斯蒂芬.霍金的世界
我们周遭的世界多采多姿
不同的物质，不同的构造 它们如何会出现呢？
我试图说明宇宙有一简单起始
来自大爆炸的一个点
问题在于，我们看到的东西 又如何从这而来？
《万物同源》
科学找到方法 来发现事物的起源
我们宇宙学家像考古学家一般 试图重现宇宙的历史
我们对宇宙久远前的风貌 有些线索
运用这些线索 尽可能追溯它的历史及创始
我们可以把所知宇宙的前线 回溯到非常非常接近原点
在那个时候 宇宙的确是非常简单
一个我们称为大爆炸的微点
万物从巨大的能量爆发中迸现
但它无法解释创造星系，恒星 地球，还有我们自身的炼金术
产生这些是有形的物质 不是高热与爆炸的能量
它无尽的多元性 建议创始并非简单的
但如果大爆炸创造了一切
宇宙中的每一项物质 必定演化自更原始的来源
几百年前炼金术士认为他们可以 发现宇宙万物的创造方式
他们称之为蜕变
对炼金术士而言，炼金的过程 几乎与目标一样重要
有的炼金术士会说
如果我能在操作中 看到造物的秘密
能在我的容器里 看到造物的秘密展现
那就是最令人满足的事情
住在这欧本庄园的人 叫做汤玛斯佟特七世
他是最后一位炼金术士
炼金术在寻求点石成金
经过连串作业把一些基本物质 转变成最完美的物质：黄金
炼金术士相信能量 可把一种物质转换成另一种
经由四种基本元素的重新安排 宇宙万物都可以被创造出来
炼金术士采用了 希腊的基本元素概念
就是宇宙万物都由四种 基本元素：土，水，火，风所构成
土被视为挡予万物形式 给予实体
水就像一种普遍的溶剂
它连接万物，川流不息 它溶解物体，火带来能量和光与热
帮助创造了 万物皆有的内在生命之火
风则提供了空间和运动
是万物交流的中介
炼金术士所遵循的原则是
如果改变了元素间的平衡 改变了比例
则会改变所得物体的本质
炼金术士相信
任何地表或天上的物体 都是由四种基本元素组合成的
万物皆有共同起源的说法 倒是出奇的正确
到了十七世纪末
炼金术士的观点 过于倚赖神秘主义
而难以令人相信
十八世纪的汤玛斯佟特
是一位太晚开始的炼金术士
因为所谓现代科学的世界观 已在当时成为盛行
这样的理性时代不要魔法 而要更多实验证据
新生的科学家认为炼金术士 玩着神秘又危险的巫术
这可能是佟特为何在家乡 声誉不佳的原因
他被视为是一个巫师
他的工作间在他死后 和所有的书与论文都被封锁
但当地人为了避去 邪恶的影响
要教区牧师开了门 把所有的书烧掉
当牧师烧掉书的时候 一群鸟飞了出来
新生科学家 并不同意炼金术士的作为
但万物殊出同源 存在一种形成生命的基本物质
以及物质结构可以重新安排的观点
似乎与今日的科学关系重大
神秘的信仰和对黄金的贪婪 并非科学的良好基础
炼金术士对宇宙初始时 物质如何被创造并无太大兴趣
但让各种物质 由本源发展产生蜕变的观念
却巧合地建立了正确的方向
炼金术士分析究物质的技术
传给了更为理性的化学究
十九世纪中 一个西伯利亚玻璃工厂内
厂主人的孩子 对厂内的化学现象很感惊异
这个孩子叫做曼德里夫
曼德里夫在他的日记中写道
对化学的第一印象 就在这座玻璃厂内
看到玻璃如何形成
看到添加不相干的盐 改变了玻璃的颜色
工业革命-比如大量 制造玻璃的生产过程
创造了了解 物体形成的实际需求
新兴的化学家很快放弃了
希腊人只有四种元素 土，水，火，风的想法
在实验中将复杂的化学物质 化约成更为基本的部分
这些较为单纯的部分 被称为元素
元素是不可能再被分割的
在曼德里夫的时代
化学家认为有六十五种元素
包括了气体，液体与固体
他们认为 每一种元素有其独特的性质
特性会表现在它们每个原子中
原子一词 源自希腊文的不可切割
原子是任何元素被分割 所能达到的最小部分
原子被视为是最基本的
但在曼德里夫掌握这些想法前 工厂失火了
曼德里夫在玻璃厂 与化学有了第一次接触
但工厂突然付之一炬
他母亲的唯一希望 是让她最小的孩子受教育
