但那還是沒告訴你電子到底長啥樣,我最好還是老實說:在這個問題上那個縮微版的你可能要面對一點點的失望。沒有可能描述一個電子的樣子,因為這是由它所屬的量子場所決定的。
電磁場無處不在,宇宙中的每一顆電子不僅屬於其中,而且還與任何另一顆電子一模一樣,無論那顆電子位於何處,處於何時。你可以任意交換兩個電子,宇宙都不會有一絲一毫的改變。因為這個原因,也因為它們所表現的量子場,電子無法按照我們形容宏觀物體的方式來形容。它們屬於場的一部分。它們是場的一部分,就像巨大海洋裡的一滴水,或者夜晚空氣裡的一陣風,你無法確切定位或分離那滴水或那陣風。只要你沒有盯著它看,那滴水和那陣風就像是海洋本身,或者空氣的流動。它們會混入一個比自身大很多的實體之中,它們沒有個體自我這個概念。
在量子世界中,只要你開始觀察,電子就變成具有某些特性的粒子,就像從海洋中取出的水滴,但它們的特性卻又與你以前見過的東西都不一樣。它們的行為超出你的預期——或者至少超出我們的感官依據我們在日常生活中的經驗所預期的。
如果你知道電子在哪裡,你就不可能知道它移動的速度:它的速度變得無法預測。這就是為什麼你難以發現那個氫原子邊上的電子。每次你看到它,它就開始胡亂移動,無法追蹤,從你的視線中消失。
同樣,如果你知道電子所帶有的能量,你就不可能知道它能維持這種能量多久。
能量與時間,位置與速度,在量子世界的場中並不是互相獨立的概念。在本書第六部分中你會了解更多,而現在,既然縮微版的你正第一次遊歷量子世界,你可以把它當成一次警告(或者劇透)。縮微版的你應該全盤接受,就像一個第一次發現世界的幼童:不帶任何偏見。位置與速度無法同時知道?行。規則就是這樣。量子規律允許幽靈般的躍遷和隧穿?好吧。隨它。對於這一切,未來可能會有解釋,也可能沒有。
話雖然這麼說,這個量子隧穿我第一次聽到時也覺得是天方夜譚。有人告訴我,愛因斯坦有一次上完一堂量子物理學課時曾經對他的學生們說過:「如果你們理解了我所要告訴你們的事,那麼顯然我沒有講清楚。」所以如果你也覺得這些東西完全就像胡扯,很正常。大自然並不會生氣。它只是在那裡等著我們去發現,僅此而已。但這真的是真的嗎?
好吧,有些人很看重量子隧穿,還想替它找到實際應用。難以置信的是,他們成功了。
大約三十年前,德國物理學家格爾德·賓寧(gerdbinnig)與瑞士物理學家海因裡希·羅雷爾(heinrichrohrer)都在ibm的蘇黎世分部工作,他們相信自己可以利用量子隧穿效應來掃描極小尺度上的物體表面,以觀察該表面到底是什麼樣子。他們相信量子隧穿能讓他們看到原子本身。
在正常情況下,如果沒有別的更好去處,電子不會離開自己的原子瞎逛。在正常情況下,如果的確有地方可以去,那個地方也應該離原先的原子很近,不然它們也去不了。除非它們可以利用量子的力量隧穿過空間並越過阻礙。
賓寧和羅雷爾將一根極細的比針尖還尖的針連線到電流儀上掃描物體表面,卻不讓針尖碰到表面。針尖距離物體表面距離較遠,他們不應該探測到任何訊號,因為針尖與表面的距離已經超過了電子所能正常穿越的距離。
但他們的確探測到了電流,它們來自電子的躍遷。當針尖離材料表面的原子越近,它能探測到的躍遷就越多,電流也就越強。他們將這些電流標記成表,得到一個3d的表面圖,在原子水平上,有著極為豐富的細節。他們造了一臺顯微鏡,現在被稱為「隧道掃描顯微鏡」。這臺顯微鏡能夠看到原子本身。它的精確度讓人吃驚——介於氫原子直徑的1%與10%之間。換句話說,如果氫原子有腳,隧道掃描顯微鏡能數出腳的個數,甚至腳趾的數目。
