正文

第九章 威力巨大的原子(5)

萬物簡史 作者:(美)比爾·布萊森


因此,結(jié)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(zhuǎn)動那樣在繞著原子核飛速轉(zhuǎn)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?nèi)ハ胂竦哪菢?,而只是這種絨毛狀的電子云的最外層。實質(zhì)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(wǎng)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(xué)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"。或者像費曼說的:"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)家們意識到,他們已經(jīng)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(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(jù)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(xué)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(zhuǎn)其中一個的時候,另一個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,這個現(xiàn)象在1997年得到了證實,瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的物理學(xué)家把兩個光子朝相反方向發(fā)送到相隔11公里的位置,結(jié)果表明,只要干擾其中一個,另一個馬上作出反應(yīng)。

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(zhì),薛定諤提出了一個著名的思想實驗:假設(shè)把貓兒放進一只箱子,同時放進一個放射性物質(zhì)的原子,連著一小瓶氫氰酸。要是粒子在一個小時內(nèi)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(xué)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(yù)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(xué)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(xué)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(guān)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(xué)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(jù)物理學(xué)家雅基爾·阿哈拉諾夫說,科學(xué)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(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論。相對論的引力出色地解釋了行星為什么繞太陽轉(zhuǎn)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(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(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。他有時候認為自己已經(jīng)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。"


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