在人们试图了解错综复杂的自然界时，氢元素不断带给我们新的突破。它是恒星和宇宙的星际空间物质的主要成分，但是在我们地球上，氢的纯净物却很少见。地球的大气层中没有氢。引力能够将氮气和氧气束缚在地球表面，却无法控制这最简单的原子。原子态的氢只是过眼云烟。任何释放到大气层中的氢都会慢慢地穿过地球表面的氮气和氧气到达大气层的上限，然后向地球道别，消失在太阳系甚至更远的地方。具有讽刺意味的是，遍及整个宇宙、含量如此丰富的氢原子在地球上却基本不存在纯净物的形式，然而就是这样的氢原子带给人们无数科学的启迪。

我们对物质世界的认识，小到最基本的原子，大到宇宙本身，其实都可以由氢原子贯穿起来。在这部氢的传奇里，约翰·里格登向我们展示了氢原子的魅力——它最简单也最独特，几百年来一直挑战着科学家们的兴趣和信心。

从19世纪中轩人们第二次试图解开原子基本成分之谜，到几年前发现玻色-爱因斯坦凝聚态，丛惊人的发现到纷扰的实际利益——这是一部跨越百年的传奇故事。

序言

01 混沌初开时：氢与大爆炸

02 物质的统一与氢：蒲劳脱假说

 威廉·蒲劳脱，1815年

03 氢与化学元素光谱：一个瑞士高中教师发现的模式

 约翰·雅各布·巴尔默，1885年

04 氢原子玻尔模型：原子结构的典范

 尼尔斯·玻尔，1913年

05 相对论与量子论的邂逅

 阿诺德·佐墨菲尔德，1916年

06 精细结构常数：小数字有大意义

 阿诺德·佐墨菲尔德，1916年

07 量子力学的诞生：氢原子解决了“关键问题”

 沃纳·海森伯与沃尔夫冈·泡利，1925—1926年

 保罗·迪拉克，1925-1926年

08 氢原子：波动力学的助产士

 欧文·薛定谔，1926年

09氢原子与迪拉克电子理论

 保罗·迪拉克，1928年

10 氢——核物理学家的指南针：氘的发现

 哈罗德·尤里，1932年

11 狂妄自大VS.氢原子：质子的磁矩

 奥托·斯特恩，1933年

12 磁共振法：核磁共振的由来

 I.I.拉比，1938年

13 新核力的发现：氘核四极矩的发现

 诺曼·F.拉姆齐和I.I.拉比，1939年

14 大块物质的磁共振

爱德华·M.珀塞尔和费利克斯·布洛赫，1946年

15氢原子挑战迪拉克理论：

 量子电动力学成为物理理论的榜样

 威利斯·兰姆，1947年

16 氢原子预示电子异常

 I.I.拉比·约翰·E.内夫与爱德华·B.纳尔逊，1946年

17 氢原子探测宇宙

 爱德华·M.珀塞尔和哈罗德·尤恩，1951年

18 氢脉泽：最精确的时钟

 诺曼·F.拉姆齐和丹尼尔·克莱普纳，1960年

19 一个基本常数——里德伯常数

约翰尼斯·罗伯特·里德伯，1890年

西奥多·W.亨施，1992年

20 氘的丰度：对大爆炸宇宙论的考验

 戴维·N.施拉姆，1945-1997年

21 第一个反原子——反氢

22 氢的玻色一爱因斯坦凝聚态

 塞腾德拉纳斯·玻色，1924年

 阿尔伯特·爱因斯坦，1925年

 埃里克·A.康奈尔和卡尔·E.韦曼，1995年

 丹尼尔·克莱普纳和汤姆·格雷塔克，1998年

23 奇异的类氢原子：从理论到技术

结语

注释

致谢

鸣谢

蒲劳脱相信有一种原始的物质——某种基本元素——存在于构成宇宙的各种各样的物质背后，而这种基本元素就是氢。有关基本元素的说法并不新鲜。2400年前住在米力都岛上的泰利斯曾经得出这样的结论：水是不同形态的所有物质的基础。泰利斯是对是错无关紧要，他的观点引起了极大的争议。希腊最早的原子论者流西普斯和德谟克利特，在泰利斯生活和思考的一个世纪之后，继续着这理性的探求，去确定物质世界背后的统一。千百年过去了，直到今天，这样的探求仍然在继续着。而蒲劳脱沿袭了这样的传统。

