第十章　世界之中的世界

自然界的晶体有七种基本形状，色彩缤纷，多种多样。这些不同形状，如同空间的各种图案和形形色色的物质一样，令人十分神往。希腊人认为，构成世界的原子状如一定大小的圆粒。用现代的术语来说，自然界中的晶体表明了组成晶体的原子结构的某种情形：它们有助于将这些原子归入不同的族。这是本世纪物理学的研究领域，而晶体就是进入这一领域的第一个入口。

在各种各样的晶体中，无色的六面体食盐是最普通的、但也是最重要的一种晶体。在古代波兰首都克拉科夫（Cracow））附近维那利奇卡（wieliczka）地方的大盐矿，盐的开采已有近1000年的历史，一些用木头支撑的矿坑和马拉机械是从17世纪保留下来的。炼金术士帕拉塞尔苏斯在游历东方时可能到过这一带地方。他坚持认为在构成人体和自然界的元素中一定要算上盐，根据这一观点，他在公元1500年后对炼金术的程序进行了更改。盐对于生命来说是必不可少的，而且，在所有文化形态中，盐历来具有某种象征的性质。人佃至今仍像古罗马士兵那样，把付给一个人的所得叫作“solary”，尽管这个词的意思是“买盐的钱”。在中东，人们仍然用盐来表示最后成交，正如《旧约全书》所说：“盐的契约永远有效”。

帕拉塞尔苏斯的看法有一点是不对的；按现代的观点，盐并不是一种元素。盐是两种元素的化合物：钠元素和氯元素。这里颇值得一提的是，一种像钠那样的、嘶嘶发声的白色金属、和一种像氯那样的略带黄色的有毒气体化合后竟变成了一种结构稳定的、常见的食盐。

更值得注意的是，钠和氯分别属于两个不同的族。在各个族内，性质相似的元素排列井然有序：钠属于碱金属族，而氯则属于活泼的卤素。当我们用同族内的一种元素取代另一种元素时，晶体不会发生变化，仍然是透明的正方体。例如，钾元素完全可以用来取代钠元素生成氯化钾。同样，在另外一族内，氯也可由它同族的“姐妹”元素溴来取代，生成溴化钠。当然，我们还可以用氟和锂来取代氯化钠中的氯和钠，造成一种双重变换而生成氟化锂。不过，这几种晶体都是肉眼所无法辨别的。

是什么使不同元素具有这种族属的相似性质呢？在19世纪60年代，人们为此绞尽脑汁，科学家找到的答案却相当近似。而最为成功地解决了这一难题的人是一位名叫季米特里?伊万诺维奇?门捷列夫（Dmitri Ivanovich Mendeleev）的俄国青年，他在1859年时曾访问过维那利奇卡地方的盐矿。当时，他年仅25岁，是一位贫穷、谦逊、勤奋、才华横溢的年轻人。他生长在一个至少有14个孩子的大家庭里，他是其中最小的一个，一直是孀居的母亲的宠儿，正是母亲对他的深切期望，才使门捷列夫投身科学事业。

使门捷列夫出类拔萃的不仅是他的天才，而且是他对元素研究的炽热感情。各种元素俨然成了他亲密的朋友；他深知这些朋友的行为癖好和详情细节。当然，元素只是以各自的一种基本特性而相互区别开来的，这是由约翰?道尔顿在1805年最先提出来的：每一种元素都具有一定的原子量。那么，这种简单的一定常量或参量又是怎样导致产生了那些使元素彼此相似或相异的种种特性呢？这是当时的一个基本难题，门捷列夫研究了这个问题。他把这些元素的名称逐一写在卡片上，然后像洗纸牌似地把这些卡片弄混，正如他的朋友们所常说的那样，他是在玩“单人纸牌”（Patience）的游戏。

门捷列夫把元素名称和它们的原子量写在卡片上，按原子量的顺序把它们排列成若干竖列。只有那最轻的元素，氢，他当时的确不知道应该排在哪儿，于是他明智地把它留下来，未排进他的元素表。下一个原子量最轻的元素是氦，门捷列夫幸好不知道这种元素，因为当时地球上还没有发现有这种元素——在与它同族的“姐妹”元素被人们发现以前，Au（金）就像一只笨拙的迷路的小牛一样，无所适从。

