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第4章
我们竟然如此不了解
组成物质的最小单位
发现人类的知识和科学仅仅与宇宙中5%的质量（即常规物质）相关，你或许会有以下几种不同的反应。
1.你感到渺小和卑微，甚至有些恐惧。
2.你不断否认这个事实。
3.你变得对宇宙极为感兴趣。
4.你受到鼓舞，继续阅读此书。
如果你感觉到了卑微和恐惧，那么我们有个好消息要告诉你：本章的大部分内容只关乎常规物质。顺便说一下，暗物质的确有一些难以捉摸的物理反应、没人理解的化学反应，或者未知的生物反应，不过由暗物质构成的物理学家一定认为他们的物质才是正常的。或许我们的确不该太拿自己当回事儿。
我们也有坏消息：对于所已知的5%，我们也不是完全了解。这或许会让你感到很诧异。毕竟，我们在这个星球上只生活了几十万年，就科学探索而言，我们已经做得很不错了。你或许会说，我们已经控制了这个宇宙中的小小角落。现在，人们有那么多先进的技术，你或许认为我们对常规物质的研究已经非常充分了。我们甚至可以随时随地在线观看数小时无聊的电视节目。这对于任何文明而言都是里程碑式的进步。
非常有趣的是，这既是对的也是错的。我们对现实有一定的掌控能力，但我们不可能24小时不间断地盯着录像观察现实世界。
我们的确比较了解常规物质，但常规物质也的确有很多让我们疑惑的地方。尤其值得注意的是，我们现在甚至不知道构成物质的某些粒子是什么。这就是我们的处境。在日复一日的物理探索中，我们发现了十二种物质粒子。其中六种被称为“夸克”（quark），剩余的六种被称为“轻子”（lepton）。
然而，组成你周围的一切事物只需要上面十二种粒子中的三种：上夸克、下夸克、电子（轻子的一种）。记住，上夸克和下夸克能够组成质子和中子，这些和电子一起能够组成原子。既然这样，那么剩下的九种粒子是做什么的呢？它们为什么存在？我们不知道。
这太让人困惑了。想象一下，你做了一个很棒的蛋糕，在烘焙、装饰、品尝之后（你是个出色的蛋糕师，蛋糕尝起来非常棒），你发现还有九种原料未曾用过。谁将这些原料放在了那里？它们应该用在什么地方？是谁想出了目前的这个食谱？
真实的情况是，我们对于常规物质的了解还比不上对粒子蛋糕的了解。
简而言之，我们明白如何将三个粒子（上夸克、下夸克和电子）结合在一起，组成任何一种原子。我们也知道原子如何组成分子、分子如何构成复杂的物体，比如蛋糕或者大象。但我们知道的也只有这么多了。我们对于这一切非常熟悉，从吸汗的内衣到太空望远镜，我们能够制造很多很多东西。我们非常神奇，对吧？
然而，我们不知事物为什么按照现有的方式组成，也不知道它们能不能按照另外一种方式组成。这是宇宙自洽的唯一方式，还是像弦理论学家所预言的那样，存在着10 500 个不同的版本？
到目前为止，我们并没有在基础的层面上了解宇宙中所有事物组合在一起的原因。这就像音乐，我们明白如何产生音乐，我们会随之起舞，也会一起唱歌，但我们并不明白这为什么会让我们产生愉悦的感觉。宇宙也一样，我们知道它如何运转，但是不知道它为什么要这样运转。
有些人或许认为这样的解释根本就不存在，或者即使存在，我们也永远没法知道或者理解。我们将在第16章讨论这个问题。目前，我们肯定还不具备那样的知识。
现在，假设你是一个很有好奇心的人，你对这个问题真的非常感兴趣。
你或许在寻找这个问题的答案，寻找这个答案和那些无用粒子的关联。
好吧，如果想解答宇宙中最基本的“为什么”，我们首先要明白，宇宙在最基本的层面上是什么样子的。也就是说，我们应该将宇宙分解到不能再分解。现实世界最小、最基本的单元是什么？如果那个单元是粒子，那么我们想知道构成这个粒子的粒子的粒子的粒子是什么，直到分无可分。
