微觀世界有哪些超乎想像的現象？

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由這個問題引發的思考http://www.zhihu.com/question/35239964
如果宏觀尺度上有如此令人難以置信的現象，那麼微觀下是否也有奇妙的景象？

說起有趣的微觀現象，藻類也是一個大門類。多圖預警（強迫症患者福利）

硅藻門（Bacillariophyta）分為兩個綱，中心硅藻綱與羽紋硅藻綱。

中心硅藻綱一般為圓形，輻射對稱。殼面上的花紋自中央一點向四周呈輻射狀排列。
羽紋硅藻綱長形或舟形，花紋排列成兩側對稱，表面有線紋、肋文、縱裂縫（殼縫），殼面中央呈加厚狀，稱中央節，在兩端稱端節。

因為對稱性和花紋種類繁多，因此組合後可呈現出驚人的微觀景象。下圖由 A.L. Brigger.於1952年攝。

半個多世紀後隨著技術進步，這種景象所呈現的震撼更加明顯。下圖由Klaus Kemp攝

所以說，藻類也是看顏值的。

不過這種小小的藻類泛濫的話危害會很大。在海洋里大量繁殖會引發赤潮。

所以說，不要輕易相信顏值高的生物。嗯。

1.「無中生有」

電子和反電子互相散射可能會湮滅放出光子, 如果光子能量很高, 會繼續衰變成其他粒子(比如正反夸克對)。這樣的事情在LHC, SLAC的直線加速器等加速器中一直在發生, 而且隨著能量的提高, 從真空中碰撞出的粒子會越來越多。至於像頂夸克, 希格斯粒子這樣的粒子最近幾年才被發現是因為加速器的能量還不夠高無法在真空中激發出該粒子, 或者激發出來的粒子衰變頻率非常高還沒到達探測器就衰變成了其它粒子。
所以真空不是空的, vacuum is a boiling sea of quantum fluctuation.

2. 耦合常數的跑動
我們熟悉的精細結構常數並不是個常數, 是隨能階跑動的。
根據不確定性原理, 你要往高能走, 就要深入越來越小的尺度, 所以在低能測量電子電荷的時候相當於在比較遠的距離測量, 而且真空中又充斥著正-反電子對的量子漲落。所以用庫倫屏蔽的觀點也能看出, 電荷越往高能走越大, 因為你穿透了正-反電子對的屏蔽。
2.1漸近自由
和QED正好相反, QCD的耦合常數在高能區衰減並趨於0, 這種性質叫漸近自由, 這意味著夸克在高能區幾乎沒有相互作用

2.2 夸克禁閉
相反, 在低能區, 即QCD微擾計算失效的時候, 夸克之間會組成束縛態, 單獨的夸克是觀察不到的。
這類比於磁場總是無源的, 目前還沒發現磁單極子。

3. hierarchy problem
粒子物理標準模型里的粒子有3代, 比如電子是第一代, μ子是第二代, τ是第三代。每一代的性質幾乎一樣，但是粒子的質量是一代比一代重, 比如電子的質量是0.51MeV, μ是105MeV, τ更是達到1776.8MeV, 比質子和中子還重！
所以Rabi有一個很有名的問題：』Who orders that？』

4. 玻色統計與費米統計
自然界的粒子可以分為兩類, 一類是玻色子, 即自旋為0,1, 2這些整數的粒子, 滿足玻色-愛因斯坦統計；還有一類是費米子, 即自旋為1/2, 3/2等半整數的奇數倍的粒子, 滿足費米-狄拉克統計。
4.1 玻色-愛因斯坦凝聚(BEC)
當溫度足夠低、原子的運動速度足夠慢時，它們將集聚到能量最低的同一量子態。此時，所有的原子就象一個原子一樣，具有完全相同的物理性質。這種現象乍一看是很不可思議的, 試想一個班級的學生在操場上漫無目的的活動著, 突然之間整個班級步調一致地朝著同一個方向開始行進, 可以想像BEC可以是在宏觀上被觀察到的。
4.2 泡利不相容原理
可以說如果沒有泡利不相容原理, 人類是不可能存在的。由於費米場滿足反對易關係, 電子作為全同粒子不可能佔據同一個量子態。

5. 對稱性與對稱破缺
粒子物理標準模型是由對稱性嚴格限制的, 標準模型的對稱群為 $SU(3) imes SU(2) imes U(1)$ 。而希格斯機制的實現來源於 $SU(2) imes U(1)$ 的電弱理論部分破缺到 $U(1)$ 。
凝聚態物理中也有許多現象可以用對稱破缺的角度來解釋, 比如最早的Landau-Ginzburg理論來解釋鐵磁體。
5.1 弱相互作用的對稱破缺
1957年吳健雄的 ${}^{60}Co$ 實驗證實了李和楊的弱相互作用宇稱不守恆的猜測。在弱相互作用中, 「鏡面」里的世界似乎並不與世界對稱。另外, 參與弱相互作用的中微子似乎更多地是個左撇子, 即運動方向與自旋方向在左手定則下相同。
5.2 鐵磁體與反鐵磁體
鐵磁體中每個電子有固定的位置且自旋方向一致, 在反鐵磁體中每一排的電子自旋一致, 相鄰兩排自旋相反。當鐵磁體溫度高過居里點, 對稱性恢復, 磁性消失。相應的反鐵磁體的相變溫度為
Néel溫度。

5.3 超流
根據上圖的比喻, 玻色超流里每個玻色子在其自身周圍做相同的舞蹈, 而費米超流形成配對且每一對做相同的舞蹈。上面提到的BEC就可以在超流里實現。
5.4 超對稱(SUSY)

如果說反物質的發現將我們認識的世界翻了一倍的話, 那超對稱再一次把我們的世界翻了一倍。超對稱是個很自然而且唯一的對時空對稱性的擴展。雖然LHC還未發現spartner(超對稱夥伴), 但SUSY給出了很多很有力的結論, 比如boson loop和fermion loop的相消；考慮SUSY後3種相互作用的耦合常數在GUT scale(大統一尺度)的匯聚

BTW, you cannot move two steps in superspace coz everything is super here.(Kidding, it is due to the fermionic nature of Grassmann numbers)

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補充：
6. 尺度, 還是尺度
在宇宙中有哪些超出常人想像的現象？ - 自然科學的答案里, 有很多人都提到了宏觀世界尺度的宏大, 其實從人類所熟悉的尺度往微觀世界逼近的話也是如此。

