第九章　威力巨大的原子

當愛因斯坦和哈勃在弄清宇宙的大尺度結構方面成果累累的時候，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的東西：微小而又永遠神秘的原子。

加州理工學院偉大的物理學家理查德·費曼有一次發(fā)現(xiàn)，要是你不得不把科學史壓縮成一句重要的話，它就會是："一切東西都是由原子構成的。"哪里都有原子，原子構成一切。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 物質"）。一個分子就是兩個或兩個以上以相對穩(wěn)定的形式一起工作的原子：一個氧原子加上兩個氫原子，你就得到一個水分子?；瘜W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（大約相當于一塊方糖所占的空間）所含的分子多達4

500億億個。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，要多少個這樣的空間才能構成宇宙?？偠灾?，原子是很多的。

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。你身上的每個原子肯定已經穿越幾個恒星，曾是上百萬種生物的組成部分，然后才成為了你。我們每個人身上都有大量原子；這些原子的生命力很強，在我們死后可以重新利用；在我們身上的原子當中，有相當一部分——有人測算，我們每個人身上多達10億個原子——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得出的歷史人物又每人貢獻10億個原子。（顯然非得是歷史人物，因為原子要花大約幾十年的時間才能徹底地重新分配；無論你的愿望多么強烈，你身上還不可能有一個埃爾維斯·普雷斯利的原子。）因此，我們都是別人轉世化身來的——雖然是短命的。我們死了以后，我們的原子就會天各一方，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。

而原子本身實際上將永遠活下去。其實，誰也不知道一個原子的壽命，但據馬丁·里斯說，它的壽命大約為1035年——這個數(shù)字太大，連我也樂意用數(shù)學符號來表示。

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

先從1毫米著手，就是這么長的一根線：－?，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，一個標準的草履蟲——一種單細胞的淡水小生物——大約為2微米寬，也就是0.002毫米，它確實小得不得了。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個更小的東西。那才是原子的大?。?毫米的千萬分之一．這么小的東西遠遠超出了我們的想像范圍。但是，只要記住，一個原子對于上述那條1毫米的線，相當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大致的概念。

當然，原子之所以如此有用，是因為它們數(shù)量眾多，壽命極長，而之所以難以被察覺和認識，是因為它們太小。首先發(fā)現(xiàn)原子有三個特點——即小、多、實際上不可毀滅——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貴格會教徒，名叫約翰·道爾頓發(fā)現(xiàn)的，我們在第七章里第一次提到過他的名字。

道爾頓的故鄉(xiāng)位于英國湖泊地區(qū)邊緣，離科克默思不遠。他1766年生于一個貧苦而虔誠的貴格會織布工家庭。（4年以后，詩人威廉·華茲華斯也來到科克默思。）他是個聰明過人的學生——他確實聰明，12歲的小小年紀就當上了當?shù)刭F格會學校的校長。這也許說明了道爾頓的早熟，也說明了那所學校的狀況，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)當校長，一方面在附近的肯達爾鎮(zhèn)找了個工作；10年以后，他遷往曼徹斯特，在他生命的最后50年里幾乎沒有挪動過。在曼徹斯特，他成了一股智力旋風，出書呀，寫論文呀，內容涉及從氣象學到語法。他患有色盲，在很長時間里色盲被稱做道爾頓癥，因為他從事這方面的研究。但是，是1808年出版的一本名叫《化學哲學的新體系》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），學術界人士第一次接觸到了近乎現(xiàn)代概念的原子。道爾頓的見解很簡單：在一切物質的基部，都是極其微小而又不可還原的粒子。"創(chuàng)造或毀滅一個氫粒子，也許就像向太陽系引進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。道爾頓的貢獻在于，他考慮了這些原子的相對大小和性質，以及它們的結合方法。

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重量。他并不總是十分準確——氧的原子量實際上是16，不是7，但這個原理是很合理的，成了整個現(xiàn)代化學以及許多其他科學的基礎。

這項成就使道爾頓聞名遐邇——即使是以一種英國貴格會式的低調。1826年，法國化學家p.j.佩爾蒂埃來到曼徹斯特，想會一會這位原子英雄。佩爾蒂埃以為他屬于哪個大機構，因此，當他發(fā)現(xiàn)道爾頓在小巷里的一所小學教孩子們基礎算術的時候，不由得大吃一驚。

