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[散文] 《万物简史》(三)

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发表于 2020-1-6 14:29:05 | 显示全部楼层 |阅读模式




                           《万物简史》(三)

然而,莱尔的影响你几乎怎么说也不会过分。《地质学原理》在他生前出了12 版;直到 20世纪,书里包含的一些观点依然被地质学界奉为圭臬。达尔文乘“猎犬号”环球航行途中还随身带着一本《地质学原理》,而且是该书的第一版。他后来写道:‘《原理》的最大优点在于它改变了一个人的整个思想状态;因此,当见到一样莱尔从没有见到过的东西的时候,你在一定程度上是以他的眼光来看的。“总之,他差不多把莱尔看作是个神,就像他那一代的许多人一样。20世纪80 年代,当地质学家不得不摈弃他的一部分理论,以适应关于物种灭绝的撞击理论的时候,他们简直痛苦得要命。这充分说明了莱尔的影响之大。不过,那是后话了。P054

然而,到这个时候,古生物研究的热潮已经移到英国。1812 年,在多塞特郡的莱姆里吉斯,有个名叫玛丽,安宁的杰出小女孩一当时只有11岁、12岁或13岁,取决于你看的是谁写的故事——发现一块 5 米长、样子古怪的海生动物化石,嵌在英吉利海峡岸边一处陡峭而又危险的悬崖上。这类动物现在叫作鱼龙。

安宁就这样开始了她不同凡响的一生。在之后的35 年里,安宁采集化石,并把它们卖给游客。(人们普遍认为,她就是那首著名的绕口令《她在海边卖贝壳》的原始素材。)她还发现了第一块蛇颈龙(另一种海生动物)化石以及第一批最好的翼手龙化石中的一块。严格来说,这些都不是恐龙,但也没有多大关系,因为当时谁也不知道什么是恐龙。只要知道世界上生活过跟我们现在所能看到的完全不同的动物,这也就够了。P064

《论动体的电动力学》,无论是在表达方式还是在内容上,都是发表过的最优秀的科学论文之一。它没有脚注,也没有引文,几乎不用数学,没有提及影响过该论文或在该论文之前的任何作品,只是对一个人的帮助致以谢意。他是专利局的一名同事,名叫米歇尔。贝索。C.P.斯诺写道,爱因斯坦好像“全凭思索,独自一人,没有听取别人的意见就得出了结论。在很大程度上,情况就是这样”。

他著名的等式E=mc2在这篇论文中没有出现,但出现在几个月以后的一篇短小的补充里。你可以回忆一下学校里学过的东西,等式中的F代表能量,02代表质量,c真代表光速的平方。

用最简单的话来说,这个等式的意思是:质量和能量是等价的。它们是同一东西的两种形式:能量是获释的质量;质量是等待获释的能量。由于c真(光速的平方)是个大得不得了的数字,这个等式意味着,每个物体里都包含着极大——真正极其大量—一的能量。①

你或许觉得自己不大健壮,但是,如果你是个普通个子的成人,你那不起眼的躯体里包含着不少于7 X 10i8焦耳的潜能——爆炸的威力足足抵得上30颗氢弹,要是你知道怎么释放它,而且确实愿意这么做的话。每种物体内部都蕴藏着这样的能量。我们只是不大善于把它释放出来而已。连一颗铀弹—一我们迄今为止制造出的能量最大的家伙——释放出的能量还不足它可以释放出的能量的1%,要是我们更聪明点就好了。P095

加州理工学院伟大的物理学家理查德·费曼有一次说,要是你不得不把科学史压缩成一句重要的话,它就会是:“一切东西都是由原子构成的。”哪里都有原子,原子构成一切。你四下里望一眼,全是原子。不但墙壁、桌子和沙发这样的固体是原子,中间的空气也是原子。原子大量存在,多得简直无法想象。P103

