宇宙从哪里来：从量子物理学到宇宙结构

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量子和宇宙 有人说，宇宙的最不可 理解之处是它居然是可以被 理解的。当然，我们还没有 完全理解它——至少现在还 没有。 宇宙里还有许多不为人 知、神秘莫测的事物。但是 对于刚刚从猿类进化而来的 人类来说，相较于上百亿年 的宇宙演进史，人类的文明 只占其中短短的几千年，所 以人类对宇宙的了解其实已 经很多了！ 在过去的几个世纪里， 我们成功地破解了宇宙中的 许多奥秘。我们发现，那些 决定世间万物的演化方式、 支配物体之间相互作用的规 律并非是用文字来书写的， 而是被数学方程式描写的。 400年前，伽利略、开普勒 和牛顿踏出了探索宇宙的第 一步。从那时开始，宇宙的 数学秘密就被我们一点一点 地揭示开来。那些看似神秘 的现象，例如电和磁、物质 和光、热和能量逐渐被探索 、定义、解释，并最终在美 妙的数学方程式中得到阐述 。 到19世纪末，物理学似 乎马上就要迎来大结局。据 说，开尔文勋爵曾说过：“ 科学上已没有什么新东西可 以探究了，剩下要做的就是 以越来越高的精度进行测量 。” 但这种守成的科学思想 很快就站不住脚了。一系列 科学革命可以追溯到20世纪 之初，那时，一位42岁的德 国物理学家试图理解这个世 界。 马克斯·普朗克试图寻找 物体被加热后发光的原因。 当然，许多东西被加热后只 会燃烧（一种物质转化为另 一种物质的化学反应）。但 如果你见过铁匠打马蹄铁或 者火堆里的铁棍，你就会知 道加热的金属会发光。刚开 始，它会发出玫红色的光芒 ，但随着温度的升高，金属 会变成蓝白色。那么问题来 了，被加热的金属的颜色为 什么是这个样子？ 普朗克并没有用一些笼 统的含糊其辞的术语来解释 加热后金属的颜色。他想更 准确地描述观察到的热金属 的颜色——为什么红色比蓝 色多？当加热某物时，它会 先变成红色，然后再变成蓝 白色。为什么会这样？他的 内心渴望得到答案。 普朗克并不是第一个尝 试回答这个问题的人，但在 他之前的每个人都失败了。 那些物理学家按照自己所理 解的物理定律推导热金属颜 色的数学公式。他们知道光 是由于金属内部的微小电荷 （我们现在知道是电子）来 回振荡而发出的。而加热金 属会给这些小电荷更多的能 量，因此它们会更剧烈地振 荡，发出更多的光。这使科 学家意识到，发光的颜色与 振荡的电荷之间应该存在千 丝万缕的联系，因此他们研 究的关键在于确认热现象所 具有的能量如何影响电荷的 振荡。 不幸的是，他们的数学 公式推演失败了。科学家可 以正确地解释热金属发出的 光中能量较低、波长较长的 红光的总量。然而他们的数 学公式显示，能量更高的蓝 光的总量应该比红光的总量 更多，这与实验结果相悖。 同时数学公式也预言，在热 金属发出的光中应该会存在 比蓝光能量更高的辐射，比 如紫外线、X射线和伽马射 线，而它们在实验中根本就 没有被观测到。这些疑难被 称为“紫外灾难”，它标志着 经典物理学对这个世界的认 识存在局限性。 普朗克一开始也处于失 败的边缘，这促使他尝试采 用了一些激进的物理思想。 这其实挺出人意料的，因为 普朗克是一个保守的人（正 如同为物理学家的马克斯· 玻恩在普朗克的讣告中所描 述的那样），他对猜测持怀 疑态度。激进不是他的天性 ，但他觉得自己别无选择。 因为他无论如何也无法根据 自己所理解的物理定律去解 决热金属的颜色问题。 量子假说 普朗克的想法是：考虑 电荷的振荡是离散的，以不 可分割的一份一份的形式出 现。用“离散”来形容电荷的 运动看上去可能是一种很奇 怪的说法，但如果你把它换 成金钱，就很容易理解。想 象一下，现在你有一堆1美 元的钞票。如果我让你从这 堆钱中数出一部分，你总是 会得到整数的金额，如0美 元、1美元、2美元……在只 有一堆1美元钞票的前提下 ，你永远不会数出1.23美元 这个金额，除非你把钞票撕 碎——这实在是个坏主意！ 普朗克假设：在一个炽 热的物体中，电荷的振荡模 式是离散的，就像在一堆1 美元的钞票中数钱一样。电 荷的振荡被禁止在这些离散 模式之间连续变化。虽然当 我们在谈论物理定律和理论 时使用“禁止”这样的词可能 有点奇怪，但我们想说的是 ，普朗克只是把这些奇怪的 新规则写入了他的数学公式 当中，来看一看这能推导出 什么样的结论。他一开始其 实也不知道为什么会有这样 的规则。 P1-3