1811年6月，蒲劳脱在爱丁堡大学获得了医学学位。此时，化学家们对于原子这个概念还不屑一顾。没有人亲眼见过原子，也没有人知道原子的性质，甚至还有些著名的化学家们根本就不理会原子论。然而，化学家们确实认识到，某些物质所具有的特定性质确定了它们的属性。这些物质就是化学元素。但是，它们显著特性的基础是不是原子还没有最终结论。19世纪早期，道尔顿将哲学上的原子论转化成科学上的原子实验，从而为支持一种可信的物质原子论收集了证据。

蒲劳脱作为与道尔顿同时代的科学家，是早期实验化学家的一员。那时还没有元素周期表，而且很多元素还没有被发现。然而，已知的四十多种元素对于一个像蒲劳脱这样充满热情的人来说，已经足够用于在多样性中寻找统一性了。在解释他实验结果的表格中，蒲劳脱在42种元素上应用了他的理论。

每一种化学元素的原子都由一个确定的质量来描述：同一种元素的原子都具有相同的质量，而某些元素的原子比其他的要重一些。比如，氧原子就比氮原子重。所有原子中，氢原子最简单，也是最轻的。蒲劳脱认为，如果氢是所有较重原子的基本组成单位，那么所有元素的原子量都应该是氢原子量的整数倍。蒲劳脱开始着手证明的就是这个理论。

蒲劳脱并不认为自己是一个熟练的实验者，但他还是设计和进行了确定碘、磷、钠、铁、锌、钾和铍的原子量的实验。至于其他的元素，他接受了那些他认为值得信任的科学家们的测量结果。氢本身的原子量是具有重要意义的，他采用了戴维的测量结果。有了这些数据，蒲劳脱开始通过一个图表来验证较重元素的原子量正好是氢原子量的整数倍。例如，碳原子量是氢原子量的12倍，氮原子量是氢的14倍，钾原子量是氢的40倍，碘原子量是氢的124倍。而其他测试过的元素也是如此。这个结果对他来说十分可信。在他1815年的论文里，蒲劳脱得出这样的结论：“其他的[化学元素]也可被肯定，我将现有的结果提交，以供化学界的同仁参考。”1816年，蒲劳脱匿名提交了他的论文，接下来又发表了另一篇同名论文，《论气态物体的特殊重力现象与它们原子量的关系》。随后，他宣布自己就是这两篇论文的作者，于是他的理论被称为“蒲劳脱假说”。

蒲劳脱将他的假说呈现给科学界，而当时科学界的专家们对于应该如何研究化学元素却有着两种完全相反的态度。一方面，有些人认为化学家们应该专心致志地研究精密的实验结果而尽量不要对物质的更深层性质给出假设性的推测。这种观点的代表人物包括像道尔顿和瑞典的J.J.伯齐利厄斯(1779-1848)等一流化学家。另一方面，还有一些人认为可以将元素的内在统一起来的理论是如此迷人。物理学家和一些具有物理学思维的化学家们通常属于后一种人。比如，迈克尔·法拉第曾经对威廉·克鲁克斯说：“发现一种新元素当然很好，但是若能分解一种元素并告知它是怎样构成的，那绝对是值得去探索的发现。”’19世纪的很多科学家，例如威廉·赫舍尔和詹姆斯·卡拉克·麦克斯韦，都认为“原子带有被制造的痕迹”。但问题是，“制造出这些原子的原材料是什么呢”？蒲劳脱认为是氢。

