新原子

    从X射线到原子核

    伦琴是在1895年11月8日的晚上作出一个惊人发现的。当时，他正在巴伐利亚的乌兹堡大学幽暗的实验室里工作，突然被房间一处角落发出的神秘闪光所吸引。他不由得靠近去看。原来神秘的闪光来自涂有铂氰化钡的纸片，他知道，这种物质在阴极射线的照射下会产生奇异的荧光。但是此刻并没有阴极射线，他正在使用的阴极射线管已经被厚纸板遮盖得严严实实，但它显然穿透了整个房间！当他关掉阴极射线管时，纸片不再发光。再接通射线管，闪光又重新出现。他把自己的手放在阴极射线管和纸片之间，纸片上显示出手的阴影，甚至可以看到手骨！他把纸片拿到另一间房间，关上门，拉下窗帘，然后开动阴极射线管，纸片仍然闪光。当阴极射线管关掉，它才不再闪光。可见引起闪光的神秘射线实际上能穿墙而过！50岁的伦琴发现了一种新的射线，他称之为“X射线”，意思是“未知的射线”——这个名字就一直沿用下来，尽管如今他的射线已经不再神秘。

    现代物理学的开端

    20世纪60年代，美国物理学家费恩曼（Richard Philips Feynman，1918—1988）习惯于这样问他的学生：“‘理解世界’表示什么意思？”然后，面对加州理工学院演讲厅内济济一堂的听众，他如此解释：试图理解世界就像是观看一盘巨大的象棋赛，而你却不懂下棋的规则，于是你试图从看到的过程中找出规则，最后你也许找到了一些规则——“下棋的规则就是我们所谓的基础物理学”。但是，大多数自然现象是如此复杂，即使我们知道每一条规则，也不可能运用这些规则来跟踪棋子的走动，更不能说出下一步棋会怎么走。

    当19世纪与20世纪之交各种发现接踵而至时，物理学家开始真正品尝到费恩曼在半个多世纪后，向他的学生讲到的那种复杂性。伦琴也许没有想到他的发现引出了一场物理学革命，科学家往往把这一事件看成是旧的“经典”物理学转变为现代物理学的分水岭。从1895年年底开始，物理学不再是原来的样子。

    这是令物理学家激动的年代——从1896年到1945年——同时也是科学史上最令人迷惑的50年。原子这一历经2300年之久的概念，在此期间经历了重大变化。当物理学家发现原子还有更小的组成部分时，原子这一以前曾经被看成是终极不可再分的粒子，在人们的头脑里不再是原先的概念。鉴于在原子内部还有带负电的电子，于是人们起初把电子想象成围绕着密集的原子核旋转的微观行星。而原子核同样让人吃惊，竟由具有质量与正电荷的质子与只有质量没有电荷的中子紧密结合而成。随之又有其他（甚至更小）的粒子被发现。到1945年，已经很清楚，不仅原子是由更小的粒子组成，而且毫无疑问它还能够被分裂。

    空间和时间的新概念动摇了物理学的基本原理，正是牛顿在17世纪的科学革命期间牢固地建立了这些原理。一种被称为量子理论的“不可理喻”的新思想，使原先的逻辑不再有效，可是它却奠定了今天我们身边的几乎每一个重大技术成果的基础——从电子手表、电视机到计算机、手机、数码相机以及其他各种数码设备。

    从伦琴发现X射线以来，两块巨石开始松动。一块引发关于原子的崭新概念，另一块则导致发现了某些元素奇怪的不稳定性，正是这一特性最终使我们得以问鼎核能。然而，但就在伦琴发现X射线的时候，原子“核”的概念甚至还不存在。

    原子的概念可以追溯到公元前5世纪，当时希腊哲学家留基伯和他的学生德谟克利特说过，所有物质都是由不可分的微小粒子组成（atom这个英文字就是来自希腊字atomos，意思就是“不可切的”或“不可分的”）。根据定义，原子就是物质可能组成的最小粒子（有一幅图描绘了留基伯的原子，看起来就像极小的“台球”）。并不是每个人都喜欢这一概念，事实上，柏拉图和亚里士多德，就一点也不赞成这一概念。结果，除了少数几位后来皈依的原子论者（包括牛顿），这一概念沉寂了很多年，直到道尔顿在19世纪初期提出“原子理论”才得以复兴。道尔顿认为，所有物质都是由原子组成的——这时其他科学家才开始对这一概念产生兴趣，因为道尔顿能够为原子提供定量的科学证据。他还证明这一理论与物质守恒定律（伽利略最先提出的）及道尔顿自己提出的定比定律是一致的。到了伦琴的时代，原子已经作为自然界中不可分的最小粒子被人们接受——但是每个人依然把它想象成是某种极端微小的“台球”。

    新射线

    伦琴推迟了7周才宣布他那激动人心的发现，他需要做到确实可靠。几年后，有人问他，他是经过怎样的设想才得到这一发现的，回答极为简洁：“我没有设想过，我只是实验”。当他于1895年12月28日宣布新射线时，他手中已有各种相关的详细资料，其中包括X射线不仅可以穿透不透明物质，还能够使某种气体带电荷，且不受磁场和电场的影响。世界被他的发现所震惊，物理学家则对他的发现大感困惑。

    人们立刻看出X射线用于医学诊断的潜力（遗憾的是，许多年后才发现X射线也有危险性）。X射线可以轻易穿透软体组织，却不易穿透骨骼组织以及其他更为密集的物质。所以，如果把照相底片放在病人的后背，成像中就可见黑色的背景中有白色阴影，这就是骨头。白色的背景上出现灰色，这就是牙齿上的蛀斑。金属物体也有明显的呈现，在伦琴的消息传到美国之后的第四天，X射线就被用于确定病人腿上枪弹的位置。三个月后，美国缅因州达特茅斯有一个名叫麦克卡塞（EddieMcCarthy）的受伤男孩，成为历史上第一个用此新方法查看断骨，并做正骨手术的病人。

    伦琴的发现致使群情振奋，但有些反应显然过度。在美国的新泽西州，立法者担心X射线意味着个人隐私的终结（他们特别关心的是年轻女子的端庄），并且建议立法禁止在歌剧院使用X射线眼镜。当然，这是不必要的担心。

    但是对科学家来说，伦琴的X射线（起初叫做伦琴射线）将成为生物学研究中最为有用的工具之一，它的发现还标志着物理学第二次科学革命的开始。由于这一发现，伦琴在1901年成了第一位荣获诺贝尔物理学奖的人。

    与此同时，在巴黎，一位名叫贝克勒尔（Henri Becquerel，1852—1908）的物理学家开始迷上了X射线。

    铀的奇异天性

    贝克勒尔在1896年1月20日获悉伦琴发现X射线。2月他开始做实验。贝克勒尔家里好几代人都是物理学家，他的祖父和他的父亲都曾涉猎过荧光现象，有些物质具有这样的特性：先是吸收辐射，然后发光。由于伦琴是从X射线引起的荧光发现X射线的，所以贝克勒尔猜想，逆向的过程是否也能成立。亦即，荧光物质是不是也会发出X射线或者阴极射线？（阴极射线是从阴极或者电解池、电池的负极表面射出的电子流。）

    于是他以铀盐作为实验对象，他知道经太阳光照射后，铀盐会发出荧光。1896年2月，贝克勒尔把一块会发荧光的铀盐用黑纸包住，放置在照相底片上，然后用阳光照射。他的想法是这样的：如果荧光辐射X射线，这些射线就会穿透黑纸使底片曝光。除此之外，他所知道的各种光，包括紫外光，都不可能穿过黑纸到达底片。

    当贝克勒尔洗出照相底片时，它确实呈现出灰雾，如同曝光过一样。贝克勒尔想，荧光果然会产生X射线！

    当然，一次实验并不足以证明科学上的一个论点，贝克勒尔计划再做一些实验来证明他的假说。但是巴黎多云的冬天妨碍了他的计划。于是他把铀盐搁在没有曝光的照相底片上，放入黑暗的实验室抽屉里，等待天晴的日子。最后，他实在等得不耐烦了，就在3月1日那天，他把底片拿去显影。他想，原先曝光产生的荧光可能还会残留在晶体上。也许底片会显示一点轻微的灰雾。出乎意料的是，底片显示的并不是轻微的灰雾，而是强烈的阴影。太阳光不可能穿透漆黑的抽屉和严实的包装，早先曝光所残留的荧光也不会产生这种效应。就这样贝克勒尔发现了另外一种新辐射，也是以前没有人知道的！

    他大为兴奋，开始研究这一新辐射，发现它有好几种特性是和X射线相同的。它可以穿过不透明的物质，可以使空气电离（使空气带电），可以被一种物质以恒定的流量向所有方向辐射。在伦琴发现的激励下，贝克勒尔作出了另一种同样令人激动的发现，这一发现将在未来的许多年里产生一连串富有成果的研究。

    居里一家的追求

    1891年，当25岁的玛丽·斯可罗多夫斯卡（Marie Sklodowska，1867—1934）从她的故乡波兰华沙来到巴黎时，她做梦也没有想到她的智慧和无与伦比的抉择将把她带到何等的巅峰——她不仅成了第一位荣获诺贝尔物理学奖的妇女，而且罕见地两次获得了诺贝尔奖，一个是物理学奖，另一个是化学奖。她也不可能料到，她还会找到她的另一半皮埃尔·居里，他在各个方面都和玛丽完全相配：一位出色的同行科学家，和她一样追求知识和成就，他以同样的热忱和她并肩劳作，常常当她的助手。她从来也没有想到——实际上她永远也不可能知道——她开创了两代同获诺贝尔奖的先例。她的女儿伊伦·约里奥·居里（Irene Joliot-Curie，1897—1956）和女婿弗雷德里克·约里奥·居里（Frederic Joliot-Curie，1900—1958），在玛丽逝世后的1935年也获得了诺贝尔奖。

    居里一家但是在玛丽1891年抵达巴黎时，她确实知道她终于获得了梦寐以求的机会：进入索邦学院，这是巴黎大学享有盛誉的文科学院。

    19世纪90年代在俄国的统治下，波兰人民的生活备受压抑，人们难以享受到高等教育。玛丽已经帮助一个弟弟和一个妹妹出国，在法国的著名大学受更好的教育。现在该轮到她本人了。然而，她不得不靠微薄的配给度日——有一次竟由于饥饿昏倒在课堂上。尽管如此，玛丽还是以全班领先的成绩毕业。

    1894年，她遇见了皮埃尔·居里，这位法国著名物理学家由于在压电效应领域的工作而享有名气。两人于1895年7月25日结婚，就通过市政当局登记成婚。随后两人骑自行车到法国南部去度蜜月，在当时和以后的生活中，他们总是这样节俭。

    同年年底，伦琴宣布发现X射线，几个月后，贝克勒尔的发现又传遍巴黎和全世界的物理学界。在英国，卡文迪什实验室的约翰·汤姆孙得知这一消息后马上采取行动，轻易地说服了他的一个年轻学生，来自新西兰的24岁的卢瑟福，要他把注意力转向X射线。

    “我的宏伟目标是领先发现物质理论，”卢瑟福在给家人的信中这样写道：“几乎欧洲的每位教授都在跃跃欲试。”就在前不久，贝克勒尔发现辐射之前，情况也是这样。问题是：这些无法解释的辐射是怎样产生的？它们又有什么样的成分？

    玛丽·居里一头扎进这一激动人心的新领域。她很快发现——几乎与此同时，贝克勒尔和卢瑟福也发现——铀发射出来的辐射有不止一种类型的成分。一部分射线在磁场中会向一方偏折，其他的向另一方向偏折。有些带正电，有些带负电。卢瑟福把带正电的射线称为α射线，带负电的称为β射线（或者叫做α粒子和β粒子）。没有人知道这些射线或粒子是由什么组成的，但是1898年，玛丽·居里给这些辐射起了一个名字——放射性——这就是这个名字的由来。1900年，维拉德（Paul Ulrich Villard，1860—1934）在放射性辐射中又发现了第三种辐射，具有不寻常的穿透力——在磁场中一点也不偏折——他称之为γ射线。（用希腊字母命名这些射线仅仅是表示它们的特性尚不清楚，就像X射线的X那样）

    与此同时，玛丽·居里运用她丈夫皮埃尔的发现测量放射性。放射性射线和X射线一样，当它穿过任何一种气体（包括空气）时就会引起电离，使这一气体能够导电。她用电流计测量这一电流，用晶体加压后产生的电压抵消它。然后测量平衡电流所需的电压，从而获得了放射性强度的读数。她逐个测验各种放射性盐，发现放射性强度与放射性物质的含铀量成正比——这样就将样品中的放射性来源定位于铀身上。1898年她又发现钍也具有放射性。

    更有趣的是，当玛丽·居里从沥青铀矿中分离出铀时，她发现，相比于纯铀，从沉淀物中测量出的放射性反而要强得多。由于矿石中其他成分不具放射性，这意味着只有一种可能：某种其他的放射性元素，其数量虽然少到难以检测，但一定在场！

    玛丽·居里此时玛丽的工作已显示出巨大的潜力，于是，她的丈夫皮埃尔决定共同参与，帮助她从事这份艰辛而又乏味的工作：从矿石中提炼元素。尽管他本人已是一名功成名就的科学家，但他还是把自己的工作放在一边，在接下来的7年里帮助她，因为他认识到她作为科学家的非凡天赋和她从事的工作的重要性。（1906年，他在大街上被马车压死，年方47岁。就在两年前他刚刚接到任命，担任索邦神学院物理学教授。后来玛丽被指定接替他的职位，成了第一位在索邦神学院教授物理学的妇女。）

    1898年7月，居里夫妇取得了成功。他们两人一起工作，从铀矿中提炼出了微量的粉末。这是一种新元素，以前从未检测到过，其放射性强度比铀高出数百倍。他们把这一新元素称为钋，以纪念玛丽的祖国。

    但是还有让人捉摸不透的现象。矿石继续放出比铀和钋合在一起还要强的放射性。一定还有什么东西。1898年12月，他们找到了答案：这是另一种更强的放射性元素，他们称之为镭。

    但镭实际上如同一个幽灵。居里夫妇不能对这一新元素提供良好的描述，因为从矿石中能够提炼的量实在是太微弱了。他们可以测量其辐射，元素线光谱专家德玛尔塞（Eugene Demarcay，1852—1904）提供了光谱特征（不同的元素给出不同的电磁辐射或光的波长，这些波长以分立的谱线被观察到）。但也就是这些。

    因此他们下一个目标就是得到足以进行测量和检验的镭的数量。皮埃尔和玛丽把他们的生活积蓄用于购买矿山附近废弃的大量矿石，开始这一不朽的工作。在以后的4年中，玛丽的体重掉了15磅，他们把矿石提纯了又提纯，以获取小量的镭。8吨沥青铀矿才能产生1克镭盐。

    玛丽·居里在1903年写了这一课题的博士论文，为此，她和皮埃尔，以及贝克勒尔分享了这一年的诺贝尔物理学奖。8年后，皮埃尔已经去世，她由于发现两种新元素获得了另一项诺贝尔奖，这一次是化学奖。

    奇异的电子

    与此同时，正当居里夫妇在为提炼以前不为人知的镭元素而辛勤工作时，在英国剑桥的约翰·汤姆孙也对伦琴的X射线产生了浓厚兴趣。

    汤姆孙才华出众，14岁就进入了曼彻斯特大学。他本来计划学习工程，但是因为家里不能提供进一步深造的费用，他只好放弃这一计划。后来他成了一位物理学家——对于现代物理学的发展来说这实在是一件幸运的事情。1876年，他获得了到剑桥大学学习的奖学金，从此他的家就安在了剑桥。7年后，他成了物理学教授，1884年担任卡文迪什实验室主任，正是在这里，他激励了整整一代年轻科学家的心灵，直到1919年退休。由于他的影响，卡文迪什实验室成了以后30年原子研究的主要基地。

    汤姆孙最初的兴趣是麦克斯韦的电磁场理论，后来他被阴极射线迷住了，就像伦琴当初被它迷住那样，因为阴极射线似乎在本质上不同于电磁现象。其他人已经证明，阴极射线可以被磁场偏折，或者偏向一边。他们说，这证明阴极射线是由带负电的粒子组成的。但没有人能够证明阴极射线能够被电场偏折——如果阴极射线是带电粒子的话，它应该被电场偏折。

    汤姆孙在1896年接受了挑战。他用阴极射线管做实验，在引进电场后成功地使射线偏折。他测量了偏折和速度，用不同的阴极材料作测试：铝、铜、锡、铂，还把不同的气体，如空气、氢和二氧化碳，引入射线管里试验。所有的数据都完全相同。他意识到，如果阴极射线是带电原子，就像某些研究者想到的那样，数据就会不同——不同的数据反映出原子的不同质量。

    1897年，他满意地离析出了所谓的“负微粒”，他相信这就是物质的组成部分，是比原子小得多的基本粒子。汤姆孙发现了原子是可分的！“我们在阴极射线里发现了一种新的物质状态，”他声称，“在这种状态里，物质的亚结构（subdivision）处于一种比通常气体状态下更为松散的状态”。这一“物质的亚结构，”他说，是“构成化学元素所需的物质”的组成部分。他从爱尔兰物理学家斯坦尼（George Johnstone Stoney，1826—1911）那里借用了“电子”（electron）一词。1891年，斯坦尼创造了“电子”这个词汇，用来表示原子成为离子（带电粒子）所失去的单位电量。

    对于物理学界和化学界来说，这是一个令人震惊的消息。科学家第一次猜测，原子还有内部构造——原子是自然的最基本成分这一认识受到了威胁。长期以来，人们明确认定氢是所有原子中最轻的，现在有一种粒子竟比氢还轻2000倍。唯一可能的解释就是这一带负电的新粒子是亚原子粒子——是比当时所知“最基本单元”还更基本的结构单元。这是唯一可能的解释，但是按照旧原子理论的每一条原则，这都是不可能的。就像一位科学史家所说：“原子解体为亚原子粒子已经开始”。这也许会是一条很长的路，甚至今天我们也还没有走到尽头。

    与此同时，1899年贝克勒尔在法国注意到，他发现的放射性辐射可以被磁场偏折。由此推断，他研究的射线至少有一部分也是微小的带电粒子。到了1900年，他得出结论，认为放射性辐射中的带负电粒子和汤姆孙在阴极射线中发现的电子是等同的。

