威力巨大的原子

當(dāng)愛因斯坦和哈勃在弄清宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)方面成果累累的時(shí)候，另一些人在努力搞懂近在手邊的而從他們的角度來看又是非常遙遠(yuǎn)的東西：微小而又永遠(yuǎn)神秘的原子。

加州理工學(xué)院偉大的物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼有一次發(fā)現(xiàn)，要是你不得不把科學(xué)史壓縮成一句重要的話，它就會是：“一切東西都是由原子構(gòu)成的。”哪里都有原子，原子構(gòu)成一切。你四下里望一眼，全是原子。不但墻壁、桌子和沙發(fā)這樣的固體是原子，中間的空氣也是原子。原子大量存在，多得簡直無法想像。

原子的基本工作形式是分子(源自拉丁文，意思是“小團(tuán)物質(zhì)”)。一個(gè)分子就是兩個(gè)或兩個(gè)以上以相對穩(wěn)定的形式一起工作的原子：一個(gè)氧原子加上兩個(gè)氫原子，你就得到一個(gè)水分子。化學(xué)家往往以分子而不是以元素來考慮問題，就像作家往往以單詞而不是以字母來考慮問題一樣，因此他們計(jì)算的是分子。

原子還不可思議地長壽。由于原子那么長壽，它們真的可以到處漫游。你身上的每個(gè)原子肯定已經(jīng)穿越幾個(gè)恒星，曾是上百萬種生物的組成部分，然后才成為了你。我們每個(gè)人身上都有大量原子；這些原子的生命力很強(qiáng)，在我們死后可以重新利用；在我們身上的原子當(dāng)中，有相當(dāng)一部分——有人測算，我們每個(gè)人身上多達(dá)10億個(gè)原子——原先很可能是莎士比亞身上的原子，釋迦牟尼、成吉思汗、貝多芬以及其他你點(diǎn)得出的歷史人物又每人貢獻(xiàn)10億個(gè)原子。

一、原子有多么小

原子很小——確實(shí)很小。50萬個(gè)原子排成一行還遮不住一根人的頭發(fā)。以這樣的比例，一個(gè)原子小得簡直無法想像。不過，我們當(dāng)然可以試一試。

先從1毫米著手，就是這么長的一根線。現(xiàn)在，我們來想像一下，這根線被分成了寬度相等的1000段。每一段的寬度是1微米。這就是微生物的大小。比如，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的草履蟲——一種單細(xì)胞的淡水小生物——大約為2微米寬，也就是0.002毫米，它確實(shí)小得不得了。要是你想用肉眼看到草履蟲在一滴水里游，你非得把這滴水放大到12米寬。然而，要是你想看到同一滴水里的原子，你非得把這滴水放大到24公里寬。

換句話說，原子完全存在于另一種微小的尺度上。若要知道原子的大小，你就得拿起這類微米大小的東西，把它切成1 0000個(gè)更小的東西。那才是原子的大小：1毫米的千萬分之一。這么小的東西遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們的想像范圍。但是，只要記住，一個(gè)原子對于上述那條1毫米的線，相當(dāng)于一張紙的厚度對于紐約帝國大廈的高度，它的大小你就有了個(gè)大致的概念。

當(dāng)然，原子之所以如此有用，是因?yàn)樗鼈償?shù)量眾多，壽命極長．而之所以難以被察覺和認(rèn)識，是因?yàn)樗鼈兲　Ｊ紫劝l(fā)現(xiàn)原子有三個(gè)特點(diǎn)——即小、多、實(shí)際上不可毀滅——以及一切事物都是由原子組成的。

二、原子的結(jié)構(gòu)

