第九章 威力巨大的原子(1)

當愛因斯坦和哈勃在弄清宇宙的大尺度結構方面成果累累的時候，另一些人在努力搞懂近在手邊的而從他們的角度來看又是非常遙遠的東西：微小而又永遠神秘的原子。加州理工學院偉大的物理學家理查德·費曼有一次發現，要是你不得不把科學史壓縮成一句重要的話，它就會是："一切東西都是由原子構成的。"哪裏都有原子，原子構成一切。你四下里望一眼，全是原子。不但牆壁、桌子和沙發這樣的固體是原子，中間的空氣也是原子。原子大量存在，多得簡直無法想像。原子的基本工作形式是分子（源自拉丁文，意思是"小團物質"）。一個分子就是兩個或兩個以上以相對穩定的形式一起工作的原子：一個氧原子加上兩個氫原子，你就得到一個水分子。化學家往往以分子而不是以元素來考慮問題，就像作家往往以單詞而不是以字母來考慮問題一樣，因此他們計算的是分子。分子的數量起碼可以說是很多的。在海平面的高度、零攝氏度溫度的情況下，一立方厘米空氣（大約相當於一塊方糖所佔的空間）所含的分子多達4500億億個。而你周圍的每一立方厘米空間都有這麼多分子。想一想，你窗外的世界有多少個立方厘米--要用多少塊方糖才能填滿你的視野。然後再想一想，要多少個這樣的空間才能構成宇宙。總而言之，原子是很多的。原子還不可思議地長壽。由於原子那麼長壽，它們真的可以到處漫遊。你身上的每個原子肯定已經穿越幾個恆星，曾是上百萬種生物的組成部分，然後才成為了你。我們每個人身上都有大量原子；這些原子的生命力很強，在我們死後可以重新利用；在我們身上的原子當中，有相當一部分--有人測算，我們每個人身上多達10億個原子--原先很可能是莎士比亞身上的原子，釋迦牟尼、成吉思汗、貝多芬以及其他你點得出的歷史人物又每人貢獻10億個原子。（顯然非得是歷史人物，因為原子要花大約幾十年的時間才能徹底地重新分配；無論你的願望多麼強烈，你身上還不可能有一個埃爾維斯·普雷斯利的原子。）因此，我們都是別人轉世化身來的--雖然是短命的。我們死了以後，我們的原子就會天各一方，去別處尋找新的用武之地--成為一片葉子或別的人體或一滴露水的組成部分。而原子本身實際上將永遠活下去。其實，誰也不知道一個原子的壽命，但據馬丁·里斯說，它的壽命大約為1035年--這個數字太大，連我也樂意用數學符號來表示。而且，原子很小--確實很小。50萬個原子排成一行還遮不住一根人的頭髮。以這樣的比例，一個原子小得簡直無法想像。不過，我們當然可以試一試。先從1毫米着手，就是這麼長的一根線：－。現在，我們來想像一下，這根線被分成了寬度相等的1000段。每一段的寬度是1微米。這就是微生物的大小。比如，一個標準的草履蟲--一種單細胞的淡水小生物--大約為2微米寬，也就是毫米，它確實小得不得了。要是你想用肉眼看到草履蟲在一滴水裏游，你非得把這滴水放大到12米寬。然而，要是你想看到同一滴水裏的原子，你非得把這滴水放大到24公里寬。換句話說，原子完全存在於另一種微小的尺度上。若要知道原子的大小，你就得拿起這類微米大小的東西，把它切成10000個更小的東西。那才是原子的大小：1毫米的千萬分之一．這麼小的東西遠遠超出了我們的想像範圍。但是，只要記住，一個原子對於上述那條1毫米的線，相當於一張紙的厚度對於紐約帝國大廈的高度，它的大小你就有了個大致的概念。當然，原子之所以如此有用，是因為它們數量眾多，壽命極長，而之所以難以被察覺和認識，是因為它們太小。首先發現原子有三個特點--即小、多、實際上不可毀滅--以及一切事物都是由原子組成的，不是你也許會以為的安托萬－洛朗·拉瓦錫，甚至不是亨利·卡文迪許或漢弗萊·戴維，而是一名業餘的、沒有受過多少教育的英國貴格會教徒，名叫約翰·道爾頓發現的，我們在第七章里第一次提到過他的名字。道爾頓的故鄉位於英國湖泊地區邊緣，離科克默思不遠。他1766年生於一個貧苦而虔誠的貴格會織布工家庭。（4年以後，詩人威廉·華茲華斯也來到科克默思。）他是個聰明過人的學生--他確實聰明，12歲的小小年紀就當上了當地貴格會學校的校長。這也許說明了道爾頓的早熟，也說明了那所學校的狀況，也許什麼也說明不了。我們從他的日記里知道，大約這時候他正在閱讀牛頓的《原理》--還是拉丁文原文的--和別的具有類似挑戰性的著作。到了15歲，他一方面繼續當校長，一方面在附近的肯達爾鎮找了個工作；10年以後，他遷往曼徹斯特，在他生命的最後50年裏幾乎沒有挪動過。在曼徹斯特，他成了一股智力旋風，出書呀，寫論文呀，內容涉及從氣象學到語法。他患有色盲，在很長時間裏色盲被稱做道爾頓症，因為他從事這方面的研究。但是，是1808年出版的一本名叫《化學哲學的新體系》的厚書，終於使他出了名。在該書只有4頁的短短的一章里（該書共有900多頁），學術界人士第一次接觸到了近乎現代概念的原子。道爾頓的見解很簡單：在一切物質的基部，都是極其微小而又不可還原的粒子。"創造或毀滅一個氫粒子，也許就像向太陽系引進一顆新的行星或毀滅一顆業已存在的行星那樣不可能。"他寫道。