第23章 构成我们的物质

第23章
构成我们的物质

量子场论是个无比强大的框架。如果哥斯拉和绿巨人生了个孩子，而它又是描述某类物理理论的框架的话，那它就会是量子场论。

“强大”的意思不是“能把城市化为齑粉”（尽管量子场论也能做到这一点，因为它是我们手头上唯一能描述一种粒子如何转化为另一种粒子的方法，这是核反应以及派生的核武器的关键组成部分）。当我们谈及科学理论时，强大的意思实际上是带有严格限制——强大的理论也就是那些断定很多事情不会发生的理论。我们在这里谈到的强大，就是说能够从非常少的前提出发，在相应的范畴内得出可靠而且适用范围广泛的结论。量子场论不能摧毁它道路上的建筑；它摧毁的是我们对物质世界中可能发生的事情的种种猜测。

我们做出的断言相当大胆：

我们已经知道所有日常生活背后的物理定律。

类似这样的主张会引来诸多怀疑。这句话夸张自大，而且似乎不难想到一些言之成理的情况，其中我们的理解可能仍有显著的欠缺。它听起来太像历史中俯拾皆是的那些宣言，总有这个或者那个伟大的思想家大言不惭地说追寻完美知识的旅程已经进入尾声，而每次我们都发现这些人草率得可笑。

但我们没有宣称已经知道所有物理定律，而只是知道有限几个定律，它们足以描述日常生活层面上发生的事件。即使这样听起来也太自大了。在核心理论中当然会有各种添加新粒子或者新力的方法，它们会对日常层面上的物理产生重大影响，或者甚至会有完全处于量子场论前提范围以外的种种新现象。难道不是吗？

还真没有。目前的情况的确与科学史此前发生过的情况有着实质性的不同。我们不仅拥有一个成功的理论，而且还知道它可以延伸到多远才会变得不再可靠。量子场论就是这么强大。

——

我们的大胆断言背后的逻辑相当简单：

1.我们所知的一切都说明量子场论是描述日常生活背后物理的正确框架。

2.量子场论的法则表明，不存在任何新的粒子、力或者相互作用会密切关系到我们的日常生活。我们已经把它们全找到了。

量子场论是否可能在相应的条件下不再适用？当然可能。作为忠实的贝叶斯主义者，即使是对于那些最极端的选项，我们也知道不应该将置信度一直下调到零。特别是量子场论也许不能完整描述人类的行为，因为物理本身也许就不能描述人类的行为。有可能存在某种神迹般的干预，又或者某种本身超越物质的现象会影响物质的行为。不管多少科学进展都无法完全否定这些可能性。我们能做到的就是说明物理本身已经完全足以解释我们看到的事物。

爱因斯坦的狭义相对论（与广义相对论相对）是一个将时间和空间融合，并将光速作为宇宙的一个绝对限制的理论。假设你想发明一个理论，它同时包含下面三个想法：

1.量子力学

2.狭义相对论

3.只要离得足够远，空间中不同区域的行为各自独立

诺贝尔奖得主史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）论证了，所有符合这些要求的理论在（相对来说）远距离和低能态的情况下看上去都会像是某个量子场论。不管在自然最基本最广泛的终极层面上发生了什么，在人类能探测的领域中，量子场论能准确描述世界。

所以说，如果我们关心如何描述我们周围的低能态日常世界，而又想纯粹依靠物理的话，我们就应该在量子场论的框架下钻研。

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我们先接受量子场论在日常情境中有效的这个想法，然后要问的就是为什么不可能存在仍未被发现但会影响我们日常生活的粒子。

首先我们要确立的，就是不可能有别的实体粒子在我们周围横冲直撞，并且以某种方式影响已知粒子的行为。然后我们要保证没有任何新的虚粒子或者新的相互作用能以类似方式影响已知粒子。在量子场论中，虚粒子就是那些在量子涨落中忽起忽灭的粒子，它们会影响正常粒子，但自身却不会被探测到。我们会在下一章探讨第二个问题，现在我们暂时只关心实体粒子的可能性。

我们知道不存在新的场或者粒子会在日常生活背后的物理中起到重要的作用，原因来自量子场论中被称为交叉对称的重要性质。这个惊人的特性能帮助我们确定某些种类的粒子不可能存在，否则我们早就应该发现它们了。交叉对称基本上就是说，如果一个场可以与另一个场相互作用（例如通过散射），那么在合适的条件下，后者可以创造前者对应的粒子。我们可以将它看作每个力都对应着一个反作用力这个原则的量子场论类比。

假设存在一种新粒子X，你怀疑它会在日常生活的世界中导致难以察觉但却无比重要的物理效应，无论是用心灵弯曲勺子的能力还是意识本身。这意味着这个X粒子必定与夸克和电子等一般的粒子有相互作用，不管直接还是间接。如果它不符合这一点，那么它也不可能对肉眼可见的这个世界产生任何效应。

量子场论中粒子之间的相互作用可以用费曼图这个优美的机制来展示。想象一下X粒子与电子通过交换某种别的新粒子Y而发生碰撞。这个示意图从左到右能看到X粒子和电子进场，交换了一个Y粒子，然后各奔东西。

这个示意图并不仅仅画出了可能发生的事情，它还附有一个数值，告诉我们这个相互作用有多强大，在这里就是X粒子与电子发生散射的可能性大小。交叉对称告诉我们，对于某一个这样的过程，都存在另一个强度相等的过程，可以通过将费曼图旋转90°，然后将时间方向改变的线从粒子换成反粒子来得到。下一幅图展示了交叉对称的结果之一。

