挺好玩的一本書，與此前敝號(hào)推介的各類科普不同，Cham是從我們不知道什么的角度來論述宇宙萬物的。思路與前年敝號(hào)推介的《What if》系列類似。
也許只有在科研過程中，人們才會(huì)從“我不知道什么”開始思考和行動(dòng)；在日常生活中，對(duì)于社會(huì)、政治、經(jīng)濟(jì)、法治，受到各種人為的干擾與遮蔽，加之我們天生的認(rèn)知障礙，我們不知道的東西更多，我們卻都習(xí)慣于從“我知道什么”開始思考和行動(dòng)，由是造成一系列的矛盾、誤解、錯(cuò)誤。
不然怎么說，貴有自知之明，貴就貴在，知道自己的限度。
第一個(gè)不知道：不知道宇宙是什么、有什么
確實(shí)，幾乎所有的宇宙物理學(xué)、粒子物理學(xué)都在告訴我們，事物就像樂高一樣，由三個(gè)基本粒子構(gòu)成——上夸克（帶三分之二正電），下夸克（帶三分之一負(fù)電）和電子構(gòu)成。
比如兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克構(gòu)成質(zhì)子，兩個(gè)下夸克和一個(gè)上夸克構(gòu)成中子，再與電子結(jié)合，就成了原子。當(dāng)然，除了這三個(gè)基本的，還有9種其它的物質(zhì)粒子和5種傳遞力的粒子，都是些很奇怪的東西。
如果世界真是這么簡(jiǎn)單就好了。
用上述方式能解釋的世界，其實(shí)只占這個(gè)世界總體的5%。另外95%是什么，我們不知道，只是你猜我猜大家猜。
那95%的宇宙怎么辦？好說，暗物質(zhì)占27%，暗能量占68%。這個(gè)“暗”說明，既觀測(cè)不到，也不明白，更無法檢測(cè)，只能是理論推測(cè)。
暗物質(zhì)是靠萬有引力理論推測(cè)出來的，其它三種力——電磁力、弱核力、強(qiáng)核力都無法解釋之。但奇怪就在于，這個(gè)從引力推導(dǎo)出來有質(zhì)量的東西，不僅觀測(cè)不到，也幾乎檢測(cè)不到其對(duì)我們的影響。
當(dāng)代物理學(xué)只能通過兩種方式來檢測(cè)事物的存在——望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)，粒子對(duì)撞機(jī)碰撞，這兩種方式目前都無法對(duì)暗物質(zhì)起作用。
暗能量呢？暗能量主要是為了解釋宇宙的加速膨脹問題。從望遠(yuǎn)鏡改進(jìn)，到多普勒效應(yīng)，到發(fā)現(xiàn)紅移，再到超新星證明，人們終于確認(rèn)了宇宙在加速膨脹，大家都在相互遠(yuǎn)離。
先不說既然膨脹就應(yīng)該有個(gè)膨脹的起點(diǎn)這個(gè)問題，如果宇宙在膨脹，那總得有個(gè)力在支撐這種膨脹吧？這個(gè)力，是對(duì)抗引力的力；還有，宇宙變得越來越大，也總得有個(gè)新的物質(zhì)產(chǎn)生（包括時(shí)間和空間本身）來填滿這膨脹的空檔吧？
于是就有了暗能量。也就是說，暗能量與暗物質(zhì)和5%的物質(zhì)是相反的一股力量。
暗能量從哪來呢？目前有兩種猜測(cè)——其一是“空”本身，其二是“場(chǎng)”。第一種解釋非常有佛陀的意味——看起來空無一物的空間本身，其實(shí)就是一種能量，你能理解否。
實(shí)際上這很有道理，相對(duì)論已經(jīng)徹底摧毀了絕對(duì)空間和絕對(duì)時(shí)間觀，沒有一成不變的空間和時(shí)間，只不過我們的認(rèn)知中依然把空間和時(shí)間看作是絕對(duì)的、均勻的而已。在粒子層面，空間可以憑空產(chǎn)生量子，量子也同樣可以憑空消失。
第二種解釋則是電場(chǎng)和磁場(chǎng)那種場(chǎng)的解釋，場(chǎng)本身就是能量。當(dāng)然，這些都無法觀測(cè)，更不可能檢測(cè)。
第二個(gè)不知道：即便是那5%，也不知道最小的物質(zhì)是什么
