第11章 第十章世界之中的世界

自然界的晶體有七種基本形狀，色彩繽紛，多種多樣。這些不同形狀，如同空間的各種圖案和形形色色的物質一樣，令人十分神往。希臘人認為，構成世界的原子狀如一定大小的圓粒。用現代的術語來說，自然界中的晶體表明了組成晶體的原子結構的某種情形：它們有助於將這些原子歸入不同的族。這是本世紀物理學的研究領域，而晶體就是進入這一領域的第一個入口。 在各種各樣的晶體中，無色的六面體食鹽是最普通的、但也是最重要的一種晶體。在古代波蘭首都克拉科夫（Cracow））附近維那利奇卡（wieliczka）地方的大鹽礦，鹽的開採已有近1000年的歷史，一些用木頭支撐的礦坑和馬拉機械是從17世紀保留下來的。煉金術士帕拉塞爾蘇斯在遊歷東方時可能到過這一帶地方。他堅持認為在構成人體和自然界的元素中一定要算上鹽，根據這一觀點，他在公元1500年後對煉金術的程序進行了更改。鹽對於生命來說是必不可少的，而且，在所有文化形態中，鹽歷來具有某種象徵的性質。人佃至今仍像古羅馬士兵那樣，把付給一個人的所得叫作“solary”，儘管這個詞的意思是“買鹽的錢”。在中東，人們仍然用鹽來表示最後成交，正如《舊約全書》所說：“鹽的契約永遠有效”。

帕拉塞爾蘇斯的看法有一點是不對的；按現代的觀點，鹽並不是一種元素。鹽是兩種元素的化合物：鈉元素和氯元素。這裡頗值得一提的是，一種像鈉那樣的、嘶嘶發聲的白色金屬、和一種像氯那樣的略帶黃色的有毒氣體化合後竟變成了一種結構穩定的、常見的食鹽。 更值得注意的是，鈉和氯分別屬於兩個不同的族。在各個族內，性質相似的元素排列井然有序：鈉屬於鹼金屬族，而氯則屬於活潑的滷素。當我們用同族內的一種元素取代另一種元素時，晶體不會發生變化，仍然是透明的正方體。例如，鉀元素完全可以用來取代鈉元素生成氯化鉀。同樣，在另外一族內，氯也可由它同族的“姐妹”元素溴來取代，生成溴化鈉。當然，我們還可以用氟和鋰來取代氯化鈉中的氯和鈉，造成一種雙重變換而生成氟化鋰。不過，這幾種晶體都是肉眼所無法辨別的。

是什麼使不同元素具有這種族屬的相似性質呢？在19世紀60年代，人們為此絞盡腦汁，科學家找到的答案卻相當近似。而最為成功地解決了這一難題的人是一位名叫季米特里?伊万諾維奇?門捷列夫（Dmitri Ivanovich Mendeleev）的俄國青年，他在1859年時曾訪問過維那利奇卡地方的鹽礦。當時，他年僅25歲，是一位貧窮、謙遜、勤奮、才華橫溢的年輕人。他生長在一個至少有14個孩子的大家庭裡，他是其中最小的一個，一直是孀居的母親的寵兒，正是母親對他的深切期望，才使門捷列夫投身科學事業。 使門捷列夫出類拔萃的不僅是他的天才，而且是他對元素研究的熾熱感情。各種元素儼然成了他親密的朋友；他深知這些朋友的行為癖好和詳情細節。當然，元素只是以各自的一種基本特性而相互區別開來的，這是由約翰?道爾頓在1805年最先提出來的：每一種元素都具有一定的原子量。那麼，這種簡單的一定常量或參量又是怎樣導致產生了那些使元素彼此相似或相異的種種特性呢？這是當時的一個基本難題，門捷列夫研究了這個問題。他把這些元素的名稱逐一寫在卡片上，然後像洗紙牌似地把這些卡片弄混，正如他的朋友們所常說的那樣，他是在玩“單人紙牌”（Patience）的遊戲。

門捷列夫把元素名稱和它們的原子量寫在卡片上，按原子量的順序把它們排列成若干豎列。只有那最輕的元素，氫，他當時的確不知道應該排在哪兒，於是他明智地把它留下來，未排進他的元素表。下一個原子量最輕的元素是氦，門捷列夫幸好不知道這種元素，因為當時地球上還沒有發現有這種元素——在與它同族的“姐妹”元素被人們發現以前，Au（金）就像一隻笨拙的迷路的小牛一樣，無所適從。 因此，在門捷列夫的元素表中，第一列是以元素鋰開始的，它是一種鹼金屬。第一個是鋰（他當時認為其原子量僅次於氫），然後是鈹、硼、和大家熟悉的碳、氮、氧，然後是該一列的第七位元素，氟。按原子量順序，下一個元素是鈉，而且，因為它與鋰同族，性質相似，門捷列夫決定從鈉開始排第二列元素，並且與第一列平行。繼鈉之後，在第二列上排列的常見元素是：鎂、鋁、矽、磷、硫、氯。不言而喻，這一列共有7個元素，這樣，最後一個元素，氯，就與氟排在同一橫排線上了。顯然，在這種原子量的序列中，有某種並不是偶然，而是帶有系統性的東西存在著。當我們開始排第三列元素時，這一點又再次清楚地表現出來。按原子量順序，氯的後面是鉀，然後是鈣。這樣，第一橫排包含鋰、鈉和鉀，它們都是鹼金屬；第二橫排上有鈹、鎂和鈣，它們是具有另一組同族相似性的金屬。事實上，在這種排列方法中，橫排才具有意義：橫排使同族元素排列在一起。門捷列夫在元素排列中找到了一種數學圖解法，或者說，他至少為這種圖解法找到了依據。如果我們按原子量順序排列這些元素，七個元素排列成一個豎列，然後再排下一個豎列，這樣，我們就在橫排上排列出了同族的元素。

