《万物简史》（四）

吴砺

                            《万物简史》（四）

这也许是历史上把钱倒进地洞的最好例子。美国国会为此花掉了20亿美元，然后在建成一条 22 公里长的隧道以后取消了这项工程。现在，得克萨斯人可以为拥有一个全宇宙代价最高的地洞而感到自豪。我的朋友、《价值连城的堡垒》的作者杰夫·吉恩对我说：“那实际上是一大片空地，周围布满了一连串失望的小城镇。”p126

总之，粒子物理学是个花钱很多的事业——但又是个收获巨大的事业。今天，粒子的数量已经大大超过150种，还有100种左右被怀疑存在。但不幸的是，用理查德·费曼的话来说：“很难搞清所有这些粒子的关系，大自然要它们干什么，彼此有什么联系。”每打开一个盒子的时候，我们总是发现里面还有一个紧闭的盒子。有的人认为存在超光速粒子，其运动速度超过光速。有的渴望找到引力子——引力的根子。我们刨根问底儿已经刨到什么程度，现在还很难说。卡尔，萨根在《宇宙》一书中说，要是你钻进一个电子深处，你会发现它本身就是一个宇宙，使你回想起 20世纪50 年代的那些科幻故事。“里面，大量小得多的别的粒子组成了相当于当地的星系和较小的结构，它们本身就是下一层次的宇宙，如此永远下去——一个逐步往里推进的过程，宇宙中的宇宙，永无尽头——往上也是一个样。”

对于我们大多数人来说，这是个不可想象的世界。如今，即使看一本有关粒子物理学的初级指南，你也必须克服语言方面的重重障碍，比如：“带电的π介子和反π介子分别衰变成一个u介子加上反中微子和一个反u介子加上中微子，平均寿命为2.603 X 10-8秒；中性π介子衰变成两个光子，平均寿命大约为0.8 X 10-“秒；u介子和反u介子分别衰变成……”如此等等——而且，这段话还是从（通常）文笔浅显的作家斯蒂芬，温伯格为普通读者写的一本书里引来的。p127

这种安排其实说明，在物质的基本材料中有夸克；夸克由名叫胶子的粒子黏合在一起；夸克和胶子一起形成了原子核的材料，即质子和中子。轻子是电子和中微子的来源。夸克和轻子统称为费密子。玻色子（以印度物理学家S.N.玻色的名字命名）是产生和携带力的粒子，包括光子和胶子。希格斯玻色子也许存在，也许不存在；这完全是为了赋予粒子质量而发明出来的。

你看得出，这个模型真是有点儿笨拙，但这是可以用来解释粒子世界全部情况的最简单的模式。大多数粒子物理学家觉得，，正如利昂。莱德曼在1985 年的一部电视片里说的，标准模型不大优美，不大简明。“它过于复杂，有许多过于武断的参数。”莱德曼说，“我们其实不明白，为了创造我们都知道的宇宙，造物主干吗要转动20个门把来设定20种参数。”实际上，物理学的任务是探索最终的简洁性，而迄今为止的一切都乱成了美丽的一团——或者就像莱德曼说的：“我们深深地感到，这幅图画并不美丽。”p128

通过引入额外的维度，超弦理论使科学家能把量子定律和引力定律相对比较融洽地合在一起，但是，这也意味着，科学家关于这个理论的任何解释，听上去都会令人惴惴不安，犹如公园凳子上的陌生人告诉你某个想法，你听了会慢慢走开一样。比如，物理学家米奇奥·卡库是这样从超弦理论的角度来解释宇宙的结构的：

杂弦由一根闭合的弦组成，它有两种振动模式，顺时针方向的和逆时针方向的，要以不同的方式来对待。顺时针方向的振动存在于一个10维空间。逆时针方向的振动存在于一个26维的空间，其中有16维已经紧致化了。（我们知道，在卡鲁扎原先的5维空间里，第5维被卷成一个圈，已经紧致化了。）

如此等等，洋洋洒洒350 页左右。

弦理论又进一步产生了所谓的M理论。该理论把所谓“膜”的面，纳入了物理学世界的新潮一族里。说到这里，我们恐怕到了知识公路的站点，大多数人该下车了。下面引了《纽约时报》上的一句话，它以尽可能简单的语言向普通读者解释了这种理论：