讓我們稍停片刻，先來考慮一下現(xiàn)在我們所知道的原子結(jié)構(gòu)。每個(gè)原子都由三種基本粒子組成：帶正電荷的質(zhì)子，帶負(fù)電荷的電子，以及不帶電荷的中子。質(zhì)子和中子裝在原子核里，而電子在外面繞著旋轉(zhuǎn)。質(zhì)子的數(shù)量決定一個(gè)原子的化學(xué)特性。有一個(gè)質(zhì)子的原子是氫原子：有兩個(gè)質(zhì)子的原子是氦原子；有三個(gè)質(zhì)子的原子是鋰原子；如此往上增加。你每增加一個(gè)質(zhì)子就得到一種新元素。(由于原子里的質(zhì)子數(shù)量總是與同樣數(shù)量的電子保持平衡，因此你有時(shí)候會發(fā)現(xiàn)有的書里以電子的數(shù)量來界定一種元素，結(jié)果完全一樣。有人是這樣向我解釋的：質(zhì)子決定一個(gè)原子的身份，電子決定一個(gè)原子的性情。)

中子不能影響原子的身份，但卻增加了它的質(zhì)量。一般來說，中子數(shù)量與質(zhì)子數(shù)量大致相等，但也可以稍稍多一點(diǎn)或少一點(diǎn)。增加或減少一兩個(gè)中子，你就得到了同位素。考古學(xué)里就是用同位素來確定年代的——比如，碳一14是由6個(gè)質(zhì)子和8個(gè)中子組成的碳原子(因?yàn)槎咧褪?4)。

中子和質(zhì)子占據(jù)了原子核。原子核很小，但密度極大，它實(shí)際上構(gòu)成了原子的全部物質(zhì)。要是把原子擴(kuò)大到一座教堂那么大，原子核只有大約一只蒼蠅那么大——但蒼蠅要比教堂重幾千倍。這種令人吃驚、料想不到的寬敞空間。

認(rèn)為原子主要是空蕩蕩的空間，我們身邊的實(shí)體只是一種幻覺，這個(gè)見解現(xiàn)在依然令人吃驚。要是兩個(gè)物體在現(xiàn)實(shí)世界里碰在一起——我們常用臺球來作為例子——它們其實(shí)并不互相撞擊。你坐在椅子上，其實(shí)沒有坐在上面，而是以1埃(一億分之一厘米)的高度浮在上面，你的電子和它的電子不可調(diào)和地互相排斥，不可能達(dá)到更密切的程度。

差不多人人的腦海里都有一幅原子圖，即一兩個(gè)電子繞著原子核飛速轉(zhuǎn)動，就像行星繞著太陽轉(zhuǎn)動一樣。這個(gè)形象是1904年由一位名叫長岡半太郎的日本物理學(xué)家創(chuàng)建的，完全是一種聰明的憑空想像。它是完全錯(cuò)的，但照樣很有生命力。它給了一代又一代的科幻作家靈感，創(chuàng)作了世界中的世界的故事，原子成了有人居住的太陽系，我們的太陽系成了一個(gè)大得多的體系里的一顆微粒。連歐洲核子研究中心也把長岡所提出的圖像作為它網(wǎng)站的標(biāo)記。物理學(xué)家很快就意識到，實(shí)際上，電子根本不像在軌道上運(yùn)行的行星，更像是電扇旋轉(zhuǎn)著的葉片，想要同時(shí)填滿軌道上的每一空間。(但有個(gè)重要的不同之處，那就是，電扇葉片只是好像同時(shí)在每個(gè)地方，電子真的就同時(shí)在每個(gè)地方。)

隨著物理學(xué)家們深入這個(gè)亞原子世界，他們意識到，那里不僅不同于我們所熟悉的任何東西，也不同于所能想像的任何東西。“由于原子的行為如此不同于普通的經(jīng)驗(yàn)，”理查德·費(fèi)曼有一次說，“你是很難習(xí)慣的。在大家看來，無論在新手還是在有經(jīng)驗(yàn)的物理學(xué)家看來，它顯得又古怪，又神秘。”到費(fèi)曼發(fā)表這番評論的耐候，物理學(xué)家們已經(jīng)有半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間來適應(yīng)原子的古怪行為。

