被真正的科學所激發(fā)的白日夢：諾獎得主Gerard 't Hooft的科學紀實小說
杰拉德·特·胡夫特（Gerard 't Hooft）是當今世界最有影響力的理論物理學家之一，因“闡明物理學中電弱相互作用的量子結構”而獲得1999年諾貝爾物理學獎，同時他還獨立發(fā)現了量子色動力學的漸進自由，提出了量子引力中的全息原理，他在弦論和黑洞方面的工作，推動了量子引力研究的進步。
《玩轉星球》（中文版由中國科學技術大學出版社出版）是特·胡夫特教授的一部科學紀實小說，即“基于科學事實的小說”。關于科學紀實小說、關于為何創(chuàng)作《玩轉星球》，他有以下表述：
“我們未來的生活會是什么樣的呢？書店里那些科幻小說能否為我們提供好的指導呢？這些書籍中的虛構成分遠大于科學成分，而其中的科學也經常是錯誤的……如果你真的想了解我們未來的世界，就不應該忽視當下已知的科學，并且你還必須找到一些‘空白點’?！?/span>
“當你把科幻小說中的‘虛構’成分拿掉，就會得到所謂的‘科學紀實小說’，在這里，我們將會用科學事實來推測未來?！?/span>
“這本書的重點是探索新發(fā)展與新想法，同時否定與我們所理解的物理學法則不相容的事情。我本應該創(chuàng)造一個有趣而浪漫的科幻小說故事，里面有好人有壞人，有有趣的情節(jié)和許多相關的場面，在一次令人難以置信的死里逃生后，好人創(chuàng)造了神奇的幸福結局，或者類似的效果。但是，這種創(chuàng)造性的寫作不是我的特長，而且它會對我真正想告訴你的事情造成干擾。你可以發(fā)揮自己的想象力，讓這些故事里的女主角大膽地去那些人類還沒有去過的地方。”
“我的目標是對科學事實決不能視而不見，在預測未來時，我所相信的事實是不能被忽視的。盡管有了這些固有的限制，我們前方的世界依然精彩至極。這就是我想要描述的世界，不管現在還是未來，我堅持要讓自己的想象瘋狂起飛。”
可以說，特·胡夫特教授的這本紀實小說，為我們提供了一個“基于科學事實”的小說背景，在此背景下可能演繹著怎樣驚心動魄的故事和引人入勝的動人情節(jié)呢？讀者可以充分發(fā)揮自己的想象力和創(chuàng)作才華。
《玩轉星球》討論了機器人、人工智能、氣候變化等主題。以下內容選自本書“物質的內部”章節(jié)，經中國科學技術大學出版社授權刊登。科幻小說中經常出現的一個情節(jié)：我們人類難以看清螞蟻等微小的生物，機緣巧合，主角獲得了超能力，不斷變小、變小，進入一個微小的世界，可以更清楚地認識各種小動物。用微小的儀器（如變小后的眼睛）來研究微小的世界，這聽起來很合理，但事情真的會這樣嗎？對于“微小世界”，我們能做什么？
物質的內部
作者：Gerard 't Hooft
譯者：張少華 苗琳娟 楊昕琦
經過多年研究，Prtplwyszpo教授終于實現了他的夢想，建造了一臺收縮機。任何一個從一側小門進入這臺機器的人，從另一側出來的時候，都會縮小約10%。如果一個志愿者重復這個過程七次，他將會縮小到原始尺寸的一半以下。如果通過收縮機的次數足夠，一個物體可以縮小至任何想要的尺寸。上百個循環(huán)后，醫(yī)療團隊便可以通過一個患者的鼻孔，進入患者身體中并到達任何有病癥的區(qū)域，使用顯微儀器進行革命性的手術。手術成功后，醫(yī)療團隊再通過收縮機進行反向放大同樣的次數，便可以使身體恢復到原來的大小。
