虽然米西雅提出了解决一个重大科学难题的研究方向,可是对于怎么把去年所学的东西运用在对微观粒子波动性本质的研究上,我心里却是一片茫然,完全不知道该从哪里入手。在这种迷茫不知所措的时候,我只能暂时放弃主动思考,等待她给我更具体的启发和提示了。
“虽然你还不知道下一步该怎么走,但温故可以知新嘛。”米西雅温柔清亮的声音打破了我头脑中的僵局,“让我们回忆一下去年学过的最重要的东西:物质和能量都可以由时空产生出来,其中能量是不均匀的时间,物质是不均匀的空间,时间与空间的不均匀度的换算关系正好就是质能关系式E=mc^2. 由于时空本质上都是离散的,都有不可分割的自然单位,而且又都要发生离散的运动和变化,因此时空的自然单位之间必然出现状态差异,使得绝对真空的时空中也会自发地出现微观的存在。当这些微观的存在满足若干个发生概率极小的苛刻条件时,就能形成更大,更稳定的真正的实体粒子,再进一步由实体粒子形成宏观物质。这就是空间、时间、物质和能量的本质以及相互关系,现在你想起来了吗?”
望着米西雅投影出来的虚拟黑板上列出的提纲,我的思绪也回到了去年物理课程刚开始时对时空本质的那次艰辛而有趣的探索中。思索几分钟后,我点了点头。
“现在,让我们这样来概括一下:真空时空中自发产生的极微观的存在,也就是真空涨落中不断瞬间生灭的虚粒子,是一种完全无序而均匀的存在,那个世界的物理学家称之为熵很大的存在。真正的稳定的实体粒子或能量粒子如电子和光子,则是有序而不均匀的存在,那个世界的物理学家称之为熵很小的存在。要想从熵很大的存在转变为熵很小的存在,难度非常大,是一种发生概率极小的事件,但它毕竟还是真的发生了,于是才有了我们和我们周围的世界万物。”
“不可思议,最不可能发生的事竟然就是已经发生的事!”过了这么久,再次回想起当时的这个结论,我还是觉得很违背常理。
“以后你还会看到更多像这样不可思议的情况呢,我敢保证。所以,把惊讶留到后面吧。”米西雅在讲课的过程中还是不忘时不时地俏皮幽默一下,“不知你有没有注意到,我们发现的这种物质与时空的关系告诉了我们一个事实:实实在在的物质粒子其实和虚空的真空在本质上没有什么区别?”
“我当然知道啊,在推导出这个关系之前你就已经假设过物质和能量本来都是由时空形成的了。”
“但是把这个关系用在对具体问题的分析上,你就会发现一切都和自己以前的认识不同了。比如说,有一个粒子从空间中的A点移动到B点,这个过程对应的时间从t1时刻流逝到了t2时刻,以前你是怎么想的呢?是不是觉得就是一块微小的物质空间位置发生了从A到B的变化,而在时间轴上相应地发生了t1到t2的位置变化?现在,对这个过程更加真实而准确的描述是这样的:在t1时刻,以空间中的A点为中心的一小片区域内,空间具有不同于该区域之外的不均匀状态。在t2时刻,这种状态传播到了以空间中的B点为中心的一小片区域内。你可能会觉得这样描述有点别扭,其实只要想一想显示器的屏幕就很好理解了:t1时刻屏幕上的A点处有一个亮点,在t2时刻这个亮点移动到了屏幕上的B点,但实际上屏幕上的像素格子本身是根本不会动的。之所以t1时刻亮点在A点处,是因为A点的这个像素在t1时刻是亮的状态,t1时刻之后A点的像素就不亮了,而与A点相邻的一个像素变成了亮的状态……刚好在时间流逝到t2时刻时,B点的像素亮了起来。也就是说,屏幕上的一切东西本质上都是像素的不同状态,一切东西的运动本质上都是像素状态的传播。而真正的物质在时空中的运动过程,其本质也和这没什么区别。”
米西雅这么一讲,我立刻想起了在这里的第一堂课上,她就说过,我们的宇宙其实和显示器的屏幕一样,是由不可分割的微小像素组成的。现在看来,不仅时空本身是由这些像素格子——自然单位组成的,而且时空中的万物都只是自然单位显示的不同状态而已。万物的运动和变化,当然也就是自然单位的状态变化——自然单位自己永远不会移动,只是以自己的状态变化而表现出万物的运动!这样看来,真实的世界确实是和屏幕上的世界没有区别呢!