在场论中，每个粒子都有一个电荷相反的反粒子。电子的反粒子名为正电子，它带有正电荷。交叉对称说明，第一个X粒子与电子散射的过程意味着电子与正电子湮灭后生成这个X粒子以及相应反粒子的关联过程同样存在。

接下来就是回报。我们已经做过电子与正电子的碰撞，次数不少而且做得认真细致。从1989年到2000年，一台被称为大型正负电子对撞机（今天大型强子对撞机的前身）的对撞机在日内瓦郊外的地下一直运行。在它的实验中，电子与正电子以庞大的能量相互碰撞，而物理学家谨小慎微地记录了所有的结果。他们满心希望发现新的粒子；发现新粒子，特别是预料之外的新粒子，正是让粒子物理学一直激动人心之处。但他们什么都没看到，只有核心理论已知的粒子，它们的产量数不胜数。

——

在质子和反质子的碰撞以及其他类型的碰撞上我们也做过同样的事情。结论清清楚楚：我们已经找到了当前最优秀的技术允许我们找到的所有粒子。交叉对称向我们保证，如果存在某些在我们身边游走的粒子，它们与普通物质的相互作用强大到会在日常事物的行为中产生影响的话，那么这些粒子应该很容易就能在实验中产生。但那里什么也没有。

很可能还有更多的粒子仍未被发现，只是它们与我们日常的世界毫无瓜葛。我们还没有找到这种粒子的事实告诉了我们这些粒子许多应有的性质，这就是量子场论的力量。任何我们仍未探测到的粒子都必须拥有下列特性之一：

1.要么它与普通物质的相互作用非常弱，以至于几乎不会现身；

2.要么它的质量非常大，导致产生它所需的碰撞能量高于现有最好的粒子加速器能达到的能量；

3.要么它的寿命非常短，导致它产生之后会旋即衰变为其他粒子。

如果任何我们仍未发现的粒子能存活足够长的时间，与普通物质相互作用的强度也足以影响日常生活中的物理的话，我们早就应该在实验中制造过它了。

我们相信存在但尚未发现的粒子之一就是暗物质。天文学家在研究恒星和星系的运动以及宇宙的大尺度结构时，逐渐相信绝大部分物质都是“暗的”——某种不在核心理论中的粒子。暗物质粒子的寿命一定很长，否则它早就衰变消失了。但它不可能与普通物质有强烈的相互作用，否则物理学家现在正在执行的众多暗物质探测实验之一早就应该发现它了。无论暗物质是什么，在决定地球上的天气时它必定不起任何作用，对于与生物学、意识或者人类生活相关的事物也是如此。

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在这个分析中有一个明显的漏洞。有这样一个粒子，我们认为它存在，但却从未直接探测到，那就是引力子。它足够轻足够稳定，可以在实验中生成，但引力是如此的弱，我们在粒子加速器中产生的任何引力子都会被淹没在巨量的其他产生出来的粒子之中。即使这样，引力的确影响了我们的日常生活。

引力对我们而言很重要的基本原因，是因为它是一种能累积的长程力——你拥有越多能产生引力的东西，它的影响就越强大。（换个例子，对于电磁相互作用来说这就不一定对，因为正电荷和负电荷可以相互抵消，但引力总是相互叠加。）所以即使我们没有希望通过粒子的对撞制造或者探测到单个的引力子，整个地球合起来的引力效应也创造了可观的地心引力。

有没有可能存在别的力同样钻了这个漏洞，如果只看几个粒子它很弱，但很多物质一同作用下就能累积起来？当然可能，物理学家多年以来就一直在寻找这样的“第五种力”。目前他们还没找到。

追寻全新的力的有力支持来源于一个事实：普通物体仅由三种粒子构成，就是质子、中子和电子。量子场论的另一特点就是你不能随意打开或者关闭来自独立粒子的力，与之关联的场一直存在。你可以用合适的方法排列正负电荷，用以创造宏观上的力，电磁铁就是如此，但对于每个粒子而言，场总是存在。所以我们只需要寻找这三种粒子之间的力。物理学家尝试过的正是这样：他们构造了无可挑剔的精确实验，将组成各异的物体凑到一起然后再将其分开，从中搜寻自然已知的力以外任何影响的蛛丝马迹。

图中粗略地展示了直至2015年为止的结果。在两种给定类别的粒子之间任何可能的力都可以用两个数值描述：它的强度，还有它能越过的距离（引力和电磁相互作用都是长程力，本质上可以无限延伸；强核力与弱核力的力程很短，比单个原子还要小）。最容易测量的就是强大而且能越过长距离起作用的力。这就是我们已经排除的可能性。

结论就是，如果新的力能延伸超过1毫米的距离——如果你想以它弯曲勺子或者在你出生的当时当地接受土星的影响，它就必须满足这个条件——它必须比引力弱得多。这听起来也不算太弱，但要记得，引力极端微弱；每当你跳离地面，你身体内的微小电磁力就成功克服了整个地球加起来的引力。我们说某种力与引力差不多弱，就是说它的强度是电磁相互作用的十亿分之一的十亿分之一的十亿分之一的十亿分之一。比这更弱的力在日常情景中完全可以忽略。

在我们日常的环境，也就是充满人群、汽车和房子的世界中，我们列出了一张完整的清单，上面有组成世界的粒子和那些足够强大可以给事物带来任何可见效应的力和相互作用。这是巨大的智力成就，整个人类种族有理由为此骄傲。