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物理世界奇遇记-第7部分
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也没有了。那么，我们今天这个世界是怎么来的呢？太阳和地球
又是从哪里来的？你和我又是怎么回事——我们总不会是只由氢
和氦构成的吧？”
“你这问的可是１２０亿年的历史啊！你给我多少时间来回
答呢？”
“３分钟够了吧？”汤普金斯先生满怀希望地问道。
她笑了。“那就让我试试吧！你准备好了吗？”
“等一等，”他看着手表说，“好了，你说吧！”
“听着，在大爆炸后的几分钟内，我们只有氢和氦的原子核
以及电子。再过３０万年，一切都冷却下来，温度降到足够低，
这时电子便能够围绕着原子核，于是，我们便有了第一个原子。
现在，整个空间中充满了一种气体。这种气体的密度是非常均匀
的。但是，也还存在某些极为微小的不均匀性——有些地方的密
度比平均密度稍稍大一些，有些地方则稍稍小一些。这样一来，
由于密度较大的地点具有较大的万有引力，气体就开始围绕着它
们积集起来。它们收集的气体越多，它们的引力就越强，因而就
能更有力地从四周吸来更多的气体，结果就形成了一些彼此分开
的气体云。这时在每一个气体云内部都会形成一些小小的旋涡，
这些旋涡互相挤压，从而使温度上升（这是日常生活中常见的事：
当你把某种气体挤压成较小的体积时，它的温度就会升高）。最
后，温度变得非常高，从而引发了核聚变过程——恒星就这样诞
生了。结果，大约又过了１０亿年，便出现了各个星系（实际上，
星系有可能是通过两种方式形成的：一种是先形成星系云，然后
由它分裂成许许多多恒星；另一种是先形成恒星，然后恒星聚集
在一起形成星系。究竟是哪一种，目前还没有人真正知道）。但
是，不管是这种还是那种，恒星毕竟是形成了，并且依靠核聚变
过程而获得能量。它们不仅释放出能量，并且还逐渐积累起较重
原子的原子核——这些原子正是后来构成地球和我们的身体所必
需的材料。然后，恒星上的核火终于把燃料烧光了。对于像太阳
这样的中等大小的恒星来说，这个过程大约要花１００亿年的时
间。这种处于老年期的恒星会发生膨胀，变成所谓的红巨星，然
后再收缩而变成白矮星，最后慢慢凝固成很冷的岩石。质量更大
的恒星会以一种特殊得多的方式结束它们的生命——随着‘轰’
的一声，它就全部完蛋了。这就是超新星爆发。正是这种爆发喷
出了某些新合成的核物质，即重的原子核。它们现在同星际气体
混合在一起，并且能够聚集起来而形成第二代的恒星以及第一次
出现的像地球这样的多岩石行星（在产生第一代恒星时，当然不
会有行星存在）。然后，这类行星之一——地球——通过自然选
择进行演化，终于把它表面上的化学物质转化成你和我。我们就
是这样由星际尘埃构成的！”
慕德突然停了下来。“好啦，我说完了！刚才花了多少时间？”
汤普金斯先生笑嘻嘻他说：“不多，只花了两分钟……”
“好极了！”慕德宣告说，“这就是说，我还有一分钟的时
间可以谈谈黑洞。”
“黑洞？”
“是的，黑洞。这是那些最重的恒星爆炸后留下的东西。我
刚才说过，这种恒星会喷射出某些物质，但是，剩下的物质却会
坍缩而形成黑洞。”
“黑洞究竟是什么东西呢？”汤普金斯先生问道，“当然，
我听说过这个名词……”
“黑洞就是当万有引力强大到任何物体都不能逃脱它的吸引
时，你所看到的东西。那时，恒星的全部物质都坍缩成一点。”
“一点！”汤普金斯先生叫了起来。“你真的是这个意思吗
——一个真正的点？”
“完全正确，它没有体积。”这是她的回答，“这个点集中
了所有的物质，它的周边地区是一个强大得不可思议的万有引力
场。这个引力场是如此强大，不管是什么东西，只要进入它的作
