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万物简史-第14部分
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锢硌悄歉鍪贝娜让趴蒲В式鹧现厝狈Γ绕湓谒木竦赜⒐６嗌倌昀矗谴锢漳反笱У刂氏档奈┮蝗嗽薄Ｎ私胁舛ㄑ沂甏墓ぷ鳎３２坏貌唤栌没蚱创丈璞浮Ｓ幸淮危说刃７轿峁┮惶虻サ募臃ɑ募扑愎ぷ骶谷坏⒏榱�1年时间。有时候，他不得不完全停止学术工作，以便挣钱来养家糊口……一度在纽卡斯尔开了个古董店，有时候他连地质学会每年5英镑的会费也缴不起。 霍姆斯在研究工作中使用的方法，在理论上其实并不复杂，直接产生于欧内斯特·卢瑟福于1904年最初发现的那个过程，即，有的原子以一种可以预测的比率从一种元素衰变成另一种元素，因此这个过程可以用来当时钟。要是你知道钾－40要经过多长时间才变成氩－40，并且测定样品里这两种元素的量，你就可以得出那种物质的年代。霍姆斯的贡献在于，以测定铀衰变成铅的比率来测定岩石的年代，从而……他希望……能测定地球的年龄。
第十章 把铅撵出去（3）
但是，有许多技术上的困难需要克服。霍姆斯还需要……至少会很高兴拥有……一种能对细小样品进行精密测量的先进仪器，而我们已经知道，他所能得到的不过是一台简单的加法机。因此，他竟然能在1946年较有把握地宣布，地球至少已经存在30亿年，很可能还要长。这是一项相当了不起的成就。不幸的是，他又一次遇到了巨大的障碍：他的科学界同行们非常保守，对他的成就拒不承认。许多人尽管乐意赞赏他的方法，却认为他得出的不是地球的年龄，而只是组成地球的材料的年龄。 就在这个时候，芝加哥大学的哈里森·布朗发明了一种统计火成岩（即通过加热形成的岩石，而不是通过沉积形成的岩石）里铅同位素的新方法。他意识到这项工作相当乏味，便把它交给了年轻的克莱尔·彼得森，作为他的论文项目。他向彼得森保证，以他的新方法来测定地球的年龄会〃易如反掌〃。实际上，这项工作花了几年时间。 1948年，彼得森着手从事这个项目。与托马斯·米奇利丰富多彩、不断推动历史前进的贡献相比，彼得森测定地球年龄的工作有点儿平平庸庸的味道。有7年时间，先是在芝加哥大学，后在加州理工学院（他于1952年迁往那里），他在无菌实验室里埋头苦干，仔细选择古老岩石的样品，精密测定里面铅/铀的比例。 测定地球年龄的问题在于，你需要有极其古老的岩石，内有含铅和铀的晶体，其古老程度几乎与这颗行星一样……要是岩石年轻得多，测出的年代显然会比较年轻，从而得出错误的结论，而真正古老的岩石在地球上是很难找得着的。到20世纪40年代末，谁也不知道这是什么原因。实际上，要等到太空时代，才可能有人貌似有理地说明地球上古老岩石的去向，这真是不可思议的。（答案在于板块构造，我们当然将谈到这个问题。）与此同时，彼得森只能在材料非常有限的情况下把这一切搞清楚。最后，他突然聪明地想到，他可以利用地球之外的岩石，从而绕开缺少岩石的问题。他把注意力转向陨石。 他提出了一个假设……一个很有远见的假设，结果证明非常正确，即，许多陨石实际上是太阳系早期留下来的建筑材料，因此多少保留着原始的内部化学结构。测定了这些四处游荡的岩石的年代，你也就（接近于）测定了地球的年龄。 然而，通常来说，总是说来容易做来难。陨石数量不多，陨石样品不是很容易能采集到手。而且，布朗的测量方法过分注重细节，需要做很多改进。最大的问题是，彼得森的样品只要接触空气，就莫名其妙地不断地受到大气里铅的严重污染。正是由于这个原因，他最后建立了一个消过毒的实验室……世界上第一个无菌实验室，至少有一份材料里是这么说的。 彼得森任劳任怨地干了7年，才收集到可用于最后测试的样品。1953年春，他把样品送到伊利诺伊州的阿冈尼国家实验室。