万物简史-第17章
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实是在那里，他将取得最重要的成果，确定原子的结构和性质。 到20世纪初，大家已经知道，原子是由几个部分构成的……汤姆逊发现电子，就确立了这种见解……但是，大家还不知道的是：到底有多少个部分；它们是怎样合在一起的；它们呈什么形状。有的物理学家认为，原子可能是立方体的，因为立方体可以整齐地叠在一起，不会浪费任何空间。然而，更普遍的看法是，原子更像一块葡萄干面包，或者像一份葡萄干布丁：一个密度很大的固体，带有正电荷，上面布满了带负电荷的电子，就像葡萄干面包上的葡萄干。 1910年，卢瑟福（在他的学生汉斯·盖格的协助之下。盖格后来将发明冠有他名字的辐射探测仪）朝一块金箔发射电离的氦原子，或称α粒子。令卢瑟福吃惊的是，有的粒子竟会反弹回来。他说，他就像朝一张纸发射了一发38厘米的炮弹，结果炮弹反弹到了他的膝部。这是不该发生的事。经过冥思苦想以后，他觉得只有一种解释：那些反弹回来的粒子击中了原子当中又小又密的东西，而别的粒子则畅通无阻地穿了过去。卢瑟福意识到，原子内部主要是空无一物的空间，只有当中是密度很大的核。这是个很令人满意的发现。但马上产生了一个问题，根据传统物理学的全部定律，原子因此就不应该存在。 让我们稍停片刻，先来考虑一下现在我们所知道的原子结构。每个原子都由三种基本粒子组成：带正电荷的质子，带负电荷的电子，以及不带电荷的中子。质子和中子装在原子核里，而电子在外面绕着旋转。质子的数量决定一个原子的化学特性。有一个质子的原子是氢原子；有两个质子的原子是氦原子；有三个质子的原子是锂原子；如此往上增加。你每增加一个质子就得到一种新元素。（由于原子里的质子数量总是与同样数量的电子保持平衡，因此你有时候会发现有的书里以电子的数量来界定一种元素，结果完全一样。有人是这样向我解释的：质子决定一个原子的身份，电子决定一个原子的性情。） 中子不影响原子的身份，但却增加了它的质量。一般来说，中子数量与质子数量大致相等，但也可以稍稍多一点或少一点。增加或减少一两个中子，你就得到了同位素。考古学里就是用同位素来确定年代的……比如，碳－14是由6个质子和8个中子组成的碳原子（因为二者之和是14）。 中子和质子占据了原子核。原子核很小……只有原子全部容量的千万亿分之一，但密度极大，它实际上构成了原子的全部物质。克罗珀说，要是把原子扩大到一座教堂那么大，原子核只有大约一只苍蝇那么大……但苍蝇要比教堂重几千倍。1910年卢瑟福在苦苦思索的，就是这种宽敞的空间……这种令人吃惊、料想不到的宽敞空间。 认为原子主要是空荡荡的空间，我们身边的实体只是一种幻觉，这个见解现在依然令人吃惊。要是两个物体在现实世界里碰在一起……我们常用台球来作为例子……它们其实并不互相撞击。〃而是，〃蒂姆西·费里斯解释说，〃两个球的负电荷场互相排斥。。。。。。要是不带电荷，它们很可能会像星系那样安然无事地互相穿堂而过。〃你坐在椅子上，其实没有坐在上面，而是以1埃（一亿分之一厘米）的高度浮在上面，你的电子和它的电子不可调和地互相排斥，不可能达到更密切的程度。 差不多人人的脑海里都有一幅原子图，即一两个电子绕着原子核飞速转动，就像行星绕着太阳转动一样。这个形象是1904年由一位名叫长冈半太郎的日本物理学家创建的，完全是一种聪明的凭空想像。它是完全错的，但照样很有生命力。