    到了1901年，贝克勒尔还意识到，他一直在研究的盐中的铀成分正是玛丽·居里称之为放射性的辐射源。他的结论是电子只能来自铀原子本身。

    所有这些对于原子的定义有什么影响呢？显然，它们不再是像道尔顿所设想的那样，是光滑不具特征的微小“台球”，并且它们显然不是不可分的。

    葡萄干布丁

    汤姆孙立即看出新原子的某些模型是恰当的。电子具有负电荷，但是物质不显电性，所以原子一定具有某种带正电的内部结构来抵消电子的负电荷。1898年，汤姆孙提出后来叫做“葡萄干布丁”（即嵌葡萄干的蛋糕）的原子模型：带负电的电子嵌在均匀的带正电的物质球中。

    汤姆孙笨拙的动手能力有时会招来后人对他的过低评价。（他的儿子乔治就曾说过，“尽管他能以不可思议的精确诊断仪器的毛病，可是却不会操作这台仪器”。）但是，汤姆孙却留下了伟大的遗产。他为原子物理学开辟了道路，由于对电子的研究，他荣获1906年诺贝尔物理学奖。他有7位研究生后来也赢得了诺贝尔奖，包括他的儿子乔治，乔治后来证明了电子的波动性。从1906年到1919年，汤姆孙五六十岁时，他获得了剑桥“伟大人物”的名誉。但是，正如他的一个学生后来所形容的，“他一点也没有变老”，“仍然那么年轻”，而且对人友善——只是不认真刮胡子。这个学生就是汤姆孙的第一个，也许也是最有名的研究生，一位双手粗大、满脸胡须、活力充沛的年轻人：卢瑟福。

    来自新西兰的鳄鱼

    当卢瑟福靠奖学金从他的故乡新西兰来到卡文迪什实验室时，年方24岁，黑头发，大高个，有坚强的信念、宏大的雄心，可就是没有钱。竞争是激烈的，他在给母亲的信中写道：“在这人才济济的地方，要脱颖而出可不那么容易。”但是卢瑟福绝不会知难而退，何况是小小的竞争。在后来的年代里，他的学生给他起了一个绰号“鳄鱼”，就像一位学生解释的那样，这是因为“鳄鱼不会转脑袋……它只能鼓足勇气前进”。他乐于向自然发问，并且永不疲倦地上下求索。就像他的同事玻尔曾经说过的那样，他的伟大成功来自“他的那种直觉，因此，他的提问总有可能得到最有用的答案”。

    物理学家西格雷（Emilio Segrè，1905—1989）曾经这样描述卢瑟福，说他是这样一个人，“提出一个又一个假说，根据需要抛弃或者修改假说，竭尽全力做每件事情。他所有时间都在工作，连他的朋友和同事都很难知道他的科学思想，哪怕很小的一部分”。

    作为一位完美的实验家，卢瑟福一般不倚赖理论家。他说道：“他们用符号玩游戏，但是我们（实验家）必须揭示自然的真面目。”他在设计实验方面有独特的才能，并且具有高超的能力，能从大量杂乱的细节中挑选出有意义的事实。正如一位同事评价他说：“可以说，就算是远处发生的动静，卢瑟福也能在第一时间加以识别。”

    1898年，卢瑟福接受任命，到加拿大魁北克的蒙特利尔，担任麦克吉尔大学的物理学教授，在那里，从1902年开始，他和助手开始用α粒子做实验，希望得到更多的信息。1908—1909年卢瑟福回到英国，加入曼彻斯特大学，那里一位年轻的德国物理学家，名叫盖革（Hans Geiger，1882—1945）参加了他的小组。他们两人一起用α粒子轰击金箔薄片。大多数α粒子直接穿过了金箔，这正是实验家根据汤姆孙的原子模型所期望的结果。但是也有少数α粒子打到金箔，却发生了散射现象，以某一角度，常常是90度角甚至更大。这使卢瑟福大为吃惊，他说道：“这就好比你向一片薄纸打出一颗15英寸的炮弹，却反回来击中了你一样。”

    1911年初，卢瑟福兴高采烈地向盖革宣布：“我知道原子是怎么回事了！”根据实验结果，卢瑟福提出了关于原子的新思想：如果所有带正电的粒子不是如汤姆孙所设想的那样，像流体一样分布于整个原子，而是集中在中心一个小区域内，或者称之为“核”，情况会怎样呢？原子的大多数质量也许集中于核内，相等数量的带负电的电子，就在核外某些地方处于运动之中。这是一个引人注目的思想——类似于微型太阳系，正好对应于我们所居住的更大的太阳系。

    卢瑟福因提出原子核这一设想，从而赢得了“原子物理学中的牛顿”之称号。这一模型似乎能解决葡萄干蛋糕原子模型存在的所有问题，不过它自身也面临一些问题。要构建更为精确的原子结构模型，需要运用奇异的，被称为“量子”的概念，这一概念是沉默寡言的德国科学家普朗克提出的。像伦琴的X射线一样，这一概念也许会颠覆整个物理学体系，它不仅牵涉原子概念，而且还涉及我们对世界机制的理解。

    但是首先，让我们来个180度的大转弯，从微观世界跨越到宏观世界，如同爱因斯坦那样来考察宇宙。

    新宇宙（一）：爱因斯坦和相对论

    和新原子物理学一样激动人心的是，由于我们对时间、空间和宇宙的本性有了更为细致的认识，物理学的世界正在不断向更宽广、更深远的方向发展。第二次科学革命的这一领域是由于爱因斯坦的伟大工作，他是一位卓越和富有创造力的理论家和唯一堪与牛顿相媲美的思想家。但是要讲清楚这一内容，我们需要回到麦克斯韦以及他对光的见解。

    麦克斯韦引进了革命性的方程组，从而验证了电磁场的存在，并且确定了磁、电和光都是同一领域——电磁领域的一部分。他坚持说，光是一种波，而不是粒子，他认为光是通过所谓的“以太”（ether），一种看不见的媒质传播的。根据他的理论，这种媒质充满所有空间。但是一些物理学家开始看出了这里面的问题——问题不是出在麦克斯韦的电磁场方程，而是有关以太的思想上。

    以太问题

    麦克斯韦并不是第一位想到，有某种看不见的叫做以太的媒质必定充满茫茫太空，“从星星到星星连续不断”。这种思想可以追溯到古希腊时代。麦克斯韦在1873年的一次演讲中说道：“毋庸置疑，行星间和恒星间的太空不是一片虚无，而是被一种物体或实体占据，它肯定是我们所知的物体中最大的，也许是最均匀的。”

    以太的思想看来是必需的，因为，如果光是一种波，就意味着它必须在某种媒质中才能传播。但是，仅仅靠“意味着”，并不是好的科学方法——如果以太存在，应该能够找到证据来证明它的存在。

    美国物理学家迈克耳孙想到了一个办法。如果充满宇宙的以太是静止的，那么地球在以太中运动时，在地球上看来，以太就像“风”一样，迎面吹来。因此，顺着以太风一起运动的光束会被以太风带着走，而逆着以太风的光束应该走得更慢。迈克耳孙1881年在德国随亥姆霍兹一起研究时，建造了一种叫做干涉仪的仪器，可以把光束一分为二，它们相互垂直运行，随后又重新汇合，通过这一方式，就有可能以极高的精确度测量光线在顺着以太风和逆着以太风时的差异。

    迈克耳孙完成了这一实验，但结果却让他困惑——一光束分成两半后的速率并没有差别。他的结论是：“静止以太假说的结果被证明是不正确的，由此得出的必然结论是，这一假说是错的。”

    但是，也许他的结果是错的。于是，在1887年，他和莫雷一起，在美国俄亥俄州的克利夫兰做了一个试验。他们运用改进后的设备，针对每一个可以想象的环节都采取了措施以避免误差。应该说，这一回肯定能够成功地检测到以太了吧。可是，实验再次以失败告终。

    结果，迈克耳孙一莫雷实验成为科学史上最有名的失败实验。他们的出发点是研究以太，可结论却是以太并不存在。但如果这是对的，光怎么可能在缺乏媒介的情况下以“波”的形式传播呢？实验还表明，光的速度是常数。

    这是一个完全出乎预料的结论。但实验极为谨慎，结论不容反驳。当时物理学界元老之一的开尔文勋爵在1900年皇家学会的演讲中讲到，迈克耳孙和莫雷实验“以高度的细致严谨从而确保结果的值得信赖”，却是“针对光的机制投下了一朵乌云”。

    这一结论使各地的物理学家感到困惑。以太存在的想法是错的——但是，如果真是这样，那么，光作为一种波，没有供其运行的媒质它又怎么能够传播呢？

    再有，迈克耳孙一莫雷的结果看来使得牛顿的相对性原理也成了问题，这一原理已有200年之久，且已得到满意的验证：物体的速度可以不同，这取决于观察者的参照系。假如有两辆车沿高速公路行驶（1887年没有很多的车或高速公路，但你可以借用这一概念），一辆车每小时55千米，另一辆车每小时54千米。在慢车司机看来，快车的速率只不过是每小时1千米。但为什么光速却不是这样？

    迈克耳孙-莫雷实验恰恰证明：光速总是常数——不管以什么作为参照系。如果宇航员的太空船正以每秒299 000千米的速率航行，旁边有一束光（光速为每秒300 000千米），他看到的光不会是每秒1 000千米，而是恒定的每秒300 000千米。光速是一个普适的绝对值（当然，没有任何太空船能够接近这一速率）。

    迈克耳孙和莫雷揭示了科学作家所谓的“自然界深奥之谜”。然而，不出5年，有史以来最伟大的科学家之一，正是抓住光速不变的思想，开始用他的狭义相对论理出了头绪。

    且慢，还有另一场革命也正在酝酿之中。

    量子奥秘

    普朗克不像是那种发动革命的人。他是一位瘦高个子，安静而又不失威严——有人说他“乏味和书生气十足”——不管是在物理学还是在生活中，他都忠于传统和权威。

    普朗克1858年出生在德国的基尔，后来随家迁到慕尼黑。父亲是一位民法教授。他不是一个早慧的孩子，9岁开始受教育。他的童年生活乏善可陈，大学生活也差不多。但他在柏林大学学习物理学时，授课老师中有这样一些受人尊敬的德国科学家：亥姆霍兹、克劳修斯、基尔霍夫。他应付学业完全没有问题，但也看不出有什么特长。他做博士论文选的是热力学，因为他赞赏克劳修斯在这个领域里的工作，但是他的论文反响平平。所有迹象表明，他追求的就是一种波澜不惊的生涯。即使在1889年担任了柏林大学教授职务之后，他依然循规蹈矩。确实，他选择热力学作为自己的专业看来很难有重大突破。实际上，当他最初步入科学生涯时，他的教授中有一位就警告过他不要从事物理学，因为这个领域已经到头了，所有伟大的工作已经完成，给新物理学家留下的，只不过是清理少数次要细节的烦琐事务而已。

    非常巧合，在热力学领域的“次要细节”里有一项是所谓的“紫外灾难”，这个名称如此醒目，足以引起人们关注。它源于黑体辐射现象所引出的问题。

    物理学意义上的黑体，就是能够吸收所有频率的光而决不出现丝毫的反射现象。理论上，由于黑体吸收所有的频率，当它被加热时也应该辐射所有的频率。问题就在这里。物理学家预料高端的频率数应比低端的频率数要大得多——因为高频率具有更短的波长，因而可以更多地充斥于黑体中。所以，黑体辐射问题就是，如果一个物体同等地辐射所有频率，高频范围内的辐射数将大大超过低频范围内的辐射数。这样一来，几乎所有的辐射都应当属于高频，也就是说，处于光谱的紫外端。

    但情况却不是如此。在19世纪90年代没有人能够用物理理论解释为什么会是这样，尽管肯定有个别人做过这样的尝试。

    正如物理学家西格雷1980年在他的《从X射线到夸克》（From X-Rays to Quarks）一书中所写的：“普朗克对基本而普遍的问题之钟情，驱使他研究黑体问题，这个问题与原子模型或者其他特定假设没有牵连。他钟情于绝对，黑体就是这样的问题。”

    普朗克也许一直都是保守人士，也许还很古板，但是他追求精益求精，即使他从不奢望做大事情。他小时放弃学习钢琴，是因为他认为他不能成为大钢琴家，只能成为好钢琴家。黑体问题对他有吸引力，是因为他有把握——零件都在那里，哪怕它们散乱如麻。他所要做的就是把它们放在桌面上，进行归类、按正确的方法使它们井然有序。没有人做过这件事，但是他肯定自己能胜任——于是这一份小小的荣誉也许非他莫属。

    他用了6年多时间终于找到答案，这个答案的发现，使物理学再也不同于从前。因为，在平静地解决黑体辐射之谜后，普朗克发现了一条关键的原则，一旦其他科学家验证了这一原则，我们对世界的认识就永远地改变了。

    正如一位科学史家说的：“普朗克好比是这样一个人，在火尚未发现之前，他要找到最好的方式来钻孔，经年累月，甚至数十年，在他能找到的各种材料上，以各种能够想象的方式钻孔。就在这一过程中，偶然地发现了火。”

    1900年，普朗克在直觉的基础上建立了一个简单方程，可以精确描述整个频率带的辐射分布。他的基本假定是这样的：如果能量不是无限可分，情况会怎样？如果能量也像物质一样，可以以粒子或者波包的形式存在，或者就存在于他所谓的“量子”里（quantum，这个词原来是拉丁文，意思是“有多少”）。

    普朗克还发现，这些量子的大小与辐射频率成正比。因此，低频的辐射很容易发生——它只需要小的能量波包或者能量子。但是，要达到两倍高的频率，辐射也许就需要两倍的能量。

    换句话说，根据普朗克的思想，能量只能以整量子的形式发射，物体在低频下辐射比较容易——不需要太多能量就能组成一个能量子。但是在高频下，要把相当于一个量子的能量集中于一起并不那么容易。在光谱高频端辐射所需的能量子是如此之大以致它极不容易发生。所以，黑体并不等同地辐射所有的频率——这就是所谓“紫外灾难”的关键所在。

    只有当温度升高，高频辐射所需要的更大的能量子才比较容易形成——因此，这些频率下的辐射变得更容易了。这就是为什么一个较低发热体（如人体）只在红外光谱区域内辐射的原因。铁棒加热到相对高的温度就能发出红光，但是当它加热到更高温度时，它的颜色就会发生变化，先是橙色，然后是黄色，最后是蓝色。

    辐射频率与能量子大小之比是一个常数h，称为普朗克常数——现在公认为是宇宙基本常数之一。

    普朗克解决了黑体之谜，但是一旦解决方案在他面前展示其全部含义时，对于他所看到的这一最终图景，他却高兴不起来。他不希望看到经典物理学遭受破坏，可量子理论做的就是这件事。还有，他知道，由他所开始的事情不可能再停止下来。理论的力量是如此之大，即使它的含义使他不安。“我们必须和量子理论相处，”他在作结论时讲道：“相信我，它还会蔓延……它将深入所有的领域。”

    不过，普朗克并不是全面推广量子理论的人。

    在他的余生中，他以发现量子而著称，但他却一直致力于使得他那令人不安的发现和他所钟爱的经典物理学相协调。这一努力注定要失败。“多年来，我徒然地想要使基本量子与经典理论相协调，为此我呕心沥血”，他在生命接近终结时这样写道。但是他信奉他一贯使用的那种客观、理性方法的明晰性。

    “我的许多同事几乎把这件事看成是一场悲剧，但是我不这样看，因为在这一过程中，我的思想得到了深刻的澄清，它对我来说珍贵无比。现在我可以肯定，作用量子比我原来想的，具有更基本的意义。”

    在第一批认识到量子基本意义的人当中，有他的一位德国同胞，把他的理论用于解决另一个令人困惑的物理学的奥秘上，并以其独立和革命性的思想推进科学，最终和普朗克一样，回到量子的奥秘，并把自己的余生锁定在与量子理论有关的论战中。

    爱因斯坦和光电效应

    如果普朗克以保守性而著称，那么，爱因斯坦就完全以叛逆者的形象出现：他宁可孤军奋战，在思想的最高领域里神游，不屑于一般人的日常事务。爱因斯坦曾经这样解释，他已经在科学中摆脱了“我”和“我们”。他在思考中宁可代之以“它”。作为一位智者和“祖父般的”老人，他在晚年赢得了“圣者”的声望，成为古怪而又可爱的精灵化身。但是在他的年轻时代，以及在他取得最大成就的阶段，他也许表现出粗鲁、不耐烦、任性和自私。就像最伟大的前辈牛顿一样，他对自己的天赋充满信心，走自己的路，给自己提出挑战，对他所谓“受愿望、希望和原始感觉支配的……纯粹个人的链条”，一点也不在意。

    1879年，爱因斯坦出生于德国乌尔姆，这一年，19世纪最伟大的理论物理学家麦克斯韦去世。爱因斯坦性情孤僻，即使在童年和早期学校时代就是如此。作为一个早熟的孩子，生性孤独，有时也感到痛苦。由于厌恶德国学校体制的严格管理和墨守成规，他宁可自学。他后来在一封信中写道：“当我在路特坡尔高级中学念7年级（大约15岁）时，我被班主任叫去，希望我离开学校。让我吃惊的是，我没有做错什么。他仅仅回答：‘只要你在场，就会败坏班级对我的尊敬。’”

    爱因斯坦，所有时代最伟大的物理学家（这一点是可以论证的）。“可以肯定地说，是我自己需要离开学校……主要原因是呆板和机械的教学方法。因为我对文字的记忆力太差，这使我面临极大的困难，而克服这些困难对我来说似乎又没有什么意义。所以，我宁可忍受各种惩罚，也不愿靠死记硬背去学习那些废话。”

    1894年，爱因斯坦的家庭医生根据爱因斯坦的要求，给他开了一个健康证明，证明他需要休息以恢复健康，于是他从学校退了学，那年他才15岁。他有一个计划。他的目的是逃避高中管制，把一年时间用于旅行和自学，然后投考瑞士苏黎世著名的联邦工学院。正如他经常回忆的那样，接下来的一年是他一生中最快乐的时期之一。他在德国和意大利的深山里穿行，研读他的物理书本，在热那亚参观美术画廊和博物馆。但是他的计划失败了。16岁时，他参加联邦工学院的入学考试，却没有通过。

    情况也许是一场灾难，年轻的爱因斯坦陷入痛苦的深渊，就像许多其他落榜生那样，但是他的数学和物理学成绩非常出色，于是获得了一位教授的注意，这位教授鼓励爱因斯坦旁听他的物理课。他还劝告爱因斯坦不要放弃希望，可以申请到实行进步教学法的瑞士州立中学学习。