人所在的尺度與DNA分子(關於dna分子有個很有意思的事實就是把你身上的所有dna雙螺旋展開得到的長度相當於地月之間的距離)特徵尺度大約差了9個數量級（從米到納米量級）, DNA的特徵尺度到原子大約差了1個數量級, 原子到原子核, 質子, 中子大約差了5個數量級, 從質子的尺度到弱相互作用的尺度（weak scale $sim 10^{-18}m$ ）又差了3個數量級, 從弱尺度到普朗克尺度（ $sim 10^{-35}m$ ）, 既理論上可能的最小尺度, 差了恐怖的17個數量級, 從普朗克尺度回到最大的哈勃尺度需要攀登更加恐怖的60到61個數量級的階梯??????
目前世界上最頂尖的理論物理學家都不一定能對這一現象有很好的解釋, 因為這相當於要解決宇宙學常數問題和之前提到的hierarchy problem。

【多圖預警】大部分人都在說理論上的事情，我來發圖給大家養眼~！

源自：中科院物理所--USTC顯微攝影作品欣賞

月季
純銀納米

禮花
黴菌

膠體「星雲」
聚苯乙烯膠體粒子，在乳液中的熒光顯微照片

雪花與海浪
R6G水溶液揮髮結晶後進行共聚焦拉曼光譜探測

花團錦簇
水熱法製備的前驅物

向日葵花海
氧化鋅材料組成的向日葵狀納米片組裝結構陣列

「樹枝」
銀納米結構

天山雪蓮
純銀的納米結構

鳳舞九天
新合成的有機分子

微觀世界的美景算不算？剛好我們學校有這個活動。盜圖放幾張上來，其他都在鏈接裡面。
哈哈理工科的浪漫吧～

http://mp.weixin.qq.com/s/syB5yUP4K3srfluL8R-7Zghttp://mp.weixin.qq.com/s/7dGo7sD0aspGinlK9bdk_A
http://mp.weixin.qq.com/s/eCuq5jScMMCEZOxll_j6kg
http://mp.weixin.qq.com/s/ozAOxtcvOPHu8AArpKDffA

_出自顯微攝影師、天文攝影師、科普作家張超

更多作品請見作者微博：@張超_搖光

北戴河老虎石附近的沙子，有少量打磨光滑的生物殘體，但主要的還是各種顏色的石英碎屑。

吉林省的大龍灣是一個火山湖，有不少橄欖石沙子。

鳴沙山的沙子，顧名思義這些沙子可是會「叫」的，裡面有很多黑色的礦物顆粒。

欽州灣的沙子，裡面有很多動物的殘體。

銀灘的沙子，非常小和細，純凈的石英質地，仿若施華洛世奇的璀璨寶石。

著名的粉色沙灘上的沙子，都是生物殘體，粉紅色的部分主要是貝類殘體。

西沙群島永興島的沙子，各種珊瑚的碎屑混合著貝類的碎屑。

來自長島月亮灣的沙子，在貝殼殘體中似乎夾雜著什麼植物的果實。

海南鸚哥嶺小溪河灘的沙子，打磨度很低，還能看見水晶的碎片。

柬埔寨吳哥城外的沙子，肉眼看為黃褐色，顯微鏡下卻顯現出通透的淡黃色和紅色。

鳴沙山上的另一種沙子，打磨得非常光滑，質感細膩。

金沙江古河床的沙子，整體呈黃褐色，打磨度不高，有有趣的木頭紋理。

多圖預警（不過圖都很美）
先來看點熟悉的

細胞

免疫細胞吞噬細菌
在我們肉眼可看的世界裡，我們有機會看到獅子捕食角馬
在微觀世界，在顯微鏡的幫助下，我們將看到免疫細胞在吞噬細菌

欣賞一下微觀世界的生命體

水熊蟲

光合作用的生物工廠——葉綠體

再往深處
宏觀世界無處不在的鐵柵欄，該死的鐵柵欄讓我們有了翻牆的衝動

看看量子世界的「鐵柵欄」

量子圍欄

1993年5月,位於美國加州Almaden的IBM研究中心的M.F.Crommie等人,在4K溫度下用電子束將0.005單層的鐵原子蒸發到清潔的Cu(111)表面,然後用掃描隧穿顯微鏡(STM)操縱這些鐵原子,將它們排成一個由48個原子組成的圓圈.圓圈的平均半徑為7.13 nm,相鄰鐵原子之間的平均距離0.95nm。因而估計每個鐵原子都處在Cu(111 )表面的空心位,這樣一個原子圈的作用非同小可,雖然由分立原子組成而並不連續,卻能夠圍住圈內處於Cu表面的電子,從而引發出一系列引人人勝的結果.現在人們將這一鐵原子圈稱為「量子圍欄」。

量子阱

量子阱的基本特徵是由於量子阱寬度（與電子的德布羅意波長可比的尺度）的限制，導致載流子波函數在一維方向上的局域化，量子阱中因為有源層的厚度僅在電子平均自由程內，阱壁具有很強的限制作用，使得載流子只在與阱壁平行的平面內具有二維自由度，在垂直方向，使得導帶和價帶分裂成子帶。量子阱中的電子態、聲子態和其他元激發過程以及它們之間的相互作用，與三維體狀材料中的情況有很大差別。在具有二維自由度的量子阱中，電子和空穴的態密度與能量的關係為台階形狀。而不是象三維體材料那樣的拋物線形狀。
20世紀90年代才在實驗室製備出方勢阱，即將一窄帶隙半導體置於寬頻隙半導體材料之間的結構，如典型的AlxGa1－xAs/GaAs/AlxGa1－xAs量子阱。高質量的量子阱樣品都是用分子束外延或金屬有機化學汽相沉積方法外延生長兩種不同的材料而成的。除了方勢阱，常見的量子阱結構還有半導體異質結構的三角勢阱與拋物勢阱。
量子阱中電子（或空穴）沿外延生長方向的運動受到限制，可形成一系列分立的量子能級，電子（空穴）的波函數主要局域在量子阱中，稱為量子限制效應。另一方面，在平行於量子阱界面的平面內，電子仍作準二維的自由運動。量子阱中每個分立能級對應於一個二維子帶，電子態密度為常數。如果阱內存在幾個分立能級，總的態密度包括所有子帶的貢獻，呈台階狀。方勢阱中量子能級間的能量差大致與量子阱寬度的平方成反比，J.丁鐸爾等首先在GaAs單量子阱的吸收光譜中觀察到這種台階形狀的光譜線，並且台階間的距離與量子阱的寬度平方成反比，從而實驗上證實了量子阱的量子限制效應。
量子限制效應使半導體量子阱呈現各種獨特且具有廣泛應用前景的電子學和光子學特性，並可通過改變材料結構、薄層厚度、摻雜和組分對這些特性實行調控。最主要的特性有：雙勢壘量子阱結構中的共振隧穿效應，激子二維特性和室溫激光發射。

