詩意的宇宙:薔薇、時空與21世紀物理學,[奧]斯特凡·克萊因,電子書,mobi,pdf,txt,epub,kindle,百度云全文閱讀獲得

原創 qiangshuai521  2019-12-03 19:25  閱讀 14 views 次
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在某部史上非常成功的電影里,人類不過是虛擬世界的犧牲品。他們的房子直插云霄,街道上人來人往,男男女女的觸感和氣味都如同真的一樣。在那個世界里,人們也會建立友誼,同事、伴侶之間也會爭吵——和我們現在生活的世界沒什么兩樣。在電影中,只有少數人知道真相:這個世界里的房屋和街道連實體布景都算不上,周圍的人也不是真人。人類所體驗的一切只存在于所謂的矩陣之中,影片中的矩陣是一個能夠模擬現實的巨型計算機程序。憑借這個程序,全能的機器把智人(Homo sapiens)變成了可以隨意擺布的奴隸。
《黑客帝國》(Matrix)及兩部續集在上映后獲得了超十億美元的票房。其中一個原因是,它們恰如其分地展示了當代人在越來越依賴計算機的過程中所產生的不適感。這一系列電影也引起了我的共鳴。當然,我絕不認為計算機會設計陷害人類,即便一些當代哲學家告訴我們,人類極有可能生活在“后人類文明”設計的虛擬現實中而不自知。這樣的論斷并不能讓我信服。
當然,我并不相信,我們的所見所感就是現實,我也不是第一個產生這種懷疑的人。古老的文明早就提出,這個世界可能是虛幻的。距今將近三千年的印度哲學經書就已經涉及了這個問題。好萊塢電影里的所謂“矩陣”在《吠陀經》(Veda)里叫作“摩耶”(Māyā)——意為難以看穿的幻象,幻象的背后蘊藏著一個完全不同的現實,或者說根本不存在什么現實。之后的佛教則認為空即是真,我們周遭的事物與軀體本來就空無一物,這些事物的意義由我們的認知過程賦予,發自我們的心識,所有感受不過是一場夢,而且大多數人并不會從這個夢中醒來。同樣,古希臘的思想家也有類似的觀點。這些東西方的思想家都不約而同地指出,人生最值得追求的目標就是把自己從這種幻象中解脫出來。
不過,對真實世界的懷疑并沒有讓我們夜不能寐,因為周遭實實在在的東西總會使我們心安理得。雖然我們有時會懷疑世界是否真的和我們感受到的一樣,但這樣的想法最終也會因為一些感知而消失。畢竟,我們真真切切地看到、觸到、嗅到了周遭世界。所以,我們的懷疑在轉瞬之間就敗于實際體驗之手。來自紐約的哲學家西德尼·摩根貝沙(Sidney Morgenbesser)曾被問到一個問題:世界為什么一定要有物存在,而非萬物皆空?他答道:“因為即便一切皆空,你還是會為此苦惱。”
試圖通過“見怪不怪”的麻醉劑來平息這種懷疑,并不能根除內心深處的疑惑。比如當我們看到《黑客帝國》這類電影時,內心會受到觸動,心中的疑惑隨之慢慢浮了上來。透過尼奧(Neo)的雙眼,我們看到電影營造的世界,并且目不轉睛地跟隨他拆穿所謂日常經驗的假面,最終進入矩陣的代碼之中。這時我們不禁設想,我們自己是否也經歷著同樣的事情呢?我們自以為的真實或許只是個夢幻泡影。當然,制造這種夢幻泡影的不一定是電腦,也可能是其他的一些什么。看過這部電影后,一些電影畫面在我的腦海中久久不散,甚至使我聯想到一些物理學知識。人類會借助切實存在的物質,來消解對這個世界的疑惑:我們認為,雙手觸摸到的桌子是結實的、穩當的,所以毫無疑問也是真實的。但當我們更加深入地觀察物質時,就會看到它們層層分解,失去了我們所熟悉的每一種特質。
所以物質本身是一種幻覺嗎?但有誰能夠肯定世界不僅僅是幻覺呢,他又拿什么來證明呢?這顯然是一個更為值得深入探究的話題。

