理论上任何物质都是可以无限地分割的。比如一根铅笔,你把它从中间折断,折断后所余下的两段又可以再从中间折断,你可以不停地分割下去。这个分割的过程一旦开始,你就不可能停下来,因为不管每一段有多短小,它依然是实际存在的物质,而只要是物质就必然可以被拦腰劈成两半。   

   所有物质都可以无限分割只是一种理论上的假设,在意念上——也仅仅只是在意念上它才是正确的。没有谁能够把物质无休止地分割下去,因为找不出那样薄的刀片,而人的眼睛也看不清太小的东西(能够将物体无限地放大的显微镜还没有制造出来,估计是永远也造不出来了)。当然,也不是说但凡大的东西人眼就一定都看得清楚,就象有个相声小段里说的那样:“远看象头驴,近看不是驴。走到跟前一看——死驴。”当然,这里面有艺术加工的成份,确实有些夸张。       “分割”是一种非常粗暴的行为,常常带有破坏性。当你分割一头牛后,它再也不能喷着响鼻站在牛圈里吃草,也不能下地干活,只能拿到熙熙攘攘的市场上任人挑选,最后可能会变成你今天中午吃的一碗牛肉面。与分割不同,远在古代就有人通过观察发现很多物质自然就能分解成细微的组成部分。比如空气,尽管看不见,但是它能飞沙走石,也能在我们的身体里进进出出,让我们活着感觉到它必定是以非常微小的颗粒组成。再比如糖块,平时它是固体,硬硬的,即便是碾成粉末,那也是看得见的小颗粒。但如果将它丢进水里,它就会消失得无影无踪。当水蒸发掉之后,又变成了可以用手捏起来的糖(真是奇怪,连味道都没变)。这意味着,象类似于糖这样的东西应该是由非常细小的微粒组成的,这些微粒太小,人的眼睛看不见。   

   事实上,不仅仅是空气和糖,世界上所有的东西都是由肉眼看不见的微粒组成的,包括你自己和你现在正在看的这本书。再重申一次,“组成”和“分割”是不同的,“组成”意味着某种东西是由另外一些东西相互结合在一起形成的,就好比一支铅笔,它是由铅笔芯、圆木组成,它们都能单独存在,并有各自的用处。   那么,组成所有物质的最小微粒究竟是什么呢?不同的人有不同的回答,下面就是一些答案:          父亲:噢?好小子,你居然想到了这个问题……去问你的老师吧!    母亲:我已经够忙的了,你能不能去干点别的?    同事:大哥,你是不是小学没毕业啊?!    我的女儿:zzzzzzzzzzzzzzzzzdgvvn8jfggggggggggN M FV(我一岁半的女儿显然希望通过电脑键盘用长篇大论来发表她的观点,但是我只保留了第一行,因为我觉得这一行对于阐明她的理论来说已经足够充分了)    物理老师:物质都是由原子组成的。物质不同,组成它的原子也不同。     

     这难道就是结论吗?   

   不要去责怪你的父母,毕竟,他们能够把你养这么大,让你学知识靠的可不是这个。   

   在古代没有原子的概念,但只要思想是一样的,采用什么表达方式和什么术语都无所谓。在国内,这种思想可以追溯到春秋战国时代;而在西方,第一个具有这种思想的人则是古希腊的德谟克里特。

  德谟克里特绝对是一个伟大的人。但是,哎呀,但凡伟大的人都很奇怪。这个败家的人游历过很多地方,为的是增长见识,开阔视野(而他的确见多识广,生性乐观豁达)。他到过的地方很多,甚至远到埃及、印度等等这些地方他都去过,就这样花光了祖上留给他的大量财产,活生生地证明了“知识就等于金钱”这句话果然不假,千真万确。   

