我们正渐渐习惯宇宙大尺度上的时间怪象，现在却要勇敢掉头，朝另一个方向走去。我们要从人类所能想象的最大物体转向物质基本组成的极小尺度。这种感觉是惊人的，因为我们一下子跨越了50多个数量级：这个跳跃令人眩晕，心都要跳到嗓子眼儿了。
病毒（比如引起全球疫情的新型冠状病毒）非常小，小到肉眼不可见，它们的尺寸通常在60~140纳米之间（1纳米为十亿分之一米）。1000个病毒一个挨一个紧贴起来，也就一根头发丝的厚度。如此微小的病原体只有借助专门的设备才能看见，比如能将物体放大几万倍的电子显微镜。但对基本粒子来说，病毒依然是庞然大物，病毒之于夸克就像地球之于足球，可谓天差地别。
质量方面，基本粒子也都很轻，光子甚至都没有静止质量。就算是顶夸克(1)等较重的基本粒子，相对于宏观物体也不值一提——不只是相对于恒星或行星如此，相对于一粒尘埃亦然。当进入无限小的世界时，我们就进入了由量子力学和狭义相对论统治的国度，这会让我们仅剩的一点儿传统时间概念也分崩离析。
千奇百怪的世界
物质由粒子构成，这些粒子通过交换粒子相互作用。这句话可用于总结玫瑰的香味是怎么来的，以及恒星内部的熊熊火焰如何燃烧。
对物质基本组成的研究已有上千年的历史。公元前600年前后，第一批古希腊哲学家开始为世界寻找科学的解释时就曾考虑过这个问题。今天，我们用奇怪的名字称呼基本粒子，但本质与阿那克西曼德等人将一切归结于土、火、水、气四元素也无甚差别。21世纪的科学家也是在寻找基本成分，通过它们的组合去解释周围物质的多样性。
“标准模型”是对这古老问题的现代回答。这是诞生于20世纪60年代末的一种理论，是经过一个世纪的观测和实验才得出的。自从这种理论被采纳，就有人对其争相质疑，力图证伪其中的某些预测，但迄今为止没有一个人成功。
我们知道，这是一个不完整的理论，原因很多，首先就是它没有考虑引力。宇宙中最常见的力却未被包括在标准模型描述的相互作用中，这着实奇怪。但其实也可以理解，因为在微观尺度上，引力的作用可以忽略不计。在宇宙空间中，当相互作用的物体质量巨大并相距遥远时，引力主导一切，但在描述物质基本成分的运动时它却变得无关紧要。至少在我们至今探索过的能量级上，基本粒子之间的相互作用是以引力之外的其他力为主的，它们超过引力许多数量级。
标准模型对其他许多现象也没能做出任何解释，比如它没有解释宇宙中为什么有那么多暗能量和暗物质，没有解释反物质都到哪里去了，没有包含导致宇宙暴胀的粒子，等等。总之，它在很多方面并不令人满意，不过它还是有着惊人的预测能力：它让我们准确地计算出了极短暂现象的最细微特征，并且将它们一个接一个系统性地观察到了；它预言了某些基本参数的微小偏离，这些也得到了极精巧的实验验证。然而我们迟早会需要一个更完整、更全面的理论来解释现在依然成谜的许多现象，它会包含“标准模型”作为在低能情况下的特例。当我们能做能量级很高的实验——高到我们引以为傲的理论也会被彻底动摇时，我们就会发现新的未知粒子或相互作用，这将让我们建立起更广泛的理论。但到目前为止，“标准模型”经受住了所有考验，是我们目前能掌握的可以用来解释世界的最佳理论。
在标准模型中，一切都归结于粒子。组成物质的粒子分为两大类，一类是六种夸克，另一类是六种轻子，每大类有三“代”，每“代”又有两种。夸克的三代两种为：上夸克和下夸克、粲夸克和奇夸克、顶夸克和美夸克(2)，都带电荷。轻子的三代两种包括带电荷的电子、缈子、陶子及各自对应的不带电荷的中微子。
