製作蘋果餡餅需要小麥和蘋果,還要這兒加一點、那兒添一撮,最後用爐子烘烤。餡餅的配料是由分子組成的,比如糖分子或水分子。這些分子又是由碳原子、氧原子、氫原子及少數其他原子組成的。這些原子又來自何方呢?除氫原子外,其他的原子都是星體造就的,一個星球就像一個宇宙灶,能把氫原子燒製成較重的原子。星球是由星際的氣體和塵埃凝聚而成的,氫是這些氣體和塵埃的主要成分。氫是在宇宙大爆炸中生成的。假如你想從頭開始製作蘋果餡餅,你就必須首先創造宇宙。
假如把一個蘋果餡餅切成兩半,將其中的一半再切成兩半,按照德莫克利特的想法這樣切下去,要切多少次才能切成原子呢?答案是:大約要連續切90次。這當然是不可能做到的。因為不會有這麼鋒利的刀,況且餡餅又極易破碎;原子非常小,肉眼無論如何是看不見的。不過,還是有辦法做到的。
在1910年前後的45年中,人們在英格蘭劍橋大學首次揭示了原子的本質。這個方法之一是:用原子碎片轟擊原子,再觀察它們是如何跳出來的。典型的原子外層裹著一層電子雲。電子就是帶電的粒子,它所帶的電荷被隨機地規定為負電荷。電子決定原子的化學性質,因此才有光燦燦的金子,冷冰冰的鐵和具有晶體結構的鑽石。在原子的內部,原子核深深隱藏在電子雲裏麵,它是由帶正電荷的質子和中性的中子組成的。原子非常小,1億個原子首尾相連也隻有小指尖那麼大。而原子核則更小,隻有原子的十萬分之一。難怪人們用了這麼長的時間才發現原子核,然而,原子的大部分質量卻集中在原子核內。相比之下,電子猶如漂浮的絨毛。由此可見,原子內部充滿了空間,物質內部是很空虛的。
我就是由原子組成的,我放在桌子上的胳膊肘就是由原子組成的,桌子也是由原子所組成的。既然原子如此之小,原子內部又是如此之空虛,原子核甚至更小,那麼,為什麼桌子能把我撐住?為什麼我的胳膊肘的原子核不會輕易地滑進桌子的原子核中去呢?為什麼我不會卷成一團或者掉到地球的另一端呢?A·愛丁頓就經常這樣問自己。
答案在電子雲裏。我胳膊肘中的原子外層有負電荷,桌子中每個原子的外層也都有負電荷,這些負電荷相互排斥。我的胳膊肘之所以不會穿透桌子,就是因為原子核周圍有電子,這些電子的電力是很強的。日常生活中的一切無不依賴原子的結構。如果去掉原子中的電荷,任何事物都將變成看不見的微塵。沒有這種強大的電的作用力,世界上就不會有物體,而隻有四處漂遊的電子、質子和中子以及基本粒子的引力球——支離破碎的宇宙殘骸。
當我們假定將蘋果餡餅切成單一的原子時,我們麵臨著一個無窮小的問題;當我們抬頭仰望夜空時,我們則碰到一個無窮大的問題。這些無窮是時空的無窮回歸:空間沒有盡頭,時間沒有窮盡。如果你站在理發店的兩麵鏡子之間,你會看到你本人的許多映像,每一個映像都是另一個映像的反映。但你不可能看到無窮無盡的映像,因為鏡子不可能絕對平整,光傳播的速度也不是無窮快,同時,你站在鏡子中間阻礙了光的反射。這裏所謂的“無窮大”是一個比任何數字都要大的數。
有一次,名叫E·卡斯納的美國數學家要他9歲的侄子為一個非常大的數字取個名字,這個數是10的100次方,即1後麵跟著100個零。這個孩子稱這個數為“Googol”,寫出來是10000000……你也可以自己組成一個非常大的數,再給它起個奇妙的名字。試試看,這是頂有趣的,特別是如果你碰巧也才9歲。“Googol”(10100)似乎夠大的了,再設想一下“Googolplex”(1010100)它是10的10100次方,即1後麵跟10100個零。人體中原子的總數大約為1028,而在能觀察得到的宇宙中,基本粒子——質子、中子和電子——的總數大約是1080。如果宇宙是由中子填充的實心體,也就是說,在宇宙中不留任何空間,所需的中子數大約為10128。這個數目與“Googol”相比是大得多了,但與“Googolplex”相比就微乎其微了。況且“Googol”和“Googolplex”都談不上接近無窮大。確切地說,它們同無窮大的距離與1同無窮大的距離是一回事。如果有人試圖寫出“Googolplex”,這隻能是毫無希望的侈想。即使有一張紙大到足以清晰地容納下“Googolplex”所包含的所有的零,整個已知的宇宙也塞不下這張大紙。幸好“Googolplex”有一個很簡單的表示法:1010100,無窮大也有相應的表示:“∞”(讀作“無窮大”)。
燒焦的蘋果餡餅大部分變成碳。切90次即可得到碳原子。碳原子核中有6個質子和6個中子,外層雲中有6個電子。假如我們從原子核中取出一小塊,比如說一塊帶兩個質子和兩個中子的碎片,它將不再是碳原子核,而是氦原子核。在核武器和普通的核電廠中所進行的正是這種原子核的切割或裂變,隻是它們所分裂的不是碳。在你第91次切割蘋果餡餅時,或者當你從碳原子核上切下一薄片時,你所得到的不是一小塊碳,而是化學性質完全不同的其他原子,這就叫做“元素嬗變”。