因此,爱因斯坦方程提出了一项挑战。如果能够用能量来解释质量,这将有助于改进科学家们对于世界的描述,这样,构建世界所需要的构件可能变得更少。
光的问题是一个值得重视的首要性问题。《圣经·创世纪》中上帝在造物的第一日所创造之物便是光,上帝在圣经中也多次把光当成自己的化身。光是“所有事物”中最重要的元素,当然它截然不同于原子。人们本能地认为光是与物质完全不同的另一类东西,是非物质的甚至是精神层面的,这很自然。光也的确表现出完全不同于可触摸物质的特性——后者是那种你踢一下就会伤着脚趾头或者是流过吹过你身边的东西。如果你要跟费恩曼例子里的灾后遗民讲授物理学,你大可告诉他们,光是物质的另一种形式,他们也会理解。你甚至可以告诉他们,光是由粒子——光子——组成的。光子在真空中运动速度很大,但是在超导状态下,光运行的速度很慢,大体跟目前世界跑得最快的奥运会短跑冠军的速度相近,而且,光子在这种状态下也具有了质量。
其次,值得提及的是原子不是故事的结束,它们是由更基本的构件组成的。因为所有的物质都能发光,所以我们可以假设所有的物质都是由原子和光子组成的。原子是由原子核和电子组成的。原子核很小,其大小大约为原子的10万分之一,但它却包含所有的正电荷和构成了几乎所有的质量。沿此思路走下去,我们将很快将费恩曼故事中灾后遗民引领到正确理解科学的化学和电子学的道路上来,从而重建我们的世界。原子因为原子核和电子之间的电性吸引而保持稳定。最后,原子核又由质子和中子组成。原子核却由另一种力来维持,这种力要比电性力强大很多,但作用的距离却很短。
物质的科学实质,其不可再分的核心是质量。质量规定了物质反抗运动的能力,也就是它的惯性。质量是不变的,即具有“保守性”。它可以从一个物体转移到另一个物体,但是永远不会增生或被消灭。对于牛顿来说,质量定义了物质的多少。在牛顿物理学中,质量提供了力和运动以及引力源之间联系的桥梁。而在拉瓦锡看来,质量的稳定性及其精确的守恒性,则构成了化学的基础和富有成果的发现指南。
光没有质量。光不用推动就可以产生巨大的速度从光源传递到接受器。光很容易就可以产生(发射)或湮没(被吸收)。光也不具备引力那样的拉力。但光有能量,能轻而易举地被转化并储藏起来,例如植物的叶绿素在光合作用下,可以把空气中的二氧化碳和植物根系吸收的水分、矿物质转换成多糖、氨基酸或纤维素的化学键里。在元素周期表我们找不到光的位置,而这个周期表里分布都是构成物质的各种构件。
在近代科学诞生前的几百年以及诞生后的两个半世纪里,实在分为物质和光似乎是不言自明的。物质有质量且守恒,光没有质量。如果有质量物质和无质量的光始终彼此隔绝,那么物理世界就始终无法实现统一的描述。
在20世纪的前半叶,相对论和量子物理学的出现摧毁了经典物理学的基础。现存的物质和光的理论几同废墟。这一创新性的破坏过程,使得物理学家有可能在20世纪的下半叶建造起一个新的更深刻的物质-光理论,它将彻底破除自古以来对两者分离的认识。新的理论认为,世界是建立在充满以太的多层级空间基础上的。
新的世界模型尽管看起来有点稀奇古怪,但却非常成功而且精确。它为我们提供了对普通物质质量起源的新认识。简单来说,物质的出现于相对论、量子场论和色动力学均有关系——后者是研究支配夸克和胶子行为特有规律的学问。如果不深入了解并熟悉地运用这些概念,我们就无法理解质量的起源。而且迄今为止,量子场论和色动力学仍然是活跃的研究领域,还有许许多多的问题有待解决。
不久以前,人们曾经认为普通物质的基本构件就是质子和中子。之后,科学家们又发现,普通物质的基本构件——质子和中子——内有些小东西。这些小东西叫做夸克和胶子。
在粒子物理学里,标准模型是一种被广泛接受的框架,可以描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子。由于基本粒子和基本力形成了物理世界,所以,除了引力以外,标准模型可以合理解释这世界中的大多数物理现象。最初,标准模型所倚赖的规范场论禁止基本粒子拥有质量,这很明显地显示出初始模型不够完全。后来,物理学者研究出一种机制,能够利用对称性破缺来赋予基本粒子质量,同时又不会抵触到规范场论。这机制被称为希格斯机制。在所有解释质量起源的机制之中,希格斯机制是最简单、最被认可的一种。物理学者已完成了很多实验,并确实侦测到这机制引发的许多种效应,但是他们不确切了解这机制到底是怎么一回事。
“轰!”两人再次摔在了李堪家的院子里,溅起了阵阵烟尘。
接着