   德谟克里特活着的时候距离我们现在足足有两千多年。那个时代好象没有什么好发明的,伟大的人通常都以伟大的思想见长。他研究过很多东西,包括数学、动物解剖、社会伦理、政治和教育等等,也写过不少作品,但遗憾的是大都失传了。他的很多思想(比如关于原子的思想)对后世产生了很大影响,连马克思都称赞他是“有经验的自然科学家和希腊人中第一个百科全书式的学者”。但是我想马克思决不会称赞他在如何对待女性方面的言论,老实说,他在这方面的观点实在很成问题:     

     女人不应该动口舌,因为这是很危险的。  

  接受一个女人的命令,对一个男人来说是最大的侮辱。   

      在当时,男人们无疑会张开双臂欢迎和支持这样的观点,而女人们好象也不太敢吭声。要搁现在,他的头肯定会被愤怒的女性朋友们打得起包。       在他关于原子的思想里,整个世界只有两样东西:原子和除了原子之外的“什么也没有”,也就是所谓的“虚空”。原子是不可再分的,它组成了五颜六色、形态各异的世间万物,而且它们都待在虚空里。  

     注意,这基本上符合我们的直觉,因为你的目光所及之处,差不多就是他所说的“有”和“没有”。尤其可贵的是,他还意识到原子在数量上是无限多的,万物之所以各不相同,是因为组成它们的原子在数量、形态和排列方式上存在着差异。德谟克里特关于原子的思想在很大程度上是错误的,但是,哎呀,他生活在什么时代,再看看你自己又生活在什么时代,特别是你还能知道他、记住他,这很能说明问题。   

   显然,用原子的眼光来看待周围的生活是很奇特的:我们都由原子组成,放眼望去,哪里都是原子。人们吃原子、喝原子、享受原子,甚至有些不文明的人在公共场所随地吐原子——当然,这实际上是由数不清的原子形成的特殊物质,也就是我们平时称之为“痰”的东西。但是,你大可不必惊恐到这样的程度:连吃东西的时候都不敢用力嚼,生怕原子们被你咬疼。事实上,无论你怎样粗暴地对待它们都没有关系,因为它们没有生命。   

   德谟克里特之所以非常有名气,很大一部分原因是他那朴素的原子思想和现代的科学发现比较接近。但是在他活着的时候,大部分人对他的说法持怀疑态度。不过这还算好的,要说糟的,那就是他也拥有很多敌人,这些人反对他的说法,觉得这完全是胡说八道。用他们的话说,德谟克里特是一个疯子,出生于“盛产白痴的阿布德拉①”。真正完整意义上的、科学的原子理论,是在18世纪的时候由一个名叫道尔顿的人来完成的。  

 [注:① 阿布德拉是位于希腊北部的一个城市。]  

道尔顿的故乡在英国,他1766年出生于一个清贫的织布工家庭,惟一的优势就是——用一些传记作家的话来说——从小就聪明过人,12岁的小小年纪就当上了当地一所小学的校长。不过同时作家也不无疑惑地写道:“这也许说明了道尔顿的早熟,也说明了那所学校的状况,也许什么也说明不了。”   

   道尔顿患有色盲症——也就是不能象正常人那样分辨颜色的疾病,比如会将红色看成黑色。他是当时基督教新教的一个派别——贵格会的教徒,每次去做祈祷的时候都穿着色彩鲜亮的红色长袍,作为一名保守、稳重的贵格会成员,这是极不恰当的。道尔顿不是精神病,所以他意识到自己在色彩分辨上存在问题。       这种毛病不会要人的命,但却让人觉得烦恼。想想看,如果有一天你在厨房里一不小心把手指当成豆角给切个小口子,而你恰好又不知道自己患了色盲症,在发现自己的血液竟然颜色发黑的时候,你该是多么地惊恐啊。尽管极少有人知道,但是色盲症事实上还有另一个名称:道尔顿症。这是因为道尔顿自己就是个色盲,一般来说,人类总是倾向于热心研究发生在自己身上的各种怪异之事,于是他就这么干了,而且是第一个研究色盲的人。   