對(duì)物質(zhì)最基礎(chǔ)構(gòu)成部分的研究，主要通過對(duì)撞實(shí)驗(yàn)。一百年來，發(fā)現(xiàn)了12種基本粒子。這個(gè)基本粒子表，其實(shí)是對(duì)十九世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)的元素周期表的進(jìn)一步追根溯源，期間又用了一百年時(shí)間。
一個(gè)有意思的推論是：對(duì)于一個(gè)事物，如果能找出其中的規(guī)律，那就說明這個(gè)事物背后還有我們不知道的更根本的原因。也就是說，找出規(guī)律還遠(yuǎn)不是我們分析事物的盡頭。
比如十九世紀(jì)大家還不知道比原子更小的事物，就歸納出了元素周期表，發(fā)現(xiàn)左邊的元素比右邊活躍等等一系列規(guī)律。這就說明，大家還沒有認(rèn)識(shí)到之所以會(huì)這樣的更根本的原因。
接著繼續(xù)發(fā)現(xiàn)更基本的粒子，認(rèn)識(shí)到了質(zhì)子、中子和電子就是構(gòu)成元素周期表“周期性”的原因，由是就形成了上面那張基本粒子表。
現(xiàn)在這張表也展現(xiàn)出了規(guī)律——基本物質(zhì)是第一列，上面?zhèn)z是重子，下面一個(gè)是輕子，接著第二列和第三列都是第一列的衍生物，它們都擁有一樣的電荷，還是分?jǐn)?shù)電荷！
上夸克與下夸克數(shù)量對(duì)比正好構(gòu)成了質(zhì)子和中子，質(zhì)子和電子數(shù)量對(duì)比正好構(gòu)成了原子，為什么會(huì)這樣？我們不知道。
后來還檢測(cè)到了傳遞力的5種粒子——光子（傳遞電磁力），W玻色子和Z玻色子（傳遞弱核力），膠子（傳遞強(qiáng)核力），希格斯玻色子（傳遞希格斯場(chǎng)力）。
第三個(gè)不知道：質(zhì)量是什么不知道
質(zhì)量的定義并不是我們想象的那樣堅(jiān)實(shí)，我們其實(shí)是通過如何感受質(zhì)量的方式定義質(zhì)量的：質(zhì)量是抵抗物體速度改變的性質(zhì)。從哲學(xué)角度來講，這種定義方式就叫“方法論”，而不是“本體論”。
現(xiàn)在我們知道，部分之和不等于整體。一個(gè)整體事物的質(zhì)量，既包含組成事物的各部分質(zhì)量之和，同時(shí)還包含了把這幾個(gè)部分結(jié)合到一起的能量。
類比到人類社會(huì)組織，一個(gè)組織，比方說企業(yè)，什么是企業(yè)呢，我們現(xiàn)在也知道，除去組成這個(gè)企業(yè)的廠房、機(jī)器、資金、土地、庫存和人員以外，還有一種看不見摸不著，但確實(shí)存在的東西——企業(yè)文化或者說品牌效應(yīng)之類的東西。
物質(zhì)的質(zhì)量也包含了看不見摸不著的能量。從宏觀上來看，把物質(zhì)切分成原子，只能檢測(cè)到很少量的質(zhì)量損失——大概是0.005%。如果把原子進(jìn)一步切分，各部分質(zhì)量的損失就會(huì)越來越大。到夸克這個(gè)層級(jí)，質(zhì)量幾乎都來源于把夸克們組合到一起的結(jié)合能。
所以，歸根到底，質(zhì)量大部分都是結(jié)合能。
繼續(xù)看基本粒子——粒子只是個(gè)概念，我們也沒辦法把粒子的大小具體展現(xiàn)，比如說體積多少、密度多少，比如說電子，它本就沒有體積，但它有質(zhì)量，那么密度怎么算？還有上夸克的衍生物頂夸克，頂夸克的質(zhì)量是上夸克的7.5萬倍，但頂夸克和上夸克一樣，沒有體積。何以沒有體積的東西，會(huì)有那么多的質(zhì)量？
不知道。
我們不知道為什么會(huì)是這種情況，也不知道質(zhì)量到底給了粒子什么好處，質(zhì)量相關(guān)聯(lián)的慣性到底意味著什么。
為了解釋這些，物理學(xué)家彼得·希格斯們想了很多辦法，最后也只有一個(gè)古老的、其實(shí)并不怎么好的辦法——在無法解釋A和B的時(shí)候，那就再編出一個(gè)C來解釋A和B。