因此，在门捷列夫的元素表中，第一列是以元素锂开始的，它是一种碱金属。第一个是锂（他当时认为其原子量仅次于氢），然后是铍、硼、和大家熟悉的碳、氮、氧，然后是该一列的第七位元素，氟。按原子量顺序，下一个元素是钠，而且，因为它与锂同族，性质相似，门捷列夫决定从钠开始排第二列元素，并且与第一列平行。继钠之后，在第二列上排列的常见元素是：镁、铝、硅、磷、硫、氯。不言而喻，这一列共有7个元素，这样，最后一个元素，氯，就与氟排在同一横排线上了。显然，在这种原子量的序列中，有某种并不是偶然，而是带有系统性的东西存在着。当我们开始排第三列元素时，这一点又再次清楚地表现出来。按原子量顺序，氯的后面是钾，然后是钙。这样，第一横排包含锂、钠和钾，它们都是碱金属；第二横排上有铍、镁和钙，它们是具有另一组同族相似性的金属。事实上，在这种排列方法中，横排才具有意义：横排使同族元素排列在一起。门捷列夫在元素排列中找到了一种数学图解法，或者说，他至少为这种图解法找到了依据。如果我们按原子量顺序排列这些元素，七个元素排列成一个竖列，然后再排下一个竖列，这样，我们就在横排上排列出了同族的元素。

至此，我们可以毫无阻碍地按照门捷列夫在1871年，即他的最初概念形成后的第二年所制定的元素表排列元素。一直排到第三列都没有出任何问题——但是，接着就不可避免地遇到了第一个难题。为什么我说是不可避免的呢？因为，正如你从氦元素的情况中看到的那样，门捷列夫当时并不知道所有的元素。在所有92种元素中，当时已知的只有63种：因此，他或迟或早会遇到空位。他遇到的第一个空位，就是在我排第三列时无法继续排下去的第三个位置上。

我说门捷列夫遇到了一个空位，但这个简单的词却隐藏着他思想上最难对付的问题。在第三列的第三个位置上，门捷列夫遇倒了困难。他把这“解释”为空位，从而解决了这个难题。他之所以这样做，是因为后面的一个已知元素，即钛，并不具备在这个位置上的元素所应具备的性质，与处于同一横排的硼和铝不同族属。因此，他说：“这里有一个缺位元素，而在它被发现时，它的原子量将比钛要小，排在钛之前，绕过这个空位，这一列中后面的元素都将排在横排的适当位置上；钛与碳和硅归入同一排。——的确，在这张基本的元素表中，钛正是这样排列的。

空位或未知元素的概念的形成，是一种科学的启示。它用具体实用的术语表达了很久以前弗兰西斯?培根用（Froncis Bacon）一般性术语所提出的一种信念：有关自然法则的新鲜例证可以从旧的例证中预先猜测或归纳出来。门捷列夫的猜想表明，在科学家手中，归纳是一个比培根和其他哲学家当初设想的要微妙得多的方法。在科学领域中，我们并不是简单地、直线式地从已知情况进入到未知情况。而是像填字谜游戏一样，要找出两种不同的事物走向的交会点：即隐藏着未知情况的地方。门捷列夫观察研究了竖列上元素原子量的递增，以及横排上元素的同族相似性，在竖列和横排的交会点上精确地确定缺位元素的位置。由此，他提出了一系列切合实际的预言，而且，他同时也表明了（这一点至今仍不大被人们所理解）科学家究竟是怎样运用归纳法的。

可以说，最令人感兴趣的是第三和第四列中的那些空位。我不会超出这两个竖列。把元素表继续排下去——只不过可以说，当你数着这些空位，继续排下去时，这个竖列肯定会在应该结束的地方结束，——即最后一个元素为卤族中的溴。表中有不少空位，门捷列夫专门找出了其中三个。第一个空位在我刚才指出的第三竖列的第三横排上。另外两个则在第四竖列的第三横排和第四横排上。对此，门捷列夫预言，这三个元素一旦被发现，人们就会发觉，它们不仅具有按竖列排列的柏应的原子量，而且还将具有与第三横排和第四横排的同族元素相似的特性。

例如，门捷列夫最著名的，也是最后得到证实的预言，是第三个空位的元素——他称之为类硅。他极其准确地预言了这个陌生而又重要的元素的特性，但是，在将近20年后这个元素在德国被发现时，人们并没有像门捷列夫那样称呼它，而是把它叫作“锗”

（germanium）。从“类硅将具有介平硅和钛之间的特性”这一原则出发，门捷列夫预言它将比水分子重5．5倍；这是正确的。他还预言，它的氧化物将比水分子重4．7倍；这也是正确的。它的化学的和其它特性也是如此。

这些预言使门捷列夫名声远扬——除了在俄国：在那里，他并不被看作什么预言家，因为沙皇不喜欢他的自由主义的政治态度。后来在英国发现的以氦、氖、氩开始的整整一横排新元素，进一步扩大了他的胜利成果。虽然他未能被选入俄国科学院，但在世界上其它地方，他的名字却具有神奇力量。

原子的基本排列方式是按数字顺序表示的，这一点很清楚。但这并不能说明全部情况；我们一定遗漏了什么。认为一个表示原子量的数值包含了元素的所有特性，是不大说得通的：必定还有什么东西隐藏其中——究竟是什么呢？一个原子的原子量可能是对这个原子复杂性的一种衡量方式。如果是这样，那么，原子的某种内部结构，形成原子种种特性的组合原子的某种物理方法，就还没有被揭示出来。当然，只要当时的人们相信原子是不可分的理论，上述观点就是令人难以置信的。