用范围（即所谓事件视界）内，就再也无法从里面逃逸出来——
就连光线也是这样。这就是为什么说它是黑洞的原因。任何一种
进入事件视界内的物体，都会立即被吸到中心那一点上去。”
“太奇怪了！”汤普金斯先生喃喃他说，“可是，黑洞后面
那一边有什么东西呢？”
“后面那一边？谁知道呢？‘那一边’肯定什么也没有。落
入黑洞的东西全部都停留在它的中心。哦，对了，有人提出一些
臆测，认为这些东西可能通过连接我们的宇宙和某个别的宇宙的
某种隧道流走，然后在那个宇宙中以‘白洞’的形态喷发出去。
不过，这全都是纯粹的臆测。”
“你能肯定确实有黑洞存在吗？”
“是的。证据是非常有说服力的。不但有从坍缩了的老年恒
星形成的黑洞，而且在星系的中心同样也有黑洞——那是可能已
经吞没了数百万颗恒星的。质量极大的黑洞。”
汤普金斯先生带着敬佩的神情笑望着慕德。
“你干吗这样望着我？”她好奇地问。
“没什么。我只不过是觉得奇怪，你在地球上怎么会懂得这
一切的？”
她谦虚地耸耸肩膀。“不用问，大部分是从那里学到的，我
想。”她朝着一个摆满了科普杂志的书架点点头。
“还有最后一个问题，爱因斯坦小姐，”他问道，“这一切
将怎样结束呢？将来宇宙会发生什么事？你的父亲说过，宇宙会
不断膨胀下去，但是它的膨胀速度会逐渐减慢，到了遥远的未来
将会停止膨胀。”
“他说得对——如果暴胀理论是正确的，而且宇宙中的物质
密度具有临界值的话。到那个时候，所有的核燃料全部已经用完，
恒星全都死亡，许多恒星会被吸入它们那个星系中心的黑洞，宇
宙将变得冰冷冰冷，完全没有生命存在。科学家们把这种状态叫
做宇宙的热寂。”
·····
汤普金斯先生觉得毛骨悚然。“我敢肯定，我不喜欢听到这
样的事。”
“对不起，我不知道你会害怕。我真不该让它使你感到不安。”
她很快活地作出了反应，“在发生那种事以前，我们早就已经葬
身黄土了。不管怎样，我们不再谈它了。让我们换个话题吧！”
“好的，我很抱歉，你觉得我这个人怎么样？”
“挺好的，你已经很尽力了，”她安慰他说，“下星期我大
概不能帮你的忙啦。”
“下星期？下星期有什么事吗？”
“我爸说过，他下一次演讲要介绍量子理论。对吗？”
“是的，我还记得。”
“可是，我从来就没有吃透过量子理论。所以，我只能对你
说：祝你好运！不过，现在该谈谈我的美术作品了。你真的想看
看它们吗？”
“你的作品？我当然想看啦。”他答道，“你把它们藏在哪
里？你的工作室离这里很远吗？”
“很远？不，穿过前面的庭院就是它。我把这里一间废弃的
旧仓库派上了用场。这正是我一下子就选上诺尔顿庄园的原因。
我想要的不是房子，而是那间仓库。”
慕德的工作室非常有趣，汤普金斯先生从来没有见过像它那
样的东西。她的创作（你可不能把它们叫做油画）非常特别。虽
然它们也装在镜框里准备挂在墙上，但它们却是用各种各样的材
料制成的。其中有木头，塑料，金属管，石片，鹅卵石，洋铁罐，
等等。这些不同的品种被她精心粘贴在一起，构成一幅幅优美动
人的美术拼贴。
“它们太妙了，”他大声说，“我见也没有见过。实在太妙
了。你听我说，”接下来，他有点吞吞吐吐了，“我不敢说我理
解它们——不是真正地懂得它们。但是，我非常喜欢它们。”他
加强了语气补充说。
她笑了，“你知道，它们并不是物理学理论。它们放在这里，
不是为了让你去理解它们。你所应该做的是去感受它们。”
他站在一幅作品前面，默默地注视了一会儿，然后鼓起勇气
说：“你一定要同它发展一种双向的关系——一种相互作用。只
有当观察者把他自己的某种东西加入到作品中，也就是带着他自
己的某些感受去观察它时，这件作品才是完美的。你是不是这个
意思？”
她不置可否地耸耸肩。“这是我最近的作品。”她指着他正
在观看的那幅作品说，“你在它里面看到了什么？”
