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回复时间:2005-2-1 15:22
35 什么是温室效应?

  当提到某种物体是"透明的"时,我们是说透过它能看
到东西,而并不一定是说所有的光都能穿过这个物体。比如
说,我们可以透过红玻璃看东西,因此它是透明的,但是,
蓝光并不能穿过它,一般的玻璃对各种颜色的光都是透明的,
但是,它对紫外线和红外线就很不透明。
  设想在阳光下有一幢玻璃房子。太阳光中的可见光部分
都透过了玻璃,并被这幢房屋里的东西所吸收掉。房间里的
物体因此而变暖,正象它们在户外受到阳光的直接照射下会
变暖一样。
  因阳光而变暖的物体又会以辐射的形式把这些热量送出
去。不过,这些物体的温度并没有太阳那样高。所以,它们
并不发出能量很高的可见光,而是发出能量弱得多的红外线。
经过一段时间后,它们以红外线形式辐射出去的能量,就会
等于它们以可见光形式吸收进来的能量。这时,温度就不再
变化(当然,这些物体这时要比太阳不照射它们时热一些)。
  处于露天环境中的物体在给出自己的红外辐射时不会有
什么困难。但是,在玻璃屋子里受阳光照射的物体的处境大
不相同。在它们所释放的红外辐射中,只有很少一部分会透
过玻璃散发出去,大部分则被反射回来。结果,能量便在里
面积聚起来。这样,室内物体的温度就会比室外物体的温度
高出不少来。室内温度要高到能有足够多的红外辐射经过玻
璃透射出去,以达到平衡状态为止。
  正因为如此,植物能在户外温度足以把它们冻死的季节
中在玻璃房屋里生长。这种效应使玻璃房屋得名为"温室"。
这种由于玻璃对可见光十分透明、而对红外线很不透明的事
实而得到多余热量的效应,则称为"温室效应"。
  我们的大气层几乎完全是由氧气、氮气和氖气组成的。
这些气体对于可见光和地球表面变暖时所释放出的红外辐射
都是十分透明的。但是,大气里还含有0.03%的二氧化
碳,它对可见光是透明的,但是对于红外线却不怎么透明。
大气中二氧化碳的作用正象温室的玻璃一样。
  由于二氧化碳在大气层中的含量很少,相对地说,温室
效应是次要的。不过,这已经使得地球比根本没有二氧化碳
时要热了一点了。而且,如果大气层中的二氧化碳含量翻上
一番,温室效应就会增强,地球会再暖上几度。这就足以使
两极的冰冠逐渐融化。
  金星就是具有巨大温室效应的例子。它的厚厚的大气层
似乎大部分是二氧化碳。由于金星比地球离大阳近,天文学
家倒是预料到它的温度会比地球高。但是,由于原来不晓得
金星大气层的成分,他们没有考虑到温室效应的附加效果。
因此,当他们发现金星表面的温度竟远远超过水的沸点(这
比他们的预料要高出上百度)时,真是十分惊讶。



36 行星探测器在飞越行星上空后会怎样?它们会飞
   到哪里去?

  美国和苏联所发射的卫星,绝大多数被送到了环绕地球
的轨道上。
  当然,卫星的轨道有可能与地球表面相交。这样,它在
转了一圈之后,就又回到了地球上。向水星进发的头两次飞
行就属于这一类型。有时,卫星的轨道围绕地球绕一个很大
的圈子,它可以超越过月球的位置。给月球"背面"拍摄照
片的"月球三号"就是这样的一个。
  如果卫星以超过每秒11.2公里的速度向上发射,地
球的引力场就无法留住它。这时,它将进入围绕太阳运行的
独立轨道——太阳的引力场要比地球的引力场强大,它能系
留住运动速度更大的物体。这种环绕太阳的轨道,有时会与
某个天体相交。撞到月球上(当然是有意这样做)的"流浪
者七号"、"流浪者八号"和"流浪者九号"正属于这种情
况。
  绕太阳飞行的卫星,如果不与任何天体相遇,它们就会
在椭圆的轨道上无限地飞行下去。各种各样的"月球探测器"
和"行星探测器"都是如此。
  对于围绕太阳运行的探测器,可以预先计算好它们的轨
道,使它们在运转第一圈时就接近月球(如"先驱者四号")、
金星(如"水手二号")或火星(如"水手四号")。在接
近过程中,探测器会把有关自己所靠近的星体及它周围的空
间的情报发送给地球。接着,探测器会撇下这些天体,继续
绕着太阳运行。
  如果探测器不受它所飞越的行星引力场的影响,它最终
将回到发射时在空间的位置(不过地球在同一时期内已经沿
着自己的轨道走开,不再呆在原来的位置了)。
  如果探测器受到它所穿越的行星引力场的影响,那么,
在这个引力的牵制下,探测器会进入一条新轨道。事实上,
每当探测器十分靠近某个大质量物体时,轨道就会有所变化。
因此,人们不可能精确地预料到某个探测器在绕太阳转过一、
两周后,会处在什么轨道上。表达这种运动的方程组太复杂
了,根本无法求解。
  当然,如果探测器能不断发出信号,我们就能够追踪出
它的轨道——特别是当它离地球较近时。
  但是,一旦探测器中的电池用竭,航天器即告失踪:它
们无法发出信号,而且又小得观测不到;所有的探测器最终
都会失踪,这是我们早已料到的事情。
  不过,它们还将绕着太阳运行,大概还会处在原来的空
间区域内。它们不会长途跋涉去漫游其它行星。既然我们接
收不到它们的信号,它们就成了没有用处的东西,可以被人
们当作"星际垃圾"而从名单中划去。如果它将来在围绕太
阳运转时不撞到地球、月球、火星或金星的话,大概会永远
在自己的轨道上转下去。





37 地球将会有怎样的归宿?

  第一个试图不靠神学去详细研究地球的历史(即它的过
去及可能会有的未来)的人,是苏格兰的地质学家赫顿。他
在1785年发表了第一本现代地质学著作,他在书中承认
自己在研究地球本身的过程中,并没有能够看出它有开始和
终结的迹象。
  从那时以来,我们已经迈进了一大步。我们现在可以相
当确定地说,地球目前的这种形态大约是在四十七亿年前就
已经获得了的。大约就在那个时期,从形成太阳系的原始星
云的尘埃和气体产生了我们今天所知道的地球。地球一旦形
成,那么,如果听任它作为表面覆盖着一层水和空气的金属
和岩石的集合体存在的话,它就会这样存在下去,而且,据
我们所知,还会永远这样存在下去。
  但是,是否会有什么外来的因素对它进行干扰呢?
  离地球最近的、并且有足够大的能量来显著影响地球的
天体是太阳。只要太阳能维持目前这种活动水平(它已经处
于这种状态达几十亿年了),地球基本上就不会有变化。但
是,太阳能把目前的这种状态维持下去吗?如果不能,将会
发生什么变化?这种变化又会给地球带来什么影响?
  直到本世纪三十年代之前,人们都觉得太阳也象其他炽
热的天体一样,总归是会冷却下去的,它会不断地向空间倾
泻能量。由于这样,这种巨大的能流总会枯竭,渐渐地变成
涓涓细流。随着这种情况的发生,太阳也会冷却成橙色,再
变成红色,光度也越来越昏暗,最后终于熄灭。
  与此同时,地球也会缓慢地冷却下来。越来越多的水将
冻结起来,两极地区也会扩展出去,最后,就连赤道地区都
会缺少足以维持生命的热量了。整个海洋将冻结成一块坚冰;
空气也会液化,随后还会冻结成固体。在此以后,冰冻了的
地球(还有它那些行星伙伴)还会绕着死去的太阳运转数不
清的年头。
  不过,即使真的是如此,地球还是会做为太阳的行星而
存在着。
  但是,到了三十年代,核物理学家第一次揣摩出在太阳
和其他恒星中所发生的核反应。他们发现,尽管太阳总有一
天会冷下来,但在这之前,还要有温度极高的时期。一旦大
部分氢燃料消耗殆尽,其他核反应就会发生,使太阳变热,
并使它大大膨胀起来。总的来说,太阳发出的热量是比以前
多了,但在它那变得很巨大的表面上,每一块地方所发生的
热量却会减少。因此,它会变得冷一些。这时太阳就变成了
一颗红巨星。
  在这种情况下,地球有可能先被焙成灰烬,最后又会挥
发掉。这时,地球做为一颗固体行星的历史就算到了头。可
是,我们对这一点倒不必过分担忧,这大概是八十亿年以后
的事情了。




38 什么是理论物理学家?他们都干些什么?

  物理学家主要研究各种形式的能量,同时还研究能量与
物质的相互作用。物理学家对于支配运动的各种定律是很感
兴趣的,因为任何运动的物质都具有"动能"。他对热、声、
光、电、磁以及放射性都会感到兴趣,因为这些都是能量的
存在形式。到了二十世纪,连质量看来都明显地是能量的一
种形式了。
  物理学家还对能量从一种形式转变为另一种形式的方式,
以及控制这类转化的规律感兴趣。
  自然,物理学家可以有所侧重。如果有人对于能量和亚
原子粒子的相互作用特别感兴趣,他就是一位"核物理学家"
(原子核是原子中的主要结构)。如果他对恒星中能量和物
质的相互作用感兴趣,他就是一位"天体物理学家"。
  同样地,对化学反应中有关能量的问题特别感兴趣的人
是"物理化学家"。而主要关心生命组织使用和产生能量的
方式的人,则是"生物物理学家"。
  有的物理学家会致力于在特定条件下进行精确的测量。
或许,他打算测定在某些化学反应中所释放出来的热量的精
确数量;或许,他打算度量某一种亚原子粒于在分裂成其他
粒子、并释放出能量时的精确方式;或许,他打算知道大脑
的微弱电势在某些药物作用下的精确变化。在这些工作中,
他都可以称得上是位"实验物理学家"。
  另一方面,一位物理学家也可能特别有兴趣去仔细钻研
早已得到的测量结果,希望从中发现具有普遍意义的思想。
或许,他能推导出某些数学关系式来,这些公式能够解释这
些测量结果为什么是这样的,而且,如果他找出了这些关系,
就能用它们来预言某些还没进行过的测量结果。而一旦进行
了这些测量,其结果又和所预言的相一致的话,他很可能就
发现了一条被称做"自然法则"的东西。
  试图用这种方法来获得自然法则的物理学家,就是"理
论物理学家"。
  有一些物理学家对理论并不特别感兴趣。他们是极有天
赋的实验物理学家。曾经发明了干涉仪、并精确地测量了光
速的迈克耳孙就是这样的一位。也有人是对实验毫无兴趣的
天才的理论物理学家,相对论的发现者爱因斯坦即属此例。
(译注:爱因斯坦早年对实验是很感兴趣的)。
  虽然实验物理学家把自己框在测量的圈子里,而理论物
理学家又拘泥于数学论证,但这两种人对于科学都是极端宝
贵的。不过,人们总还是希望找到一位既是第一流实验家、
又是第一流理论家的人物。费米就是这种"双料"物理学家
的突出代表(他还是一位杰出的教师,因此,他大概可以说
是"三料"的人物了)。





39 时间是一种幻觉呢,还是确实存在的东西?怎么
   来描述时间呢?

  首先要指出的一点是,时间是一种心理学方面的事物。
这是对时间长度的感觉。你吃过了东西,而过了一会儿,你
又感到饥饿了。现在是白天,而过了一会儿,就成了黑夜。
  这种对时间长度的感觉是什么?究竟是什么东西使你意
识到某件事情"过了一会儿"才发生?一般说来,这些问题
属于思维机理的范畴,是有待今后解决的课题。
  每个人都会意识到,他对时间长度的感觉随环境而变。
干一天活,好象要比同好朋友在一起呆一天长得多,听一个
小时枯燥的报告,似乎也比打一个钟头扑克显得长。这就是
说,我们所提到的"一天"或"一小时"在某些场合下可能
要比在其他场合下长一些。不过,这里面有一桩麻烦事:一
段时间在某个人看来可能显得长些,在另一个人看来又会显
得短些,而对于第三者来说,却既不长也不短。
  要使时间观念对一群人都适用,就一定得找到一种普遍
适用的、并不因人而异的衡量方法。如果有一些人商定在
"六个星期后"准时会面,那么,靠每人自己觉得六个星期
已过,然后来到会面地点,这是没有用的。大家必须全都同
意在数过四十二个白天和黑夜后前来践约,而不管每个人心
里的时间感到底如何。
  当我们选择好某个客观的物理现象作为代替我们对时间
的本能感觉的一种手段时,我们就有了一种可以称之为"时
间"的东西。从这种意义上来说,我们一定不要试图把时间
定义为某种东西,而只能把它定义为某种度量系统。
  对时间的最早量度涉及到周期性的天文现象:正午(太
阳升到最高处)的一再出现,标志着天数;新月的一再出现,
标志着月数;春分节气(寒冷季节过后,太阳跨过赤道的一
天)的一再重复,标志着年数。把一天划分为相等的小单位,
就得到了小时、分和秒。
  然而,在我们设法利用比正午的重复更为迅速的周期性
运动之前,这些很小的时间单位是无法精确地测量出来的。
等振幅摆和等摆游丝使得十六世纪出现了现代的时间量具。
从那时起,对时间的量度才成为精确可信的。现在,对于更
精确的时间,我们用原子的振动来量度。
  我们怎样能保证这些周期性现象真的是"均匀的"呢?
难道它们不会象人对时间的心理感觉那样也是不可靠的吗?
  有可能。不过,我们可以用几种方法独立地测量时间,
并把测量结果加以比较。如果某种方法有显著的不均匀因素,
那么,在和其他方法进行比较时,这种不均匀性就会表现出
来。如果所有的方法都不均匀,它们也很难是恰巧同样地不
均匀。因此,如果各种测量结果十分相近——实际结果也正
是如此。我们就只能得出结论说,我们所应用的各种周期性
现象从根本上来说都是均匀的。不过不都是完全均匀的,比
如,一天的长短就稍有变化。
  物理学所量度的是"物理时间"。各种生物,包括人在
内,都参加了周期性活动(如睡眠和清醒),而且,这些活
动无需依赖外界的变化(如白天和黑夜)。不过,这种"生
物时间"并不象物理时间那样严格。
  此外,当然还存在着一种对时间长度的感觉,或者说
"心理时间"。即使看着一只钟,干一天活仍然显得比同好
朋友在一起呆一天要长得多。




40 时间的最小可能单位是什么?

  1800年刚过不久,就有人提出一种见解说,物质是
以某种叫做"原子"的小单位存在着的。1900年过后不
久,人们又接受了能量是以某种叫做"量子"的小单位存在
着的看法。那么,有没有别的什么常用的量也是以确定的小
单位存在着呢?比如说,时间是不是这样呢?
  有两种寻求"最小的可能单位"的方法。直接的方法是
把某个要测量的量一直分下去。直到不能再分为止——把要
测量的质量一直分下去,直到获得一个单个的原子为止;把
要测量的能量分到获得一个单个量子为止。另一种是间接的
方法,这就是去发现某种如果不假设有最小的可能单位存在
就无法解释的现象。
  在物质的场合下,大量的化学观察,包括"定比定律"
和"倍比定律"的发现在内,使得原子理论的出现成为必然;
在能量的场合下,黑体辐射和光电效应使得量子理论必定问
世。
  就时间而论,间接的方法是失败了的——至少在目前是
如此。人们没有观察到什么非得用存在着时间的最小可能单
位的假设来解释的现象。
  用直接的方法行不行呢?我们能不能观测到越来越短的
时间周期,直到某个不能再短的地步呢?
  在发现了放射性之后,物理学家开始与极其短暂的时间
间隔打起交道来了,有些原子有极短的半衰期。例如,
钋212的半衰期不到百万分之一(10^(-6))秒,
就是说,在地球以每秒约十二公里的速度绕着太阳走一厘米
时,这种原子就会衰变掉。不过,尽管物理学家详细地研究
了这一类过程,却没有发现时间不是以连续的方式,而是以
"一下一下"的方式流逝的情况。
  然而,我们还能继续往下走。有一些亚原子粒子能够在
更为短暂得多的时间里发生变化。某些粒子在气泡室里以接
近光速的速度行进,它们能在从出生到衰变的时间里形成三
厘米长的径迹。这相当于一百亿分之一(10^(-10))
秒的寿命。
  不过,这还不是我们最出色的成绩。在本世纪六十年代,
人们又发现了寿命特别短的粒子。它们是如此地短命,即便
以接近光速的速度行进,也留不下一条能够进行量度的径迹。
它们存在的时间只能用间接的方法计算出来。已经查明,这
些超短寿命的"共振态粒子'只能存在一千万亿亿分之一
(10^(-23))秒。
  这样短的时间是无法想象的。共振态粒子的寿命与上百
万分之一秒相比,正象一百万分之一秒与三千年相比一样。
  不妨换个方式来想象这段时间。光在真空里的速度接近
每秒钟300,000公里,这是已知的最大速度。在一个
共振态粒子出生到消灭这段时间里,光能传播多远呢?答案
是10^(-13)厘米,即只有一个质子的直径那么长!
  可是,我们仍然没有理由认为共振态粒子的寿命一定就
是最小的时间单位,人们现在还看不出时间是否有个下限。

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41 "第四维"是什么?

  "维"这个字来源于拉丁文,意思是"完全地加以量度"。
那么,现在就让我们做几次量度。
  假如有一条线,你打算确定这条线上某一个固定点X的
位置,使别人能够根据你的描述找到这个点。一开始,你在
这条线上随便确定一个点,把它算作"零点"。这样,你就
能够进行一番测量,发现X离开零点有两厘米远。如果X在
零点的某一侧,不妨把这段距离叫做+2,如果在另一侧,
那就是-2。
  这样,只要大家都同意这些"规定"——零点的位置,
以及哪一侧为正,哪一侧为负——那么,只要用一个数,就
能确定一个位置。
  既然在确定一条线上的一个点时,只需要用一个数字,
所以,这条线或这条线上的任意一段,就是"一维的"——
"用一个数字就能完全加以量度的"。
  再假定有一大张纸,现在打算确定这张纸上某个点X的
位置。你也从零点开始测量,发现它在离零点5厘米远的地
方。但是,它是在哪个方向上呢?可以把它分成两个方向:
向北三厘米,向东四厘米。如果规定朝北为正,朝南为负;
朝东为正,朝西为负,那么,你就能用两个数字来确定这个
点了:+3和+4。
  或许,你可以这样说:这个点离开零点有5厘米远,并
且与东西方向成36.87°的夹角。这时还是需要两个数
字:5和36.87°。无论你怎么干,总得有两个数字,
才能在平面上确定一个点。因此,平面或平面的任意一部分
都是二维的。
  现在,假设有一个象房间内部那样的空间。一个固定点
X可以这样确定:它在某个零点以北5厘米,以东2厘米,
以上15厘米。你也可以用一个长度数字和两个角度数字来
确定这个位置。不过,无论用什么方法,都需要有三个数字,
才能确定房间里(或者是宇宙里)一个点的位置。
  因此,房间也好,宇宙也好,都是三维的。
  假设有这样一种空间,要想确定其中的某个确定的点,
必须用四个(或是五个,或者是十八个)数字才行,那么,
它就是一个四维的(或五维的,或十八维的)空间。在我们
这个普通的宇宙里,并不存在这样的空间,但是,数学家却
能够想象出这种"超空间",并且还能推断出这种空间里的
数学图形会具有什么性质。他们甚至还研究出在任意维空间
中的数学图形所具有的性质。这就是"n维几何学"。
  但是,如果我们所研究的不是固定的点,而是位置随时
间而变化的点,又该怎么办呢?如果你打算确定的是在房间
里飞着的一只蚊子,那么,就需要给出三个普通的数字:南
-北、东-西、还有上-下。接着你还得给出第四个数字来
表示时间。因为这只蚊子只在某个瞬间才会位于空间的某个
位置,你必须把这个瞬间也判断出来。
  宇宙间的任何事物都是如此。我们占有空间——它是三
维的;此外,一定还要加上时间,才能得到一个四维的"时
空"。不过,对时间和其他三个"空间维"不能同样看待,
在某些关键的方程组中,三个空间维带有正号,而时间维则
必须带有负号。
  因此,我们一定不要说时间是第四个维,而只能说时间
是某个第四维,而且它与其他三维不同。




42 "弯曲空间"是什么意思?

  当你第一次在爱因斯坦的相对论里见到"弯曲空间"这
个字眼时,恐怕是会感到困惑的,真空怎么能是弯曲的呢?
你怎样能使它弯曲起来呢?
  为了弄明白这是怎么一回事,先让我们这样想象:在一
艘宇宙飞船里,有人在仔细观察附近的一颗行星。这颗行星
的表面完全被深深的海洋覆盖着,因此有着象台球那样的光
滑表面。再假设有一条船在那个行星的海洋上沿赤道线朝正
东方向行驶着。
  现在再进一步设想一下,这位观察者根本看不见这颗行
星,而只能看到这条船。当他研究这条船的运动路线时,他
会惊讶地发现这条船走的是一条圆弧。它最后会回到自己的
出发点,从而描绘出一个完整的圆周。
  如果这条船改变路线,航道就会变得弯弯折折的,不再
是个简单的圆周。但是,不管它怎么改道,无论它怎么行进,
它的航线总是在一个球面上。
  根据所有这些事实,这位观察者可能会推断出,这条船
被束缚在一个看不见的球体的表面上,而束缚它的力正是指
向球体中心的重力。要不,他就可能会认为,这条船被限制
在一块特殊的空间里面。这块空间是弯曲的,而且弯曲成一
个球形,从而迫使这条船走出这样的路线来。换句话说,我
们必须在一个力和一种空间几何形态之间作出选择。
  你大概会认为这是一种想象出来的局面,但实际上并非
如此。地球这颗行星是沿着椭圆路线绕着太阳运行的,正象
一条船在某个看不见的曲面上行驶一样。至于这条椭圆路线,
我们是假设太阳和地球之间有一种引力来解释的,正是这种
引力使地球保持在它的轨道上。
  不过,我们也可以从空间几何形态来考虑问题。我们不
是通过观察空间本身——空间是看不见的——而是通过考察
物体在这种空间里的运动方式,来确定这种空间的几何形态。
如果空间是"平坦的",各种物体就会走直线从这个空间中
通过,如果空间是"弯曲的",各种物体就会走出弯曲的路
线来。
  一个具有确定质量和速度的物体,如果在离开其他质量
都很远的地方运动,那么,它的路径真的可以说是一条直线。
而当它走近另一个质量的时候,它的路径就会变得越来越弯
曲,显然,是质量把空间弯曲了。质量越大,离质量越近,
空间弯曲的曲率就越大。
  把万有引力看作是一个力,看来要比用空间几何形态去
解释它方便得多,也自然得多。但是,如果在考虑光的行进
时,情形就会颠倒过来。按照比较旧的观点,光是不受重力
影响的,因为它没有质量。然而,当光在弯曲空间里穿过时,
它的路径也会弯曲起来。把光的速度考虑进来,它在太阳这
个巨大质量的附近经过时路径的弯曲就能计算出来了。
  1919年,爱因斯坦的这一理论(发表于三年之前)
在一次日蚀期间受到了检验,人们把太阳位于空间某处时靠
近太阳的某些恒星的位置,与太阳不在此处时这些恒星的位
置进行了比较。结果,爱因斯坦的理论站住脚了。用弯曲空
间来讨论万有引力,看来要比用力学术语更为精确。
  不过,我们还应该提一下,1967年,人们对太阳的
形状所进行的精密测量,发现爱因斯坦的引力理论出了问题,
今后将会发生些什么情况?还得等着瞧。




43 许多科学幻想小说里都提到"力场"和"超空
   间",这都是一些什么东西?它们真的存在吗?