   1808年,道尔顿写了一本叫做《化学哲学的新体系》的书,这本书足足有900多页,终于使他出了名。在这本书的前头,说明了差不多是现代概念上的原子。没有人能创造原子,它一直就存在着,从世界开始的那一天。“创造或者毁灭一个氢原子,”他写道,“也许就象向太阳系引进一颗新的行星或毁灭一颗业已存在的行星那样不可能。”   

   在我们身边有着数不清的东西——简直是数不清,大小不同、形状各异、黑白分明;有的赏心悦目,有的面目可憎;沁人心脾的很多,臭气熏天的也不少。别的不说,光是整个地球上有多少种动植物,也从来没有哪一个人能说得清。很显然,这个五彩缤纷的大千世界是不可能只用同一种类型的原子组成的。在这一点上,但凡知道原子论,并稍具常识的人都能够想到。不过道尔顿的卓越之处在于他研究了这些不同类型原子之间的相对大小以及它们各自的性质(尽管在他那个时代,已经知道的原子类型还很少),以及它们之间相互结合的方法。比如,他当时就认为我们平时喝的水(无论是一碗还是一滴)是由氢原子和氧原子按1:7的比例组成的。他的观点当然并不十分准确,因为我们现在已经知道,这个比例实际上是1:2。   

   道尔顿为人低调,想要远离一切荣誉,但还是违心地捧回一大堆奖章,成了皇家学会的会员,拿了一笔数目可观的政府退休金,人们尊敬地称他为“现代原子理论之父”。为了让后生们多掌握一些科学知识,学校里在考试的时候会出一些填空题,而他的名字就是标准答案。不过在这些耀眼的光环背后也不乏批评的声音,说他弄虚作假。在《背叛真理的人们》这本书里,作者毫不客气地写道:“他发现了许多化合反应的规律,并证明了不同类型原子的存在,但他发表的漂亮结果,现在的化学家没有一个人能够重复做出。”也许这也充分说明了在这世界上,最复杂、最能集矛盾于一身的要算是人类自己了。   

   在道尔顿提出原子理论之后的一个世纪里,它依然是一种假说,因为还没有足够的实验和证据来支持这种理论,甚至有一些杰出的科学家还怀疑原子是不是真的存在,他们声称决不会赞同原子理论,除非“亲眼看到它”。在此期间,也就是19世纪的后几年,不同观点的双方甚至进行过声势浩大的论战,好在只是争论得很激烈,没有使用牙齿、木棍和砖头瓦块。但是在进入20世纪之后,形势发生了根本性的转变,突然在一夜之间,原子理论变得合情合理而又无比亲切。这完全得益于一大群科学家和他们的杰出工作,我很容易就能点出他们中的几个人来:爱因斯坦、卢瑟福和汤姆逊,有的你还相当熟悉。   

   原子不是靠你用小刀就能分割出来的,从世界存在的那个时候它就存在了。从人性的角度上,你现在最想知道的可能就是,原子到底有多大?   

   答案是大约等于一毫米的一千万分之一。要想在头脑中对此有个概念,你可以试着将一毫米放大,一直放大到差不多等于笔直修一条从东到西横贯中国的公路。这时,一个原子的直径差不多就等于在这条公路上行驶的汽车的轮子。       尽管在原子是否存在的问题上所有人都达成了一致,但原子始终还是没办法看见。人们承认它,只是因为有越来越多的实验表明它肯定是存在的。一开始,人们觉得原子有可能是方的,象砌墙用的砖。这听起来似乎有些道理,因为它能很好地解释为什么象金属和钻石这样的东西竟然有那么高的硬度。然而更多的科学家则倾向于认为它更象一个实心球——一个密度很大的固体。  

     时间过得可真快,到20世纪初,人们就已经普遍知道原子并不是个实心球,它实际上还具有更小的组成部分。原子内部绝大部分都是空的,在它的中央有一个非常微小的核心,由数量不等的质子和中子聚集在一起组成,称为原子核。在原子核的外面,是围绕着它的核外电子,简称电子。如图1.1所示。   图1.1

