漫聊合集 宇宙是由什麼構成的【下】：量子場

我們關於世界和宇宙到底是由什麼構成的這個話題來到了第三期 關於這個問題 我們先是聊到了大神牛頓 對宇宙構成的認知是他由空間時間和粒子構成 到了法拉第和麥克斯韋的時代 這個認知體系裏多了一個場的概念 主要是指電磁場 世界不再只是由空間中的粒子組成 而是由空間中的粒子和場組成 到了愛因斯坦提出狹義相對論的時代 空間和時間合併到一起 宇宙由時空、引力場、電磁力場和粒子構成 而到了廣義相對論時代 我們對宇宙由什麼構成的觀念被再次刷新 時空和場是一回事 宇宙的構成就只剩下兩個東西 場和粒子 上一期的最後我們也說到 這趟探索還沒有結束 因爲物理學中還有另外一個 我們沒有講到的怪獸 它就是我們今天的主人公 量子力學 二十世紀物理學的兩大支柱 廣義相對論與量子力學 二者有着很深的內部矛盾 廣義相對論是一塊堅實的寶石 它由愛因斯坦一個人綜合過往的理論構思而成 是關於引力、空間和時間簡潔而自洽的理論 量子力學則恰恰相反 是經過幾十年漫長的醞釀 由許多科學家做出貢獻 進行了大量的實驗才最終形成的 量子力學在實驗上取得了非常大的成功 帶來了改變我們日常生活的應用 比如你此時此刻正在使用的手機 但即使它已經誕生了一個多世紀 還仍然因爲它晦澀難懂而不被大衆理解 關於量子力學的科普節目很多 我們在這一節嘗試從三個方面 儘量給你簡單的講清楚它 這三個方面是分立性、不確定性和關聯性 我們先說分立性 量子力學誕生於1900年 一位叫馬克斯·普朗克的科學家 當時嘗試計算熱平衡態的箱子裏電磁波的數量 實驗結果是出來了 但是他要設計出一個公式來符合這個實驗結果 普朗克最終使用了一個看似沒有多大意義的小技巧 他假設電場的能量是以量子分配的 也就是一小包一小包的能量 他假定每包能量的大小取決於電磁波的頻率 這個頻率也就是光的顏色 對於頻率爲V的波 每個量子或者是每個波包的能量是E等於H乘以V 這個公式就是量子力學的起點 H是一個新的常數 今天我們稱之爲普朗克常數 它決定了頻率爲V的輻射每包有多少能量 常數H決定了一切量子現象的最小尺度 能量是一包一包的這個觀點和當時人們的認知截然不同 當時大家都認爲能量會以連續的方式變化 把能量看作一份一份的似乎是毫無道理 對普朗克來說 把能量看作有限大小的波包只是一個數學上的技巧 碰巧對計算有用 也就是可以重現實驗室的測量結果 至於原因他卻完全不明白 五年之後是阿爾伯特·愛因斯坦 理解了普朗克的能量包實際上真的存在 這是他在1905年寄給《物理學年鑑》的三篇文章中 第三篇的主題 它就是量子理論真正的誕生之日 愛因斯坦說 光確實是由小的顆粒 也就是光的粒子組成的 他研究了一個已經被觀測過的現象 也就是光電效應 有些物質在被光照射的時候 會產生微弱的電流 也就是說有光照射它們的時候會發射出電子 這個並不奇怪 因爲光具有能量 它的能量讓電子從原子裏跳出去 使它推了電子一把 但是有一點很奇怪 按理說如果光的強度很小 也就是光線很弱 那麼電子跳躍的現象就不會發生 如果光的強度夠大 也就是光非常的亮 那麼現象就會發生 這個聽起來合情合理吧 可事實上卻不是這樣 觀測的結果是 只有當光的頻率很高的時候 現象纔會出現 如果頻率很低就不會 也就是說現象是否發生 取決於光的顏色 也就是頻率 而不是它的強度 用通常的物理學沒有辦法解釋這一點 