當我們用微觀理論看待世界時，我們將看到一個很不一樣的世界
當我們聞到氣味時發生了什麼

所謂的接觸是真的接觸嗎？
當這位男孩用手指觸碰女孩的臉時，物理學家告訴你，他們並沒有真正的接觸。
觸感是來自於皮膚表面原子的電子云的排斥作用。
是的，當我們站在地面時，從嚴格意義上來講我們是懸浮狀態。

最後我們再來看看放大300倍的沙粒

一沙一世界
一花一片天
渺渺星辰遠
天地氣相連
莫嘆萬重山
掌中握無限
往事己萬年
永恆剎那間應知友要求我把視頻地址貼上來網易公開課
宇宙中有哪些奇異的景色？ - 霍開拓的回答 - 知乎
知乎專欄

吃貨向微觀世界進發！！！

1. 量子化。能量有最小單位，在這之下不可分割。打個比方，就好比你只能以1m/s或者2m/s的速度走路，中間任何一個值都不行。

2. 不確定性。大家常舉的例子是，你不能同時精確地知道電子的位置和速度。幼稚的理解會認為這是說，觀察電子的位置會影響它的速度。但是真正的解釋是，在你觀察之前，速度這個物理量不存在。你觀察一個物理量時才創造了這個物理量。(參見貝爾不等式)

3. 零點能。可以通過上面兩個現象算出來，諧振子(可以想像成一個碗里的小球)的能量也是量子化的，而且最低的能量不為零。這很好理解，因為如果是零我們就同時精確地知道它的速度(為零)和位置了(在碗底)。這不嚇人，但是真空可以被描述為無數個諧振子，也就是說真空有著無窮的能量。這也不嚇人，但是竟然還真有實驗證實了(參見卡西米爾效應)。

4. 疊加態。大家都知道薛定諤之貓。雖然由於信息的泄漏實際上一隻貓是不可能處於宏觀上的疊加態的，但我們不妨想像這隻貓是個電子。貓處於疊加態，觀察一下才坍縮，這不稀奇。關鍵是我們可以對這隻疊加態的貓進行操作，比如打一巴掌或者砍一刀。這時我們其實同時對死貓和活貓進行了這個操作！這就是量子計算的原理，我們可以同時進行許多運算，大大加快運算的速度。

權當拋磚引玉，想到什麼好玩的可以再更。

大佬們從夸克到分子都說了個遍……我打個醬油，說個宏觀上比較微小的現象。

如果你有近視，某時眼鏡剛好不在身邊，而無論空氣陽光多麼好、你怎麼睜眼眯眼都看不清遠方的話——
你只需要找張紙片，再找根針戳個很小的孔，然後透過這個小孔看景色。
相信我，這比戴眼鏡看得還清楚，而且附贈原生立體感。
缺點是亮度低了點。

原理不是衍射。原理是小孔減小了光斑。

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居然有人贊……
那就把原理圖解一下好了，免得生歧義。

對於正常的眼睛來說，物體的光線大概是這樣經過眼球的：

但如果眼睛長期疲勞，不能有效拉伸肌肉，情況就會變成：

現在用紙片去遮住光線，並沒有改變光路，只不過是看起來好受些……

而我為什麼會說這比戴眼鏡還清楚呢？
因為眼鏡戴久了近視很容易加深的……

超光速的切連科夫輻射。
在液體中，光的速度被降低，它速度之王的地位也受到挑戰。一些高能量的粒子(比如中微子)的速度比真空光速低一點，卻比液體介質里的光速高。當它射入液體，你能想像發生什麼？高能粒子與液體分子作用會釋放光子，但平時這些光子太稀是看不到的，而現在粒子的速度比它發出的光子速度還快，於是那些光子就會疊加起來，變成肉眼可見的亮光。那是一種藍色的光，很美。

如果不理解，可以參考音爆。飛機與空氣接觸會發出聲音，這些聲音相對並不大，當飛機超過音速時，它每時每刻發出的聲音就會疊加在一起，產生音爆。。。

曾經科學家認為中微子是無法被探測到的，因為它沒有強相互作用和電磁相互作用。無法被束縛起來，也很少和其他物質作用。而現在，這些調皮的幽靈可以讓一大缸重水莫名發光……真的很美妙

我來答下，這時需要祭出這篇老文章了

多圖高能預警！！！！

從10億光年到0.1飛米
十億光年，是一個什麼概念呢？

　　光年，光走的路程。光速！它是速度公認的極限，每秒299792458米，能在眨眼間繞地球七圈半。看見么，就這麼快的光，讓他跑吧，跑個一年，所度量出來的距離就是一光年了。約等於十萬億公里吧，簡直天文數字？但這也僅僅只不過是一光年的長度。

　　當我們看到十億光年以外的星星時，映入我們眼帘的那束星光已經在茫茫宇宙間飛奔了十億年。換句話說，我們現在看到的僅僅是它十億年之前的樣子！現在的它究竟如何我們只有再等待十億年才能看到……不寒而慄！

　　普遍認為宇宙誕生到現在有150億年。所以我們可能觀察到的最廣闊宇宙空間的直徑只可能在150億光年這樣的範圍之內。150億光年遠的地方的光被我們看到時已經在宇宙間穿越了150億年，那是宇宙誕生時的影像！！

下面這張圖是在十億光年這樣的數量級下觀測宇宙，上面的每一個象素點所表現的事物都是無比古遠的。

100萬光年
　　近些，再近些。什麼呀，這麼面熟？這就是你所說的「星星」么？是星星，一堆星星。我們管它叫銀河系

10萬光年
　　這是銀河系，我們的家園。
　　在10萬光年這樣的數量級下，我們就看見了整個的銀河系。事實上，銀河系的直徑就是十萬光
年。真有哪位能發明個跟光速一邊快的飛船，從銀河系的這邊飛到對面來個大吊角，就要十萬年的時間！在這樣漫長的旅程來看，人生不過朝生暮死，蜉蝣一般。但
這只是對相對於銀河系靜止的觀測者而言，船上的人員感受到的旅程其實只有數分鐘。相對論呀，深了去了

