第九章 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(huì)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(jiǎn)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(duì)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。分子的數(shù)量起碼可以說是很多的。在海平面的高度、零攝氏度溫 度的情況下，一立方厘米空氣（大約相當(dāng)于一塊方糖所占的空間）所含的分子多達(dá)4
500億億個(gè)。而你周圍的每一立方厘米空間都有這么多分子。想一想，你窗外的世界有多少個(gè)立方厘米——要用多少塊方糖才能填滿你的視野。然后再想一想，要多少個(gè)這樣的空間才能構(gòu)成宇宙。總而言之，原子是很多的。
原子還不可思議地長(zhǎng)壽。由于原子那么長(zhǎng)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(cè)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。（顯然非得是歷史人物，因?yàn)樵右ù蠹s幾十年的時(shí)間才能徹底地重新分配；無論你的愿望多么強(qiáng)烈，你身上還不可能有一個(gè)埃爾維斯·普雷斯利的原子。）因此，我們都是別人轉(zhuǎn)世化身來的——雖然是短命的。我們死了以后，我們的原子就會(huì)天各一方，去別處尋找新的用武之地——成為一片葉子或別的人體 或一滴露水的組成部分。
而原子本身實(shí)際上將永遠(yuǎn)活下去。其實(shí)，誰也不知道一個(gè)原子的壽命，但據(jù)馬丁·里斯說，它的壽命大約為1035年——這個(gè)數(shù)字太大，連我也樂意用數(shù)學(xué)符號(hào)來表示。
而且，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(jiǎn)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(zhǎng)的一根線：－?，F(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10000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(duì)于上述那條1毫米的線，相當(dāng)于一張紙的厚度對(duì)于紐約帝國(guó)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(zhǎng)，而之所以難以被察覺和認(rèn)識(shí)，是因?yàn)樗鼈兲?。首先發(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，不是你也許會(huì)以為的安托萬－洛朗·拉瓦錫，甚至不是亨利·卡文迪許或漢弗萊·戴維，而是一名業(yè)余的、沒有受過多少教育的英國(guó)貴格會(huì)教徒，名叫約翰·道爾頓發(fā)現(xiàn)的，我們?cè)诘谄哒吕锏谝淮翁岬竭^他的名字。
道爾頓的故鄉(xiāng)位于英國(guó)湖泊地區(qū)邊緣，離科克默思不遠(yuǎn)。他1766年生于一個(gè)貧苦而虔誠(chéng)的貴格會(huì)織布工家庭。（4年以后，詩(shī)人威廉·華茲華斯也來到科克默思。）他是個(gè)聰明過人的學(xué)生——他確實(shí)聰明，12歲的小小年紀(jì)就當(dāng)上了當(dāng)?shù)刭F格會(huì)學(xué)校的校長(zhǎng)。這也許說明了道爾頓的早熟，也說明了那所學(xué)校的狀況，也許什么也說明不了。我們從他的日記里知道，大約這時(shí)候他正在閱讀牛頓的《原理》——還是拉丁文原文的——和別的具有類似挑戰(zhàn)性的著作。到了15歲，他一方面繼續(xù)當(dāng)校長(zhǎng)，一方面在附近的肯達(dá)爾鎮(zhèn)找了個(gè)工作；10年以后，他遷往曼徹斯特，在他生命的最后50年里幾乎沒有挪動(dòng)過。在曼徹斯特，他成了一股智力旋風(fēng)，出書呀，寫論文呀，內(nèi)容涉及從氣象學(xué)到語法。他患有色盲，在很長(zhǎng)時(shí)間里色盲被稱做道爾頓癥，因?yàn)樗麖氖逻@方面的研究。但是，是1808年出版的一本名叫《化學(xué)哲學(xué)的新體系》的厚書，終于使他出了名。