物理學(xué)家們看不見原子這樣的小東西，他們不得不試圖根據(jù)它在外來?xiàng)l件作用下的表現(xiàn)方式來確定它的結(jié)構(gòu)，這猶如一個(gè)受到監(jiān)視的人，不斷出現(xiàn)在特定的地點(diǎn)，但永遠(yuǎn)也看不到他是怎么跑過來跑過去的。誰也說不清是什么原因。

1926年，海森伯終于想出個(gè)極好的妥協(xié)辦法，提出了一種后來被稱之為量子力學(xué)的新理論。該理論的核心是“海森伯測不準(zhǔn)原理”。它認(rèn)為，電子是一種粒子，不過是一種可以用波來描述的粒子。作為建立該理論基礎(chǔ)的“測不準(zhǔn)原理”認(rèn)為，我們可以知道電子穿越空間所經(jīng)過的路徑，我們也可以知道電子在某個(gè)特定時(shí)刻的位置，但我們無法兩者都知道。任何想要測定其中之一的努力，勢必會干擾其中之二。這不是個(gè)需要更精密的儀器的簡單問題；這是宇宙的一種不可改變的特性。

真正的意思是，你永遠(yuǎn)也無法預(yù)測電子在任何特定時(shí)刻的位置。你只能認(rèn)為它有可能在那里。在某種意義上，電子只有等到被觀察到了，你才能說它確實(shí)存在。換句稍稍不同的話來說，在電子被觀察到之前，你非得認(rèn)為電子“哪里都有，而又哪里都沒有”。

如果你覺得被這種說法弄得稀里糊涂，你要知道，它也把物理學(xué)家們弄得稀里糊涂，這是值得安慰的。奧弗比說：“有一次，玻爾說，要是誰第一次聽說量子理論時(shí)沒有發(fā)火，這說明他沒有理解意思。”當(dāng)有人問海森伯是不是可以想像一下原子的模樣，他回答說：“別這么干。”

因此，結(jié)果證明，原子不完全是大多數(shù)人創(chuàng)造的那個(gè)模樣。電子并不像行星繞著太陽轉(zhuǎn)動那樣在繞著原子核飛速轉(zhuǎn)動，而更像是一朵沒有固定形狀的云。原子的“殼”并不是某種堅(jiān)硬而光滑的外皮，就像許多插圖有時(shí)候慫恿我們?nèi)ハ胂蟮哪菢樱皇沁@種絨毛狀的電子云的最外層。實(shí)質(zhì)上，云團(tuán)本身只是個(gè)統(tǒng)計(jì)概率的地帶，表示電子只是在極少的情況下才越過這個(gè)范圍。因此，要是你弄得明白的話，原子更像是個(gè)毛茸茸的網(wǎng)球，而不大像個(gè)外緣堅(jiān)硬的金屬球。(其實(shí)，二者都不太像，換句話說，不大像你見過的任何東西。畢竟、我們在這里討論的世界，跟我們身邊的世界是非常不同的。)

古怪的事情似乎層出不窮。科學(xué)家們首次碰到了“宇宙里我們的大腦無法理解的一個(gè)區(qū)域”。“小東西的表現(xiàn)，根本不像大東西的表現(xiàn)。”隨著深入鉆研，物理學(xué)家們意識到，他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)世界：在那個(gè)世界里，電子可以從一個(gè)軌道跳到另一個(gè)軌道，而又不經(jīng)過中間的任何空間。

量子理論有許多令人難以置信的地方，其中最引人注目的是某些成雙結(jié)對的亞原子粒子，即使被分開很遠(yuǎn)的距離，一方馬上會“知道”另一方的情況。粒子有個(gè)特性，叫做自旋，根據(jù)量子理論，你一確定一個(gè)粒子的自旋，那個(gè)姐妹粒子馬上以相反的方向、相等的速率開始自旋，無論它在多遠(yuǎn)的地方。