在那遥远遥远的过去，火成过程以一对又平又空的膜开始；它们互相平行地处于一个卷曲的5维空间里……两张膜构成了第5维的壁，很可能在更遥远的过去作为一个量子涨落产生于虚无，然后又飘散了。

无法与之争辩，也无法理解。顺便说，句，“火成”源自希腊文，意为“燃烧”。

现在，物理学的问题已经达到这样的一种高度，正如保罗·戴维斯在《白然》杂志里说的，“非科学家几乎不可能区分你是合乎常情的怪人，还是彻头彻尾的疯子”。有意思的是，2002 年秋，这个问题到了关键时刻。两位法国物理学家———孪生兄弟伊戈尔。波格丹诺夫和格里希卡，波格丹诺夫——提出了一种关于极高密度的理论，包括“想象的时间”和“库珀—施温格—马丁条件”这样的概念，旨在描述“无”，即大爆炸以前的宇宙一这段时间一直被认为是．无法知道的（因为它发生在物理现象及其特性诞生之前）。

波格丹诺夫理论几乎立即在物理学家中间引起争论：它到底是胡说八道，一项天才的成就，还是一个骗局？  “从科学的角度来看，显而易见，它多少是彻头彻尾的胡说八道。”哥伦比亚大学的物理学家彼得，沃伊特对《纽约时报》记者说，“不过，近来，它跟许多别的文献没有多大区别。”

卡尔·波普尔被斯蒂芬，温伯格称为“现代科学哲学家的泰斗”。有一次．他提出，物理学很可能没有一种终极理论一每一种解释都需要进一步的解释，形成“永无穷尽的一连串越来越基本的原理”。与之相对的可能性是，这种知识也许是我们完全无法理解的。“幸亏，迄今为止，”温伯格在《终极理论之梦》中写道，“我们的理智资源似乎尚未耗尽”。

几乎可以肯定的是，这个领域将出现更多的见解；几乎同样可以肯定的是，这些见解将是我们大多数人所无法理解的。p130

归根结底，我们生活在一个宇宙里，它的年龄我们算不大清楚；我们的四周都是恒星，它们到我们的距离以及它们彼此之间的距离我们并不完全知道；宇宙里充满着我们无法识别的物质；宇宙在按照物理学定律运行，这些定律的性质我们并不真的理解。

以这样的一种很不确定的基调，让我们再回到地球，考虑一下我们确实理解的东西——虽然到目前为止，要是你听到我们并没有完全理解它这类话，你也许不会再感到吃惊三一一以及我们长期以来不理解而现在理解了的东西。。p133

无论是哈普古德先生，还是那个年代的许多别的地质学家，对这个观点怎么也听不进去。哈普古德提到的理论，最初是由一位名叫弗兰克，伯斯利。泰勒的美国业余地质学家在1908 年提出来的。泰勒出生于一个富裕家庭，既有足够的财力，又不受学术约束，可以按照不同寻常的办法来从事研究。他突然发现，非洲海岸与对面的南美洲海岸的形状十分相似。根据这个观察结果，他提出了大陆曾经到处滑动的见解。他提出——结果证明他很有先见之明一几块大陆轰然撞在一起，形成了世界上的山脉。不过，他没有拿出多少证据，该理论被认为不切实际，不值得予以重视。

然而，在德国，有一位理论家接受了泰勒的观点，而且予以高度重视。他就是马尔堡大学的气象学家阿尔弗雷德，魏格纳。魏格纳考察了许多植物和化石的反常现象，那些现象无法纳入地球历史的标准模型。他认识到，要是用常规的方法来加以解释，那简直说不通。动物化石不断在海洋两岸发现，而海洋很宽，动物显然是游不过去的。他心里转念，有袋动物是怎么从南美洲跑到澳大利亚去的？为什么同样的蜗牛出现在斯堪的纳维亚半岛和新英格兰？你怎么解释煤层和其他亚热带残迹会出现在斯匹次卑尔根群岛这样的寒带地区，如果它们不是以某种方式从气候较热的地方迁移过来的话？

