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宇宙传记 第一章 如何认识我们自以为已经知晓的事物？
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如果科学家们声称他们知晓原子内部的情况，或者说他们知晓宇宙产生的最初三分钟内所发生的事情之时，他们的本意是什么呢？他们的意思是，有一个所谓的原子的，或是早期宇宙的，又或者任何使他们感兴趣的东西的“模型”，而且这个模型同他们的实验结果或他们对世界的观察相吻合。这种科学模型和我们通常所说的航模之属不同。飞机模型表现的是真正的飞机，是对实物的物理呈现，但科学模型是一种抽象的想象图景，可以通过一套数学方程式来描述。例如，我们呼吸的空气由原子和分子构成，它们可以用某种模型来描述。在这个模型中，我们把每个粒子都想象成一个具有绝佳弹性的小球（好比撞球），所有小球都既相互碰撞，也会与容器壁撞击，从而不断反弹跳动。
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这是一种想象的图景，但仅仅是模型的一半。这些小球运动和相互撞击的方式是通过一套物理定律来描述的，这些物理定律又以数学方程式的形式记录下来，这使其成为一个真正的“科学”模型。在这个问题上，最基本的定律是艾萨克·牛顿（lsaac Newton）在300多年前发现的运动定律。使用这些数学定律，我们就可以计算出当一种气体的体积被压缩到一半时其压强是多少。如果你做个实验，得到的结果与该模型的预测相符合（在这个问题中，压强应当加倍），那么这个模型就是正确的。
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当然，这种标准的气体模型将气体描述为相互撞击的小球，与牛顿定律相一致，并能作出正确的预测，对此我们不应感到惊讶。因为，科学家是先做了实验，之后才设计，或者说构造了该模型，以便与实验结果相匹配。接下来的科学步骤就是使用这样一种通过测量得出的模型来预测（进行精确的数学预测）在其他不同的实验中，同样的系统将会出现什么情况。如果该模型在新的环境下做出了“正确的”预测，那么就可以表明这是一个正确的模型；可是，即使预测不准，我们也大可不必将其完全否定，因为它仍然能向我们揭示早先实验中一些有用的东西；当然，无论如何，它的应用是受限的。
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其实，所有科学模型的应用范围都是有限制的。没有任何一个模型称得上是“终极真理”。把原子视为具有绝佳弹性小球的模型，对于计算在不同环境下气体压强的变化十分有效。但是如果你想描述原子放射和吸收光线的方式，你则需要另一个模型。这个模型中的原子至少有两个组成部分，一个是位于中央的微小的原子核（出于某种原因，该原子核本身也可以被视为一个具有绝佳弹性的小球），另一部分则是环绕在原子核周围的电子云。科学模型是对现实的表现，但并不是现实本身。无论这些模型多么好用，无论它们在合适的条件下的预测结果多么准确，我们始终还是应当把它们视为现实的近似和想象的辅助手段，而不是终极真理。如果科学家告诉你原子核是由一些称作质子和中子的粒子组成的，实际上他们是说：在某些情况下，从原子核的表现来看，它“似乎”是由质子和中子构成的。优秀的科学家时刻会想到“似乎”二字的存在，而把模型的的确确只看作模型；但平庸的科学家则经常忘记这一关键的差别。
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平庸的科学家和众多伪科学家还存在另一个误解。此辈常常以为，现今科学家的作用就是做实验，以证明他们模型的精确度越来越高，即其数值在小数点后的数位多多益善。事实绝非如此！之所以要针对模型所作的未曾验证的预测进行实验，是为了找到这些模型的疏漏之处。一流物理学家总是希望查找到他们模型中的缺陷，因为这样的缺陷——即模型无法准确预测或是无法详加解释说明的情况，可以为我们指明究竟在哪些方面我们需要获得新的认识，同时提供更好的模型，以便取得进展。这方面，一个典型的例子是引力论。从17世纪80年代直到20世纪初，在长达两个多世纪的时间里，艾萨克·牛顿的万有引力定律一直被认为是最深刻的物理学发现。但是，也曾存在过几个似乎很小而牛顿模型又无法解释（或预测）的问题，这包括水星的轨道，以及光线经过太阳发生弯曲的现象。阿尔伯特·爱因斯坦基于广义相对论提出的引力模型，3则不仅能解释牛顿的模型所能解释的一切，还能解释上面所说的诸如行星轨道和光线弯曲等微妙的细节问题。在此意义上，爱因斯坦的模型比旧的模型要好，它能作出旧的模型所无法作出的正确预测（尤其是关于宇宙整体的预测）。但是，当我们需要计算探月飞船的轨道时，仅仅用牛顿的模型就足够了。使用广义相对论我们也能进行同样的计算，但那样算起来更麻烦，得到的结果却是一样的，所以，谁愿意费那个事呢？
