第七章 現代煉金術
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确可能存在，我們就可以設想反原子和反分子的存在。
它們的核由普通的中子和負質子所構成，外面圍繞着正電子。
這些&ldquo反&rdquo原子将和普通原子擁有完全相同的性質，我們根本說不出&ldquo反水&rdquo、&ldquo反黃油&rdquo等等與普通的水和黃油有什麼不同，除非是把普通物質和&ldquo反&rdquo物質放到一起。
但如果這樣兩種相反的物質碰到一起，帶有相反電荷的電子就會立即發生湮滅，帶有相反電荷的質子也會立即相互中和，其爆炸的劇烈程度會超出原子彈。
因此，如果真的存在着由反物質構成的星系，那麼從我們這個星系抛出一塊普通的石頭到那裡，或者從那裡抛來一塊石頭，着陸時會立即變成一顆原子彈。
現在我們必須抛開這些關于反原子的奇想而去考慮另一類基本粒子。
這種粒子也許同樣不同尋常，而且會實際參與各種可觀測的物理過程。
它就是所謂的&ldquo中微子&rdquo，是&ldquo從後門&rdquo進入物理學的。
雖然招緻了各方面的反對，但它已經在基本粒子家族中占據了牢固的位置。
它是如何被發現和得到認可的，這是現代科學中最令人激動的偵探故事之一。
中微子的存在是用數學家所謂的&ldquo歸謬法&rdquo發現的。
這項令人激動的發現并非始于存在着某種東西，而是始于丢失了某種東西。
這種丢失的東西就是能量，因為按照一條最古老也最穩固的物理學定律，能量既不能創生也不能消滅，如果發現本應存在的能量丢失了，這就表明一定有個賊或一群賊把能量拿走了。
于是，一些講求秩序、喜歡給事物起名字的科學偵探就把這些尚未看到蹤影的能量大盜命名為&ldquo中微子&rdquo。
不過我們講得有點快了，現在還是回到這樁&ldquo能量盜竊案&rdquo上來。
我們已經看到，每一個原子的原子核都是由核子構成的，其中約有一半核子是中性的（中子），其餘的帶正電（質子）。
如果給原子核額外增加一個或多個中子和質子，從而打破質子與中子相對數目的平衡，45那麼就必定會出現電荷的調整。
如果中子太多，就會有一些中子釋放出負電子而變成質子；如果質子太多，就會有一些質子釋放出正電子而變成中子。
圖60描繪了這兩類過程。
原子核的這種電荷調整就是通常所謂的&beta衰變，從原子核中釋放出來的電子被稱為&beta粒子。
原子核的内部轉變是一個明确的過程，它必定總是與定量能量的釋放有關，這些能量被傳遞給出射電子。
因此我們可以預期，給定物質釋放出來的&beta電子應當有相同的速度。
然而，對&beta衰變過程的觀測證據與這種預期完全相反。
事實上，我們發現給定物質釋放出來的電子擁有從零到某一上限的不同動能。
既然沒有發現其他粒子，也沒有其他輻射能夠平衡這一差異，&beta衰變過程中的&ldquo能量盜竊案&rdquo就變得非常嚴重了。
一度有人認為，這乃是著名的能量守恒定律失效的第一項實驗證據，那對于整幢精美的物理學理論大廈而言真是一場極大的災難。
但還有一種可能：也許丢失的能量是被某種新的粒子帶走了，我們目前的觀測方法尚未察覺到它。
泡利（WolfgangPauli）曾經提出，這種偷竊核能的&ldquo巴格達竊賊&rdquo的角色可由一些被稱為中微子的假想粒子來扮演，它們不帶電，質量不大于普通電子的質量。
事實上，根據高速粒子與物質相互作用的一些已知事實可以斷言，任何現有的物理儀器都察覺不到這種不帶電的輕粒子，它們在任何屏蔽材料中都可以輕而易舉地穿過極大距離。
一層金屬薄膜就能把可見光完全擋住，穿透性很強的X-射線和&gamma射線需要穿過幾英寸厚的鉛，強度才會顯著減低，而一束中微子卻能輕而易舉地穿透幾光年厚的鉛！難怪用任何觀測手段都發現不了中微子，它們能被發現僅僅是因為其逃逸導緻了能量虧空。