魏格纳提出了一种理论，认为世界上的大陆原先属于一个陆块，他称其为“泛大陆”，植物群和动物群可以混杂在一起；只是到了后来，联合古陆才裂成几块，漂移到现在的位置。他写了《海陆的起源》一书来阐述他的观点。1912年，该书以德文出版——尽管两年后爆发了第一次世界大战-3 年以后又出版了英文版。p135

无论如何，提出地壳移动的观点的时刻终于来到了。1964 年，该领域许多最重要的人物出席了由英国皇家学会在伦敦主办的研讨会。突然之间，好像人人都改变了观点。会议一致认为，地球是一幅由互相连接的断片组成的镶嵌画。它们挤挤搡搡的样子说明了地球表面的许多现象。p139

今天，我们知道，地球表面是由8-12个大的板块（取决于你怎么界定大小）和约20个较小的板块组成的；它们都在以不同的速度朝不同的方向移动。有的板块很大，不大活跃；有的很小，但能量很大。它们与所在陆块只有一种附带关系，比如，北美板块比跟它有关的大陆要大得多。它大致沿着该大陆的西海岸伸展（由于板块边界上的磕磕碰碰，因此那个地区经常发生地震），但与东海岸完全没有关系，而是越过大西洋的一半路程，抵达大西洋中部的山脊。冰岛从中闻—分为二，在板块上一半属-于美洲，一半属于欧洲。与此同时，新西兰是巨大的印度洋板块的组成部分，虽然这个国家远离印度洋。大多数板块都是这种情况。p140

一个直径为100 米的物体，要等到它距离我们还有几天的时候，地球上的天文望远镜才能发现，而且恰好是那台望远镜对准它，这是不大可能的，因为即使现在，在搜寻这类物体的人也为数不多。人们总是做这样的类比：世界上在积极寻找小行星的人数，还不及一家典型的麦当劳快餐店的职工人数。（实际上，现在比这多了一些，但多不了多少。）p151

在正常情况下，阿尔瓦雷斯几乎肯定不会去管这个问题。但是，非常走运，他跟一个能帮得着忙的局外人有着无可挑剔的关系——他的父亲路易斯。路易斯，阿尔瓦雷斯是一位著名的核物理学家，10 年前曾获诺贝尔物理学奖。他对自己的儿子爱上岩石总是有点儿瞧不起，但他对这个问题很感兴趣。他突然想到，答案可能在于来自太空的尘埃。p152

那么，1980 年的第一个星期，当阿尔瓦雷斯父子在美国科学促进协会的一次会议上宣布，他们认为恐龙灭绝不是某个缓慢而又不可阻挡的过程的组成部分，发生在几百万年以前，而是一次突然发生的爆炸性事件的结果，大家不该再感到吃惊。

但是，大家深感吃惊。谁都认为这是一种不可思议的邪说，尤其在古生物学界。

“哎呀，你不得不记住，”阿萨罗回忆说，“我们在这个领域是外行。沃尔特是地质学家，他的专长是古磁学；路易斯是物理学家；我是核化学家。现在我们却在这里对古生物学家说，我们已经解决那个困扰了他们一个多世纪的难题。他们没有马上接受我们的看法，这是不足为奇的。”路易斯·阿尔瓦雷斯开玩笑说：“我们没有执照就在搞地质学，结果当场被人捉住了。”

但是，人们憎恨撞击理论有着更深层次的原因。白菜尔时代以来，大家一直认为，地球上的过程是渐进的，这是博物学的一个基本要素。到 20世纪80年代，灾变说早已过时，实际上成了一种不可思议的理论。对大多数地质学家来说，关于破坏性极大的撞击的见解，正如尤金，苏梅克指出的，“违反了他们的科学教义”。

路易斯·阿尔瓦雷斯公开蔑视古生物学家和他们对科学知识的贡献，这也无济于事。“他们更像是集邮者。”他在《纽约时报》的一篇文章里写道。这篇文章至今依然刺人。p154

记住，这样的事件很可能像是晴天霹雳，令人猝不及防。

不过，我们来假设一下，我们看到了那个物体在飞过来。我们会怎么办？人人都认为，我们可以发射一枚核弹头，把它炸成碎片。然而，那种办法有几个问题。首先，正如约翰．S．刘易斯所说，我们的导弹不适于在宇宙里作业。它们没有本事摆脱地球的引力；即使摆脱了地球的引力，我们也没有这个装置来操纵它们，让它们在太空里飞行数千万公里。我们更不可能发射一飞船警察去为我们干这个活儿，就像电影《世界末日》里的场面那样；我们不再拥有能把人送上月球的火箭。最后一枚那种火箭——木星5型火箭——已于几年前退役，再也没有替身。我们也无法马上制造一枚，因为木星火箭的图纸已经令人吃惊地在美国国家航空航天局的一次春季大扫除中给销毁了。p160

