擊碎原子!

如果有一種理論能稱之為萬物理論的話，那麼它首先要解決我們這個宇宙中最基本的兩個問題：第一個問題就是物質到底由什麼東西構成，是怎麼形成的，物質有沒有最小單位？第二個問題是宇宙中的「力」到底是什麼，有沒有一種最基本的理論和一個統一的公式能描述宇宙中所有的「力」？讓我們先從第一個問題開始——尋找物質的最小單位。觀察一個籃球，我們用眼睛看就可以了。如果要觀察一粒灰塵，那麼我們就不得不拿一個放大鏡仔細地看。如果要觀察一個病毒，我們就不得不用顯微鏡。可是，如果我們要觀察一個比病毒還要小几千萬、幾億倍的東西，你覺得我們應該怎麼辦呢？我知道你肯定抓耳撓腮想不出辦法了，等著我告訴你答案。其實，要觀察一個東西的形狀和性質不是一定要直接觀察，我們還可以通過一種間接的辦法去了解這個東西，我把它叫做「子彈射擊法」。我打個比方，我現在把一樣東西用一根棍子支在空中，然後我在這樣東西的周圍裹上一層白霧（假設我發明了這樣一種不會散去的霧氣），你無法看到霧氣中的東西到底是什麼，自然也就不知道它的形狀、性質等，現在我給你一把槍，裝滿一種輕柔的橡皮子彈，你用這把槍不斷地對著白霧中的東西射擊。射擊幾次以後，通過橡皮子彈被反彈的次數和反彈的角度，你大概就能感到這個東西的大小，還能模糊地感覺到這個東西的硬度。隨著射擊次數的增加，以及觀察反彈子彈的細緻程度，你越來越有經驗，你現在連這樣東西的形狀都已經能大致確定下來了：是一個圓形的東西。但是你很快就發現，子彈的大小是個瓶頸，雖然你已經發現了那樣東西的表面肯定是不光滑的，但是這種橡皮子彈太大了，以至於你無法進一步地了解那個東西的表面性質到底粗糙到什麼程度。於是，你要求我把橡皮子彈換成米粒子彈，當你開始用米粒子彈加大射擊頻率，仔細地觀察反彈出去的米粒，你對這樣東西的外形已經掌握得越來越清晰了，這是一個近似橢圓形的東西，上下似乎有兩個尖頭。然後你開始專註於研究那些反彈角度很小的米粒，因為這些米粒能反映出這樣東西表面的粗糙程度，一段時間以後，你發現米粒被反彈的角度呈現周期性變化，於是你可以確定這樣東西的表面有一些明顯的溝壑，但問題是米粒還是太大了，你無法細緻地掌握這些溝壑的粗細和深淺。這次你換上了沙粒子彈，於是這樣東西的表面細節被你掌握得更多了，你再換上更小的沙粒子彈，於是每更換一次子彈的大小，你對那樣東西的掌握程度就增加一分，直到最後你輕而易舉地猜出了我放在支架上的那樣東西：一個大核桃。如果你想通了我上面說的「子彈射擊法」，並且接受了這種方法能夠確定一樣不能被直接看到的東西的形狀和性質，那麼我恭喜你，你已經掌握了人類探索隱藏在物質最深處的秘密的方法，那就是儘可能地找到更小的子彈，不斷地轟擊你要研究的對象。如果對象穿著「衣服」就把衣服打下來後繼續打，沒錯，這個方法很黃很暴力，但是真的很管用。不管對象是什麼東西，我就是這一招鮮，只要我的子彈和對象相比足夠小，我就能搞清楚對象的所有細節。人類很快發明了一種用電子作為子彈的探測裝置，這種裝置就是被我們稱為電子顯微鏡的東西，用這種顯微鏡甚至能「看到」原子的形狀和大小。雖然電子這種子彈很小，但問題是電子的「力道」太小，打到原子上就被反彈開（後來人們知道是因為電子帶電，因為同性相斥的道理，電子被包裹著原子飛行的電子排斥開了），就好像我們用沙子去擊打籃球，雖然我們能掌握籃球的形狀和大小，但是我們卻無法進一步地了解籃球內部到底是由什麼組成的。勇敢無畏的物理學家們很快又在自然界中找到了一些神奇的礦物質，這些礦物質會天然地放射出大量的很小很小的粒子（被稱之為α粒子，讀作阿爾法粒子），而且這些粒子和電子比起來，那就好像是真手槍子彈和玩具手槍子彈的區別一樣，它們的速度甚至可以達到光速的十分之一，力道大得驚人，可以輕而易舉地穿透金屬製成的箔片，更不要說人體了。被人類發現的第一種這樣的物質叫做鐳，它是由大名鼎鼎的居里夫人發現的，但是就像我前面說的，鐳時時刻刻都在放射出看不見的超級子彈，可以把人體細胞中的DNA都打得稀爛，居里夫人就是這樣被鐳奪去了寶貴的生命，為人類的科學事業獻了身。