至此，我們可以毫無阻礙地按照門捷列夫在1871年，即他的最初概念形成後的第二年所製定的元素表排列元素。一直排到第三列都沒有出任何問題——但是，接著就不可避免地遇到了第一個難題。為什麼我說是不可避免的呢？因為，正如你從氦元素的情況中看到的那樣，門捷列夫當時並不知道所有的元素。在所有92種元素中，當時已知的只有63種：因此，他或遲或早會遇到空位。他遇到的第一個空位，就是在我排第三列時無法繼續排下去的第三個位置上。 我說門捷列夫遇到了一個空位，但這個簡單的詞卻隱藏著他思想上最難對付的問題。在第三列的第三個位置上，門捷列夫遇倒了困難。他把這“解釋”為空位，從而解決了這個難題。他之所以這樣做，是因為後面的一個已知元素，即鈦，並不具備在這個位置上的元素所應具備的性質，與處於同一橫排的硼和鋁不同族屬。因此，他說：“這裡有一個缺位元素，而在它被發現時，它的原子量將比鈦要小，排在鈦之前，繞過這個空位，這一列中後面的元素都將排在橫排的適當位置上；鈦與碳和矽歸入同一排。——的確，在這張基本的元素表中，鈦正是這樣排列的。

空位或未知元素的概念的形成，是一種科學的啟示。它用具體實用的術語表達了很久以前弗蘭西斯?培根用（Froncis Bacon）一般性術語所提出的一種信念：有關自然法則的新鮮例證可以從舊的例證中預先猜測或歸納出來。門捷列夫的猜想表明，在科學家手中，歸納是一個比培根和其他哲學家當初設想的要微妙得多的方法。在科學領域中，我們並不是簡單地、直線式地從已知情況進入到未知情況。而是像填字謎遊戲一樣，要找出兩種不同的事物走向的交會點：即隱藏著未知情況的地方。門捷列夫觀察研究了豎列上元素原子量的遞增，以及橫排上元素的同族相似性，在豎列和橫排的交會點上精確地確定缺位元素的位置。由此，他提出了一系列切合實際的預言，而且，他同時也表明了（這一點至今仍不大被人們所理解）科學家究竟是怎樣運用歸納法的。

可以說，最令人感興趣的是第三和第四列中的那些空位。我不會超出這兩個豎列。把元素表繼續排下去——只不過可以說，當你數著這些空位，繼續排下去時，這個豎列肯定會在應該結束的地方結束，——即最後一個元素為鹵族中的溴。表中有不少空位，門捷列夫專門找出了其中三個。第一個空位在我剛才指出的第三豎列的第三橫排上。另外兩個則在第四豎列的第三橫排和第四橫排上。對此，門捷列夫預言，這三個元素一旦被發現，人們就會發覺，它們不僅具有按豎列排列的柏應的原子量，而且還將具有與第三橫排和第四橫排的同族元素相似的特性。 例如，門捷列夫最著名的，也是最後得到證實的預言，是第三個空位的元素——他稱之為類矽。他極其準確地預言了這個陌生而又重要的元素的特性，但是，在將近20年後這個元素在德國被發現時，人們並沒有像門捷列夫那樣稱呼它，而是把它叫作“鍺”

（germanium）。從“類矽將具有介平矽和鈦之間的特性”這一原則出發，門捷列夫預言它將比水分子重5．5倍；這是正確的。他還預言，它的氧化物將比水分子重4．7倍；這也是正確的。它的化學的和其它特性也是如此。 這些預言使門捷列夫名聲遠揚——除了在俄國：在那裡，他並不被看作什麼預言家，因為沙皇不喜歡他的自由主義的政治態度。後來在英國發現的以氦、氖、氬開始的整整一橫排新元素，進一步擴大了他的勝利成果。雖然他未能被選入俄國科學院，但在世界上其它地方，他的名字卻具有神奇力量。 原子的基本排列方式是按數字順序表示的，這一點很清楚。但這並不能說明全部情況；我們一定遺漏了什麼。認為一個表示原子量的數值包含了元素的所有特性，是不大說得通的：必定還有什麼東西隱藏其中——究竟是什麼呢？一個原子的原子量可能是對這個原子復雜性的一種衡量方式。如果是這樣，那麼，原子的某種內部結構，形成原子種種特性的組合原子的某種物理方法，就還沒有被揭示出來。當然，只要當時的人們相信原子是不可分的理論，上述觀點就是令人難以置信的。