當我坐在椅子上時,椅子承受著我身體的重量;當我把手放在桌上時,我能夠感受到桌面對手產生的作用力。所有的物品都有體積、質量和形狀,能夠對受到的力產生反作用力。看起來,我們身邊的物體都是如此,即使是空氣也會在我行走的過程中被推開。被錘子砸到大拇指的人看著自己已經發青的指甲蓋,應該也不會相信這個錘子只存在于他的意識當中。
錘子是物質的,是扎扎實實的。它和地球上其他一切事物一樣都由原子組成,原子的真實性也同樣不容置疑。近幾年,人類甚至已經能夠在掃描隧道顯微鏡里看到它們云霧狀的成像。在構成錘子的鐵晶體之中,原子們如同士兵一樣整整齊齊地排列著。
但這些原子又是什么呢?真正的云是由水蒸氣、小水珠和冰晶組成的。但在云霧狀的原子殼層中幾乎什么也沒有,只有幾個電子來回穿梭。比如,在鐵原子里,這樣的電子一共有26個。原子其他的地方都是空的,只在正中央有一個原子核,這個原子核小得幾乎看不見,相比之下,原子殼層的云霧顯得巨大無比。假如把原子核比作蚊子的話,那么原子殼層就像是一間偌大的音樂廳。
在這個巨大的建筑中,我們幾乎找不到蚊子的蹤影。那么,在這音樂廳和蚊子之間究竟存在著什么呢?在原子殼層中,除了電子和原子核,還存在著什么?在錘子里,又存在著什么?答案是真空的空間,是虛空。可是,那充斥著虛空的錘子為什么會讓人產生如此強烈的痛感呢?
把原子比作空曠的音樂廳,這是歐內斯特·盧瑟福(Ernest Rutherford)首創的。他第一個發現了看似結實的物體內部其實是虛空的,他把這一發現稱為“我一生中最不可思議的經歷”。盧瑟福是史上貢獻最大的實驗物理學家之一,他于1871年出生在新西蘭最南端的一個農村家庭,在12個孩子中排行老四,大學畢業后,他乘坐蒸汽輪船前往英國,在劍橋大學開啟了探索放射性物質奧秘的旅程。他比同行更早地意識到了放射性研究將會導致的后果。1903年,他描述了原子核內部能夠釋放的巨大能量,他說,如果能夠成功啟動鏈式反應,就可能“使昔日的世界灰飛煙滅”。

1911年,盧瑟福與德國同事漢斯·蓋革(Hans Geiger)一起成功地完成了相應的關鍵性實驗。漢斯·蓋革后來發明了能夠用來探測電離輻射強度的蓋革計數器。兩位物理學家在這場關鍵性的實驗中用氦核粒子轟擊金箔,轟擊過程中,幾乎所有的粒子都穿過了金箔,就仿佛金箔不存在一樣。這就好像在整個實驗的過程中,蓋革和盧瑟福都在對著一個空曠的空間射擊。在兩萬次轟擊中,只有一個粒子被擋了回來,而且反彈力度相當之大。根據這一石破天驚的發現,盧瑟福得出了三個結論:第一,被彈回的粒子擊中了金原子核;第二,金箔幾乎全部的質量都集中在微小的原子核上,電子游走的原子殼層決定了金原子的體積,幾乎不影響原子的質量——也就是說,這只蚊子的質量比整個音樂廳大上千倍;第三,這個如同云霧般包裹著原子的巨大殼層里面真的幾乎什么也沒有。由此可見,那些我們習以為常的事物就如同星系之間的宇宙空間一般空洞。
不過,盧瑟福認為原子核是實實在在的。他認為,能把粒子彈回來的一定是某種結實的東西。但在這一點上,盧瑟福錯了,原子核的內部其實也是空的。作為盧瑟福的精神繼承者,如今的粒子物理學家試圖通過轟擊使這類原子核解體。實驗過程中,粒子會通過巨大的加速器,來獲得必要的轟擊速度。位于日內瓦的歐洲核子研究組織(CERN)擁有一個長達26千米的環形隧道,被認為是人類有史以來最大的加速器,上千名物理學家在這里開展研究工作。我曾到訪該組織多次,在那個巖層深處的洞穴里,粒子探測器如同一幢幢高樓矗立,我感到自己如此渺小,這感覺是在任何其他建筑包括金字塔跟前都不曾有過的。
這些巨大的探測器證實了,那些看似結實的原子核其實也是由更基本的粒子組成的,這種粒子就是夸克。因此,原子核其實也是一團云霧,而不是堅固的結構。云霧中有一些夸克在穿行,而夸克之間也都是虛空的。
所以,整個原子其實都是由虛空組成的。因為即便原子殼層中的電子及原子核中的夸克都是真實存在的,它們也并不占據空間,加速器也測不出它們的體積。人類難以想象得出這種沒有體積的東西并不奇怪,早在物理學家于20世紀上半葉開始研究原子時,他們就不斷地遭遇這類悖論。當人類不經意地嘗試用日常的眼光來看待另一種真實時,這看似矛盾的悖論就出現了。根據日常的眼光,我們把基本粒子看成小球:因為日常經驗告訴我們,物體都很實在,需要占據空間,同理原子也應如此。這好比在貝爾塔·本茨(Bertha Benz)[1]開上她丈夫制造的車首次長途旅行時,她停靠的旅店老板問她的馬需要什么樣的飼料一樣。
物質的真實性狀與我們體會到的全然不同,它們的組成成分沒有固定的外形。基本粒子也不是小球,而是一種能態,它們就像真空中突然閃現的火光。英國物理學家詹姆士·金斯(James Jeans)曾寫道:“物質就像害怕、驚嚇、不安這類情感,企圖用體積來描述它們是無意義的。”也許我們可以把這些基本粒子想象成由非常細的鉛筆筆尖在空間里不斷輕點所畫出的點,這些點不斷移動,來來回回。而那些在我們的感受中有血有肉的物體,實際上就是這些虛空中用鉛筆點出的游移的輪廓——就像是描畫本上引導兒童連線的小小的數字。