在該書只有4頁的短短的一章里（該書共有900多頁），學(xué)術(shù)界人士第一次接觸到了近乎現(xiàn)代概念的原子。道爾頓的見解很簡(jiǎn)單：在一切物質(zhì)的基部，都是極其微小而又不可還原的粒子。"創(chuàng)造或毀滅一個(gè)氫粒子，也許就像向太陽系引進(jìn)一顆新的行星或毀滅一顆業(yè)已存在的行星那樣不可能。"他寫道。
無論是原子的概念，還是"原子"這個(gè)詞本身，都稱不上是新鮮事。二者都是古希臘人發(fā)明的。道爾頓的貢獻(xiàn)在于，他考慮了這些原子的相對(duì)大小和性質(zhì)，以及它們的結(jié)合方法。
例如，他知道氫是最輕的元素，因此他給出的原子量是1。他還認(rèn)為水由七份氧和一份氫組成，因此他給氧的原子量是7。通過這種辦法，他就能得出已知元素的相對(duì)重量。他并不總是十分準(zhǔn)確——氧的原子量實(shí)際上是16，不是7，但這個(gè)原理是很合理的，成了整個(gè)現(xiàn)代化學(xué)以及許多其他科學(xué)的基礎(chǔ)。
這項(xiàng)成就使道爾頓聞名遐邇——即使是以一種英國(guó)貴格會(huì)式的低調(diào)。1826年，法國(guó)化學(xué)家p.j.佩爾蒂埃來到曼徹斯特，想會(huì)一會(huì)這位原子英雄。佩爾蒂埃以為他屬于哪個(gè)大機(jī)構(gòu)，因此，當(dāng)他發(fā)現(xiàn)道爾頓在小巷里的一所小學(xué)教孩子們基礎(chǔ)算術(shù)的時(shí)候，不由得大吃一驚。
據(jù)科學(xué)史家e.j.霍姆亞德說，佩爾蒂埃一見到這位大人物頓時(shí)不知所措，結(jié)結(jié)巴巴地說："請(qǐng)問，這位是道爾頓先生嗎？"因?yàn)樗麩o法相信自己的眼睛，這位歐洲赫赫有名的化學(xué)家竟然在教小孩子加減乘除。"沒錯(cuò)兒，"那位貴格會(huì)教徒干巴巴地說，"請(qǐng)坐，讓我先教會(huì)孩子這道算術(shù)題。"
雖然道爾頓想要遠(yuǎn)離一切榮譽(yù)，但他仍違心地當(dāng)選為皇家學(xué)會(huì)會(huì)員，捧回一大堆獎(jiǎng)?wù)拢@得一筆可觀的政府退休金。他1844年去世的時(shí)候，40000人出來瞻仰他的棺木，送葬隊(duì)伍長(zhǎng)達(dá)3公里多。他在《英國(guó)人名詞典》中的條目是字?jǐn)?shù)最多的之一，在19世紀(jì)的科學(xué)界人士當(dāng)中，論長(zhǎng)度只有達(dá)爾文和萊爾能與之相比。
在道爾頓提出他的見解以后的一個(gè)世紀(jì)時(shí)間里，它仍然完全是一種假說。一些杰出的科學(xué)家——尤其是奧地利物理學(xué)家恩斯特·馬赫，聲速單位就是以他的名字命名的——還壓根兒懷疑原子是不是存在。"原子看不見摸不著它們是腦子想像出來的東西。"他寫道。
尤其在德語世界，人們就是以這種懷疑目光來看待原子的存在。據(jù)說，這也是導(dǎo)致偉大的理論物理學(xué)家和原子的熱心支持者路德維?！げ柎穆詺⒌脑蛑弧?/p>
是愛因斯坦在1905年以那篇論布朗運(yùn)動(dòng)的論文首次提出了無可爭(zhēng)議的證據(jù)，證明原子的存在，但沒有引起多大注意。無論如何，愛因斯坦很快就忙于廣義相對(duì)論的研究。因此，原子時(shí)代的第一位真正的英雄是歐內(nèi)斯特·盧瑟福，如果他不是當(dāng)時(shí)涌現(xiàn)出來的第一人的話。
盧瑟福1871年生于新西蘭的"內(nèi)陸地區(qū)"。用斯蒂芬·溫 伯格的話來說，他的父母為了種植一點(diǎn)亞麻、撫養(yǎng)一大堆孩子，從蘇格蘭移居到新西蘭。他在一個(gè)遙遠(yuǎn)國(guó)度的遙遠(yuǎn)地區(qū)長(zhǎng)大，離科學(xué)的主流也同樣很遙遠(yuǎn)。但是，1895年，他獲得了一項(xiàng)獎(jiǎng)學(xué)金，從而有機(jī)會(huì)來到劍橋大學(xué)的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室。這里快要成為世界上搞物理學(xué)的最熱門的地方。
物理學(xué)家特別瞧不起其他領(lǐng)域的科學(xué)家。當(dāng)偉大的奧地利物理學(xué)家沃爾夫?qū)づ堇钠拮与x他而去，嫁了個(gè)化學(xué)家的時(shí)候，他吃驚得簡(jiǎn)直不敢相信。"要是她嫁個(gè)斗牛士，我倒還能理解，"他驚訝地對(duì)一位朋友說，"可是，嫁個(gè)化學(xué)家"
盧瑟福能理解這種感情。"科學(xué)要么是物理學(xué)，要么是集郵。"他有一回說。這句話后來反復(fù)被人引用。但是，具有某種諷刺意味的是，他1908年獲得的是諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，不是物理學(xué)獎(jiǎng)。