“在它里面吗？那是一个海滩，还有一些被海水冲到沙滩上
的东西。这些东西都是过时的、变形的，每一件东西都有它自己
的历史，有它自己的故事，只是现在它们偶然地在同一个时间被
带到同一个空间中来凑到一块儿了。”
她亲切地注视着他。这是他以前没有注意到的一种目光，因
而他马上觉得自己相当愚蠢。
“对不起，我尽说些废话。也许是因为陈列品的目录读得大
多吧。在城里工作有一个好处，就是有机会利用午休时间去参观
各个美术馆和美术展览会。”他解释说，“我喜爱美术——至少
是其中的一部分，我想尽力使自己不大落伍。”
她又笑了。
“告诉我，”他接着说，“你是怎样弄出这种风吹火燎的效
果的？它看起来就像是从大火中抢救出来的一样。”他指着嵌在
塑料中的一片看起来有点炭化的木头说。
她淘气地看了他一眼。“要是你想知道，我可以做给你看——
不过，你自己可得当心一点。”
说到这里，她划了一根火柴，把旁边桌子上的一台喷灯点着，
然后拿起它，让喷出的火焰射在一幅画的画面上。它的木质部分
很快就烧红了。工作室立即充满了烟雾。汤普金斯先生有点惊慌
地往后退时找到了那扇门，他把门打开，好让烟雾散出去，并且
神魂颠倒地从那里往里看。他看见了慕德的脸——是一张全神贯
注而又像画中人那么美丽的脸。就在这个时候，他意识到他自己
已经坠入爱河。恋上慕德了。
８ 量子台球
有一天，汤普金斯先生在银行里做了一整天工作（他们正忙
着完成房产方面的业务），回家的路上，他感到非常疲倦。这时，
他正好走过一家酒馆，便决定进去喝杯啤酒。一杯下去了，接着
又是一杯，不久，汤普金斯先生开始感到有点醉意了。酒馆后面
有个台球房，里面有许多人套着套袖围着当中那张台子打台球。
他模模糊糊地记起他以前曾到这里来过，那是一个年轻的同事带
他来，教他怎样打台球的。于是，他走近台子，开始专心看别人
怎样玩。突然，一件非常费解的事情发生了！有一个人把一个台
球放在台子上，用球杆把它击了一下。在注视那个滚动着的台球
时，汤普金斯先生十分惊讶地发现，那个台球开始“弥散”开了。
“弥散”这个词，是他为说明那个球的奇怪表现所能找到的惟一
表达方法，因为它在滚过绿色的台毯时，似乎变得越来越模糊，
失去了明确的轮廓，好像在台上滚的不是一个球，而是许许多多
个彼此有一部分互相叠合的球似的。汤普金斯先生无法理解为什
么现在会发生这种情况。“得，”他想，“让我们看看这个松包
球怎样打另一个球吧！”
那个打球的人显然是个高手，所以，那个滚动的球正像人们
所说的那样，把另一个球打个正着。这时发出了一声响亮的撞击
声，原来静止的台球和那个射来的台球（不过，汤普金斯先生无
法确定，它们当中究竟哪个是前者，哪个是后者），两者都“朝
四面八方”快速地滚去。这确实是非常奇怪的事，现在不再是两
个看来有点松散的台球，而似乎有无数个台球，它们全都非常模
糊，非常松散，大致在原来撞击方向180°角的范围内向外滚去。
这相当像是个从撞击点向外扩展的独特的波。
但是，汤普金斯先生注意到，在原来那个撞击方向上，台球
的流量最大。
“这是概率波的一个很好的事例，”在他背后响起了一个熟
悉的声音，汤普金斯先生听出这是教授在说话。
“啊，是你来了，”他说，“好极了。也许你可以给我解释
一下这里发生的事。”
“当然可以啦，”教授说，“这家台球房的主人收集到这里
的东西是患了‘量子象牙症’的，如果我可以这样说的话。不错，
自然界的一切物体都服从量子规律，但是，在那些现象中起作用
的所谓量子常数是非常非常小的，事实上，它的量值是在小数点
以后还有27个零的数字，至少在一般情况下是这样。不过，对于
这里的台球来说，这个常数要大得多了——大约等于１。因此，
你才能够轻易地亲眼看到这种量子现象，通常，这可是只有利用
非常灵敏、巧妙的观察方法才能够发现的。”说到这里，教授沉