在這些舞動的數字之間還游走著其他一些粒子,因此,原子內各組成部分的聯結就此形成了。在原子核與原子殼層的電子之間進行交換的是光子,也就是光的基本粒子。光子是純粹的能量體,傳遞的是電磁力。
這一切是如何發生的呢?在本書第1章中提到薔薇之美的理查德·費曼先生非常形象地描述了這種不同粒子之間的相互作用:當一個電子釋放能量時,就會產生一個光子。這個光子會獲得電子失去的那部分能量,隨后,光子會向原子核移動,并傳遞這部分能量。當原子核接收了這部分能量,光子就消失了。不過,原子核本身也會釋放能量,吐出一個光子,送到電子那里去。通過光子的相互交換,原子核和電子就彼此聯結在了一起。這樣的場景已經被轉譯成了物理學家手頭司空見慣的計算式。
通過交換光子,原子內部便形成了一種特定的陣型——就像足球場上一旦開球,就會立刻產生一種秩序。球隊會開始排兵布陣,從而形成最佳的傳球方式。光子在原子中的作用就像是綠茵場上的一顆足球——它決定了合適的間距以及整個傳遞過程的空間范圍。它還通過電磁力的作用使原子聚合在一起,從而產生云、水滴和晶體。是光子創造了秩序。
因此,我們就產生了幻覺,以為自己生活在一個由各種實在物體組成的世界里。由于這些本身并沒有形態和體積的粒子彼此建立了聯系,所以虛空就有了形狀。由于這些幽靈般飄忽的對象之間的聯結,我們感受到那把錘子和我們的大拇指都是立體的。此外,這種聯結還使我們在被錘子砸到后產生了痛覺。由于鐵錘內部的粒子之間以及手指內部的粒子之間都存在著強烈的聯結,所以,鐵錘里的虛空是無法輕易穿透大拇指內的真空的。

此外,在我們抓起鐵錘的時候,不僅僅能夠感受到它的體積,還能夠感受到它的質量。因此我們需要用力才能將鐵錘砸向釘子。當我們不小心敲偏而砸到手指的時候,鐵錘的質量就會帶來痛覺。
那么,質量又是從哪兒來的呢?鐵錘是由沒有體積的粒子聚合而成的。為什么在這種粒子構造中會存在質量呢?雖然沒有人真的把光子或痛感放到天平上稱量,但人類已經知道,這些粒子之間已經建立了聯結,而這種聯結傳遞著能量。比如,聯結電子和原子核的能量由光子來傳遞,是光子把它們聯結在一起的。正如愛因斯坦所說,每一份能量都有相應的質量,因此,這些相互聯結的幽靈般的粒子就有了質量。
其中最強烈的聯結存在于原子核中。在那里面,一些膠子(gluon)在夸克之間來回穿梭,它在原子核里的作用就像是聯結原子核和電子的光子一樣。在原子彈爆炸的過程中,膠子攜帶的巨大能量中的一部分被釋放出來。[2]而當我們舉起一個物體,或大力將錘子砸向目標物時,我們所感受到的質量就類似于原子彈爆炸時釋放的能量。但這種我們感受為質量的能量并不是自然存在的,它只有在粒子之間建立起聯結以后才會產生。

盡管粒子本身具有質量,這種質量比由上述聯結產生的質量小很多。如果可以將組成鐵錘的所有夸克和電子都上秤稱重的話,它們加在一起的質量可能也只占百分之九。可即便鐵錘里頭這些粒子的質量很小,也還是不能小瞧了它們。因為這占比很小的質量非常重要:正是因為夸克和電子自己具有質量,所以它們才能彼此產生聯結;正是因為自身有質量,這些粒子才會受到加速的阻力。否則,沒有質量的夸克和電子將會以光的速度彼此擦肩而過,最終無法形成原子。

 

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