級。
標準模型對其他許多現象也沒能做出任何解釋，比如它沒有解釋宇宙中為什麽有那麽多暗能量和暗物質，沒有解釋反物質都到哪裏去了，沒有包含導致宇宙暴脹的粒子，等等。總之，它在很多方麵並不令人滿意，不過它還是有著驚人的預測能力：它讓我們準確地計算出了極短暫現象的最細微特征，並且將它們一個接一個係統性地觀察到了；它預言了某些基本參數的微小偏離，這些也得到了極精巧的實驗驗證。然而我們遲早會需要一個更完整、更全麵的理論來解釋現在依然成謎的許多現象，它會包含“標準模型”作為在低能情況下的特例。當我們能做能量級很高的實驗——高到我們引以為傲的理論也會被徹底動搖時，我們就會發現新的未知粒子或相互作用，這將讓我們建立起更廣泛的理論。但到目前為止，“標準模型”經受住了所有考驗，是我們目前能掌握的可以用來解釋世界的最佳理論。
在標準模型中，一切都歸結於粒子。組成物質的粒子分為兩大類，一類是六種誇克，另一類是六種輕子，每大類有三“代”，每“代”又有兩種。誇克的三代兩種為：上誇克和下誇克、粲誇克和奇誇克、頂誇克和美誇克(2)，都帶電荷。輕子的三代兩種包括帶電荷的電子、緲子、陶子及各自對應的不帶電荷的中微子。
誇克和輕子原本互不往來，不會主動相互混合，就像莎士比亞的《羅密歐與朱麗葉》中互為世仇的凱普萊特家族和蒙太古家族。它們需要擁有某種力量的另一個“家族”從中調和——第三家族的成員與二者的全部或部分成員有互動，如此二者之間才會產生運動和混合。這樣的“調和者”包括：光子，傳遞對所有帶電粒子起作用的電磁力；膠子，傳遞強力，與誇克作用而不與輕子作用，因為誇克帶電荷而輕子不帶；媒介向量玻色子W和Z，它們傳遞弱力，既與誇克作用又與輕子作用，因為二者都有弱同位旋；最後是有點兒落單的希格斯玻色子，它與其他粒子相互作用，定義其質量。
標準模型中的粒子非常小，使用通常的度量單位是沒有意義的，因為那會讓數字小到十分不便。這些物體很小，以至我們都還不能確定它們究竟是點狀還是有一定的維度。例如，如果誇克和輕子有內在結構，那它應該在10-19米以下。
質量也一樣。以千克為單位去描述電子的質量就得寫成9.1×10-31千克，為了方便起見，我們一般以千兆電子伏特（GeV）(3)為單位來描述電子的質量。最重的基本粒子頂誇克的質量大約相當於173GeV，其他粒子都比它輕，中微子等粒子更是輕中之輕。
基本粒子運動在極微小的世界中，這裏是狹義相對論和量子力學統治的國度。把電子加速到接近光速就像小孩玩遊戲一樣，因為它帶電荷，所以加速起來非常容易，隻要將其放在真空中並加上強電場，就能讓它獲得很高的速度。實現這一目標也不需要高精尖設備，醫院裏的X光機就能讓電子以1/2光速射出從而產生X射線。
無窮小尺度上的物理規則控製著這些又小又輕的粒子，從中所產生的行為與我們習慣的行為大相徑庭，顯得十分怪異。不管是係統狀態、時空，還是質量、能量，在基本粒子的世界中，一切都變得古怪起來。
暴增的質量和極度拉伸的時間
把很輕的電子加速到接近光速隻需要一個強電場。這就是現代粒子加速器的原理，它能產生速度接近光速的粒子。理論上，光速不可超越但可無限接近，所以，如果我們能克服一些並非微不足道的技術困難，就可以讓粒子達到99%的光速，然後是99.99%、99.9999%……
電子帶有負電荷，因此會被電壓高的一邊吸引。當然，讓它們獲得速度的同時，也必須避免它們與物質的其他任何組成相撞，因為撞擊會讓它們失去能量並且速度大大降低，這就是為什麽要讓它們在抽成高度真空的管子中運動。
為避免使用太高的電勢差，我們用環形機器讓電子多次通過同一個加速區。適當分布的強磁場會彎折它們的軌道，讓它們在圓環中運動並發生碰撞。
