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穿越平行宇宙 [:1700916045]
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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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