许多非科学家对里氏震级一直存在误解，虽然现在的情况也许有所改善。早年，参观里克特办公室的人往往要求看一眼他的杰作，以为那是一台机器。当然，里氏震级是一个概念，不是一件东西，是一个根据地面测量的结果主观得出的地球震动的幅度。它是指数级递增的，于是7.3级地震要比6.3级地震强50倍，比5.3级地震强2500倍。

从理论上讲，地震没有上限一因此也没有下限。震级是一种测量强度的简单方法，但无法说明破坏程度。发生在地幔深处的7级地震—一比如，650 公里下面——可能对地面毫无破坏作用，而发生在地面以下六七公里处的小得多的地震，很可能造成大面积的破坏。很大程度上也取决于底土的性质、地震持续的时间、余震的频率和烈度，以及灾区的具体情况。这一切都意味着，最可怕的地震不一定是最强烈的地震，虽然强度显然很有价值。p164

然而，完全从集中的破坏程度来说，历史上有记载的最强烈的地震，很可能是1755 年万圣节（11月1日）发生在葡萄牙里斯本的那一次。那次地震实际上把里斯本变成一片瓦砾。快到上午 10点钟的时候，那个城市突然左右摇晃。强烈的摇晃持续了足足7分钟。现在估计，那次地震的震级为9级。震动的威力是如此之大，该市港口里的海水汹涌而出，接着又以15 米多高的巨浪返回，造成更多的破坏。等震动终于停下来，幸存者们仅仅享受了3分钟的平静，接着又发生了第二次地震，强度只是比第一次稍稍小一点。第三次即最后一次地震发生在两个小时之后。到一切结束的时候，有6万人死亡，方圆几公里范围以内实际上每栋楼房都被夷为平地。相比之下，1906 年的旧金山地震只有里氏7.8级，持续了不到 30秒。p165

最常见的地震发生在两个板块相接之处，比如沿圣安德烈斯断层的加利福尼亚州。两个板块互相推推搡搡，压力随之增加，最后一方或另一方做出让步。总的来说，两次地震的间隔越长，积储的压力就越大，大地震波及的范围就越广。东京特别担心这样的事情发生。伦敦大学学院的危险事件专家比尔。麦圭尔把东京描述成一个“等待死亡的城市”（你会发现，许多旅游传单上是不会印上这样的名言的）箱日本已经是个以多地震闻名的国家，而东京恰好又位于三个构造板块的相遇之处。你会记得，1995 年，近500 公里以西的神户市发生了一次72级地震，造成6 394人死亡。据估计，损失高达990亿美元。但是，那算不了什么——哎呀，相对很小一如果与将来东京可能会遭受的损失相比的话。

东京在近代遭受过一次破坏性极大的地震。1923 年 9月1日快到中午时分，该市发生了有名的关东大地震—一次比神户地震强烈10倍以上的地震。20万人死于非命。自那以来，东京一直神秘地悄无动静，因此地下的张力已经积聚了几十年。到头来，它肯定要爆发。1923 年，东京只有大约300万人口。今天，人口将近3 000万。谁也不愿意去猜测下一次到底会死多少人，但据估计，潜在的经济损失可能高达7万亿美元。p166

这个项目几乎肯定会被命名为“莫霍钻探”，它简直是灾难性的。他们希望把钻头伸进墨西哥近海 4 000多米深的太平洋海水，然后再往下钻5 000多米，穿透比较薄的地壳岩石。从外海的一条船上搞钻探，用一位海洋学家的话来说，“就像试图从帝国大厦顶上用一根意大利式细面条在纽约的人行道上钻个孔”。一切努力都以失败告终。他们充其量只深入到大约180 米的地方。莫霍钻探最后被称为“无法钻探”。1966 年，由于成本不断上升，不见成果，国会又气又恼，取消了这个项目。