圖60 負&beta衰變和正&beta衰變的示意圖（為方便起見，所有核子都畫在了同一個平面上） 雖然中微子一旦離開原子核就捕捉不到了，但我們可以研究中微子離開原子核所引起的次級效應。
用步槍射擊時，槍身會向後撞擊你的肩膀；大炮發射重型炮彈時，炮身會沿炮架向後坐。
原子核射出高速粒子時，也應發生這種力學反沖效應。
事實上，我們的确觀測到，發生&beta衰變的原子核總會沿着與出射電子相反的方向獲得一定的速度。
但這種原子核反沖的特殊之處其實在于：無論被射出的電子是快是慢，原子核的反沖速度總是大緻相同（圖61）。
這就有點奇怪了，因為我們本來預期一顆快速的炮彈會在炮身中引起比慢速的炮彈更大的反沖。
對這個謎的解釋是：原子核在射出電子時總會連帶地射出一個中微子，以保持能量平衡。
如果電子速度快，攜帶着大部分能量，中微子的速度就會慢一些，反之亦然。
因此在這兩種粒子的共同作用下，總會觀測到原子核有較大的反沖。
如果這種效應尚不能證明中微子的存在性，恐怕别的東西也證明不了了。
圖61 現在，我們把前面的讨論結果總結一下，列出參與構成宇宙的完整的基本粒子清單，指出它們之間的關系。
首先是核子，它們是物質的基本粒子。
就目前所知，核子要麼是電中性的，要麼帶正電，但也可能存在着帶負電的核子。
然後是電子，它們是帶正電或負電的自由電荷。
還有神秘的中微子，它們不帶電，大概比電子輕得多。
46 最後是電磁波，它們在空間中傳播電磁力。
物理世界的所有這些基本成分不僅相互依賴，而且能以各種方式相結合。
比如中子可以通過發射一個負電子和一個中微子而變成質子（中子&rarr質子＋負電子＋中微子），質子又可以通過發射一個正電子和一個中微子而重新變成中子（質子&rarr中子＋正電子＋中微子）。
電荷相反的兩個電子可以變成電磁輻射（正電子＋負電子&rarr輻射），也可以反過來由輻射産生（輻射&rarr正電子＋負電子）。
最後，中微子可以與電子結合成宇宙射線中的不穩定粒子，即所謂的介子，它有時被錯誤地稱為&ldquo重電子&rdquo（中微子＋正電子&rarr正介子；中微子＋負電子&rarr負介子；中微子＋正電子＋負電子&rarr中性介子）。
中微子與電子的結合載有過量内能，于是，這兩種粒子結合起來的質量要比各自的質量之和大100倍左右。
圖62是參與構成宇宙的基本粒子的示意圖。
圖62 現代物理學的基本粒子及其不同組合 &ldquo但這次到頭了嗎？&rdquo你也許會問，&ldquo我們憑什麼認為核子、電子和中微子真是基本的，而不能再分成更小的組分了呢？僅僅在半個世紀之前，人們不還以為原子是不可分的嗎？今天的原子顯示出了多麼複雜的圖像啊！&rdquo回答是，雖然我們無法預言物質科學的未來發展，但我們有可靠得多的理由相信，這些基本粒子的确是不可再分的基本單元。
我們已經知道，原本認為不可分的原子顯示出了各種極為複雜的化學、光學等性質，而現代物理學的基本粒子的性質卻極為簡單，在簡單性上甚至堪比幾何點的性質。
此外，不同于經典物理學的大量&ldquo不可分原子&rdquo，我們現在隻剩下了三種有本質不同的東西：核子、電子和中微子。
雖然我們非常渴望把萬物還原為最簡單的形式，但也不可能把某種東西歸于一無所有。
看來，我們對物質基本要素的尋求已經觸到底了。
二、原子的心髒 既已了解構成物質的基本粒子的本性和性質，現在我們可以更詳細地研究每一個原子的心髒即原子核了。
在某種程度上，原子的外層結構類似于一個微縮的行星系統，而原子核本身的結構卻是完全不同的圖像。