據科學史家e.j.霍姆亞德說，佩爾蒂埃一見到這位大人物頓時不知所措，結結巴巴地說："請問，這位是道爾頓先生嗎？"因為他無法相信自己的眼睛，這位歐洲赫赫有名的化學家竟然在教小孩子加減乘除。"沒錯兒，"那位貴格會教徒干巴巴地說，"請坐，讓我先教會孩子這道算術題。"

雖然道爾頓想要遠離一切榮譽，但他仍違心地當選為皇家學會會員，捧回一大堆獎章，獲得一筆可觀的政府退休金。他1844年去世的時候，40000人出來瞻仰他的棺木，送葬隊伍長達3公里多。他在《英國人名詞典》中的條目是字數(shù)最多的之一，在19世紀的科學界人士當中，論長度只有達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世紀時間里，它仍然完全是一種假說。一些杰出的科學家——尤其是奧地利物理學家恩斯特·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。據說，這也是導致偉大的理論物理學家和原子的熱心支持者路德維?！げ柎穆詺⒌脑蛑?。

是愛因斯坦在1905年以那篇論布朗運動的論文首次提出了無可爭議的證據，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論的研究。因此，原子時代的第一位真正的英雄是歐內斯特·盧瑟福，如果他不是當時涌現(xiàn)出來的第一人的話。

盧瑟福1871年生于新西蘭的"內陸地區(qū)"。用斯蒂芬·溫 伯格的話來說，他的父母為了種植一點亞麻、撫養(yǎng)一大堆孩子，從蘇格蘭移居到新西蘭。他在一個遙遠國度的遙遠地區(qū)長大，離科學的主流也同樣很遙遠。但是，1895年，他獲得了一項獎學金，從而有機會來到劍橋大學的卡文迪許實驗室。這里快要成為世界上搞物理學的最熱門的地方。

物理學家特別瞧不起其他領域的科學家。當偉大的奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利的妻子離他而去，嫁了個化學家的時候，他吃驚得簡直不敢相信。"要是她嫁個斗牛士，我倒還能理解，"他驚訝地對一位朋友說，"可是，嫁個化學家"

盧瑟福能理解這種感情。"科學要么是物理學，要么是集郵。"他有一回說。這句話后來反復被人引用。但是，具有某種諷刺意味的是，他1908年獲得的是諾貝爾化學獎，不是物理學獎。

盧瑟福是個很幸運的人——很幸運是一位天才；但更幸運的是，他生活在一個物理學和化學如此激動人心而又如此勢不兩立的年代（且不說他自己的情感）。這兩門學科再也不會像從前那樣重合在一起了。

盡管他取得那么多成就，但他不是個特別聰明的人，實際上在數(shù)學方面還很差勁。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，讓學生自己去算出結果。據與他長期共事的同事、中子的發(fā)現(xiàn)者詹姆斯·查德威克說，他對實驗也不是特別擅長。他只是有一股子韌勁兒，思想比較開放。他以精明和一點膽量代替了聰明。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)人走得遠得多"。要是遇上一個難題，他愿意付出比大多數(shù)人更大的努力，花出更多的時間，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間來統(tǒng)計所謂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"使這個舊世界在煙霧中消失"。

就身體而言，他塊兒很大，體格壯實，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。當有人對他說，他好像總是生活在浪尖上，他回答說："哎呀，這個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，知識日漸增加。"

但是，1895年他離開了卡文迪許實驗室1。在遙遠的將來，他的腰圍會變得更粗，名聲會變得更響。盧瑟福抵達劍橋大學的那一年，威廉·倫琴在德國的維爾茨堡大學發(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?？ㄎ牡显S實驗室本身就要踏上一條漫長的輝煌之路。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粒子探測器（我們將會談到）；1932年，詹姆斯·查德威克將在那里發(fā)現(xiàn)中子。在更遠的將來，1953年，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克將在卡文迪許實驗室發(fā)現(xiàn)dna結構。

開頭，盧瑟福研究無線電波，取得了一點成績——他成功地把一個清脆的信號發(fā)送到了1公里之外，這在當時是一個相當可以的成就——但是，他放棄了，因為有一位資深同事勸他，無線電沒有多大前途。總的來說，盧瑟福在卡文迪許實驗室的事業(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·吉爾大學的一個職位，從此穩(wěn)步走上了通向輝煌的漫長之路。到他獲得諾貝爾獎的時候，他已經轉到曼徹斯特大學。其實是在那里，他將取得最重要的成果，確定原子的結構和性質。