于是她风尘仆仆地 从西伯利亚中部带他到圣彼得堡
年轻的曼德里夫与他的母亲 旅行一千四百英里横越俄国
让他进入圣彼得堡大学
几年之内 他成为俄国最负盛名的化学家
当时科学家认为元素的不同 是因为其原子本质的差异
当看到大量单一元素的重量 可与小量的另一种元素相同
所以原子一定有不同重量
曼德里夫怀疑元素的原子重量 可能有更深层的意义
所以重要的是曼德里夫 对元素性质变化的联想
从金属到非金属的特质变化 就在于原子重量的变化
这是他的革命性的想法
曼德里夫相信地球上所有元素 都有潜藏的秩序
1869年的一个晚上 他把自己关在黑海畔的小屋内
决心要发现物质的秘密模型
曼德里夫非常喜欢接龙
于是他把纸片当作纸牌
在桌上排列着纸片 试着找出一种基本秩序
凌晨时，以原子量递增 来排列的念头闪过他心里
洗牌时，他越来越相信可以 设计出一种逻辑秩序
氢有最轻的原子 所以就名列榜首
他一直排到 当时所知最重的元素铀
并把性质类似的元素分在一组
在同一组中的元素
相邻元素在原子量上的差异 几乎每次都一样
当模式被打破时
曼德里夫预测假以时日 会发现一种元素来填进空白
曼德里夫对元素的排列 在俄国就叫做曼德里夫表
我们则称其为周期表
周期表首次提出 不同元素有着基本模式
虽然当时没有人了解这点
曼德里夫指出了 宇宙中所有物质的共同起源
他的成果是 未来所有发展的基础
这样说吧
他提出了许多问题
让一大堆科学家尝试去回答
他以这种方式 刺激了元素演变观念的发展
也就是物质起源观念的发展
曼德里夫力促大家究铀
但是他无法想像它的宇宙意义
会领我们找到原子的内部秘密 以及宇宙万物的可能源头
舞台已为粒子物理的诞生
和法国科学家玛丽居礼的 放射性先驱究架好了
我是艾莲娜与 费德里克裘利特居礼的女儿
皮耶与玛丽居礼的孙女
1897年，玛丽史克罗多斯嘉 是一个在巴黎读书的波兰学生
她认识了著名物理学家 皮耶居礼，并结为连理
那个时候 她想找博士论文的究目标
就在几个月前，法国科学家 亨利白克瑞尔有了非凡的发现
白克瑞尔把铀放在感光板上
以厚纸包裹这块板 不让光线穿过
他将铀与感光板放在抽屉里
三天后让感光板显像 并做进一步检查
他发现它被神秘地感光了
他的结论是：铀必定放射出 某些看不到的幅射线
让感光板模糊
十九世纪的科学家 与炼金术士不同
他们相信元素无法被根本地改变
但是白克瑞尔的发现 与这个基本假设抵触
铀并未与其他化学物质互动
然而它自己放射出一种 新而不可见的能量
根据白克瑞尔的发现 居礼夫人找到了论文主题
她决定尝试找出 测量铀幅射线能量的方法
白克瑞尔已经证明 铀能在空气传导电流
不过所传电流强度小于一安培
大约是十的负十一次方那么小
想了解什么叫十的负十一次方
拿个数字以十一直除下去
你就知道就不是 能用一般仪器测量的东西
必须造一种特殊的仪器
她于是这么做了
在这项仪器的一端
居礼让铀样本的射线 带着它能承载最大的电流
由一片金属板到另一片去
在另一端 对一块特殊的水晶加压
利用重量来 产生一股可被测量的电流
重量越大，电流就会越强
如果指针为零
居礼就知道从铀来的电流 跟她用重量制造的电流相符
她成功的计算了来自铀的能量
是一安培的千亿分之一
这是非凡的成就
居礼夫妇接着想要知道
是否有其他东西会像铀一样 放射出类似能量的射线
他们决定测试沥青 用来提炼铀的天然物质
希望不去精炼它能使它 放射比纯铀小上许多的电流
他们的发现让他们大吃一惊
结果是这股电流要高上许多
至少比同等的铀高四倍
这实在令人难以置信
因为沥青铀的杂质或其他元素 没有任何相同性质的迹象
居礼夫妇区分了 沥青铀里的化学物质
最后发现那较大的电流 源自两种新元素
居礼夫妇把第一个 命名为钋(poIonium)
用来纪念居礼夫人的家乡波兰
他们把第二个元素称为镭
在这项发现之前
居礼夫妇曾经讨论过 新元素可能有的物理性质
