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第九章 威力巨大的原子(5)

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。"

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