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盧瑟福能理解這種感情,。"科學(xué)要么是物理學(xué),，要么是集郵。"他有一回說,。這句話后來反復(fù)被人引用,。但是，具有某種諷刺意味的是,，他1908年獲得的是諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng),，不是物理學(xué)獎(jiǎng)。 盧瑟福是個(gè)很幸運(yùn)的人--很幸運(yùn)是一位天才,；但更幸運(yùn)的是,，他生活在一個(gè)物理學(xué)和化學(xué)如此激動(dòng)人心而又如此勢(shì)不兩立的年代（且不說他自己的情感）。這兩門學(xué)科再也不會(huì)像從前那樣重合在一起了,。 盡管他取得那么多成就,，但他不是個(gè)特別聰明的人，實(shí)際上在數(shù)學(xué)方面還很差勁,。在講課過程中,，他往往把自己的等式搞亂，不得不中途停下來,，讓學(xué)生自己去算出結(jié)果,。據(jù)與他長(zhǎng)期共事的同事、中子的發(fā)現(xiàn)者詹姆斯?查德威克說,，他對(duì)實(shí)驗(yàn)也不是特別擅長(zhǎng),。他只是有一股子韌勁兒，思想比較開放,。他以精明和一點(diǎn)膽量代替了聰明。用一位傳記作家的話來說,，在他看來,，他的腦子"總是不著邊際，比大多數(shù)人走得遠(yuǎn)得多",。要是遇上一個(gè)難題,，他愿意付出比大多數(shù)人更大的努力，花出更多的時(shí)間,，而且更容易接受非正統(tǒng)的解釋,。由于他愿意坐在熒光屏前，花上許多極其乏味的時(shí)間來統(tǒng)計(jì)所謂α粒子的閃爍次數(shù)--這種工作通常分配給別人去做--所以他才有了最偉大的突破,。他是最先的人之一--很可能就是最先的人--發(fā)現(xiàn)原子里所固有的能量一旦得到利用可以制造炸彈,，其威力之大足以"使這個(gè)舊世界在煙霧中消失",。 就身體而言，他塊兒很大,，體格壯實(shí),，說話聲音能把膽小的人嚇一大跳。有一次,，一位同事獲悉盧瑟福就要向大西洋彼岸發(fā)表廣播演說,，便冷冷地問："干嗎要用廣播？"他還非常自信,，心態(tài)不錯(cuò),。當(dāng)有人對(duì)他說，他好像總是生活在浪尖上,，他回答說："哎呀,，這個(gè)浪頭畢竟是我制造的，難道不是嗎,？"C.P.斯諾回憶說,，有一次他在劍橋的一家裁縫店里偷聽到盧瑟福在說："我的腰圍日漸變粗，同時(shí),，知識(shí)日漸增加,。" 但是，1895年他離開了卡文迪許實(shí)驗(yàn)室1,。在遙遠(yuǎn)的將來,，他的腰圍會(huì)變得更粗，名聲會(huì)變得更響,。盧瑟福抵達(dá)劍橋大學(xué)的那一年,，威廉?倫琴在德國(guó)的維爾茨堡大學(xué)發(fā)現(xiàn)了X射線；次年,，亨利?貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了放射現(xiàn)象,。卡文迪許實(shí)驗(yàn)室本身就要踏上一條漫長(zhǎng)的輝煌之路,。1897年,，J.J.湯普森和他的同事將在那里發(fā)現(xiàn)電子；1911年,，C.T.R.威爾遜將在那里制造出第一臺(tái)粒子探測(cè)器（我們將會(huì)談到）,；1932年，詹姆斯?查德威克將在那里發(fā)現(xiàn)中子,。在更遠(yuǎn)的將來,，1953年，詹姆斯?沃森和弗朗西斯?克里克將在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)DNA結(jié)構(gòu)。 第九章 威力巨大的原子(3) 開頭,，盧瑟福研究無線電波,，取得了一點(diǎn)成績(jī)--他成功地把一個(gè)清脆的信號(hào)發(fā)送到了1公里之外，這在當(dāng)時(shí)是一個(gè)相當(dāng)可以的成就--但是,，他放棄了,，因?yàn)橛幸晃毁Y深同事勸他，無線電沒有多大前途,?？偟膩碚f，盧瑟福在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的事業(yè)不算興旺,。他在那里待了3年,，覺得自己沒有多大作為，便接受了蒙特利爾麥克?吉爾大學(xué)的一個(gè)職位,，從此穩(wěn)步走上了通向輝煌的漫長(zhǎng)之路,。到他獲得諾貝爾獎(jiǎng)的時(shí)候，他已經(jīng)轉(zhuǎn)到曼徹斯特大學(xué),。其實(shí)是在那里,，他將取得最重要的成果，確定原子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),。 到20世紀(jì)初,，大家已經(jīng)知道，原子是由幾個(gè)部分構(gòu)成的--湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子,，就確立了這種見解--但是,，大家還不知道的是：到底有多少個(gè)部分；它們是怎樣合在一起的,；它們呈什么形狀,。有的物理學(xué)家認(rèn)為，原子可能是立方體的,，因?yàn)榱⒎襟w可以整齊地疊在一起,，不會(huì)浪費(fèi)任何空間。然而,，更普遍的看法是,，原子更像一塊葡萄干面包，或者像一份葡萄干布?。阂粋€(gè)密度很大的固體，帶有正電荷,，上面布滿了帶負(fù)電荷的電子,，就像葡萄干面包上的葡萄干。 1910年，盧瑟福（在他的學(xué)生漢斯?蓋格的協(xié)助之下,。蓋格后來將發(fā)明冠有他名字的輻射探測(cè)儀）朝一塊金箔發(fā)射電離的氦原子,，或稱α粒子。令盧瑟福吃驚的是,，有的粒子竟會(huì)反彈回來,。他說，他就像朝一張紙發(fā)射了一發(fā)38厘米的炮彈,，結(jié)果炮彈反彈到了他的膝部,。這是不該發(fā)生的事。經(jīng)過冥思苦想以后,，他覺得只有一種解釋：那些反彈回來的粒子擊中了原子當(dāng)中又小又密的東西,，而別的粒子則暢通無阻地穿了過去。盧瑟福意識(shí)到,，原子內(nèi)部主要是空無一物的空間,，只有當(dāng)中是密度很大的核。這是個(gè)很令人滿意的發(fā)現(xiàn),。但馬上產(chǎn)生了一個(gè)問題,，根據(jù)傳統(tǒng)物理學(xué)的全部定律，原子因此就不應(yīng)該存在,。 讓我們稍停片刻,，先來考慮一下現(xiàn)在我們所知道的原子結(jié)構(gòu)。每個(gè)原子都由三種基本粒子組成：帶正電荷的質(zhì)子,，帶負(fù)電荷的電子,，以及不帶電荷的中子。質(zhì)子和中子裝在原子核里,，而電子在外面繞著旋轉(zhuǎn),。質(zhì)子的數(shù)量決定一個(gè)原子的化學(xué)特性。有一個(gè)質(zhì)子的原子是氫原子,；有兩個(gè)質(zhì)子的原子是氦原子,；有三個(gè)質(zhì)子的原子是鋰原子；如此往上增加,。你每增加一個(gè)質(zhì)子就得到一種新元素,。（由于原子里的質(zhì)子數(shù)量總是與同樣數(shù)量的電子保持平衡，因此你有時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)有的書里以電子的數(shù)量來界定一種元素,，結(jié)果完全一樣,。有人是這樣向我解釋的：質(zhì)子決定一個(gè)原子的身份，電子決定一個(gè)原子的性情,。） 中子不影響原子的身份,，但卻增加了它的質(zhì)量。一般來說，中子數(shù)量與質(zhì)子數(shù)量大致相等,，但也可以稍稍多一點(diǎn)或少一點(diǎn),。增加或減少一兩個(gè)中子，你就得到了同位素,?？脊艑W(xué)里就是用同位素來確定年代的--比如，碳－14是由6個(gè)質(zhì)子和8個(gè)中子組成的碳原子（因?yàn)槎咧褪?4）,。 中子和質(zhì)子占據(jù)了原子核,。原子核很小--只有原子全部容量的千萬億分之一，但密度極大,，它實(shí)際上構(gòu)成了原子的全部物質(zhì),。克羅珀說,，要是把原子擴(kuò)大到一座教堂那么大,，原子核只有大約一只蒼蠅那么大--但蒼蠅要比教堂重幾千倍。1910年盧瑟福在苦苦思索的,，就是這種寬敞的空間--這種令人吃驚,、料想不到的寬敞空間。 認(rèn)為原子主要是空蕩蕩的空間,，我們身邊的實(shí)體只是一種幻覺,，這個(gè)見解現(xiàn)在依然令人吃驚。要是兩個(gè)物體在現(xiàn)實(shí)世界里碰在一起--我們常用臺(tái)球來作為例子--它們其實(shí)并不互相撞擊,。"而是,，"蒂姆西?費(fèi)里斯解釋說，"兩個(gè)球的負(fù)電荷場(chǎng)互相排斥......要是不帶電荷,，它們很可能會(huì)像星系那樣安然無事地互相穿堂而過,。"你坐在椅子上，其實(shí)沒有坐在上面,，而是以1埃（一億分之一厘米）的高度浮在上面,，你的電子和它的電子不可調(diào)和地互相排斥，不可能達(dá)到更密切的程度,。 差不多人人的腦海里都有一幅原子圖,，即一兩個(gè)電子繞著原子核飛速轉(zhuǎn)動(dòng)，就像行星繞著太陽轉(zhuǎn)動(dòng)一樣,。這個(gè)形象是1904年由一位名叫長(zhǎng)岡半太郎的日本物理學(xué)家創(chuàng)建的,，完全是一種聰明的憑空想像。它是完全錯(cuò)的,，但照樣很有生命力,。正如艾薩克?阿西莫夫喜歡指出的,，它給了一代又一代的科幻作家靈感，創(chuàng)作了世界中的世界的故事,，原子成了有人居住的太陽系，我們的太陽系成了一個(gè)大得多的體系里的一顆微粒,。連歐洲核子研究中心也把長(zhǎng)岡所提出的圖像作為它網(wǎng)站的標(biāo)記,。物理學(xué)家很快就意識(shí)到，實(shí)際上,，電子根本不像在軌道上運(yùn)行的行星,，更像是電扇旋轉(zhuǎn)著的葉片，想要同時(shí)填滿軌道上的每一空間,。（但有個(gè)重要的不同之處,，那就是，電扇葉片只是好像同時(shí)在每個(gè)地方,，電子真的就同時(shí)在每個(gè)地方,。） 不用說，在1910年,，或在此后的許多年里,，知道這類知識(shí)的人為數(shù)甚少。盧瑟福的發(fā)現(xiàn)馬上產(chǎn)生了幾個(gè)大問題,。尤其是,，圍繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)的電子可能會(huì)墜毀。傳統(tǒng)的電動(dòng)力學(xué)理論認(rèn)為,，飛速轉(zhuǎn)動(dòng)的電子很快會(huì)把能量消耗殆盡--只是一剎那間--然后盤旋著飛進(jìn)原子核,，給二者都帶來災(zāi)難性的后果。還有一個(gè)問題,，帶正電荷的質(zhì)子怎么能一起待在原子核里面,，而又不把自己及原子的其他部分炸得粉碎。顯而易見,，那個(gè)小天地里在發(fā)生的事,，是不受適用于我們宏觀世界的規(guī)律支配的。 第九章 威力巨大的原子(4) 隨著物理學(xué)家們深入這個(gè)亞原子世界,，他們意識(shí)到,，那里不僅不同于我們所熟悉的任何東西，也不同于所能想像的任何東西,。"由于原子的行為如此不同于普通的經(jīng)驗(yàn),，"理查德?費(fèi)曼有一次說，"你是很難習(xí)慣的,。在大家看來,，無論在新手還是在有經(jīng)驗(yàn)的物理學(xué)家看來,，它顯得又古怪，又神秘,。"到費(fèi)曼發(fā)表這番評(píng)論的時(shí)候,，物理學(xué)家們已經(jīng)有半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間來適應(yīng)原子的古怪行為。因此,，你可以想像,，盧瑟福和他的同事們?cè)?0世紀(jì)初會(huì)有什么感覺。它在當(dāng)時(shí)還完全是個(gè)新鮮事物,。 與盧瑟福一起工作的人當(dāng)中,，有個(gè)和藹可親的丹麥年輕人，名叫尼爾斯?玻爾,。1913年,，他在思索原子結(jié)構(gòu)的過程中，突然有了個(gè)激動(dòng)人心的想法,。他推遲了蜜月,，寫出了一篇具有劃時(shí)代意義的論文。 物理學(xué)家們看不見原子這樣的小東西,，他們不得不試圖根據(jù)它在外來?xiàng)l件作用下的表現(xiàn)方式來確定它的結(jié)構(gòu),，比如像盧瑟福那樣向金箔發(fā)射α粒子。有時(shí)候,，這類實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是令人費(fèi)解的,，那也不足為怪。有個(gè)存在很久的難題跟氫的波長(zhǎng)的光譜讀數(shù)有關(guān),。它們產(chǎn)生的形狀顯示,，氫原子在有的波長(zhǎng)釋放能量，在有的波長(zhǎng)不釋放能量,。這猶如一個(gè)受到監(jiān)視的人,，不斷出現(xiàn)在特定的地點(diǎn)，但永遠(yuǎn)也看不到他是怎么跑過來跑過去的,。誰也說不清是什么原因,。 就是在思索這個(gè)問題的時(shí)候，玻爾突然想到一個(gè)答案,，迅速寫出了他的著名論文,。論文的題目為《論原子和分子的構(gòu)造》，認(rèn)為電子只能留在某些明確界定的軌道上,，不會(huì)墜入原子核,。根據(jù)這種新的理論，在兩個(gè)軌道之間運(yùn)行的電子會(huì)在一個(gè)軌道消失,，立即在另一軌道出現(xiàn),，而又不通過中間的空間,。