這就是為什麼劍橋大學的JJ湯姆遜（Joseph John Thomson）在1897年發現電子這件事成為重大轉折的原因。的確，原子有它的組成部分；它並不像希臘文中這個詞的含義那樣是不可分割的。電子是原子質量或原子重量的微不足道的部分，但卻是一個真實存在的部分，而且它還帶有一種電荷。各個原子中電子的數目決定該原子的特徵。而且，如果把氫和氯包括在門捷列夫元素表的第一位和第二位，那麼，元素在表中所佔位置的數字正好與其電子的數目相等。就是說，鉀有三個電子，鈹有四個電子，硼有五個，如此等等。在整個表中，元素的電子數目就這樣依次遞增。原子在表中所佔位置叫作原子序數。我們現在知道原子序數是表示原子內部的某種物理學真相——即原子內的電子的數目。這表明，對原子的描述已經從原子量轉變到原子序數。這就意味著，對原子的研究已基本上轉向原子的結構了。

這是人類知識上的大突破，現代物理學就是從這裡開始的。從此開創了一個偉大的時代。在那些年代，物理學成了最偉大的集體創造的科學成果。 ——不，不僅如此，物理學也是20世紀的一項偉大的集體創造的藝術傑作。 我說“藝術傑作”，是因為原子具有內在的結構，即原子世界之中的世界。這一觀念立刻激發了藝術家們的想像力。 1900年以後的藝術與1900年以前的藝術相比，迥然不同，這一點可以從這個時代的任何一位富有獨創性的畫家身上看出來：例如，翁貝托?波丘尼（Umberto Boccioni）的《一條街的力量》（The Forces ofa street）或《騎自行車的人的動力》（Dynamism of a Cyclist）。現代藝術與現代物理學是同時開始的，因為現代藝術來源於同一思想。

自牛頓發表《光學》的時代以來，各種事物的五光十色的表面曾經使畫家們感到入迷。 20世紀改變了這種情況。像倫琴的X 射線照片一樣，這時的繪畫藝術也在尋求人體表皮下面的骨骼，尋求構成物體或人體的整體形式的深層的立體結構，像朱安?格利斯（JuanGris）那樣的畫家就經常進行這樣的結構分析，他在《靜止的生命》（still Life）中著眼於自然形態，在《丑角》（Pierrot）中則著眼於人體形態。 例如，立體派畫家顯然受到不同族屬的晶體結構的啟迪，他們在晶體結構中看到的是山坡上的一個村莊的形狀，正如喬治?布拉克（Georges Braquc）在他的《埃斯塔克山上的房屋》（Housesat LEstaque）中所作的那樣，或者如畢加索（Picasso）在《阿維尼昂的少女們》（Les DemoisellesdAvignon）中所描繪的那群女人形像一樣。在畢加索轉向立體主義繪畫的第一幅著名作品中——一張入臉，即《丹尼爾-亨利?卡思韋勒肖像》（PortraitofDoniel-Henry Kahnweiler）——畫家的興趣已從人物的皮膚和相貌轉移到內在的幾何關係上來了。人頭被拆散成數學圖形，然後從內向外組合起來，成為一種再構成，一種重新創造。 北歐畫家對隱秘的結構的這一新的探索是十分令人注目的：例如，畫家弗蘭茲?馬爾克（Franz Mqrc）在《一片森林中的鹿》（Deer in a Forest）中就是這樣看待自然風光的；又如，另一位立體派畫家（他深受科學家們的喜愛），吉恩?梅特津格（JeanMetzinger）也是這樣，他畫的《馬背上的女人》（Woman on a Hores）由尼爾斯?玻爾（Niels Bohr）收藏，波爾在哥本哈根他的住宅中收藏了不少繪畫作品。 一件藝術作品和一篇科學論文之間存在著兩個明顯的差別，一個差別是，在藝術作品中，畫家顯然是要把世界分解成碎片，然後又在畫布上拼綴起來。另一個差別是你能夠觀察到畫家在創作時的思維活動。例如，喬治?修拉（Georges Seurat）在《拿著粉撲的年輕女人》（Young Woman With a Powder）和《鳥喙》（LeBec）兩幅畫中，把一種顏色點加在另一種不同顏色旁邊，以獲得一種整體效果。而在這兩方面，科學論文都無能為力。它往往只是分析性的；它幾乎總是把自己的思想隱藏在非人格化的科學語言之中。 我願意在這裡談談20世紀物理學的奠基人之一，尼爾斯?玻爾，因為在上述兩個方面，他都堪稱是一位完美極致、爐火純青的藝術家。他沒有什麼現成的答案。在開始上課時，他總是對他的學生們這樣說：“我說的每一句話，你們都不應該看作是一種定論。而應該看作是一個問題。”