在宇宙的宏觀架構中,我們所習慣的日常景象似乎是固有且有序的。
例如,樹木向陽生長,足球在重力和空氣阻力的作用下滾動,我們的活動都在三維空間的框架內有序展開。
然而,物理學家們所見卻是另一番光景。在他們眼中,現實的奇異程度遠超我們的想象。舉個例子,盡管你感覺自己安穩地站在原地,實際上你正以驚人的速度繞太陽飛行;你自以為是一個實體,但你的身體大部分其實是空洞的。甚至連時間的流逝,也可能只是一種幻象。
科學家們在追尋真實本質的道路上,嘗試揭開現象背后的基本法則與結構。然而,當你試圖定義“現實”時,它便變得難以捉摸。我們或許可以將現實視為一種哲學概念,即便我們認為某情景是真實的,但這樣的定義似乎并無多大意義。
理解現實的挑戰性是令人沮喪的。盡管如此,物理學家們仍試圖挑戰這一難題,探究構成現實的成分。幾個世紀以來,他們采用一些意想不到的方法來進行研究,即將現實分解為最基本的單元。
位于芝加哥郊外的費米實驗室,擁有美國最大的粒子加速器——兆電子伏特加速器,這臺加速器隱藏于人們的視線之外。
在費米實驗室的質子反質子對撞機位于地下十米深處,在這里,質子和反質子以每秒鐘一千萬次的頻率發生碰撞。費米實驗室的物理學家們日以繼夜地挑戰已知科學的極限,探索宇宙中最劇烈的撞擊事件。
在長達六公里的真空環形管中,覆蓋著超導磁鐵,兩個亞原子粒子以接近光速的速度相互撞擊。科學家們的目標,是透過這些撞擊的碎片來揭示現實的基本構成單元——那些微小且不可破壞的基本粒子。
然而,在這些復雜的技術挑戰中,還存在一個看似微不足道的難題。當一個質子與一個反質子發生撞擊時,會釋放出能量,而單次撞擊就可能產生數百種粒子,科學家們必須分辨出這些粒子的種類。解決這一粒子物理領域的長期難題,需要理論和實驗技術的結合,這一探索從原子開始。
曾幾何時,原子被視為基本粒子,但當科學家首次撞擊它時,他們發現了更小的組成部分——電子、中子和質子。隨著科學家試圖撞擊質子,他們遭遇了新的難題。要使這些微小的粒子分解,需要巨大的能量,這促使科學家建造更大型的機器。然而,當這些工程完成后,卻帶來了意料之外的驚喜。
科學家們首次進行的質子碰撞,不僅產生了幾個新的粒子,而是上百個,包括η介子、K介子、π介子、μ子、Σ超子、電子及其他介子。
這些重子和介子有著復雜的種類,構成了所謂的“粒子動物園”。這一系列新發現給物理學界帶來了困惑:究竟哪一種粒子才是最基本的?而傳統的物理定律在這一新領域幾乎無法發揮作用,這讓人們陷入了困境。
為了尋找答案,理論學家們試圖給出一個簡單而優美的解釋:這些新發現的粒子是由更基本的單元構成的,他們將這些新粒子組合命名為“夸克”。六種夸克被理論所描述:上夸克、下夸克、奇夸克、魅夸克,以及底夸克和頂夸克。
起初,人們對這些理論持懷疑態度,但隨著時間的推移,證據逐漸浮現,想象中的粒子一個接一個地被發現。
然而,當頂夸克遲遲未能現身時,物理學家們決定建造更為強大的加速器以尋找它。預測中,頂夸克是六種夸克中最重的,即使它真的存在,出現的時間也極為短暫,科學家們必須在數以兆計的撞擊中尋找那幾十次可能產生頂夸克的碰撞。
經過不懈的努力,科學家們終于發現了頂夸克,但隨之而來的卻是對現實更深層次的困惑:夸克又是由什么構成的?
與此同時,其他領域的物理學家們也在質疑我們所理解的現實是否真的存在。
一個著名的實驗——“雙縫實驗”,因其揭示了現實世界中兩個驚人的矛盾而廣受關注。實驗本身并不復雜,只需利用激光、雙縫裝置和屏幕,一次發射一個光子穿過雙縫。但讓人困惑的是,本應形成兩條線的光子,卻形成了三條條紋。科學家解釋稱,這是因為光以波的形式通過雙縫時,形成了明暗相間的條紋。
但令人不解的是,單獨的粒子如何形成波狀條紋?一個可能的解釋是,一次只讓一個粒子穿過縫隙,而這些條紋表明它們是波,同時穿過了兩道縫隙。但如何解釋一個物體同時穿過兩個縫隙?這似乎違背了所有已知的自然法則。
進一步的實驗表明,不僅光子行為異常,原子核和分子也有類似的現象。而當在雙縫旁設置偵測器時,奇怪的行為消失了,光子表現得如同一顆子彈。一旦移除偵測器,神秘的條紋又再次出現。
這表明,我們似乎可以通過觀察改變現實的行為模式。這不僅令人驚訝,更表明了現實本身可能有一個神秘的另一面。
量子理論的矛盾,甚至讓愛因斯坦也感到困惑。
他與好友波爾之間有過一段著名的對話,愛因斯坦曾問波爾:“你是否真的相信,當沒人看月亮時,它就不存在?”波爾回答:“你能向我證明,當沒人看著它時,月亮確實存在嗎?”
顯然,這是無法證明的。如果沒有觀察,我們怎能知道它是否真的在那里?
近幾十年來,物理學界對于量子力學在現實世界中代表的意義爭論不休,至今仍未有定論。目前,我們只能認為,現實世界比我們想象的更加奇異,所有事物都有可能同時穿過兩道縫隙,只是發生這種事情的概率實在太低了,而我們永遠無法看到這一幕,這真是太不可思議了!
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