原子和电子
原子和电子

说实在的,对于原子内部的世界是什么样子,大多数时间我们只能依靠想象,这的确是一件遗憾的事情。但是就算你能观察到它,那也会觉得它其实没什么意思:它很空旷,尽管它有一个原子核和一些核外电子,但这些东西相对于原子内部的巨大空间来说实在是太微不足道了。那里基本上没有什么东西,没有餐馆、没有网吧,更没有足球比赛和花果山水帘洞(所以就连孙悟空也可能不愿去,虽然依他的神通来说,到这样的地方应该没问题)。你所能看到的,也许只是电子在离你非常遥远的地方呼啸而过——如果那里有风的话。不过那里当然没有风,也不可能有空气,因为在我们的现实生活中,空气和风实际上也是由原子组成的,而你此时此刻正在原子内部逗留访问。   

   按照传统的说法,核外电子们出没的地点不是随意的——至少不完全是。按照传统的观点,它们都沿着各自的轨道围绕原子核旋转。轨道是一条看不见的路线,就象从长春到北京的飞机每次都要飞过的路线一样,尽管你看不见,但是它确实就在那里,就在你的头顶上,这就是轨道。在原子里,电子的轨道是圆形的,以原子核为圆心。   

   我们知道,原子有很多种,光是你现在看的这本书,它所使用的原子起码就有10来种。看起来这并不算多,要是我告诉你迄今为止人类只发现了百十来种原子的话,你可能会更惊讶——要组成这个五彩缤纷的大千世界,原子们真是太能干了。关于原子们能确切地分为多少种,在这个问题上还一直存在争议。在这百十来种里,天然存在的有九十多种,其它的都是在实验室里人工制造的,而且存在的时间极其短暂,有的不超过千分之一秒,以致于有人甚至怀疑它们是不是真的存在过。总之,科学家们废寝忘食地工作,到目前为止也就发现了这么多。至于还有没有,现在还不知道,谁也不敢说。   

   要想知道物理学家和化学家们都是依据什么来给原子们分类,就得了解原子自身的内部结构。对于所有的原子来说,不管它们相互结合起来能形成什么,是木头、糖果、大白菜还是苍蝇,它们在微观上的结构都是一样的,都是由质子、中子和电子共同组成。   

   既然如此,你可能有理由相信各种原子之间之所以彼此不同,是因为构成它们的电子、质子和中子在某些方面——比如大小——存在着差异,就象我们人类,尽管都是“人”,但是有高有矮,有胖有瘦,特别是在脾气秉性方面简直是千差万别。很不幸,这是非常错误的认识。事实上,所有的电子都是一模一样的,而所有的质子和中子也一样,不管它们在什么地方,属于哪个原子。  

     通常,一个原子不同于另一个原子的原因是它们原子核内的质子数不同。比如,组成氢气的氢原子只有一个质子,是所有原子中最简单的;组成铁丝或铁块的铁原子却有56个质子。前面已经说过,目前已知的原子种类有一百多种,这就意味着,就最复杂的原子来说,其质子数有一百多个。   

   原子的另外一个特点是,在单个原子内部,质子和核外电子在数量上相等,性质相反。用物理学上的话说,“电子带负电荷,质子带正电荷”。听起来好象是在说电子和质子的外表还有一层叫做“电荷”的皮,但实际上不是这样,真正的意思是,电子和质子具有两种截然相反的性质,大体上可以认为电子是“男”的,而质子是“女”的,或者反过来。“电荷”不是一种东西,只是一种属性。它只是一个名词,也许物理学家们真正想说的是“电子是男的,质子是女的”。  

     电荷不是“带”上的,它们是电子和质子生与俱来的属性,我们这样说,是因为在很早以前,那些伟大的探索者一时糊涂说了这样的话,而后来的人一直照搬不误。记住,不要再问为什么电子带负电荷而质子带正电荷,就好比你不能问为什么张三是男人而李四是女人一样。   