    爱因斯坦在瑞士州立中学里，自由成长，不受管制，很快获得了文凭，他再次申请进入联邦工学院。1896年秋天，虽然没有达到入学年龄，但还是被录取了。

    4年后的1900年，他从联邦工学院获得了学位。但这些年并不是快乐的年份。他热爱瑞士，爱得很深，以至于1901年加入了瑞士籍，但他并不是快乐的学生。即便苏黎世联邦工学院相对自由的空气对他的气质来说，还是太受限制了。关于他在学院的那段时期，他后来在《自述》中写道：“无论是否喜欢，为了应付考试，一个人都必须把所有材料填进自己的脑袋。对我来说，这种强迫造成了何等的压抑效应。我发现，在我通过毕业考试后的整整一年里，思考任何科学问题都使我大倒胃口。”

    毕业后情况并没有任何好转。他在大学里没有交上很多朋友，也没有建立许多联系，他的高傲的确疏远了一些教授（他们也许可以帮助他获得大学职位）。他的经济状况不太稳定，眼下又找不到工作。整整一年他过的是毫无保障的生活，只能应聘一些临时性工作，当家庭教师或偶尔担任代课教师。在经历了不堪回首的大学岁月之后，他对科学的热爱又缓慢恢复过来，于是他重拾学业，开始做博士论文研究。

    最后，他交上了一点好运，正如发生在他身上的许多事情一样，这一好运出乎意料。他的一位同学，知道他需要工作，于是就对自己的父亲提起爱因斯坦。这位同学的父亲把爱因斯坦推荐给朋友海勒（Friedrich Haller），伯尔尼瑞士专利局的负责人。正好这时有一职位空缺，于是爱因斯坦得到了面试机会。对于爱因斯坦这样的人，这一工作是轻松的，它的任务就是在新的专利申请书送交上级官员之前，先对它们进行审查，评判其科学性或技术上的可行性。爱因斯坦的面试顺利通过，但这份工作属于行政事务，根据法律，这个职位要登广告。爱因斯坦被告知，在其他申请被筛选后会得到通知。最后的决定要经过几个月。这是一个艰难的等待，但是爱因斯坦却把这段时间用于准备一篇关于热力学的论文，这篇论文他交给联邦工学院，作为博士论文的一部分。

    但该文最终被拒绝作为博士论文（尽管后来还是出版了），他作为科学家的生涯看来依然不见指望。正好这时，专利局通知他已被录用。

    1902年6月，他来到瑞士专利局工作。这里与学术界相去甚远，但爱因斯坦却认为这一工作相当完美。叛逆者找到了一个临时的家。他终于可以摆脱那令人痛恨的僵化思维模式以及严格的学院管理体制的束缚，并且有许多空余时间留给自己。工作本身富有趣味，轻松，有时也很吸引人。尤其是当办公桌上铺满各种别出心裁、近乎狂想的科学发明时。他那出色的科学洞察力足以判断其中的对与错。他乐于向上级提供更理智、更原创的概念。但是，更重要的是剩下许多时间可用于思考：往往一天的工作上午几个小时就完成了，留下的其余时间可以自由地思考和设计自己的科学概念，幸运的是，做这些事情不需要实验室，只需要一支削尖的铅笔、一叠纸和他那独特的头脑。

    到了1905年，他已经写成了不少于五篇的论文，所有这些论文都发表在当年的《德国物理学年鉴》（German Yearbook of Physics）上，其中有三篇特别重要。这一年他获得了博士学位。

    其中一篇论文解释了被称为“光电效应”的神秘现象，人们关注此现象已有好几年：某些金属在光的照射下会发射出电子。一直没有人能够对这种现象作出解释，尽管1902年物理学家伦纳（Philipp vor Lenard，1862—1947）发现，在光强与发射的电子能量之间没有关系。更亮的光似乎应该引起更多的电子发射，但事实上，它们激发出的电子不会比弱光所激发出的电子具有更高的能量。经典物理学对此无法提供解释。

    这就是爱因斯坦的切入点，他搬出了普朗克的量子理论，这一理论已被尘封好几年，遭遇冷落。普朗克曾经指出，光以独特的“波包”形式辐射，爱因斯坦则加上：光也以“波包”形式传播。爱因斯坦指出，根据量子理论，一个特定的波长由具有固定能量的量子组成。当一个能量子轰击金属的一个原子时，原子释放出一个具有固定能量的电子，再没有别的。更亮的光含有更多的量子，但每个量子携带的能量不变，它会引起更多电子的辐射，但这些电子所携带的能量并不更多。光的波长越短（频率越高），量子所携带的能量越高，则激发的电子也具有更高能量。非常长的波长（更低的频率）是由能量更低的量子组成，在某些情况下因其能量太小而不足以引起电子释放。这一阈值与不同的金属有关。

    这就是普朗克理论自用于解释黑体现象以来的第一次应用——它再次成功地对经典物理学不能解释的物理现象作出了解释。由于这一工作，爱因斯坦获得了1921年诺贝尔物理学奖。这是建立量子力学重要的第一步，亦即意识到所有物质具有间断和分离性，尤其是在非常小的尺度上，这一特性尤为显著。

    在经典物理学中，能量和物质就像是沿着一面光滑的斜坡运动；而在量子力学中，能量和物质就像是沿楼梯运动。根据量子理论，一个物体只有吸收或辐射足够的能量，以便在另一个允许的能级上存在时，才能增高或降低能级。在量子跃迁中，物质与能量仅存在于一层与另一层“楼梯”之间，不能存在于允许的能级之外。

    只要不涉及非常小或非常大与非常快的物体，经典力学总显得是正确的。普朗克的量子理论则有助于在原子以及更小的粒子的微小尺度上解释事物的机理。

    然而，爱因斯坦正是由于关注非常大且非常快（即光速）的领域而闻名于世。但我们还是先对他在那一年发表的另一篇著名论文说上几句吧——另一个已经使物理学家烦恼了几十年的问题。

    布朗运动

    1827年的一天，苏格兰植物学家布朗正在用显微镜观察水中悬浮的植物花粉，突然他注意到这些花粉颗粒在做不规则运动。也许这些震荡运动正是这种微小颗粒“生命力”的证据。但是，当布朗又检验水中悬浮的无生命染色颗粒时，结果也观察到了同样的运动：这是一种无规则的运动。然而，他没有对这一运动给出解释，在此后的75年里也没有任何人作出解释。

    20世纪初，爱因斯坦从数学上证明，在水中做常规运动的分子足以推动微小的颗粒摇晃不定。他计算出不同大小分子和运动角度所产生的效应，从而推出一个方程，可用于计算进行撞击的分子及其组成原子的大小。几年后，1908—1909年，佩兰（Jean-BaptistePerrin，1870—1942）做了一系列实验，根据观察证实了原子的存在，并且验证了爱因斯坦的理论工作。这是第一次针对原子的存在，提供了纯粹观察性而不是推理性的证据。

    狭义相对论

    不可思议的是，爱因斯坦并不是因为1905年发表的五篇论文中最重要的那篇而获得诺贝尔奖——这篇论文涉及后来叫做狭义相对论的理论。之所以叫“狭义”，是因为它涉及一个特殊情况，在此爱因斯坦只讨论物体沿直线做匀速运动的情况。你可以回忆一下，迈克耳孙和莫雷测不出光速的任何变化。爱因斯坦在对此实验结果并不知情的情况下，也在思考这一问题，他的论证从这一假设开始，真空中的光速恒为常数。即使光源在运动，即使测量光的观测者也在运动，但都不影响光速。

    爱因斯坦还抛弃了以太概念，而迈克耳孙和莫雷却纠缠于其中。麦克斯韦需要它，因为他认为光以波的形式运动，如果真是这样，就需要有某种媒质光才能传播。但是，如果光像普朗克量子理论所述，是以分立的波包或量子形式传播，情况又是怎样呢？它就会更像粒子，从而不需要任何媒质也能传播。

    依据这些假设——光速是常数，没有以太，光以量子传播和运动是相对的，爱因斯坦就能够证明为什么迈克耳孙和莫雷实验会得到这样的结果，从而排除了对麦克斯韦电磁方程组有效性的质疑。

    因此，在狭义相对论中，爱因斯坦基本上只是对牛顿物理学作了这样的修改：在他的公式里，光的相对速率总是相同的。不管相对于任何参照系，它都不发生变化，即使其他事物互相间有相对变化。质量、空间和时间全都跟着你的运动速度而变化。在旁观者看来，你运动得越快，你的质量也就越大，你占据的空间就越小，时间也过得越慢。你越是接近光速，这些效应就越显著。你如果是一名宇航员，正以光速的90％在运动（光速约为30万千米每秒），你旅行5年后（根据你的日历手表）回到地球，却发现留下的朋友已经过了10年。或者，如果你可以加快发动机，使你以光速的99．99％运动，只旅行了6个月，你会发现，在你离开的这段时间里，地球上已经流逝了50年。

    所以，在相对论看来，说时间是相对的，它并不总是以同样的速率流逝。例如，运动的钟表走得慢些。20世纪60年代，密歇根大学一个科学家小组制备了两套原子钟，精确度达到13个小数位。他们把其中一套安装在飞机上，在世界各地飞行，另一套完全相同的原子钟留在地上。当飞机带着原子钟回到地面时，这些原子钟与地面上的原子钟比较，它们比留在地面上的原子钟的确少滴答了几次。

    相对论还说，物体运动得越快，在静止的观察者看来，它沿运动方向的长度就收缩得越厉害。在同一观察者看来，质量却似乎是增加了。此外，根据相对论，没有任何物体能够达到光的速率（或者，更精确地说，达到所有电磁辐射在真空中的运行速率，电磁辐射包括无线电波、X射线、红外线等等）。光速是最高限值，因为当物体接近光速时，它的质量接近无穷大。

    最让人们吃惊的是，爱因斯坦运用他的著名方程式E=mc2证明了能量和质量正是同一事物的两个方面。在这个方程中，E是能量，m是质量，c2是光速的平方，是一个常数。

    所有这些看来都与常识完全相悖。但常识是根据日常生活经验形成的，如果你进入了非常非常快的世界，就不会觉得相对论真有那么奇怪。

    当然我们大多数都没有这样的经验。但不管它显得多么有悖常理，近一百年来每一次实验检验都证明了爱因斯坦是正确的。

    广义相对论

    令人不可思议的是，爱因斯坦在发表光电效应、布朗运动和狭义相对论的论文之后又过了4年，才在苏黎世大学找到一个教学岗位，尽管薪金很少。但是到1913年，由于普朗克的努力，柏林附近的威廉皇帝学院（Kaiser Wilhelm Institute，简称KWI）为他新设了一个职位。自从1905年发表论文之后，爱因斯坦一直在研究一个更大的理论——广义相对论。狭义相对论仅适合于直线匀速运动。但是，当运动物体加速、减速或者沿螺旋轨道转弯时，情况会怎样呢？更普遍的加速运动更是复杂，而能够解释这种运动的理论必将更为有用。

    现在，爱因斯坦来到了威廉皇帝学院，有机会完成这项工作。1916年，他发表了广义相对论，这一理论具有深远意义，特别是在宇宙尺度上。许多物理学家认为它是有史以来最为精彩的智慧结晶。

    爱丁顿坚定地支持爱因斯坦的相对论。他通过参加1919年的一次远征，观察了日食，从而验证了广义相对论。他还正确地建议，天狼星的伴星β星，是检验广义相对论预言的红移非常适宜的对象。爱因斯坦认为，爱丁顿1923年关于相对论的论文是各种文字表述中写得最好的。广义相对论保留了狭义相对论的原则，与此同时增加了引力这一维度——因为引力是引起加速和减速的力，也是使卫星绕着行星、行星绕着太阳旋转的力。

    爱因斯坦认识到，无法区分引力效应与加速效应之间的差别。于是他放弃了引力是一种力的思想，代之以一种人为设想的方式，即我们观察的物体就是以那种方式在空间和时间里运动。根据爱因斯坦相对论，在三维空间（长、宽、高）之外再加上第四维——时间，共同组成所谓的时空连续体。

    为了说明加速和引力本质上具有相同效应这一思想，爱因斯坦以缆绳断裂、从建筑物顶层下落的电梯为例。电梯下落时，乘客的感觉是“失去了重量”，就好像他们是在宇宙飞船上一样。此时，他们是在做自由下落运动。如果梯内的乘客看不见梯外的任何东西，他们就无法区分这一体验与乘坐飞船在地球轨道上邀游时的体验有什么不同。

    爱因斯坦利用这一等效性，写出了一组方程式，其中引力不再是一种力，而是一种时空的弯曲，就好像每个大物体都置于一块大橡胶的表面。星星之类的大物体在时空里转弯，就像是位于橡胶板上的大球会使橡胶表面凹陷那样。质量引起空间和时间的变形就导致了我们所谓的引力。引力的“力”并不真正是恒星或行星等物体的特性，而是来自空间形状本身。

    事实上，这一弯曲已经得到了实验验证。爱因斯坦在三个领域里作出预言，在这三个领域中，他的广义相对论都与牛顿的引力理论有矛盾：

    1．爱因斯坦广义相对论允许行星轨道的近日点（离太阳最近的点）有位移现象（水星轨道就有这样的位移，该现象曾经使天文学家困惑了多年）。

    2．光在逆着引力离开星体时，会受强引力场的作用产生红移。

    3．光被引力场偏折的量应该比牛顿预言的大得多。

    第一条预言并不特别引人注目，因为列维利尔（Urbain Le Verrier，1811—1877）已经观测到了水星轨道的位移，并且在1845年为了作出解释提出有另一个内行星存在的假设。但是，一直没有人能够找到这颗传说中的行星，爱因斯坦的理论则解释了此现象，从而一举解决了这个奥秘。

    至于强引力场中的红移，很快就得到了证实。美国天文学家亚当斯（Walter SydneyAdams，1876—1956）曾经证明恒星的发光度，或亮度，一般可以通过光谱而测定。1915年，他正在研究天狼星的伴星。从这颗星的光谱可以断定，这颗星虽然很暗，却非常之热。极高的温度应当产生与恒星表面积相关的极为强烈的发光度，现在的情况却是，这颗星极为暗淡，这只能说明天狼星的伴星具有极小的表面积和极大的密度——比普通的物质密得多。按照卢瑟福的思想，原子内大部分是空虚的空间；但是，天文学家的结论却是，这颗星可能是由坍缩的原子所组成，原子中的亚原子粒子紧紧挤在一起了。英国天文学家爱丁顿（ArthurStanley Eddington，1882—1944）建议亚当斯，说这颗白矮星（这类超密天体后来叫这个名字）一定具有特别强的引力场。

    这一可能性使它成为检验爱因斯坦理论第二个预言（红移）现象的合适对象。果然，1925年，亚当斯有机会寻找这一偏移，并正好找到了它。白矮星的吸收光谱与正常光谱相比，确实向红端偏移。在20世纪60年代，更精致的测量仪器使人们有可能测试到太阳发出的光线所产生的更小偏移，结果也确证了爱因斯坦的预言。

    广义相对论诞生于第一次世界大战的中期，所以对于第三个预言，光的引力偏折的验证，一直拖延到战后才得以进行。1919年，伦敦皇家天文学会组织了两个远征队——一个去巴西北部，一个去西非海岸边的普林西比岛——利用一次正好在太阳附近有许多更亮的星星出现时所发生的日食。1919年5月29日，日食发生了，他们在白天的黑空里，对附近的恒星进行了测量。然后把这些测量数据与6个月前的半夜天空对比，当时同样的星星不在太阳附近。引力偏折的效应非常明显，证明爱因斯坦是对的。他立即成为世界上最出名的科学家，他的名字也就变得家喻户晓了。

    与此同时，德国——长期以来都是科学中著名成果的最初发源地之一——对于正在国内工作的众多杰出科学家越来越不友好了，特别是对许多像爱因斯坦那样已被列入纳粹犹太名单的人。20世纪30年代初，开始出现这些预兆：剥夺犹太人公民权，逮捕他们，犹太人财产和犹太教堂被大肆掠夺和破坏。最后在1940年，希特勒政权在奥斯维辛以及其他许多地方建立了死亡集中营，几百万犹太人被监禁拷打，用毒气熏死。20世纪30年代初，开始出现大规模流亡现象，其中包括许多非犹太裔科学家，他们本着自己的做人原则而离开德国，因为不愿意在同事们被迫害的地方工作。1930年，爱因斯坦永远离开了德国。他来到美国加州理工学院演讲，以后再也没有返回德国。他接受新泽西州普林斯顿高等研究所的职位，在那里他成了永久居民，1940年成为美国公民。

    爱因斯坦总是在同事间的思想交流中起催化剂的作用，他一生都活跃在物理学的世界里。但这位叛逆者也发现，正如普朗克所感觉到的那样，物理学的改变之快超过了他愿意接受的程度。地平线上隐隐出现这样的挑战，诸如玻尔的互补性原理和海森伯（WernerKarl Heisenberg，1901—1976）的不确定原理，对此，他一生都在质疑。爱因斯坦也许会喃喃而语：“上帝从不对宇宙玩掷骰子这套把戏”，或者“上帝也许是狡黠的，但没有恶意”。在他生命的最后几十年里，他把大部分时间用于探讨能把引力和电磁现象包容在一起的途径，但没有成功。直到生命最后的日子里，他仍然是一个孤独的提问者，对自然和人性提出各种质问。他总在寻找真理的终极之美。

    新宇宙（二）：量子奇迹

    在20世纪的前30年中，在放射性、量子理论和相对论这样一些令人激动的发现的激励下，涌现出大量新的思想和发现，这在物理学发展史中是绝无仅有的。一大群充满活力的男女科学家，他们雄心勃勃、才华横溢、有备而来、能力超强，集结在欧洲、加拿大和美国的大学里，扬起探索的风帆，直逼原子的内部构造。这些精英中最出色的一位就是后来被称为“高贵的丹麦人”的年轻人。

    玻尔的原子

    玻尔在1903年进入哥本哈根大学时，是一位优秀的足球运动员，尽管球艺不如其弟弟哈那德（Harald，他参加1908年丹麦奥林匹克代表队，这支球队在大赛中荣获亚军）。兄弟俩都很优秀，但是在学生时代，每当有人提起哈那德的数学才能时，他都会如此表白：“我算不上什么，你应去会会我的哥哥。”

    玻尔身材魁梧修长，脸部表情刚毅，头大眉浓。他平易近人，说话充满幽默，善于提炼人们的思想，从而激发相互之间的讨论。1921年，在他的领导下，哥本哈根设立并建成了理论物理研究所，他36岁成为这一研究所的所长，这里就像磁铁一样，从世界各地吸引来了最优秀的年轻学者。

    研究所里玻尔的一位年轻学生弗利胥（Otto Frisch，1904—1979）这样形容他：“他说话柔和，带着丹麦口音，我们往往难以判断他是在说英语还是在说德语——两种语言他都说得很流利，不断在变换。在这里，我似乎感到苏格拉底又复活了，和蔼地向我们提问，把每场争论都提升到更高的水平，从我们中间提炼智慧，而我们并不知道自己具有这种智慧，我们的确也不具有这种智慧。”玻尔作为良师益友是无与伦比的，但所有这一切都与他的后期生涯有关。