這種見解--即著名的"量子躍遷"--當(dāng)然是極其奇特的，而又實(shí)在太棒,，不能不信,。它不但說明了電子不會(huì)災(zāi)難性地盤旋著飛進(jìn)原子核，而且解釋了氫的令人費(fèi)解的波長(zhǎng),。電子只出現(xiàn)在某些軌道,，因?yàn)樗鼈冎淮嬖谟谀承┸壍馈＿@是個(gè)了不起的見解,，玻爾因此獲得了1922年--即愛因斯坦獲得該獎(jiǎng)的第二年--的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 與此同時(shí),，不知疲倦的盧瑟福這時(shí)候已經(jīng)返回劍橋大學(xué),，接替J.J.湯姆遜擔(dān)任卡文迪許實(shí)驗(yàn)室主任。他設(shè)計(jì)出了一種模型,，說明原子核不會(huì)爆炸的原因,。他認(rèn)為，質(zhì)子的正電荷一定已被某種起中和作用的粒子抵消,，他把這種粒子叫做中子,。這個(gè)想法簡(jiǎn)單而動(dòng)人，但不容易證明,。盧瑟福的同事詹姆斯?查德威克忙碌了整整11個(gè)年頭尋找中子,，終于在1932年獲得成功。1935年,，他也獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),。正如布爾斯及其同事在他們的物理學(xué)史中指出的，較晚發(fā)現(xiàn)中子或許是一件很好的事,，因?yàn)榘l(fā)展原子彈必須掌握中子,。（由于中子不帶電荷，它們不會(huì)被原子中心的電場(chǎng)排斥,，因此可以像小魚雷那樣被射進(jìn)原子核,，啟動(dòng)名叫裂變的破壞過程。）他們認(rèn)為,，要是在20世紀(jì)20年代就能分離中子,，"原子彈很可能先在歐洲研制出來，毫無疑問是被德國(guó)人",。 實(shí)際上,，歐洲人當(dāng)時(shí)忙得不亦樂乎，試圖搞清電子的古怪表現(xiàn),。他們面臨的主要問題是,，電子有時(shí)候表現(xiàn)得很像粒子,，有時(shí)候很像波。這種令人難以置信的兩重性幾乎把物理學(xué)家逼上絕境,。在此后的10年里,，全歐洲的物理學(xué)家都在思索呀，亂涂呀,，提出互相矛盾的假設(shè)呀,。在法國(guó)，公爵世家出身的路易－維克多?德布羅意親王發(fā)現(xiàn)如果把電子看做是波,，那么電子行為的某些反常就消失了,。這一發(fā)現(xiàn)引起了奧地利人埃爾文?薛定諤的注意。他巧妙地做了一些提煉,，設(shè)計(jì)了一種容易理解的理論,，名叫波動(dòng)力學(xué)。幾乎同時(shí),，德國(guó)物理學(xué)家維爾納?海森伯提出了一種對(duì)立的理論,，叫做矩陣力學(xué)。那種理論牽涉到復(fù)雜的數(shù)學(xué),，實(shí)際上幾乎沒有人搞得明白,，包括海森伯本人在內(nèi)（"我連什么是矩陣都不知道。"海森伯有一次絕望地對(duì)一位朋友說）,，但似乎確實(shí)解決了薛定諤的波動(dòng)力學(xué)里一些無法解釋的問題,。 結(jié)果，物理學(xué)有了兩種理論,，它們基于互相沖突的前提,，但得出同樣的結(jié)果。這是個(gè)令人難以置信的局面,。 1926年,，海森伯終于想出個(gè)極好的妥協(xié)辦法，提出了一種后來被稱之為量子力學(xué)的新理論,。該理論的核心是"海森伯測(cè)不準(zhǔn)原理",。它認(rèn)為，電子是一種粒子,，不過是一種可以用波來描述的粒子,。作為建立該理論基礎(chǔ)的"測(cè)不準(zhǔn)原理"認(rèn)為，我們可以知道電子穿越空間所經(jīng)過的路徑,，我們也可以知道電子在某個(gè)特定時(shí)刻的位置,，但我們無法兩者都知道。任何想要測(cè)定其中之一的努力,，勢(shì)必會(huì)干擾其中之二,。這不是個(gè)需要更精密的儀器的簡(jiǎn)單問題,；這是宇宙的一種不可改變的特性。 真正的意思是,，你永遠(yuǎn)也無法預(yù)測(cè)電子在任何特定時(shí)刻的位置,。你只能認(rèn)為它有可能在那里。在某種意義上,，正如丹尼斯?奧弗比所說,，電子只有等到被觀察到了，你才能說它確實(shí)存在,。換句稍稍不同的話來說,，在電子被觀察到之前，你非得認(rèn)為電子"哪里都有,，而又哪里都沒有",。 如果你覺得被這種說法弄得稀里糊涂，你要知道,，它也把物理學(xué)家們弄得稀里糊涂，這是值得安慰的,。奧弗比說："有一次,，玻爾說，要是誰第一次聽說量子理論時(shí)沒有發(fā)火,，這說明他沒有理解意思,。"當(dāng)有人問海森伯是不是可以想像一下原子的模樣，他回答說："別這么干,。" 第九章 威力巨大的原子(5) 因此,，結(jié)果證明，原子不完全是大多數(shù)人創(chuàng)造的那個(gè)模樣,。電子并不像行星繞著太陽轉(zhuǎn)動(dòng)那樣在繞著原子核飛速轉(zhuǎn)動(dòng),，而更像是一朵沒有固定形狀的云。原子的"殼"并不是某種堅(jiān)硬而光滑的外皮,，就像許多插圖有時(shí)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(shí)質(zhì)上,，云團(tuán)本身只是個(gè)統(tǒng)計(jì)概率的地帶,，表示電子只是在極少的情況下才越過這個(gè)范圍。因此,，要是你弄得明白的話,，原子更像是個(gè)毛茸茸的網(wǎng)球，而不大像個(gè)外緣堅(jiān)硬的金屬球,。（其實(shí),，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?cè)谶@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(gè)區(qū)域",?；蛘呦褓M(fèi)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(shí)到，他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)世界：在那個(gè)世界里,，電子可以從一個(gè)軌道跳到另一個(gè)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)?泡利在1925年的"不相容原理"中提出的看法：某些成雙結(jié)對(duì)的亞原子粒子,，即使被分開很遠(yuǎn)的距離，一方馬上會(huì)"知道"另一方的情況,。粒子有個(gè)特性,，叫做自旋，根據(jù)量子理論,，你一確定一個(gè)粒子的自旋,，那個(gè)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(yuǎn)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(gè)相同的臺(tái)球,，一個(gè)在美國(guó)俄亥俄州,，一個(gè)在斐濟(jì)，當(dāng)你旋轉(zhuǎn)其中一個(gè)的時(shí)候,，另一個(gè)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(gè)現(xiàn)象在1997年得到了證實(shí),，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的物理學(xué)家把兩個(gè)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(gè),，另一個(gè)馬上作出反應(yīng),。 事情達(dá)到了這樣的一種程度：有一次會(huì)議上，玻爾在談到一種新的理論時(shí)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(gè)著名的思想實(shí)驗(yàn)：假設(shè)把貓兒放進(jìn)一只箱子,，同時(shí)放進(jìn)一個(gè)放射性物質(zhì)的原子，連著一小瓶氫氰酸,。要是粒子在一個(gè)小時(shí)內(nèi)發(fā)生衰變,，它就會(huì)啟動(dòng)一種機(jī)制，把瓶子擊破,，使貓兒中毒,。要不然，貓兒便會(huì)活著,。但是,，我們無法知道會(huì)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(shí)認(rèn)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(diǎn)兒激動(dòng)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(cè)定的話",。 由于存在這么多古怪的特點(diǎn)，許多物理學(xué)家不喜歡量子理論,，至少不喜歡這個(gè)理論的某些方面,，尤其是愛因斯坦。這是很有諷刺意味的,，因?yàn)檎撬?905年這個(gè)奇跡年中很有說服力地解釋說,，光子有時(shí)候可以表現(xiàn)得像粒子，有時(shí)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(rèn)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(gè)宇宙，而里面的有些事情卻永遠(yuǎn)無法知道,。而且,，關(guān)于超距作用的見解--即一個(gè)粒子可以在幾萬億公里以外立即影響另一個(gè)粒子--完全違反了狹義相對(duì)論。什么也超不過光速,，而物理學(xué)家們卻在這里堅(jiān)持認(rèn)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(duì)待這個(gè)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(duì)論,。相對(duì)論的引力出色地解釋了行星為什么繞太陽轉(zhuǎn)動(dòng),，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(jì)30年代發(fā)現(xiàn)了兩種：強(qiáng)核力和弱核力,。強(qiáng)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(qiáng)1億億倍,；強(qiáng)核力比這還要強(qiáng)--實(shí)際上要強(qiáng)得多--但它的影響只傳到極小的距離,。強(qiáng)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(qiáng)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(shí)候認(rèn)為自己已經(jīng)找到,，但最后總是覺得白費(fèi)工夫,。隨著時(shí)間的過去，他越來越不受人重視,，甚至有點(diǎn)兒被人可憐,。又是斯諾寫道："他的同事們過去認(rèn)為，現(xiàn)在依然認(rèn)為,，他浪費(fèi)了他的后半生,。" 第九章 威力巨大的原子(6) 然而，別處正在取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展,。到20世紀(jì)40年代,，科學(xué)家們已經(jīng)達(dá)到這樣一種程度：他們?cè)跇O其深的層次上了解了原子--1945年8月，他們提供了最有力的證據(jù)：在日本上空爆炸了兩顆原子彈,。 到那個(gè)時(shí)候,，科學(xué)家們情有可原地認(rèn)為，他們馬上就要征服原子了,。實(shí)際上,，粒子物理學(xué)所涉及的一切，即將變得復(fù)雜得多,。不過,，我們?cè)诶^續(xù)講述這個(gè)有點(diǎn)兒包羅萬象的故事之前，應(yīng)當(dāng)先把到最近為止的另一部分歷史作個(gè)交待,，考慮一下一個(gè)重要而又有益的故事,，一個(gè)關(guān)于貪婪、欺騙,、偽科學(xué),、幾起不必要的死亡事件以及最終確定地球年齡的故事,。 第十章 把鉛攆出去(1) 20世紀(jì)40年代末,，芝加哥大學(xué)一位名叫克萊爾?彼得森（盡管姓彼得森，他原先是艾奧瓦州的一個(gè)農(nóng)家孩子）的研究生在用一種新的鉛同位素測(cè)量法,，對(duì)地球的確切年齡作最后的測(cè)定,。不幸的是，他的巖石樣品全部給污染了--而且還污染得很厲害,。大多數(shù)樣品里的鉛含量超過正常濃度的大約200倍,。許多年以后，彼得森才明白，問題出在俄亥俄州一個(gè)名叫小托馬斯?米奇利的人身上,。 米奇利是一名受過訓(xùn)練的工程師,，要是他一直當(dāng)工程師，世界本來會(huì)太平一些,。但是,，他對(duì)化學(xué)的工業(yè)用途發(fā)生了興趣。1921年,，他在位于俄亥俄州代頓的通用汽車研究公司工作期間,，對(duì)一種名叫四乙鉛的化合物作了研究，發(fā)現(xiàn)它能大大減少震動(dòng)現(xiàn)象,，即所謂的發(fā)動(dòng)機(jī)爆震,。 到20世紀(jì)初，大家都知道鉛很危險(xiǎn),，但它仍然以各種形式存在于消費(fèi)品之中,。罐頭食品以焊鉛來封口；水常常儲(chǔ)存在鉛皮罐里,；砷酸鉛用做殺蟲劑噴灑在水果上,。鉛甚至還是牙膏管子的組成材料。幾乎每一件產(chǎn)品都會(huì)給消費(fèi)者的身體里增加一點(diǎn)兒鉛,。