他及时获得了一台新型的质谱仪，可以用来发现和测定秘藏在古晶体里的微量铀和铅。彼得森终于得出了结果。他激动万分，直接驱车去艾奥瓦州他度过少年时代的家中，让他的母亲把他送进医院，因为他认为自己在发心脏病。 此后不久，在威斯康星州的一次会议上，彼得森宣布地球的确切年龄为亿年（误差7 000万年）……麦格雷恩赞赏地说：〃这数字保持了50年。〃经过200年的努力，地球终于有了个年龄。 彼得森几乎马上把注意力转向大气里那个铅的问题。他吃惊地发现，有关铅对人体的影响，人们仅有的一点儿认识几乎无一例外是错误的，或者是令人产生误解的……这也不足为怪，因为40年来对铅的影响的每项研究，全是由铅添加剂的制造商们提供资金的。 在一项这样的研究中，一名没有受过化学病理学专门训练的医生承担了一个五年计划。 根据计划，他让志愿者们吸入或吞下越来越大量的铅，然后对他们的大小便进行化验。不幸的是，那位医生似乎也不懂，铅不会被作为废物排泄出体外，只会积累在骨头和血液里……这正是铅很危险的原因，他既没有检查骨头，也没有化验血液。结果，铅被宣布对健康毫无影响。 彼得森很快确认，大气里有过大量的铅……实际上现在仍有大量的铅，因为铅从来没有消失……其中大约90％来自汽车的废气管，但他无法加以证明。他需要一种方法，把现在大气里铅的浓度，与1923年四乙铅开始商业生产之前的浓度进行比较。他突然想到，冰核可能会提供这个答案。 人们知道，在格陵兰岛这样的地方，每年的积雪层次很分明（因为季节温差使得冬季到夏季的颜色稍有不同）。只要往前数一数这些层次，测量一下每一层里铅的含量，你就可以计算出几百甚至几千年里任何时候全球大气里铅的浓度。这个见解成为冰核研究的基础。许多现代气候学的研究工作都是建立在这个基础上的。 彼得森发现，1923年之前，大气里几乎没有铅；自那以后，铅的浓度不断危险地攀升。 现在，把铅撵出汽油成了他一生的追求。为此，他经常批评铅工业及其利益集团，而且往往言辞很激烈。 这证明是一场残酷的斗争。四乙公司是全球一家势力很大的公司，上头有很多朋友。（它的董事当中有最高法院的法官刘易斯·鲍威尔和美国地理学会的吉尔伯特·格罗夫纳。）彼得森突然发现研究资金要么被收回，要么很难获得。美国石油研究所取消了与他签订的一项合同，美国公共卫生署也是，后者还算是个中立的政府机关呢。 txt小说上传分享
第十章 把铅撵出去（4）
彼得森成了一个对本单位越来越不利的人。铅工业界官员不断向加州理工学院董事会成员施加压力，要么让他闭嘴，要么让他滚蛋。杰米·林肯·基特曼在2000年的《国家》杂志中写道，据说，四乙公司愿意向加州理工大学无偿提供一名教授讲席的费用，〃如果能让彼得森卷铺盖走人的话〃。荒唐的是，一个美国研究委员小组被指派来调查大气中铅毒的危险程度，他竟然被排除在外，尽管他这时候毫无疑问已经是美国大气铅问题的主要专家。 幸好，彼得森从来没有动摇过。由于他的努力，最后提出了《1970年洁净空气法》，并于1986年在美国停止销售一切含铅汽油。美国人血液里的铅浓度几乎马上下降了80％。但是，由于铅是一种难以消除的物质，今天每个活着的美国人血液里的铅浓度，仍要比一个世纪以前的人高出大约625倍。大气里铅的含量还在以大约每年10万吨的速度继续增加，而且完全是以合法的方式，主要来自采矿、冶炼和工业活动。美国还禁止在家用油漆中添加铅，正如麦格雷恩所说，〃比大多数欧洲国家晚了44年〃。考虑到铅的惊人毒性，美国直到1993年才在食品罐头上停止使用焊铅，这是不可思议的。 至于四乙公司，它仍在发展，虽然通用汽车公司、美孚石油公司和杜邦公司在该公司已经没有股份。（1962年，它们把股份卖给了奥尔马尔造纸公司。）据麦格雷恩说，直到2001年2月，四乙公司依然坚持认为，〃研究表明，含铅汽油无论对人的健康还是对环境都不构成威胁〃。在它的网站上，公司的历史没有提及铅……也没有提及乔治·米奇利……只是简单地提到原先的产品里含有〃某种化学混合物〃。 