首先，将原子核維持在一起的力顯然不是純粹的電力，因為核子中有一半（中子）不帶電，另一半（質子）帶正電，因此會相互排斥。
如果粒子之間隻存在斥力，如何可能得到一群穩定的粒子呢！ 因此，為了理解原子核的各個組分為何能保持在一起，必須假定它們之間存在着某種吸引力，既作用于帶電粒子，也作用于不帶電的粒子。
這種與所涉粒子本性無關、使之保持在一起的力通常被稱為&ldquo内聚力&rdquo。
例如普通液體中就存在内聚力，它阻止各個分子朝四面八方飛散。
原子核的各個核子之間也有這種内聚力，它防止原子核在質子之間電斥力的作用下分崩離析。
因此，在原子核外，形成各個原子殼層的電子有足夠的空間來回運動，而原子核的圖像卻是，許多核子就像罐頭裡的沙丁魚一樣緊緊堆在一起。
本書作者最先提出，可以假定原子核物質的構造方式與普通液體類似。
和普通液體一樣，原子核也有表面張力現象。
大家也許還記得，液體之所以有表面張力現象，是因為液體内部的粒子被相鄰粒子朝各個方向同等地拉動，而位于表面的粒子隻受到向内的拉力（圖63）。
圖63 對液體表面張力的解釋 這使得任何不受外力作用的液滴都有保持球形的傾向，因為對于給定的體積而言，球體的表面積最小。
因此，可以把不同元素的原子核簡單地看成是由一種普遍的&ldquo核液體&rdquo所組成的不同尺寸的液滴。
但不要忘了，這種核液體雖然在定性上非常類似于普通液體，但在定量上卻與之差異甚大。
事實上，核液體的密度比水的密度大 240000000000000 倍，表面張力則比水大 1000000000000000000 倍。
為了更好地理解這些巨大的數，考慮下面這個例子。
圖64中有一個約2英寸見方的倒U字形線框，其上橫搭一根直絲。
在由此形成的框中覆上一層肥皂膜，這層膜的表面張力将把橫絲向上拉。
在橫絲下方懸挂一個小重物，可以對抗這個表面張力。
如果這層膜由普通的肥皂水制成，且厚度為0.01毫米，那麼其自重将是1/4克左右，能夠承受大約3/4克的總重量。
圖64 倘若能
它們的核由普通的中子和負質子所構成，外面圍繞着正電子。
這些&ldquo反&rdquo原子将和普通原子擁有完全相同的性質，我們根本說不出&ldquo反水&rdquo、&ldquo反黃油&rdquo等等與普通的水和黃油有什麼不同，除非是把普通物質和&ldquo反&rdquo物質放到一起。
但如果這樣兩種相反的物質碰到一起，帶有相反電荷的電子就會立即發生湮滅，帶有相反電荷的質子也會立即相互中和，其爆炸的劇烈程度會超出原子彈。
因此，如果真的存在着由反物質構成的星系，那麼從我們這個星系抛出一塊普通的石頭到那裡，或者從那裡抛來一塊石頭，着陸時會立即變成一顆原子彈。
現在我們必須抛開這些關于反原子的奇想而去考慮另一類基本粒子。
這種粒子也許同樣不同尋常，而且會實際參與各種可觀測的物理過程。
它就是所謂的&ldquo中微子&rdquo，是&ldquo從後門&rdquo進入物理學的。
雖然招緻了各方面的反對，但它已經在基本粒子家族中占據了牢固的位置。
它是如何被發現和得到認可的，這是現代科學中最令人激動的偵探故事之一。
中微子的存在是用數學家所謂的&ldquo歸謬法&rdquo發現的。
這項令人激動的發現并非始于存在着某種東西，而是始于丢失了某種東西。
這種丢失的東西就是能量，因為按照一條最古老也最穩固的物理學定律，能量既不能創生也不能消滅，如果發現本應存在的能量丢失了，這就表明一定有個賊或一群賊把能量拿走了。
于是，一些講求秩序、喜歡給事物起名字的科學偵探就把這些尚未看到蹤影的能量大盜命名為&ldquo中微子&rdquo。
不過我們講得有點快了，現在還是回到這樁&ldquo能量盜竊案&rdquo上來。
我們已經看到，每一個原子的原子核都是由核子構成的，其中約有一半核子是中性的（中子），其餘的帶正電（質子）。
