這個原子是臭名昭著的鈽元素的一種形式,因為它有二百三十九個夸克監獄,它又被稱為鈽-239。還有其他形式的鈽,就像除了那塊你在廚房找到的金塊,還有其他形式的金元素,它們的不同在於其原子核中中子數的不同,中子數可多可少,但它們的質子數永遠都是相同的(否則就不再是鈽或金了)。
雖然金原子沒什麼好看的,但這個鈽原子不一樣,你已經感覺到有些不同尋常的事很自然地即將發生,就在鈽-239的原子核中。
毫不猶豫地,你穿過一層又一層電子外殼,穿過填有虛光子的巨大真空,來到它的原子核邊上。那二百三十九座夸克監獄就在你的眼前。強核力讓它們整齊地堆積在一起,但你的直覺讓你特別關注其中的一箇中子。
你衝了進去。
那裡有兩個下夸克和一個上夸克,被固執的膠子緊緊地捆綁著。
你剛安頓好自己,就看到一個你從沒見過的虛擬粒子擊中了一個下夸克。這個你從未見過的虛擬粒子自發出現,能將下夸克變成上夸克。這個變了身的夸克原本所屬的中子也因此變成了質子,引起了一場騷亂。現在整個原子核已不再平衡。其後果迅速展現,極為劇烈。
你的第六感讓你趕快找地方躲起來,縮微版的你迅速撤離原子核和電子層,回頭一看,那個鈽原子核已經分裂分裂再分裂,變成較小的原子核,每個新原子核都想——有一些沒有成功——搶奪自己的電子帶走。在整個過程的每一步中都有帶著極高能量的粒子飛出,包括有些你從未見過的。你的鈽原子已經衰變,就發生在你的眼前。這場衰變形成的所有產物正被飛速射出。就像一場把自己燃燒殆盡的焰火,除非周圍有很多鈽-239原子。但你的廚房裡沒有那麼多鈽-239原子,所以很快就一切歸於平靜。
你剛目睹了自然界已知的第四種作用力——弱核力的一個側面。它的攜帶者能將一種夸克變化成另一種。這些作用力攜帶者被稱為w和z玻色子。
你剛才見到的是一個原子通過衰變變成更小更穩定的原子。這就是原子核的自發核裂變,它是核聚變的反面。放射性衰變。這也是放射性的根源,弱核力及其攜帶者w和z玻色子就主宰著這個領域。
沃爾夫岡·泡利——那個發現了不相容原理的同一個泡利——大約在一百年前研究了這種原子衰變。與你不同,他當時並不知道「場」這一概念,但他通過比較放射性衰變發生之前與之後的觀察,發現一些能量不見了。於是他預言一定有一種粒子將這份能量帶走,這種粒子具有很小的質量,不帶任何電荷,非常難以捕捉,而一旦射出,將射穿我們所知道的所有物質,幾乎不被阻擋。
我們現在已經知道這種新粒子的存在。你剛才就見到了它。在放射性衰變所釋放的所有粒子中,只有這個你從未見過。它被稱為「中微子」。
美國物理學家弗雷德里克·萊因斯(frederickreines)和他的同事們在一九五六年用實驗探測到了中微子,大約四十年後的一九九五年,萊因斯因此獲得了諾貝爾化學獎。他曾經說過,中微子是人類想象出來的最小真實。今天,我們知道這些中微子們(有許多種中微子)只受到弱核力場與引力影響。它們對電磁場及強相互作用場完全沒有反應。
對於它們來說,原子真的就像你第一次見到它們時的印象一樣:是空的。
這是一件好事。
為什麼?
