很简单的数学，很夸张的数字

我们的目的不过是让你了解这门已经发展起来的新物理学的一些理论，这些理论能帮助你理解原子和分子诡异的微观世界。我们只对读者有两个小小的要求：第一，对眼前世界充满好奇；第二，熟练掌握偏微分方程。噢，别走！我们在开玩笑。我们给文科的大一新生上了很多年的课，非常理解“外行人”对数学的恐惧和厌恶。所以，我们不用数学，至少不用很多数学，只偶尔会用到一点点。

科学家关于世界的诠释应该作为每个人教育的一部分。在古希腊人放弃神话并开始寻求对宇宙的理性解释之后，量子理论是最具颠覆性的理论，它极大地扩展了人类的认知范围。但近代科学家扩展我们的智力边界也是有代价的，代价就是我们需要接受量子理论和一大堆反直觉的诡异结果。记着，这种代价很大程度上是由于旧的牛顿体系在描述原子的全新世界时所遭遇的失败。不过，我们科学家仍会尽最大努力，去扩展我们认知的边界。

因为量子理论将我们带入了一个非常小的领域，我们不妨从这里开始用科学记数法（比如104），以达到化繁为简的目的。请不要被吓到，我们在后面可能会反复用到它。这仅仅是一种用10的若干次方的形式来表示非常大或非常小的数字，比如说，104就是1后面跟着4个零（也就是10的4次方），即10000；对应的，10-4就是小数点后面有4位，即0.0001（或者表示为1/10000）。

自然界中的一些长度和距离就可以用科学记数法表示：

• 1米是一个典型的人类量级的尺寸：一个小孩的高度、胳膊的长度、一大步的距离。
• 1厘米，或者10-2米（读作“十的负二次方米”）差不多是指甲盖、一只蜜蜂或一颗腰果的长度。
• 10的负四次方米，即10-4米，针尖或蚂蚁腿的尺寸。目前为止还都是经典的牛顿物理支配的范围。
• 1微米，即10-6米，我们将进入活细胞中大分子的世界，比如DNA。在这里，量子现象开始出现。这个尺度也接近可见光的波长了。
• 一个金原子的大小约为10-9米。最小的原子、氢原子的大小接近10-10米。
• 一个原子的原子核为10-15米；一个质子或中子的大小是10-16米，在这个尺度以下，我们会在质子内发现夸克。10-19米则是目前最强大的加速器——在瑞士日内瓦的大型强子对撞机（LHC）——能够直接探测到的最小尺寸。
• 10-35米是我们相信存在的最小量级的距离，在这个尺度上量子效应使得距离本身已经失去了意义。

我们从实验中知道，要想了解从原子（10-9米）到原子核（10-15米）范围的现象，量子理论是可用的，也是必须用的。换个说法，原子核的大小是千万亿分之一米。此前，科学家用费米实验室的万亿电子伏特加速器（Tevatron）在10-18米的尺度上实验，并未发现量子力学不再适用的迹象，这是那时我们能探索到的最小尺度。当欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机投入运行后，科学家们把这个尺度进一步缩小了一个量级。这个陌生的极微观世界，与我们的日常生活相距遥远，发现它远不像欧洲人发现美洲大陆那样简单。事实上，既然宇宙就是完全由亚原子核世界的“公民”所组成，所以这个陌生的新世界，其实就是我们熟悉的那个世界，而宇宙的属性、它的过去和将来也将由量子理论所揭示。