他所探究的問題就是關於世界的結構的問題。無論是在他年輕的時候或是年老的時候（他在70歲高齡時仍然具有深刻的洞察力），同他一道工作的人都是這樣一些人：他們把世界分解開來，經過反复思考，再把它重新組合起來。 最初，玻爾在20多歲時與JJ湯姆遜和曾經是他學生的歐內斯特?盧瑟福（ErnestRutherford）一道合作，盧瑟福於1910年前後，成為世界上傑出的實驗物理學家。 （湯姆遜和盧瑟福兩人都是深受他們孀居母親的影響而轉向科學事業的，正如門捷列夫一樣。）當時，盧瑟福是曼徹斯特大學（Manchester University）的一位教授。早在1911年，他就提出了一種新的原子模型。他曾說，原子質量的大部分集中在處在原子中央的、沉重的原子核上，電子沿軌道繞原子核運動，其方式與行星繞太陽運行相同。這是一個卓越的構想——也是歷史的一個絕妙諷刺，在300年時間內，哥白尼、伽利略和牛頓的這種當初看來令人不能容忍的思想觀點已經成為每個科學家最自然的模式。在科學研究中，常常有這樣的情形，一個時代的令人難以置信的理論成為後繼時代人們的日常的普通概念。 然而，盧瑟福這個模式還不是完全正確的。如果原子真的是一台小型機器，那麼，它的結構又怎麼能夠解釋它永遠不會停止運轉這個事實呢？ ——它是一台小型的永動機嗎？它是我們所知的唯一的永動機嗎？行星在繞軌道運行時會不斷地失去能量，結果，年復一年，它們的軌道變得越來越小——一點一點地變小，但總有一天它們會掉進太陽里去。如果電子完全像行星一樣，那麼，它們也會掉進原子核裡去的。一定有某種東西阻止電子不斷失去能量。這就要求有一種新的物理學原理，以便將電子所能釋放出來的能量限制在固定值內。只有這樣，才能有一個衡量標準，即一定的能量單位，這種能量單位使電子不致離開有著固定尺寸的軌道。 尼爾斯?玻爾在馬克斯?普朗克（Max planck）於1900年在德國發表的著作中發現了他要尋找的這種能量單位。十多年前，普朗克就已指出：在一個物質以量子的形式存在的世界上，能量也必定是以量子的形式產生的。現在看來，這種觀點並無奇特之處。但是，就在他形成這一思想的那一天，普朗克就意識到他的這個思想是多麼具有革命性。那天，他像世界各地的學者慣常所作的那樣，正帶著他的兒子在作一次午飯後的散尗。他對他的兒子說：“今天，我頭腦裡形成了一個概念，它如同當年牛頓的思想一樣，是十分偉大而具有革命性的。”實際情形的確如此。 於是，從某種意義上講，玻爾的任務當然就不那麼艱難了。他一手有盧瑟福的原子模型，一手有普朗克的量子假說。那麼一個27歲的年輕人在1913年把這二者結合起來，提出了現代的原子理論，這到底有什麼了不起的地方呢？沒有什麼，只不過是一種十分奇妙的、顯而易見的思維過程，一種綜合這兩種理論的努力罷了。這是一種在能夠找到這一論點的證據的地方去尋求證據的思想：這就是原子的“指紋”，即光譜：在光譜中，我們從外部觀察原子的活動，是可以看得見的。 這是玻爾的一個了不起的思想。原子的內部結構本來是無從窺見的，但是有一個窗口，有一個像裝有五彩玻璃似的窗口：這就是原子的光譜。每一種元素都有自己特定的光譜，但這種光譜並不像當年牛頓從白光中看到的那樣是連續不斷的，而是具有若干標誌著元素特性的明亮的光譜線，例如，氫原子的光譜中有三條很活潑的光譜線：一條呈紅色，一條呈藍綠色，還有一條呈藍色。玻爾把它們分別解釋為氫原子中的電子從外層軌道躍入內層軌道時的能量釋放。 只要在一個氫原子中的電子的運動保持在一條軌道上，它就不會釋放能量。但是，只要電於外層軌道躍遷到內層軌道，這兩層軌道的能量差就會以光子的形式釋放出來。從數以億萬計的原子中同時釋放出能量，這就形成了我們所看到的那種頗具特色的氫原子光譜線。那條紅線表明電子從第三條軌道躍入第二條軌道；而當電子從第四條軌道躍入第二條軌道時，便發出藍綠色光譜線。 玻爾寫的《論原子與分子的構成》（On the Constitution of Atoms and Molecules）一文很快成為一部經典著作。於是，原子結構也與牛頓的宇宙一樣，具有深刻的數學性質。 不過，它還包含了一個量子原理。尼爾斯?玻爾超越了在牛頓之後維持了兩個世紀之久的物理學法則，在原子的內部建立起了一個世界。玻爾載譽凱旋，回到了哥本哈根。丹麥又成了他的家鄉和從事科學研究的新天地。 1920年，人們在哥本哈根為他建立了“尼爾斯?玻爾研究所”。