银河系!一沙一世界,我们生活在一个无限嵌套的宇宙结构中
To see a world in a grain of sand(一沙一世界),
And a heaven in a wild flower(一花一天堂)。
Hold infinity in the palm of your hand(手握无限)。
And eternity in an hour(刹那永恒)。
每当背诵威廉·布莱克(William Blake)这首著名的小诗,都不由得想起佛学有意或者无意中所阐释的那些科学道理,佛陀以及后世的佛学家们对于无限、广阔、循环和大小的辩证关系仿佛特别敏锐,刹那永恒可以说将真正的时空关系表现得淋漓尽致,而一沙一世界则非常鲜活的体现出了整个宇宙可能都是一个连环嵌套的结构。
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原子本来是古希腊哲学家德谟克利特(也有一说是他的老师留基伯)用来描述构成万物的最基本单位,后来像以太一样被引入科学用来表示物质的基本构成。1897年,著名卡文迪许实验室的掌门人J.J.汤姆逊在研究阴极射线的时候,发现了原子中电子的存在。这打破了从古希腊人那里流传下来的“原子不可分割”的理念,明确地向人们展示:原子是可以继续分割的,它有着自己的内部结构。那么,这个结构是怎么样的呢?缺乏实验条件的汤姆逊展开自己的想象,勾勒出这样的图景:原子呈球状,带正电荷,而带负电荷的电子则一粒粒地“镶嵌”在这个圆球上。这样的一幅画面,史称“葡萄干布丁”模型。
然而在几十年后的1910年,算是汤姆逊学生的卢瑟福在实验室里进行了一次名垂青史的实验。他用α粒子(带正电的氦核)来轰击一张极薄的金箔,想通过散射来确认那个“葡萄干布丁”的大小和性质。这时候,极其不可思议的现象出现了:有少数α粒子的散射角度是如此之大,以至超过90度。对这个情况,卢瑟福自己描述得非常形象:“这就像你用十五英寸的炮弹向一张纸轰击,结果这炮弹却被反弹了回来,反而击中了你自己一样。”
这位“诺奖幼儿园”的园长(卢瑟福一生至少培养了十个诺贝尔奖获得者,这还不算上他自己)敏锐的认识到,α粒子被反弹回来,必定是因为它们和金箔原子中某种极为坚硬密实的核心发生了碰撞。这个核心应该是带正电,而且集中了原子的大部分质量。但是,从α粒子只有很少一部分出现大角度散射这一情况来看,那核心占据的地方是很小的,不到原子半径的万分之一。于是,卢瑟福在第二年发表了他的这个新模型。在他描述的原子图像中,有一个占据了绝大部分质量的“原子核”在原子的中心。而在这原子核的四周,带负电的电子则沿着特定的轨道绕着它运行。这很像一个行星系统(比如太阳系),所以这个模型被理所当然地称为“行星系统”模型。在这里,原子核就像是我们的太阳,而电子则是围绕太阳运行的行星们。
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卢瑟福的模型一出世,便被称为“行星模型”或者“太阳系模型”。这当然是一种形象化的叫法,但不可否认,原子这个极小的体系和太阳系这个极大的体系之间居然的确存在许多相似之处。两者都有一个核心,这个核心占据着微不足道的体积(相对整个体系来说),却集中了99%以上的质量。人们不禁要联想,难道原子本身是一个“小宇宙”?或者,我们的宇宙是由千千万万个“小宇宙”组成的,而它反过来又和千千万万个别的宇宙组成更大的“宇宙”?
原子和太阳系的类比好像有点可笑,毕竟行星之间的实际距离相对电子来说,可要远得多了(当然是从比例上讲)。但是,也有科学家提出,宇宙即便是在不同的尺度上也有着惊人的重复性结构。比如原子和银河系的类比、原子和中子星的类比,它们都在各个方面——比如半径、周期、振动等——展现出了十分相似的地方。如果你把一个原子放大1017倍,它所表现出来的性质就和一个白矮星差不多。如果放大1030倍,那就相当于一个银河系。当然,相当于并不是说完全等于,而是如果原子体系放大1030倍,它的各种力学和结构常数就非常接近于我们观测到的银河系。还有人提出,原子应该在高能情况下类比于同样在高能情况下的太阳系。也就是说,原子必须处在非常高的激发态下(大约主量子数达到几百),那时,它的各种结构就相当接近我们的太阳系。
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