原子核乐高
原子假说的胜利,很自然地让人开始疑惑“原子”这个名字是否真的适用。如果宏观物体是由被称为“原子”的微小“乐高积木”所组成的,那这些“小积木”能否继续分下去,分成某种更小的、可重新排列的“乐高积木”呢?
实际上,在我们的元素周期表中,所有原子都是由3种更小的“乐高积木”组成的,比柏拉图理论中的4种还少一种。我认为这是一件既巧妙又不同寻常的事情。我们已经在第2章中和它们简单地打过照面了。图6-1中展示了这3种“积木”,它们分别是质子、中子和电子。它们的排列方式很像微缩的太阳系,由电子围绕着一个小球旋转,而这个小球是由质子和中子紧紧靠在一起而形成,我们称之为原子核。在太阳系中,地球能在轨道上围绕太阳旋转是由于二者之间存在着万有引力;在原子中,电子与质子间存在着电荷产生的库仑力,将电子吸引在质子周围(电子拥有负电荷,质子拥有正电荷,异号电荷相吸引)。由于电子也受到其他原子中的质子吸引,这种吸引力就将原子与原子紧密地黏合在一起,组成一种较大一些的结构,称为分子。如果原子核和电子像洗牌一样来来去去,但各自的数量保持不变,这个过程就是化学反应。化学反应的速度有快有慢:它可以快到像一场熊熊的山火(主要是木头和树叶中的碳原子和氢原子与空气中的氧原子相结合,生成二氧化碳和水分子);慢时,也可能像一棵缓缓生长的树(主要是山火的逆反应,由阳光所驱动的光合作用)。
几个世纪以来,炼金术士们徒劳无功地尝试改变原子的种类,主要目的是想将廉价的元素(比如铅)变成昂贵的元素(比如金子)。那为何他们无一例外都失败了呢?因为原子的种类取决于它所包含的质子数量(比如,1个质子就是氢,79个质子就是金子),因此,炼金术士的失败之处就在于,他们不会玩质子的“乐高游戏”,不懂得怎样将质子从一个原子转移到另一个原子中。为什么他们做不到这一点呢?
现在我们知道,他们失败的原因并不是因为这是不可能完成的任务,而是因为他们使用的能量远远不够!对于库仑力来说,同号电荷是相互排斥的,但原子核内部带正电荷的质子们却没有四散开来,原因就在于它们之间存在另一种更强大的吸引力——强相互作用力,这种力名副其实,它真的很强大。强相互作用力就像原子内部的魔术贴,只要质子和中子靠得足够近,魔术贴就会把它们黏在一起。它非常强大,需要极其巨大的力量才能将其克服。
举个例子,如果两个氢分子(每个氢分子包含两个氢原子)以每秒50公里的速度相撞,分子就会被撞碎,原子就会相互分离开来;然而,如果你想撞碎原子核,将其中的质子和中子分开来,你需要让两颗氦原子核(每个氦原子核包含2个质子和2个中子)以每秒36 000公里的惊人速度迎面相撞,才有机会撞飞质子和中子——这个速度是光速的12%,如果你以这个速度前进,从纽约到旧金山只需要0.1秒。
在自然界中,当温度极度炙热,高到几百万摄氏度时,就会发生这样猛烈的碰撞。早期宇宙中就发生了这样的事情。那时候宇宙中没有任何原子,只有氢等离子体(也就是单个的质子),正是因为当时的温度实在太高,即使质子和中子黏附在一起组成了较重的原子,也会很快被撞碎。随着宇宙逐渐膨胀和冷却,曾经出现过短短几分钟时间,在那段时间内,猛烈的撞击尽管依然超出质子之间的电荷斥力,但却敌不过强大的“魔术贴”的力,于是质子和中子逐渐黏合在一起,形成了氦元素——这正是被伽莫夫称为太初核合成的阶段(见第2章)。太阳内核也非常炙热,温度和宇宙早期差不多,都位于那个魔法般的范围内,促使氢原子聚变成氦原子。
经济学原理告诉我们,如果一种原子很稀缺,它就会很昂贵;物理学原理则告诉我们,如果一种原子需要很高的温度才能生成,那它就很稀有。这两种原理结合起来,我们就能推断出:假如原子会说话,那最昂贵的原子就能讲出最精彩的故事。诸如碳、氮和氧这类普通原子(它们和氢一起,组成了你身体96%的重量)都很便宜,因为与太阳类似的普通恒星在濒临死亡的挣扎中就可以制造出这些元素。之后,这些元素又可以回到宇宙的循环系统中,孕育出新一代恒星。昂贵元素的故事却截然不同。金元素是在猛烈的恒星死亡事件——超新星爆炸中生成的。这种爆炸在宇宙中很罕见,它在短于一秒钟的时间内释放出的能量,相当于可观测宇宙中其他所有恒星释放的能量总和。难怪炼金术士们造不出金子呢!
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