1萬光年
　　夏夜在內蒙的草原上，平生第一次如此清晰的看見了銀河，一條黯淡的光帶橫亘夜空。由此就能夠大致估計出我們的位置，如果把銀河視為一
個巨大的扁盤子（飢餓者也可把它視為大餅，麻醬白糖的^_^）我們就是應該在這張扁盤子的平面上。否則如果不是這樣的話，我們高於或低於它，那麼看到的夜
空就會顯得一半亮一半暗，而不是象現在這樣銀河光帶般亘在天幕中，星星比較均勻地分布兩側了。
　　事實上現代研究也得出這種結論：我們的太陽系位於銀河系螺旋翼內側的邊緣，距離銀河系中心大約2.5萬光年。於是，我們把視野收回到1萬光年的數量級，聚焦在銀河系若干觸角般螺旋翼中的一條上面

1千億公里
　　這回看清楚了吧，原來是太陽系！我們在密密麻麻的星星中跋山涉水，翻山越嶺認出了它，不易呀！

10億公里
　　數數看，下圖裡被藍框子圈上的是誰的軌道？水、金、地……原來是地球的軌道呀

1萬公里
　　怎麼會這麼巧涅？從10億光年一路看下來正對著的竟是美國。用一萬公里的視野看地球.Google Earth 也能有這種效果，起始時對著的也是美國。

1000公里
　　如果我記得不錯的話，地理課上教過，這是北美五大湖區中的密歇根湖，框住的城市就是芝加哥.

100米
　　呦！草地上這是什麼呀，一坨？

1米
　　醒醒嘿，都被偷窺啦還不知道吶

0.1米
　　一米的十分之一，也叫分米，我們手所能把握的尺度。相信人類所接觸的大部分物體都是在這樣一個數量級的。看看你的周圍，鍵盤、滑鼠、手機、杯子、碗……

1毫米
　　手上的毛孔。可是，汗毛呢？暈！

100微米
　　再放大十倍，依稀可見皮膚的組織結構

10微米
　　一個細胞的數量級就是10微米，當然這只是一般來說。插句嘴，世界上最大的細胞是鴕鳥蛋，它是一個單獨的卵細胞，數量級是分米級的，厲害吧

0.1微米
　　一看這麼高度螺旋的結構就知道是染色體了。

100埃
　　埃是一種長度單位，指10的－10次方米。用字母「A」頂上加個小圓圈來表示。100埃的數量級就能度量某些有機大分子的物質了。
　　看到這個規則的等距雙螺旋結構，我想你一定能夠脫口而出了。沒錯，這種物質就叫做脫氧核糖核酸，也就是常說的DNA。分子結構清晰可見。

1納米
　　我們管10的－9次方米叫一納米。現在為材料科學炒得火熱的納米技術就是說很多物質精細到納米級後將表現出很多在常規數量級上所表現不出的性質來。在納米這樣的數量級下，我們連原子都可以數清了。因此，納米級又叫原子級。
　　下圖是組成DNA分子的原子們，它們以共價鍵和氫鍵彼此結合成龐大的有機分子。生命就在這種複雜的結合中得以體現。敬禮！

1埃
　　上過中學的就都應該知道：原子是由原子核和電子組成的。下圖中所表示的是密布的電子云，我們能看到原子核外圍的電子云比較濃。
　
　所謂電子云，其實並不是說一個原子擁有無數個電子，象雲霧般的瀰漫四圍。每個原子擁有的電子數都是固定的，有數的，具體依元素種類而定。這些電子行蹤飄
忽不定，在原子核外部亂竄。一個電子，無數法身。就把這些電子「團團轉」的特點用電子云來形容了。離核近的地方出現的幾率大些，雲就密；離核遠的地方出現
的幾率小些，雲就稀。

10皮米
　　原子核外圍的濃密電子云。彷彿又回到了浩瀚無邊的宇宙。這樣來看每個原子都像是個小宇宙，我們的世界就這樣的周而復始著，不寒而慄著……

1皮米
　　穿過最濃的電子云，發現更近核的地方反倒清凈。原來離得遠了要吸引，離得近了也會排斥呢，保持一個最佳的距離才好。
　　什麼？你說電子陰性，原子核陽性，異性相吸，應該越近核越密才對？別逗了！真要那樣越近越吸，越吸越近，電子還不都撞到核上去，最後誰也動彈不得！
　　可是為什麼不是這樣呢？國家機密！就不告訴你，吼吼。
　　下圖框中的斑點就是原子核.

0.1皮米
　　走近點，這就是傳說中的原子核了。10的－12次方米叫做一皮米。在0.1皮米的數量級下看原子核就可以看出很多個球球來，它們是帶正電的質子和不帶電的中子。

10飛米
　　原子核的特寫。

0.1飛米
　　下面的英語說：「一旦我們進入下一個層次，我們將會看到什麼，我們又將會知道什麼？」
　　或者，裡面還有一個宇宙？！

說到微觀世界中超乎想像的現象，好象還沒人提到中藥顯微化學反應中各色的結晶形狀。這裡我可以放一張：中藥檳榔所含的生物鹼（檳榔鹼）遇碘化鉍鉀試液即顯混濁，置顯微鏡（400倍）下觀察，可見其結晶呈石榴紅色的六邊形鑽石樣晶體。

我不是想噁心大家的，不知道大家有木有看過，你吃了不同的食物產生的尿，然後提純結晶，在顯微鏡下特別好看呃，放幾張，你們感受一下波

我記得好像吃完荔枝的尿結晶最好看

好吧，我不是故意的……

量子隧穿。

-----2015年10月24日更新 ------
在「觀察改變過去」的小節加上了雙縫實驗的說明。

1. 這一條確實有問題，就刪掉吧。

2. 基本粒子都是沒有大小，或體積無限小的。

從wikipedia抄一段（Elementary particle）。下面是我翻譯的。

在粒子物理標準模型中，基本粒子被表示為點粒子，也就是0維的，沒有空間範圍。雖然標準模型非常成功，但是由於忽略了引力，所以它只能適用於微觀領域。而且它添加了一些沒有解釋的參數。為了解決這些問題，弦論認為基本粒子都是由1維的能量弦構成的。弦的最小長度是普朗克長度。