他們的辦法就是設(shè)想有那么一種“第三方”粒子存在，它的作用就是傳遞一種力場(chǎng)，這個(gè)力場(chǎng)賦予有質(zhì)量的粒子難以加速或減速——就是賦予它們慣性和質(zhì)量。
任何物質(zhì)（粒子）與這個(gè)力場(chǎng)作用越多，就意味著慣性和質(zhì)量越大。這個(gè)力場(chǎng)被命名為希格斯場(chǎng)，而傳遞這種希格斯場(chǎng)力的，是一種猜想出來的粒子——希格斯玻色子。
希格斯場(chǎng)把質(zhì)量解釋為了粒子與場(chǎng)的相互作用。2012年，希格斯玻色子被觀測(cè)到了。
注意，是“觀測(cè)”到了，說的是現(xiàn)在人類的手段觀測(cè)到了，并不等價(jià)于說它就確實(shí)“存在”。因?yàn)椋诹孔邮澜?，“觀測(cè)”本身可以創(chuàng)造出被觀測(cè)的東西。
以上還只是慣性質(zhì)量問題，其實(shí)我們測(cè)量質(zhì)量用的方法并不是慣性方法或者說變速方法，而是用的稱重方法——測(cè)量的其實(shí)是引力質(zhì)量。
引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量是一回事嗎？按道理當(dāng)然應(yīng)該是，但是兩者之間仍然有差異。引力質(zhì)量畢竟是萬有引力牽引的結(jié)果，慣性質(zhì)量才是物體對(duì)運(yùn)動(dòng)的對(duì)抗。
真空中兩個(gè)質(zhì)量不同的物體可以相同的速度下落，是引力質(zhì)量的體現(xiàn)。其實(shí)，按照引力質(zhì)量的定義，質(zhì)量大的物體受到的牽引力更大，本應(yīng)該下落得更快！
之所以沒有出現(xiàn)這種情況，還得靠慣性質(zhì)量來解釋——因?yàn)橘|(zhì)量大的物體要被改變速度的難度更大，因此需要更大的力才能被加速，兩者達(dá)到平衡，就造成了兩個(gè)不同質(zhì)量的物體會(huì)以同樣的速度下落。
我們不知道引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量，到底是兩種不同的參數(shù)，還是可以像愛因斯坦說的那樣，慣性質(zhì)量也只是引力質(zhì)量的體現(xiàn)，是質(zhì)量和能量彎曲了空間造成的后果。
第四個(gè)不知道：不知道為什么引力是這樣
四大力中，只有引力特立獨(dú)行——它出奇地弱。弱到只有在超大尺度和超大質(zhì)量的領(lǐng)域，引力才會(huì)變得重要。只有它獨(dú)自在恒星級(jí)以上的尺度空間中發(fā)揮著作用。
而且引力是單向力——它只能讓物體相互吸引靠近，不會(huì)排斥。因?yàn)橐εc質(zhì)量成正比，而質(zhì)量不可能是負(fù)的，所以引力不會(huì)是排斥力。
引力為什么會(huì)這樣，我們不知道。
目前為止解釋引力的最好模型就是廣義相對(duì)論，愛因斯坦用了一個(gè)極其新穎的方式解釋引力——引力只是我們的錯(cuò)覺，其實(shí)地球繞太陽轉(zhuǎn)就是在做直線運(yùn)動(dòng)，只不過因?yàn)樘柕馁|(zhì)量扭曲了其周圍的空間，將地球的直線運(yùn)動(dòng)變成了我們看到的圓周運(yùn)動(dòng)。
敝號(hào)在前年隨筆《相對(duì)論》時(shí)詳細(xì)解釋過，何以兩個(gè)物體在真空中向地面下落時(shí)，本來都是直線下落，因?yàn)榈厍蛸|(zhì)量造成的空間彎曲，使得兩個(gè)物體下落的軌跡從直線變成了斜線，兩條斜線向地球匯聚，也就意味著兩個(gè)物體在下落過程中逐漸相互靠近。
這個(gè)時(shí)候，如果觀察者同時(shí)與其下落，就感覺不到下落，而是直接觀察到兩個(gè)物體在相互靠近——他會(huì)認(rèn)為是兩個(gè)物體之間的吸引力造成。