四乙公司不再生产含铅汽油，但据2001年的公司报表，2000年四乙铅的销售额仍达到2 510万美元（它的全部销售额为79 500万美元），比1999年的2 410万美元略有增长，但低于1998年的11 700万美元。公司在它的报告中说，它决心〃使四乙铅产生的现金收入增加到最大程度，尽管全世界的使用量在不断下降〃。四乙公司通过与英国奥克特尔联合公司的一项协议在全世界销售四乙铅。 至于乔治·米奇利留给我们的另一个祸害含氯氟烃，美国在1974年已经禁止使用，但它是个顽固不化的小魔鬼，以前（比如从除臭剂或喷发定型剂）排放到大气的这种东西几乎肯定还在那里，等你我上了西天很久以后还会在吞食臭氧。更为糟糕的是，我们每年仍在向大气里排放大量含氯氟烃。韦恩·比德尔说，每年仍有2 700万千克以上的这种东西在市场上销售，价值15亿美元。那么，是谁在生产含氯氟烃？是我们……那就是说，许多大公司仍在其海外的工厂里生产这种产品。第三世界国家要到2010年才加以禁止。 克莱尔·彼得森于1995年去世。他没有因为自己的成就而获得诺贝尔奖。地质学家向来没有这个资格。更令人不解的是，尽管他在半个世纪的时间里坚持不懈，大公无私，取得越来越大的成就，他也没有获得多少名气，甚至没有受到多大重视。我们有理由认为，他是20世纪最有影响的地质学家。然而，谁听说过克莱尔·彼得森来着？大多数地质学教科书没有提到他的名字。最近出版的两本有关测定地球年龄的历史的畅销书，竟然还把他的名字拼错了。2001年初，有人在《自然》杂志里就其中的一本书写了一篇书评，结果又犯了一个错误，令人吃惊地认为彼得森是个女人。 无论如何，多亏克莱尔·彼得森的工作，到1953年，地球终于有了个人人都能接受的年龄。现在惟一的问题是，它比它周围的世界还要古老。
第十一章 马斯特·马克的夸克（1）
1911年，一位名叫威尔逊的英国科学家经常爬到本尼维斯山顶去研究云层的构造。这座山位于苏格兰，以潮湿闻名。他突然想到，肯定还有一种比较简单的办法。回到剑桥大学的卡文迪许实验室以后，他建起了一个人工云室……一种简单的装置，他在里面可以冷却和湿润空气，在实验室现有的条件下创建一个说得过去的云层模型。 那个装置运转良好，而且还有个意料之外的好处。当威尔逊使一个α粒子加速通过云室制造人工云团的时候，它留下一条明显的轨迹……很像一架飞过的飞机留下的凝迹。他刚刚发明了粒子探测仪，提供了令人信服的证据，证明亚原子粒子确实存在。 最后，卡文迪许实验室的另外两位科学家发明了功率更大的质子束装置，欧内斯特·劳伦斯在加州大学伯克利分校造出了著名的回旋加速器，或称原子粉碎器，这类设备在很长时间里就是这么称呼的。所有这些新发明的原理大体相同，无论是过去还是现在，即，将一个质子或别的带电粒子沿着一条轨道（有时是环形的，有时是直线的）加速到极快的速度，然后砰地撞向另一粒子，看看撞飞了什么。所以，它被称之为原子粉碎器。严格来说，这算不上是科学，但一般来说是很管用的。 随着物理学家建造越来越大、越来越雄心勃勃的机器，他们开始或推断出似乎永无穷尽的粒子或粒子族：π介子、μ介子、超子、介子、K介子、希格斯玻色子、中间矢量玻色子、重子、超光速粒子。连物理学家都开始觉得不大舒服。〃年轻人，〃当有个学生问恩里科·费米某个粒子的名字的时候，他回答说，〃要是我记得清这些粒子的名字，那我就成了植物学家了。〃 今天，加速器的名字听上去有点像是弗莱什·戈登用于打仗的武器：超级质子同步加速器呀，大型正负电子对撞机呀，大型强子对撞机呀，相对论性重离子对撞机呀。使用的能量是如此之大（有的只能在夜间操作，这样，设备点火时邻近城镇的居民才不至于注意到自己的灯光暗淡下去），它们可以把粒子激活到这样的状态：一个电子在不到1秒的时间里能沿着7公里长的隧道击打47 000圈。