除了鐳，還有名震四海的鈾，因為它是製造原子彈的材料（筆者就是在核工業部某大隊長大的，這個大隊的主要任務就是四處尋找鈾礦，筆者的父親就是新中國第一批學習這個專業的大學生，找了大半輩子的鈾礦。只是據我所知，他們金礦找到了不少，鈾礦卻沒找到多少，也好在找到的不多，幸使家父至今身體健康）。這些礦物質被統稱為「放射性材料」，有時候也被簡單地稱為「核材料」。英國物理學家盧瑟福第一個想到了用這种放射性材料做成「槍」，用它們放射出來的力道實足的粒子作為子彈，去轟擊原子，看看會發生什麼。1909年3月，盧瑟福用一把「鐳射槍」對著一張金箔（就是把金子做成薄薄的一張紙）猛烈開火，然後詳細地記錄了所有發射出去的子彈在遇到金箔後的散射情況。他發現幾乎絕大部分阿爾法粒子都如入無人之境，直接射穿了金箔，但是有大概八千分之一的阿爾法粒子發生了大角度的偏轉，然後大概有十萬分之一的阿爾法粒子竟然被反彈了回來。盧瑟福後來回憶說，當時發現居然有被反彈回來的粒子，他實在是相當的吃驚：「這是我一輩子中遇到的最不可思議的一件事情，這就好像用一門大炮對著一張紙轟擊，打了十萬發炮彈出去，全都直接穿透那張紙（這太正常了），但第十萬零一發炮彈打過去，居然這發炮彈沒有穿過紙，直接被反彈了回來，打著了自己，你說炮手要是當時在喝咖啡的話，還不把咖啡灑得全身都是。」（It was quite the most incredible event that ever happened to me in my life. It was almost as incredible as if you fired a 15-inch shell at a piece of tissue paper and it came back and hit you.）於是，就這樣，盧瑟福發現了原子的秘密，原子內部有一個非常緻密的原子核，但是體積只佔了整個原子的一丁點兒一丁點兒。偉大的盧瑟福一生培養了13個諾貝爾物理學獎得主，還不包括他自己在內，但是，盧瑟福也步了居里夫人後塵，死於自己最親密的夥伴——放射性材料的手上。原子核被發現以後，再往下對人類的挑戰就更大了，因為原子核實在是太堅硬了，天然的鐳射槍根本打不碎，既然打不碎，自然也就無從知道原子核內部的秘密了。但是，沒有什麼事情能難倒那些牛逼的物理學家們，他們很快就找到了一種提高子彈力道的方法，那就是「電磁加速」。阿爾法粒子是帶正電的一種粒子，讀過中學物理的人都知道，一個帶電的物體在電磁場中會受到洛倫茲力（啊，好熟悉的名字），於是人們就會想到：可以利用電磁場給阿爾法粒子加速，一旦速度提高了，那麼阿爾法粒子的能量就提高了，只要不斷地提高能量，總能把原子核轟開。於是人類開始製造這種被稱之為「粒子加速器」的機器，用來加速粒子，轟擊原子核，從而去探究原子核裡面的秘密。粒子加速器一般都是一個超級巨大的環形軌道，粒子在裡面被一圈圈地加速，甚至被加速到接近光速，但這玩意兒的耗電巨大。人類如願以償地把原子核給擊碎了，並且發現了原子核是由質子和中子組成的，還驚訝地發現了原來我們用來做子彈的阿爾法粒子其實就是質子。既然質子能被加速，那麼電子也能被加速，用電子做子彈的好處就在於電子比質子還要小1000倍，正如我們前面所說的，子彈越小越能探測得精確。但子彈光是小沒用，還要力道足夠大，也就是速度足夠快，這樣才能擊碎目標。於是要提高粒子的速度，就需要更強的電力和更長的加速距離。建造粒子加速器是目前人類認識物質深層次秘密的唯一途徑，因此全世界都展開了競賽，看誰建造的粒子加速器更強大，目前暫時取得世界第一的是坐落於日內瓦附近的歐洲大型強子對撞機（簡稱LHC），這個龐然大物恐怕是目前人類建造的最大的一部機器，花了整整100多億美元，它的環形加速軌道的周長有27公里，埋在地底下，下面這張圖是用衛星照片來比畫大小，讓你直觀地感受它有多大。