这就是为什么剑桥大学的J.J.汤姆逊（Joseph John Thomson）在1897年发现电子这件事成为重大转折的原因。的确，原子有它的组成部分；它并不像希腊文中这个词的含义那样是不可分割的。电子是原子质量或原子重量的微不足道的部分，但却是一个真实存在的部分，而且它还带有一种电荷。各个原子中电子的数目决定该原子的特征。而且，如果把氢和氯包括在门捷列夫元素表的第一位和第二位，那么，元素在表中所占位置的数字正好与其电子的数目相等。就是说，钾有三个电子，铍有四个电子，硼有五个，如此等等。在整个表中，元素的电子数目就这样依次递增。原子在表中所占位置叫作原子序数。我们现在知道原子序数是表示原子内部的某种物理学真相——即原子内的电子的数目。这表明，对原子的描述已经从原子量转变到原子序数。这就意味着，对原子的研究已基本上转向原子的结构了。

这是人类知识上的大突破，现代物理学就是从这里开始的。从此开创了一个伟大的时代。在那些年代，物理学成了最伟大的集体创造的科学成果。——不，不仅如此，物理学也是20世纪的一项伟大的集体创造的艺术杰作。

我说“艺术杰作”，是因为原子具有内在的结构，即原子世界之中的世界。这一观念立刻激发了艺术家们的想象力。1900年以后的艺术与1900年以前的艺术相比，迥然不同，这一点可以从这个时代的任何一位富有独创性的画家身上看出来：例如，翁贝托?波丘尼（Umberto Boccioni）的《一条街的力量》（The Forces ofa street）或《骑自行车的人的动力》（Dynamism of a Cyclist）。现代艺术与现代物理学是同时开始的，因为现代艺术来源于同一思想。

自牛顿发表《光学》的时代以来，各种事物的五光十色的表面曾经使画家们感到入迷。

20世纪改变了这种情况。像伦琴的X 射线照片一样，这时的绘画艺术也在寻求人体表皮下面的骨骼，寻求构成物体或人体的整体形式的深层的立体结构，像朱安?格利斯（JuanGris）那样的画家就经常进行这样的结构分析，他在《静止的生命》（still Life）中着眼于自然形态，在《丑角》（Pierrot）中则着眼于人体形态。

例如，立体派画家显然受到不同族属的晶体结构的启迪，他们在晶体结构中看到的是山坡上的一个村庄的形状，正如乔治?布拉克（Georges Braquc）在他的《埃斯塔克山上的房屋》（Housesat LEstaque）中所作的那样，或者如毕加索（Picasso）在《阿维尼昂的少女们》（Les DemoisellesdAvignon）中所描绘的那群女人形象一样。在毕加索转向立体主义绘画的第一幅著名作品中——一张入脸，即《丹尼尔-亨利?卡思韦勒肖像》（PortraitofDoniel-Henry Kahnweiler）——画家的兴趣已从人物的皮肤和相貌转移到内在的几何关系上来了。人头被拆散成数学图形，然后从内向外组合起来，成为一种再构成，一种重新创造。

北欧画家对隐秘的结构的这一新的探索是十分令人注目的：例如，画家弗兰兹?马尔克（Franz Mqrc）在《一片森林中的鹿》（Deer in a Forest）中就是这样看待自然风光的；又如，另一位立体派画家（他深受科学家们的喜爱），吉恩?梅特津格（JeanMetzinger）也是这样，他画的《马背上的女人》（Woman on a Hores）由尼尔斯?玻尔（Niels Bohr）收藏，波尔在哥本哈根他的住宅中收藏了不少绘画作品。

一件艺术作品和一篇科学论文之间存在着两个明显的差别，一个差别是，在艺术作品中，画家显然是要把世界分解成碎片，然后又在画布上拼缀起来。另一个差别是你能够观察到画家在创作时的思维活动。例如，乔治?修拉（Georges Seurat）在《拿着粉扑的年轻女人》（Young Woman With a Powder）和《鸟喙》（LeBec）两幅画中，把一种颜色点加在另一种不同颜色旁边，以获得一种整体效果。而在这两方面，科学论文都无能为力。它往往只是分析性的；它几乎总是把自己的思想隐藏在非人格化的科学语言之中。

我愿意在这里谈谈20世纪物理学的奠基人之一，尼尔斯?玻尔，因为在上述两个方面，他都堪称是一位完美极致、炉火纯青的艺术家。他没有什么现成的答案。在开始上课时，他总是对他的学生们这样说：“我说的每一句话，你们都不应该看作是一种定论。而应该看作是一个问题。”他所探究的问题就是关于世界的结构的问题。无论是在他年轻的时候或是年老的时候（他在70岁高龄时仍然具有深刻的洞察力），同他一道工作的人都是这样一些人：他们把世界分解开来，经过反复思考，再把它重新组合起来。