盧瑟福是個(gè)很幸運(yùn)的人——很幸運(yùn)是一位天才；但更幸運(yùn)的是，他生活在一個(gè)物理學(xué)和化學(xué)如此激動(dòng)人心而又如此勢(shì)不兩立的年代（且不說他自己的情感）。這兩門學(xué)科再也不會(huì)像從前那樣重合在一起了。
盡管他取得那么多成就，但他不是個(gè)特別聰明的人，實(shí)際上在數(shù)學(xué)方面還很差勁。在講課過程中，他往往把自己的等式搞亂，不得不中途停下來，讓學(xué)生自己去算出結(jié)果。據(jù)與他長(zhǎng)期共事的同事、中子的發(fā)現(xiàn)者詹姆斯·查德威克說，他對(duì)實(shí)驗(yàn)也不是特別擅長(zhǎng)。他只是有一股子韌勁兒，思想比較開放。他以精明和一點(diǎn)膽量代替了聰明。用一位傳記作家的話來說，在他看來，他的腦子"總是不著邊際，比大多數(shù)人走得遠(yuǎn)得多"。要是遇上一個(gè)難題，他愿意付出比大多數(shù)人更大的努力，花出更多的時(shí)間，而且更容易接受非正統(tǒng)的解釋。由于他愿意坐在熒光屏前，花上許多極其乏味的時(shí)間來統(tǒng)計(jì)所謂α粒子的閃爍次數(shù)——這種工作通常分配給別人去做——所以他才有了最偉大的突破。他是最先的人之一——很可能就是最先的人——發(fā)現(xiàn)原子里所固有的能量一旦得到利用可以制造炸彈，其威力之大足以"使這個(gè)舊世界在煙霧中消失"。
就身體而言，他塊兒很大，體格壯實(shí)，說話聲音能把膽小的人嚇一大跳。有一次，一位同事獲悉盧瑟福就要向大西洋彼岸發(fā)表廣播演說，便冷冷地問："干嗎要用廣播？"他還非常自信，心態(tài)不錯(cuò)。當(dāng)有人對(duì)他說，他好像總是生活在浪尖上，他回答說："哎呀，這個(gè)浪頭畢竟是我制造的，難道不是嗎？"c.p.斯諾回憶說，有一次他在劍橋的一家裁縫店里偷聽 到盧瑟福在說："我的腰圍日漸變粗，同時(shí)，知識(shí)日漸增加。"
但是，1895年他離開了卡文迪許實(shí)驗(yàn)室1。在遙遠(yuǎn)的將來，他的腰圍會(huì)變得更粗，名聲會(huì)變得更響。盧瑟福抵達(dá)劍橋大學(xué)的那一年，威廉·倫琴在德國(guó)的維爾茨堡大學(xué)發(fā)現(xiàn)了x射線；次年，亨利·貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了放射現(xiàn)象。卡文迪許實(shí)驗(yàn)室本身就要踏上一條漫長(zhǎng)的輝煌之路。1897年，j.j.湯普森和他的同事將在那里發(fā)現(xiàn)電子；1911年，c.t.r.威爾遜將在那里制造出第一臺(tái)粒子探測(cè)器（我們將會(huì)談到）；1932年，詹姆斯·查德威克將在那里發(fā)現(xiàn)中子。在更遠(yuǎn)的將來，1953年，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克將在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)dna結(jié)構(gòu)。
開頭，盧瑟福研究無線電波，取得了一點(diǎn)成績(jī)——他成功地把一個(gè)清脆的信號(hào)發(fā)送到了1公里之外，這在當(dāng)時(shí)是一個(gè)相當(dāng)可以的成就——但是，他放棄了，因?yàn)橛幸晃毁Y深同事勸他，無線電沒有多大前途。總的來說，盧瑟福在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的事業(yè)不算興旺。他在那里待了3年，覺得自己沒有多大作為，便接受了蒙特利爾麥克·吉爾大學(xué)的一個(gè)職位，從此穩(wěn)步走上了通向輝煌的漫長(zhǎng)之路。到他獲得諾貝爾獎(jiǎng)的時(shí)候，他已經(jīng)轉(zhuǎn)到曼徹斯特大學(xué)。其實(shí)是在那里，他將取得最重要的成果，確定原子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。
到20世紀(jì)初，大家已經(jīng)知道，原子是由幾個(gè)部分構(gòu)成的——湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子，就確立了這種見解——但是，大家還不知道的是：到底有多少個(gè)部分；它們是怎樣合在一起的；它們呈什么形狀。有的物理學(xué)家認(rèn)為，原子可能是立方體的，因?yàn)榱⒎襟w可以整齊地疊在一起，不會(huì)浪費(fèi)任何空間。然而，更普遍的看法是，原子更像一塊葡萄干面包，或者像一份葡萄干布?。阂粋€(gè)密度很大的固體，帶有正電荷，上面布滿了帶負(fù)電荷的電子，就像葡萄干面包上的葡萄干。
