13　木雕师

这是一扇沉重的大门，大门正中写着一条醒目的标语，“非请勿入——高压危险”。但门口的地垫上却写着“欢迎光临”，这极大地冲淡了那种拒人于千里之外的感觉；所以经过片刻的犹豫，汤普金斯先生还是按下了门铃。一位年轻助手领着他走进大门，汤普金斯先生发现自己来到了一间宽阔的屋子里，奇形怪状的复杂机器占据了屋里的一大半空间。

“这是我们的大型回旋加速器，或者说‘原子对撞机’，报纸上都是这么写的。”助手一边解释，一边充满爱意地将手放在巨大的电磁铁线圈上，它是这台庞大的现代物理仪器最重要的部件之一。

“它能制造出能量高达上千万电子伏的粒子，”他骄傲地补充道，“没多少原子核经得起这种高能粒子的撞击！”

“呃，”汤普金斯先生说，“原子核一定特别硬吧！想想看哪，你们造了这么大的一台机器，就为了撞碎小小的原子内部更小的原子核。不过我想问一下，这台机器到底是怎么工作的？”

“你去过马戏团吗？”他的岳父突然从加速器巨大的轮廓后面冒了出来。

“呃，当然去过。”汤普金斯先生答道。这个出乎意料的问题让他觉得有些窘迫，“你是说，你想让我今晚陪你去马戏团？”

“不完全是。”教授回答，“不过要是有机会去马戏团看看，你就能更好地理解回旋加速器的工作原理。观察一下这块大磁铁的两极之间，你会发现这里有个圆形的铜盒，它的作用类似马戏场的舞台，核轰击实验所需的各种带电粒子在这里完成加速。铜盒中央是这些带电粒子——或者说离子——的源头，它们刚被制造出来的时候速度很慢；强磁场会扭曲这些粒子的运动轨迹，使之形成一圈圈的微型螺旋，然后我们会鞭策这些粒子，让它们不断加速。”

“我知道驯兽师怎么鞭策马，”汤普金斯先生困惑地说，“但却想不出你能怎么鞭策这么小的粒子。”

“其实很简单。既然粒子在不断转圈，那么你只需要在它每次经过同一个位置的时候对它施加电击就好，就像马戏团里的驯兽师站在舞台边缘，每次马儿从他身边经过，他就会鞭策它。”

“但驯兽师能看到马，”汤普金斯先生表示反对，“你能看到铜盒里转圈的粒子吗？要是看不见的话，你又怎么知道该在什么时候施加电击呢？”

“我当然看不到粒子，”教授承认，“但我也不需要看到它。回旋加速器最关键的秘密在于，虽然被加速的粒子跑得越来越快，但它转完一圈需要的时间总是完全相同。你看，重点在于，随着粒子的运动速度不断增长，它运动的轨道半径——和轨道周长——也会相应地变大。所以它实际上是沿着一条向外发散的螺线运动，正是出于这个原因，粒子每次运动到‘舞台边缘’同一位置所需的时间间隔总是一样。你只需要调整放电设备的设置，让它按照同样的时间间隔放电就好。我们采用的是振荡电路系统，广播电台也有类似的设备。加速器释放的每一次电击都不强，但通过不断的循环累积，它能刺激粒子，使之达到极高的速度。这是回旋加速器的一大优势，它能制造出等价于数百万伏高压的效果，却不必真正使用这么高的电压。”

“真的很巧妙，”汤普金斯先生若有所思地赞道，“这么巧妙的设备是谁发明的呢？”

“第一台回旋加速器的建造者是加州大学的欧内斯特·奥兰多·劳伦斯（Ernest Orlando Lawrence），那是很多年前的事情，现在他已经过世了。”教授回答，“从那以后，人们制造出了越来越大的回旋加速器，这种设备也以流言传播般的速度进入了一个个物理实验室。它比以前那些利用级联变压器或静电原理完成加速的旧设备方便得多。”

“要是没有这些复杂的设备，难道我们就不能打破原子核吗？”汤普金斯先生不服气地问道。他是简洁的忠实信徒，一向不信任比锤子更复杂的工具。

“当然可以。事实上，卢瑟福完成首次人工元素嬗变的著名实验时，他用的就是天然放射性物质产生的普通α粒子。但那已经是20年前的事儿了，你应该明白，这20年里，撞击原子的技术已经有了很大的进步。”