  每一种亚原子粒子都会产生下列四种不同作用中的一种
或几种。这四种作用是:引力作用、电磁作用、弱相互作用
和强相互作用。每一种作用都从它的发源处散播出来,成为
一种"场",而且在理论上是弥散在整个宇宙之中的。大量
粒子所产生的同一种场可以叠加起来,产生极其强大的合成
场。因此,尽管引力场是这四种场里最弱的一种,太阳——
由大量粒子构成的物体——的引力场却是很强大的。
  位于这样一种场中的两个粒子将被场所推动,或者互相
靠近,或者互相离开,这要看粒子与场的本性是怎样的,粒
子的加速度则取决于这两个粒子之间的距离。这种加速度往
往又被解释成是"力"所引起的,所以我们就要谈到"力场"。
从这种意义上说,场的确是存在的。
  不过,我们所知道的力场总是有物质作为它们的起源;
一旦物质没有了,力场也不复存在了。但在科学幻想小说中,
总有某些无需物质存在的强大力场被想象了出来。因此就会
出现那么一段真空,它对粒子和辐射能起到阻拦作用,正好
象这段真空竟是一块两米厚的钢块一样。真空里会出现各种
原子间的作用力,但却根本不存在产生这些力的原子。这种
"无物质力场"作为一种科学幻想的手法倒是颇为方便的,
但是,老天在上,根据我们今天所掌握的科学知识来看,这
种手段是太缺乏依据了。
  "超空间"是科学幻想作品中的又一个挺方便的手法,
这是作者用来绕过光速这个障碍的。
  为了弄清楚这是怎么一回事,设想有平摊开来的很大的
一张纸,纸上面有相距六米的两个点,再设想有一只行动极
缓慢的蜗牛,它一小时只能走一米,显然,它要用六个小时
才能从一个点走到另一个点。
  不过,如果我们把这个两维的纸片在第三个维上弯曲一
下,就会使这两个点靠近起来。如果这时这两个点只相隔一
毫米,而且不知怎么一来,那只蜗牛也能跨越过这两个点之
间的空间,那么,只消几秒钟,它就能从一个点到达另一个
点了。
  现在可以来类比一下:如果有两颗恒星彼此相距五十光
年。那么,一艘飞船以最大的速度——光速——飞行,从一
颗恒星飞到另一颗恒星,也得花五十年的时间(从这两颗恒
星中的任意一颗上来看),这会产生许多麻烦事来。因此,
科学幻想小说家想出一个使情节简化的法子:他们假设具有
三维结构的空间能够在第四个空间维上弯一下,这一来,两
个恒星间就只有一个很小的四维距离了,于是,飞船就会越
过这个小间隙,只用很短的一点时间,就从一颗恒星跑到了
另一颗恒星。
  数学家经常说起与3维物体类似的四维物体,只是在前
面加了一个"超"字。一个表面距中心在四维上等远的物体
叫做"超球"。同样,还有所谓"超正四面体"、"超立方
体"和"超椭球"。使用这套表达方法,我们就能把两颗恒
星间的四维距离叫做"超空间"。
  不过,无论这种超空间对科学幻想小说家是多么方便,
据我们所知,科学现实中并不存在这个东西,它只是一种数
学上的抽象而已。




44 什么是"反引力"?怎样才能研究它?

  强度随距离平方而减小的场有两种:电磁场和引力场。
这种减小是比较缓慢的,因此,即使在很远的地方,也能发
现这两种场的存在。地球离开太阳有一亿五千万公里远,但
仍被太阳的引力场紧紧地抓住不放。
  但是,在这两种场当中,引力场又比电磁场弱得多。一
个电子所产生的电磁场要比它所产生的引力场大约强四百亿
亿亿亿亿倍。
  当然,引力场似乎是挺强大的,每一次我们从高处跌落
下来时,都会痛苦地体验到这一点。但这只是地球太大了的
缘故。地球的每个小块都对引力场有所贡献,结果,总的引
力场就变得很可观了。
  然而,如果我们拿出一亿个电子(这个数量是太微不足
道了,如果把它们集中到一点上,那么,即使用显微镜也无
法看到它们),并让它们散布在地球那么大的空间里。这时,
这些电子所产生的电磁场,就会和整个巨大的地球所建立的
引力场一样强大。
  为什么我们对电磁场的感觉不象对引力场那样明显呢?
  这是由于它们有一点不同的缘故,电荷有两种,分别叫
做正电荷与负电荷,因此,电磁场既可产生吸引作用(在正
电荷与负电荷之间),也可产生排斥作用(在两个正电荷或
两个负电荷之间)。事实上,如果在象地球那么大的体积内
除了一亿个电子之外别无他物的话,这些电子就会互相排斥,
远远地散布开来。
  由于电磁吸引力和排斥力的作用,会使正电荷与负电荷
均匀地混和起来,这样,两种电荷的效应就趋于互相抵消。
至于电荷数目的极其微小的差别,则是有可能存在的。我们
所研究的正是这种多了一点或少了一点某种电荷时的电磁场。
  然而,引力场看来仅仅产生吸引力。每一种具有质量的
物体都会吸引其他具有质量的物体,而当质量增加时,引力
场也会增大,它们是不会抵消的。
  如果某个具有质量的物体,能够排斥另一个具有质量的
物体——其强度和排斥方式正好与一般情况下它们互相吸引
时一样,那么,我们就得到了"反引力",或叫"负引力"。
  人们还从未发现这种引力排斥作用。不过,这很可能是
由于我们所能研究的一切物体都是由普通的物质微粒构成的
缘故。
  世界上存在着一类"反粒子",它们在各方面都与普通
的粒子相同,只是它们所产生的电磁场恰好同普通粒子相反。
例如,如果某一种粒子具有负电荷:相应的反粒子就会有正
电荷。也许,反粒子也会具有相反的引力场。两个反粒子会
象两个普通粒子一样地以引力互相吸引,但是,一个反粒子
却会排斥一个普通粒子。
  麻烦的是,引力场是太微弱了,只有在相当大的质量下,
才能发现引力场,而单个粒子或反粒子的引力场,则是无法
发现的。我们能够得到普通粒子构成的大质量,但是,迄今
仍未能把足够多的反粒子搜罗到一起。而且,时至今日,也
没有哪个人能够提出一种能够发现反引力效应的切实可行的
办法来。




45 什么是引力的速度?

  关于这个问题,有另外一个比较长,然而也比较明白的
提法。这就是:假若太阳突然不复存在,并且消失得无影无
踪的话,地球要在多久以后才不再受到太阳引力场的吸引呢?
  还可以提出一个类似的问题:当太阳消失以后,地球什
么时候才不复得到它的光?
  对于第二个问题,答案是大家熟知的。我们都知道,太
阳离开地球有一亿五千万公里。我们还知道,光在真空中以
每秒300,000公里的速度传播。太阳消失前的最后一
束光线在离开太阳后,要用8.3分钟的时间才到达地球。
换句话说,我们将在太阳消失8.3分钟后才会知道这件事。
  这第二个问题之所以容易回答,是因为我们有好多种测
量光速的方法。由于人们能够察觉自遥远星体射来的微弱光
线的变化,也由于人们自己能发射出强大的光束,这些测量
方法就成了切实可行的事情。
  在与引力场打交道时,我们就没有这些有利条件了。研
究微弱的引力场的微小变化是十分困难的,而且,我们也无
法在地球上产生强大的引力作用,让它们传播很远的距离。
  因此,我们只好局限于理论上进行探讨了。目前,已知
宇宙间有四种相互作用:(1)强相互作用;(2)弱相互
作用;(3)电磁相互作用;(4)引力相互作用。前两种
是短程作用,随距离的增大而迅速减小,到了超过原子核直
径的地方,它们已经微弱得可以忽略不计了。电磁作用和万
有引力作用是远程的,它们反比于距离的平方而减弱。这就
是说,即使是在天文距离上,也能感觉到这两种作用。
  物理学家相信,两个物体间的任何一种相互作用都是通
过交换亚原子粒子来实现的。所交换的粒子质量越大,相应
的作用范围就越小。例如,强相互作用是由于交换质量比电
子大270倍的π介子而产生的,弱相互作用是由于交换质
量更大的W粒子而产生的(顺便说一下,这个粒子还未被发
现)。
  如果所交换的粒子根本就没有质量,那么,相应的作用
范围就是无限大的,这正是电磁相互作用的情况。这时所交
换的粒子是没有质量的光子。这样一束没有质量的光子就是
一束光线,或一束辐射。引力相互作用也像电磁作用一样是
远程的,因此,它也应该交换一种没有质量的粒子——人们
称之为"引力子"。
  而且,物理学家有十分充足的理由假设,在真空中,没
有质量的粒子只能以光速运动。这就是说,速度约为每秒
300,000公里,既不能大,也不会小。
  如果是这样的话,引力子就是以光子的速度前进的。这
就意味着,如果太阳消失的话,它所放出的最后的引力子将
与最后的光子同时抵达地球。在我们最后看见太阳的一瞬间,
也同时失掉了它的吸引力。
  换句话说,引力是以光速传播的。




46 "统一场论"是什么?

  在十九世纪中期,人们就已经知道了四种能越过真空发
生作用的现象。它们是:(1)引力;(2)光;(3)电
吸引和电排斥;(4)磁吸引和磁排斥。
  乍一看来,这四种现象彼此之间似乎根本无关,似乎没
有什么必然联系。然而,在1864年到1873年这段期
间内,苏格兰理论物理学家麦克斯韦从数学角度分析了电与
磁的现象。他发现自己得出了一些带有根本性的关系式——
麦克斯韦方程组,它们既可以用来描述电现象,又可以用来
描述磁现象,这证明两者是互相关联的。只要发生某种电现
象,就必不可免地要发生某种确定的磁现象,反过来也是这
样。换句话说,我们可以提出一种叫做"电磁场"的提法。
这种电磁场存在于真空中,并在接触到空间中的一个物体时,
就按照它自己在接触点上的场强来影响这个物体。
  不仅如此,麦克斯韦还证明,如果设法使电磁场以规则
的方式发生振动,它就会从这个振动中心向各个方向送出一
种辐射,辐射的速度等于光的速度。光本身就是这样的一种
"电磁辐射"。麦克斯韦还预言存在着其他形式的光,不过
它们的波长分别要比普通光长得多或短得多。二十多年以后,
这两种光都被人们发现了。现在我们总是说整个"电磁波谱"。
  因此,本节开始时所提到的四种现象中,有三种(电、
磁、光)已经结合成为一种场了。但还有引力场没有被考虑
到。这样,我们就还有:(1)电磁场;(2)引力场。它
们看起来似乎是两种无关的场。
  然而,物理学家认为,如果只存在一种场(这就是"统
一场"),事情就会简单得多,因此,他们一直在寻找一种
既能描述电磁效应,又能描述引力效应的理论,以便能够用
一种场的存在去描述另一种场存在的本性。
  不过,现在看来,即使发现了这种能把电磁效应和引力
效应结合起来考虑的方程组、我们也还是没有找到真正的统
一场:自1935年以来,又发现了两种新的场。这两种场
都只对亚原子粒子才有影响,而且只在不大于原子核直径的
距离内才起作用,它们就是"强相互作用"和"弱相互作用"。
  真正的统一场论必须能把已知的这四种场都解释清楚才
行。



47 简单扼要地讲,爱因斯坦的相对论是怎么一回事?

  牛顿在17世纪80年代首次总结出了物体的运动定律。
根据这些定律,不同的运动可以按照简单的算术法则相加起
来。假设有一列火车以每小时20公里的速度从你身边驶过,
而车上又有个孩子以每小时20公里的速度向列车行进方向
抛掷一只小球。在和列车一起前进的这个孩子看来,小球的
速度是每小时20公里。而在你看来,火车的运动要和小球
的运动加在一起,结果,小球就以每小时40公里的速度运
动了。
  所以,你能够看出,不能单单就小球来确定它的速度。
速度是相对于某个特定观察者而言的。任何一种试图解释速
度(及有关的其它现象)在不同观察者看来的变化情况的运
动理论,都是一种"相对论"。
  爱因斯坦的与众不同的相对论源于这样一件事实:在火
车上扔小球的这种做法,似乎对于光就不再适用了。光是能
够顺着或逆着地球的运动方向运动的。在前一种情况下,它
似乎会传播得比后一种情况下快。这正象飞机在顺风飞行时
相对于地面的速度要比逆风飞行时高一些一样。然而,对光
速所进行的最精密的测量表明,无论发光的光源如何运动,
光速永远是不变的。
  因此,爱因斯坦宣称:假设光在真空里的速度已经测得,
那么,它将永远保持这个速度不变(每秒30万公里),在
任何情况下都是如此。对于这一设想,宇宙间的各种定律相
应地又该怎样安排呢?
  爱因斯坦发现,为了保证光速是一个恒量,人们必须接
受许许多多出乎意料的事情。
  他发现,随着物体运动速度的增加,物体在运动方向上
会变得越来越短,直到在达到光速时,长度变到零为止;与
此同时,物体的质量会变得越来越大,在达到光速时,质量
会变为无穷大。他还发现,当物体的运动速度越来越小时,
在运动物体上时间流逝的速度也会不断减小,而在达到光速
时,时间就会完全停止。他又发现,质量等价于一定的能量,
能量也等价于一定的质量,等等。
  他把上述对匀速运动物体的所有规律归纳起来,并于
1905年以"狭义相对论"的名称予以发表。1915年,
他又在讨论变速运动物体的规律方面得出了更为深奥的结果,
同时还对引力作用进行了一番新的表述。这些成果被称为
"广义相对论"。
  只有当物体有很大的运动速度时,爱因斯坦所预言的某
些变化才能被人们所察觉。亚原子粒子就有这样的速度。人
们对亚原子粒子进行观测,发现爱因斯坦的预言是正确的,
而且还是十分正确的。老实说,如果爱因斯坦的相对论是错
误的,我们那些轰击原子的装置就无法运转,原子弹也不会
爆炸,某些天文观测也无法进行了。
  不过,在通常的速度下,爱因斯坦所预言的各种效应都
是极小的,因此可以被忽略掉。这时,牛顿定律的简单的算
术加法就起作用了。由于在我们所处的环境中,牛顿定律总
是适用的,因此,它们被我们看作是一种"常识"。而爱因
斯坦的定律却被看成"不可思议的"。




48 为什么物质的行进速度不能快于光速?(1)

  施加给一个物体的能量可以通过多种途径对这个物体产
生作用。如果,铁锤敲在悬空的钉子上,钉子就会得到动能,
也就是得到运动的能量,而向外飞去。如果铁锤敲在嵌入硬
木里的钉子上,那么,钉子就不会运动,这时,它仍然会得
到能量,但这个能量表现为热的形式。
  阿尔伯特·爱因斯坦在他的相对论中指出,质量可以看
作是能量的一种形式(原子弹的发明已经确凿地证明他这种
说法是正确的)。这样一来,如果对一个物体施加能量,那
么,这个能量不但可以通过其他形式表现出来,也可以表现
为质量的形式。
  在一般条件下,物体所获得的表现为质量的能量实在微
乎其微。因此,过去从来没有人能够把这样小的质量测量出
来。直到二十世纪,当人们观察到亚原子粒子以每秒数万公
里的速度运动时,才找到了质量的增加大到能够探测出的事
例。一个以每秒约256,000公里速度相对于我们而运
动的物体,当我们对它进行测量时,它的质量将是它相对于
我们静止不动时的质量的两倍。
  如果对任何一个正在自由运动的物体施加能量,那么能
量可以通过下列两种途径之一进入物体内部:(1)所施加
的能量表现为速度,结果,物体的运动速度就增大了;(2)
所施加的能量表现为质量,结果,物体就变得"重一些"。
当我们对这个物体进行测量时,它所得到的这两种能量形式
之间的区别,决定于我们所测量到的这个物体的起始运动速
度。
  要是这个物体以一般速度运动,那么,所施加的能量实
际上会全部以速度的形式进入物体内部,这时,它会运动得
越来越快,而它的质量几乎丝毫不变。
  随着运动物体速度的增大(也就是随着我们所想象的附
加能量不断地施加到物体中去);以速度的形式进入物体内
部的能量将越来越少,而以质量的形式进入物体内部的能量
则不断增加。我们会发现,尽管这个物体仍然在不断加快它
的运动,但是,它的速度提高率却一直在降低,此外,我们
还会发现,这个物体变重的速率正在渐渐增大。
  当物体的速度继续不断增大,并且非常接近于光在真空
中的速度即每秒约300,000公里时,所施加的能量几
乎全部以质量的形式进入物体内部。换句话说,物体的运动
速度现在增长得非常慢,但是,它的质量却极快地向上增长。
到它达到光速的时候,所施加的能量就全部表现为增加的质
量。
  物体运动速度之所以不能超过光速,是因为当我们要它
超过光速时,就得不断对它施加能量,而在它达到光速时,
不管给它的能量有多大,都会统统转变成增加的质量,因此,
物体的速度就丝毫也不会增大了。
  其实,这种"恰好达到光速的理论"也是不成立的。多
年以来,科学家一直非常细致地对被加速的亚原子粒子进行
观察。宇宙线粒子所含的能量高到无法想象,但是,尽管它
们的质量确实升高了,它们的速度却从来没有达到光在真空
中的速度。已经查明,亚原子粒子的质量和速度正好同相对
论所预言的一样,因此,光速是最大速度这一点,已经是一
个观察到的事实,而不仅仅是一种推测。


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49 为什么物质的行进速度不能快于光速?(2)

  前面的解释并没有完全说明问题。正好相反,它会使人
产生一些疑问,并且来进一步提出一些问题。有些人问道:
"为什么能量会变成质量,而不是变成速度?"也有人问道:
"为什么光的传播速度是每秒约300,000公里,而不
是其他别的速度呢?"
  就目前来说,这类问题只能够这样回答:"因为宇宙就
是这么安排的嘛!"
  还有些人问道:"质量是怎样增大的?"这个问题比较
容易回答。质量的增大并不靠原子数目增多。原子的数目是
保持不变的。但是,每一个原子——实际上是原子中的每一
个粒子——的质量都增大了。
  有人提出过这样的问题:我们究竟能不能通过使物质的
运动快到它的质量增大一倍的办法,来增加我们的各种资源
呢?要是能够这样做,我们的资源就会翻一番了。
  事实上这是办不到的。质量并不是"真正"增大了。这
只是测量的问题。速度只有在相对于某种别的物体,比方说
相对于测量它的那个人来进行测量时,它才是有意义的。只
有那种能够计量的东西,才可以对它进行测量。跑得比光还
要快的物质,你是不可能对它进行测量的。
  但是,假定你曾经测得某种物质的质量比它的正常质量
大一倍,而现在你抓住了它,想利用它达到某种目的。这时
如果你同它一起运动,那么,它相对于你的速度就等于零,
因此,它的质量就会突然变成正常质量了。
  如果你的一个朋友以接近光速的速度从你身边掠过,你
会测出他有非常大的质量,他也会测出你有非常大的质量。
而你们各自都认为自己的质量是正常的。
  你可能会问:"那么,到底谁的质量真正增大了?"答
案是:"这要看是谁在进行测量。"这里根本不存在"真正"
这种东西。每一件东西都只是由某个人相对于某种别的东西
测量出来的。正因为这样,才产生了"相对论"这个理论。
  你会认为,你是脑袋朝上站着的,而澳大利亚人却脑袋
朝下。但是,澳大利亚人则认为他们脑袋朝上,脑袋朝下的
是你。谁的看法是"真正"正确的呢?谁也不"真正"正确。
这里不存在"真正"这种东西。这要看你是站在地球的什么
地方,一切都是相对的。
  有人曾经问道:"既然质量随着速度而增大,那么,如
果一个物体处在绝对静止的状态,它的质量不会减小到零吗?"
可是,"绝对静止"这种玩艺儿是根本不存在的。这里只有
"相对的静止"。某个东西相对于另一个东西可以处在静止
的状态中。当一个物体相对于进行测量的人静止不动时,它
具有一定的最小质量,即所谓"静质量"。质量不能小于这
个值。
  很高的相对速度不仅仅使所测得的物体质量增大,它还
会使物体在它运动方向上的长度减小,并使在这个物体上测
得的时间流逝得慢一些。
  如果你还要再问个"为什么",那么,我的答案是:
"要是事情不是这样的话,光速就不会是物质的最大速度了。"




50 光是由运动得比光更快的粒子发出的。那么,既
   然没有任何东西能运动得比光更快,又怎么可能
   有光呢?

  我们常常说,粒子不能够运动得"比光快","光速"
是速度的上限。
  实际上,如果我们单单这样说,那是说得不够完全的,
因为光在通过不同媒质时,它的传播速度并不相同,光在真
空中的行进速度最快。在这种场合下,它以每秒
300,000公里的速度运动。这个速度就是终极速度。
  因此,如果想把话说得确切一些。我们就应该这样说:
粒子的运动速度不能够"快于真空中的光速"。
  光在通过真空以外的任何其他透明媒质时,它的传播速
度总是小于真空中的光速,有时甚至要慢很多。光在某一特
定的媒质中行进得越慢,当它从真空中以倾斜的角度进入这
种媒质时,它受到偏折(折射)的角度就越大。偏折的大小
是由一个称为"折射率"的物理量决定的。
  把真空中的光速除以某一特定媒质的折射率,就得出光
在这种媒质中的速度。在一般的压力和温度下,空气的折射
率约为1.0003,所以光在空气中的速度等于
300,000除以1.0003,即每秒约299,910
公里。这比真空中的光速小90公里/秒。
  水的折射率是1.33,普通玻璃的折射率是1.7,
而钻石的折射率是2.42。这就是说,光在水中的传播速
度为每秒约224,000公里,在玻璃中为每秒约
176, 000公里,在钻石中只有每秒约123,200
公里。
  粒子的运动速度不能快于每秒约300,000公里,
但是,即使在水中,它们也确实能够以每秒约256,000
公里的速度运动。当它们的速度这样大时,它们在水中的行
进速度就超过水中的光速了。事实上,除了在真空中以外,
粒子在任何一种媒质中的运动速度都有可能超过那种媒质中
的光速。
  在非真空媒质中运动得比光快的粒子,会发出一种蓝光
作为它的尾迹。这种尾迹的角度大小,取决于这个粒子在媒
质中的速度比光在同一媒质中的速度快多少。
  最先观察到比光快的粒子所发射出的这种蓝光的,是一
个名叫巴维尔·切伦科夫的俄国物理学家,他在1934年
报道了这件事。因此,这种光就被称为"切伦科夫辐射"。
1937年,另外两个俄国物理学家——伊利亚·弗兰克和
伊戈尔·塔姆——把这种光同粒子和光在那种媒质中的相对
速度联系起来,从而解释了为什么会有这种光。结果,这三
个人获得了1958年的诺贝尔物理学奖。
  人们已经设计出一种特殊的仪器——切伦科夫计数器,
用来探测这种辐射,并测定它的强度和发射方向。
  切伦科夫计数器特别有用,因为它只对速度非常高的粒
子才起作用,并且很容易根据这种光的发射角度估计出这些
粒子的速度。能量极高的宇宙线的运动速度已经非常接近真
空中的光速,因此,它们就是在空气中也会产生切伦科夫辐
射。
  快子——这是人们所假设的一种只能以超过真空中光速
的速度运动的粒子——即使在真空中也应该会留下一道非常
短暂的闪光。因此,物理学家希望能依靠探测这种切伦科夫
辐射,来证明快子是确实存在的(如果它真的存在的话)。

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回复时间:2005-2-1 15:24
51 既然没有任何东西能超过光速,人们所假定的那
   种运动得比光快的快子又是什么玩艺儿呢?

  爱因斯坦的狭义相对论有一个要求:我们宇宙中所存在
的一切物体,都无法以超过真空中的光速的相对速度运动。
单是为了迫使物体达到光速,就得花费无限多的能量,而要
把它推动到超过光速,就需要花费比无限多还要多的能量,
这简直是无法思议的了。
  不过,让我们暂时假定有一个物体正在以超过光速的速
度运动。
  光的速度是每秒约300,000公里,那么,要是有
某个质量为1公斤、长度为1厘米的物体以每秒约
424,000公里的速度运动,会发生什么情况呢?如果
我们应用爱因斯坦的方程,它就会告诉我们说,这时物体的
质量将等于(负的负1的平方根)公斤,它的长度将变成
(负1的平方根)厘米。
  换句话说,任何一个运动得比光还快的物体,都会具有
必须用数学上所谓"虚数"(参看问题6)来表示的质量和
长度。我们没有任何办法把用虚数表示的质量和长度具体化,
所以,大家就很容易认为,这样的东西既然是无法想象的,
它们就不会存在了。
  但是,1967年,美国哥伦比亚大学的杰拉尔德·范
伯格却认为很有希望把那样的质量和长度具体化(范伯格并
不是最先提出快子的人,这种粒子是比拉纽克和苏达珊最先
假定的,但是,范伯格推广了这种概念)。也许,由"虚数"
表示的质量和长度只不过是一种描述具有(让我们说是)负
重力的物体的办法——这种物体同我们这个宇宙中的物质并
不是靠万有引力互相吸引,而是互相排斥。
  范伯格把这种比光还要快的、具有虚质量和虚长度的粒
子称为"快子"。要是我们假定这种快子能够存在,那么,
它是不是能够按另一种方式来遵循爱因斯坦方程的要求呢?
  显然,快子是会这样的。我们可以描绘出比光跑得还要
快,但却遵循相对论要求的快子所构成的整个宇宙。不过,
为了使快子能够做到这一点,在涉及能量和速度的时候,情
况就会同我们通常所习惯的情况相反。
  在我们这个"慢宇宙"中,不运动的物体的能量等于零,
但是,当它获得能量时,它就运动得越来越快,如果它得到
的能量无限大,它就会被加速而达到光的速度。在"快宇宙"
中,能量等于零的快子以无限大的速度进行运动,它所得到
的能量越大,它的运动就越慢,到能量为无限大时,它的速
度就降低到光速。
  在我们这个慢字宙中,一个物体在任何条件下都不能运
动得比光快。而在快宇宙中,一个快子在任何条件下都不能
运动得比光慢。光速是这两个宇宙之间的界线,它是不能超
越的。
  但是,快子是不是真的存在呢?我们可以断言说,有可
能存在着一个并不违反爱因斯坦理论的快宇宙,不过,有可
能存在并不一定就等于存在。
  探测快宇宙的一种可能的途径,就是要考虑到如果有一
个快子以超光速通过真空而运动,那么,在它飞过时就必定
会留下一道有可能探测到的光尾迹。当然,大多数快子都飞
得非常快——比光还要快几百万倍(正象大多数普通物体都
运动得非常慢,只达到光速的几百万分之一那样)。
  一般的快子和它们的闪光在我们能够发现它们之前,早
就一瞬即逝了。只有那种非常罕有的高能快子,才会以慢到
接近光速的速度从我们眼前飞过。即使在这种场合下,它们
飞过一公里也只需要三十万分之一秒左右的时间,所以,要
发现它们也是一桩极伤脑筋的任务!