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本书的大部分内容都是关于我们认为我们已知的东西——即到目前为止验证都成立的模型，但同时这些内容又涉及最前沿的科学，这里还有好多实验要做。可以肯定的是，根据进一步的实验，以及对宇宙的观测，这些模型中会有一些需要修正。而且很可能，其中的一些必须全盘抛弃，代之以全新的观察事物的方式。从这一方面看，科学研究和历史学家以及传记作家对待罗伯特·胡克（RobertHooke）的方式倒没有大的不同。近来，对于这位17世纪科学革新的关键人物，历史学家以及传记作家需要改变他们的看法（我们姑且可以看作是修改他们的模型）。之所以这么做，是因为他们找到了一份失踪好几个世纪的关键档案，该档案详细描述了胡克科学生涯中发生的一些大事。发现了新证据，往往要求修正旧观念。
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但是，要想描述21世纪科学会朝哪个方向走，我们需要从我们自以为“已知”的事物出发——这些已知的事物就是“模型”，尤其是20世纪所建立的模型。这些模型与实验和观察的结果非常吻合，科学家对于它们非常有信心，就像相信气体小球模型（在其所已知的限制内），或是牛顿引力模型。这些模型像牛顿模型一样，能近乎完美地描述已知可应用的特定范围内这个物理的宇宙。同样重要的是，我们如同了解牛顿模型一样了解这些模型应用的限度何在。
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物理学家喜欢将这些成功地描述世界（或世界的某些具体特征）的学说称作“标准”模型。气体小球模型（也称作气体动力学说，因为它的内容是关于运动的粒子）就是一种标准模型。但是，如果物理学家谈起那个特定的标准模型，他们指的是20世纪伟大的科学成就之一。该模型描述了亚原子粒子运动特征和它们之间的力。而且重要的是，这一模型的构建始于20世纪20年代，当时丹·尼尔斯·玻尔（DaneNielsBohr）提出了一种新的原子模型。在拙作《寻找薛定谔的猫》一书中，我详细描述了量子物理学的历史发展，此处就不赘述了。不过，粒子物理学标准模型完全基于量子物理学，因此这里还是有必要简要回顾一下。乍一看，一些读者可能觉得这里的内容有些熟悉。但是，希望大家能耐心读下去，因为我希望我这里所讲的事情和大家认为自己所熟悉的版本会有所不同。
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物理学这一新的科学领域最早的发现是由德国科学家马克斯·普朗克（MaxPlanck）在20世纪初作出的。普朗克发现，要想解释炽热物体为何会发光，只能将光看作是通过一个个的团块发出的，这种小能量团块称作“量子”。当时，科学家一般将光看成一种波或电磁振动，因为许多实验观测的结果和光的水波模型所作的预测较为吻合。起初，普朗克本人和其同时代的人都未曾想到过光会以一个个能量团块的形式存在，只是想到物质属性——即原子——只能以确定的量被放射或吸收。你可以拿滴水的水龙头作一个类比。水以水滴形式从水龙头滴落的现象，并不表明水槽中的水也只能以独立的水滴形式存在。1905年，阿尔伯特·爱因斯坦是现代科学史上第一个4认真考虑光是否能以微小的光粒子（即光子）形式存在的人，而且在接下来的十来年里，他一直属于少数派。不过，一些实验结果表明，光的特性确实能和粒子模型的预测吻合起来。因此，光的粒子模型应该也是有效模型！从未有过任何实验能证明光同时具有波粒二重性。但是，根据实验性质不同，光的特性却能和这两种模型中任何一种预测保持一致。
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理清这一点很有必要，因为这充分说明了科学模型的局限性。我们不能说（或认为）光是波，或是粒子。我们只能说，在适当的条件下，光表现得似乎是波，或似乎是粒子——正如在某些情况下，原子表现得似乎是坚实的小球，而在另外一些情况下它似乎是周围包裹着电子云的原子核。这并不自相矛盾。此处的局限在于我们所建立的模型以及人类想像力的限制，因为我们试图描述的事物，和我们的感官所体验到的完全不同。当我们在想象光何以具有波粒二重性时所感到的困惑，也颇有几分像美国物理学家理查德·费曼的话所表述的那样，是“试图用熟悉方式看待光的难以抑制却又徒劳无益的意愿的反映”。5光实际上是一种可以用数学方程式有效表述的量子现象，只不过用我们头脑中的通常观念无法窥探其庐山真面目罢了。整个量子世界便是如此。尼尔斯·玻尔（NielsBohr）对物理学的首个重大贡献就是将量子物理数学整合成原子模型，而不在意这一模型能否为通常观念所理解。