來自歐洲、美洲和遠東的年輕人在這裡研究、切磋量子物理學。維納?海森堡（Werner Heisenberg）也經常從德國來到研究所，在那裡，他深受啟發，不斷地努力構想出一些極端重要的思想：玻爾從不允許任何人的設想半途而廢，不了了之。 回顧一下玻爾的原子模型的確立所經歷的種種步驟，是很有趣的，因為在一定程度上，這些步驟再現了每一種科學理論的生命週期。首先是發表論文。在論文中用已知的結果來支持對這種模型的論證。這就是說，氫原子的光譜顯示出特有的光譜線，這是人們早已知道的，它們的位置符合電子從一條軌道到另一條軌道的量的轉變。 第二步是從這一論證出發，進而論及一種新的現象：例如，高能的X射線的光譜線。這種光譜線，人的肉眼看不見，它們同樣是由電子的躍遷形成的。這項工作是1913年在盧瑟福的實驗室裡進行的，而且收到了極好的效果，完全證實了玻爾的預見。從事這項工作的是27歲的哈里?莫斯利（Harry Moseley），他未能做出更為傑出的工作，因為他死於1915年英國對加利波利（Gallipoli）的殘酷的襲擊之中——這次戰役還間接地奪走了好幾位前程遠大的年輕人的生命，其中有詩人魯伯特?布魯克（RupertBrooke）。和門捷列夫所做的工作一樣，莫斯利的研究也提到了一些缺位的元素，其中之一是在玻爾的實驗室發現的，並根據哥本哈根的拉丁文譯名命名為“鉿”（hafnium）。玻爾在接受諾貝爾物理學獎時的演講中附帶宣布了這一發現。這篇演講的主題令人難忘，因為玻爾詳細描述了他在另一次演講中充滿詩意的總結:量子的概念是怎樣——逐步導致了對一個原子中任何電子的靜態結合方式的系統的分類，並對各種元素的物理和化學特性之間的重要關係作出了一種圓滿的解釋，正如門捷列夫的著名的周期表所表明的那樣。現在看來，這樣一種對物質特性的解釋，甚至超過了畢達哥拉斯學派的夢想，使那種把自然法則的公式簡化為純粹的數的關係的古代理想變成了現實。 就在這時，就在這一切似乎都在順利進行時，人們突然開始明白：正如每一種理論都或遲或早會遇到的情形一樣，玻爾的理論也快到達它的極限了，開始顯露出這樣那樣的弱點，好似一種風濕痛症。後來，人們終於意識到，原子結構的真正問題並沒有得到解決。我們只是敲開了外殼。而在外殼裡面。原子就像一隻有一個蛋黃的雞蛋。蛋黃就是原子核，我們甚至還沒有開始認識它。 尼爾斯?玻爾是一個既好沉思又喜悠閒的人。他獲得諾貝爾獎金後，用這筆錢在鄉下買了一幢房子。他對藝術的鑑賞趣味也涉及詩歌。他對海森堡說：“當問題涉及到原子時，我們只能像吟詩作賦那樣使用語言。詩人正是這樣，他最關心的不是描述事實，而是創造意象。”這是一種人們未曾想到過的思想：在涉及原子時，“語言不是用來描述事實，而是用來創造意象。情形正是這樣。在肉眼能見的世界下面隱藏著的一切總是人們想像出來的，這是千真萬確的：這是一種意象的遊戲。人們再也沒有別的辦法，談論那無從窺見的世界——在自然界，在藝術中，或者在科學的領域裡，都只能這樣。 當我們一旦跨進原子世界的大門時，我們就置身於一個自己的感覺無法體驗的世界。那裡有一種嶄新的結構，一種我們所無法知道的事物組合的方式：我們只能用比擬的方法，用一種全新的想像活動把它描繪出來。這種結構的形象來自我們的具體感官世界，因為這是唯一可以用語言加以描繪的世界。然而，在描繪那個看不見的世界時，所有的方法都不過是一些比喻，都是藉助於我們從視覺、聽覺和触覺所感知的廣大世界中所攝取的各種各樣的相似性生髮出來的。 我們一旦發現，原子並不是物質的不可分割的結構單元時，我們只能設法製作一些模型。以表明這種結構單元是如何相互聯結和相互作用在一起的。這些模型借助於類比，用來表明物質是怎樣構成的。因此，為了驗證這些模型，我們不得不把物質分解開來，猶如切割金剛石的工匠通過手的觸感來驗證晶體的結構一樣。 人類之上升是一種越來越豐富的歸納與綜合，每前進一步都是一種努力分析的結果：分析日益深入，世界中有世界。當人們發現原子還可再分割時，似乎原子有一個不可分割的中心，即原子核。於是，大約在1930年，科學研究的發展也要求對原子模型作出新的改進。 處於原子中心的原子核還不是真正的最終的微粒。 據《舊約全書》的希伯來文註釋者們說，在創世的第六天的黎明，上帝為人類製作了一些工具，從而也賦予人類以創造的才能。假如這些註釋者們今天還活著，他們就會寫下：“上帝創造了中子。”