人们担心，科学家们在头脑发热的时候会在无意之中创建一个黑洞，甚至所谓的〃奇异夸克〃。从理论上说，这些粒子可以与别的亚原子粒子相互作用，产生连锁反应，完全失去控制。要是你现在还活着在看这本书的话，说明那种情况没有发生。 寻找粒子需要集中一定精力。粒子不但个儿很小，速度很快，而且转瞬即逝。粒子可以在短达秒（10－24秒）时间里出现和消失。连最缺乏活力的不稳定的粒子，存在的时间也不超过秒（10－7秒）。 有的粒子几乎捕捉不到。每一秒钟，就有1万亿亿亿个微小的、几乎没有质量的中微子抵达地球（大多数是太阳的热核反应辐射出的），实际上径直穿过这颗行星以及上面的一切东西，包括你和我，就仿佛地球并不存在。为了捕捉几个粒子，科学家们需要在地下室（通常是废矿井里），用容器盛放多达57 000立方米重水（即含氘相对丰富的水），因为这种地方受不到其他类型辐射的干扰。 在非常偶然的情况下，一个经过的中微子会砰地撞击水里的一个原子核，产生一丁点儿能量。科学家们通过统计有几个一丁点儿而逐步了解宇宙的基本性质。1998年，日本观察人员报告说，中微子确有质量，但是不大……大约是电子的一千万分之一。 如今，寻找粒子真正要花的是钱，而且是大量的钱。在现代物理学中，寻找的东西的大小，与所需设备的大小，往往有意思地成反比关系。欧洲核研究组织简直像个小城市。它地跨法国和瑞士边境，有3 000名雇员，占地几平方公里。欧洲核研究组织有一排比埃菲尔铁塔还要重的磁铁，周围有一条大约26公里长的地下坑道。 詹姆斯·特雷菲尔说，击碎原子倒还容易，每次只要把日光灯一开。然而，击碎原子核就需要大量的金钱和大量的电力。把粒子变成夸克……即构成粒子的粒子……就需要更多的电和更多的钱：几万亿瓦电和相当于一个中美洲小国的预算。欧洲核研究组织的一台新的大强子对撞机定于2005年开始运转，它将产生14万亿瓦能量，建设费超过15亿美元。1 然而，这两个数字与那台超级超导对撞机本来所能产生的能量和所需的建设费用相比，那简直是小巫见大巫。20世纪80年代，得克萨斯州附近开始建设一台超级超导对撞机，然后本身与美国国会发生了超级对撞，结果很不幸，现在永远建不成了。这台对撞机的意图是：让科学家们重建尽可能接近于宇宙最初十万亿分之一秒里的情况，以探索〃物质的最终性质〃（老是这么说的）。该计划要把粒子甩进一条84公里长的隧道，获得实在令人吃惊的99万亿瓦能量。这是个宏伟的计划，但建设费用高达80亿美元（最后增加到100亿美元），每年的运行费还要花上几亿美元。 这也许是历史上把钱倒进地洞的最好例子。美国国会为此花掉了22亿美元，然后在建成一条22公里长的隧道以后取消了这项工程。现在，得克萨斯人可以为拥有一个全宇宙代价最高的地洞而感到自豪。我的朋友、《价值连城的堡垒》的作者杰夫·吉恩对我说：〃那实际上是一大片空地，周围布满了一连串失望的小城镇。〃txt电子书分享平台 霸气书库
第十一章 马斯特·马克的夸克（2）
超级对撞机化为泡影以后，粒子物理学家们的眼界放低了点。但是，即使是比较一般的项目的成本也可能相当惊人，要是与，哎呀，几乎任何项目相比的话。有人建议在南达科他州莱德的一座废矿……霍姆斯特克矿……建个中微子观察站，其成本就高达5亿美元，还不算每年的运转费用。而且，还要花亿美元的〃一般改建费〃。与此同时，伊利诺伊州费尔米莱布的一个粒子加速器仅更新材料就要花费亿美元。 总之，粒子物理学是个花钱很多的事业……但又是个收获巨大的事业。今天，粒子的数量已经大大超过150种，还有100种左右被怀疑存在。但不幸的是，用理查德·费曼的话来说：〃很难搞清所有这些粒子的关系，大自然要它们干什么，彼此有什么联系。〃每打开一个盒子的时候，我们总是发现里面还有一个紧闭的盒子。有的人认为存在超光速粒子，其运动速度超过光速。有的渴望找到引力子……引力的根子。