物理世界奇遇记

本书是20世纪著名物理学家、天文学家、科普作家乔治•伽莫夫的经典物理科普著作之一。故事的主人公C.G.H.汤普金斯先生在一场场奇幻却符合科学事实的梦中，遨游神奇的物理世界，观察到一些现实世界无法观察到的现象，并得到一位老物理学教授的帮助。老教授用通俗易懂的语言向汤普金斯先生解释了相对论、宇宙学、量子理论、原子和原子核结构、基本粒子等世界中不同寻常的现象。希望汤普金斯先生不同寻常的经历，能帮助感兴趣的读者更清楚地了解现实中的物理世界。。

本书是20世纪著名物理学家、天文学家、科普作家乔治•伽莫夫继《物理世界奇遇记》之后又一经典科普著作。本书在形式上遵循了汤普金斯历险的常规模式——三场梦和教授的一次讲座。不同的是，作者在本书中赋予汤普金斯先生人类的血液、果蝇的细胞、蚱蜢的生殖器官和猫的大脑。在这次历险中，汤普金斯先生遨游了自己的血液系统、倾听了自己基因的心声、了解了自己大脑的构造，并在最后讲授的讲座中，弄清楚一些困惑自己的问题，比如，什么是生命？生命是如何开始的？生命能量是如何转化的？……希望汤普金斯先生这次的神奇经历，能帮助感兴趣的读者更清楚地了解生命的奥秘

享誉世界的物理学家、天文学家，杰出的科普作家，“宇宙大爆炸”理论的倡导者，提出了生物学“遗传密码”理论和放射性量子论和原子核的“液滴”模型。伽莫夫一生致力于研究化学元素的起源、不断膨胀的宇宙以及银河系恒星系统的演化。他才思敏捷，对科学有着敏锐的洞察力，为天文物理学的普及作出了重要贡献。伽莫夫一生科研和著述两不误，一生笔耕不缀，正式出版了25部科普著作，其中代表性作品为《从一到无穷大》《物理世界奇遇记》《太阳简史》《地球简史》。因为他在在科学普及方面作出的杰出贡献，1956年，联合国教科文组织授予他卡林伽科普奖。

《物理世界奇遇记》

城市限速  001

教授关于相对论的演讲—— 汤普金斯先生做梦的诱因 013

汤普金斯先生的假期 027

教授关于弯曲空间、引力和宇宙的讲座 043

脉动的宇宙059

宇宙的歌剧.075

量子台球091

量子丛林 115

麦克斯韦妖129

快乐电子族 . 151

上一场讲座中汤普金斯先生因为睡着而错过的部分 173

原子核内部183

木雕艺人 199

虚空之洞  217

汤普金斯先生品尝日本料理231

致 谢 244

《生命秘境奇遇记》

前 言 001

第一场梦 血流奇遇记 001

第二场梦 基因的心声 029

第三场梦 神机妙算的家伙 055

教授的讲座 生命的本质 085

致 谢 111

本书是20世纪著名物理学家、天文学家、科普作家乔治•伽莫夫的经典物理科普著作之一。故事的主人公C.G.H.汤普金斯先生在一场场奇幻却符合科学事实的梦中，遨游神奇的物理世界，观察到一些现实世界无法观察到的现象，并得到一位老物理学教授的帮助。老教授用通俗易懂的语言向汤普金斯先生解释了相对论、宇宙学、量子理论、原子和原子核结构、基本粒子等世界中不同寻常的现象。希望汤普金斯先生不同寻常的经历，能帮助感兴趣的读者更清楚地了解现实中的物理世界。。

本书是20世纪著名物理学家、天文学家、科普作家乔治•伽莫夫继《物理世界奇遇记》之后又一经典科普著作。本书在形式上遵循了汤普金斯历险的常规模式——三场梦和教授的一次讲座。不同的是，作者在本书中赋予汤普金斯先生人类的血液、果蝇的细胞、蚱蜢的生殖器官和猫的大脑。在这次历险中，汤普金斯先生遨游了自己的血液系统、倾听了自己基因的心声、了解了自己大脑的构造，并在最后讲授的讲座中，弄清楚一些困惑自己的问题，比如，什么是生命？生命是如何开始的？生命能量是如何转化的？……希望汤普金斯先生这次的神奇经历，能帮助感兴趣的读者更清楚地了解生命的奥秘