正如艾萨克·阿西莫夫喜欢指出的，它给了一代又一代的科幻作家灵感，创作了世界中的世界的故事，原子成了有人居住的太阳系，我们的太阳系成了一个大得多的体系里的一颗微粒。连欧洲核子研究中心也把长冈所提出的图像作为它网站的标记。物理学家很快就意识到，实际上，电子根本不像在轨道上运行的行星，更像是电扇旋转着的叶片，想要同时填满轨道上的每一空间。（但有个重要的不同之处，那就是，电扇叶片只是好像同时在每个地方，电子真的就同时在每个地方。） 不用说，在1910年，或在此后的许多年里，知道这类知识的人为数甚少。卢瑟福的发现马上产生了几个大问题。尤其是，围绕原子核转动的电子可能会坠毁。传统的电动力学理论认为，飞速转动的电子很快会把能量消耗殆尽……只是一刹那间……然后盘旋着飞进原子核，给二者都带来灾难性的后果。还有一个问题，带正电荷的质子怎么能一起待在原子核里面，而又不把自己及原子的其他部分炸得粉碎。显而易见，那个小天地里在发生的事，是不受适用于我们宏观世界的规律支配的。
第九章 威力巨大的原子（4）
随着物理学家们深入这个亚原子世界，他们意识到，那里不仅不同于我们所熟悉的任何东西，也不同于所能想像的任何东西。〃由于原子的行为如此不同于普通的经验，〃理查德·费曼有一次说，〃你是很难习惯的。在大家看来，无论在新手还是在有经验的物理学家看来，它显得又古怪，又神秘。〃到费曼发表这番评论的时候，物理学家们已经有半个世纪的时间来适应原子的古怪行为。因此，你可以想像，卢瑟福和他的同事们在20世纪初会有什么感觉。它在当时还完全是个新鲜事物。 与卢瑟福一起工作的人当中，有个和蔼可亲的丹麦年轻人，名叫尼尔斯·玻尔。1913年，他在思索原子结构的过程中，突然有了个激动人心的想法。他推迟了蜜月，写出了一篇具有划时代意义的论文。 物理学家们看不见原子这样的小东西，他们不得不试图根据它在外来条件作用下的表现方式来确定它的结构，比如像卢瑟福那样向金箔发射α粒子。有时候，这类实验的结果是令人费解的，那也不足为怪。有个存在很久的难题跟氢的波长的光谱读数有关。它们产生的形状显示，氢原子在有的波长释放能量，在有的波长不释放能量。这犹如一个受到监视的人，不断出现在特定的地点，但永远也看不到他是怎么跑过来跑过去的。谁也说不清是什么原因。 就是在思索这个问题的时候，玻尔突然想到一个答案，迅速写出了他的著名论文。论文的题目为《论原子和分子的构造》，认为电子只能留在某些明确界定的轨道上，不会坠入原子核。根据这种新的理论，在两个轨道之间运行的电子会在一个轨道消失，立即在另一轨道出现，而又不通过中间的空间。这种见解……即著名的〃量子跃迁〃……当然是极其奇特的，而又实在太棒，不能不信。它不但说明了电子不会灾难性地盘旋着飞进原子核，而且解释了氢的令人费解的波长。电子只出现在某些轨道，因为它们只存在于某些轨道。这是个了不起的见解，玻尔因此获得了1922年……即爱因斯坦获得该奖的第二年……的诺贝尔物理学奖。 与此同时，不知疲倦的卢瑟福这时候已经返回剑桥大学，接替汤姆逊担任卡文迪许实验室主任。他设计出了一种模型，说明原子核不会爆炸的原因。他认为，质子的正电荷一定已被某种起中和作用的粒子抵消，他把这种粒子叫做中子。这个想法简单而动人，但不容易证明。卢瑟福的同事詹姆斯·查德威克忙碌了整整11个年头寻找中子，终于在1932年获得成功。1935年，他也获得了诺贝尔物理学奖。正如布尔斯及其同事在他们的物理学史中指出的，较晚发现中子或许是一件很好的事，因为发展原子弹必须掌握中子。