    玻尔早年作为研究生曾经到过剑桥，然后在1912年去了曼彻斯特，在曼彻斯特作了4年研究，然后回到哥本哈根担任物理学教授。玻尔也许是曼彻斯特唯一与卢瑟福合得来的理论家。但他们却是奇怪的一对，卢瑟福滔滔不绝、语音急促，玻尔则低声细语，字斟句酌。按照斯诺（Chales Percy．P．Snow，1905—1980）的说法：“如果找不到合适的词……他会踌躇几分钟，反复考虑那个盘踞在他心中的词。”这两种思维方式的对比成为20世纪上半叶标志性的特点，再没有人比他俩更典型地反映这种对立思维的特征了。玻尔爱好沉思，做事全神贯注，整个谈话过程都在思考，往往在谈话中间不经意就抓住一个思想。但是要他违背天性去顺从别人，却做不到。相形之下，卢瑟福具有百折不挠的毅力，不得到结果誓不罢休，但缺少玻尔那种目的明确的思考能力。在解决“物理学的重大问题时”，弗利胥后来回忆说，玻尔“以蜘蛛般的敏捷在空旷处移动，他能准确判断每一条论据细丝所能承担的重量”。

    到曼彻斯特没多久，玻尔即着手改进卢瑟福于1911年提出的原子模型。在卢瑟福的原子中，电子围绕中心的核旋转，它受电的吸引力作用，就像一个微型行星系。但这一模型有一根本性问题。19世纪，法拉第和麦克斯韦证明，一个带电粒子如果偏离直线运动，就会发出辐射。因为辐射会损失能量，如果没有相应的机制补充能量，那么，一个电子，若按卢瑟福设想的那样沿圆形轨道运动，它很快就会沿螺旋状轨道向核靠拢。也就是说，为了满足能量守恒定律，轨道必将坍缩。卢瑟福不能解释的正是为什么原子不会坍缩。然而卢瑟福并不介意这个问题，他不是理论物理学家。而这正是玻尔的切入点。

    玻尔经过长时间的思考，仔细琢磨实验数据，运用计算尺（在计算器和计算机发明之前，人们历来都使用这一计算工具），写下各种方程式。玻尔想，如果把普朗克的量子理论运用到原子模型，事情会怎样呢？19世纪的物理学家已经发现，每种元素加热后都会产生某种特征性光谱。例如，钠只发出特殊波长的光，即黄光，钾发的是紫光，等等。在普朗克理论看来，这就意味着每种元素的原子只产生携带特殊能量的光量子。玻尔提出一种原子模型来解释其中的原因。

    玻尔成功了，他指出，电子围绕原子核旋转不能取任意轨道。因为所有的原子在功能上是相同的，所以在形状上无疑也是相同的，他提出，任何元素的电子只能沿被允许的特定轨道运动，这些轨道离核的距离是特定的。轨道的半径决定于普朗克常数——因此能量也是这样。他说，只要电子在允许的轨道上运动，它们不发射电磁能量。但是电子可以自发地从一个轨道跳跃到另一个轨道，这时它们的能量状态有所改变，就以波包即量子的形式吸收或释放能量。跃向靠近原子核的内侧轨道，由于轨道半径更小，电子会释放能量。当跃向远离原子核的外侧轨道时，轨道半径变大，电子要吸收能量。

    玻尔对氢原子中的单个电子作了计算，计算出从一个轨道跳跃到另一个轨道时所涉及的能量。然后，假设能量转变为光（光子或电磁能量子），由此算出产生的光波波长。果然有效。他的计算与氢光谱相符，在这以前，氢光谱一直是无法解释的谜。物理学家已经观测到特定元素的原子会发出特定的光谱，但在此之前一直无法解释其中的道理。玻尔则相当精确地解释了这一点。

    这是伟大的一步。当爱因斯坦听到数据与光谱是如何吻合时，他欣喜若狂，声称“这是最伟大的发现之一”。玻尔成为20世纪原子理论的奠基人。

    但即使玻尔已经把量子理论首次成功地运用于物质的物理学，但他也承认这一理论仍然存在大量未解之谜。

    “思考这些问题使我困惑无比”，一位来访者曾如此向玻尔埋怨。“但是，但是，但是……”玻尔结结巴巴而又不失真诚地说道，“如果有人说他在思考量子理论时毫无困惑，那他一定是缺乏对量子理论最起码的理解”。

    当然，玻尔的原子模型无论如何也不是定论。我们关于原子的概念从他1913年宣布原子模型以来已经有了很大变化。在那些对原子理论的发展作出贡献的人们中间，有一位来自德国的年轻人，他行为古怪却才华横溢。

    泡利的不相容原理

    泡利（Wolfgang Pauli，1900—1958）在实验室里表现笨拙，在演讲厅里也远非口若悬河。他身材矮胖，有点像电影演员劳瑞（Peter Lorre，1904—1964）。但他却轻易就能看透问题的实质。在慕尼黑大学他师从索末菲（Arnold Sommerfeld，1868—1951）做博士论文，然后分别在哥本哈根追随玻尔以及在格丁根做博士后研究。后来迁居美国，进入普林斯顿的高等研究所，1946年成为美国公民。

    泡利关于泡利不相容原理的直觉，源自他对所谓“塞曼效应”（以荷兰物理学家塞曼（Pieter Zeeman，1865—1943）的名字命名）的研究。作为科学家，他不免会经受挫折：还在成名之前，有一次拜访玻尔时，泡利显得闷闷不乐和充满沮丧，玻尔夫人（Margrethe Bohr）对他表示关切，他暴躁地回答说：“我当然很不高兴！我无法理解反常的塞曼效应。”

    泡利把自己的工作建立在大量数据基础之上，从中找出一个在所有情况下都有效的简单分类原理：在任何基本粒子体系中——例如原子中的电子群——没有两个粒子会以同样的方式运动，也就是说，占有同样的能级。1925年他宣布了不相容原理，后来证明适合于其他核粒子，这是当时人们连做梦也没有想到的。这一概念成为量子力学的重要组成部分。

    不相容原理解释了为什么原子中不是所有的电子都陷入最接近核的轨道上，既然落在这一轨道上只需最少的能量。这是因为一旦有一个电子占据某一轨道，它就会排斥任何其他电子占据同一轨道。泡利由于这项工作在1945年获得了诺贝尔物理学奖。

    泡利还解开了另外一个谜：当原子辐射β粒子时（β粒子实际上是高速的电子），某些能量似乎是遗失了。这一情况显然违反了能量守恒定律，物理学家难以认同这样一个到处适用的普遍原理在此却失效这一例外。1931年，泡利假设，在辐射β粒子的同时，还辐射另外一种非常微小的粒子，这种粒子不带电荷，甚至也可能没有质量，却把看似遗失了的能量带走了。次年，费米（Enrico Fermi，1901—1954）给这种粒子取名叫中微子（neutrino，意大利文，表示小的中性粒子）。有些人怀疑泡利是不是在玩弄某种账簿骗局——发明一种不存在的粒子，使能量收支账目看上去平衡。但是在1956年，人们利用一家核电站完成了一项精彩实验，证明幽灵般的中微子确实是存在的，这才使泡利得到了平反。薛定谔

    粒子和波

    自从泡利提出不相容原理（1925）之后，一群才华横溢的年轻物理学家似乎占据了舞台。两年前，在巴黎，德布罗意（Louis de Broglie，1892—1987）提出，如果亚原子粒子同时也可被看成是波，就可从理论上简洁地推出结果。这是一个简单而新颖的思想，对此你忍不住会说：“啊，这是怎么回事？如果真是这样，又会怎样呢？”根据普朗克和爱因斯坦的理论，近来大多被看成是波的光，应该是粒子。现在德布罗意又说，粒子——电子甚至原子——有时也表现出波的行为。当这一理论用实验检验时，结果证明他是对的。这一令人难以置信的概念叫做波粒二象性。

    这一思想立即得到物理学家的认同。薛定谔（Erwin Schrodinger，1887—1961）得出了关于德布罗意波的数学公式。这是观察原子的另一条途径。人们在想，波或粒子，究竟哪个对？最后薛定谔证明，两种表述在数学上是等效的，他的论文发表于1926年。尽管这一结果并不是人人都满意的解释，却使物理学家高兴，因为这是在数学上完备的原子理论。

    这里只有一件事情错了：薛定谔认为电子是波，某种“物质波”，而且他的方程式对此完全有效。但是，有些情况却并不完全适用。同年，另一位物理学家玻恩（Max Born，1882—1970）提出，薛定谔在方程中描述的并不是电子本身，而是在任何给定位置上能够发现电子的概率。例如，如果你用电子轰击一个壁垒，有些电子会穿越壁垒，有的电子则被弹回。玻恩认为，你可以描绘单个电子可能出现的概率，比如说，穿越壁垒的概率是55％，而反弹的概率是45％。因为电子本身不可分，因而薛定谔的波动方程描述的并不是电子本身，只是它可能的位置。

    1988年诺贝尔物理学奖获得者莱德曼（Leon Lederman，1922—）认为，玻恩的解释是“牛顿以来我们的世界观中最具戏剧性的重要变化”。但薛定谔对此并不乐意，当时许多其他经典物理学家也是如此。玻恩的概率意味着，得到牛顿定律认可的决定论现在已经过时了。这一解释加上量子理论，意味着对于你需要测量的任何东西，可以知道的只是概率。

    但是，玻尔、索末菲、海森伯等人却是冷静地对待玻恩的思想——这些概念似乎是合适的——他们继续这项激动人心的工作，以便使一切都顺理成章。在这些勇于挑战的人中，英国物理学家狄拉克（Paul Dirac，1902—1984），年方二十多岁就在使量子论和相对论相统一的基础上，为电子提出了一个优美的新方程（后来称为狄拉克方程）。1930年，他在为这些方程求解时，居然得出这一令人惊奇的结论，不管物质存在于什么地方，总有它的镜像存在，他称之为反物质。例如，一定存在着与电子具有同样性质的另一种粒子，只有一个重要区别：它不像电子那样带负电，而是带正电。他的思路令人想到诺埃特（Emmy Noether，1882—1935）的对称性思想以及如下事实：一个数的平方根可以是正数又可以是负数（例如，4的平方根是+2和－2；2×2＝4；（－2）×（－2）也等于4）。狄拉克的方程告诉我们，有待寻找的是带正电的电子。后来，1932年，年轻的物理学家安德森（Carl David Anderson，1905—1991），在加州理工学院用强大的磁铁和云室做实验时，捕捉到了这样一种粒子，这种亚原子粒子的径迹，和电子很相似，只是被磁场拉到相反的方向，他把这种新粒子叫做“正电子”。

    不确定性的作用

    与此同时，1927年，海森伯提出了另一种奇异的物理理论——不确定原理。这条原理的意思是：电子的精确位置和瞬时速度不能同时确定。换句话说，当撞击一个电子时，不能确定说出，电子会被撞到哪里，只能说它可能撞向哪里。人们只能作出统计预测。

    这个思想概括了我们叫做量子理论的伟大科学革命。不过，仍有许多问题尚待解决，量子场论今天仍在发展。有些科学家认为，这一理论并不完善，除非它与引力理论完全结合。

    爱因斯坦从未承认过不确定原理，对此，他与玻尔之间有过持久激烈的论战。这是两个朋友之间的争论，他们相互尊重对方的智慧，争论一直持续到爱因斯坦生命的最后一刻。爱因斯坦去世后多年，玻尔仍然在修改为了说服爱因斯坦所画的那幅插图。玻尔去世的那一天，他的黑板上画的就是那幅草图，他的内心深处从未中止过与他的老朋友的对话。

    事实上，玻尔在讨论中也作出了自己的贡献，这就是他于1927年提出的所谓互补性原理，认为一个现象可以通过两个相互对立的方式来看待，这两种角度在各自范围内同时有效。不过爱因斯坦对这一概念感到难以认同。

    这些熠熠生辉、至关重要、激动人心的思想确实会带来某种令人不安之感。关于量子，理论物理学家费恩曼常常对他的学生说：“我想我能够有把握地说，没有人懂得量子力学……你要尽可能避免这样来问自己，‘但是它怎么会是这样？’因为这样你将‘掉到排水沟’，走进死胡同，再要出来可就难喽。没有人知道它怎么会成那样。”事实继续证明，它就是这样。

    当然，在那些激动人心的年代里，构建原子和量子大厦的人物远不止这几位——他们只是更为杰出的几位。更多的人作出的贡献是：统计电子打到荧光屏上的成千上万个亮点，设计仪器，提供思想，激发新的观点。科学已不再是哥白尼在他的城堡里单枪匹马的努力，或者伽利略通过他的望远镜独自向天空窥视，而是越来越多地成为团队之合作。许多男女英雄们默默无闻，他们之中也有知名人士，但对于一本小书来说，实在难以容纳。但是团队合作——实验家验证理论家，理论家从研究数据中得到灵感——已经越来越处于科学必经之路的中心。

    当然，孤独的科学家仍然通过多种途径在研究天空和宇宙。

    宇宙的新观测

    天文学家和天体物理学家也从19世纪继承了丰富的遗产。改进后的望远镜使得对太阳系及更远处的观测有了更高的精确度，天文学家发现了许多小行星和海王星。天文学家还开始运用新的观测设备，照相术提高了人眼观察天空的能力，光谱学提供了大量有关远近天体所含成分的特殊新信息。

    20世纪里，天文学家利用照相术、光谱学和有关辐射的新发现迅速加深加宽了人类对宇宙的认识。这些工具使他们得以进入新的探索领域、确定星体的位置和亮度、发现新的天体，并且对恒星进行分类和编目。天文学紧紧跟上物理学和化学的步伐，对宇宙及其大小、形状和特性的认识迅速增长。

    宇宙射线

    1910年3月10日的巴黎，寒风料峭。艾菲尔铁塔塔顶寒意阵阵。这座铁塔21年前刚刚建成，巨大的钢梁伸向几近1 000英尺的天空，这是巴黎的最高建筑了。就在这个特殊的日子里，来自荷兰法肯堡的一位耶稣会士物理教师伍尔夫神甫（Father Theodor Wulf，1868—1946），从升降机走出来，把仪器拉到观测平台上，他不是普通的观光客。他站在远远高出战神公园的地方，运用玻璃和金属仪器，测定在此高度空气的导电性。

    他的发现使大多数人感到惊奇，因为空气平常是完全不导电的。但伍尔夫是一位“放射性小组”的成员，该小组研究的是1896年贝克勒尔发现的神奇辐射。因此他认为这个问题值得研究。他知道，用静电计（这种仪器就像瓶子里的天线）可以测量辐射源的强度。当靠近铀时，静电计的金属箔片会张开，当它们向周围空气放电时，箔片又合拢。放电越快，辐射源越强。但是，伍尔夫发现，这些测量仪器有时似乎在“漏电”，即使附近没有铀块存在，也有缓慢放电。这一残余放电扰乱了数据读取，但是没有人能够避免这种情况出现。1909年，伍尔夫发明了一种高灵敏度静电计，用它更容易显示放电过程，因为它精密得多。

    这一奇怪现象的根源是什么？全世界的地质学家、气象学家和物理学家都开始用伍尔夫的静电计进行试验。伍尔夫测试了德国、奥地利和瑞士阿尔卑斯高地等许多地方。残余放电似乎到处出现，但是程度有所不同。难道放射性是从地壳中逸出来的？伍尔夫爬上艾菲尔铁塔就是为了进行这项试验。在铁塔的高处，他的仪器与地壳表面相距1 000英尺，应该能够消除任何来自地球本身的放射性影响。他花了四天时间做试验，但静电计一直在放电。他的结论是，一定是“或者在大气的上方有另一辐射源，或者空气对辐射的吸收要比假设的弱得多”。

    大约与此同时，来自新成立的维也纳镭学研究所的赫斯（Victor Hess，1883—1964）也加入到这场争论中。在1911年和1913年之间，他带着静电计登上气球升空，不止十次。一般的结果是，当气球上升时，放电减慢，但总是存在放电现象，而且减慢速度也不像假设辐射来自地壳所预期的那样快。赫斯的确被迷惑了。随后在第九次升空时，他注意到一种特殊的变化。在15 000英尺高处，放电的速率竟是平常在地面观测时的两倍。赫斯得出了奇异甚至怪诞的结论：“那种具有极强穿透力的射线来自大气层上空，来自最深的太空。”

    起初尽管有些科学家猜想这些射线来自太空，但大多数人总觉得这一奇异的想法不可信。这似乎太离谱了。1914年6月28日，一位名叫柯尔赫斯特（Werner Kolhrster，1887—1946）的德国研究者创造了升高到30 000英尺的纪录。读数表明，这个高度的电离度比海平面时上升了12倍。然而就在那一天，第一次世界大战爆发，这项试验被迫中止。但是验证已有结果。赫斯是正确的：强大的辐射连续不断地轰击我们的地球以及宇宙中的每件物体。宇宙射线最终被发现了。正是这一新认识吸引了科学家，结果就是对宇宙中的辐射有了更多的发现。

    赫斯由于对宇宙射线的工作，和发现正电子的美国物理学家安德森分享了1936年诺贝尔物理学奖。正如一位科学作家所写：“当决定把诺贝尔奖荣誉授予宇宙射线领域里第一个重要工作之后，除了赫斯博士，恐怕没有任何还健在的人有资格得这个奖了。”1938年，赫斯和全家从奥地利移民到美国，在纽约接受了福特汉大学的职位。

    理解宇宙

    施瓦西（Karl Schwarzchild，1873—1916）于1901年成为格丁根大学教授，他在运用照相术测量恒星，特别是变星的亮度方面遥遥领先。他指出，周期性变星（所谓周期性，指的是以一定周期改变亮度或发光度）之所以表现出这一行为，是因为它的温度有周期性的变化。

    施瓦西，就像所有对理解宇宙感兴趣的人一样，曾受到爱因斯坦理论的激励，他是第一位为爱因斯坦的场方程提供解答的人。他也是最早对质量密集在一点上的星体其附近的引力现象进行计算的人，这种星体后来叫做黑洞。施瓦西对黑洞边界的估计，至今仍被人们接受，这个边界就叫施瓦西半径。

