物质的内部

作者：Gerard 't Hooft

译者：张少华 苗琳娟 杨昕琦

经过多年研究，Prtplwyszpo教授终于实现了他的梦想，建造了一台收缩机。任何一个从一侧小门进入这台机器的人，从另一侧出来的时候，都会缩小约10%。如果一个志愿者重复这个过程七次，他将会缩小到原始尺寸的一半以下。如果通过收缩机的次数足够，一个物体可以缩小至任何想要的尺寸。上百个循环后，医疗团队便可以通过一个患者的鼻孔，进入患者身体中并到达任何有病症的区域，使用显微仪器进行革命性的手术。手术成功后，医疗团队再通过收缩机进行反向放大同样的次数，便可以使身体恢复到原来的大小。

如果真的如此，世界将会是多么美妙啊！然而，收缩之后，医疗人员体内的原子与分子会有什么样的变化？它们也会随之收缩吗？或者其中一部分会消失？在部分消失的情况下，人体内细胞的细胞核会出现不可修复的损坏，人体便会瞬间死亡。人体内的每一个细胞都含有被称为DNA（脱氧核糖核酸）的分子，这些DNA分子控制着细胞的功能。DNA分子中的每一个原子都至关重要，如果移除10%，人将瞬间毙命。我们可能还会发现科幻小说中其他错误的假设，收缩机是一个很好的想法，但显然不具备可实现性。关于微小事物的世界，我们到底又知道些什么呢？

用微小的仪器来研究微小的世界，这听起来是合理的。昆虫是不是比人类更能清楚地观察其他昆虫？它们的小眼睛，是不是可以进行更近距离更清楚的观察？如果你有这样的想法，那么就请再仔细想一想。人类的眼睛是非常敏感的“仪器”，只要有光便可以观察世界。基本规律是，探测器的体积越大，其效能便越好，即实际上，大一点儿的眼睛更容易发现小事物的奥秘。我们的眼睛比昆虫的大，所以我们比昆虫更能清楚地观察微小世界。一只苍蝇径直撞上玻璃是因为它看不到灰尘或者玻璃的反射光。同样的道理，鲸鱼的听力好于人类的听力。所以，凡是涉及视觉或听觉等感观功能的，对效率起主导作用的就是探测器的大小。这样看来一些动物在进化过程中尽量变大也就不足为奇了。

所以，为了观测物质的最小粒子，我们需要巨大的仪器。一个坐落于瑞士日内瓦近郊，名为CERN的实验室，是由欧洲许多国家合作建造的，它的全称是欧洲核子研究组织。这个实验室研究的粒子非常小，确切地应该称之为亚原子核。实验室里有一个大的环形隧道，一半在瑞士，一半在法国，总长超过25千米。在这个隧道里，粒子从相反的方向被加速到极大的速度后相撞。产生的能量被记录在许多仪器上，这些仪器的大小从一辆卡车到一座房子那么大不等，每秒记录的次数有数百万。这种方式已经被证明是研究极小物质属性的最有效方式。

这个研究领域被称为高能物理，因为需要给粒子注入最大的能量以展示它们最小的细节，所以如果想精确地测量到粒子的位置，就必须先让它们达到一个非常高的速度。这一点与海森伯不确定性原理直接相关：不可能同时精确地测量到一个粒子的速度和位置。科学理论表明，测量与研究小的尺度需要极高的速度。

和CERN一样，世界上还有其他几个实验室做着相似的研究，它们分别位于美国、德国和日本。这些研究使人们对物质的成分有了令人振奋的新见解。

物质，包括我们自己，大都由称作分子的粒子组成。每一个分子都由称作原子的单元组成。每一个原子都由一个非常小的原子核和环绕原子核的核外电子组成。在常态环境下，原子稳固如不可改变的玻璃球。但是，多个原子可以通过重新排列来组成不同的分子，外部的电子决定原子之间是结合还是分离，化学正是建立在这个原则之上的。这样的重新排列过程或许会产生能量，并且能量通常以热能的形式产生，比如说燃烧过程。原子也会吸收能量，例如在光合作用的过程中，植物在可见光的照射下，会将二氧化碳、水和矿物质转化为存储着能量的有机物。

一方面，我们已经能够确定，电子极小，以至于在数学意义上表现出来的只是一个“点”。简单地说，实际上我们还不能确定电子的空间结构。但是，它们周边的空间有一些扭曲或极化，而这种扭曲或极化可以被精确地测量，所以从这个角度而言，电子又的确存在空间结构。