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20世纪之初，科学家们已然知晓地球万物皆由原子构成，每种原子构成各自的化学元素——氧原子、金原子、氢原子，如此等等。他们还知晓原子也并非如先前所认为的那样是不可分割的，在适当的环境下，其中称为电子的部分是可以被分离出来的。那时，人们倾向于将电子模型表述为微小粒子，而且实验也显示，电子的确表现得像微小粒子。玻尔解开的谜题是，光是以何种方式被个别不同种类的原子所放射（吸收）的。相比于普朗克对不同原子所构成的发光体发出的光所进行的研究，他的研究更加精细了。可见光的光谱涵盖了彩虹的所有颜色（彩虹实际上就是一种光谱）。然而，如果将一种纯净的化学元素在火焰中加热，它便会辐射出非常准确的波长（或称之为色彩），在光谱中产生一条光带。以钠为例，其辐射的色彩就是彩虹中处于橘黄色的部分。而且，每种化学元素（即每种原子）各自产生出与众不同的光带，像指纹和条码一样独一无二。彩虹的多姿多彩正是因为阳光是由不同种类原子所放射出的不同波长色光组成的缘故。通常，各种色光混杂在一起会呈现出白色光，但是，正如牛顿用棱镜片所做的研究那样，当阳光经过雨滴的折射，这些颜色便被分离出来。
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因为光是能量的一种形式，所以由原子放出的光中的能量必须来源于原子（能量不可能凭空生成，这是物理学最基本的定律，尽管我们以后将会看到，即便是这条定律也存在其局限性）。玻尔意识到，能量来源于原子外部电子的重排。6电子携带负电荷，而原子核携带正电荷，因而电子受到原子核的吸引，正如地球上的物体被引力吸引一样。假如你搬动一件重物上楼，你就必须做功（加入能量）才能移动这一重物远离地心。假如你将其从楼上窗户抛下，能量就被释放了，先是转化为下落物体的动能，然后落地时化为热能，使撞击点的地表轻微升温，因为原子和分子会因撞击而轻微地震荡四散。玻尔提出，如果原子外部的电子朝向原子核运动，靠近原子核，就会释放出能量（比如光）。如果较接近原子核的电子吸收了能量（或许是从光中，或者因为原子受热），它会向原子核外围跃动。但是，能量为何总要以某种确定的波长，以确定的量释放或者吸收呢？
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玻尔创立的模型中，将电子想象成环绕原子核运动，正如行星围绕太阳运动一般。然而，原则上讲，行星可以在任何距离上绕日运转，但是电子不同。玻尔认为，电子有其特定运行方式——这就好比是说某颗行星可以处于轨道地球或者火星轨道，但不能位于两者轨道之间。之后，他提出，电子可以从一个轨道跃迁至另一轨道（正如火星跃迁至地球轨道上），并且在这一过程中释放出确定数量的能量（对应确定的光波波长）。然而，它不能跃迁至轨道之间的轨道，并且释放出两者之间的能量，因为不存在这种轨道之间的轨道。当然，这一理论有以光谱研究为基础的合理数学模型的支持，而且进一步的实验与观测（结果）也证明了这一物理理论。尽管玻尔“量子化”轨道理论以日常的经验无法理解，但重要的是，他创立了一个能够准确预测原子谱线在光谱中位置的模型。同样令人迷惑不解的是，根据这一模型，似乎电子可以不必经过轨道之间的空间而变换轨道，它可以瞬间在某一轨道消失，同时瞬间在另一轨道出现。科学家们也是过了很久才得其要领，但玻尔却明言，不循常理的模型未必不是好模型；模型所要做的就是作出符合实验结果的预测（以可靠的数学计算和物理观测为基础）。
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现在看来，玻尔的原子模型被视为离奇而老套。自玻尔时代以来，物理学家对电子的观点已与时俱进了许多。尤其是自20世纪20年代，在某些实验环境中电子表现得似乎像波一样。正如光一般（而且也正如量子世界的其他实体一样），电子也具有波粒二象性。我们不能统而言之，它是波，抑或是粒子，仅仅因其行为忽而（以可预测的方式，而非随意为之）像波，忽而又像粒子。于是有人便想象，原子中的电子位于环绕原子的混沌而分散的电子云中，电子云能量可以发生更微妙的改变，而不再是仅仅由电子这种微小粒子轨道的变换而发生变化。这是一种更为复杂的模型，但能很好地解释原子是如何合成分子的，因而成为全面理解现代化学之基础。但是，正如计算月球太空探测器的轨道仅靠牛顿模型足矣，因而如果要解释我们日常所见的“热”的物体，比如钠（或者甚至是太阳）的光谱线，玻尔模型仍然说得通。旧有模型不会消亡，它们只是适用范围受到了限制。
