第二襄·支粉竿一 子.所以3种元素在碳酸钙分子里的重量比是40：12：48。 为什么？为什么不同元素的原子具有我」观测到的那些重 量，为什么分子只能由每种元素的-定数日的原子组成？在19 世纪人们就已经知道，分子（如碳酸钙）中每种元素的原子数原 来决定于分子中原子之间的电荷交换。1897年，汤姆逊 30 (J.J.Thomson)发现，这些电荷由名叫电子的带负电的粒子所携 带。电子比整个原子轻得多，也是通常以电流形式流过导线的那 种粒子。仅靠原子里的电子数就能将一种元素与另一种元素区别 开来：氢是1个，碳是6个，氧是8个，钙是20个，等等。把 量子力学法则州于粉笔的组成，可以看到，钙原子和碳原子很容 易分别“拿出”2个电子和4个电子，而氧原子很乐意“捡起”2 个电子。于是，在每个碳酸钙分子里，3个氧原子检起钙原子和 碳原子拿出的那6个电子，电子数正好不多也不少。1分子能约 束在-起，靠的正是由这些电子转移所产生的电力。那么原子的 重量呢？自卢瑟福1911年的实验以来，我们已经知道原子的几 乎所有质量（或重量）都集中在一个很小的带正电的核心，核的 周围环绕着电子在经过了模糊混乱的认识过程以后，人们终于 在30年代发现原子核由质量接近的两种粒子组成：质子和中 子。质子带正电荷，数量与电子电荷相等；中子没有电荷。氢原 子核就是一个质子，为了保证原子是电中性的，质子数必须等于 电子数；另外还需要中子，因为质子与中子间的强大吸引力才 能把原子核束缚起来。中子和质子几乎一样重，电子则轻得多， 所以，在很好的近似下，原子的重量正比于核内中子和质子的总 数：氢为1(1个质子)，碳为12，氧为16，钙为40，这些量在 1 赫胥黎的时代就知道了，但那时不知道为什么。 为什么？为什么会有中子和质子，一个中性，一个带正电， 质量相近却比电子重得多？为什么它们会那么强烈地吸引在一 起，形成一个比原子本身小十万倍的原子核？我还是到今天的 25(
第一推动·” 终极理论梦 基本粒子的标准模型里去寻找解释，最轻的夸克叫山和d(即上 和下)，电荷分别为+2/3和-2/3（以电子电荷为-1）；质子 包含着2个u,1个d,从而电荷为2/3+2/3-1/3=+1；中 子包含着1个u,2个d,从而电荷为2/3-1/3-1/3=0。质 子与中·下的质量几乎相等，是因为它们的质量大部分来自把夸克 束缚在一起的强力，而那力对u夸克和山夸克来说是相同的。 电子轻是因为它对强力没有感觉。所有这些夸克和电子都是不同 场的能量束，它们的性质是由那些场的性质决定的。 于是，我们又来到标准模型。实际上、，不论关于碳酸钙的什 么化学和物理学性质的问题，都会领着我们走过一条“为什么” 串联的路，然后落脚到同一个源头：今天的基本粒子的量子力学 理论，我们的标准模型。物理学和化学还好说，但是，如果像生 物学那样“更强硬”的科学，情况会怎样呢？ 我们那支粉笔不是理想的碳酸钙晶体，但也不是空气那样杂 乱的一堆分子。实际上，正如赫胥黎在诺里奇讲话里解释的，粉 笔（也就是白垩）里藏着小动物的骨架，那些小动物从古海洋里 汲取钙盐和二氧化碳，拿这些化学物质做原料，在柔软的身体外 ”塑起一个小小的碳酸钙的躯壳。用不着想我们就知道那对它们是 有好处的一没有保护的蛋白质躯体在海祥里并不安全。不过， 这事实本身还没有解释为什么动植物靠生长碳酸钙那样的硬壳来 自我保护；它需要那样，但获取是另一回事。答案来自赫胥黎曾 大力宣扬和捍卫的达尔文和华莱士(Wallace）①的研究。生命表 ①Alfred Rus%se1 Wallace(1823~1913)是生物地理学的创始人。1858年，当达 尔文止在完善他的“自然选择”学说时，收到华莱士寄来的论文，里面包含着他的中 心思想。为了不使华莱士的发现被埋没，达尔文把经过告诉了当时的两位大科学家 一第-次把理性带进地质学的赖尔(Sir Charles Lyell)和植物学家胡克(Sir William Jackson Hooker),把那篇论文和自己更早的东西-一同发表了。这是科学史上的一段佳 话。一译者 )28
第二章一支粉笔 现出遗传性的变化，有些有益，有些无益。但是，容易生存的却 是那些偶然获得了好的变异的生命，它们又把那些特征传给下一 代。但是，为什么会有那些变异，它们又为什么能遗传后代呢？ 这个问题终于在50年代通过DNA的结构得到了解决，DNA是一 种很大的分子，像一个模板，氨基酸靠它聚合成蛋白质。DNA分 子是一个双螺旋，每根骡旋上：的化学单元序列就是它包含的遗传 信息的密码。双螺旋分裂时，每根螺旋都自我复制一回，遗传信 息也就传递下去了；如果某个偶然事件破坏了构成螺旋的化学单 元，遗传性的变异就可能发生。 只要落到化学的水平，其余的事情就相对更容易了。当然， DNA很复杂，不可能用量子力学的方程去解它的结构。