相對論的質量增長是需要解決的問題之一。越接近光速，電子受到的“加速”導致的速度增加的幅度越小，而質量增加得越多。加速時電磁場給電子的能量會讓它變成“大胖子”。這又是一個讓我們驚詫的狹義相對論效應，因為我們對此從未有過直觀感受。在我們的世界中，持續給某個東西加速的話，增長的永遠是速度而不是質量，比如，在高速公路上一直踩油門就能從儀表盤上看到速度在增加。這是因為我們開車達到的130千米/時相對於光速而言實在小得可憐，在接近光速時，輸入係統中的能量無法再提高速度，因為光速不可超越，於是隻能增加質量。這再次體現了相對論提出的質能等價。在日常生活的經驗中，加速時物體的質量不會變，但如果接近不可超越的光速，質量就會不斷增加而速度基本保持不變。
現代粒子加速器中的粒子束幾乎都以接近光速的速度運動，並獲得比靜止質量大得多的質量。當碰撞發生時，蘊藏在其巨大質量中的能量衝擊真空並激發出新粒子，能量又被重新轉化為質量，在那一刹那，大爆炸之後迅疾消失的物質形式再現於世間。於是，大型研究機構就成了生產滅絕粒子的工廠，也可說是時間機器讓我們可以再現並研究百十億年前宇宙誕生時的現象。
注意：當粒子逐漸接近光速時，其質量隻是相對於我們這些看著它們在真空管道中飛馳的人才有巨大的增長。如果有一個觀察者和它們同行，就會看到它們是靜止的，在這個運動著的參照係中，粒子質量一點兒都不會變。和運動方向上的空間收縮、時間拉伸一樣，近光速粒子的質量暴增也是隻有外部觀察者才能看到的現象。
2000年夏天，在歐洲核子研究中心（CERN）的大型正負電子對撞機（LEP）中轉圈的電子是物質原子中普通電子的20萬倍重。當然，這會帶來相當大的問題，比如同步和加速器參數調控，這些參數要隨加速導致的質量猛增而調整。
質子被加速時，這種效果也很顯著。質子不算基本粒子，是由兩個上誇克和一個下誇克組成的，還有許多個膠子，有了這些膠子，才能把一切聚於強力的約束中。質子帶正電，質量大約相當於1GeV，對質子的加速方法類似電子，隻是要將電場兩極的電勢差反轉。由於質子是複合粒子，質量是電子的2000倍，因此必須耗費大量能量才能將它們加速到接近光速。但質量大也給了它們一個很大的優勢。電子在粒子加速中使用受限的主要原因之一就是它們太輕了。和所有做圓周運動的帶電粒子一樣，電子也會釋放光子而失去能量。軌道上的粒子越輕，輻射越大，並且輻射隨著能量的增長而猛增。對於比電子重得多的質子而言，輻射導致的能量損失則小得多，所以質子更容易被提高到更高能級。
目前最強大的加速器是大型強子對撞機（LHC），兩束質子流在周長27千米的圓形真空管中相向運動，碰撞的能量達到13TeV（千GeV），也就是說兩邊的質子都具有相當於6.5TeV的質量，是其靜止質量的6500倍。因為質子是由誇克和膠子組成的，所以其碰撞比較複雜，隻有一部分可用能量（大概幾個TeV）能轉化為重粒子。現在，人們正討論著要研發新的磁體，新建一個100千米的管道以達到100TeV的能量級，以產生質量相當於幾十TeV的新粒子——如果存在的話。
電子加速器可以起到補充作用。因為電子是點粒子，所以電子碰撞簡單得多，電子加速器也就成了進行精確測量並通過微小異常探索新物理學的理想機器。電子加速器的劣勢在於不能達到很高的能量級。環形電子加速器的設計能級在250~500GeV之間，現在也有能達到幾TeV的設計，但僅限於直線型加速器。
總之，涉及的都是相對論性物體，即加速到接近光速而質量變得巨大的粒子。大型正負電子對撞機中的電子是這樣，大型強子對撞機中的質子亦然，這些粒子的時間都顯著減慢了。
