序言《物质是什么》

序言《物质是什么》

编者按：本书作者吉姆·巴戈特（Jim Baggott），英国科学史作家、牛津大学化学物理学博士，著作有《希格斯：上帝粒子的提出与发现》《量子空间》《量子通史》等，常有作品刊登于《新科学人》《自然》等重要科学刊物。

本书的主题看起来很简单。

你坐在桌前，翻开这本书。它可能是精装本，可能是平装本，也可能是在平板电脑或是电子阅读器上的电子书，无所谓，都一样。无论你手上拿的是什么，我们都可以相当确定地说，它们是由某些材料制成的：纸张、卡片、塑料，又或许是装载着一些电子元器件的印刷电路板。无论它由何种材料制成，我们都可以将它称为物质或是物质实体，它们都具有一种固有特性——质量。

但是“物质”又是什么呢？我们在课堂上学到过，物质不是连续的而是离散的，这与古希腊的一些哲学家在近2 500年前曾推测的“物质是‘块状’的”不谋而合。我们简单地在网上搜索一下就能知道，纸是人们把纸浆中湿润的纤维紧压在一起而制成的；而纸浆是由分子（如纤维素）构成的，分子又是由原子（碳、氢、氧等）构成的。如果对原子进行更深层次的了解，我们会发现原子的内部大多是中空的，只有一个小小的、由质子和中子组成的原子核，周围有一些电子环绕着它。

你可能也学到过，质子和中子并不是最终的答案，它们还能被划分为更小的单位。科学家把目前为止找到的物质最基本的组成部分（当然，这更有可能是因为我们目前还未探明其内部的结构）称为“基本粒子”。根据这一定义，质子和中子显然不属于基本粒子，因为它们由不同种类的夸克构成，这些夸克则是被胶子连接在一起的。

看起来事情比我们想象中的要复杂一些。可以肯定的是，经过一代又一代科学家的不懈努力，我们得以一层一层地剥开物质构成的“洋葱皮”：从纸、卡片、塑料，到分子，到原子，到质子和中子，再到夸克和电子。随着我们一层一层地往下探索，我们发现的物质组成也越来越小，这似乎不足为奇。

但是同样可以肯定的是，我们无法一直这样进行下去。就像古希腊的哲学家们曾推测的那样，我们最终会遇到一些最最基本的、不可分割的物质，宇宙万物都是由这些物质构成的。

并且，我们并不需要做多么大胆的猜测也能提出这样的假设：无论这种最基本的物质是什么，它只有一种基本形式。或者说，这样的假设最为简洁。而剩下的那些电荷、色荷、味、自旋以及许多其他参数，就都只是多余的“缀饰”了。

1930年，英国物理学家保罗·狄拉克将这一假设称为“哲学家的梦想”。那时人们面临的情况还没有现在这么复杂，甚至中子都还没有被发现——它是在1932年由詹姆斯·查德威克（JamesChadwick）发现的。当时的物理学界普遍认为，所有的物质都是由两种基本粒子构成的：带正电荷的质子和带负电荷的电子。狄拉克一度还认为自己找到了统一两种粒子的办法，狄拉克提到“哲学家的梦想”后还说：“我们有理由相信，电子和质子并不是没有关联的，它们只是同一种基本粒子的两种表现形式。”

可惜，狄拉克错了，他在研究有关电子的量子力学新理论时推导的数学方程中偶然发现的结果，并不是质子和电子之间的基本关联。狄拉克发现的实际上是一种与人们以往认知完全不同的物质，我们今天称之为反物质。它的理论预言的带正电荷的实体并不是狄拉克所认为的质子，而是几年后在关于宇宙射线的研究中发现的反电子（或称正电子）。

1930年之后，科学家们面对的局面越来越糟，哲学家的梦想变成了噩梦。物理学家们面对的远远不只是“两个基本粒子之间是否有某种关联”这么简单的问题了，而是一个由不同种类的粒子组成的“动物园”，其中许多粒子的性质甚至闻所未闻。一个简单而无可置疑的事实是，现代科学已经打破了我们在物理学中所有下意识的判断，尤其是在关于物质本质的方面。

我们所发现的是，宇宙的基础并没有我们之前想象的那样坚实可靠，正相反，它是由某种量子的“鬼魂”和“幻影”构成的。不仅如此，在我们这趟激动人心的发现之旅中，我们发现，从某个阶段开始，我们甚至对“质量”（也就是那个在物理学、化学和生物学的方程式中无处不在的m）这样一个无比熟悉的概念也失去了把握。

古希腊的原子论者认为，原子必定有重量。而艾萨克·牛顿则认为，质量只不过是物质的量（quantitas materiae），也就是一个物体所包含的物质的数量。从表面上看，这是一个完全合乎逻辑的结论，没有什么好争论的：质量只是一个我们每天都能遇到的寻常性质，没什么神秘的。每天早晨站在体重秤上的时候，在健身房里举铁的时候，抑或是被什么东西绊倒的时候，我们都会感受到牛顿的经典质量观。