然而,，人接觸機(jī)會(huì)最多、接觸時(shí)間最長(zhǎng)的,，還是添加在汽油里的鉛,。 鉛是一種神經(jīng)毒素。體內(nèi)鉛的含量過高,，就會(huì)無可挽回地?fù)p害大腦和中樞神經(jīng)系統(tǒng),。與鉛過分接觸會(huì)引起很多病癥，其中有喪失視力,、失眠,、腎功能衰竭、失聰,、癌癥,、癱瘓和抽搐。急性發(fā)作的時(shí)候,，人可以突然產(chǎn)生恐怖的幻覺,，令患者和旁人措手不及。一般來說,，這種癥狀接著會(huì)導(dǎo)致昏迷或死亡,。誰也不愿意讓自己的身體攝入過量的鉛,。 另一方面，鉛很容易提煉和開采,，大規(guī)模生產(chǎn)極其有利可圖--四乙鉛確實(shí)可以防止發(fā)動(dòng)機(jī)爆震,。所以，在1923年,，美國(guó)三家最大的公司--通用汽車公司,、杜邦公司和新澤西美孚石油公司--成立了一家合資企業(yè)，名叫四乙鉛汽油公司（后來又簡(jiǎn)稱為四乙公司）,，世界愿買多少四乙鉛,，它就生產(chǎn)多少四乙鉛。結(jié)果證明,，世界的需要量很大,。他們之所以把公司稱做"四乙公司"，是因?yàn)?四乙"聽上去比較悅耳,，不像"鉛"那樣含有毒物的意味,。 1923年2月1日，他們把這個(gè)名字（以比大多數(shù)人知道的更多方式）推向市場(chǎng),，讓公眾接受,。 第一線的工人幾乎馬上出現(xiàn)走路不穩(wěn)、官能混亂等癥狀,，這是中毒不久后的標(biāo)志,。四乙公司也幾乎馬上執(zhí)行一條行若無事、堅(jiān)決否認(rèn)的方針,，而且在幾十年里行之有效,。正如沙倫?伯奇?麥格雷恩在她的工業(yè)化學(xué)史《實(shí)驗(yàn)室里的普羅米修斯》一書中指出的，要是哪家工廠的雇員得了不可治愈的幻覺癥,，發(fā)言人便會(huì)厚顏無恥地告訴記者："這些人之所以精神失常,，很可能是因?yàn)楣ぷ魈量唷?在生產(chǎn)含鉛汽油的初期，至少有15名工人死亡,，數(shù)不清的人得病,，常常是大病。確切的數(shù)字無法知道,，因?yàn)楣編缀蹩偸悄苎谏w過去,，從不透露令人難堪的泄漏、溢出和中毒等消息,。然而,，有的時(shí)候,，壓制消息已經(jīng)不可能--尤其值得注意的是在1924年,，在幾天時(shí)間里,，光在一個(gè)通風(fēng)不良的場(chǎng)所就有5名生產(chǎn)工人死亡，35名工人終身殘疾,。 隨著有關(guān)新產(chǎn)品很危險(xiǎn)的謠言四起,，為了打消人們的擔(dān)心，四乙鉛汽油的發(fā)明者托馬斯?米奇利決定當(dāng)著記者的面作一次現(xiàn)場(chǎng)表演,。他一面大談公司如何確保安全,，一面往自己的手上潑含鉛汽油，還把一燒杯這類汽油放在鼻子跟前達(dá)60秒之久,，不停聲稱他每天可以這么干而不受任何傷害,。其實(shí)，米奇利心里對(duì)鉛中毒的危險(xiǎn)很清楚：他幾個(gè)月之前還因接觸太多而害了一場(chǎng)大病,，現(xiàn)在除了在記者面前以外決不接近那玩意兒,，只要可能的話。 加鉛汽油獲得成功,，米奇利深受鼓舞,，現(xiàn)在又把注意力轉(zhuǎn)向那個(gè)時(shí)代的另一個(gè)技術(shù)問題。20世紀(jì)20年代,，冰箱使用有毒而危險(xiǎn)的氣體,，時(shí)常泄漏，風(fēng)險(xiǎn)很大,。1929年,，俄亥俄州克利夫蘭有家醫(yī)院發(fā)生冰箱泄漏事故，造成100多人死亡。米奇利著手發(fā)明一種很穩(wěn)定,、不易燃,、不腐蝕、吸入很安全的氣體,。憑著辦事幾乎從不后悔的本能，他發(fā)明了含氯氟烴,。 很少有哪個(gè)工業(yè)產(chǎn)品如此快速而又不幸地被大家接受,。20世紀(jì)30年代初，含氯氟烴投入生產(chǎn),，結(jié)果派上了一千種用場(chǎng),，從汽車空調(diào)器到除臭噴霧劑什么都離不開它。半個(gè)世紀(jì)以后人們才發(fā)現(xiàn),，這玩意兒正吞噬著平流層里的臭氧,。你將會(huì)明白，這不是一件好事情,。 臭氧是氧的一種形式,，每個(gè)分子含有三個(gè)而不是通常的兩個(gè)原子,。它的化學(xué)特性有點(diǎn)兒古怪：它在地面上是一種有害物質(zhì)，在高高的平流層卻是一種有益物質(zhì),，因?yàn)樗瘴ｋU(xiǎn)的紫外輻射,。然而，有益的臭氧的量并不很大,。即使均勻地分布在平流層里,，它也只能形成大約兩毫米厚的一層。這就是它很容易受擾動(dòng)的原因,。 含氯氟烴的量也不大--只占整個(gè)大氣的大約十億分之一--但是,，這種氣體的破壞力很強(qiáng)。1千克含氯氟烴能在大氣里捕捉和消滅7萬千克臭氧,。含氯氟烴懸浮的時(shí)間還很長(zhǎng)--平均一個(gè)世紀(jì)左右--不停地造成破壞,。它吸收大量熱量。一個(gè)含氯氟烴分子增加溫室效應(yīng)的本事,，要比一個(gè)二氧化碳分子強(qiáng)1萬倍左右--當(dāng)然,，二氧化碳本身也是加劇溫室效應(yīng)的能手?？傊?，最后可能證明，含氯氟烴差不多是20世紀(jì)最糟糕的發(fā)明,。 這一點(diǎn)米奇利永遠(yuǎn)不會(huì)知道,。在人們意識(shí)到含氯氟烴的破壞力之前，他早已不在人世,。 第十章 把鉛攆出去(2) 他的死亡本身也是極不尋常的,。米奇利患脊髓灰質(zhì)炎變成跛子以后，發(fā)明了一個(gè)機(jī)械裝置,，利用一系列機(jī)動(dòng)滑輪自動(dòng)幫他在床上抬身或翻身,。1944年，當(dāng)這臺(tái)機(jī)器啟動(dòng)的時(shí)候,，他被纏在繩索里窒息而死,。 要是你對(duì)確定事物的年齡感興趣，20世紀(jì)40年代的芝加哥大學(xué)是個(gè)該去的地方,。威拉德?利比快要發(fā)明放射性碳年代測(cè)定法,，使科學(xué)家們能測(cè)出骨頭和別的有機(jī)殘骸的精確年代，這在過去是辦不到的,。到這個(gè)時(shí)候,，可靠的年代最遠(yuǎn)只達(dá)埃及的第一王朝--公元前3000年左右。例如，誰也沒有把握說出,，最后一批冰蓋是在什么時(shí)候退縮的,，法國(guó)的克羅馬農(nóng)人是在過去什么時(shí)候裝飾拉斯科山洞的。 利比的方法用途很廣,，他因此獲得了1960年的諾貝爾獎(jiǎng),。這種方法基于一種認(rèn)識(shí)：生物內(nèi)部都有一種碳的同位素--名叫碳－14,，生物一死,，該同位素馬上以可以測(cè)定的速度開始衰變。碳－14大約有5600年的半衰期--即任何樣品消失一半所需的時(shí)間--因此,，通過確定某種特定的碳樣的衰變程度,，利比就可以有效地鎖定一個(gè)物體的年代--雖然是在一定限度以內(nèi)。經(jīng)過八個(gè)半衰期以后,，原先的放射性碳只剩下0.39％,。這個(gè)量太小，無法進(jìn)行可靠的測(cè)算,，因此碳－14年代測(cè)定法只適用于年代不超過4萬年左右的物體,。 有意思的是，隨著這項(xiàng)技術(shù)的廣泛使用,，有些疵點(diǎn)也日漸顯露出來,。首先，人們發(fā)現(xiàn),，利比公式里有個(gè)名叫衰變常數(shù)的基本成分存在3％的誤差,。而到了這個(gè)時(shí)候，全世界已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)千次計(jì)算,?？茖W(xué)家們沒有修正每個(gè)計(jì)算結(jié)果，而是決定保留這個(gè)不準(zhǔn)確的常數(shù),。"這樣,，"提姆?弗蘭納里說，"你只要把今天見到的每一個(gè)以放射性碳年代測(cè)定法測(cè)定的年代減去大約3％,。"問題沒有完全解決,。人們又很快發(fā)現(xiàn)，碳－14的樣品很容易被別處的碳污染--比如,，一小點(diǎn)兒連同樣品一起被采集來的而又沒有被注意到的植物,。對(duì)于年代不大久遠(yuǎn)的樣品來說--年代小于大約2萬年的樣品--稍有污染并不總是關(guān)系很大，而對(duì)于年代比較久遠(yuǎn)的樣品來說,，這有可能是個(gè)嚴(yán)重的問題,，因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)中的剩余原子數(shù)實(shí)在太少了。借用弗蘭綱納里的話來說,，在第一種情況下,，就像是1000美元里少數(shù)1美元,；而在第二種情況下，就像是僅有的2美元里少數(shù)了1美元,。 而且,，利比的方法是以如下假設(shè)為基礎(chǔ)的，即大氣里碳－14的含量以及生物吸收這種物質(zhì)的速度,，在整個(gè)歷史進(jìn)程中是始終不變的,。事實(shí)并非如此。我們現(xiàn)在知道,，大氣里碳－14的數(shù)量變化不定,，取決于地球的磁場(chǎng)能否有效地改變宇宙射線的方向；在漫長(zhǎng)的時(shí)間里,，變化的幅度可能很大,。這意味著，有些以碳－14年代測(cè)定法測(cè)定的年代要比別的這類年代更無把握,。在比較缺少把握的年代當(dāng)中,，有人類首次抵達(dá)美洲前后這一段時(shí)期的年代。這就是為什么那個(gè)問題老是爭(zhēng)論不休的原因之一,。 最后,，也許有點(diǎn)兒出人意料的是，計(jì)算結(jié)果可能由于表面看來毫不相干的外因--比如動(dòng)物的飲食結(jié)構(gòu)--而完全失去意義,。最近有個(gè)案例引起了廣泛激烈的爭(zhēng)論,，即梅毒究竟起源于新大陸還是舊大陸。赫爾的考古學(xué)家們發(fā)現(xiàn),，修道院墳地里的修道士患有梅毒,。最初的結(jié)論是，修道士在哥倫布航行之前就已經(jīng)患上了梅毒,。但是,，該結(jié)論受到了質(zhì)疑，因?yàn)榭茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn),，他們吃了大量的魚,，這會(huì)使他們骨頭的年代看上去比實(shí)際的要古老。修道士可能患有梅毒,，但究竟是怎么患上的,，什么時(shí)候患上的，問題似乎容易解決,，卻依然沒有解決,。 由于碳－14年代測(cè)定法的缺點(diǎn)加起來還真不少，科學(xué)家們發(fā)明了別的辦法來測(cè)定古代物質(zhì)的年代，其中有發(fā)熱光測(cè)定法和電子自旋共振測(cè)定法,。前者用來測(cè)定存留在泥土里的電子數(shù),；后者以電磁波轟擊一件樣品來測(cè)定電子的振動(dòng)。但是,，即使用最好的方法,，你也無法測(cè)定20萬年以上的東西的年代，也根本無法測(cè)定巖石那樣的無機(jī)物質(zhì)的年代,。然而,，若要確定我們這顆行星的年齡，這當(dāng)然是必不可少的,。 測(cè)定巖石年代的問題在于,，世界上幾乎人人都一度不抱希望,。要不是出了一位決心很大的,、名叫阿瑟?霍姆斯的英國(guó)教授，這項(xiàng)探索很可能會(huì)完全停頓下來,。 無論在克服困難方面,，還是在取得的成就方面，霍姆斯都很有英雄氣概,。20世紀(jì)20年代,，正當(dāng)他的事業(yè)進(jìn)入全盛期的時(shí)候，地質(zhì)學(xué)已經(jīng)不再吃香--物理學(xué)是那個(gè)時(shí)代的熱門科學(xué),，資金嚴(yán)重缺乏,，尤其在它的精神誕生地英國(guó)。多少年來,，他是達(dá)勒姆大學(xué)地質(zhì)系的惟一人員,。為了進(jìn)行測(cè)定巖石年代的工作，他常常不得不借用或拼湊設(shè)備,。有一次,，為了等校方為他提供一臺(tái)簡(jiǎn)單的加法機(jī)，他的計(jì)算工作竟然耽擱了1年時(shí)間,。有時(shí)候,，他不得不完全停止學(xué)術(shù)工作，以便掙錢來養(yǎng)家糊口--一度在紐卡斯?fàn)栭_了個(gè)古董店,，有時(shí)候他連地質(zhì)學(xué)會(huì)每年5英鎊的會(huì)費(fèi)也繳不起,。 霍姆斯在研究工作中使用的方法，在理論上其實(shí)并不復(fù)雜,，直接產(chǎn)生于歐內(nèi)斯特?盧瑟福于1904年最初發(fā)現(xiàn)的那個(gè)過程,，即，有的原子以一種可以預(yù)測(cè)的比率從一種元素衰變成另一種元素，因此這個(gè)過程可以用來當(dāng)時(shí)鐘,。要是你知道鉀－40要經(jīng)過多長(zhǎng)時(shí)間才變成氬－40,，并且測(cè)定樣品里這兩種元素的量，你就可以得出那種物質(zhì)的年代,?；裟匪沟呢暙I(xiàn)在于，以測(cè)定鈾衰變成鉛的比率來測(cè)定巖石的年代,，從而--他希望--能測(cè)定地球的年齡,。 第十章 把鉛攆出去(3) 但是，有許多技術(shù)上的困難需要克服,?；裟匪惯€需要--至少會(huì)很高興擁有--一種能對(duì)細(xì)小樣品進(jìn)行精密測(cè)量的先進(jìn)儀器，而我們已經(jīng)知道,，他所能得到的不過是一臺(tái)簡(jiǎn)單的加法機(jī),。因此，他竟然能在1946年較有把握地宣布,，地球至少已經(jīng)存在30億年,，很可能還要長(zhǎng)。這是一項(xiàng)相當(dāng)了不起的成就,。不幸的是,，他又一次遇到了巨大的障礙：他的科學(xué)界同行們非常保守，對(duì)他的成就拒不承認(rèn),。