如果給原子核額外增加一個或多個中子和質子，從而打破質子與中子相對數目的平衡，45那麼就必定會出現電荷的調整。
如果中子太多，就會有一些中子釋放出負電子而變成質子；如果質子太多，就會有一些質子釋放出正電子而變成中子。
圖60描繪了這兩類過程。
原子核的這種電荷調整就是通常所謂的&beta衰變，從原子核中釋放出來的電子被稱為&beta粒子。
原子核的内部轉變是一個明确的過程，它必定總是與定量能量的釋放有關，這些能量被傳遞給出射電子。
因此我們可以預期，給定物質釋放出來的&beta電子應當有相同的速度。
然而，對&beta衰變過程的觀測證據與這種預期完全相反。
事實上，我們發現給定物質釋放出來的電子擁有從零到某一上限的不同動能。
既然沒有發現其他粒子，也沒有其他輻射能夠平衡這一差異，&beta衰變過程中的&ldquo能量盜竊案&rdquo就變得非常嚴重了。
一度有人認為，這乃是著名的能量守恒定律失效的第一項實驗證據，那對于整幢精美的物理學理論大廈而言真是一場極大的災難。
但還有一種可能：也許丢失的能量是被某種新的粒子帶走了，我們目前的觀測方法尚未察覺到它。
泡利（WolfgangPauli）曾經提出，這種偷竊核能的&ldquo巴格達竊賊&rdquo的角色可由一些被稱為中微子的假想粒子來扮演，它們不帶電，質量不大于普通電子的質量。
事實上，根據高速粒子與物質相互作用的一些已知事實可以斷言，任何現有的物理儀器都察覺不到這種不帶電的輕粒子，它們在任何屏蔽材料中都可以輕而易舉地穿過極大距離。
一層金屬薄膜就能把可見光完全擋住，穿透性很強的X-射線和&gamma射線需要穿過幾英寸厚的鉛，強度才會顯著減低，而一束中微子卻能輕而易舉地穿透幾光年厚的鉛！難怪用任何觀測手段都發現不了中微子，它們能被發現僅僅是因為其逃逸導緻了能量虧空。
圖60 負&beta衰變和正&beta衰變的示意圖（為方便起見，所有核子都畫在了同一個平面上） 雖然中微子一旦離開原子核就捕捉不到了，但我們可以研究中微子離開原子核所引起的次級效應。
用步槍射擊時，槍身會向後撞擊你的肩膀；大炮發射重型炮彈時，炮身會沿炮架向後坐。
原子核射出高速粒子時，也應發生這種力學反沖效應。
事實上，我們的确觀測到，發生&beta衰變的原子核總會沿着與出射電子相反的方向獲得一定的速度。
但這種原子核反沖的特殊之處其實在于：無論被射出的電子是快是慢，原子核的反沖速度總是大緻相同（圖61）。
這就有點奇怪了，因為我們本來預期一顆快速的炮彈會在炮身中引起比慢速的炮彈更大的反沖。
對這個謎的解釋是：原子核在射出電子時總會連帶地射出一個中微子，以保持能量平衡。
如果電子速度快，攜帶着大部分能量，中微子的速度就會慢一些，反之亦然。
因此在這兩種粒子的共同作用下，總會觀測到原子核有較大的反沖。
如果這種效應尚不能證明中微子的存在性，恐怕别的東西也證明不了了。
圖61 現在，我們把前面的讨論結果總結一下，列出參與構成宇宙的完整的基本粒子清單，指出它們之間的關系。
首先是核子，它們是物質的基本粒子。
就目前所知，核子要麼是電中性的，要麼帶正電，但也可能存在着帶負電的核子。
然後是電子，它們是帶正電或負電的自由電荷。
還有神秘的中微子，它們不帶電，大概比電子輕得多。
46 最後是電磁波，它們在空間中傳播電磁力。
物理世界的所有這些基本成分不僅相互依賴，而且能以各種方式相結合。
比如中子可以通過發射一個負電子和一個中微子而變成質子（中子&rarr質子＋負電子＋中微子），質子又可以通過發射一個正電子和一個中微子而重新變成中子（質子&rarr中子＋正電子＋中微子）。