52 能量为零的快子会以无限大的速度运动,这样说
   来,确实有可能实现无限大的速度罗?

  粒子以无限大的速度运动这种想法本身,看来似乎有一
些荒谬的地方,它不需要花任何时间,就会从A点跑到B点,
这就是说,它将不仅同时处在A点和B点上,而且也同时处
在A、B两点之间的各点上,它还会继续跑到C、D、E等
点上去,并且再进一步走过无限大的距离,而且这一切都不
用花费任何时间。这样一来,一个以无限大速度运动的粒子,
就会具有一根无限长的固体棒的各种性质。
  如果空间象爱因斯坦相对论所指出的那样发生弯曲,那
么,这根固体棒实际上会成为一个巨大的圆或螺旋,要不然,
就是某种形状还要更加复杂的、变幻不定的曲线。
  不过,现在让我们先来设想一个由快子构成的宇宙,在
这个宇宙中,所有粒子的速度全都大于光速。当这种粒子所
获得的能量越来越多时,它们的运动速度就变得越来越慢,
到它们得到无限大的能量时,它们的速度就降低到等于光速。
当它们失去的能量越来越多时,它们就运动得越来越快,到
它们的能量等于零的时候,它们的运动速度就达到无限大。
  我们可以想象到,在这样的宇宙中,粒子的能量范围是
很宽广的:有些粒子的能量非常高,有些粒子的能量非常低,
有些粒子的能量则介于这两者之间(就象我们这个宇宙中粒
子的实际情况那样)。
  在这样的宇宙中(就象在我们这个宇宙中一样),能量
必须通过某种相互作用才能从一个粒子转移给另一个粒子,
比如说,要通过两个粒子的碰撞,如果低能粒子A同高能粒
子B发生碰撞,那么,粒子A获得能量而粒子B损失能量的
机会是非常大的,所以,一般的趋势是形成两个具有中等能
量的粒子。
  当然,也会有一些例外的情形。如果是两个能量相等的
粒子发生相互作用,那么,其中的一个粒子可能获得能量,
另一个粒子则损失能量,从而把能量范围拉大了。甚至还有
可能(尽管可能性不大)发生这样的情形:一个高能粒子通
过同一个低能粒子相碰撞而获得更多的能量,而那个低能粒
子所剩下的能量却比原来还要少。
  考虑到这种碰撞的随机性和能量转移的随机性,我们就
会得出结论说,这些粒子的能量分布必定是大多数粒子具有
中等能量,有些粒子具有较高(或较低)的能量,少数粒子
具有非常高(或非常低)的能量,非常少的粒子具有极高极
高(或极低极低)的能量,只有痕量的粒子才具有极高极高
极高(或极低极低极低)的能量。
  在某一个范围内的能量分布可以用数学方法表示出来。
并且我们会看到,实际上既没有任何粒子具有无限大的能量,
也没有一个粒子的能量等于零,粒子只能非常接近这两个能
量值,但永远不能达到它们。快子有时会以稍稍大于光速的
速度运动,但它的速度永远不会正好等于光速;快子也可能
以确实非常巨大的速度运动,比光速还要快上百万倍(或者
上亿倍或万亿倍),但它永远不会达到真正是无限大的速度。
  假定有两个能量正好相同的快子非常准确地发生对头碰
撞。这时,它们的动能难道不会正好互相抵消掉,从而使两
者以真正无限大的速度离开碰撞地点而飞开吗?这同样是个
只能逼近而无法达到的想法。两个快子具有正好相同的能量,
并且非常准确地对头碰撞的机会,那是小到等于零的。
  换句话说吧,在快子的宇宙中,真正无限大的速度是只
能逼近、但无法达到的——在这种情况下,我们就不必去为
无限大总是要引起的种种似乎荒谬绝伦的事情多伤脑筋了。




53 海森堡的测不准原理是怎么回事?

  要解释测不准的问题,我们先得问一问:什么叫做测准
了?当你深信你精确地了解到某种物体的某种性质时,那么,
不管你得到的数据怎么样,你都确信它没有问题。
  但是,你怎样才能了解到那个物体的某种性质呢?无论
用什么方法,你都必定要同那个物体发生相互作用。你必须
把它称一称,看看它有多重;或者把它敲一敲,看看它的硬
度有多大;再不然,你就得直盯着它,看看它在什么地方。
而这时就必定有相互作用,不过这些相互作用是比较缓和的。
  现在我就可以争辩说,这种相互作用总是会给你所力求
测定的那种性质本身带来一些变化。换句话说,在了解某种
事物时会由于了解它那个动作本身而使那种事物发生改变,
因此,归根结蒂,你根本没有精确地了解到这种事物。
  举个例子吧,假定你想测量出澡盆里热水的温度。于是,
你把一根温度计放入水中,对水的温度进行测量。可是温度
计是凉的,它放入水中就会使水的温度稍稍降低。这时,你
仍然可以得到热水温度的很好的近似值,但是它不会精确到
一万亿分之一度。温度计已经改变了它所要测量的那个温度,
而这种变化几乎是无法测出的。
  再举个例子,假定你想测量轮胎中的空气压力,你就要
让轮胎逸出极小量的空气来推动测压计的活塞。但是,有空
气逸出这个事实就说明,空气的压力已经由于测量它这一动
作而稍稍降低了。
  有没有可能发明一些非常微小、非常灵敏,而又不直接
同所要测量的性质发生关系的测量器件和方法,因而也就根
本不会给所要测量的性质带来丝毫变化呢?
  德国物理学家维尔纳·海森堡在1927年断言说,这
是不可能做到的。一个测量器件只能小到这种程度:它可以
小到同一个亚原子粒子一样小,但却不能小于亚原子粒子。
它所使用的能量可以小到等于一个能量子,但再小就不行了。
然而,只要有一个粒子和一个能量子就已经足以带来一定的
变化了。即使你只不过为了看到某种东西而瞧它,你也得靠
从这个物体上弹回来的光子才能看到它,而这就已经使它发
生变化了。
  这样的变化是极其微小的,在日常生活中我们可以把它
们忽略掉,而且我们也正是这样做的——但是,这种变化仍
然存在。不过,要是你所碰到的是极其微小的物体,这时就
连极其微小的变化也显得挺大,那又会出现什么情况呢?
  例如,如果你想要说出某个电子的位置,那么,为了
"看到"这个电子,你就得让一个光量子(更可能是一个γ
射线光子)从它上面弹回来。这样一来,那个光子就会使电
子的位置发生变化。
  具体地说吧,海森堡成功地证明了,我们不可能设想出
任何一种办法,把任何一种物体的位置和动量两者同时精确
地测量下来。你把位置测定得越准确,你所能测得的动量就
越不准确,你测得的动量越准确,你所能测定的位置就越不
准确。他还计算出这两种性质的不准确度(即"测不准度")
应该是多大,这就是他的"测不准原理"。
  这个原理指出,宇宙具有某种"微粒性"。你要是尽力
把报纸上的图象放大,最后,你就会把它放大到这样一个程
度:你会看到许多细小的颗粒或是斑点,而根本看不到图象
的详细结构。如果你想细致地观察宇宙,你也会碰到同样的
情况。
  这一点使某些人感到失望,他们把这个原理看作是人类
永远无知的自供状。但事情根本不是如此。我们感兴趣的是
想知道宇宙是怎样工作,而测不准原理正好是宇宙的工作的
一个关键性因素,宇宙存在着"微粒性",问题就在这里。
海森堡为我们指出了这一点,对此,物理学家是非常感激的。




54 宇称是什么?

  假定我们把每一个亚原子粒子都挂上标签:要嘛是A,
要嘛是B,二者必居其一。现在再进一步假定,一个A粒子
只要分裂成两个粒子,这两个粒于要不是统统属于A类,就
必定统统属于B类。这时我们可以写出A=A+A或A=B
+B。一个B粒子如果分裂成两个粒子,这两个粒子当中总
是有一个属于A类,另一个则属于B类,所以我们可以写出
B=A十B。
  你还会发现另一种情形:如果两个粒子互相碰撞而分裂
成三个粒子,这时你就可能发现A+A=A+B+B或A+
B=B+B+B。
  但是,有些情形却是观察不到的。例如,你不会发现A
+B=A+A或A+B+A=B+A+B。
  这一切是什么意思呢?好吧,让我们把A看作2,4,
6这类偶数当中的一个,而把B看作3,5,7这类奇数。
两个偶数相加总是等于偶数(6=2+4),所以A=A+
A。两个奇数相加也总是等于偶数(8=3+5),所以A
=B+B。但是,一个奇数和一个偶数之和却总是等于奇数
(7=3+4),所以B=A+B。
  换句话说,有些亚原子粒子可以称为"奇粒子",另一
些亚原子粒子可以称为"偶粒子",因为它们所能结合成的
粒子或分裂成的粒子正好与奇数和偶数相加时的情况相同。
  当两个整数都是偶数或者都是奇数时,数学家就说这两
个整数具有"相同的奇偶性(宇称)";如果一个是奇数,
一个是偶数,它们就具有"不同的奇偶性(宇称)"。这样
一来,当有些亚原子粒子的行为象是奇数,有些象是偶数,
并且奇数和偶数的相加法则永远不被破坏时,那就是过去所
说的"宇称守恒"了。
  1927年,物理学家魏格纳指出,亚原子粒子的宇称
是守恒的,因为这些粒子可以看作是具有"左右对称性"。
真有这种对称性的东西与它们在镜子里所成的像(镜像)完
全相同。数字0和8以及字母H和X都具有这样的对称性。
如果你把8,0,H和X转一下,让它们的右边变成左边,
左边变成右边,那么,你仍旧会得到8,0,H和X。字母
b和p就没有这种左右对称性。要是你把它们转个180°,
b就会变成d,p就变成q——成为完全不同的字母了。
  1956年,物理学家李政道和杨振宁指出,在某些类
型的亚原子事件中宇称应该不守恒,并且实验很快就证明他
们的说法是对的。这就是说,有些亚原子粒子的行为好象它
们在某些条件下是不对称似的。
  由于这个原因,人们研究出了一个更普遍的守恒律。在
一个特定粒子不对称的地方,它的反粒子(即具有相反的电
荷或磁场)也是不对称的,但两者的模样相反。因此,如果
粒子的形状象p,它的反粒子的形状就象q。
  如果把电荷(C)和宇称(P)放在一起,就能建立一
条简单的法则,来说明哪些亚原子事件能够发生,哪些亚原
子事件不能够发生。这个法则称为"CP守恒"。
  后来,人们又明白了,为了使这个法则真正保险,还必
须考虑到时间(T)的方向;因为一个亚原子事件看起来既
可以是在时间中向前推进,也可以是在时间中向后倒退。添
上时间以后的法则称为"CPT守恒"。
  近来,就连CPT守恒也成问题了,不过到底怎么样,
目前还没有得出最后的结论。

译注:到目前为止,所有的实验仍证明CPT是守恒的。




55 为什么我们总是说某一同位素的半衰期,而不谈
   它的总寿命呢?

  有些原子是不稳定的,这样的原子如果听其自然,早晚
必定会自发地发生变化。那时就会有一个高能粒子或γ射线
光子从它的原子核里飞出,因而它就变成另一种原子(属于
同一种元素的原子可以称为这种元素的同位素)。如果在某
个地方有大量的不稳定原子,它们就会朝四面八方辐射出粒
子或γ射线,所以我们说,这样的原子是放射性的。
  我们无法说一个特定的放射性原子什么时候会发生变化。
这可能在一秒钟内发生,也可能过了一年还不发生,甚至可
能过一千万亿年还不发生。因此,你无法测定放射性原子的
"总寿命"(即它保持不变的时间)。这种"总寿命"可以
具有任意值,所以,谈"总寿命"是没有用的。
  不过,假定在某个地方有很多很多某种特定放射性同位
素的原子。在任何一个指定的时刻,其中都有一些原子在发
生变化。这时你会发现,尽管你在任何条件下都不能够说某
个特定的原子将在什么时候发生变化,但你却可以预言说,
在(比方说)一百万亿亿亿个原子当中,有多少个原子在多
少秒钟以后会发生变化。
  这是个统计学的问题。你完全不可能说出某个特定的美
国人在某一年会不会死于车祸,但你却有可能相当精确地预
言说,在某一年内会有某一数量的美国人在车祸中丧命。
  只要给出大量某一特定同位素的原子,我们就可以测出
它们在某一指定时刻的辐射量,因而就能够预言在将来任何
时刻会有多大的辐射量(会有多少个原子在发生变化)。已
经查明,只要把原子发生变化的方式规定下来,那么,不管
在开始时有多少原子,在原子总数中有1/10发生变化所
需要的时间总是相同的,事实上,这些原子当中的2/10
(或4/17,19/573还是任何别的特定的分数)发
生变化所需要的时间总是固定不变的,不管最初有多少个原
子。
  因此,我们不说某一特定同位素原子的"总寿命"有多
长(这是没有什么用处的),却说其中某一部分发生变化所
需要的时间有多长,因为这个时间长度比较容易测量出来。
但是,这个某一部分到底应该是多大呢?在所有分数当中最
简单的是1/2,所以通常就用某一特定同位素原子的一半
发生变化所需要的时间来作标准,这就是这种同位素的"半
衰期"。
  某种特定的同位素越稳定,它的原子就越不容易发生变
化,因而在你开始进行观察以后的(比方说)一个钟头内,
某一特定数量的原子发生变化的可能性也越小,这就是说,
其中一半原子发生变化所需要的时间也越长。
  换句话说,某种特定同位素的半衰期越长,它就越稳定;
半衰期越短,它就越不稳定。
  有些同位素的半衰期确实很长。钍232这种同位素的
半衰期为140亿年,任何一个数量的钍232,都要经过
这样长的时间,才有一半发生衰变。这就是为什么钍232
在地壳中尽管已经呆了将近50亿年的时间(而且在不断衰
变着),至今蕴藏量还非常丰富的原因了。
  但是,有些同位素的半衰期却确实非常短。氦5这种同
位素的半衰期大约只有一千亿亿亿分之一秒。




56 为什么科学家一直在寻找这么多新的亚原子粒子,
   它们有什么重要性呢?

  这个问题的答案主要是一句话:"为了更多的能量。"
  物理学家用一种非常粗鲁的办法去研究原子核的内部结
构。他们全力以赴地用亚原子粒子去撞击原子核,把原子核
粉碎成碎片,然后研究这些碎片。
  最近三十年来所发生的变化,一直是在提高那些轰击原
子核的微小的亚原子"炮弹"的能量。本世纪三十年代,这
类炮弹的能量是几百万电子伏;四十年代是几亿电子伏:五
十年代是几十亿电子伏;到六十年代,已提高到几百亿电子
伏。看来,在七十年代大概会有能量达到几千亿电子伏的炮
弹了。
  轰击原子核的能量越大,击碎后所产生的粒子的数量就
越多,并且这些粒子也越不稳定。你可能会想到,随着冲击
力量的加强,所出现的粒子会变得越来越小(不是吗,狠狠
的一击可以把一块岩石分裂成两大块,而更猛烈地一击却可
以把同一块岩石分裂成十多块小碎片呀)。但是,在原子核
的场合下,事情却不是这样。击碎后出现的那些粒子都倾向
于成为相当重的粒子。
  我们知道,能量可以转化成质量。在粉碎原子的过程中
出现的那些亚原子粒子,并不是原来在原子核中就一直存在、
后来才被击出的。它们是在原子核被击碎的瞬间由入射粒子
的能量形成的。所以,入射粒子的能量越大,所能产生的粒
子的质量就越大,并且这些粒子一般也越不稳定。
  从某种意义上说,从被击碎的原子核飞出的亚原子粒子,
就象火石打击钢铁时飞出的火花一样。钢铁中本来并没有火
花,火花是由撞击的能量产生的。
  但是,如果这样的话,所有这些亚原子粒子还有什么重
要性?它们不可能就象火花那样,也只不过是能量的一些偶
然的产物吗?
  物理学家并不这样想,因为这些粒子所遵循的法则太多
了。所形成的粒子都具有一定的特性,这些特性要服从一些
相当错综复杂的法则。这就是说,各种不同的粒子都可以用
一些被称为"同位旋"、"奇异性"、"宇称"等等的数字
来表示,这些数字的本性受到某些严格的限制因素的支配。
  可见,在这些限制因素的后面必然隐藏着某种东西。
  美国物理学家盖尔曼已经研究出了一种按照这些数字逐
渐增大的次序把各种亚原子粒子排列成表的体系,由于这样
做,他就能够预言一些迄今未知的新粒子。具体地说,他曾
经预言了负ω粒子的存在,这种粒子应该具有某些看来不太
可能的特性,但是,当人们去寻找这种粒子时,它果然被发
现了,并且还正好具有盖尔曼所预言的那些特性。
  盖尔曼还提出,如果目前已知的几百种粒子全都是由很
少几种更简单的粒子(他把这些粒子称为"夸克")构成的,
那么,已知的粒子就会很自然地按照他所指出的方式排列成
一个表。目前,许多物理学家正在搜索这种夸克。如果夸克
真的被发现了,那么,它们可能为我们提供一幅有关物质的
根本性质的崭新图景,那对我们很可能是极其有用的。




57 夸克是什么东西?

  夸克这个概念,是由于最近25年来发现了7百多种不
同的亚原子粒子才产生出来的。确实,其中只有很少几种粒
子能够维持到十亿分之一秒才发生衰变,但是,仅仅存在着
这些粒子的事实本身,就够物理学家伤脑筋了。
  为什么会有这么许多粒子,而且每一种粒子都与别种粒
子不相同呢?
  事情会不会是这样:这些不同的粒子可能组成几个大家
族,并且每个家族内的许多粒子可能按照非常有规律的方式
彼此有些差异?要是这样的话,就只需要考虑到少数几个粒
子家族的存在,而无需把每一种粒子一一分别考虑了。这时,
在看来似乎杂乱无章的亚原子丛林里,就会建之起某种秩序
来了。
  1961年,美国物理学家盖尔曼和以色列物理学家尼
门分别研究出一种把粒子归入这样一些家族的办法。盖尔曼
甚至还提出,有一个粒子族应该包括一种他称之为负ω粒子
的东西——这是一种具有非常奇特的、极不寻常的性质的粒
子,但人们从来没有碰到过它。不过,物理学家只要知道它
按照假设应该会有什么样的性质,他们就知道该怎样去寻找
它了。结果,他们在1964年发现了这种粒子,并且发现
它的性质正好与盖尔曼对它的描绘一模一样。
  盖尔曼在研究他那些粒子家族时想到,说不定所有各种
不同的亚原子粒子会是由很少几种更为简单的粒子结合而成
的。如果真是这样,那可就会把我们对宇宙的看法大大简化。
在他看来,只要假定存在着三种不同的、具有特定性质的亚
原子粒子,就可以按不同的方式把它们组合起来,得出已知
的所有各种亚原子粒子。
  由于要用三个这种假设的粒子结合起来,才能构成一个
已知的粒子,盖尔曼就想起了作家乔伊斯的《芬尼根斯·韦
克》中的一句话(作者为耍弄文学技巧,故意在这本书中玩
文字游戏):"三个夸克才顶得上一个马克。"因此,盖尔
曼就把这些假设中的粒子命名为"夸克"。
  夸克的二个令人惊奇之处,就是它们应该带有非整数电
荷。所有已知的电荷不外以下几种情况:或者等于电子的电
荷(-1),或者等于质子的电荷(十1),再不然,就是
正好等于这两种电荷的若干倍。但是,p夸克的电荷只有
+2/3,n夸克和λ夸克的电荷只有-1/3。这样,一
个质子将由一个n夸克和两个p夸克构成,一个中子则由两
个n夸克和一个p夸克构成,余者依此类推。
  但是,夸克是真的存在呢,还是仅仅是一种数学上的臆
想?
  为了让你明白我的意思,请你考虑一张五角的钞票。一
张五角的钞票可以看作等于10个五分的硬币。但是,这仅
仅是一道算式呢,还是你真的有可能把这张五角的钞票撕成
十份,并且发现每一份都是一个实实在在的五分硬币?
  自从盖尔曼第一次提出存在夸克粒子以来,物理学家就
一直千方百计想找到夸克存在的迹象,但却没有成功。
1969年,澳大利亚有人报道说,已经在宇宙线碰撞所产
生的粒子簇射中,找到了带非整数电荷的粒子的径迹。不过,
它的证据看起来非常玄,所以,大多数物理学家对这个报道
都持怀疑态度。

PS:2000年2月,欧洲核子中心(CERN)的科
学家宣布,他们成功地在实验室中模拟微型的"宇宙大爆炸",
从中获得证据表明,存在一种新的物质形态 ——"夸克胶
子浆"。


隐身或者不在线

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58 人们老是说质子是由三个夸克结合成的,又说一
   个夸克的质量等于一个质子的三十倍。这两种说
   法怎能同时成立呢?

  这两种说法都可以成立。至少,这两种说法并不一定是
自相矛盾的。要解开这个表面上的矛盾,关键问题是得注意
到质量是能量的一种表现形式这个事实。
  我们可以认为,每一个物体相对于某个合适的参考系都
具有某一动能。这个动能等于物体的质量乘以物体速度的平
方的二分之一。当物体的能量增大时,它的质量和速度两者
都增大了(在低能量时主要是速度增大,在能量非常高时主
要是质量增大)。
  其次,我们来考虑一些比较小的物体。这些物体结合得
越紧,(一般说来)把它们维持在一起的力就越大,象太阳
和地球这类确实很大的物体,是靠万有引力场维持在一起的。
万有引力是目前已知的各种力当中最弱的一种。
  原子和分子是靠强得多的电磁场维持在一起的。由于这
种场的作用,分子和分子通常十分牢固地结合在一起,分子
中各个原子的结合还要更牢固,而原子中电子和原子核的结
合就更牢固得多了。
  原子核中的各个粒子是靠核力场维持在一起的。核力场
比电磁场强一百多倍,事实上,核力是已经知道的最强的力。
这就是原子弹爆炸为什么比普通炸药爆炸猛烈那么多的原因
之一。
  假如处在原子核中的质子(和中子)本身是由一些还要
更基本的粒子(夸克)所组成,那么,把各个夸克维持在一
起的结合力很可能要比把质子和中子维持在一起的力强得多,
这大概就会牵涉到一种比现在已知的各种场强得多的新力场。
  要把单个质子或单个中子分裂成构成它的几个夸克,必
须对质子或中子"灌进"极巨大的能量——这个能量要比在
把构成原子核的质子、中子团块成功地切开时所需要的能量
大得多。
  当质子或中子分裂时,那些在这时出现的夸克就会"拣
起"原先输入的能量,这个能量有些会表现成巨大的速度,
有些则表现为巨大的质量。换句话说,由于输入了非常巨大
的能量,本来在质子中只占质子质量三分之一的一个夸克,
一旦被分离开来,它的质量就会变得比质子大许多倍。
  夸克一旦被分离开来,由于它们之间相互吸引的力场具
有空前未有的强度,它们就极其倾向于重新结合起来。这种
重新结合会释放出极其巨大的能量,而这种能量损失就会引
起质量的损失。这时,夸克在质量上就会大大缩减,以致当
三个夸克结合起来时,质量也不会比一个质子大。
  到目前为止,物理学家还完全没有具备把亚原子粒子分
裂成夸克所必需的这种能量,所以,他们就不容易检验夸克
的假说是不是真正有价值。不过,有些宇宙线粒子具有这样
的能量。因此,它们在同原子碰撞时所产生的粒子簇射,现
在正受到物理学家的密切注意,他们希望在这里找到夸克呢!



59 在原子弹爆炸时,有些物质转化成能量。有没有
   可能反其道而行之,把能量转化成物质呢?

