如果你有两根长度相差不多的棒,并且想准确地知道它们相差多少的话,那么,你只要把两根棒的一头对齐,量出另一头的长度差就行了。这就是所谓“零点法”。 迈克耳逊实验的原理图如图 36 所示,它就是应用零点法来比较光在相互垂直的两个方向上的速度差的。 这套仪器的中心部件是一块玻璃片B,上面镶着薄薄的一层银,成半透明状,可以让入射光线通过一半, 而反射回其余的一半。因此,从光源A射来的光束在B处分成相互垂直的两部分,它们分别被与中心部件等距离的平面镜C和D所反射。从D折回的光线有一部分穿过银膜,从C折回的光线有一部分被银膜反射；这两束光线在进入观察者的眼睛时又结合起来。根据大家所知道的光学原理,这两束光会互相干涉,形成肉眼可见的明暗条纹。如果BC与BD相等,两束光会同时返回中心部件,明亮部分就会位于正当中；如果距离稍有不同 , 就会有一束光晚到达,于是,明亮部分就会向左或向右偏移。 仪器是安装在地球表面的，而地球则在空间中迅速移动,因此,我们必然要预料到作者：wyhsillypig 回复日期：2005-1-16 13:02:00 用同样的方法 , 我们也能算出来回横渡所耽搁的时间。这个耽搁是由于从壹号码头驶到贰号码头时，船一定得稍稍斜驶,以补偿水流所造成的漂移。这一回耽搁的时间少一些,减少的倍数是 Sqrt(1/(1-(v/V)^2)) 对于上面那个例子，时间只增长了千分之五。要证明这个公式是很简单的,用功的读者不妨自己试一试。现在,把河流换成流动的以太,把船改成行进的光波, 那就是迈克耳逊的实验了。光束从B 到C再折回B,时间延长了 1/(1-(V/c)^2) 倍,c是光在以太中传播的速度。光束从B到D再折回来,时间增加了 Sqrt(1/(1-(V/c)^2)) 倍。以太风的速度（等于地球运动的速度）为每秒30公里，光的速度为每秒30万公里,因此,两束光延长的时间各为万分之一和十万分之五。对于这样的差异，使用迈克耳逊的装置,是很容易观察到的。 可是,在进行这项实验时,迈克耳逊竟未观察到干涉条纹有丝毫移动,可以想象,他当时是何等惊异啊！ 显然，无论光在以太风中怎样传播，以太风对光速都没有影响。 这个事实太令人惊讶了,因此,迈克耳逊在开始时简直不相信自己所得到的结果。但是,一次又一次精心的实验不容置辩地说明,这个结论虽然令人惊讶,却是正确的。 对这个出乎意料的结果,看来唯一合适的解释是大胆假设,迈克耳逊那张架设镜子的石制台面沿地球在空间运动的方向上有微小的收缩（即所谓斐兹杰惹收缩）。事实上,如果BC收缩了一个因子 Sqrt(1-(V/c)^2) 而 BD不变,那么,这两束光耽搁的时间便相同,因而就不会产生干涉条纹移动的现象了。 不过,迈克耳逊那张台子会收缩这句话说起来容易、懂起来难。物体在有阻力的介质中运动时会收缩, 这种实例我们确实遇到过,例如汽船在湖水中行驶时, 由于尾部推进器的驱动力和船头水的阻力两者的作用, 船体会被压缩一点点。这种机械力所造成的压缩与船壳材料有关,钢制的船体就会比木制的少压缩一些。但在迈克耳逊实验中,这种导致意外结果的收缩,其大小只与运动速度有关，而与材料本身的强度根本无关。如果安装镜子的那张台子不是用大理石材料制成,而是用铸铁、木头或其他任何物质制的,收缩程度还是一样。因此,很清楚,我们遇到的是一种普适效应,它使一切物体都以完全相同的程度收缩。按照爱因斯坦1904 年在描述这种现象时所提出的看法,我们这里所碰到的是空间本身的收缩。一切物体在以相同速度运动时都收缩同样的程度,其原因完全在于它们都被限制在同一个收缩的空间内。 关于空间的性质,我们在前面第三、四两章已经谈了不少,所以,现在提出上述说法就显得很合理了。为了把情况说得更清楚些,可以想象空间有某些类似于弹性胶冻(其中留有各种物体的边界的痕迹)的性质；在空间受挤压、拉伸、扭转而变形时,所有包容在其中的物体的形状就自动地以同样的方式改变了。这种变形是由于空间变形造成的,它和物体受到外力时在内部产生应力并发生变形的情况要加以区别。图 37中所示二维空间的情况,对于区别这两种不同的变形可能有所帮助。 尽管空间收缩效应对于理解物理学的各种基本原理是很重要的，但在日常生活中却没有人注意到它。这是因为,我们平素所能碰到的最高速度。比起光速来是微不足道的。例如,每小时行驶50英里的汽车 ,它的长度只变为原来的 Sqrt(1-(10^-7)^2)=0.99999999999999 倍,这相当于汽车全长只减少了一个原子核的主径那么长!时速超过600 英里的喷气式飞机,长度只不过减小一个原子的直径那么大；就是每小时飞行259000 英里的100 米长的星际火箭,长度也只不过缩短了百分之一毫米。 不过,如果物体以光速的50%,90%和99%运动,它们的长度就会分别缩短为静止长度的86%,45%和14%了。 有一首无名作家写的打油诗 , 描写了这种高速运动物体的相对论性收缩效应 : 斐克小伙剑术精, 出剌迅捷如流星, 由于空间收缩性, 长剑变成小铁钉。 作者：wyhsillypig 回复日期：2005-1-16 13:03:00 当然,这位斐克先生的出剑一定得有闪电的速度才能行! 从四维几何学的观点出发,一切运动物体的这样普遍收缩是很容易解释的:这是由于时空坐标系的旋转使物体的四维长度在空间坐标上的投影发生了改变。你一定还记得上一节所讨论过的内容吧,从运动着的系统上观察事件时,一定要用空间和时间轴部旋转一定角度的坐标系来描述；角度的大小取决于运动速度。因此,如果说在静止系统中，四维距离是百分之百地投影在空间轴上的( 图38A), 那么,在新的坐标轴上, 空间投影就总是要变短一些(图38B)。 需要记住的一个要点是:长度的缩短仅仅和两个系统的相对运动有关。如果有一个物体相对于第二个系统是静止的,那么，它在这个新空间轴上的投影是用长度不变的平行线表示的,而它在原空间轴上的投影则缩短同样的倍数。 因此,判定两个坐标系中哪一个是“真正”在运动的想法,非但是不必要的，也是没有物理意义的。起作用的仅仅是它们在相对运动这一点。所以，如果有两艘属于某“星际交通公司”的载人飞船,以高速在地球和木星间的往返途中相遇,每一艘船上的乘客透过舷窗都会看到另一条飞船的长度显著变短了；而对他们自己乘坐的这一艘,却发觉不出有什么变化。因此,争论哪一艘船“真正”缩短是没有用的,事实上，无论哪一艘，在另一般飞船上的乘客们看来都是缩短了的,而从它自己的角度看来却是不变的。（这只是从理论上描绘的情景。如果真有这样两艘飞船以高速相遇,无论哪一艘船上的乘客都根本看不见另一艘，你能看到从枪膛里射出的子弹吗?它的速度只有飞船的若干分之一呢 ！） 四维时空的理论还能使我们明白,为什么运动物体的长度在速度接近光速时才有显著改变。这是因为: 时空坐标旋转角度的大小是由运动系统所通过的距离与相应的时间的比值决定的。如果距离用米表示,时间用秒表示，这个比值恰恰就是常用的速度,单位为米/秒。在四维系统中,时间间隔是用常见的时间单位乘以光速,而决定旋转角度大小的比值又是运动速度(米/秒)除以光速( 同样的单位)，因此，只有当两个系统相对运动的速度接近光速时,旋转角度的变化以及这种变化对距离测量结果的影响才会变得显著。 时空坐标系的旋转,不仅影响了长度,也改变了时间间隔。可以证明:由于第四个坐标具有特殊的虚数本质，当空间距离变短的时候,时间间隔会增大。如果在一辆高速行驶的汽车里安放一只钟,它会比安放在地面上的同样一只钟走得慢些，嘀嗒声的间隔会加长。时钟的走慢如向长度的缩短一样,也是一个普遍的效应,只与运动速度有关。因此,最新式的手表也好,你祖父的老式大座钟也好,砂漏也好,只要运动速度相同，它们走慢的程度就会一样。这种效应当然并不只限于我们称之为 “钟”和“表”的专门机械,实际上, 一切物理的、化学的、生理的过程都以同样的程度放慢下来。因此,如 果你在快速飞行的飞船上吃早饭,可用不着担心因腕上戴的手表走得太慢而把鸡蛋煮老了, 因为鸡蛋内部的变花也相应地变慢了。所以,如果平时你总是吃“五分钟煮蛋”, 那么,现在你仍然可以看着表把它煮上五分钟。这里我们有意用火箭、而不是用火车餐车作为例子,这是因为时间的伸长也如同空间的收缩一样,只有当运动接近光速时才变得较为明显。时间伸长的倍数也是 Sqrt(1-(v/c)^2) 即同空间收缩时的情况一样。不过有一点不同,这个倍数在时间伸长时是乘数,在空间收缩时是除数。如果一个物体运动得非常之快,其长度减小一半,那么,时间间隔却会延长一倍。 运动系统中时间变慢这个情况,为星际旅行提供了一个有趣的现象。假定你打算到天狠星一一距离我们九光年的行星上去,于是,你坐上了几乎有光速那么快的飞船。你大概会认为，往返一趟至少要十八年, 因此打算携带大量食物。不过,如果你乘坐的飞船确实有近于光速的速度,那么,这种小心就是完全多余的了。事实上,如果飞船的速度达到光速的99.99999999%,你的手表、心脏、呼吸、消化和思维都将减慢七万倍, 因此从地球到天狠星往返一趟所花费的十八年（从留在地球上的人看来）,在你看来只不过是几小时而已。如果你吃过早饭便从地球出发,那么,当降落在天狼星某一行星的表面上时,正好可以吃中饭。要是你的时间很紧，吃过午饭后马上返航,就可以赶回地球上吃晚饭。不过，如果你忘了相对论原理，那你到家时准得大吃一惊：因为你的亲友会认为你一定还在宇宙空间中的什么地方,因而已经自顾自地吃过六千五百七十顿晚饭了!地球上的十八年,对你这个近于光速的旅客来说,只不过是一天而已。 那么,如果运动得比光还快呢?这里又有一首有关相对论的打油诗: 年轻女郎名伯蕾, 神行有术光难追； 爱因斯坦来指点, 今日出游昨夜归。 说真的,如果速度接近光速可使时间变慢,超过光速可不就能把时间倒转了吗!还有,由于毕达哥拉斯根式中代数符号的改变,时间坐标会变为实数,这就变成了空间距离；同时,在超光速的系统中,所有长度都通过零而变为虚数,这就变成 了时间间隔。 