皮耶居礼曾说 我希望它有美丽的颜色
他们发现足够的镭所放射的光 不仅是美丽的色彩而已
所以有时他们在傍晚回来 只为了看看镭光
而且看上一整晚
那并不是件好事情
镭的放射性非常高 而且十分危险
居礼夫人最后死于血癌
正是她衈露于放射线的结果
但在居礼夫妇设法测量 这些元素发出的放射线时
他们无法对放射线 有再进一步的了解
这要留给年轻的纽西兰科学家 厄尼斯特拉塞福
1899年拉塞福 在同伴萨迪的协助下
着手了解镭发出射线这回事
他们设计一套物理实验
以测量两点间放射性减低的比率 来发现源自镭的放射性本质
如果这放射性物质是气态的镭
它应该有近似于镭的原子量
但结果却是大不相同
这放射性物质不可能是气态镭
比方说，不像水银的蒸发
因此它应该是某种不同的东西
唯一合理的解释就是 不知怎地镭创造了另一种元素
它不是气态的镭 而是原子量完全不同的元素
拉塞福与萨迪发现了 炼金术士对蜕变的梦想
元素自然地转换成另外一种
而在此过程中释放出能量
如果一种元素 可以由另一种元素自然产生
或许宇宙里多样的万物 也是由单一的根源发展而来
但为何过程中会释放能量呢？
答案出人意表的近在眼前
1905年一位德国科学家
在他的狭义相对论中 发表了惊人的方程式
他就是爱因斯坦
这方程式则是E=mc2
宇宙学与天文物理学中 的重要问题之一
是宇宙中如何出现化学元素的
一时间看不出E=mc2 如何能帮得上忙
它的预测似乎有点怪异
显然建议像光与热之类的物质 不过是能量的另一种展现
所以能量从未真正流失或得到
它只是从一种型态 转换到另一种而已
狭义相对论并无法证明 物质可以完全转换成能量
但爱因斯坦在概念上跃前一步
推断就是实际的真相
根据爱因斯坦的方程式
物质有点像是电池 一种储存能量的型式
但这能够被证明吗？
如果可以被证明 能帮助解释宇宙万物的起源吗？
拉塞福决意更进一步 探索原子的核心
我们需要发现原子的内在机制
如果要了解物质如何 在宇宙之初产生
我必须用理论来探讨这个问题
但拉塞福是个 彻头彻尾的实验主义者
他搜集了一些老旧的管线
建了一台机器来分离原子
六十年后 一位拉塞福的美国门徒
根据粒子物理学的真正传统
我在废弃场闲晃
搜集大家扔掉不要，但对我 非常重要的金属与电子零件
在田纳西州的孟菲斯
二十岁的佛瑞德尼尔搜寻着 废弃物来重建拉塞福的实验
他用了当时刚发现的元素镭
并利用他从许多地方找来的 金属罐，玻璃管及大量的电线
还有各式各样的电子零件
大部分的废弃场买车来压碎
这个废弃场则是特别 从美军基地购买的废弃物
它们有二次大战的 电子零件，飞机
什么都有
从螺丝钉到战舰应有尽有
这件老东西要多少钱？
拉塞福的关键实验之一
是检查镭的放射线中 他所知道的粒子
拉塞福知道这些粒子 以某种特定速度从镭放射
所以他以镭所放射出的粒子 瞄准喔片金箔
他发现有些粒子 是从金箔上反弹而出
拉塞福说
这就像以一张面纸 来弹射十五寸的炮弹
却被它弹回来打到自己
这意谓着原子内 有某种巨大的力量
发现了这种力量，拉塞福 完成了他对原子的理论图像
接着他决定要克服这种力量
击碎原子，究原子的内部
佛瑞德尼尔 小心翼翼地追随拉塞福的脚步
建造了自己的原子击碎机
并着手用安全的方法制造粒子
而不必依赖危险的镭辐射
我的机器就像拉塞福的
利用电来加热一片金属 模拟来自于镭的辐射
为了让它们移动，我利用静电
库仑证明带电粒子会正负相吸
我所做的便是像电池一样 累积许多电量
把管子连接在电池的两极
就可以让粒子运动
它们会撞击一个在这里的目标
但在通往目标的旅程中 不能受到阻碍
所以要抽出一切 可能让粒子减速的东西
我必须用这个真空唧筒 把空气全部抽出
就像这样…
现在所看到的 就是粒子与空气的互动
表示我还没抽出 足够的空气
等我抽出了所有空气之后
粒子开始不受阻碍的以直线奔向目标
现在里面已经没有其他东西了