  能量是肯定有可能转变成物质的,不过,要想大量做到
这一点,在实践上却办不到。现在我们就来看看这是为什么。
  按照爱因斯坦的狭义相对论,E=mc^2(碧声注:
c的2次方)。这里E代表能量,以尔格为单位;m代表质
量,以克为单位;c代表光的速度,以每秒厘米为单位。
  光在真空中行进的速度非常接近于每秒300亿(3×
10^10)厘米。c^2这个量代表c×c的乘积,即等
于3×10^10×3×10^10=9×10^20。这
就是说,c^2等于
  900,000,000,000,000,000,
000。
  因此,从理论上说1克的质量(m=1)可以转化成9
×10^20尔格的能量。
  尔格是个非常小的能量单位。我们比较熟悉的单位是千
卡(大卡):1千卡大致等于420亿尔格。1克质量在转
化成能量时大约产生2.2×10^11(即2200亿)
千卡。你每天只要从你吃下的食物得到2,500千卡的能
量,就可以生活得很舒服了。要是你有1克物质所代表的能
量可以利用,你就有了一个够你维持240,000年的能
源,这不管是用什么人的标准来衡量,都是一个巨大的数目。
  换一种表示方法吧!如果1克物质所代表的能量能够完
全变成电能,那么,它可以供一盏100瓦的电灯泡连续点
燃大约280,000年。
  再换一种说法,那就是,1克物质所蕴含的能量相当于
燃烧7千万加仑汽油所得到的能量。
  因此,既然原子弹里有数量相当可观的物质变成能量,
那么,原子弹爆炸时会造成那么巨大的破坏作用,也就不足
为奇了。
  这种转化可以朝两个方向进行。如果说物质能够转化成
能量的话,能量也可以转化成物质。这是任何时候都可以在
实验室里参观的:一种能量非常高的粒子——γ射线光子
——能够不太费劲地转化成一个电子和一个正电子。这时,
物质转化成能量的过程就颠倒过来了:现在是能量通过这种
方式转化成物质。
  但是,这时形成的物质只包含两种非常轻的粒子,它们
的质量小到几乎等于零。用这样的原理能够产生更多的物质
——多到甚至看得见的物质吗?
  可是,这一来你可就用得上算术了:既然1克物质可以
转化成燃烧7千万加仑汽油所产生的能量,那么,燃烧7千
万加仑汽油所产生的全部能量,也仅仅能够产生1克物质。
  即使有人想作一次表演,不惜倾家荡产去积集只能够产
生1克物质的全部能量(并且这能量可能要比所需要的能量
多好几倍,因为总会有一些必不可少的消耗),也还是无法
做到这一点。事情很简单:所需要的能量既不可能足够快地
全部产生出物质来,也不可能全部集中在一个一下子能产生
出1克物质的充分小的体积里。
  可见,这种转化在理论上虽然有可能实现,但在实践中
却完全做不到。不错,根据科学家们的推断,宇宙中的物质
过去一度是由能量形成的,但是,形成这些物质的任何一组
条件肯定是我们现在在实验室里无法再现的。




60 反粒子会产生反能量吗?

  二十世纪初,物理学家开始明白,一切物质都是由某几
种不同的粒子组成的。1930年,英国物理学家狄拉克在
研究这些粒子的数学理论时断言说,每一种粒子都应该会有
它的对立面。
  举个例子说吧!电子具有负电荷,而质子具有大小正好
相同的正电荷,但这两种粒子并不是对立面。质子的质量显
然比电子大得多。
  按照狄拉克的意见,应该存在着一种具有与电子同样大
的质量、但却带有一个正电荷的粒子,也应该有一种具有与
质子同样大的质量、但却带一个负电荷的粒子。这两种粒子
后来确实被人们探测到了,因此,我们现在知道有一种"反
电子"(即"正电子")和一种"反质子"。
  中子根本不带任何电荷,但它有一个指向某个方向的磁
场。"反中子"也不带电荷,但它的磁场所指的方向同中子
的磁场相反。
  似乎存在着这样一条自然规律:一个粒子可以转变为另
一个粒子,但是,要是在起先并不存在粒子的情况下产生了
一个粒子,就必定会同时产生一个反粒子。
  这里可以举一个例子,一个中子可以转变成一个质子,
由于这是一个粒子转变成另一个粒子,似乎是不成问题的。
不过,在这个转化过程中还形成了一个电子。这就等于说有
一个粒子变成了两个粒子。为了抵消掉这第二个粒子,这时
还形成了一个非常微小的反粒子,即所谓"反中微子"。
  这时,一个粒子(即中子)变成了另一个粒子(即质子)
加上一个粒子-反粒子对(即电子和反中微子)。
  粒子-反粒子对既可以从能量产生出来,也可以重新全
部变为能量。你无法用能量仅仅产生一个粒子,也无法仅仅
产生一个反粒子,但是,你可以用能量产生一个粒子-反粒
子对。
  能量本身是由"光子"构成的,这就产生了一个问题:
光于是个粒子呢,还是个反粒子?似乎没有任何办法把一个
光子转变成一个电子,所以,它不可能是粒子。但是,同样
也没有任何办法把它转变成一个反电子,所以,它也不可能
是反粒子。
  不过,一个能量充分高的γ射线光子可以转变成一个电
子-反电子对。这么一来,光子本身似乎既不是粒子,也不
是反粒子,而是一下子就代表一个粒子-反粒子对。
  每一个光子也都是一个反光子。换句话说,光子就是它
自身的对立面。
  你可以这样来看待这个问题:假定你把一张纸从当中对
折,并把它一分为二。在其中的半张纸上写下所有粒子的名
称,而在另外半张纸上写下所有反粒子的名称。那么,你该
把光子写在什么地方呢?当然是该写在折缝里了。
  正是由于这个原因,粒子世界所产生的能量是由光子组
成的,反粒子世界产生的能量也是由光子组成的,两者之间
毫无差别。能量就是能量,并不存在什么反能量之类的东西
(就我们目前所知道的而论)。


隐身或者不在线

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61 宇宙线与中微子的性质有什么不同?

  宇宙线是由速度不断增大、带有正电荷和质量颇大的亚
原子粒子组成的,在这些粒子当中有百分之九十左右是质子
(氢原子核),百分之九是α粒子(氦原子核)。剩下的百
分之一是更复杂的原子核。已经探测到其中有象铁那样复杂
的原子核(铁原子核的质量等于单个质子质量的56倍)。
  由于宇宙线粒子的质量这样大,并且又以极其巨大的速
度运动(很接近光速),它们就带有极大的能量。事实上,
它们是我们所知道的、能量最大的粒子,有些宇宙线粒子的
能量比用最最大的加速器所能产生的粒子还要高几十亿倍。
  宇宙线粒子在迅猛地撞入地球的大气中时,把它们所碰
到的任何原子都击得粉碎,从而产生大量的"次级辐射",
这是由包括介子和正电子在内的各种各样粒子组成的。最后,
这种辐射猛烈地撞到地球本身,其中有一部分能穿入地下好
多米才被吸收掉;这样的粒子会使它们所碰到的任何原子
(包括人体中的各种原子)发生变化。可以想到,这样带来
的变化会引起白血球增多症这类疾病。它们还有可能诱发突
变。不过,就任何一个特定的个体来说,发生这种情形的机
会都是很小的,因为所有碰巧能击中某个特定的人的宇宙线
粒子,几乎全都会从他身上穿过去,而不对他造成重大的损
害。
  宇宙线粒子的确切来源和它们获得巨大能量的办法,都
是现在争论不休的问题。
  中微子是在产生电子、正电子或μ子的任何一种核反应
中,随着其中的一种粒子一起产生的。例如,在太阳上进行
的那种核反应产生了大量的正电子,因而也产生了大量的中
微子。
  中微子是以光速运动的,所以它们甚至比宇宙线粒子跑
得更快,不过,它们的能量却低得多,因为中微子完全没有
质量和电荷。中微子不会被物质所吸收,除非它们正好击中
了某个原子核,但这种情况是极其罕有的,所以,平均地说,
中微子能够穿过几万亿公里的固体铅块,然后才被吸收掉。
  这样,太阳在每秒内产生的无数万亿个中微子就要朝四
面八方射出。那些碰巧朝地球射来的中微子将击中我们,然
后就象根本不存在地球一样,若无其事地穿过它径直继续向
前飞去,它们同样也穿过我们所有的人。我们在一生中,日
日夜夜都不断受到中微子的轰击,但是,由于它们在穿过我
们的身体时不会受到吸收,所以它们也不会对我们产生任何
影响。
  当然,也可能有某个特定的中微子正好在我们附近极其
幸运地直接击中了某个原子核。那么,我们就可以探测到中
微子。本世纪五十年代,物理学家学会了怎样利用这种非常
罕见的事例。现在中微子可以为我们提供恒星内部(也就是
产生中微子的地方)的情报,那是我们用任何别的方法所无
法得到的。




62 宇宙线对于在空间旅行的人有多大的危险性?

  早在1911年,奥地利物理学家赫斯就发现地球一直
在受到来自外层空间的、穿透能力非常强的辐射的轰击。这
种辐射在1925年被美国物理学家米利肯命名为"宇宙线",
因为它们是在宇宙中产生的。
  经过这些年来,人们已经发现,宇宙线是由一些非常高
速的带正电原子核组成的。其中大约有百分之九十是质子
(氢的原子核),百分之九α粒子(氦的原子核),剩下的
百分之一是一些质量更大、结构更复杂的原子核,有些大的
如铁的原子核,质量为质子的56倍。
  这些撞击地球外层大气的高速原子核是所谓"原辐射"。
它们同空气分子相碰撞,并把分子击碎,从而产生各种各样
能量同原辐射差不多一样高的粒子。空气分子爆炸而形成的
这些新粒子就构成了"次级辐射"。
  次级辐射有一部分能到达地面,并穿入地壳好几米深。
有一小部分辐射会从人体穿过,这样的辐射会对细胞造成偶
然性的损害,而这可能成为使基因产生突变的因素之一。如
果这样的辐射足够多,就会使大量的细胞受到损伤以致使人
死亡,但是,幸亏在我们这里,即在大气层的下部,这样的
辐射并不太多。生物经过宇宙线几十亿年的轰击,终于还是
幸存下来了。
  宇宙线的起源是个有争论的问题,不过,它们至少有一
部分是由普通的恒星产生的。1942年有人发现,当太阳
表面爆发出"太阳耀斑"(这是一种巨大的爆炸)时,它也
会产生一些能量不算太高的宇宙线。
  我们的高层大气把一般宇宙线粒子的能量吸收掉一大部
分,而次级辐射可以在大气中跑得远一些,才受到部分吸收。
原来的辐射能只有很少一部分能够不被吸收而到达我们所居
住的地面。
  但是,在大气层以外的空间中,宇航员可就得面临着原
辐射的十分猛烈的轰击了。这时,屏蔽也起不了太大的作用。
撞击在任何屏蔽物原子上的宇宙线粒子都会产生次级辐射,
它们会朝飞船内部象弹片那样向四面八方飞散。如果屏蔽用
得不合适,那实际上可能造成更坏的后果。
  这种危险的大小完全取决于外层空间中宇宙线的活性有
多大——特别是取决于那些质量确实很大的粒子的数量,因
为大多数损害都是这类粒子造成的。过去美国和苏联已把许
多人造卫星发射到外层空间去检测宇宙线的数量,看来在通
常的条件下,宇宙线的数量不大,足以保证合理的安全要求。
  最可能出危险的机会可能是由太阳所产生的那些中等强
度的宇宙线引起的。我们的大气能够把这些辐射差不多全部
挡住,但在外层空间中却没有任何大气来为宇航员挡住这些
辐射。这种辐射尽管能量不太高,但数量却很多,这就可能
使它们变得很危险。太阳的宇宙线只有在出现太阳耀斑时才
大量产生。因此,宇航员有幸运的一面:这种耀斑并不太经
常出现;但也有不幸的一面:我们还无法预测要出现耀斑的
精确时间。
  因此,当宇航员登上月球时,我们当然一定会希望在一
两个星期的时间内,不要出现那种向他们那里喷出宇宙线粒
子的大耀斑。



63 中微子是物质还是能量?

  十九世纪的科学家曾经认为,物质和能量是两种截然不
同的东西。一切占据某一空间并具有质量的东西都是物质。
由于物质具有质量,它也就具有惯性,并且会对万有引力场
作出反应。至于能量则既不占地方,也没有质量,但它能够
做功。后来人们又进一步感觉到,物质是由粒子(原子)所
组成,而能量却往往是由波组成的。
  不仅如此,十九世纪的科学家还认为,物质是既不能创
造,也不能消灭的,同样,能量也是既不能创造,也不能消
灭的。宇宙中物质的总量是不变的,能量的总量也是这样。
因此,当时不但有一条物质守恒律,而且还有一条能量守恒
律。
  后来,爱因斯坦在1905年指出,物质是能量的一种
非常集中的形态。质量可以转化成能量,能量也可以转化成
质量。我们只需要考虑能量守恒律就够了,因为它已把物质
包含在内。
  事情还不止是这样。到本世纪二十年代,人们开始清楚
地知道,不应该把粒子和波当作两种不同的东西而把它们相
提并论。我们本来认为是粒子的东西,在某些方面表现得象
波一样。而我们本来认为是波的东西,在某些方面却有粒子
的行为。这样,我们可以说有"电子波",也可以说有"光
粒子"——即"光子"。
  但是,这里仍然有一个差别。物质粒子相对于某个观察
者可以是静止不动的。即使在静止的时候,它们也具有质量:
它们具有大于零的"静质量"。
  但是,象光子这样的粒子,它们的静质量却等于零。如
果它们真的能相对于你静止不动,那么,你根本测量不到任
何质量。不过,这纯粹是理论上的说法,因为静质量为零的
粒子不管是相对于你还是相对于任何别的观察者来说,都永
远不可能是静止不动的。这样的粒子在真空中必定永远以每
秒约300,000公里的速度运动。它们一旦产生出来,
就马上以这个速度急急忙忙地奔驰着。
  正是因为光子(在真空中)永远以每秒约300,000
公里的速度运动,而光又是由光子构成的,所以我们就把这
个速度叫做"光速"。
  得了,那又关中微子什么事呢?
  中微子是在某些原子核反应中产生的,到目前为止,还
没有一个原子物理学家能够测出它的质量。看来非常可能,
中微子就象光子一样,静质量也等于零。
  如果事情真的是这样,中微子在真空中就永远以每秒约
300,000公里的速度运动,并且在它们刚刚产生时就
具有这个速度。
  但是,中微子并不是光子,因为这两者具有截然不同的
性质。光子非常容易同物质粒子相互作用,因此,当它们通
过物质时,速度就会减慢并被吸收掉(有时这发生得很快)。
  然而,中微子却根本不怎么同物质粒子相互作用,因此,
它们可以通过整整一光年厚的固体铅块,而却不会受到多大
的影响。
  这样,似乎显而易见,既然中微子的静质量等于零,它
们就不是物质。从另一方面说,它们需要用能量才能产生,
而且它们还带着能量离开它产生的地方,所以,它们是能量
的一种形态。
  可是,它们在通过任何已知物质时几乎完全不起任何相
互作用,所以,它们实质上完全没有做功。这就使它们不同
于任何一种别的能量形态。看来,也许我们最好是别去追究
它们是物质还是能量,而干脆就把它们叫做中微子吧!

(碧声注:2000年7月,日本文部省高能加速器研究机
构发表实验结果称,由日本、美国和韩国科学家组成的实验
小组在迄今的实验中,确认"中微子有质量"的概率已经达
到95%。不过要最后作出"中微子有质量"的科学结论,
需要99%以上的概率。CERN等一些其它研究机构也在
筹划测中微子质量的试验。)




64 气泡室是怎样工作的?

  气泡室是探测亚原子粒子的一种装置,它是美国物理学
家格拉泽在1952年发明的,结果,格拉泽获得了1960
年的诺贝尔物理学奖。
  气泡室实质上是一个液体容器,其中液体的温度高于这
种液体的沸点。这时,液体处于高压状态,所以它实际上并
不沸腾。但是,如果压力降低,液体就会沸腾,并在液体中
出现蒸汽的气泡。
  假定有一个象质子或介子这样的亚原子粒子冲进这样一
个气泡室的液体中,它就会同液体中的原子和分子发生碰撞,
并把自己的一部分能量转移给它们。因此,在这个液体中,
亚原子粒子经过的路线上的原子和分子就会比其他原子和分
子稍稍热一些。这样,如果降低液体所受到的压力,蒸汽的
气泡就会先沿着亚原子粒子途径上留下能量的那条路线形成。
因此,就会有一条可以见到的气泡径迹指示出那个粒子是从
哪里经过的,这种径迹很容易拍成照片。
  这种可见的径迹可以告诉物理学家许多情况,要是气泡
室放在强磁体的两个磁极之间,就更是如此。那些能够留下
气泡径迹的粒子总是带电的——带正电或带负电。如果它们
带的是正电,那么,在磁体的影响下,它们的路径就会朝一
个方向弯曲;如果它们带负电,它们的路径就朝相反的方向
弯曲。物理学家从它们路径弯曲得厉害不厉害,就能确定它
们的运动速率。从这一点,以及根据径迹的粗细等等,又能
确定出那个粒子的质量。
  当一个粒子衰变成两个以上的粒子时,它的径迹就会分
叉。在粒子发生碰撞的情况下,径迹也会分叉。在一张特定
的气泡室照片中,会出现大量径迹。有粒子相遇的,有粒子
分开的,还有些是分叉的。有时在一个径迹图形的几个部分
之间还有些空白,这些空白就必定要用某种不带电的粒子来
解释,因为不带电粒子在气泡室中运动时不会留下可见的径
迹。
  各种径迹的这种复杂的组合对于原子核物理学家来说,
就象雪地上各种动物留下的足迹对于有经验的猎人那样富有
意义。从这些径迹的性质,物理学家就可以辨认出所碰到的
是些什么粒子,或者指出他是否发现了某种全新的粒子。
  格拉泽最初的气泡室的直径只有几厘米,但是,现在正
在建造的气泡室却已成了庞然大物,直径达到几米,能够容
纳以立方米计的液体。
  气泡室所用的液体可以是各种各样的。有些气泡室里装
的是液化的惰性气体,例如氙或氦。有些装的则是液化的有
机天然气。
  不过,对气泡室来说,最有用的液体却是液态氢。氢是
已知的最简单的原子。每一个氢原子含有一个原子核(它只
由一个质子构成),还有一个孤零零的电子绕着原子核旋转。
因此,液态氢是只由一些孤立的质子和电子构成的。而所有
其他液体的原子核,却都是由几个质子和几个中子堆集成的
团块。
  这样一来,在液态氢中发生的亚原子事件就特别简单,
它们全都很容易从气泡所组成的径迹辨认出来。

隐身或者不在线

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65 增殖反应堆是什么东西?

  铀235是实用的核燃料。这就是说,慢中子会使铀
235原子发生裂变(一分为二),并且产生更多的慢中子,
而这些慢中子又会进一步引起其他铀原子裂变,使裂变过程
持续下去。由于同样的原因,铀233和钚239也是实用
的核燃料。
  遗憾的是,天然存在的铀233和钚239的数量真是
微乎其微,而铀235的数量虽然比较可观,但也相当稀少。
在任何一块天然铀的标本中,每一千个铀原子当中只有七个
是铀235,其余的都是铀238。
  铀238是最常见的一种铀,但它却不是实用的核燃料。
铀238也能在中子作用下发生裂变,但只有快中子才能做
到这一点。那些分裂成两半的铀238会产生一些慢中子,
而慢中子不足以引起进一步的裂变。铀238可以比作潮湿
的木头:你可以把它烧着,但它最后还是要熄灭的。
  但是,假定把铀235同铀238分离开来(这是一个
相当艰巨的任务),并且用铀235来建造一个原子核反应
堆,这时,构成反应堆燃料的那些铀235原子就会发生裂
变,并向四面八方发射出无数慢中子。如果这个反应堆包着
一个用普通铀(其中绝大部分是铀238)制成的外壳,那
么,射入这个外壳的中子就会被铀238所吸收。这些中子
不可能迫使铀238发生裂变,但却会使铀238发生另外
的变化,最后就会产生钚239。如果把这些钚239从铀
里面分离出来(这是个相当容易完成的任务),它们就可以
用作实用的核燃料了。
  能够用这种方式产生新燃料去代替用掉的燃料的反应堆
就是增殖反应堆。一座设计得当的增殖反应堆所生产的钚
239,在数量上要多于消耗掉的铀235。利用这种办法,
就可以使地球上的全部铀——而不仅仅是稀有的铀235——
都变成潜在的燃料来源。
  天然存在的钍完全是由钍232组成的。钍232就象
铀238一样,也不是实用的核燃料,因为要有快中子才能
使它发生裂变。
  不过,如果把钍232放进包着核反应堆的外壳里,钍
232原子就会吸收慢中子,并且尽管它不发生裂变,最后
却会变成铀233原子。由于铀233是一种很容易同钍分
离开来的实用燃料,这样做的结果便又实现了另一种增殖反
应堆,它会把地球上现有的钍资源变成潜在的核燃料。
  地球上的铀和钍的总量大约比铀235一项的蕴藏量多
800倍。这就是说,如果适当地利用增殖反应堆,就可以
通过原子核裂变发电厂把地球上的潜在能源增加800倍。




66 我们得把氢加热到多高的温度和保持这个温度多
   长的时间,才能使聚变反应持续进行下去?


  当氢被加热到越来越高的温度时,它就会以越来越快的
速率通过辐射丧失它的能量。另一方面,随着温度的继续上
升,氢原子会失去它们的电子,只剩下裸露的原子核撞击在
一起并发生聚变。当发生这样的聚变时,就会产生能量。这
时,由于温度继续升高,便会通过聚变产生越来越多的能量。
  随着温度的上升,聚变所产生的能量的数量增加的速率,
将大于通过辐射损失能量的速率。在某一个临界温度下,聚
变所产生的能量正好同通过辐射损失掉的能量一样多。在这
种条件下,温度将保持不变,因而聚变反应就会变成自持的。
只要有更多的氢不断供给这样一个系统,能量就会源源不绝
地产生出来。
  发生聚变所要求的温度随着氢的"品种"的不同而改变。
最常见的是氢(H),它的原子核是由一个质子构成的。然
而还有重氢,即氘(D),它的原子核由一个质子和一个中
子构成,还有一种放射性氢,氚(T),它的原子核由一个
质子和两个中子构成。
  在一定的温度下,氘的聚变所产生的能量比氢的聚变多,
而氚的聚变所产生的能量还要更多。
  当只有氢发生聚变时,在一定温度下产生的能量太少了,
因此,要在实验室中让这种反应持续进行下去,就要求温度
超过摄氏十亿度。不错,在太阳的中心是氢在发生聚变,而
那里的温度只有15,000,000℃,但是,在这样低
的温度下,只有很小一部分氢参加聚变。但由于太阳上氢的
数量极大,所以,尽管发生聚变的氢只占很小一部分,也已
足以使太阳维持现有的辐射了。
  当只由氚发生聚变时,为引燃这种反应所需要的温度是
最低的,那只需要达到几百万度。遗憾的是,氚是不稳定的,
它在自然界中根本就不存在。在需要用到它时,必须在实验
室里把它制造出来,因此,仅仅用氚是不可能使聚变反应以
地球上所需要的数量持续进行下去的。
  氘发生聚变的引燃温度是400,000,000℃。
氘是稳定的,但数量很少。在6,700个氢原子当中,只
有一个原子是氘。不过,这就已经不算太少了。一升普通水
中的氘发生聚变时,已足以产生出燃烧300升汽油所产生
的能量了。
  达到必要温度的一个办法,是添进适当数量的氚,使它
作为诱因去起作用。氘同氚的聚变只要在45,000,
000℃就可以引燃了。如果这种反应稍稍进行一会儿,其
余的混合物就会被加热到足够高的温度,因而可以引燃氘本
身的聚变反应。
  这个温度所需保持的时间长度取决于氢的密度。每立方
厘米中的原子越多,碰撞的次数也越多,引燃就发生得越快。
如果每立方厘米有1015个原子(约为普通大气每立方厘米
所含分子数的万分之一),那么,就必须把这个温度保持2
秒钟。
  当然,密度和温度越高,就越难使氘聚集在一起,尽管
引燃聚变反应所需要的时间非常短暂。正因为这样,这些年
来聚变系统一直在取得缓慢的改进,但却仍然没有达到引燃
的条件。


67 电子显微镜是怎样工作的?

