从一到无穷大 微观宇宙

《从一到无穷大》是乔治·伽莫夫的经典科普著作，本书为其中一个分册。这本书内容涵盖广泛，包括物理学、数学、天文学等方方面面，通过对一个个奇幻故事的科学分析，将深奥的科学知识与生活场景巧妙地结合起来，让艰涩的科学原理变得简单易懂。在这本书中小读者会发现原来空间和时间是可以弯曲的，原来质子、中子不是微粒的*小单位，原来宇宙不是自诞生之日起就没有变化过，而那些枯燥的数学公式、物理概念和化学符号在伽莫夫的笔下，犹如一个个美妙的音符，在这本如乐谱般的科普著作上欢快地跳动着。

乔治·伽莫夫（1904—1968）

乔治·伽莫夫是美国核物理学家、天文学家。他于1904年在俄国敖德萨市出生，1928年毕业于苏联列宁格勒大学，获得物理学博士学位。1928—1932年先后在丹麦的哥本哈根大学和英国剑桥大学师从著名物理学家尼尔斯·玻尔和卢瑟福从事研究工作。

伽莫夫在原子核物理学和宇宙学方面成绩斐然，是目前宇宙学界影响的“大爆炸”理论的推动者，也是“遗传密码”理论的先驱者。他还是一位杰出的科普作家，一生致力于科学知识的普及工作，其中《物理世界奇遇记》《从一到无穷大》风靡全球数十年。由于伽莫夫在科普方面的杰出贡献，他于1956年荣获联合国教科文组织颁发的卡林加科普奖

《从一到无穷大》是乔治·伽莫夫的经典科普著作，本书为其中一个分册。这本书内容涵盖广泛，包括物理学、数学、天文学等方方面面，通过对一个个奇幻故事的科学分析，将深奥的科学知识与生活场景巧妙地结合起来，让艰涩的科学原理变得简单易懂。在这本书中小读者会发现原来空间和时间是可以弯曲的，原来质子、中子不是微粒的*小单位，原来宇宙不是自诞生之日起就没有变化过，而那些枯燥的数学公式、物理概念和化学符号在伽莫夫的笔下，犹如一个个美妙的音符，在这本如乐谱般的科普著作上欢快地跳动着。

乔治·伽莫夫（1904—1968）

乔治·伽莫夫是美国核物理学家、天文学家。他于1904年在俄国敖德萨市出生，1928年毕业于苏联列宁格勒大学，获得物理学博士学位。1928—1932年先后在丹麦的哥本哈根大学和英国剑桥大学师从著名物理学家尼尔斯·玻尔和卢瑟福从事研究工作。

伽莫夫在原子核物理学和宇宙学方面成绩斐然，是目前宇宙学界影响的“大爆炸”理论的推动者，也是“遗传密码”理论的先驱者。他还是一位杰出的科普作家，一生致力于科学知识的普及工作，其中《物理世界奇遇记》《从一到无穷大》风靡全球数十年。由于伽莫夫在科普方面的杰出贡献，他于1956年荣获联合国教科文组织颁发的卡林加科普奖

逐级下降的阶梯

CHAPTER 1

古希腊人的思想

依靠我们自己眼睛的观察，或者凭借倍数的显微镜所显示的结果来看，我们能否假设这些均匀的物质无论放大多少倍都能保持不变呢？换句话说，能否相信一块铜、一粒盐、一滴水无论分成多么小的一部分，它们每个部分具有的性质都是相同的呢？它们能否一直分割下去，更小的部分是否也具有同样的性质？

>>>物质的构成

在分析理解各种物体的性质时，人们总是倾向于先从大小刚好的、熟悉的物体入手，然后一步步深入探究其内部结构，这样来寻找人眼所看不到的物质性质的本源。现在，我们就来分析一下蛤蜊烩菜这道菜。选择它进行分析，并不是因为它味道鲜美、营养丰富，而是由于它是一个非常好的混合物的例子。

我们看上一眼就知道它是由多种不同物质混杂在一起组成的：蛤蜊拉片、洋葱、番茄、芹菜、土豆、胡椒、肥肉末、盐和水，这些全部都被拌在了一起。

但其实我们能在日常生活中见到的大部分物质，尤其是有机物，一般都是混合物。这一点通常需要借助显微镜或放大镜才能确认。比如，用低倍放大镜就能看到牛奶是乳浊液，小滴奶油悬浮在均匀的白色液体中。

在显微镜下同样可以看到，土壤也是一种构成繁多的复杂混合物，其中含有石灰石、黏土、石英、铁氧化物、其他矿物质和盐类，以及各种动植物体分解而成的有机物质等，如果把一块花岗岩表面打磨光滑，放到显微镜下可以看到，这块石头是由三种不同物质（石英、长石和云母）的小晶体紧密地结合在一起形成的。