不论科学家们倾向于什么结论，蒲劳脱假说带动了几十年的仔细研究。反对者和支持者都设计了各种实验来检验蒲劳脱理论的正确性。人们设计了各种实验，尽可能以最大的精确度来测量化学元素的原子量。新的元素一发现，就拿来进行蒲劳脱测试。在第一次世界大战之前的几十年间，蒲劳脱假说既没有被否定也没有被肯定。1886年，在蒲劳脱假说出现60年后，克鲁克斯在英国科学促进协会化学部作了主席发言。在发言中，他承认了蒲劳脱假说和已知原子量之间的差异。“尽管如此，”他说，“很多例子中的真实原子量与假说所预测的极为接近，以至于我们几乎不能将这种巧合归结为偶然。”

1897年J.J.汤姆孙发现了电子，这是构成原子的原材料的第一个线索。14年后的1911年，欧内斯特·卢瑟福发现了原子核。在这之后，原子由一个带正电的实心核和带负电的电子构成的理论很快被广泛接受，紧接着又有了进一步的发现。但首先，我们必须倒退几年去追溯另外一段历史。

1896年，就在汤姆孙发现电子的前一年，安托万·亨利·贝克勒尔发现了放射性。这个发现让一直以来的原子不变性假设站不住脚了。在接下来的十多年里，许多物理学家分析了原子的衰变产物，并在1911年发现放射性原子的衰变产物包括了化学性质通常与“母原子”完全相同但原子量不同的“继承元素原子”。1913年，弗雷德里克·索迪在《自然》上发表了论文，将这种化学性质一样但物理性质不同的原子命名为同位素。同位素仅仅是放射性的产物呢，还是普遍存在的呢？换句话说，不具备放射性的原子是不是也存在各种同位素呢？世界大战推迟了对这个问题的解答。但是在大战中，汤姆孙发明了一种他认为能够以前所未有的精度测量原子质量的仪器。战后，汤姆孙的同事弗朗西斯·威廉·阿斯顿装配了第一台“精密”质谱仪，并在1920年测出惰性元素氖具有原子量为20和22的两种同位素。阿斯顿继续分析了其他元素，结果显示较重元素的原子质量并不恰好是氢原子质量的整数倍。

实验室中不断得出的无可争议的证据推翻了蒲劳脱的迷人假说。本书的主角氢原子并没有注定成为所有其他原子的基本构成成分。但是在1815年，氢因为简单而成为了有关物质的一个经验主义理论的最佳代表，也从而激励了一个理论的产生，这个理论凌驾于诠释它的细节之上。导致此理论产生的那个问题是永远诱人的：物质世界是否建立在一种不可分割的基本物质的基础上？泰勒斯提出的水不是正解；赫拉克利特的答案，火，也是错误的。古代世界的四种元素——土壤、水、空气和火——也不是最佳答案。几十年来收集的证据表明，蒲劳脱的氢也不是最后的答案。在一段时间内，电子和质子好像是梦寐以求的答案；但是在近距离的检验中，质子却失去了它的特别地位。

这种基本物质到底是什么？是电子和构成质子、中子的夸克与胶子吗？没有人可以绝对确定，但是对这个问题答案的探索还在继续着。这种探索的推动力和当年促使泰勒斯和蒲劳脱在物质世界的多样性中发现同一性的推动力是一样的。正是这种推动力使艾萨克·牛顿从地球上的运动和夜空中观察到的静止中看到了一致；也正是这种推动力使麦克斯韦从电、磁和光的不同行为中发现了统一。在他的归纳总结中，麦克斯韦抓住了这种统一。当代物理学家们试图在四种基本力中寻求类似的统一，他们认为是这四种力造成了我们在可见的宇宙中观测到的种种壮丽景观。

寻求统一是物理学的主要工作。在接下来的章节中，我们会看到简单的氢原子在这样的探索中起到了重大的作用。

P6-9

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2006年12月