到20世紀初，大家已經知道，原子是由幾個部分構成的——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：到底有多少個部分；它們是怎樣合在一起的；它們呈什么形狀。有的物理學家認為，原子可能是立方體的，因為立方體可以整齊地疊在一起，不會浪費任何空間。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丁：一個密度很大的固體，帶有正電荷，上面布滿了帶負電荷的電子，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，結果炮彈反彈到了他的膝部。這是不該發(fā)生的事。經過冥思苦想以后，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。盧瑟福意識到，原子內部主要是空無一物的空間，只有當中是密度很大的核。這是個很令人滿意的發(fā)現(xiàn)。但馬上產生了一個問題，根據傳統(tǒng)物理學的全部定律，原子因此就不應該存在。

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構。每個原子都由三種基本粒子組成：帶正電荷的質子，帶負電荷的電子，以及不帶電荷的中子。質子和中子裝在原子核里，而電子在外面繞著旋轉。質子的數(shù)量決定一個原子的化學特性。有一個質子的原子是氫原子；有兩個質子的原子是氦原子；有三個質子的原子是鋰原子；如此往上增加。你每增加一個質子就得到一種新元素。（由于原子里的質子數(shù)量總是與同樣數(shù)量的電子保持平衡，因此你有時候會發(fā)現(xiàn)有的書里以電子的數(shù)量來界定一種元素，結果完全一樣。有人是這樣向我解釋的：質子決定一個原子的身份，電子決定一個原子的性情。）中子不影響原子的身份，但卻增加了它的質量。一般來說，中子數(shù)量與質子數(shù)量大致相等，但也可以稍稍多一點或少一點。增加或減少一兩個中子，你就得到了同位素?？脊艑W里就是用同位素來確定年代的——比如，碳－14是由6個質子和8個中子組成的碳原子（因為二者之和是14）。

中子和質子占據了原子核。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，它實際上構成了原子的全部物質?？肆_珀說，要是把原子擴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。

認為原子主要是空蕩蕩的空間，我們身邊的實體只是一種幻覺，這個見解現(xiàn)在依然令人吃驚。要是兩個物體在現(xiàn)實世界里碰在一起——我們常用臺球來作為例子——它們其實并不互相撞擊。"而是，"蒂姆西·費里斯解釋說，"兩個球的負電荷場互相排斥要是不帶電荷，它們很可能會像星系那樣安然無事地互相穿堂而過。"你坐在椅子上，其實沒有坐在上面，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和地互相排斥，不可能達到更密切的程度。

差不多人人的腦海里都有一幅原子圖，即一兩個電子繞著原子核飛速轉動，就像行星繞著太陽轉動一樣。這個形象是1904年由一位名叫長岡半太郎的日本物理學家創(chuàng)建的，完全是一種聰明的憑空想像。它是完全錯的，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站的標記。物理學家很快就意識到，實際上，電子根本不像在軌道上運行的行星，更像是電扇旋轉著的葉片，想要同時填滿軌道上的每一空間。（但有個重要的不同之處，那就是，電扇葉片只是好像同時在每個地方，電子真的就同時在每個地方。）

不用說，在1910年，或在此后的許多年里，知道這類知識的人為數(shù)甚少。盧瑟福的發(fā)現(xiàn)馬上產生了幾個大問題。尤其是，圍繞原子核轉動的電子可能會墜毀。傳統(tǒng)的電動力學理論認為，飛速轉動的電子很快會把能量消耗殆盡——只是一剎那間——然后盤旋著飛進原子核，給二者都帶來災難性的后果。還有一個問題，帶正電荷的質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。

隨著物理學家們深入這個亞原子世界，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驗，"理查德·費曼有一次說，"你是很難習慣的。在大家看來，無論在新手還是在有經驗的物理學家看來，它顯得又古怪，又神秘。"到費曼發(fā)表這番評論的時候，物理學家們已經有半個世紀的時間來適應原子的古怪行為。因此，你可以想像，盧瑟福和他的同事們在20世紀初會有什么感覺。它在當時還完全是個新鮮事物。