  要回答这个问题,我们先得问一问:我们是怎样判断某
个物体有多大的?
  从某一物体的两侧射到我们眼中的光线,会对我们的眼
睛形成一个角度。根据这个角度的大小,我们就能够判断出
那个物体的视大小。
  但是,如果这些光线在到达我们的眼睛之前,先通过一
个凸透镜,那么,这些光线就会受到某种方式的偏折,从而
使它们在我们眼中形成的角度变得大一些。这样一来,我们
通过这种透镜所看到的物体似乎变大了,并且它的每一个部
分也似乎变大了。这样,我们就有了"放大镜"。
  用几个透镜组合起来,就有可能把物体放大几千倍,并
且清楚地看到一些小到远非肉眼所能看到的细部。这时,我
们所碰到的是一台利用光波来工作的光学显微镜,过这种显
微镜,我们可以看见象细菌那样小的物体。
  我们能够把透镜一个个叠在一起,最后做成一台能把物
体放大得非常大,使我们能够看到比细菌小得多的物体,甚
至连原子也看得见的显微镜吗?
  很遗憾,这是做不到的。即使我们把一些最完美的透镜
用最完善的方法组合起来,也无法制成这样的显微镜。光是
由一定波长的电磁波构成的(波长约1/125,000厘
米),比它再小的东西就什么也看不清楚了。光波已经大到
足以"跳过"一切比它自身小的东西了。
  不错,有几种电磁波的波长要比可见光短得多。X射线
的波长就只有可见光波长的万分之一。可惜,X射线会径直
穿过我们所想看到的那些东西。
  但是,不是还有电子吗?电子是一种粒子,但它们的行
为也象波一样。它们的波长大致和X射线差不多,但电子不
会径直穿过我们所想看到的那些东西。
  假定有一束光投射在某一物体上。这个物体会吸收光,
并且投下一个阴影。我们通过比较亮光和阴影,就看到那个
物体。如果把一束电子投射到某一物体上,这个物体也将吸
收电子,并投下一个"电子阴影"。在使用电子束的情况下,
要是我们想用眼睛直接去看它,那是很危险的。但是,我们
可以用照相底片把物体拍摄下来。电子阴影可以告诉我们那
个物体具有什么形状,要是物体的某些部分对电子的吸收比
其他部分强一些或弱一些,那么,这种照片甚至还可以说明
物体的一些细节。
  但是,要是那个物体非常小,那会怎么样呢?如果我们
用的是光束,我们可以利用透镜使光束以某种方式偏折,从
而把物体的外观放大。我们不能用普通透镜使电子束偏折,
不过,我们还有别的东西可以利用。电子是带有电荷的,这
就是说,它们在磁场中将沿着弯曲的路径行进。如果我们所
采用的磁场具有适当的强度和形状,就可以用透镜操纵光束
那种办法去操纵电子了。
  简单地说,这时我们就有了一台"电子显微镜",它利
用的是电子束,正象"光学显微镜"所利用的是光束那样。
  不同的地方在于,电子的波长要比普通光的波长短得多,
因此,电子显微镜能够为我们显示出象病毒那样细微的物体,
而光学显微镜却做不到这一点。




68 熵是什么?

  只有当你所使用的那个特定系统中的能量密度参差不齐
的时候,能量才能够转化为功,这时,能量倾向于从密度较
高的地方流向密度较低的地方,直到一切都达到均匀为止。
正是依靠能量的这种流动,你才能从能量得到功。
  江河发源地的水位比较高,那里的水的势能也比河口的
水的势能来得大。由于这个原因,水就沿着江河向下流入海
洋。要不是下雨的话,大陆上所有的水就会全部流入海洋,
而海平面将稍稍升高。总势能这时保持不变。但分布得比较
均匀。
  正是在水往下流的时候,可以使水轮转动起来,因而水
就能够做功。处在同一个水平面上的水是无法做功的,即使
这些水是处在很高的高原上,因而具有异常高的势能,也同
样做不了功。在这里起决定性作用的是能量密度的差异和朝
着均匀化方向的流动。
  不管对哪一种能量来说,情况都是如此。在蒸汽机中,
有一个热库把水变成蒸汽,还有一个冷库把蒸汽冷凝成水。
起决定性作用的正是这个温度差。在任何单一的、毫无差别
的温度下——不管这个温度有多高——是不可能得到任何功
的。
  "熵"是德国物理学家克劳修斯在1850年创造的一
个术语,他用它来表示任何一种能量在空间中分布的均匀程
度。能量分布得越均匀,熵就越大。如果对于我们所考虑的
那个系统来说,能量完全均匀地分布,那么,这个系统的熵
就达到最大值。
  在克劳修斯看来,在一个系统中,如果听任它自然发展,
那么,能量差总是倾向于消除的。让一个热物体同一个冷物
体相接触,热就会以下面所说的方式流动:热物体将冷却,
冷物体将变热,直到两个物体达到相同的温度为止。如果把
两个水库连接起来,并且其中一个水库的水平面高于另一个
水库,那么,万有引力就会使一个水库的水面降低,而使另
一个水面升高,直到两个水库的水面均等,而势能也取平为
止。
  因此,克劳修斯说,自然界中的一个普遍规律是:能量
密度的差异倾向于变成均等。换句话说,"熵将随着时间而
增大"。
  对于能量从密度较高的地方向密度较低的地方流动的研
究,过去主要是对于热这种能量形态进行的。因此,关于能
量流动和功-能转换的科学就被称为"热力学",这是从希
腊文"热运动"一词变来的。
  人们早已断定,能量既不能创造,也不能消灭。这是一
条最基本的定律;所以人们把它称为"热力学第一定律"。
  克劳修斯所提出的熵随时间而增大的说法,看来差不多
也是非常基本的一条普遍规律,所以它被称为"热力学第二
定律"。




69 宇宙是在不断衰亡吗?

  按照"热力学第二定律",熵总是在不断地增大。这就
是说,能量密度的差别一直在减小。当所有能量密度的差别
都完全取平的时候,就再也无法从能量榨出任何功来,宇宙
也不会再有丝毫变化了。
  让我们来考虑一个表。一个表之所以能不断走下去,是
因为它的发条或电池中集中着能量。当发条松开或电池发生
化学反应时,能量就从密度高的地方流向密度低的地方,由
于这种流动的结果,表就会走下去。一旦发条完全松开或电
池的化学变化完全结束,整个表里的能量就完全拉平,不再
会有能量在流动,因而表也就不再走了。它已经"衰亡"了。
与此相似,当宇宙中的所有能量全部拉平时,我们就说宇宙
"衰亡"了。
  当然,我们可以把表的发条再一次上紧,或者换一个新
电池。但为了把表上紧,我们就得使用我们肌肉的力量,从
而使我们自己稍稍"衰老"一点。我们也可以买一个新电池,
但是,那就得把它制造出来,而为了制造这个电池,人们的
工业设备就必定会稍稍"衰老"一些。
  我们可以通过吃东西来恢复我们自己肌肉的力量,但是,
食物最初是由植物利用太阳的能量产生的。人类的工业设备
主要依靠煤和石油工作,而煤和石油也是植物在远古的年代
用太阳能产生出来的。当地球上的各种事物"衰老"时,我
们总是可以利用某种东西把它们的"发条"再一次"上紧"。
而这类东西通常总要追溯到太阳能的作用,因此,太阳也是
在不断"衰老"。
  太阳主要是由氢构成的,氢原子中每一个粒子所含的能
量要比氦、氧、铁等较为复杂的原子多得多。在太阳内部,
由于氢不断转变成比较复杂的原子,能量密度就逐渐取平。
在地球上的核动力发电厂中,由于铀原子转变成比较不那么
复杂的原子,也发生同样的情况。今后我们一旦建成了氢聚
变电厂,那么,从某种意义上说,我们就将再现太阳上所发
生的情况。
  就我们目前所知道的情况看,太阳上的能量密度最后会
完全取平,而太阳本身则将只含有中等大小的原子。对于宇
宙中的所有其他恒星和宇宙中的每一件东西来说,这种说法
也同样成立。
  如果热力学第二定律是正确的,那么,宇宙中每一个地
方的能量密度就都正在不断取平,从这个意义上来说,宇宙
是在不断衰亡着。假使情况确实是这样,那么,当宇宙中所
有能量都完全均匀分布时,熵就将达到最大值,那时任何现
象都不会再发生了。因为尽管所有能量都还全部存在,但它
已不再会有任何流动,也不会成为发生某种现象的动力了。
  这是一种令人忧虑的前景(假如第二定律确实在一切条
件下都成立的话),但我们现在完全毋需恐慌。这个过程需
要许多亿亿年才会终结,因此,不仅是在我们活着的时候,
而且在整个人类存在的时候,甚至在地球还存在的时候,宇
宙都会象目前这样继续存在下去。




70 熵和秩序之间有什么关系?

  试想象有九个人排成一个方阵——三个人一排地排成三
行,每行每列都对得整整齐齐。我们可以把这种排列叫做有
秩序的排列,因为它又整齐、又对称,描述起来也很容易。
  如果这九个人每人都同时向前跨一步,那么,他们将保
持原来的队形,这时的排列仍然是有秩序的。如果每个人都
向后退一步或者向左或向右移一步,情况也是这样。
  但是,假定现在命令每个人都走一步,但前后左右都可
以,并且每个人可以随意选择他的方向。这时,可能每个人
都碰巧独立地决定向前跨一步。在这种情况下,秩序就仍旧
保持不变。
  不过,其中任何一个特定的人选择向前跨一步的可能性
只有四分之一,因为他可以随意朝四个方向当中的任一个方
向走那一步,因此,所有九个人全部独立决定向前跨一步的
可能性只有4×4×4×4×4×4×4×4×4分之一,
即只有1/262144。
  如果九个人全部向后退一步或全部向左或向右移一步,
他们的秩序也同样保持不变,因此,九个人同时朝同一方向
走一步的总的可能性是4/262144,即1/65538。
既然是这样,你就可以看出,保持那种秩序的可能性是多么
微小,同时你也知道,如果让那些人能够自由行动,那么,
只要有一个人迈出一步,就完全足以破坏那个方阵,从而使
有序的程度降低。
  尽管他们还是有很小的可能性同时朝同一个方向移一步,
但是,下一步就完全有可能把那个方阵破坏掉。
  这是个只牵涉到九个人、并且只容许有四个不同的运动
方向的情形。在大多数自然过程中,我们却要碰到无数亿个
可以用非常多种不同方式自由运动的原子。如果由于某种机
会,这些原子在开始时有某种有序的排列,那么以后任何一
种自由的无规运动、任何一种自发的变化,都必定会降低那
种有序的程度,换句话说,就是会提高无序的程度。
  按照热力学第二定律,宇宙的熵总是在不断增大,这就
是说,宇宙中的能量分布是在不断地均匀化。可以证明,任
何一种能够使能量分布均匀化的过程,同时也会使无序程度
增大。因此,由于构成宇宙的粒子可以自由地进行无规运动
而使宇宙的无序程度不断增大的这种趋势,正好是热力学第
二定律的另一个方面,我们可以把熵看作是衡量宇宙中存在
的无序程度的一个量。
  如果我们用这种方式来看问题,我们就可以看到第二定
律对我们周围一切所起的各种作用了,因为所有自然变化显
然都是朝着提高无序程度的方向进行;只有当我们付出一定
代价作出特殊努力时,我们才能使秩序得到恢复。我们的零
星杂物总是在变乱,我们的房间和我们的衣服也总是在变脏,
我们必须经常整理、打扫、洗涤,才能保持整洁。这可能使
我们感到最好认为,这一切都是出于那条了不起的宇宙规律
在起作用的结果——不过,我自己可一点也不这样想。

隐身或者不在线

回复时间:2005-2-1 15:26
71 熵和时间之间有什么关系?

  假定我们从空间中很远的地方,拍下一部地球绕太阳运
转的电影,然后把它放映得很快,使我们可以看到地球似乎
在沿着它的轨道骨碌骨碌地转动着。再假定我们先把这部影
片顺着从头到尾放映一遍,然后又倒过来从尾到头放映一遍,
那时,我们能够说出哪一种放映法正好看起来同地球在运动
的时候一样吗?
  你也许会说,从太阳的北极上方往下看,地球是逆时针
方向绕着太阳转的。如果看起来地球是在顺时针方向运转,
那么,我们就知道影片是在倒过来放映,因而时间是在向后
退。
  但是,如果你这时是从太阳南极的上方去观察地球绕太
阳的运动,地球就会是顺时针方向绕着太阳运动。这样一来,
如果你看到的是顺时针方向的运动,你怎样知道你是在太阳
北极上方看到时间在往后退,还是在太阳南极的上方看到时
间在向前进呢?
  你是无法回答这个问题的。就是在只牵涉到很少几个物
体的、非常简单的过程中,也不可能说出时间到底是在前进
还是在后退。对于这两种情形,自然规律都是同样成立的。
如果你所考虑的是亚原子粒子,情况也是这样。
  大家全都知道,沿着某一弯曲的路径随着向前推移的时
间而运动的电子,可以看成沿着同一弯曲的路径随着向后推
移的时间而运动的正电子。如果你所考虑的仅仅是那个粒子,
那么,你就不可能确定其中哪一种说法是正确的。
  在你无法说出时间究竟是在前进还是在后退的那些非常
简单的过程中,熵是不改变的(或者是改变得非常少,因而
可以略去不计)。但是,在牵涉到许多粒子的一般过程中,
熵总是会增大,换句话说,无序程度总是会增大。一个跳水
运动员跳入游泳池而溅起大量水花,一个花瓶掉在地上面碎
成片片,许多树叶从树上掉落而散布在地面上——所有这些
和我们周围所发生的其他事情,我们都可以证明它们是会使
熵增大的。我们习惯于看到熵在增大,并且往往用熵的增大
来说明一切都在正常地进行,说明我们在时间中正在向前推
进。要是我们突然看到熵在减小,那么,我们唯一能作出的
解释就是:我们正在时间中往后退。
  例如,假定我们正在看一部由日常生活构成的影片。倘
若我们看到了溅起的水滴汇集在一起,而跳水运动员从水里
向上升到跳板上;倘若我们看到花瓶的碎片凑成花瓶并通过
空气跳回桌子上原来的地方;倘若我们看到地上的落叶自己
集中起来并飞回树上各个枝枝桠桠上,那么,由于这一切都
表明熵降低了,所以我们就知道,这一切完全同事物的正常
次序相反,而那个影片肯定是倒过来放映的。事实上,当时
间颠倒过来的时候,各种事件会变得那么古怪,因此,那种
场面会使我们发笑。
  由于这个缘故,熵有时也被称为"时间的箭头",因为
它的稳步上升可以作为时间的"前进方向"的标志。不过,
如果物体中的全部原子都正好以同样的方式运动,那么,所
有这些颠倒的事情就是可能发生的。但发生这种事情的机会
是如此之小,所以我们完全可以把这种可能性略去不计。



72 既然宇宙在不断衰亡,那它开始时是怎样兴起的?

  关于这个问题,我们所能给出的最可靠的答案是:谁也
不知道。就我们所知道的情况而论,我们只能够说,一切变
化都朝着熵增大的方向、朝着无序程度增大的方向、朝着无
规性升高的方向、朝着衰老的方向进行。然而,宇宙曾经一
度占有一个很高的地位,才能使它在几亿亿年里一直这样衰
亡下来。但是,它是怎样达到那样高的地位的呢?
  我能够想出三个可能的答案,这三个答案都仅仅是猜测
而已。
  (1)宇宙中所产生的各种各样的事物,我们并不全都
知道。我们所观察到的变化,确实全部是朝着熵增大的方向
进行的。不过,也许在宇宙的某些地方,可能有一些变化在
我们还无法进行研究的条件下,是朝着熵减小的方向进行的。
在这种情况下,宇宙作为一个整体,就有可能一直维持下去
了。这就是说,我们所能观察到的、似乎在衰亡的,只是宇
宙的一小部分,而在其他地方却在发生着可以抵消这种衰亡
的上升运动。
  (2)假定宇宙在任何地方都没有发生熵减小的情况,
因而它一直衰亡下去。在熵达到最大值时,宇宙中的所有能
量全部均匀分布,因而时间就既不会向未来,也不会向过去
推进,但是,所有能量都仍然存在,而宇宙中的所有原子全
都占有这些能量的一部分,所以它们会进行无规运动。
  这样一来,通过这种完全无规则的运动,可能有一定数
量的能量偶尔集中在宇宙的某一部分,也就是说,通过无规
运动,又一次产生了一定的秩序。不过,一旦发生了这种情
况,那一部分宇宙就会再一次开始衰亡。
  很可能,熵达到最大值是巨大的无限宇宙的正常状况,
要经过很久很久的时间(这是指我们通常的时间尺度)才发
生一次能量集中,并且每一次又只有很小一部分宇宙获得某
种秩序,而我们现在就恰好处在这样一小部分宇宙中。
  (3)也许,宇宙中的熵似乎在不断增大的唯一原因,
只不过是由于目前宇宙碰巧在膨胀着。在这种条件下,比较
可能实现的只能是无序排列,而不是有序排列。
  有些天文学家认为宇宙不会永远膨胀下去。最初的一次
爆炸使得它四分五裂,但是,宇宙各个部分之间通过万有引
力互相吸引,可能会逐渐降低它的膨胀速率,可能让它的膨
胀停止下来,然后还可能缓慢地迫使它重新开始收缩。而在
收缩着的宇宙中,很可能是比较有序的排列会变得比无序排
列更容易实现。这就是说,那时的自然变化将朝着有序程度
比较高的方向进行,因而熵就会不断减小。
  如果情况真的是这样,那么,当宇宙膨胀时,它就会不
断衰老,而当它收缩时,它就会再一次复兴,并且,它可以
没完没了地一次又一次这样反复进行下去。
  如果我们考虑到"黑洞"的话,就甚至还可以把第一个
猜测与第三个猜测结合起来。黑洞是质量极其集中、引力极
其强大的区域,因此,每一种东西都会落入黑洞中去,没有
任何东西——甚至包括光在内——能够从黑洞中跑出来。它
们是收缩宇宙的一个极小的样板;也许,在这些黑洞里,热
力学第二定律被颠倒过来了。因而尽管宇宙的大多数区域是
在衰亡,但在黑洞里却在逐渐复兴呢。




73 无线电波和光波都被用来"观看"空间中的东西。
   此外,还有别种可用来"观看"东西的波吗?

  无线电波是光波的亲属,它们的差别主要是波长不一样:
无线电波的波长比光波长得多。
  存在着很大一族波长各不相同的波,这就是所谓电磁波
谱。这个波谱一般划分为七个区域,这七个区域按照波长从
长到短的次序是:(1)无线电波,(2)微波,(3)红
外线,(4)可见光,(5)紫外线,(6)X射线,(7)
γ射线。
  地球的大气只对可见光和微波才是相当透明的。电磁波
谱的其他部分远在它们能够通过空气之前,就几乎全部被吸
收掉了。因此,如果我们从地面观察天空,就只有可见光和
微波才有用处。
  由于人类一直有一双眼睛,所以从一开始就一直利用可
见光去观察天空。直到1931年,才有位美国工程师扬斯
基最先发现他探测到的,是从天体发射来的微波。因为微波
有时被看作非常短的无线电波(射电波),所以天文观察的
这个分支部门就称为"射电天文学"。
  有些能够靠它们发射的微波被探测到的天体,并不发射
出多少可见光。换句话说,有些射电源是我们的视力所看不
见的。
  可是,人类一旦跑到大气层以外去进行观察,整个电磁
波谱就都能用来进行研究了。火箭上的观察清楚地表明,各
种天体用各种各样的辐射在轰击着地球。对这些辐射进行研
究,就会大大增进我们对宇宙的了解。
  例如,天空有一些区域在发射着紫外线,而且数量相当
可观。猎户座星云就是一个紫外线源,一等星室女座α星周
围的区域也是这样。为什么在这些区域中紫外线会如此大量
地产生,这个原因人们至今还不知道。
  更为神秘费解的是这样一个事实:人们已经发现,天空
中有许多斑点是丰富的X射线源。要能够发射出X射线,物
体必须热到难以置信的程度——达到一百万度以上。任何一
颗普通恒星的表面都不会达到这样的温度。但是,有一种中
子星,这种恒星中的物质挤压得非常致密,结果,它把象太
阳那样大的天体的全部质量都挤在一个直径只有约16公里
的大球内。这种中子星和其他一些奇异的天体可能发射出X
射线。
  在天文学家能够在大气层以外建立永久性的天文台以前,
他们大概是不能够对从空间来到我们这里的各种辐射进行彻
底研究的。
  月球由于没有大气层,将是建立这样的天文台的理想地
点。建立这种天文台和用这种办法大大扩展我们对宇宙的了
解的可能性,是最吸引我们努力去研究月球和想在月球上建
立居民点的原因。




74 当物质被加热时,它会发出红光,然后由橙变黄。
   但是,此后它就变成发白光。为什么它不按照光
   谱的顺序变成"青热"呢?

  任何一个物体,只要它的能量比绝对零度高一些,就会
辐射出电磁波。如果它的温度非常低,它就只辐射出波长很
长、能量非常低的无线电波。随着温度的上升,它所辐射出
的这种波就越来越多,但同时也开始辐射出波长比较短(能
量比较高)的无线电波。当温度继续升高时,就开始辐射出
能量还要更高的微波,然后就是红外线了。
  这并不等于说,在某一温度下只辐射出长波无线电波,
而在某一较高的温度下只辐射出短波无线电波,然后只辐射
微波,以后又只辐射红外线。实际上,整个辐射波长范围都
被辐射出来了。不过,存在着一个辐射的峰值——辐射量最
大的波长区;在这个峰值的两侧,辐射量都比较小:在低能
量的一侧辐射量比峰值少;而在高能的一侧则更少。
  当物体的温度达到人的体温(37℃)时,辐射的峰值
处在远红外区域。人体同样也在发射着无线电波,但是,波
长最短、能量最高的波长总是最容易探测到的,因而也是最
引人注目的。
  一旦温度达到600℃左右,辐射的峰值就处在近红外
区域了。不过,这时在峰值高能一侧的小量辐射已经变得特
别重要了,因为这些辐射已进入可以看到的红光区域。因此,
被加热的物体就会发出暗红色的光。
  这种红光在总的辐射量中只占很小的百分比,但是,我
们碰巧能够看到它,因而就把全部注意力都集中在这种红光
上,并且说那个物体是"红热"了。
  当温度再上升时,辐射的峰值继续向波长更短的方向移
动,因而就发出数量越来越多、波长越来越短的可见光。这
时尽管辐射出的红光更多了,但辐射中又添进了数量不多却
很重要的橙光和黄光。当达到1000℃的时候,这些色光
的混合使我们的眼睛产生橙光的印象,而到2000℃的时
候,则产生黄光的印象。这并不等于说,在1000℃时只
辐射出橙光,在2000℃时只辐射出黄光。要是这样的话,
接下去我们确实就会看到"青热"的情形了。但是我们所看
到的其实是各种色光的混合。
  当温度达到6000℃(即太阳的表面温度)时,辐射
的峰值处在可见的黄光区域内,这时我们看到了大量的可见
光——从紫光到红光统统都有。这整个可见光区使我们的眼
睛产生白光的印象,结果,太阳就成为"白热"了。
  当物体比太阳还要更热时,它继续辐射出各种波长的可
见光,并且数量还要更多一些。不过,这时辐射的峰值已移
到蓝光区域,因此,我们的眼睛会觉得这些色光的混合不很
平衡,在白光中还带点蓝色。
  以上所说的是那些被加热时能以很宽的波长范围发出
"连续谱"辐射光的物体的情形。有些物质在特定条件下只
能辐射出某些波长的光,硝酸钡在被加热时会辐射出绿光,
因而在礼花中利用它来达到发绿光的效果。如果你愿意的话,
你不妨管这叫做"青热"。




75 什么是偏振光?

  光可以看作是由一些微小的波构成的。这些波可以在任
何一个平面上振动。在一个特定的光束中,有些波可以上下
振动,有些波左右振动,有些波则沿对角方向振动。它们的
振动方向可能均匀地分布在所有各个方向上,没有一个振动
平面占优势或者在光波中比其他平面占有更大的份额——普
通的太阳光或电灯泡的光都是这样。
  可是,现在让我们设想光穿过一块透明的晶体。晶体是
由排成规整的行列和平面的原子或原子团构成的。因此,光
波会发现,当它的振动平面恰巧能塞进两个原子平面之间时,
它就很容易通过这块晶体。要是它的振动平面与原子的平面
成一个角度,它就会撞在原子上,因此,光波就要消耗很多
能量方能继续振动下去。这样的光会局部或全部被吸收掉。
  你可以用下面的办法想到这是一种什么景象:试想象你
把一根绳子的一头拴在邻居院子里的树上,另一头拿在你手
里。再假定绳子是从篱笆的两根竹子的正当中穿过去的。好
了,如果你现在拿绳子上下波动,这些波就会从两根竹子之
间通过,并从你的手传到那棵树上。这时,那座篱笆对你的
波来说是"透明的"。但是,要是你让绳子左右波动,绳子
就会撞在两根竹子上,波就不会通过篱笆了。
  有些晶体能够强迫光波把所有能量分成两束分离的光线。
这时振动平面就不再均匀分布了。在其中的一个光束中,所
有的波都在一个特定的平面上振动;而在另一个光束中,所
有的波都在与第一束光的平面成直角的平面上振动:不可能
出现任何对角方向的振动。
  当光波被迫在某一特定的平面上振动时,我们就说这样
的光是"面偏振光",或简单地称它为"偏振光"。而朝着
所有各个方向振动的普通光都是"非偏振光"。西方国家把
偏振光称为"极化光"。
  为什么叫做"极化光"呢?当这种现象在1908年第
一次定名时,那个发明这个名称的法国工程师马吕斯关于光
的本性有一个错误的理论。他认为,光是由一些象磁铁那样
有南北极的粒子组成的。他想,那种从晶体中穿过的光,可
能是南北极的方向全部相同。这种想法后来被证明是错的,
但那个名称却已被人们牢牢地记住,无法再改变了。
  当一块晶体产生偏振平面各不相同的两束光时,这两束
光具有稍稍不同的性质。它们在通过晶体时所受到的偏折的
大小可能不一样。因此,我们可以想法设计出一块晶体,让
它把一束光完全反射掉,而只让另一束光全部通过它。
  在利用某些晶体时只有一束光能通过,是因为另一束光
被吸收掉而转化为热。偏振眼镜片(它是在塑料中嵌入许多
细小的这类晶体)就是以上述方式吸收掉许多光,由于这种
镜片着色,吸收掉的光就更多了。这种镜片就是这样消除眩
目的强光的。
  当偏振光通过含有某种不对称分子的溶液时,它的振动
平面会被扭转一个角度。化学家根据这种扭转的方向和角度
的大小,就能够对这种分子的真实结构作出许多推断,特别
是对于有机化合物的分子更是如此。正因为这样,偏振光对
于化学理论来说,一直是极其重要的。





76 光能够对物质施加力吗?