享誉世界的物理学家、天文学家，杰出的科普作家，“宇宙大爆炸”理论的倡导者，提出了生物学“遗传密码”理论和放射性量子论和原子核的“液滴”模型。伽莫夫一生致力于研究化学元素的起源、不断膨胀的宇宙以及银河系恒星系统的演化。他才思敏捷，对科学有着敏锐的洞察力，为天文物理学的普及作出了重要贡献。伽莫夫一生科研和著述两不误，一生笔耕不缀，正式出版了25部科普著作，其中代表性作品为《从一到无穷大》《物理世界奇遇记》《太阳简史》《地球简史》。因为他在在科学普及方面作出的杰出贡献，1956年，联合国教科文组织授予他卡林伽科普奖。

城市限速

这天是银行假日，在一个大城市的一家银行做小职员的汤普金斯先生睡到很晚才起床，然后悠闲地吃了早餐。他正在规划一天的活动——他首先想到的是下午去看电影，于是打开晨报，翻到娱乐版，却发现没有一部电影能吸引他。他讨厌所有好莱坞的东西——他讨厌那些明星之间没完没了的绯闻。

他想看看有没有关于冒险的电影，或是讲述不寻常的甚至是奇妙的故事的电影，但是连一部这样的电影都没有。这时， 他的目光不经意地落在报纸的一角。当地一所大学宣布要举办一系列关于现代物理学的讲座，今天下午的讲座是关于爱因斯坦相对论的。好吧，感觉挺有意思的！他经常听到这样的说法：“世界上只有十二个人真正理解爱因斯坦的理论。”也许他能成为第十三个人！他一定会去听讲座的——也许这正是他需要的。

他来到这所大学的大礼堂时，讲座已经开始了。教室里坐满了学生——大多数是年轻人—正全神贯注地听着。黑板旁边那个留着白胡子的高个子男人在向他的听众解释相对论的基本概念。但是汤普金斯先生对爱因斯坦理论的全部理解止步于：存在一个最大速度，即光速，任何物质的运动速度都无法超过这个速度，而这一事实导致了非常奇怪和不同寻常的结果。然而，由于光速为300 000千米/秒，所以在日常生活中很难观察到相对论效应。在汤普金斯先生看来，这些不同寻常的效应的本质实在难以理解，因为它与常识矛盾。他试图想象当测量棒和时钟以接近光速的速度运动时，会产生收缩等奇怪的变化——可是他的头却慢慢地越垂越低。

当他再次睁开眼睛时，发现自己不是坐在演讲教室的长凳上，而是坐在城市里为乘客等公共汽车而设置的长椅上。这是一座美丽而古老的城市，沿街排列着中世纪的学院风建筑。他怀疑自己是在做梦，但令他吃惊的是，周围并没有发生什么异常的事情，甚至站在对面街角的警察看起来也和平常的警察没什么不同。沿街塔楼上的大钟指针马上要指向五点钟，街上没什么人。一个人骑着自行车慢悠悠地过来了，当他骑近时，汤普金斯先生惊讶地睁大了眼睛。因为自行车和骑在自行车上的年轻人在其运动方向上不可思议地缩短了——就像透过一个圆柱形透镜看到的那样。钟楼上的钟敲了五下，骑自行车的人显然很着急，踩得更用力了。汤普金斯先生注意到，他的速度并没有提高多少，但由于他的努力，他变得越来越扁——他继续沿着街道前行，但看上去活像一张从硬纸板上剪下来的画。

这时，汤普金斯先生感到非常自豪，因为他一下子明白骑自行车的人为何产生这样的变化了——因为运动物体的收缩——他刚才在讲座中听到了这个原理。“显然，这里的自然限速很低。”他总结道，“这就是为什么街角的警察看起来那么慵懒，因为他不需要注意有没有人超速。”事实上，此刻一辆出租车正在街上行驶，发出的噪音震天响，但速度却并没有比骑自行车的人快到哪里去，看上去就像在爬行。汤普金斯先生决定追上那个骑自行车的人，他看上去是个不错的人，汤普金斯先生想问问他这里的情况。于是，他趁警察看别的方向时，“借”了路边某个人的自行车，沿街疾驰。

他以为自己也就会像刚才那个人一样变得扁平，对此他感到很高兴，因为近来他越来越胖，这使他有些担心。然而， 令他大为惊讶的是，他和他的自行车都安然无恙，没有任何变化。但是，他周围的景象完全改变了：街道变得越来越短，商店的橱窗变得像窄缝，街角的警察成了他有生以来见过的最瘦的人。