許多人盡管樂意贊賞他的方法,，卻認(rèn)為他得出的不是地球的年齡，而只是組成地球的材料的年齡,。 就在這個(gè)時(shí)候,，芝加哥大學(xué)的哈里森?布朗發(fā)明了一種統(tǒng)計(jì)火成巖（即通過加熱形成的巖石，而不是通過沉積形成的巖石）里鉛同位素的新方法,。他意識(shí)到這項(xiàng)工作相當(dāng)乏味,，便把它交給了年輕的克萊爾?彼得森，作為他的論文項(xiàng)目,。他向彼得森保證,，以他的新方法來測(cè)定地球的年齡會(huì)"易如反掌"。實(shí)際上,，這項(xiàng)工作花了幾年時(shí)間,。 1948年，彼得森著手從事這個(gè)項(xiàng)目,。與托馬斯?米奇利豐富多彩,、不斷推動(dòng)歷史前進(jìn)的貢獻(xiàn)相比,，彼得森測(cè)定地球年齡的工作有點(diǎn)兒平平庸庸的味道。有7年時(shí)間,，先是在芝加哥大學(xué),，后在加州理工學(xué)院（他于1952年遷往那里），他在無菌實(shí)驗(yàn)室里埋頭苦干,，仔細(xì)選擇古老巖石的樣品,，精密測(cè)定里面鉛/鈾的比例。 測(cè)定地球年齡的問題在于,，你需要有極其古老的巖石,，內(nèi)有含鉛和鈾的晶體，其古老程度幾乎與這顆行星一樣--要是巖石年輕得多,，測(cè)出的年代顯然會(huì)比較年輕,，從而得出錯(cuò)誤的結(jié)論，而真正古老的巖石在地球上是很難找得著的,。到20世紀(jì)40年代末,，誰也不知道這是什么原因。實(shí)際上,，要等到太空時(shí)代,，才可能有人貌似有理地說明地球上古老巖石的去向,，這真是不可思議的,。（答案在于板塊構(gòu)造，我們當(dāng)然將談到這個(gè)問題,。）與此同時(shí),，彼得森只能在材料非常有限的情況下把這一切搞清楚。最后,，他突然聰明地想到,，他可以利用地球之外的巖石，從而繞開缺少巖石的問題,。他把注意力轉(zhuǎn)向隕石,。 他提出了一個(gè)假設(shè)--一個(gè)很有遠(yuǎn)見的假設(shè)，結(jié)果證明非常正確,，即,，許多隕石實(shí)際上是太陽系早期留下來的建筑材料，因此多少保留著原始的內(nèi)部化學(xué)結(jié)構(gòu),。測(cè)定了這些四處游蕩的巖石的年代,，你也就（接近于）測(cè)定了地球的年齡。 然而,，通常來說,，總是說來容易做來難,。隕石數(shù)量不多，隕石樣品不是很容易能采集到手,。而且,，布朗的測(cè)量方法過分注重細(xì)節(jié)，需要做很多改進(jìn),。最大的問題是,，彼得森的樣品只要接觸空氣，就莫名其妙地不斷地受到大氣里鉛的嚴(yán)重污染,。正是由于這個(gè)原因,，他最后建立了一個(gè)消過毒的實(shí)驗(yàn)室--世界上第一個(gè)無菌實(shí)驗(yàn)室，至少有一份材料里是這么說的,。 彼得森任勞任怨地干了7年,，才收集到可用于最后測(cè)試的樣品。1953年春,，他把樣品送到伊利諾伊州的阿岡尼國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,。他及時(shí)獲得了一臺(tái)新型的質(zhì)譜儀，可以用來發(fā)現(xiàn)和測(cè)定秘藏在古晶體里的微量鈾和鉛,。彼得森終于得出了結(jié)果,。他激動(dòng)萬分，直接驅(qū)車去艾奧瓦州他度過少年時(shí)代的家中,，讓他的母親把他送進(jìn)醫(yī)院,，因?yàn)樗J(rèn)為自己在發(fā)心臟病。 此后不久,，在威斯康星州的一次會(huì)議上,，彼得森宣布地球的確切年齡為45.5億年（誤差7000萬年）--麥格雷恩贊賞地說："這數(shù)字保持了50年。"經(jīng)過200年的努力,，地球終于有了個(gè)年齡,。 彼得森幾乎馬上把注意力轉(zhuǎn)向大氣里那個(gè)鉛的問題。他吃驚地發(fā)現(xiàn),，有關(guān)鉛對(duì)人體的影響,，人們僅有的一點(diǎn)兒認(rèn)識(shí)幾乎無一例外是錯(cuò)誤的，或者是令人產(chǎn)生誤解的--這也不足為怪,，因?yàn)?0年來對(duì)鉛的影響的每項(xiàng)研究,，全是由鉛添加劑的制造商們提供資金的。 在一項(xiàng)這樣的研究中,，一名沒有受過化學(xué)病理學(xué)專門訓(xùn)練的醫(yī)生承擔(dān)了一個(gè)五年計(jì)劃,。 根據(jù)計(jì)劃，他讓志愿者們吸入或吞下越來越大量的鉛,，然后對(duì)他們的大小便進(jìn)行化驗(yàn),。不幸的是,，那位醫(yī)生似乎也不懂，鉛不會(huì)被作為廢物排泄出體外,，只會(huì)積累在骨頭和血液里--這正是鉛很危險(xiǎn)的原因,，他既沒有檢查骨頭，也沒有化驗(yàn)血液,。結(jié)果,，鉛被宣布對(duì)健康毫無影響。 彼得森很快確認(rèn),，大氣里有過大量的鉛--實(shí)際上現(xiàn)在仍有大量的鉛,，因?yàn)殂U從來沒有消失--其中大約90％來自汽車的廢氣管，但他無法加以證明,。他需要一種方法,，把現(xiàn)在大氣里鉛的濃度，與1923年四乙鉛開始商業(yè)生產(chǎn)之前的濃度進(jìn)行比較,。他突然想到,，冰核可能會(huì)提供這個(gè)答案。 人們知道,，在格陵蘭島這樣的地方,，每年的積雪層次很分明（因?yàn)榧竟?jié)溫差使得冬季到夏季的顏色稍有不同）。只要往前數(shù)一數(shù)這些層次,，測(cè)量一下每一層里鉛的含量,，你就可以計(jì)算出幾百甚至幾千年里任何時(shí)候全球大氣里鉛的濃度。這個(gè)見解成為冰核研究的基礎(chǔ),。許多現(xiàn)代氣候?qū)W的研究工作都是建立在這個(gè)基礎(chǔ)上的,。 彼得森發(fā)現(xiàn)，1923年之前,，大氣里幾乎沒有鉛；自那以后,，鉛的濃度不斷危險(xiǎn)地攀升,。 現(xiàn)在，把鉛攆出汽油成了他一生的追求,。為此,，他經(jīng)常批評(píng)鉛工業(yè)及其利益集團(tuán)，而且往往言辭很激烈,。 這證明是一場(chǎng)殘酷的斗爭(zhēng),。四乙公司是全球一家勢(shì)力很大的公司，上頭有很多朋友,。（它的董事當(dāng)中有最高法院的法官劉易斯?鮑威爾和美國(guó)地理學(xué)會(huì)的吉爾伯特?格羅夫納,。）彼得森突然發(fā)現(xiàn)研究資金要么被收回,，要么很難獲得。美國(guó)石油研究所取消了與他簽訂的一項(xiàng)合同,，美國(guó)公共衛(wèi)生署也是,，后者還算是個(gè)中立的政府機(jī)關(guān)呢。 第十章 把鉛攆出去(4) 彼得森成了一個(gè)對(duì)本單位越來越不利的人,。鉛工業(yè)界官員不斷向加州理工學(xué)院董事會(huì)成員施加壓力,，要么讓他閉嘴，要么讓他滾蛋,。杰米?林肯?基特曼在2000年的《國(guó)家》雜志中寫道,，據(jù)說，四乙公司愿意向加州理工大學(xué)無償提供一名教授講席的費(fèi)用,，"如果能讓彼得森卷鋪蓋走人的話",。荒唐的是,，一個(gè)美國(guó)研究委員小組被指派來調(diào)查大氣中鉛毒的危險(xiǎn)程度,，他竟然被排除在外，盡管他這時(shí)候毫無疑問已經(jīng)是美國(guó)大氣鉛問題的主要專家,。 幸好,，彼得森從來沒有動(dòng)搖過。由于他的努力,，最后提出了《1970年潔凈空氣法》,，并于1986年在美國(guó)停止銷售一切含鉛汽油。美國(guó)人血液里的鉛濃度幾乎馬上下降了80％,。但是,，由于鉛是一種難以消除的物質(zhì)，今天每個(gè)活著的美國(guó)人血液里的鉛濃度,，仍要比一個(gè)世紀(jì)以前的人高出大約625倍,。大氣里鉛的含量還在以大約每年10萬噸的速度繼續(xù)增加，而且完全是以合法的方式,，主要來自采礦,、冶煉和工業(yè)活動(dòng)。美國(guó)還禁止在家用油漆中添加鉛,，正如麥格雷恩所說,，"比大多數(shù)歐洲國(guó)家晚了44年"?？紤]到鉛的驚人毒性,，美國(guó)直到1993年才在食品罐頭上停止使用焊鉛，這是不可思議的,。 至于四乙公司,，它仍在發(fā)展,，雖然通用汽車公司、美孚石油公司和杜邦公司在該公司已經(jīng)沒有股份,。（1962年,，它們把股份賣給了奧爾馬爾造紙公司。）據(jù)麥格雷恩說,，直到2001年2月,，四乙公司依然堅(jiān)持認(rèn)為，"研究表明,，含鉛汽油無論對(duì)人的健康還是對(duì)環(huán)境都不構(gòu)成威脅",。在它的網(wǎng)站上，公司的歷史沒有提及鉛--也沒有提及喬治?米奇利--只是簡(jiǎn)單地提到原先的產(chǎn)品里含有"某種化學(xué)混合物",。 四乙公司不再生產(chǎn)含鉛汽油,，但據(jù)2001年的公司報(bào)表，2000年四乙鉛的銷售額仍達(dá)到2510萬美元（它的全部銷售額為79500萬美元）,，比1999年的2410萬美元略有增長(zhǎng),，但低于1998年的11700萬美元。公司在它的報(bào)告中說,，它決心"使四乙鉛產(chǎn)生的現(xiàn)金收入增加到最大程度,，盡管全世界的使用量在不斷下降"。四乙公司通過與英國(guó)奧克特爾聯(lián)合公司的一項(xiàng)協(xié)議在全世界銷售四乙鉛,。 至于喬治?米奇利留給我們的另一個(gè)禍害含氯氟烴,，美國(guó)在1974年已經(jīng)禁止使用，但它是個(gè)頑固不化的小魔鬼,，以前（比如從除臭劑或噴發(fā)定型劑）排放到大氣的這種東西幾乎肯定還在那里,，等你我上了西天很久以后還會(huì)在吞食臭氧。更為糟糕的是,，我們每年仍在向大氣里排放大量含氯氟烴,。韋恩?比德爾說，每年仍有2700萬千克以上的這種東西在市場(chǎng)上銷售,，價(jià)值15億美元,。那么，是誰在生產(chǎn)含氯氟烴,？是我們--那就是說，許多大公司仍在其海外的工廠里生產(chǎn)這種產(chǎn)品,。第三世界國(guó)家要到2010年才加以禁止,。 克萊爾?彼得森于1995年去世。他沒有因?yàn)樽约旱某删投@得諾貝爾獎(jiǎng),。地質(zhì)學(xué)家向來沒有這個(gè)資格,。更令人不解的是,，盡管他在半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里堅(jiān)持不懈，大公無私,，取得越來越大的成就,，他也沒有獲得多少名氣，甚至沒有受到多大重視,。我們有理由認(rèn)為,，他是20世紀(jì)最有影響的地質(zhì)學(xué)家。然而,，誰聽說過克萊爾?彼得森來著,？大多數(shù)地質(zhì)學(xué)教科書沒有提到他的名字。最近出版的兩本有關(guān)測(cè)定地球年齡的歷史的暢銷書,，竟然還把他的名字拼錯(cuò)了,。2001年初，有人在《自然》雜志里就其中的一本書寫了一篇書評(píng),，結(jié)果又犯了一個(gè)錯(cuò)誤,，令人吃驚地認(rèn)為彼得森是個(gè)女人。 無論如何,，多虧克萊爾?彼得森的工作,，到1953年，地球終于有了個(gè)人人都能接受的年齡?，F(xiàn)在惟一的問題是,，它比它周圍的世界還要古老。 第十一章 馬斯特?馬克的夸克(1) 1911年,，一位名叫C.T.R.威爾遜的英國(guó)科學(xué)家經(jīng)常爬到本尼維斯山頂去研究云層的構(gòu)造,。這座山位于蘇格蘭，以潮濕聞名,。他突然想到,，肯定還有一種比較簡(jiǎn)單的辦法?；氐絼虼髮W(xué)的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室以后,，他建起了一個(gè)人工云室--一種簡(jiǎn)單的裝置，他在里面可以冷卻和濕潤(rùn)空氣,，在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的條件下創(chuàng)建一個(gè)說得過去的云層模型,。 那個(gè)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)良好，而且還有個(gè)意料之外的好處,。當(dāng)威爾遜使一個(gè)α粒子加速通過云室制造人工云團(tuán)的時(shí)候,，它留下一條明顯的軌跡--很像一架飛過的飛機(jī)留下的凝跡。他剛剛發(fā)明了粒子探測(cè)儀，提供了令人信服的證據(jù),，證明亞原子粒子確實(shí)存在,。 最后，卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的另外兩位科學(xué)家發(fā)明了功率更大的質(zhì)子束裝置,，歐內(nèi)斯特?勞倫斯在加州大學(xué)伯克利分校造出了著名的回旋加速器,，或稱原子粉碎器，這類設(shè)備在很長(zhǎng)時(shí)間里就是這么稱呼的,。所有這些新發(fā)明的原理大體相同,，無論是過去還是現(xiàn)在，即,，將一個(gè)質(zhì)子或別的帶電粒子沿著一條軌道（有時(shí)是環(huán)形的,，有時(shí)是直線的）加速到極快的速度，然后砰地撞向另一粒子,，看看撞飛了什么,。所以，它被稱之為原子粉碎器,。嚴(yán)格來說,，這算不上是科學(xué)，但一般來說是很管用的,。 隨著物理學(xué)家建造越來越大,、越來越雄心勃勃的機(jī)器，他們開始或推斷出似乎永無窮盡的粒子或粒子族：π介子,、μ介子,、超子、介子,、K介子,、希格斯玻色子、中間矢量玻色子,、重子,、超光速粒子。連物理學(xué)家都開始覺得不大舒服,。"