在美國田納西州的橡樹嶺（Oak Ridge）迸發出的那道藍色的閃光，就是中子的踪跡：米開朗基羅繪畫中上帝用手指點化亞當（Adam），他用的不是吐納之氣，而是創造之力。 也許我不應該把話扯得太遠了。讓我從1930年的那件事談起吧。當時，原子核的存在就像當初原子的存在一樣不容置疑。問題在於，當時人們還沒有辦法把原子核分裂成一個個帶電的部分：它們的數目不相吻合。原子核帶有正電荷（與原子中電子的負電荷相平衡），電荷數與原子序數相等。但原子核的質量不是其電荷的常數倍：原子核的質量從與電荷數相等（在氫原子中），到相當於那些重元素中的電荷數的兩倍多。只要人們仍然相信一切物質都一定是由帶電粒子構成的，這個現象就難以解釋。 是詹姆斯?查德威克（James Chadwick）破除了這種根深蒂固的觀念，並且在1932年證明原子核由兩種粒子組成：不僅有帶正電荷的質子。而且還有一種不帶電的粒子，即中子。這兩種粒子質量大致相等，也就是說，大致上等於氫的原子量。只有最簡單的氫原子核才不包含中子，它是由一個質子組成的。 因此，中子成了一種新的探索手段，像是煉金術士們使用的火焰，因為。既然中子不帶電荷，它就可以不受電的干擾，射入各種原子核內部，使它們發生變化。這位現代的煉金術士，這個利用這種新的工具勝過其他任何人的人，就是羅馬的恩里科?費米。 恩里科?費米是一個奇特的人物。我很晚才認識他，因為在1934年時，羅馬在墨索里尼控制之下，柏林又為希特勒所掌握，像我這樣的人是不會去那裡旅行的。但是，當我後來在紐約見到他時，他使我大吃一驚，我覺得他是我生平見到的最聰明的一個人——也許是最聰明的人，除去一個例外。他結實，矮小，有力，敏銳。很像一個運動員，做起事來總是目標明確，好像他從一開始就能看到事情的結果。 費米用中子依次轟擊每個元素，而元素擅變的傳奇正是在他的手中成為現實的。你會看到，費米使用的中子從這種反應堆中流瀉而出，因為這種反應堆被人們輕意地稱作“游泳池”反應堆，意思是人們用水來使中子反應的速度減低。我應該用恰當的名稱來稱呼這種反應堆：高通量同位素反應堆（High Flux IsotopeReactor），這種反應堆已在田納西州的橡樹嶺建成並投入使用了。 當然，元素嬗變是人類的一個由來已久的夢想。但是，對我這樣一個熱衷於理論研究的人來說，20世紀30年代最令人振奮的事情是，開始揭開自然界演化的奧秘。我必須解釋我說的這段話。我在開始時談到了創世的那個日子，而且我還會再次談到這個問題。那麼，我從哪兒談起呢？很久以前，大約在1650年，英國阿爾馬總會督詹姆斯?厄謝爾（JamesUssher）曾經說過，宇宙是上帝在公元前4004年時創造出來的。雖然他所擁有的不過是宗教的教條與無知，但他卻不容許別人反駁。據說，只有他或者另外某一位教士知道世界是在哪一年，哪一天，星期幾，以及哪個時辰被創造出來的。謝天謝地，我把這些全給忘了。但是，直到20世紀，這個關於世界壽命之謎仍然似是而非：因為，在人們認定地球已有好幾億年的歷史時，人們無法想像使太陽和星球運轉如此長久的能量來自何處。不過，那時我們有了愛因斯但的方程式，這個方程式表明，物質的消耗將產生能量。但是，這種消耗了的物質又是怎樣重新排列的呢？ 可以說，這正是能量問題的關鍵，也是查德威克的發現所開啟的人類理解之門。 1939年，在美國康乃爾大學工作的漢斯?貝特（Hans Bethe）以十分精確的語言解釋了太陽里氫嬗變成氦的問題，由於這種嬗變，質量的某種消耗給我們帶來了這種高貴的賞賜——能量。 我是懷著一種特別的熱情來談論這些事情的，因為對我來說，這些事情有一種切身的體驗性質，而不僅僅是對往事的追憶。在我看來，漢斯?貝特對這一問題的闡述是那樣的生動具體，就像我舉行結婚典禮那天的情形一樣，接踵而來的是我的孩子們的呱呱墜地。因為在隨後幾年中的科學研究表明（據我推想，在1957年那次明確無誤的分析中，得出了最終的結論），在所有的星球上，正在經歷著這樣一種過程，使一個一個原子的結構變得越來越複雜。物質本身在“進化”。進化這個詞來自達爾文和生物學，而正是這個詞在我有生之年改變了物理學的面貌。 元素的這種進化的第一步發生在像太陽這類年輕的星球上。這也就是從氫嬗變為氦的過程，而且，這一步需要來自內部的大量熱量，我們在太陽表面所看到的，只不過是由這種嬗變活動引起的暴風雨而已。 （氦是1863年日食時，用光譜線首次識別出來的，它之所以被稱為氦，是因為當時在地球上還不知道有這種元素）。實際情形是，一對重氫核常常互相碰撞，聚變成氦核。 到時候，太陽大部分終歸會變成氦。那時，太陽就將成為一個更加熾熱的星球，在這個星球上，氦核相互碰撞，又會轉過來生成更重的原子。例如，在一個星球上，只要有三個氦核在某一點上，在不到億萬分之一秒的時間內相互碰撞，就會生成碳。而每一種生物體內的每個碳原子就是通過這種無從稽考的碰撞方式產生出來的。除了碳，還可生成氧、矽、硫和其它更重的元素，那些最穩定的元素排列在門捷列夫元素週期表的當中，大體上在鐵與銀之間。但是，這些元素的構成過程卻大大超過了鐵和銀這兩種元素。 如果元素是一個接一個生成的，為什麼大自然會就此停步不前呢？為什麼我們只發現了92種元素，而其中最後一種是鈾呢？顯然，要回答這個問題，我們不得不制取鈾以後的元素，並且證實在元素重量增大時，它們會變得更加複雜，而且有分離裂變的趨勢。但是，在我們這樣做時，我們不僅在製造新的元素，而且在製造某種具有潛在爆炸性的東西。費米在有史以來第一座石墨反應堆（在那俗語盛行的年代，人們把它叫作“堆”）中製取的钚元素，就是一種向全世界公開證明這一科學結論的人造元素。在某種程度上，钚是紀念費米天才智慧的一座豐碑；但我卻把它看作是獻給冥界之神普路托（Pluto）的一份祭禮（钚元素的名字就是這位神靈的名字）。我這樣說，是因為在日本長崎有4萬人死於钚彈轟炸，在世界歷史上，再一次出現了這樣的怪事，一座豐碑紀念一位偉人，同時又祭奠那眾多的亡靈。 我必須把話題立刻轉回到維那利奇地方的礦上來，因為有一個歷史矛盾需要在這裡解釋一下。各種元素在星球上不斷形成，但我們過去卻總認為宇宙正在趨於消亡。這是為什麼呢？或者說，怎麼會這樣呢？ 宇宙趨於消亡的思想來自對機器運動的簡單的觀察。每台機器消耗的能量終究會超過它所補償的能量。一部分能量消耗於磨擦，一部分能量消耗於磨損。而且，在那些比維那利奇的木製絞盤更為複雜精密的機器中，能量以別的方式被消耗掉——例如，在減震器和散熱器中。這些都是能量損耗的方式。這就好比是一個無法滿足的能量水池，我們輸入其中的一些能量總會跑掉，而且無法從中再次獲得。 1850年，魯道夫?克勞胥斯（Rudolf Clausius）把這種思想歸納為一個基本原理。據他說，有一種可以獲得的能量，也有一種無法獲得的能量的剩餘。他把這種無從獲得的能量稱作“熵”，而且，他制定了著名的熱力學第二定律：熵總是在增加。在宇宙中，熱量不斷洩入一種熱平衡的湖泊，在這樣的湖泊中，熱量不能再被人們獲取。 在100年前，這確實是一個很好想法，因為當時熱仍然被看作是一種流體。但是，熱量與火或者生命一樣，並不是物質，熱是原子的一種不規則運動。正是奧地利的路德維格?玻耳茲曼（LndWig Boltzmonn）非常聰明地運用這一概念來解釋一台機器，或者是一台蒸汽機，或者是整個宇宙中發生的現象。 玻耳茲曼認為，當能量衰減時，原子呈現出一種更加紊亂的狀態。而熵就是測量這一無序狀態的尺度：這一深刻的概念來自玻耳茲曼的新穎的解釋。奇怪的是，人們竟可以測出無序狀態；這種特定狀態出現的概率——在這裡被定義為能從原子中收集能量的方式數，玻耳茲曼相當精確地表達這種數的關係，S＝KlogW；S，即熵，與一定狀態的概率W的對數成正比（K為比例常數，現在又稱為玻耳茲曼常數）。 當然，無序狀態的概率要比有序狀態高得多，因為幾乎每一種原子的隨機組合都將是無序的；因此，總的來說，任何一種有序排列都會歸於消失。但是，“總的來說”並不等於“總是如此”。有序狀態並不“總是”會歸於無序狀態。這是一條統計學的法則，這意味著那種秩序將“趨於”消失。但是，統計學一般不說“總是如此”。統計學允許在宇宙的某些島嶼上建立有序狀態（在地球上，在你身上，在我身上，在星球上，在一切地方），而在其它地方則代之以無序狀態。 這是一種美妙的概念。但還有一個問題需要回答。如果說概率把我們帶到這裡來的說法是對的，那麼，是不是概率太低以致於我們無權到這裡來呢？ 提出這種問題的人總是這樣描繪這個問題的，但是，想一想在此時此刻構成我的血肉之軀的所有原子。這些原子竟然在這個時刻、在這個地方構成了我這樣一個人，這豈不是頗有些不可思議嗎？是的，確實如此，如果情況真是如此，那就不僅是不可信的——我這個人簡直就是不可能的了。 不過，大自然當然不是這樣發揮自己的作用的。