我們以大型強子對撞機為例：質子被加速並碰撞之後還要繼續運動數小時，在此期間又碰撞無數次，實驗物理學家記錄下最神奇的碰撞及其產生的粒子。數小時後，強度減弱，要從加速器中取出剩餘的質子束並放入新的質子束。特別走運的時候，這個周期會持續一整天。
現在，為了更好地理解發生的一切，我們暫且假設質子能說話，戴著一塊表，能和LHC的中央控製室溝通，就像動畫片裏一樣。我們來想象一下這個奇怪的對話：“質子，質子，這裏是主控，該出來了。”“啊，已經到時間了嗎？怎麽可能？我們玩得正開心呢！你確定嗎？我們剛進來沒多久啊。”“沒錯，時間到了，你們都玩了超過24小時了，也讓別人開心開心啊。”“肯定搞錯了，我看著表呢，我們才進來13秒。你檢查一下你的表，肯定壞了。”“檢查過了，好著呢。這就是相對論，親愛的。”
在LHC中的質子看來，時間以正常的速度流逝，質量也沒有變化。然而，從外部參照係出發，就會看到質子以接近光速的速度運動，質量變成原來的6500倍，而且最重要的是，它們的表每走一秒，主控室裏就會過去近兩個小時。
宇宙超級加速器
巨大恒星或黑洞的湍流現象也會產生大量近光速粒子。這些天體向太空噴射近光速物質，物質的質量因相對論效應大增，其上的時間也大幅變慢。如果這是一項極限運動，這些天體能拿冠軍。
我們的地球始終沐浴在來自四麵八方的粒子雨當中，在對其源頭的追尋上，我們也有所進展。這些粒子雨被稱為“宇宙射線”，誕生於太空深處，主要是由接近光速的質子和氦原子核組成，偶爾也有更重元素（可重至鉛元素）的原子核組成，最罕見的是高能電子、中微子和光子。當高能帶電粒子穿過大氣層時，會與外層氣體分子激烈碰撞，產生成群的次生粒子，就像LHC裏的碰撞產生的粒子一樣，這些粒子最終像雨滴一樣灑向大地。
宇宙射線中有我們所能觀察到的最高能的粒子。與其中能級最高的粒子相比，LHC中因相對論效應變成巨人的質子也是小巫見大巫。最強宇宙射線的能量級可達地球最強加速器的一億倍。
是什麽機製能向宇宙發射如此高能的質子？又是什麽活動成了讓地球最尖端科技也汗顏的宇宙超級加速器？
絕大部分宇宙射線來自我們自己的銀河係，一般認為它們產生於大恒星耗盡核燃料之後的超新星爆發。在這場大災變中，極強的磁場和恒星外層物質一起被高速噴出，以“磁激波”(4)機製加速帶電粒子。電磁力可以困住帶電粒子，並迫使其做周期運動而逐漸獲得速度。在我們的太陽中也能觀察到磁暴導致加速的現象，等離子體釋放出強大磁場碎片而加速帶電粒子，但這樣產生的宇宙射線到達地球時隻有中等能量。如果磁激波是由超新星產生的就不一樣了，粒子可以達到很高的能量級，甚至是LHC能級的幾千倍。
不過，磁激波加速機製也解釋不了最強的宇宙射線，其能量級是LHC的幾百萬倍。它們很可能來自銀河係之外。有人認為它們產生於活躍星係核，也就是處於狂躁期的超大質量黑洞，當吸積盤回吐而巨大的相對論性噴射形成時，從兩極噴射大量近光速物質。如果噴射的軸線指向我們，那麽產生的最高能粒子就可能到達地球。我們尚未搞清楚達到如此高能級的機製，但可以肯定的是，一旦搞清楚這一機製，人類就掌握了宇宙最強大粒子加速器的秘密。
最高能宇宙射線對質子有巨大的相對論效應：其質量會增長千億倍，跨越幾百光年的距離所用的時間也被縮短——這些質子經曆1秒相當於我們過了3170年。
這些信使非常特別，它們的存在代表著相對論的勝利，但它們給我們帶來的卻是令人不安的消息。它們來到我們這寧靜的宇宙一隅，似乎就為了警告我們：“注意，地球人，不要以為宇宙都像你們周圍這樣平靜而有規律，它也可以是一個非常危險而充滿敵意的地方。”