愛因斯坦使用了普朗克能量包的概念 其中能量的大小取決於頻率 他還意識到 如果這些能量包真的存在 就可以對光電效應做出解釋 你可以想象一下 光以能量微粒的形式出現 如果擊中電子的單一微粒 具有很大的能量 電子就會被推出原子 根據普朗克的假說 如果每個微粒的能量由頻率決定 那麼只有頻率足夠高的時候 現象纔會出現 也就是說需要單個微粒的能量夠大 而不是總的能量 這就好像下冰雹的時候 你的車是不是會被砸出凹痕 這不取決於冰雹的總量 而是由單個冰雹的大小決定的 也許會有很多冰雹 但如果所有的冰雹都很小 也不會對車造成什麼損壞 同樣即使光的總強度很強 可是單個光微粒太小 也就是光的頻率太低的話 電子也不會從原子中被激發出來 這就解釋了爲什麼是顏色 而不是強度 決定了光電效應是否會發生 只要有一個人想通了這一點 其他人理解起來就不難了 難的是第一個想通這點的人 今天我們把這些能量包稱爲光子 它是光的微粒 也是光的量子 愛因斯坦在文章中這樣說 在我看來 如果我們假設光的能量 在空間中的分佈是不連續的 我們就能更好的理解 關於黑體輻射 熒光 紫外線產生陰極射線 以及其他一些有關光的產生 和轉化的現象 根據這個假說 從點光源發射出的一束光線的能量 並不會在越來越廣的空間中連續分佈 而是由有限數目的能量量子組成 它們在空間中成點狀的分佈 作爲能量發射和吸收的最小單元 能量的量子不可以再分 前面的內容裏我們說到 愛因斯坦在1905年完成了 關於普朗克運動的工作 他先是找到了原子假說的實例 也就是物質的分離結構 接着他把這個假說運用到了光學 光也一定存在分離結構 一開始愛因斯坦提出的這個觀念 被他的同事視爲年輕人的任性 人人都稱讚他的相對論 但認爲光子的概念太古怪了 那時候的科學家纔剛被說服 光是電磁場中的波 它怎麼可能是由威力構成的呢 當時最傑出的物理學家們 給德國政府寫信推薦愛因斯坦 認爲他應該在柏林獲得教授的席位 信中寫道 這個年輕人極其的睿智 即便他犯了點錯誤 比如說光子的概念 也是可以被原諒的 可是幾年之後 還是這些同事被他頒發了諾貝爾獎 恰恰是因爲他們理解了光子的存在 可是啊 更大的問題接踵而來了 要理解光爲什麼同時是電磁波 同時又是一群光子 就需要構建全部的量子力學 但這個理論的第一塊基石 已經被奠定了 在一切物體 包括光之中 存在着基本的分離性 不過呢 接下來的工作 基本上就不屬於愛因斯坦了 下一個要登場的人 叫做尼爾斯·波爾 在二十世紀的前十年 他引領了理論的發展 波爾研究了在世紀之交的時候 人們開始探索的原子結構 實驗表明 原子就像一個小型的太陽系 質量都集中在中心很重的原子核上 很輕的電子圍繞着原子核運動 就像行星圍繞着太陽轉 然而這個模型 卻沒有辦法解釋一個簡單的事實 那就是 物質爲什麼會有顏色呢 你看 鹽是白色的 辣椒是紅色的 那這是爲什麼呢 研究原子發射的光 很明顯物質都有特定的顏色 因爲顏色是光的頻率嘛 光由物質以特定的頻率發射 描繪特定物質頻率的集合 被稱爲這種物質的光譜 光譜就是不同顏色光線的集合 那時候很多實驗 研究了許多物質的光譜 並進行分類 但是沒有人能解釋 爲什麼不同物質 會有這樣或者那樣的光譜 是什麼決定了這些線條的顏色呢 我們說顏色被光的頻率所決定 也就是發射光的電荷的振動所決定 這些電荷就是原子內運動的電子 所以通過研究光譜 我們可以搞清楚 