廣義相對(duì)論能解釋大尺度范圍內(nèi)的引力現(xiàn)象，包括著名的光線會(huì)被大質(zhì)量星體吸引偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象——光子并沒有質(zhì)量，所以不可能是引力在作用，而是相反，是空間發(fā)生了形變，導(dǎo)致光線的傳播路徑看起來發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。
而解釋和描述其它三種力的另有一個(gè)數(shù)學(xué)框架——量子力學(xué)。量子力學(xué)是用這種模型解釋電磁力、弱核力和強(qiáng)核力的——粒子之間通過交換另一種粒子來實(shí)現(xiàn)互動(dòng)。
比如，電子之間的電磁力，并不是電子之間直接相互作用，而是一個(gè)電子向另一個(gè)電子發(fā)射了特定的粒子——光子，發(fā)射的過程中會(huì)讓電子產(chǎn)生動(dòng)量的變化，從而產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)；弱核力是質(zhì)子、中子和電子交換W玻色子和Z玻色子形成的；強(qiáng)核力則是質(zhì)子之間交換膠子實(shí)現(xiàn)的。
我們也不知道具體是什么原因，導(dǎo)致廣義相對(duì)論無法與量子力學(xué)統(tǒng)一起來，前者是以質(zhì)量導(dǎo)致時(shí)空扭曲來解釋，后者是用粒子交換來解釋。
目前唯一能拿得出手的證據(jù)，來自2016年首次檢測(cè)到的引力波。引力波是廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)結(jié)果，所以算是廣義相對(duì)論的解釋力贏了一個(gè)回合。
之所以要談?wù)撘?，是因?yàn)橐κ撬膫€(gè)力中唯一可以在宏觀尺度上作用的力，因此，引力決定了宇宙的形狀和我們的未來。
第五個(gè)不知道：不知道空間和時(shí)間都是什么
空間是什么？空間是可以沒有物質(zhì)存在的空間，還是必須與物質(zhì)共存的空間？這個(gè)問題就是一個(gè)神學(xué)問題的翻版——惡的本質(zhì)是什么，惡到底是與善一樣的一種實(shí)體，還是根本就沒有惡，惡只是善的缺乏？
廣義相對(duì)論出來之后，對(duì)空間的理解才進(jìn)了一大步——空間也是一種東西，而且是可以形變、扭曲、膨脹、波動(dòng)的東西。而且正因?yàn)榭臻g可以形變，才構(gòu)成了引力的本質(zhì)。空間形變還會(huì)跟波浪一樣蕩漾開來，傳播出去——引力波。
可是如果空間是一個(gè)實(shí)體，那又是誰包含著這個(gè)實(shí)體？那個(gè)包含的東西又是什么？還有，這個(gè)實(shí)體本身的形狀是怎樣的？
還別說，真有相關(guān)的測(cè)量——科學(xué)家們主要通過觀測(cè)星體之間的位置關(guān)系，測(cè)量出我們的宇宙基本是一個(gè)平坦的宇宙，既不是正曲率的球面體，也不是負(fù)曲率的薯片體，總體而言，宇宙是平坦的——三角形內(nèi)角和差不多是180°，誤差不超過0.4%。
我們知道，決定空間形狀的還有能量與質(zhì)量，不管是暗能量還是暗物質(zhì)，反正宇宙總體的物質(zhì)和能量密度，剛好保證了宇宙形狀差不多是平坦的。
我們不知道為什么會(huì)這樣。
當(dāng)然，還有量子力學(xué)的空間觀——空間也可以細(xì)分，而且是有限的，可以被量子化。最小的空間節(jié)點(diǎn)尺度就是普朗克長(zhǎng)度，10的負(fù)35次方米。到了這個(gè)微小尺度上，空間和時(shí)間完全變成了格子狀的固定的東西在那里。最終，可能粒子也就是這個(gè)格子——場(chǎng)的激發(fā)狀態(tài)。
是不是那樣，為什么是那樣，我們也不知道。
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