问一个很难的问题

到目前为止，本书都在随意地使用“粒子”这个词。现在是时候确定下来了。如果想认真地讨论粒子物理，就需要确定我们谈论的“粒子”究竟是什么。

物理学家给粒子下的最简单的定义是：“稳定而不自发分裂的东西。”从这个意义上讲，你的身体就是一个巨大的粒子，因为你的手臂（通常）不会随机地分裂，所以你符合这个定义。

当然，你的身体是一种复合粒子，因为人体倾向于保持稳定，但也可以分解成更小的粒子—器官，器官也很稳定。器官可以分解成叫作“细胞”的粒子，而细胞又可以进一步分解成分子和原子。原子由质子、中子和电子组成。

据我们所知，电子不能继续分解成更小的物质。电子不是由“亚电子粒子”构成的，却能保持稳定。电子不同于原子、分子和细胞，它是一种非常特殊的粒子。它没有亚结构，因此是真正的基本粒子。

了不起的法拉第先生

基本粒子的故事起源于19世纪初，当时最伟大的科学表演者迈克尔·法拉第开启了它。法拉第生长在贫穷的铁匠家庭，但他相信科学属于任何对它感到好奇的人。为此，法拉第开始在英国皇家研究所发表关于科学的公开演讲，他讲的化学反应和物理现象给听众留下了深刻的印象。正是在这些演讲中，他最早揭示了对磁的发现。磁是一种独特的力。

磁可以穿越真空，可以吸引或排斥其他磁体，而不需要中间任何东西传递信号。磁力也可以穿过实体屏障，这是很特殊的，因为其他力都必须通过推拉与物体直接接触(1)。

今天我们生活在手机和Wi-Fi（无线网络）被普及的世界里，所以磁似乎没什么了不起的，但在19世纪初，不通过接触就能影响事物，这种概念无异于巫术。为了解释磁铁的工作原理，法拉第让人们把磁想象成由“场”构成，而不是由物质构成的。

每个磁体都会在周围的几何空间里产生无形的畸变，而其他磁体可以锁定这种畸变。这些畸变的空间决定了穿过其中的粒子的行为，但这种畸变本身不是由物质构成的。

也就是说，场是一种非物质、类流体的结构，它告诉其中的粒子如何运动。某一处的场可能比其他地方更强，但你无法直接看到它，只能看到它的影响。

这个想法真让人眉头一紧，因为我们已经熟知一种物体由其他物体构成。一种不由物质构成的东西很难让人接受，但场似乎就是这样。这样看来，真空并非没有属性。

这让我想起一个笑话：你听说过获得诺贝尔奖的稻草人吗？他在自己的领域里出类拔萃。(2)

我不准备为这个笑话道歉，就像迈克尔·法拉第也不会因为在物理学中引入“场”而道歉。如果没有场，我们就无法解释磁、电荷或引力。更重要的是，场使我们能相互通信。

一个场还是两个场，牧师？

如果你拿一块磁铁上下摆动，会在磁场中创造一个垂直的波，但你创造的东西并不是只有这些。法拉第发现，你的这一举动同时还在电场中产生了一个扰动，与原来的磁扰动呈直角。

然而，该电场的波动也会对磁场产生反作用。磁场又会再次振动，从而扰动电场。接下来，电场会继续投桃报李，不断地搅动磁场。

最开始你在磁场中创造了波。当电场与磁场一起振动并相互干扰的时候，波也随之传播。

我们把这些波叫作“电磁波”，在示意图中用起伏的曲线表示。电场与磁场的指向呈90度角，如下图所示（电场是纵轴E上的波，磁场是横轴M上的波）。

把磁场和电场分开似乎不可能，因为当其中一个场振动时，另一个也会振动。所以有时候我们会把它们统称为“电磁场”，而不是相互关联的两个场。

你可以想象，用于描述这些交叠场的数学方法极其复杂。空间中的每一个点都需要被赋值，这些值告诉我们该点将如何影响入射的粒子。

我们可以想象场中的每个点上都有一个微小的箭头（即“矢量”），它指向粒子被推的方向。我们必须考虑电场矢量和与之成直角的磁场矢量，它们都会影响入射粒子的运动。

现在想象一下，当你移动一个磁体，在电磁场中产生了一个波，会发生什么？追踪无穷多个箭头，每个箭头的方向和大小都在改变，并且会旋转90度。这不是简单的任务，尤其是对法拉第来说，他根本没有在学校里学过数学，除了分数，他什么都不会。

当人们开始对场论提出质疑的时候，年轻的苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦挺身而出，帮助法拉第计算出场论所需要的数学公式。

麦克斯韦方程有助于精确地预测电场和磁场的相互作用，而且方程与数据吻合。法拉第对场的感情终于得到了回报，坦白说，这只是时间问题。

麦克斯韦方程也做出了一个惊人的预测。它证明电磁波以极特殊的速度在空间中传播：299,792,458 m/s。看起来很熟悉吗？当然，它就是光速。

光彩夺目

1864年某个周六的晚上（准确地说是4月11日），法拉第陪着他的朋友查尔斯·惠斯通去了皇家研究所的演讲厅。本来惠斯通要做一个公开演讲，但他突然恐慌起来，撇下法拉第独自跑出了大楼。为了不让听众失望，法拉第决定即兴演讲，阐述了他最近一直在思考的一个想法。[1]