電子是怎樣繞着原子核運動的 反過來講呢 通過計算繞原子核運動電子的頻率 我們也可以預言每種原子的光譜 這個說起來簡單 但是操作上卻沒有人能做得到 實際上整件事情看起來都非常的不可思議 因爲在牛頓的力學中 電子能夠以任何速度繞着原子核運動 因此可以發射任何頻率的光 那爲什麼原子發射的光不包含所有的顏色 而只包括特定的幾種顏色呢 爲什麼原子的光譜不是一個連續譜 而是幾條分離的線呢 用專業術語來說 爲什麼是分離的而不是連續的 幾十年來 物理學家似乎都沒有辦法找到答案 這個波爾呢 通過一個奇怪的假設 找到了一種解決辦法 他發現如果假定原子內電子的能量 只能是特定的量子化的值 就好像波蘭克和愛因斯坦 假設光量子的能量是特定的值一樣 那麼一切就可以解釋得通了 關鍵之處又是分離性 但是這次不是光的能量 而是原子中電子的能量 不止光子有分離性 電子也有分離性 波爾假設 電子只能在離原子核特定的距離處存在 也就是說只能在特定的軌道上 這個尺度由波蘭克常數爲之決定 電子可以在能量允許的情況下 從一個軌道跳躍到另外一個軌道 這個就是著名的量子躍遷 電子在這些軌道運動的頻率 決定了發出的光的頻率 因爲電子只能處於特定的軌道 所以只能發射特定頻率的光 通過這些假設 波爾計算了所有原子的光譜 甚至準確預言了還沒有被觀測到的光譜 但是爲什麼只能有特定的軌道呢? 說電子躍遷又是什麼意思呢? 在波爾的赫本哈根研究所 人們嘗試給原子世界中 這種古怪的行爲造成的混亂賦予秩序 並建立一個邏輯嚴密的理論 研究進行得非常的艱難 曠日持久 直到一個年輕的德國人 找到了關鍵的那把鑰匙 它叫做維爾納·海森堡 海森堡思考 電子憑什麼一定要按照 我們能理解的方式來運行呢? 如果電子就是可以消失 又突然出現又怎麼樣呢? 再進一步 如果電子只有在互相進行作用的時候 與其他物體碰撞的時候 它纔出現呢? 如果說在兩次相互作用之間 電子並沒有確定的位置呢? 根據這個設想 海森堡立刻投入了計算 他得到了一個讓人不安的理論 在對粒子運動進行基本描述的時候 並不能描述粒子在任意時刻的位置 而只能描述它在某些瞬間的位置 也就是粒子和其他物質相互作用的那些瞬間 這就是量子力學的第二塊基石 最難理解的要點是事物之間相關性的那一面 電子不是始終存在 而是在發生互相作用的時候才存在 也就是和其他東西碰撞的時候纔會出現 電子就是從一個相互作用 到另一個相互作用躍遷的集合 當沒有東西擾動它的時候 電子不存在於任何地方 海森堡寫出了一個數字的表格 也就是矩陣 但是它的矩陣在計算的時候比較難用 後來又是一個二十多歲的年輕人 接棒了海森堡的工作 並建立了完整的形式和數學框架 這個人就是保羅·迪拉克 他被認爲世紀愛因斯坦之後 二十世紀最偉大的物理學家 在他的手裏 量子力學從雜亂武裝的靈感 不完整的計算 模糊而形而上學的討論 奏效卻讓人費解的方程 變成了一個完美的體系 既優雅又簡潔 現在迪拉克的量子力學 是所有工程師 化學家 分子生物學家 都要使用的數學理論 其中的每個物體 都由抽象的空間來定義 除了那些不變量 比如說質量之外 物體自身再沒有其他的屬性 像位置 速度 角動量 電視等等 只在碰撞 也就是和另一個物體 相互作用的時候 才具有實在性 就像海森堡意識到的那樣 不只是位置無法被定義 在兩次相互作用之間 物體的任何變量 都沒有辦法被定義 這就是我們今天說到的 