圖片來自Elementary particle

3. 你身體里的夸克，電子以光速在希格斯場里運動。

狹義相對論告訴我們有靜質量的粒子不能達到光速，而靜質量來自希格斯場。從希格斯場，我們可以看到這個速度限制更深層的原因。

在The Known Particles有一個完整的描述。我在這裡簡單總結一下。粒子在希格斯場中運動時，會和希格斯波色子相互作用，改變狀態。這個狀態改變發生頻率很快，每秒10^26次。而在兩次狀態改變之間，粒子是以光速運動的，只是從總體上來看，速度慢了下來。

4. 如果你觀察一個基本粒子，可能會改變它過去的狀態。

大家都知道我要講雙縫干涉實驗了。這個實驗向我們展示了量子世界無比的不可理喻，充滿了詭異的現象。觀察改變過去的狀態，只是其中一個。

雙縫干涉試驗的方法是讓光或電子束穿過有兩條縫的隔板，觀察它在後面的屏幕上落點的分布。我們先來看看在宏觀尺度下，粒子和波在雙縫試驗中的不同行為。

圖片來自https://youtu.be/DfPeprQ7oGc
如果我們用粒子（如玻璃球）進行雙縫實驗，在屏幕上會看到兩條粗線，對應著兩條縫的位置。如果用水波做實驗，就會觀察到水波經過雙縫時，形成兩個新的波源，兩個波會相互干涉，在屏幕上形成干涉條紋。

圖片來自Double-slit experiment

實驗設置很簡單。電子槍可以發射電子，中間的隔板上有兩條縫，距離約2.5厘米。後面的屏幕能夠顯示電子擊中位置。電子槍發射大量電子，屏幕上就會顯示出有規律的干涉條紋。這種干涉現象是波的特性，所以它揭示了微觀粒子的波動性。

圖片來自Double-slit experiment

由於大量電子從兩條縫通過，是不是它們互相碰撞，產生干涉條紋呢？為了排除這個可能，我們改進實驗，每次只發射一個電子，屏幕上相應地出現一個亮點。開始亮點的位置是沒有規律的。時間足夠長以後，屏幕上的亮點就會漸漸顯示出有規律的干涉條紋。這是一個神奇的現象，它說明，一個電子同時穿過兩條縫，和自己發生干涉。或者說，這時候電子錶現出了波動性。

一個電子同時穿過兩條縫，這是一個不可思議的現象。為了弄清每一個電子的路徑，我們可以在擋板前放一個探測器，它可以告訴我們每一個電子到底經過那一條縫。

然而，這不但不能解除我們的疑惑，反而引出了更為神奇的現象。打開探測器以後，我們確實知道了每個電子走了那一條縫（大約每邊一半），但是，屏幕上的干涉條紋消失了。

屏幕上出現的是兩條亮紋，分別對應著兩條縫的位置。這次每一個電子只經過一條縫，沒有發生干涉現象。這時候，電子錶現出了粒子性。它的行為此時和一個玻璃球沒有多少區別。這意味著，電子知道我們在看它，於是選擇了不同的行為。它可能在想：「有人在看我，我要做一個粒子。」

不過沒關係，我們還有辦法 - 把探測器放在擋板和屏幕中間，這樣我們就可以在電子做出選擇之後再去觀察它到底走了那條路。

在這個版本中，電子穿過擋板時，我們沒有觀察，它應該已經選擇展示它的波動性，同時穿過兩條縫，然後在屏幕上產生干涉條紋。事實確實如此，如果探測器是關閉的，干涉條紋就會出現在屏幕上。然而，如果探測器打開了，干涉條紋竟然再次消失了。

我們來分析一下。探測器觀察電子的時候，電子已經穿過了擋板，它應該已經選擇過了同時穿過兩條縫。也就是說，這時候，它展示波動性穿過雙縫這一事實已經發生了。但是當我們觀察時，它馬上向我們顯示粒子性，並且好像一直都是粒子一樣。這意味著，我們的觀察，改變了電子的過去 - 它只穿過了一條縫。電子一臉無辜地看著你，說：「我是一個粒子，一直都是。你看，我沒有和自己干涉。」

對於這些離奇現象，物理學家們提出了很多解釋。其中支持度最高的哥本哈根解釋是這樣說的：只有在電子從電子槍發射和落到屏幕上的時候，電子是存在的。而在中間，電子和宇宙已經失去了聯繫，它的位置是不能確定的。除了數學公式和試驗結果，別的東西都沒有意義。至於電子在中途做了什麼，它到底穿過了那條縫，一個字：別管他。美國物理學家大衛·莫民( N . David Mermin )對哥本哈根解釋做了最精簡的總結：「閉嘴，計算!「（Shut up and calculate!)

美國物理學家艾弗雷特提出的多世界解釋，也就是我們今天說的平行宇宙。他對雙縫實驗的解釋是，電子在不同的宇宙穿過了不同的縫，但是在觀察之前，兩個狀態是疊加在一起的，也就是說，兩個宇宙是疊加在一起的。這兩個處於不同宇宙的電子導致了干涉現象。當觀察發生時，兩個宇宙分裂了。我們只看到了電子穿過一條縫，而在另一個宇宙中的我們會看到電子穿過另一條縫。這樣，干涉條紋自然也消失了。

當時物理學界對這個解釋反應十分冷淡。波爾沒有做任何評論，愛因斯坦說：」我不能相信，僅僅是因為看了它一眼，一隻老鼠就使得宇宙發生劇烈的改變。「心灰意冷的艾弗雷特離開了物理學界，去五角大樓研究核武器去了。然而，現在捲土重來的多世界假設已經成為支持率第二的解釋了。

我自認為對新物理學的種種反直覺的理論容忍度還是很高的。我可以接受微觀粒子都是飄忽不定難以琢磨的幽靈：它就是那樣，和宏觀物體有不同的規律，這沒有什麼大不了的。可是人的觀察會影響電子的狀態，甚至改變過去，這實在太顛覆我的世界觀了。哥本哈根解釋不能打消我的好奇心，平行宇宙又實在過於離奇。我仍然忍不住會去想，那個電子到底做了什麼。是不是有更深層的原因我們沒有發現，我們看到的奇怪現象只是機槍子彈落在平面上的一排彈孔？但是，物理學家已經告訴我們，沒有。