最初，玻尔在20多岁时与J.J.汤姆逊和曾经是他学生的欧内斯特?卢瑟福（ErnestRutherford）一道合作，卢瑟福于1910年前后，成为世界上杰出的实验物理学家。（汤姆逊和卢瑟福两人都是深受他们孀居母亲的影响而转向科学事业的，正如门捷列夫一样。）当时，卢瑟福是曼彻斯特大学（Manchester University）的一位教授。早在1911年，他就提出了一种新的原子模型。他曾说，原子质量的大部分集中在处在原子中央的、沉重的原子核上，电子沿轨道绕原子核运动，其方式与行星绕太阳运行相同。这是一个卓越的构想——也是历史的一个绝妙讽刺，在300年时间内，哥白尼、伽利略和牛顿的这种当初看来令人不能容忍的思想观点已经成为每个科学家最自然的模式。在科学研究中，常常有这样的情形，一个时代的令人难以置信的理论成为后继时代人们的日常的普通概念。

然而，卢瑟福这个模式还不是完全正确的。如果原子真的是一台小型机器，那么，它的结构又怎么能够解释它永远不会停止运转这个事实呢？——它是一台小型的永动机吗？它是我们所知的唯一的永动机吗？行星在绕轨道运行时会不断地失去能量，结果，年复一年，它们的轨道变得越来越小——一点一点地变小，但总有一天它们会掉进太阳里去。如果电子完全像行星一样，那么，它们也会掉进原子核里去的。一定有某种东西阻止电子不断失去能量。这就要求有一种新的物理学原理，以便将电子所能释放出来的能量限制在固定值内。只有这样，才能有一个衡量标准，即一定的能量单位，这种能量单位使电子不致离开有着固定尺寸的轨道。

尼尔斯?玻尔在马克斯?普朗克（Max planck）于1900年在德国发表的著作中发现了他要寻找的这种能量单位。十多年前，普朗克就已指出：在一个物质以量子的形式存在的世界上，能量也必定是以量子的形式产生的。现在看来，这种观点并无奇特之处。但是，就在他形成这一思想的那一天，普朗克就意识到他的这个思想是多么具有革命性。那天，他像世界各地的学者惯常所作的那样，正带着他的儿子在作一次午饭后的散尗。他对他的儿子说：“今天，我头脑里形成了一个概念，它如同当年牛顿的思想一样，是十分伟大而具有革命性的。”实际情形的确如此。

于是，从某种意义上讲，玻尔的任务当然就不那么艰难了。他一手有卢瑟福的原子模型，一手有普朗克的量子假说。那么一个27岁的年轻人在1913年把这二者结合起来，提出了现代的原子理论，这到底有什么了不起的地方呢？没有什么，只不过是一种十分奇妙的、显而易见的思维过程，一种综合这两种理论的努力罢了。这是一种在能够找到这一论点的证据的地方去寻求证据的思想：这就是原子的“指纹”，即光谱：在光谱中，我们从外部观察原子的活动，是可以看得见的。

这是玻尔的一个了不起的思想。原子的内部结构本来是无从窥见的，但是有一个窗口，有一个像装有五彩玻璃似的窗口：这就是原子的光谱。每一种元素都有自己特定的光谱，但这种光谱并不像当年牛顿从白光中看到的那样是连续不断的，而是具有若干标志着元素特性的明亮的光谱线，例如，氢原子的光谱中有三条很活泼的光谱线：一条呈红色，一条呈蓝绿色，还有一条呈蓝色。玻尔把它们分别解释为氢原子中的电子从外层轨道跃入内层轨道时的能量释放。

只要在一个氢原子中的电子的运动保持在一条轨道上，它就不会释放能量。但是，只要电于外层轨道跃迁到内层轨道，这两层轨道的能量差就会以光子的形式释放出来。从数以亿万计的原子中同时释放出能量，这就形成了我们所看到的那种颇具特色的氢原子光谱线。那条红线表明电子从第三条轨道跃入第二条轨道；而当电子从第四条轨道跃入第二条轨道时，便发出蓝绿色光谱线。

玻尔写的《论原子与分子的构成》（On the Constitution of Atoms and Molecules）一文很快成为一部经典著作。于是，原子结构也与牛顿的宇宙一样，具有深刻的数学性质。

不过，它还包含了一个量子原理。尼尔斯?玻尔超越了在牛顿之后维持了两个世纪之久的物理学法则，在原子的内部建立起了一个世界。玻尔载誉凯旋，回到了哥本哈根。丹麦又成了他的家乡和从事科学研究的新天地。1920年，人们在哥本哈根为他建立了“尼尔斯?玻尔研究所”。来自欧洲、美洲和远东的年轻人在这里研究、切磋量子物理学。维纳?海森堡（Werner Heisenberg）也经常从德国来到研究所，在那里，他深受启发，不断地努力构想出一些极端重要的思想：玻尔从不允许任何人的设想半途而废，不了了之。

