“这大概是现代物理学里最悲伤的一章。”海森堡在信里写下这句话时，钢笔尖几乎戳破纸面。收信人是玻尔。1928年，莱比锡，一个年轻人刚做完一场冷淡至极的学术报告。台下坐着的，是当时量子力学最锋利的一批头脑。没有掌声。没有追问。只有一种被什么东西噎住喉咙的沉默。报告结束后，泡利——那个以刻薄闻名、一辈子不肯说半句软话的沃尔夫冈·泡利——公开宣布，他暂时不碰量子力学了，要转头去写一部乌托邦小说。不是玩笑。他被气走了。而那个站在讲台上的年轻人，叫保罗·狄拉克。一个连走路都显得蹒跚、说话像在背诵技术手册的英国人。他讲的东西，在当时最顶尖的物理学家看来，荒诞、疯狂、几乎是一种数学上的亵渎。 可他偏偏是对的。一、一张纸条，把宇宙撕成了两半事情要从更早说起。1905年，瑞士伯尔尼专利局，一个三级技术员在昏暗的办公室里写下一条公式。这条公式短得不像话，后来却成了整个人类认知里最重的一行字：E=mc²能量等于质量乘以光速的平方。没有多余的字，没有解释的前提。它就在那儿，像一扇突然被推开一条缝的门，门后是另一个宇宙。在此之前，人类坚信两样东西：能量是能量，质量是质量。燃料烧掉、食物消化、星辰发光，都是能量在变，质量不动。一个铁球变热了，它还是那个铁球，一两都不会少。但爱因斯坦说，不。当一个物体发出光，它就丢失了一点质量。不是比喻，不是哲学，是字面意义上的“变轻了”。 一个物体，只要损失能量，就一定损失质量。丢失的质量，正好等于光能量除以光速的平方。光和铁、热和岩石，在宇宙最底层，不过是同一种东西的两张皮。这个系数大得离谱。光速的平方，九的后面跟着十六个零。所以，哪怕只是一丁点质量，烧出来都是洪水般的能量。太阳每一秒，把四百万吨物质彻底烧没。不是烧成灰，是烧没了。从宇宙里消失，变成光，变成热，变成晒在皮肤上的一层暖意。1945年，广岛。一枚炸弹释放了大约一万三千吨TNT当量的能量。很少有人知道，那场毁天灭地的爆炸里，真正消失的质量，只有零点九克——不到一颗花生的重量。一颗花生，换一座城市的废墟。这就是c²的脾气。它让质量向能量的流动，在宏观世界里显得极其慷慨，又极其吝啬。慷慨到一颗花生能毁灭一座城，吝啬到你在厨房里烧开一壶水，根本测不出水壶变轻了多少。二、负能量，一条没人敢走的死路问题就出在这儿。如果能量和质量是一回事，那能量的正负，也就不再是随便划掉的草稿。 经典物理学家处理过一个数学细节：能量方程开平方，正负号都会出现。一条曲线对应正能量，另一条对应负能量。以前的人怎么办？很简单，把负的那条扔掉。没观测到，就是不存在。这是十九世纪物理学家最体面的懒惰。但到了二十世纪二十年代，这个懒惰开始扛不住了。物理学家一头扎进原子内部，看见了完全不对劲的东西。电子不守规矩。它们的能量不是连续的，能级是一档一档跳的，像上楼梯时突然从第一级跳到第三级，绝不允许踩在中间那一瞬。更让人头皮发麻的是，电子有时候表现得像粒子，有时候又像波。你把它射过两条缝，它给你打出干涉条纹，和光一模一样。这就是量子力学。一个全新的、反直觉的、把牛顿和麦克斯韦同时推进棺材的世界。1926年，薛定谔写出了波动方程。这个方程能精确描述量子系统如何随时间演化。它一出现，整个物理学界都松了一口气，以为混乱终于有了秩序。 但这口气没松多久。薛定谔方程有个致命的缺陷：它不满足狭义相对论。时间和空间，在这个方程里受到的是两套待遇。对一群刚刚从爱因斯坦手里接过新宇宙观的物理学家来说，这就像一首格律错误的诗。字都在，韵不对。怎么把相对论和量子力学缝合起来？成了当时最要命的一道题。就在大多数人还在抓耳挠腮的时候，有人把一张写着答案的纸递了上来。三、那个蹒跚上台的年轻人狄拉克。他的故事，和同一代人都不太一样。没有少年神童的传说，没有在咖啡馆里和大师高声辩论的名场面。他几乎不说话。玻尔后来回忆，狄拉克是他见过的最奇怪的人——每个问题都要想很久，然后给出一个词的回答。但就是这个几乎不说话的人，做了一件谁都不敢做的事。他没有把负能量解踢掉。他让负能量活了下来。狄拉克改写方程，让能量既包含正解，也包含负解。这个方程像一个双面的镜子，正面照出电子，反面照出一个没人见过的影子。 更惊人的是，这套数学形式，自己吐出了电子的自旋，吐出了磁矩，吐出了实验里测得的几乎所有电子性质。不需要额外假设。方程自己会说话。可负能量终究是个麻烦。如果负能级存在，所有粒子都应该往最低处滚。宇宙里的每一个电子，都应该像石头滚下山一样，落入负能量的无底深渊，永远不能形成稳定的物质。狄拉克的解法几乎是科幻的。他说，负能量海，早就被填满了。整个宇宙，从最深的底部开始，负能级就是满的。