這個龐然大物一旦開動起來，所需要的電力實在驚人，據說它一開動，整個日內瓦市的所有電燈都會變暗，因此往往都在晚上用電低峰的時候開動，它需要一個可以給一座中型城市供電的發電廠專門供電。這麼一個龐然大物，裡面跑的居然只是一些小得不能再小的電子。當粒子加速器把一些粒子加速到接近光速後，就要讓這些粒子對撞，但是你知道要讓那麼小的粒子正面對撞的概率有多小嗎？這就好像一個人在上海，一個人在舊金山，兩個人各拿一把手槍，隔著太平洋對射，要讓子彈剛好和子彈撞上，你說這個概率有多小。為了提高對撞的幾率，只有一個辦法，那就是一下子打出去幾億甚至幾十、幾百億顆子彈，那麼總會有幾顆子彈對撞上。LHC有望在2011年底尋找到人類已知的最後一種粒子，被稱之為上帝粒子的「希格斯玻色子」。人類就是靠著這種讓粒子對撞，然後再觀察對撞後粉碎的粒子的軌跡來研究微觀世界，尋找新的粒子。近年來，越來越多的新的粒子在實驗室中被發現，這些粒子要麼具備以前沒有發現過的質量，要麼就是自旋的方式不一樣。現在，人類基本上已經掌握了一張數據表，裡面標明了已經發現的各種各樣粒子的各種性質，例如質量、大小、自旋、電荷、相互作用力等等。現在人類不禁要問，有沒有一種統一的理論，在這個理論下所有這些基本粒子都可以看成是同一種物質的不同表現形式。就好像石墨和鑽石，看起來如此不同的兩樣東西最後被發現其實都是碳元素（C）的不同表現形式，C原子的不同排列形式決定了材料的性質。那麼所有這些看起來質量、自旋、電荷、大小都不同的基本粒子是不是也能夠用一種統一的理論去描繪呢，如果有的話，那麼是不是就有可能發展成為萬物理論（T.O.E.）。因為我們了解了基本粒子的本質成因，就能了解由基本粒子構成的原子、分子、材料、萬物的性質和成因。打個比方，這就好像我們如果掌握了每個大氣分子的運動規律，那麼我們就能計算出整個大氣的運動規律，當然，這需要超級龐大的計算能力，但從理論上來說，就是這樣的。而一個分子相對於所有基本粒子來說，就像是整個大氣，我們把組成分子的每個基本粒子的規律掌握了，那麼要掌握分子的規律也就是順理成章的事情。然後，像這樣的一種基本粒子成因的理論絕不是可以隨意胡思亂想的，你必須找到一種理論，在這種理論下你可以得到描述這個理論的數學方程式，並且用這些數學方程式能夠自然而然地運算得到所有已經發現的基本粒子的各種屬性，並且不但能解釋已經發現的所有基本粒子，還能預言沒有發現的基本粒子的各項屬性。就好像廣義相對論，雖然成功地解釋了水星的進動現象，但是光是能解釋已有的現象還是不能讓人信服的，只有當廣義相對論成功地預言了星光偏轉現象之後，才能讓全世界的物理學家信服這個新理論。尋找這樣的一個可以解釋所有基本粒子成因和準確地計算得到各種數據的理論就是人類向萬物理論發起衝鋒的第一步。

請您繼續閱讀更多來自 家居動動 的精彩文章:

※女子打靶場駕馭重型狙擊槍，目擊50口徑子彈擊碎磚頭的瞬間
※車子前擋風玻璃突然被石子擊碎裂開了這個辦法，傷痕竟然神奇癒合
※普通的火花塞無法擊碎車窗，用鎚子敲碎後卻威力大增
※解析破碎機鎚頭是如何擊碎物料的
※銀背大猩猩能輕鬆擊碎鋼化玻璃，能把老虎獅子PK掉嗎？
※網友自製擊碎磚塊的裝置，啟動後，房子差點都被拆掉
※《摔跤吧！爸爸》大火！這部《摔跤吧！舅舅》用拳頭擊碎美國偏見
※口腔里的潰瘍小惡魔，你要擊碎它？還是感化它？
※銀彈擊碎玻璃的瞬間
※擊碎沉迷網路的孩子們的手機
※女子作死用頭部一秒擊碎15塊瓦片，測試結果讓人意外不到
※你知道嗎? 抓握按摩擊碎脂肪團, 這招瘦腰瘦腿原來這麼簡單
※【動圖秀】真以為黑八很容易？綠軍鐵血魂擊碎你所有幻想
※生活在籠子里的韓國人，他們都是夢想被擊碎的失敗者
※母親用獵槍擊碎沉迷網路的孩子們的手機
※高校新生打電話太激動，擊碎玻璃流血不治身亡！
※我的少女心完全被這些小物擊碎了！
※大猩猩用手擊碎鋼化玻璃成功逃脫
※一股動漫清新流，擊碎你的屏幕……