夸克和轻子原本互不往来，不会主动相互混合，就像莎士比亚的《罗密欧与朱丽叶》中互为世仇的凯普莱特家族和蒙太古家族。它们需要拥有某种力量的另一个“家族”从中调和——第三家族的成员与二者的全部或部分成员有互动，如此二者之间才会产生运动和混合。这样的“调和者”包括：光子，传递对所有带电粒子起作用的电磁力；胶子，传递强力，与夸克作用而不与轻子作用，因为夸克带电荷而轻子不带；媒介向量玻色子W和Z，它们传递弱力，既与夸克作用又与轻子作用，因为二者都有弱同位旋；最后是有点儿落单的希格斯玻色子，它与其他粒子相互作用，定义其质量。
标准模型中的粒子非常小，使用通常的度量单位是没有意义的，因为那会让数字小到十分不便。这些物体很小，以至我们都还不能确定它们究竟是点状还是有一定的维度。例如，如果夸克和轻子有内在结构，那它应该在10-19米以下。
质量也一样。以千克为单位去描述电子的质量就得写成9.1×10-31千克，为了方便起见，我们一般以千兆电子伏特（GeV）(3)为单位来描述电子的质量。最重的基本粒子顶夸克的质量大约相当于173GeV，其他粒子都比它轻，中微子等粒子更是轻中之轻。
基本粒子运动在极微小的世界中，这里是狭义相对论和量子力学统治的国度。把电子加速到接近光速就像小孩玩游戏一样，因为它带电荷，所以加速起来非常容易，只要将其放在真空中并加上强电场，就能让它获得很高的速度。实现这一目标也不需要高精尖设备，医院里的X光机就能让电子以1/2光速射出从而产生X射线。
无穷小尺度上的物理规则控制着这些又小又轻的粒子，从中所产生的行为与我们习惯的行为大相径庭，显得十分怪异。不管是系统状态、时空，还是质量、能量，在基本粒子的世界中，一切都变得古怪起来。
暴增的质量和极度拉伸的时间
把很轻的电子加速到接近光速只需要一个强电场。这就是现代粒子加速器的原理，它能产生速度接近光速的粒子。理论上，光速不可超越但可无限接近，所以，如果我们能克服一些并非微不足道的技术困难，就可以让粒子达到99%的光速，然后是99.99%、99.9999%……
电子带有负电荷，因此会被电压高的一边吸引。当然，让它们获得速度的同时，也必须避免它们与物质的其他任何组成相撞，因为撞击会让它们失去能量并且速度大大降低，这就是为什么要让它们在抽成高度真空的管子中运动。
为避免使用太高的电势差，我们用环形机器让电子多次通过同一个加速区。适当分布的强磁场会弯折它们的轨道，让它们在圆环中运动并发生碰撞。
相对论的质量增长是需要解决的问题之一。越接近光速，电子受到的“加速”导致的速度增加的幅度越小，而质量增加得越多。加速时电磁场给电子的能量会让它变成“大胖子”。这又是一个让我们惊诧的狭义相对论效应，因为我们对此从未有过直观感受。在我们的世界中，持续给某个东西加速的话，增长的永远是速度而不是质量，比如，在高速公路上一直踩油门就能从仪表盘上看到速度在增加。这是因为我们开车达到的130千米/时相对于光速而言实在小得可怜，在接近光速时，输入系统中的能量无法再提高速度，因为光速不可超越，于是只能增加质量。这再次体现了相对论提出的质能等价。在日常生活的经验中，加速时物体的质量不会变，但如果接近不可超越的光速，质量就会不断增加而速度基本保持不变。