年輕人,，"當(dāng)有個(gè)學(xué)生問恩里科?費(fèi)米某個(gè)粒子的名字的時(shí)候，他回答說,，"要是我記得清這些粒子的名字,，那我就成了植物學(xué)家了。" 今天,，加速器的名字聽上去有點(diǎn)像是弗萊什?戈登用于打仗的武器：超級(jí)質(zhì)子同步加速器呀,，大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)呀，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)呀,，相對(duì)論性重離子對(duì)撞機(jī)呀,。使用的能量是如此之大（有的只能在夜間操作，這樣,，設(shè)備點(diǎn)火時(shí)鄰近城鎮(zhèn)的居民才不至于注意到自己的燈光暗淡下去）,，它們可以把粒子激活到這樣的狀態(tài)：一個(gè)電子在不到1秒的時(shí)間里能沿著7公里長(zhǎng)的隧道擊打47000圈。人們擔(dān)心,，科學(xué)家們?cè)陬^腦發(fā)熱的時(shí)候會(huì)在無意之中創(chuàng)建一個(gè)黑洞,，甚至所謂的"奇異夸克"。從理論上說,，這些粒子可以與別的亞原子粒子相互作用,，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，完全失去控制,。要是你現(xiàn)在還活著在看這本書的話,，說明那種情況沒有發(fā)生。 尋找粒子需要集中一定精力,。粒子不但個(gè)兒很小,，速度很快，而且轉(zhuǎn)瞬即逝,。粒子可以在短達(dá)0.000 000 000 000 000 000 000 001秒(10－24秒)時(shí)間里出現(xiàn)和消失,。連最缺乏活力的不穩(wěn)定的粒子，存在的時(shí)間也不超過0.000 000 1秒(10－7秒),。 有的粒子幾乎捕捉不到,。每一秒鐘，就有1萬億億億個(gè)微小的,、幾乎沒有質(zhì)量的中微子抵達(dá)地球（大多數(shù)是太陽的熱核反應(yīng)輻射出的）,，實(shí)際上徑直穿過這顆行星以及上面的一切東西，包括你和我,，就仿佛地球并不存在,。為了捕捉幾個(gè)粒子，科學(xué)家們需要在地下室（通常是廢礦井里）,，用容器盛放多達(dá)57000立方米重水（即含氘相對(duì)豐富的水）,，因?yàn)檫@種地方受不到其他類型輻射的干擾。 在非常偶然的情況下,，一個(gè)經(jīng)過的中微子會(huì)砰地撞擊水里的一個(gè)原子核,，產(chǎn)生一丁點(diǎn)兒能量?？茖W(xué)家們通過統(tǒng)計(jì)有幾個(gè)一丁點(diǎn)兒而逐步了解宇宙的基本性質(zhì),。1998年，日本觀察人員報(bào)告說，中微子確有質(zhì)量,，但是不大--大約是電子的一千萬分之一,。 如今，尋找粒子真正要花的是錢,，而且是大量的錢,。在現(xiàn)代物理學(xué)中，尋找的東西的大小,，與所需設(shè)備的大小,，往往有意思地成反比關(guān)系。歐洲核研究組織簡(jiǎn)直像個(gè)小城市,。它地跨法國(guó)和瑞士邊境,，有3000名雇員，占地幾平方公里,。歐洲核研究組織有一排比埃菲爾鐵塔還要重的磁鐵,，周圍有一條大約26公里長(zhǎng)的地下坑道。 詹姆斯?特雷菲爾說,，擊碎原子倒還容易,，每次只要把日光燈一開。然而,，擊碎原子核就需要大量的金錢和大量的電力,。把粒子變成夸克--即構(gòu)成粒子的粒子--就需要更多的電和更多的錢：幾萬億瓦電和相當(dāng)于一個(gè)中美洲小國(guó)的預(yù)算。歐洲核研究組織的一臺(tái)新的大強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)定于2005年開始運(yùn)轉(zhuǎn),，它將產(chǎn)生14萬億瓦能量,，建設(shè)費(fèi)超過15億美元。然而,，這兩個(gè)數(shù)字與那臺(tái)超級(jí)超導(dǎo)對(duì)撞機(jī)本來所能產(chǎn)生的能量和所需的建設(shè)費(fèi)用相比,，那簡(jiǎn)直是小巫見大巫。20世紀(jì)80年代,，得克薩斯州附近開始建設(shè)一臺(tái)超級(jí)超導(dǎo)對(duì)撞機(jī),，然后本身與美國(guó)國(guó)會(huì)發(fā)生了超級(jí)對(duì)撞，結(jié)果很不幸,，現(xiàn)在永遠(yuǎn)建不成了,。這臺(tái)對(duì)撞機(jī)的意圖是：讓科學(xué)家們重建盡可能接近于宇宙最初十萬億分之一秒里的情況，以探索"物質(zhì)的最終性質(zhì)"（老是這么說的）,。該計(jì)劃要把粒子甩進(jìn)一條84公里長(zhǎng)的隧道,，獲得實(shí)在令人吃驚的99萬億瓦能量。這是個(gè)宏偉的計(jì)劃,，但建設(shè)費(fèi)用高達(dá)80億美元（最后增加到100億美元）,，每年的運(yùn)行費(fèi)還要花上幾億美元,。 這也許是歷史上把錢倒進(jìn)地洞的最好例子。美國(guó)國(guó)會(huì)為此花掉了22億美元,，然后在建成一條22公里長(zhǎng)的隧道以后取消了這項(xiàng)工程?，F(xiàn)在，得克薩斯人可以為擁有一個(gè)全宇宙代價(jià)最高的地洞而感到自豪,。我的朋友,、《價(jià)值連城的堡壘》的作者杰夫?吉恩對(duì)我說："那實(shí)際上是一大片空地，周圍布滿了一連串失望的小城鎮(zhèn),。" 第十一章 馬斯特?馬克的夸克(2) 超級(jí)對(duì)撞機(jī)化為泡影以后，粒子物理學(xué)家們的眼界放低了點(diǎn),。但是,，即使是比較一般的項(xiàng)目的成本也可能相當(dāng)驚人，要是與,，哎呀,，幾乎任何項(xiàng)目相比的話。有人建議在南達(dá)科他州萊德的一座廢礦--霍姆斯特克礦--建個(gè)中微子觀察站,，其成本就高達(dá)5億美元,，還不算每年的運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。而且,，還要花2.81億美元的"一般改建費(fèi)",。與此同時(shí)，伊利諾伊州費(fèi)爾米萊布的一個(gè)粒子加速器僅更新材料就要花費(fèi)2.6億美元,。 總之,，粒子物理學(xué)是個(gè)花錢很多的事業(yè)--但又是個(gè)收獲巨大的事業(yè)。今天,，粒子的數(shù)量已經(jīng)大大超過150種,，還有100種左右被懷疑存在。但不幸的是,，用理查德?費(fèi)曼的話來說："很難搞清所有這些粒子的關(guān)系,，大自然要它們干什么，彼此有什么聯(lián)系,。"每打開一個(gè)盒子的時(shí)候,，我們總是發(fā)現(xiàn)里面還有一個(gè)緊閉的盒子。有的人認(rèn)為存在超光速粒子,，其運(yùn)動(dòng)速度超過光速,。有的渴望找到引力子--引力的根子。我們刨根問底兒已經(jīng)刨到什么程度,，現(xiàn)在還很難說,?？?薩根在《宇宙》一書中說，要是你鉆進(jìn)一個(gè)電子深處,，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它本身就是一個(gè)宇宙,，使你回想起20世紀(jì)50年代的那些科幻故事。"里面,，大量小得多的別的粒子組成了相當(dāng)于當(dāng)?shù)氐男窍岛洼^小的結(jié)構(gòu),，它們本身就是下一層次的宇宙，如此永遠(yuǎn)下去--一個(gè)逐步往里推進(jìn)的過程,，宇宙中的宇宙,，永無盡頭--往上也是一個(gè)樣。" 對(duì)于我們大多數(shù)人來說,，這是個(gè)不可想像的世界,。如今，即使看一本有關(guān)粒子物理學(xué)的初級(jí)指南,，你也必須克服語言方面的重重障礙,，比如："帶電的π介子和反π介子分別衰變成一個(gè)μ介子加上反中微子和一個(gè)反μ介子加上中微子，平均壽命為2.603×10－8秒,；中性π介子衰變成2個(gè)光子,，平均壽命大約為0.8×10－16秒；μ介子和反μ介子分別衰變成......"如此等等--而且,，這段話還是從（通常）文筆淺顯的作家斯蒂芬?溫伯格為普通讀者寫的一本書里引來的,。 20世紀(jì)60年代，加州理工學(xué)院物理學(xué)家默里?蓋爾曼試圖把事情簡(jiǎn)化一下,，發(fā)明了一種新的粒子分類法,，用斯蒂芬?溫伯格的話來說，實(shí)際上"在一定程度上使大量的強(qiáng)子重新變得一目了然"--強(qiáng)子是個(gè)集體名詞,，物理學(xué)家用來指受強(qiáng)核力支配的質(zhì)子,、中子和其他粒子．蓋爾曼的理論認(rèn)為，所有強(qiáng)子都是由更小的,，甚至更基本的粒子組成的,。他的同事理查德?費(fèi)曼想跟多利那樣把這些新的基本粒子叫做部分子，但是沒有獲得通過,。它們最后被稱做夸克,。 蓋爾曼從小說《芬內(nèi)根的覺醒》的一句話中取了這個(gè)名字："給馬斯特?馬克來三夸克(quarks)！"（敏銳的物理學(xué)家把storks或larks作為該詞的韻腳,，盡管喬伊斯腦子里想的幾乎顯然是后者的發(fā)音,。1）夸克的這種基本的簡(jiǎn)潔性并沒有持續(xù)很久。隨著人們對(duì)夸克的進(jìn)一步了解,，需要更細(xì)的分類,。盡管夸克太小,，不可能有顏色、味道或任何別的可以識(shí)別的化學(xué)特性,，它們還是被分成六類--上,、下、奇,、粲,、頂和底，物理學(xué)家們奇怪地把這些統(tǒng)稱為它們的"味",；它們又進(jìn)一步被分成紅,、綠和藍(lán)三種顏色。（人們懷疑,，這些名稱原先在迷幻藥時(shí)代在加利福尼亞州使用過,。這不完全是一種巧合。） 最后,，出現(xiàn)了所謂的標(biāo)準(zhǔn)模型。對(duì)亞原子世界來說,，它實(shí)際上是一個(gè)元件箱,。標(biāo)準(zhǔn)模型的組成成分是：6種夸克、6種輕子,、5種已知的玻色子和1種假設(shè)的玻色子(即希格斯玻色子,，以蘇格蘭科學(xué)家彼得?希格斯的名字命名），加上4種物理力中的3種：強(qiáng)核力,、弱核力和電磁力,。 這種安排其實(shí)說明，在物質(zhì)的基本材料中有夸克,；夸克由名叫膠子的粒子黏合在一起,；夸克和膠子一起形成了原子核的材料，即質(zhì)子和中子,。輕子是電子和中微子的來源,。夸克和輕子統(tǒng)稱為費(fèi)密子,。玻色子（以印度物理學(xué)家S.N.玻色的名字命名）是產(chǎn)生和攜帶力的粒子,，包括光子和膠子。希格斯玻色子也許存在,，也許不存在,；這完全是為了賦予粒子質(zhì)量而發(fā)明出來的。 你看得出,，這個(gè)模型真是有點(diǎn)兒笨拙,，但這是可以用來解釋粒子世界全部情況的最簡(jiǎn)單的模式,。大多數(shù)粒子物理學(xué)家覺得，正如利昂?萊德曼在1985年的一部電視片里說的,，標(biāo)準(zhǔn)模型不大優(yōu)美,，不大簡(jiǎn)明。"它過于復(fù)雜,，有許多過于武斷的參數(shù),。"萊德曼說，"我們其實(shí)不明白,，為了創(chuàng)造我們都知道的宇宙,，造物主干嗎要轉(zhuǎn)動(dòng)20個(gè)門把來設(shè)定20條參數(shù)。"實(shí)際上,，物理學(xué)的任務(wù)是探索最終的簡(jiǎn)潔性,，而迄今為止的一切都亂成了美麗的一團(tuán)--或者就像萊德曼說的："我們深深地感到，這幅圖畫并不美麗,。" 標(biāo)準(zhǔn)模型不但很笨拙,，而且不完整。一方面,，它根本沒有談到引力,。找遍整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型，你找不出任何解釋,，為什么放在桌上的帽子不會(huì)飛上天花板,。為了賦予粒子以質(zhì)量，你不得不引入假設(shè)的希格斯玻色子,，它是否真的存在,，要靠21世紀(jì)的物理學(xué)來解決。正如費(fèi)曼所由衷地認(rèn)為的那樣："因此,，我們對(duì)這個(gè)理論處于進(jìn)退兩難的境地,，不知道它是對(duì)的還是錯(cuò)的，但我們確實(shí)知道它是有點(diǎn)兒錯(cuò)的,，或者至少是不完整的,。" 物理學(xué)家試圖把什么都扯到一起，結(jié)果想出來一種所謂的超弦理論,。這種理論假設(shè),，以前我們認(rèn)為是粒子的夸克和輕子，實(shí)際上都是"弦"--振動(dòng)的能弦,，它們?cè)?1維中擺動(dòng),，包括我們已知的3個(gè)，維度再加上時(shí)間,，以及7個(gè)別的維度,，它們,，哎呀，我們現(xiàn)在還無法知道,。這種弦非常微小--小得可以被看成是點(diǎn)粒子,。 第十一章 馬斯特?馬克的夸克(3) 通過引入額外的維度，超弦理論使科學(xué)家能把量子定律和引力定律相對(duì)比較融洽地合在一起,，但是,，這也意味著，科學(xué)家關(guān)于這個(gè)理論的任何解釋,，聽上去都會(huì)令人惴惴不安,，猶如公園凳子上的陌生人告訴你某個(gè)想法，你聽了會(huì)慢慢走開一樣,。比如,，物理學(xué)家米奇奧?卡庫(kù)是這樣從超弦理論的角度來解釋宇宙的結(jié)構(gòu)的： 雜化弦由一根閉合的弦組成，它有兩種振動(dòng)模式,，順時(shí)針方向的和逆時(shí)針方向的,，要以不同的方式來對(duì)待。