“天哪！”汤普金斯先生兴奋地大叫道，“我现在明白这是什么把戏了。这就是所谓的相对论。不管是谁在踩脚踏板， 所有和我相对运动的物体，在我看来都会变短！”他很擅长骑车，而且拼命追赶着那个年轻人；但是他发现想要提速，可真不容易。尽管他已经用尽全力踩脚踏板了，可速度还是几乎没有什么变化。他蹬得腿都开始疼了，却没能以比刚出发时更快的速度经过街角的灯柱。看样子他为了骑快一点儿所做的所有努力都是徒劳的。他现在明白为什么之前看到的骑自行车的人和出租车都是那副样子了，他想起教授说过：不可能超越光速。此时，他注意到城市的街道变得越来越短，前面那个骑自行车的人看起来离他也没有那么远了。在第二个转弯处，他追上了骑自行车的人。他们并排骑了一会儿之后，他惊奇地发现骑自行车的是个很正常的、运动精神十足的年轻人。“哦，这一定是因为我们现在对彼此来说没有相对运动。”他断定是这样并开始跟那个年轻人搭话。

“打扰一下，先生！”他说，“你不觉得住在一个限速这么慢的城市很不方便吗？”

“限速？”那人惊讶地回答道，“我们这里不限速啊。不管去哪儿，我想多快就多快，不过前提是我得有一辆摩托车， 来代替这辆什么都做不了的破自行车！”

“但你之前从我身边经过的时候速度非常慢，”汤普金斯先生说，“所以你引起了我的注意。”

“哦，你看到了，但真的如此吗？”年轻男子说道，带着明显的抵触情绪，“我猜你没注意到自从你赶上我之后，我们已经骑过五条街了。这对你来说还不够快吗？”

“那是因为街道变短的缘故。”汤普金斯先生反驳道。

“无论是因为我们走得快了还是因为街道变短了，这又有什么不同呢？我得走十个街区才能到邮局，我越努力踩踏板，街区就越短，我就能更快到达那里。事实上，我们已经到了。”说着，男人从自行车上下来了。

汤普金斯先生看了看邮局的钟， 现在是五点半。“ 好吧！”他得意扬扬地说，“但是，不管怎么说，你走了半个小时才走过这十条街——我第一次见到你时，正好是五点！”

“那你的感觉呢？你真的感觉已经过了半小时吗？”那人问道。汤普金斯先生不得不承认，他觉得也就过了几分钟而已。而且，他看了看自己的手表，才刚刚五点五分。

“哦，”他说，“是邮局的钟快了吧？”

“当然啦，要不就是您的表走得太慢了，因为您刚才速度太快了。你到底怎么了？你是从月亮上掉下来的吗？”说着， 年轻人走进了邮局。

结束这场对话后，汤普金斯先生觉得真是遗憾，如果那位老教授能在身边给他解释这些奇怪的事情就好了。这个年轻人显然是本地人，他在还没有学会走路的时候就已经习惯这种情况了。汤普金斯先生只能独自探索这个奇怪的世界。他把手表和邮局的大钟调成一致的，为了确保它走得准，他还等了十分钟。他的表没问题。他继续沿着街道往前走，终于看到了火车站，于是决定再看看表。令他惊讶的是，他的表又慢了一点。“好吧，这一定也是相对论现象。”汤普金斯先生断言，于是决定找比那个骑自行车的年轻人更聪明的人问一问。

很快，机会来了。一位看起来四十多岁的绅士下了车，向出口走去。一位年迈的妇人来迎接他，使汤普金斯先生大为吃惊的是，她竟然称呼他为“亲爱的爷爷”。汤普金斯先生难以置信，于是以帮忙拿行李为借口开始了与他们的谈话。

“不好意思，我无意打探你们的家务事，”他说，“但你真的是这位好心老太太的祖父吗？你看，我对这里很陌生，而且从来没有……”“哦，我明白，”那位蓄着胡子的绅士笑着说道，“我猜你把我当成了流浪的犹太人。其实是由于我做生意，需要经常出差，我的大半生都是在火车上度过的，所以我的衰老速度自然比住在城里的亲戚们要慢得多。我很高兴这次回来能看到我亲爱的孙女还活着！但请原谅，我得去出租车里照顾她。”他匆匆离去，留下汤普金斯先生独自疑惑。在车站自助餐厅吃了两个三明治后，他的思考能力增强了些，他甚至认为自己发现了著名的相对论的矛盾之处。