如果这些是可能的,那么，图 33 中所面的那个爱因斯坦变尺为钟的戏法就变成可能发生的事情了,只要他能想法获得超光速,就可以变这种戏法了。 不过，我们的这个物理世界,虽然是够颠三倒四的,却还不是这种颠倒法。这种魔术式的变化是完全不可能实现的。这可以用一句话简单地加以概括 ,这就是：没有任何物体能以光速或超光速运动。 这一条基本自然律的物理学基础在于：有大量的直接实验证明,运动物休反抗它本身进一步加速的惯性质量,在运动速度接近光速时会无限增加。因此,如果一颗左轮手枪子弹的速度达到光速的99.99999999 % , 它对于进一步加速的阻力( 即惯姓质量)相当于一枚十二英寸的炮弹；如果达到99.99999999999999%，这颗小子弹的惯性质量就等于一辆满载的卡车。无论再给这颗子弹施加多大的力,也不能征服最后一位小数, 使它的速度正好等于光速。光速是宇宙中一切运动速度的上限!3. 弯曲空间和重力之谜 读者们读过刚才这几十页有关四维坐标系的讨论,大概会有头昏脑胀之感；对此,我不胜抱歉之至。现在,我邀请诸位一起到弯曲空间去散散步。大家都知道曲线和曲面是怎么一回事,可是,“弯曲空间”又意味着什么呢?这种现象之所以难以想象,主要不在于这个概念的古怪,而在于我们不能象观察曲线和曲面时那样从外部来观察空间。我们本身生活在三维空间之内,因此,对于三维空间的弯曲,只能从内部来观测。为了理解在三维空间里生活的人如何体会空间的曲率,我们先来考虑假想的二维扁片人在平面和曲面上生活的情况。在图39A和 39b上,可以看到一些扁片科学家,他们在“平面世界”和“曲面世界”上研究自己的二维空间几何学。可供研究用的最简单的图形,当然是连接三个点的三条直线所构成的三角形了。大家在中学里都学过,任何平面三角形的三个内角之和都是 180° 。但是，如果三角形是在球面上，就很容易看出上述定理是不成立的。例如，由两条经线和一条纬线（这里借用了地理学上的概念）相交而成的三角形中，就有两个直角（底角），同时还有一个数值可在从0°到 360°之间的顶角。拿图 39b上那两个扁片科学家所研究的三角形来说，三个角的总和就是210°。所以，我们可以看出，扁片科学家们通过测量他那个三维空间中的几何图形，就可以发现他自己那个世界的曲率，而无须从外面进行观测。 将上述观察用到又多了一维的世界，自然能得出结论说，生活在三维空间的人类，只需要测量连接这个空间中三个点所成三条直线之间的夹角，就可以确定空间的曲率，而无须站在第四维上去。如果三个角的和为 180°就是平坦的，否则就是弯曲的。 不过，在作进一步探讨之前，我们先得把直线这个词的意思弄明白。读者们看过图39a和图39b上的两个三角形，大概会认为平面三角形（图39A）的各边是真正的直线，而曲面上出现的线条（图39B）只是球面上大圆的弧，所以是弯曲的。 这种出自日常几何概念的提法，会使二维空间的扁片科学家们根本无法发展他们自己的几何学。对直线的概念需要一个更普遍的数学定义，使它不仅能在欧几里得几何中站稳，还能在曲面和更复杂的空间中立足。这个定义可以这样下 :“直线”就是在给定的曲面或空间内两点之间的最短距离。在平面几何中，上述定义和我们印象中的直线概念当然是相符的；在曲面这种较为复杂的情况下，我们会得到一族符合定义的线，它们在曲面上所起的作用与欧几里得几何中普通“直线”所起的作用相同。为了避免产生误解，我们常常把表示曲面上两点之间最短距离的线叫做短程线或测地线，这是因为这两个名词是首先在测地学一一测量地球表面的学问——中使用的。实际上，当我们说到纽约和旧金山之间的直线距离时，我们的意思是指“ 一直走，不拐弯”，也就是顺着球表面的曲率走，而不是用假想的巨大钻机把地球笔直地钻透。 这种把“广义直线”或“短程线”看作两点间最短距离的定义，向我们展示了作这种线的物理方法：我们可以在两点间拉紧一根绳。如果这是在平面上做的，那将得到一般的直线；如果在球面上做，你就会发现，这根绳沿着大圆的弧张紧，这就球面上的短程线。 用同样的方法，还可以搞清楚我们在其内部生活的这个三维空间是平坦的还是弯曲的，我们所需要做的，只不过是在空间内取三个点，然后扯紧绳子，看看三个夹角之和是否等于180°。不过在做这个实验时，要注意两点。一是实验必须在大范围内进行，因为曲面或弯曲空间的一小部分可能显得很平坦。显然，我们不能靠在哪一家后院里测出的结果来确定地球表面的曲率！二是空间或曲面可能有某些部分是平坦，而在另一些地方是弯曲的，因此需要作普遍的测量。 爱因斯坦在创立他的广义弯曲空间理论时，他的想法包含了这样一项假设：物理空间是在巨大质量的附近变弯曲的；质量越大，曲率也越大。为了从实验上证明这个假设，我们不妨找座大山，环山钉上三个木桩，在木桩之间拉上绳子，然后测量三个木桩上绳子的夹角。尽管你挑选了最大的大山一一哪怕到喜马拉雅山脉去找一一结论也只有一个:在测量误差允许的范围内，三个角的和正好是180°。但是，这个结果并不一定意味着爱因斯坦是错的，并不表明大质量存在不能使周围的空间弯曲，因为即便是喜马拉雅山，也可能不足以使周围空间弯曲到能用最精密的仪器测量出来的程度呢!大家应该还记得伽利略想用遮光灯来测定光速的那次失败吧!（图31） 因此，不要灰心，重新来一次好了。这次找个更大的质量，比如说太阳。 如果你在地球上找一个点，拴上一根绳，扯到一颗恒星上去，再从这颗恒星拉到另外一颗恒星上，最后再盘回到地球上的那个点，并且要注意让太阳正好位于绳子所围成的三角形之内。嘿!这下子可成功了。你会发现，这三个角度的和与180°之间有了可以察觉出来的差异。如果你没有足够长的绳子来进行这项实验，把绳子换成一束光线也行，因为光学告诉我们，光线总是走最短的路线的。 这一项测量光线夹角的实验原理如图40B所示。在进行观测时，位于太阳两侧的恒星S1和S2射来的光线进入经纬仪，从而测出了它们的夹角。然后，在太阳离开后再来测量。两次测量的结果加以比较，如果有所不同，就证明太阳的质量改变了它周围空间的曲率，从而使光线偏离原路。这个实验是爱因斯坦为验证他的理论而提出的。读者们可参照图41所绘的类似的二维图景，获得更好的理解。 在正常情况下进行爱因斯坦的这项实验，有一个明显的障碍:由于太阳的强烈光芒，我们看不到它周围的星辰。想在白天清楚地看见它们，只有在日全食的情况下才能实现。1919年，一支英国天文学远征队到达了正好发生日全食的普林西比群岛(西非)，进行实际观测,结果发现, 两颗恒星的角距离在有太阳和没有太阳的情况下相差1.61“ ±0.30“,而根据爱因斯坦的理论计算值为 1.75“。此后又做了各种观测,都得到了相近的结果。 诚然,15角秒这个角度并不算大,但这已足以证明:太阳的质量确实迫使周围的空间发生弯曲。 如果我们能用其他质量更大的星体来代替太阳,欧几可得的三角形内角和定理就会出现若干分、甚至若干度的错误。 对一个内部观察者来说,要想习惯于三维弯曲空间的概念,是需要一定时间和相当丰富的想象力的；不过一旦走对了路，它就会和任何一个古典几何学概念一样明确。 为了完全理解爱因斯坦的弯曲空间理论及其与万有引力这个根本问题之间的关系,还要向前再走一步才行。我们叫必须记得,刚才一直在讨论的三维空间,只是四维时空世界这个一切物理现象发生场所的一部分，因此,三维空间的弯曲，只不过反映了更普遍的四维时空世界的弯曲,而表述光线和物体运动的四维时空线，应看作是超空间中的曲线。 从这个观点进行考虑,爱因斯坦得出了一个重要的结论:重力现象仅仅是四维时空世界的弯曲所产生的效应。因此,关于行星直接受太阳的作用力而围绕它在圆形轨道上运动这个古老的观点,现在可以视为不合时宜而加以摒弃,代之以更准确的说法,那就是:太阳的质量弯曲了周围的时空世界,而图30所示的行星的时空线正是通过弯曲空间的短程线。 因此,重力作为独立力的概念就从我们的头脑中彻底消失了。代之而来的是这样的新概念:在纯粹的几何空间中,所有的物体都在由其他巨大质量所造成的弯曲空间中沿“最直的路线”(即短程线)运动。 4．闭空间和开空间 在这一章结束之前,我们还得简单讲一下爱因斯坦时空几何学中的另一个重要问作者：wyhsillypig 回复日期：2005-1-20 19:48:00 4．闭空间和开空间 在这一章结束之前,我们还得简单讲一下爱因斯坦时空几何学中的另一个重要问题,即宇宙是否有限的问题。 到目前为止,我们一直在讨论空间在大质量周围的局部弯曲。这种情况好象是宇宙这张其大无比的脸上生着许多“空间粉刺”。那么,除了这些局部变化而外,整个宇宙是平坦的呢,还是弯曲的? 如果是弯曲的, 又是怎样弯曲的呢?图42给出了三个长“粉刺”的二维空间。第一个是平坦的；第二个是所谓“正曲率”, 即球面或其他封闭的几何面，这种面不管朝哪个方向伸展,弯曲的“方式”都是一样的；第三个与第二个相反,在一个方向上朝上弯,在另一个方向上朝下弯,象个马鞍面,这叫做“负曲率”。这后两种弯曲的区别是很容易弄清楚的。从足球上割下一块皮子，再从马鞍上割下一块皮子,把它们放在桌面上，试试将它们展平。你会注意到,如果既不抻长又不起皱,那么无论哪一块都展不成平面。足球皮需被抻长，马鞍面将会出褶；足球皮在边缘部分显得皮子太少,不够摊平之用，而马鞍皮又显得多了些，不管怎么弄总要叠出褶来。 对这个问题还能换个说法。假如我们（沿着曲面）从某一点起, 数一数在周围一寸、两寸、三寸等范围内 “粉刺”的个数,我们会发现:在平面上,“粉刺”个数是象距离的平方那样增长的,即1，4，9，等等；在球面上,“粉刺”数目的增长要比平面上慢一些；而在鞍形面上则比平面上快一些。因此,生活在二维空间内的扁片科学家,虽然根本不可能从外面看一看自己这个世界的情况,却照样能通过计算不同半径的圆内所包含 的粉刺数,来了解它的弯曲状况。在这里,我们还能看出,正负两种曲面上三角形的内角和是不同的。