《蚁人》，有关缩小的物理，以及希格斯波色子

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《蚁人》，有关缩小的物理，以及希格斯波色子

发布于2015-09-21 11:48:01 来源:boingboing.net 编辑:范轶伦作者:Jim Kakalios 翻译 Zwei 阅读(7021) 评论(0)

无论大小，无论胖瘦，所有人，无论他们是谁，无论他们在哪里，都有大约1克每立方厘米的密度。这是水的密度，而考虑到我们体内基本上都是水，这也是我们的密度。几年前，通过大规模国际合作的上千科学家发现了物质被赋予质量的机制。而在五十多年前，一位独自工作的科学家发现了关于体积的秘密。

2012年七月四日，在瑞士日内瓦CERN强子对撞机工作的物理学家们宣布了希格斯波色子的成功探测。这一很久以来就被预言存在的基本粒子是对希格斯场理论的一剂强心剂。关于希格斯波色子存在的证明回答了科学中的一个基本问题——为什么不同的粒子，诸如电子或光子，有不同的质量。无处不在的希格斯场可以被想作所有粒子必须流经的液体。如果液体很稠或是很稀，那么粒子会更难或更易移动，因此它有了更重或更轻了的质量。这种“液体”的密度取决于粒子与希格斯场相互作用的大小。希格斯场作用机制的证实使物理学家们明白为何原子拥有它们各自的质量。

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漫威漫画惊奇故事系列的27号作品（封面日期1961年11月）提供了关于原子为何有它们相应的大小的见解。在《人在蚁山》一则中，汉克•皮姆博士作出了该世纪最重大的科学突破——接着立即把他的发现倒进了下水道。皮姆合成了一种可以缩小任何物体的万灵药，包括他自己。当他把这种合成物泼到自己皮肤上时，他缩小至了昆虫的大小。在一座蚁山中，他展开了一段惨痛的历险。当成功逃脱并恢复到原本大小，他就立即销毁了这一隐含巨大危险的配方。这种神奇的药剂本质上是关于一种新的基本粒子的运输系统。这种基本粒子被称作皮姆粒子，它可以控制物体的大小！如果我们知晓如何改变物质和希格斯场之间的关联力（我们并不知晓），我们就可以改变任何物体的质量，随心所欲地使其变重或变轻。与希格斯粒子类比，皮姆粒子被假定为环绕我们的皮姆场的产物。汉克•皮姆显然不仅通过皮姆粒子而发现了相应的皮姆场，还发现了如何改变原子和该场之间的关联，因此可以依照需求使物体改变大小。

现在，科学家们的确知道了为何原子拥有它们相应的大小。它的结果对那些真实世界的狂想家或许是个坏消息。在将近一个世纪前，研究原子的构成以及其与光相互作用的物理学分支，量子力学，使物理学家们得以计算一个原子的平均半径。一个原子包括由带正电荷的质子和电中性的中子构成的原子核，以及环绕着它运动的轻上许多、带负电核的电子。原子核中的质子吸引电子，好比质量巨大的太阳拉动太阳系中的行星运动一般。

起先，物理学家们以为这种类比是近乎准确的，电子在原子核周围作椭圆轨道运动。然而，在1920年代中期，海森堡和薛定谔的工作发现用“粒子轨道”来描述电子运动在任何程度上都是没有意义的。不如说，最好的描述方式，是在离原子核给定的距离上测量到电子的出现概率。毫无疑问，有了这个概率分布就可以算出电子到原子核的平均距离，这可以作为原子半径的代替值。一种近似后的计算发现原子的平均半径由基本常数确定，诸如电子的质量和电荷量，介电常数（决定了电磁场的强度），普朗克常数（决定了量子效应的规模）和常数4π。所有这些常数都有一个共同点——它们是定值且不可改变。所有原子，除了极轻的那些，大致上都是相同的大小——它们的直径是大约1/3纳米（10亿分之一米）。

而这就是为何让你自己变大或变小如此之难的原因。你不能仅仅增加或移走原子，毕竟，无论怎么说，它们该从何而来或移去哪里？你在哪里储存它们？以及当你希望恢复原有的大小，你如何确保它们都回到该去的地方上呢？在漫画中，作者假定皮姆粒子通向宇宙维度（谁听说过？），多余的质量在此维度上来去，但我们在此尽力保持严肃。或者你也不能仅仅把原子们挤得更近一些。你体内的原子保持着直接的物理接触，电子和相邻原子之间的斥力使它们不能再靠近，除非施加足以和地球核心处媲美的压力。如果想要改变你自己的大小，你得做出不可思议的事情，也就是使某个决定你体内原子大小的物理常量不再是常量。而这就是汉克•皮姆博士的天才（虚构）显现的地方。

皮姆场被假定能做到的，是改变这些常量的数量级。举个例子，如果普朗克常数能再变小十倍，而它已经是一个很小的数字了，那么所有受影响的原子的半径都会相应地缩小一百倍。一位六英尺高的人就会缩水至3/4英寸，几乎小到可以骑在一只工蚁上了。当然，一个原子的半径（直径的一半）只是长度上的，而三维的体积就会缩小一百万倍。

图一蚁人缩水时密度不变，他的质量与体积一同减小，因此当他坐在蚂蚁身上时不会将其压扁

然而，这位蚂蚁大小的人有直接坐穿地板的危险。皮姆场改变了一个人身上原子的大小，却没有改变原子的数量或是质量。他称起来仍旧和在初始高度时一样重，但现在所有的质量都被压缩到很小的体积里。他脚下的压强会比原始大小增强了一万倍，如果他当真要在缩小情况下坐到一只蚂蚁的身上，蚂蚁会立即被压扁。

所以，怎样避免这一惨剧的发生呢？显然当汉克•皮姆的体积缩水一百万倍时，他的质量也减小了相同的倍数，因此质量与体积的比值，也就是密度，保持不变。他在蚂蚁体型下与他的正常体型保持了同样的密度——一克每立方厘米。因此他能够骑上蚂蚁而不伤害它们。但矛盾的是，无论蚁人的漫画书还是电影都强调了我们的英雄在蚂蚁体型时的力量并没有缩水。

图二在体积缩小后密度不变对于骑在蚂蚁背上是大有益处的，就像第一幅漫画一样，但会使人禁受不起空气中的一道激流

一击的力量取决于二头肌的横截面积，而不是它的长度。在蚂蚁尺寸下，这个力量会相对变小，但你拳头的横截面积缩小了相同的倍数，因此一击所造成的压强是不变的。但是否有方法来增强这个力量，使他把全身重量都压到一击之上时，这个重量是他的原本重量而不是蚂蚁大小的重量呢？

达成这个的一种路径是通过希格斯场（控制原子的质量）和皮姆场（影响原子的大小）之间的相互作用。当蚁人需要骑在一只飞翔的蚂蚁之上时，皮姆粒子和希格斯粒子之间有很强的联系，使其中之一的削减造成另一个的削减，因此他的密度保持不变。而当蚁人需要打晕保安或扔走玩具火车时，希格斯场和皮姆场之间的联系被打破了。这一时刻他的体型仍旧很小，却恢复了完整体型下的重量。体重160磅的成人打出的一击，被约束在缩水后的拳头的表面积上，这当然会释放出很大的压强。至于蚁人如何随心所欲地让这两种基本场关联以及去相关——怎么说呢，超级英雄一定拥有他们的秘密，但我愿意打赌这个秘密与宇宙维度和量子领域有关。