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叩响天堂之门：宇宙探索的历程 [:1700950059]
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叩响天堂之门：宇宙探索的历程
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即便古希腊哲学家德谟克里特在2500年之前就发现了原子，走上了正确道路的开端，然而并没有人正确地猜测到物质真正的组分是什么。某些应用在小尺度上的物理理论太过于反直观，如果没有实验结果迫使科学家接受它们全新而令人惊惶的假设，哪怕是最有创造性、头脑最开放的人都不能想象出它们的样子。当20世纪的科学家拥有了探测原子尺度上的事物的技术时，他们屡次发现物质的内部结构与理论的预期相悖。以事实碎片拼合出假设的方式，其魔幻程度超越了我们在任何舞台剧中之所见。
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对于现今粒子物理学家所研究的极小尺度上所发生的事情，任何人都很难描绘出一幅准确的视觉图像。构成我们称为物质的那些材料的基本组分，与我们直接从感官获得的经验大不相同，这些组分在我们不熟悉的物理规律支配下运作。随着尺度的减小，支配物质的性质看起来如此不同，以至于它们看似分属完全不同的宇宙的一部分。
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在不熟悉不同组分的前提下，试图理解陌生的物质内部结构而产生的很多概念混淆，在各种理论得以最便利地应用的不同尺度范围之内出现。为了更全面地理解物理世界，我们需要知道存在什么，还需要对这些被各种理论所描述的尺度有一些基本的概念。稍后我们将探索与空间相关的不同尺度，这是我们的一个终极前沿。本章将首次看向物质的内部，从我们熟悉的尺度出发，终结于物质的内景——这是另一个终极前沿。从我们日常涉及的尺度到某个原子的内部（量子力学在此必不可少），到普朗克长度（Planck scale，这个长度上引力与其他已知力的强度相似），我们将要探索已知事物以及它们如何彼此结合在一起。让我们来浏览一下物质内部结构的迷人风景吧，这些风景是物理学家与其他领域的学者在漫漫时间长河中积累下的心血结晶。
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从人类到宇宙
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我们的旅程始于人类尺度，即我们日常所见、所及的尺度。粗略地说，1米是衡量人体的尺度：婴儿的尺度大约是它的1/2，而成人的尺度大约是它的1.5～2倍。如果选取银河系尺度的1/100或者蚂蚁腿的长度作为我们日常测量的基本尺度，那才是怪事呢！
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虽然如此，任何根据特定人类个体来定义的标准物理单位都不会是普适的，因为度量衡必须是人们共同理解、共同支持的。[18] 所以1791年，法国科学院制定了一个统一标准。1米被定义为半周期为一秒的单摆摆长，或者沿着地球子午线1/4圆长度（即赤道到北极的长度）的一千万分之一。
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两种定义都与我们人类不大相关。法国人只是想找到一个客观的测量标准，使人们一致同意并且能够方便地应用。他们更倾向于采用两条定义中的后者，以排除由于地表各处引力[19] 的不同而产生的微小误差。
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这种定义太过随意。它的提出者希望使1米的测量变得清晰、标准，每个人都认可它的定义，然而一千万分之一这个数字与这个理念并不相符。按照法国人的定义，度量衡应该是某种可以舒适地握在手里的东西。
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大多数人的身高都可以被近似为两米，然而没有人会认可可以被近似为3米甚至10米。1米是一个人的尺度，我们对这个尺度上的事物情有独钟，至少在这个范围内我们有能力观察它们并作出反应（我们会对数米长的鳄鱼敬而远之）。我们理解这个尺度上适用的物理规则，因为我们在日常生活中不断见证着它们的发生。我们的直觉建立在一生中对物体、人类与动物的观察之上，它们的尺度可以合理地以米为单位来衡量。
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有时我感觉到，我们平时处理的尺度范围非常别扭。NBA运动员乔金·诺阿（Joakim Noah）是我堂亲的朋友，我和堂亲俩人总是乐此不疲地评论他的身高。我们总会盯着门框上记录着他随着年龄的增长身高发生变化的标记，屡屡惊叹他在篮球比赛中的“盖帽”。乔金的身高令人着迷。然而事实上，他的身高只比人类平均身高高出约15%，而且他身体的运动方式与任何其他人都基本一致。精确的比例也许有所不同，这有时会带来体力上的优越性，有时则不会。然而他的肌肉与骨骼所遵循的规则与你我的大致相同。