“是的，当然，”他喝着咖啡思考着，“如果所有事物都是相对的，常常旅行的人在他的亲戚们看来很老，而亲戚们在常旅行的人眼中也非常老，虽然实际上双方可能都还相当年轻。但我现在说的绝对无法解释这一现象：一个人不可能相对地长出胡子！”于是，他决定做最后一次尝试，以便弄清楚事情的真相。他转向坐在自助餐厅里的一个穿着铁路制服的独身男子。“善良的先生，”他说，“您能不能告诉我，火车上的乘客比待在一个地方一直不动的人衰老得慢很多，这究竟是怎么一回事？是谁的责任？”

“这是我的责任。”那人简单回答。

“哦！”汤普金斯先生叫道，“难道你已经解决了古代炼金术士的点金石问题？你应该是医学界的名人了。你是这里的医学教授吗？”

“不是啊，”这人吃了一惊，回答说，“我只是这条铁路的司闸员。”

“司闸员！你是说司闸员……”汤普金斯先生大叫一声， 感觉非常不可思议，“你是说——你不过就是在火车进站的时候拉下刹车杆？”

“是的，那就是我的工作。并且，每次火车减速时，人们就会和其他人产生相对年龄。当然，”他谦虚地补充道，“让火车加速的火车司机也在工作中发挥着自己的作用。”

“但这和保持年轻有什么关系呢？”汤普金斯先生非常吃惊地问。

“嗯，我也不太清楚，”司闸员说道，“但事实就是如此。有一次，我问一位乘坐我们火车的大学教授这是怎么一回事，他滔滔不绝地讲了一些令人费解的东西，最后说，这和太阳上的‘红移’是一回事——我想他是这么说的。你听说过类似‘红移’这样的东西吗？”

“没——没有吧——”汤普金斯先生有点怀疑地说。司闸员摇着头走了。

突然，一只大手用力地摇了摇他的肩膀。汤普金斯先生发现自己不是坐在车站的咖啡馆里，而是坐在礼堂的椅子上——他就是坐在那里听教授的讲座的。灯光变暗了，房间里空无一人。叫醒他的看门人说：“我们要关门了，先生。如果你想睡觉，最好回家去。”汤普金斯先生站起来，朝出口走去。

第一场梦 血流奇遇记

新纪念医院的候诊大厅里凉爽而舒适，候诊的患者们忐忑不安地直挺挺地坐在那里。有些患者翻阅着杂志以转移自己的注意力，而另一些患者则只是目光呆滞地坐在那里。偶尔，身穿白大褂的医务人员推着推车经过，于是所有人都不由自主地盯着推车， 直到它消失在远处走廊的尽头。

汤普金斯先生随手拿起最新一期的《纽约客》杂志，他一直对其中的幽默漫画情有独钟，但此时读着却索然无味。昨天他还感觉一切如常，浑身活力四射。但是今天早上，他一边吃着早餐， 一边浏览着报纸上一篇关于癌症的报道。这篇报道生动地描写了活体组织中通常规律而协调的细胞分裂过程有时会失控，细胞会恶性生长，最终完全摧毁有机体。作者认为，在构成生物体的正常细胞中，某些攻击性细胞群的这种破坏性倾向时常会出现，并与社会学领域和世界政治领域出现的类似现象进行了比较，提出针对目前已知的这两种情况，唯一的解决方法是用手术刀解决生物体的问题，用刀剑解决后者的问题。

“说得对，”汤普金斯先生赞赏道，“别信那些安慰性的鬼话， 想要和平，就要准备战斗。”

当他到达银行的时候，心里还惦记着可怕的攻击性细胞分裂的可能性，就在他兑现支票的时候，突然感觉自己体内正常的细胞群发生了异常变化。接着，他感觉脑袋沉甸甸的，呼吸困难， 所有关节都很疼。

午饭时间到了，他却食欲全无，于是决定去市里的一家大医院检查一下，幸运的是，医院就在附近。他想确认自己体内不存在那种攻击性细胞群。候诊的队伍很长，所以他从中间的桌子上拿起一本杂志后，在最后一张空椅子上坐下来。此刻他有种如释重负的感觉，几分钟后杂志轻轻地滑落到他脚下的大理石地板上。

突然，一个身穿白大褂的高个子男士从隔壁办公室推门而出， 候诊室里的所有人都挺直了身子，目不转睛地盯着他。汤普金斯先生实际上对他了如指掌，因为他的照片时常出现在报纸上。他就是赫赫有名的斯特里兹医生——世界上细胞异常生长研究方面的权威。汤普金斯先生旁边坐着一位非常肥胖的女士，虽然她几乎把他挡在了身后，但斯特里兹医生还是注意到了汤普金斯先生， 于是张开双臂快步向他走了过来。