量子力學的第二個方面 相關性 但是 物理學和其他學科 特別大的一個區別就是 它不光是要能解釋事情 還必須要能預測事情 量子力學 也提供了一個重要的信息 它告訴我們 在下一次相互作用中 我們會觀測到什麼樣的數值 但是 它不能給出一個確定的結論 而是隻能以概率的形式 這就來到了 量子力學的第三個特點 不確定性 我們沒辦法確切地知道 電子會在哪裏出現 但是我們可以計算 它出現在這裏 或者那裏的概率 這個和牛頓理論相比 是一個根本性的變化 在牛頓的理論中 原則上 我們可以準確地預測未來 而量子力學 把概率帶入了事物演化的核心 這種不確定性 是量子力學的第三塊基石 人們發現 概率在原子層面起作用 如果我們擁有 關於初始數據的充分信息 牛頓的物理學 就可以對未來進行精準的預測 可是在量子力學裏 即使我們能夠進行計算 也只能計算出概率來 這種微小尺度上 決定論的缺失 是大自然的本質 電子不是由大自然決定向左 還是向右運動 它是隨機的 宏觀世界表面上的決定論 只是由於微觀世界的隨機性 基本上會相互抵消 只剩下微小的漲落 我們在日常生活中 根本沒辦法察覺到這個漲落 這就好比是 一個賭徒在賭場裏 可能大輸 也可能大贏 但是一個賭場 服務幾萬幾十萬的賭徒的時候 他的盈利卻是很穩定的 狄拉克的量子力學 允許我們做兩件事情 首先呢 是計算一個物理量 可以取哪些值 當一個物體 和其他物體相互作用的時候 能計算出的 是在相互過程中 物理量可以取的值 狄拉克的量子力學 允許我們做的第二件事是 計算一個物理量的某個值 在下一次相互作用中出現的概率 但是啊 在兩次相互作用之間 發生了什麼事兒 理論並沒有提及 它根本不存在 我們可以把某個位置 找到電子 或其他任何粒子的概率 想象成一塊彌散的雲 這個雲越厚 發現粒子的概率就越大 有那麼幾十年時間 對物理學家來說 就好像天天都是過節一樣 每一個新問題 都可以通過量子力學的方程 得到答案 而且啊 答案總是正確的 舉個例子來說吧 在十九世紀到二十世紀之間 化學家們明白了 所有不同的物質 都是由少量簡單的元素 結合到一起形成的 比如說 氫、氦、氧等等 一直到鈾 門捷列夫把這些元素 按照順序 排列在著名的元素週期表裏 這張表總結了 可是 爲什麼是這些特定的元素呢? 爲什麼每種元素 都有特定的屬性 而不是其他的屬性呢? 又爲什麼 這些屬性 會發生週期性的變化呢? 而當人們 引入量子力學的方程的時候 就發現 這個方程有一定數量的解 這些解 正好對應着 氫、氦、氧 和其他所有的元素 門捷列夫的元素週期表 就是這些解進行的排列 每一種元素的屬性 都是方程的一個具體的解 量子力學完美破解了 元素週期表結構的奧祕 化學這個學科 無窮的複雜性 僅僅用一個方程的解 就給出了全部的解釋 將量子力學表述爲 一個方程之後不久 狄拉克就意識到 這個理論可以直接應用到 場 比如說電磁場 並且可以符合狹義相對論 狄拉克發現 對自然的描述 可以進一步深度的簡化 將牛頓使用的粒子概念 和法拉第引入的場的概念 給它融合到一起 在兩次相互作用之間 伴隨着電子的概率雲 其實真的很像一個場 而法拉第和麥克斯韋的場 正好反過來 是由粒子構成的 不只是粒子 像場一樣瀰漫在空間裏 場也像粒子一樣 進行相互的作用 這就好像只有場 沒有電磁現象出現的時候 我們觀察不到場的存在 但你不能說場就不是實在的 到此 