道尔顿的故乡 位于英国湖区边缘,离科克默思不远。他1766 年生于一个贫苦而虔诚的贵格会织布工家庭。(4 年以后,诗人威廉,华兹华斯也来到科克默思。)他是个聪明过人的学生———咃确实聪明,12岁的小小年纪就当上了当地贵格会学校的校长。这也许说明了道尔顿的早熟,也说明了那所学校的状况,也许什么也说明不了。我们从他的日记里知道,大约这时候他正在阅读牛顿的《原理》——还是拉丁文原文的——和别的具有类似挑战性的著作。到了15岁,他一方面继续当校长,一方面在附近的肯达尔镇找了个工作;10 年以后,他迁往曼彻斯特,在他生命的最后50 年里几乎没有挪动过。在曼彻斯特,他成了一股智力旋风,出书呀,写论文呀,内容涉及从气象学到语法。他患有色盲,在很长时间里色盲被称作道尔顿症,因为他从事这方面的研究。但是,是1808 年出版的一本名叫《化学哲学的新体系》的厚书,终于使他出了名。

在该书只有5 页的短短的一章里(该书共有900多页),学术界人士第一次接触到了近乎现代概念的原子。道尔顿的见解很简单:一切物质的根基,都是极其微小而又不可再简化的粒子。“创造或毁灭一个氢粒子,也许就像向太阳系引进一颗新的行星或毁灭一颗业已存在的行星那样不可能。”他写道。

无论是原子的概念,还是“原子”这个词本身,都称不上是新鲜事。二者都是古希腊人发明的。道尔顿的贡献在于,他考虑了这些原子的相对大小和性质,以及它们的结合方法。例如,他知道氢是最轻的元素,因此他给出的原子量是1。他还认为水由七份氧和一份氢组成,因此他给出的氧的原子量是7。通过这种办法,他就能得出已知元素的相对重量。他并不总是十分准确——氧的原子量实际上是16,不是7,但这个原理是很合理的,成了整个现代化学以及许多其他科学的基础。

这项成就使道尔顿闻名遐迩——即使是以一种英国贵格会式的低调。1826年,法国化学家P.J. 佩尔蒂埃来到曼彻斯特,想会一会这位原子英雄。佩尔蒂埃以为他属于哪个大机构,因此,当他发现道尔顿在小巷里的一所小学教孩子们基础算术的时候,不由得大吃一惊。据科学史家E.J.霍姆亚德说,佩尔蒂埃一见到这位大人物顿时不知所措,结结巴巴:

“请问,这位是道尔顿先生吗?”①因为他无法相信自己的眼睛,这位欧洲赫赫有名的化学家竟然在教小孩子加减乘除。“没错,”那位贵格会教徒干巴巴地说,“请坐,让我先教会孩子这道算术题。”

虽然道尔顿想要远离一切荣誉,但他仍违心地当选为皇家学会会员,捧回一大堆奖章,获得一笔可观的政府退休金。他1844 年去世的时候,4万人出来瞻仰他的灵柩,送葬队伍长达3 公里多。他在《英国名人词典》中的条目是字数最多者之一,在19世纪的科学界人士当中,论长度只有达尔文和莱尔能与之相比。P106

1910 年,卢瑟福(在他的学生汉斯·盖格的协助之下。盖格后来发明了以他的名字命名的辐射探测仪)朝一块金箔发射电离的氦原子,或称Ⅸ粒子。①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。P108

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J.J.汤姆森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,他把这种粒子叫作中子。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 1 1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人绝境。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,如果把电子看作是波,那么电子行为的某些反常现象就消失了。这一发现引起了奥地利人薛定谔的注意。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,叫作矩阵力学。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折中办法,提出了一种后来被称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。”当有人间海森伯是不是可以想象一下原子的模样,他回答说:“别这么干。”

因此,结果表明,原子完全不是大多数人想象的那个模样。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象的那样,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,叫作自旋,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,另一个马上做出反应。

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用直觉体会的性质,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,它就会启动一种装置,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做出抉择,只能同时认为猫儿百分之百地活着,又百分之百地死了。正如斯蒂芬。霍金有点儿激动地(这可以理解)说的,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,有时候表现得像波一一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。”①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——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搞乱了物理学,,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。

弱核力尽管叫作弱核力,但它比万有引力要强1万亿亿亿倍;强核力比这还要强一实际上要强得多——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。