“哦，我亲爱的汤普金斯先生，是什么风把你吹到这里来了啊？”

尽管汤普金斯先生可能很了解这位医学界的泰斗，但斯特里兹医生怎么会认识汤普金斯先生呢？真是太不可思议了。

“先生，我来这里——”汤普金斯先生回答说，此时他感觉候诊室里的所有患者都盯着他，“检查我体内细胞的有丝分裂率，看看是否有肿瘤形成或转移的危险。”（他以为自己用了这种科学性的措辞，就会理所当然地优先接受检查。）

“哦，当然可以检查一下，”斯特里兹医生回答后，神情突然严肃了起来。“我们可以进入你的身体，对各种细胞群进行快速检查，以确定它们的行为是否正常。只要知道查找的目标，就不需要花费太长时间。”

“您的意思是，”汤普金斯先生问道，“您想把我切开？”顿时，他感觉后背发凉。

“哦，不是这样的，”斯特里兹医生安慰道，“除非我们发现有什么问题，否则没有那个必要。我只是想把你注射到你自己的血流里，这样你就可以亲眼看到构成你的各种细胞群。你在血液主循环系统的往返不超过半分钟，当然了，我们必须调整一下线性尺度和时间尺度，这样检查起来就比较从容了。”

说着，斯特里兹医生把手伸进白大褂的一个口袋里，掏出一个硕大的皮下注射器，将长长的、亮闪闪的针头对准了汤普金斯先生。汤普金斯先生感觉到一股强大的吸力，瞬间觉得自己就像“一头骆驼拼命挣扎着要挤进针眼（见图1）”1。接着，有什么东西夹紧了他的胳膊，这时吸力变成了压力，汤普金斯先生被强行注射进一团快速流动的淡黄色透明液体中。

刹那间，他觉得自己就像一个没有经验的跳水运动员，用错误的动作从高高的跳板上跳了下来，于是手脚并用拼命想要浮出水面。尽管这没有给他带来任何好处，但他似乎也没有感觉到缺氧，而且他的肺部功能似乎也很正常。

“ 好恶心啊，” 汤普金斯先生喊道，“ 他一定把我变成了一条鱼！”

“不需要变成一条鱼，”旁边一个声音平静地说，“你可以在自己的血流里呼吸。毕竟，血液中含有人体细胞呼吸所需的所有氧气。不过，如果你觉得漂浮在血浆中不舒服，那么你可以爬到任何一个红细胞上休息。在红细胞上漂游就像坐在传说中的飞毯上一样悠闲自在。”

直到这时，汤普金斯先生才注意到血流中漂浮着大量晶状和豆状物体。它们大约有0.91 米厚，直径约为6 米，就像披着鲜红的天鹅绒外衣。1 在医生的帮助下，汤普金斯先生爬到了一个红细胞上，这时他感觉自己安全了。

“你们所说的红细胞，难道不是我们熟知的红血球吗？”他一边问，一边平躺在柔软的天鹅绒般的红细胞表面上。

“你说得对，”那个声音回答说，“事实上，‘erythros’在希腊语中的意思是‘红色’，使红细胞呈现鲜红色的物质被称为血红蛋白。血红蛋白是一种复杂的化学物质，是红细胞内运输氧气的特殊蛋白质。当血液流经肺部时，这些红细胞大量吸收氧气并将其带到身体的各个细胞群中。事实上，尽管红细胞占血液体积的比例不到50%，但它们所能吸收的氧气是血浆本身所能溶解氧气的75 倍。”

“真是一种了不起的物质。”汤普金斯先生若有所思地说。

“的确如此，”斯特里兹医生附和道，“而且，事实上，生物化学家们仍在努力确定它的确切成分。到目前为止，我们只能够分离出这个复杂分子的一小部分，即血色素。如果你使用这个透镜， 就可以看到它的结构到底有多么复杂。”

“你的意思是我能看到形成分子的单个原子？”汤普金斯先生惊讶地问道。

“当然可以。按照我们目前的尺寸，你只有大约2 微米高。这意味着，在你看来，原子就像是直径为十分之几毫米的小球，通过一个简单的袖珍透镜就能看清它的结构。看看你屁股底下坐着的那些小疙瘩就知道了。”

汤普金斯先生从医生手中接过透镜，趴下身子，全神贯注地观察着一个由77 个原子组成的“小团体”，就是这77 个原子组成了一个血色素分子。这个紧密的原子群是对