被法拉第和麥克斯韋 分割開來的場和粒子的概念 最終在量子力學中融合在一起 狄拉克的方程 決定了一個物理量可以取得值 把它應用到法拉第立線的能量 就會得出 這個能量只能取特定的值 不能取其他的值 由於電磁場的能量 只能取特定的值 場就像是能量包的集合 這個恰好就是 普朗克和愛因斯坦 在30年前引入的能量量子化 一個理論的圓環 就此閉合 狄拉克寫出的理論方程 解釋了普朗克和愛因斯坦 憑直覺領悟到的光的分離本性 電子和其他構成世界的粒子 都是場的量子化 與狹義相對論相融的量子理論 一般被稱爲量子場論 它構成了今天 粒子物理學的基礎 不過,量子理論 和廣義相對論的相融性 到今天還沒有被解決 這是一個更大的話題 我們今後再聊 量子場論的標準模型 完成於20世紀70年代 大概有15種場 它們的量子是基本的粒子 也就是電子、夸克、介子、中子 希格斯粒子等等 它們可以描述電磁力 和其他在原子核尺度運作的粒 這個標準模型 最初並沒有被很認真的看待 它有點像是東平西湊出來的一個東西 和廣義相對論 和麥克斯韋方程 或者狄拉克方程的優雅簡潔 截然不同 不過讓人意外的是 它的所有預測都被證實了 你看,到此爲止 關於宇宙由什麼構成 我們的觀念再一次被刷新 世界並不是由粒子和場組成的 而是隻有一種實體 量子場 再也沒有隨着時間流逝 在空間中運動的粒子了 存在的只有量子場 所有的粒子就是量子場中發生的事件 這些事件發生在時空之中 打一個粗糙的比方 強調一下 這個比方非常的粗糙 假設你的桌子上放着很多的線 這個線你就可以理解爲場 現在呢 你不要在上方俯視這個桌子 而是在桌子正好的正側面 看這個桌面 因爲線很細 你認爲桌面上什麼都沒有 現在呢 有人稍微動了一下這些線 讓這個線稍微鼓起了一系列的小包 因爲我們看不到那些線 而只能看到鼓起來的小包 我們就認爲桌子上有很多的粒子 這個粒子是打着引號的 而桌子上根本就沒有什麼粒子 我們看到的只是這些線 發生了一系列變化的事件 現在我們來總結一下 量子力學告訴我們哪些事情吧 首先 是自然界中存在着基本的分離性 物質和光的分離性 是量子理論的核心 假設我們對一個物理系統進行測量 比如說測量鐘擺的振幅 發現它有一個特定的值 比如說在5釐米和6釐米之間 在量子力學之前 我們可以說 由於在5釐米和6釐米之間 存在無窮多的取值 比如說5.01 5.001 5.0001 因此 鐘擺可以有無窮多的運動狀態 然而量子力學告訴我們 在5釐米和6釐米之間 振幅存在有限多的可能取值 因此 關於鐘擺我們所遺漏的信息 是有限的 第二是不確定性 電子一個場的量子 或者一個光子 並不會在空間中遵循某一條確定的軌跡 而是在和其他東西碰撞的時候 出現在特定的位置和時間 它會在何時何地出現呢? 我們沒辦法確切的知道 量子力學 把不確定性引入了世界的核心 未來真的是沒辦法準確預測 在量子力學所描述的世界裏 事物始終都在隨機變化 所有變量都在持續的起伏 量子力學關於世界的第三個發現 是最深奧和難懂的 這個理論並沒有描述 事物本來是什麼樣子的 它描述的是 事物如何出現 和事物之間如何相互作用 它沒有描述哪裏會有一個粒子 而是描述了 粒子如何向其他的粒子展現自己 亞里士多德曾經說 我們只能感知到相對的速度 比如說 在一艘船上 我們要談的就是相對於船的速度 在岸上呢 就是相對於地面的速度 而量子力學以一種更狠的方式 