    理解星星

    施瓦西热心普及天文学，致力于通过演讲和写作传播思想。1909年，一位业余天文学家和普及工作者赫茨普龙（Ejnar Hertzsprung，1873—1967）能够到格丁根担任天体物理学教授，应该归功于他。赫茨普龙受的是化学工程教育，在圣彼得堡工作过两年，然后在1902年回到他的祖国丹麦，在哥本哈根作为一名业余天文学家做了许多工作。他对这样一种现象感到困惑，相距较近的星星虽然暗淡，却比遥远的亮星显得更明亮。为了补偿这一点，他提出了所谓“绝对星等”的概念，以表示恒星内禀的发光度——而不是观测者表面看上去的亮度。他发明了一种比较恒星亮度的系统，这就是把它们设想成离观测者同样的距离——10秒差距。

    早在1905年，赫茨普龙还研究过恒星之间颜色和发光度的关系。他是一位天体照相术专家，曾经从照片上估计星体等级，并且精确地拍摄下了双星。但是，他的工作多年被学术界忽视。美国天文学家罗素（Henry NorrisRussell，1877—1957）宣布，他以更正规的方式独立地发现了类似结果。于是他们两人共享这一发现的荣誉，现在就称之为星体发光度的赫茨普龙—罗素图，简称赫罗图。赫罗图的目的是排列和研究关于恒星形状的数据，以便找出它们之间的关系，赫罗图至今仍然是理解恒星不同类型并在物理变量的基础上对它们进行客观比较的重要工具。

    1911年，赫茨普龙发现北极星是一颗造父变星，属于脉冲变星的一种。1913年，他首次估算了某些造父变星的实际距离。这一结果，再加上勒维特（Henrietta Swan Leavitt，1868—1921）的工作，使得夏普勒（HarlowSharpley，1885—1972）几年后弄清楚了我们这一星系（银河系）的形状。

    看透恒星内部

    20世纪初摆在天文学家面前亟待解决的重大难题之一就是如何确定恒星的内部结构。它们的内部正在进行着什么？是什么使它们发光，发出的光如此之亮，以至于穿过浩瀚的太空都能看见？为什么有许多不同的类型？爱丁顿在1926年这样解释：

    “初看上去，似乎太阳和恒星的内部深处比宇宙其他地方都更难以进行科学研究……有什么仪器可以穿透恒星的外层，对其内部结构进行测试呢？

    当误导的隐喻抛开后，问题看来不再那样毫无希望。‘探测’并不是我们的任务；我们知道，我们可以等待和解释天体发给我们的信息，从中获取知识。这些信息中载有恒星内部的相关情况。引力场就是发源于恒星内部的。……辐射能也是来自炽热的恒星内部，经过多次偏折、转化才设法达到表面，并由此开始跨越太空的旅程。由这两条线索组成的推理链条也许是最值得信赖的，因为它（运用的）只是自然界最普遍的规则——能量和动量守恒、概率和平均值定律、热力学第二定律、原子的基本特性，等等。”

    就这样，物理学和天体物理学携手并进。爱丁顿利用物理学新理论取得的进展，能够证明为什么恒星会是这样。他说，引力把星际气体往内拉，而气体的压强和辐射压又把它们向外推。他认识到，在一个稳定的恒星中，这些力是平衡的。

    测量宇宙

    许多世纪以来，天文学家一直在寻找测量宇宙规模的适当方法，但是直到20世纪初，这个问题仍然没有解决。1912年在哈佛天文台工作的勒维特发现了一种有效的标尺——造父变星。

    第一颗造父变星是1784年被一个19岁的业余天文学家发现的，他的名字叫做古德利克（John Goodricke，1764—1786）。造父变星是这样一类恒星，它们定期在亮度上发生有规律的变化，周期通常是5至30天。这些变化就像钟表一样规律，因此相比那些变化不规则的恒星，它们更容易得到人们的认识。但是当勒维特观测小麦哲伦星系里的星星时，她发现造父变星有一种更重要的特性。她能够证明造父变星的平均发光度和周期之间存在显著的关系。这一周期一发光度关系使得天文学家有可能只要测出其周期，就可以计算出任何造父变星在任何距离的发光度。因此，勒维特认识到，很容易就可以利用这一事实测量出其他星星的距离。首先要找到一颗造父变星，测量它的周期，得到它的发光度或者绝对星等。然后测量它的视星等（它看起来有多亮），并且推出它的距离（以及附近星星的距离）。这是一个重要的突破。

    银河系的形状

    与此同时，夏普勒正在研究有关宇宙的另一个基本问题：银河系的形状。夏普勒1885年生于美国密苏里州的纳什维尔，是农民的儿子。很容易想象他在孩提时代，仰望密苏里黑暗的天空观察星星的情景。他先是当了一名记者，攒了足够的钱以后在1903年进入密苏里大学，学习数学和天文学，1910年毕业。后又到普林斯顿大学深造，和天文学家罗素一起工作，1913年获得博士学位，次年成为加州威尔逊山天文台的成员。在那里他研究球状星团（globular cluster，一种稠密、球形的星团，一般都处于衰老期），开始对星团和变星作理论与观测工作，他因此而出名。利用勒维特发现的造父变星视星等和周期之间的关系，他用绝对星等（一颗恒星，如果它处于离观测者10秒差距的标准距离时它将会多亮）计算了周期一发光度关系。这就成了确定星系尺度和几何学的新标尺。

    夏普勒发现，太阳并不是像人们所假设的那样处于银河系的中心，而是离中心大约50 000光年。如同哥白尼，他说是太阳而不是地球处于太阳系的中心，夏普勒再一次把人类及其家园驱逐出中心。他的测量还证明，宇宙要比人们以前想象的不知大多少。

    在加州富有成效的8年之后，夏普勒成了哈佛天文台台长。在那里的31年中，他指导天文学计划的实现、扩充了队伍和观测设备，建立了世界级的研究生项目，后来它成为美国最好的研究生项目。

    哈勃更好的标尺

    就像当时许多天文学家那样，哈勃（EdwinPowell Hubble，1889—1953）也不是从一开始就以天文学作为终生职业的。他在牛津是领罗氏奖学金的学生，1910年以法学学位毕业。尽管前程看好，但不久他就转到芝加哥大学的耶基斯天文台工作，该天文台位于威斯康星州的威廉斯湾。1917年，他从芝加哥大学获得天文学博士学位。继第一次世界大战在步兵团服役后，他来到南加利福尼亚的威尔逊山天文台任职，以后他的一生都是在这里度过。不久以后，大型2．5米（100英寸）胡克望远镜在这里安装，给哈勃提供使用当时世界上最大的反射式望远镜的机会（这个位置，胡克曾经保持了30多年）。

    哈勃对一种形状模糊、像云一样的天体发生了兴趣，这种天体叫做星云——它看上去像存在于空间的雾状发光物质。1923年他的注意力集中在仙女座星云，由于它具有螺旋状臂而被称为“螺旋星云”。经过仔细观察，他成功地辨认出在其边缘的恒星。这是第一个证据，表明在银河系之外也存在恒星——证明由恒星组成的星系一定存在于离银河系很远的地方。今天已经把哈勃研究的天体命名为仙女座星系。哈勃还建立了一个星系的分类系统，这一系统至今仍在运用。

    哈勃1929年，在考察星云和把星系分类的过程中，哈勃注意到星系向着地球退行的速率正比于其距离，这就叫哈勃定律。这一工作被认为是20世纪天体物理学最有意义的突破之一。

    哈勃运用这一测量结果，估计可知宇宙（我们能够研究的部分）的半径大概是130亿光年，直径就为260亿光年。这是一把巨大的标尺，甚至比勒维特的造父变星好用得多。现在天文学家在他们的探索中已有更多的工具，可以帮助他们理解宇宙的特性和宇宙的巨大。

    德西特的

    膨胀宇宙与此同时，荷兰天文学家德西特（Willem de Sitter，1872—1934），受爱因斯坦广义相对论的启发，开始探讨宇宙的结构。1919年他提出这一设想：假设整个宇宙处于低密度质量状态，可能宇宙最初是没有质量的。这也许是对宇宙膨胀论最早的暗示之一，大爆炸理论的前提之一就是宇宙膨胀论，而大爆炸理论是当今关于宇宙起源和最早阶段的主导理论。德西特是莱顿大学有影响的天文学教授，他把自己的发现向英国的爱丁顿报告，从而激起了人们对爱因斯坦相对论的兴趣，由此引起的广泛关注又鼓励爱丁顿发起探险，在1919年日食时检验广义相对论的预言。

    德西特对爱因斯坦的宇宙观添加了两个重要的见解。他说，由于光线会被引力弯折，于是，任何光线经过一再弯曲，最终则会回到出发点。由此德西特认为，宇宙就是由“弯曲的空间”组成的。爱因斯坦把宇宙看成是弯曲的空间，但却是静止的。而德西特对之作出了不同的解释。他看到随着曲率逐渐变小，弯曲的宇宙就会不断向外膨胀。哈勃已经解释过的遥远星系的光谱肯定了这一点。1932年，德西特和爱因斯坦合作研究他们的宇宙理论，为宇宙创建了一个模型，人称爱因斯坦—德西特模型。他们的理论第一次预言宇宙中有大量暗物质存在，一种无法探测到的物质形式，它没有辐射。

    和物理学一样，天文学在20世纪初为后半世纪的巨大进展做好了准备。在天文学和天体物理学领域，正如物理学，科学家都在发展新工具，都在寻找收集数据、测量数据和解释数据的新方法。他们开始越来越多地使用照相术和恒星光谱收集数据，设计新的分类系统并作出解释，对于日趋复杂化的观察事实有了更为深刻的见解。在这一过程中，无论是对专业人士还是普通人，他们的工作都变得越来越有魅力。宇宙的广阔天地正成为一个越来越有吸引力的领域。

    原子的四分五裂：科学和原子弹

    20世纪30年代末，战争的阴影渐渐逼近，就在此时，天文学家继续向着宇宙的深度和广度进军，物理学家继续探测原子核这一微观领域。与此同时，对许多欧洲科学家来说，生活条件越来越差。他们的实验室、家庭甚至生命都处在希特勒政权的威胁之下，希特勒政权正企图消灭犹太民族，压制周边国家的自由。

    雪地里的散步：迈特纳和弗利胥

    奥地利物理学家迈特纳（Lise Meitner，1878—1968）为了逃避纳粹对犹太人的血腥迫害，于1938年在斯德哥尔摩度过了一个寒冷而孤独的冬天后，来到瑞典的北部。对于她来说，来自她深爱的第二故乡柏林的刀光剑影，已经使她的工作和生活彻底分离。30年来她一直和受人尊敬的德国化学家哈恩（Otto Hahn，1879—1968）肩并肩地一起工作。哈恩一大约1959年的迈特纳，这时距离她和弗利胥著名的雪地散步已经过了21年。般做实验工作，而迈特纳作出理论解释。现在迈特纳已经到了60岁，她的实验室和合作伙伴留在柏林，而斯德哥尔摩还没有建成的物理研究所几乎没有仪器设备，好在她还算幸运，竟然在此找到了一个职位。所以，当圣诞节来临时，她高兴地接受了朋友们的邀请，到瑞典东北海岸他们居住的一个休养小城昆伽夫（Kungalv）见面。她写信告诉哈恩，她要去那里，如果需要和她联系，请他写信到那里去。——这是现在他们之间唯一的联络方式。她还渴望见到她喜爱的外甥弗利胥，弗利胥计划从哥本哈根旅行到瑞典，和她一起度假。

    但是当迈特纳抵达昆伽夫时，出乎她的预料，来自哈恩的一封信已经先期到达。弗利胥后来写道：“当我在昆伽夫度过第一夜，刚从旅馆房间里出来时，只见迈特纳正在研究来自哈恩的信件，显得非常着急。”

    他们两人离开旅馆，在附近丛林里踏雪，同时激动地讨论着，弗利胥穿着滑雪板，迈特纳在一边步行，坚持不要滑雪板。

    哈恩和他的助手斯特拉斯曼（Fritz Strassmann，1902—1980），一直在试图解决一个谜，它与用中子轰击少量铀有关。这一过程通常仅仅产生几千个“子代物质”的原子，新物质具有与亲代物质不同的原子成分，在本例中亲代物质就是铀。问题是如何鉴定新物质以及解释它们为什么会产生。

    哈恩已经开始这一实验，因为费米1934年在意大利曾经试图用被石蜡减慢速度的中子轰击铀核。当时费米并不是想分裂原子，而是希望使某些中子粘到核上，从而产生具有不同寻常的中子数量的同位素。但所得结果使他，也使其他人大吃一惊并深感困惑。他的实验产生大量辐射。他认为也许是产生了比铀还要重的合成元素，而当时铀被公认是自然形成的最重的元素。

    当时没有人认为有可能是击破了铀原子。击破较轻元素的核则是另一回事，因为较轻元素的核所含粒子较少，也许互相问的束缚并不紧密，击破它们并不需要多大能量。但是在20世纪30年代初期，没有人会想象到有可能在牢牢束缚的重铀核中释放出巨大能量。对于这一点，卢瑟福、爱因斯坦和玻尔的意见是完全一致的。

    但4年后，就在迈特纳和弗利胥雪地漫步之际，从不同实验室传来的不可思议的结果开始碰到一起。在巴黎，约里奥·居里（玛丽与皮埃尔·居里的女儿）和她的同事萨维奇（PavelSaviteh）在这方面已经得到一些令人惊奇的结果。几个月前，他们刚刚发表一篇论文，证实用中子轰击铀时产生了一种物质，似乎是镧——这种元素在周期表中的位置比铀低35格！也就是说，镧元素的原子序数是57，而铀是92。（原子序数表示质子或带正电荷粒子的数目）人们绝不可能想到如铀这样的重元素还有可能被击破。

    这一消息引起高度争论，哈恩已着手证明约里奥·居里和萨维奇是否已“把事情弄糟”（有一位正在访问的放射化学家听到他这样评论）。哈恩和斯特拉斯曼开始轰击自己的铀样品。但是在经过多次重复之后，他们在1938年11月也报告了一系列令人惊奇的新结果。他们发现了三种同位素，是过去从未有人鉴定过的，他们相信这些同位素是属于第88号元素镭。他们在1938年11月出版的论文中写道，这“一定是由于发射了两个连续的a粒子”（a粒子是带正电的亚原子粒子，由两个质子和两个中子组成）。尽管镭并不那么接近镧在周期表中的位置，但哈恩和斯特拉斯曼的报告仍然和约里奥·居里及萨维奇的论文一样，引起了人们的怀疑和兴趣。哈恩后来写道，玻尔“对此表示怀疑，问我是不是高度不可靠”。对此，哈恩从内心同意。整个形势令人迷惑不解。是不是在实验中出了什么差错？哈恩和斯特拉斯曼回到实验室继续工作。故事就像他的信中所写。在迈特纳度假之前，她已经收到了来自哈恩的一封信，是12月19日写的，信中写道：

    “关于铀的活性，我已竭尽可能，斯特拉斯曼也是全力以赴。……现在几乎是晚上11点钟了……事实是，‘镭同位素’里面有如此奇怪的东西，到现在为止我们只告诉您一个人：……我们的镭同位素行为就像钡。”

    这是比以前更为神奇的结果。钡的原子序数是56！比铀的92一半略微多一点。

    哈恩在信中继续说道，“也许您能够提出某种有趣的解释。我们知道，它绝不可能分裂成钡”。在信中他的表述一清二楚（并不正确），“……因此，请您想一想，是否还有什么别的可能？”

    因此，当迈特纳发现在昆伽夫另有一封来自哈恩的信等着她时，并不感到意外。哈恩写道，进一步的实验有助于确定的确是生成了钡。作为化学家，哈恩认为自己有十足的把握。用慢中子轰击铀生成的不是镭，而是钡。她有没有可能提出另一种更合理的解释呢？这就是迈特纳和年轻的弗利胥在那个冬雪的日子里面对的如此困惑的问题。

    正如后来弗利胥所写：“从原子核里从来没有分裂出比质子或氦核（α粒子）更大的碎片，而且也没有足够的能量来做到这一点。再就是，没有可能把铀核一分为二。原子核并不是易碎的固体，可以被劈开或者击破……”

    其实，当时最新的核理论已经由俄国物理学家伽莫夫（George Gamow，1904—1968）提出，并得到了弗利胥的导师玻尔的补充，他们把原子核比作一滴水。迈特纳和弗利胥在雪地散步时，开始假设原子核有可能分裂成了两个更小的“液滴”，就像挂在屋檐下或者雨伞边沿的水滴那样。它有可能是缓慢地伸长，形成狭窄的颈部，最终分离开来，而不是一下子就分裂为两个部分。

    他们两人坐在一根原木上，从口袋里拿出纸片，在上面潦草地写下了几个公式。他们发现，铀核的电荷实际上已经大到足以抵消表面张力，从而使铀核变得很不稳定。单个中子就可以把它击破。“但是还有另一个问题”，据弗利胥回忆道：

    “分离之后，两个碎片由于相互间的电斥力而远离，远离速度之高因而带有非常大的能量，能量总共大约为200 MeV（百万电子伏）。这个能量从哪里来呢？幸运的是，迈特纳记得计算原子核质量的经验公式，从而算出两个从铀核分裂的核加在一起要比原来的铀核轻，大约轻五分之一的质子质量。根据爱因斯坦的质能公式E=mc2五分之一个质子的质量正好相当于200 MeV。这就是能量的来源，一切都很吻合！”

    迈特纳和弗利胥在耀眼的雪地里相互对望。在日常生活中200 MeV并不算很大的能量，可是对于单个原子，释放这么多的能量却是很大的数量。许多化学反应只产生5个电子伏的能量，而这个过程产生的能量却是它的4 000万倍。

    有了哈恩的结果和计算的公式，可以断定，哈恩和斯特拉斯曼已经做了难以企及的事情。他们击破了铀原子。当迈特纳和弗利胥坐在瑞典的雪地里时，他们意识到了这一点。他们还意识到，如果这一能力落到纳粹手中意味着什么。原子裂变所释放出的如此巨大的能量将有极大的破坏力。当然迈特纳和弗利胥得到的结论对科学界来说也是极其重要的新闻，出于科学和政治两方面的理由，都必须让正义的人民知道这一消息。

    当迈特纳回到斯德哥尔摩她的实验室时，弗利胥也匆忙返回丹麦，他在那里的玻尔研究所工作。当他到达时，玻尔正准备坐船去美国参加一个会议，弗利胥向玻尔讲述了发生的事情。

    “哦，我们大家多么愚蠢？哦，这真是神奇！但正应该如此呀！”玻尔惊呼，用手敲击脑袋。他非常激动，鼓励弗利胥和迈特纳一起尽快发表一篇论文，解释哈恩一斯特拉斯曼的结果。然后他上船去了美国。途中他向一位同事讲述了这一激动人心的消息，在1939年1月16日的会议上，消息泄露了出去，后来才知道，这时迈特纳和弗利胥的论文还没有发表（好心的玻尔后来经常为这一疏忽表示歉意）。仅仅过了一夜，全美国各个大学的物理学家和化学家就开始检验这一命题，确证这是真实的。原子被击破了！物理学界和化学界被弄得神魂颠倒。

