物理学的边缘：天体物理学、生物学

物理学的边缘：天体物理学、生物学

很难对物理学给出一个精确的界限，若把物理学定义为物理学家所从事的工作时，那么物理学简直要把分子生物学、天体物理学和地质学这些相隔很远的领域也包括进来。

由于在观察电磁辐射的频率范围方面取得了第二次世界大战前不可能取得的技术进展，使天体物理学、天文学和宇宙论也取得了许多进步。从地球上进行的射电天文学工作和从卫星上进行的X射线和紫外线天文学观察，已经开辟了我们在战前根本未料想到的广阔前景，也使使用普通的望远镜的天文学家们把注意力转向了非常有趣的、难以察觉的光学天体。类星体、脉冲星、中子星和黑洞使天空中充满了出乎人们意料的戏剧性事件，甚至宇宙的起源看来也得服从一些似是而非的假设。

通过对已肯定的太阳出现的核反应的某些循环过程进行详细的实验室分析，核物理已经能在更适当的规模上对太阳的起源作出满意的解释了。其中一个反应，就是从质子开始合成氦核，H.A.贝特在1938年发现了与此有关的循环。反应的最后结果，是把四个质子合成一个氦核并释放出大量能量，其它原子核作为催化剂在这个过程中起着重要作用，在反应中，通过适当发射一些正电子而使电荷守恒。核合成作为一门理论学科，已经发展得相当不错了，而且我们在地球上的反应堆和核弹中，也已做了一些有关核合成的实验。

如果太阳上发生的核反应，不仅能在天文学规模上而且能在人类规模上进行、并能加以控制的话，则这些反应将成为地球上极其重要的能源。目前，全世界都正在对这种效应进行研究，并取得了一定的成功。中心问题是让气态混合物中的原子核彼此相互发生作用，这可用放电或诸如激光束加热等其它方法来实现。因而，过去对气体放电的研究，就发展成了等离子物理学。等离子体是气态的原子、电子和离子的混和物。当前研究等离子体的目标是，获得一种压力和温度相当高的等离子体，并使它保持在一起的时间足够长，以便使它的组成成分之间发生核反应。这些等离子体一般是氢、氘和氚——质量为1、2和3的氢的同位素。一旦等离子体发生核点火时，核反应所释放的能量，就足以使它维持炽热状态。这项研究的最终目的，是要提取它在受控条件下发出的过剩的热量，并把它用于实际的目的上，就象使用其它热能源一样。

这个计划面临的困难是很多的，到目前为止，离成功的目标还十分遥远，但可能得到的好处也非常大，因为我们可能得到一个几乎是无限的并且是“干净”的能源。考虑到这项研究具有这些非同寻常的好处，而且又不存在本质上的障碍，科学家和技术专家在本国政府的支持下，正在进行孜孜不倦的探索。当前主要的问题是如何使等离子体保持在一起。没有任何材料做成的壁可以承受等离子体中所存在的那些条件，人们必须用磁场或是一些尚未发现的办法才能使它保持在一起。

另一方面，爆炸性热核反应是所谓热核弹或氢弹的基础，由于它的破坏威力极大，使人类正面临着前所未有的危险。在氢弹中，是用普通的原子弹来引爆轻元素的混合物，这种炸弹的威力，只受所用反应物多少的限制。

新的天文学正在发现一些新的和重要的引力效应。从牛顿时代到1916年形成广义相对论（当时爱因斯坦指出存在三种不易观察到的微小效应）之前一段时间，对引力的研究基本上是停滞不前的。许多年来，广义相对论一直为少数专家所垄断，成了脱离物理学主流的一个领域，但现在情况不同了。目前，人们可以计划和开始对“引力辐射”在实验室进行实验了。在加速质量时，引力辐射是以非常小的数量发射的，但巨大的宇宙事件，也许能辐射足够数量的引力辐射，使人们能用地球上的仪器探测到它。

天空中还有些其它奇迹。天文学家发现一些天体的质量和太阳差不多，但直径却只有几公里，其密度为1014克/立方厘米的数量级，即和原子核物质密度的大小有相同的数量级，一滴水的大小就有500个大的油槽那么重，它们的主要成分是中子，实际上几乎没有电子或质子。大约从1934年左右起，朗道、奥本海默和他们的学生就假定存在中子星，并计算出了中子星的性质。(https://www.daowen.com)

如果中子星超过一定的密度极限，则由于内部的辐射压力不能抵偿引力，它们就会坍缩，那时会发生什么情况，现在尚不完全清楚。当密度极高时，引力场就会阻止辐射从这个星逃逸出去，这个星就成了一个黑洞，黑洞不能直接探测到，因为任何辐射都不能从其中逃逸出去，但也有些间接观察黑洞的方法。有些迹象表明，人们事实上已经观察到黑洞了。

黑体辐射的存在有着坚实得多的基础，它充斥整个宇宙，相应于现在的温度为2°K，被看成是1010年以前导致宇宙起源的那次灾难性爆炸（宇宙大爆炸）的余烬。在大爆炸之后，宇宙一直在扩展观察到的黑体辐射是爆炸时存在的辐射转变成的残留物。

这些仅仅是目前震动整个天文学界的几个革命性发现和革命性理论，天空中充满了几十年前根本不知道的许多不断变化的事件，天文学目前正处于一个迅速发展的阶段，可和30年代时核物理所处的那个阶段相比拟，它吸引着许多原来接受过物理学训练的、年轻的、充满朝气的新人。对他们其中一些人来说，这个领域的吸引力正在于：他们的努力在可预见的将来还得不到任何实际的应用（图13.5）。

在战后的年代中，也许分子生物学是最重大的和意义最深远的一项探索。对生物学来说，分子生物学就象物理学发现量子力学那样重要。我们尚不能预言，在未来的长期发展过程中，分子生物学会把我们引向何方。分子生物学肯定不是物理学，但是1929年柯宾诺说得好：“如果我们实现的不仅仅是技术的简单迭加，而是在同一脑袋中把生物智力和新的物理学产生的智力溶汇起来，那就更好了。”事实上，这个新专业的主要领路人中，有不少人开始时是从事物理学工作的，接受的也是物理学家的教育。作为分子生物学的象征，图13.6显示了弗朗西斯·克里克（Francis Crick）和詹姆士·沃森（James Watson）著名的双螺线，它解释了许多最深奥的生物学问题。为了发现这个双螺线，克里克和沃森首先必须知道所有的生物学前提。这些前提必须与结构的X射线精密分析，示踪原子的研究以及与量子力学密切相关的化学键知识等结合起来，这样，科学和技术的许多不同分支在这个目标上会聚在一起了。