不过，那 个结构通过普通的化学法则就能很好地认识，而且，如果有足够 强大的计算机，没人会怀疑我们原则上能解释DNA的一切性质 一那不过就是求解几个普通元素的原子核和电子的量子力学方 程，而它们的性质却是标准模型解释的。于是，我们又来到解释 箭头汇聚的同一点了。 我掩盖了生物学与物理科学间的一个重要区别：历史因素。 如果我们说的是“多佛尔(Dover)海滨那白色的悬崖”①或者33 “赫胥黎手上的那样东西”，那么，白垩或者粉笔的组成，40% 的钙、12%的碳和48%的氧，就能在普遍原理和历史事件里找到 解释，在我们的行星或赫胥黎的生命历史中发生的偶然事件里得 到解释。我们说可以希望用自然的终极定律来解释，实际上说的 是一些普遍原理、其中一个原理说，（在足够低的温度和压力 下)存在一种精确依照钙、碳、氧的那个比例结合的化合物。我 ①多佛尔海滨的白色悬崖证明在9000万年前有在着横过不列颠甚至俄罗斯的 热带海洋，在那里的白垩中、我们可以看到大量海洋生物的化石，姐海胆、海葵、海 星，还有鲨鱼的牙齿和·空统称为“箭石”的头足类软体动物的化石。一译者 27{
第一推动、 终极理论之梦 们认为这种说法在宇宙的任何地方和一切时间里都是正确的。同 样，我们也可以对DNA的性质提出某个普遍的论断，但是，在 地球上之所以能存在那些靠DNA把随机变异一代代传下去的生 命，却是因为历史上的某些偶然事件：存在一个地球那样的行 星，生命和遗传不知怎么在挪里开始出现，而且有足够漫长的时 间演化下去。 涉及历史因素的不止生物学一家。其他好多科学也是那样 的，如地质学和天文学。我们还是再把那支粉笔拿起来，现在我 们要问，为什么地球上.会有那么多的钙、碳和氧的原材料来满足 形成粉笔的化石硬壳？那很容易一这些元素在整个宇宙的大多 数地方都是很普通的。但那又是为什么呢？我们还得求助于演化 历史和普遍原理。利用基本粒子的标准模型，我们很好把握了 “大爆炸”理论中的核反应过程，算出在宇宙的最初几分钟形成 的物质大约3/4是氢，1/4是氨，其他元素也零星有一点儿，大 概都是像锂那样很轻的元素。这些就是后来在恒星中形成重元素 4的原材料。对恒星的后续核反应过程的计算表明，产生最多的是 那些核束缚最紧的元素，那样的元素包括碳、氧和钙。恒星通过 各种方式，如恒星风和超新星爆发，把这些原料撒向星际空间： 正是从这样的星际介质（它在粉笔的组成里也是很多的）生成了 第二代星体，如太阳和它的行星。不过这幅图景仍然依赖于一个 假想的历史一一曾经发生过大致均匀的大爆炸，每一个夸克伴随 着100亿颗光子。各类假想的宇宙学理论正在努力解释这个假 定，而那些理论也还在等着别的历史图景呢。 现在还不太清楚，我们科学里的这种历史和原理的因素是不 是一·个永远的特征。不论在牛顿力学还是在现代量子力学，条件 与定律都是明确分立的。条件告诉我们系统的初始状态（系统是 整个宇宙呢抑或是它的一部分)，而定律决定系统后来的演化。 但是，初始条件最终也可能成为自然律的一·部分。这怎么可能 ）28
第二章一支粉笔.- 呢？··个简单例子是所谓稳恒态宁宙学，那是邦迪(Herman Bondi)和哥尔德(Thomas Gold)以及霍伊尔(Fred Hovle)以不 大相同的形式分别在40年代后期提出的在这幅图景里，尽管 星系相生在飞速离开（这一点常被人误会为宇宙在膨胀），但 新物质却在不断地生成来填补膨张星系间的空间，物质的生成速 率刚好让：护宙显得没有一点儿变化。我们没有可信的理论能说明 那连续的物质创生是如何发生的，不过，假如我们有了那样一个 理论，我们也许可以用它来证明宇宙膨胀会趋向于某个平衡速 率，那时创生正好抵消了膨张，这有点儿像通过物价来协调供求 关系。这样的稳恒态理论中，没有初始条件，因为没有开始；反 过来，我侧却可以通过扩宙不发生改变的条件来导出它应有的 表现。 原来形式的稳但态宇宙学已经完全被各种天文学观测否决 了，其中主要的是1964年微波背景辐射的发现，那些辐射似乎 是过去更热更紧密的宇宙遗留下来的。也许在未来的某个宇宙学 理论中，今天的宇宙膨胀不过是永久而持续被荡的宇宙的一个涨 落，平均说来宇宙并没有改变，这样，在大尺度上，稳恒态的思 想还可以保留下来。初始条件也许哪天还能通过某些更微妙的路 线从终极定律推导出来。哈特尔(James Hartle)和霍金(Stephen Hawking)已经指出一个方向，如果把量子力学用于整个宇宙， 就可能发现历史和物理会走到一起。量于宇宙学今天还是理论家 们微烈争论的话题，不论概念的还是数学的问题都很困雄，我们 似乎还得不出什么确定的结果。 不论怎样，即使自然定律最终能包容或者导出宇宙的初始条 件，我们还是永远不可能清除像生物学、天文学和地质学里的那 ①说宇佑在膨胀答易：生误会，因为太阳系和银河系没有彬胀，空间本身也没 有膨胀。星系飞速离开是付为任何拉了云一日F始彼此分离的运动，就会一直远离 下去。 29(