    和希特勒竞赛

    根据迈特纳从哈恩处得到的消息，德国科学家已经实现了核裂变，这使美国上下一片惊慌。若是如此，希特勒就有可能已经成功制造出原子弹，其破坏能力会是相当惊人的。如果这一武器在战争期间落入不讲原则的领导人手里，其后果将不堪设想。于是抢在希特勒前面，打击希特勒，赢得战争，就成为当务之急。

    1939年，西拉德（Leo Szilard，1898—1964）成功地说服了爱因斯坦——这位世界上最有影响的科学家，一起去说服美国总统罗斯福（Frankin Delano Roosevelt，1882—1945），让他相信美国迫切需要进行一项研制裂变炸弹的紧急计划。爱因斯坦这样做了，其实这大大违反了他一直持有的信念，因为爱因斯坦是一位热忱的和平主义者，但是希特勒和纳粹已经变成了世界上最可恶的势力。在爱因斯坦难得的支持下，一项绝密的计划产生了。它的代号就是曼哈顿计划，其目的就是建造“原子”弹。

    费米的核反应堆

    正如哈恩和斯特拉斯曼所证明的，铀核可以分裂。对于一个原子来说，巨大的能量由此可以被释放。但是要启动这一战略性武器，首先需要更多的能量。为此，必须进行链式反应，而链式反应以前从来没有人实现过。所以尽管没有人怀疑能够建造原子弹，但第一步却是要证明链式反应真正能够发生。

    费米这件工作落到了来自意大利的能干的物理学家费米身上，他在1938年获得诺贝尔物理学奖——正好是迈特纳和弗利胥以裂变解释哈恩—斯特拉斯曼结果的几个月前。费米利用他到斯德哥尔摩参加诺贝尔奖颁奖典礼之机，与家人一起逃避了墨索里尼（Benito Mussolini，1883—1945）在意大利的法西斯统治。费米一家离开时只带了少量财产，以后再没有回去，在美国定居下来。

    于是，就在芝加哥大学运动场的看台下，费米领导一组科学家建造了一座试验“堆”（他这样称呼）。他在6年前就已经知道用查德威克的中子轰击铀原子核的方法，现在他要使它成为现实。

    其实，当战前还在意大利时，费米就在用中子“炮弹”探测原子结构的实践方面遥遥领先。当查德威克宣布他的发现时，费米马上就认识到了中子对他的工作的优越性。α粒子和质子带的是正电荷，会被原子核的正电荷排斥。但是中子不带电荷——所以，它们不需加速，很容易被核吸收。

    费米还发现慢中子更有效，特别是被石蜡减速的情况下。当它们到达对象时，因为运动得如此之慢，很容易就被原子核吃掉。

    现在，在芝加哥，他的目标是装配一组试验反应，这个反应要能以缓慢的速率进行，以便物理学家能够监控它，并且避免爆炸。他应用自然存在的铀矿，其中大部分是稳定的铀—238。他建造了铀层和石墨层相问的结构：铀是为了促成反应，石墨则是为了减慢中子运动速度。他用了6吨铀、50吨氧化铀和400吨石墨块。镉棒阻隔反应发生，直到一切都准备就绪。

    1942年12月2日，费米把控制棒从反应堆中抽出，链式反应立即开始。不稳定的铀—235核被中子击破，击破的原子嬗变又产生更多中子流，这些中子再从铀块发射到石墨中，在石墨中减速，然后进入下一块，击破更多的铀—235核。随着反应的不断进行，温度不断增加。尽管这只是一次试验，并没有指望它产生动力，但“芝加哥一号”堆仍然是世界上第一台核反应堆。原子时代开始了。还有，通向曼哈顿计划的道路也畅通了。

    曼哈顿计划

    正当第二次世界大战在持续摧毁无数人的生命时，美国政府秘密集结了国内顶尖科学家——其实许多是世界上顶尖的科学家——来到名为洛斯阿拉莫斯的沙漠之地。洛斯阿拉莫斯位于新墨西哥州中北部边远地区，是一块荒凉的平顶高地，其附近唯一的设施就是一所私立男子学校。这块高地处于落基山脉最西端，崎岖的基督圣血山（Sangre de Cristo）以西30英里。

    胖子：在洛斯阿拉莫斯研制的内爆型原子弹来到洛斯阿拉莫斯的人都要宣誓遵守严格的安全限制。美国大学的精英都集中到了这里：大批数学家、科学家、工程师和化学家，他们的任务就是决定，为了制成这一世界上从未见过的最致命的武器，需要多少材料，怎样组织最有效。他们的任务还有设计和试验器件，把材料结合在一起，构成爆炸单元。他们要计算出需要多少矿产和原料，怎样以最佳的方式进行组合，以便得到最有效的链式反应，以及设计爆炸装置系统，以便引爆。

    这一计划的领导人是奥本海默（RobertOppenheimer，1904—1967），一位瘦高个的年轻人，以其才智和感召力著称。在洛斯阿拉莫斯，他建立了一个团队，其能力、强度和专注程度无与伦比。任务是绝密和极端重要的。但是对于那些人来说，建造原子弹也是一项巨大的挑战，它将考验他们的智力、推理和逻辑能力。

    该团队用了4年时间在洛斯阿拉莫斯设计和建造了两种类型的原子弹。一个叫做“小男孩”，是一颗铀弹，用U-235“子弹”触发，而这颗“子弹”是靠爆炸推进到U-235球中。另一个叫做“胖子”，是钚内爆型炸弹。它由钚作为核心，周围环绕由钋和铍组成的导管以及一圈爆炸引子。

    一次原子弹试验后与众不同的放射性粒子蘑菇云。至1945年7月，四颗炸弹已经完成：一颗钚装置，放在塔上准备试验之用；另外两颗，每种类型各一颗，为了可能的应用，还有一颗钚弹，备用。

    具有讽刺意味的是，就在1945年5月，德国已经向盟军投降。对于许多科学家来说，由于跟德国和意大利的战争已经结束，起初为了阻止德国的军事力量和赶在德国之前制造原子弹的这场竞赛，突然失去了目标。

    在整个这段时期，玻尔都在力争对这一计划作一项国际声明，至少他要让俄罗斯知道。他相信，争取国际控制是操纵这一强大炸弹唯一的安全措施。但是他的建议遭到美国总统罗斯福和英国首相丘吉尔的极大怀疑而被弃之不理。

    然而，第二次世界大战仍然没有结束。1945年7月，太平洋战场酣战未休。日本军队继续对包括美国和英国在内的盟军进行着血战。日本有一句古老的谚语，这是一位长期驻日的美国记者报道的：“我们将战斗到吃石头！”美国人开始相信，几乎没有什么办法能使日本投降。

    在洛斯阿拉莫斯的科学家中，有些人的亲戚正在太平洋作战。他们希望战争越快结束越好。他们中的许多也坚定地相信，应该发出一个警告，以便在投下炸弹之前给日本人以投降的机会。

    曼哈顿工程及其后果是科学家面临伦理问题最生动的例证之一——在此期间，玻尔和爱因斯坦的行动，例证了科学家针对这一挑战所作的努力。

    广岛和长崎

    1945年7月16日，由于恶劣的天气和危险的风向而延迟几小时之后，第一颗“胖子”在新墨西哥州中南部阿拉莫戈多（Alamogordo）的特林尼特试验场进行试验。情况和计划相符，第一颗原子弹在沙漠中爆炸成功。科学家们欣喜若狂。正如一位科学家所说，这一成功代表了他们生命中最好的年代，这是一段高强度、富有成果、工作极其专注的时期。

    然而，下一步发生的事却使他们充满恐惧。尽管，正如爱因斯坦曾经说过的那样，这是无法抗拒的必然结果。1945年7月26日下午7点，美国总统杜鲁门（Harry S．Truman，1884—1972）发布文告，后来叫做《波茨坦宣言》，由杜鲁门、蒋介石和丘吉尔签署，7月27日东京时间早上7点向日本广播。声明下达最后通牒，要求日本无条件投降，并附带条款，结论是：“若非投降，日本即将迅速完全毁灭。”

    如果日本决定继续战争，宣言宣称：“吾等之军力，加以吾人之坚决意志为后盾，若予以全部实施，必将使日本军队完全毁灭，无可逃避，而日本之本土亦必终归全部残毁。”

    次日，日本首相铃木贯太郎举行记者招待会回应波茨坦宣言，他声言：“……没有别的出路，只有不予理会并且战斗到底，以求成功结束战争。”

    有关这一交锋的细节，争论持续了几十年，但美国已经发出了警告，而日本表示要战斗到底。就在这时，两颗原子弹，一颗代号为“胖子”，一颗代号为“小男孩”，已经离开新墨西哥州，在太平洋上辗转飞行。

    1945年8月6日，一架名为Enola Gay的美国飞机把原子弹投到日本广岛。机组人员回头看这座城市时，它被烟火巨浪吞没，似乎完全消失了一般。一位机组成员后来说：“我相信任何人都难以想象这一瞥之下所见的情景，两分钟前还清清楚楚的城市再也看不到了。”机尾枪手罗伯特·卡龙在飞机返程时，看得最清楚：

    “蘑菇云本身就是……一团紫灰色烟云，看得到中心是红色的核，每件东西都在其中燃烧。当我们远离时，可以看到蘑菇云的底部，下面是几百英尺厚的碎片和烟雾……四平方英里的城市完全被夷为平地，90％的城市建筑物被相当于12 500磅的TNT炸药毁掉。在一英里的爆炸中心范围内，温度升高到1 000°F，留下的是烧焦的人肉和熔融的金属。”

    日本政府没有表示投降。8月9日另一颗原子弹落在日本南部城市长崎，杀死了40 000人，伤者更多，城市被摧毁。最后在1945年8月14日，日本天皇裕仁不顾军方反对，宣布日本投降。9月2日，第二次世界大战以签署投降条款而正式结束，签署事宜是在美国军舰密苏里号上完成的。

    至1945年年底，广岛的死亡人数达到145 000，更多的人严重受伤。以后的5年里又有数万人死于辐射，这是摧毁性炸弹史无前例的一个效应。

    后果

    当原子弹成功爆炸的新闻第一次到达洛斯阿拉莫斯时，在经过4年紧张的挑战性工作后，大多数科学家最初的感觉是大功告成后的喜悦。他们设计和试验的许多复杂器件完成了任务。漫长而损失惨重的战争由于他们的努力现在终于结束了。但是不安也笼罩于洛斯阿拉莫斯简陋的木屋里，而当更多的详细报告来到时，沮丧开始蔓延。对于大多数在1945年8月曾经感到兴高采烈的科学家来说，当得知由于自己的工作带来死亡和破坏时，他们无法驱赶这一后果而导致的阴影，他们的余生始终在自责。奥本海默就是其中的一例，他的余生因此而备受折磨。他在洛斯阿拉莫斯最后一次公开演讲中警告说：

    “如果原子弹被增加到正在交战双方的武器库里，或者增加到正在备战的国家的武器库里，人类诅咒洛斯阿拉莫斯和广岛的名字的时刻即将到来。”

    “世界人民必须团结起来，不然就会毁灭。这场严重毁坏地球的战争，已经写下了这些话。原子弹已经让所有人都清楚地懂得了这些话。在其他时间、其他战争中，或者用到其他武器时已有别人说过这些话。但他们并没有占上风。有这样一批人，他们被人类历史上错误的意识所引导，认为前述之言今天也不会占上风。我们不必相信这一点。当面临这一共同的危险之际，我们愿意投身于这一工作，投身于一个团结的世界，以法律和人类的名义。”

    这是热情洋溢和富有成果地寻求和平利用原子能的开始。有一群物理学家，在玻尔的带领下，建立了名为“原子能为和平服务”的团体，他们相信原子能决不应该再运用于战争之中。他们热忱地建议，人类应该从1945年8月的事件中吸取重要教训。在为避免核毁灭而制订的详尽周密计划之核心里，世界上许多最杰出的科学家们，正在不断促使自己的发现和发明用于人道的、负责任的目的之中。

    微生物学和化学的成长

    在20世纪的帷幕刚刚拉开之际，物理学、化学和天文学的世界看起来很复杂，但生物学领域则更令人感到不可思议。正当化学家和物理学家深入钻进原子和亚原子的结构之中时，生命科学家沿着类似的道路继续前进，这条道路是要寻找生物体的特性以及它们如何行使功能的答案，最终，是要找到有关生命基础的答案。即使最简单的生物体，其复杂性都曾经困惑了人类好几百年（许多生物体实在太小，无法用肉眼观察）——从古代希腊人到17世纪的哈维和列文虎克，到19世纪的巴斯德和科赫。直至20世纪初，古老的问题依然未寻到解答：生命是什么？是什么原因使它们区别于岩石、污泥，或者星星？是什么在维持它们？它们是如何行使功能的？在不同的机体中，生命内在的过程是什么？

    数百年来，研究者一直在试图找到更多有关生物体是怎样工作的证据，他们大多从外部形状着手。在古人中，像亚里士多德和普林尼这样的思想家都首先关注形态学，或者外部形状。后来的科学家，诸如17世纪的哈维，把观察和实验原理运用到生物体上，开始注意器官和器官系统，诸如循环系统，是怎样在生物体内工作的。

    后来人们认识到器官都是由组织构成的，19世纪施莱登（Matthias Jakob Schleiden，1804—1881）和施旺（Theodor Schwann，1810—1882）认识到一种类似于盒子的结构，他们称之为“细胞”，一切组织，当然也包括一切器官和生物体——植物和动物——都是由细胞构成的。当接近20世纪时，生物学家，越来越向着微观领域进军，实验技术开始对生物学家发挥前所未有的作用。他们发现，像巴斯德和科赫所面对的细菌之类的微生物更容易研究，并有助于探究生命的基础——这是所有生物学研究都关注的一个关键性问题。

    自从牛顿时代以来，当生命科学家第一次试图把在物理学中如此有效的力学概念也运用到生命世界时，随即引起了一场持久而又深远的争论。许多生命科学家反对这种纯粹的唯物主义方法。他们觉得，生命不同于化合物的酿造或杠杆及活塞的组合。他们相信，生命有别于岩石、行星和恒星。其间似乎更像有某种“生命”力存在着。因此，从他们的观点出发，就导致了所谓的“活力论”（vitalism）。1895年，生命科学界分裂了。难道生物有什么特殊的地方吗？他们迷惑了。生命难道果真具有某种维持生命的“精气”、灵魂或者生命力？或者与无生命的物质一样，仅仅是原子和分子的集合体，跟桌子、货车或者陨石一样遵循所有的物理定律？对于许多人来说，后者似乎是既不可能，又太放肆了。

    毕希纳的策划

    凯库勒在1861年出版的《有机化学教程》第一卷中，把有机化合物定义为仅仅是含有碳的化合物。他没有提及生命力或其他与众不同的特征。这是第一次不把有机物看成是含有生命力，而是跟任何其他物质完全一样，按化学元素来进行考查。

    许多人发现凯库勒的做法太令人不安了，争论的双方都出现了分歧。然后在1897年，正当20世纪就要开始时，德国化学家毕希纳（Edouard Buchner，1860—1917）做了一个实验。发酵历来被看成是一种生命过程，是一种只有在活细胞内才能发生的化学反应，所以，毕希纳收集了一组已知与发酵有关的酵母细胞，把它们掺上沙子一起研磨，直至绝对不可能再有活细胞为止。然后，为了双重保险，他又把研磨过的物质进行过滤，获得了完全没有细胞的液汁。

    接下来的事情完全出乎毕希纳的预料：他原先设定，在细胞不在场的情况下，不会产生发酵。他仔细地把调制好的液汁置于不受任何活细胞污染的状态——否则他的实验就不能算是好的试验。然后加进糖的浓溶液，这是公认的不受微生物污染的好方法。但使他大为惊奇的是，不含细胞的酵母液汁和糖的混合物竟开始发酵了！许多人曾经认为是生命过程的现象竟发生在绝对无活物的混合物中。毕希纳进一步做下去。他用酒精杀死酵母细胞，发现已死细胞竟然和活细胞一样容易使糖发酵。这些结果既令人惊奇，也令人兴奋，于是1907年，毕希纳因此而荣获诺贝尔化学奖。

    活力论者（甚至包括毕希纳本人）曾经坚信，所有这些都是不可能的。但结论却是非常明确：“酵素”，当时人们这样称谓发酵的媒介，实际上是死的物质，可以从活细胞中离析出来，尽管它们常常见于活细胞里。这些物质可以在实验室的试管里发挥功能。

    现在人们已普遍接受这样的看法，即生命遵循管辖无生命世界的那些定律。但是1897年毕希纳的小小实验对于正在研究活着的生物体的人们来说，却是革命性的突破。从他的工作中，生物学家和化学家都获得了信心，相信生物学问题本质上决不超越实验检验和理解的范畴。和无生命世界的现象一样，生命过程即使没有生命，也有可能通过科学实验和观察寻求答案。这就为细胞化学的机械论研究作好了准备。

    有关活力论的哲学论战肯定还会继续下去。1899年，德国博物学家海克尔（ErnstHeinrich Haeckel，1834—1919）发表了一种观点，认为心灵，尽管是创造的产物，却从属于人体，并且在人体死后就不再存在。（他还是第一个运用“生态学”一词来描述关于生物体互相问以及跟它们周围环境间关系的研究）对于许多人来说，这样的论点远远超越了现有的证据，而与之对立的传统观念又太强。另一些人则认为它是有意义的。与活力论观点相反的证据在不断积累，但是整个20世纪，科学家不断在寻求下列问题的答案：什么是生命？生命又是怎样开始的？

    人体化学

    毕希纳1897年的突破性实验为生命科学富有成效的实验研究奠定了基础，实质上它还建立了一个新的领域，通过把化学和生物学结合在一起，从而形成生物化学这一领域。现在发生在细胞内的化学过程可以在实验室里用试管在细胞之外研究了，因为毕希纳已经证明，细胞本身对于其中发生的反应并没有特殊的贡献。在这一实验的基础上还创建了内分泌学领域关于内分泌腺（ductless gland）及其分泌功能的研究。

    1901年，日本的高峰让吉（Jokichi Takamine）发现一种叫做肾上腺素的物质，由肾上腺所分泌。肾上腺是位于肾附近的一种内分泌腺。高峰让吉不仅把这种与血管收缩和血压升高的物质离析出来，而且还成功地合成了它，这对于活力论者无疑是又一打击。