這一小節的內容到此結束了。知友們可以跳到下一節。這裡剩下的內容是一個程序員對平行宇宙的一點感想。

早期的Unix沒有創建線程的能力，如果要進行並發處理，唯一的辦法是創建子進程。子進程的創建通過調用函數fork來實現。這個fork函數的奇特之處在於，它創建的子進程是父進程的一個完全的複製，兩個進程將會擁有相同的資源，執行完全相同的代碼。唯一區別子進程和父進程的方法是看fork函數的返回值。如果返回值是0，這就是子進程；如果返回值大於0，這就是父進程。

我第一次看到這個函數的時候非常吃驚：這不是在描述平行宇宙嗎？分裂後的平行宇宙完全一樣，除了那個被觀察的微觀粒子。在Unix的子進程創建過程中，這個微觀粒子就是fork的返回值。而一模一樣的兩個進程，就是兩個平行宇宙。而對fork的調用，就代表進行觀察的那一刻。

我們可以用以下程序來描述雙縫實驗。

.... pid_t pid = fork(); if(pid == 0) { printf("This is the universe where the electron has passed the left slit. "); } else if（pid &> 0） { printf("This is the universe where the electron has passed the right slit. "); } ....

同樣，薛定諤的貓：

.... pid_t pid = fork(); if(pid == 0) { printf("You are in the universe where the cat is dead. "); } else { printf("You are in the universe where the cat is alive. "); } ....

不知道fork的設計者是有意為之還是巧合，有或者是虛擬宇宙的設計者給我們留下的線索（人類是否生活在電腦模擬出來的宇宙之中？ - Mandelbrot 的回答）？

5. 電子從一個能級到另一個能級，不會有中間狀態。

在原子中的電子能量只能取不連續的特定值。這些值叫做能級。電子從一個能級進入另一個能級叫做躍遷。這一過程是不連續的，也就是不存在電子處於兩個軌道之間的狀態。

6. 質子（或中子）由夸克組成，但是不能打開質子拿出單獨的夸克。

如果你輸入能量想把一個夸克拉出來，你會發現拿到的是一個介子（包含兩個夸克），而原來的地方又長出來一個夸克。

7. 一個質子由3個夸克組成，但是3個夸克的質量加起來只有質子質量的1%。

下面是從質量是什麼？ - Mandelbrot 的回答中複製過來的。

一個質子由兩個上夸克和一個下夸克組成。夸克通過強力結合在一起。強力由沒有質量的膠子傳遞。三個夸克的質量加起來是8.1到11.3 $MeV/c^{2}$ （這是一個質量單位），而一個質子的質量是938 $MeV/c^{2}$ 。所以夸克只貢獻了1%的質子質量，99%的質量來自膠子所帶的能量和夸克的動能。

圖片來自Proton

礦物，岩石，泥土，都是由晶體和玻璃質構成的！！
一般人印象里，晶體應該就是寶石那樣璀璨的物體，實際上，所有的岩石都是晶體礦物和玻璃質礦物的集合體……顯微鏡下，暴露無遺……

先說值錢的
寶石級的金剛石(鑽石)、剛玉(紅,藍寶石)、石英(水晶)、電氣石(碧璽等)……是一整個巨大的晶體(或多個粗晶、巨晶的集合體)，顯微鏡下可以看見細微結構。
寶石級的輝石(硬玉)、角閃石(軟玉)、石英(玉髓、瑪瑙)……是隱晶質的，是一堆極其細小的晶體的集合體，光學顯微鏡下隱約可見，電鏡可看細節。
還有黑曜石等，就是火山玻璃，是玻璃質的，電鏡可看細節。

再說說不值錢的……
諸位身邊每一塊石頭，在顯微鏡下都是晶體和玻璃質的集合體……各類岩漿岩、變質岩里都能看見超小型的"寶石"。
就連大家常喊著要吃的土(多為土狀粘土礦物)，都是晶體……在電鏡下都能看見細微結構，有的像毛毛蟲，有的像玫瑰，有的像針線……

微觀到普朗克尺度時，空間長度無法再進行分割，也就是說10的負35次方米是最小的長度距離單元。以下是個人想像：普朗克尺度以下可以存在另一個微觀宇宙，2個宇宙最初合起來是空，由於量子漲落，大爆炸後，變成2個。

我發張圖( ????? ) 大概去年左右被國人
第一次觀測到的氫鍵 ╮(╯▽╰)╭銅晶體表面的8-羥基喹啉分子的qplus 原子力顯微圖像? 染色→_→

1. 微觀世界的量子是以波的形式傳播，而以粒子的形式「離開」和「到達」。

2. 觀測時即為到達時，也稱波函數的坍縮。

3. 而在觀測的時候，組成你身體的每一個量子，既可能出現在此處，又可能出現在地球之外的某星雲；只不過後者的「概率」無窮小，而前者的概率無窮接近100%。

4. 也就是說，你在地球上的存在，在目前人類認知範圍內只能用概率來表述。無窮多個量子，每一個被觀測到位於你所處的地方的概率都接近100%，所以你才能好端端的站在那裡；但不排除你身體中的某一個電子，此刻已經跑到火星或是某個蛙聲一片的池塘里了。

想一想是不是很奇妙。

量子態（意識也可）的我們可以長生不死永遠存在，這才是最超乎想像的。很早之前就看過這個視頻， @古道風的答案圖片就是出自這裡，這是一次科學的旅程，也是一次極大與極小的對比，如果你感覺不到巨大和極小帶給你的虛無感，那麼就去看看視頻吧10的次方—在線播放不謝
我們被生活瑣事所吵擾，在物慾橫流中喪失了對星辰的敬畏和追索，沒了激情，大家有很久沒有仰望星空了，我只是想，在孤獨的時候，想到的是壯闊波瀾的大海和滿天耀眼的星辰，而不是物質權利帶來的熏心的享受。
這是我寫的關於極小世界量子力學的科普小說，有興緻的可以看看咯
量子與佛學交匯·薛定諤的貓

