物理學(xué)家：粒子未必是自然界最基本單元，宇宙究竟是什么構(gòu)成？

你從小就被教：物質(zhì)是原子構(gòu)成的，原子是電子、質(zhì)子這些基本粒子堆出來(lái)的，就像沙灘是沙子堆的一樣。

但今天我要告訴你——這個(gè)認(rèn)知可能錯(cuò)了！宇宙確實(shí)有基本單元，但它們不一定是“最小的”。

甚至，我們以為的“基本粒子”，可能根本不是最底層的東西，宇宙的真相遠(yuǎn)比我們想象的更神奇。

幾千年前，希臘人德謨克利特就提出，宇宙是由塵埃般不可分割的原子構(gòu)成的；佛教里有“卡拉帕”的概念，指的是不可分割的屬性集合體。

牛頓的微粒說(shuō)，靈感源自伊斯蘭學(xué)者翻譯的亞里士多德著作；連諾貝爾獎(jiǎng)得主湯川秀樹，都從《莊子》里“混沌中穿孔”的描述，得到了粒子碰撞的研究靈感。

但這些關(guān)于“粒子”的概念，從來(lái)都不是一成不變的，而是一直在被推翻、被重構(gòu)，從未有過(guò)定論。

現(xiàn)代物理學(xué)里，粒子早已不再是有明確位置和動(dòng)量的小顆粒——量子力學(xué)的出現(xiàn)，讓這些原本清晰的概念變得模糊。

我們依然會(huì)說(shuō)，原子由電子構(gòu)成，電子是基本粒子，但它們真的“基本”嗎？宇宙真的就像沙灘一樣，由最小的“沙子”堆砌而成嗎？

答案可能讓你意外：宇宙的基本單元不一定是最小的，反而可能是“涌現(xiàn)”出來(lái)的。這是量子物質(zhì)領(lǐng)域物理學(xué)家們的普遍觀點(diǎn)。

比如你家老燈泡發(fā)出的嗡嗡聲——這種聲波，居然可以用“聲子”這種粒子來(lái)描述，但聲子并不是基本粒子。

它只是空氣原子振動(dòng)的一種模式，就像水面上的波紋，不是水本身，卻又是真實(shí)存在、可以被感知的。

我們可以對(duì)比一下：光線由光子構(gòu)成，光子是基本粒子，不由任何其他東西組成；但聲子，你若問它由什么構(gòu)成？答案只能是原子的振動(dòng)。

這種從集體行為里“冒出來(lái)”的粒子，就是我們所說(shuō)的涌現(xiàn)粒子，它不是底層存在，卻真實(shí)可感。

要真正理解涌現(xiàn)，得先搞懂三個(gè)核心詞：涌現(xiàn)、基本、粒子。物理學(xué)家菲利普·安德森，更新了亞里士多德的經(jīng)典觀點(diǎn)：整體不僅大于部分之和，還可能和部分完全不同。

比如我們熟悉的冰，它是冷的、剛性的，能承受一定的壓力，但單個(gè)水分子既不冷，也沒有剛性，甚至連固態(tài)的形態(tài)都沒有。

液態(tài)水和冰，由完全相同的水分子構(gòu)成，只是分子排列狀態(tài)不同，最終涌現(xiàn)出的屬性卻天差地別。

冰的剛性，不是單個(gè)水分子的屬性，也不是所有水分子的簡(jiǎn)單疊加——同樣的分子，在液態(tài)水里就完全沒有剛性。

這就是涌現(xiàn)的魔力：它能從無(wú)到有，從簡(jiǎn)單的基本單元，孕育出復(fù)雜且全新的屬性。

那“基本”又是什么意思呢？元素周期表上的原子，曾經(jīng)被認(rèn)為是物質(zhì)的基本單元，但后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)，原子由電子、質(zhì)子和中子構(gòu)成。

其實(shí)，事物可以在某個(gè)層次上是“基本”的：原子對(duì)于化學(xué)研究來(lái)說(shuō)是基本的，但對(duì)于核物理來(lái)說(shuō)，就不是最底層的存在。

我們永遠(yuǎn)無(wú)法確定，自己是否找到了宇宙最根本的單元——質(zhì)子由夸克構(gòu)成，弦理論還在試圖尋找比夸克更低的層次。

所以，“最根本”這個(gè)概念，其實(shí)早已超出了科學(xué)的范疇，更多是一種人類的執(zhí)念。

粒子最初的定義很簡(jiǎn)單：有明確的位置和動(dòng)量，是一個(gè)獨(dú)立的“小顆粒”。但量子力學(xué)徹底推翻了這一點(diǎn)——粒子的位置和動(dòng)量，無(wú)法同時(shí)被精確確定。

在現(xiàn)代物理學(xué)里，粒子的本質(zhì)是“量子場(chǎng)的激發(fā)”。那量子場(chǎng)又是什么？這是一個(gè)聽起來(lái)抽象，卻能通過(guò)日常現(xiàn)象理解的概念。

法拉第最早提出了“場(chǎng)”的概念，用來(lái)解釋磁鐵如何影響遠(yuǎn)處的指南針：每個(gè)磁鐵都是磁場(chǎng)的源頭，移動(dòng)磁鐵就會(huì)改變磁場(chǎng)，指南針受到磁場(chǎng)影響就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

在量子場(chǎng)論里，場(chǎng)和粒子是共生的關(guān)系——場(chǎng)由粒子構(gòu)成，而粒子又是場(chǎng)的激發(fā)態(tài)，兩者缺一不可。