回顾一下玻尔的原子模型的确立所经历的种种步骤，是很有趣的，因为在一定程度上，这些步骤再现了每一种科学理论的生命周期。首先是发表论文。在论文中用已知的结果来支持对这种模型的论证。这就是说，氢原子的光谱显示出特有的光谱线，这是人们早已知道的，它们的位置符合电子从一条轨道到另一条轨道的量的转变。

第二步是从这一论证出发，进而论及一种新的现象：例如，高能的X射线的光谱线。这种光谱线，人的肉眼看不见，它们同样是由电子的跃迁形成的。这项工作是1913年在卢瑟福的实验室里进行的，而且收到了极好的效果，完全证实了玻尔的预见。从事这项工作的是27岁的哈里?莫斯利（Harry Moseley），他未能做出更为杰出的工作，因为他死于1915年英国对加利波利（Gallipoli）的残酷的袭击之中——这次战役还间接地夺走了好几位前程远大的年轻人的生命，其中有诗人鲁伯特?布鲁克（RupertBrooke）。和门捷列夫所做的工作一样，莫斯利的研究也提到了一些缺位的元素，其中之一是在玻尔的实验室发现的，并根据哥本哈根的拉丁文译名命名为“铪”（hafnium）。玻尔在接受诺贝尔物理学奖时的演讲中附带宣布了这一发现。这篇演讲的主题令人难忘，因为玻尔详细描述了他在另一次演讲中充满诗意的总结:量子的概念是怎样——逐步导致了对一个原子中任何电子的静态结合方式的系统的分类，并对各种元素的物理和化学特性之间的重要关系作出了一种圆满的解释，正如门捷列夫的著名的周期表所表明的那样。现在看来，这样一种对物质特性的解释，甚至超过了毕达哥拉斯学派的梦想，使那种把自然法则的公式简化为纯粹的数的关系的古代理想变成了现实。

就在这时，就在这一切似乎都在顺利进行时，人们突然开始明白：正如每一种理论都或迟或早会遇到的情形一样，玻尔的理论也快到达它的极限了，开始显露出这样那样的弱点，好似一种风湿痛症。后来，人们终于意识到，原子结构的真正问题并没有得到解决。我们只是敲开了外壳。而在外壳里面。原子就像一只有一个蛋黄的鸡蛋。蛋黄就是原子核，我们甚至还没有开始认识它。

尼尔斯?玻尔是一个既好沉思又喜悠闲的人。他获得诺贝尔奖金后，用这笔钱在乡下买了一幢房子。他对艺术的鉴赏趣味也涉及诗歌。他对海森堡说：“当问题涉及到原子时，我们只能像吟诗作赋那样使用语言。诗人正是这样，他最关心的不是描述事实，而是创造意象。”这是一种人们未曾想到过的思想：在涉及原子时，“语言不是用来描述事实，而是用来创造意象。情形正是这样。在肉眼能见的世界下面隐藏着的一切总是人们想象出来的，这是千真万确的：这是一种意象的游戏。人们再也没有别的办法，谈论那无从窥见的世界——在自然界，在艺术中，或者在科学的领域里，都只能这样。

当我们一旦跨进原子世界的大门时，我们就置身于一个自己的感觉无法体验的世界。那里有一种崭新的结构，一种我们所无法知道的事物组合的方式：我们只能用比拟的方法，用一种全新的想象活动把它描绘出来。这种结构的形象来自我们的具体感官世界，因为这是唯一可以用语言加以描绘的世界。然而，在描绘那个看不见的世界时，所有的方法都不过是一些比喻，都是借助于我们从视觉、听觉和触觉所感知的广大世界中所摄取的各种各样的相似性生发出来的。

我们一旦发现，原子并不是物质的不可分割的结构单元时，我们只能设法制作一些模型。以表明这种结构单元是如何相互联结和相互作用在一起的。这些模型借助于类比，用来表明物质是怎样构成的。因此，为了验证这些模型，我们不得不把物质分解开来，犹如切割金刚石的工匠通过手的触感来验证晶体的结构一样。

人类之上升是一种越来越丰富的归纳与综合，每前进一步都是一种努力分析的结果：分析日益深入，世界中有世界。当人们发现原子还可再分割时，似乎原子有一个不可分割的中心，即原子核。于是，大约在1930年，科学研究的发展也要求对原子模型作出新的改进。

处于原子中心的原子核还不是真正的最终的微粒。

据《旧约全书》的希伯来文注释者们说，在创世的第六天的黎明，上帝为人类制作了一些工具，从而也赋予人类以创造的才能。假如这些注释者们今天还活着，他们就会写下：“上帝创造了中子。”在美国田纳西州的橡树岭（Oak Ridge）迸发出的那道蓝色的闪光，就是中子的踪迹：米开朗基罗绘画中上帝用手指点化亚当（Adam），他用的不是吐纳之气，而是创造之力。