一旦发现了这样的基本粒子，你或许能够仔细研究一番，由此了解事物为何是现在这样的。这就像在乐高的世界中寻找最小的积木。如果你找到了，那么你将知道每一件东西是如何与其他东西联系在一起的。以同样的方法，你也将了解现实世界深层次的真相，其中说不定就包括暗能量和暗物质的真相。
目前，我们并不确信自己已经知道了宇宙中最小的尺寸。就算我们目前所知的最小微粒不可分，我们也不知道是什么组成了这些乐高积木。但是让人兴奋的是，我们并非全无线索。这是宇宙填字拼图游戏，它很像我们非常熟悉的一个东西：元素周期表。
在撞击实验过去一个世纪之后，物理学家发现了十二种基本物质粒子，并把它们排列在了下面的表格里。
让我们花一点时间了解这个表格的重要性。记住，原始人物理学家奥克和古可最初的宇宙理论是这样的：
这是一幅完整的宇宙信息图像，但它没有什么用处，因为它没有呈现任何基本的、有价值的信息。它只是呈现了显而易见的事情。后来，古希腊人提出，万物是由四种元素构成的：水、土、空气和火。现在我们知道，这完全是错误的，但是古希腊人至少在正确的方向上迈进了一步，因为这个想法试图简化人类对于这个世界的描述。
接下来，人们发现，元素、石头、土壤、水和羊驼都是由原子组成的。再后来，人们发现原子是由更小的粒子组成的，其中一些还可以分成更小的粒子（夸克）。以往的经验告诉我们，原子和羊驼都不是构成宇宙的基本单位。如果存在一个宇宙的基本公式，那么我们可以确定，不管这个公式是什么样的，它肯定不包含一个叫作N 羊驼 的变量。羊驼和原子都无法定义物质的本质，它们仅仅是基本单位所堆积出来的东西（抱歉，羊驼！），就好比龙卷风是风的表象，恒星是气体和引力的表象。
为已知和未知的情况列表可以帮助我们发现规律和缺失。假设你是19世纪的科学家（是的，你可以想象自己戴着很丑的眼镜），你并不知道原子实际上由更小的电子、质子和中子构成。如果你把自己知道的信息归纳成一个元素周期表，那么你会发现一些有趣的事情。
你会注意到，元素周期表一侧的元素非常容易发生化学反应，而另外一侧的元素则是惰性的。位置相近的元素（比如金属元素）具有相似的性质。一些元素比另一些更难找到。
所有这些令人好奇的规律都提供了一个线索：元素周期表呈现的并不是最基本层面上的宇宙。也就是说，这背后还有更深层次的东西。举个例子：你碰到一群孩子，并且注意到了他们的共同点。虽然各有特点，但他们的长相和行为相似，你或许会假设他们的父母是同一对夫妻。同样，科学家在查看周期表早期版本的时候，也注意到了这些规律，于是他们开始思考这背后藏着什么。
我们现在知道，元素周期表中的规律关乎电子轨道的排列方式。我们还知道，元素周期表上每一个位置都有一个元素，一些元素之所以稀有，是因为它们会产生放射性衰变。只要把合适数目的中子、质子和电子放在一起，我们就可以得到任何一种元素。
重点在于，我们需要把已有的知识组织起来，仔细研究，发现其中的规律和缺失，并且由此提出正确的问题。通过这样的过程，我们最终会在更深的层面上了解宇宙。
整理基本物质粒子表（包含夸克和轻子）让科学家花费了20世纪的大多数时间。我们称这些粒子为基本粒子，这并不是因为它们有趣（尽管它们确实很有趣），而是因为我们还没发现它们是由更小的粒子构成的。其实我们没有任何证据能证明它们是宇宙中最基本的粒子，但它们是我们目前所知道的最小物质单位。
研究一下前面出现过的粒子表格，你也会注意到一些有趣的规律。你会发现两种不同的物质粒子：夸克和轻子。我们知道它们有所不同，因为夸克还会受到强核力的作用，这一点和轻子不同。你还会注意到，构成常规物质的粒子都位于第一列（上夸克、下夸克、电子）。第一列中有被称为电子中微子（ν e ）的第四个粒子，它像幽灵般快速穿过宇宙，几乎不与其中的东西相互作用。