法拉第推测，粒子在物体内部舞蹈时，会产生电磁波，并向空间中传播，直到电磁波被我们的眼球截获，告知我们粒子的存在。

麦克斯韦方程与光速测量值太吻合了，这绝不是简单的巧合。法拉第的猜测显然是对的。电磁场就是产生光波（勒内·笛卡尔和托马斯·杨都论证过）的介质。

如果振动一个电子（带电、有磁性的粒子），我们就能创造一个以光速向外传播的波。然而我们看不到它，因为对人眼来说，光束的能量太低了，但无线电天线可能会接收到它。

如果我们以每秒数百万次的频率振动电子，就可以看到电磁畸变，电子会依次发出红光、橙光、黄光、绿光、蓝光、靛蓝光，最后是紫光。

如果振动得再快一点，波的能量就会变得非常大，以至于再一次隐形，它会绕过我们的眼睛，就像尖厉的狗吠声会绕过我们的耳朵。再继续，电子还能发射出紫外线和X射线。

从本质上来说，手机、广播发射机、Wi-Fi集线器、蓝牙发射器、微波炉、红外遥控器和X射线扫描仪等设备都是手电筒。它们的发光频率（一种测量波函数振**快慢的方法）可能太高或者太低，以至于我们的眼睛看不到，但所有的电磁波都是一样的。

从概念上讲，穿过玻璃的手电筒光束和穿过人类皮肤的X射线没有区别。波的能量和材料的电子壳层之间的间隙决定了波被反射还是通过。这两个例子的原理是一样的。

电磁波是有颜色的，人眼只能看到其中的一小部分。法拉第让我们知道自己有多么盲目。我们在夜晚看到的星星不只发出可见光，还发出无线电、微波、红外线、紫外线、X射线和γ射线。

我们在夜晚能看到星星，这一事实也告诉我们，太空和地球一样存在电磁场，否则就没有传播能量的介质。电磁场布满宇宙的每一个角落。你现在就身处其中。

你的眼睛能看到这一页的文字，是因为这一页的电子在能级之间跳跃，扰动了周围的电磁场，这些电磁扰动通过电磁场射向你的脸，最终到达眼球。接下来，视网膜后部的电子吸收了这些电磁扰动，通过视神经把电流输送到大脑。从字面上理解，电磁场中的振动是你唯一见过的事物。

冰激凌和床单

我们谈到了场的波动，到目前为止这都是经典物理的内容。但我们知道，多亏了普朗克和爱因斯坦，光能被分割成一块一块的光子。因此，在20世纪20年代末，退隐的英国物理学家保罗·狄拉克决定发明一个术语“量子场论”，来解释电磁场。

在一个人死后去追溯他的心理倾向是很不明智的，但保罗·狄拉克很可能有自闭症。他不在意社交中的寒暄，也不渴求声望和魅力，他只从字面上理解人们的话。他非常缄默，以至于他的学生开玩笑地发明了“狄拉克单位”这个词，指每小时说一个词的讲话速度。[2]

我还要讲另一个笑话。你听说过神奇拖拉机吗？它沿着路走，变成了田野(3)。

这个笑话（勉强）说得通，因为拖拉机变成田野的想法是荒谬的。拖拉机这样的庞然大物不可能变成平坦的田野，因为物质和场是不同的东西，它们不可能相互转换。但在量子场论中，我们正是这样做的。

光子是一种粒子（它是稳定的），但由于它具有波动性（波是背景介质中的一种振**），因此必然有一种场是随着光子振动而产生的。

在经典物理中，我们认为电磁场上下起伏；但在量子力学中，我们认为能量是场中的孤立光点，就像心脏监护仪上的峰值。

对宇宙来说，电磁场是一个平静的背景，但如果特定的区域受到扰动，该区域就会聚集起来，形成一个集中了能量的扭曲的小结。这种场扰动而产生的能量包就是“电磁场的量子”，是背景中的一个方块，是一个光子。

在三维空间中绘制场量子是很困难的，因此大多数图表都把场想象成平面，粒子从场中出现。如上图所示。

一个有用的方法是，想象一张铺在床垫上的平滑床单。如果我们拔起床单上的一点，就可以创造出一个微型织物山，它代表场量子。如果你愿意，床单就是粒子。

这些场量子（粒子）可以从一个点转移到下一个点，给人一种穿越真空的感觉。我们只需要记住，真实的场其实是三维的，它在各个方向上围绕着我们，并且电子从三维场中被激发出来。

有时我会把场想象成从桶里挖一勺冰激凌。在我们挖之前，冰激凌平面是未受干扰的电磁场，当我们从中挖出小球的时候，就相当于我们在实验中探测到了光子。

实际上，我们应该开始把“电磁场”叫作“光子场”，但你知道物理学家有多么喜欢过时的术语（比如“自旋”）。

你不是由粒子构成的

保罗·狄拉克从数学上解释了我们如何从光子场／电磁场中提取光子，并证明了由于所有粒子都具有波动性，所有粒子都可以看成是自己场中的量子。[3]

电子场布满宇宙的每一个角落，与电磁场重叠在一起。当电子场受到扰动时，就会有一个电子被激发出来。所有的粒子，包括你体内的粒子，都是由看不见的场所激发的振动。

组成你的粒子和围绕着你的真空是同一种东西。能量飘浮在由虚无构成的场中，你就是其中的一团能量包。也许这个事实令你不安，也许你认为它浪漫缤纷，这完全取决于你。

(1)　事实上，引力也不需要直接接触。—译注

(2)　原文是“He was out-standing in his field”，也可以解释为“它站在田野里”。在英文中，“field”既有“领域”的意思，也有“田野”的意思。—译注

(3)　“field”在英语里既可以解释成“田野”，也可以解释成“场”。—译注