另一方面，原子核有更丰富的空间结构，因为它由两类不同的粒子组成，即质子与中子，并且它们又由被称作介子的粒子结合在一起。质子和中子只有通过核反应才能重组为不同的原子核。这个过程涉及的能量比化学反应产生的能量多很多，有时甚至超出百万倍，这就是我们所说的核能。只有通过核反应，一种原子才有可能变为另一种原子。

发现能够释放巨大能量的核反应，是物理学历史上重要的突破，对社会的发展有着巨大的影响。虽然，因为一些潜在的危险，核物理遭到了公众的强烈反对，但仍然可以积极地用它来解决一些社会问题。

质子和中子也并不是一成不变的，每一个质子和中子包含三个夸克，夸克由称作胶子的粒子结合在一起。把质子和中子结合在一起的介子，由一个夸克和一个反夸克组成。和电子一样，夸克和胶子都是“点”状的。另外，还有各种奇异夸克和奇异电子变化态，但它们很稀少，且存在时间很短暂。夸克的重组需要的能量比核反应所需要的能量更多！

还有其他种类的物质粒子，比如说中微子。它极不活跃，几乎没有质量，且极难被探测到，但用我们的巨大仪器，已经探测到了它。另外还有暗物质，除了通过它和可见物质之间存在的引力知道它的存在以外，我们对它一无所知。组成暗物质的粒子无疑将不同于我们今天所了解的那些粒子。

我即将要对“微小世界”进行总结了，但我为什么写这些内容呢？我经常被问到，用这点儿科学，我们到底能做些什么？我们能使用夸克和电子产生能量吗？有夸克计算机吗？科幻故事依赖于这些想法，可惜现实更为理智与真实。可以想象，会有全新的科学发现，比如说一类可以作为核反应催化剂的基本粒子，它们产生的能量比核反应产生的能量更多。目前这可能被认为是不可能的，但我们所了解的物理学却告诉我们原则上这是可能的。所谓的“磁单极子”可能就是这样一种粒子。关于这种粒子的讨论已超出本书的范畴，但在这种粒子的帮助下，所有的物质都可能被转化为能量，而并不是像我们熟知的核反应中仅有一小部分物质可被转化为能量。但是，我们并没有确切的证据证明这种粒子的存在，更不用说有能力去创造它。很大的可能性是，这永远无法实现，但谁又知道呢？

基本粒子的特性只有在用很大的力量让它们对撞时才能测定。这个过程需要巨大的能量，也会流失许多能量。所以，研究夸克和胶子的仪器通常会吸收巨量的能量。当我们对这些粒子的特性产生研究兴趣的时候，这些都不会是问题；相反地，这些粒子会引发美妙的挑战。但这并不能使它们具有很高的实用价值，比如说得到夸克计算机。更为重要和必要的是，我们应当拿这个课题与对遥远的恒星与星系的研究做对比，从而加深我们对宇宙及我们在宇宙中所处位置的理解。

那什么是可实现的？我们可以制造极小的装置吗？计算机元件、机器人、探测器到底可以有多小呢？实际上，极小装置的极限在原子级别。原子可以通过复杂的化学反应为我们工作。实际上，在化工厂，它们已经在工作了。其中的最精彩之处就在于，当我们把它们放在一起，我们弄清了有多少个原子存在并且发生了怎样复杂的相互作用之时。当我们意识到这些原子有多小，也就不难想象还有多少空间有待发现。我们不需要夸克，把我们对未来的梦想构建在原子层面更为现实。

原子世界的复杂性在日常生活中表现得非常明显，比如说它们的用处之一——可参与各种复杂的化学反应。所有的生命都基于它们，任何活体器官的功能信息都存储在螺旋状DNA分子中，体细胞可以即时访问到这些信息，就像它们是先进的超级计算机。当生物化学这样的学科想去记录存储在DNA分子中的信息，或者想去揭示每个活细胞中的“计算机”如何运作时，也只是触及了这个领域的表面。

理想中，我们可以分析物体，并对其进行原子级的构建或重构。但是目前我们还远没有能力做这样的事情。在这个话题上，我不想轻易否决什么，我们还有很长的路要走，而且一定会听到更多与这个话题相关的声音。

书名：《玩转星球》

著者：杰拉德·特·胡夫特

译者：张少华 苗琳娟 杨昕琦

出版社：中国科学技术大学出版社

出版时间：2018年7月