如果真的如此，世界將會是多么美妙??！然而，收縮之后，醫(yī)療人員體內的原子與分子會有什么樣的變化？它們也會隨之收縮嗎？或者其中一部分會消失？在部分消失的情況下，人體內細胞的細胞核會出現不可修復的損壞，人體便會瞬間死亡。人體內的每一個細胞都含有被稱為DNA（脫氧核糖核酸）的分子，這些DNA分子控制著細胞的功能。DNA分子中的每一個原子都至關重要，如果移除10%，人將瞬間斃命。我們可能還會發(fā)現科幻小說中其他錯誤的假設，收縮機是一個很好的想法，但顯然不具備可實現性。關于微小事物的世界，我們到底又知道些什么呢？
用微小的儀器來研究微小的世界，這聽起來是合理的。昆蟲是不是比人類更能清楚地觀察其他昆蟲？它們的小眼睛，是不是可以進行更近距離更清楚的觀察？如果你有這樣的想法，那么就請再仔細想一想。人類的眼睛是非常敏感的“儀器”，只要有光便可以觀察世界?；疽?guī)律是，探測器的體積越大，其效能便越好，即實際上，大一點兒的眼睛更容易發(fā)現小事物的奧秘。我們的眼睛比昆蟲的大，所以我們比昆蟲更能清楚地觀察微小世界。一只蒼蠅徑直撞上玻璃是因為它看不到灰塵或者玻璃的反射光。同樣的道理，鯨魚的聽力好于人類的聽力。所以，凡是涉及視覺或聽覺等感觀功能的，對效率起主導作用的就是探測器的大小。這樣看來一些動物在進化過程中盡量變大也就不足為奇了。
所以，為了觀測物質的最小粒子，我們需要巨大的儀器。一個坐落于瑞士日內瓦近郊，名為CERN的實驗室，是由歐洲許多國家合作建造的，它的全稱是歐洲核子研究組織。這個實驗室研究的粒子非常小，確切地應該稱之為亞原子核。實驗室里有一個大的環(huán)形隧道，一半在瑞士，一半在法國，總長超過25千米。在這個隧道里，粒子從相反的方向被加速到極大的速度后相撞。產生的能量被記錄在許多儀器上，這些儀器的大小從一輛卡車到一座房子那么大不等，每秒記錄的次數有數百萬。這種方式已經被證明是研究極小物質屬性的最有效方式。
這個研究領域被稱為高能物理，因為需要給粒子注入最大的能量以展示它們最小的細節(jié)，所以如果想精確地測量到粒子的位置，就必須先讓它們達到一個非常高的速度。這一點與海森伯不確定性原理直接相關：不可能同時精確地測量到一個粒子的速度和位置?？茖W理論表明，測量與研究小的尺度需要極高的速度。
和CERN一樣，世界上還有其他幾個實驗室做著相似的研究，它們分別位于美國、德國和日本。這些研究使人們對物質的成分有了令人振奮的新見解。
物質，包括我們自己，大都由稱作分子的粒子組成。每一個分子都由稱作原子的單元組成。每一個原子都由一個非常小的原子核和環(huán)繞原子核的核外電子組成。在常態(tài)環(huán)境下，原子穩(wěn)固如不可改變的玻璃球。但是，多個原子可以通過重新排列來組成不同的分子，外部的電子決定原子之間是結合還是分離，化學正是建立在這個原則之上的。這樣的重新排列過程或許會產生能量，并且能量通常以熱能的形式產生，比如說燃燒過程。原子也會吸收能量，例如在光合作用的過程中，植物在可見光的照射下，會將二氧化碳、水和礦物質轉化為存儲著能量的有機物。
一方面，我們已經能夠確定，電子極小，以至于在數學意義上表現出來的只是一個“點”。簡單地說，實際上我們還不能確定電子的空間結構。但是，它們周邊的空間有一些扭曲或極化，而這種扭曲或極化可以被精確地測量，所以從這個角度而言，電子又的確存在空間結構。
另一方面，原子核有更豐富的空間結構，因為它由兩類不同的粒子組成，即質子與中子，并且它們又由被稱作介子的粒子結合在一起。質子和中子只有通過核反應才能重組為不同的原子核。這個過程涉及的能量比化學反應產生的能量多很多，有時甚至超出百萬倍，這就是我們所說的核能。只有通過核反應，一種原子才有可能變?yōu)榱硪环N原子。