順時(shí)針方向的振動(dòng)存在于一個(gè)10維空間,。逆時(shí)針方向的振動(dòng)存在于一個(gè)26維的空間,，其中有16維已經(jīng)被壓實(shí)了。（我們知道,，在卡魯扎原先的5維空間里，第5維被卷成一個(gè)圈,，已經(jīng)給壓實(shí)了,。） 如此等等，洋洋灑灑350頁(yè)左右,。 弦理論又進(jìn)一步產(chǎn)生了所謂的M理論,。該理論把所謂"膜"的面，納入了物理學(xué)世界的靈魂,。說到這里,，我們恐怕到了知識(shí)公路的站點(diǎn)，大多數(shù)人該下車了,。下面引了《紐約時(shí)報(bào)》上的一句話,，它以盡可能簡(jiǎn)單的語言向普通讀者解釋了這種理論： 在那遙遠(yuǎn)遙遠(yuǎn)的過去，火成過程以一對(duì)又平又空的膜開始,；它們互相平行地處于一個(gè)卷曲的5維空間里......兩張膜構(gòu)成了第5維的壁,，很可能在更遙遠(yuǎn)的過去作為一個(gè)量子漲落產(chǎn)生于無，然后又飄散了,。 無法與之爭(zhēng)辯,，也無法理解,。順便說一句，"火成"源自希臘文,，意為"燃燒",。 現(xiàn)在，物理學(xué)的問題已經(jīng)達(dá)到這樣的一種高度,，正如保羅?戴維斯在《自然》雜志里說的,，"非物理學(xué)家?guī)缀醪豢赡軈^(qū)分你是合乎常情的怪人，還是徹頭徹尾的瘋子",。有意思的是,，2002年秋，這個(gè)問題到了關(guān)鍵時(shí)刻,。兩位法國(guó)物理學(xué)家--孿生兄弟伊戈?duì)?波格丹諾夫和格里?？?波格丹諾夫--提出了一種關(guān)于極高密度的理論，包括"想像的時(shí)間"和"庫(kù)珀-施溫格-馬丁條件"這樣的概念,，旨在描述無,，即大爆炸以前的宇宙--這段時(shí)間一直被認(rèn)為是無法知道的（因?yàn)樗l(fā)生在物理現(xiàn)象及其特性誕生之前）。 波格丹諾夫理論幾乎立即在物理學(xué)家中間引起爭(zhēng)論：它到底是胡說八道,，一項(xiàng)天才的成就,，還是一個(gè)騙局？"從科學(xué)的角度來看,，顯而易見,，它多少是徹頭徹尾的胡說八道。"哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家彼得?沃伊特對(duì)《紐約時(shí)報(bào)》記者說,，"不過,，近來，它跟許多別的文獻(xiàn)沒有多大區(qū)別,。" 卡爾?波普爾被斯蒂芬?溫伯格稱之為"現(xiàn)代科學(xué)哲學(xué)家的泰斗",。有一次，他提出,，物理學(xué)很可能沒有一種終極理論--每一種解釋都需要進(jìn)一步的解釋,，形成"永無窮盡的一連串越來越基本的原理"。與之相對(duì)的可能性是,，這種知識(shí)也許是我們完全無法理解的,。"幸虧，迄今為止,，"溫伯格在《終極理論之夢(mèng)》中寫道,，"我們的理智資源似乎尚未耗盡。 " 幾乎可以肯定的是，這個(gè)領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)更多的見解,；幾乎同樣可以肯定的是,，這些見解將是我們大多數(shù)人所無法理解的。 正當(dāng)20世紀(jì)中葉的物理學(xué)家在迷惑不解地觀測(cè)小世界的時(shí)候,，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn),，同樣引人注目的是，對(duì)大宇宙的理解也是不完整的,。 上次談到,，埃德溫?哈勃已經(jīng)確認(rèn)，我們視野里的幾乎所有星系都在離我們遠(yuǎn)去,，這種退行的速度和距離是成正比的：星系離得越遠(yuǎn),，運(yùn)動(dòng)的速度越快。哈勃發(fā)現(xiàn),，這可以用個(gè)簡(jiǎn)單的等式來加以表示：Ho=v/d（Ho是常數(shù),，v是星系飛離的速度，d是它離開我們的距離）,。 自那以后,，Ho一直被稱之為哈勃常數(shù)，整個(gè)等式被稱之為哈勃定律,。哈勃利用自己的等式,，計(jì)算出宇宙的年齡大約為20億年。這個(gè)數(shù)字有點(diǎn)兒別扭,，因?yàn)榧词沟?0世紀(jì)20年代末,，情況已經(jīng)越來越明顯，宇宙里的許多東西--很可能包括地球本身--的年齡都要比它大,。完善這個(gè)數(shù)字是宇宙學(xué)界一直關(guān)心的事情,。 關(guān)于哈勃常數(shù)，惟一常年不變的是對(duì)它的評(píng)價(jià)意見不一,。1956年，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn),，造父變星比他們認(rèn)為的還要變化多端,；造父變星可以分為兩類，而不是一類,。于是,，他們重新進(jìn)行計(jì)算，得出宇宙新的年齡大約為70億年到200億年--不是特別精確,，但至少相當(dāng)古老,，終于可以把地球的形成涵蓋其中。 在此后的幾年里，爆發(fā)了一場(chǎng)曠日持久的爭(zhēng)論,，一方是哈勃在威爾遜山天文臺(tái)的繼承人阿倫?桑德奇,，另一方是法國(guó)出生的、得克薩斯大學(xué)的天文學(xué)家熱拉爾?德?沃庫(kù)勒,。桑德奇經(jīng)過幾年的精心計(jì)算以后,，得出哈勃常數(shù)的值為50，宇宙的年齡為200億年,。沃庫(kù)勒同樣很有把握,，哈勃常數(shù)為100。1這意味著,，宇宙的大小和年齡只有桑德奇認(rèn)為的一半--100億年,。1994年，情況突然變得更不確定,，加利福利亞州卡內(nèi)基天文臺(tái)的一個(gè)小組根據(jù)哈勃天文望遠(yuǎn)鏡的測(cè)量結(jié)果,，提出宇宙的年齡只有80億年--連他們也承認(rèn)，這個(gè)年齡比宇宙里某些恒星的年齡還要小,。2003年2月,，一個(gè)來自美國(guó)國(guó)家航空和航天局及馬里蘭州高達(dá)德太空飛行中心的小組，利用一種名叫威爾金森微波各向異性探測(cè)器的新型衛(wèi)星,，信心十足地宣布,，宇宙的年齡為137億年，誤差1000萬年左右,。事情被擱置下來,，至少在一段時(shí)間里。 若要作出最后的定論,，難度確實(shí)很大,，因?yàn)橥泻艽蟮慕忉層嗟亍Ｏ胂褚幌?，你夜間站在一片空地上,，想要確定遠(yuǎn)處兩盞電燈之間的距離。如果使用比較簡(jiǎn)單的天文學(xué)工具,，你很容易確定兩個(gè)燈泡的亮度一樣,，以及一個(gè)燈泡要比另一個(gè)燈泡遠(yuǎn)50％的距離。但是,，你無法確定的是,，較近的那盞燈，比如是37米以外的那個(gè)58瓦的燈泡,，還是36.5米外的那個(gè)61瓦的燈泡,。此外，你還必須考慮到由幾個(gè)原因造成的失真：地球大氣的變化，星際塵埃,，背景恒星對(duì)光的污染,，以及許多別的因素。因此,，你的計(jì)算結(jié)果勢(shì)必是以一系列嵌套的假設(shè)為基礎(chǔ)的,，其中任何一個(gè)都可能引起爭(zhēng)議。還有一個(gè)問題：使用天文望遠(yuǎn)鏡總是代價(jià)很高,，在歷史上,，測(cè)量紅移要長(zhǎng)時(shí)間使用天文望遠(yuǎn)鏡，令人注目地花錢很多,。很可能要花上整整一個(gè)夜晚才能獲得一張底片,。結(jié)果，天文學(xué)家不得不（或者愿意）根據(jù)少得可憐的證據(jù)就下了結(jié)論,。在宇宙學(xué)方面,，正如記者杰弗里?卡爾指出的，我們"在鼴鼠丘似的證據(jù)上建立起大山似的理論",?；蛘呦耨R丁?里斯說的："我們目前的滿足（于我們的認(rèn)識(shí)狀態(tài)）也許反映了數(shù)據(jù)的匱乏，而不是理論的高超,。" 第十一章 馬斯特?馬克的夸克(4) 順便說一句,，這種不確定狀態(tài)適用于比較近的東西，也適用于遙遠(yuǎn)的宇宙邊緣,。當(dāng)天文學(xué)家說M87星系在6000萬光年以外的時(shí)候,，正如唐納德?戈德史密斯說的，他們其實(shí)是在說它大約在4 000萬-9000萬光年之間--二者不完全是一碼事,。大宇宙里的事情自然是被夸大的,。有鑒于此，我們目前有關(guān)宇宙最好的估計(jì)似乎是120億-135億年之間,，但距離意見一致還差得很遠(yuǎn),。 近來有人提出了一種很有意思的理論，認(rèn)為宇宙根本沒有我們?cè)瓉硪詾榈哪敲创?；我們凝望遠(yuǎn)方所看到的有些星系,，也許只是映像，是反射的光產(chǎn)生的重像,。 實(shí)際上，還有很多東西我們不知道,，甚至在很基本的層面上--至少不知道宇宙是怎么構(gòu)成的,。當(dāng)科學(xué)家們計(jì)算使東西保持在一起所需的物質(zhì)的量的時(shí)候，結(jié)果總是發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。宇宙的至少90％,，也許多達(dá)99％,，似乎是由弗里茨?茲維基認(rèn)為的"暗物質(zhì)"組成的--那種生性我們看不見的東西。我們生活在一個(gè)多半連看都看不見的宇宙里,，而卻毫無辦法,，想到這一點(diǎn)真讓人覺得有點(diǎn)兒不是滋味。至少有兩個(gè)主要嫌疑的名字受到注意：據(jù)說,，它們不是"WIMP"（"弱互相作用大質(zhì)量粒子",，即大爆炸留下的看不見的微小物質(zhì)），就是"MACHO"（"暈狀大質(zhì)量致密天體",，實(shí)際上只是黑洞,、棕色矮星和其他光線很暗的恒星的另一種說法）。 粒子物理學(xué)家往往贊成解釋為粒子,，即WIMP,；天體物理學(xué)家贊成解釋為星體，即MACHO,。MACHO一度占了上風(fēng),，但根本找不到足夠的數(shù)量，所以風(fēng)向又轉(zhuǎn)向WIMP--問題是WIMP從來沒有發(fā)現(xiàn)過,。由于它們的相互作用很弱,，因此很難識(shí)別它們（即使假設(shè)它們的存在）。宇宙射線會(huì)造成太多干擾,。因此,，科學(xué)家們必須鉆到地下深處。在地下一公里的地方,，宇宙射線的轟擊強(qiáng)度只有地面的百萬分之一,。但是，即使把這一切都加上去,，正如有一位評(píng)論家說的："宇宙在決算表上還相差三分之二,。"眼下，我不妨把它們稱之為"DUNNOS"（某處未知非反射不可測(cè)物體）,。 近來有跡象表明,，宇宙的星系不僅在離我們遠(yuǎn)去，而且離去的速度越來越快,。這與人們的期望是背道而馳的,。看來宇宙不僅充滿暗物質(zhì),，而且充滿暗能量,?？茖W(xué)家們有時(shí)將這稱之為真空能或第五元素。無論如何,，宇宙似乎在不斷膨脹,，誰也說不清這是什么道理。有理論認(rèn)為,，空空蕩蕩的太空其實(shí)并不空空蕩蕩--物質(zhì)和反物質(zhì)的粒子在不停地產(chǎn)生和消失--是它們?cè)诎延钪嬉栽絹碓娇斓乃俣韧馔埔?。令人不可思議的是，解決這一切的恰恰是愛因斯坦的宇宙常數(shù)--他為了駁斥關(guān)于宇宙在不斷膨脹的假設(shè)而在廣義相對(duì)論里順便引入的,，也是他自稱是"我一生中最大的失誤"的那個(gè)小小的算式?，F(xiàn)在看來，他畢竟還是對(duì)的,。 歸根結(jié)底,，我們生活在一個(gè)宇宙里，它的年齡我們算不大清楚,；我們的四周都是恒星,，它們到我們的距離以及它們彼此之間的距離我們并不完全知道；宇宙里充滿著我們無法識(shí)別的物質(zhì),；宇宙在按照物理學(xué)定律運(yùn)行,，這些定律的性質(zhì)我們并不真的理解。 以這樣的一種很不確定的基調(diào),，讓我們?cè)倩氐降厍?，考慮一下我們確實(shí)理解的東西--雖然到目前為止，要是你聽到我們并沒有完全理解它這類話,，你也許不會(huì)再感到吃驚--以及我們長(zhǎng)期以來不理解而現(xiàn)在理解了的東西,。 第十二章 大地在移動(dòng)(1) 1955年，阿爾伯特?愛因斯坦辦了生前最后一件專業(yè)方面的事--為一本書寫了個(gè)短小而生動(dòng)的前言,。該書的題目是《移動(dòng)的地殼：解答地球科學(xué)中的一些問題》,，作者是一位名叫查爾斯?哈普古德的地質(zhì)學(xué)家。哈普古德在書里堅(jiān)決駁斥了關(guān)于大陸在漂移的觀點(diǎn),。他以逗大家與他一起發(fā)笑的口氣指出,，少數(shù)容易上當(dāng)受騙的人認(rèn)為"有些大陸的形狀顯然吻合" 。他接著說,，似乎"南美洲可以和非洲拼在一起,，如此等等，有人甚至聲稱,，大西洋兩岸的巖石結(jié)構(gòu)完全一致",。 哈普古德先生斷然擯棄了任何這類觀點(diǎn)，并且指出,，地質(zhì)學(xué)家K.E.卡斯特和J.C.門德斯已經(jīng)在大西洋兩岸進(jìn)行了大量實(shí)地考察,，毫無疑問地確定這些相似之處壓根兒就不存在,。天知道卡斯特和門德斯兩位先生考察了哪些地方，因?yàn)榇笪餮髢砂兜脑S多巖石結(jié)構(gòu)確實(shí)是一樣的--不僅非常類似,，而且完全一樣。 無論是哈普古德先生,，還是那個(gè)年代的許多別的地質(zhì)學(xué)家,，這個(gè)觀點(diǎn)怎么也聽不進(jìn)去。 哈普古德提到的理論,，最初是由一位名叫弗蘭克?伯斯利?泰勒的美國(guó)業(yè)余地質(zhì)學(xué)家在1908年提出來的,。泰勒出生于一個(gè)富裕家庭，既有足夠的財(cái)力,，又不受學(xué)術(shù)約束,，可以按照不同尋常的辦法來從事研究。