也许我不应该把话扯得太远了。让我从1930年的那件事谈起吧。当时，原子核的存在就像当初原子的存在一样不容置疑。问题在于，当时人们还没有办法把原子核分裂成一个个带电的部分：它们的数目不相吻合。原子核带有正电荷（与原子中电子的负电荷相平衡），电荷数与原子序数相等。但原子核的质量不是其电荷的常数倍：原子核的质量从与电荷数相等（在氢原子中），到相当于那些重元素中的电荷数的两倍多。只要人们仍然相信一切物质都一定是由带电粒子构成的，这个现象就难以解释。

是詹姆斯?查德威克（James Chadwick）破除了这种根深蒂固的观念，并且在1932年证明原子核由两种粒子组成：不仅有带正电荷的质子。而且还有一种不带电的粒子，即中子。这两种粒子质量大致相等，也就是说，大致上等于氢的原子量。只有最简单的氢原子核才不包含中子，它是由一个质子组成的。

因此，中子成了一种新的探索手段，像是炼金术士们使用的火焰，因为。既然中子不带电荷，它就可以不受电的干扰，射入各种原子核内部，使它们发生变化。这位现代的炼金术士，这个利用这种新的工具胜过其他任何人的人，就是罗马的恩里科?费米。

恩里科?费米是一个奇特的人物。我很晚才认识他，因为在1934年时，罗马在墨索里尼控制之下，柏林又为希特勒所掌握，像我这样的人是不会去那里旅行的。但是，当我后来在纽约见到他时，他使我大吃一惊，我觉得他是我生平见到的最聪明的一个人——也许是最聪明的人，除去一个例外。他结实，矮小，有力，敏锐。很像一个运动员，做起事来总是目标明确，好像他从一开始就能看到事情的结果。

费米用中子依次轰击每个元素，而元素擅变的传奇正是在他的手中成为现实的。你会看到，费米使用的中子从这种反应堆中流泻而出，因为这种反应堆被人们轻意地称作“游泳池”反应堆，意思是人们用水来使中子反应的速度减低。我应该用恰当的名称来称呼这种反应堆：高通量同位素反应堆（High Flux IsotopeReactor），这种反应堆已在田纳西州的橡树岭建成并投入使用了。

当然，元素嬗变是人类的一个由来已久的梦想。但是，对我这样一个热衷于理论研究的人来说，20世纪30年代最令人振奋的事情是，开始揭开自然界演化的奥秘。我必须解释我说的这段话。我在开始时谈到了创世的那个日子，而且我还会再次谈到这个问题。那么，我从哪儿谈起呢？很久以前，大约在1650年，英国阿尔马总会督詹姆斯?厄谢尔（JamesUssher）曾经说过，宇宙是上帝在公元前4004年时创造出来的。虽然他所拥有的不过是宗教的教条与无知，但他却不容许别人反驳。据说，只有他或者另外某一位教士知道世界是在哪一年，哪一天，星期几，以及哪个时辰被创造出来的。谢天谢地，我把这些全给忘了。但是，直到20世纪，这个关于世界寿命之谜仍然似是而非：因为，在人们认定地球已有好几亿年的历史时，人们无法想象使太阳和星球运转如此长久的能量来自何处。不过，那时我们有了爱因斯但的方程式，这个方程式表明，物质的消耗将产生能量。但是，这种消耗了的物质又是怎样重新排列的呢？

可以说，这正是能量问题的关键，也是查德威克的发现所开启的人类理解之门。1939年，在美国康乃尔大学工作的汉斯?贝特（Hans Bethe）以十分精确的语言解释了太阳里氢嬗变成氦的问题，由于这种嬗变，质量的某种消耗给我们带来了这种高贵的赏赐——能量。

我是怀着一种特别的热情来谈论这些事情的，因为对我来说，这些事情有一种切身的体验性质，而不仅仅是对往事的追忆。在我看来，汉斯?贝特对这一问题的阐述是那样的生动具体，就像我举行结婚典礼那天的情形一样，接踵而来的是我的孩子们的呱呱坠地。因为在随后几年中的科学研究表明（据我推想，在1957年那次明确无误的分析中，得出了最终的结论），在所有的星球上，正在经历着这样一种过程，使一个一个原子的结构变得越来越复杂。物质本身在“进化”。进化这个词来自达尔文和生物学，而正是这个词在我有生之年改变了物理学的面貌。

元素的这种进化的第一步发生在像太阳这类年轻的星球上。这也就是从氢嬗变为氦的过程，而且，这一步需要来自内部的大量热量，我们在太阳表面所看到的，只不过是由这种嬗变活动引起的暴风雨而已。（氦是1863年日食时，用光谱线首次识别出来的，它之所以被称为氦，是因为当时在地球上还不知道有这种元素）。实际情形是，一对重氢核常常互相碰撞，聚变成氦核。