它們是執著奔波的信使，就像古希臘的遊吟者。它們不說話，僅憑自己的存在就讓我們與神奇又可怕的宇宙深空取得了聯係，無聲講述恒星的死亡以及黑洞吸積盤吞噬整個世界時發生的災難。它們為此走過星係之間的巨大距離，但因為以近光速移動，所以這在它們看來不過是一刹那，而對於地球上的我們來說，已經過了千百年，隻是與光競逐、跨過浩瀚宇宙的它們，根本不會知曉這些。
紅白磚小房子
代爾夫特是一座距離海牙和鹿特丹各幾公裏的荷蘭小城。如果不是有著鮮明的特色和光輝的曆史，它真的很容易被錯當成那兩個大城市的郊區。今天，那裏隻有10萬居民，但在17世紀，在弗蘭德斯的黃金時代，它是一個重要的政治和經濟中心。在這個護城河和圍牆圍起的小城中，有許多高級手工藝者安家落戶：製作昂貴地毯的織布工、製作瓷器的陶藝家——他們從意大利引進了最精細的技藝。代爾夫特為歐洲各宮廷生產的藍白瓷盤、瓷磚、瓷器，是荷蘭東印度公司從明代中國進口的青花瓷的主要競品。代爾夫特還是“橙色家族”奧蘭治-拿騷家族的基地，“奧蘭治的威廉”在此立足後，這座小城就逐漸獲得了“王公之城”的美名。
即使在今天，漫步在代爾夫特城中，依然可在不經意間遇見訴說著往日榮光的古跡：集市廣場、俯瞰廣場的市政廳、城中最古老的教堂、像比薩斜塔一樣傾斜的教堂鍾樓。老教堂的地麵上，一塊不起眼的灰色石磚表明史上最偉大的畫家之一揚·維米爾安葬在此。
讓我們漫步老城的大街小巷，一起追隨維米爾的足跡：1632年他出生的房子（現在是一家餐廳）、他和妻子住了一輩子的紅白磚房，以及聖路加公會（畫家協會）舊址。要想成為畫家就要加入這個行會，維米爾在21歲時入了會。
維米爾一生都在代爾夫特的城牆內度過，與債主的鬥爭不斷。1652年維米爾的父親去世，給他留下了一大筆債務，這可謂一場真正的噩夢。他真心愛上他後來的妻子卡特琳娜·博爾內斯，一位慈眉善目的天主教徒，兩人於1653年成婚，他的許多室內肖像畫都以她為模特。婚後，兩人生了15個孩子，這些孩子都要穿衣吃飯。維米爾的小型人像畫在代爾夫特的富商中確實有幾個擁躉，但所得十分微薄，根本不夠用。他從沒接到過富有商會的大單，出了代爾夫特城，他也沒什麽真正的名氣，與弗蘭斯·哈爾斯、倫勃朗等當時最著名的畫家根本沒法兒比。
維米爾的一生很短暫，他於1675年去世，時年才43歲，死時他依然債務纏身，身後留下40多幅小畫，但在當時沒人覺得那些畫有什麽特別。他的室內畫中，有代爾夫特的特色藍白瓷磚、那座紅白磚小房子中的日常生活場景、戴珍珠耳環少女的倩影。今天，這些都成了無價之寶，世界上最有錢的富翁、最大的博物館都願意花天價買入一幅維米爾的傑作。未來改變了過去，將同時代的人看不上的一個外省平凡畫家，變成了曆史上最偉大的藝術家之一。
這一切始於1866年，當時，法國評論家泰奧菲勒·托雷·比爾熱提出，這位不知名的代爾夫特畫家可與荷蘭黃金世紀的大師們比肩。從那時起，就像一條泛濫的河流，維米爾的畫作先是征服了藝術家和知識分子，後來又普及大眾。他的風格成了一種標誌，關於他的書汗牛充棟，關於他的電影也有很多，維米爾 “洗腦”般地進入集體想象。許多藝術家或哲學家在幾百年甚至幾千年後才被認為偉大，維米爾隻是其中之一。我們以不同的眼光看待過去，重寫過去，於是意義被改變，曆史被重塑。正如豪爾赫·路易斯·博爾赫斯所說：“每個作家都在創造自己的先驅，其作品改變了未來，同時也改變我們對過去的認知。”那麽，這種發生在思想中的現象是否也會發生在物質世界當中？我們現在的動作能改變過去嗎？這完全不是異想天開，因為在由狹義相對論和量子力學統治的微觀尺度上，物質有奇特的行為，時間的流逝也有奇怪的特征。