如果把对物质的细微结构进行研究看成逐级下降的阶梯的话，那么混合物只是阶梯，或者还只是处在楼梯口的位置。接下来我们可以对组成混合物的每一种纯净物的成分进行分析。

至于真正的纯净物质，如一根铜线、一杯水或一间屋子的空气（不算悬浮的灰尘），用显微镜观察会看到其中的组成成分都是相同的，没有不同的迹象。

事实也是如此，铜线等所有真正的固体（玻璃之类的非结晶体除外）在高倍显微镜的放大下都是所谓的微晶结构。

在纯净物中，我们看到的所有物质都是同一种类型的晶体——铜线中都是铜晶体，铝锅是由铝晶体组成的，食盐里只有氯化钠晶体。如果我们使用一种特殊技术（慢结晶），可以把食盐、铜、铝或任意一种纯净物的体积无限放大，在用如此方法得到的“单晶”中，每一小块都和其他部分一样均匀，就像水或玻璃一样。

依靠我们自己眼睛的观察，或者凭借倍数的显微镜所显示的结果来看，我们能否假设这些均匀的物质无论放大多少倍都能保持不变呢？换句话说，能否相信一块铜、一粒盐、一滴水无论分成多么小的一部分，它们每个部分具有的性质都是相同的呢？它们能否一直分割下去，更小的部分是否也具有同样的性质？

>>>德谟克里特的观点

大约2300年前，生活在雅典的希腊哲学家德谟克里特次提出了这个问题，并尝试解答。他的答案是否定的。他的观点更倾向于任何一种不管看起来多么均匀的东西，总是由大量的（但他并不知道究竟多到什么程度）非常微小的（他也不清楚到底小到什么程度）粒子组成。这种粒子被他叫作“原子”，意思为“不可分割之物”。不同物质中原子的数目不同，但每种物质性质的不同只是表面现象的不同而非本质的不同。

举个例子：火的原子和水的原子是一样的，只是它们的表现不同而已。所有的物质都是由相同的、本质上没有区别的原子组成。

>>>恩培多克勒的观点

但是与德谟克里特持完全相反观点的是同时代的恩培多克勒。他认为原子有若干种，不同原子按不同比例混合起来，就构成了不同种类的物质。

基于当时还处在初期阶段的化学知识，恩培多克勒提出了四种原子，四种原子分别对应当时普遍认为的基本的四种物质：土、水、空气和火。

他的观点是，紧密排列在一起的土原子和水原子组成了土壤，原子排列得越好，土质就越好。依靠土壤生长的植物将土原子、水原子与太阳光中的火原子结合，形成木头的分子。失去水分子后，木头就成了干柴。干柴燃烧后，木头分解成组成它的火原子和土原子，火原子从火焰中飘散出，燃烧剩下的灰烬即为土原子。

在科学发展的萌芽时期，这样解释植物的生长和木柴的燃烧似乎还显得挺合理的。很可惜这样的解释仍然是不正确的。

现在我们已经知道，植物生长所需要的元素来自空气，并不是像古人和一些没有接受过相关教育的现代人想的那样。土壤只为植物的生长提供一小部分盐类，其余的作用是作为支撑植物生长的地点以及为植物储存水分。只需要一小块土壤，就能种植一株大玉米。

后来人们证实了，空气也不是纯净物，是氮气和氧气等气体的混合物（而非古人所想的那样是一种简单的元素），空气还含有一定数量由氧原子和碳原子组成的二氧化碳气体分子。

在阳光的照射下，植物的绿叶吸收大气中的二氧化碳，二氧化碳与根系吸收的土壤中的水分，生成各种其他物质，也就是这些物质构成了植物本身。植物合成的物质中还有氧气，其中一部分氧气被植物释放到大气中，这就是为什么“在屋里养花草，空气会变得好”的原因。

当木头燃烧时，木头中所含的一些分子和空气中的氧原子结合，变成二氧化碳和水，随着燃烧的进行飘散到空气中。

曾被古人认为能够被植物吸收的“火原子”，实际上并不存在。阳光为植物提供了分解二氧化碳的能量，并且这一过程可以形成可供植物呼吸的气体养料。

其实火原子不存在。火焰是火原子的“逸散”，这一观点显然也是不正确的。火焰是一股炽热的气体物质，因为在燃烧过程中会释放大量的能量，所以发出肉眼可见的光芒。

>>>炼金术士的失败

我们再举一个古代人和现代人对于化学变化过程的观点存在巨大差异的例子。众所周知，各种金属是由不同的矿石在高温的鼓风炉中冶炼出来的。每种矿石看上去往往和普通石头并没什么区别，所以之前的科学家们把矿石和其他普通的石头当作一样的物质，认为它们都是由同一种土原子组成的。