（由于中子不带电荷，它们不会被原子中心的电场排斥，因此可以像小鱼雷那样被射进原子核，启动名叫裂变的破坏过程。）他们认为，要是在20世纪20年代就能分离中子，〃原子弹很可能先在欧洲研制出来，毫无疑问是被德国人〃。 实际上，欧洲人当时忙得不亦乐乎，试图搞清电子的古怪表现。他们面临的主要问题是，电子有时候表现得很像粒子，有时候很像波。这种令人难以置信的两重性几乎把物理学家逼上绝境。在此后的10年里，全欧洲的物理学家都在思索呀，乱涂呀，提出互相矛盾的假设呀。在法国，公爵世家出身的路易－维克多·德布罗意亲王发现如果把电子看做是波，那么电子行为的某些反常就消失了。这一发现引起了奥地利人埃尔文·薛定谔的注意。他巧妙地做了一些提炼，设计了一种容易理解的理论，名叫波动力学。几乎同时，德国物理学家维尔纳·海森伯提出了一种对立的理论，叫做矩阵力学。那种理论牵涉到复杂的数学，实际上几乎没有人搞得明白，包括海森伯本人在内（〃我连什么是矩阵都不知道。〃海森伯有一次绝望地对一位朋友说），但似乎确实解决了薛定谔的波动力学里一些无法解释的问题。 结果，物理学有了两种理论，它们基于互相冲突的前提，但得出同样的结果。这是个令人难以置信的局面。 1926年，海森伯终于想出个极好的妥协办法，提出了一种后来被称之为量子力学的新理论。该理论的核心是〃海森伯测不准原理〃。它认为，电子是一种粒子，不过是一种可以用波来描述的粒子。作为建立该理论基础的〃测不准原理〃认为，我们可以知道电子穿越空间所经过的路径，我们也可以知道电子在某个特定时刻的位置，但我们无法两者都知道。任何想要测定其中之一的努力，势必会干扰其中之二。这不是个需要更精密的仪器的简单问题；这是宇宙的一种不可改变的特性。 真正的意思是，你永远也无法预测电子在任何特定时刻的位置。你只能认为它有可能在那里。在某种意义上，正如丹尼斯·奥弗比所说，电子只有等到被观察到了，你才能说它确实存在。换句稍稍不同的话来说，在电子被观察到之前，你非得认为电子〃哪里都有，而又哪里都没有〃。 如果你觉得被这种说法弄得稀里糊涂，你要知道，它也把物理学家们弄得稀里糊涂，这是值得安慰的。奥弗比说：〃有一次，玻尔说，要是谁第一次听说量子理论时没有发火，这说明他没有理解意思。〃当有人问海森伯是不是可以想像一下原子的模样，他回答说：〃别这么干。〃
第九章 威力巨大的原子（5）
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因此，结果证明，原子不完全是大多数人创造的那个模样。电子并不像行星绕着太阳转动那样在绕着原子核飞速转动，而更像是一朵没有固定形状的云。原子的〃壳〃并不是某种坚硬而光滑的外皮，就像许多插图有时候怂恿我们去想像的那样，而只是这种绒毛状的电子云的最外层。实质上，云团本身只是个统计概率的地带，表示电子只是在极少的情况下才越过这个范围。因此，要是你弄得明白的话，原子更像是个毛茸茸的网球，而不大像个外缘坚硬的金属球。（其实，二者都不大像，换句话说，不大像你见过的任何东西。毕竟，我们在这里讨论的世界，跟我们身边的世界是非常不同的。） 古怪的事情似乎层出不穷。正如詹姆斯·特雷菲尔所说，科学家们首次碰到了〃宇宙里我们的大脑无法理解的一个区域〃。或者像费曼说的：〃小东西的表现，根本不像大东西的表现。〃随着深入钻研，物理学家们意识到，他们已经发现了一个世界：在那个世界里，电子可以从一个轨道跳到另一个轨道，而又不经过中间的任何空间；物质突然从无到有……〃不过，〃用麻省理工学院艾伦·莱特曼的话来说，〃又倏忽从有到无。