宇宙里的物质，为什麽会长成现在这副模样？


    这个问题听起来很虚，但它其实具体得不能再具体了。


    如果我们把眼前的世界拆开。


    这张病床也好，人的身体也罢，一直拆，拆到分子，拆到原子，再拆到原子核……


    直到最後就只剩下了上夸克、下夸克、电子，外加一种几乎不与万物打交道的中微子了


    大家都知道，质子是两个上夸克加一个下夸克，中子是一个上夸克加两个下夸克。


    整个可见宇宙，从一粒尘埃到一颗恒星，从人的眼泪到病房外的夜色，全部是用这几个零件搭出来的。


    而这几个零件，各自带着一个电荷：+2/3、-1/3、-1、0。


    这就是万物的零件清单。


    那麽问题来了。


    为什麽是这几个零件？


    为什麽这几个零件要带这几个电荷呢？而不是别的？


    这个问题，困扰了物理界整整一百年。


    在1909年的时候，密立根用油滴实验测出了电子的电荷，从而确定了自然界中一切电荷，都是基本电荷的整数倍。


    这条结论是现代物理大厦里最牢固的几块砖头之一。


    1964年，盖尔曼提出夸克模型，给质子和中子内部的组分指定了+2/3和-1/3的分数电荷。


    这在当时看来，简直就是离经叛道到，连盖尔曼本人都只是把夸克当成记账用的数学符号，不敢对外宣称它们的存在。


    直到斯坦福的深度非弹性散射实验轰出了质子内部的点状结构，物理学界才不得不承认，分数电荷是真的存在。


    但是它们为什麽偏偏是+2/3和-1/3？


    答案是……没有为什麽。


    在粒子物理的标准模型里，每种粒子的荷是一个自由参数。


    打个比方，标准模型就像一台刚出厂的机器，理论物理学家们造出了这台机器，可机器面板上有十九个旋钮，每个旋钮该拧在哪个刻度上，说明书上一个字都没有写。


    而物理学家能做的只是去读刻度，然後老老实实的记进教科书里。


    电子的电荷是负一？为什麽？，不知道，因为说明书上没写，所以记下来就是了。


    这个问题就像是问，光速为什麽是每秒二十九万九千七百九十二公里一样，没有为什麽，这就是宇宙的出厂设置。


    一百年来，所有人都接受了这个回答。


    除了病床上这位老人和他的朋友。


    而这两个人，恰好是全世界最有资格不接受这个答案的人。


    现代物理学描述基本相互作用的那座大厦，叫做规范场论。


    它用同一套数学语法，写出了三种看着毫不相干的力：让磁铁相吸的力、让原子核不散架的力、让太阳燃烧了五十亿年的力。


    而这套语法的奠基方程，正是杨先生在1954年和米尔斯一起写下的杨-米尔斯方程。


    换句话说，那台“机器”的图纸，有一半是杨先生画的。


    而威滕则是把这张图纸往数学深处又推了几十米的人。


    他在1988年开辟的拓扑量子场论，用物理学家的直觉给出了一大堆数学家自己都证不出来的定理，也让他成了至今唯一一位摘得菲尔兹奖的物理学家。


    一个人画了图纸，另一个人把图纸读到了连数学家都要仰视的深度。


    这两个人凑在一起，问的就是那个所有人都放弃了的问题。


    只不过，他们换了一个问法。


    他们不问“宇宙为什麽选了这套参数”，这个问题没法用纸笔回答。


    他们问的是：什麽样的理论，在数学上是被允许存在的？


    杨先生缓缓说道。


    “我们检查了很多理论，规范群的选取、物质场的表示、荷的指定，换了几千种组合。”


    “但绝大多数组合，都活不下来。”