这还不是全部，除了这四个粒子，还有一些粒子位于其他列。除了质量更大之外，每一列的粒子都和第一列很像（具有相同的特性，比如电荷和力的相互作用）。每一列都是一代，人们已经列出了三代。
你或许很快就会提出一些问题：
·这些粒子为什么是一列一列出现的？
·这些粒子是用来做什么的？
·这些粒子的质量有什么规律？
·那些1/3电荷的粒子是用来做什么的？
·还有别的粒子吗？
你自然会提出这些问题。谜团会让一部分人感到害怕，所以保持放松的心态很重要的。记住，我们的策略是把已知的知识组织起来，寻找其中的规律和缺失，从而提出问题。提出好的问题可以帮助我们得到更深刻的答案。
几十年之前，这张基本粒子表更加不完整。有几种夸克和轻子还没有被发现。不过，物理学家注意到了表中的规律，于是通过这种规律找到了缺失的粒子。很多年前，物理学家就知道应该有第六种夸克存在，因为表中为这种粒子留下了一个空缺的位置。虽然还没有找到它，但人们已经如此确信它是存在的，很多的教科书都包含了这个知识点，还预测了第六种夸克的质量。20年后，上夸克终于被发现了，它的质量比人们预测的要大很多。这也是人们花了这么长的时间寻找它的原因，这意味着很多教科书必须修改。
物理学家填补了这张重要的表格并且研究了其中的规律。在过去的几十年当中，我们得到了某些答案，也提出了更多的问题。
我们可以确定的是，粒子只有三代。希格斯玻色子的发现排除了第四代粒子存在的可能（详见第5章）。这意味着什么呢？宇宙是否存在这样一个基本数呢？如果你最终要用一个方程来总结宇宙中的一切，那么它会包含3这个数字吗？天主教徒很喜欢这个数字，但是科学家不一样，他们更喜欢0、1、π、e这样的数字。那么3呢？科学家并没有看出这个数有什么特别之处。
这意味着什么呢？我们现在还不知道，准确地说，我们只是略有所知。对于粒子代的数目，人们也没有什么很好的解释。这很可能是更深层规律的表象，就像人们在元素周期表中看到的一样。几百年后的科学家或许会认为我们已经得到了显而易见的线索，但目前我们依旧觉得这是一个谜。如果想到了答案，那么你可以试着去找粒子理论学家聊聊。
在元素周期表中，原子的质量和性质是非常重要的线索，可以帮助我们探索其背后的规律。我们从不同原子的质量中看到了规律，并且推断每一种原子的原子核都包含有特定数目的质子和中子。
遗憾的是，基本粒子的质量并没有很明显的规律。下面这张表列出了粒子的质量。
除了每一代的粒子质量都比前一代大之外，我们还没有想到其他规律。这或许与希格斯玻色子有关，但是目前并没有明确的答案。让我们看一下超级重的上夸克，它的重量是质子的175倍，这和金原子的原子核重量一样
。另外，粒子质量的变化范围非常大。为什么会这样？我们并不知道。我们还没有任何线索，也没有找到线索的影子。
夸克不同于轻子，它们可以受到强核力的影响，并且它们有奇怪的分数电荷（+2/3和−1/3）。如果把上、下夸克以正确的方式混合在一起，你能得到质子（包含2个上夸克和1个下夸克，电荷为2/3 + 2/3 − 1/3 = +1）和中子（包含1个上夸克和2个下夸克，电荷为2/3 − 1/3 − 1/3 = 0）。对我们来说，这一点非常重要（也非常幸运），因为电子的电荷正好是−1。如果夸克的电荷多了一点或者少了一点，那么质子的正电荷就不能平衡电子的负电荷了，我们也就得不到稳定的中性原子了。如果没有这些完美的−1/3和+2/3电荷，我们就不会存在，物质世界将没有化学反应，没有生物，没有生命。
这令人兴奋（或者令人疑惑，就看你怎么想了），因为按照目前的理论，粒子可以携带任何大小的电荷，同样的理论适用于任何电荷值。据我们所知，电荷达到这样完美的平衡完全是巧合，要归功于好运气。