“能让我亲眼看看你们是怎么撞击原子的吗？”汤普金斯先生问道，他喜欢眼见为实，不愿意听冗长的解释。

“乐意效劳。”教授说，“正好有一项实验刚刚开始。我们打算进一步研究高速质子撞击硼原子核，使之发生分裂的过程。如果硼原子核被一个能量足以穿透核势垒、进入原子核内部的质子击中，它会分解成三块完全相同的碎片。我们可以通过所谓的‘云室’直接观察这个过程，这种设备能让我们看到碰撞过程中所有粒子的运动轨迹。现在，加速器出口处就有一个这样的云室，云室中央放着一小片硼；加速器启动以后，你将亲眼看到原子核被撞碎的过程。”

“请合上开关，好吗？”他转头吩咐助手，“我来调整磁场。”

启动回旋加速器需要一点时间，现在实验室里只剩下汤普金斯先生一个人还在无所事事地闲逛。闪着微弱蓝光的庞大而复杂的放大器管路系统吸引了他的注意力。加速器内的电压虽然不足以击碎原子，但却足够电倒一头牛；然而汤普金斯先生对此一无所知，所以他毫无戒备地弯下腰，想凑近一点观察这些管子。

实验室里响起一阵清脆的噼啪声，仿佛马戏团的驯狮员甩了一道响鞭，汤普金斯先生感觉一股强烈的电击穿透了自己的整个身体。下一秒钟，周围的一切都陷入了黑暗，他失去了意识。

等他睁开眼睛的时候，他发现自己俯卧在地板上，身体保持着刚才被电压击倒的姿势。实验室看起来似乎和刚才完全一样，但屋里的景象却完全变了。高耸的加速器磁铁、闪光的铜线和无所不在的几十种复杂电设备全都消失了，现在汤普金斯先生眼前只有一张长长的木质工作台，上面摆着几件简单的木匠工具。墙边摆着一排老式储物架，他注意到架子上有许多奇形怪状的木雕。一位和蔼的老人正在工作台旁干活，仔细观察之下，汤普金斯先生惊讶地发现，这位老人看起来既像迪士尼动画《匹诺曹》里的杰佩托爷爷，又像教授实验室墙上挂的尼尔森的卢瑟福男爵肖像。

“打扰了，”汤普金斯先生从地板上爬起来说道，“可我本来正在参观一间核物理实验室。然后我似乎遇到了什么奇怪的事情。”

“噢，你对原子核感兴趣。”老人放下手中正在雕刻的一块木头，“那你算是找对地方了。我的工作就是制作各式各样的原子核，我很乐意带你参观一下我的小工坊。”

“你说，你的工作是制作原子核？”汤普金斯先生震惊地问道。

“是的，当然。显然，这份工作需要一定的技术，尤其是那些放射性元素的原子核，不然的话，在你上色之前它们就会自己裂开。”

“上色？”

“是的，我把带正电的粒子涂成红色，带负电的粒子涂成绿色。你可能听说过，红色和绿色是所谓的‘互补色’，它们混合在一起会互相抵消^[6]，就像自然界的正负电荷一样。如果原子核内部的正电荷与负电荷数量相等，而且这些带电粒子一直在快速运动，那么整个原子核应该是电中性的，你也会看到它呈现出白色。不过，要是正电荷或者负电荷比较多，整个系统就会变成红色或绿色。很简单吧？”

“瞧，”老人指着桌边的两个大木箱继续说道，“我用来制作各种原子核的材料都放在这儿。第一个箱子里的红球是质子。这种粒子非常稳定，永远不会褪色，除非你用小刀或者其他什么工具把它的颜色刮掉。第二个箱子里的中子就麻烦多了。正常情况下，中子是白色的，或者说呈电中性，但它们很容易变成红色的质子。只要别打开盖子，什么都好说，但要是打开箱子取出一个中子，我们马上就有好戏看了。”

老木雕师打开木箱，取出一个白球放在桌上。有那么一小会儿，似乎什么事情都没发生，可就在汤普金斯先生快要失去耐心的时候，白球突然活了过来。扭曲纠缠的红绿条纹开始出现在球面上，有那么几秒钟，整个中子球看起来就像孩子们最爱玩的彩色玻璃弹珠一样。紧接着绿色渐渐集中到球体一侧，最终彻底与小球分开，亮绿色的小液滴骨碌碌地滚落在地板上，小球本身却变成了纯粹的红色，看起来和第一个箱子里的红色质子一模一样。

“看到了吧。”木雕师捡起地上的绿色液滴，现在它已经变成了一个坚硬的小圆球，“中子的白色会分解成红色和绿色，整个中子也随之分裂产生两个粒子，其中一个是质子，另一个是负电子。”