    这里的活不下来，指的是理论物理里的量子反常的相消。


    反常的相消是什麽意思呢？


    一个物理理论，本质上就是一本账。


    在经典物理的层面上，这本账可以记得漂漂亮亮，每一笔收支都对得上。


    可一旦把量子效应加进去，有些账本就会冒出一笔怎麽都抹不平的赤字。


    这个赤字，术语上就叫反常。


    带着反常的理论有多严重？它意味着这个理论里所有可能性的概率加起来不等於百分之百，它有可能等於百分之一百二十。


    你能想象一枚硬币出现正面和出现反面的概率等於百分之一百二十吗？


    这样的宇宙还能运转吗？


    所以带反常的理论不是对或者错的问题，它连存在的资格都没有。


    把那多余的百分之二十抹平就是反常相消，这是一切理论的入场券。


    而粒子物理里有一个着名的事实：我们这个现实宇宙的标准模型，这笔账恰好是平的。


    这事有多离奇，举个例子就明白了。


    就好比几十个素不相识的人，都往同一个账户里存钱取钱，谁也不知道别人存了多少。


    年底一看账户，好家夥余额刚好是零。


    几十年来，物理学家一直把这件事当成一个幸运的巧合。


    杨先生和威滕做的就是要问问这个巧合。


    他们不引用任何实验数据，只把账必须平当成唯一的筛选条件，然後去检查所有可能的物质场配置。


    什麽样的荷、几种粒子、如何组合，才能活下来？


    “可是……”


    杨先生继续说道。


    “极少数活下来的解，全部都有一个共同的特征。”


    威滕听到这里也抬起了头。


    “物质场的荷，被锁死了。”


    “不管换哪一种规范群、哪一种表示，只要账能算平，荷的取值就只剩下唯一的一组解。”


    “而且物质场必须成套出现，套数只能是三的倍数。”


    “多一套账算不平，少一套也不行。”


    杨先生说完就闭上了眼睛。


    李东盯着手稿上那一列数字。


    +2/3、-1/3、-1、0。


    所以那些旋钮，根本就不能旋转，因为他们是焊死的，你动不了，只能看。


    但杨先生和威滕从头到尾没有看。


    他们只要求一件事：数学不许自相矛盾。


    然後数学就把那些被宣判为没有为什麽的出厂参数硬生生给出了一组取值。


    而那组取值，恰好就是上夸克的+2/3，下夸克的-1/3，电子的-1，中微子的0。


    恰好就是万物的那份零件清单。


    还有杨先生刚才话里的另一个数字。


    物质场必须成套出现，套数只能是三的倍数。


    这个三，对应着现实里另一件怪事。


    前面说过，万物的零件清单就四样：上夸克、下夸克、电子、中微子。


    但严格说起来，这四样只是第一代。


    现实中，它们每一样都还有两份复制品，所有量子数完全相同，就是一份比一份重。


    物理学家管这叫第二代、第三代物质。


    相当於同一张设计图纸，被宇宙印了三遍，零件的规格一样，只是用的材料一份比一份重。


    更怪的是，多出来的这两代，在日常世界里根本派不上用场。


    搭原子，用第一代就够了。


    第二代、第三代造出来转瞬就衰变掉了。


    1936年缪子被发现的时候，物理学家拉比留下过一句流传至今的话：这是谁点的菜？


    八十多年过去了，没有人知道宇宙为什麽要把同一份零件清单复印三遍。


    代的数目，至今仍是标准模型最着名的未解之谜之一。


    可在这份手稿的计算里，三不是谜。


    三是约束。


    少於三套，账算不平。不是三的倍数，账也算不平。


    那麽，这份手稿回答了，宇宙里的物质，为什麽长成现在这副模样吗？


    远远没有。


    手稿上的计算只覆盖了很小的一类理论，用的近似也很粗糙。


    它甚至算不上一个方向，只能算是一道门缝。


    可就是这道门缝里透出来的光，已经足够刺眼了。


    因为它意味着，那个被全世界的教科书宣判为没有为什麽的问题，背後可能藏着一个为什麽。


    李东想到这里，看着眼前的两人，突然觉得他们真牛逼。


    物理学家花了一百年，用加速器、用探测器、用一代又一代人的青春，才一点点测绘出万物的零件清单。


    他们只是在纸上要求数学不许打架，那份清单就自己浮现了出来。


    这听上去应该是数学的胜利。


    可不知道为什麽，它反而让人不安。


    因为它意味着，这个宇宙的结构不是测出来的。


    是被规定好的。


    被某种比宇宙本身更深的东西规定好的。


    可那个东西是什麽？


    没有人知道。


    至少杨先生和威滕不知道。


    “很反直觉，“威滕放下手稿，看着杨先生说道，“如果只看单个解，这些数字可以理解为巧合。”


    “但所有活下来的解全部指向同一组数字的时候，巧合这个词就不够用了。”


    “可我们没办法解释为什麽。”


    杨先生睁开眼睛，看着窗外漆黑的天。


    “可惜时间不多了。”


    “要是能亲眼知道，这到底是为什麽，那该有多好。”