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，他潜心寻找一种〃大统一理论〃 来扎紧这些松开的绳头，但总是以失败告终。他有时候认为自己已经找到，但最后总是觉得白费工夫。随着时间的过去，他越来越不受人重视，甚至有点儿被人可怜。又是斯诺写道：〃他的同事们过去认为，现在依然认为，他浪费了他的后半生。〃
第九章 威力巨大的原子（6）
然而，别处正在取得实质性的进展。到20世纪40年代，科学家们已经达到这样一种程度：他们在极其深的层次上了解了原子……1945年8月，他们提供了最有力的证据：在日本上空爆炸了两颗原子弹。 到那个时候，科学家们情有可原地认为，他们马上就要征服原子了。实际上，粒子物理学所涉及的一切，即将变得复杂得多。不过，我们在继续讲述这个有点儿包罗万象的故事之前，应当先把到最近为止的另一部分历史作个交待，考虑一下一个重要而又有益的故事，一个关于贪婪、欺骗、伪科学、几起不必要的死亡事件以及最终确定地球年龄的故事。书包 网 。 想看书来
第十章 把铅撵出去（1）
20世纪40年代末，芝加哥大学一位名叫克莱尔·彼得森（尽管姓彼得森，他原先是艾奥瓦州的一个农家孩子）的研究生在用一种新的铅同位素测量法，对地球的确切年龄作最后的测定。不幸的是，他的岩石样品全部给污染了……而且还污染得很厉害。大多数样品里的铅含量超过正常浓度的大约200倍。许多年以后，彼得森才明白，问题出在俄亥俄州一个名叫小托马斯·米奇利的人身上。 米奇利是一名受过训练的工程师，要是他一直当工程师，世界本来会太平一些。但是，他对化学的工业用途发生了兴趣。1921年，他在位于俄亥俄州代顿的通用汽车研究公司工作期间，对一种名叫四乙铅的化合物作了研究，发现它能大大减少震动现象，即所谓的发动机爆震。 到20世纪初，大家都知道铅很危险，但它仍然以各种形式存在于消费品之中。罐头食品以焊铅来封口；水常常储存在铅皮罐里；砷酸铅用做杀虫剂喷洒在水果上。铅甚至还是牙膏管子的组成材料。几乎每一件产品都会给消费者的身体里增加一点儿铅。然而，人接触机会最多、接触时间最长的，还是添加在汽油里的铅。 铅是一种神经毒素。体内铅的含量过高，就会无可挽回地损害大脑和中枢神经系统。与铅过分接触会引起很多病症，其中有丧失视力、失眠、肾功能衰竭、失聪、癌症、瘫痪和抽搐。急性发作的时候，人可以突然产生恐怖的幻觉，令患者和旁人措手不及。一般来说，这种症状接着会导致昏迷或死亡。谁也不愿意让自己的身体摄入过量的铅。 另一方面，铅很容易提炼和开采，大规模生产极其有利可图……四乙铅确实可以防止发动机爆震。所以，在1923年，美国三家最大的公司……通用汽车公司、杜邦公司和新泽西美孚石油公司……成立了一家合资企业，名叫四乙铅汽油公司（后来又简称为四乙公司），世界愿买多少四乙铅，它就生产多少四乙铅。结果证明，世界的需要量很大。他们之所以把公司称做〃四乙公