只有尼尔发射的粒子 和它们在目标击碎的粒子
可以利用这样的管子 来侦测粒子
我只汲取来自目标的粒子
因为里面没有其他东西
里面只有来自合成镭的辐射
和来自目标的粒子
但佛瑞德尼尔的盖氏计数器 所纪录的粒子质量
只有他输入粒子的四分之一
和之前的拉塞福一样 他分裂了原子
希腊哲学家说
原子是构成万物 之不可分割的原料
拉塞福发现这是错的
原子有它本身的构成体
他发现被束缚在核心的电荷中 拥有某种巨大的能量
以往不知道的就是这些粒子
原子是由众多以前未见过的 奇怪德微粒所组成
科学家很快就发现
如果他们增加粒子的速度 就可以将原子分裂
变成更多越来越小的碎片
证据来自于粒子
加速器揭露了 次原子物理学的新世界
爱因斯坦著名的方程式 E=mc2的完整意义
现在开始受到了解
物质与能量是可以互换的
粒子碰撞时释放的能量越多 粒子的质量就减少的越多
这似乎证明了爱因斯坦是对的
但是名叫保罗戴拉克的理论家 从数学里得到不同的想法
戴拉克拥有剑里大学 卢卡逊数学教授的位子
牛顿也一度担任过这个职位
现在则是史蒂芬霍金
戴拉克做了一项难以置信的预言
他论证如果爱因斯坦的理论正确
能量不仅会产生物质
它同时会产生一个 完全相反的完美镜像：反物质
就像粒子组合起来形成物质
镜像反粒子组合起来形成反物质
反物质有一些奇特的性质
反物质所有的特殊性质
就是可以与物质完全灭 来形成能量
仅当物质与反物质相互作用时
所有的质量可以完全灭 而留下纯粹的能量
起先，反物质只是套数学理论
似乎违反常识
我们毕竟生活在一个物质世界
思考物质与反物质的一种方式
就是想像两个互为镜像的世界
问题是：什么是反物质？
听起来像科幻小说 听起来是异想天开
其实反物质有非常枯燥的一面 也有非常刺激的一面
从枯燥的一面开始谈吧
反物质非常像物质
它基本上跟物质是一样的东西
反物质不会被重力所斥 它就像物质一样为重力所吸引
物质与反物质间的主要差别 在于电荷的正负
比如一个电子物质粒子
它的反物质粒子 就是带正电的正电子
对每一个物质粒子来说 都有一个带相反电荷的反物质
最刺激的地方 是在当物质与反物质相遇
他们一起消失
变成一种新的东西
变成一种它们先前相异的东西
变成纯粹的能量
最棒的结论之一
物质与反物质 蜕变成能量的整个过程里
就是也可以从能量 来制造物质与反物质
这个过程是完全可逆的
两面都可行
所以至少就理论而言 能量能产生物质与反物质
但是，它们会不会瞬间相遇 又灭成能量吗？
似乎可能有由反物质 构成完整的反世界与反人类
如果遇到了你的反物质对手
不要亲吻或握手
不然可能会在一阵强光下 同时消失无踪
大爆炸时是否发生了 能量变成物质与反物质的逆转过程？
这就是宇宙万物的来源吗？
戴拉克的理论必须被验证
反物质一定要被找出来
即使是它跟物质互鏨前的一刻
就在戴拉克提出反物质后不久
科学家开始观测到 来自太空奇特的新射线
一种宇宙射线
或许这些射线 会揭露捉摸不定的反物质
他们尽可能攀至较高的山顶
以在宇宙射线 跟大气相互作用之前观测到
宇宙射线来自 我们所知的星系各处
他们认为射线来自 银河系外的其他星系
我们不确定它们来自 多大范围的宇宙
科学家运用雾室来观察 物质与反物质间镜像的差异
它像一种借由运动 来显现粒子的陷阱
所谓的雾室 只需有可以透视的东西
再有像酒精类 易于蒸发的东西
把酒精放在干冰上 让它的底部非常冷
之后变得极端饱和 做好形成云雾的准备了
每当粒子穿过 就形成某种水滴的轨迹
这与飞机飞过天空时 所看到飞机后的水汽痕迹一样
这些是非常短暂的痕迹
由宇宙射线或 放射性粒子所造成
形成后的小水滴 因为重力掉落云室底部
就像一缕烟经过的痕迹
在很高的山顶，每秒每平方公分 约可看到一条宇宙射线
在接近海平面的地方 可见的就少上许多
也许每分钟看到几条
1932年，美国物理学家 卡尔安德森