  光束含有能量,当它投射到一个不透明的物体上并被吸
收时,能量就会发生某种变化。其中的大部分转换为热,也
就是说,构成不透明物体的粒子在获得光能之后,就开始更
加快速地振动。
  然而,光束能够对不透明的物体施加直接的力吗?光束
能够把它的运动传给那个吸收它的物体吗?一个运动中的大
而重的物体对任何阻挡在它前进道路上的东西的影响是明显
的。滚木球戏中的滚球击中了一个柱,就会使它飞起来。但
光由无质量的粒子所组成,它仍然能够把它的运动传递给物
质,并对物质施加力吗?
  早在1873年,苏格兰物理学家麦克斯韦就从理论上
研究了这个问题。他指出,光即使是由无质量的波所组成,
也仍然会对物质施加力。这种力的大小取决于运动光束中每
单位长度所含的能量。有一件令人注目的事。假定你有一个
手电筒,你将它正好开一秒钟。它在这一秒钟内发射的光含
有大量的能量,但就在这一秒钟内,发射出的光的第一部分
已经走了约30万公里。手电筒在一秒钟内所发出的全部光
就分成那样长的一道光束,所以,这道光束中每一米或甚至
每一公里长度中的能量确实是很小的。
  正是由于这个原因,在通常情况下我们并不觉得光对物
质有任何作用力。
  不过,假定你取一根轻的横杆,在横杆两端各有一个平
圆盘,然后用一根细石英丝拴在横杆的中央,把它悬吊起来。
在一圆盘上施加极小的一点力,就会使横杆围绕着石英丝扭
转。如果一道光束照在一个圆盘上,那么,只要这道光束对
圆盘施加了力,这个横杆就会旋转。
  当然,如果稍有一点微风推动着圆盘,那么,光束的这
种微小的力就会被掩盖起来,所以整个装置必须封闭在一个
小室内。就连空气分子碰撞圆盘所产生的力也会比光力大得
多。因此,这个小室必须抽成高真空。完成了这样的设施并
采取了某些其他的预防措施之后,当一道强烈的光束照射在
圆盘上时,就有可能测出圆盘位置的微小移动。
  1901年,两位美国物理学家尼科尔斯和赫尔在达特
默思学院完成了这样的实验,证明光确实能产生一种力,这
种力的大小正好同二十八年前麦克斯韦所预言的差不多。几
乎与此同时,俄国物理学家列别捷夫用稍微复杂一点的装置,
也证实了这种情况。
  这种"辐射压力"的存在被证实以后,天文学家相信这
种压力说明了关于彗星的某种有趣的现象。彗星的尾部总是
指着背离太阳的方向,当彗星接近太阳的时候,彗尾就拖在
后面。当彗星最接近太阳并绕着太阳运动时,它的尾部就来
回摆动。然后,当彗星离开太阳时,它的尾部却跑到它的前
面去了。
  于是天文学家就这样想:"啊哈,这就是辐射压力!"
  大约有半个世纪,他们一直认为这是真实的,但是他们
错了。太阳光的辐射压力并不够强,把彗星尾部推向背离太
阳的方向的是太阳风。




77 红光通过棱镜时的变化最小,而在通过衍射光栅
   时变化最大,为什么会有这种差别?

  光可以看作是一种波动,普通的太阳光则是几种不同波
长的波的集合。不同波长的光在我们的视网膜上产生不同的
效应,正是这些效应给我们以颜色的感觉。在可见光中,红
光的波长最长,其次是橙光、黄光、绿光、蓝光,最后是波
长最短的紫光。
  当光离开空气进入玻璃、水或其他透明介质时,它的速
度就减慢。如果一道光束从右面以倾斜的角度投在一块玻璃
上,那么,最先射在玻璃上的光束的右侧就会先减慢速度。
有那么一瞬间,光束的右侧缓慢地运动,而左侧则继续以全
速前进,结果,当光束进入玻璃时就会改变方向,这就是
"折射"。
  如果一队士兵从一条平坦的公路斜着向犁过的田地行进,
就会发生同样的情况。队列中靠近田地那一侧的士兵会先到
达地里,并且先减慢速度。除非有意识地去防止这种情况,
否则这个队列在进入地里时就会改变方向。
  地里的减速效应,是由于难以从松土中拔出腿来的缘故。
一旦拔出腿来,在地上空气中挥腿的速度就象在公路上一样
快了。这就意味着,一个长腿士兵,由于他跨的步子比短腿
士兵的要长些,在给定的距离内与地面接触的次数要少些,
因此减速也就少些。一列长腿士兵行进方向的改变要比一列
短腿士兵少一些。
  在这方面,长波红光类似于长腿士兵,它的减速小于其
他任何一种可见光。因此,它的折射最小。紫光当然折射最
大。
  衍射则涉及完全不同的原理。一种波动能够自由绕过尺
寸不大于这种波的一个波长的障碍物继续前进。障碍物越大,
波就越难绕过它。
  光的波长非常短(约为1/125000厘米),因此,
光不能明显地弯曲绕过普通的障碍物,而只能沿直线从它们
旁边经过,并产生清晰的阴影。声波要长得多,它的本质与
光波完全不同。这就是为什么你绕过拐角也能听到声音,但
不能绕过拐角看见东西——至少不用镜子是看不见它的。
  衍射光栅是由许多极细的暗线条彼此平行地刻划在透明
底板上所组成;这种暗线条非常细,因此,甚至很短的光波
在它们附近通过透明区时,也能少量地绕过它们。这就是
"衍射"。
  很清楚,光的波长越长,暗线的阻碍作用就越小,光也
越能绕过它们。长波的红光最能绕过暗线,因此衍射最大。
紫光的衍射当然最小。
  折射棱镜和衍射光栅都会产生"彩虹"或光谱。然而,
折射光谱同衍射光谱相反。从光原来的方向线依次向外看,
折射光谱是:红、橙、黄、绿、蓝、紫。衍射光谱是:紫、
蓝、绿、黄、橙、红。





78 当两道光束互相干涉并产生暗区时,能量发生了
   什么变化?

  光束可以认为是由一列波所组成的。如果两道光束以一
个小角度相遇,那么,一道光束的各个波可能与另一道光束
的各个波以这样的方式相遇,就是:一个波的向上运动恰好
碰上另一个波的向下运动,反过来也是这样。这时两个波就
相互"干涉",并且部分或甚至全部相互抵消。结果,两个
波以这种方式结合起来所产生的光,其强度小于这两个波中
任何一个波单独产生的光的强度。
  但是每个波列都代表一定的能量。如果一个波抵消另一
个波,在原来存在着光的地方造成暗区,那么,这是不是意
味着能量消失了呢?
  当然不是!物理学的基本定律之一就是能量不灭,这就
是"能量守恒定律"。在干涉中、某些能量不再以光的形式
存在。这样,就必定有完全相等的能量以某种其他形式存在。
  组织得最差的能量形式就是构成物质的粒子的无规则运
动,我们把它称为"热"。当能量改变形式的时候,总是倾
向于失去组织性,因此,当能量似乎已消失的时候,最好是
去寻找热,寻找比以前更高的速度作无规则运动的分子。
  光发生干涉时的情况就是如此。从理论上说,你可以这
样安排两道光束,让它们完全干涉。这时,让这两道光束投
射到一个屏幕上,屏幕会完全黑暗。但是在这种情况下,屏
幕就会变热。能量并没有消失,它只是改变了形式而已。
  下面的情况属于同样的问题。假定你给一个钟上紧发条,
那么,这个发条就比没有上紧的同样的发条含有更多的能量。
现在假定你让这上紧的发条溶化在酸中。这时,能量发生了
什么变化呢?
  这时能量同样转化为热。如果你在开始时拿出两杯温度
相同的酸溶液,然后让未上紧的发条溶化在一杯酸溶液中,
而让上紧了的发条溶化在另一杯酸溶液中(把两杯溶液互换
也是一样),结果,溶解了上紧发条的溶液的温度会比溶解
了未上紧发条的溶液高一些。
  一直到1847年,在物理学家彻底了解了热的性质之
后,能量守恒定律才被人们所理解。
  从那以后,由于坚信这个定律,人们才对一些基本现象
有了新的了解。例如,在放射性嬗变中所产生的热比十九世
纪物理计算所预料的要多,到爱因斯坦提出了他的著名方程
E=mc^2(碧声注:c的2次方),表明物质本身是一
种能量形式之后,这个问题才得到解决。
  同样,在某些放射性嬗变中所产生的电子的能量太少了。
1931年,泡利并不认为这种现象违背了能量守恒定律,
而且提出了这样的看法:这时不但产生了电子,还产生了另
一种粒子——中微子,中微子带走了其余的能量。他的看法
是对的。





79 什么是科里奥利效应?

  如果一个物体是静止的,或者相对于某一固定点作恒速
运动,那么,在这个物体上运动是不会出现什么问题的。如
果你想从物体一端的A点沿着一条直线走到另一端的B点,
你在走的过程中不会感到有任何困难。
  但是,如果一个物体的不同部分以不同的速度运动,那
么,情况就大不一样了,假定有一个旋转游戏台或者任何一
个绕其中心旋转的平台。整个平台的整体在旋转,但在中心
附近的一点画出一个小圈,因而在缓慢地运动,而靠近外缘
的一点则画出一个大圈,因而在快速地运动。
  假定你站在中心附近的那个点上,想要直接从中心出发
的一条直线上走向靠近外缘的那个点。在中心附近的出发点
上,你取得了该点的速度,缓慢地运动。但是,当你向外走
时,惯性效应使你保持缓慢运动,不过,当你越往外走的时
候,你脚下的台面转动得越快:你本身的慢速和台面的快速
的结合,使你觉得你在被推向与旋转运动相反的那个方向去。
如果旋转游戏台是在反时针方向转动,你就会发现,当你向
外走时,你的路线越来越明显地顺时针方向弯曲。
  如果你从靠近外缘的一点出发向内行进,你就会保持着
出发点的快速运动,但你脚下的台面运动得越来越慢。因此,
你会觉得你在旋转方向上被越推越远。如果旋转游戏台是反
时针方向运动,那么,你的路线会再次越来越明显地顺时针
方向弯曲。
  如果你从靠近中心的一点出发,向靠近外缘的一点走去,
然后回头向靠近中心的一点走去,而且沿着阻力最小的路径
前进,你就会发现,你走的路径大体上是一个圆形。
  法国物理学家科里奥利于1835年第一次详细地研究
了这种现象,因此这种现象称为"科里奥利效应"。有时也
把它称为"科里奥利力",但它并不真是一种力;它只不过
是惯性的结果。
  科里奥利效应在日常生活中最重大的意义,是同旋转着
的地球有关。地球表面赤道上的一个点,在24小时内划一
个大圆圈,因此它是在快速地运动)如果我们从赤道出发,
越向北(或向南)走,那么,地面的一个点在一天之内划出
的圆圈就越小,它也运动得就越慢。
  从热带向北流动的一阵风或一般海流,起初随着地球的
旋转,从西向东转动得非常快。当它向北流动时,它保持着
它的速度,而地表的运动速度却越来越小。因此,风或海流
就会超过地表,并且越来越向东沿着曲线前进。最后,风或
海流就在北半球顺时针方向划一个大圆圈,而在南半球则反
时针方向划一个大圆圈。
  正是这种造成曲线运动的科里奥利效应,在更加集中
(因而更加有力)时,就会形成飓风,如果还要更加集中和
更加有力,就会形成龙卷风。



80 声音在密度高的物质中(例如在水或钢中)要比
   在空气中传播得快;但它在暖空气中又比在冷空
   气中传播得快,而暖空气的密度却比冷空气低。
   这是不是自相矛盾呢?

  我们耳朵听到的声音,是由传播声音的原子或分子构成
的媒质的振荡运动带来的振动所引起的。振动把附近的分子
推到一起,并压缩这些分子。被压缩的分子在分开时,就在
邻近区域引起压缩,这样,这种压缩区似乎是从声源向外传
播,压缩波从声源向外传播的速度,就是声音在该媒质中传
播的速度。
  声速取决于构成物质的分子的固有运动速度。例如,一
旦空气的某一部分受到压缩,分子就会由于它们自身固有的
无规运动再次分开,如果这种无规运动是快速的,那么受压
缩部分的分子就会迅速分开,并快速地压缩邻近部分的分子。
邻近部分的分子也快速分开,并快速地压缩下一部分。于是,
总的说来,压缩波就很快地向外传播,因此声速就高。
  凡是能提高(或降低)空气分子固有速度的东西,都会
提高(或降低)空气中的声速。
  巧得很,空气分子在较高的温度下比在较低的温度下运
动得快些。正是由于这个原因,声音在暖空气中比在冷空气
中传播得快些。这同密度没有任何关系。
  在0℃,也就是水的凝固点时,声音以每小时1193
公里的速度传播。温度每升高1℃,速度每小时就提高约
2.2公里。
  一般说来,如果构成气体的分子比空气分子轻,那么,
这种气体的密度就要比空气低。较轻的分子运动得也较快。
声音在这种轻的气体中传播的速度比在空气中快,这不是由
于密度的改变,而是由于分子的运动较快。声音在0℃的氢
气中的传播速度是每小时约4667公里。
  当我们说到液体和固体,情况就与气体大不相同了。在
气体中,分子彼此相隔很远,几乎不互相干扰。如果分子受
到推压而彼此更接近起来,它们仅仅是通过无规运动而彼此
分开,但在液体和固体中,原子和分子是相互接触的。如果
它们受推压而挤到一起,它们的互斥力就会非常快地迫使它
再次分离。
  对于固体来说,尤其是这样。在固体中,原子和分子多
少比较稳固地保持在各自的位置上。它们保持得越是稳固,
它们被推压到一起时,弹回的速度就越快。因此,声音在液
体中的传播速度比在气体中快;在固体中传播得更快;在刚
性固体中则传播得最快。密度并不是声音传播快慢的根本原
因。
  因此,声音在水中以每小时约5200公里的速度传播,
在钢中则以大约每小时约18000公里的速度传播。


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回复时间:2005-2-1 15:27
81 船下沉时是一直沉到海底,还是当它们下沉到一定深
度时压力就会将 它们保持在深水中?

  如果一个物体的密度大于水,它就会在水中下沉。水的
密度是每立方厘米一克,岩石和金属这样的物质的密度比水
大得多。由大块钢材制成的舰船之所以能浮在水上,是因为
船内容纳着大量的空气;钢材和造船用的其他材料加上船内
的空气,它们的平均密度低于水的密度;如果发生意外事故,
水进入船中,那么,造船的材料加上进入船内的水的平均密
度大于水自身的密度时,船就要下沉了。
  船下沉时,受到越来越大的压力。在海面上,每平方厘
米面积的压力(大气造成的)是1公斤。在海面以下10米
处,那个深度的水重又在海面压力上增加了每平方厘米1公
斤的压力。深度每增加10米,每平方厘米就又增加1公斤
的压力。而在已知的海洋最深部分的海底,压力约为大气压
力的1100倍,即每平方厘米约为1.1吨的压力。
  这样高的压力对于能否把下沉的船保持在水中没有任何
影响。从各个方向对船所施加的压力是相等的,向下的压力
和向上的压力几乎完全相等,因此十分明显,不管压力怎样
增大,船还要继续下沉。
  但还有另一个因素。压力能压缩水,并增加水的密度。
水的密度是否能变得非常高,以致这种高压使得沉船停止下
沉,而悬浮在密度较大的深海中呢?
  不!压缩效应是非常小的。甚至在每平方厘米1.1吨
的压力下,水的密度仅由每立方厘米1.00克上升到1.
05克左右。如果一个固体的密度为每立方厘米1.02,
那么,它确实会沉到水下去,并在约4.8公里深度处被浮
力止住,不再进一步下沉。然而,普通结构材料的密度大大
地大于1.05。铝和钢的密度分别为每立方厘米2.7克
和7.8克。金属船会一直沉到最深的海底深渊,丝毫没有
上浮的机会。
  但假定海洋还要更深,那么,一根铝棒是不是会达到最
大的深度而不再下沉呢?回答仍然是:"不会的!"
  如果海洋大约深67公里(而不是最多11公里深),
洋底的压力就会上升到每平方厘米约7吨,水的密度则上升
到每立方厘米约1.3克。然而,在这个时候,水已不再是
液体,而会转化成一种称为"冰Ⅵ"的固体物质(冰Ⅵ的密
度大于水,而"冰Ⅰ"——普通冰——的密度则小于水)。
  困此,铝和密度大于每立方厘米1.3克的任何其他物
质,只要海水是液体,就会一直在海里继续沉下去,最后停
落在普通海底或冰Ⅵ的固体表面上。液体水的密度决不会大
到足以浮起固体铝,更不用说固体钢了。




82 哪些是最活泼的化学元素,为什么?

  电子处在围绕原子核的一些称为"壳层"的同心球上。对
每个元素来说,每个壳层上都有固定数目的电子。当最外面的
的壳层上有8个电子时,这种排列特别稳定。
  不过,假定一个元素有这么多个电子,以致当其中的8个
被安置在某一个外壳层上时,还有少数几个多余的电子必须安
置在一个更靠外的外壳层上。这少量最外层的电子(带负电荷
的)只受到位于原子中心的带正电荷的原子核的微弱控制。最
外面的这些电子很容易转让给其他原子,因此,原来那个原子
现在所剩下的就是最外面壳层上8个电子的稳定排列。
  化学反应关系到电子的转移,因此,一个容易失去一个或
多个电子的元素,会容易地发生电子转移的反应,这种元素就
是"化学上活泼的"元素。一般来说,超过8个的电子数目越
少,它们越容易转移:那个元素就越活泼;因此,最活泼的元
素就是电子数比8多一个的那些元素,也就是只有一个电子位
于最外面壳层上的那些元素。
  举例来说,这样的元素有钠,它的电子排列在三个壳层上
(2,8,1);还有钾,它的电子排列在四个壳层上(2,
8,8,1)。
  电子的内壳层趋向于把最外面的那个孤零零的电子与带正
电荷的原子核隔离开来。中间的壳层越多,原子核对最外层的
电子的控制越弱,因此,这种电子也越容易转移。因此,钾比
钠活泼,铯(2,8,18,18,8,1)更加活泼。
  比铯还更活泼的是钫(2,8,18,32,18,8,
1),但一次只能研究它的几个原子,甚至连它的最稳定的同
位素的半衰期也只有21分钟。因此,铯是最活泼的稳定金属
元素。
  现在假定一个元素所具有的构成最外面壳层的电子数太少,
不够8个。这些原子趋向于接受若干个电子来凑成必要的8个。
因此,它们就容易发生化学反应,因而是很活泼的。
  一般来说,凑成8个电子所需要的电子数目越少,接受电
子的趋势就越大。因此,在这类元素当中,最活泼的元素就是
原子最外面壳层上含有7个电子的那些元素,它们仅仅需要一
个电子就可以凑成8个电子。
  举例来说,这样的元素有氯,这种原子的电子排列为2,
8,7;还有溴,它的电子排列为2,8,18,7。
  在这样一些元素的情况下,原子核的吸引力越强,把那个
失去的电子拉过来的趋势越大。电子的内壳层的数目越少,原
子核周围的隔绝作用就越小,那个原子核的拉力就越大,而元
素也就越活泼。
  在这种类型的元素当中,电子壳层数目最少的是氟,它的
电子排列为2,7。因此,氟是一切非金属元素中最活泼的。




83 贵气体的"贵"表现在何处?

  与其他元素难以发生化学反应或根本不发生化学反应的
元素称为"惰性"元素。氮和铂就是惰性元素的例子。
  在十九世纪九十年代、在大气中发现了一些似乎根本不
发生任何化学反应的气体。这些新发现的气体——氦、氖、
氩、氪、氙和氡——比其他任何元素的惰性都强,于是人们
把它们都归入"惰性气体"。
  惰性元素有时被称为"贵"元素,因为它们不与其他元
素发生化学反应,就它们那一方面来说,这似乎是一种贵族
式的冷淡。金和铂是"贵金属"的两个例子,而惰性气体有
时被称为"贵气体",也是由于这个原固。1962年以前,
"惰性气体"是比较通用的术语,也许是因为"贵气体"似
乎不适合于民主社会。
  惰性气体之所以是惰性的,其原因在于:每一种惰性气
体原子所含有的电子数在各壳层中的排列,正好使每个壳层
中都有特别稳定的数日,具体他说,即在最外面的壳层中有
8个电子。因此,氖的电子排列是2,8;氩的电子排列是
2,8,8。增加或减少电子,都会打破这种稳定的排列,
因此,就不会发生任何电子变化。这就意味着不会发生化学
反应,所以这样一些元素是惰性的。
  然而,惰性的程度取决于原子中心带正电荷的原子核用
以拉住最外面壳层上各个电子的强度。最外层与中心之间的
电子壳层越多,原子中心的原子核的控制力就越弱。
  这就意味着,惰性气体元素中原子结构最复杂的元素,
也就是惰性最小的元素。原子结构最复杂的惰性气体是氡。
氡的原子所具有的电子排列是2,8,18,32,18,
8;但氡仅仅是由放射性同位素所构成,所以它是难以用来
进行化学实验的一种元素。仅次于氡的最复杂的气体是氙,
它是稳定的。它的原子所具有的电子排列是2,8,18,
8。
  氙原子和氡原子中最外面的电子离原子核很远,原子核
不能十分有力地抓住它们。当存在着具有吸引电子的强烈倾
向的原子时,这些电子就会被放弃。氟的原子具有吸引电子
的最强倾向。1962年,加拿大化学家巴特利特发现有可
能形成氙和氟的化合物。
  从那以后,还组成了氡的化合物和氪的化合物。鉴于这
种情况,化学家们不乐意再使用"惰性气体"这个术语,因
为这些原子毕竟不是完全惰性的;"贵气体"这个术语现在
已逐渐通行起来、而且形成了化学的一个完整的新的分支学
科,专门研究"贵气体化合物"。
  当然,贵气体的原子越小,惰性就越强,至今还没有发
现任何东西能从这些原子中把电子夺走。氩原子中的电子排
列是2,8,8。氖原子中的电子排列是2,8。氩和氖仍
然完全是惰性的。惰性最强的是氦,它的原子仅有一个带两
个电子的电子壳层(所有原子最里面的壳层都有两个电子)。

PS:2000年,芬兰科学家首次合成了氩的稳定化合
物——氟氩化氢(HArF)。




84 为什么会形成晶体?为什么晶体总有一定的形状?

  在通常情况下,物质有三态:气态,液态和固态。在气
体中,组成气体的原子或(通常为)分子的能量非常高,或
者各个分离的分子之间的引力非常低(或者两者兼备)。以
致各个分子独立地进行运动。
  如果能量降低到一定点,那么,分子就不能再保持独立
性,而必定会互相发生接触。但是这时还有足够的能量可供
分子进行运动,使分子在其他分子间滑动。这种情况就是液
体。
  如果能量进一步降低,各个分离的分子就不能再滑动,
而会固定在某个方位上(尽管它们也许能够或确实会在它们
的固定位置附近振动)。这种物质就是固体。
  在固体中,两个相邻的分子(或原子,或离子)的相对
位置不是随意的。它们处于某种有规则的排列之中,这种排
列取决于不同的粒子具有什么样的比例,大小有怎样的差别,
外部压力有多大,等等。在氯化钠中,钠离子和氯离子的数
目相等,大小没有太大的差别。在氟化铯中,铯离子和氟离
子的数目相等,但铯离子比氟离子大得多。在氯化镁中,镁
离子和氯离子的大小没有太大的差别,但是在数目上,氯离
子为镁离子的两倍。由于这一原因,每种化合物很自然地以
不同的方式进行排列。
  如果你得到一块可见物质,它是由全部按有序方式排列
的原子、离子或分子所组成,那么,这块可见物质就会有一
些光滑的表面,它们以一些固定的角度相交(这就象从空中
来看一个军队的队形。你也许看不见各个士兵,但是如果他
们排列得很好,你就会看见那个队伍,比如说,呈矩形)。
这块可见物质(或者说"晶体")的整个形状取决于原子的
排列。对于在一系列给定条件下的任何给定的物质来说,原
子排列是固定的,因此晶体总是具有确定的形状。
  固体物质从本质上说几乎总是晶体,即使它们看起来并
不象是那样。我们知道,要形成一种理想的晶体,最好从处
于溶液状态的纯物质着手(这样,外来的原子就不会滑入和
打乱排列)。溶液应该缓慢地冷却,以便让原子有时间排成
阵列。在自然界往往存在着由几种物质组成的混合物,因此,
我们最后得到的,是互相推撞和互相拥挤的几种不同的晶体。
不仅如此,如果冷却非常快,那么,就会有许多晶体开始形
成,以致其中任何一个晶体都没有机会生长到超过显微的大
小,这些晶体各取各的方向,因此没有确定的形状。
  因此,在自然界,我们很少能看到足够大的清澈的晶体。
通常我们所遇到的,是一些不规则的物质碎块,它们是由我
们未察觉到的微晶体构成的。
  有一些固体物质不是结晶状的,因此不真正是固体。玻
璃就是一个例子。液态玻璃是很有粘性的,因此它的离子就
难以运动,也难以排成有序阵列。当玻璃冷却时,离子运动
得越来越慢,最后完全停止运动,停在哪儿就将它们的位置
保持在那儿。
  在这种情况下不存在有规则的排列,因此,"固态"玻
璃实际上是一种"超冷的液体"。玻璃可以是硬的,摸起来
象是固体,但是它没有晶体结构,而且,它没有明显的熔点,
这是它最致命的弱点。所以,"固态"玻璃在加热时就只是
逐渐软化而已。





85 水能够压缩吗?