当把一块铁矿石放在烈火中时，它得到的东西与普通石头完全不同，铁矿石坚硬带有金属光泽，可以制造出上好的刀刃和矛头。古人给出的解释是，金属是由土原子与火原子结合而成的。运用我们当今的化学术语来说，土原子与火原子结合成金属分子。

如何将这个概念运用于所有的金属呢？他们是这样说的：每种不同的金属，如铁、铜、金，土原子和火原子在它们中的比例不同。闪闪发光的黄金比黑漆漆的铁含有更多的火原子，这是很明显的事情！

但是这是真的吗？如果是真的，往铁里直接加些火，或者在铜里加火，那它们不就能直接变成价值连城的黄金了？中世纪那些一心想发财的炼金术士当然也想到了这一点，于是他们不辞辛苦地努力将普通金属变成黄金。结果可想而知，一生蹉跎在了炼金炉旁边，结果什么也没得到。

但是在他们自己看来，他们正在从事的事情和现代化学家合成一种他们设计出来的合成橡胶一样。无论在理论方面还是在实践方面，他们所犯的错误在于，他们认为黄金和其他金属是成分相同的合成物质。但是，如果不亲自试一试的话，又怎能知道这种物质是合成物质还是基本的化学物质呢？所以，如果没有那些术士一次次的失败冶炼，我们也不可能知道金属是基本的化学物质，而金属的矿石是由金属原子和氧原子组成的化合物（如今这种化合物在我们的化学科学中叫作金属氧化物）。

铁矿石在鼓风炉的灼烧中变成了金属铁单质，这个结果不是古代炼金术士们所认为的：铁是两种不同原子（土原子和火原子）的结合。恰恰相反，这是两种不同原子分离，即从铁的氧化物分子中剥离氧原子的结果。

铁的表面在潮湿的空气中生锈，这个现象并非铁在空气中分解后失去火原子，只剩下了土原子，而是铁原子与水和空气中的氧原子反应生成铁的氧化物分子。炼金术士们是用下面的式子表示铁矿石的变化过程的：

土原子 火原子  铁分子

（矿石）　　　　　　　　　 

铁的生锈过程为：

铁分子  土原子 火原子

     （锈）

铁的氧化物分子的反应过程为：

铁的氧化物分子  铁原子 氧原子

（铁矿石）　　　　　　　　

铁原子 氧原子  铁的氧化物分子

         （锈）

从古人的叙述中我们可以清楚地看到，其实古时候的科学家们对物质的基本构成以及化学变化本质的理解，可以说大部分是正确的。他们只是弄混了哪些物质是混合物质，哪些物质是基本的化学物质。

而恩培多克勒列出的四种物质也并非基本的化学物质：空气是多种不同气体组成的混合物；水分子是氢原子和氧原子组成的化合物；土的成分更复杂，含有许许多多不同的成分；而火原子根本就不存在（在本章的后半部分你会发现，火原子的概念在光量子理论中又得到了部分恢复。）

实际情况是这样的：自然界中有92种不同的化学元素，即有92种原子，而非仅有4种。其中如氧、碳、铁、硅（这些是大部分岩石的主要成分）等元素在地球上的数量较多，并为人们所熟悉；有一些元素则非常稀有，如镨、镝、镧等，可能这是你次听说它们。

除天然元素之外，现代科学家们还人工制成了一些自然界没有的全新化学元素，在本书后面的章节我们还要谈到它们。其中有一种叫作钚，它命中注定要在原子能的领域发挥举足轻重的作用（不管是出于战争还是和平的目的）。

92种基本原子以不同比例组合，组合成了多得数不清的复杂的化学物质，例如黄油和植物油，骨头和木头，食油和石油，草药和炸药等。有一些化合物的名字又长又拗口，很多人可能一生都不会碰到，但化学家们不能对它们置之不理，相反要了如指掌。时至今日，关于原子的各种组合情况，讲述化合物性质和制备方法的化学书籍，还在不断地问世。

《从一到无穷大》是当今世界*有影响的科普经典名著之一。作者乔治·伽莫夫是世界著名的理论物理学家和宇宙学家，在书中他用生动的语言将数学、物理和生物学等内容巧妙融合，并以一种通俗易懂、充满趣味的方式呈现给读者，让读者徜徉在科学的殿堂之中，感受科学的魅力，启迪科学的梦想。

——清华大学校长 邱勇

《从一到无穷大》是我的数学和天文学启蒙书，对我的一生都产生了重大影响，是它教我用一种创造性的科学思维，去理解这个世界。

 ——硅谷投资人 吴军