四、宇宙中的生命

撰文 史蒂芬·温伯格(Steven Weinberg)

1979年诺贝尔物理学奖得主，本文刊登于1994年10月《科学美国人》

正如我们所知，物理学里面有那么几个参量，如果其中任何一个的数值发生了哪怕一丁点儿改变，生命就不可能出现。这些参量中，最著名的是碳12原子的一个激发态的能量。在恒星内部生成重元素的一系列核反应中，有一个必要环节。在这个环节里，两个氦原子核相结合，形成不稳定的铍8原子。在发生裂变之前，铍8原子有时会再吸收一个氦原子核，这就形成了处于上述激发态的碳12原子。接着，碳12原子核会辐射出一个光子，衰变到最低能态的稳定态。在接下来的核反应里，碳结合成氧和氮，以及生命必需的其他重元素。但是，铍8原子捕捉氦原子的过程是一个共振过程，反应速率随着参与反应的原子核的能量而变化，能量过高或过低都不利于反应进行——如果碳12原子的那个激发态的能量高那么一点点的话，它的产生率就要低很多，从而导致铍8原子核在碳形成之前，就可能裂变成了氦原子核。那样，宇宙将几乎全部由氢和氦构成，不会有生命元素存在。

自然常数需要精确到何等程度才能让生命出现，科学家的意见并不统一。碳12的那个激发态的能量为何如此接近共振能量，也有另外的解释。但是，有一个常数似乎确实需要超乎想象的精细调节：这就是真空能，或者说宇宙学常数，它同宇宙膨胀相关。

虽然我们无法计算真空能的大小，但我们能够算出产生真空能的那些能量的大小(例如引力场里量子涨落的能量，量子涨落尺度大小不低于约10-33厘米)。根据我们对目前宇宙膨胀速度的观测结果，真空能有一个上限，而产生真空能的那些能量的总和，要比真空能的上限值大120个数量级。如果对真空能有贡献的那些能量没有相互抵消的话，根据真空能总量的计算，那么在生命出现之前，宇宙可能已经进行完了一次膨胀和收缩的循环，或者膨胀速度太快，以至于不可能形成星系或恒星。

因此，任何形式生命的存在，似乎都需要那些对真空能有贡献的能量彼此相消，而且抵消程度要精确度到小数点后约120位。或许，这种相互抵消将来能得到某种理论的解释，但到目前为止，在弦理论和量子场论中，真空能都含有任意常数，它们必须得到精细调整，以使总真空能足够小，让生命有可能存在。

其实，我们无需假设在基本自然法则或初始条件中，有某些生命或意识在扮演关键角色，上述问题就能得到解释。或许，我们现在所称的自然常数在宇宙的一个部分和另一个部分里并不相同(在这里，“宇宙的不同部分”可以有多种理解，例如可以指宇宙膨胀的某个阶段不同的扩张区域，在这些区域中，各种普遍存在的场取值不同；或指在某些量子天文学研究所提出的不同的量子力学“世界线”)。如果确实如此，那么在宇宙的某些区域中可能发现生命(即便在大部分区域里都没有)，也就不令人吃惊了。

任何进化到可以测量自然常数这个程度的生物，都会发现这些常数的值恰好允许生命存在。在宇宙其他区域，这些常数可能有其他的数值，但那里没有人去测量。不过，这并不是说生命在基本的自然法则中起着某些特殊作用，就像太阳有一颗能孕育有生命的行星，但并不代表生命在太阳系的形成过程中也会起作用一样。

五、粒子与原子物理：光是什么？

撰文 欧内斯特·O·劳伦斯(Ernest O. Lawrence)， J·W·毕姆斯(J. W. Beams)

劳伦斯是1939年诺贝尔物理学奖得主，本文刊登于1928年4月《科学美国人》

光是最人们熟知的物理存在。我们都了解它的许多特性，而对于物理学家来说，光显示出的不可思议的性质还要多得多。虽然，我们对光学效应的了解已经很多，但光究竟是什么，还没有令人满意的解答。

两个多世纪前，牛顿认为光的本质是粒子，是由飞行于空气中的小“飞镖”组成。其他一些人将光归于波动，就像波浪在水中传播那样，光波也在遍布宇宙的一种介质中传播，这种介质叫作“以太”。随即，在关于光到底是什么这个问题上，持不同观点的科学家展开了一场激烈的争论。当一些新实验揭示出光的更多特性后，人们发现波动理论能解释许多粒子假说无法解释的现象。

随着时间的推移，更多关于光与物质相互作用的现象被接连发现。在这些现象中，很多都无法用波动理论来解释，这就迫使科学家将注意力转向牛顿提出的“光的粒子假说”。近期的观测结果表明，光束所包含的能量值是一个最小单位(一个光量子)的精确整数倍，正如物质看起来像是由物质粒子的精确整数倍组成，电量是电子的整数倍一样。因此，光也是粒子化的，正如物质和电量是粒子化的一样。