與盧瑟福一起工作的人當中，有個和藹可親的丹麥年輕人，名叫尼爾斯·玻爾。1913年，他在思索原子結構的過程中，突然有了個激動人心的想法。他推遲了蜜月，寫出了一篇具有劃時代意義的論文。

物理學家們看不見原子這樣的小東西，他們不得不試圖根據它在外來條件作用下的表現(xiàn)方式來確定它的結構，比如像盧瑟福那樣向金箔發(fā)射α粒子。有時候，這類實驗的結果是令人費解的，那也不足為怪。有個存在很久的難題跟氫的波長的光譜讀數(shù)有關。它們產生的形狀顯示，氫原子在有的波長釋放能量，在有的波長不釋放能量。這猶如一個受到監(jiān)視的人，不斷出現(xiàn)在特定的地點，但永遠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。

就是在思索這個問題的時候，玻爾突然想到一個答案，迅速寫出了他的著名論文。論文的題目為《論原子和分子的構造》，認為電子只能留在某些明確界定的軌道上，不會墜入原子核。根據這種新的理論，在兩個軌道之間運行的電子會在一個軌道消失，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"——當然是極其奇特的，而又實在太棒，不能不信。它不但說明了電子不會災難性地盤旋著飛進原子核，而且解釋了氫的令人費解的波長。電子只出現(xiàn)在某些軌道，因為它們只存在于某些軌道。這是個了不起的見解，玻爾因此獲得了1922年——即愛因斯坦獲得該獎的第二年——的諾貝爾物理學獎。

與此同時，不知疲倦的盧瑟福這時候已經返回劍橋大學，接替j.j.湯姆遜擔任卡文迪許實驗室主任。他設計出了一種模型，說明原子核不會爆炸的原因。他認為，質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。這個想法簡單而動人，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獎。正如布爾斯及其同事在他們的物理學史中指出的，較晚發(fā)現(xiàn)中子或許是一件很好的事，因為發(fā)展原子彈 必須掌握中子。（由于中子不帶電荷，它們不會被原子中心的電場排斥，因此可以像小魚雷那樣被射進原子核，啟動名叫裂變的破壞過程。）他們認為，要是在20世紀20年代就能分離中子，"原子彈 很可能先在歐洲研制出來，毫無疑問是被德國人"。

實際上，歐洲人當時忙得不亦樂乎，試圖搞清電子的古怪表現(xiàn)。他們面臨的主要問題是，電子有時候表現(xiàn)得很像粒子，有時候很像波。這種令人難以置信的兩重性幾乎把物理學家逼上絕境。在此后的10年里，全歐洲的物理學家都在思索呀，亂涂呀，提出互相矛盾的假設呀。在法國，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，設計了一種容易理解的理論，名叫波動力學。幾乎同時，德國物理學家維爾納·海森伯提出了一種對立的理論，叫做矩陣力學。那種理論牽涉到復雜的數(shù)學，實際上幾乎沒有人搞得明白，包括海森伯本人在內（"我連什么是矩陣都不知道。"海森伯有一次絕望地對一位朋友說），但似乎確實解決了薛定諤的波動力學里一些無法解釋的問題。

結果，物理學有了兩種理論，它們基于互相沖突的前提，但得出同樣的結果。這是個令人難以置信的局面。

1926年，海森伯終于想出個極好的妥協(xié)辦法，提出了一種后來被稱之為量子力學的新理論。該理論的核心是"海森伯測不準原理"。它認為，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的"測不準原理"認為，我們可以知道電子穿越空間所經過的路徑，我們也可以知道電子在某個特定時刻的位置，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，你永遠也無法預測電子在任何特定時刻的位置。你只能認為它有可能在那里。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沒有發(fā)火，這說明他沒有理解意思。"當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，結果證明，原子不完全是大多數(shù)人創(chuàng)造的那個模樣。電子并不像行星繞著太陽轉動那樣在繞著原子核飛速轉動，而更像是一朵沒有固定形狀的云。原子的"殼"并不是某種堅硬而光滑的外皮，就像許多插圖有時候慫恿我們去想像的那樣，而只是這種絨毛狀的電子云的最外層。實質上，云團 本身只是個統(tǒng)計概率的地帶，表示電子只是在極少的情況下才越過這個范圍。因此，要是你弄得明白的話，原子更像是個毛茸茸的網球，而不大像個外緣堅硬的金屬球。（其實，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。正如詹姆斯·特雷菲爾所說，科學家們首次碰到了"宇宙里我們的大腦無法理解的一個區(qū)域"?；蛘呦褓M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，物理學家們意識到，他們已經發(fā)現(xiàn)了一個世界：在那個世界里，電子可以從一個軌道跳到另一個軌道，而又不經過中間的任何空間；物質突然從無到有——"不過，"用麻省理工學院艾倫·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岡·泡利在1925年的"不相容原理"中提出的看法：某些成雙結對的亞原子粒子，即使被分開很遠的距離，一方馬上會"知道"另一方的情況。粒子有個特性，叫做自旋，根據量子理論，你一確定一個粒子的自旋，那個姐妹粒子馬上以相反的方向、相等的速率開始自旋，無論它在多遠的地方。