到时候，太阳大部分终归会变成氦。那时，太阳就将成为一个更加炽热的星球，在这个星球上，氦核相互碰撞，又会转过来生成更重的原子。例如，在一个星球上，只要有三个氦核在某一点上，在不到亿万分之一秒的时间内相互碰撞，就会生成碳。而每一种生物体内的每个碳原子就是通过这种无从稽考的碰撞方式产生出来的。除了碳，还可生成氧、硅、硫和其它更重的元素，那些最稳定的元素排列在门捷列夫元素周期表的当中，大体上在铁与银之间。但是，这些元素的构成过程却大大超过了铁和银这两种元素。

如果元素是一个接一个生成的，为什么大自然会就此停步不前呢？为什么我们只发现了92种元素，而其中最后一种是铀呢？显然，要回答这个问题，我们不得不制取铀以后的元素，并且证实在元素重量增大时，它们会变得更加复杂，而且有分离裂变的趋势。但是，在我们这样做时，我们不仅在制造新的元素，而且在制造某种具有潜在爆炸性的东西。费米在有史以来第一座石墨反应堆（在那俗语盛行的年代，人们把它叫作“堆”）中制取的钚元素，就是一种向全世界公开证明这一科学结论的人造元素。在某种程度上，钚是纪念费米天才智慧的一座丰碑；但我却把它看作是献给冥界之神普路托（Pluto）的一份祭礼（钚元素的名字就是这位神灵的名字）。我这样说，是因为在日本长崎有4万人死于钚弹轰炸，在世界历史上，再一次出现了这样的怪事，一座丰碑纪念一位伟人，同时又祭奠那众多的亡灵。

我必须把话题立刻转回到维那利奇地方的矿上来，因为有一个历史矛盾需要在这里解释一下。各种元素在星球上不断形成，但我们过去却总认为宇宙正在趋于消亡。这是为什么呢？或者说，怎么会这样呢？

宇宙趋于消亡的思想来自对机器运动的简单的观察。每台机器消耗的能量终究会超过它所补偿的能量。一部分能量消耗于磨擦，一部分能量消耗于磨损。而且，在那些比维那利奇的木制绞盘更为复杂精密的机器中，能量以别的方式被消耗掉——例如，在减震器和散热器中。这些都是能量损耗的方式。这就好比是一个无法满足的能量水池，我们输入其中的一些能量总会跑掉，而且无法从中再次获得。

1850年，鲁道夫?克劳胥斯（Rudolf Clausius）把这种思想归纳为一个基本原理。据他说，有一种可以获得的能量，也有一种无法获得的能量的剩余。他把这种无从获得的能量称作“熵”，而且，他制定了著名的热力学第二定律：熵总是在增加。在宇宙中，热量不断泄入一种热平衡的湖泊，在这样的湖泊中，热量不能再被人们获取。

在100年前，这确实是一个很好想法，因为当时热仍然被看作是一种流体。但是，热量与火或者生命一样，并不是物质，热是原子的一种不规则运动。正是奥地利的路德维格?玻耳兹曼（LndWig Boltzmonn）非常聪明地运用这一概念来解释一台机器，或者是一台蒸汽机，或者是整个宇宙中发生的现象。

玻耳兹曼认为，当能量衰减时，原子呈现出一种更加紊乱的状态。而熵就是测量这一无序状态的尺度：这一深刻的概念来自玻耳兹曼的新颖的解释。奇怪的是，人们竟可以测出无序状态；这种特定状态出现的概率——在这里被定义为能从原子中收集能量的方式数，玻耳兹曼相当精确地表达这种数的关系，S＝KlogW；S，即熵，与一定状态的概率W的对数成正比（K为比例常数，现在又称为玻耳兹曼常数）。

当然，无序状态的概率要比有序状态高得多，因为几乎每一种原子的随机组合都将是无序的；因此，总的来说，任何一种有序排列都会归于消失。但是，“总的来说”并不等于“总是如此”。有序状态并不“总是”会归于无序状态。这是一条统计学的法则，这意味着那种秩序将“趋于”消失。但是，统计学一般不说“总是如此”。统计学允许在宇宙的某些岛屿上建立有序状态（在地球上，在你身上，在我身上，在星球上，在一切地方），而在其它地方则代之以无序状态。

这是一种美妙的概念。但还有一个问题需要回答。如果说概率把我们带到这里来的说法是对的，那么，是不是概率太低以致于我们无权到这里来呢？

提出这种问题的人总是这样描绘这个问题的，但是，想一想在此时此刻构成我的血肉之躯的所有原子。这些原子竟然在这个时刻、在这个地方构成了我这样一个人，这岂不是颇有些不可思议吗？是的，确实如此，如果情况真是如此，那就不仅是不可信的——我这个人简直就是不可能的了。

