被真正的科学所激发的白日梦：诺奖得主gerard 't hooft的科学纪实小说
杰拉德·特·胡夫特（gerard 't hooft）是当今世界最有影响力的理论物理学家之一，因“阐明物理学中电弱相互作用的量子结构”而获得1999年诺贝尔物理学奖，同时他还独立发现了量子色动力学的渐进自由，提出了量子引力中的全息原理，他在弦论和黑洞方面的工作，推动了量子引力研究的进步。
《玩转星球》（中文版由中国科学技术大学出版社出版）是特·胡夫特教授的一部科学纪实小说，即“基于科学事实的小说”。关于科学纪实小说、关于为何创作《玩转星球》，他有以下表述：
“我们未来的生活会是什么样的呢？书店里那些科幻小说能否为我们提供好的指导呢？这些书籍中的虚构成分远大于科学成分，而其中的科学也经常是错误的……如果你真的想了解我们未来的世界，就不应该忽视当下已知的科学，并且你还必须找到一些‘空白点’。”
“当你把科幻小说中的‘虚构’成分拿掉，就会得到所谓的‘科学纪实小说’，在这里，我们将会用科学事实来推测未来。”
“这本书的重点是探索新发展与新想法，同时否定与我们所理解的物理学法则不相容的事情。我本应该创造一个有趣而浪漫的科幻小说故事，里面有好人有坏人，有有趣的情节和许多相关的场面，在一次令人难以置信的死里逃生后，好人创造了神奇的幸福结局，或者类似的效果。但是，这种创造性的写作不是我的特长，而且它会对我真正想告诉你的事情造成干扰。你可以发挥自己的想象力，让这些故事里的女主角大胆地去那些人类还没有去过的地方。”
“我的目标是对科学事实决不能视而不见，在预测未来时，我所相信的事实是不能被忽视的。尽管有了这些固有的限制，我们前方的世界依然精彩至极。这就是我想要描述的世界，不管现在还是未来，我坚持要让自己的想象疯狂起飞。”
可以说，特·胡夫特教授的这本纪实小说，为我们提供了一个“基于科学事实”的小说背景，在此背景下可能演绎着怎样惊心动魄的故事和引人入胜的动人情节呢？读者可以充分发挥自己的想象力和创作才华。
《玩转星球》讨论了机器人、人工智能、气候变化等主题。以下内容选自本书“物质的内部”章节，经中国科学技术大学出版社授权刊登。科幻小说中经常出现的一个情节：我们人类难以看清蚂蚁等微小的生物，机缘巧合，主角获得了超能力，不断变小、变小，进入一个微小的世界，可以更清楚地认识各种小动物。用微小的仪器（如变小后的眼睛）来研究微小的世界，这听起来很合理，但事情真的会这样吗？对于“微小世界”，我们能做什么？
物质的内部
作者：gerard 't hooft
译者：张少华 苗琳娟 杨昕琦
经过多年研究，prtplwyszpo教授终于实现了他的梦想，建造了一台收缩机。任何一个从一侧小门进入这台机器的人，从另一侧出来的时候，都会缩小约10%。如果一个志愿者重复这个过程七次，他将会缩小到原始尺寸的一半以下。如果通过收缩机的次数足够，一个物体可以缩小至任何想要的尺寸。上百个循环后，医疗团队便可以通过一个患者的鼻孔，进入患者身体中并到达任何有病症的区域，使用显微仪器进行革命性的手术。手术成功后，医疗团队再通过收缩机进行反向放大同样的次数，便可以使身体恢复到原来的大小。