——科學家與老和尚華山論道

眾所周知，科學研究的就是不以人的意識為轉移的客觀世界客觀存在的規律，而在當今物理學急速發展的今天，在探究物理學前沿量子理論的過程中，卻發現意識卻可以直接作用於客觀世界，與佛學中的意識（主觀世界）接軌。佛學與科學研究的都是宇宙真理，若客觀（物質物質）和主觀（意識）不能截然分開，那麼佛學和科學最終會殊途同歸，從而一場前所未有的世紀論道開始了……

楔子

瑟瑟秋季，北風呼嘯，五嶽險峰，華山絕巔，兩位白髮長須的老者巍然而立，是學者卻帶有幾分仙氣，讓人敬而遠之，科學家和老和尚（下文皆稱大師）都是各自領域執牛耳的人物，所以圍觀者甚多，都想見證這次千年難遇的學術交鋒。

歌德說過的一句話：真理屬於人類，謬誤屬於時代。這次，思想大碰撞必將見證時代真理！

開場簡單粗暴，科學家悠然道：「大師好久不見，仍舊如此仙風道骨，風采當年啊，佛家講究萬法皆空，那不知道大師和我在此論道又有何意義呢？」

大師：「萬法皆空，追求意義又有什麼意義？」

科學家：「大師果然佛法精湛，您也知道，在最近的量子科學研究中發現，意識可以作用於微觀粒子，從而影響物質的狀態，以及其他很多現象都和佛學產生了交匯，大師您覺得這種現象作何解釋？」

大師：「這就像兩個人爬一座高山，一個人從南坡爬，一個人從北坡爬，最後他們都到了山頂一樣。在科學剛剛開始時把一切意識的東西都排除在外，但是人類發展到今天發現，意識是規避不了的，反而是物質發展最基礎的。」

台下萬人愕然!

科學家：「佛學不是迷信，很早就有佛觀一杯水，十萬八千蟲的科學說法，這大家都知道，『心物一元』也是有道理的，我們都是追求宇宙真理，只不過是不同途徑，不同方法而已。自然科學是按照邏輯推理加實驗（亞里士多德的形式邏輯和培根的科學歸納法）的方法來研究，而佛學認識真理的方法，是『循業發現』，就是根循自己業力的大小，認知能力的高下，發現宇宙相應層次的真理，通過提高認知能力，來認知常人想不到的更深更高的真理，或百思不得其解的東西，就好像一個小孩什麼都不懂，我們覺得他很幼稚，但當他長大了，認知能力提高了，很多不懂的就自然而言的懂了，或者說人和猿猴一樣，我們很多司空見慣的東西猿猴怎麼都不能理解，也就是說當認知能力提高了，很多不理解的東西自然也就理解了，其原理我能不能類比為超導現象，超導體中的電子不騷動，電阻趨於零，電流暢通無阻，也就是當人心無雜戀，禪定時進入高度有序化的超導狀態，就會感知到更多的東西。人們我說的可對？」

大師：「很正確，看來施主對佛學也有研究啊，沒有慧根的人很多東西都不理解，而有慧根的人一眼就可以看出其中的道理，佛法講究精神，並非純粹的唯心主義，而是一種基於物質世界的對意識的深度思考，人們往往不知道主觀和客觀這兩個完全不同的原則，總是想用自然科學的可重複性原則來和佛學比較，其結果當然令人失望，一個人認知的東西另一個人是不可能認識到的，因為層次不一樣，佛學具有不可重複性。」

科學家：「大師所言甚是，在科學領域，20世紀人類科技的最高成就就是量子力學，有關人類的很多重大成就都與其息息相關，無處不在，像液晶，CPU，鋰電池，半導體，核磁共振，納米技術，粒子對撞機等等這些都是，但沒有人理解真正的量子力學，就連其創始人（愛因斯坦，波爾）都不理解，而其中最讓人不理解的東西卻說明了物質和意識的關係，其中與佛學有多處交匯，頓覺古人大智慧我等後輩望塵靡及，我們也不難看到這兩者之間的異曲同工。」

大師：「這個貧僧也了解一點，願聞其詳。」

科學家：「量子力學中，微觀粒子可以處於一種所謂的『疊加態』的狀態中，這種狀態是不確定的，例如，電子可以同時位於兩個不同的地點：A和B，也就是說，電子既在A,又不在A。電子的狀態是『在』和『不在』，兩種狀態按照一定幾率疊加的。電子的這種混合狀態就是『疊加態』，這就像小汽車現在『在』隧道里，或者『不在』隧道里，要麼在，要麼不在，兩種狀態必居其一，一般人認為，這樣的存在不以人的意識為轉移，是客觀的，可是量子力學中電子是同時處在『在』和『不在』兩種狀態下的，也就相當於車既『在』隧道，又『不在』隧道。」

大師：「按照科學的邏輯，測量一下不就知道到底如何了嗎？」

科學家：「是的，但問題就在這，你要是去觀測，這個狀態就會發生變化，兩個狀態就會疊加在一起，『在』隧道同時『不在』隧道就會變成在隧道或者是不在隧道。」

台下有人止不住衝動，大問道「等等，你不去觀測怎麼知道它到底是不是處於疊加態呢？這是詭辯。」

科學家：「問的好！這裡有一個著名的電子實驗（以及別的實驗），一個電子通過兩個小孔，就會發現它一回打在這，一回打在那，但當電子很多的時候就會發現可以形成很多干涉條紋，在某些地方出現的可能要大一些，在另一些地方則小一些，正好對應波動的干涉原理，如果電子不能同時處於兩個小孔的位置，它就不能進行干涉。」

大師：「如此說來確實存在疊加態，回到原先的話題，就好比在吃東西之前不知道味道可口還是不可口，可以講吃到嘴裡的結果看成是可口與不可口的混合疊加狀態，但如果想知道，唯一的方法就是去試試看，但是試過，就已經改變了原來的結果了！」

科學家：「大師果然慧眼如炬，這就有一個說法就是薛定諤的貓，證明了測量的核心是人的意識，如果人實施觀測，就會改變了粒子的狀態，使其固定說明了物質和意識是不可分割的，也對應了佛學思想。」

眾人再次愕然！嘩聲一片，痴痴的看著科學家，猶如看到了怪物。

大師：「這個貧僧知道，若將一隻貓放進一個封閉的盒子里，然後把這個盒子連接到一個裝置，其中包含一個原子核和毒氣設施，設想這個原子有50%的可能發生衰變，發射出一個粒子，觸發毒氣設施，從而殺死這隻貓。根據施主原先說的（量子力學），這個原子處於已衰變和未衰變的疊加態，因此那隻貓處於『死』和『活』的疊加態，非死非活，又死又活，怎麼可能處於這種狀態？打開一看不就知道了么？」