思了片刻。“我并不想进行考证，”他继续说，“但是，我倒很
想知道那个家伙是从哪里弄到这些球的。严格地说，这样的球在
我们这个世界是不可能存在的，因为对于我们这个世界的一切物
体来说，量子常数只具有很小很小的值。”
“也许他是从另一个世界进口的吧。”汤普金斯先生提醒说。
但是，教授并不满足于这种说法，他仍然保持怀疑的态度。
“你已经注意到了，”他继续说，“那两个球都发生了‘弥散’。
这就是说，它们在球台上的位置是不十分确定的。实际上，你无
法精确地指出一个球的位置，你最多只能说，那个球‘基本上在
这里’，但‘也有可能在别的什么地方’”。
“这可是一种十分反常的说法。”汤普金斯先生嘟哝着。
“恰恰相反，”教授坚持说，“这是绝对正常的——从任何
物体总会发生这种事这个意义上说。人们只不过是由于量子常数
的值大小和一般观察方法太粗糙，才没有注意到这种测不准性。
他们得到一个错误的结论说：位置和速度都是永远可以准确测定
的量。事实上，这两个量都总是有某种程度的测不准性，并且，
其中一个量测得越准确，另一个量就越弥散，越测不准。量子常
数所起的作用，正好就是它决定了这两个测不准的量之间的关系。
注意，现在我要把这个球放进三角木框里，把它的位置明确地限
制起来了。”
那个球一放进木框里，整个三角框的内部就到处闪烁着象牙
的白光。
“你看，”教授说，“我把台球的位置限定在三角框里几分
米范围内了，这就使速度产生了相当可观的测不准性，所以台球
在木框里迅速地运动。”
“你能让它停下吗？”汤普金斯先生问道。
“不，从物理学上说，这是不可能的。任何一个处在封闭空
间内的物体都有一定的运动——我们物理学家把它称为零点运动。
举个例子吧，任何原子中的电子的运动都属于这一类。”
就在汤普金斯先生注视那个球像笼子里的老虎一样，不断地
在框子里来回猛冲的时候，发生了一件极不寻常的事。那个球竟
直接穿过三角框的框壁“漏”了出来，接着就向球台远处那个角
落滚过去。事情怪就怪在它确实不是越过三角框跳出来，而真的
是穿过没有空隙的木壁钻出来，一点也没有离开台面。
“看到了吗？”教授说，“事实上，这恰好是量子论的一个
最有意思的后果。任何一件东西，只要它的能量大到在穿过围墙
以后还能继续跑开，你就不可能把它囚禁在封闭的围墙里。这个
物体早晚总是要直接从围墙‘漏出’跑掉的。”
“要是这样，我就再也不上动物园去了。”汤普金斯先生断
然地说，他那活泼的想象力已经描绘出一幅从笼子里“漏出”的
老虎同狮子打架的情景了。然后，他的思想又转到一个稍稍不同
的方向上去：要是他的汽车也从锁得好好的车库里漏出来呢？他
想象一辆好好锁在车库里的汽车，突然像中世纪传说中的老妖精
那样，“钻过”汽车库的墙壁闯了出来。
“我得等待多长时间，”他问教授，“才能看到一辆汽车——
可不是用这里这种愚弄人的材料制造的，而是真正用钢铁制成的
汽车——穿过汽车库的砖墙‘漏’出来？我倒确实很想看一看哩！”
教授很快地在脑子里算了一下，便把答案准备好了，“这大
概需要等待100 000 000 … 000年。”
尽管汤普金斯先生在银行业务中经常接触到巨大的数字，他
却弄不清教授所说的数字中到底有多少个零——反正数字是够长
的，长到他完全不必担心他的汽车会自己跑掉。
“就算我相信你所说的一切都是正确的，可我仍旧不明白，
这样的事怎么能够观察到，如果我们没有这里这些台球的话。”
“这是一个合理的反对意见，”教授说，“当然，我的意思
并不是说，在你经常接触的那些物体上，也能够观察到量子现象。
问题在于，量子规律只有在应用到原子或电子这类非常小的质量
上时，它们的效应才会变得显著得多。对于这些粒子来说，量子
效应已经大到一般力学完全失效的程度。两个原子之间的碰撞，