如果真的如此，世界将会是多么美妙啊！然而，收缩之后，医疗人员体内的原子与分子会有什么样的变化？它们也会随之收缩吗？或者其中一部分会消失？在部分消失的情况下，人体内细胞的细胞核会出现不可修复的损坏，人体便会瞬间死亡。人体内的每一个细胞都含有被称为dna（脱氧核糖核酸）的分子，这些dna分子控制着细胞的功能。dna分子中的每一个原子都至关重要，如果移除10%，人将瞬间毙命。我们可能还会发现科幻小说中其他错误的假设，收缩机是一个很好的想法，但显然不具备可实现性。关于微小事物的世界，我们到底又知道些什么呢？
用微小的仪器来研究微小的世界，这听起来是合理的。昆虫是不是比人类更能清楚地观察其他昆虫？它们的小眼睛，是不是可以进行更近距离更清楚的观察？如果你有这样的想法，那么就请再仔细想一想。人类的眼睛是非常敏感的“仪器”，只要有光便可以观察世界。基本规律是，探测器的体积越大，其效能便越好，即实际上，大一点儿的眼睛更容易发现小事物的奥秘。我们的眼睛比昆虫的大，所以我们比昆虫更能清楚地观察微小世界。一只苍蝇径直撞上玻璃是因为它看不到灰尘或者玻璃的反射光。同样的道理，鲸鱼的听力好于人类的听力。所以，凡是涉及视觉或听觉等感观功能的，对效率起主导作用的就是探测器的大小。这样看来一些动物在进化过程中尽量变大也就不足为奇了。
所以，为了观测物质的最小粒子，我们需要巨大的仪器。一个坐落于瑞士日内瓦近郊，名为cern的实验室，是由欧洲许多国家合作建造的，它的全称是欧洲核子研究组织。这个实验室研究的粒子非常小，确切地应该称之为亚原子核。实验室里有一个大的环形隧道，一半在瑞士，一半在法国，总长超过25千米。在这个隧道里，粒子从相反的方向被加速到极大的速度后相撞。产生的能量被记录在许多仪器上，这些仪器的大小从一辆卡车到一座房子那么大不等，每秒记录的次数有数百万。这种方式已经被证明是研究极小物质属性的最有效方式。
这个研究领域被称为高能物理，因为需要给粒子注入最大的能量以展示它们最小的细节，所以如果想精确地测量到粒子的位置，就必须先让它们达到一个非常高的速度。这一点与海森伯不确定性原理直接相关：不可能同时精确地测量到一个粒子的速度和位置。科学理论表明，测量与研究小的尺度需要极高的速度。
和cern一样，世界上还有其他几个实验室做着相似的研究，它们分别位于美国、德国和日本。这些研究使人们对物质的成分有了令人振奋的新见解。
物质，包括我们自己，大都由称作分子的粒子组成。每一个分子都由称作原子的单元组成。每一个原子都由一个非常小的原子核和环绕原子核的核外电子组成。在常态环境下，原子稳固如不可改变的玻璃球。但是，多个原子可以通过重新排列来组成不同的分子，外部的电子决定原子之间是结合还是分离，化学正是建立在这个原则之上的。这样的重新排列过程或许会产生能量，并且能量通常以热能的形式产生，比如说燃烧过程。原子也会吸收能量，例如在光合作用的过程中，植物在可见光的照射下，会将二氧化碳、水和矿物质转化为存储着能量的有机物。
一方面，我们已经能够确定，电子极小，以至于在数学意义上表现出来的只是一个“点”。简单地说，实际上我们还不能确定电子的空间结构。但是，它们周边的空间有一些扭曲或极化，而这种扭曲或极化可以被精确地测量，所以从这个角度而言，电子又的确存在空间结构。
另一方面，原子核有更丰富的空间结构，因为它由两类不同的粒子组成，即质子与中子，并且它们又由被称作介子的粒子结合在一起。质子和中子只有通过核反应才能重组为不同的原子核。这个过程涉及的能量比化学反应产生的能量多很多，有时甚至超出百万倍，这就是我们所说的核能。只有通过核反应，一种原子才有可能变为另一种原子。