“是的，”看到汤普金斯先生脸上惊讶的表情，他又补充道，“这个看起来像翡翠一样的粒子不是别的，正是普通的电子，和原子内部或者别的什么地方的电子毫无区别。”

“老天爷啊！”汤普金斯先生叹道，“这比我见过的任何彩色手帕魔术都更精彩。不过你能把它的颜色变回去吗？”

“是的，我可以把这滴绿色颜料重新涂到红球上，让它变回白色，不过当然，这需要消耗一些能量。另一种方法是把小球上的红色颜料刮掉，这也需要消耗能量。从质子表面刮下来的红颜料会形成一个红色的液滴，也就是一个正电子，你可能听说过这个名词。”

“当然，我自己就当过电子……”汤普金斯先生刚开口就反应过来不对，于是他换了个话题，“我是说，我听别人说，正电子和负电子一旦相遇就会互相湮灭。”他说，“这个戏法你也会变吗？”

“噢，那太简单了。”老人回答，“但现在我不必劳神费力去刮质子上的颜料，因为我手头还有几个早上剩下来的正电子。”

他打开抽屉，取出一个正红色的小球，然后用拇指和食指紧紧捏住它，将它放在桌面上的绿球旁边。伴随着一阵刺耳的噪音——听起来像是炸响的鞭炮——两个小球一起消失了。

“你看到了吗？”木雕师吹了吹轻微灼伤的手指，“所以我们不能用电子来制造原子核。以前我试过一次，但我立即放弃了。现在，我只用质子和中子。”

“但中子也不稳定，难道不是吗？”汤普金斯先生还记得刚才老人演示的情景。

“单独的中子的确不太稳定。但如果你将它紧紧地包在原子核里，然后用其他粒子把它裹起来，中子就会变得相当稳定。不过，话分两头说，如果中子或质子的数量实在太多，它们也可能自发转化，多余的颜料会以负电子或正电子的形式从原子核中释放出来。这样的调整被我们称为‘β衰变’。”

“你制作原子核的时候会用胶水吗？”汤普金斯先生好奇地问道。

“噢，根本用不着胶水，”老人回答，“你看，只要你设法让这些粒子发生接触，它们会自己粘到一起。要是你愿意的话，你可以亲自试试。”

听从了老人的建议，汤普金斯先生左手抓了个中子，右手捏起一个质子，然后小心翼翼地将它们凑到一起。两个粒子接近的瞬间，他感觉到了一股强大的拉力，与此同时，他看到了非常奇怪的一幕。质子和中子开始交换颜色，红色和白色交替变换，就像红颜料在右手的质子和左手的中子之间来回“跳跃”。颜色闪烁的速度如此之快，两个球之间仿佛连接着一条粉色的带子。

“我理论界的朋友将这种效应命名为‘交换现象’。”看到汤普金斯先生惊讶的样子，老木雕师轻笑起来，“这两个球都想变成红色，或者说都想拥有电荷，随你怎么说；不过，它们显然无法同时拥有这个电荷，所以只能不断交换。谁也不愿意放弃，除非你用力将它们分开，否则它们会一直这样僵持下去。现在我可以向你演示一下制作原子核到底有多简单。你想要哪种原子核？”

“金。”汤普金斯先生回答，他还惦记着中世纪炼金师的野望。

“金？让我瞧瞧。”老人咕哝着查看墙上挂的巨幅表格，“金原子核重197个单位，携带79个正电荷。这意味着我需要79个质子，再加入118个中子，这样才能得到正确的质量。”

他数出79个质子和118个中子，把它们全都放进一个圆筒形的容器里，然后在上面压了个沉重的木活塞。紧接着，老人用尽全身力气，向下推动活塞。

“我必须这样做，”他对汤普金斯先生解释道，“带正电的质子之间存在极强的电斥力。不过，只要活塞带来的压力超过了电斥力，所有的质子和中子就会在相互交换力的作用下紧紧地粘到一起，形成你想要的原子。”

将活塞压到最低位置以后，老人这才拔出活塞，灵巧地将圆筒倒了过来。一个闪光的粉色小球滚落在桌面上，汤普金斯先生凑上前去仔细查看，这才发现，小球之所以呈粉红色，是因为那些快速移动的粒子在红色和白色之间不断变换。