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由于标准模型认为电子是构成物质的基本元素之一——小得无法再小了，因而我们目前对电子的所知所解也就只有这么多了。不过，对于原子核来说却并非如此。标准模型不但“解释”了——即给我们提供了一个能有效描述的模型——原子核究竟为何物，也让我们得以窥探我们通常所认为的粒子等基本实体间的相互作用力。
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每当我们谈到电子等基本实体之时，至少在某些时候，是难以回避使用“粒子”这一术语的，但也不要总是斤斤计较，试图限定这一术语的正确含义。因而，有一点很重要，那就是使用这一术语，并不意味着这些实体仅仅应被视为坚实的小球或者能量与物质在某一点的汇聚。在某些实验中，粒子的确表现得如此这般，但在其他实验中却不尽然。“波粒二象性”这一术语本欲用来转达量子物体的波粒双重属性之含义，但我并不认为这一术语真的做到了辞达义切。另一方面，物理学家们确实有关于“作用力”这一术语的极其正确的替代词汇，因为在日常词汇中，量子“作用力”与量子“粒子”一样是很生涩的词汇。
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我们都熟知自然界的两种作用力——引力和电磁力。我们感觉得到地球在留住我们，而且我们也体验过磁铁吸起金属物体，或者用塑料梳子与头发摩擦产生的静电吸起碎纸屑。可是，正如那些例子所显示的，力总是作用于两个（或者更多）物体之间——地球拉住我们，磁铁吸住铁钉。物体间存在相互作用力，这便为物理学家们提供了绝好的术语——“相互作用力”——来描述这一物理现象。从现有的例子来看，在日常生活中我们似乎能感觉到存在着三种不同的相互作用力，因为从表面上看，磁力和电力具有不同的属性。但是，苏格兰人麦克斯韦[全名詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（ScotJamesClerk Maxwell）]于19世纪秉承了伦敦人迈克尔·法拉第（MichaelFaraday）之研究，建立了能以一个模型贯穿电和磁的方程式。电和磁实际上是相同相互作用力的不同方面，正如一枚硬币的两面。
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不过，在引力作用与电磁作用之间，确乎存在着好几种实质性的、重要的区别。与电磁力相比，引力极其微弱。例如，使铁钉落向地面需要整个地球的引力，而一个儿童玩具磁铁便可轻易克服这引力而吸起铁钉。因为电子与原子核都带有电荷，而且作用于单个原子的引力又微弱得可以忽略，因而原子间主要的相互作用便是电磁作用。因此，是电磁力使阁下得以浑然一体，且使阁下筋脉舒张。你从桌上拿起一个苹果，那是你肌肉中的电磁作用力克服了苹果与整个地球之间的引力作用。承蒙电磁作用，阁下的的确确是具有超越行星引力的力量。
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然而，引力尽管微弱，其作用距离却很远。太阳与行星间的相互作用力使得行星沿轨道运动，同样，太阳本身也是一个由上千亿颗恒星组成的碟形星系的一部分，这一系统直径差不多有十几万光年，依靠引力维持而围绕中心旋转。原则上，电磁作用力的作用距离也较远。但是，电磁力与引力的另一个区别就是他们的作用方式各异，并会彼此抵消。在原子中，原子核的正电荷被电子的负电荷抵消，因此，从比原子的规格更大一些的范围看，原子似乎是电中性的，没有额外电荷。同样，北磁极总是与南磁极相对，而且尽管像太阳与地球等天体磁场确实在空间中有一定程度的延伸，但在整个宇宙范围并不存在将天体拉近或推离的多余磁力。