现代粒子加速器中的粒子束几乎都以接近光速的速度运动，并获得比静止质量大得多的质量。当碰撞发生时，蕴藏在其巨大质量中的能量冲击真空并激发出新粒子，能量又被重新转化为质量，在那一刹那，大爆炸之后迅疾消失的物质形式再现于世间。于是，大型研究机构就成了生产灭绝粒子的工厂，也可说是时间机器让我们可以再现并研究百十亿年前宇宙诞生时的现象。
注意：当粒子逐渐接近光速时，其质量只是相对于我们这些看着它们在真空管道中飞驰的人才有巨大的增长。如果有一个观察者和它们同行，就会看到它们是静止的，在这个运动着的参照系中，粒子质量一点儿都不会变。和运动方向上的空间收缩、时间拉伸一样，近光速粒子的质量暴增也是只有外部观察者才能看到的现象。
2000年夏天，在欧洲核子研究中心（CERN）的大型正负电子对撞机（LEP）中转圈的电子是物质原子中普通电子的20万倍重。当然，这会带来相当大的问题，比如同步和加速器参数调控，这些参数要随加速导致的质量猛增而调整。
质子被加速时，这种效果也很显著。质子不算基本粒子，是由两个上夸克和一个下夸克组成的，还有许多个胶子，有了这些胶子，才能把一切聚于强力的约束中。质子带正电，质量大约相当于1GeV，对质子的加速方法类似电子，只是要将电场两极的电势差反转。由于质子是复合粒子，质量是电子的2000倍，因此必须耗费大量能量才能将它们加速到接近光速。但质量大也给了它们一个很大的优势。电子在粒子加速中使用受限的主要原因之一就是它们太轻了。和所有做圆周运动的带电粒子一样，电子也会释放光子而失去能量。轨道上的粒子越轻，辐射越大，并且辐射随着能量的增长而猛增。对于比电子重得多的质子而言，辐射导致的能量损失则小得多，所以质子更容易被提高到更高能级。
目前最强大的加速器是大型强子对撞机（LHC），两束质子流在周长27千米的圆形真空管中相向运动，碰撞的能量达到13TeV（千GeV），也就是说两边的质子都具有相当于6.5TeV的质量，是其静止质量的6500倍。因为质子是由夸克和胶子组成的，所以其碰撞比较复杂，只有一部分可用能量（大概几个TeV）能转化为重粒子。现在，人们正讨论着要研发新的磁体，新建一个100千米的管道以达到100TeV的能量级，以产生质量相当于几十TeV的新粒子——如果存在的话。
电子加速器可以起到补充作用。因为电子是点粒子，所以电子碰撞简单得多，电子加速器也就成了进行精确测量并通过微小异常探索新物理学的理想机器。电子加速器的劣势在于不能达到很高的能量级。环形电子加速器的设计能级在250~500GeV之间，现在也有能达到几TeV的设计，但仅限于直线型加速器。
总之，涉及的都是相对论性物体，即加速到接近光速而质量变得巨大的粒子。大型正负电子对撞机中的电子是这样，大型强子对撞机中的质子亦然，这些粒子的时间都显著减慢了。
我们以大型强子对撞机为例：质子被加速并碰撞之后还要继续运动数小时，在此期间又碰撞无数次，实验物理学家记录下最神奇的碰撞及其产生的粒子。数小时后，强度减弱，要从加速器中取出剩余的质子束并放入新的质子束。特别走运的时候，这个周期会持续一整天。
现在，为了更好地理解发生的一切，我们暂且假设质子能说话，戴着一块表，能和LHC的中央控制室沟通，就像动画片里一样。我们来想象一下这个奇怪的对话：“质子，质子，这里是主控，该出来了。”“啊，已经到时间了吗？怎么可能？我们玩得正开心呢！你确定吗？我们刚进来没多久啊。”“没错，时间到了，你们都玩了超过24小时了，也让别人开心开心啊。”“肯定搞错了，我看着表呢，我们才进来13秒。你检查一下你的表，肯定坏了。”“检查过了，好着呢。这就是相对论，亲爱的。”