一个萝卜一个坑，所有负能量的位置都被电子占着。所以正常的电子，只能留在正能量区，没地方可掉。这是史上最奢侈的物理假说：为了让一颗电子稳住，他给整个宇宙铺了一层看不见的、无穷无尽的负能量海洋。但狄拉克没有停在这里。他顺着这个逻辑，推演出一个新东西。如果负能量海里，有一个坑被激发出去，空了呢？那个空出来的位置，会表现得像一个真实的粒子。质量与电子相同，电荷却完全相反。狄拉克一开始也没敢想太大。他猜测，这可能是质子。毕竟当时人只知道两种基本粒子：电子和质子。一个带负电，一个带正电。 但他很快意识到不对。质子太沉了。那这个空穴，必须是一种全新的、从未被发现的东西。这个预言，在当时像疯子说话一样被搁置了。四、宇宙线的礼物1932年，美国加州理工，安德森在宇宙线照片里看见一条轨迹。一条电子的轨迹。几乎一模一样。唯一不同的是，它在磁场里弯曲的方向，反了。它带正电。质量、寿命、行为，全和狄拉克方程里那个“空穴”对得上。反粒子不是数学鬼魂。它真的在宇宙线里穿行，在云室里留下一道银色的线。这是人类第一次看见另一个世界的碎片。狄拉克的疯狂模型，被实验结果钉死在真相上。海森堡后来改了口。他说，这是二十世纪物理学最大的飞跃——不是发现了一种新粒子，而是发现一整套平行宇宙般的对应关系。每一种粒子，都有一个反粒子。电子有正电子，质子有反质子，中微子有反中微子。 它们质量相同，电荷相反。当粒子和反粒子相遇，它们会同时消失，释放出两个光子。能量，正好等于它们加起来的静质量加上动能。这个过程，人类后来有了一个更准的词：湮灭。但更重要的，是它的逆过程。五、能量变质量，不是科幻两个光子，能量足够高，对撞。在那一瞬间，光子消失。一个新的电子和一个正电子，从纯能量里被硬生生拽了出来。这叫物质–反物质对产生。爱因斯坦那条公式，在这里被从右往左读了一遍。质量不再流向能量，能量反手捏出了质量。这不是理论推演，不是数学爱好者的颅内高潮。在高能加速器里，物理学家已经反复观测到这个现象。人类真的掌握了一项能力：用光，制造物质。极细的粒子束，极短的时间，极小的尺度，光子在毫无预警的碰撞中“落地”，变成实实在在的粒子。像两束纯能量撞在一起，溅出来的火花，飞着飞着就有了质量。科幻小说写了几十年的点石成金，在粒子物理实验室里，每天都在无声地发生。而在宇宙尺度上，这件事规模大得难以想象。大爆炸后的最初片刻，宇宙是一个沸腾的锅。温度高到连光都被压成了某种原始的、混沌的浆液。物质和反物质成对产生，又成对湮灭，像浪花激起又碎落，永无穷尽。 问题来了。如果正反物质总是严格地成对出现，那宇宙最后应该只剩能量，连一粒尘埃都不该留下。可今天我们站在这里。有岩石，有海洋，有城市，有切开的苹果在空气里氧化。物质赢了。物理学家估算过，只需要在每十亿个物质粒子中，有一个在最初的湮灭风暴里活下来。十亿分之一的不对称，就足以让我们这个由物质构成的宇宙，从数学上“不可能”的起点，走到今天。但为什么是十亿分之一？为什么不是零？为什么有宇宙，而不是一无所有？这个问题，至今没有答案。六、那行字还在纸上回到1928年那场莱比锡报告。狄拉克没有因台下的沉默而动摇。他讲完，收起稿子，像念完一篇技术手册一样离开。他讲出的东西，如今已经写进每一本高等物理教材。正电子被用于医学扫描。反物质出现在癌症诊断的仪器里。人类认知从“物质和能量是两回事”，到“它们在宇宙最底层不分彼此”，只用了一百多年。 而这一切的起点，不过是一张纸上的一行短公式。和一个年轻人，没有扔掉那个所有人都想扔掉的负号。看见大家都绕开的死路，走进去，最后从里面拖出一整个宇宙。 这就是狄拉克干的事。所以，能量能变成质量吗？能。只是这个转化太贵了。贵到要动用极高的能量，才能换来一粒几乎没有重量的东西。c²把价格的悬殊拉到了极致，让这个交易在人类尺度上几乎不可能被察觉。但它确实发生。在加速器里，在恒星的核心，在宇宙最初的那个火球深处。从这个意义上说，每一个电子、每一块石头、每一个此刻正盯着屏幕喘气的人，都是宇宙最初那场十亿分之一偏差的后裔。我们是微小不对称的遗产。 是从一场本不该剩下任何东西的湮灭里，侥幸漏下来的残存者。而爱因斯坦那行字，至今还压在所有物理课本的扉页上，像一句迟迟不肯兑现的咒语。它没有解释完整个宇宙。它只是，让宇宙里所有表面上的增减、燃烧与毁灭，都变成了同一场收支不同的交易。 <a href="https://mp.weixin.qq.com/s/GtgcPKAn-IOagzV454cJBw" >查看原文</a> 原文转载自微信公众号,著作权归作者所有