“多漂亮的金原子啊！”他赞叹道。

“这还不能算是原子，只是原子核而已，”老木雕师纠正了他的说法，“要制作一个完整的原子，你还得加入正确数量的电子，用传统的方式给原子核套上电子层，这样才能抵消它携带的正电荷。不过这一步很简单，只要周围有电子，原子核就会自发捕获它们。”

“真有趣，”汤普金斯先生说，“我岳父从来没告诉过我，制作黄金竟然这么简单。”

“噢，你岳父！还有那些所谓的核物理学家！”老人的语调里火气十足，“他们总爱夸夸其谈，却从来不干实事。他们说，你不能将单独的质子压成复合原子核，因为不可能有那么大的压力。有个家伙甚至算出了一个结果，他说，要把质子粘到一起，你需要的压力相当于整个月球的重量。哼，如果唯一的问题就是压力，他们怎么不去打月亮的主意呢？”

“但他们的确制造出了一些核嬗变。”汤普金斯先生提醒说。

“噢，当然，但这种方法相当粗糙，而且十分初级，制造出的新元素也少得几乎看不见。我现在就可以向你演示一下，他们到底是怎么干的。”老人取出一个质子，用力将它掷向桌上的金原子核。靠近原子核表层时，质子的速度变慢了一点，它在原子核外徘徊了片刻，然后一头扎了进去。吞掉了质子的原子核像发烧一样颤抖了一小会儿，然后掉下来一小块碎片。

“你看，”木雕师捡起那块碎片，“这就是他们所说的α粒子。仔细观察一下，你会发现它由两个质子和两个中子组成。这样的粒子通常由所谓的放射性元素重原子核自发释放，但你也可以撞击普通的稳定原子核，只要力度够大，它也会释放α粒子。但我必须提醒你，现在桌子上残留的碎片已经不再是金原子核了，它失去了一个正电荷，所以现在，它变成了铂原子核，这种元素在周期表中排在金的前一位。不过，在某些情况下，入射质子会直接融入原子核，而不是让它分裂成两个部分；这样一来，你将得到周期表中排在金后面一位的元素，也就是汞。这个过程和类似的其他过程实际上能让你将任意给定元素转化为另一种任意元素。”

“噢，现在我明白他们为什么需要回旋加速器制造出来的高速质子了，”汤普金斯先生终于开始懂了，“可你为什么说这种办法不好呢？”

“因为它的效率低得要命。首先，那些科学家不可能像我这样用入射粒子瞄准原子核，所以他们发射了几千个高速质子，最后命中目标的可能只有一个。第二，就算每个入射粒子都能成功击中原子核，它也很可能会被原子核弹开，而不是钻进原子核里。你可能已经注意到了，我向金原子核投掷质子的时候，入射质子实际上在原子核边缘徘徊了一小会儿，然后才钻了进去，那时候我真担心它会被弹回来。”

“那又是什么阻止了入射粒子直接钻进原子核呢？”汤普金斯先生好奇地问道。

“你可以猜猜看。”老人回答，“你应该记得，原子核和入射质子都携带正电荷，所以二者之间的斥力会形成一道难以跨越的藩篱。就算入射质子最终穿透了原子核的壁垒，这也只是因为它们利用了某种类似特洛伊木马的技术：它们以波——而不是粒子——的形式潜入了原子核。”

“呃，现在你真的把我难住了，”汤普金斯先生忧伤地说，“你的话我一个字儿都听不懂。”

“恐怕真是这样。”木雕师笑道，“实话告诉你吧，我是个工匠。我擅长动手干活，这些理论上的事儿我也不太清楚。不过，重点在于，既然这些组成原子核的粒子由量子材料制成，那么它们总有办法穿透——或者说渗入——看似不可逾越的障碍。”

“啊，我明白你的意思了！”汤普金斯先生喊道，“以前我去过一个奇怪的地方，那儿的桌球正好符合你的描述，那还是我认识莫德之前不久的事儿。”

“桌球？你是说真正的象牙桌球？”老木雕师急切地问道。

“是的，据说那些桌球是用量子大象的牙做的。”汤普金斯先生回答。

“啊，这就是人生。”老人哀叹，“他们用这么昂贵的材料来制作玩具，我却只能用普通的量子橡木来雕刻质子和中子，要知道，这可是组成整个宇宙的基本粒子！”