發(fā)現能夠釋放巨大能量的核反應，是物理學歷史上重要的突破，對社會的發(fā)展有著巨大的影響。雖然，因為一些潛在的危險，核物理遭到了公眾的強烈反對，但仍然可以積極地用它來解決一些社會問題。
質子和中子也并不是一成不變的，每一個質子和中子包含三個夸克，夸克由稱作膠子的粒子結合在一起。把質子和中子結合在一起的介子，由一個夸克和一個反夸克組成。和電子一樣，夸克和膠子都是“點”狀的。另外，還有各種奇異夸克和奇異電子變化態(tài)，但它們很稀少，且存在時間很短暫?？淇说闹亟M需要的能量比核反應所需要的能量更多！
還有其他種類的物質粒子，比如說中微子。它極不活躍，幾乎沒有質量，且極難被探測到，但用我們的巨大儀器，已經探測到了它。另外還有暗物質，除了通過它和可見物質之間存在的引力知道它的存在以外，我們對它一無所知。組成暗物質的粒子無疑將不同于我們今天所了解的那些粒子。
我即將要對“微小世界”進行總結了，但我為什么寫這些內容呢？我經常被問到，用這點兒科學，我們到底能做些什么？我們能使用夸克和電子產生能量嗎？有夸克計算機嗎？科幻故事依賴于這些想法，可惜現實更為理智與真實?？梢韵胂螅瑫腥碌目茖W發(fā)現，比如說一類可以作為核反應催化劑的基本粒子，它們產生的能量比核反應產生的能量更多。目前這可能被認為是不可能的，但我們所了解的物理學卻告訴我們原則上這是可能的。所謂的“磁單極子”可能就是這樣一種粒子。關于這種粒子的討論已超出本書的范疇，但在這種粒子的幫助下，所有的物質都可能被轉化為能量，而并不是像我們熟知的核反應中僅有一小部分物質可被轉化為能量。但是，我們并沒有確切的證據證明這種粒子的存在，更不用說有能力去創(chuàng)造它。很大的可能性是，這永遠無法實現，但誰又知道呢？
基本粒子的特性只有在用很大的力量讓它們對撞時才能測定。這個過程需要巨大的能量，也會流失許多能量。所以，研究夸克和膠子的儀器通常會吸收巨量的能量。當我們對這些粒子的特性產生研究興趣的時候，這些都不會是問題；相反地，這些粒子會引發(fā)美妙的挑戰(zhàn)。但這并不能使它們具有很高的實用價值，比如說得到夸克計算機。更為重要和必要的是，我們應當拿這個課題與對遙遠的恒星與星系的研究做對比，從而加深我們對宇宙及我們在宇宙中所處位置的理解。
那什么是可實現的？我們可以制造極小的裝置嗎？計算機元件、機器人、探測器到底可以有多小呢？實際上，極小裝置的極限在原子級別。原子可以通過復雜的化學反應為我們工作。實際上，在化工廠，它們已經在工作了。其中的最精彩之處就在于，當我們把它們放在一起，我們弄清了有多少個原子存在并且發(fā)生了怎樣復雜的相互作用之時。當我們意識到這些原子有多小，也就不難想象還有多少空間有待發(fā)現。我們不需要夸克，把我們對未來的夢想構建在原子層面更為現實。
原子世界的復雜性在日常生活中表現得非常明顯，比如說它們的用處之一——可參與各種復雜的化學反應。所有的生命都基于它們，任何活體器官的功能信息都存儲在螺旋狀DNA分子中，體細胞可以即時訪問到這些信息，就像它們是先進的超級計算機。當生物化學這樣的學科想去記錄存儲在DNA分子中的信息，或者想去揭示每個活細胞中的“計算機”如何運作時，也只是觸及了這個領域的表面。
理想中，我們可以分析物體，并對其進行原子級的構建或重構。但是目前我們還遠沒有能力做這樣的事情。在這個話題上，我不想輕易否決什么，我們還有很長的路要走，而且一定會聽到更多與這個話題相關的聲音。
書名：《玩轉星球》
著者：杰拉德·特·胡夫特
譯者：張少華 苗琳娟 楊昕琦
出版社：中國科學技術大學出版社
出版時間：2018年7月
來源：墨子沙龍