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这便是电磁力相区别于引力的另一方面。引力总在吸引。我们早在孩提时代试图将两块同极性的磁体对在一起时，便已经发现了同极相斥、异极相吸的这一奥妙。因而，即便在物理学家们试图探索量子领域之前，他们就知道相互作用（力）的作用距离大小不一，它们与各种不同的电荷相联系，或相互吸引，或相互排斥。更为蹊跷的是，我们发现，相互作用对不同物质的影响方式并不相同。引力似乎无所不在，并作用于一切。但是，电和磁作用力仅仅作用于某几种物体。这些特性在物理学家深入原子核内部进行研究时也发挥了各自的作用。
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他们研究原子核内部的方法是用粒子或者亚原子粒子束轰击原子核，并且测量它们碰撞后弹开的方式。轰击粒子的能量越强，被轰击粒子的情况就能被揭示得越深入。起初，在20世纪早期，是利用天然辐射产生的粒子来进行这样的实验。随着科技的进步，这一技术得到了改进，人们可以用粒子加速器的磁场将电子等粒子加速到极高的能量。这引致大型加速器的发展，例如，位于日内瓦的欧洲粒子物理研究所（CERN，或称欧洲核子中心）等进行的物质本质以及作用力（“自然力”）的尖端研究如今正方兴未艾，本书将在以后章节叙述。
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继剑桥大学于20世纪20年代在实验中发现了原子核之后，在20世纪20年代更进一步揭示出原子核像一个由质子和中子构成的小球，这两种粒子像被紧密压缩在一起的成串葡萄。最简单的氢原子的原子核实际上只有单一的质子，但是其他的原子核却含有中子和质子——如最普通的铀原子便有92个质子和146个中子。每一质子都具有一定数量的正电荷，每一电子也都带有相同数量的负电荷，因此在电中性的原子中质子数与电子数是相同的。每一中子，正如其名，都是电中性的。显而易见的问题是，所有正电荷的质子之间相互排斥作用为何不会将原子炸得四分五裂？后来由实验所证明的显而易见的答案是，必定有某种不为人知的吸引作用（力）克服了原子中粒子之间的排斥力，将原子核保持为一体。因为这一相互作用较电磁相互作用强，因此它被认为是强相互作用（或强核力）。而且，既然其作用力在原子核之外无从探知，那么其作用距离显然很短，仅在原子核这么大范围之内。这便是为何不存在比铀更大的原子之缘故。我们可以这样设想，假如你想要将多于240个质子和中子塞到一起，小球对面的质子仍然会因电磁作用而相互排斥，但是它们却因距离太远而感受不到强作用力的吸引。
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要想探究质子和中子（统称核子）内部，就必须有非常之高的能量，人们从20世纪30年代直至20世纪60年代，积几十年之功，才获得了探明这些粒子内部的可靠模型。其呈现出的图景吻合这样一个模型：核子由3个真正的基本实体组成（与电子一样的基本实体），称为夸克。质子与中子的实验研究支持这一模型的预测，这一模型中存在两种夸克，称为“上夸克”和“下夸克”。质子被认为是由两个上夸克和一个下夸克构成，而中子则由两个下夸克和一个上夸克构成。每个下夸克分配到一个电子的1/3的电荷，每个上夸克分配到一个质子2/3的电荷，这些数加在一起，就是我们观察到的质子以及中子的电荷。
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但是，为何我们从来没有探测到独立的夸克，以及带有“部分”（即非整数的）电荷的粒子呢？夸克模型说明了这一现象（实验也支持这个说法），即成对的或者3个一组的夸克被相互作用力“禁锢”在如质子和中子这样的复合粒子之内，该作用力随着夸克间的距离的增加而增强。引力和电磁力都随距离增加而减弱，但是有一种力，随着距离加大反而会增强，对这种力我们都很熟悉。比如，我们在拉长有弹性的皮筋时，拉得越长，它的反作用力就越大，直到断裂。夸克似乎是依靠弹性松散地与紧邻的夸克相互维系而绕原子核飞速运动，但是只要它想脱离其他夸克，便会立即被拉回来。皮筋这个比方甚至一直到崩断都适用于解释夸克的特性。如果施加足够的能量去移开其中的某一个夸克——例如，该个夸克在加速器实验中被一个快速移动的粒子从外部击中——那么，它与周围夸克之间的相互作用力将的确会遭到破坏。然而，根据爱因斯坦著名的方程式E=mc2，这种情形只有在具有足够的额外能量（E），从而能产生两个新夸克（每个都具有质量m）的情况下才可能发生。所有额外能量都用来产生那些新夸克，每次打破粒子，破裂的两端各会产生一个新夸克，因此我们仍然不能探测到单独的夸克。
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