在磁铁间设了一个雾室
用来偏转粒子的路线
如果它往某一边偏转 一定带有正电
往另一边则表示带负电
这点又意谓 知道了粒子是来自上面或下面
他放了一片铅板越过雾室 使高能的粒子减速
我们看到经过的轨迹
但并不知道它是从上面来 还是从下面来
因为这是一个磁场 粒子的路线会偏向
于是在中间放了这块板
可由曲度来看出 它是弯曲太陡而丧失能量
所以磁场在它能量低时 影响它更大
安德森最后观察到 戴拉克所预测过的
在轨迹中位于铅板上方
较慢的那半段粒子 必然来自下方
它是已知粒子的镜像
它必定是另一半相对的反粒子
反物质是存在的
当安德森看到最初的轨迹时 实在是非常令人振奋
让人为之疯狂
因为之前从来没人看过反物质
也没有它存在的证据
同时是所见过的粒子中 第一个不是来自原子的粒子
尽管戴拉克预言了 必然有与电子相反的粒子存在
直到他们真的掌握了轨迹之前 无人相信或认为这是可能的
今日现代的粒子加速器 可以创造反物质与物质
以此制造创生的神奇景像
也许你们认为 这是一种美丽的艺术
在某种意味上它是艺术
是物理学家创造出的艺术
你看到的是 一张瞬间影像大相片
这些浓密的粒子 在粒子加速器内部创造与毁灭
可能看来像杰克森卜洛克的画
但实际上是电脑 对侦测器内粒子碰撞的放大照片
每个粒子诉说着一个故事
或者是宇宙 很久很久以前的可能真相
这些照片显示了 无数物质与反物质粒子的碰撞
里面所隐藏的解答
是大爆炸里的纯能量 如何创造了物质
这里有你在侦测器内看到的详细情形
小小霹雳里由能量 创造出物质与反物质的碎片
这是一个光子
光子是不留痕迹的一小束能量
因为它不带电
它移到上面这里 与一个粒子碰撞
碰撞的力量会产生两个螺线
其中一个是物质粒子
另一个是它的反物质亲戚 它的反粒子
这个碰撞会有两条轨迹
这是能见到的那个
还有看不到的另一个光子 另一束能量
可以明确看到这束能量 最终会创造物质与反物质
这个光子创造了电子与正电子
它发生的相当突然
而这是物质出自能量 的最佳呈现
这实际上是大爆炸的缩影
能量形成物质与反物质
如果基本上物质与反物质 是电荷相反的同一种东西
反物质在那里呢？
宇宙怎么会是由物质所构成？
我们回到 主宰物质与反物质互动的法则
这些法则显示
宇宙在物质与反物质间 并没有完美的对称
我们存在此处的事实
有赖于大自然里 一种奇特的偶然
如果宇宙在物质与反物质间 有着完美的对称
我们将不会在此
因为宇宙将只是一片能量之海
宇宙并不是完美对称的事实
正是我们存在的终极理由
现在我们知道足以 拼凑出宇宙演进的故事
我们对于宇宙初期的运作 有一定的线索
知道那时的宇宙 有非常充沛大量的能量
有非常大的潜力 就能量转换成粒子与反粒子
然后我们有一幅 内有许多粒子的宇宙图像
构成物质的基本粒子 以疯狂的速率彼此碰撞
它们不会真的结合在一起
所有的只是一场粒子之舞
在巨大能量的周围运动
由在这场创生与毁灭的舞蹈
从粒子创造更多的粒子与能量
当宇宙冷却并膨胀时
粒子停止猛烈碰撞
有时间看看彼此 或许就结合起来
所以在诞生大约一秒钟时
宇宙开始形成原子核
也就是质子与中子开始结合
大约在三十万年左右 原子形成了
这意谓着原子核 跟电子结合成原子
它们绝大部分是氢
这些氢原子因为重力而形成云气
这些云气开始凝聚
变得越来越紧密 变得越来越热
在这此同时 这些云开始形成星系
基本上这些星云之内的恒星 是百分之九十九的氢在卡烧
最后，这些恒星 有了追随它们的太阳系
它们会有绕行的行星
可能会有一颗够近的行星
所以它会够热
但又不会远到让它太冷
于是地球上 可以发展所知的生命
然后我们可以来到这里
把宇宙生成的故事 从头到尾说一遍
从白热的大爆炸到行星与人类
是一段漫长又奇特的旅程
从能量到粒子，从粒子到原子
再从原子到我们所见的一切
这是一个了不起的故事
难以相信宇宙万物 竟完全由能量而来
但这似乎就是宇宙之道