   电子和质子性质相反的事实决定了它们之间是彼此吸引的,电子就这样在引力的作用下围绕着原子核忙碌着。正是在这种情况下,电子和原子核保持引力均衡状态,这时候的原子是最适合、最完美和最稳定的。   

   不同的原子具有不同的性质和特点。用一本科普书上的话说,“质子数决定了原子的身份,电子数则决定了原子性情。”但是由于我们一般接触不到单个的原子,所以也就无法确切地感受到这一点。

  我们人类认识事物的方式真是奇特,以致于当说到原子,尤其是意识到原子可能象大多数水果一样是个圆球的时候,我们会很自然地问:原子有皮吗?如果它没有皮或者壳的话,你怎么能知道它是那个样子?  

     原子当然——令人非常失望地——没有皮。我们知道,原子是由核外电子包裹着,而电子们则总是待在自己的轨道里,所以原子的外层边界只能是离原子核最远的那个轨道所在的位置。我们知道,同性相斥、异性相吸,由于电子们都有着相同的属性,所以不可避免地会互相排斥——这也是一种力。这样,当你坐在椅子上的时候,你实际上是“浮”在椅子的表面上,你的原子和椅子的原子并没有真正接触,它们的电子由于互相排斥而使你和下面的椅子保持着千万分之一毫米的距离。同样,当两个物体互相撞击时,它们并不是真正地撞在一起,而是核外电子们在很短的时间里猛烈地互相排斥。   

   本来原子就已经令人觉得不可思议地小了,但是原子核更小。小到什么程度?哎呀,正是因为太小,我们不太知道,但大致可以比划一下:如果你家里的空间是整个原子的话,原子核的位置和大小就相当于在你家的正中央放一只跳蚤。       原子是有分量的。不管它事实上有多小,好歹比什么也没有强——至少它还有那么一丁点儿东西。但是原子内部是那样空,以致于物理学家们最后得出结论说,原子的分量几乎全部集中在原子核上,原子的分量几乎就是原子核的分量。这是什么意思?一根缝衣针不是很重,因为它很细小。请想象一下,在微观上它却非常空洞和疏松——简直是令人吃惊地空荡荡。几十亿个铁原子手拉手组成了它,而原子们的内部绝大部分都是空的,原子核非常不起眼地位于原子的中央。在这种情况下,你简直无法想象它原本上是这个世界上为数不多的比较坚硬的物质之一(至少比手坚硬。如果你用手去“扎”它,你的手会流血,而它不会)。由于这根针的重量不是来自于这些占据了绝大部分空间的空洞,而是来自于隐藏在这些空洞深处的、当然是更加微小的原子核。按照这种结论,如果能够把原子核从原子里面用手扣出来,直接用这些核来制造一根缝衣针的话,可能谁也拿不动它,它的重量会超乎你的想象(另一种可能是,谁也无法想象)。  

     说到这里,我们离真正要讲解的主题已经很远了。科学家们是最不知道满足的人,按理说自从发现了原子内部的秘密之后,大家都可以松一口气,但是他们又把眼光放在比电子、质子和中子更小、更费眼的物质上了。为了这个,他们可以推迟结婚、取消蜜月,点灯熬夜更不在话下(当然为了争名份而吵吵闹闹甚至对簿公堂的事情也是有的,科学家毕竟也是普通人)。其结果是发现质子和中子还可以接着划分成更小的物质,它们都有奇怪的名字,想要记住都很困难,更不用说当初为它们起名字也必定费了不少心思。比如π介子、μ介子、超子、K介子、介子、中间矢量玻色子、超光速粒子、希格斯玻色子、重子等等,最重要的是,这远远不是全部。这就象你打开了一个盒子,发现里面还有一个盒子,这样不停地打开,里面总是有更小的盒子,再也没有比这更令人沮丧的事情了。为了不让大家精神崩溃,我们最好还是说点别的。就象美国前总统艾森豪威尔所说的那样:“我们已经揍死了这匹马,现在,让我们换一匹吧!”