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牛顿于1687年提出的运动定律，在描述当在给定质量的物体上施加力时物体的行为依旧有效。它既适用于我们身体中的骨骼，也适用于乔金掷出的篮球。应用这些法则，我们可以计算出球从出手到落地时的轨道方程，也可以预测水星围绕太阳公转的轨道。牛顿定律告诉我们，在任何情况下物体都将保持其速度不变，除非有力作用于其上。这些作用力根据物体的质量不同而赋予其不同的加速度。任何作用力都会引起等值、反向的反作用力。
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在我们能够充分理解的尺度、速度与密度范围内，牛顿定律都很好地被应用着。仅仅在被量子力学改变了其规则的极小尺度、（狭义）相对论适用的极高速度，以及广义相对论支配的极高密度（比如黑洞）这些情况下，事情才会有所不同。
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任何取代牛顿定律的新理论的效应在正常的尺度、速度和密度情形下都太过微小，以至于我们观测不到。然而，我们可以应用计算与技术进入这些我们将碰到极端情况的领域。
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一场小尺度的旅行
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在接触到新的物理组分与物理定律之前，我们还需要沿着通往小尺度的道路走上一段路程。在一米尺度与原子尺度之间的范围上还存在很多事物。很多在日常生活与生命本身之中接触的事物都有一些重要的特征，我们只能在探索更小的系统时才能注意到它们，因为在那里不同的行为或子结构才能凸显出来（图5-1是与本章相关的一些尺度）。
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当然，我们熟悉的很多事物都只是由一些单一的基本单元累次叠加而来，这些事物并没有太多我们感兴趣的细节或是内部结构。这些外延系统（extensive systems）像砖墙一样构建。我们可以用增减砖块的方式把墙变得更高或者更矮，然而那些基本单元却是相同的。从很多方面来看，一堵高墙与一堵矮墙其实并没有什么区别。这种缩放的观点在很多由重复的基本组分叠加而成的大型系统上都会用到。这能应用在很多大型组织体上，比如计算机内存条是由大量完全相同的晶体管构造而成的。
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另一种应用在不同大型系统上的缩放是指数级增长，当关联而非基本元素决定一个系统行为时，它便会出现。即便这样的系统也由许多相似的单元叠加而来，它的行为却依赖于它们之间关联的数量，而不仅是其基本单元的数量。这些关联并不只是像砖块一样存在于某个组分的邻域之上，而是可以作用在其他单元上从而延拓到全局系统。由很多突触联结组成的神经系统、存在很多相互作用着蛋白质的细胞、由大量联网的计算机构成的互联网，这些都是鲜活的例子。这些都是值得研究的主题，而某些物理学的分支也要研究这些自发产生的宏观行为。
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图5-1 一场小尺度上的旅行以及用以描述它们的长度单位。
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基本粒子物理学并不研究这种复杂多元的系统，它致力于找出物质的基本组分以及它们所遵循的物理定律。粒子物理学是对基本物理量及其之间相互作用的研究。那些更小的组分当然与复杂的物理行为相关，后者则包含很多有趣的相互作用的组分 。然而，确认那些最小的基本组分以及它们行为的方式才是我们所关注的对象。
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与科学技术和生命系统一样，更大系统的个体组分也有其内部结构。例如，计算机由微处理器构成，而微处理器由晶体管制造。当医生研究人体内部时，他们会看到器官、血管以及在解剖时遇到的其他由细胞与DNA构造的组织，而DNA只能通过更先进的技术看到。那些内在元素的运作方式绝对与我们所看到的表象完全不同。在更小的尺度上，那些元素改变了，它们所遵循的规则同样随之变化了。
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由于一些人类感兴趣尺度的生理学研究史与物理定律研究史在某些方式上相类似，在讨论物理学与外在世界之前，让我们用一些时间来思考一下我们自己以及我们更加熟悉的身体内部工作机制吧。