科學家：「是的，大師問的很對，這也是一個世紀大問，大家也都不承認有這種狀態，量子理論認為：如果沒有揭開蓋子進行觀察，薛定諤的貓的狀態『死』與『活』的疊加，貓將永遠處於既死又活的疊加態，人不能想像這個狀態，所以魏格納又加了一個『魏格納的朋友』，就是讓他的朋友帶著這個貓進入這個系統，觀察這個貓既死又活的狀態，然後告訴我們，但是這個『朋友』一觀測，也就是人的意識一參與，這個狀態就變了，成了要麼是死，要麼是活了，所以得出結論就是：意識可以作用於外觀世界，使波函數塌縮，使不確定的變成確定的，這也是物理學的一個重大成就。」

大師：「對，貧僧突然想到，外部世界的變化可以引起我們意識的改變，就好比牛頓第三定律，作用與反作用的道理，同樣的意識是可以反作用於外部世界，在量子力學中，意識觸動了波函數，哈哈哈，自然科學總是自詡為最客觀、最不能容忍主觀意識，現在居然發現人類的主觀意識是主觀世界的基礎！」

科學家：「還有個更詭異的，就是多體的疊加態，既量子糾纏，一個原子在空中爆炸產生兩個碎片，在未被檢查之前，碎片都處於不確定的狀態，可能處於任何可能的狀態，比如即可能自轉向上，也可能自轉向下，但當一個碎片被檢測後另一個沒有被檢測的碎片的狀態也就確定了。就好比一雙手套兩個人各拿一隻，在不觀測前我們不知道兩隻手套到底是什麼，但因為左右手手套的樣子是固定的，是規則，當一個人的手套確定後，另一個人的手套也就確定了，這就是量子糾纏，看與不看手套的樣子是確定的，但在量子力學中未觀測時是不確定的。更有意思的是，兩個雙胞胎極像量子糾纏，有心靈感應，但是受到各種環境的影響不可能事事都有感應，但是在極其安靜的環境下，在沒有外界干擾的狀態下，就像是在禪定狀態下，雙胞胎會有很強的心靈感應。父母死後千里之外的兒女也可以感受到，也可以用量子糾纏理解。另外，當量子處於糾纏態時，就可以把地球上的東西傳到火星上去，如果把人的所有信息包括意識都傳輸然後組裝起來，不就可以傳輸人了么，就像武俠小說中的幻像一樣，這種傳輸不經過時間空間物質，所以意識很可能是一種量子現象。」

大師：「阿彌陀佛，一念不生全體現，六根才動被雲遮，性覺必明，妄為明覺。覺非所明，因明立所，所既妄立，生汝妄能。在這裡科學與佛學交匯啊！就好比如果看到一物，我們不生念頭，不去測量，就是『對境無心』，『看花不是花』，這時意識是自由的，沒有凝聚。如果看到一物，我們用氣味測量到它香，用眼睛測量到它美，它是紅色的，用意識測量到它可以使人愉快，就認出它是一朵玫瑰。這時念頭產生了，這實質是通過測量得出的幾個我們製造出來的概念，這時意識不再是自由的，而是塌縮到一個概念『玫瑰花』上，因此念頭產生了『客觀』，念頭就是測量，客觀世界是一系列複雜的念頭造成的。妄動生變動。」

台下眾人從嘩然到深思，陷入徹底的沉默中，或許，大師的話觸發了科學的根基。

科學家：「總結下，嚴格的實驗已經完全證明了：基本粒子在沒有觀測的時候沒有確定的狀態，我們一旦觀測，基本粒子的波函數就開始塌縮，電子就會出現在一個確定的位置，處於某種確定的狀態，測量造就了『客觀事實』，而佛學中意識的本體是『一念不生』的境界，處於這個境界的人面對事物都『對境無心』，這時意識處於不確定狀態，也就是念頭的實質是觀測，它突然塌縮到一個具體的概念，物質世界由此而生。」

大師：「也就是意識是量子意識了，量子意識這個詞給了貧僧很多思考，大腦中存在海量的電子，意識正是這些電子的波函數的逾期性坍塌中產生，從而用科學解釋意識，有一系列實驗證明了人類在感知和認知模糊數字的過程中，其精神狀態中存在量子干擾效應。另外，綠色植物為了捕獲太陽光能，在光合作用中表現出量子計算的能力，近幾年發現，在光和蛋白中有一種常用的量子相干，並且能在室溫下存在。」

科學家：「沒想到大師對科學了解這麼多，出乎我的想像，看來我們都是站在兩個立場來思考問題，大師說的不錯，現在很多頂級的物理學家和腦科學家都在研究量子電腦和電腦神經系統，腦中的電子可以進行量子計算（量子糾纏的一種應用），量子凝聚通過神經元之間的間隙接觸到更多的神經元，從而在腦中形成宏觀的量子特徵，當這種凝聚波函數坍塌時，就形成了一種非計算性的陰影，所以我們的意識包含在大腦細胞中的微觀結構中，並不只是大腦神經細胞的交互，事實上也存在中宇宙中的糾纏體中，所以當人死去，只不過是量子信息散發到宇宙中去，其中的量子信息並未被破壞，只是逃離了身體返回至宇宙，心臟停止跳動，血液停止流動，但並未影響量子信息的存在有無，所以當其再次重聚，也就是達到了佛家所說的『輪迴』，也就是說人體信息不會消失，只不過是模模糊糊的存在在宇宙深處。」

大師：「有種候鳥（歐洲知更鳥）大腦中疊加和糾纏持續100微秒，影響它們的飛行，所以說不定人大腦中會更久，美國科學院做出的研究表明，經過禪定，確實可以改變一個人的大腦，甚至是大腦的結構。我們的世界和意志是不能分開的，自然科學把其強行分開，造成了很多問題，但現在終究有所統一，此番說來，物理學是在不斷地和佛學相互靠近，任何事物都存在著一種冥冥的關係，貧僧倒是很想見證這一刻的到來啊！」說完望向華山外圍的世界。

科學家也大笑，爽朗的笑聲刺透雲層，直達蒼穹，二人相視一笑後轉身離去。

台下眾人久久不能自拔，等回過神來，兩人已不見蹤跡……