虽然不多，但科学的世界里的确有巧合。月亮和太阳在体积上差别巨大，但是宇宙的巧合使得我们眼中的月亮和太阳差不多大，我们也因此有可能看到神奇的日食。古代的天文学家一定非常困惑，但日食也是一种线索。很多人可能沿着错误的思路思考并猜测太阳和月亮的关系。但这个巧合其实并不完美，因为太阳和月亮的尺寸在天空中有1%的差别。
然而，对于基本粒子而言，质子和电子的电荷数完全一样，而且正好正负平衡。我们不知道这是为什么。根据目前最先进的理论，这里可能出现任何数字。这才是完美的巧合。这对于电子和夸克的关系意味着什么呢？我们现在还不知道，但这明显指向了更为简单的解释。如果你丢了2000美元，在同一天，你的邻居捡到了2000美元，那么你会把这归于巧合吗？你至少要先想想更为简单的解释
。
也许电荷的平衡是另一条线索：在这些粒子之下存在更小的成分。也许这两种类型的粒子是同一枚硬币的两面，或者是同一组超小粒子乐高模块的组合
。
除了十二种物质粒子（其中不包括反物质粒子）—六种夸克和六种轻子—还有传递力的粒子。比如，电磁相互作用是通过光子传递的。当两个电子相互排斥的时候，它们实际上在交换一个光子。尽管这在数学上并不准确，但是你可以认为一个电子朝另外一个电子发射了一个光子，以此将后者推开。
以下是我们所了解的五种传递力的粒子。
这些再加上之前提到的十二种物质粒子就是我们发现的全部粒子，但是我们并不知道这张表是否完整。理论并没有给出允许存在的粒子上限。物质世界的粒子可能只有十七种，也可能有千百种甚至百万种。我们知道夸克和轻子没有多少代，但是世界上当然可能存在其他种类的粒子。有多少呢？我们不知道。
这些粒子是用来做什么的呢？如果我们只需要三种粒子（上夸克、下夸克和电子）构成常规物质，那么为什么会有无用的粒子？以下是可能的答案。
·没人知道，但事情就是这样的。
·有人知道，事情不是这样的。
·它们也许没用，也许有用，这要看你怎么说。
或许这就是宇宙存在的方式。这些粒子是宇宙中最基本的东西，没有为什么，宇宙就是这样。或许还有别的宇宙包含了十几种不同的基本粒子，但我们永远也没有机会看到它们。
也有可能，这些粒子并不是宇宙中最基本的物质，它们由一组更为简单的粒子组成，只是我们目前还没有发现它们。也就是说，我们知道的这些粒子是更为基本的粒子结合在一起的结果。这或许能解释粒子列表中的一些规律和巧合。这个回答或许是正确的，但是我们还没找到证据。
或许质量大的粒子就是没有用处，因为它们不能合成质量最小的稳定粒子（质子、中子和电子）。广阔而寒冷的宇宙主要由最轻的粒子组成。要是宇宙更小、更热、更致密，我们也许会看到更多质量大的粒子派上用场，一切都会不同。
我们依然在努力了解那5%的宇宙。尽管努力了很久，但是我们还没有透彻地理解物质的本质。我们有一张粒子表，我们认为是表中的粒子组成了宇宙，但是我们并不确定这张表目前是完整的。
令人高兴的是，对于这个问题的探索，我们已经有了坚实的基础。基本粒子表（物理学家称它为标准模型）一般会包含所有无法解释的规律和无用的粒子，这些都是有现实依据的，我们可以把它当作地图，在它的指引下发现宇宙的规律。发现新的粒子是令人兴奋的事，就算新粒子对常规物质而言没有用处，我们也可以通过它们得到更加完整的宇宙地图。
想象一下，如果暗物质由我们还未发现的粒子组成，那会怎么样？它将让我们开始了解27%的宇宙。事实上，发现暗物质仅由1种（与常规物质作用很弱的）粒子构成是最无聊的情形。如果暗物质由许多疯狂的粒子，甚至完全不同的非粒子组成，那不是更令人兴奋吗？
重点在于，要回答宇宙的基本问题，我们必须尽可能地深入了解常规物质的组成。通过这种思路，我们或许可以探索对常规物质没有明显作用的粒子或者现象。我们知道，我们暂时不能解释的事物也是宇宙的一部分，因此它们也隐藏着关乎物质本质的线索。回答这些问题将从根本上改变我们对自己的看法。换句话说，我们不仅可以拥有宇宙饼图，还能把它吃透。