不过，大自然当然不是这样发挥自己的作用的。大自然的活动是按步就班进行的。原子组成分子，分子组成碱基，碱基支配氨基酸的形戍，氨基酸结合成蛋白质，蛋白质在细胞中起作用。细胞首先构成简单的动物，然后构成复杂的动物，这样一步一步地由低级向高级发展。那些组成一个水平或层次的稳定单位，就是用于产生更高级组织结构的不规则碰撞的原始材料，其中有些结构也会碰巧成为稳定的。只要有某种尚未实现的潜在稳定性存在，就不会“碰巧”出现别的情况。进化无异于从简单到复杂一步一步拾级而上，而每一级本身又是稳定的。

既然这正是我研究的题目，我为这种稳定性起了一个名字：叫作“分层稳定”。正是这种稳定性，使生命缓慢而又不断地逐步上升，变得越来越复杂——这既是进化的主要进行方式，也是进化的难题所在。现在，我们知道，不仅生命的演化是这样，物质的演化也同样如此。如果星球不得不生成某种像铁那样的重元素，或者像铀那样的超重元素，单单靠所有组成部分的瞬时聚合，那是完全不可能的。不，决不可能。一个星球使氢嬗变为氦，然后，在另一个星球的另一个阶段上，氦聚合成碳，氧，和各种重元素，就这样一步一步地走完演化的整个阶梯，形成自然界的全部92种元素。

我们不可能再现这种发生在各个星球上的整个过程，因为我们无法控制聚合大多数元素所需的那种极高的温度。但我们已经开始把脚踏上这架梯子了：再现从氢到氦的第一步。在橡树岭的另一个区域，人们正在致力于氢的聚变。

当然，很难重现太阳内部的那种高温——摄氏1000度以上。而更加困难的是制造可以耐受这样的高温、并能使这种温度保持哪怕是1％秒的容器。而目前根本浚有制造这种容器的材料，容纳处于这种剧烈活动状态的气体的容器，只能以一种磁力捕集器的形式出现。这是一种新兴的物理学：等离子体物理学。这门学科之所以激动人心而又非常重要，在于它是自然物理学。这一次，人类作出的自然结构的重新安排再也没有违背自然的发展方向，而是沿着自然本身在太阳和群星上所采取的同一步骤向前迈进的。

最后，我以永恒不灭与生命有限的强烈对照来结束本章。20世纪的物理学是一项永垂青史的业绩。这是人类想象力所共同创造的任何辉煌成果都无法比拟的。无论是金字塔，还是希腊史诗《伊里亚特》（Iliad），无论是民歌民谣，还是大教堂，都不能相提并论。。

那些科学概念的创始人都是我们这个时代具有开拓精神的英雄。门捷列夫，像玩单人纸牌那样，排列他的元素卡片；J.J?汤姆逊推翻了希腊人原子不可分的信念；卢瑟福，把原子结构解释为一种行星体系，尼尔斯?玻尔创立了原子结构模型。查德威克发现了中子，费米用中子使原子核发生裂变和嬗变，而在他们前头的，是那些敢于蔑视传统的人，也是提出各种新观念的最初的奠基人：马克斯?普朗克，他使能量具有像物质那样的原子特性：还有路德维希.玻耳兹曼，我们今天之所以能够认识到原子——这个世界中的世界，它和我们生活的世界一样真实——主要应归功于他。

谁会想到，就在1900年，人们还在为原子是否真实的问题争论得难解难分，大有至死不肯罢休之势。维也纳的伟大的哲学家恩斯特?马赫（Ernst Mach）说：“原子不存在。”

伟大的化学家维尔赫姆?奥斯瓦尔德（Wilhelm Ostwaed）也说：“不存在。”可是，在这个世纪的转折关头，有一个人以理论作依据，挺身而出，维护了原子存在的真实性，他就是路德维希?玻耳兹曼，我在他的纪念碑前致以深深的敬意。

玻耳兹曼是一个性情暴躁，与众不同，难于相处的人。早年追随达尔文，他好争执却又讨人喜欢，具有一个人应有的一切品格。在那个时候，人类上升的进程曾在一架精密的知识天平上摇摆不定，因为假如反原子的信仰果真盛行起来，那么，人类的进步就会倒退几十年，甚至可能100年。人类的进步不仅在物理学中会倒退，而且在紧紧依赖于物理学的生物学中也会倒退。

玻耳兹曼是否只是参加争论而已呢？不。他满怀激情而生，满怀激情而死。1906年，在他62岁时，由于感到孤独和气馁，就在原子学说即将取得胜利的时刻，他却以为一切都完了，于是含恨自杀。遗留下来的他的纪念物就是他那不朽的公式，S＝KlogW，这个公式已镌刻在他的墓碑上。

对于波耳兹曼思想的那种简浩而透辟的美，我无法用语言来形容。但我愿意引用诗人威廉?布莱克的诗句，他的《天真的预言》（Auguries of Innocence）是以这样的四行诗句开始的：从一粒沙子中看到一个世界，从一朵野花里窥见一片天空，你手心里掌握着无限，而永恒却贯穿在每个小时之中。