  关于这个问题,最简单的回答是每种东西都能压缩。
  事实上,压缩气态物质比压缩其他任何形态的物质要容
易得多。那是因为气体是由相距很远的分子所组成的。例如
在普通的空气中,实际分子所占的空间大约是整个体积的十
分之一。
  在压缩某一气体时,仅仅需要克服分子本身的无规则运
动所形成的扩张倾向,将它们更紧密地推压到一起,把分子
之间的一些空处挤出,用人的肌肉力量就能够容易地做到这
一点。例如,当你挤压一个气球时,你就是在对空气进行压
缩。
  就液体和固体而言,组成它们的原子和分子只是近于互
相接触。借助于每个原子外层区域中的电子的相互斥力,这
些原子和分子不再进一步靠拢。这表示液体和固体分子的抗
压力比气体中分子运动的抗压力要强得多。
  这意味着人的肌肉不能再做压缩液体和固体的工作,至
少没有明显的效果。
  假定你把一定量的水倒入一个上边开口的刚性容器里,
并把一个密闭的活塞装入开口内,使它与水面接触。如果你
用全力把活塞往下压,你就会发现,它不会明显地移动。由
于这个原因,人们常说,水是"不可压缩的",而且它的体
积不能够挤得更小。
  其实并不是这样。当你把活塞向下推时,你确实压缩了
水,但压缩的程度不能测量出来。如果能够施加比人的肌肉
大得多的压力,那么,水的体积或者任何其他液体或固体的
体积的减小量,就会大到能够测量出来的程度。例如用每平
方厘米1.1吨重的力量压缩100升的水,它的体积就会
缩小为96升。随着压力的进一步增加,体积就会进一步缩
小。在这种压缩力下,可以说,电子越来越靠近原子核了。
  如果压力更大,比如说,压力相当于在巨大引力作用下
成千上万公里厚的物质堆积起来的重量时,静电排斥力就会
完全不起作用。电子就不能在轨道上围绕着原子核运动,而
会被推开。然后物质就由不带电子的原子核组成,而电子则
飞来飞去作无规则的运动。
  原子核比原子小得多,因此,这种"退化的物质"大部
分还是空的。地球中心的压力或者甚至木星中心的压力都不
足以形成退化物质,但是在太阳的中心有退化物质。
  一个完全由退化物质构成的恒星,可以象太阳那样重,
但是体积却不比地球大。这就是一个"白矮星"。它能够在
它自己的重力下进一步地压缩,直到它由互相接触的中子所
组成。这样一个"中子星"能够具有太阳的全部质量,但被
压缩成直径为十几公里的球体。
  天文学家认为,它还能够进一步地压缩,直到变成体积
为零的"黑洞"。


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回复时间:2005-2-1 15:28
86 什么是金属氢?氢怎么能成为金属?

  当我们看到一种金属的时候,大家都知道它是金属,因
为金属有一些不平常的性质。当金属表面光滑时,它们反射
光的效率很高,因此它们具有一种"金属光泽";但非金属
却没有很高的反射能力,因而具有一种"无光泽的颜色"。
金属容易变形,能够制成金属板和拉成金属线;而非金属在
受到打击时会被打碎,破裂或成为粉未。金属易于导热和导
电,非金属却不能。
  为什么有这样的差别?
  在多大数普通化合物中,例如在我们周围,看得见的海
洋里和土壤里的那些化合物分子是由原子所构成的,这些原
子由于共同享有电子而紧密地保持在一起。这里的每一电子
都紧紧地被束缚在某一个原子或另一个原子上。当出现这种
情况时,物质就表现出非金属性质。
  根据这种准则,氢是一种非金属。普通的氢分子是由两
个氢原子构成的。每个氢原子只有一个电子,构成一个分子
的两个氢原子平均共享那两个电子。没有剩下的电子。
  当一些电子不是牢固地受到束缚时会发生什么情况呢?
例如,我们看一看元素钾吧。每个钾原子都有19个电子,
它们排列在4个壳层中,只有最外面壳层中的电子可供共享。
在钾原子的情况下,这就意味着它仅仅有一个电子可以为相
邻原子所共享。再则,这个最外面的电子被控制得特别松,
因为在它和吸引它的中心原子核之间有另一些电子壳层,这
些中间壳层把最外面的电子同中心引力隔开了。
  在固体钾中,原子紧密地结合在一起,就象我们有时在
水果店里看到的桔子堆成角锥形那样。每个钾原子有8个相
邻原子。由于最外面的电子被控制得很松,而且许多相邻原
子又如此靠近,因而任何一个最外面的电子都易于从一个相
邻原子滑到另一个相邻原子。
  可是,正是这些松而活动的电子,使得钾原子有可能这
样紧密地结合在一起;使钾有可能易于导热和导电;也就使
钾有可能变形。总之,这些松而活动的电子使钾(和其他元
素以及含有这些元素的混合物)具有金属性。
  现在记住,氢象钾一样,仅仅有一个电子可以为相邻原
子所共享。然而,还有一个不同之处。在氢的一个(仅仅是
一个)电子和中心原子核之间没有起隔离作用的电子。因此,
这个电子被控制得太紧了一些,以致不能进行足够的运动来
把氢转变为金属,或者迫使氢原子紧密地结合在一起。
  但是,如果氢获得了外力,那会出现什么情况呢?如果
氢不是由于本身电子的情况而是外界的压力迫使它们紧密地
结合在一起,那又会怎么样呢?假定有足够的压力把氢原子
非常紧密地挤在一起,以致各个原子都被8个、10个甚至
12个近邻原子所包围。于是,每个氢原子的单个电子,不
管原子核有异常强的吸引力,就可能开始从一个相邻原子滑
到另一个相邻原子。这样你就会得到"金属氢"。
  为了迫使氢这样紧密地结合在一起,氢原子必须处在一
种近于纯粹的状态中(其他种原子的存在会产生干扰),并
且不是在太高的温度下(高温会使它扩张)。氢原子还必须
处在巨大的压力下。在太阳系中最接近于满足这些条件的地
方是在木星的中心,因此有些人认为,木星的内部也许是由
金属氢所构成的。





87 我们所读到的"聚水"是什么?
     它仍然是H2O,那么有什么不同呢?

  一个水分子通常是被描述为由两个氢原子和一个氧原子
所构成(H2O)。如果所有的水分子都是如此,那它就会
是低沸点的小分子。硫化氢(H2S)具有相似的但较重的
分子(因为硫重于氧),它是一种气体,只要在-61.8
℃时就液化。如果水只是H2O,那么它就会在更低的温度
下,也许在-80℃左右液化。
  但是,可以看一看水分子的形状。三个原子构成的图形
很接近于直角,而氧原子在顶点。氧与每一个氢原子共享两
个电子,但这种共享不是平均的。氧对于电子具有较强的吸
引力,因此,带负电荷的电子偏向于水分子中氧的那一方。
这就意味着,虽然水分子整个来说是不带电的,但是水分子
中氧的那一方有小量的负电荷,而两个氢原子则有小量与它
平衡的正电荷。
  相反的电荷互相吸引。于是两个邻近的水分子有排列起
来的倾向,而使一个水分子的负氧端接近于下一个水分子的
正氢端,这就构成了一个"氢键",它的强度只是把分子中
氢和氧保持在一起的普通键的二十分之一。这仍然足以使水
分子有"粘性"。
  由于这种粘性,水分子比没有粘性时容易结合在一起,
更难以分开来。为了克服这种粘性,并使之煮沸,必须把水
加热到100℃。如果温度下降到0℃,氢键的优势就是锁
定水分子的位置并使之冻结为冰。如果不是因为有氢键的话,
要冻结成冰,温度就要比这还要低得多。
  对于象H2S(硫化氢)这样的一些分子,就不会发生
这种情况,因为硫原子和氢原子对于电子具有大致相同的引
力。在一方或者另一方都没有电荷累积,因此没有"粘性"。
  其次,假定在非常受限制的处所——例如在一个极其细
小的玻璃管中存在着水分子。那么,这些水分子便可能自行
挤成比通常更密集。一个分子的氧原子可能被迫异常近地靠
近相邻分子的氢原子,以致氢键变得象普通的键一样强。这
时两个分子变成了一个分子。另一个分子也许会锁定在这个
双分子上,然后再锁定一个,接着又锁定一个。
  结果可能有许多分子紧密地聚集在一起,将所有的氢和
氧形成规则的六角形排列。所产生的复合物质是"聚合物"
的一个例子。这就是"聚水"。要把这样一种物质(首先是
1965年由苏联化学家报道的)分解为水蒸气的一个一个
的H2O分子,必须加热到500℃左右。其次,同样由于
分子被推压在一起,比普通水中要紧密得多,所以聚水的密
度是普通水的1.5倍。
  然而,聚水的概念至今尚未被普遍接受。许多化学家认
为,所谓聚水实际上是吸收了某些杂质的水,或者是溶解了
一些玻璃的水。在这种情况下、那就根本不存在聚水了。





     88 水冻结时为什么会膨胀?

  我们可以先问一问:固体为什么会是固体?液体为什么
会是液体?
  一种物质的各分子之间存在着一定的吸引力,这个吸引
力能够把这些分子牢固地保持在某一固定位置上。人们很难
把这些分子拉开,这种物质就是固体。
  然而分子含有动能,它们会在它们的固定位置附近振动。
当温度上升时,这些分子获得越来越多的能量,振动得更加
猛烈;最后,它们获得非常多的能量,以致别的分子的引力
再也不能抓住它们了。它们摆脱了控制,并且自行跑开,在
其他分子周围滑来滑去。于是固体熔化了;它就变成了液体。
  大多数固体是结晶状的。那就是说,各分子不仅依然固
定在它们的位置上,而且是固定在规则的位置上,排成行列。
当分子获得足够的能量而跑开时,这种规则性就被打破,固
体就熔化了。
  通常结晶状固体中各分子的规则配置是一种紧密的配置。
各分子塞满在一起,它们中间几乎没有空隙。不过,一旦这
个物质熔化了,彼此之间来回滑动的分子就互相拥挤和推撞。
这种推憧的总效应就是迫使所有的分子分开得再远一点。这
时物质就膨胀,它的密度就减小。于是,一般说来,液体的
密度比固体低。
  换一个方式来说,固体熔化时就膨胀,而液体冻结时就
收缩。
  不过,问题有很大一部分取决于分子在固体中是怎样配
置的。例如,在冰中,水分子排列成一种异常松的形式。水
分子排成三维的图样,这种图样实际上留下了一些"空穴"。
  当温度上升时,分子打破了松散的排列,开始独立地运
动,进行通常的拥挤和推撞。这种运动会使各分子分开,此
外也把它们推到空穴中去。由于填满了空穴,液态水占有的
空间比固态冰少,而不管分子如何拥挤。当1立方米的冰融
化时,仅形成0.9立方米的水。
  由于冰的密度没有水大,所以它漂浮在水上。1立方米
的冰会在水中下沉,直至0.9立方米的冰沉至水面以下为
止。这个冰块排开的0.9立方米的液态水的重量跟1立方
米冰的重量一样。现在冰被水浮起来了,剩下0.1立方米
的冰留在水面以上。对冰来说一般都是这样。任何一块冰将
浮在水面上,它大约有十分之一在水面以上,十分之九在水
面以下。
  一般来说,这对于生命是非常幸运的。由于事情就是如
此,所以水形成的冰停留在一片水体的顶部,它把较低的深
层隔开,使得从下面逸出的热量有所减少。结果,较深的水
通常不冻结,甚至在非常冷的天气条件下也不冻结。同样,
漂浮的冰在较暖的气候里接受太阳的全部影响,并且很快融
化。
  如果冰的密度大于水,那么,当它形成时,它就会沉到
水底,结果就有更多的水会冻结。此外,处在水体底部的冰
就没有机会吸收太阳的温暖而融化。如果冰的密度大于水,
那么,我们地球上的水源就会几乎都是冻结的,即使地球离
开太阳并不比现在更远。





89 什么是燃料电池?它们在发电上有什么优点?

  燃料电池是一种用于发电的装置,为了了解它的价值,
让我们分别研究一下"燃料"和"电池"这两个词。
  为了利用煤或者石油这样的燃料来发电,必须先燃烧煤
或者石油。它们燃烧时产生的能量可以对水加热而使之变成
蒸汽,蒸汽则可以用来使涡轮发电机在磁场中旋转。这样就
产生了电流。换句话说,我们是把燃料的化学能转变为热能,
然后把热能转换为电能。
  在这种双转换的过程中,许多原来的化学能浪费掉了。
然而,燃料非常便宜,虽有这种浪费,也不妨碍我们生产大
量的电力,而无需昂贵的费用。
  还有可能把化学能直接转换为电能,而无需先转换为热
能。为此,我们必须使用电池。这种电池由一种或多种化学
溶液组成,其中插入两根称为电极的金属棒。每一电极上都
进行特殊的化学反应,电子不是被释出就是被吸收。一个电
极上的电势比另一个电极上的大,因此,如果这两个电极用
一根导线连接起来,电子就会通过导线从一个电极流向另一
个电极。
  这样的电子流就是电流,只要电池中进行化学反应,这
种电流就会继续下去。手电筒的电池是这种电池的一个例子。
  在某些情况下,当一个电池用完了以后,人们迫使电流
返回流入这个电池,电池内会反过来发生化学反应,因此,
电池能够贮存化学能,并用于再次产生电流。汽车里的蓄电
池就是这种可逆电池的一个例子。
  在一个电池里,浪费的化学能要少得多,因为其中只通
过一个步骤就将化学能转变为电能。然而,电池中的化学物
质都是非常昂贵的。锌用来制造手电筒的电池。如果你试图
使用足够的锌或类似的金属来为整个城市准备电力,那么,
一天就要花成本费数十亿美元。
  燃料电池是一种把燃料和电池两种概念结合在一起的装
置。它是一种电池,但不需用昂贵的金属而只用便宜的燃料
来进行化学反应。这些燃料的化学能也通过一个步骤就变为
电能,比通常通过两步方式的能量损失少得多。于是,可以
为人类提供的电量就大大地增加了。
  问题在于难以制备一种确实能以可靠方式进行工作的燃
料电池。已制备了这样的电池,其中是靠氢和氧的结合来产
生电能,但氢仍然是很昂贵的。有人用一氧化碳来代替氢,
这倒是便宜一些。最近还制备了利用污水与氧的结合在细菌
作用的影响下产生电能的电池。无疑,把污水转变为电的想
法是令人鼓舞的,并可解决两个问题:使宜的电力和废物的
处理。
  在燃料电池确实可供实用之前,还有许多工作要做,但
它们代表着一种光明的前景。

PS:到现在,燃料电池汽车即将走向市场。

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回复时间:2005-2-1 15:29
90 什么是维生素?我们为什么需要维生素?

  要了解维生素,我们必须从酶说起。酶是起着加速人体
中某些化学变化的作用的分子。酶有数千种,每种化学变化
由单独一种酶来控制。
  只要很少量的酶就可以控制一种化学变化。但是,这样
少量的酶是必不可少的,人体内的化学机能错综复杂地互相
联系着,由于缺少某一种酶而减慢某一种化学变化的速度,
就会造成严重疾病,甚至死亡。
  大体上来说,人体能够容易地从几乎每种食物中都存在
的物质制造出酶分子。如果我们实际上不是在饿着(这是首
要条件),就不存在连续缺乏酶分子的危险。
  某些酶包含着一定的特殊原子结合体,作为其结构的组
成部分。这些原子结合体通常仅仅在酶中存在,因此仅仅需
要很少的数量,因为人体对酶本身的需要也只是很少量的。
  但人体还是必须有一些这样的原子结合体。如果这些原
子结合体中的某一种非常缺乏,那么,使用该原子结合体的
各种酶就不会再进行工作了。某些化学变化就开始缓慢而费
力地进行。这样就会发生疾病,最后就会死亡。
  危险就在于,尽管人体能够制造大部分酶分子,但是不
能制造这些特定的原子结合体,而必须完全从食物中吸收。
如果人的食物中不含少量的这些特殊的原子结合体,人就会
生病和死亡。
  在二十世纪初期首先发现这个事实时,人们并不知道这
些原子结合体的性质。当时人们认为,至少某些原子结合体
属于一类称为"胺"的物质,因而把它们称为维生素,即"
维持生命的胺"的意思。
  植物是维生素的基本来源。植物从非常简单的化学物质
如二氧化碳、水、硝酸盐等制造植物的一切组织物质。如果
植物不能通过吸收制造出每一种维生素,它们就不可能生存
下去。
  然而,动物能吃植物,并能利用植物组织中已经存在的
各种维生素。动物不需要自己来制造维生素。动物把它们吸
收的维生素贮存在酶工作时最需要的地方:肌肉、肝、肾、
奶等处。肉食动物则从食植物的猎获物取得维生素,这些维
生素是猎获物费劲地由植物吸取的。
  不需要自己制造维生素有一定的好处。制造维生素时,
要求每个细胞里有发挥化学机能的足够大小的空间。如果去
掉这个空间,那么可以说,就有较多的空间可供动物去发挥
植物所不能胜任的许多机能,这些机能包括神经活动、肌肉
收缩、肾脏过滤等等。
  然而,偶然缺乏维生素,就会造成不良后果。如果人们
选择的饮食较差(或者由于人们愿意这样做,或者只能得到
这样的饮食),那么,他们就会患脚气病、坏血病、糙皮病
或软骨病这样一些疾病,每种疾病的病因,都是由于一些酶
因为缺乏某一种失去的维生素而不能工作,从而使人体的一
种化学过程失调,慢慢地停止工作。

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91 生命是怎样开始的?

  对于这个问题,现在还不能直截了当地回答,因为当生
命开始时,周围还没有人,也就没有见证人。但我们能够对
这个问题进行逻辑分析。
  天文学家对宇宙的一般构造,已经做出了某些判断。例
如,他们发现,宇宙间大约有百分之九十的氢和百分之九的
氦。剩下的百分之一主要是由氧、氮、氖、氩、碳、硫、硅
和铁所组成。
  从这一点开始,并知道了这些元素可能进行结合的方式,
我们就有理由得出结论说:地球从一开始就有一个大气层,
它富含氢的化合物——水蒸气、氨、甲烷、硫化氢、氰化氢,
等等。还可能有一个由液态水组成的海洋,将大气中的各种
气体溶解于海水中。
  为了在这样的世界上形成生命,在一开始时就存在的一
些简单分子必须结合起来,形成复杂分子。一般地说,由只
有少量原子的简单分子形成有许多原子的复杂分子,需要有
能量的输入。阳光(特别是它的紫外线)照在海洋上,能提
供必要的能量,迫使小分子形成较大的分子。
  那么是哪些较大的分子呢?
  1953年,美国化学家米勒决定设法去发现这样一些
较大的分子。他制备了人们认为曾在地球原始大气中存在过
的一些物质的混合物,并确信它是完全无菌的。然后,他用
放电作为能源,让这种混合物接受几个星期。在这段时间的
最后,他发现这个混合物中含有比他开始时使用的分子稍微
复杂一些的分子。它们都是生命组织中存在的各种类型的分
子,而且包含着一些用于制造重要的化合物(蛋白质)的氨
基酸。
  从1952年以来,世界上许多研究人员重复做了这个
实验,并做得更加细致和精巧。他们用多种方法形成了多种
分子,然后用这些分子作为形成更复杂的分子的起点。
  这样形成的一些物质都已证明是在直接通向复杂的生命
物质——蛋白质和核酸。在这些物质中,没有发现任何一种
物质与具有生命组织特征的那些物质大不相同。
  然而,即使凭借最宽广的想象力,迄今也还没有形成可
以称之为生命的东西,但是科学家目前只是用仅仅几升液体
进行研究,每个阶段仅仅几个星期,而在原始地球上,整个
海洋的液体接受阳光照射已达数十亿年之久。
  在阳光的酷烈照射下,海洋中的分子逐渐地变得越来越
复杂,直至最后、由于某种不知道的原因形成了某一个分子,
这个分子能够把较简单的分子组成象它自身那样的另一个分
子。这样,生命就开始了,并且延续着,渐渐进化为现在的
生命状态。"生命"的原始形式甚至比今日最简单的生命形
式还要简单得多,但它们已够复杂的了。现在科学家正在努
力工作,以便填补上面所说的那个"由于某种不知道的原因"
的细节。
  但生命的出现并不是一种奇迹,它只不过是因为各种分
子沿着一条阻力最少的线索彼此结合起来而已,这一点似乎
是十分肯定的,在原始地球的条件下,必然会形成生命,就
象铁在潮湿的空气里必然会生锈那样。在物理性质上和化学
成分上与地球相似的任何其他行星,也会不可避免地出现生
命——尽管不一定是有智力的生命。






92 有可能形成以硅为基础的生命吗?

  一切有生命的东西,从最简单的细胞到最大的红杉树,
都包含着水作为它们的最普通的分子。浸在这种水中的是极
复杂的分子,称为蛋白质和核酸,它们似乎具有我们所知道
的一切生命的特征。这些复杂的分子具有由碳原子链和环组
成的基本结构。几乎所有的碳上都附有一个或多个氢原子。
少数的碳则附有包含着象氧、氮、硫和磷等原子的原子结合
体。
  用最简单的话来表达时,我们可以说,就我们所知,生
命是由水中的碳氢化合物的衍生物所构成的。
  生命能够由别的东西构成吗?我们能够找到某些其他种
类的分子来提供生命的复杂性和多样往吗?除水以外,还有
什么东西能提供起着生命基础作用的必要的独特性质吗?
  我们能想象有什么象水那样的东西可以代替水吗?液态
氨(氨水)在性质上与水最相近。在一个比地球冷一些的行
星上(例如在木星上)氨是很普通的东西,它可能是液体,
而水却是固体,可以想那里存在着以氨为基础的生命。
  还有,氢附着在碳链上的许多地方,因为它很小,所以
它适于附在任何地方,附在任何狭窄的角落或缝隙里。氟原
子在某些方面象氢原子,几乎跟氢原子一样小。碳氟作合物
的组成和化学性质与碳氢化合物的组成和化学性质有些相似,
只不过,碳氟化合物比碳氢化合物稳定得多。
  然而,也许在一个比地球热一些的行星上存在着以碳氟
化合物为基础的生命。
  但是,碳原子的情况又是怎样的呢?有什么东西能代替
它吗?碳原子能够以四面附着在四个不同的原子上(包括别
的碳原子)。由于碳原子非常小,相邻的碳原子非常接近,
中心连着中心,形成一种牢固的键。正是这种键使得碳原子
的长链和环处于稳定状态。
  硅最象碳。硅原子也能以四个不同的方向附着在四个不
伺的原子上。然而,硅原子大于碳原子,因此,硅原子与硅
原子的结合物不如碳原子与碳原子的结合物稳定。硅原子的
长链和环存在的可能性远远小于碳原子的长链和环。
  可能有一种由硅原子与氧原子交替排列而成的复杂的长
原子链;每一硅原子上可能附有两个其他的原子或者原子团,
这种分子称为"硅酮"。
  碳氢化合物原子团或碳氟化合物原子团可能附着在硅酮
分子上,这些结合物可能产生这样的一些分子,它们的大小、
精致和灵活性足以形成生命的基础。在这个意义上,可以想
象有以硅为基础的生命。
  但是,这些其他的生命形式实际存在于宇宙中的某些地
方吗?是否存在着以某种同我们自己没有任何相似点的、完
全异样的化学成分和性质为基础的生命形式呢?我们也许永
远也不会知道。




 93 为什么恐龙会灭绝?