他突然發(fā)現(xiàn),，非洲海岸與對(duì)面的南美洲海岸的形狀十分相似,。根據(jù)這個(gè)觀察結(jié)果，他提出了大陸曾經(jīng)到處滑動(dòng)的見解,。他提出--結(jié)果證明很有先見之明地提出--幾塊大陸轟然撞在一起,，形成了世界上的山脈。不過,，他沒有拿出多少證據(jù),，該理論被認(rèn)為不切實(shí)際，不值得予以重視,。 然而,，在德國(guó)，有一位理論家接受了泰勒的觀點(diǎn),，而且予以高度重視,。他就是馬爾堡大學(xué)的氣象學(xué)家阿爾弗雷德?魏格納。魏格納考察了許多植物和化石的反?，F(xiàn)象,，那些現(xiàn)象無法納入地球歷史的標(biāo)準(zhǔn)模型。他認(rèn)識(shí)到,，要是用常規(guī)的方法來加以解釋,，那簡(jiǎn)直說不通。動(dòng)物化石不斷在海洋兩岸出現(xiàn),，而海洋很寬,，動(dòng)物顯然是游不過去的。他心里轉(zhuǎn)念,，有袋動(dòng)物是怎么從南美洲跑到澳大利亞去的,？為什么同樣的蝸牛出現(xiàn)在斯堪的納維亞半島和新英格蘭,？你怎么說明煤層和其他亞熱帶殘跡會(huì)出現(xiàn)在斯匹次卑爾根群島這樣的寒帶地區(qū)，如果它們不是以某種方式從氣候較熱的地方遷移過來的話,？ 魏格納提出了一種理論,，認(rèn)為世界上的大陸原先屬于一個(gè)陸塊，他稱其為"泛大陸",，植物群和動(dòng)物群可以混雜在一起,；只是到了后來，聯(lián)合古陸才裂成幾塊,，漂移到現(xiàn)在的位置,。他寫了《海陸的起源》一書來闡述他的觀點(diǎn)。1912年,，該書以德文出版--盡管兩年后爆發(fā)了第一次世界大戰(zhàn)--三年以后又出版了英文本,。 由于戰(zhàn)爭(zhēng)，魏格納的理論起初沒有引起多大注意,。但是,，他在1920年出版了修訂本，并進(jìn)行了擴(kuò)充,，它很快成了人們討論的話題,。大家都認(rèn)為，大陸在移動(dòng)--不是左右移動(dòng),，而是上下移動(dòng),。垂直移動(dòng)的過程，即所謂的地殼均衡,，是幾代人地質(zhì)信念的一個(gè)基礎(chǔ),，雖然誰也提不出令人信服的理論來解釋它是怎么發(fā)生的，或?yàn)槭裁窗l(fā)生,。有一種見解直到我上小學(xué)時(shí)還在教科書里出現(xiàn)過,，那就是在世紀(jì)之交由奧地利人愛德華?休伊斯提出的"云莓干"理論。該理論認(rèn)為,，隨著灼熱的地球冷卻下來,，它皺縮成云莓干的模樣，創(chuàng)建了海洋和山脈,。 且不說詹姆斯?赫頓早就說過：真是這樣一種靜止的安排的話,，由于侵蝕作用夷平了凸處，填平了凹處,，地球會(huì)成為一個(gè)毫無特色的球體,。盧瑟福和索迪在20世紀(jì)初還指出了另一個(gè)問題：地球蘊(yùn)藏著巨大的熱量--巨大得根本談不上休伊斯所說的冷卻和皺縮。無論如何,，要是休伊斯的理論真是正確的話,，山脈就會(huì)在地球表面上分布得很均勻,，而實(shí)際情況顯然不是那樣的；年齡也會(huì)差不多一樣,，而到20世紀(jì)初,，情況已經(jīng)一清二楚，有的山脈（比如烏拉爾山脈和阿巴拉契亞山脈）要比別的山脈（比如阿爾卑斯山脈和落基山脈）古老幾億年,。提出一種新的理論的時(shí)機(jī)顯然已經(jīng)成熟,。不幸的是，地質(zhì)學(xué)家們不希望把這個(gè)任務(wù)交給阿爾弗雷德?魏格納來完成,。 首先，他的觀點(diǎn)很激進(jìn),，對(duì)他們學(xué)科的基礎(chǔ)提出了質(zhì)疑,，不大可能在聽眾中產(chǎn)生多大熱情。這樣的一種挑戰(zhàn)即使來自一位地質(zhì)學(xué)家,，也會(huì)是相當(dāng)痛苦的,，而魏格納沒有地質(zhì)學(xué)的背景。天哪,，他是一位氣象學(xué)家,，一名氣象員--德國(guó)的氣象員。這個(gè)缺陷是無法彌補(bǔ)的,。 所以,，地質(zhì)學(xué)家們想方設(shè)法要駁斥他的證據(jù)，貶低他的見解,。為了回避化石分布的問題,，他們就架起古代"陸橋"，只要那里需要,。當(dāng)發(fā)現(xiàn)一種名叫"三趾馬"的古馬同時(shí)生活在法國(guó)和美國(guó)佛羅里達(dá)州的時(shí)候,，一座陸橋就在大西洋上架起來了。當(dāng)發(fā)現(xiàn)古代的貘同時(shí)存在于南美洲和東南亞,，他們又架起了一座陸橋,。過不多久，史前海洋的地圖上幾乎到處都是假想的陸橋--從北美洲到歐洲,，從巴西到非洲,，從東南亞到澳大利亞，從澳大利亞到南極洲,。這種鬈須狀的連接物出現(xiàn)得很快,，只要需要，把一種生物從一個(gè)大陸搬到另一個(gè)大陸,，消失得也很快,，最后就無影無蹤了,。當(dāng)然，這種東西沒有一絲一毫的根據(jù)--是大錯(cuò)特錯(cuò)的,。 然而,，在此后的半個(gè)世紀(jì)里，它是地質(zhì)學(xué)的正統(tǒng)觀念,。 有的事情,，即使陸橋也無法解釋。人們發(fā)現(xiàn),，有一種在歐洲很著名的三葉蟲在紐芬蘭也生活過--但只是在該島的一側(cè),。誰也無法令人信服地解釋，三葉蟲怎么能跨越3000公里的洶涌大海,，卻又繞不過那個(gè)300公里寬的島角,。另一種三葉蟲的情況更是反常，它出現(xiàn)在歐洲和美國(guó)西北部的太平洋沿岸,，而中間地帶卻不見蹤影,。這與其說需要一座陸橋，不如說需要一座立交橋,。然而,，直到1964年，《大英百科全書》在討論各種不同的理論時(shí),，倒是把魏格納的理論說成是"充滿了許多嚴(yán)重的理論問題",。魏格納犯過錯(cuò)誤，這點(diǎn)不假,。他斷言格陵蘭島在以每年大約1.6公里的速度向西漂移,，這完全是胡說八道。（更可能是1厘米,。）尤其是,，他對(duì)大陸移動(dòng)不能作出有說服力的解釋。若要相信他的理論,，你不得不承認(rèn)大陸不知怎的像農(nóng)犁耕地那樣被推過堅(jiān)實(shí)的地殼,，而又沒有在后面留下犁溝。根據(jù)當(dāng)時(shí)的認(rèn)識(shí),，無法解釋是什么力驅(qū)動(dòng)了這樣大規(guī)模的移動(dòng),。 第十二章 大地在移動(dòng)(2) 英國(guó)地質(zhì)學(xué)家阿瑟?霍姆斯曾為確定地球的年齡作出了很大貢獻(xiàn)。這次又是他提出了一種看法,?；裟匪故侵垒椛錈釙?huì)在地球內(nèi)部產(chǎn)生對(duì)流的第一位科學(xué)家。從理論上說，這種對(duì)流可能力量很大,，能使大陸平面滑動(dòng),。1944年，霍姆斯首次出版了一本深受歡迎,、很有影響的教材《物理地質(zhì)學(xué)原理》,。在這本書里，他提出了大陸漂移學(xué)說,。該理論的許多基本原則今天依然盛行,。它在當(dāng)時(shí)仍是一種很激進(jìn)的見解，受到了許多人的批評(píng),，尤其在美國(guó),。美國(guó)人抵制漂移學(xué)說的時(shí)間比別處要長(zhǎng)。有一位美國(guó)評(píng)論家發(fā)愁地說,，霍姆斯論點(diǎn)清楚,，令人信服，學(xué)生們慢慢會(huì)信以為真,。他的話毫無挖苦之意。然而,，在別處,，新理論受到了堅(jiān)決的同時(shí)又是謹(jǐn)慎的支持。1950年,，英國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)在年會(huì)上進(jìn)行了一次表決,，表明大約半數(shù)代表現(xiàn)在已經(jīng)欣然接受了大陸漂移的觀點(diǎn)。（過不多久,，哈普古德引用了這個(gè)數(shù)字作為一個(gè)證據(jù),，證明英國(guó)地質(zhì)學(xué)家已經(jīng)多么可悲地誤入歧途。）有意思的是,，霍姆斯本人有時(shí)候?qū)ψ约旱目捶ㄒ灿悬c(diǎn)動(dòng)搖,。1953年，他承認(rèn)："對(duì)于大陸漂移學(xué)說,，我從來沒有擺脫過一種令人不安的反感,；在作為地質(zhì)學(xué)家的骨子里，恕我直言,，我覺得這個(gè)假設(shè)是個(gè)荒唐的假設(shè),。" 大陸漂移學(xué)說在美國(guó)不是完全無人支持。哈佛大學(xué)的雷金納德?戴利就為它辯護(hù),。但是,，也許你還記得，他就是提出月球是由一次宇宙撞擊形成的那位先生。人們往往認(rèn)為他的看法很有意義,，甚至很有價(jià)值,，但有點(diǎn)兒華而不實(shí)，因此不值得認(rèn)真考慮,。因此,，大多數(shù)美國(guó)學(xué)者堅(jiān)持認(rèn)為，大陸向來就在現(xiàn)在的位置,，它們的表面特征可以歸因于側(cè)向移動(dòng)之外的原因,。 有意思的是，石油公司的地質(zhì)工作者多年來已經(jīng)知道,，要想找到石油,，你不得不考慮的正是板塊構(gòu)造所必然包含的這種表面移動(dòng)。但是,，石油地質(zhì)工作者不寫學(xué)術(shù)論文,。他們只找石油。 地球理論還有一個(gè)誰也沒有解決過的,，或接近于解決過的問題,。那就是，這么多沉積物都上哪里去了,？地球上的江河每年要把大量被侵蝕的材料--比如,，5億噸鈣--帶進(jìn)大海。要是你把這一過程的年數(shù)乘以沉積速度,，你就會(huì)得出一個(gè)驚人的數(shù)字：海底應(yīng)該有一層大約20公里厚的沉積物--或者換一種說法,，海底現(xiàn)在應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出海面?？茖W(xué)家們以最簡(jiǎn)單的辦法來對(duì)付這個(gè)不可思議的問題--不予理會(huì),。但是，終于到了一個(gè)時(shí)刻,，不理會(huì)已經(jīng)不行了,。 第二次世界大戰(zhàn)期間，普林斯頓大學(xué)的礦物學(xué)家哈里?赫斯負(fù)責(zé)指揮一條攻擊運(yùn)輸艦"約翰遜角"號(hào),。艦上配有一臺(tái)高級(jí)的新型測(cè)深器,，名叫回聲測(cè)深儀，以便在海灘登陸過程中操作更加方便,。但是,，赫斯意識(shí)到，這臺(tái)儀器也可以用于科學(xué)目的,，因此即使到了遠(yuǎn)海,，即使在戰(zhàn)斗最激烈的時(shí)候,，也從不關(guān)掉。他的發(fā)現(xiàn)完全出人意料,。如果海底像大家認(rèn)為的那樣很古老,，那么就該有一層厚厚的沉積物，就像河底或湖底的淤泥那樣,。但是,，赫斯的測(cè)量結(jié)果表明，海底只有一層又黏糊又平滑的古代泥沙,。那里到處都是懸崖,、溝壑和裂縫，還有星羅棋布的海底火山,，即平頂海山,。他稱其為蓋約特，以紀(jì)念早年普林斯頓大學(xué)的地質(zhì)學(xué)家阿諾德?蓋約特,。這一切都是個(gè)謎,，但赫斯的任務(wù)是打仗，他便把這些想法擱置腦后了,。 戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束以后,，赫斯回到普林斯頓，主要從事教學(xué)工作,，但海底之謎仍在他的腦海里占有一席之地,。與此同時(shí)，在整個(gè)20世紀(jì)50年代,，海洋學(xué)家對(duì)海底的考察日漸深入。在此過程中,，他們發(fā)現(xiàn)了一件更加出人意料的事：地球上最雄偉,、最大的山脈是在--主要部分是在--水下。它沿著世界的海床不斷延伸,，猶如網(wǎng)球上的花紋,。要是從冰島開始向南進(jìn)發(fā)，你順著這山脈可以抵達(dá)大西洋的中心,，然后繞過非洲底部,，越過印度洋和南太平洋，進(jìn)入澳大利亞下方的太平洋,；接著,，它從斜里穿越太平洋，仿佛要去加利福尼亞半島,，實(shí)際上突然隆起,，成為美國(guó)本土到阿拉斯加的西海岸,。偶爾，它的山峰戳出水面,，形成海島或群島--比如,，大西洋上的亞速爾群島和加那利群島、太平洋上的夏威夷群島,，但大部分淹沒在幾公里深的海水下面,，無人知曉，無人想到,。如果把所有的支脈加在一起,，該山脈總長(zhǎng)達(dá)75000公里。 在一段時(shí)間里,，人們對(duì)這些知之甚少,。19世紀(jì)鋪設(shè)海底電纜的人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，大西洋中部有山脈妨礙電纜的走向,，但山脈的連貫性質(zhì)和整體范圍完全出乎人們意料,。而且，它的形狀很不規(guī)則,，難以解釋,。在大西洋中部那座山岡的中段，下面有個(gè)峽谷--一條裂縫--寬達(dá)20公里,，全長(zhǎng)19000公里,。這似乎表明，地球在沿著裂縫裂成兩半,，就像果仁爆裂出殼那樣,。這種看法荒誕不經(jīng)而又?jǐn)_亂人心，但那種跡象是不可否認(rèn)的,。 接著,，1960年，巖心樣品顯示,，大西洋中部海底的山脊還相當(dāng)年輕,，但由此向東或由此向西，卻變得越來越古老,。經(jīng)過考慮,，哈里?赫斯覺得那種情況只有一種意思：新的海底地殼正在中央裂縫的兩側(cè)形成，然后被后面隨即產(chǎn)生的更新的地殼向外推開,。大西洋洋底實(shí)際上是兩條大的傳送帶,，一條把地殼傳向北美洲，一條把地殼傳向歐洲,。這個(gè)過程后來被稱之為海底擴(kuò)展,。 地殼抵達(dá)與大陸交界處的終點(diǎn)以后,，又突然折回地球內(nèi)部，這個(gè)過程稱之為潛沒,。