    与此同时，英国有两位生理学家贝利斯（William Bayliss，1860—1924）和斯塔林（ErnestStarling，1866—1927）也正在对胰腺做实验，胰腺是大而软的消化腺。他们发现，即使切断所有通向胰腺的神经，但每当胃酸和胃内食物被排入小肠时，它仍然会分泌消化液。1902年，他们成功地找到了原因。原来小肠里的酸导致小肠腔壁分泌一种叫做胰泌素的物质。这一物质通过血液传到胰腺，触发胰腺分泌消化液。贝利斯和斯塔林认识到，胰泌素和高峰让吉发现的肾上腺素都是化学信号系统的一部分，他们称这些化学信号为激素，也叫荷尔蒙（hormones，取自希腊语horman，意即催化）。

    这些化学信号都是特殊的蛋白质，由躯体中某一腺体分泌，通过血液传送到躯体另一部分的特定细胞中，以调节各类反应过程。贝利斯和斯塔林的工作确立了激素的重要性，他们的激素新理论被证明非常有效，并且为处理一类致命病症打下了基础，这些病症，从古代以来就一直在侵袭并杀害人类。

    糖尿病（diabetes），意思是“穿越而过”，是古希腊人给这种病症起的名字，因为患者需要饮用大量的水，它们似乎从身体直穿而过。罗马人加了mellitus一词，表示“甜蜜”，因为患者的尿不正常地甜——甜到竟能吸引苍蝇。

    至1920年时，人们才知道糖尿病人尿的甜蜜是由于葡萄糖含量过高所致，患者的血液也是如此。还有，当实验动物的胰腺被割除后，动物出现的症状非常像糖尿病。所以，在贝利斯和斯塔林的工作和这些新发现的基础上，人们高度怀疑这种疾病是由于缺乏胰腺分泌的激素引起的，这种激素可以调节血液中的葡萄糖含量。缺少了这种激素，葡萄糖增多，糖尿病就发生了。这种还未发现的激素甚至有了一个名字，叫胰岛素。

    尽管有人也许并不认为正是班廷（Frederick Grant Banting，1891—1941）解决了这一古老问题，但是班廷却想出了一个办法。毕业于医科学校并从军事服役返回后的班廷，作为一名年轻的加拿大医生，刚刚开业。同时他还在一家医学院担任部分教学。1920年的一天，当班廷正准备讲课笔记时，《科学》杂志上一条消息引起了他的兴趣。这篇论文说，如果胰腺从肠子处结扎，以至于不能通过管道输送消化液时，它就会萎缩。他激动得立即写下了一条备忘录：“给狗结扎胰腺导管。等候6到8个星期使之退化。去掉残液和浸出物。”班廷推想，用这样的办法，他应该可以从萎缩的胰腺中离析出胰岛素，同时避开有破坏性的消化液。但是班廷没有研究资源，也没有实验室。

    于是，他动身前往多伦多大学，糖尿病专家麦克劳德（John Maeleod，1876—1935）在那里当生理学系系主任。班廷向他略述了自己的想法，问他实验室有没有地方可以做8个星期的实验。然而麦克劳德拒绝了班廷的请求。第二次请求再次被拒绝。但第三次成功了。麦克劳德最后同意在他度假时，让班廷用他的实验室。他甚至还提议一个刚刚进入医学院的年轻学生当班廷的助手。这个学生名叫贝斯特（Charles Herbert．Best，1899—1978），他立即同意参与这一计划。尽管班廷常常依赖暑期打职业棒球来赚些钱，不过他想，刚刚从军队得到的退伍费，应该足以偿还债务。

    尽管在实验中要用到狗，但是他们对狗非常仁慈，给予爱心和关注。结扎胰腺要进行手术，但班廷用了麻醉药，在狗的康复过程中，他们就像照顾病人一样地细心。遗憾的是，第一次手术没有做好，他们结扎胰腺管道的羊肠线断裂了，那些狗没有出现任何症状，当他们知道这一错误时，几个星期已经过去了。与此同时，钱也用光。于是，班廷卖掉他那破旧的福特车，用以购买食物，供实验人员以及狗食用。最后终于有一条名为Marjorie的狗，他们用丝线给它结扎，在1921年的7月底出现了糖尿病症状。这两位年轻的科学家把它的胰腺取出来，果然不出所料，胰腺已经萎缩了。他们把胰腺研磨成粉，溶在盐溶液里。再给这条狗注射这一溶液，所有的糖尿病症状全都消失。

    当麦克劳德从度假地返回时，令他大为惊讶的是，班廷和贝斯特竟离析出了胰岛素。于是，麦克劳德和柯里普（James Collip，1892—1965）也加入到了研究小组中来，他们的工作是纯化激素，使之符合标准。1921年11月，班廷和贝斯特在一次科学会议上报告了他们的发现。但是，在随后的活动中，麦克劳德作为系主任，在许多报告中得到了荣誉，1923年，当诺贝尔奖奖励这项成就时，授予的不是班廷和贝斯特，而是麦克劳德和班廷。班廷因为贝斯特不在内而大怒，麦克劳德想的却是柯里普的工作应该得到承认。因此，就像经常发生的那样，他们每人得到的40 000美元的奖金都与他们的同事作了再分配。胰岛素很快就投入生产，以满足医生的需要，这是第一次对糖尿病有效的新治疗方法。

    微小的世界

    传统上，生命科学中的许多问题都是由于医学需要而引起的，目的是让我们生存并且生存得好些。所以医学研究——通常都认为是一种“应用科学”——往往与理论进展齐驱并进，经常起到引导作用。在20世纪前半叶，和过去一样，或者更甚于过去，正是对健康的追求推动着对知识的追求。

    18世纪90年代，詹纳引进了第一支疫苗，他把正在出牛痘的女孩皮肤上的水泡中的液体，接种到一个健康男孩身上。牛痘是一种类似于天花的疾病，但更为温和。可以说这是医学史上最为冒险的一次实验，他使该男孩与天花直接接触，好在那个男孩并没有染病。（但是，如果詹纳的设想不正确，这个男孩就会轻易死去。天花是一种致命的疾病，在大流行时，欧洲每三个人中就有一个死于天花）詹纳的实验成功了，这就首次导致一种有效的疫苗得以诞生，而詹纳成了英雄。

    但是当时没有人确切地知道，为什么天花疫苗有效，或者是什么因素引起这种或者那种疾病。在大多数情况下，医生无能为力，只能处理症状，让疾病走完全程，并安慰那些死里逃生的人。

    最后，巴斯德在19世纪60年代作出了重大突破，他提出了“细菌学说”，从而确认微小的生物体是引起传染性疾病的媒介。1876年，科赫发现了一种细菌——取名为芽孢杆菌蒽属，它是造成可怕的炭疽病的原因，这种病会杀灭整群的家畜，还会传播到人群中，2001—2002年间在美国发生的炭疽邮件就是一例。科赫的发现首次在疾病和微生物之间建立了明确的联系——微生物是如此之小，只有在显微镜的帮助下才能看见。

    到了19世纪90年代，好几种细菌被识别并确定它们与某些疾病和传染病相关，还找到了消灭它们或者至少控制其传播的新方法，并引进到医院和外科手术中。但是还有一些疾病依旧难以解释，似乎更难对付。狂犬病就是其中之一。巴斯德推测，也许与之有关的生物体小到这样的程度，即使通过显微镜也难以看到。还有一种疾病叫花叶病也难以解释，这种疾病感染烟草植物。早在1892年就有人建议，这种病是由于能够穿过最细微的过滤器的某种东西引起的。

    这时出现了一位荷兰植物学家名叫拜尔林克（Martinus Beijerinck，1851—1931），他是烟草商的儿子，受过植物学和化学两方面的训练。1895年，他做了一个实验。先从感染了花叶病的烟叶中挤出液汁，然后仔细检查其残液，希望找到所谓的细菌。但是他一无所获。他又仿照培养细菌的方法培养残液，但什么也没有培养出来。但是，如果健康植物接触到这一残液，就会感染上花叶病。如果没有细菌在场，那又是什么引起感染？他把残液经过滤器过滤，过滤器是如此精细，任何已知的细菌都会被它除掉。但是残液仍然感染健康植物。

    拜尔林克想，也许疾病是由于某种毒素。但也不是，因为他发现疾病可以在植物之间相互传染——他的结论是，无论它是什么，但它一定是正在生长和繁殖的东西。

    1898年，在经过反复的试验之后，拜尔林克发表了他的观察结果，宣布烟草花叶病是由于一种感染媒介引起，这种媒介并不是细菌，他称之为可过滤的病毒（virus，来自希腊语“毒”）。于是他发现了一系列传染媒介，后来证明是许多动植物疾病的根源，其中包括人类的黄热病、脊髓灰质炎、腮腺炎、水痘、天花、流行性感冒以及普通的感冒。但是，甚至又过了一代，生物学家仍然没有识破病毒的结构。

    最后在1935年，美国生物化学家斯坦利（Wendell Meredith Stanley，1904—1971）作出了突破性的工作。他把大量已经感染疾病的烟草叶捣碎，然后采用结晶方法，这种方法曾用于其他蛋白质身上，从而证实烟草花叶病病毒确是蛋白质分子，最后他成功地获得了一组外形像针一样的精细晶体。他分离出这些晶体，发现它们的感染能力与病毒的感染特性恰恰吻合。

    对于许多人来说，这恰恰证明，必须接受这样一个令人难以置信的信息：病毒是活的，难道不是吗？它们在细胞里可以自行复制——这是识别生命的关键标准之一。但是，斯坦利却像其他科学家结晶非生命化合物那样，居然结晶出显然是病毒的物质。这一新闻似乎使病毒置于生物与非生物之间的虚幻之地。这是一个混乱而又使人不安的思想。当人们试图对病毒进行归类时，争论一触即发。古老的关于什么是生命、什么不是生命的论战再次引发。

    当20世纪40年代的研究进一步证实病毒既含有蛋白质，又含有核酸的事实时，故事又有了后戏。仅就核酸而言，很快就弄清楚，它可以改变菌株的某些物理特性。生物化学家第一次开始把核酸看成是遗传信息的可能携带者，我们将在第七章“追踪遗传学和遗传现象之踪迹”进行讨论。现在对病毒及其遗传现象的研究已经开始出现——这一趋势在第二次世界大战之后的20世纪下半叶将会产生更大的成果。

    与此同时，20世纪上半叶，研究者更多关注微生物的生理机制，以及如何摧毁它们的生命功能，从而克服由于它们造成的疾病。在这一过程中，他们发现了大量一般意义上的生命功能。

    埃利希和“魔弹”

    埃利希曾这样宣称：“只要一个水管、一束火焰和一些吸墨纸，我就可以在一片空旷的地方工作。”然而，他要进行真正的思考，似乎还需要大量的矿泉水和雪茄烟，他烟不离口。确实，雪茄烟对于他的思维过程来说是如此重要，每当他外出时，不仅手中要拿着烟，还要藏一盒在衣袖里。

    埃利希有时很难与人相处，因为他总认为自己是对的。每天早上他给助手们一叠卡片，写明这一天实验的详细指示，以此来考验助手们的耐性。如果违背了他的指示，就会遭受冷遇。

    但是埃利希工作出色，由于这一性格，再加上作为一个实验家的才华和直觉，作为化学疗法的奠基人，他对科学和人类健康都作出了巨大的贡献。

    当埃利希还是德国莱比锡大学医学院的年轻科学家时，就对苯胺染料的作用机制发生了兴趣（康米罗·高尔基和科赫在他之前就已对此产生兴趣），苯胺染料可以使各种微观结构更容易观察。还在学校时，他就发现了若干有用的细菌染色剂，他的学位论文就是关于这一课题的。但并不是每个人都相信他能够在这方面取得更大的进展。科赫有一天访问埃利希的学校，遇到了这位年轻的热心者，科赫后来宣称：“非常善于染色，但他永远通不过考试。”科赫错了，埃利希通过了。

    还有，埃利希在1878年取得医学学位后，发现了一种给结核菌染色的好方法。这是科赫感兴趣的领域。这一成绩使他又一次受到科赫的注意，1882年至1886年之间，两人在一起工作，不幸的是，埃利希感染了轻微的肺结核，于是离开科赫到埃及去休养。

    1889年，埃利希返回后与德国细菌学家贝林（Emil yon Behring，1854—1917）及日本细菌学家北里柴三郎（Kitasato Shibasaburo，1852—1931）一起工作，他们都和科赫合作过。1890年，埃利希在柏林大学获得了一个职位。此时，科学家已经对疾病的成因以及自然物质在血液里如何产生自然免疫力有了一些新的见解。就在同一年，1889年，北里柴三郎和贝林宣布了他们的发现：他们不断给动物注射少量不会致病的破伤风毒素，这时，在动物血液会产生一种物质（抗毒素），以中和注射的毒素。他们还发现，可以用这个办法从已经获得免疫力的动物身上取出其血液的液体部分（叫做血清），用于使其他动物获得免疫能力。这一简单的步骤可以用来预防疾病，否则，致命剂量的毒素或者细菌就会使动物致病。

    与此同时，贝林、北里柴三郎和埃利希都在寻求治疗白喉的方法，这是一种致命的疾病，特别是儿童，一旦染上此病往往只有死亡。他们注意到，感染过白喉而又幸存下来的儿童在成年后似乎就不会再得这种病。显然在与疾病的斗争中，儿童的身体中产生了抗体，抗体保留在血液中，从而起到保护作用。但是用这种方法获得免疫力的风险太大。这三位细菌学家运用与对付破伤风相同的办法，埃利希则在剂量和治疗技术等方面继续工作，他们在1892年白喉流行期间，提炼出了新的白喉抗毒素，取得了成功。因为这项工作，提出这一思想的贝林获得了1901年诺贝尔生理学或医学奖。

    就在他们对付白喉成功以后，埃利希与贝林吵了一架，北里柴三郎回日本去了。于是埃利希只得孤军备战。由于对白喉抗毒素工作的肯定。德国政府建立了一个研究所专门研究血清，让埃利希当所长。埃利希不仅长于实验研究，善于构思精湛的步骤，而且总在寻求更多的治疗方法。他迫切要知道白喉毒素是如何攻击人体；毒素抗体又是如何抵御毒素使它不致伤害人体细胞。他需要知道他看到的现象背后的化学机制，于是他回到早年曾有兴趣的染色剂问题：染色剂的价值在于它能使细胞结构清晰地显示出来，或者使细菌着色，以便在无色的背景下进行观察。对这一现象应该有一个化学解释。染色剂一定是与细菌中的某种物质结合到了一起，通常的结果是它杀死了细菌。也许这一现象可以用于对付细菌。实际上，也许可以找到一种染料，能够给有害的细菌染色甚至杀死，而不伤害人体的正常细胞。也许可以创造这种“魔弹”，以攻击细菌所栖居的宿主为靶子，找到寄生物并摧毁之。于是，化学疗法就诞生了。

    埃利希开始寻找能够着色和杀死特殊靶标的染料，他发现了一种，称之为锥虫红，它可以用于杀死锥体虫——这是一种单细胞动物，可以引起多种疾病，包括昏睡病。

    他一开始猜想，也许是锥虫红里面的氮原子干扰了寄生虫的新陈代谢过程，于是想到用砷的各种化合物进行试验，看看还能够找到什么样的“魔弹”。砷跟氮有许多共同特性，但是毒性强得多。所以这一方法看来是可行的。他让实验室里每个人都参加，普查他们所能想到的所有含砷的有机化合物——包括自然的和合成的。总共试了几百种。1907年，他们做到第606号，把它用于锥体虫，效果不大，于是就把它和所有其余的放到一边，继续往下做。

    埃利希获得了1908年诺贝尔生理学或医学奖，是与俄国细菌学家梅契尼科夫（Ilyallich Mechnikov，1845—1916）分享的，奖励他们在免疫学方面的研究。但是事实上，埃利希最大的贡献还没有到来。

    第二年，他的合作者之一，秦佐八郎（Hata Sukehachiro，1873—1938）在复查测试砷化合物有效性的技术时，偶然用到了第606号样品。让所有人都惊奇的是，尽管第606号对锥体虫没有特殊效果，他却发现它对引起梅毒的螺旋菌有很强的破坏力。埃利希听到合作者的报告激动万分，立刻进行验证，并且重新命名为“撒尔佛散”（salvarsan），于1910年宣布了这一发现。魔弹就这样被发现了，它被用于控制梅毒这一具有高度破坏力的疾病，这种疾病通常通过性交传播，通常归咎于妓女、不忠婚姻或者其他淫乱行为，这些都是被社会所唾弃的现象。受害者由于梅毒造成不育，最终导致瘫痪、神经错乱和死亡。埃利希把65 000单位的药剂免费分发给世界各地的医生，他相信根除这种病，要比从中获取收益更为重要。撒尔佛散（现在叫做胂凡纳明（arsphenamine））的发现标志着近代化学疗法的开始，标志着一类药剂开始问世，这类药剂实际上是一种合成的抗体，它能够寻找并且破坏侵袭的微生物，而不伤害患者或宿主。

    埃利希常常说，他坚定地相信“四个大G”对成功的重要性。所谓“四个大G”是德语四个词Geduld，Geschick，Geld，Gluck的缩写，意即“耐性、能力、金钱和运气”。但是当人们祝贺他发现第606号药剂时，他只说了一句：“我在7年坏运气中，只一次侥幸遇到了好运气。”

    评论却是低估了其中所涉及的巨大工作量，实际上，埃利希不仅是指挥者，也是身体力行的工作者。在1877年至1914年之间，埃利希发表了232篇论文和著作。再有，实验本身极其劳累，正如他的一位助手玛尔夸特（Marthe Marquart）所解释的：

    “局外人不可能体会到在这些漫长的实验时间里有多大的工作量，实验必须重复又重复，连续几个月。人们常常说606是第606次实验，这是不正确的，因为606是样品的号码，和所有以前的样品一样，用它做了许多次实验。所有这些加在一起，工作量之大是难以想象的。”

    埃利希提出的化学疗法所用的技术至今仍在不断地产生成果，他和他的合作者治疗昏睡病和梅毒的方法一直行之有效。直到20世纪30年代，又新添了两项突破性工作。

    20世纪30年代中期，世界上所有实验室都在寻找能够更有效地对付细菌感染的染料或者其他化合物，许多私人医药公司纷纷建立自己的实验室，以便赢得这场竞争。在德国，多马克（Gerhard Domagk，1895—1964）成了法尔本（I．G．Farben）公司一间实验室的主任，在那里他和同事们开始致力于研究链球菌，这是一种厉害得能引起血液中毒的细菌。多马克开始用一系列新合成的染料进行各种试验，1932年，他偶然用到一种叫做百浪多息（Pro—ntosil）的橙红染料，在实验中治愈了老鼠的链球菌感染。这是一条激动人心的新闻，因为这类细菌比埃利希的梅毒螺旋菌还要小且更难制服。