1910年，盧瑟福（在他的學(xué)生漢斯·蓋格的協(xié)助之下。蓋格后來將發(fā)明冠有他名字的輻射探測(cè)儀）朝一塊金箔發(fā)射電離的氦原子，或稱α粒子。令盧瑟福吃驚的是，有的粒子竟會(huì)反彈回來。他說，他就像朝一張紙發(fā)射了一發(fā)38厘米的炮彈，結(jié)果炮彈反彈到了他的膝部。這是不該發(fā)生的事。經(jīng)過冥思苦想以后，他覺得只有一種解釋：那些反彈回來的粒子擊中了原子當(dāng)中又小又密的東西，而別的粒子則暢通無阻地穿了過去。盧瑟福意識(shí)到，原子內(nèi)部主要是空無一物的空間，只有當(dāng)中是密度很大的核。這是個(gè)很令人滿意的發(fā)現(xiàn)。但馬上產(chǎn)生了一個(gè)問題，根據(jù)傳統(tǒng)物理學(xué)的全部定律，原子因此就不應(yīng)該存在。
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(huì)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?？脊艑W(xué)里就是用同位素來確定年代的——比如，碳－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——只有原子全部容量的千萬億分之一，但密度極大，它實(shí)際上構(gòu)成了原子的全部物質(zhì)?？肆_珀說，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。1910年盧瑟福在苦苦思索的，就是這種寬敞的空間——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(tái)球來作為例子——它們其實(shí)并不互相撞擊。"而是，"蒂姆西·費(fèi)里斯解釋說，"兩個(gè)球的負(fù)電荷場(chǎng)互相排斥要是不帶電荷，它們很可能會(huì)像星系那樣安然無事地互相穿堂而過。"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(dòng)，就像行星繞著太陽轉(zhuǎn)動(dòng)一樣。這個(gè)形象是1904年由一位名叫長(zhǎng)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。正如艾薩克·阿西莫夫喜歡指出的，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(zhǎng)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(shí)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。）
不用說，在1910年，或在此后的許多年里，知道這類知識(shí)的人為數(shù)甚少。盧瑟福的發(fā)現(xiàn)馬上產(chǎn)生了幾個(gè)大問題。尤其是，圍繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)的電子可能會(huì)墜毀。傳統(tǒng)的電動(dòng)力學(xué)理論認(rèn)為，飛速轉(zhuǎn)動(dòng)的電子很快會(huì)把能量消耗殆盡——只是一剎那間——然后盤旋著飛進(jìn)原子核，給二者都帶來災(zāi)難性的后果。還有一個(gè)問題，帶正電荷的質(zhì)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。顯而易見，那個(gè)小天地里在發(fā)生的事，是不受適用于我們宏觀世界的規(guī)律支配的。
隨著物理學(xué)家們深入這個(gè)亞原子世界，他們意識(shí)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(píng)論的時(shí)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。因此，你可以想像，盧瑟福和他的同事們?cè)?0世紀(jì)初會(huì)有什么感覺。它在當(dāng)時(shí)還完全是個(gè)新鮮事物。
與盧瑟福一起工作的人當(dāng)中，有個(gè)和藹可親的丹麥年輕人，名叫尼爾斯·玻爾。1913年，他在思索原子結(jié)構(gòu)的過程中，突然有了個(gè)激動(dòng)人心的想法。他推遲了蜜月，寫出了一篇具有劃時(shí)代意義的論文。