不过,这又跟微观粒子的波动性有什么关系呢?我对这个问题还是想不出任何眉目。
“别急别急,这个问题确实还是挺复杂的,你现在想不出来也很正常——否则那个世界的科学家也就不至于至今都没有深入地考虑这个问题了。接下来我就带着你从你已经掌握的知识开始,从最简单最基本的问题开始,一步步抽丝剥茧,逐渐深入,等你把自己已经掌握的知识完全有条理有体系地融入这个问题之后,自然会明白微观粒子为什么会有波动性,量子势和波函数到底是什么,相互之间有什么关系。”米西雅微笑着轻轻拍拍我的肩膀,“刚才我们把以前学过的东西大概复习了一下,现在你一定要注意一点:实体物质与真空本质上没有任何区别,都是同样的时空介质!更准确地说,这里的时空介质应该叫做空间介质。因为根据我们研究过的时空定义,时间就是空间的变化,也就是说,时间是一种过程,空间才是一种对象,是不是?之所以我们可以感知实体物质而不能感知真空,只是由于实体物质的时空介质状态与真空的时空介质状态不同——真空是状态完全均匀的时空介质,而可感知的物质是状态不均匀的时空介质。物质的任何运动与状态变化,实质不是别的,就是组成物质的不均匀时空介质的状态在发生变化。宇宙中并不存在独立于真空时空背景的物质,也不存在独立于真空时空背景的物质运动。完全理解并记住这些,需要你完全转变过去长期以来建立起来的世界观,但只有完成这一步,接下来的内容对你来说才有理解的可能。”
我默默在心里复述着米西雅的这句话,不停地揣摩着其中的玄机。
“还有很重要的一点,就是真空的时空中会自发地形成不断瞬间生灭的虚粒子,那么这些看不见的虚粒子显然也是由时空介质组成的。我们已经知道,当离散的时空介质不停地发生无规律的变化时,微观时空中的虚粒子就产生了,是不是这样?现在,我们已经知道了真空、实体物质粒子,真空涨落中的虚粒子,当然利用E=mc^2这个等价关系式还有光子这种纯能量的粒子,组成成分都是时空介质,只不过组成光子的是时空介质不均匀的时间分量,组成物质粒子的是时空介质不均匀的空间分量。所以,完全可以认为,宇宙中的万物都是由同一种基本材料——时空介质组成的,万物之间的差异只是由于这种基本材料所表现出的状态不同。”
我点了点头,恍然想起米西雅说过,一切客观真实的物理量都是由时空衍生出来的。
“对了,这种组成万物的基本材料是离散的,有不可分割的最小组成单位,可以看作一种基本粒子,你还记得吧?”
“记得,是时空的自然单位,作为一种粒子的话……又叫做……时空的量子吧?好像……好像曾经还被称为以太?”
“对,这是我去年和前年讲过的。然后接下来最重要的东西就要在这个基础上出现了,一定要仔细听,同时把你听到的每一句话想都明白哦!”
我立刻打起精神,坐直身子,竖起耳朵,做好迎接重要知识点的准备——每当讲到关键之处,米西雅是一定会提醒我的,这也是那个世界的老师从来都不会做的事。
“既然实物粒子和虚粒子的组成成分都一样,那么它们之间就应该有千丝万缕的联系。其中一个最容易从直觉出发想到的联系就是,实物粒子和虚粒子之间应该有相互作用!这个猜想到底对不对呢?卡西米尔效应告诉我们,由无数的实物粒子组成的宏观物体确实是可以与虚粒子发生相互作用的,这就是两块靠得极近的光滑平行金属板之间的卡西米尔力。由此看来,实物粒子也应该能与虚粒子发生相互作用才对。下面,请你先看一样东西。”
米西雅突然停下,启动自己的第三只眼睛播放投影。
投影中是一段通过显微镜拍摄到的视频:若干小颗粒像一群无头苍蝇一样在空旷的空间中毫无规律地乱窜乱跳,有时明明相互之间还离得老远,也根本没碰上任何别的东西,却会突然随机地改变运动方向,甚至一下子来个180度折返!它们一刻不停地以这种疯疯癫癫的运动方式到处横冲直闯,不知道自己要去哪里,也没有任何人能够知道,仿佛不受牛顿力学中的惯性定律约束。我从来没见过日常生活中有什么东西会像这样疯狂地运动。
视频放完了,米西雅解释道:“这是用高倍显微镜观察到的悬浮在水中的花粉颗粒,在那个世界,最先发现这种现象的是一位名叫布朗的植物学家,所以被命名为‘布朗运动’。后来物理学家们参与了对这个现象的研究,很快找到了花粉颗粒这样运动的原因:每一个花粉颗粒每时每刻都受到它周围无规则随机运动的水分子的撞击,由于花粉颗粒足够小,同一时刻撞上它的水分子数量有限,对它施加的力完全相互抵消的可能性很小,于是花粉颗粒的运动状态就会沿着它在这一时刻受到的撞击合力的方向发生改变。下一时刻撞上花粉颗粒的水分子的数量、动能、运动方向又完全变了,花粉颗粒受到的撞击合力方向和大小也会与上一时刻不同甚至差异巨大,于是花粉颗粒的运动速度和方向又会发生突变…… 但是一个物体只要体积和质量足够大,就不会受水分子撞击的影响了。因为首先是质量大惯性就大,运动状态不容易被改变,而每个水分子的撞击力对宏观物体来说实在太小了。然后,由于体积足够大,在某一时刻撞上这个物体的水分子数量非常非常庞大,这无数个运动方向和速度大小各不相同的水分子对物体施加的撞击力有足够大的几率完全相互抵消,物体受到的合力为零,所以还可以保持原地不动或者以原来的速度继续运动。因此,越大的物体越不可能发生布朗运动,越小的物体布朗运动会越明显。”
“这个啊,我好像听说过……”我突然记起自己在那个世界学的物理课中似乎提到过布朗运动的概念,但是教科书仅仅只是一笔带过,老师更没有像米西雅这样详细地讲解。
“你如果知道这个,那再好不过了,我们可以省些时间。”米西雅笑了笑,又接着说:“不过你想不想知道水分子为什么要时刻不停地无规则随机运动呢?”