看起来完全同你刚才观察到的两个‘量子象牙’台球的碰撞一样；
而电子在原子中的运动，则同我放进三角框里的台球的‘零点运
动’非常相似。”
“电子是不是常常从原子中跑出？”汤普金斯先生问道。
“不，不是的，”教授急忙回答说，“根本不会发生这种情
形。你大概还记得我说过，物体一旦通过势垒漏出，还必须有足
够的能量跑开。电子是依靠它所带的负电荷与原子核中质子的正
电荷之间的静电引力，才保持在原子里的。电子没有足够的能量
摆脱这种吸引，所以它就无法跑开。如果你想看到粒子漏出的情
况，那么，我建议你去观察重原子核。从某种意义上说，重原子
核的表现就像是由一些α粒子组成的。”
“α粒子？那是什么？”
“α粒子是由于某种历史原因而给氦原子核起的名称。它由
两个中子和两个质子组成，而且结合得异常牢固：那４个粒子可
以非常有效地‘贴在一起’。就像我刚刚说过的，由于α粒子结
合得极其牢固，在某些情况下，重原子核的表现就像是一些α粒
子的集合体，而不像是由单个中子和质子组成的。虽然这些α粒
子也在原子核的整个体积内运动着，但是，它们却依靠那种把核
子结合在一起的短程核引力而保持在原子核的体积内，至少在正
常状况下是这样的。但是，常常也有一个α粒子漏了出来：它跑
到那种把它保持在原子核内的核引力的作用范围外。事实上，它
现在只受到它自己的正电荷与它留在后面的其他α粒子的正电荷
之间的长程静电斥力的作用。因此，现在这个α粒子便被推到原
子核的外面了。这是放射性原子核的一种衰变方式，你可以看出，
这个α粒子同你那辆锁在车库里的汽车十分相似，只不过。粒子
的漏出要比你的汽车快得多罢了！”
在进行这次长谈以后，汤普金斯先生感到疲惫不堪，他精神
涣散。漫无目标地四顾着。他的注意力被房间角落里一座巨大的
老爷时钟吸引住了，它那长长的老式钟摆正在缓慢地来回摆动着。
“我看，你是对这座时钟发生兴趣了，”教授说，“这也是
一种不大寻常的机器哩，不过，它目前已经过时了。这座时钟所
代表的，正好是人们最初思考量子现象时所用的途径。它的钟摆
的装法，使得摆幅只能够改变有限多次。可是，现在所有钟表制
造者都宁愿采用巧妙的弥散摆。”
“啊，我希望我能够理解这一切复杂的事物！”汤普金斯先
生感慨地说。
“好极了，”教授立即反应说，“我是在去作量子论演讲的
途中拐进这家酒馆来的，因为我从窗外看到了你。要是我不准备
迟到，现在我就该走了。你愿意一块去吗？”
“好的，我去。”汤普金斯先生说。
像通常那样，演讲厅里坐满了学生，汤普金斯先生虽然只能
在台阶上找个座位，但已觉得很满意了。
女士们，先生们——教授开始演讲了——
在前两次演讲中，我曾努力对你们说明，由于发现一切物理
速度都有一个上限，以及对直线这个概念进行了分析，我们完全
改造了１９世纪的时空观念。
但是，对物理学基础进行批判分析所得到的进展，并没有停
止在这个阶段上，接着又有了一些更加令人惊奇的发现和结论。
我这里所指的是物理学中那门被称为量子论的分支学科，它同时
间和空间自身的性质关系不大，但同物体在时间和空间中的相互
作用和运动却有密切的关系。
古典物理学总是认为，不需要任何证明就可以肯定地说，通
过改变实验的条件，可以把任何两个物理客体之间的相互作用降
低到要多小有多小，在必要时甚至可以把它降低到实际上等于零。
譬如说，在研究某些过程所产生的热时，人们要担心放进温度计
会把一部分热量带走，从而使所要观察的过程不能正常进行，但
是，实验工作者们总是确信，采用比较小的温度计或非常精致的
温差电偶，就能够把这种干扰降低到所要求的精确度极限以下。
过去人们确信，从原理上说，任何一种物理过程都可以用任
意高�
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