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)，比如像盧瑟福那樣向金箔發(fā)射α粒子。有時(shí)候，這類實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是令人費(fèi)解的，那也不足為怪。有個(gè)存在很久的難題跟氫的波長(zhǎng)的光譜讀數(shù)有關(guān)。它們產(chǎn)生的形狀顯示，氫原子在有的波長(zhǎng)釋放能量，在有的波長(zhǎng)不釋放能量。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。
就是在思索這個(gè)問題的時(shí)候，玻爾突然想到一個(gè)答案，迅速寫出了他的著名論文。論文的題目為《論原子和分子的構(gòu)造》，認(rèn)為電子只能留在某些明確界定的軌道上，不會(huì)墜入原子核。根據(jù)這種新的理論，在兩個(gè)軌道之間運(yùn)行的電子會(huì)在一個(gè)軌道消失，立即在另一軌道出現(xiàn)，而又不通過中間的空間。這種見解——即著名的"量子躍遷"——當(dāng)然是極其奇特的，而又實(shí)在太棒，不能不信。它不但說明了電子不會(huì)災(zāi)難性地盤旋著飛進(jìn)原子核，而且解釋了氫的令人費(fèi)解的波長(zhǎng)。電子只出現(xiàn)在某些軌道，因?yàn)樗鼈冎淮嬖谟谀承┸壍?。這是個(gè)了不起的見解，玻爾因此獲得了1922年——即愛因斯坦獲得該獎(jiǎng)的第二年——的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
與此同時(shí)，不知疲倦的盧瑟福這時(shí)候已經(jīng)返回劍橋大學(xué)，接替j.j.湯姆遜擔(dān)任卡文迪許實(shí)驗(yàn)室主任。他設(shè)計(jì)出了一種模型，說明原子核不會(huì)爆炸的原因。他認(rèn)為，質(zhì)子的正電荷一定已被某種起中和作用的粒子抵消，他把這種粒子叫做中子。這個(gè)想法簡(jiǎn)單而動(dòng)人，但不容易證明。盧瑟福的同事詹姆斯·查德威克忙碌了整整11個(gè)年頭尋找中子，終于在1932年獲得成功。1935年，他也獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。正如布爾斯及其同事在他們的物理學(xué)史中指出的，較晚發(fā)現(xiàn)中子或許是一件很好的事，因?yàn)榘l(fā)展原子彈 必須掌握中子。（由于中子不帶電荷，它們不會(huì)被原子中心的電場(chǎng)排斥，因此可以像小魚雷那樣被射進(jìn)原子核，啟動(dòng)名叫裂變的破壞過程。）他們認(rèn)為，要是在20世紀(jì)20年代就能分離中子，"原子彈 很可能先在歐洲研制出來，毫無疑問是被德國(guó)人"。
實(shí)際上，歐洲人當(dāng)時(shí)忙得不亦樂乎，試圖搞清電子的古怪表現(xiàn)。他們面臨的主要問題是，電子有時(shí)候表現(xiàn)得很像粒子，有時(shí)候很像波。這種令人難以置信的兩重性幾乎把物理學(xué)家逼上絕境。在此后的10年里，全歐洲的物理學(xué)家都在思索呀，亂涂呀，提出互相矛盾的假設(shè)呀。在法國(guó)，公爵世家出身的路易－維克多·德布羅意親王發(fā)現(xiàn)如果把電子看做是波，那么電子行為的某些反常就消失了。這一發(fā)現(xiàn)引起了奧地利人埃爾文·薛定諤的注意。他巧妙地做了一些提煉，設(shè)計(jì)了一種容易理解的理論，名叫波動(dòng)力學(xué)。幾乎同時(shí)，德國(guó)物理學(xué)家維爾納·海森伯提出了一種對(duì)立的理論，叫做矩陣力學(xué)。那種理論牽涉到復(fù)雜的數(shù)學(xué)，實(shí)際上幾乎沒有人搞得明白，包括海森伯本人在內(nèi)（"我連什么是矩陣都不知道。"海森伯有一次絕望地對(duì)一位朋友說），但似乎確實(shí)解決了薛定諤的波動(dòng)力學(xué)里一些無法解釋的問題。
結(jié)果，物理學(xué)有了兩種理論，它們基于互相沖突的前提，但得出同樣的結(jié)果。這是個(gè)令人難以置信的局面。
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(cè)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(cè)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(cè)定其中之一的努力，勢(shì)必會(huì)干擾其中之二。