在LHC中的质子看来，时间以正常的速度流逝，质量也没有变化。然而，从外部参照系出发，就会看到质子以接近光速的速度运动，质量变成原来的6500倍，而且最重要的是，它们的表每走一秒，主控室里就会过去近两个小时。
宇宙超级加速器
巨大恒星或黑洞的湍流现象也会产生大量近光速粒子。这些天体向太空喷射近光速物质，物质的质量因相对论效应大增，其上的时间也大幅变慢。如果这是一项极限运动，这些天体能拿冠军。
我们的地球始终沐浴在来自四面八方的粒子雨当中，在对其源头的追寻上，我们也有所进展。这些粒子雨被称为“宇宙射线”，诞生于太空深处，主要是由接近光速的质子和氦原子核组成，偶尔也有更重元素（可重至铅元素）的原子核组成，最罕见的是高能电子、中微子和光子。当高能带电粒子穿过大气层时，会与外层气体分子激烈碰撞，产生成群的次生粒子，就像LHC里的碰撞产生的粒子一样，这些粒子最终像雨滴一样洒向大地。
宇宙射线中有我们所能观察到的最高能的粒子。与其中能级最高的粒子相比，LHC中因相对论效应变成巨人的质子也是小巫见大巫。最强宇宙射线的能量级可达地球最强加速器的一亿倍。
是什么机制能向宇宙发射如此高能的质子？又是什么活动成了让地球最尖端科技也汗颜的宇宙超级加速器？
绝大部分宇宙射线来自我们自己的银河系，一般认为它们产生于大恒星耗尽核燃料之后的超新星爆发。在这场大灾变中，极强的磁场和恒星外层物质一起被高速喷出，以“磁激波”(4)机制加速带电粒子。电磁力可以困住带电粒子，并迫使其做周期运动而逐渐获得速度。在我们的太阳中也能观察到磁暴导致加速的现象，等离子体释放出强大磁场碎片而加速带电粒子，但这样产生的宇宙射线到达地球时只有中等能量。如果磁激波是由超新星产生的就不一样了，粒子可以达到很高的能量级，甚至是LHC能级的几千倍。
不过，磁激波加速机制也解释不了最强的宇宙射线，其能量级是LHC的几百万倍。它们很可能来自银河系之外。有人认为它们产生于活跃星系核，也就是处于狂躁期的超大质量黑洞，当吸积盘回吐而巨大的相对论性喷射形成时，从两极喷射大量近光速物质。如果喷射的轴线指向我们，那么产生的最高能粒子就可能到达地球。我们尚未搞清楚达到如此高能级的机制，但可以肯定的是，一旦搞清楚这一机制，人类就掌握了宇宙最强大粒子加速器的秘密。
最高能宇宙射线对质子有巨大的相对论效应：其质量会增长千亿倍，跨越几百光年的距离所用的时间也被缩短——这些质子经历1秒相当于我们过了3170年。
这些信使非常特别，它们的存在代表着相对论的胜利，但它们给我们带来的却是令人不安的消息。它们来到我们这宁静的宇宙一隅，似乎就为了警告我们：“注意，地球人，不要以为宇宙都像你们周围这样平静而有规律，它也可以是一个非常危险而充满敌意的地方。”
它们是执着奔波的信使，就像古希腊的游吟者。它们不说话，仅凭自己的存在就让我们与神奇又可怕的宇宙深空取得了联系，无声讲述恒星的死亡以及黑洞吸积盘吞噬整个世界时发生的灾难。它们为此走过星系之间的巨大距离，但因为以近光速移动，所以这在它们看来不过是一刹那，而对于地球上的我们来说，已经过了千百年，只是与光竞逐、跨过浩瀚宇宙的它们，根本不会知晓这些。
红白砖小房子
