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第九章 威力巨大的原子(1)

当爱因斯坦和哈勃在弄清宇宙的大尺度结构方面成果累累的时候,另一些人在努力搞懂近在手边的而从他们的角度来看又是非常遥远的东西:微小而又永远神秘的原子。

加州理工学院伟大的物理学家理查德·费曼有一次发现,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,多得简直无法想像。

原子的基本工作形式是分子(源自拉丁文,意思是"小团物质")。一个分子就是两个或两个以上以相对稳定的形式一起工作的原子:一个氧原子加上两个氢原子,你就得到一个水分子。化学家往往以分子而不是以元素来考虑问题,就像作家往往以单词而不是以字母来考虑问题一样,因此他们计算的是分子。分子的数量起码可以说是很多的。在海平面的高度、零摄氏度温度的情况下,一立方厘米空气(大约相当于一块方糖所占的空间)所含的分子多达4 500亿亿个。而你周围的每一立方厘米空间都有这么多分子。想一想,你窗外的世界有多少个立方厘米--要用多少块方糖才能填满你的视野。然后再想一想,要多少个这样的空间才能构成宇宙。总而言之,原子是很多的。

原子还不可思议地长寿。由于原子那么长寿,它们真的可以到处漫游。你身上的每个原子肯定已经穿越几个恒星,曾是上百万种生物的组成部分,然后才成为了你。我们每个人身上都有大量原子;这些原子的生命力很强,在我们死后可以重新利用;在我们身上的原子当中,有相当一部分--有人测算,我们每个人身上多达10亿个原子--原先很可能是莎士比亚身上的原子,释迦牟尼、成吉思汗、贝多芬以及其他你点得出的历史人物又每人贡献10亿个原子。(显然非得是历史人物,因为原子要花大约几十年的时间才能彻底地重新分配;无论你的愿望多么强烈,你身上还不可能有一个埃尔维斯·普雷斯利的原子。)

因此,我们都是别人转世化身来的--虽然是短命的。我们死了以后,我们的原子就会天各一方,去别处寻找新的用武之地--成为一片叶子或别的人体或一滴露水的组成部分。

而原子本身实际上将永远活下去。其实,谁也不知道一个原子的寿命,但据马丁·里斯说,它的寿命大约为1035年--这个数字太大,连我也乐意用数学符号来表示。

而且,原子很小--确实很小。50万个原子排成一行还遮不住一根人的头发。以这样的比例,一个原子小得简直无法想像。不过,我们当然可以试一试。

先从1毫米着手,就是这么长的一根线:-。现在,我们来想像一下,这根线被分成了宽度相等的1 000段。每一段的宽度是1微米。这就是微生物的大小。比如,一个标准的草履虫--一种单细胞的淡水小生物--大约为2微米宽,也就是毫米,它确实小得不得了。要是你想用肉眼看到草履虫在一滴水里游,你非得把这滴水放大到12米宽。然而,要是你想看到同一滴水里的原子,你非得把这滴水放大到24公里宽。

换句话说,原子完全存在于另一种微小的尺度上。若要知道原子的大小,你就得拿起这类微米大小的东西,把它切成10 000个更小的东西。那才是原子的大小:1毫米的千万分之一.这么小的东西远远超出了我们的想像范围。但是,只要记住,一个原子对于上述那条1毫米的线,相当于一张纸的厚度对于纽约帝国大厦的高度,它的大小你就有了个大致的概念。

当然,原子之所以如此有用,是因为它们数量众多,寿命极长,而之所以难以被察觉和认识,是因为它们太小。首先发现原子有三个特点--即小、多、实际上不可毁灭--以及一切事物都是由原子组成的,不是你也许会以为的安托万-洛朗·拉瓦锡,甚至不是亨利·卡文迪许或汉弗莱·戴维,而是一名业余的、没有受过多少教育的英国贵格会教徒,名叫约翰·道尔顿发现的,我们在第七章里第一次提到过他的名字。

道尔顿的故乡位于英国湖泊地区边缘,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--他确实聪明,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做道尔顿症,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4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:在一切物质的基部,都是极其微小而又不可还原的粒子。"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。

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