因為如果中微子與原子相互作用,我們就會有大麻煩,因為中微子被太陽大量地製造出來。
事實上,非常非常多。
大概有六百億個中微子穿透你每一平方釐米的皮膚。
每一秒。
但它們根本就沒注意到你。一個也沒有。
不管這聽起來多麼讓你不快,但它們分辨不出你與其他東西的差別。它們穿過你的身體,穿過地球,繼續它們奔向宇宙的旅程,就像你和我們的地球從來沒有在那裡一樣。
現在我們都已經被教導放射性很危險,我們應該遠離那些放射性材料如鈽或鈾或鐳或釙……越遠越好——的確如此。但因為中微子無法分辨你與真空,它們不可能是造成這種危險的因素。
帶來危險的緣由在於衰變中釋放的其他粒子,幸運的是,它們已經是你的老朋友了。
當原子核發生衰變時,它會分裂併發出中微子、夸克監獄、電子與光子。後面三種都很危險。
這些粒子中個頭最大的是被互相綁在一起的四個夸克監獄:兩個質子與兩個中子結合在一起。它被稱為「阿爾法粒子」,實際上就是一個失去電子的氦原子。為了成為正常原子,這個氦原子核就要想方設法偷到兩個電子。它有幾種方法實現這一目標。它可以從周圍原子中搶兩個過來(粗暴),它也可以與周圍原子分享(互利),或者收留兩個無主的電子(樂善好施的撒瑪利亞人)。
在第一種情況下,那個被奪走電子的原子又會去尋找其他電子……當附近有生物(就像位於廚房裡的你),皮膚上的原子失去電子後就會發生詭異的化學反應,導致所謂放射性灼傷。這是阿爾法粒子危險的緣由。
放射性衰變發射的第二種粒子是非常高能的電子,它能將遠處的正常電子打飛(帶來同樣型別的危險),第三種型別則是高能光子,伽瑪射線——我們在早先飛越宇宙時見過它們,當時強調的是它們無與倫比的高能所伴隨的高頻率。
伽馬射線能夠通過擊中原子將後者的一個電子帶走,讓該原子成為急著尋找另一個電子的離子,同樣燒灼我們的皮膚。
但是伽馬射線也可能使事情變得更糟糕。
沒有什麼東西能夠迫使它們只停留在我們皮膚的表面。它們可以穿過皮膚,給身體更深處造成區域性混亂,不僅僅是把電子趕出其原子家園,還能破壞分子,例如我們細胞中的dna分子,因而改變我們的指令庫,而我們的身體正是依賴這些指令來製造維持生命所必需的各種物質。其後果往往是癌症和/或基因突變。
放射性可能帶來的後果是可怕的。對此沒有人提出疑義。但是,它也有令人高興的一面:正如引力、電磁和強相互作用那樣,放射性儘管是一種破壞性的作用力,但它卻是隨時隨地始終發生的一種自然現象,甚至在我們體內也存在,只是水平非常低。除非經受了高水平的放射性輻射,否則沒有什麼大不了的。
事實上,每一個人都應該感謝放射性的存在。的確,它能殺死你,但沒有它,你甚至不可能來到這個世界。在地球上,我們腳下深處,一直以來,我們的星球恰好有著許多能夠衰變的原子。現在比過去少了一些,但依然,地球的地幔層是放射性的。當原子在那裡衰變時,它們所釋放出來的粒子撞擊鄰居,產生熱量,就是這種熱量保持我們地球的溫暖。如果沒有放射性,就不會有地震或火山爆發,地球表面早在幾十億年前就會是一片冰冷。我們所知的生命或許不會存在。
放射性打破原子,放射性有殺傷力,但它所代表的弱核力場將恆星儲存在構成我們星球家園的原子中的一部分能量釋放出來,還給我們,不可或缺地溫暖了我們的世界。
最後,在把你送上另一場探訪空間與時間起源的旅程之前,讓我們小小地總結一下:原子能作為整體,通過原子核的裂變或聚變,能釋放出它們所隱藏的巨大能量,人類試圖在核電站中以各種效率利用這些能量。我們只能希望有一天,技術的發展能讓這些技術變得更加安全清潔,因為它們有著巨大的潛力。
儘管核能有著不怎麼良好的公眾印象,儘管過去有著不當使用,但我們不應該忘記,沒有核力,我們就不會存在。沒有放射性,地球上就不可能出現生命。
當然,我指的是我們所知道的生命形式。