我們已用簡單量子係統做了許多實驗。當我們操作光子、單個原子或任何量子係統時，係統狀態在未被觀測時都是不確定的，這是其與生俱來的性質。光子可以表現得像波也可以表現得像粒子，原子可以自旋向上也可以自旋向下，量子係統可以導電也可以不導電，也就是說，它的狀態可以是1也可以是0。在觀測之前，我們不知道係統究竟處於哪一種狀態，可以假設係統跨越了所有狀態，即經曆了所有狀態的疊加態，隻有在被觀測的一瞬間，係統才坍縮成某一特定狀態。
注意：這種不確定性不是理論缺陷，也不是由於我們對初始條件了解不足。粒子或係統的狀態在被觀測之前本身就是不確定的，直到觀測迫使其進入一個特定的狀態。
最近開發出了“弱測量”的方法，也就是不會讓係統狀態徹底坍縮的測量。這些微弱擾動不會顯著改變係統。弱測量得到的信息一般用處不大，結果純粹是隨機的，甚至是顯而易見的：這個我們不知道處於狀態1還是狀態0的係統，它處於狀態1和狀態0的概率都是50%。總之，在經曆一係列弱測量之後，我們知道的和之前一樣多。
密蘇裏州聖路易斯華盛頓大學的教授凱特·默奇帶領一些天才的研究員用弱測量進行了一項實驗，取得了驚人的結果。他們使用了一個簡單的超導電路，當電路被冷卻到接近絕對零度時，其表現就像一個原子，會有兩個能量級，分別對應1和0，二者之間可有無數種組合，即量子態的疊加。
為了繼續進行的弱測量，該設備與數量有限的低能光子相互作用，這些光子無法改變能級，也就不會使係統坍縮成某一狀態。係統沒有被幹擾，但光子帶來的狀態信息也很少。經過分析信息得出的唯一結論就是，係統處於兩狀態之一的概率各為50%。然後，他們進行“強測量”：讓係統與能量足以改變係統狀態的光子相互作用，係統疊加態消失，變成了某一確定狀態，但實驗結果將被隱藏。之後，他們又進行了弱測量，並綜合強測量之前之後的兩次弱測量進行分析，其結果令人驚異：現在通過弱測量可知，係統處於其中一種特定狀態的概率是90%。強測量的結果也被揭曉，發現弱測量的預測是正確的。注意：隻有當我們將強測量之前的弱測量，即那些本身沒有產生結果的測量也納入考慮時，才會發生作用。這就好像我們今天所得到的東西，即在強測量之後所做的弱測量，改變了我們昨天所得到的東西，即我們在強測量之前所做的弱測量。這結果無疑令人驚奇，似乎表明量子係統的未來可以實質性地改變過去，或至少某種信息形式可以回到過去，根據強測量的結果改變之前的弱測量。
經媒體報道後，這項實驗很快成了大眾眼中的時間可以倒流，時間旅行可以實現的證據。像往常一樣，幻想遠比我們對潛伏在無窮小世界裏的各種奇妙現象的理解來得容易。
對此我建議最好采取謹慎的態度，就像對待其他情況一樣。量子力學有無數我們還未理解的微妙之處，完全可以有另一個沒那麽天馬行空的簡單解釋。事實上，必須做完強測量之後再做弱測量，這就應該敲響我們心中的警鍾。過去的事件可以被未來的事件影響嗎？似乎可以，但前提是結果已知。盡情發揮想象之前要明白，雖然量子力學很管用，我們每天都在用，但我們還沒有完全知其所以然。就目前而言，微觀係統中未來可改變過去還隻是一個想法，最終，它可能會是一個可怕的騙局，也可能會引領我們走向對自然的新理解。
(1).?基本粒子之一，屬於費米子中的第三代誇克，也是已知最重的粒子，質量達到173GeV，與鋨原子相當，電荷為+2/3，壽命極短，在10-24秒內衰變成其他粒子。1994年4月26日發現於美國費米實驗室。
(2).?現在一般稱底誇克。——譯注
(3).?這是能量單位，換算成質量須除以c2。——譯注
(4).?按照作者意思是磁場突變引起的激波。——譯注