我们刨根问底儿已经刨到什么程度，现在还很难说。卡尔·萨根在《宇宙》一书中说，要是你钻进一个电子深处，你会发现它本身就是一个宇宙，使你回想起20世纪50年代的那些科幻故事。〃里面，大量小得多的别的粒子组成了相当于当地的星系和较小的结构，它们本身就是下一层次的宇宙，如此永远下去……一个逐步往里推进的过程，宇宙中的宇宙，永无尽头……往上也是一个样。〃 对于我们大多数人来说，这是个不可想像的世界。如今，即使看一本有关粒子物理学的初级指南，你也必须克服语言方面的重重障碍，比如：〃带电的π介子和反π介子分别衰变成一个μ介子加上反中微子和一个反μ介子加上中微子，平均寿命为03×10－8秒；中性π介子衰变成2个光子，平均寿命大约为×10－16秒；μ介子和反μ介子分别衰变成。。。。。。〃如此等等……而且，这段话还是从（通常）文笔浅显的作家斯蒂芬·温伯格为普通读者写的一本书里引来的。 20世纪60年代，加州理工学院物理学家默里·盖尔曼试图把事情简化一下，发明了一种新的粒子分类法，用斯蒂芬·温伯格的话来说，实际上〃在一定程度上使大量的强子重新变得一目了然〃……强子是个集体名词，物理学家用来指受强核力支配的质子、中子和其他粒子．盖尔曼的理论认为，所有强子都是由更小的，甚至更基本的粒子组成的。他的同事理查德·费曼想跟多利那样把这些新的基本粒子叫做部分子，但是没有获得通过。它们最后被称做夸克。 盖尔曼从小说《芬内根的觉醒》的一句话中取了这个名字：〃给马斯特·马克来三夸克（quarks）！〃（敏锐的物理学家把storks或larks作为该词的韵脚，尽管乔伊斯脑子里想的几乎显然是后者的发音。1）夸克的这种基本的简洁性并没有持续很久。随着人们对夸克的进一步了解，需要更细的分类。尽管夸克太小，不可能有颜色、味道或任何别的可以识别的化学特性，它们还是被分成六类……上、下、奇、粲、顶和底，物理学家们奇怪地把这些统称为它们的〃味〃；它们又进一步被分成红、绿和蓝三种颜色。（人们怀疑，这些名称原先在迷幻药时代在加利福尼亚州使用过。这不完全是一种巧合。） 最后，出现了所谓的标准模型。对亚原子世界来说，它实际上是一个元件箱。标准模型的组成成分是：6种夸克、6种轻子、5种已知的玻色子和1种假设的玻色子（即希格斯玻色子，以苏格兰科学家彼得·希格斯的名字命名），加上4种物理力中的3种：强核力、弱核力和电磁力。 这种安排其实说明，在物质的基本材料中有夸克；夸克由名叫胶子的粒子黏合在一起；夸克和胶子一起形成了原子核的材料，即质子和中子。轻子是电子和中微子的来源。夸克和轻子统称为费密子。玻色子（以印度物理学家玻色的名字命名）是产生和携带力的粒子，包括光子和胶子。希格斯玻色子也许存在，也许不存在；这完全是为了赋予粒子质量而发明出来的。 你看得出，这个模型真是有点儿笨拙，但这是可以用来解释粒子世界全部情况的最简单的模式。大多数粒子物理学家觉得，正如利昂·莱德曼在1985年的一部电视片里说的，标准模型不大优美，不大简明。〃它过于复杂，有许多过于武断的参数。〃莱德曼说，〃我们其实不明白，为了创造我们都知道的宇宙，造物主干吗要转动20个门把来设定20条参数。〃实际上，物理学的任务是探索最终的简洁性，而迄今为止的一切都乱成了美丽的一团……或者就像莱德曼说的：〃我们深深地感到，这幅图画并不美丽。〃 标准模型不但很笨拙，而且不完整。一方面，它根本没有谈到引力。找遍整个标准模型，你找不出任何解释，为什么放在桌上的帽子不会飞上天花板。为了赋予粒子以质量，你不得不引入假设的希格斯玻色子，它是否真的存在，要靠21世纪的物理学来解决。正如费曼所由衷地认为的那样：〃因此，我们对这个理论处于进退两难的境地，不知道它是对的还是错的，但我们确实知道它是有
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