但是有许多不断出现的问题在持续地挑战着牛顿的观点。有时一个电子会如幽灵一般同时通过两个相距很近的孔洞或狭缝，却只在远处的探测器上留下一个点，那么在这整个过程中，这个被认为是“不可分割”的基本粒子的质量发生了怎样的变化呢？爱因斯坦最为著名的质能方程，大家都很熟悉了，但是质量和能量等价并且可以互相转化，这到底意味着什么呢？

有关质量的问题还远不止于此。粒子物理中所谓的“标准模型”对基本粒子和力给出了迄今为止最为完备的描述，在这个模型中，粒子被量子场所取代。可量子场到底是什么呢？在时间和空间中分布的量子场又是如何拥有质量的呢？物理学教科书上说，基本粒子通过与近期被发现的希格斯场的相互作用而获得质量，这究竟意味着什么？组成质子的3个夸克的质量总和也只有质子质量的1%，那剩下的质量到底来自何处？

另外，我们从暴胀大爆炸宇宙学的标准模型中得知，我们一直以来都很熟悉的所谓“重子”物质——也就是由质子和中子组成的物质，只占到宇宙总质能的不到5%。而剩下的质能中，暗物质占了大约26%。这是一种无处不在却又完全不可见的未知物质形式，正是这种物质形成了那些由可见的星系、星系团以及巨洞所组成的大尺度结构。其余的69%则被认为是暗能量，这是一种充溢于空间的能量，时空膨胀的加速正是由其驱动的。

看到这里，可能你的脑袋里已经一团浆糊了：只是简简单单的质量罢了，怎么会有如此复杂和艰深的问题呢？

在本书中，我将试着解释我们对物质本质的认识、对质量起源的认识，以及在其影响之下，我们认识物质世界的方式是如何产生了翻天覆地的变化的。

有一句话我不得不提醒一下：在介绍现代科学的某些结论时，许多作者往往都会以进行通俗解释为由，回避高难度数学公式的处理。史蒂芬·霍金在《时间简史》中有一句名言：“有人曾告诉过我，一本书里每多一个公式，销量就会减少一半。” 一直以来我也都遵循着这一原则，在以往的书中只会使用很少量的几个人尽皆知的公式，比如前文提到过的质能方程。

但事实证明，数学语言在描述自然规律和物质的性质这些方面是非常有优势的。重要的是要认识到，理论研究者追求的往往是一条数学推理的逻辑链，看看自己能顺着这条路径推导出什么样的结果，而并不会过于在意这一过程中出现的数学术语，以及由此产生的结论在物理上具有什么意义。

例如，在量子力学发展的早期，奥地利理论物理学家埃尔温·薛定谔曾有过慨叹，随着数学变得越来越抽象，运用得越来越密集，他所提倡的可理解性（anschaulichkeit）越来越难以被贯彻。有实验或者观察作为支撑，理论物理学家也许能够证明某一个数学公式确实体现了物理现实的某个方面，但这并不意味着我们能够真正理解其中涉及的概念。

所以，我在这本书中会展示出比往常更多的数学知识，以使感兴趣的读者了解这些概念是什么、物理学家们如何使用它们，以及在什么样的情况下物理学家也难以理解这些概念。不过我也只是打算点到为止，以便于读者能够有足够的时间进行思考，而不是被细枝末节分散了注意力。

如果你确实无法自始至终地沿着节里的逻辑走下去，或者是对于某些符号的物理意义感到一头雾水，也无须对自己太过苛刻。

因为这些让你感到不解的东西，很有可能全世界都还没人能真正弄明白呢！

非常感谢卡洛·罗韦利（CarloRovelli）做出的努力，他对本书的草稿献策良多。其实我从来没有真正地指望家人或朋友会看我写的书，不过如果他们真的看了，我还是会觉得很开心，特别是他们夸我的作品的时候。在很多事情上我都很感激我的母亲，但是此时此刻，我尤其要感谢她，因为她主动阅读了这本书中的每一个字，并且为我如何将字词改得更为通俗易懂提出了许多非常有帮助的建议。我的母亲没有受过正规的科学教育，她74岁时才在英国华威大学取得了历史学学位，不过她一直都对世界上的知识有着无限的好奇心，永远心怀热忱，希望她能跟得上这个世界的步伐……

我还得感谢我在牛津大学出版社的编辑莱瑟·梅农（Latha Menon）以及珍妮·纽吉（Jenny Nugee），她们将我满篇的漫谈整理成了一本内容总体上较为通顺（希望如此）的书，不管它是由什么物质制成的。

吉姆·巴戈特

2016年10月

附《物质是什么》目录

序言

第一部分 原子与虚空

第1章 安静的城堡

第2章自在之物

第3章什么是力

第4章怀疑的化学家

第二部分质量与能量

第5章一个有趣的结论