发现能够释放巨大能量的核反应，是物理学历史上重要的突破，对社会的发展有着巨大的影响。虽然，因为一些潜在的危险，核物理遭到了公众的强烈反对，但仍然可以积极地用它来解决一些社会问题。
质子和中子也并不是一成不变的，每一个质子和中子包含三个夸克，夸克由称作胶子的粒子结合在一起。把质子和中子结合在一起的介子，由一个夸克和一个反夸克组成。和电子一样，夸克和胶子都是“点”状的。另外，还有各种奇异夸克和奇异电子变化态，但它们很稀少，且存在时间很短暂。夸克的重组需要的能量比核反应所需要的能量更多！
还有其他种类的物质粒子，比如说中微子。它极不活跃，几乎没有质量，且极难被探测到，但用我们的巨大仪器，已经探测到了它。另外还有暗物质，除了通过它和可见物质之间存在的引力知道它的存在以外，我们对它一无所知。组成暗物质的粒子无疑将不同于我们今天所了解的那些粒子。
我即将要对“微小世界”进行总结了，但我为什么写这些内容呢？我经常被问到，用这点儿科学，我们到底能做些什么？我们能使用夸克和电子产生能量吗？有夸克计算机吗？科幻故事依赖于这些想法，可惜现实更为理智与真实。可以想象，会有全新的科学发现，比如说一类可以作为核反应催化剂的基本粒子，它们产生的能量比核反应产生的能量更多。目前这可能被认为是不可能的，但我们所了解的物理学却告诉我们原则上这是可能的。所谓的“磁单极子”可能就是这样一种粒子。关于这种粒子的讨论已超出本书的范畴，但在这种粒子的帮助下，所有的物质都可能被转化为能量，而并不是像我们熟知的核反应中仅有一小部分物质可被转化为能量。但是，我们并没有确切的证据证明这种粒子的存在，更不用说有能力去创造它。很大的可能性是，这永远无法实现，但谁又知道呢？
基本粒子的特性只有在用很大的力量让它们对撞时才能测定。这个过程需要巨大的能量，也会流失许多能量。所以，研究夸克和胶子的仪器通常会吸收巨量的能量。当我们对这些粒子的特性产生研究兴趣的时候，这些都不会是问题；相反地，这些粒子会引发美妙的挑战。但这并不能使它们具有很高的实用价值，比如说得到夸克计算机。更为重要和必要的是，我们应当拿这个课题与对遥远的恒星与星系的研究做对比，从而加深我们对宇宙及我们在宇宙中所处位置的理解。
那什么是可实现的？我们可以制造极小的装置吗？计算机元件、机器人、探测器到底可以有多小呢？实际上，极小装置的极限在原子级别。原子可以通过复杂的化学反应为我们工作。实际上，在化工厂，它们已经在工作了。其中的最精彩之处就在于，当我们把它们放在一起，我们弄清了有多少个原子存在并且发生了怎样复杂的相互作用之时。当我们意识到这些原子有多小，也就不难想象还有多少空间有待发现。我们不需要夸克，把我们对未来的梦想构建在原子层面更为现实。
原子世界的复杂性在日常生活中表现得非常明显，比如说它们的用处之一——可参与各种复杂的化学反应。所有的生命都基于它们，任何活体器官的功能信息都存储在螺旋状dna分子中，体细胞可以即时访问到这些信息，就像它们是先进的超级计算机。当生物化学这样的学科想去记录存储在dna分子中的信息，或者想去揭示每个活细胞中的“计算机”如何运作时，也只是触及了这个领域的表面。
理想中，我们可以分析物体，并对其进行原子级的构建或重构。但是目前我们还远没有能力做这样的事情。在这个话题上，我不想轻易否决什么，我们还有很长的路要走，而且一定会听到更多与这个话题相关的声音。
书名：《玩转星球》
著者：杰拉德·特·胡夫特
译者：张少华 苗琳娟 杨昕琦
出版社：中国科学技术大学出版社
出版时间：2018年7月
来源：墨子沙龙