大自然的活動是按步就班進行的。原子組成分子，分子組成鹼基，鹼基支配氨基酸的形戍，氨基酸結合成蛋白質，蛋白質在細胞中起作用。細胞首先構成簡單的動物，然後構成複雜的動物，這樣一步一步地由低級向高級發展。那些組成一個水平或層次的穩定單位，就是用於產生更高級組織結構的不規則碰撞的原始材料，其中有些結構也會碰巧成為穩定的。只要有某種尚未實現的潛在穩定性存在，就不會“碰巧”出現別的情況。進化無異於從簡單到復雜一步一步拾級而上，而每一級本身又是穩定的。 既然這正是我研究的題目，我為這種穩定性起了一個名字：叫作“分層穩定”。正是這種穩定性，使生命緩慢而又不斷地逐步上升，變得越來越複雜——這既是進化的主要進行方式，也是進化的難題所在。現在，我們知道，不僅生命的演化是這樣，物質的演化也同樣如此。如果星球不得不生成某種像鐵那樣的重元素，或者像鈾那樣的超重元素，單單靠所有組成部分的瞬時聚合，那是完全不可能的。不，決不可能。一個星球使氫嬗變為氦，然後，在另一個星球的另一個階段上，氦聚合成碳，氧，和各種重元素，就這樣一步一步地走完演化的整個階梯，形成自然界的全部92種元素。 我們不可能再現這種發生在各個星球上的整個過程，因為我們無法控制聚合大多數元素所需的那種極高的溫度。但我們已經開始把腳踏上這架梯子了：再現從氫到氦的第一步。在橡樹嶺的另一個區域，人們正在致力於氫的聚變。 當然，很難重現太陽內部的那種高溫——攝氏1000度以上。而更加困難的是製造可以耐受這樣的高溫、並能使這種溫度保持哪怕是1％秒的容器。而目前根本浚有製造這種容器的材料，容納處於這種劇烈活動狀態的氣體的容器，只能以一種磁力捕集器的形式出現。這是一種新興的物理學：等離子體物理學。這門學科之所以激動人心而又非常重要，在於它是自然物理學。這一次，人類作出的自然結構的重新安排再也沒有違背自然的發展方向，而是沿著自然本身在太陽和群星上所採取的同一步驟向前邁進的。 最後，我以永恆不滅與生命有限的強烈對照來結束本章。 20世紀的物理學是一項永垂青史的業績。這是人類想像力所共同創造的任何輝煌成果都無法比擬的。無論是金字塔，還是希臘史詩《伊里亞特》（Iliad），無論是民歌民謠，還是大教堂，都不能相提並論。 。 那些科學概念的創始人都是我們這個時代具有開拓精神的英雄。門捷列夫，像玩單人紙牌那樣，排列他的元素卡片；JJ?湯姆遜推翻了希臘人原子不可分的信念；盧瑟福，把原子結構解釋為一種行星體系，尼爾斯?玻爾創立了原子結構模型。查德威克發現了中子，費米用中子使原子核發生裂變和嬗變，而在他們前頭的，是那些敢於蔑視傳統的人，也是提出各種新觀念的最初的奠基人：馬克斯?普朗克，他使能量具有像物質那樣的原子特性：還有路德維希.玻耳茲曼，我們今天之所以能夠認識到原子——這個世界中的世界，它和我們生活的世界一樣真實——主要應歸功於他。 誰會想到，就在1900年，人們還在為原子是否真實的問題爭論得難解難分，大有至死不肯罷休之勢。維也納的偉大的哲學家恩斯特?馬赫（Ernst Mach）說：“原子不存在。” 偉大的化學家維爾赫姆?奧斯瓦爾德（Wilhelm Ostwaed）也說：“不存在。”可是，在這個世紀的轉折關頭，有一個人以理論作依據，挺身而出，維護了原子存在的真實性，他就是路德維希?玻耳茲曼，我在他的紀念碑前致以深深的敬意。 玻耳茲曼是一個性情暴躁，與眾不同，難於相處的人。早年追隨達爾文，他好爭執卻又討人喜歡，具有一個人應有的一切品格。在那個時候，人類上升的進程曾在一架精密的知識天平上搖擺不定，因為假如反原子的信仰果真盛行起來，那麼，人類的進步就會倒退幾十年，甚至可能100年。人類的進步不僅在物理學中會倒退，而且在緊緊依賴於物理學的生物學中也會倒退。 玻耳茲曼是否只是參加爭論而已呢？不。他滿懷激情而生，滿懷激情而死。 1906年，在他62歲時，由於感到孤獨和氣餒，就在原子學說即將取得勝利的時刻，他卻以為一切都完了，於是含恨自殺。遺留下來的他的紀念物就是他那不朽的公式，S＝KlogW，這個公式已鐫刻在他的墓碑上。 對於波耳茲曼思想的那種簡浩而透闢的美，我無法用語言來形容。但我願意引用詩人威廉?布萊克的詩句，他的《天真的預言》（Auguries of Innocence）是以這樣的四行詩句開始的：從一粒沙子中看到一個世界，從一朵野花里窺見一片天空，你手心裡掌握著無限，而永恆卻貫穿在每個小時之中。