該學(xué)說解釋了那么多沉積物的去向,。原來，它源源不斷地回到了地球的肚子里,。該學(xué)說還說明了那里的海底都比較年輕的原因,。人們發(fā)現(xiàn)，那里的海底年齡都不超過1.75億年,。這是個(gè)謎,，因?yàn)榇箨懮系膸r石年齡往往有幾十億年。現(xiàn)在,，赫斯終于明白了,，海底巖石的存在時(shí)間，只是它來到海邊所花的時(shí)間,。這是一種美好的理論,，解釋了不少事情。赫斯在一篇重要的論文里闡述了他的觀點(diǎn),。但是,，這些觀點(diǎn)幾乎沒有引起廣泛的重視。有時(shí)候,，世界對(duì)好的見解確實(shí)缺乏思想準(zhǔn)備,。 第十二章 大地在移動(dòng)(3) 與此同時(shí)，有兩位獨(dú)立開展工作的研究人員,，正利用幾十年前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的一個(gè)有意思的地球史實(shí),，獲得一些驚人的結(jié)果。1906年,，法國(guó)物理學(xué)家貝爾納?布呂納發(fā)現(xiàn),，這顆行星的磁場(chǎng)不時(shí)自行逆轉(zhuǎn)，逆轉(zhuǎn)的情況永久記錄在某些正在形成的巖石里,。具體來說,，巖石里的鐵礦石小粒子指向磁極,，無論在它們形成之時(shí)磁極恰好在哪里,，然后在巖石冷卻和凝固的過程中永遠(yuǎn)指著那個(gè)方向。實(shí)際上,，巖石"記住"了自己形成之時(shí)磁極的方向,。多年來，人們只是覺得這很有意思,。但是,，在20世紀(jì)50年代,，倫敦大學(xué)的帕特里克?布萊克特和紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的S.K.朗科恩研究了凝固在英國(guó)巖石里的古代磁場(chǎng)模式，說輕一點(diǎn)也是感到非常吃驚地發(fā)現(xiàn),，那些巖石表明,，在遙遠(yuǎn)過去的某個(gè)時(shí)候，英國(guó)曾發(fā)生自轉(zhuǎn),，向北移動(dòng)了一段距離,，仿佛是不知怎的脫了纜繩。而且,，他們還發(fā)現(xiàn),，要是你把一幅歐洲的磁場(chǎng)模式圖放在同一時(shí)期的美國(guó)磁場(chǎng)模式圖旁邊，二者完全合拍,，就像是一封被撕成兩半的信,。這有點(diǎn)兒怪。他們的發(fā)現(xiàn)也沒有引起注意,。 最后,，是劍橋大學(xué)的兩個(gè)人把這些線頭攏到一起。一位是地質(zhì)學(xué)家德拉蒙德?馬修斯,，另一位是他的一名研究生,，名叫弗雷德?瓦因。他們利用對(duì)大西洋海床的磁場(chǎng)的研究成果,，很有說服力地表明,，海床正以赫斯所推測(cè)的方式不斷擴(kuò)展，而且大陸也在移動(dòng),。加拿大地質(zhì)學(xué)家勞倫斯?莫雷很倒霉,，他在同一時(shí)間得出了同一結(jié)論，但找不到人發(fā)表他的論文,?！兜厍蛭锢硌芯侩s志》的編輯對(duì)他說："這些推測(cè)拿到雞尾酒會(huì)上去當(dāng)做聊天資料倒還挺有意思，但不該拿到一份嚴(yán)肅的科學(xué)雜志來發(fā)表,。"這件事成了一個(gè)冷落他人的著名例子,。有一位地質(zhì)學(xué)家后來把它描述成"很可能是有史以來被拒絕發(fā)表的最有意義的地球科學(xué)論文"。 無論如何,，提出地殼移動(dòng)的觀點(diǎn)的時(shí)刻終于來到了,。1964年，該領(lǐng)域許多最重要的人物出席了由英國(guó)皇家學(xué)會(huì)在倫敦主辦的研討會(huì),。突然之間,，好像人人都改變了觀點(diǎn)。會(huì)議一致認(rèn)為,，地球是一幅由互相連接的斷片組成的鑲嵌畫,。它們擠擠搡搡的樣子說明了地球表面的許多現(xiàn)象,。 過不多久，"大陸漂移"的名字便被棄之不用,，因?yàn)槿藗円庾R(shí)到,，在移動(dòng)的不光是大陸，而是整個(gè)地殼,。但是,，過了一段時(shí)間才為那些斷片確定了名字。起先,，人們稱其為"地殼積木",，有時(shí)候還稱其為"鋪路石"。直到1968年末,，三名美國(guó)地震學(xué)家在《地球物理研究雜志》發(fā)表了一篇論文,，那些斷片才從此有了現(xiàn)在的名字：板塊。同一篇文章稱這種新斷片為"板塊構(gòu)造",。 舊的思想很難咽氣,，不是人人都馬上接受那種激動(dòng)人心的新理論。直到20世紀(jì)70年代,，一本深受歡迎而又影響很大的,、由德高望重的哈羅德?杰弗里斯撰寫的地質(zhì)學(xué)教材，還像1924年初版時(shí)那樣,，堅(jiān)持認(rèn)為板塊構(gòu)造學(xué)說在物理上不能成立,。它同樣不承認(rèn)對(duì)流理論和海床擴(kuò)展理論。在1980年出版的《海洋與山脈》一書中,，約翰?麥克菲指出,，即使到了那個(gè)時(shí)候，每8名美國(guó)地質(zhì)學(xué)家中仍有1名不相信板塊構(gòu)造學(xué)說,。 今天,，我們知道，地球表面是由8-12個(gè)大的板塊（取決于你怎么界定大?。┙M成的,；它們都在以不同的速度朝不同的方向移動(dòng)。有的板塊很大,，不大活躍,；有的很小，但能量很大,。它們與所在陸塊只有一種附帶關(guān)系,。比如,，北美板塊比跟它有關(guān)的大陸要大得多,。它大致沿著該大陸的西海岸伸展（由于板塊邊界上的磕磕碰碰,，因此那個(gè)地區(qū)經(jīng)常發(fā)生地震），但與東海岸完全沒有關(guān)系,，而是越過大西洋的一半路程,，抵達(dá)大西洋中部的山脊。冰島從中間一分為二,，在板塊上一半屬于美洲,，一半屬于歐洲。與此同時(shí),，新西蘭是巨大的印度洋板塊的組成部分,，雖然這個(gè)國(guó)家遠(yuǎn)離印度洋。大多數(shù)板塊都是這種情況,。 人們發(fā)現(xiàn),，現(xiàn)代陸塊和古代陸塊之間的關(guān)系，比想像的要復(fù)雜得多,。哈薩克斯坦原來一度與挪威和新英格蘭相連,。斯塔騰島的一角，僅僅是一角,，屬于歐洲,。部分紐芬蘭也是。在馬薩諸塞州的海灘拾起一塊石頭,，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它最近的親屬如今在非洲,。蘇格蘭高地以及斯堪的納維亞半島的很多地區(qū)，有相當(dāng)部分屬于美洲,。據(jù)認(rèn)為,，南極洲的沙克爾頓山脈的有些地區(qū)可能一度屬于美國(guó)東部的阿巴拉契亞山脈?？傊?，巖石是會(huì)來來往往的。 由于連續(xù)不斷的動(dòng)蕩,，這些板塊不會(huì)合成一個(gè)靜止的板塊,。如果大體上按照目前的情況發(fā)展下去，大西洋最終會(huì)比太平洋大得多,。加利福尼亞州的很大一部分將漂離大陸,，成為太平洋里的馬達(dá)加斯加島。非洲將朝北向歐洲推進(jìn),，把地中海擠出局去,，在巴黎和加爾各答之間隆起一座雄偉的喜馬拉雅山脈。奧地利將與北面的海島連成一片，隔著一條狹長(zhǎng)的地峽與亞洲相望,。這些都是未來的結(jié)果,，不是未來的事情。事情現(xiàn)在已在發(fā)生,。我們?cè)谶@里坐著的時(shí)候,，大陸正在漂動(dòng)，就像池塘里的一片葉子那樣,。多虧有了全球定位系統(tǒng),，我們可以看到歐洲和北美洲正以指甲生長(zhǎng)的速度--大約以人的一生兩米的速度--漸漸遠(yuǎn)離。要是你愿意久等的話,，你可以從洛杉磯一直乘到舊金山,。只是因?yàn)槿说膲勖蹋覀儾艧o法享受這種變化,。要是你看一眼地球儀,，你看到的其實(shí)只是一張快照，記錄著大陸在地球史的千分之一時(shí)間里的狀態(tài),。 第十二章 大地在移動(dòng)(4) 在巖質(zhì)行星中,，只有地球才有板塊。為什么是這樣,，這多少是個(gè)謎,。這不僅是個(gè)大小或密度的問題--在這些方面，金星幾乎是地球的孿生兄弟,，但它沒有板塊活動(dòng),。據(jù)認(rèn)為--真的僅僅是認(rèn)為--板塊是地球機(jī)體的重要組成部分。正如物理學(xué)家兼作家詹姆斯?特雷菲爾所說："如果說構(gòu)造板塊的移動(dòng)對(duì)地球的生命發(fā)展沒有影響,，這是難以想像的,。"他認(rèn)為，構(gòu)造地質(zhì)學(xué)引發(fā)的挑戰(zhàn)--比如氣候變化--對(duì)知識(shí)進(jìn)步是個(gè)重要的促進(jìn),。還有人認(rèn)為,，大陸漂移至少是地球上某些絕種現(xiàn)象的原因。2002年11月,，劍橋大學(xué)的托尼?迪克森在《科學(xué)》雜志上寫了一篇報(bào)道,，強(qiáng)烈認(rèn)為巖石史和生命史也許有聯(lián)系。迪克森確認(rèn),，在過去的50億年里,，世界海洋的化學(xué)結(jié)構(gòu)時(shí)常突然發(fā)生戲劇性的變化；這些變化往往與生物史上的重大事件有關(guān)聯(lián)--比如,，大批微生物突然出現(xiàn),，后來形成了英格蘭南部海岸的白堊懸壁；寒武紀(jì)貝類動(dòng)物在海洋生物中突然增加；等等,。誰也說不清什么原因?qū)е铝撕Ｑ蠡瘜W(xué)成分不時(shí)發(fā)生戲劇性的變化,。但是，海脊的張開和合攏顯然可能是個(gè)原因,。 無論如何，板塊構(gòu)造學(xué)不僅解釋了地球的表面動(dòng)力學(xué)--比如,，古代三趾馬是怎么從法國(guó)跑到了佛羅里達(dá),，而且還解釋了它的許多內(nèi)部活動(dòng)。地震,、群島的形成,、碳循環(huán)、山脈的位置,、冰期的到來,、生命本身的起源--幾乎沒有一樣不是受這種了不起的新理論的直接影響的。麥克菲指出,，地質(zhì)學(xué)家們覺得眼花繚亂,，"整個(gè)地球突然之間都說得通了"。 但是,，只是在某種程度上,。以往年代的大陸分布并不像大多數(shù)非地球物理學(xué)界人士認(rèn)為的那樣已經(jīng)得到很好解決。雖然教科書上好像很有把握地列出了古代的陸塊,，什么勞拉古陸呀,，岡瓦納大陸呀，羅迪尼亞大陸呀,，泛大陸呀,，但它們有時(shí)候是以不完全能成立的結(jié)論為基礎(chǔ)的。喬治?蓋洛德?辛普森在《化石與生命史》中指出,，古代世界的許多種動(dòng)植物出現(xiàn)在不該出現(xiàn)的地方,，而卻沒有出現(xiàn)在該出現(xiàn)的地方。 岡瓦納大陸一度是一塊很大的陸塊,，連接澳大利亞,、非洲、南極洲和南美洲,。它的版圖在很大程度上是根據(jù)古代一種名叫石葦?shù)纳嘌螨X屬植物的分布確定的,。石葦在該發(fā)現(xiàn)的地方都有發(fā)現(xiàn)。然而,，很久以后,，世界的其他地方也發(fā)現(xiàn)了舌羊齒屬植物，那些地方跟岡瓦納大陸并不相連。在很大程度上,，這個(gè)令人不安的矛盾過去--現(xiàn)在仍然--很大程度上被忽略了,。同樣，一種名叫水龍獸的三疊紀(jì)爬行動(dòng)物從南極洲到亞洲都有發(fā)現(xiàn),，但據(jù)認(rèn)為這兩個(gè)地方在同一時(shí)間曾經(jīng)屬于同一大陸,。 還有許多地面特征構(gòu)造地質(zhì)學(xué)無法解釋。以美國(guó)科羅拉多州丹佛為例,。大家知道,，這個(gè)地方海拔1500米，但那個(gè)高度是近來才有的事,。在恐龍漫步地球的年代,，丹佛還是海底的組成部分，在幾千米深的海水底下,。然而,，丹佛底下的巖石沒有磨損，沒有變形,。要是丹佛是被互相撞擊的板塊托起來的話,，情況不該是這樣。無論如何,，丹佛離板塊的邊緣很遠(yuǎn),，不可能受到它們的作用。這就好比你推一下地毯邊緣,，希望在對(duì)面的一端產(chǎn)生一個(gè)褶皺,。在幾百萬年時(shí)間里，丹佛好像一直在神秘地上升,，就像烤面包那樣,。非洲南部的許多地區(qū)也是這樣。其中有一片1600公里寬的地方,，在1000萬年里隆起了大約1.5公里,，而據(jù)知沒有任何有關(guān)的構(gòu)造活動(dòng)。與此同時(shí),，澳大利亞卻在漸漸傾斜,、下沉。在過去的1 000萬年里,，它一方面朝北向亞洲漂移,，另一方面它的主要邊緣下沉了將近200米?？磥?，印度尼西亞在慢慢地沒入水中,，而且拖著澳大利亞一起下去。構(gòu)造理論根本無法解釋這些現(xiàn)象,。 阿爾弗雷德?魏格納沒有活到看到自己的思想證明是正確的,。1930年，他在50歲生日那天獨(dú)自一人出發(fā)去格陵蘭島探險(xiǎn),，檢查空投的補(bǔ)給品,。他再也沒有回來。幾天以后,，有人發(fā)現(xiàn)他凍死在冰面上,。他被埋在那里，至今還在那里長(zhǎng)眠,，只是比他死的那天離北美洲近了大約1米,。 愛因斯坦也沒有活著看到自己支持了錯(cuò)誤的一方,。他1955年死于新澤西州的普林斯頓,，實(shí)際上是在查爾斯?哈普古德發(fā)表"胡說八道"的大陸漂移理論之前。 提出構(gòu)造理論的另一個(gè)主要人物哈里?赫斯當(dāng)時(shí)也在普林斯頓,，將在那里度過他的余生,。他的一位學(xué)生是個(gè)聰明的年輕人，名叫沃爾特?阿爾瓦雷斯,，他最終將以完全不同的方式改變科學(xué)界,。 至于地質(zhì)學(xué)本身，大變革還剛剛開始,，年輕的阿爾瓦雷斯為啟動(dòng)這個(gè)過程發(fā)揮了作用,。 |
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