這不是個(gè)需要更精密的儀器的簡(jiǎn)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(cè)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，正如丹尼斯·奧弗比所說，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(dòng)那樣在繞著原子核飛速轉(zhuǎn)動(dòng)，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)ハ胂竦哪菢?，而只是這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)，二者都不大像，換句話說，不大像你見過的任何東西。畢竟，我們?cè)谶@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。正如詹姆斯·特雷菲爾所說，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"?；蛘呦褓M(fèi)曼說的："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(shí)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；物質(zhì)突然從無到有——"不過，"用麻省理工學(xué)院艾倫·萊特曼的話來說，"又倏忽從有到無。"
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沃爾夫?qū)づ堇?925年的"不相容原理"中提出的看法：某些成雙結(jié)對(duì)的亞原子粒子，即使被分開很遠(yuǎn)的距離，一方馬上會(huì)"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(tái)球，一個(gè)在美國(guó)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)。
事情達(dá)到了這樣的一種程度：有一次會(huì)議上，玻爾在談到一種新的理論時(shí)說，問題不是它是否荒唐，而是它是否足夠荒唐。為了說明量子世界那無法直覺的性質(zhì)，薛定諤提出了一個(gè)著名的思想實(shí)驗(yàn)：假設(shè)把貓兒放進(jìn)一只箱子，同時(shí)放進(jìn)一個(gè)放射性物質(zhì)的原子，連著一小瓶氫氰酸。要是粒子在一個(gè)小時(shí)內(nèi)發(fā)生衰變，它就會(huì)啟動(dòng)一種機(jī)制，把瓶子擊破，使貓兒中毒。要不然，貓兒便會(huì)活著。但是，我們無法知道會(huì)是哪種情況，因此從科學(xué)的角度來看無法作出抉擇，只能同時(shí)認(rèn)為貓兒百分之百地活著、百分之百地死了。正如斯蒂芬·霍金有點(diǎn)兒激動(dòng)地（這可以理解）說，這意味著，你無法"確切預(yù)知未來的事情，要是你連宇宙的現(xiàn)狀都無法確切測(cè)定的話"。
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。而且，關(guān)于超距作用的見解——即一個(gè)粒子可以在幾萬億公里以外立即影響另一個(gè)粒子——完全違反了狹義相對(duì)論。什么也超不過光速，而物理學(xué)家們卻在這里堅(jiān)持認(rèn)為，在亞原子的層面上，信息是可以以某種方法辦到的。（順便說一句，迄今誰也解釋不清楚粒子是如何辦到這件事的。據(jù)物理學(xué)家雅基爾·阿哈拉諾夫說，科學(xué)家們對(duì)待這個(gè)問題的辦法是"不予考慮"。)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(duì)論。相對(duì)論的引力出色地解釋了行星為什么繞太陽轉(zhuǎn)動(dòng)，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)一理論"
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。又是斯諾寫道："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?cè)跇O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 。
到那個(gè)時(shí)候，科學(xué)家們情有可原地認(rèn)為，他們馬上就要征服原子了。實(shí)際上，粒子物理學(xué)所涉及的一切，即將變得復(fù)雜得多。不過，我們?cè)诶^續(xù)講述這個(gè)有點(diǎn)兒包羅萬象的故事之前，應(yīng)當(dāng)先把到最近為止的另一部分歷史作個(gè)交 待，考慮一下一個(gè)重要而又有益的故事，一個(gè)關(guān)于貪婪、欺騙、偽科學(xué)、幾起不必要的死亡事件以及最終確定地球年齡的故事。