在现代光量子理论中，有一个看起来非常奇特的事实，即该理论的研究对象自身——光量子——恰恰是完全不清楚的。

量子自身的物理特性也是一个问题：它们的长度是一米，一千米还是一厘米？或者说，它们的尺度无限小？许多实验似乎都说明，光量子的长度至少在一米左右，但根据过去的观测，很难推导出确定的结论。光量子的空间尺度仍旧是个谜。

至少有一种途径可以用来测量光量子的长度，只要该设想可以付诸实践的话。从本质上来说，可以这样做：假设你有一个遮光板，能够以任意速度阻挡或放行光线。这样的器件应该能将一束光切成一段一段，就像用刀切香肠一样。显然，如果切出的一段光线比光量子短，那么经过遮光板的短暂闪光就只含有一个光量子的一部分。实际上，该装置会将光量子掐头或去尾。部分光量子的能量不足以将电子从金属表面轰击出来，需要整个光量子才行。所以，我们可以通过观察在短到什么程度，就不能产生光电效应，从而给出光量子的长度上限。

即使对机械知识不熟悉的人也能想到，任何一种机械遮光板都不可能以这种速度工作。然而令人高兴的是，自然赐予物质的不仅仅有纯机械的性质。利用某些液体的特殊光电性质，科学家构想了一种类似遮光板的设备，能在百亿分之一秒内打开或关闭。通过这种设备，科学家制造出极为短暂的闪光，轰击在灵敏的光电池上，结果发现电池对设备制造的最短闪光也能作出反应，长度只有几英尺(1英尺约合0.3米)。

这个简单的观测实验的重要性怎么评价都不过分，因为它明确显示了光量子要比数英尺短，或许光量子的空间尺度只有极微小的一点点。

六、原子核的结构

撰文 玛丽亚·G·迈耶(Maria G. Mayer)

1963年诺贝尔物理学奖得主，本文刊登于1951年3月《科学美国人》

将原子作为一个整体，并以我们的行星系统为参考——近代物理学家提出了一个描述原子的模型：原子由一个位于中心的、相当于太阳的原子核，以及在特定轨道上围绕原子核运行的卫星电子构成，就像行星一样。虽然还有很多问题有待解决，但该模型已能解释许多我们观测到的电子行为。然而，人们对原子核本身却知之甚少，甚至对于原子核中的粒子是如何结合在一起的这个问题，都还没有一个令人满意的答案。

最近，一些物理学家(包括作者本人)，提出了一个非常简单的原子核模型，将原子核描绘成壳层结构——就像整个原子的结构那样，核里的质子和中子以特定的轨道(或称为壳层)聚集，正如原子里面，电子束缚在原子核周围一样。对于原子核的构成及其核内粒子的行为，我们所知的很多现象都能用这个简单的模型来解释。

质子和中子的一些特定组合，在性质上具有非常明显的模式，而我们有可能弄清这些模式。正是因为这些模式，我们才提出了原子核的壳层模型。一个惊人的巧合是，原子核内的粒子也像电子一样，偏好某些特定的“神秘幻数”。

每一种原子核(除了氢原子，它就是一个单独的质子)都能用两个数字来描述：质子数和中子数。这两者之和就是该原子核的原子量。质子数决定原子的性质，所以拥有两个质子的原子核必定是氦，拥有三个质子的是锂，以此类推。然而，一定数量的质子可以与不同数量的中子结合，形成同一种元素的多种同位素。这里，有一个非常有意思的事实，即质子和中子喜欢以偶数的方式结合；换句话说，和电子一样，质子和中子都显示出强烈的配对趋势。已知所有元素的全部约1000种同位素里，只有不超过6种稳定原子核是由奇数个质子和奇数个中子构成的。

除此之外，以特定偶数聚集的质子或中子尤其稳定。“神秘幻数”之一是2。由两个质子和两个中子构成的氦原子核是已知最稳定的原子核之一。另一个“神秘幻数”是8，代表着氧原子核，它的一个常见同位素具有8个质子和8个中子，十分稳定。还有一个“神秘幻数”是20，对应着钙。

“神秘幻数”包括：2、8、20、28、50、82以及126。具有这些数目的质子或中子的原子核都具有非同寻常的稳定性。这强烈暗示着，“神秘幻数”代表着原子核里的壳层都是满的，就像原子外层的电子壳层结构一样。

这个壳层模型还可以解释原子的其他特征行为，比如“同质异能”(isomerism)现象，即原子核长期处于激发态。或许，该模型最重要的应用是对β衰变(即原子核辐射出电子)的研究。原子核会不断释放出电子，导致原子核内粒子的自旋发生变化。目前，还没有一个理论能很好地描述β衰变，因为自然界只有少量的放射性原子核，因此想检验这些理论正确与否并不容易。壳层模型能够帮助解决这个问题，因为它能在不做测量的情况下预测自旋。当然，这个简单模型无法给出关于原子核结构的完整而准确的描述。即便如此，该模型还是成功地描述了原子核的众多性质，说明它是描述真实世界的一个不错的理论。