前一节我们学过,球面三角形的三内角和总是大于 180°。如果你在马鞍面上画画看,就会发现三个角的和总是小于180°。 上述由考察曲面得来的结果可以推广到三维空间的情况上去,并得到下表。 空间类型 远距离状况 三角形内角和 体积增长情况 正曲率（类似球面） 自行封闭 ＞180° 慢于半径立方 平面 无穷伸展 ＝180° 等于半径立方 负曲率（类似马鞍面） 无穷伸展 ＜180° 快于半径立方 这张表可实际用来探讨我们所生存的宇宙空间究竟是有限的还是无限的。这个问题将在研究宇宙大小的第十章中再加以讨论。第七章 现代炼金术 1. 基本粒子 我们已经知道，各种化学元素的原子有相当复杂的力学系统，原子由一个中心核及许多绕核旋转的电子组成。那么，我们当然还要问下去：这些原子核究竟是物质结构的最基本的单位呢，还是可以继续分割成更小、更简单的部分呢?能不能把这92种不同的原子减少为几种真正简单的微粒呢? 早在上一世纪中叶，就有一位英国化学家波路特(William prout) 出自进行简化的愿望，提出不同元素的原子本质上相同，它们都是以不同程度“集中”起来的氢原子这个假设。他的根据是：用化学方法所确定的各元素的原子量，几乎都是氢元素原子量的整倍数。因此波路特认为，既然氧原子比氢原子重16倍，那它一定是聚集在一起的16个氢原子；原子量为127的腆原子一定是127个氢原子的组合，等等。 但在当时，化学上的发现并不支持这个大胆的假设。对原子量进行的精确测量表明，大多数元素的原子量只是接近于整数，有一些则根本不接近。(例如，氯的原子量为 35.5) 这些看起来同波路特的假设直接相矛盾的事实当时把它否定了。因此，直到他去世，他也不知道自己是何等正确。 直到1919年，这个假设才又靠英国物理学家阿斯顿(Aston)的发现而重见天日。阿斯顿指出，普通的氯是由两种氯元素掺杂在一起的，它们的化学性质完全相同，只是原子量 不同，一种为35, 一种为37。化学家所测定的非整数原子量35.5只是它们掺杂后的平均值。 对各种化学元素的进一步研究揭示了一个令人震惊的事实：大部分元素都是由化学性质完全相同、而重量不同的若干成分组成的混和物。于是，人们给它们起了个名字，叫做同位素，意思是在元素周期表中占据同一位置的元素。事实证明，各种同位素的质量总是氢原子质量的整倍数，这就赋与波路特那被遗忘了的假设以新的生命。我们在前面看到过，原子的质量主要集中在原子核上，因此，波路特的假设就能用现代语言改写成：不同种类的原子核是由不同数量的主原子核组成的，氢核因在物质结构中起重要的作用而得到一个专名“质子”。 不过，对上面的叙述，还应该作一项重要的修改。以氧原子为例，它在元素的排列中居第八位，它的原子有8个电子，它的原子核也应带8个正电荷。但是，氧原子的重量是氢原子的16倍。因此，如果我们假设氧原子核由8个质子组成，那么，电荷数是对的，但质量不符(均为8)；如果假设它有16个质子，那质量是对了，但电荷数错了(均为16)。 显然，要摆脱这个困难，只有假设在这些复杂的原予核的质子中，有一些失去了原有的正电荷，成了中性的粒子。 关于这种我们现在称之为“中子”的无电荷质子，卢瑟福早在1920年就提到过它的存在，不过到十二年后它才由实验所证实。这里需要注意，不要把质子和中子看成两种截然不同的粒子，而要把它们当作处在两种不同带电状态下的同一种粒子――“核子”。事实上，我们已经知道，质子可以失去正电荷而转化成中子，中子也能获得正电荷而转化成质子。 把中子引进原子核里，刚才提到的困难就得到了解决。为了解释氧原子核重16个单位，但只有8个电荷单位这一事实，可假设它由 8 个质子和8个中子组成。重量为127单位的碘，它的原子序数为53，所以就应有53 个质子，74 个中子。 重元素铀（原子量为238，原子序数为92）的原子核里有92 个质子，146 个中子。 这样，波路特的大胆假说在提出后历经一个世纪才得到了应得的光荣确认。现在，我们可以说，无穷无尽的各种物质都不过是两类基本物质的不同结合罢了。这两类物质是:(1) 核子，它是物质的基本粒子， 既可带有一个正电荷，也可不带电；(2)电子，带负电的自由电荷（图57）。 下面有几张引自《万物炮制大全》的配方。我们可以从中看到，在宇宙这间大厨房里，每一道菜是如何用核子和电子烹调出来的。 水 把8个中性核子和8个带电核子聚在一起当作核心，外面再加上8个电子,这就是氧原子。用这样的方法制备一大批氧原子。把一个带电核子搭配上一个电子，这就是氢原子。照氧原子数目的两倍做出氢原子来。按 2:1 的比例将氢原子和氧原子组合成水分子，把它们置于杯内，保持冷却状态。这就是水。 食盐以12个中性核子和11个带电核子为中心，外加11个电子，这就是钠原子。以18个或20个中性核子和17个带电核子为中心,都外加17个电子,这就是氯原子（同位素）。 照这样的方法制备同等数目的钠、氯原子后，按照国际象棋盘那样的格式在立体空间中摆开。这就是食盐的正规晶体。 TNT 由6个中性核子和6个带电核子组成核，外添6个电子做成碳原子。由7个中性核子和7个带电核子组成核,外添 7 个电子做成氮原子。再按照水的自己方制备氧原子和氢原子。把6个碳原子造成一个环，环外再接上第七个。在碳环的三个原子中,每个各连上一个氮原子，而每个氮原子再接上一对氧原子。给那个碳环外的第七个碳原子加上三个氢原子；碳环中剩下的两个碳原子也各连上一个氢原子。把这样组成的分子有规则地排列起来，成为小粒晶体。再把晶粒压在一起。不过要小心操作、因为这种结构不稳定，有极大的爆炸性。 尽管我们已经看到，中子、质子和带负电的电子构成了我们所想得到的一切物质的必要组成材料，但是这份基本粒子名单还显得不那么完全。事实上，如果有带负电的自由电子，为什么不能有带正电的自由电子，即正电子呢? 同样，如果作为物质基本成分的中子可以获得正电荷而成为质子，难道它就不能获得负电荷而变成负质子吗? 回答是：正电子确实存在，它除了带电符号与一般带负电的电子相反外，各方面都与负电子一样。负质子也有可能存在，不过尚未被实验所证实（已于1956年由实验所证实）。 正电子和负质子在我们这个世界上的数量不如负电子和正质子多的原因，在于这两类粒子是互相“敌对”的。大家知道，一正一负的两个电荷碰到一起会互相抵消。两类电子就是正与负两种电荷。因此，不能指望它们会存在于空间的同一处。事实上，如果正电子与负电子相遇，它们的电荷立即互相抵消，两个电子也不成其为独立粒子了。此时，两个电子一起灭亡一一这在物理学上称作“湮没”一一 并在电子相遇点导致强烈电磁辑射(γ射线)的产生,辐射的能量与原电子的能量相等。按照物理学的基本定律,能量既不能创造,又不能消灭,我们这里遇到的现象,只不过是自由电荷的静电能变成了辐射波的电动能。这种正负电子相遇的现象被玻恩(Max Born)描述为“狂热的婚姻”，而较为悲观的布朗(T.B.Brown)则称之为“双双自杀”。图58a表示了这种相遇。 两个符号相反的电子的“湮没”过程有它的逆过程一一 “电子对的产生”，这就是一个正电子和一个负电子由强烈的γ射线产生。我们说“由”,是因为这一对电子是靠消耗了γ射线的能量而产生的。事实上，为形成一对电子所消耗的辐射能量，正好等于一个电子对在湮没过程中释放出的能量。电子对的产生是在人射辐射从原子核近旁经过时发生的。图58b表示了这个过程。我们早就知道，硬橡胶棒和毛皮摩擦时，两种物体各自带上相反的电荷，这也是一个说明两种相反的电荷可以从根本没有电荷之处产生的例子。不过，这也没有什么值得大惊小怪的。如果我们有足够多的能量，我们就能随意制造出电子来。不过要明白一点，由于湮没现象，它们很快又会消失，同时把原来耗掉的能量如数交回。 有一个有趣的产生电子对的例子，叫做“宇宙线簇射”，它是从星际空间射到大气层来的高能粒子所引发的。这种在宇宙的广袤空间里向四面八方飞窜的粒子 有一个有趣的产生电子对的例子，叫做“宇宙线簇射”，它是从星际空间射到大气层来的高能粒子所引发的。这种在宇宙的广袤空间里向四面八方飞窜的粒子流究竟从何而来，至今仍然是科学上的一个未解之谜，不过我们已经弄清当电子以极惊人的速度轰击大气层上层时发生了些什么。这种高速的原初电子在大气层原子的原子核附近穿过时，原有能量逐渐减小，变成γ射线放出（图 59）。这种辐射导致大量电子对的产生。新生的正、负电子也同原初电子一道前进。这些次级电子的能量也相当高，也会辐射出γ射线，从而产生数量更多的新电子对。这个连续的倍增过程在大气层中重复发生，所以，当原初电子最终抵达海平面时，是由一群正负各半的电子陪伴着的。不消说，这种高速电子在穿进其他大物体时也会发生簇射，不过由于物体的密度较高，相应的分支过程要迅速得多（见后面图版IIA）。 现在让我们来谈谈负质子可能存在的问题。可以设想，这种粒子是中子获得一个负电荷或者失去一个正电荷（两者的意思是一样的）而变成的。不难理解，这种负质子也和正电子一样，是不会在我们这个物质世界中长久存在的。事实上，他们将立即被附近的带正电原子核所吸引和吸收，大概还会转化为中子。因此，即使这种负质子确实作为基本粒子的对称粒子而存在，它也是不容易被发现的。要知道，正电子的发现是在普通负电子的概念进入科学后又过了将近半个世纪才发生的事呢!如果确实有负质子存在，我们就可以设想存在着所谓反原子和反分子。它们的原子核由中子（和一般物质中的一样）和负质子组成，外面围绕着正电子。这些“反原子”的性质和普通原子的性质完全相同，所以你根本看不出水与“反水”、奶油与“反奶油”等东西有什么不同一一除非把普通物质和“反物质”凑到一起。如果这两种相反的物质相遇，两种相反的电子就会立即发生湮没，两种相反的质子也会立即中和，这两种物质就会以超过原子弹的程度猛烈爆炸。因此，如果果真的存在着由反物质构成的星系，那么，从我们这个星系扔去一块普通的石头，或者从那里飞来一块石头，在它们着陆时都会立即成为一颗原子弹。 有关反原子的奇想，到这里就算告一段落吧。现在我们来考虑另一类基本粒子。这种粒子也是颇不寻常的，而且在各类可进行观测的物理过程中都有它的份。它叫做“中微子”，是“走后门”进人物理学领域的；尽管各个方面都有人大喊大叫地反对它，它却在基本粒子家族中占据了一把牢固的交椅。它是如何被发现的，以及它是怎样被认识的，这是现代科学中最为令人振奋的故事之一。 中微子的存在是用数学家所谓“反证法”发现的。这个令人振奋的发现不是始于人们觉察到多了什么东西，而是由于人们发现少了某种东西。究竟少了什么呢? 答案是：少了一些能量。按照物理学最古老而最稳固的定律，能量既不能创造，也不能消灭。那么，如果本应存在的能量找不到了，这就表明，一定有个小偷或一群小偷把能量拐跑了。于是，一伙衷于秩序、喜欢起名字的科学侦探就给这些偷能贼起了个名字，叫做“中微子”，尽管他们还没有看到它们的影子哩! 这个故事叙述得有点太快了。现在还是回到这桩大“窃能案”上来。我们已经知道，每个原子的原子核约有一半核子带正电（质子），其余呈中性（中子）。如果给原子核增添一个或数个中子和质子。从而改变质子和中子间相对的数量平衡，就会发生电荷的调整。如果中子过多，就会有一些中子释放出负电子而变为质子；如果质子过多，就会有一些质子射出正电子而变为中子。这两个过程表示在图60中。这种原子核内的电荷调整叫做β衰变，放出的电子叫做β粒子。由于核子的转变是个确定的过程，就一定会释放出定量的能量，并由电子带出来。因此，我们预料，从同一物质放射出来的β粒子，都应该有相同的速度。然而，观测表明，β衰变的情况与这种观测直接相矛盾。事实上，我们发现释放出来的电子具有从零到某一上限的不同动能。既没有发现其他粒子，也没有其他辐射可以使能量达到平衡。这样一来，β衰变中的“窃能案”可就严重了。曾经有人竟一度认为，我们面临着著名的能量守恒定律不再成立的第一个实验证据，这对于整套物理理论的精巧建筑真是极大的灾难。不过，还有一种可能：也许丢失的能量是被某种我们的观测方法无法察觉的新粒子带走的。泡利(Wolfgang Pauli)提出一种理论。他假设这种偷窃能量的“巴格达窃贼”是不带电荷、质量不大于电子质量的微粒，叫做中微子。事实上，根据巳知的高速粒子与物质相互作用的事实，我们可以断定，这种不带电的轻粒子不能为现有的一切物理仪器所察觉，它可以不费吹灰之力地在任何物质中穿过极远的距离。对于可见光来说，只消薄薄一层金属膜即可把它完全挡住：穿透力很强的X光和γ射线在穿过几英寸厚的铅块后，强度也会显著减低；而一束中微子可以悠哉游哉地穿过几光年厚的铅!无怪乎用任何方法也观测不出中微子，只能靠它们所造成的能量赤字来发现它们! 中微子一旦离开原子核，就再也无法捕捉到它了。可是，我们有办法间接地观测到它离开原子核时所引起的效应。当你用步枪射击时，枪身会向后坐而顶撞你的肩膀；大炮在发射重型炮弹时，炮身也会向后坐。力学上的这种反冲效应也应该在原子核发射高速粒子时发生。事实上，我们确实发现，原子核在β衰变时，会在与电子运动相反的方向上获得一定的速度。但是事实证明，它有一个特点：无论电子射出的速度是高是低，原子核的反冲速度总是一样（图61）。这可就有点奇怪了，因为我们本来认为，一个快速的抛射体所产生的反冲会比慢速抛射体强烈。这个谜的解答在于，原子核在射出电子时，总是陪送一个中微子，以保持应有的能量平衡。如果电子速度大、带的能量多，中微子就慢一些、能量小一些，反之亦然。这样，原子核就会在两个微位的共同作用下，保持较大的反冲。如果这个效应还不足以证明中微子的存在，恐怕就没有什么能够证明它啦! 现在，让我们把前面讲过的内容总结一下，提出一个物质结构的基本粒子表，并指出它们之间的关系。 首先要列入的是物质的基本粒子一一核子。目前所知道的核子或者是中性的，或者是带正电的；但也可能有带负电的核子存在。 其次是电子。它们是自由电荷，或带正电，或带负电。 还有神秘的中微子。它不带电荷，大概是比电子轻得多的。 最后还有电磁波。它们在空间中传播电磁力。物理世界的所有这些基本成分是互相依赖，并以各种方式结合的。中子可变成质子并发射出负电子和中微子（中子一→质子+负电子+中微子）；质子又可发射出正电子和中微子而回复为中子（质子一→中子+正电子+中微子）。符号相反的两个电子可转变为电磁辐射（正电子+负电子一→辐射），也可反过来由辐射产生(辐射一→正电子+负电子)。最后，中微子可以与电子相结合，成为不稳定的粒子，在宇宙射线中出现。这种微粒称做介子（中微子+正电子一→正介子）；（中微子+负电子一→负介子）；（中微子+正电子+负电子一→中性介子）。也有人把介子称为“重电子”，但这种叫法不太恰当。 结合在一起的中微子和电子带有大量的内能，因此，结合体的质量比这两种粒子各自的质量之和大一百倍左右。 图62 是组成宇宙中各种物质的基本粒子的概图。 大家可能会问：“这一回到头了吗?!”“凭什么认为核子、电子和中微子真是基本粒子，不能再分成更小的微粒子呢?只不过在半个世纪以前，人们不还是认为原子是不可分的吗? 而今天的原子表现出多么复杂的结构啊!”对这个问题，我们得这样回答：现在确实无法预测物质结构科学的发展前景，不过我们有充足的理由可以相信，这些粒子的确就是物质的不可再分的基本单位。理由是：各种原来被认为是不可分的原子表现出彼此不同的、极为复杂的化学性质、光学性质和其它性质。而现代物理学中的基本粒子的性质是极为简单的，简单得可以与几何点的性质相比。还有，同古典物理学中为数不少的“不可分原子”相比，我们现在只有三种不同的实体：核子、电子和中微子。而且，无论我们如何希望，怎么把万物还原为最简单的形式，总不能把万物化成一无所有吧！所以，看来我们对物质组成的探讨已经刨到根，摸到底了。 2. 原子的心脏 我们既然对构成物质的基本粒子的本性和性质已有全面的了解，现在就可以再来仔细研究一下原子的心脏――原子核。原子的外层结构在某种程度上可比作一个缩小的行星系统，但原子核本身却全然是另一种情景了。首先有一点是很清楚的：使原子核本身保持为一个整体的力不可能是静电力，因为原子核内有一半粒子（中子）不带电，另一半（质子）带正电，因而会互相排斥。如果一群粒子间只存在斥力，怎么能存在稳定的粒子群呢! 因此，为了理解原子核的各个组成部分保持在一起的原因，必须设想它们之间存在着另一种力，它是一种吸引力，既作用在不带电的粒子之间，也作用在带电的粒子之间，与粒子本身的种类无关。这种使它们聚集在一起的力通常被称为“内聚力”。这种力在其他地方也能遇到，例如在一般液体中就存在内聚力，这种力阻止各个分子向四面八方分散。 在原子核内部，各个核子间就存在这种内聚力。这样，原子核本身非但不致在质子间静电斥力的作用下分裂开来，而且这许多核子还能象罐头盒里的沙丁鱼一样紧紧挨在一起，相比之下，处于原子核外各原子壳层上的电子却有足够的空间进行运动。作者本人最先提出这样一种看法：可以认为原子核内物质的结构方式是与普通液体相类似的。原子核也象一般液体一样有表面张力。大家想必还记得，表面张力这一重要现象在液体中是这样产生的：位于内部的粒子被相邻的粒子向各个方向以相等的力拉牵，而位于表面的粒子只受到指向液体内部的拉力（图 63）。 这种张力使不受外力作用的一切液滴具有保持球形的倾向，因为在体积相同的一切几何形体当中，球体的表面积最小。因此，可以得出结论说，不同元素的原子核可以简单地看作由同一类“核液体”组成的大小不同的液滴。不过可不要忘记，虽然定性地说，这种核液体与一般液体很相象，但定量地说，两者却大不相同，因为核液体的密度比水的密度大240,000,000,000,000倍，表面张力也比水大1,000,000,000,000, 000,000倍。为了便于理解，可用下面的例子说明。如果有一个用金属丝弯成的倒U字形框架，大小约二英寸见方，下边横搭一根直丝，如图64画出的样子。现在给框内充入一层肥皂膜，这层膜的表面张为会把横丝向上拉。在丝下悬一小重物，可以把这个张力平衡掉。如果这层膜是普通的肥皂水，它的厚度为0.01毫米时自重1/4克，能支持3/4克的重物。 假如我们有办法制成一层核液体薄膜，并把它张在这付框架上，这层膜的重量就会有五千万吨（相当于一千艘海轮），横丝上则能悬挂一万亿吨的东西，这相当于火星的第二颗卫星“火卫二”的重量！要在核液体里吹出这样一个泡来，得有多强壮的肺脏才行啊！ 在把原子核看成小液滴时，一定不要忽略它们是带电的这一要点，因为有一半核子是质子。因此，核内存在着相反的两种力：一种是把各个核子约束在一起的表面张力，一种是核内各带电部分间倾向于把原子核分成好几块的斥力。这就是原子核不稳定的首要原因。如果表面张力占优势，原子核就不会自行分裂，而两个这样的原子核在互相接触时，就会象普通的两滴液体那样具有聚合在一起的趋势。 与此相反，如果排斥的电力抢了上风，原子核就会有自行分裂为两块或多块高速飞离的碎块的趋势。这种分裂过程通常称为“裂变”。 玻尔和威勒(John Archilbald wheeler )在 1939 年对不同原子核的表面张力和静电斥力的平衡问题进行了精密的计算，他们得出一个极重要的结论说，元素周期表中前一半元素（到银为止）是表面张力占优势，而重元素则是斥力居上风。因此，所有比银重的元素在原则上都是不稳定的，当受到来自外部的足够强烈的轰击时，就会裂开为两块或多块，并释放出相当多的内部核能(图65b) 。与此相反，当总重量不超过银原子的两个轻原子核相接近时，就有自行发生聚变的希望（图65a）。不过我们要记住,两个轻原子核的聚变也好，一个重原子核的裂变也好，除非我们施加影响，一般是不会发生的。事实上，要使轻原子核发生聚变，我们就得克服两个原子核之间的静电斥力，才能使它们靠近；而要强令一个重原子核进行裂变就必须强烈地轰击它，使它进行大幅度的振动。 这一类必须有起始的激发才能导致某一物理过程的状态，在科学上叫做亚稳态。立在悬崖顶上的岩石、一盒火柴、炸弹里的TNT火药，都是物质处于亚稳态的例子。在这每一个例子中，都有大量的能量在等待得到释放。但是不踢岩石，岩石不会滚下；不划或不加热火柴，火柴不会燃着；不用雷管给TNT引爆，炸药不会爆炸。在我们生活的这个世界上，除了银块外都是潜在的核爆炸物质。但是，我们并没有被炸得粉身碎骨，就是因为核反应的发生是极端困难的，说得更科学一点，是因为需要用极大的激发能才能使原子核发生变化。 在核能的领域内，我们所处的地位（更确切地说，是不久前所处的地位）很象这样一个爱斯基摩人。这个爱斯基摩人生活在零度以下的环境中，接触到的唯一固体是冰，唯一液体是酒精。这样，他不会知道火为何物，因为用两块冰进行摩擦是不能生出火来的；他也只把酒精看成令人愉快的饮料，因为他无法把它升温到燃点。 现在，当人类由最近的发明，得知原子内部蕴藏着极大的能量可供释放时，他们的惊讶多么象这个不知火为何物的爱斯基摩人第一次看到酒精灯时的心情啊! 一旦克服了使核反应开始进行的困难，所引起的一切麻烦就都大大地得到补偿了。例如，数量相等的氧原子和碳原子在按照 O+C一→CO+能量 这个化学方程化合时，每一克混合好的氧和碳会放出92 卡热量。如果把这种化学结合( 分子的聚合，图66a)换成原子核的聚合（图66b）即 6C+80=14Si+能量, 这时，每克混合物放出的能量达到149000,000,000卡之多，比前者大一千五百万倍。 同样，一克复杂的TNT 分子在分解成水分子、一氧化碳分子、二氧化碳分子和氮气( 分子裂变)时，约释放1,000卡热 量；而同样重量的物质，如水银，在核裂变时会释放10,000,000,000 卡热量。 但是，千万别忘了，化学反应在几百度的温度下就很容易进行，而相应的核转变却在往在达到几百万度时还未引发哩! 正是这种引发核反应的困难，说明了整个宇宙眼下还不会有在一声巨爆中变成一大块纯银的危险，因此大家尽管放心好了。 3. 轰击原子 原子量的整数值为原子核构造的复杂性提供了有力的论据，不过这种复杂性只有用能够把原子核破裂成两块或更多几块的直接实验，才能最后加以证实。 第一次表明有可能使原子碎裂的迹象，是五十年前（1896 年）法国科学家贝克勒耳（Edmond Alexandr Becquerel）所发现的放射性。事实表明，位于周期表尽头的元素，如铀和钍，能自行发出穿透性很强的辐射（与一般X射线相似）的原因，在于这些原子在进行缓慢的自发衰变。人们对这个发现做了精细的研究，很快得出这样的结论：重原子在衰变中自行分裂成两个大不相同的部分：（1）叫做α粒子的小块， 它是氦的原子核；（2）原有原子核的剩余部分，它又是子元素的原子核。当铀原子核碎裂时，放出α粒子，产生的子元素称为铀X1，它的内部经历重新调整电荷的过程后，放出两个自由的负电荷（普通电子），变为比原来的铀原子轻四个单位的铀同位素。紧接着又是一系列的α粒子发射和电荷调整，直到变为稳定的铅原子，才不再进行衰变。 这种交替发射α粒子和电子的嬗变可发生在另外两族放射性物质上，它们是以重元素钍为首的钍系和以锕开始的锕系。这三族元素都进行一系列衰变，最后成为三种铅同位素。 我们在上一节讲过，元素周期在中后一半元素的原子核是不稳定的，因为在它们原子核内倾向于分离的静电力超过了把核约束在一起的表面张力。细心的读者把这一条和自发放射衰变的情况对比一下，就会觉得诧异：既然所有比银重的元素都是不稳定的，为什么只在最重的几种元素（如铀、镭、钍）上才观察到自发衰变呢？这是因为虽然所有比银重的元素在理论上都可以看作是放射性元素，并且它们也确实都在 渐渐地衰变成轻元素，不过在大多数情况下，自发衰变进行得非常绥慢，以致无法发现这种过程。一些大家熟悉的元素，如碘、金、水银、铅等等，它们的原子在一个世纪中说不定只分裂一两个。这可太慢了，用任何灵敏的物理仪器都无法记录下来。只有最重的元素，由于它们自发分裂的趋势很强，才能产生能够观测出的放射性来1)。这种相对的嬗变率还决定了不稳定原子核的分裂方式。例如，铀的原子核就可能以几种方式裂开：或者是分裂成两块相等的部分，或者是三块相等的部分，或者是许多块大小不等的部分。不过，最容易发生的是分成一个α粒子和一个剩余的子核。根据观察，铀原子核自行裂成两块相等部分的机会要比放射出一个α粒子的机会低数百万倍。所以，在一克铀中，每一秒内部有上万个原子核进行放射α粒子的分裂，而要观测到一次分成两块相等部分的裂变，却要等上几分钟呢! 放射现象的发现，不容置疑地证明了原子核结构的复杂性，也打开了人工产生（或激发）核嬗变的道路。它使我们想到，如果重元素，特别是那些不稳定的重元素能够自行衰变，那么，我们能否用足够强有力的高速粒子去轰击那些稳定的原子核，使它们发生分裂呢? 卢瑟福就抱着这样的想法，决定让各种通常是稳定的元素遭受不稳定放射性元素在分裂时放出的核碎块(α粒子)的轰击。他在1919年为此项实验首次采用的仪器（图 67），与当今某几个物理实验室中轰击原子的巨大仪器相比，真是简单到了极点。它包括一个圆筒形真空容器，一端有一扇窗，上面涂有一薄层荧光物质当作屏幕。α粒子轰击源是沉积在金属片上的一薄层放射性物质。待轰击的靶子（这个实验用的是铝）做成箔状，放在离轰击源一段距离之处。铝箔靶被安放得恰好能使所有入射α粒子都会嵌在上面。因此，如果轰击没有导致靶子产生次级核碎块的话，荧光屏是不会发亮的。 把一切装置安装就绪之后，卢瑟福就借助于显微镜观察屏幕。他看到屏上绝不是一片黑暗，整个屏幕上都闪烁着万万千千的跳动亮点！每个亮点都是质子撞在屏上所产生的，而每个质子又是入射α粒子从靶子上的铝原子里撞出的“一块碎片”。因此，元素的人工嬗变就从理论上的可能性变成了科学上的既成事实。1） 在卢瑟福做了这个经典实验之后的几十年内，元素的人工嬗变已发展成为物理学中最大和最重要的分支之一，无论是在产生供轰击用的高速粒子的方法上，还是在对结果的观测上，都取得了极大进展。 在观测粒子撞击原子核所发生的情况时，最理想的仪器是一种能够直接用眼睛观看的云室（因为它是威尔逊发明的，又称威尔逊云室）图68是云室简图。它的工作原理基于这样一个事实：高速运动的带电粒子，在穿过空气或其他气体时，会使沿路的气体原子发生一定程度的变形。它们在粒子的强电场作用下，会失去一个或数个电子而成为离子。这种状态不会长久持续下去。粒子一过，离子很快又重新俘获电子而恢复原状。不过，如果在这种发生了电离的气体中含有饱和的水蒸汽，它们就会以离子为核心形成微小的水滴一一这是水蒸汽的性质，它能附着在离子、灰尘等东西上一一结果沿粒子的路径会出现一道细细的雾珠。换句话说，任何带电粒子在气体中运动的径迹就变成了可见的，如同一架拖着尾烟的飞机。 从制作工艺来看，云室是件简单的仪器，它主要包括一个金属圆筒（A），筒上盖有一块玻璃盖子（B），内装一个可上下移动的活塞（C）（移动部件图中未画出）。玻璃盖子和活塞工作面之间充有空气(或视具体需要改充其他气体)和一定量的水蒸汽。当一些粒子从窗口（E）进入云室时，让活塞骤然下降，活塞上部的气体就会冷却，水蒸汽则会形成细微的水珠，沿粒子径迹凝结成一缕雾丝。由于受到从边窗（D）射入的强光照射，以及活塞面黑色背景的衬托，雾迹清晰可见，并可用与活塞连动的照相机（F）自动拍摄下来。这架简单的装置，能使我们获得有关核轰击的极完美的照片，因此，它已成为现代物理学中最有用的仪器之一。 自然，我们也希望能设计出一种在强电场中加速各种带电粒子（离子）、以形成强大粒子束的方法。这样不但能省去稀少而昂贵的放射性物质，还能增加其他类型的粒子（如质子），时，同粒子的能量也比一般放射性衰变中所放出的粒子大。在各种产生强大高速粒子束的仪器中，最重要的有静电发生器、回旋加速器和直线加速器。图69,70和71分别简述了它们的作用原理。 图70 迥旋加速器的原理。迥旋加速器主要包括两个放在强磁场中的半圆形金属盒（磁场方向和纸面垂直） 。两个盒与变压器的两端分别相连，因此，它们交替带有正电和负电。从中央的离子源射出的离子在磁场中沿半圆形路径前进，并在从一个盒体进入另一个盒体的中途受到加速。离子越走越迅速，描绘出一条向外扩展的螺线，最后以极高的速度冲出 图71 直线加速器原理 这套装置包指长度逐渐增大的一套圆筒，它们由变压器交替充以正电和负电。离子在从一个圆筒进入另一个圆筒的途中被这相邻两筒间的电势差加速， 因此能量逐渐增大。由于速度同能量的平方根成正比，所以，如果把筒长按整数的平方根的比例设计，离子就会保持与交变电场同相。把这套装置设计得足够长，就能把离子加速到任意大的速度 使用上述加速器产生的各种强大的粒子束，并引导它们去轰击用各种物质作成的靶子，可以产生一系列核嬗变，并用云室拍摄下来，这样，研究起来很方便。后面的图版III、IV 就是几张核嬗变的照片。 剑桥大学的布莱克特（Patrick Maynard Stuart Blackett）拍摄了若干张这种照片。他拍摄的是一束衰变中产生的α粒子通过充氮的云室。首先可以看出，所有的径迹都有确定的长度，这是因为粒子在飞过气体时，逐渐失去自己的动能，最后归于静止。粒子径迹的长度有两种，这是因为有两种不同能量的α粒子（粒子源是钍的两种同位素ThC 和ThC’的混合物）。大家还能注意到，α粒子的径迹基本上是笔直的，只是在尾部、即粒子快要失去全部初始能量时，才容易由氮原子的非正面碰撞造成明显的偏拆。但是，在这张星状的α粒子图中，有一道径迹很特殊，它有一个特殊的分叉，分叉的一支细而长，一支粗而短。这表明它是α粒子和氮原子面对面碰撞的结果。细而长的径迹是被撞出的质子，粗而短的则是被撞到一旁的氮原子。因为看不到其他径迹，这就说明，肇事的α粒子已经附在氮原子核上一起运动了。 在后面图版IIIB上，我们能看到人工加速的质子与棚核碰撞的效应。高速质子束从加速器出口(照片中央的黑影)射到外面的硼片上，从而使原子核的碎块沿各个方向穿过空气飞去。从照片上可看到一个有趣之处，就但碎块的径迹是以三个为一组（照片上可看到两组，其中一组还以箭头标出），这是由于硼原子被质子击中时，会裂成三块相等的部分。 另一张照片III A 摄下的是高速氘核(由一个质子和据称一个中子形成的重氢原子核)和靶上的另一个氘核相碰撞的情景。 照片中，较长的径迹属于质子(氕核)， 较短的则属于三倍重的氢核(也称氚核)。 中子和质子一样，是构成各种原子核的主要成分。如果没有中子参与反应的云室照片，那是很不完全的。 但是，不要指望在云室中看到中子的径迹，因为中子是不带电的，所以，这匹原子物理学中的“黑马”在行进途中不会造成电离。不过，当你看到从猎人枪口冒出一股轻烟，又看到从天上栽下一只鸭子，你就晓得有一颗子弹飞出过，尽管你看不到它。同样，在你观看图版IIIC这一云窒照片时，你看到一个氮原子分裂成氦核（向下的一支）和硼核（向上的一支），就一定会意识到这个氮核一定是被一个看不见的粒子从左面狠狠地撞了一下。事实正是如此，我们在云室左边的壁上放置了镭和铍的混合物，这正是快中子源。 只要把中子源和氮原子分裂的地点这两个点连接起来，就是表示中子运动路径的直线了。 图版IV是铀核的裂变照片，它是包基尔德（Boggild）、勃劳斯特劳姆（Brostrom）和娄瑞参（Lauritsen）拍摄的。从一张敷有一层铀的铝箔上，沿相反方向飞出两块裂变产物。当然，在这张照片上是显示不出引发这次裂变的中子和裂变所产生的中子的。 使用加速粒子轰击原子核的方法，我们可以得到无穷无尽的各种核嬗变，不过现在我们应该转到更重要的问题上来，即看着这种轰击的效率如何。要知道，图版III和IV 所示的只是单个原子分裂的情况。如果要把一克硼完全转变为氦，就要把所有55,000,000,000,000,000,000,000个硼原子都击碎。目前最强大的加速器每秒钟能产生1.0000000,000,000,000 个粒子。即使每个粒子都击碎一个硼核，那也得把这台加速器开动55百万秒，也就是差不多两年才行。 然而，实际上的效率要比这低得多。通常在几千个高速粒子当中，只能指望有一个命中靶上的原子核而造成裂变。这个极低的效率是由于原子核外的电子能够减慢入射带电粒子的通过速度的缘故。电子壳层受轰击的截面积要比原子核受轰击的截面积大得多，我们又显然不能把每个粒子都瞄准原子核，因此，粒子要在穿过许多原子的电子壳层后，才有直接命中某一个原子核的机会。图72 说明了这种局面。在图上，原子核用黑色小圈点表示，电子壳层用阴影线表示。原子与原子核的直径之比约为10,000:1，因此它们受轰击面积的比值为 100,000,000:1。我们还知道，带电粒子在穿过一个原子的电子壳层后，能量要减少万分之一左右。这样，它在穿过一万个电子壳层后就会停下来。由这些数据不难看出，在一万个粒子中，只有一个有可能在能量消耗光之前撞到某个原子核上。考虑到带电粒子给靶子上的原子以摧垮性打击的效率是如此之低，要使一克硼完全嬗变，恐怕至少也得把一台最先进的加速器开动两万年! 4. 核子学 往往有这么一些词，看起来似乎不那么恰当，但却颇有实用价值。“核子学”就是这样的一个。因此，我们不妨采用这个词。正如“电子学”讲的是自由电子束的广泛实际应用一样 ,“核子学”也应理解成对核能量的大规模释放进行实际应用的科学。上一节中我们已经看到，各种化学元素(除去银以外)的原子核内部蕴藏着巨大的内能；对轻元素来讲，内能可在聚变时放出；对重元素来讲，则在裂变时放出。我们又看到，用人工加速的粒子轰击原子核这个方法，尽管在研究核嬗变的理论上极为重要，但由于效率极低，派不上实际用场。 不过，这种低效率主要是由于α粒子和质子是带电粒子，它们在穿过原子时会失去能量，又不易逼近被轰击的靶原子核。我们当然会想到，如果用不带电的中子来轰击，大概会好一些。然而，这还是不好办!因为中子可以轻而易举地进入原子核内，它们在自然界中就不以自由状态存在；即使凭借人工方法，用一个入射粒子从某个原子核里“踢”出一个中子来(如铍靶在α粒子轰击下产生中子)，它也会很快地又被其他原子核重新俘获。 这样，要想产生强大的中子束，就得从某种元素的原子核里把中子一个一个地踢出来。这样做，岂不是又回到低效率的带电粒子这一条老路上去了吗! 然而，有一个跳出这种思性循环的方法：如果能用中子踢出中子，而且踢出不止一个，中子就会象兔子繁衍(参见图 97), 或者象细菌繁殖一样地增加起来。不久，由一个中子所产生的后代就会多到足以向一大块物质中的每一个原子核进攻的程度。 自从人们发现了这样一种使中子增长的核反应后，核物理学就空前繁荣起来，并从作为研究物质最隐秘性质的纯科学这座清静的象牙塔中走了出来，投进了报纸标题、狂热政论和发展军事工程的旋涡。凡是看报纸的人，没有不知道铀核裂变可以放出核能一一通常称为原子能一一这种能量的。铀的裂变是哈恩 (Otto Hahn)和斯特拉斯曼(Fritz Strassman) 在1938年末发现的。但是，不要认为由裂变生成的两个大小差不多相等的重核本身能使核反应进行下去。事实上，这两部分核块都带有许多电荷(各带铀核原电荷的一半左右)，因此不可能接近其他原子核；它们将在邻近原子的电子层作用下迅速失去自己的能量而归于静止，并不能引起下一步裂变。 铀的裂变之所以能一跃成为极重要的过程，是由于人们发现了铀核碎片在速度减慢后会放出中子，从而使核反应能自行维持下去(图 73)。 裂变的这种特殊的缓发效应的发生原因，在于重原子核在裂开时会象断裂成两节的弹簧一样处于剧烈的振动状态中。这种振动不足以导致二次裂变(即碎片再一次双分)，却完全有可能抛出几个基本粒子来。要注意：我们所说的每个碎块放射出一个中子，这只是个平均数字；有的碎块能产生两个或三个中子，有的则一个也不产生。当然，裂变时碎块所能产生的中子数有赖于振动强度，而这个强度又取决于裂变时释放的总能量。我们知道，这个能量的大小是随原子核重量的增大而增加的。因此，我们可以预料到，裂变所产生的中子数随周期表中原子序数的增大而增多。例如，金核裂变(由于所需的激发能太高，至今尚未实验成功)所产生的中子数，大概会少于每块一个，铀则为每块一个（即每次裂变产生两个），更重的元素（如钚），应多于每块一个。 如果有一百个中子进入某种物质，为了能够满足中子的连续增殖，这一百个中子显然应产生出多于一百个中子。至于能否达到这一状况，要看中子使这种原子核裂变的效率有多大，也要看一个中子在造成一次裂变时所产生的新中子有多少。应该记住，尽管中子比带电粒子有高得多的轰击效率，但也不会达到百分之百。事实上，总有一些高速中子在和某个原子相撞时，只交给它一部分动能，然后带着剩杂的动能跑 掉。这一来，粒子的功能将分散消花在几个原子核上，而没有一个发生裂变。 根据原子核结构理论，可以归结出这样一点：中子的裂变率随裂变物质原子量的递增而提高，对于周期表末尾的元素，裂变率接近百分之百。 现在，我们给出两个中子数的例子，一个是有利于中子增多的，一个是不利的：（A）快中子对某元素的裂变率为35%，裂变产生的平均中子数为 1.6。这时，如果有100 个中子，就能引起35次裂变，产生35 ×1.6=56个第二代中子。显然，中子数目会逐代下降，每一代都减少将近一半。（B）另一种较重元素，裂变率升至65%，裂变产生的平均中子数为2.2。此时，如有100个中子，就会导致65次裂变，放出的中子总数为65×2.2=143个。每产生新的一代，中子数就增加约50%，不用多久，就会产生出足以轰击核样品中每一个原子核的中子来。这种反应，我们称为分支链式反应；能产生这种反应的物质，我们叫做裂变物质。 对于发生渐进性分支链式反应的必要条件作细心的实验观测和深入的理论研究以后，可得出结论说，在天然元素中，只有一种原子核可能发生这种反应。这就是铀的轻同位素铀235。 但是，铀235在自然界中并不单独存在，它总是和大量较重的非裂变同位素铀238混在一起（铀235占 0.7%,铀 238占99.3%），这就会象湿木柴中的水分妨碍木柴的燃烧一样影响到铀的分支链式反应。不过，正因为有这种不活泼的同位素与铀235掺杂在一起，才使得这种高裂变性的铀235至今仍然存在，否则，它们早就会由于链式反应而迅速毁掉了。因此，如果打算利用铀235的能量，那么，就得先把铀235 和铀238 分离开来，或者是研究出不让较重的铀238捣蛋的办法。这两类方法都是释放原子能这个课题的研究对象，并且都得到了成功的解决。由于本书不打算过多地涉及这类技术性问题，所以我们只在这里简单地讲一讲。 要直接分离铀的两种同位素是个相当困难的技术问题。它们的化学性质完全相同，因此，一般的化工方法是无能为力的。这两种原子只在质量上稍有不同一一两者相差1.3%，这就为我们提供了靠原子质量的不同来解决问题的扩散法、离心法、电磁场偏转法等。图75a和b示出了两种主要分离方法的原理图，并附有简短说明。 所有这些方法都有一个缺点：由于这两种同位素的质量相差甚小，因而分离过程不能一步完成，需要多次反复进行，才能使轻的同位素一步步富集。这样，经过相当多次重复后，可得到很纯的铀235产品。 更聪明的方法是使用所谓减速剂，人为地减小天然铀中重同位素的影响，从而使链式反应能够进行。在了解这个方法之前，我们先得知道，铀的重同位素对链式反应的破坏作用，在于它吸收了铀235裂变时产生的大部分中子，从而破坏了链式反应的进行。因此，如果我们能设法使中子在碰到铀235的原子核之前不致被铀238原子核所俘获，裂变就能继续进行下去，问题也就解决了。不过，铀238比铀235 约多140倍，不让铀238得到大部分中子，岂不是想入非非! 然而，在这个问题上，另一件事实帮了忙。这就是铀的两种同位素“俘获中子的能力”随中子运动速度的不同而不同。对于裂变时所产生的快中子，两者的俘获能力相同，因此，每有一个中子轰击到铀235的原子核，就有一百四十个中子被铀238所俘获。对于中等速度的中子来说，铀238的俘获能力甚至比铀235 还要强。不过，重要的一点是：当中子速度很低时，铀235能比铀238俘获到多得多的中子。因此，如果我们能使裂变产生的高速中子在与下一个铀(238或235)原子核相遇之前，先大大减速，那么，铀235的数量虽少，却会比铀238有更多的机会来俘获中子。 我们把天然铀的小颗粒，掺在某种能使中子减速而本身又不会俘获大量中子的物质(减速剂)里面，就可得到减速装置。最好的减速剂是重水、碳、铍盐。从图76可以看出，这样一个散布在减速剂中的铀颗粒“堆”是如何工作的。 我们说过，铀的轻同位素铀235（只占天然铀的0.7%）是唯一能维持逐步发展的链式反应、并放出巨大核能的天然裂变物质。但这并不等于说，我们不能人工制造出性质与铀235相同、而在自然界中并不存在的元素来。事实上，利用裂变物质在链式反应中所产生的大量中子，我们可以把原来不能发生裂变的原子核变为可以裂变的原子核。 第一个这种例子，就是上述由铀和减速剂混合成的反应堆。我们已经看到，在使用减速剂以后，铀238 俘获中子的能力会减小到足以让铀235进行链式反应的程度。然而，还是会有一些铀238的原子核俘获到中子。这一来又会发生什么情形呢? 铀238的核在俘获一个中子后，当然就马上变成更重的同位素铀239。不过，这个新生子核的寿命不长，它会相继放出两个电子，变成原子序数为94的新元素的原子。这种人造新元素叫做钚(Pu－239)，它比铀23 5还容易发生裂变。如果我们把铀238换成另一种天然放射性元素钍(Th-232)，它在俘获中子和释放两个电子后，就变成另一种人造裂变元素铀233。 因此，从天然裂变元素铀235开始，进行循环反应，理论上和实际上都可能将全部天然铀和钍变成裂变物质，成为富集的核能源。 最后，让我们大致计算一下，可供人类用于和平发展或自我毁灭的战争中的总能量有多少。计算表明，所有天然铀矿中的铀235所蕴藏的核能，如果全部释放出来，可以供全世界的工业使用数年；如果考虑到铀238转变成钚的情况，时间就会加长到几个世纪。再考虑到蕴藏量四倍于铀的钍(转变为铀233)，至少就可用一、两千年。这足以使任何“原子能匮乏”论不能立足了。 而且，即使所有这些核能源都被用光，并且也不再发现新的铀矿和钍矿，后代人也还是能从普通岩石里获得核能。事实上，铀和钍也跟其他元素一样，都少量地存在于一切普通物质中。例如，每吨花岗岩中含铀4克，含钍12克。乍一看来，这未免太少了。但不妨往下算一算：一公斤裂变物质所蕴藏的核能相当于两万吨TNT炸药爆炸时或两万吨汽油燃烧时所放出的能量。因此，一吨花岗岩中的这16克铀和钍，就相当于320吨普通燃料。这就足以补偿复杂的分离步骤所会带来的一切麻烦了一一特别是在当我们面临富矿源趋于站竭的时候。 物理学家们在征服了铀、钍之类的重元素裂变时所释放的能量后，又盯上了与此相反的过程一一核聚变，即两个轻元素的原子聚合成一个重原子核，同时释放出大量能量的过程。在第十一章里，大家会看到，太阳的能量就来自因氢核进行猛烈的热碰撞而合成较重的氮核这种聚变反应。为了实现这种所谓热核反应，以供人类应用，最适用的聚变物质是重氢，即氘。氘在水里以少量存在。氘核含有一个质子和一个中子。当两个氘相撞时，会发生下面两个反应当中的一个： 为了实现这种变化，氘必须处于几亿度的高温下。 第一个实现核聚变的装置是氢弹，它用原子弹来引发氘的聚变。不过，更复杂的问题是如何实现可为和平目的提供大量能量的受控热核反应。要克服主要的困难一一约束极热的气体一一可利用强磁场使氘核不与容器壁接触（否则容器会熔化和蒸发!），并把它们约束在中心的热区内。 第八章 无序定律 l．热的无序 斟上一杯水，并且仔细观察它，这时，你看到的只是一杯清澈而均匀的液体，看不出有任何内部运动的迹象(当然，这是指不晃动玻璃杯而言)。但我们知道，水的这种均匀性只是一种表面现象。如果把水放大几百万倍，就会看出它具有明显的颗粒结构，是由大量紧紧地挨在一起的单个分子组成的。 在这样的放大倍数下，我们还可以清清楚楚地看到，水绝非处于静止状态。它的分子处在猛烈的骚动中，它们来回运动，互相推挤，恰似一个极度激动的人群。水分子或其他一切物质分子的这种无规运动叫做热运动，因为热现象就是这种运动的直接结果。尽管肉眼不能察觉到分子和分子的运动，但分子的运动能对人体器官的神经纤维产生一定刺激，从而使人产生热的感觉。对于比人小得多的生物，如悬浮在水滴中的细菌，这种热运动的效应就要显著得多了。这些可怜的细菌会被进行热运动的分子从四面八方无休止地推来搡去，得不到安宁(图77)。这种可笑的现象是大约一百年前被英国生物学家布朗(Robert Brown)在研究植物花粉时首次发现的，因此被称为布朗运动。这是一种普遍存在的运动，可在悬浮在任何一种液体中的任何一种物质微粒(只要足够细小)上观察到，也可以在空气中飘浮的烟雾和尘埃上观察到。 如果把液体加热，那么，悬浮小微粒的狂热舞蹈将变得更为奔放；如果液体冷却下来，舞步就会显著变慢。毫无疑问，我们所观察到的现象正是物质内部热运动的效应。因此，我们通常所说的温度不是别的，而正是分子运动激烈程度的量度。通过对布朗运动与温度的关系进行研究，人们发现在温度达到摄氏－273度，即华氏－459度时，物质的热运动就完全停止了。这时，一切分子都归于静止。这显然就是最低的温度。它被称为绝对零度。如果有人提起更低的温度，那显然是荒唐的。因为哪里会有比绝对静止更慢的运动呢? 一切物质的分子在接近绝对零度这个温度时，能量都是很小的。因此，分子之间的内聚力将把它们紧聚成固态的硬块。这些分子只能在凝结状态下作轻微的颤动。如果温度升高，这种颤动就会越来越强烈；到了一定程度，这些分子就可以获得一定程度的运动自由，从而能够滑动。这时，原先在凝结状态下所具有的硬度消失了，物质就变成了液体。物质的熔解温度取决于分子内聚力的强度。有些物质，如氢或空气(氮和氧的混合物)，它们分子间的内聚力很微弱，在很低的温度下就会被热运动所克服。氢要到14K(即－259℃)下才处于固体状态，氧和氮则分别在55K和64K(即－218℃和－209℃)时熔解。另一些物质的分子则有较强的内聚力，因此能在较高温度下保持固态。例如，酒精能保持固态到－114℃，固态水(即冰)在0℃时才融化。还有一些物质能在更高的温度下保持固态：铅在+327℃熔解，铁在+1535℃，而稀有金属锇能坚持到2700℃。物质在处于固态时，它们的分子是被紧紧束缚在一定的位置上，但绝不是不受热的影响。根据热运动的基本定律，处在相同温度下的一切物质，无论固体、液体还是气体，其单个分子所具有的能量是相同的；只不过对某些物质来说，这样大的能量已足以使它们的分子从固定位置上挣脱开来，而对另一些物质来说，分子只能在原振动，如同被短链子拴住的狂怒的狗一样。 固体分子的这种热颤动或热振动，在上一章所描述X光照片中可以很容易地观察到。我们确实知道，摄得一张晶格分子的照片需要一定时间，因此在这段曝光时间内，绝对不能允许分子离开自己的固定位置。来回颤动非但无助于拍照，反而会使照片模糊起来。这种模糊现象可从图版I那分子照片上看到。为了得到清晰的图象，必须尽可能把晶体冷却，这一般是把晶体浸到液态空气中来实现的。反过来，如果把被摄影的晶体加热，照片就会变得越来越模糊。当达到熔点时，由于分子脱离原来的位置，在熔解的液体里无规地运动起来，它的影象就会完全消失。 在固体熔化后，分子仍然会聚在一起。因为热冲击虽然已大得能把分子从晶格上拉下来，却还不足以使它们完全离开。然而，当温度进一步升高时，分子间的内聚力就再也不能把分子聚拢在一起了。这时，如果没有容器壁的阻挡，它们将沿各个方向四散飞开。这样一来，物质当然就处在气态了。液体的气化也和固体的熔化一样，不同的物质有不同的温度；内聚力弱的物质变成气体所需达到的温度要比内聚力强的物质低。气化温度还与液体所受压力的大小有重大关系，因为外界的压力显然是会帮内聚力的忙的。我们知道，正因为如此，封得很严实的一壶水，它的沸腾温度要比在敞开时高；另—方面，在大气压大为减低的高山顶上，水不到100℃就会沸腾。顺便提一下，测量水在某个位置上的沸腾温度，就可以计算出大气压强，也就可以知道这个位置的海拔高度。 但是，可不要学马克·吐温(Mark Twain)所说的那个例子啊！他在一篇故事里讲到，他曾把一支无液气压计放到煮豌豆汤的锅子里。这样做非但根本不能判断出任何高度，这锅汤的滋味还会被气压计上的铜氧化物弄坏。 一种物质的熔点越高，它的沸点也越高。液态氢在－253℃沸腾，液态氧和液态氮分别在－183℃和－196℃，酒精在+78℃，铅在+1620℃，铁在+3000℃，锇要到+5300℃)。 在固体那美妙的晶体结构被破坏以后，它的分子先是象一堆蛆虫一样爬来爬去，继而又象一群受惊的鸟一样飞散开，但这并不是说，热运动的破坏力已达到极限。如果温度再行升高，就会威胁到分子本身的存在，因为，这时候分子间的相互碰撞变得极为猛烈，有可能把分子撞开，成为单个原子。这种被称为热离解的过程取决于分子的强度；某些有机物质在几百度时就会变为单个原子或原子群，另一些分子可要坚牢得多，如水分子，它要到一千度以上才会崩溃。不过，当温度到几千度时，分子就不复存在了，整个世界就将是纯化学元素的气态混和物。 在太阳的表面上，情况就会是这样，因为这里的温度可达6000℃。而在比太阳“冷”一些的红巨星1）的大气层中，就能存在一些分子，这已经靠专门的分析方法得到了证实。 在高温下，猛烈的热碰撞不仅把分子分解成原子，还能把原子本身的外层电子去掉，这叫做热电离。如果达到几万度、几十万度、几百万度这样的极高温度——这样的温度超过了实验室中所能获得的最高温度，然而在包括太阳在内的恒星中却是屡见不鲜的——热电离就会越来越占优势。最后，原子也完全不能存在了，所有的电子层都统统被剥去，物质就只是一群光秃秃的原子核和自由电子的混合物。它们将在空间中狂奔猛撞。尽管原子个体遭到这样彻底的破坏，但只要原子核完好无缺，物质的基本化学特性就不会改变。一旦温度下降，原子核就会重新拉回自己的电子，完整的原子又形成了。 为了达到物质的彻底热裂解，使原子核分解为单独的核子(质子和中子)，温度至少要上升到几十亿度。这样高的温度，目前即使在最热的恒星内部也未发现。也许在几十亿年前，我们这个宇宙正当年轻时曾有过这种温度。这个令人感兴趣的问题，我们将在本书最后一章加以讨论。 这样，我们看到，热冲击的结果使得按量子力学定律构筑起来的精巧物质结构逐步被破坏，并把这座宏大建筑物变成乱糟糟的一群乱外瞎撞，看不出任何明显规律的粒子。 2．如何描述无序运动? 如果你认为，既然热运动是无规则的，所以就无法对它进行任何物理描述，那可就大错而特错了。对于完全不规则的热运动，有一类叫做无序定律、或者更经常被称做统计定律的新定律在起作用。为了理解这一点，让我们先来注意—下著名的“醉鬼走路”问题。假设在某个广场的某个灯柱上靠着一个醉鬼(天晓得他在什么时候和怎么跑到这儿来的)，他突然打算随便走动一下。让我们来观察他的行动吧。他开始走了，先朝一个方向走上几步，然后换个方向再迈上几步，如此这般，每走几步就随意折个方向(图80)。那么，这位仁兄在这样弯弯折折地走了一段路程，比如折了一百次以后，他离灯柱有多远呢?乍一看来，由于对每一次拐弯的情况都不能事先加以估计，这个问题似乎是无法解答的。然而，仔细考虑一下，就会发觉，尽管我们不能说出这个醉鬼在走完一定路程后肯定位于何处，但我们还是能答出他在走完了相当多的路程后距离灯柱的最可能的距离有多远。现在，我们就用严格的数学方法来解答这道题目。以广场上的灯柱为原点画两条坐标轴，X轴指向我们，Y轴指向右方。R表示醉鬼走过N个转折后(图80中N为14)与灯柱的距离。若Xn和Yn。分别表示醉鬼所走路径的第N个分段在相应两轴上的投影，由毕达哥拉斯定理显然可得出： R2＝(X1+X2+X3+……+Xn)^2+(Yl+Y2+Y3+……+Yn)^2 这里的X和Y既有正数，又有负数，视这位醉鬼在各段具体路程中是离开还是接近灯柱而定。应该注意，既然他的运动是完全无序的，因此在x和y的取值中，正数和负数的个数应该差不多相等。我们现在按照代数学的基本规则展开上式中的括号，即把括号中的每一项都与自己这一括号中的所有各项(包括自己在内)相乘。这样， (X1+X2+X3+… …+Xn)^2=(X1+X2+X3+……+Xn)(X1+X2+X3+……+Xn)=X1^2+X1X2+XlX3+……+ X2^2+X1X2+……+Xn^2 这一长串数字包括了X的所有平方项(X1^2,X2^2,……，Xn^2)和所谓“混和积”，如X1X2，X2X3，等等。 到目前为止，我们所用到的只不过是简单的数学。现在要用到统计学观点了。由于醉鬼走路是无规则的，他朝灯柱走和背着灯柱走的可能性相等，因此在X的各个取值中，正负会各占—半。这样，在那些“混和积”里，总是可以找出数值相等、符号相反的一对对可以互相抵消的数对来；N的数越大，这种抵消就越彻底。只有那些平方项永远是正数，因而能够保留下来。这样，总的结果就变成 X1^2+X2^2+……+Xn^2＝NX^2， X在这里表示各段路程在X轴上投影长度的平均值。 同理，第二个括号也能化成NY^2，Y是段路程在Y轴投影长度的平均值。这里还得再说一遍，我们所进行的并不是严格的数学运算，而是利用了统计规律，即考虑到由于运动的任意性所产生的可抵消的“混和积”。现在，我们得到醉汉离开灯柱的可能距离为 R^2=N(X^2+Y^2) 或 R=Sqrt(N) Sqrt(X^2+Y^2) 但是各路程的平均投影在两根轴上都是45°，所以 Sqrt(X^2+Y^2) 就等于平均路程长度(还是由毕达哥拉斯定理证得)。用1来表示这个平均路程长度时，可得到 R=1 Sqrt(N) 通俗的语言来说，这就是：醉鬼在走了许多段不规则的弯折路程后，距灯柱的最可能距离为各段路径的平均长度乘以径段数的平方根。 因此，如果这个醉鬼每走一码就(以随意角度)拐一个弯，那么，在他走了一百码的长路后，他距灯柱的距离一般只有十码；如果笔直地走呢，就能走一百码——这表明，走路时有清醒的头脑肯定会占很大便宜的。 从上面这个例子可以看出统计规律的本质：我们给出的不是每一种场合下的精确距离，而是最可能的距离。如果有一个醉鬼偏偏能够笔直走路不拐弯(尽管这种醉鬼是太罕见了)，他就会沿直线离开灯柱。要是有另一个醉鬼每次都转180°的弯，他就会离开灯柱又折回去。但是，如果有一大群醉鬼都从同一根灯柱开始互不干扰地走自己的弯弯路，那么，过一段足够长的时间后，你将发现他们会按上述规律分布在灯柱四周的广场上。 图81画出了六个醉汉无规则走动时的分布情况、不消说，醉汉越多、不规则弯折的次数越多，上述规律也就越精确。 现在，把一群醉鬼换成一批很小的物体，如悬浮在液体中的植物花粉或细菌，你就会看到生物学家布朗在显微镜下看到的那种现象。当然，花粉和细菌是不喝酒的，但我们曾说过，它们被卷入了周围分子的热运动，被它们不停地踢向各个方向，因此被迫走出弯弯曲曲的路，恰像那因酒精作怪而失去了方向概念的人一样。 在用显微镜观看悬浮在一滴水中的许多小微粒的布朗运动时，你可以集中精力观察在某个时刻位于同一小区域内(靠近“灯柱”)的一批微粒。你会发现，随着时间的推移，它们会逐渐分散到视场中的各个地方，而且它们与原来位置的距离同时间的平方根成正比，正如我们在推导醉鬼公式时所得到的数学公式一样。 这条定律当然也适用于水滴中的每—个分子。但是，人们是看不见单个分子的，即使看见了，也无法将它们互相区别开。因此，我们得采用两种不同的分子，凭借它们的不同（如颜色)而看出它们的运动来。现在，我们拿一个试管，注入一半呈漂亮紫色的高锰酸钾水溶液，再小心地注入一些清水，同时注意不要把这两层液体搞混。观察这个试管，我们就会看到，紫色将渐渐进入清水中去。如果观察足够长的时间，全部液体就会从底部到顶部都变成颜色均匀的统一体。这种大家所熟知的现象叫做扩散，它是高锰酸钾染料的分子在水中的无规则热运动所引起的。我们应该把每个高锰酸钾分子想象成一个小醉鬼，被周围的分子不停地冲来撞去。水的分子彼此挨得很近(与气体分子相比)，因此，两次连续碰撞间的平均自由程很短，大约只有亿分之一英寸。另一方面，分子在室温下的速度大约为每秒十分之一英里，因此，一个分子每一万亿分之一秒就会发生一次碰撞。这样，每经过一秒钟，一个单个染料分子发生碰撞并折换方向的次数达上万亿次，它在一秒钟内走出的距离就是亿分之一英寸(平均自由程)乘以一万亿的平方根，即每秒钟走出百分之一英寸。这就是扩散的速度。考虑到在没有碰撞时分子在一秒钟后就会跑到十分之一英里以外的地方去，可见，这种扩散速度是很慢的。要等上一百秒钟，分子才会挪到十倍( Sqrt(100)=10)远的地方；要经过10,000秒钟，也就是将近三个小时，颜色才会扩展一百倍(Sqrt(10000)=100 )，即一英寸远。瞧，扩散可是个相当慢的过程啊。所以，如果你往茶里放糖(欧美人喝茶有放糖的习惯)，还是要搅动搅动，不要干等糖分子自行运动到各处去。 我们再来看一个扩散的例子：热在火炉通条中的传导方式，这是分子物理学中最重要的过程之一。把一根铁通条的一端插入火中，根据经验可知，另一端要在相当长的时间之后才会变得烫手。你大概并不知道这热量是靠电子的扩散传递过来的。炉通条也好，其他各种金属也好，内部都有许多电子。这些电子和诸如玻璃之类的非金属中的电子不同，金属中那些位于外电子壳层的电子能够脱离原子，在金属晶格内游荡。它们会像气体中的微粒一样参与不规则热运动。 金属物质的外表面层是会对电子施加作用力、不让它们逃出的；但在金属内部，电子却几乎可以随意运动。如果给金属线加上一个电场作用力，这些不受约束的自由电子将沿着电场作用力的方向冲过去，形成电流；而非金属的电子则被束缚在原子上，不能自由运动，因此，非金属大都是良好的绝缘体。 当把金属棒的一端插入火中，这一部分金属中自由电子的热运动便大为加剧；于是，这些高速运动的电子就开始携带过多的热能向其他地区扩散。这个过程很象染料分子在水扩散的情况，只不过这里不是两种不同的微粒(水分子和染料分子)，而是热电子气扩散到冷电子气的区域中去。醉鬼走路的定律在这里也同样适用，热在金属棒中传递的距离与相应的时间的平方根成正比。 最后，再举—个与前二者截然不同而具有宇宙意义的重要扩散例子。在下一章中，我们将看到，太阳的能量是由它自己内部深处的元素在嬗变时产生的。这些能量以强辐射的形式释放出去。这些“光微粒”，或者说光量子、从太阳内部向表面运动。光的速度为每秒300000公里，太阳的半径为700000公里。所以，如果光量子走直线的话，只消两秒多钟就会从中心到达表面。但事实上绝非如此。光量子在向外行进时，要与太阳内部无数的原子和电子相撞。光量子在太阳内的自由程约为一厘米（比分子的自由程长多了！），太阳的半径是70，000，000，000厘米，这样，光量子就得象醉汉那样拐上（7×10＾10）＾2即5×10＾21个弯才能到达表面。这样，每一段路需要花1/（3×10＾10） 即3×10＾－11 秒，而整个旅程所用的时间即为3×10＾－11×5×10＾21＝1.5×10＾11 秒，也就是五千年上下！这一回，我们又一次看到扩散过程是何等缓慢。光从太阳中心走到表面要花五十个世纪，而从太阳表面穿越星际空间直线到达地球，却仅仅用八分钟就够了！天天读书网（www.book.d78i.com）整理
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