宇宙的18级台阶：量子真空与原子世界

上善若水

宇宙的18级台阶：量子真空与原子世界

量子真空与原子世界

我国古代传统文化创造了“太极”这一概念，所谓的太极，意思就是“太”的极限，那么太是什么呢？“太”字由一个“大”和一个点构成，这其中，大的意思就是大，点的意思就是小，所以太极的意思就是“其大无外，其小无内”。可以说，在哲学上，我国古代劳动人民的智慧是非凡的，这是一种对于世界朴素却深刻的价值观。但康德的“理性的二律背反”告诉我们，“其大无外，其小无内”的境界，其实是超越人的经验的，所以在科学上，我们终究只能认识有限的世界与宇宙，那么这个世界大可以大到什么程度，小又可以小到什么程度呢？今天我们就把宇宙分解为18级台阶，让我们拾级而上，由微观到宏观，来一次宇宙的尺度之旅。

太极

首先我们从10^-18m开始。这里发生的一切与我们周围的世界完全不同，我们可怜的想象力将在此受到严重考验。如果把镜头对准1立方米的真空，然后放大100亿亿倍，那么我们就会看到这个世界。就在这个小小的空间中，挤满了转瞬之间出现却又消失的粒子，可见，在这样的尺度下，真空并非“真”空。不过奇怪的是，那里面的粒子存在时间极其短暂，以至于简直不可能被探测到，几乎就好像根本没有存在过，人们把它们称作“虚粒子”。

也就是说，只要是存在真空的地方，包括原子内部，虚粒子都是大量存在的。虚粒子在其他粒子之间，也就是在构成我们周围世界的“实粒子”之间传递信息，打个比方，总体来看，这一切就像是在打篮球，夸克与电子等实粒子是运动员，它们像传球一样互相交换那些虚粒子。传球的动作迫使运动员们改变方向：或是相互靠近并最终胶合，或是恰恰相反，尽可能远离对方。实际上，粒子们在同一场地会同时玩四种“球类运动”，这就是大自然中的四种基本力，这些力在宇宙中无处不在。

首先是“强力”，进行这种运动的是夸克。顾名思义，强力是一种强大的力，它的任务是使夸克相互吸引、黏合。夸克之间以物理学家们所谓的“颜色”来相互辨识，一共有“红、绿、蓝”三种颜色，一旦夸克看到穿彩色球衣的同伴时，就会啪地把球传出去。不过这里面一定要注意，夸克并不是真有颜色，就算有我们现在也看不到，这些“色彩”是物理学奖脑洞大开起的名字而已，这个想法来自于色光三原色，在电视屏幕上，为了形成一个白点，必须同时亮起红、绿、蓝三个像素。同样的道理，在夸克那里，为了获得一个“白”点，也就是为了获得不再玩“强力游戏”的夸克集合，就必须把三种不同“颜色”的夸克黏合在一起。如果没有强力，就不会有原子核的存在，也就不会有原子的存在，整个宇宙将会是一锅浓稠的粒子汤。

夸克的集合

第二种基本力是“弱力”，进行这种运动的是夸克、电子与中微子，弱力是四种基本力中第二弱的、作用距离第一短的一种力。但它在放射现象中起重要作用，β衰变中放出电子和中微子，电子和中微子之间只有弱力作用。由于接下来的各个尺度中，弱力都不参与，我们就不详细介绍了。

第三种基本力是“电磁力”，进行这一运动的运动员是“带电粒子”。电磁力比强力要弱100倍。电磁力只在穿“电子球衣”的运动员之间才起作用，这种“电子球衣”，要么是“正”，也就是带正电荷；要么就是“负”，也就是带负电荷。符号相同的粒子相互排斥，符号相反的粒子相互吸引。对于一组带电量为0的粒子，电磁力对它们不再有效。可以说，电磁力与我们接触到、看到、感受到的一切都有关，无论是光，还是物体的颜色，还是食物的味道，甚至是思维的产生、人体的运动，或是一块铁的强度，都是电磁力作用的结果。

最后一种基本力就是“引力”，参与这一游戏的运动员是所有粒子。也就是说，引力作用于所有的粒子，不论是哪一种。引力总是令粒子相互吸引，这样一来，就不存在引力不起作用的中性组合了。不仅如此，组合中粒子越多，它对引力就越敏感。但是，引力的强度只是电磁力的10^-40倍。所以在粒子世界中，引力基本可以忽略不计。不过，物体越是巨大，它对引力就越敏感。引力让苹果落地，引力使宝贵的大气紧贴地球，引力使得月球绕着地球旋转，引力也制造了恒星与行星。

介绍完最小的尺度与基本作用力之后，我们就要来到下一级台阶了，第2级台阶是10^-15m。这便是质子与中子的世界。刚才我们说了，强力把夸克紧紧地集中在一起，直到每3个夸克构成稳定的一组。在这三个夸克之间，虚粒子运动的火力十分生猛，巨大的能量导致了质量的产生，所以夸克三人组自身的质量其实只占到组合总质量的1%。

在原子的核心部分，存在着两种夸克小组，一种就是质子，另一种就是中子。质子由2个上夸克与1个下夸克组成，上夸克带2/3正电，下夸克带1/3负电，所以质子对外显示为1个单位正电荷。中子由2个下夸克和1个上夸克组成，所以中子的电荷数为0，不带电。


中子结构

由质子和中子向上，我们再上一级台阶，来到10^-14m这个尺度，这便是原子核。刚才我们说了，夸克通过强力形成了一些小组，也就是质子和中子，这些小组之间相距较远。此时，在这些小组之间，强力尽管是所有力中最强的一种，但由于强力的作用距离比较短，所以它不再发挥作用。物理学家认为，此时强力就被“屏蔽”了。但是，在中等距离内，也就是在10^-14m这个尺度内，已经三三形成组合的夸克，还是可以大致看清相邻夸克组成成员的“颜色”，于是，它们也会偶尔传几次球。也就是说，此时依然有些许强力在发挥作用，正是这些逃离质子与中子的强力残余，把它们束缚在了一起，这便形成了原子核。

原子核



现在我们来到第4级台阶，这就是10^-10m，我们来到了原子层面。到了这一层面，强力就完全消失了。不过此时会有另外一种力登场，这就是电磁力。原子核带有正电荷，它吸引着带负电荷的电子绕其旋转。电子们组成了一种比原子核广阔一万倍的“云层”。所以，事实上，原子中基本上是空空如也的，原子核身在其中，就仿佛人民大会堂中的一粒樱桃。原子的名称取决于它原子核中质子的数量，最小的原子是氢原子，结构就是一粒质子加一粒围绕它运动的电子。其他我们比较熟悉的原子，像是碳原子，其原子核内包含有6个质子、6个中子，核外有6个电子。而对于氧原子来说，这些粒子的数量则都为8。想必这些你已经很熟悉了。

原子

不过，宇宙这第四级台阶跨度比较大，也着实万分精彩，因为正是有了原子，才有了如今大千世界的气象万千，那么在原子身上发生着怎样的故事呢？世界又如何以原子来构成？