4 年以后，苏联科学家决定在陆地上碰碰运气。他们说干就干，在俄罗斯的科拉半岛离芬兰边境不远的地方选了个点，希望能钻到 15 公里的深度。这项工作比预期的还要艰苦，但苏联人有着值得称道的韧劲儿。到 19 年以后他们终于放弃的时候，他们已经钻到了12 262 米的深度。但是，我们没有忘记，地壳只占了地球大约0.3q0的体积，科拉钻探还没有深入到地壳的三分之一，因此我们几乎无法声称已经征服了地球内部。p167

地球如何有了地壳，何时有了地壳，这两个问题把地质学家分成两大阵营——一派认为，它是地球史之初突然发生的；另一派认为，它是渐渐发生的，而且时间比较晚。大家在这些问题上很动感情。耶鲁大学的理查德，阿姆斯特朗在20世纪60 年代提出早期爆炸的理论，然后花了整个余生与持不同观点的人做斗争。他1991 年死于癌症。但是，据 1998 年《地球》杂志报道说，去世前不久，他“在澳大利亚一本地球科学杂志的一次论战中，狠狠抨击了他的批评者，指责他们使神话永久化”。“他死不瞑目。”一位同事说。p168

移动不仅真的发生，就像地球的板块做平面移动那样，而且还上下移动，就像岩石在所谓对流的搅动作用之下时起时伏。对流作为一种过程是伦福德伯爵在18世纪末首先推断出来的。60 年以后，一位名叫奥斯蒙·费希尔的英国牧师很有先见之明地提出，地球内部可能是液态的，东西可以在上面自由移动，但那种见解过了很久才获得别人的支持。

大约在1970 年，当地质学家们意识到地底下简直乱成一锅粥的时候，这个消息还真让人吓一大跳。肖纳。沃格尔在他的《赤裸裸的地球：新地球物理学》一书中说：“这就好比科学家们花了几十年时间才发现地球大气的层次——对流层、平流层等等，然后突然之间发现了风。”p169

20世纪60 年代，美国地质勘测局的鲍勃·克里斯琴森在研究黄石国家公园火山史的时候，对一件事感到迷惑不解：他找不到这个公园的火山。而且，说来也怪，以前竟然没有人为这件事费过神。很久以来，大家已经知道，黄石公园是火山形成的——因此有那么多喷泉和其他散发蒸汽的地貌。火山有个特点，即：一般来说比较明显。但是，克里斯琴森哪里也找不到黄石公园的火山，他尤其找不到一种名叫破火山口的结构。p173

我们还没有考虑对气候产生的影响。世界上上一次超级火山爆发发生在苏门答腊北部的多巴，那是在7.4万年以前。谁也不知道它的强度有多大，但肯定大得吓人。格陵兰的冰核显示，多巴火山爆发以后，至少有长达6 年的“火山冬天”，天知道之后又有多少个糟糕的生长期。据认为，那次爆发几乎导致人类灭绝，使全球的人口减少到不足几千人。这意味着，那几千人是所有现代人的共同祖先，这也说明了我们为什么缺少基因的多样性。无论如何，有证据表明，在此后的2万年里，地球上的总人数从没有超过几千。不用说，从一次火山爆发中恢复过来要花很长的时间。p176

包括一些海洋学科普作家在内的几乎每个人都认为，在大海深处的巨大压力之下，人体会被压扁。实际上，情况似乎并非如此。由于在很大程度上我们本身也是由水组成的，而水——用牛津大学弗朗西斯。阿什克罗夫特的话来说—一“实际上是压不扁的”，因此人体仍会保持与周围的水一样的压力，不会被压死。麻烦的倒是体内的气体，尤其是肺内的气体。那里的气体确实会被压缩。但压缩到什么程度才会致命，这还不知道。直到最近，人们还认为，要是潜到 100 米左右的深处，肺脏会内爆，胸壁会破裂，人就会痛苦地死去，但裸潜者反复证明，情况恰好相反。据阿什克罗夫特说，似乎“人可以比预想的更要像鲸和海豚”。

吴砺

2020.1.5