  一亿五千万年前,某些大的爬行动物是地球上最有生命
力的生物。这些生物一般被称为"恐龙"。这类最大的陆地
爬行动物的体重可达八十五吨。大鱼龙和蛇环龙统治着海洋,
翼龙在天空中飞行,巨型皮翼的翼展达六米。
  其后,大约在七千万年前,所有这些大的生物都已灭绝。
这不是一夜间发生的事,但的确是在一个非常短的时间内(
比如说一百万年内)发生的事。其他形式的动物,如鱼类和
原始哺乳动物以及鸟类等,并没有受到影响。植物也没有受
到影响。
  关于为什么会发生这种情况,曾经有这一些猜想,但猜
想只不过是猜想。没有人知道是不是确实。
  有人认为是气候变化造成的。曾经是气候温暖、有沼泽
和浅海的地方,现在形成了高山。土地干了,海洋加深了,
季节冷热悬殊。然而,很难相信某些地区不保持着适宜的气
候。并且,海洋是应该不受到影响的。
  另外有人认为,早期的哺乳动物吃恐龙蛋,这就使恐龙
绝种了(但海洋里的爬行动物是会生小爬行动物的)。也许
是草蔓延了,覆盖着地球,代替了较早时那的较软而又较多
汁的的植物。素食的恐龙也许缺乏需要用于磨碎硬草的牙齿。
后来,在素食的恐龙开始灭绝后,食肉的恐龙越来越难找到
食物,便也灭绝了。
  还有人认为,也许恐龙突然开始经历非常大量的变异。
由于大多数变异是往坏的方面变,因此形成了许多有缺陷的
恐龙,以致整个恐龙族都灭绝了。
  这最后一个解释引起了广泛的兴趣,但为什么变异的数
量会突然增加?
  变异的原因之一是硬性辐射。地球不断地受到宇宙射线
的轰击,这种宇宙射线的轰击可能引起了那些日子经常在生
物中出现的变异。今天这种变异率并不是很高的,但可以设
想,有时会有强烈的辐射爆发袭击地球。
  堪萨斯大学的特里和莱斯大学的塔克指出,如果一颗超
新星在离太阳系很近的地方爆炸,那么,地球也许会充满着
宇宙射线。他们估算了恒星预计可能爆炸为超新星的频率,
和这些超新星离我们的远近,而且还计算了每一千万年左右
(平均来说),地球得到的宇宙射线的剂量约为现今的七千
倍。也许约在七千万年前,在地球上洒下了这样大量的宇宙
射线。
  但就算是这样,那为什么它只影响恐龙?为什么对别的
动物没有同样的影响呢?也许会有影响,但可能由于恐龙非
常特化,以致跟其他特化程度较低的动物比较,无规则的变
异对于恐龙更具有致命的影响。
  那么,是什么样的变异起决定作用呢?西德波恩大学的
厄尔本最近提出了一个看法。他指出,在恐龙生存的最后阶
段,它们下的蛋具有非常厚的壳,这可能是一种由于变异造
成的出生异常。幼恐龙要脱壳而出是困难的,出生越来越少
了。在这种变异和其他变异的交迫中,使得这巨型动物的整
个一族都灭绝了。

碧声曰:阿西莫夫的"最近"是很多年以前的事了,后来又
出现了许多新鲜的恐龙灭绝观点。比较得到广泛接受的是六
千五百万年前一颗陨星撞击了地球,掀起的尘云造成"核冬
天"一样的寒冷年月,恐龙找不到吃的就饿死了,而植物和
哺乳动物熬了过来。其它五花八门的观点如,海底火山爆发
引起气候剧变;小行星撞击地球,使海底的甲烷大量释放并
燃烧,把恐龙活活烤死了(烤恐龙大餐啦);一场罕见的巨
大干旱;恒星坍缩释放大量射线导致恐龙集体患上癌症;全
球气温剧降导致大气中氧气不足把恐龙们憋死了;......还有
许多上不了台面的搞笑理论如恐龙放屁太多或性欲下降,就
不必详述了。




94 人脑同计算机有什么差别?计算机能思考吗?

  人脑同计算机的差别可以用一个词来表述:复杂性。
  大哺乳动物的脑,就我们所知道的大小而言,是最复杂的
东西。人脑重一千多克,但在这一千多克中,有上百亿个神经
细胞和上千亿个较小的细胞。这么多亿的细胞在一种我们现在
还无法着手阐明的庞大而复杂的网络中互相联系着。
  甚至人类迄今已经制造出来的最复杂的计算机,在复杂程
度上也不能同人脑相比。计算机的开关和元件的数目只是以千
计,而不是以十亿计。此外,计算机的开关只是一种启闭装置,
而脑细胞本身则具有极其复杂的内部结构。
  计算机能思考吗?这就看你所说的"思考"是指什么。如
果"思考"是指解答一个数学问题,那么,计算机是能"思考"
的,而且比人要快得多。当然,大多数数学问题能够完全用机
械方法一次又一次地重复某些直接的过程而得到解决,甚至今
天最简单的计算机也能进行这种工作。
  人们常说,计算机解答问题,仅仅是因为它们被"编成了
程序"才能这样做。计算机仅仅能做人们让它们做的事。我们
必须记住,人类也仅仅能够做他们被"编成程序"所要做的事
情。我们的基因在受精卵形成的瞬间就把我们编了"程序",
而我们的潜力就受到这种"程序"的限制。
  然而,我们的"程序"要复杂得多,因此,我们想要把"
思考"定义为写一部大剧本,作一部大交响曲,酝酿一个光辉
的科学理论或一个深奥的伦理判断的创造力。在这种意义上,
计算机肯定不能思考,大多数人也不能做到这一点。
  但可以肯定他说,如果一台计算机做得非常复杂,那么,
它也可能象我们一样具有创造力。如果能把它做得象人脑一样
复杂,它就可能相当于一个人脑,并且能做一个人脑所能做的
任何工作。
  此外,还可以设想,人脑比组成人脑的物质有更多的东西。
人脑是由具有某种排列方式的细胞所构成,而细胞又是由具有
某些排列方式的原子和分子所构成。如果说人脑还有什么别的
东西,那么,至今还没检测到这种东西的迹象。因此,复制人
脑的物质复杂性,就是复制脑的一切。
  但是需要多长时间才能制造出一台在复杂程度上足以复制
人脑的计算机呢?这也许不致需要有些人所想象的那样长的时
间。远在我们能够制造出一台象人脑那样复杂的计算机之前,
也许我们会制造出一合这样的计算机,它的复杂程度至少足以
设计出比它自身更复杂的计算机,这种较复杂的计算机能设计
出更复杂的计算机,如此发展下去,复杂性越来越高......
  换句话说,一旦我们通过了某一临界点,计算机就把人脑
接过去,于是出现了"复杂性的爆发"。从那以后,在一个很
短的时间内,计算机也许不仅仅能复制人脑,而且远远超过这
一点。
  再往后又会怎样呢?唉,人类目前还没有把地球管理得很
好。总会有一天,我们应该谦恭地退让,而把这个工作交给能
够做得更好的某人。如果我们不靠边站,那么,也许超级计算
机就会毫不客气地走进来,把我们推到一边。




  95 思考的速度有多快?

  这要看你说的"思考"是指什么。
  你也许是指想象力。我能想象我自己正处在地球上,一
秒钟后,我想象我自己到了火星上或半人马座的α星上;或
者在某个遥远的类星体附近。如果那就是所指的"思考",
那么你就会争辩说,思考具有任何一种速度,直到无限大的
速度。
  然而,你并没有真正走过那段距离,对吧?我能够想象
我自己在地球形成的时候也在场,但那并不是说,我经历这
这个时间历程。我能够想象我自己处在太阳的中心,但那并
不是说,我真正能够存在于那样的条件之下。
  为了使这个问题具有科学上的意义,你必须以这样一种
方法来定义"思考",即它可能具有的、实际上可用物理方
法来测量的速度。
  例如,你能够思考的唯一原因,完全是因为存在着从神
经细胞突飞到神经细胞的神经冲动,任何依赖于神经系统的
行动都取决于这些神经冲动。如果你摸到一个热的东西,你
就会把手缩回去。但是,只有当热的感觉从你的手传到你的
中枢神经系统,然后另一个神经冲动从你的中枢神经系统传
到你的肌肉时,你才能这样做。
  这种无意识的"思考"("我觉得某种东西是热的,我
最好把我的手拿开,否则手就会受到严重伤害"),不可能
比神经冲动在手和中枢神经系统之间往返所费的时间快。因
此,我们必须懂得,"思考的速度"就是"神经冲动的速度",
否则不可能回答这个问题。
  1846年,德国一位大生理学家马勒抱着悲观情绪,
他认定决不可能测出神经冲动的速度。六年以后,在185
2年,他以前的一位学生赫姆霍兹致力于测量神经冲动的速
度。他用仍然接通神经的肌肉进行研究。他在不同的点上刺
激神经,并测量引起肌肉收缩所需要的时间。当他刺激离肌
肉较远处的神经,肌肉收缩迟缓了。根据迟缓的时间。他测
出了神经冲动经历这段额外距离所需的时间。
  神经冲动的速度取决于神经的厚度。神经越厚,神经冲
动传递得越快。神经冲动的速度还取决于神经是否受到一个
脂肪物质的鞘的隔离。一根受到隔离的神经传导神经冲动的
速度比未隔离的神经快。
  哺乳动物的神经是动物中最细的神经。而最好的哺乳动
物神经运载神经冲动的速度每秒约100米,或者说,每小
时360公里。
  这种速度似乎低得令人失望。思考的速度并不大于旧式
螺旋桨飞机的速度。但可以设想,神经冲动能够从人体的任
何一点传递到任何另一点并返回来,只需要用少于1/25
秒的时间(不包括在中枢神经系统处理过程中的延迟)。最
长的哺乳动物神经是在30米长的蓝鲸体内,甚至在这里,
神经冲动只需用半秒多一点就能完成在该鲸体内的往返旅程,
这已是够快的了。


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回复时间:2005-2-1 15:30
96 "生物钟"指的是什么?它们是怎样工作的?

  有时你不必看钟。当你肚子饿的时候,你就知道那是该
吃饭的时候了。当你困了的时候,你就知道那是该睡觉的时
候了。当然,如果你午饭吃得非常饱,那么,当你感到饿的
时候,也许已经过了晚饭时间了。如果你已经睡了一个懒觉,
或者正在参加一个令人兴奋的晚会,那么,当你感到困倦的
时候,也许已经过了就寝时间。然而,在通常情况下,你感
到困、饿的时间总是非常接近于正常的就寝和就餐时间。
  在你身上有一种周期变化,使你每隔一定的时间感到饥
饿,每隔一定的时间感到困倦。这些周期变化是很有规律的,
因此你能够利用这些周期来测量时间(很粗略地)。这些周
期就是"生物钟"的一个例子。
  在生物的外界存在着稳定的周期。最显著的就是白天和
黑夜的交替,但也有一天两次的潮汐节律,这种节律的幅度
随着月亮的位相而变化,而温度周期则随着日夜周期和季节
的年周期而变化。
  生物对于这些变化的反应是有用的。如果它需要在夜间
或仅在温暖的季节里找食物,那么,它也就可能在白天睡觉
或者在冬天冬眠。如果它要去海岸下蛋,那它在随满月而到
来的最高潮时下蛋是最好的。甚至植物对这些节律也有反应,
以致叶子在太阳落山时垂下,花或果实在特定的季节开放和
成熟,等等。
  我们不能设想生物能自觉地做这一切。它们不会说"是
夜间了,我将要睡觉了",或者"白天越来越短了,我将要
落叶了"。在生物体内,的确存在着自动的周期同外界的天
文周期相适应。这种适应性是由于自然选择而产生的。适应
性强的动物或植物比适应性差的动物或植物生存得更好,并
有机会得到较多的后代,这样,这种适应性就一代一代地提
高。
  甚至分子这一级的东西也存在着这种内周期。体温有规
律地升降,血液的某些成分的浓度有规律地增减和身体对某
些药物的敏感性的增强和减弱,等等。这些周期大多数需要
用大约一天时间来完成一种"升降运动",这些周期称为
"生理节律"。
  内周期是由环境节律所控制的吗?不完全是这样。如果
一个动物或一个植物被放在一种去掉了外界节律的人为环境
里——这里存在着恒定的光照或恒定的温度,那么,这些节
律还是会继续下去。
  这些节律也许不很明显,也许对于严格的24小时周期
稍作变化,但是这些节律依然存在。环境节律只不过起一种
"精细控制"的作用。
  乘喷气式飞机远程旅行的人,会发现他们自己处在极其
不同的时区中,这时他们的内节律不再适应这种"日夜周期"
了。这就会引起许多不舒服的症状,直到生物钟经过重新调
整为止。
  至于生物钟是如何工作的,我可以用四个字来告诉你:
无人知晓!
  人体内是否有某种周期性化学反应?如果是这样,生物
钟应该随温度或随药物而变化,但它却不是这样。那么,它
是不是与外界的一些微妙节律发生了连锁关系的某种东西,
即使去掉了阳光和温度的变化,这种连锁关系依然存在呢?
也许是这样。但如果是这样,那我们也还没有发现这些节律
的性质。




 97 细菌、微生物、菌株和病毒有什么不同?

  细菌是一种单细胞生物体,生物学家把这种生物归入
"裂殖菌类"。细菌细胞的细胞壁非常像普通植物细胞的
细胞壁,但没有叶绿素。因此,细菌往往与其他缺乏叶绿
素的植物结成团块,并被看作属于"真菌"。
  细菌因为特别小而区别于其他植物细胞。实际上,细
菌也包括存在着的最小的细胞。此外,细菌没有明显的核,
而具有分散在整个细胞内的核物质。因此,细菌有时与称
为"蓝绿藻"的简单植物细胞结成团块,蓝绿藻也有分散
的核物质,但它还有叶绿素。
  人们越来越普遍地把细菌和其他大一些的单细胞生物
归在一起,形成既不属于植物界也不属于动物界的一类生
物,它们组成生命的第三界——"原生物界"。有些细菌
是"病原的"细菌,其含义是致病的细菌。然而,大多数
类型的细菌不是致病的,而的确常常是非常有用的。例如,
土壤的肥沃在很大程度上取决于住在土壤中的细菌的活性。
  "微生物",恰当地说,是指任何一种形式的微观生
命。"菌株"一词用得更加普遍,因为它指的是任何一点
小的生命,甚至是一个稍大一点的生物的一部分。例如,
包含着实际生命组成部分的一个种子的那个部分就是胚芽,
因此我们说"小麦胚芽"。此外,卵细胞和精子(载着最
终将发育成一个完整生物的极小生命火花)都称为"生殖
细胞"。
  然而,在一般情况下,微生物和菌株都用来作为细菌
的同义词;而且确实尤其适用于致病的细菌。
  "病毒"一词来自拉丁文,其含义是"毒"。这可以
追溯到生物学家还不能确切地知道病毒为何物的时候,那
时他们只知道某些制剂含有能致病的东西。
  病毒不同于细菌,也不同于其他一切生物,因为它不
是由细胞所组成。它比一个细胞小得多,仅仅有一个大分
子那样大。它是由一个周围被一层蛋白包着的核酸圈所构
成。就这点来说,它很像细胞的染色体,因此我们几乎可
以把病毒看作是"不受拘束的染色体"。
  染色体控制着细胞的化学过程;而病毒一旦进入细胞
内,就会建起对它自己的反控制。病毒通常能够使细胞的
化学过程屈服于它的意志,把所有的细胞机能都转向执行
形成更多病毒的任务。细胞往往在这个过程中被杀死。
  病毒不像细菌,它们缺乏独立生活的能力。它们仅仅
能够在细胞内繁殖。所有的病毒都是寄生的。在某些情况
下,它们造成的损害也许不明显;但在另一些情况下,则
会造成严重的疾病。





      98 病毒是怎样发现的?

  在十九世纪六十年代,法国化学家巴斯德提出了"细菌
致病说"。根据这种学说,每种传染病都是由某种极小的生
命形态所造成和传播的,它在患病的生物体内繁殖,从那个
患病的生物传染给一个健康的生物,从而使之生病。
  然而,在十九世纪六十年代,巴斯德在研究致命的"狂
犬病"时,尽管发现了这种病是会传染的,是因被患狂犬病
的动物咬伤而得病,但他没有找到与这种病有联系的病茵。
巴斯德得出给论说:存在着一种病菌,这是没有问题的,但
它太小,以致他手头的显微镜也看不见。
  可能由于同样原因,其他疾病似乎也找不到病菌。"烟
草花叶病"就是一个例子,烟草植株染上了这种病就会在叶
子上形成一种斑点的花叶病图案,构成一种病状。如果叶子
烂了,就能排出一种汁液,这种汁液能在健康的烟草植株中
造成这种病,但这种汁液并未含有显微镜能看到的任何一种
病菌。
  显微镜在可见范围内的可信程度有多大呢?一位俄国细
菌学家伊凡诺夫斯基在1892年用另一种方法研究了这个
问题。他使用了一种素烧的瓷过滤器,这种过滤器可以挡往
任何大到足以使当时显微镜能看见的东西。他从患病的烟草
植株提取出传染性汁液,使之从这个过滤器过滤,他发现经
过过滤的汁液还是能感染健康的烟草植株。伊凡诺夫斯基认
为,也许是因为过滤器有缺陷,而不敢得出结论说,这里存
在有病菌,但因为大小,以致在显微镜下也看不见。
  1898年,荷兰植物学家白杰林克独立地进行了完全
相同的实验,而且得到了完全相同的结果。他相信这个试验
的真实性,断定不论造成烟草花叶病的是什么东西,它一定
是由非常小以致能通过滤器滤出的质点所组成。
  白杰林克称这种致病液为"病毒"。因为这种液体能通
过滤器而不失去其毒性,所以他把它称为"滤过性病毒"。
这个术语终于不适用于这种液体,而适用于液体内致病的质
点。后来,又去掉了这个形容词,这种极小的致病质点简称
为病毒。
  但这种病毒质点到底有多大呢?白杰林克认为:大概比
水分子大不了多少。因此,任何能让水通过的东西,也都能
让病毒通过。
  1913年,英国细菌学家埃尔福德进行了这一试验,
他使用了火棉胶(珂珞酊)薄膜,这种薄膜可以制出任何尺
寸的微孔。他让含有病毒的流体通过火棉胶薄膜。他发现,
他制出的这种微孔薄膜的微孔非常小,只有水分子可以通过,
而病毒不能通过。埃尔福德还发现,尽管原来的液体能够传
播疾病,但通过那种薄膜滤器之后的液体再也不能传播疾病
了。
  这样,人们就知道了病毒质点的大小。它比最小的细胞
还要小,它只可能由很少几个分子所组成。但这样的分子是
大分子。





 99 为什么红血细胞每隔几个月就更换一次,
     而大多数脑细胞却可以活一辈子?

  细胞分裂的机制是极其复杂的。其过程包括许多步骤:
核薄膜消失,一种称为中心体的小物体进行分裂,染色体形
成染色体本身的复制品,先关在已分裂的中心体形成的心轴
中,然后又分开,处在细胞的对侧。然后必须在两侧形成一
层新的核薄膜,而细胞则在中间收缩,并分裂为二。
  在整个过程中发生的化学变化无疑会更加复杂。一直到
近年来我们才开始弄清楚其中的某些化学变化。例如,我们
一点也不知道是什么样的直接化学变化在不需要再分裂时使
得细胞停止分裂。如果我们知道这个答案,那么,我们也许
有可能解决癌的问题,癌是细胞生长的一种失调现象,也就
是细胞无能力停止分裂。
  象人这样复杂的生物具有(而且必定具有)极其特化的
细胞。这种细胞起到一切细胞都能起到的某些作用,并能把
这种作用发挥到极限。肌肉细胞收缩时,神经细胞在传导电
脉冲时,肾细胞允许某些化学物质通过而不允许别的东西通
过时,都把它们的作用发挥到了极其熟练的程度。这种细胞
中必然有许多机制用于发挥某种特殊功能,以使细胞分裂机
能投有发挥的余地。这种细胞和一切能获得一定程度特化的
细胞,都不得不放弃分裂。
  一般说来,一种生物一旦达到充分成长,就再也没有必
要长得更大,因而也不需要更多的细胞。
  然而,有些细胞必然会不断地遭到消耗和磨损。皮肤细
胞常常要与外界接触,肠膜细胞受到通过肠子的食物的磨损,
红血细胞受到毛细血管壁的磨损。在各种情况下,摩擦和其
他原因都会使得细胞受到伤亡。就皮肤和肠膜来说,处于深
层的细胞必须保持分裂的能力,以便新的细胞能够不断地代
替已剥落的老细胞。实际上,在皮肤上,表皮细胞在剥落前
就已死去,因此皮肤的最外层是一种死的、不易磨损的,抗
气候的保护层。在摩擦特别大的地方,死层就会堆叠成为一
种胼胝体。
  红血细胞完全没有细胞核,因此,没有细胞分裂机能,
这种机能总是集中在核里。但在人体内的许多地方,特别显
著地是在某些骨头的骨髓里,有着带核的细胞,这种细胞能
分裂并形成子细胞,这种子细胞则能逐渐失去它的核,并变
为红血细胞。
  但是,在达到成年后,通常不进行分裂的某些细胞,却
保持着分裂的能力,以备突然需要修补。这样,长时间停止
生长的骨头,在折断之后能够开始再生长,这种生长正好持
续到修补了折损为止,然后又停止生长(很遗憾,神经细胞
不能做这样的工作)。
  某些细胞在被置换之前能活多长时间,通常取决于它们
所受的应力的性质和强度,因此很难说出细胞的准确寿命(
曾经发现大鼠爪子底部上的外皮,在某些情况下,在两个星
期之内就完全被置换了)。红血细胞是一种例外,它受到一
种亘久不变的磨损。人类红血细胞的可预测寿命大约为12
5天。




100 衰老的目的是什么?

  衰老和死亡,这似乎是一种耻辱,但又显然是不可避免
的。像人这样的生物实际上注定要变老和死亡,因为我们的
细胞似乎由它们的基因"编制了程序",逐渐地经受着与时
俱进的称为衰老的那些变化。
  衰老有某种用处吗?衰老有什么益处呢?
  生命的最惊人的特性,除了单纯的生存之外,就是它的
适应性。在陆地上、海洋里和空气里有生物;在温泉里、咸
水里、沙漠上、从林里和两极的荒芜地区里以至各处都有生
物。甚至可能设计出我们认为在火星上和木星上存在着的那
样一些环境,并有可能发现在那些条件下生存的简单生命形
式。
  为了获得这样的适应性,基因结合物和基因性质本身必
须发生经常性的变化。
  单细胞生物进行分裂,两个子细胞都有着原细胞所具有
的基因。如果基因能够作为完善的复制品通过一次次分裂永
远传递下去,那么,原细胞的性质就决不会发生变化,不论
它的分裂和再分裂有多么频繁。然而,复制品并不总是那么
完善;有时会发生无规的变化("变异"),而且逐渐由母
细胞产生不同的品系、不同的变种,最后形成物种("进化")。
某些物种在某种环境里比其他物种能生存得更好,因此不同
的物种占据着地球上不同的小环境。
  有时,各个单细胞生物之间互相交换染色体。这种原始
形式的性行为导致基因结合物的改变,而这又进一步加速进
化发展。在多细胞动物方面,两个生物互相合作进行有性繁
殖变得越来越重要。除了变异能单独造成变种外,不断产生
带有基因——一种一些基因来自父方、一些基因来自母方的
无规混合物——的幼体,也能形成变种。结果,进化的速度
大大加快了,而新形成的那些物种能更容易地散布到新的小
环境,或者使它们本身更好地适应旧的小环境,从而比从前
能更有效地利用小环境。
  因此,其关键就是产生带有新的基因结合物的幼体。某
些新的基因结合物也许很拙劣,但它们的寿命不长。那些非
常有用的新的结合物能够"成功"并排除竞争。然而为了办
得最成功,带有"未经改进的"基因结合物的较老的一代不
应留在这样的环境里。可以肯定,上了年纪的生物总是会随
着时间推移而死去,有的是由于事故造成,有的是由于生命
消耗殆尽所致,但可以更有效地促进这个过程。
  其早期几代具有预定要衰老的细胞的那些物种会更有效
地促进新陈代谢。幼体就会进化得更快而且更成功。我们能
看到我们周围的生物长寿所造成的不利因素。能活数千年的
红杉树和刺毛松球几乎灭绝了,长寿的象几乎没有短寿的老
鼠那样能适应环境;或者说,长寿龟没有寿命短的蜥蜴那样
能适应环境。
  为物种(甚至人种)着想,似乎最好是老了就死去,而
让幼者生存。
  这很令人感到遗憾,但事情似乎就是这样。


隐身或者不在线

回复时间:2005-2-1 21:16
谢谢stander-by回答了这100个问题!辛苦了!向你学习!




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情系齐鲁是山东网友的家园,您来了请您洒下一滴甘露,您走了齐鲁会留下一片清香----欢迎各位常到齐鲁观光!
隐身或者不在线

回复时间:2005-2-1 22:17
楼主辛苦了。




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罢了罢了,不说了。
隐身或者不在线

回复时间:2005-2-2 14:58
谢谢楼主的帖子
学习中




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渐渐的我发现我的狼性竞被完全磨灭了http://www.imgcrate.com/guest/144fc1357becf1.jpg
隐身或者不在线

回复时间:2005-2-2 21:22
隐身或者不在线

回复时间:2005-2-3 00:39
太长了,没看完!

隐身或者不在线

回复时间:2005-2-5 16:32
  stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~stander-by好强~~~




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看一个城市和不和谐,主要看这个城市防暴警察出动的次数

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