代尔夫特是一座距离海牙和鹿特丹各几公里的荷兰小城。如果不是有着鲜明的特色和光辉的历史，它真的很容易被错当成那两个大城市的郊区。今天，那里只有10万居民，但在17世纪，在弗兰德斯的黄金时代，它是一个重要的政治和经济中心。在这个护城河和围墙围起的小城中，有许多高级手工艺者安家落户：制作昂贵地毯的织布工、制作瓷器的陶艺家——他们从意大利引进了最精细的技艺。代尔夫特为欧洲各宫廷生产的蓝白瓷盘、瓷砖、瓷器，是荷兰东印度公司从明代中国进口的青花瓷的主要竞品。代尔夫特还是“橙色家族”奥兰治-拿骚家族的基地，“奥兰治的威廉”在此立足后，这座小城就逐渐获得了“王公之城”的美名。
即使在今天，漫步在代尔夫特城中，依然可在不经意间遇见诉说着往日荣光的古迹：集市广场、俯瞰广场的市政厅、城中最古老的教堂、像比萨斜塔一样倾斜的教堂钟楼。老教堂的地面上，一块不起眼的灰色石砖表明史上最伟大的画家之一扬·维米尔安葬在此。
让我们漫步老城的大街小巷，一起追随维米尔的足迹：1632年他出生的房子（现在是一家餐厅）、他和妻子住了一辈子的红白砖房，以及圣路加公会（画家协会）旧址。要想成为画家就要加入这个行会，维米尔在21岁时入了会。
维米尔一生都在代尔夫特的城墙内度过，与债主的斗争不断。1652年维米尔的父亲去世，给他留下了一大笔债务，这可谓一场真正的噩梦。他真心爱上他后来的妻子卡特琳娜·博尔内斯，一位慈眉善目的天主教徒，两人于1653年成婚，他的许多室内肖像画都以她为模特。婚后，两人生了15个孩子，这些孩子都要穿衣吃饭。维米尔的小型人像画在代尔夫特的富商中确实有几个拥趸，但所得十分微薄，根本不够用。他从没接到过富有商会的大单，出了代尔夫特城，他也没什么真正的名气，与弗兰斯·哈尔斯、伦勃朗等当时最著名的画家根本没法儿比。
维米尔的一生很短暂，他于1675年去世，时年才43岁，死时他依然债务缠身，身后留下40多幅小画，但在当时没人觉得那些画有什么特别。他的室内画中，有代尔夫特的特色蓝白瓷砖、那座红白砖小房子中的日常生活场景、戴珍珠耳环少女的倩影。今天，这些都成了无价之宝，世界上最有钱的富翁、最大的博物馆都愿意花天价买入一幅维米尔的杰作。未来改变了过去，将同时代的人看不上的一个外省平凡画家，变成了历史上最伟大的艺术家之一。
这一切始于1866年，当时，法国评论家泰奥菲勒·托雷·比尔热提出，这位不知名的代尔夫特画家可与荷兰黄金世纪的大师们比肩。从那时起，就像一条泛滥的河流，维米尔的画作先是征服了艺术家和知识分子，后来又普及大众。他的风格成了一种标志，关于他的书汗牛充栋，关于他的电影也有很多，维米尔 “洗脑”般地进入集体想象。许多艺术家或哲学家在几百年甚至几千年后才被认为伟大，维米尔只是其中之一。我们以不同的眼光看待过去，重写过去，于是意义被改变，历史被重塑。正如豪尔赫·路易斯·博尔赫斯所说：“每个作家都在创造自己的先驱，其作品改变了未来，同时也改变我们对过去的认知。”那么，这种发生在思想中的现象是否也会发生在物质世界当中？我们现在的动作能改变过去吗？这完全不是异想天开，因为在由狭义相对论和量子力学统治的微观尺度上，物质有奇特的行为，时间的流逝也有奇怪的特征。