就像你在自家廚房裡發現的金原子,在十年前就已被這種方式掃描過。今天隧道掃描顯微鏡被用來顯示不同的原子如何混合在一起構成我們周圍的各種物質,以及以前無法想象的人造物質。有了這種顯微鏡,工程師們具備了移動單個特定原子的能力。量子隧穿是真實的,並且已經有了實際應用。
因為成功設計了這種工具,賓寧和羅雷爾被授予一九八六年的諾貝爾物理學獎。
那些電子環繞在宇宙中所有原子的周圍,它們都與你想抓住的那個長得一模一樣。它們都很狡猾。儘管我們無法用我們日常生活中的語言來形容它們到底長什麼樣子,科學家們還是學會了接受它們奇特的行事方式。
發展至今的科學認為,電子並不由比它更小的粒子構成。與原子不同,它們沒法再切開、分裂或打破。它們是電磁場的產物,是電磁場的一種表現。
因為電子就是自己本身,除了自己什麼都不是,是電磁場最基礎最本質的表現之一,所以它們被稱為基本粒子。
與之相對比,早先出現在冰箱貼與冰箱之間從被壓扁的命運中將你拯救出來的那些稍縱即逝的光珠,被稱為虛擬粒子,這些虛擬粒子是各種作用力載流子。它們存在的意義就是為了攜帶電磁力,讓它作用於帶電荷或磁荷的粒子之間。
原子由更小的構件(如電子和那些構成原子核的東西)所構成,它們不是基本粒子,但它們由許多基本粒子構成。
電子並不是只通過虛光子與其他世界發生聯絡。它們也涉及實光子,那些你的眼睛能夠看到的光線。物質與光的遊戲讓我們能夠看到世界。
今天我們認為,實光子與電子一樣,都是電磁場的基本表現,不由任何其他東西構成:它們是一個不可見海洋中純粹的漣漪,而且是量子漣漪,意味著它們既能像波一樣活動,也能像粒子一樣活動。
一些光子正從你的氫原子身邊沖刷而過。它們走了很久才到達這裡。它們花了大約一百萬年才掙扎著從太陽核心聚變處走到了太陽表面,那是大約八分半鐘以前的事,在那裡,它們終於獲得瞭解放,毫無阻擋地穿過外太空,沒有任何物質攔截它們,它們快速前行,以光速穿越了分隔太陽的狂暴表面與地球的一億五千萬公里的距離。它們有那麼多地方可以去,卻在一秒鐘的很小一個分隔中撞入了地球的大氣,再一路衝下來,到達……你的廚房視窗。從那裡,已經沒有什麼能夠阻擋它們。它們穿過窗子,掠過你的氫原子。
縮微版的你看著它們互相踩踏著湧入廚房,希望能看到它們撞到你的原子。但是它們都飛過你的原子撞到廚房的牆上。
只有一個除外。那個光子不見了。
消失了。
它去哪兒了?
你環顧四周,驚訝不已,最後你留意到你的氫原子外圍那個捉摸不定的電子搖擺得不一樣了。作為包圍原子核的波,它的相鄰波峰間距離變短了。
怎麼會這樣?
它被激發了。
它吞下了光子。
記得前些時候,在本書第二部分我們第一次看到的這個奇怪現象嗎?當時我們正在確認宇宙第一原則。
但現在發生了一些更有趣的事情:過了一小會兒,那個電子突然以隨機的方向分裂出一個光子,這個光子與剛才自己吞掉的那個消失的光子完全一樣。
你花了一點時間思考,得出了唯一可能的結論:電磁場最出名的兩種基本粒子,也就是電子和光子,可以也的確發生了相互作用。電子與光子可以互相轉化。
你又思索了幾分鐘,意識到自己實際上早就知道這一點:當你沐浴在太陽光下時,不是能夠感覺到溫暖嗎?面對冬天壁爐裡熊熊燃燒的木頭,你的皮膚不是會覺得發熱嗎?你的皮膚與世界上所有的物質一樣,都由原子構成。這些原子的外層充滿了電子。當來自太陽的光線照到你的皮膚,皮膚上的原子及其電子們會捕獲一些光子,從而進入激發狀態。在激發狀態下,電子們搖擺得更快,於是產生了你身體所享受(或痛苦)的熱量。
這是一個很驚人的發現,所以我再次重複:物質與光可以也的確在互相轉化。
在我們這個世界,所有一切都是物質與光的遊戲。
但不止於此。