電荷相反的兩個電子可以變成電磁輻射（正電子＋負電子&rarr輻射），也可以反過來由輻射産生（輻射&rarr正電子＋負電子）。
最後，中微子可以與電子結合成宇宙射線中的不穩定粒子，即所謂的介子，它有時被錯誤地稱為&ldquo重電子&rdquo（中微子＋正電子&rarr正介子；中微子＋負電子&rarr負介子；中微子＋正電子＋負電子&rarr中性介子）。
中微子與電子的結合載有過量内能，于是，這兩種粒子結合起來的質量要比各自的質量之和大100倍左右。
圖62是參與構成宇宙的基本粒子的示意圖。
圖62 現代物理學的基本粒子及其不同組合 &ldquo但這次到頭了嗎？&rdquo你也許會問，&ldquo我們憑什麼認為核子、電子和中微子真是基本的，而不能再分成更小的組分了呢？僅僅在半個世紀之前，人們不還以為原子是不可分的嗎？今天的原子顯示出了多麼複雜的圖像啊！&rdquo回答是，雖然我們無法預言物質科學的未來發展，但我們有可靠得多的理由相信，這些基本粒子的确是不可再分的基本單元。
我們已經知道，原本認為不可分的原子顯示出了各種極為複雜的化學、光學等性質，而現代物理學的基本粒子的性質卻極為簡單，在簡單性上甚至堪比幾何點的性質。
此外，不同于經典物理學的大量&ldquo不可分原子&rdquo，我們現在隻剩下了三種有本質不同的東西：核子、電子和中微子。
雖然我們非常渴望把萬物還原為最簡單的形式，但也不可能把某種東西歸于一無所有。
看來，我們對物質基本要素的尋求已經觸到底了。
二、原子的心髒 既已了解構成物質的基本粒子的本性和性質，現在我們可以更詳細地研究每一個原子的心髒即原子核了。
在某種程度上，原子的外層結構類似于一個微縮的行星系統，而原子核本身的結構卻是完全不同的圖像。
首先，将原子核維持在一起的力顯然不是純粹的電力，因為核子中有一半（中子）不帶電，另一半（質子）帶正電，因此會相互排斥。
如果粒子之間隻存在斥力，如何可能得到一群穩定的粒子呢！ 因此，為了理解原子核的各個組分為何能保持在一起，必須假定它們之間存在着某種吸引力，既作用于帶電粒子，也作用于不帶電的粒子。
這種與所涉粒子本性無關、使之保持在一起的力通常被稱為&ldquo内聚力&rdquo。
例如普通液體中就存在内聚力，它阻止各個分子朝四面八方飛散。
原子核的各個核子之間也有這種内聚力，它防止原子核在質子之間電斥力的作用下分崩離析。
因此，在原子核外，形成各個原子殼層的電子有足夠的空間來回運動，而原子核的圖像卻是，許多核子就像罐頭裡的沙丁魚一樣緊緊堆在一起。
本書作者最先提出，可以假定原子核物質的構造方式與普通液體類似。
和普通液體一樣，原子核也有表面張力現象。
大家也許還記得，液體之所以有表面張力現象，是因為液體内部的粒子被相鄰粒子朝各個方向同等地拉動，而位于表面的粒子隻受到向内的拉力（圖63）。
圖63 對液體表面張力的解釋 這使得任何不受外力作用的液滴都有保持球形的傾向，因為對于給定的體積而言，球體的表面積最小。
因此，可以把不同元素的原子核簡單地看成是由一種普遍的&ldquo核液體&rdquo所組成的不同尺寸的液滴。
但不要忘了，這種核液體雖然在定性上非常類似于普通液體，但在定量上卻與之差異甚大。
事實上，核液體的密度比水的密度大 240000000000000 倍，表面張力則比水大 1000000000000000000 倍。
為了更好地理解這些巨大的數，考慮下面這個例子。
圖64中有一個約2英寸見方的倒U字形線框，其上橫搭一根直絲。
在由此形成的框中覆上一層肥皂膜，這層膜的表面張力将把橫絲向上拉。
在橫絲下方懸挂一個小重物，可以對抗這個表面張力。
如果這層膜由普通的肥皂水制成，且厚度為0.01毫米，那麼其自重将是1/4克左右，能夠承受大約3/4克的總重量。
圖64 倘若能