我们已用简单量子系统做了许多实验。当我们操作光子、单个原子或任何量子系统时，系统状态在未被观测时都是不确定的，这是其与生俱来的性质。光子可以表现得像波也可以表现得像粒子，原子可以自旋向上也可以自旋向下，量子系统可以导电也可以不导电，也就是说，它的状态可以是1也可以是0。在观测之前，我们不知道系统究竟处于哪一种状态，可以假设系统跨越了所有状态，即经历了所有状态的叠加态，只有在被观测的一瞬间，系统才坍缩成某一特定状态。
注意：这种不确定性不是理论缺陷，也不是由于我们对初始条件了解不足。粒子或系统的状态在被观测之前本身就是不确定的，直到观测迫使其进入一个特定的状态。
最近开发出了“弱测量”的方法，也就是不会让系统状态彻底坍缩的测量。这些微弱扰动不会显著改变系统。弱测量得到的信息一般用处不大，结果纯粹是随机的，甚至是显而易见的：这个我们不知道处于状态1还是状态0的系统，它处于状态1和状态0的概率都是50%。总之，在经历一系列弱测量之后，我们知道的和之前一样多。
密苏里州圣路易斯华盛顿大学的教授凯特·默奇带领一些天才的研究员用弱测量进行了一项实验，取得了惊人的结果。他们使用了一个简单的超导电路，当电路被冷却到接近绝对零度时，其表现就像一个原子，会有两个能量级，分别对应1和0，二者之间可有无数种组合，即量子态的叠加。
为了继续进行的弱测量，该设备与数量有限的低能光子相互作用，这些光子无法改变能级，也就不会使系统坍缩成某一状态。系统没有被干扰，但光子带来的状态信息也很少。经过分析信息得出的唯一结论就是，系统处于两状态之一的概率各为50%。然后，他们进行“强测量”：让系统与能量足以改变系统状态的光子相互作用，系统叠加态消失，变成了某一确定状态，但实验结果将被隐藏。之后，他们又进行了弱测量，并综合强测量之前之后的两次弱测量进行分析，其结果令人惊异：现在通过弱测量可知，系统处于其中一种特定状态的概率是90%。强测量的结果也被揭晓，发现弱测量的预测是正确的。注意：只有当我们将强测量之前的弱测量，即那些本身没有产生结果的测量也纳入考虑时，才会发生作用。这就好像我们今天所得到的东西，即在强测量之后所做的弱测量，改变了我们昨天所得到的东西，即我们在强测量之前所做的弱测量。这结果无疑令人惊奇，似乎表明量子系统的未来可以实质性地改变过去，或至少某种信息形式可以回到过去，根据强测量的结果改变之前的弱测量。
经媒体报道后，这项实验很快成了大众眼中的时间可以倒流，时间旅行可以实现的证据。像往常一样，幻想远比我们对潜伏在无穷小世界里的各种奇妙现象的理解来得容易。
对此我建议最好采取谨慎的态度，就像对待其他情况一样。量子力学有无数我们还未理解的微妙之处，完全可以有另一个没那么天马行空的简单解释。事实上，必须做完强测量之后再做弱测量，这就应该敲响我们心中的警钟。过去的事件可以被未来的事件影响吗？似乎可以，但前提是结果已知。尽情发挥想象之前要明白，虽然量子力学很管用，我们每天都在用，但我们还没有完全知其所以然。就目前而言，微观系统中未来可改变过去还只是一个想法，最终，它可能会是一个可怕的骗局，也可能会引领我们走向对自然的新理解。
(1).?基本粒子之一，属于费米子中的第三代夸克，也是已知最重的粒子，质量达到173GeV，与锇原子相当，电荷为+2/3，寿命极短，在10-24秒内衰变成其他粒子。1994年4月26日发现于美国费米实验室。
(2).?现在一般称底夸克。——译注
(3).?这是能量单位，换算成质量须除以c2。——译注
(4).?按照作者意思是磁场突变引起的激波。——译注