用科學(xué)作家勞倫斯·約瑟夫的話來說，這就好比你有兩個(gè)相同的臺球，一個(gè)在美國俄亥俄州，一個(gè)在斐濟(jì)，當(dāng)你旋轉(zhuǎn)其中一個(gè)的時(shí)候，另一個(gè)馬上以相反的方向旋轉(zhuǎn)，而且速度完全一樣。(令人驚嘆的是，這個(gè)現(xiàn)象在1997年得到了證實(shí)，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的物理學(xué)家把兩個(gè)光子朝相反方向發(fā)送到相隔11公里的位置，結(jié)果表明，只要干擾其中一個(gè)，另一個(gè)馬上作出反應(yīng))。

由于存在這么多古怪的特點(diǎn)，許多物理學(xué)家不喜歡量子理論，至少不喜歡這個(gè)理論的某些方面，尤其是愛因斯坦。這是很有諷刺意味的，因?yàn)檎撬?905年這個(gè)奇跡年中很有說服力地解釋說，光子有時(shí)候可以表現(xiàn)得像粒子，有時(shí)候表現(xiàn)得像波——這是新物理學(xué)的核心見解。“量子理論很值得重視。”他彬彬有禮地認(rèn)為，但心里并不喜歡，“上帝不玩骰子。”他說。

愛因斯坦無法忍受這樣的看法：上帝創(chuàng)造了一個(gè)宇宙，而里面的有些事情卻永遠(yuǎn)無法知道。

最大的問題是，量子物理學(xué)在一定程度上打亂了物理學(xué)，這種情況以前是不存在的。突然之間，你需要有兩套規(guī)律來解釋宇宙的表現(xiàn)——用來解釋小世界的量子理論和用來解釋外面大宇宙的相對論。相對論的引力出色地解釋了行星為什么繞太陽轉(zhuǎn)動，星系為什么容易聚集在一起，而在粒子的層面上又證明不起作用。為了解釋是什么把原子攏在一起，你就需要有別的力。20世紀(jì)30年代發(fā)現(xiàn)了兩種，強(qiáng)核力和弱核力。強(qiáng)核力把原子捆在一起，是它將質(zhì)子攏在原子核里，弱核力從事各種工作，主要與控制某種放射衰變的速率有關(guān)。

弱核力盡管叫做弱核力，它比萬有引力要強(qiáng)1億億倍；強(qiáng)核力比這還要強(qiáng)——實(shí)際上要強(qiáng)得多——但它的影響只傳到極小的距離。強(qiáng)核力的影響只能傳到原子直徑的大約十萬分之一的地方。這就是原子核的體積如此之小、密度如此之大的原因，也是原子核又大又多的元素往往很不穩(wěn)定的原因：強(qiáng)核力無法抓住所有的質(zhì)子。

結(jié)果，物理學(xué)最后有了兩套規(guī)律——一套用來解釋小世界，一套用來解釋大宇宙——各過各的日子。愛因斯坦也不喜歡這種狀況。在他的余生里，他潛心尋找一種“大統(tǒng)－理論”來扎緊這些松開的繩頭，但總是以失敗告終。他有時(shí)候認(rèn)為自己已經(jīng)找到，但最后總是覺得白費(fèi)工夫。隨著時(shí)間的過去，他越來越不受人重視，甚至有點(diǎn)兒被人可憐。“他的同事們過去認(rèn)為，現(xiàn)在依然認(rèn)為，他浪費(fèi)了他的后半生。”

然而，別處正在取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。到20世紀(jì)40年代，科學(xué)家們已經(jīng)達(dá)到這樣一種程度：他們在極其深的層次上了解了原子——1945年8月，他們提供了最有力的證據(jù)：在日本上空爆炸了兩顆原子彈。