“不过，”他试图掩饰自己的失望，“我的木头玩具虽然寒酸，但绝不比他们那些昂贵的象牙玩意儿差劲！我这就让你看看，它们跨越藩篱的方法是多么巧妙。”老人爬到长凳上，从架子最顶层取下一个奇形怪状的木雕，它看起来就像一座火山。“你现在看到的模型，”他轻轻拂掉木雕上的灰尘，“代表任意原子核周围的斥力屏障。外面的山坡代表质子和原子核之间的电斥力，火山口代表聚合原子核内所有粒子的凝聚力。现在，如果我取一个球，让它沿着山坡向上滚动，但我给的推力不足以让它翻越火山口周围的山脊，那你肯定觉得，这个球最终会重新滚向山底。不过，实际情况到底如何，我们还是眼见为实吧……”他一边说，一边轻轻推了一下小球。

“呃，我没看到什么奇怪的事情。”看着小球沿着山坡向上爬了大约一半的高度，然后重新滚向桌面，汤普金斯先生说道。

“别急，”木雕师轻声说，“你总不能指望一次成功。”他又推了一下，这次小球还是滚了回来。不过第三次尝试的时候，小球快要滚到一半的高度时，它突然消失了。

“唔，你觉得这个球去哪儿了？”老木雕师像个真正的魔术师那样胸有成竹地问道。

“你是说，它现在钻进了火山口里面？”汤普金斯先生反问。

“是的，你的回答完全正确。”老人一边说，一边用手指把小球拈了出来。

“现在我们反过来试试，”他提议道，“看看这个球能不能不经过山脊就从火山口里钻出来。”他随手把球扔回洞里。

有那么一小会儿，什么事情都没发生，汤普金斯先生只能听到小球在火山口里面来回滚动的轻响。紧接着，小球突然奇迹般地出现在外面的半山腰上，然后沿着山坡无声地滚向桌面。

“你现在看到的是放射性α衰变的典型过程，”木雕师将木雕模型放回原地，“只不过在现实世界里，阻挡粒子的不是量子橡木雕成的山坡，而是电斥力。但从本质上说，它们没什么区别。有时候，这样的电藩篱近乎‘透明’，粒子眨眼间就能轻松逃离；但在另一些时候，这样的藩篱又特别‘厚重’，粒子可能需要几十亿年时间才能离开，例如铀原子核。”

“但为什么只有一部分原子核具有放射性呢？”汤普金斯先生问道。

“因为大部分原子核火山口内部的‘地面’低于外面的地平线，只有那些已知最重的原子，它们火山口里面的地面才足够高，能为粒子提供逃逸的基本条件。”

很难说汤普金斯先生和善良的老木雕师一起在工坊里待了多久，无论来访者是谁，这位老人总会热心地把自己的知识传授给他。汤普金斯先生见识了许多非同寻常的新奇玩意儿，其中最古怪的是一个关得严严实实，但里面似乎什么都没有的盒子，盒盖上贴着标签：中微子。轻拿轻放，切勿泄漏。

“这个盒子里有东西吗？”汤普金斯先生把它凑到耳边晃了晃。

“我不知道。”木雕师回答，“有人说有，也有人说没有。反正你什么都看不见。这个漂亮的盒子是一位搞理论的朋友送给我的，其实我也不知道它到底有什么用。你最好别碰它。”

汤普金斯先生还在工坊里找到了一把沾满灰尘的小提琴，它看起来十分破旧，仿佛出自斯特拉迪瓦里^[7]的祖父之手。

“你会拉小提琴吗？”他问木雕师。

“只会拉γ射线小调。”老人回答，“这是一把量子小提琴，拉不出别的曲调。以前我还有一把只能拉可见光小调的量子大提琴，但有人把它借走了，然后再也没有还给我。”

“呃，请为我拉一支γ射线小调吧，”汤普金斯先生请求道，“我从没听过这样的音乐。”

“那我给你拉一支《升C调里的核》，”木雕师将小提琴搭上肩头，“不过你一定得做好心理准备，这支曲子非常悲伤。”

这的确是一支非常奇怪的曲调，汤普金斯先生从没听过这样的音乐。海浪冲刷沙岸的声音宛转循环，仿佛永不停歇，间或被某个颤动的高音打破，听起来就像子弹的呼啸。汤普金斯先生对音乐不太在行，但这支曲子似乎有一种古怪而强大的感染力。他坐在一张旧扶手椅里，舒舒服服地伸展身躯，闭上了眼睛……

[6]各位读者必须记住，颜色互相抵消的法则只适用于光线，而非颜料本身。如果将红色和绿色的颜料混在一起，你只会得到一团肮脏的颜色。从另一方面来说，如果我们将某件玩具的一半涂成红色，另一半涂成绿色，然后快速转动，它看起来就会变成白的。——原注

[7]17世纪著名的乐器制造师。