〃 量子理论有许多令人难以置信的地方，其中最引人注目的是沃尔夫冈·泡利在1925年的〃不相容原理〃中提出的看法：某些成双结对的亚原子粒子，即使被分开很远的距离，一方马上会〃知道〃另一方的情况。粒子有个特性，叫做自旋，根据量子理论，你一确定一个粒子的自旋，那个姐妹粒子马上以相反的方向、相等的速率开始自旋，无论它在多远的地方。 用科学作家劳伦斯·约瑟夫的话来说，这就好比你有两个相同的台球，一个在美国俄亥俄州，一个在斐济，当你旋转其中一个的时候，另一个马上以相反的方向旋转，而且速度完全一样。令人惊叹的是，这个现象在1997年得到了证实，瑞士日内瓦大学的物理学家把两个光子朝相反方向发送到相隔11公里的位置，结果表明，只要干扰其中一个，另一个马上作出反应。 事情达到了这样的一种程度：有一次会议上，玻尔在谈到一种新的理论时说，问题不是它是否荒唐，而是它是否足够荒唐。为了说明量子世界那无法直觉的性质，薛定谔提出了一个著名的思想实验：假设把猫儿放进一只箱子，同时放进一个放射性物质的原子，连着一小瓶氢氰酸。要是粒子在一个小时内发生衰变，它就会启动一种机制，把瓶子击破，使猫儿中毒。要不然，猫儿便会活着。但是，我们无法知道会是哪种情况，因此从科学的角度来看无法作出抉择，只能同时认为猫儿百分之百地活着、百分之百地死了。正如斯蒂芬·霍金有点儿激动地（这可以理解）说，这意味着，你无法〃确切预知未来的事情，要是你连宇宙的现状都无法确切测定的话〃。 由于存在这么多古怪的特点，许多物理学家不喜欢量子理论，至少不喜欢这个理论的某些方面，尤其是爱因斯坦。这是很有讽刺意味的，因为正是他在1905年这个奇迹年中很有说服力地解释说，光子有时候可以表现得像粒子，有时候表现得像波……这是新物理学的核心见解。〃量子理论很值得重视。〃他彬彬有礼地认为，但心里并不喜欢，〃上帝不玩骰子。 〃他说。 爱因斯坦无法忍受这样的看法：上帝创造了一个宇宙，而里面的有些事情却永远无法知道。而且，关于超距作用的见解……即一个粒子可以在几万亿公里以外立即影响另一个粒子……完全违反了狭义相对论。什么也超不过光速，而物理学家们却在这里坚持认为，在亚原子的层面上，信息是可以以某种方法办到的。（顺便说一句，迄今谁也解释不清楚粒子是如何办到这件事的。据物理学家雅基尔·阿哈拉诺夫说，科学家们对待这个问题的办法是〃不予考虑〃。） 最大的问题是，量子物理学在一定程度上打乱了物理学，这种情况以前是不存在的。突然之间，你需要有两套规律来解释宇宙的表现……用来解释小世界的量子理论和用来解释外面大宇宙的相对论。相对论的引力出色地解释了行星为什么绕太阳转动，星系为什么容易聚集在一起，而在粒子的层面上又证明不起作用。为了解释是什么把原子拢在一起，你就需要有别的力。20世纪30年代发现了两种：强核力和弱核力。强核力把原子捆在一起，是它将质子拢在原子核里；弱核力从事各种工作，主要与控制某种放射衰变的速率有关。 弱核力尽管叫做弱核力，它比万有引力要强1亿亿倍；强核力比这还要强……实际上要强得多……但它的影响只传到极小的距离。强核力的影响只能传到原子直径的大约十万分之一的地方。这就是原子核的体积如此之小、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稳定的原因：强核力无法抓住所有的质子。 结果，物理学最后有了两套规律……一套用来解释小世界，一套用来解释大宇宙……各过各的日子。爱因斯坦也不喜欢这种状况。在他的余生里�
