卢瑟福能理解这种感情。"科学要么是物理学，要么是集邮。"他有一回说。这句话后来反复被人引用。但是，具有某种讽刺意味的是，他1908年获得的是诺贝尔化学奖，不是物理学奖。 卢瑟福是个很幸运的人--很幸运是一位天才；但更幸运的是，他生活在一个物理学和化学如此激动人心而又如此势不两立的年代（且不说他自己的情感）。这两门学科再也不会像从前那样重合在一起了。 尽管他取得那么多成就，但他不是个特别聪明的人，实际上在数学方面还很差劲。在讲课过程中，他往往把自己的等式搞乱，不得不中途停下来，让学生自己去算出结果。据与他长期共事的同事、中子的发现者詹姆斯?查德威克说，他对实验也不是特别擅长。他只是有一股子韧劲儿，思想比较开放。他以精明和一点胆量代替了聪明。用一位传记作家的话来说，在他看来，他的脑子"总是不着边际，比大多数人走得远得多"。要是遇上一个难题，他愿意付出比大多数人更大的努力，花出更多的时间，而且更容易接受非正统的解释。由于他愿意坐在荧光屏前，花上许多极其乏味的时间来统计所谓α粒子的闪烁次数--这种工作通常分配给别人去做--所以他才有了最伟大的突破。他是最先的人之一--很可能就是最先的人--发现原子里所固有的能量一旦得到利用可以制造炸弹，其威力之大足以"使这个旧世界在烟雾中消失"。 就身体而言，他块儿很大，体格壮实，说话声音能把胆小的人吓一大跳。有一次，一位同事获悉卢瑟福就要向大西洋彼岸发表广播演说，便冷冷地问："干吗要用广播？"他还非常自信，心态不错。当有人对他说，他好像总是生活在浪尖上，他回答说："哎呀，这个浪头毕竟是我制造的，难道不是吗？"C.P.斯诺回忆说，有一次他在剑桥的一家裁缝店里偷听到卢瑟福在说："我的腰围日渐变粗，同时，知识日渐增加。" 但是，1895年他离开了卡文迪许实验室1。在遥远的将来，他的腰围会变得更粗，名声会变得更响。卢瑟福抵达剑桥大学的那一年，威廉?伦琴在德国的维尔茨堡大学发现了X射线；次年，亨利?贝克勒尔发现了放射现象。卡文迪许实验室本身就要踏上一条漫长的辉煌之路。1897年，J.J.汤普森和他的同事将在那里发现电子；1911年，C.T.R.威尔逊将在那里制造出第一台粒子探测器（我们将会谈到）；1932年，詹姆斯?查德威克将在那里发现中子。在更远的将来，1953年，詹姆斯?沃森和弗朗西斯?克里克将在卡文迪许实验室发现DNA结构。第九章 威力巨大的原子(3) 开头，卢瑟福研究无线电波，取得了一点成绩--他成功地把一个清脆的信号发送到了1公里之外，这在当时是一个相当可以的成就--但是，他放弃了，因为有一位资深同事劝他，无线电没有多大前途。总的来说，卢瑟福在卡文迪许实验室的事业不算兴旺。他在那里待了3年，觉得自己没有多大作为，便接受了蒙特利尔麦克?吉尔大学的一个职位，从此稳步走上了通向辉煌的漫长之路。到他获得诺贝尔奖的时候，他已经转到曼彻斯特大学。其实是在那里，他将取得最重要的成果，确定原子的结构和性质。 到20世纪初，大家已经知道，原子是由几个部分构成的--汤姆逊发现电子，就确立了这种见解--但是，大家还不知道的是：到底有多少个部分；它们是怎样合在一起的；它们呈什么形状。有的物理学家认为，原子可能是立方体的，因为立方体可以整齐地叠在一起，不会浪费任何空间。然而，更普遍的看法是，原子更像一块葡萄干面包，或者像一份葡萄干布丁：一个密度很大的固体，带有正电荷，上面布满了带负电荷的电子，就像葡萄干面包上的葡萄干。 1910年，卢瑟福（在他的学生汉斯?盖格的协助之下。盖格后来将发明冠有他名字的辐射探测仪）朝一块金箔发射电离的氦原子，或称α粒子。令卢瑟福吃惊的是，有的粒子竟会反弹回来。他说，他就像朝一张纸发射了一发38厘米的炮弹，结果炮弹反弹到了他的膝部。这是不该发生的事。经过冥思苦想以后，他觉得只有一种解释：那些反弹回来的粒子击中了原子当中又小又密的东西，而别的粒子则畅通无阻地穿了过去。卢瑟福意识到，原子内部主要是空无一物的空间，只有当中是密度很大的核。这是个很令人满意的发现。但马上产生了一个问题，根据传统物理学的全部定律，原子因此就不应该存在。 让我们稍停片刻，先来考虑一下现在我们所知道的原子结构。每个原子都由三种基本粒子组成：带正电荷的质子，带负电荷的电子，以及不带电荷的中子。质子和中子装在原子核里，而电子在外面绕着旋转。质子的数量决定一个原子的化学特性。有一个质子的原子是氢原子；有两个质子的原子是氦原子；有三个质子的原子是锂原子；如此往上增加。你每增加一个质子就得到一种新元素。（由于原子里的质子数量总是与同样数量的电子保持平衡，因此你有时候会发现有的书里以电子的数量来界定一种元素，结果完全一样。有人是这样向我解释的：质子决定一个原子的身份，电子决定一个原子的性情。） 中子不影响原子的身份，但却增加了它的质量。一般来说，中子数量与质子数量大致相等，但也可以稍稍多一点或少一点。增加或减少一两个中子，你就得到了同位素。考古学里就是用同位素来确定年代的--比如，碳－14是由6个质子和8个中子组成的碳原子（因为二者之和是14）。 中子和质子占据了原子核。原子核很小--只有原子全部容量的千万亿分之一，但密度极大，它实际上构成了原子的全部物质。克罗珀说，要是把原子扩大到一座教堂那么大，原子核只有大约一只苍蝇那么大--但苍蝇要比教堂重几千倍。1910年卢瑟福在苦苦思索的，就是这种宽敞的空间--这种令人吃惊、料想不到的宽敞空间。 认为原子主要是空荡荡的空间，我们身边的实体只是一种幻觉，这个见解现在依然令人吃惊。要是两个物体在现实世界里碰在一起--我们常用台球来作为例子--它们其实并不互相撞击。"而是，"蒂姆西?费里斯解释说，"两个球的负电荷场互相排斥......要是不带电荷，它们很可能会像星系那样安然无事地互相穿堂而过。"你坐在椅子上，其实没有坐在上面，而是以1埃（一亿分之一厘米）的高度浮在上面，你的电子和它的电子不可调和地互相排斥，不可能达到更密切的程度。 差不多人人的脑海里都有一幅原子图，即一两个电子绕着原子核飞速转动，就像行星绕着太阳转动一样。这个形象是1904年由一位名叫长冈半太郎的日本物理学家创建的，完全是一种聪明的凭空想像。它是完全错的，但照样很有生命力。正如艾萨克?阿西莫夫喜欢指出的，它给了一代又一代的科幻作家灵感，创作了世界中的世界的故事，原子成了有人居住的太阳系，我们的太阳系成了一个大得多的体系里的一颗微粒。连欧洲核子研究中心也把长冈所提出的图像作为它网站的标记。物理学家很快就意识到，实际上，电子根本不像在轨道上运行的行星，更像是电扇旋转着的叶片，想要同时填满轨道上的每一空间。（但有个重要的不同之处，那就是，电扇叶片只是好像同时在每个地方，电子真的就同时在每个地方。） 不用说，在1910年，或在此后的许多年里，知道这类知识的人为数甚少。卢瑟福的发现马上产生了几个大问题。尤其是，围绕原子核转动的电子可能会坠毁。传统的电动力学理论认为，飞速转动的电子很快会把能量消耗殆尽--只是一刹那间--然后盘旋着飞进原子核，给二者都带来灾难性的后果。还有一个问题，带正电荷的质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。显而易见，那个小天地里在发生的事，是不受适用于我们宏观世界的规律支配的。第九章 威力巨大的原子(4) 随着物理学家们深入这个亚原子世界，他们意识到，那里不仅不同于我们所熟悉的任何东西，也不同于所能想像的任何东西。"由于原子的行为如此不同于普通的经验，"理查德?费曼有一次说，"你是很难习惯的。在大家看来，无论在新手还是在有经验的物理学家看来，它显得又古怪，又神秘。"到费曼发表这番评论的时候，物理学家们已经有半个世纪的时间来适应原子的古怪行为。因此，你可以想像，卢瑟福和他的同事们在20世纪初会有什么感觉。它在当时还完全是个新鲜事物。 与卢瑟福一起工作的人当中，有个和蔼可亲的丹麦年轻人，名叫尼尔斯?玻尔。1913年，他在思索原子结构的过程中，突然有了个激动人心的想法。他推迟了蜜月，写出了一篇具有划时代意义的论文。 物理学家们看不见原子这样的小东西，他们不得不试图根据它在外来条件作用下的表现方式来确定它的结构，比如像卢瑟福那样向金箔发射α粒子。有时候，这类实验的结果是令人费解的，那也不足为怪。有个存在很久的难题跟氢的波长的光谱读数有关。它们产生的形状显示，氢原子在有的波长释放能量，在有的波长不释放能量。这犹如一个受到监视的人，不断出现在特定的地点，但永远也看不到他是怎么跑过来跑过去的。谁也说不清是什么原因。 就是在思索这个问题的时候，玻尔突然想到一个答案，迅速写出了他的著名论文。论文的题目为《论原子和分子的构造》，认为电子只能留在某些明确界定的轨道上，不会坠入原子核。根据这种新的理论，在两个轨道之间运行的电子会在一个轨道消失，立即在另一轨道出现，而又不通过中间的空间。这种见解--即著名的"量子跃迁"--当然是极其奇特的，而又实在太棒，不能不信。它不但说明了电子不会灾难性地盘旋着飞进原子核，而且解释了氢的令人费解的波长。电子只出现在某些轨道，因为它们只存在于某些轨道。这是个了不起的见解，玻尔因此获得了1922年--即爱因斯坦获得该奖的第二年--的诺贝尔物理学奖。 与此同时，不知疲倦的卢瑟福这时候已经返回剑桥大学，接替J.J.汤姆逊担任卡文迪许实验室主任。他设计出了一种模型，说明原子核不会爆炸的原因。他认为，质子的正电荷一定已被某种起中和作用的粒子抵消，他把这种粒子叫做中子。这个想法简单而动人，但不容易证明。卢瑟福的同事詹姆斯?查德威克忙碌了整整11个年头寻找中子，终于在1932年获得成功。1935年，他也获得了诺贝尔物理学奖。正如布尔斯及其同事在他们的物理学史中指出的，较晚发现中子或许是一件很好的事，因为发展原子弹必须掌握中子。（由于中子不带电荷，它们不会被原子中心的电场排斥，因此可以像小鱼雷那样被射进原子核，启动名叫裂变的破坏过程。）他们认为，要是在20世纪20年代就能分离中子，"原子弹很可能先在欧洲研制出来，毫无疑问是被德国人"。 实际上，欧洲人当时忙得不亦乐乎，试图搞清电子的古怪表现。他们面临的主要问题是，电子有时候表现得很像粒子，有时候很像波。这种令人难以置信的两重性几乎把物理学家逼上绝境。在此后的10年里，全欧洲的物理学家都在思索呀，乱涂呀，提出互相矛盾的假设呀。在法国，公爵世家出身的路易－维克多?德布罗意亲王发现如果把电子看做是波，那么电子行为的某些反常就消失了。这一发现引起了奥地利人埃尔文?薛定谔的注意。他巧妙地做了一些提炼，设计了一种容易理解的理论，名叫波动力学。几乎同时，德国物理学家维尔纳?海森伯提出了一种对立的理论，叫做矩阵力学。那种理论牵涉到复杂的数学，实际上几乎没有人搞得明白，包括海森伯本人在内（"我连什么是矩阵都不知道。"海森伯有一次绝望地对一位朋友说），但似乎确实解决了薛定谔的波动力学里一些无法解释的问题。 结果，物理学有了两种理论，它们基于互相冲突的前提，但得出同样的结果。这是个令人难以置信的局面。 1926年，海森伯终于想出个极好的妥协办法，提出了一种后来被称之为量子力学的新理论。该理论的核心是"海森伯测不准原理"。它认为，电子是一种粒子，不过是一种可以用波来描述的粒子。作为建立该理论基础的"测不准原理"认为，我们可以知道电子穿越空间所经过的路径，我们也可以知道电子在某个特定时刻的位置，但我们无法两者都知道。任何想要测定其中之一的努力，势必会干扰其中之二。这不是个需要更精密的仪器的简单问题；这是宇宙的一种不可改变的特性。 真正的意思是，你永远也无法预测电子在任何特定时刻的位置。你只能认为它有可能在那里。在某种意义上，正如丹尼斯?奥弗比所说，电子只有等到被观察到了，你才能说它确实存在。换句稍稍不同的话来说，在电子被观察到之前，你非得认为电子"哪里都有，而又哪里都没有"。 如果你觉得被这种说法弄得稀里糊涂，你要知道，它也把物理学家们弄得稀里糊涂，这是值得安慰的。奥弗比说："有一次，玻尔说，要是谁第一次听说量子理论时没有发火，这说明他没有理解意思。"当有人问海森伯是不是可以想像一下原子的模样，他回答说："别这么干。"第九章 威力巨大的原子(5) 因此，结果证明，原子不完全是大多数人创造的那个模样。电子并不像行星绕着太阳转动那样在绕着原子核飞速转动，而更像是一朵没有固定形状的云。原子的"壳"并不是某种坚硬而光滑的外皮，就像许多插图有时候怂恿我们去想像的那样，而只是这种绒毛状的电子云的最外层。实质上，云团本身只是个统计概率的地带，表示电子只是在极少的情况下才越过这个范围。因此，要是你弄得明白的话，原子更像是个毛茸茸的网球，而不大像个外缘坚硬的金属球。（其实，二者都不大像，换句话说，不大像你见过的任何东西。毕竟，我们在这里讨论的世界，跟我们身边的世界是非常不同的。） 古怪的事情似乎层出不穷。正如詹姆斯?特雷菲尔所说，科学家们首次碰到了"宇宙里我们的大脑无法理解的一个区域"。或者像费曼说的："小东西的表现，根本不像大东西的表现。"随着深入钻研，物理学家们意识到，他们已经发现了一个世界：在那个世界里，电子可以从一个轨道跳到另一个轨道，而又不经过中间的任何空间；物质突然从无到有--"不过，"用麻省理工学院艾伦?莱特曼的话来说，"又倏忽从有到无。" 量子理论有许多令人难以置信的地方，其中最引人注目的是沃尔夫冈?泡利在1925年的"不相容原理"中提出的看法：某些成双结对的亚原子粒子，即使被分开很远的距离，一方马上会"知道"另一方的情况。粒子有个特性，叫做自旋，根据量子理论，你一确定一个粒子的自旋，那个姐妹粒子马上以相反的方向、相等的速率开始自旋，无论它在多远的地方。 用科学作家劳伦斯?约瑟夫的话来说，这就好比你有两个相同的台球，一个在美国俄亥俄州，一个在斐济，当你旋转其中一个的时候，另一个马上以相反的方向旋转，而且速度完全一样。令人惊叹的是，这个现象在1997年得到了证实，瑞士日内瓦大学的物理学家把两个光子朝相反方向发送到相隔11公里的位置，结果表明，只要干扰其中一个，另一个马上作出反应。 事情达到了这样的一种程度：有一次会议上，玻尔在谈到一种新的理论时说，问题不是它是否荒唐，而是它是否足够荒唐。为了说明量子世界那无法直觉的性质，薛定谔提出了一个著名的思想实验：假设把猫儿放进一只箱子，同时放进一个放射性物质的原子，连着一小瓶氢氰酸。要是粒子在一个小时内发生衰变，它就会启动一种机制，把瓶子击破，使猫儿中毒。要不然，猫儿便会活着。但是，我们无法知道会是哪种情况，因此从科学的角度来看无法作出抉择，只能同时认为猫儿百分之百地活着、百分之百地死了。正如斯蒂芬?霍金有点儿激动地（这可以理解）说，这意味着，你无法"确切预知未来的事情，要是你连宇宙的现状都无法确切测定的话"。 由于存在这么多古怪的特点，许多物理学家不喜欢量子理论，至少不喜欢这个理论的某些方面，尤其是爱因斯坦。这是很有讽刺意味的，因为正是他在1905年这个奇迹年中很有说服力地解释说，光子有时候可以表现得像粒子，有时候表现得像波--这是新物理学的核心见解。"量子理论很值得重视。"他彬彬有礼地认为，但心里并不喜欢，"上帝不玩骰子。 "他说。 爱因斯坦无法忍受这样的看法：上帝创造了一个宇宙，而里面的有些事情却永远无法知道。而且，关于超距作用的见解--即一个粒子可以在几万亿公里以外立即影响另一个粒子--完全违反了狭义相对论。什么也超不过光速，而物理学家们却在这里坚持认为，在亚原子的层面上，信息是可以以某种方法办到的。（顺便说一句，迄今谁也解释不清楚粒子是如何办到这件事的。据物理学家雅基尔?阿哈拉诺夫说，科学家们对待这个问题的办法是"不予考虑"。) 最大的问题是，量子物理学在一定程度上打乱了物理学，这种情况以前是不存在的。突然之间，你需要有两套规律来解释宇宙的表现--用来解释小世界的量子理论和用来解释外面大宇宙的相对论。相对论的引力出色地解释了行星为什么绕太阳转动，星系为什么容易聚集在一起，而在粒子的层面上又证明不起作用。为了解释是什么把原子拢在一起，你就需要有别的力。20世纪30年代发现了两种：强核力和弱核力。强核力把原子捆在一起，是它将质子拢在原子核里；弱核力从事各种工作，主要与控制某种放射衰变的速率有关。 弱核力尽管叫做弱核力，它比万有引力要强1亿亿倍；强核力比这还要强--实际上要强得多--但它的影响只传到极小的距离。强核力的影响只能传到原子直径的大约十万分之一的地方。这就是原子核的体积如此之小、密度如此之大的原因，也是原子核又大又多的元素往往很不稳定的原因：强核力无法抓住所有的质子。 结果，物理学最后有了两套规律--一套用来解释小世界，一套用来解释大宇宙--各过各的日子。爱因斯坦也不喜欢这种状况。在他的余生里，他潜心寻找一种"大统一理论" 来扎紧这些松开的绳头，但总是以失败告终。他有时候认为自己已经找到，但最后总是觉得白费工夫。随着时间的过去，他越来越不受人重视，甚至有点儿被人可怜。又是斯诺写道："他的同事们过去认为，现在依然认为，他浪费了他的后半生。"第九章 威力巨大的原子(6) 然而，别处正在取得实质性的进展。到20世纪40年代，科学家们已经达到这样一种程度：他们在极其深的层次上了解了原子--1945年8月，他们提供了最有力的证据：在日本上空爆炸了两颗原子弹。 到那个时候，科学家们情有可原地认为，他们马上就要征服原子了。实际上，粒子物理学所涉及的一切，即将变得复杂得多。不过，我们在继续讲述这个有点儿包罗万象的故事之前，应当先把到最近为止的另一部分历史作个交待，考虑一下一个重要而又有益的故事，一个关于贪婪、欺骗、伪科学、几起不必要的死亡事件以及最终确定地球年龄的故事。第十章 把铅撵出去(1) 20世纪40年代末，芝加哥大学一位名叫克莱尔?彼得森（尽管姓彼得森，他原先是艾奥瓦州的一个农家孩子）的研究生在用一种新的铅同位素测量法，对地球的确切年龄作最后的测定。不幸的是，他的岩石样品全部给污染了--而且还污染得很厉害。大多数样品里的铅含量超过正常浓度的大约200倍。许多年以后，彼得森才明白，问题出在俄亥俄州一个名叫小托马斯?米奇利的人身上。 米奇利是一名受过训练的工程师，要是他一直当工程师，世界本来会太平一些。但是，他对化学的工业用途发生了兴趣。1921年，他在位于俄亥俄州代顿的通用汽车研究公司工作期间，对一种名叫四乙铅的化合物作了研究，发现它能大大减少震动现象，即所谓的发动机爆震。 到20世纪初，大家都知道铅很危险，但它仍然以各种形式存在于消费品之中。罐头食品以焊铅来封口；水常常储存在铅皮罐里；砷酸铅用做杀虫剂喷洒在水果上。铅甚至还是牙膏管子的组成材料。几乎每一件产品都会给消费者的身体里增加一点儿铅。然而，人接触机会最多、接触时间最长的，还是添加在汽油里的铅。 铅是一种神经毒素。体内铅的含量过高，就会无可挽回地损害大脑和中枢神经系统。与铅过分接触会引起很多病症，其中有丧失视力、失眠、肾功能衰竭、失聪、癌症、瘫痪和抽搐。急性发作的时候，人可以突然产生恐怖的幻觉，令患者和旁人措手不及。一般来说，这种症状接着会导致昏迷或死亡。谁也不愿意让自己的身体摄入过量的铅。 另一方面，铅很容易提炼和开采，大规模生产极其有利可图--四乙铅确实可以防止发动机爆震。所以，在1923年，美国三家最大的公司--通用汽车公司、杜邦公司和新泽西美孚石油公司--成立了一家合资企业，名叫四乙铅汽油公司（后来又简称为四乙公司），世界愿买多少四乙铅，它就生产多少四乙铅。结果证明，世界的需要量很大。他们之所以把公司称做"四乙公司"，是因为"四乙"听上去比较悦耳，不像"铅"那样含有毒物的意味。 1923年2月1日，他们把这个名字（以比大多数人知道的更多方式）推向市场，让公众接受。 第一线的工人几乎马上出现走路不稳、官能混乱等症状，这是中毒不久后的标志。四乙公司也几乎马上执行一条行若无事、坚决否认的方针，而且在几十年里行之有效。正如沙伦?伯奇?麦格雷恩在她的工业化学史《实验室里的普罗米修斯》一书中指出的，要是哪家工厂的雇员得了不可治愈的幻觉症，发言人便会厚颜无耻地告诉记者："这些人之所以精神失常，很可能是因为工作太辛苦。"在生产含铅汽油的初期，至少有15名工人死亡，数不清的人得病，常常是大病。确切的数字无法知道，因为公司几乎总是能掩盖过去，从不透露令人难堪的泄漏、溢出和中毒等消息。然而，有的时候，压制消息已经不可能--尤其值得注意的是在1924年，在几天时间里，光在一个通风不良的场所就有5名生产工人死亡，35名工人终身残疾。 随着有关新产品很危险的谣言四起，为了打消人们的担心，四乙铅汽油的发明者托马斯?米奇利决定当着记者的面作一次现场表演。他一面大谈公司如何确保安全，一面往自己的手上泼含铅汽油，还把一烧杯这类汽油放在鼻子跟前达60秒之久，不停声称他每天可以这么干而不受任何伤害。其实，米奇利心里对铅中毒的危险很清楚：他几个月之前还因接触太多而害了一场大病，现在除了在记者面前以外决不接近那玩意儿，只要可能的话。 加铅汽油获得成功，米奇利深受鼓舞，现在又把注意力转向那个时代的另一个技术问题。20世纪20年代，冰箱使用有毒而危险的气体，时常泄漏，风险很大。1929年，俄亥俄州克利夫兰有家医院发生冰箱泄漏事故，造成100多人死亡。米奇利着手发明一种很稳定、不易燃、不腐蚀、吸入很安全的气体。凭着办事几乎从不后悔的本能，他发明了含氯氟烃。 很少有哪个工业产品如此快速而又不幸地被大家接受。20世纪30年代初，含氯氟烃投入生产，结果派上了一千种用场，从汽车空调器到除臭喷雾剂什么都离不开它。半个世纪以后人们才发现，这玩意儿正吞噬着平流层里的臭氧。你将会明白，这不是一件好事情。 臭氧是氧的一种形式，每个分子含有三个而不是通常的两个原子。它的化学特性有点儿古怪：它在地面上是一种有害物质，在高高的平流层却是一种有益物质，因为它吸收危险的紫外辐射。然而，有益的臭氧的量并不很大。即使均匀地分布在平流层里，它也只能形成大约两毫米厚的一层。这就是它很容易受扰动的原因。 含氯氟烃的量也不大--只占整个大气的大约十亿分之一--但是，这种气体的破坏力很强。1千克含氯氟烃能在大气里捕捉和消灭7万千克臭氧。含氯氟烃悬浮的时间还很长--平均一个世纪左右--不停地造成破坏。它吸收大量热量。一个含氯氟烃分子增加温室效应的本事，要比一个二氧化碳分子强1万倍左右--当然，二氧化碳本身也是加剧温室效应的能手。总之，最后可能证明，含氯氟烃差不多是20世纪最糟糕的发明。 这一点米奇利永远不会知道。在人们意识到含氯氟烃的破坏力之前，他早已不在人世。第十章 把铅撵出去(2) 他的死亡本身也是极不寻常的。米奇利患脊髓灰质炎变成跛子以后，发明了一个机械装置，利用一系列机动滑轮自动帮他在床上抬身或翻身。1944年，当这台机器启动的时候，他被缠在绳索里窒息而死。 要是你对确定事物的年龄感兴趣，20世纪40年代的芝加哥大学是个该去的地方。威拉德?利比快要发明放射性碳年代测定法，使科学家们能测出骨头和别的有机残骸的精确年代，这在过去是办不到的。到这个时候，可靠的年代最远只达埃及的第一王朝--公元前3000年左右。例如，谁也没有把握说出，最后一批冰盖是在什么时候退缩的，法国的克罗马农人是在过去什么时候装饰拉斯科山洞的。 利比的方法用途很广，他因此获得了1960年的诺贝尔奖。这种方法基于一种认识：生物内部都有一种碳的同位素--名叫碳－14，生物一死，该同位素马上以可以测定的速度开始衰变。碳－14大约有5600年的半衰期--即任何样品消失一半所需的时间--因此，通过确定某种特定的碳样的衰变程度，利比就可以有效地锁定一个物体的年代--虽然是在一定限度以内。经过八个半衰期以后，原先的放射性碳只剩下0.39％。这个量太小，无法进行可靠的测算，因此碳－14年代测定法只适用于年代不超过4万年左右的物体。 有意思的是，随着这项技术的广泛使用，有些疵点也日渐显露出来。首先，人们发现，利比公式里有个名叫衰变常数的基本成分存在3％的误差。而到了这个时候，全世界已经进行了数千次计算。科学家们没有修正每个计算结果，而是决定保留这个不准确的常数。"这样，"提姆?弗兰纳里说，"你只要把今天见到的每一个以放射性碳年代测定法测定的年代减去大约3％。"问题没有完全解决。人们又很快发现，碳－14的样品很容易被别处的碳污染--比如，一小点儿连同样品一起被采集来的而又没有被注意到的植物。对于年代不大久远的样品来说--年代小于大约2万年的样品--稍有污染并不总是关系很大，而对于年代比较久远的样品来说，这有可能是个严重的问题，因为统计中的剩余原子数实在太少了。借用弗兰纲纳里的话来说，在第一种情况下，就像是1000美元里少数1美元；而在第二种情况下，就像是仅有的2美元里少数了1美元。 而且，利比的方法是以如下假设为基础的，即大气里碳－14的含量以及生物吸收这种物质的速度，在整个历史进程中是始终不变的。事实并非如此。我们现在知道，大气里碳－14的数量变化不定，取决于地球的磁场能否有效地改变宇宙射线的方向；在漫长的时间里，变化的幅度可能很大。这意味着，有些以碳－14年代测定法测定的年代要比别的这类年代更无把握。在比较缺少把握的年代当中，有人类首次抵达美洲前后这一段时期的年代。这就是为什么那个问题老是争论不休的原因之一。 最后，也许有点儿出人意料的是，计算结果可能由于表面看来毫不相干的外因--比如动物的饮食结构--而完全失去意义。最近有个案例引起了广泛激烈的争论，即梅毒究竟起源于新大陆还是旧大陆。赫尔的考古学家们发现，修道院坟地里的修道士患有梅毒。最初的结论是，修道士在哥伦布航行之前就已经患上了梅毒。但是，该结论受到了质疑，因为科学家们发现，他们吃了大量的鱼，这会使他们骨头的年代看上去比实际的要古老。修道士可能患有梅毒，但究竟是怎么患上的，什么时候患上的，问题似乎容易解决，却依然没有解决。 由于碳－14年代测定法的缺点加起来还真不少，科学家们发明了别的办法来测定古代物质的年代，其中有发热光测定法和电子自旋共振测定法。前者用来测定存留在泥土里的电子数；后者以电磁波轰击一件样品来测定电子的振动。但是，即使用最好的方法，你也无法测定20万年以上的东西的年代，也根本无法测定岩石那样的无机物质的年代。然而，若要确定我们这颗行星的年龄，这当然是必不可少的。 测定岩石年代的问题在于，世界上几乎人人都一度不抱希望。要不是出了一位决心很大的、名叫阿瑟?霍姆斯的英国教授，这项探索很可能会完全停顿下来。 无论在克服困难方面，还是在取得的成就方面，霍姆斯都很有英雄气概。20世纪20年代，正当他的事业进入全盛期的时候，地质学已经不再吃香--物理学是那个时代的热门科学，资金严重缺乏，尤其在它的精神诞生地英国。多少年来，他是达勒姆大学地质系的惟一人员。为了进行测定岩石年代的工作，他常常不得不借用或拼凑设备。有一次，为了等校方为他提供一台简单的加法机，他的计算工作竟然耽搁了1年时间。有时候，他不得不完全停止学术工作，以便挣钱来养家糊口--一度在纽卡斯尔开了个古董店，有时候他连地质学会每年5英镑的会费也缴不起。 霍姆斯在研究工作中使用的方法，在理论上其实并不复杂，直接产生于欧内斯特?卢瑟福于1904年最初发现的那个过程，即，有的原子以一种可以预测的比率从一种元素衰变成另一种元素，因此这个过程可以用来当时钟。要是你知道钾－40要经过多长时间才变成氩－40，并且测定样品里这两种元素的量，你就可以得出那种物质的年代。霍姆斯的贡献在于，以测定铀衰变成铅的比率来测定岩石的年代，从而--他希望--能测定地球的年龄。第十章 把铅撵出去(3) 但是，有许多技术上的困难需要克服。霍姆斯还需要--至少会很高兴拥有--一种能对细小样品进行精密测量的先进仪器，而我们已经知道，他所能得到的不过是一台简单的加法机。因此，他竟然能在1946年较有把握地宣布，地球至少已经存在30亿年，很可能还要长。这是一项相当了不起的成就。不幸的是，他又一次遇到了巨大的障碍：他的科学界同行们非常保守，对他的成就拒不承认。许多人尽管乐意赞赏他的方法，却认为他得出的不是地球的年龄，而只是组成地球的材料的年龄。 就在这个时候，芝加哥大学的哈里森?布朗发明了一种统计火成岩（即通过加热形成的岩石，而不是通过沉积形成的岩石）里铅同位素的新方法。他意识到这项工作相当乏味，便把它交给了年轻的克莱尔?彼得森，作为他的论文项目。他向彼得森保证，以他的新方法来测定地球的年龄会"易如反掌"。实际上，这项工作花了几年时间。 1948年，彼得森着手从事这个项目。与托马斯?米奇利丰富多彩、不断推动历史前进的贡献相比，彼得森测定地球年龄的工作有点儿平平庸庸的味道。有7年时间，先是在芝加哥大学，后在加州理工学院（他于1952年迁往那里），他在无菌实验室里埋头苦干，仔细选择古老岩石的样品，精密测定里面铅/铀的比例。 测定地球年龄的问题在于，你需要有极其古老的岩石，内有含铅和铀的晶体，其古老程度几乎与这颗行星一样--要是岩石年轻得多，测出的年代显然会比较年轻，从而得出错误的结论，而真正古老的岩石在地球上是很难找得着的。到20世纪40年代末，谁也不知道这是什么原因。实际上，要等到太空时代，才可能有人貌似有理地说明地球上古老岩石的去向，这真是不可思议的。（答案在于板块构造，我们当然将谈到这个问题。）与此同时，彼得森只能在材料非常有限的情况下把这一切搞清楚。最后，他突然聪明地想到，他可以利用地球之外的岩石，从而绕开缺少岩石的问题。他把注意力转向陨石。 他提出了一个假设--一个很有远见的假设，结果证明非常正确，即，许多陨石实际上是太阳系早期留下来的建筑材料，因此多少保留着原始的内部化学结构。测定了这些四处游荡的岩石的年代，你也就（接近于）测定了地球的年龄。 然而，通常来说，总是说来容易做来难。陨石数量不多，陨石样品不是很容易能采集到手。而且，布朗的测量方法过分注重细节，需要做很多改进。最大的问题是，彼得森的样品只要接触空气，就莫名其妙地不断地受到大气里铅的严重污染。正是由于这个原因，他最后建立了一个消过毒的实验室--世界上第一个无菌实验室，至少有一份材料里是这么说的。 彼得森任劳任怨地干了7年，才收集到可用于最后测试的样品。1953年春，他把样品送到伊利诺伊州的阿冈尼国家实验室。他及时获得了一台新型的质谱仪，可以用来发现和测定秘藏在古晶体里的微量铀和铅。彼得森终于得出了结果。他激动万分，直接驱车去艾奥瓦州他度过少年时代的家中，让他的母亲把他送进医院，因为他认为自己在发心脏病。 此后不久，在威斯康星州的一次会议上，彼得森宣布地球的确切年龄为45.5亿年（误差7000万年）--麦格雷恩赞赏地说："这数字保持了50年。"经过200年的努力，地球终于有了个年龄。 彼得森几乎马上把注意力转向大气里那个铅的问题。他吃惊地发现，有关铅对人体的影响，人们仅有的一点儿认识几乎无一例外是错误的，或者是令人产生误解的--这也不足为怪，因为40年来对铅的影响的每项研究，全是由铅添加剂的制造商们提供资金的。 在一项这样的研究中，一名没有受过化学病理学专门训练的医生承担了一个五年计划。 根据计划，他让志愿者们吸入或吞下越来越大量的铅，然后对他们的大小便进行化验。不幸的是，那位医生似乎也不懂，铅不会被作为废物排泄出体外，只会积累在骨头和血液里--这正是铅很危险的原因，他既没有检查骨头，也没有化验血液。结果，铅被宣布对健康毫无影响。 彼得森很快确认，大气里有过大量的铅--实际上现在仍有大量的铅，因为铅从来没有消失--其中大约90％来自汽车的废气管，但他无法加以证明。他需要一种方法，把现在大气里铅的浓度，与1923年四乙铅开始商业生产之前的浓度进行比较。他突然想到，冰核可能会提供这个答案。 人们知道，在格陵兰岛这样的地方，每年的积雪层次很分明（因为季节温差使得冬季到夏季的颜色稍有不同）。只要往前数一数这些层次，测量一下每一层里铅的含量，你就可以计算出几百甚至几千年里任何时候全球大气里铅的浓度。这个见解成为冰核研究的基础。许多现代气候学的研究工作都是建立在这个基础上的。 彼得森发现，1923年之前，大气里几乎没有铅；自那以后，铅的浓度不断危险地攀升。 现在，把铅撵出汽油成了他一生的追求。为此，他经常批评铅工业及其利益集团，而且往往言辞很激烈。 这证明是一场残酷的斗争。四乙公司是全球一家势力很大的公司，上头有很多朋友。（它的董事当中有最高法院的法官刘易斯?鲍威尔和美国地理学会的吉尔伯特?格罗夫纳。）彼得森突然发现研究资金要么被收回，要么很难获得。美国石油研究所取消了与他签订的一项合同，美国公共卫生署也是，后者还算是个中立的政府机关呢。第十章 把铅撵出去(4) 彼得森成了一个对本单位越来越不利的人。铅工业界官员不断向加州理工学院董事会成员施加压力，要么让他闭嘴，要么让他滚蛋。杰米?林肯?基特曼在2000年的《国家》杂志中写道，据说，四乙公司愿意向加州理工大学无偿提供一名教授讲席的费用，"如果能让彼得森卷铺盖走人的话"。荒唐的是，一个美国研究委员小组被指派来调查大气中铅毒的危险程度，他竟然被排除在外，尽管他这时候毫无疑问已经是美国大气铅问题的主要专家。 幸好，彼得森从来没有动摇过。由于他的努力，最后提出了《1970年洁净空气法》，并于1986年在美国停止销售一切含铅汽油。美国人血液里的铅浓度几乎马上下降了80％。但是，由于铅是一种难以消除的物质，今天每个活着的美国人血液里的铅浓度，仍要比一个世纪以前的人高出大约625倍。大气里铅的含量还在以大约每年10万吨的速度继续增加，而且完全是以合法的方式，主要来自采矿、冶炼和工业活动。美国还禁止在家用油漆中添加铅，正如麦格雷恩所说，"比大多数欧洲国家晚了44年"。考虑到铅的惊人毒性，美国直到1993年才在食品罐头上停止使用焊铅，这是不可思议的。 至于四乙公司，它仍在发展，虽然通用汽车公司、美孚石油公司和杜邦公司在该公司已经没有股份。（1962年，它们把股份卖给了奥尔马尔造纸公司。）据麦格雷恩说，直到2001年2月，四乙公司依然坚持认为，"研究表明，含铅汽油无论对人的健康还是对环境都不构成威胁"。在它的网站上，公司的历史没有提及铅--也没有提及乔治?米奇利--只是简单地提到原先的产品里含有"某种化学混合物"。 四乙公司不再生产含铅汽油，但据2001年的公司报表，2000年四乙铅的销售额仍达到2510万美元（它的全部销售额为79500万美元），比1999年的2410万美元略有增长，但低于1998年的11700万美元。公司在它的报告中说，它决心"使四乙铅产生的现金收入增加到最大程度，尽管全世界的使用量在不断下降"。四乙公司通过与英国奥克特尔联合公司的一项协议在全世界销售四乙铅。 至于乔治?米奇利留给我们的另一个祸害含氯氟烃，美国在1974年已经禁止使用，但它是个顽固不化的小魔鬼，以前（比如从除臭剂或喷发定型剂）排放到大气的这种东西几乎肯定还在那里，等你我上了西天很久以后还会在吞食臭氧。更为糟糕的是，我们每年仍在向大气里排放大量含氯氟烃。韦恩?比德尔说，每年仍有2700万千克以上的这种东西在市场上销售，价值15亿美元。那么，是谁在生产含氯氟烃？是我们--那就是说，许多大公司仍在其海外的工厂里生产这种产品。第三世界国家要到2010年才加以禁止。 克莱尔?彼得森于1995年去世。他没有因为自己的成就而获得诺贝尔奖。地质学家向来没有这个资格。更令人不解的是，尽管他在半个世纪的时间里坚持不懈，大公无私，取得越来越大的成就，他也没有获得多少名气，甚至没有受到多大重视。我们有理由认为，他是20世纪最有影响的地质学家。然而，谁听说过克莱尔?彼得森来着？大多数地质学教科书没有提到他的名字。最近出版的两本有关测定地球年龄的历史的畅销书，竟然还把他的名字拼错了。2001年初，有人在《自然》杂志里就其中的一本书写了一篇书评，结果又犯了一个错误，令人吃惊地认为彼得森是个女人。 无论如何，多亏克莱尔?彼得森的工作，到1953年，地球终于有了个人人都能接受的年龄。现在惟一的问题是，它比它周围的世界还要古老。第十一章 马斯特?马克的夸克(1) 1911年，一位名叫C.T.R.威尔逊的英国科学家经常爬到本尼维斯山顶去研究云层的构造。这座山位于苏格兰，以潮湿闻名。他突然想到，肯定还有一种比较简单的办法。回到剑桥大学的卡文迪许实验室以后，他建起了一个人工云室--一种简单的装置，他在里面可以冷却和湿润空气，在实验室现有的条件下创建一个说得过去的云层模型。 那个装置运转良好，而且还有个意料之外的好处。当威尔逊使一个α粒子加速通过云室制造人工云团的时候，它留下一条明显的轨迹--很像一架飞过的飞机留下的凝迹。他刚刚发明了粒子探测仪，提供了令人信服的证据，证明亚原子粒子确实存在。 最后，卡文迪许实验室的另外两位科学家发明了功率更大的质子束装置，欧内斯特?劳伦斯在加州大学伯克利分校造出了著名的回旋加速器，或称原子粉碎器，这类设备在很长时间里就是这么称呼的。所有这些新发明的原理大体相同，无论是过去还是现在，即，将一个质子或别的带电粒子沿着一条轨道（有时是环形的，有时是直线的）加速到极快的速度，然后砰地撞向另一粒子，看看撞飞了什么。所以，它被称之为原子粉碎器。严格来说，这算不上是科学，但一般来说是很管用的。 随着物理学家建造越来越大、越来越雄心勃勃的机器，他们开始或推断出似乎永无穷尽的粒子或粒子族：π介子、μ介子、超子、介子、K介子、希格斯玻色子、中间矢量玻色子、重子、超光速粒子。连物理学家都开始觉得不大舒服。"年轻人，"当有个学生问恩里科?费米某个粒子的名字的时候，他回答说，"要是我记得清这些粒子的名字，那我就成了植物学家了。" 今天，加速器的名字听上去有点像是弗莱什?戈登用于打仗的武器：超级质子同步加速器呀，大型正负电子对撞机呀，大型强子对撞机呀，相对论性重离子对撞机呀。使用的能量是如此之大（有的只能在夜间操作，这样，设备点火时邻近城镇的居民才不至于注意到自己的灯光暗淡下去），它们可以把粒子激活到这样的状态：一个电子在不到1秒的时间里能沿着7公里长的隧道击打47000圈。人们担心，科学家们在头脑发热的时候会在无意之中创建一个黑洞，甚至所谓的"奇异夸克"。从理论上说，这些粒子可以与别的亚原子粒子相互作用，产生连锁反应，完全失去控制。要是你现在还活着在看这本书的话，说明那种情况没有发生。 寻找粒子需要集中一定精力。粒子不但个儿很小，速度很快，而且转瞬即逝。粒子可以在短达0.000 000 000 000 000 000 000 001秒(10－24秒)时间里出现和消失。连最缺乏活力的不稳定的粒子，存在的时间也不超过0.000 000 1秒(10－7秒)。 有的粒子几乎捕捉不到。每一秒钟，就有1万亿亿亿个微小的、几乎没有质量的中微子抵达地球（大多数是太阳的热核反应辐射出的），实际上径直穿过这颗行星以及上面的一切东西，包括你和我，就仿佛地球并不存在。为了捕捉几个粒子，科学家们需要在地下室（通常是废矿井里），用容器盛放多达57000立方米重水（即含氘相对丰富的水），因为这种地方受不到其他类型辐射的干扰。 在非常偶然的情况下，一个经过的中微子会砰地撞击水里的一个原子核，产生一丁点儿能量。科学家们通过统计有几个一丁点儿而逐步了解宇宙的基本性质。1998年，日本观察人员报告说，中微子确有质量，但是不大--大约是电子的一千万分之一。 如今，寻找粒子真正要花的是钱，而且是大量的钱。在现代物理学中，寻找的东西的大小，与所需设备的大小，往往有意思地成反比关系。欧洲核研究组织简直像个小城市。它地跨法国和瑞士边境，有3000名雇员，占地几平方公里。欧洲核研究组织有一排比埃菲尔铁塔还要重的磁铁，周围有一条大约26公里长的地下坑道。 詹姆斯?特雷菲尔说，击碎原子倒还容易，每次只要把日光灯一开。然而，击碎原子核就需要大量的金钱和大量的电力。把粒子变成夸克--即构成粒子的粒子--就需要更多的电和更多的钱：几万亿瓦电和相当于一个中美洲小国的预算。欧洲核研究组织的一台新的大强子对撞机定于2005年开始运转，它将产生14万亿瓦能量，建设费超过15亿美元。然而，这两个数字与那台超级超导对撞机本来所能产生的能量和所需的建设费用相比，那简直是小巫见大巫。20世纪80年代，得克萨斯州附近开始建设一台超级超导对撞机，然后本身与美国国会发生了超级对撞，结果很不幸，现在永远建不成了。这台对撞机的意图是：让科学家们重建尽可能接近于宇宙最初十万亿分之一秒里的情况，以探索"物质的最终性质"（老是这么说的）。该计划要把粒子甩进一条84公里长的隧道，获得实在令人吃惊的99万亿瓦能量。这是个宏伟的计划，但建设费用高达80亿美元（最后增加到100亿美元），每年的运行费还要花上几亿美元。 这也许是历史上把钱倒进地洞的最好例子。美国国会为此花掉了22亿美元，然后在建成一条22公里长的隧道以后取消了这项工程。现在，得克萨斯人可以为拥有一个全宇宙代价最高的地洞而感到自豪。我的朋友、《价值连城的堡垒》的作者杰夫?吉恩对我说："那实际上是一大片空地，周围布满了一连串失望的小城镇。"第十一章 马斯特?马克的夸克(2) 超级对撞机化为泡影以后，粒子物理学家们的眼界放低了点。但是，即使是比较一般的项目的成本也可能相当惊人，要是与，哎呀，几乎任何项目相比的话。有人建议在南达科他州莱德的一座废矿--霍姆斯特克矿--建个中微子观察站，其成本就高达5亿美元，还不算每年的运转费用。而且，还要花2.81亿美元的"一般改建费"。与此同时，伊利诺伊州费尔米莱布的一个粒子加速器仅更新材料就要花费2.6亿美元。 总之，粒子物理学是个花钱很多的事业--但又是个收获巨大的事业。今天，粒子的数量已经大大超过150种，还有100种左右被怀疑存在。但不幸的是，用理查德?费曼的话来说："很难搞清所有这些粒子的关系，大自然要它们干什么，彼此有什么联系。"每打开一个盒子的时候，我们总是发现里面还有一个紧闭的盒子。有的人认为存在超光速粒子，其运动速度超过光速。有的渴望找到引力子--引力的根子。我们刨根问底儿已经刨到什么程度，现在还很难说。卡尔?萨根在《宇宙》一书中说，要是你钻进一个电子深处，你会发现它本身就是一个宇宙，使你回想起20世纪50年代的那些科幻故事。"里面，大量小得多的别的粒子组成了相当于当地的星系和较小的结构，它们本身就是下一层次的宇宙，如此永远下去--一个逐步往里推进的过程，宇宙中的宇宙，永无尽头--往上也是一个样。" 对于我们大多数人来说，这是个不可想像的世界。如今，即使看一本有关粒子物理学的初级指南，你也必须克服语言方面的重重障碍，比如："带电的π介子和反π介子分别衰变成一个μ介子加上反中微子和一个反μ介子加上中微子，平均寿命为2.603×10－8秒；中性π介子衰变成2个光子，平均寿命大约为0.8×10－16秒；μ介子和反μ介子分别衰变成......"如此等等--而且，这段话还是从（通常）文笔浅显的作家斯蒂芬?温伯格为普通读者写的一本书里引来的。 20世纪60年代，加州理工学院物理学家默里?盖尔曼试图把事情简化一下，发明了一种新的粒子分类法，用斯蒂芬?温伯格的话来说，实际上"在一定程度上使大量的强子重新变得一目了然"--强子是个集体名词，物理学家用来指受强核力支配的质子、中子和其他粒子．盖尔曼的理论认为，所有强子都是由更小的，甚至更基本的粒子组成的。他的同事理查德?费曼想跟多利那样把这些新的基本粒子叫做部分子，但是没有获得通过。它们最后被称做夸克。 盖尔曼从小说《芬内根的觉醒》的一句话中取了这个名字："给马斯特?马克来三夸克(quarks)！"（敏锐的物理学家把storks或larks作为该词的韵脚，尽管乔伊斯脑子里想的几乎显然是后者的发音。1）夸克的这种基本的简洁性并没有持续很久。随着人们对夸克的进一步了解，需要更细的分类。尽管夸克太小，不可能有颜色、味道或任何别的可以识别的化学特性，它们还是被分成六类--上、下、奇、粲、顶和底，物理学家们奇怪地把这些统称为它们的"味"；它们又进一步被分成红、绿和蓝三种颜色。（人们怀疑，这些名称原先在迷幻药时代在加利福尼亚州使用过。这不完全是一种巧合。） 最后，出现了所谓的标准模型。对亚原子世界来说，它实际上是一个元件箱。标准模型的组成成分是：6种夸克、6种轻子、5种已知的玻色子和1种假设的玻色子(即希格斯玻色子，以苏格兰科学家彼得?希格斯的名字命名），加上4种物理力中的3种：强核力、弱核力和电磁力。 这种安排其实说明，在物质的基本材料中有夸克；夸克由名叫胶子的粒子黏合在一起；夸克和胶子一起形成了原子核的材料，即质子和中子。轻子是电子和中微子的来源。夸克和轻子统称为费密子。玻色子（以印度物理学家S.N.玻色的名字命名）是产生和携带力的粒子，包括光子和胶子。希格斯玻色子也许存在，也许不存在；这完全是为了赋予粒子质量而发明出来的。 你看得出，这个模型真是有点儿笨拙，但这是可以用来解释粒子世界全部情况的最简单的模式。大多数粒子物理学家觉得，正如利昂?莱德曼在1985年的一部电视片里说的，标准模型不大优美，不大简明。"它过于复杂，有许多过于武断的参数。"莱德曼说，"我们其实不明白，为了创造我们都知道的宇宙，造物主干吗要转动20个门把来设定20条参数。"实际上，物理学的任务是探索最终的简洁性，而迄今为止的一切都乱成了美丽的一团--或者就像莱德曼说的："我们深深地感到，这幅图画并不美丽。" 标准模型不但很笨拙，而且不完整。一方面，它根本没有谈到引力。找遍整个标准模型，你找不出任何解释，为什么放在桌上的帽子不会飞上天花板。为了赋予粒子以质量，你不得不引入假设的希格斯玻色子，它是否真的存在，要靠21世纪的物理学来解决。正如费曼所由衷地认为的那样："因此，我们对这个理论处于进退两难的境地，不知道它是对的还是错的，但我们确实知道它是有点儿错的，或者至少是不完整的。" 物理学家试图把什么都扯到一起，结果想出来一种所谓的超弦理论。这种理论假设，以前我们认为是粒子的夸克和轻子，实际上都是"弦"--振动的能弦，它们在11维中摆动，包括我们已知的3个，维度再加上时间，以及7个别的维度，它们，哎呀，我们现在还无法知道。这种弦非常微小--小得可以被看成是点粒子。第十一章 马斯特?马克的夸克(3) 通过引入额外的维度，超弦理论使科学家能把量子定律和引力定律相对比较融洽地合在一起，但是，这也意味着，科学家关于这个理论的任何解释，听上去都会令人惴惴不安，犹如公园凳子上的陌生人告诉你某个想法，你听了会慢慢走开一样。比如，物理学家米奇奥?卡库是这样从超弦理论的角度来解释宇宙的结构的： 杂化弦由一根闭合的弦组成，它有两种振动模式，顺时针方向的和逆时针方向的，要以不同的方式来对待。顺时针方向的振动存在于一个10维空间。逆时针方向的振动存在于一个26维的空间，其中有16维已经被压实了。（我们知道，在卡鲁扎原先的5维空间里，第5维被卷成一个圈，已经给压实了。） 如此等等，洋洋洒洒350页左右。 弦理论又进一步产生了所谓的M理论。该理论把所谓"膜"的面，纳入了物理学世界的灵魂。说到这里，我们恐怕到了知识公路的站点，大多数人该下车了。下面引了《纽约时报》上的一句话，它以尽可能简单的语言向普通读者解释了这种理论： 在那遥远遥远的过去，火成过程以一对又平又空的膜开始；它们互相平行地处于一个卷曲的5维空间里......两张膜构成了第5维的壁，很可能在更遥远的过去作为一个量子涨落产生于无，然后又飘散了。 无法与之争辩，也无法理解。顺便说一句，"火成"源自希腊文，意为"燃烧"。 现在，物理学的问题已经达到这样的一种高度，正如保罗?戴维斯在《自然》杂志里说的，"非物理学家几乎不可能区分你是合乎常情的怪人，还是彻头彻尾的疯子"。有意思的是，2002年秋，这个问题到了关键时刻。两位法国物理学家--孪生兄弟伊戈尔?波格丹诺夫和格里希卡?波格丹诺夫--提出了一种关于极高密度的理论，包括"想像的时间"和"库珀-施温格-马丁条件"这样的概念，旨在描述无，即大爆炸以前的宇宙--这段时间一直被认为是无法知道的（因为它发生在物理现象及其特性诞生之前）。 波格丹诺夫理论几乎立即在物理学家中间引起争论：它到底是胡说八道，一项天才的成就，还是一个骗局？"从科学的角度来看，显而易见，它多少是彻头彻尾的胡说八道。"哥伦比亚大学的物理学家彼得?沃伊特对《纽约时报》记者说，"不过，近来，它跟许多别的文献没有多大区别。" 卡尔?波普尔被斯蒂芬?温伯格称之为"现代科学哲学家的泰斗"。有一次，他提出，物理学很可能没有一种终极理论--每一种解释都需要进一步的解释，形成"永无穷尽的一连串越来越基本的原理"。与之相对的可能性是，这种知识也许是我们完全无法理解的。"幸亏，迄今为止，"温伯格在《终极理论之梦》中写道，"我们的理智资源似乎尚未耗尽。 " 几乎可以肯定的是，这个领域将出现更多的见解；几乎同样可以肯定的是，这些见解将是我们大多数人所无法理解的。 正当20世纪中叶的物理学家在迷惑不解地观测小世界的时候，天文学家发现，同样引人注目的是，对大宇宙的理解也是不完整的。 上次谈到，埃德温?哈勃已经确认，我们视野里的几乎所有星系都在离我们远去，这种退行的速度和距离是成正比的：星系离得越远，运动的速度越快。哈勃发现，这可以用个简单的等式来加以表示：Ho=v/d（Ho是常数，v是星系飞离的速度，d是它离开我们的距离）。 自那以后，Ho一直被称之为哈勃常数，整个等式被称之为哈勃定律。哈勃利用自己的等式，计算出宇宙的年龄大约为20亿年。这个数字有点儿别扭，因为即使到20世纪20年代末，情况已经越来越明显，宇宙里的许多东西--很可能包括地球本身--的年龄都要比它大。完善这个数字是宇宙学界一直关心的事情。 关于哈勃常数，惟一常年不变的是对它的评价意见不一。1956年，天文学家们发现，造父变星比他们认为的还要变化多端；造父变星可以分为两类，而不是一类。于是，他们重新进行计算，得出宇宙新的年龄大约为70亿年到200亿年--不是特别精确，但至少相当古老，终于可以把地球的形成涵盖其中。 在此后的几年里，爆发了一场旷日持久的争论，一方是哈勃在威尔逊山天文台的继承人阿伦?桑德奇，另一方是法国出生的、得克萨斯大学的天文学家热拉尔?德?沃库勒。桑德奇经过几年的精心计算以后，得出哈勃常数的值为50，宇宙的年龄为200亿年。沃库勒同样很有把握，哈勃常数为100。1这意味着，宇宙的大小和年龄只有桑德奇认为的一半--100亿年。1994年，情况突然变得更不确定，加利福利亚州卡内基天文台的一个小组根据哈勃天文望远镜的测量结果，提出宇宙的年龄只有80亿年--连他们也承认，这个年龄比宇宙里某些恒星的年龄还要小。2003年2月，一个来自美国国家航空和航天局及马里兰州高达德太空飞行中心的小组，利用一种名叫威尔金森微波各向异性探测器的新型卫星，信心十足地宣布，宇宙的年龄为137亿年，误差1000万年左右。事情被搁置下来，至少在一段时间里。 若要作出最后的定论，难度确实很大，因为往往有很大的解释余地。想像一下，你夜间站在一片空地上，想要确定远处两盏电灯之间的距离。如果使用比较简单的天文学工具，你很容易确定两个灯泡的亮度一样，以及一个灯泡要比另一个灯泡远50％的距离。但是，你无法确定的是，较近的那盏灯，比如是37米以外的那个58瓦的灯泡，还是36.5米外的那个61瓦的灯泡。此外，你还必须考虑到由几个原因造成的失真：地球大气的变化，星际尘埃，背景恒星对光的污染，以及许多别的因素。因此，你的计算结果势必是以一系列嵌套的假设为基础的，其中任何一个都可能引起争议。还有一个问题：使用天文望远镜总是代价很高，在历史上，测量红移要长时间使用天文望远镜，令人注目地花钱很多。很可能要花上整整一个夜晚才能获得一张底片。结果，天文学家不得不（或者愿意）根据少得可怜的证据就下了结论。在宇宙学方面，正如记者杰弗里?卡尔指出的，我们"在鼹鼠丘似的证据上建立起大山似的理论"。或者像马丁?里斯说的："我们目前的满足（于我们的认识状态）也许反映了数据的匮乏，而不是理论的高超。"第十一章 马斯特?马克的夸克(4) 顺便说一句，这种不确定状态适用于比较近的东西，也适用于遥远的宇宙边缘。当天文学家说M87星系在6000万光年以外的时候，正如唐纳德?戈德史密斯说的，他们其实是在说它大约在4 000万-9000万光年之间--二者不完全是一码事。大宇宙里的事情自然是被夸大的。有鉴于此，我们目前有关宇宙最好的估计似乎是120亿-135亿年之间，但距离意见一致还差得很远。 近来有人提出了一种很有意思的理论，认为宇宙根本没有我们原来以为的那么大；我们凝望远方所看到的有些星系，也许只是映像，是反射的光产生的重像。 实际上，还有很多东西我们不知道，甚至在很基本的层面上--至少不知道宇宙是怎么构成的。当科学家们计算使东西保持在一起所需的物质的量的时候，结果总是发现远远不够。宇宙的至少90％，也许多达99％，似乎是由弗里茨?兹维基认为的"暗物质"组成的--那种生性我们看不见的东西。我们生活在一个多半连看都看不见的宇宙里，而却毫无办法，想到这一点真让人觉得有点儿不是滋味。至少有两个主要嫌疑的名字受到注意：据说，它们不是"WIMP"（"弱互相作用大质量粒子"，即大爆炸留下的看不见的微小物质），就是"MACHO"（"晕状大质量致密天体"，实际上只是黑洞、棕色矮星和其他光线很暗的恒星的另一种说法）。 粒子物理学家往往赞成解释为粒子，即WIMP；天体物理学家赞成解释为星体，即MACHO。MACHO一度占了上风，但根本找不到足够的数量，所以风向又转向WIMP--问题是WIMP从来没有发现过。由于它们的相互作用很弱，因此很难识别它们（即使假设它们的存在）。宇宙射线会造成太多干扰。因此，科学家们必须钻到地下深处。在地下一公里的地方，宇宙射线的轰击强度只有地面的百万分之一。但是，即使把这一切都加上去，正如有一位评论家说的："宇宙在决算表上还相差三分之二。"眼下，我不妨把它们称之为"DUNNOS"（某处未知非反射不可测物体）。 近来有迹象表明，宇宙的星系不仅在离我们远去，而且离去的速度越来越快。这与人们的期望是背道而驰的。看来宇宙不仅充满暗物质，而且充满暗能量。科学家们有时将这称之为真空能或第五元素。无论如何，宇宙似乎在不断膨胀，谁也说不清这是什么道理。有理论认为，空空荡荡的太空其实并不空空荡荡--物质和反物质的粒子在不停地产生和消失--是它们在把宇宙以越来越快的速度往外推移。令人不可思议的是，解决这一切的恰恰是爱因斯坦的宇宙常数--他为了驳斥关于宇宙在不断膨胀的假设而在广义相对论里顺便引入的，也是他自称是"我一生中最大的失误"的那个小小的算式。现在看来，他毕竟还是对的。 归根结底，我们生活在一个宇宙里，它的年龄我们算不大清楚；我们的四周都是恒星，它们到我们的距离以及它们彼此之间的距离我们并不完全知道；宇宙里充满着我们无法识别的物质；宇宙在按照物理学定律运行，这些定律的性质我们并不真的理解。 以这样的一种很不确定的基调，让我们再回到地球，考虑一下我们确实理解的东西--虽然到目前为止，要是你听到我们并没有完全理解它这类话，你也许不会再感到吃惊--以及我们长期以来不理解而现在理解了的东西。第十二章 大地在移动(1) 1955年，阿尔伯特?爱因斯坦办了生前最后一件专业方面的事--为一本书写了个短小而生动的前言。该书的题目是《移动的地壳：解答地球科学中的一些问题》，作者是一位名叫查尔斯?哈普古德的地质学家。哈普古德在书里坚决驳斥了关于大陆在漂移的观点。他以逗大家与他一起发笑的口气指出，少数容易上当受骗的人认为"有些大陆的形状显然吻合" 。他接着说，似乎"南美洲可以和非洲拼在一起，如此等等，有人甚至声称，大西洋两岸的岩石结构完全一致"。 哈普古德先生断然摈弃了任何这类观点，并且指出，地质学家K.E.卡斯特和J.C.门德斯已经在大西洋两岸进行了大量实地考察，毫无疑问地确定这些相似之处压根儿就不存在。天知道卡斯特和门德斯两位先生考察了哪些地方，因为大西洋两岸的许多岩石结构确实是一样的--不仅非常类似，而且完全一样。 无论是哈普古德先生，还是那个年代的许多别的地质学家，这个观点怎么也听不进去。 哈普古德提到的理论，最初是由一位名叫弗兰克?伯斯利?泰勒的美国业余地质学家在1908年提出来的。泰勒出生于一个富裕家庭，既有足够的财力，又不受学术约束，可以按照不同寻常的办法来从事研究。他突然发现，非洲海岸与对面的南美洲海岸的形状十分相似。根据这个观察结果，他提出了大陆曾经到处滑动的见解。他提出--结果证明很有先见之明地提出--几块大陆轰然撞在一起，形成了世界上的山脉。不过，他没有拿出多少证据，该理论被认为不切实际，不值得予以重视。 然而，在德国，有一位理论家接受了泰勒的观点，而且予以高度重视。他就是马尔堡大学的气象学家阿尔弗雷德?魏格纳。魏格纳考察了许多植物和化石的反常现象，那些现象无法纳入地球历史的标准模型。他认识到，要是用常规的方法来加以解释，那简直说不通。动物化石不断在海洋两岸出现，而海洋很宽，动物显然是游不过去的。他心里转念，有袋动物是怎么从南美洲跑到澳大利亚去的？为什么同样的蜗牛出现在斯堪的纳维亚半岛和新英格兰？你怎么说明煤层和其他亚热带残迹会出现在斯匹次卑尔根群岛这样的寒带地区，如果它们不是以某种方式从气候较热的地方迁移过来的话？ 魏格纳提出了一种理论，认为世界上的大陆原先属于一个陆块，他称其为"泛大陆"，植物群和动物群可以混杂在一起；只是到了后来，联合古陆才裂成几块，漂移到现在的位置。他写了《海陆的起源》一书来阐述他的观点。1912年，该书以德文出版--尽管两年后爆发了第一次世界大战--三年以后又出版了英文本。 由于战争，魏格纳的理论起初没有引起多大注意。但是，他在1920年出版了修订本，并进行了扩充，它很快成了人们讨论的话题。大家都认为，大陆在移动--不是左右移动，而是上下移动。垂直移动的过程，即所谓的地壳均衡，是几代人地质信念的一个基础，虽然谁也提不出令人信服的理论来解释它是怎么发生的，或为什么发生。有一种见解直到我上小学时还在教科书里出现过，那就是在世纪之交由奥地利人爱德华?休伊斯提出的"云莓干"理论。该理论认为，随着灼热的地球冷却下来，它皱缩成云莓干的模样，创建了海洋和山脉。 且不说詹姆斯?赫顿早就说过：真是这样一种静止的安排的话，由于侵蚀作用夷平了凸处，填平了凹处，地球会成为一个毫无特色的球体。卢瑟福和索迪在20世纪初还指出了另一个问题：地球蕴藏着巨大的热量--巨大得根本谈不上休伊斯所说的冷却和皱缩。无论如何，要是休伊斯的理论真是正确的话，山脉就会在地球表面上分布得很均匀，而实际情况显然不是那样的；年龄也会差不多一样，而到20世纪初，情况已经一清二楚，有的山脉（比如乌拉尔山脉和阿巴拉契亚山脉）要比别的山脉（比如阿尔卑斯山脉和落基山脉）古老几亿年。提出一种新的理论的时机显然已经成熟。不幸的是，地质学家们不希望把这个任务交给阿尔弗雷德?魏格纳来完成。 首先，他的观点很激进，对他们学科的基础提出了质疑，不大可能在听众中产生多大热情。这样的一种挑战即使来自一位地质学家，也会是相当痛苦的，而魏格纳没有地质学的背景。天哪，他是一位气象学家，一名气象员--德国的气象员。这个缺陷是无法弥补的。 所以，地质学家们想方设法要驳斥他的证据，贬低他的见解。为了回避化石分布的问题，他们就架起古代"陆桥"，只要那里需要。当发现一种名叫"三趾马"的古马同时生活在法国和美国佛罗里达州的时候，一座陆桥就在大西洋上架起来了。当发现古代的貘同时存在于南美洲和东南亚，他们又架起了一座陆桥。过不多久，史前海洋的地图上几乎到处都是假想的陆桥--从北美洲到欧洲，从巴西到非洲，从东南亚到澳大利亚，从澳大利亚到南极洲。这种鬈须状的连接物出现得很快，只要需要，把一种生物从一个大陆搬到另一个大陆，消失得也很快，最后就无影无踪了。当然，这种东西没有一丝一毫的根据--是大错特错的。 然而，在此后的半个世纪里，它是地质学的正统观念。 有的事情，即使陆桥也无法解释。人们发现，有一种在欧洲很著名的三叶虫在纽芬兰也生活过--但只是在该岛的一侧。谁也无法令人信服地解释，三叶虫怎么能跨越3000公里的汹涌大海，却又绕不过那个300公里宽的岛角。另一种三叶虫的情况更是反常，它出现在欧洲和美国西北部的太平洋沿岸，而中间地带却不见踪影。这与其说需要一座陆桥，不如说需要一座立交桥。然而，直到1964年，《大英百科全书》在讨论各种不同的理论时，倒是把魏格纳的理论说成是"充满了许多严重的理论问题"。魏格纳犯过错误，这点不假。他断言格陵兰岛在以每年大约1.6公里的速度向西漂移，这完全是胡说八道。（更可能是1厘米。）尤其是，他对大陆移动不能作出有说服力的解释。若要相信他的理论，你不得不承认大陆不知怎的像农犁耕地那样被推过坚实的地壳，而又没有在后面留下犁沟。根据当时的认识，无法解释是什么力驱动了这样大规模的移动。第十二章 大地在移动(2) 英国地质学家阿瑟?霍姆斯曾为确定地球的年龄作出了很大贡献。这次又是他提出了一种看法。霍姆斯是知道辐射热会在地球内部产生对流的第一位科学家。从理论上说，这种对流可能力量很大，能使大陆平面滑动。1944年，霍姆斯首次出版了一本深受欢迎、很有影响的教材《物理地质学原理》。在这本书里，他提出了大陆漂移学说。该理论的许多基本原则今天依然盛行。它在当时仍是一种很激进的见解，受到了许多人的批评，尤其在美国。美国人抵制漂移学说的时间比别处要长。有一位美国评论家发愁地说，霍姆斯论点清楚，令人信服，学生们慢慢会信以为真。他的话毫无挖苦之意。然而，在别处，新理论受到了坚决的同时又是谨慎的支持。1950年，英国科学促进协会在年会上进行了一次表决，表明大约半数代表现在已经欣然接受了大陆漂移的观点。（过不多久，哈普古德引用了这个数字作为一个证据，证明英国地质学家已经多么可悲地误入歧途。）有意思的是，霍姆斯本人有时候对自己的看法也有点动摇。1953年，他承认："对于大陆漂移学说，我从来没有摆脱过一种令人不安的反感；在作为地质学家的骨子里，恕我直言，我觉得这个假设是个荒唐的假设。" 大陆漂移学说在美国不是完全无人支持。哈佛大学的雷金纳德?戴利就为它辩护。但是，也许你还记得，他就是提出月球是由一次宇宙撞击形成的那位先生。人们往往认为他的看法很有意义，甚至很有价值，但有点儿华而不实，因此不值得认真考虑。因此，大多数美国学者坚持认为，大陆向来就在现在的位置，它们的表面特征可以归因于侧向移动之外的原因。 有意思的是，石油公司的地质工作者多年来已经知道，要想找到石油，你不得不考虑的正是板块构造所必然包含的这种表面移动。但是，石油地质工作者不写学术论文。他们只找石油。 地球理论还有一个谁也没有解决过的，或接近于解决过的问题。那就是，这么多沉积物都上哪里去了？地球上的江河每年要把大量被侵蚀的材料--比如，5亿吨钙--带进大海。要是你把这一过程的年数乘以沉积速度，你就会得出一个惊人的数字：海底应该有一层大约20公里厚的沉积物--或者换一种说法，海底现在应该远远高出海面。科学家们以最简单的办法来对付这个不可思议的问题--不予理会。但是，终于到了一个时刻，不理会已经不行了。 第二次世界大战期间，普林斯顿大学的矿物学家哈里?赫斯负责指挥一条攻击运输舰"约翰逊角"号。舰上配有一台高级的新型测深器，名叫回声测深仪，以便在海滩登陆过程中操作更加方便。但是，赫斯意识到，这台仪器也可以用于科学目的，因此即使到了远海，即使在战斗最激烈的时候，也从不关掉。他的发现完全出人意料。如果海底像大家认为的那样很古老，那么就该有一层厚厚的沉积物，就像河底或湖底的淤泥那样。但是，赫斯的测量结果表明，海底只有一层又黏糊又平滑的古代泥沙。那里到处都是悬崖、沟壑和裂缝，还有星罗棋布的海底火山，即平顶海山。他称其为盖约特，以纪念早年普林斯顿大学的地质学家阿诺德?盖约特。这一切都是个谜，但赫斯的任务是打仗，他便把这些想法搁置脑后了。 战争结束以后，赫斯回到普林斯顿，主要从事教学工作，但海底之谜仍在他的脑海里占有一席之地。与此同时，在整个20世纪50年代，海洋学家对海底的考察日渐深入。在此过程中，他们发现了一件更加出人意料的事：地球上最雄伟、最大的山脉是在--主要部分是在--水下。它沿着世界的海床不断延伸，犹如网球上的花纹。要是从冰岛开始向南进发，你顺着这山脉可以抵达大西洋的中心，然后绕过非洲底部，越过印度洋和南太平洋，进入澳大利亚下方的太平洋；接着，它从斜里穿越太平洋，仿佛要去加利福尼亚半岛，实际上突然隆起，成为美国本土到阿拉斯加的西海岸。偶尔，它的山峰戳出水面，形成海岛或群岛--比如，大西洋上的亚速尔群岛和加那利群岛、太平洋上的夏威夷群岛，但大部分淹没在几公里深的海水下面，无人知晓，无人想到。如果把所有的支脉加在一起，该山脉总长达75000公里。 在一段时间里，人们对这些知之甚少。19世纪铺设海底电缆的人已经发现，大西洋中部有山脉妨碍电缆的走向，但山脉的连贯性质和整体范围完全出乎人们意料。而且，它的形状很不规则，难以解释。在大西洋中部那座山冈的中段，下面有个峡谷--一条裂缝--宽达20公里，全长19000公里。这似乎表明，地球在沿着裂缝裂成两半，就像果仁爆裂出壳那样。这种看法荒诞不经而又扰乱人心，但那种迹象是不可否认的。 接着，1960年，岩心样品显示，大西洋中部海底的山脊还相当年轻，但由此向东或由此向西，却变得越来越古老。经过考虑，哈里?赫斯觉得那种情况只有一种意思：新的海底地壳正在中央裂缝的两侧形成，然后被后面随即产生的更新的地壳向外推开。大西洋洋底实际上是两条大的传送带，一条把地壳传向北美洲，一条把地壳传向欧洲。这个过程后来被称之为海底扩展。 地壳抵达与大陆交界处的终点以后，又突然折回地球内部，这个过程称之为潜没。该学说解释了那么多沉积物的去向。原来，它源源不断地回到了地球的肚子里。该学说还说明了那里的海底都比较年轻的原因。人们发现，那里的海底年龄都不超过1.75亿年。这是个谜，因为大陆上的岩石年龄往往有几十亿年。现在，赫斯终于明白了，海底岩石的存在时间，只是它来到海边所花的时间。这是一种美好的理论，解释了不少事情。赫斯在一篇重要的论文里阐述了他的观点。但是，这些观点几乎没有引起广泛的重视。有时候，世界对好的见解确实缺乏思想准备。第十二章 大地在移动(3) 与此同时，有两位独立开展工作的研究人员，正利用几十年前已经发现的一个有意思的地球史实，获得一些惊人的结果。1906年，法国物理学家贝尔纳?布吕纳发现，这颗行星的磁场不时自行逆转，逆转的情况永久记录在某些正在形成的岩石里。具体来说，岩石里的铁矿石小粒子指向磁极，无论在它们形成之时磁极恰好在哪里，然后在岩石冷却和凝固的过程中永远指着那个方向。实际上，岩石"记住"了自己形成之时磁极的方向。多年来，人们只是觉得这很有意思。但是，在20世纪50年代，伦敦大学的帕特里克?布莱克特和纽卡斯尔大学的S.K.朗科恩研究了凝固在英国岩石里的古代磁场模式，说轻一点也是感到非常吃惊地发现，那些岩石表明，在遥远过去的某个时候，英国曾发生自转，向北移动了一段距离，仿佛是不知怎的脱了缆绳。而且，他们还发现，要是你把一幅欧洲的磁场模式图放在同一时期的美国磁场模式图旁边，二者完全合拍，就像是一封被撕成两半的信。这有点儿怪。他们的发现也没有引起注意。 最后，是剑桥大学的两个人把这些线头拢到一起。一位是地质学家德拉蒙德?马修斯，另一位是他的一名研究生，名叫弗雷德?瓦因。他们利用对大西洋海床的磁场的研究成果，很有说服力地表明，海床正以赫斯所推测的方式不断扩展，而且大陆也在移动。加拿大地质学家劳伦斯?莫雷很倒霉，他在同一时间得出了同一结论，但找不到人发表他的论文。《地球物理研究杂志》的编辑对他说："这些推测拿到鸡尾酒会上去当做聊天资料倒还挺有意思，但不该拿到一份严肃的科学杂志来发表。"这件事成了一个冷落他人的著名例子。有一位地质学家后来把它描述成"很可能是有史以来被拒绝发表的最有意义的地球科学论文"。 无论如何，提出地壳移动的观点的时刻终于来到了。1964年，该领域许多最重要的人物出席了由英国皇家学会在伦敦主办的研讨会。突然之间，好像人人都改变了观点。会议一致认为，地球是一幅由互相连接的断片组成的镶嵌画。它们挤挤搡搡的样子说明了地球表面的许多现象。 过不多久，"大陆漂移"的名字便被弃之不用，因为人们意识到，在移动的不光是大陆，而是整个地壳。但是，过了一段时间才为那些断片确定了名字。起先，人们称其为"地壳积木"，有时候还称其为"铺路石"。直到1968年末，三名美国地震学家在《地球物理研究杂志》发表了一篇论文，那些断片才从此有了现在的名字：板块。同一篇文章称这种新断片为"板块构造"。 旧的思想很难咽气，不是人人都马上接受那种激动人心的新理论。直到20世纪70年代，一本深受欢迎而又影响很大的、由德高望重的哈罗德?杰弗里斯撰写的地质学教材，还像1924年初版时那样，坚持认为板块构造学说在物理上不能成立。它同样不承认对流理论和海床扩展理论。在1980年出版的《海洋与山脉》一书中，约翰?麦克菲指出，即使到了那个时候，每8名美国地质学家中仍有1名不相信板块构造学说。 今天，我们知道，地球表面是由8-12个大的板块（取决于你怎么界定大小）组成的；它们都在以不同的速度朝不同的方向移动。有的板块很大，不大活跃；有的很小，但能量很大。它们与所在陆块只有一种附带关系。比如，北美板块比跟它有关的大陆要大得多。它大致沿着该大陆的西海岸伸展（由于板块边界上的磕磕碰碰，因此那个地区经常发生地震），但与东海岸完全没有关系，而是越过大西洋的一半路程，抵达大西洋中部的山脊。冰岛从中间一分为二，在板块上一半属于美洲，一半属于欧洲。与此同时，新西兰是巨大的印度洋板块的组成部分，虽然这个国家远离印度洋。大多数板块都是这种情况。 人们发现，现代陆块和古代陆块之间的关系，比想像的要复杂得多。哈萨克斯坦原来一度与挪威和新英格兰相连。斯塔腾岛的一角，仅仅是一角，属于欧洲。部分纽芬兰也是。在马萨诸塞州的海滩拾起一块石头，你会发现它最近的亲属如今在非洲。苏格兰高地以及斯堪的纳维亚半岛的很多地区，有相当部分属于美洲。据认为，南极洲的沙克尔顿山脉的有些地区可能一度属于美国东部的阿巴拉契亚山脉。总之，岩石是会来来往往的。 由于连续不断的动荡，这些板块不会合成一个静止的板块。如果大体上按照目前的情况发展下去，大西洋最终会比太平洋大得多。加利福尼亚州的很大一部分将漂离大陆，成为太平洋里的马达加斯加岛。非洲将朝北向欧洲推进，把地中海挤出局去，在巴黎和加尔各答之间隆起一座雄伟的喜马拉雅山脉。奥地利将与北面的海岛连成一片，隔着一条狭长的地峡与亚洲相望。这些都是未来的结果，不是未来的事情。事情现在已在发生。我们在这里坐着的时候，大陆正在漂动，就像池塘里的一片叶子那样。多亏有了全球定位系统，我们可以看到欧洲和北美洲正以指甲生长的速度--大约以人的一生两米的速度--渐渐远离。要是你愿意久等的话，你可以从洛杉矶一直乘到旧金山。只是因为人的寿命太短，我们才无法享受这种变化。要是你看一眼地球仪，你看到的其实只是一张快照，记录着大陆在地球史的千分之一时间里的状态。第十二章 大地在移动(4) 在岩质行星中，只有地球才有板块。为什么是这样，这多少是个谜。这不仅是个大小或密度的问题--在这些方面，金星几乎是地球的孪生兄弟，但它没有板块活动。据认为--真的仅仅是认为--板块是地球机体的重要组成部分。正如物理学家兼作家詹姆斯?特雷菲尔所说："如果说构造板块的移动对地球的生命发展没有影响，这是难以想像的。"他认为，构造地质学引发的挑战--比如气候变化--对知识进步是个重要的促进。还有人认为，大陆漂移至少是地球上某些绝种现象的原因。2002年11月，剑桥大学的托尼?迪克森在《科学》杂志上写了一篇报道，强烈认为岩石史和生命史也许有联系。迪克森确认，在过去的50亿年里，世界海洋的化学结构时常突然发生戏剧性的变化；这些变化往往与生物史上的重大事件有关联--比如，大批微生物突然出现，后来形成了英格兰南部海岸的白垩悬壁；寒武纪贝类动物在海洋生物中突然增加；等等。谁也说不清什么原因导致了海洋化学成分不时发生戏剧性的变化。但是，海脊的张开和合拢显然可能是个原因。 无论如何，板块构造学不仅解释了地球的表面动力学--比如，古代三趾马是怎么从法国跑到了佛罗里达，而且还解释了它的许多内部活动。地震、群岛的形成、碳循环、山脉的位置、冰期的到来、生命本身的起源--几乎没有一样不是受这种了不起的新理论的直接影响的。麦克菲指出，地质学家们觉得眼花缭乱，"整个地球突然之间都说得通了"。 但是，只是在某种程度上。以往年代的大陆分布并不像大多数非地球物理学界人士认为的那样已经得到很好解决。虽然教科书上好像很有把握地列出了古代的陆块，什么劳拉古陆呀，冈瓦纳大陆呀，罗迪尼亚大陆呀，泛大陆呀，但它们有时候是以不完全能成立的结论为基础的。乔治?盖洛德?辛普森在《化石与生命史》中指出，古代世界的许多种动植物出现在不该出现的地方，而却没有出现在该出现的地方。 冈瓦纳大陆一度是一块很大的陆块，连接澳大利亚、非洲、南极洲和南美洲。它的版图在很大程度上是根据古代一种名叫石苇的舌羊齿属植物的分布确定的。石苇在该发现的地方都有发现。然而，很久以后，世界的其他地方也发现了舌羊齿属植物，那些地方跟冈瓦纳大陆并不相连。在很大程度上，这个令人不安的矛盾过去--现在仍然--很大程度上被忽略了。同样，一种名叫水龙兽的三叠纪爬行动物从南极洲到亚洲都有发现，但据认为这两个地方在同一时间曾经属于同一大陆。 还有许多地面特征构造地质学无法解释。以美国科罗拉多州丹佛为例。大家知道，这个地方海拔1500米，但那个高度是近来才有的事。在恐龙漫步地球的年代，丹佛还是海底的组成部分，在几千米深的海水底下。然而，丹佛底下的岩石没有磨损，没有变形。要是丹佛是被互相撞击的板块托起来的话，情况不该是这样。无论如何，丹佛离板块的边缘很远，不可能受到它们的作用。这就好比你推一下地毯边缘，希望在对面的一端产生一个褶皱。在几百万年时间里，丹佛好像一直在神秘地上升，就像烤面包那样。非洲南部的许多地区也是这样。其中有一片1600公里宽的地方，在1000万年里隆起了大约1.5公里，而据知没有任何有关的构造活动。与此同时，澳大利亚却在渐渐倾斜、下沉。在过去的1000万年里，它一方面朝北向亚洲漂移，另一方面它的主要边缘下沉了将近200米。看来，印度尼西亚在慢慢地没入水中，而且拖着澳大利亚一起下去。构造理论根本无法解释这些现象。 阿尔弗雷德?魏格纳没有活到看到自己的思想证明是正确的。1930年，他在50岁生日那天独自一人出发去格陵兰岛探险，检查空投的补给品。他再也没有回来。几天以后，有人发现他冻死在冰面上。他被埋在那里，至今还在那里长眠，只是比他死的那天离北美洲近了大约1米。 爱因斯坦也没有活着看到自己支持了错误的一方。他1955年死于新泽西州的普林斯顿，实际上是在查尔斯?哈普古德发表"胡说八道"的大陆漂移理论之前。 提出构造理论的另一个主要人物哈里?赫斯当时也在普林斯顿，将在那里度过他的余生。他的一位学生是个聪明的年轻人，名叫沃尔特?阿尔瓦雷斯，他最终将以完全不同的方式改变科学界。 至于地质学本身，大变革还刚刚开始，年轻的阿尔瓦雷斯为启动这个过程发挥了作用。天天读书网（www.book.d78i.com）整理
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