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穿越平行宇宙
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穿越平行宇宙
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穿越平行宇宙 我们视为真实的万物,都是由那些不能被视为真实的事物所组成的。
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尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)
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不对,这根本讲不通,一定是哪里出错了!彼时,我还在斯德哥尔摩,正在我女朋友的宿舍里学习,为我的量子力学考试做准备。教科书告诉我,像原子这样微小的物质能同时位于不同的地方,而像人类这种宏观的事物却无法做到这一点。不可能!我告诉我自己。人类是由原子组成的,如果原子能同时出现在不同的地方,我们肯定也可以啊!书上还说,每当一个人观测到一个原子的位置,这个原子就会随机地跳跃到它之前所在的某一个位置。但是,我无法找到任何一个方程来定义什么才算真正的观测。一个机器人算得上观察者吗?那么单个原子呢?书上只是说,每个量子系统都一定遵循着所谓的薛定谔方程。但是,这难道不和随机跳跃的逻辑相违背吗?
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怀着惴惴不安的心情,我鼓起勇气敲开了一位著名物理学家的门,他是诺贝尔奖委员会的成员之一。20分钟后,我坐在他的办公室里,深感自己的愚蠢。这位物理学家说服了我,让我确信之前是我的理解完全错误了。这件事成了一个起点,为我开启了一段至今仍在延续的人生旅途,把我引向了量子平行宇宙。直到几年后,我到加州大学伯克利分校读博士时,才意识到我并不是唯一一个在这上面犯错的人。我发现,许多著名的物理学家都被量子力学所困扰,而我却恰好在撰写该领域的论文中找到了极大的乐趣。
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不过,在我告诉你这一切是怎么一回事(这是第7章的内容)之前,我想带你一起溯时间之流而上,去真正欣赏一下量子力学的疯狂,以及那些恼人之事的根源。
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原子乐高
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2013年,我问我儿子亚历山大想要什么生日礼物时,他说:“你看着办吧!什么东西都可以,只要是乐高就行……”我也非常喜欢乐高。我觉得,我们的宇宙也一定很喜欢乐高——因为宇宙中的所有事物都是由相同的基本构件组成的,(见图6-1)。在元素周期表中,80种稳定原子都是由同一套“宇宙乐高积木”组成[20],我认为这是一件了不起的事情。正是它们构成了万事万物,从石头到兔子,从恒星到音箱——它们唯一的不同之处只在于,组成它们的“积木”数量和排列方式不同。
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图6-1 铅笔芯是由石墨做成的,而石墨是由一层一层的碳原子组成的(这是一张真正的照片,由扫描式隧道显微镜拍摄),碳原子则是由质子、中子和电子组成。质子和中子是由上夸克和下夸克组成,而夸克有可能是振动的弦。我为写这本书而买的铅笔芯包含2×1021个原子,如果你把它切成两半,最多可以切71次。
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宇宙是由不可分割的构件所组成的,这种“乐高理论”有着源远流长的历史。原子的英文单词“atom”在古希腊语中正意味着“不可分割之物”。实际上,柏拉图在他的对话录《蒂迈欧篇》(Timaeus)中曾说道,当时所公认的4种基本元素(土、水、气和火)就是由4种不同的原子组成的,而这些原子都是微小到肉眼不可见的数学对象——它们分别是立方体、二十面体、八面体和四面体,也就是5种柏拉图多面体中的4种(见图6-2)。例如,柏拉图认为,火之所以让人觉得疼痛,正是因为四面体有尖锐的角;水之所以能流动,是因为二十面体像球体一样圆润;地球之所以坚固,是因为立方体可以紧密地堆叠在一起。尽管这个可爱的理论被观测事实所推翻,但它的一些精神仍然留存,比如,每种基本元素都是由一种特定的原子所组成,并且物质的性质由原子的特性所决定。此外,我在第9章中还将提到,我们宇宙的终极构件其实也属于数学,但和柏拉图所说的方式有所不同——柏拉图认为,我们的宇宙是由不同的数学对象组成的;而我认为,我们的宇宙仅仅是一个数学对象的一部分。
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图6-2 5种柏拉图多面体:四面体、立方体、八面体、十二面体和二十面体。其中,只有十二面体被柏拉图的原子理论排除在外:有时,它被看作一种与宗教有关的神秘物体,在神话中具有重要的作用;它自古以来就是艺术作品中的常客,萨尔瓦多·达利(Salvador Dalí)的作品《圣礼上最后的晚餐》(Sacrament of the Last Supper)中也出现了它的身影。
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直到2 000多年后,现代原子理论才逐渐建立起来。20世纪初,著名奥地利物理学家恩斯特·马赫(Ernest Mach)甚至拒绝相信原子的存在。如果他能活到今天,看到我们竟然有能力拍下一个个原子的照片(见图6-1),甚至还能操控它们,想必他一定会被深深地震撼。
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原子核乐高
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原子假说的胜利,很自然地让人开始疑惑“原子”这个名字是否真的适用。如果宏观物体是由被称为“原子”的微小“乐高积木”所组成的,那这些“小积木”能否继续分下去,分成某种更小的、可重新排列的“乐高积木”呢?
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实际上,在我们的元素周期表中,所有原子都是由3种更小的“乐高积木”组成的,比柏拉图理论中的4种还少一种。我认为这是一件既巧妙又不同寻常的事情。我们已经在第2章中和它们简单地打过照面了。图6-1中展示了这3种“积木”,它们分别是质子、中子和电子。它们的排列方式很像微缩的太阳系,由电子围绕着一个小球旋转,而这个小球是由质子和中子紧紧靠在一起而形成,我们称之为原子核。在太阳系中,地球能在轨道上围绕太阳旋转是由于二者之间存在着万有引力;在原子中,电子与质子间存在着电荷产生的库仑力,将电子吸引在质子周围(电子拥有负电荷,质子拥有正电荷,异号电荷相吸引)。由于电子也受到其他原子中的质子吸引,这种吸引力就将原子与原子紧密地黏合在一起,组成一种较大一些的结构,称为分子。如果原子核和电子像洗牌一样来来去去,但各自的数量保持不变,这个过程就是化学反应。化学反应的速度有快有慢:它可以快到像一场熊熊的山火(主要是木头和树叶中的碳原子和氢原子与空气中的氧原子相结合,生成二氧化碳和水分子);慢时,也可能像一棵缓缓生长的树(主要是山火的逆反应,由阳光所驱动的光合作用)。
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几个世纪以来,炼金术士们徒劳无功地尝试改变原子的种类,主要目的是想将廉价的元素(比如铅)变成昂贵的元素(比如金子)。那为何他们无一例外都失败了呢?因为原子的种类取决于它所包含的质子数量(比如,1个质子就是氢,79个质子就是金子),因此,炼金术士的失败之处就在于,他们不会玩质子的“乐高游戏”,不懂得怎样将质子从一个原子转移到另一个原子中。为什么他们做不到这一点呢?
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