“这……我当时还根本想不到这个问题……”
“没关系,从这里开始,你就可以一窥微观世界的模样了。其实,水分子和所有微观粒子一样,在自由空间中的运动都是完全随机的,我在前面讲过,随机性是微观粒子运动的一大特征,你永远不可能知道一个微观粒子下一时刻要往哪个方向跑,会到达哪里。即使把粒子放在完全真空的空间中,排除一切来自外界的干扰,它们还是会如此运动,而且越小的粒子会运动得越随机,越疯狂,越难以捉摸,而越大的粒子却会显得越老实——就像显微镜下那些作布朗运动的花粉颗粒一样。相对而言,由氢氧原子组成的水分子已经算很老实的了,你可以想象一下电子这种比原子还小得多的基本粒子该有多野。”
“我觉得已经用不着想象了。然后呢?”
“你已经听了关于布朗运动的原因的解释,现在,你能不能试着用类比的方法,也来猜一猜微观粒子的运动方式为什么会是完全随机的呢?”
我低头思考了五分钟后,小心翼翼地回答:“难道还有比这些微观粒子更小的,看不见的粒子在无规则地随机撞击它们?”
“你的回答已经对了八成,按照那个世界的人类的认识,基本上可以算一个正确的答案了,只是不够准确和具体。”米西雅的评判有点不置可否。
“那么准确和具体的答案是什么?你就直接告诉我吧。”感觉到米西雅又开始一如既往地吊胃口,我简直等不急了。
“随机撞击微观粒子的,就是随机运动的时空介质呀!时空介质微观结构的随机运动产生了真空涨落,时空的自然单位变成了不断瞬间生灭的虚粒子,它们也是会对实物粒子产生撞击力的,而且它们无处不在!尺度接近时空自然单位数量级的基本粒子就像水中的花粉颗粒一样,某一瞬间撞上它的虚粒子数量有限,受到的撞击力相互抵消的机率太小,所以受力不均,很容易被撞得无规律地到处随机乱跳;而尺度远大于时空自然单位数量级的粒子则因为任一瞬间被太多的虚粒子撞上,撞击力容易相互抵消,使粒子受力均匀,所以运动状态不容易受干扰,运动得更接近宏观物体。微观实物粒子不可预测的随机运动,已经证明了它们也会与虚粒子发生相互作用,加上你早已知道的卡西米尔效应,我们完全可以认识到这个确凿无疑的事实:无论宏观还是微观,实体物质都会与虚粒子发生相互作用!只是虚粒子对微观粒子的影响非常大,而对宏观物体的影响必须要通过一些极精密的技术手段才能检测出来,否则完全可以忽略不计。”
等了这么久,米西雅终于一语点破了天机,原来微观粒子永远不可捉摸的神秘随机运动原因竟是如此的……简单!微观世界随机性的源头通过她几句浅显直白的话,就清楚地呈现在了我的眼前。
“我想,现在你应该明白为什么每个微观粒子的运动都是完全随机的了。不过,足够大量的微观粒子的运动结果累加起来,就可以呈现出你看到过的那种规律——波动性!”米西雅站起来,一边摇着尾巴一边说,“从根本上讲,微观粒子的波动性当然也是离散的时空介质的运动与实物粒子的相互作用耍的一个把戏。但是这个问题研究起来就要复杂多了,今天的时间不够我们继续把它解决掉,那么,就暂时把它留到明天吧!下课!”
我也站起来,伸了个懒腰,然后去厨房拿点火棒生火,准备做晚饭。
“这几天湖对岸长出了许多新鲜的芦蒿,今天晚饭吃这个吧,我们一起去采。”米西雅忽然在我背后说。
“芦蒿?太好了!咱们马上去!”去年的这个时节,芦蒿的美味给我留下了难以磨灭的印象。