擴展了這個相對性 一個物體的所有變量 都只相對於其他物體而存在 自然只是在相互作用中描繪世界 這裏並不是說 某個事物進入了某種關聯 而是說 關聯就是事物的本質 量子力學的世界 不是物體的世界 它是事件的世界 這裏我再打一個淺顯的比方 幫助你理解 注意啊,還是打一個比方 假設別人給你介紹了一個相親的對象 你想知道他長得好看不好看啊 對方說 這個我不知道 但是每個身邊的人看到他 都會停下腳步再回頭看一眼 你想知道他的收入高不高吧 介紹人又說 這個也不知道 但是據說他經常出入高級的場所 你想知道他言語談吐怎麼樣 介紹人說還是不知道 但是他家裏的書櫃擺滿了書 經過這些介紹 你猜測對方是一個長相不錯 收入很高,談吐優雅的人 但是仔細想想 你還是不知道他本質上 到底長的是什麼樣 收入到底是多少 談吐到底是什麼樣子的 而且在量子力學的世界裏 你永遠也沒有辦法真正的看到他 這不是因爲我們的設備還不夠精密 而是自然的一個基本屬性 我們只能通過一個一個的事件 去推測微觀世界到底是什麼樣 你像我們說 電子是一個堅硬的小球 這個是我們自己想象出來的 實際上沒人能告訴你 電子本質上 究竟長的是什麼樣子 如果你還是覺得特別的彆扭 覺得電子它就應該有一個樣子 你可以再想這麼一件事 我們說一個東西到底是什麼樣子的 它總得有一個基本的顏色吧 那它是黑的白的還是紅的藍的 但是你想 光的顏色是由光的頻率決定的 一個物體它必須 持續性的向我們發出特定光譜的光 我們才能知道它的顏色 對吧 那電子當然不能做到這一點了 所以電子的本質上就沒有顏色 那如果 你能接受電子沒有顏色 爲什麼不能接受電子沒有其他那些 我們非常熟悉的屬性呢 其實啊 我本人也是花了很長的時間 纔想清楚 電子它不是一個我們能看得見摸得着的東西 事實上 電子這個名字 都是我們給它造出來的 我們實際看到的其實壓根就不是一個東西 而是一系列實驗 呈現出來的數據 我們爲了解釋這些數據 發明了一個詞兒 它叫做電子 而一旦我們發明了這個詞兒 就要反過來去猜測它本質上是什麼樣子的 但是啊 就像我們發明了星期一這個詞兒一樣 那你說星期一 本質上又是什麼樣子的 量子力學告訴我們 不要以處在某一狀態的物體的角度 來思考世界 而應該從過程這個角度來思考 過程 就是從一次相互作用 到另外一次相互作用的歷程 物體的一切屬性 只有在相互作用的那個瞬間 才以分離的方式呈現出來 也就是 只有在這些過程的邊緣 只在與其他物體發生關聯的時候 纔會出現 我們沒法對其做出完全確定的預測 只能進行概率性的預測 到了今天 無數的物理學家 工程師 化學家 生物學家 每天都會用到量子力學的方程 它們仍然十分神祕 它們並不描述物理系統的本身 而只是描述物理系統如何相互作用 和相互的影響 可是這又意味着什麼呢 宇宙的本質到底又是什麼呢 物理學家和哲學家 不停地問自己 這個理論真正的含義可能是什麼 在如何思考量子力學 所描述的宇宙本質這件事上 人們並沒有達成一致 還有很多物理學家和哲學家 討論過其他的方法 量子力學只是一種物理理論 也許明天 就會被另一種更深刻的 理解世界的方式所修正 也許 理論的晦澀難懂 並不是量子力學的過錯 而是由於我們的想象能力有限 宇宙並沒有義務 一定成爲我們人類能理解的樣子 但是 人類永遠不會因爲 也許理解不了 就停止嘗試理解它的步伐 這種永恆的質疑 正是科學的源頭