上帝与新物理学

　　既然我们确信全知的造物主在创造万物的时候遵守了最为严格的数、重量、尺度的比例，所以，若想洞见进入我们的观察范围之内的那些被造物的本质，最有可能成功的方式便必定是从数、重量、尺度入手。

　　宇宙之井然有序似乎是自明的。不管我们把目光投向何方，从遥远辽阔的星系，到原子的极幽深处，我们都能看到规律性以及精妙的组织。我们所看到的物质和能量的分布并不是混乱无序的，相反，它们是按照从简单到复杂的有序的结构安排的，从原子和分子，到晶体、生物，到行星系、星团等等，莫不是井井有条，按部就班。而且，物质系统的行为也不是偶然的，随机的，而是有章法、成系统的。科学家们面对大自然难以捉摸的美和精妙时，常常感到一种敬畏和惊奇。

　　将不同种类的有序区分开来是有用的。首先，有一种质朴的有序，如我们在太阳系中或在钟摆的摆动中所看到的那种规律性。还有一种复杂的有序，如木星的旋转的大气中气体的排列，或一个生物的复杂组织。这种区别是还原论对整体论的又一个例子。还原论试图揭示出复杂组织中的简单成分，整体论则注意于整体的复杂性。复杂的有序在很多人看来有一种目的成分。在复杂的有序中，一个系统的所有的组成部分和谐地组织在一起，合作着去达到一个特定的目的。在这一章里，我们将看看质朴的有序，看看基本物理最新的发现如何证实了数学规律性在控制着大自然的那些重要过程。在下一章里，我们要回过头来探究复杂的有序。

　　康德提出，为了理解世界，人的精神不可避免地要将秩序强加于世界。但我认为很多科学家对他的观点不以为然。比如说，康德根本就不懂原子或原子核的结构，他哪能知道，后世的人们对原子进行研究，显示出原子也具有太阳系组织的那种数学规律性。这一发现的确是惊人的，跟我们所选择的观察世界的方式没有任何关系。而且，我们还将看到，亚核物质也是服从某些质朴有力的对称原理的。人们很难相信，在某些基本力的作用过程中，左右对称是无意义的，只不过是对人类精神的赞美。

　　人们在传统上一直遵循着科学的还原论来揭示大自然中的质朴有序：把复杂的系统分解成较为简单的部分，再分别对这些部分加以研究。一切物质都是由少数基本单位（即最初的“原子”）组成的，这种观念起源于古希腊。但是，只是在本世纪，技术才有了足够的进展，使我们能够详细地研究、了解原子的作用。这方面最早的发现之一，主要是卢瑟福勋爵在本世纪初作出的。这个发现就是，原子根本就不是基本的粒子，而是由其内部的构件合成的结构。原子质量大部分集中于小小的原子核，原子核只有1厘米的1万亿分之1大小。核的周围包围着由较轻的粒子（即电子）构成的云，电子云延伸的距离达1厘米的1千万分之1。因此，一个原子的绝大部分是一无所有的空间，加上量子因素排除了电子具有精确的轨道的可能性，原子便让人觉得象是一种非物质的模糊的实体了。

　　电磁力使电子离不开原子核，原子核带有正电荷，原子核的周围是电场，电场使带负电荷的电子逃脱不了。很久以前人们就发现，原子核本身也是复合体，是由两种粒子组成的，一种粒子是质子，带正电荷，另一种粒子是中子，既不带正电荷，也不带负电荷。质子和中子的质量分别都是电子质量的1800倍。

　　物理学家们一旦发现了原子的基本构造，就能够将量子论应用于原子，从而揭示出一种惊人的和谐。电子的波的性质通过电子存在于其中的某种固定的“定态”或“能级”中并将它自己表现出来。假如能量以光子的形式（小批的光能）被吸收或被发射，就会发生能级之间的跃迁。因此，能级的存在是以光能的形式显示出来的，而光能的情况可以从光的频率（颜色）推断出来。分析一下原子所吸收或发射的光，就会发现一种光谱，光谱是由一系列谱线或不连续的频率组成的。最简单的原子是氢原子，是由一个质子（原子核）和一个电子组成的。氢原子的能级可用一个简单的公式

　　乘以一个固定的能量单位表示。式中的n和m是整数1，2，3…。这种紧凑简洁的算术式使人想起音乐的音调，比如吉他或管风琴上的泛音，这些音也可以用简单的数字关系来表示。这并不是偶然的巧合。一个原子的能级的排列是与量子波振动相对应的，正如一部乐器的频率是与声音的振动相对应一样。

　　假如在氢原子中使电子束缚于质子的力在数学上不是简单的，那么，原子的和谐就不会如此完美。实际上，原子就是依存于这种和谐的。使电子束缚于原子核的电引力满足一个叫作平方反比定律的有名的物理学定律。这个定律说的是，假如质子和电子之间的距离加倍，二者之间的电引力就降低为原来的4分之1；假如二者之间的距离是原先的3倍，二者之间的电引力就降低到原先的9分之1，依此类推。这种井然有序的数学规律性也可以在引力中见到，例如，行星和太阳之间的引力就是这样。平方反比定律导致了太阳系的引人注目的规律性，这些规律性可用算式表示。运用这些算式，就可以预测日食月食以及其他的天文现象。在原子中，这些规律是量子性质的，表现为能级的排列和发射的光的频谱。但太阳系的规律性和原子的规律性都来自平方反比定律的质朴性。

　　明白了原子核的结构之后，物理学家们接着就开始探寻原子核内部使原子核结为一体的力。这种力不可能是引力，因为引力太弱，也不可能是电磁力，因为同性的电荷是相斥的，所以，带有正电荷的质子如何竟能在一起相安无事就成了一个谜。显然，必定有一种很强的吸引力来克服质子之间的斥力。实验表明，使原子核成为一体的力要比电磁力强得多，这种力在质子的一定距离或范围之外就突然消失了。这距离很短，比原子核还要小，所以，只有最近的粒子才处于核作用力的范围之内。中子和质子都处于核力的影响之下。因为这种力很强，所以大多数原子核要用很大的力量才能破开，但要想破开还是办得到的。重原子核不那么稳定，可以很容易地裂变，放出能量。

　　核粒子也是按不连续的量子能级排列的，只是没有原子和谐的那种质朴性。原子核是一种复杂的结构，这不仅是因为组成原子核的粒子数目多，而且也是因为核作用力并不遵守质朴的平方反比定律。