這就像浴缸里的漩渦：漩渦的孔洞像粒子，圍繞孔洞旋轉(zhuǎn)的水流像場(chǎng)。沒有水，就不會(huì)有漩渦；沒有漩渦，也不會(huì)有這樣旋轉(zhuǎn)的水流。

爭(zhēng)論粒子和場(chǎng)誰(shuí)更根本，就像爭(zhēng)論一個(gè)房間是墻壁更重要，還是空間更重要一樣，本身就是一個(gè)沒有意義的問題。

再舉個(gè)更直觀的例子：一長(zhǎng)串原子排列在一起，就像一條彈性項(xiàng)鏈，輕輕敲擊其中一個(gè)原子，振動(dòng)會(huì)沿著項(xiàng)鏈依次傳遞。

在粗粒化層面（也就是模糊視線，看不到單個(gè)原子時(shí)），這種振動(dòng)就可以被看作是一種粒子——比如我們之前提到的聲子，就是傳遞聲音的涌現(xiàn)粒子。

有人說(shuō)，涌現(xiàn)粒子只是“準(zhǔn)粒子”，不是真正的粒子，只是人類為了方便描述而虛構(gòu)的概念？這個(gè)說(shuō)法，被一個(gè)簡(jiǎn)單的鋁箔實(shí)驗(yàn)徹底打臉。

實(shí)驗(yàn)中，電子穿過(guò)鋁箔時(shí)，能量損失總是某個(gè)最小值的整數(shù)倍——1倍、2倍，絕對(duì)不會(huì)出現(xiàn)1.2倍、1.5倍這樣的情況。

為什么會(huì)這樣？因?yàn)殡娮釉阡X箔里產(chǎn)生了“等離子體激元”這種涌現(xiàn)粒子，而每個(gè)等離子體激元，都需要固定的能量才能產(chǎn)生。

這就像你去買蘋果，只能買整個(gè)，不能買半個(gè)，足以證明這些涌現(xiàn)粒子是真實(shí)存在的，不是虛構(gòu)的概念。

還有我們熟悉的貓頭鷹：貓頭鷹是真實(shí)存在的，但它也是一種涌現(xiàn)現(xiàn)象——我們可以用原子的排列，來(lái)描述貓頭鷹的構(gòu)成。

更關(guān)鍵的是，涌現(xiàn)粒子和基本粒子的數(shù)學(xué)描述完全相同，從科學(xué)的角度來(lái)看，它們的真實(shí)程度是一樣的，沒有高低之分。

最近科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的一類涌現(xiàn)粒子，更加神奇：在某些特殊的晶體里，明明沒有電子，卻能“變”出電子來(lái)！

比如量子自旋冰，這種晶體里只有帶磁場(chǎng)的離子，沒有任何電子，但卻涌現(xiàn)出了電子、磁單極子——也就是只有北極或南極的磁鐵，這是我們?cè)趯W(xué)校里學(xué)過(guò)“不可能存在”的東西，甚至還涌現(xiàn)出了光子。

除了這些，還有更多奇特的涌現(xiàn)粒子：任意子，交換兩個(gè)任意子的位置后，它們會(huì)變成完全不同的粒子；自旋子，電子的電荷和自旋居然能分開，各自獨(dú)立運(yùn)動(dòng)；

還有一種玻色子，它的電荷可以處于正負(fù)疊加的狀態(tài)，打破了我們對(duì)電荷的傳統(tǒng)認(rèn)知。你能想象到的任何粒子，幾乎都能在某種特殊晶體里找到對(duì)應(yīng)的涌現(xiàn)粒子。

物理學(xué)家格里戈里·沃洛維克在《氦液滴中的宇宙》里寫道：如果我們縮小到原子大小，在液氦里游泳，會(huì)看到各種涌現(xiàn)粒子，它們和我們現(xiàn)在認(rèn)知的基本粒子一樣真實(shí)。

這句話讓人細(xì)思極恐：我們生活的宇宙，會(huì)不會(huì)也是某種量子流體里的涌現(xiàn)現(xiàn)象？我們眼中的基本粒子，會(huì)不會(huì)也是更高層次集體行為的“產(chǎn)物”？

如果這個(gè)猜想是真的，那么物理學(xué)里的很多未解之謎——比如暗物質(zhì)、暗能量的本質(zhì)，可能就有了全新的答案。

溫曉剛等學(xué)者也提出，這種“涌現(xiàn)視角”，比弦理論更根本：弦理論需要假設(shè)各種粒子的類別，而在量子流體里，這些粒子類別會(huì)自然涌現(xiàn)，不需要額外假設(shè)。

更重要的是，這些理論的某些部分，已經(jīng)可以用現(xiàn)有技術(shù)驗(yàn)證。比如任意子，就被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的可行途徑之一，正在被科學(xué)家們深入研究。

看到這里，你覺得我們的宇宙，是“最小粒子堆出來(lái)的沙灘”，還是“充滿涌現(xiàn)奇跡的魔法世界”？

道家經(jīng)典《莊子》里的混沌思想，和量子物質(zhì)的視角不謀而合——世界不是由單一公式推導(dǎo)而來(lái)，也不是由最小單元簡(jiǎn)單堆砌而成。

它更像是從各種理論的泥沼里，自然生長(zhǎng)出來(lái)的美麗存在，充滿了未知和驚喜。