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• 试听 1.遁入量子世界

  • 咱们今天接着讲《极简宇宙史》这本书。上一集我们在宇宙中来了一次穿越旅行，看到了各种星球和星系，到达了可见宇宙的尽头，还体验了接近光速的感觉。如果大家还记得我们说的宇宙边界的那堵墙，想必还是对墙外面的事充满好奇吧？接下来，咱们就一起去看看，不过先别急，在那之前，我们先去微观的量子世界探索一番。
       
    说起量子力学，很多人的第一反应都是：太难懂了！是的，对于我们普通人来说，量子力学的推演过程确实是看不明白。但如果经过适当的描述和解释，即使是对前沿物理一无所知，也可以了解量子力学到底在研究些什么。只有明白一些量子世界中的规则，我们才有机会理解宇宙到底是个什么东西。
       
    说白了，量子力学就是描述微观物理世界的物理理论，咱们先从人人都懂的东西说起，顺便复习一下化学课上的知识。我们知道，世间万物都由分子或者原子构成。无论是自然界的动植物，还是新奇的现代工业制品，甚至连我们自身都不例外。
       
    原子里面还可以再分，每一个原子都由带正电的原子核和带负电的电子构成，其中原子核占据了原子的绝大部分质量。除了氢原子之外，其他原子核里都有带正电的质子和不带电的中子。就这样，质子挨着中子组成原子核，周围再绕着电子，就成了世间万物的组成单位。
       
    问题是，为什么会这样呢？既然电子并没有紧紧地粘在原子核上，甚至连原子核也不是密不可分的整体，那它们是如何保持结构稳定的呢？大家可能会说，电子和原子核之间正负电荷互相吸引嘛。没错，这种吸引力叫做电磁力。
       
    不过，大家可能只知其一不知其二，假如你能无限缩小，缩到比原子还小，可能会对电磁力有更深刻的了解。在这个尺度，你不但能看到原子核和电子，还能看到许多闪闪发亮的小颗粒，它们活跃在两个相互吸引的物体之间，把二者拉在一起。这些小颗粒叫做虚光子，顾名思义，它们生于虚空，又很快消散在虚空之中，它们存在的唯一目的就是携带电磁力，充斥着虚光子的地方会形成一个电磁场。
       
    听上去有点虚幻吧？但这就是量子的世界。大家可能一时半会儿接受不了，不过别担心，即使是那些最高明的科学家，也是过去一百多年才意识到电磁场的存在。
       
    你决定继续进原子核里面看看，这里有带正电荷的质子。你试着拿起一个质子，发现它里面竟然还有一些东西——三个长得很像但又不完全一样的粒子，它们叫“夸克”。你盯着夸克仔细地观察一番，感觉它们似乎被一种奇怪的力束缚在一起。聪明的你可能已经意识到，这其实是另一种量子场：强核力，而承载着这些力的量子被称为胶子。
       
    为了方便理解，大家可以把质子想象成“牢房”，每个牢房里关着三个夸克“囚犯”，胶子就像是囚犯身上的“镣铐”，把它们绑在一起。除了质子之外，原子核里还有不带电的中子，它们也像“牢房”，只不过里面关的夸克类型不同罢了。照这么看，原子核就像一个大监狱，那谁又来维持各个牢房之间的稳定呢？答案就是承担“监狱守卫”的介子，它和牢房内部的胶子一起，靠强核力稳定着整个原子核。
       
    既然有强核力，就有弱核力。强核力是夸克“监狱”的巡逻守卫，弱核力则是搞破坏的，这种力的携带者是W和Z玻色子，这两种粒子会改变夸克的性质，帮它们“越狱”。这样一来，原子核就会瓦解，质子和中子飞散开来，直到再次稳定，形成新的原子核。这个过程其实大家都听说过，就是放射性元素的衰变。在原子核重新组装的过程中，会释放出巨大的能量，这也是为什么核能有这么大的威力。
       
    好了，刚才我们一起经历了宇宙当中，除了引力之外的其他三种基本作用力，分别是电磁力、强核力和弱核力。负责传递这些力的是一些不断产生又快速消失的基本粒子，包括虚光子、胶子、介子和玻色子。那么这些作用力和粒子是如何塑造我们的宇宙呢？接着往下听。

• 2.物质与能量的循环
• 3.墙外有墙
• 4.量子涨落与黑洞
• 5.无限宇宙与弦理论

本书作者About the Author

克里斯托弗·加尔法德，剑桥大学理论物理学博士，史蒂芬·霍金的亲传弟子。与史蒂芬·霍金及其女儿合著有儿童文学作品《乔治开启宇宙的秘密钥匙》，在全球45个国家出版发行。

特约撰稿人Special Contributor

西尔维希耶，德国洪堡大学寄生虫学博士。

关于本书 About the book

仰望夜空，满天的群星很容易引发我们的无限遐想：宇宙到底有多大？时间为什么会流逝？我们又是怎样的一种存在？
   
《极简宇宙史》带我们踏上一场时空之旅，领略宇宙的过去、现在和未来。凭着奇异的想象，我们就能深入太阳中心，飞跃遥远星系，感受黑洞魔力，体验量子奥秘，跟宇宙来一次近距离的亲密接触。

本书金句 Key insights

●  在我们的宇宙中不存在所谓真正什么都没有的“空”。
   
●  电子们以不同的数目存在于宇宙里所有的原子之中，我们所有的能源与通信工具都依赖它们而存在。
   
●  虽然我们生活中的大多数真相都隐藏在我们的感官之外，但一切都在我们的宇宙中被联系到了一起。
   
●  没有核力，我们就不会存在。没有放射性，地球上就不可能出现生命。
   
●  非常微小的量子世界，看上去是一个由各种可能性构成的混合体。