用科學作家勞倫斯·約瑟夫的話來說，這就好比你有兩個相同的臺球，一個在美國俄亥俄州，一個在斐濟，當你旋轉其中一個的時候，另一個馬上以相反的方向旋轉，而且速度完全一樣。令人驚嘆的是，這個現(xiàn)象在1997年得到了證實，瑞士日內瓦大學的物理學家把兩個光子朝相反方向發(fā)送到相隔11公里的位置，結果表明，只要干擾其中一個，另一個馬上作出反應。

事情達到了這樣的一種程度：有一次會議上，玻爾在談到一種新的理論時說，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，薛定諤提出了一個著名的思想實驗：假設把貓兒放進一只箱子，同時放進一個放射性物質的原子，連著一小瓶氫氰酸。要是粒子在一個小時內發(fā)生衰變，它就會啟動一種機制，把瓶子擊破，使貓兒中毒。要不然，貓兒便會活著。但是，我們無法知道會是哪種情況，因此從科學的角度來看無法作出抉擇，只能同時認為貓兒百分之百地活著、百分之百地死了。正如斯蒂芬·霍金有點兒激動地（這可以理解）說，這意味著，你無法"確切預知未來的事情，要是你連宇宙的現(xiàn)狀都無法確切測定的話"。

由于存在這么多古怪的特點，許多物理學家不喜歡量子理論，至少不喜歡這個理論的某些方面，尤其是愛因斯坦。這是很有諷刺意味的，因為正是他在1905年這個奇跡年中很有說服力地解釋說，光子有時候可以表現(xiàn)得像粒子，有時候表現(xiàn)得像波——這是新物理學的核心見解。"量子理論很值得重視。"他彬彬有禮地認為，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)造了一個宇宙，而里面的有些事情卻永遠無法知道。而且，關于超距作用的見解——即一個粒子可以在幾萬億公里以外立即影響另一個粒子——完全違反了狹義相對論。什么也超不過光速，而物理學家們卻在這里堅持認為，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。據物理學家雅基爾·阿哈拉諾夫說，科學家們對待這個問題的辦法是"不予考慮"。)最大的問題是，量子物理學在一定程度上打亂了物理學，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30年代發(fā)現(xiàn)了兩種：強核力和弱核力。強核力把原子捆在一起，是它將質子攏在原子核里；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。

弱核力盡管叫做弱核力，它比萬有引力要強1億億倍；強核力比這還要強——實際上要強得多——但它的影響只傳到極小的距離。強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：強核力無法抓住所有的質子。

結果，物理學最后有了兩套規(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。他有時候認為自己已經找到，但最后總是覺得白費工夫。隨著時間的過去，他越來越不受人重視，甚至有點兒被人可憐。又是斯諾寫道："他的同事們過去認為，現(xiàn)在依然認為，他浪費了他的后半生。"

然而，別處正在取得實質性的進展。到20世紀40年代，科學家們已經達到這樣一種程度：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：在日本上空爆炸了兩顆原子彈 。

到那個時候，科學家們情有可原地認為，他們馬上就要征服原子了。實際上，粒子物理學所涉及的一切，即將變得復雜得多。不過，我們在繼續(xù)講述這個有點兒包羅萬象的故事之前，應當先把到最近為止的另一部分歷史作個交 待，考慮一下一個重要而又有益的故事，一個關于貪婪、欺騙、偽科學、幾起不必要的死亡事件以及最終確定地球年齡的故事。