    就在多马克还没有机会在人体上检验他的发现时，一位医生请求他帮助一个因为葡萄球菌感染了血液而快要死去的婴儿。当时百浪多息只对链球菌感染做过试验，但对葡萄球菌感染的效果如何，则不得而知。但这位医生说服多马克让他试试，只为救那个孩子。婴儿接受百浪多息4天后，温度降下来了，3个星期内完全康复。多马克自己的小女儿希尔德加，也在1935年2月的链球菌感染中被治愈。当它治愈了另一桩危险的感染，挽救了美国总统的儿子小富兰克林·罗斯福（Franklin Delano Roosevelt，1914—1988）的生命时，这一药剂获得了世界范围的声誉。

    后来证明，多马克的百浪多息中的有效成分是磺胺。很快研究者找到了`一系列相关的有机化合物，名为磺胺药剂，证明对链球菌、淋菌、脑膜炎双球菌，以及某些类型的肺炎球菌、葡萄球菌、布鲁氏菌和梭状芽孢杆菌等感染高度有效。

    美国细菌学家杜博斯（Rene Jules Dubos，1901—1982）度过一段漫长而富有成效的职业生涯。还在早年时期，他就证明，微生物产生的自然物质也有可能当做抗菌药。1939年，杜博斯从土壤细菌中得到某些物质，证明对肺炎球菌有效。这一发现迅速导致对于1928年发生的一个事件的重新检验，这是名叫弗莱明（Alexander Fleming，1881—1955）的细菌学家在伦敦圣玛丽医院接种部作出的发现。

    如果弗莱明是一位更有条理、更不敏感的科学家，世界也许难以享受这种最有效力的抗菌剂的思想。1928年的一天，他度假归来，正在清洗一批离开时留在实验室角落里的细菌培养皿。但是，当他把所有器皿垛在消毒盆里，准备清除其中的培养物以便再用时，却偶然注意到其中一个器皿有些异样，于是就从水盆里把它拿了出来。

    引起他注意的是培养皿里有一块地方长着不寻常的霉斑，周围环绕着葡萄球菌的黄色群落。在他工作的旧实验室里，炎热的夏天空气中充满了各种各样的孢子，所以，霉斑的出现本身并没有什么好奇怪的，但奇怪的却是，围绕霉斑一英寸范围内所有细菌都是无色透明的。显然，在细菌学家训练有素的眼里，一定是有什么东西杀死了霉斑周围的葡萄球菌。弗莱明知道他发现了某种东西。于是他拍下照片，擦去一些霉斑使它再繁殖，并且保存了这个盘子。他把培育得到的霉斑样品送到其他实验室。他和他的同事们也对这些样品作了研究。

    霉斑就是青霉菌，弗莱明发现，由它产生的一种物质是针对试管和培养皿的一种有效消毒剂，并且可以用来纯化菌株。他和他的实验助手发现，青霉素对抑制猩红热、肺炎、淋病、脑膜炎以及白喉的致病细菌都有效，但是他们的提炼还不够纯，因而无法检验它作为药剂的有效性。因此，除了在实验室使用外，弗莱明的霉菌在架子上搁了十年之久。

    后来在1938年，来自英国以外的两位细菌学家，钱恩（Ernst Chain，1906—1979）和弗洛里（Howard Florey，1898—1968）在英国的牛津大学聚到了一起，钱恩是犹太移民，从纳粹手中逃到英国；弗洛里来自澳大利亚，两人在一次普查科学文献中有关抗菌剂的资料时偶然检索到了青霉素。他们发现一株霉菌（弗莱明送给他们的样品的后代）在他们的实验室培养得不错，马上抓住不放。随即，弗洛里和钱恩以及他们在牛津的合作者解决了如何大规模生产青霉素的问题，这样一来，就有足够的剂量可以在病人身上做试验。由于第二次世界大战的爆发，对于完成这项工作和得到新的抗菌药，出现了从未有过的迫切性，于是该项目转移到了美国的药物实验室。

    弗莱明特殊的青霉菌株后来再也没有能够在实验室之外得到培育，尽管类似的菌株经过紧张的搜寻后终于在伊利诺斯被发现（这一菌株现在还在用）。所以，如果不是弗莱明的眼明手快，也许那天在他实验室里的青霉素就会冲洗到下水道里去了。如今成千上万的人民避免了由于感染而死亡。从此，肺炎、猩红热之类的疾病不再可怕。1945年12月，弗莱明、弗洛里和钱恩由于他们的工作荣获诺贝尔生理学或医学奖。

    由于青霉素的发现，全世界的实验室都在积极寻找土壤中的真菌以探求更多的抗生素，因此找到了大量品种，还找到了针对落基山斑疹热和斑疹伤寒的治疗方法。此外，在美国药物厂家工作，并在罗特格斯大学教书的瓦克斯曼（Selman Waksman，1888—1973）于1943年发现了链霉素，源于他的一个学生在小鸡身上发现的一种霉菌。它是第一个能够彻底消灭结核菌的抗生素（antibiotic，这个名字就是瓦克斯曼起的）。许多抗生素可以削弱细菌，而瓦克斯曼的链霉素能够杀死细菌。瓦克斯曼的雇主莫克斯公司走了不寻常的一步，决定让新的药剂成为普遍可得的产品而没有申请专利，因为他们考虑到这一产品对于人类是如此重要，它应该被尽可能广泛地生产和分配。

    所有这些突破的成果都相当惊人。美国死于肺炎和流行性感冒的人数在1945年至1955年间下降了47％，而梅毒的死亡率下降了78％。当时还不是所有儿童都能对白喉作预防接种，但是该病引起的死亡率下降了92％。凡是青霉素族药剂以及其他各种抗生素能迅速供应的地方，传染病引起的死亡都急剧减少，而在20世纪初以前，传染病引起的死亡可是所有死亡的主要原因。

    饮食问题

    19世纪后半叶，巴斯德的微生物学说以及后来关于病毒也是疾病成因的发现，使许多从事公共卫生的人们找到了解决问题的办法，但是另一个关键因素也开始在研究和观察中呈现。自从18世纪以来，由于在英国水手的食物中加酸橙汁，几乎完全消除了航海中坏血病的发作。看起来疾病也可能是因为食物中缺少某种需要的物质引起的。于是在医学界，人们对于日常饮食大感兴趣。

    在19世纪，人们发现，蛋白质在食物中起着重要作用。其中还有“完全”蛋白质和“不完全”蛋白质之区分，完全蛋白质出现在食物中时，则为生命提供足够的营养；不完全蛋白质则起不到这一作用。但是没有人知道区别在哪里。1820年，科学家分离出一种物质叫做甘氨酸，这是出现在复杂明胶分子（一种蛋白质）中的简单分子。甘氨酸属于一类名叫氨基酸的化合物，它们是蛋白质的基本成分。不久在蛋白质中又发现了其他的氨基酸分子，到了1900年，已经发现了12种不同的氨基酸单元。

    名叫霍普金斯（Frederick Gowland Hopkins，1861—1947）的英国生物化学家第一个证明，不是所有的蛋白质都含有全部氨基酸，有些氨基酸对生命是基本的，有些则不是。1900年，他发现从玉米中分离得到的一种蛋白质不含色氨酸，这种蛋白质叫做玉米蛋白，不足以为生命提供全部营养。然后，他把色氨酸加到玉米蛋白中，惊奇地发现，现在玉米蛋白可以为生命提供全部营养了。在20世纪初期，其他实验证明，身体可以生产某些氨基酸，至于身体不能产生的，人们称之为“基本氨基酸”，必须通过营养得到供应。没有它们，人就会生病，死亡随之而来。

    所以，食物对于健康至关重要，除了制服细菌之外。而氨基酸肯定还不是全部答案。坏血病是怎么回事？酸橙汁解决了这个问题，但是为什么？酸橙汁中已知的各种成分中不可能有这一效应。液汁里一定含有某种未知而又基本的“痕”量物质。

    霍普金斯和来自波兰的冯克（Casimir Funk，1884—1967）提出，坏血病和其他几种疾病，包括脚气病、佝偻病和糙皮病都是由食物缺陷引起的，亦即少了他们所谓的“食物辅助因子”，或者冯克在1912年所称的“vitamines”。这个名词后来转变为vitamin，即维生素。

    20世纪最初的30年，基于“维生素假说”，人们在对付疾病方面取得了惊人进展。 1915年，戈尔德伯格（Joseph Goldberger，1874—1929）用之来解决糙皮病问题。

    戈尔德伯格是一个才华横溢的年轻人，16岁进入纽约城市学院学习工程学。但是他后来迷上了医学，于是改变志向，成为一名医生。经过两年的私人营业后，他感到枯燥乏味，于是参加海军医院竞赛考试，结果得了最高分，从而进入美国公共卫生局当了一名“微生物猎手”，专门和美国流行的黄热病、登革热、斑疹伤寒、肠伤寒以及其他传染病作战。1914年，他应征解决糙皮病问题，这是两个世纪以来流行于美国南部折磨穷人的一种疾病。这是一种讨厌的疾病，它会使人皮肤肿胀、起痂、变红，引起腹泻，最终精神失常。所有人都假设这是某种传染病菌引起的，但是没有一个人发现这种病菌。有时候儿童，特别是孤儿，在他们的成长过程中似乎都会受到这一疾病的“煎熬”。

    戈尔德伯格解决这个问题的方法就是观察。他没有安排实验室，也没有用显微镜，只是观察和倾听。糙皮病在孤儿院和收容所里特别盛行，但工作人员似乎从来就染不上这种病。戈尔德伯格想，如果它是传染性的，为什么工作人员不得这个病？在日记里，他写道：“尽管护士和服务员看起来也吃同样的食物，但依然有一个差别，这就是护士有特权选择最好和品种最多的食物。”他的结论是，糙皮病是食物的缺陷引起的。

    然而，为什么是流行病呢？戈尔德伯格在采访了许多医生后认识到，经济低潮使美国南方许多地区的食品比平常更为缺乏。戈尔德伯格通过自己的研究证明，糙皮病是因食物中缺乏一种维生素引起的。大多数农村劳动力就靠面包和糖浆为生，没有肉类或某种必要的食物来源，后来在1937年发现，缺少的因子是尼克酸（niacin），也叫维生素B2。孤儿院儿童中能够自己康复的，都是那些长大后开始工作的人们，他们终于有能力在自己的食物中加上肉类。戈尔德伯格后来用狗做实验，使狗患上糙皮病，于是在1923年发现，酿造啤酒的酵母可以防止糙皮病。

    人们终于发现缺乏维生素是产生下列一些疾病的原因：脚气病（维生素B1）、糙皮病（维生素B2）、坏血病（维生素C）、佝偻病（维生素D），以及某些与视力及夜盲有关的问题（维生素A）。结果就是，到了20世纪40年代，所有这些疾病都已不再像过去那样，成为主要的医学问题了。

    概括说来，1895年到1945年是一个在巴斯德、科赫以及其他人奠定的基础上，微生物学和生物化学大展身手的时期，对于生命功能及其过程有数不清的奥秘已被揭示，此外还在医学方面作出了许多激动人心的突破。这些方法也将在遗传现象的研究上发挥作用，正如下一章所要讲到的那样——生物化学和微生物学在20世纪前半叶茁壮成长，时至今日，在生命科学中仍然处于研究前沿。

    追踪遗传学和遗传现象之踪迹

    20世纪早期的生命科学从19世纪继承了两个伟大的思想：进化论和遗传学。进化论的先驱性工作是达尔文的《物种起源》，这本书于1859年出版时犹如一石激起千层浪。它自然也引出下述问题：性状是如何从一代传递到另一代的？遗传现象的机制是什么？20世纪（也包括21世纪）见证了人们对于这些问题的广泛兴趣。与此同时，某些回答在奥地利的奥古斯丁派修道院里慢慢出现。这一工作是由一位名叫孟德尔的修道士完成的，不过在当时却几乎完全遭人忽视，直到20世纪初它才被人们重新发现。

    孟德尔

    孟德尔是农民的儿子，曾经为庄园主照看过果树，也许就是这一职业，促使他步入植物学研究领域。后来为了维持生计，他还做过家庭教师，21岁时进入摩拉维亚地区布隆市的一所奥古斯丁派修道院。因为该修道院要向孟德尔的故乡奥地利的学校提供教师，于是他被送到维也纳大学接受数学和科学的训练。孟德尔显然运气不佳，他考试三次都失败了，还得了神经衰弱症，但最终还是完成了学业，于1854年成为一名教师。

    孟德尔打开了给遗传学输入革命见解的大门，这个领域的研究在20世纪继续蓬勃发展。接受大学训练之后不久，孟德尔即投入到一个研究项目之中，尽管该项目只不过是他自己的业余爱好，但是他却和所有科学家那样，满怀激情地关注细节和实验。他在实验中使植物育种技巧与教学相结合，而当时没有人会想到它们之间会有相关性。因此，他从事的是一项非凡的研究，它需要付出旷日持久的努力，其动力正如同大多数科学家一样：强烈的好奇心。

    事情是这样开始的：在进入修道院后，孟德尔即开始尝试培育不同颜色的花朵。这类事情极为寻常，几百年来，动植物育种家们一直在控制杂交的结果。在这一过程中，孟德尔学到了植物人工育种的经验，他还注意到他的结果有些奇怪。当他杂交某些品种时，通常他会获得同样的杂交结果。但是当他杂交混合品种时（其双亲有对比的性状），有时它们的后代会有非常奇特的性状。这使孟德尔大为疑惑，于是他决定寻找其原因。

    当然，孟德尔并不是第一个注意到这一现象的人。但是从来没有人计算过显示不同形态的后代的数目，或者试图予以区分。没有人逐代进行追踪或者进行统计研究。但是对于孟德尔的数学头脑来说，这似乎就像一个逻辑步骤。

    他开始建立一项计划。他认识到，他必须对许多植物进行连续数代的培养，才能得到他所需要的统计信息。否则，只用几株植物，他就不可能得到足够多的样品，从而导致错误的结果。正如他在后来发表的一篇论文的引言中所述：“这的确需要某些勇气，才能承担这样艰巨的劳作。但显然这是我们最终能够达到解决问题的唯一途径，它对于有机体的进化极其重要。”

    从1856年到1864年，他在修道院的花园里种植豌豆，仔细地记录一代又一代的性状。于是这位谦逊的修道士成为用公式表示遗传现象基本原理的第一人。他小心翼翼地做杂交实验，仔细检验和记录成千上万株植物的细节——他最著名的观察对象就是豌豆。

    之所以采用豌豆，是因为长期以来园丁们已经培育出了纯系。例如，矮株豌豆总是长出矮株植株，高株豌豆总是长出高株植株。再有，豌豆是自花受精植物，但也可以异花受精，这就使某些有趣的实验成为可能。他选择了7对容易鉴别、对比鲜明的性状来进行观察，诸如高株和矮株、种子平滑和种子起皱、绿色子叶和黄色子叶、豆荚饱满和豆荚干瘪、黄色豆荚和绿色豆荚，等等。孟德尔把具有相反性状的植株进行杂交。要做到这一点，他首先从花上摘除雄蕊，以防止自花受精。然后从对比植株采集少许花粉放在柱头上。又把花包扎起来，以防通过风或昆虫再度受精。杂交植株会产生种子，他把这些种子收集起来，加以分类，重新种植，以观察子代会出现什么性状。后来，他还把这些杂种再行杂交，看看结果如何。在这一过程中，他总在仔细做记录，注意后代有什么性状。他还多次重复这些实验。

    他发现，如果把纯的高株与纯的矮株杂交，由此产生的杂种全是高株，看上去和两棵高株交配产生的情况完全相似。不管是高株还是矮株作为父本或是母本，结果全都一样。孟德尔把这种表现出来的性状，在此就是高株，称为“显性”性状；在第一代杂交后代中不显示性状的，这里就是矮株，称为“隐性”性状。下一步，他让两棵杂种植株杂交（两棵都是高株，但是一方亲代来自矮株）。他做了几百株这样的杂交，发现结果是，子代中有的矮，有的高。他作了统计，计算其比例。共有787棵高株和277棵矮株——高株大概是矮株的三倍（3：1）。

    孟德尔发现，对于他所研究的这7对性状，都具有相同的统计分布（舍弃不重要的百分之几的偏差）。当然，他仅关注只有两种不同形式的简单性状。但是因为他的这一做法，当他追踪亲代性状是如何传给后代时，他就能够容易识别其中表现出的模式。他认识到，尽管表面上个体显示出许多差别，但在表面之下甚至还存在更多复杂的差别。孟德尔后来得出结论：“显然从外部的相似性推出其内部性质是何等轻率。”

    盂德尔并没有止步于第一代杂种（其双亲具有不同的被测性状）。他继续做实验，直到第五代或第六代。他还同时用不止一种性状进行实验，根据详尽的实验结果得出结论，亦即著名的孟德尔两大原理：分离原理和自由组合原理。

    根据分离原理，在有性繁殖生物（包括植物）中，两个遗传单元控制每个性状。但是，当生殖细胞形成时，这两个单元相直分开（分离），因此，子代从一方亲代中为每个性状获得一个单元。孟德尔的工作给出的第一个暗示就是，遗传也许是由分立的粒子所控制，遗传控制单元不是混合的。

    当生殖细胞形成时，根据自由组合原理，每一性状的遗传单元的分布与其他单元的分布互不干涉。例如，他发现他既可以得到具有皱皮种子的高株豌豆或矮株豌豆，也可以得到具有平滑种子的矮株和高株豌豆。

    当然，我们必须承认，孟德尔能够得到如此清晰、规则的结果实在是种幸运。他在豌豆中选择的特定性状，每一对都具有明确间断的变化，没有中间等级。每一种性状都是简单的，不是受多个遗传单元所控制。结果是，比如说，他不会得到中等高矮的豌豆后代，而总是或者高株或者矮株。对于人类，我们现在知道，身高和肤色是被好几种基因控制的，所以有可能得到中间程度的身高和不同程度的肤色。然而，人类的白化病是一种简单的受一对基因所控制的性状，和孟德尔的模型相似。因此，如果父亲和母亲都有正常的肤色，但是每人都有一个基因是白化病的隐性性状，他们就可能得到一个白化病的孩子。（事实上，这一概率是四分之一。）

    再有，孟德尔恰好选择了没有任何相关性的性状——他认为遗传单元都是独立的粒子，我们现在知道并不是这样。所以在他的研究中，没有现在所谓的“连锁”引起的奇怪结果（后面还要讲到这一点）。所以，如果说他的自由组合原理还有效，那只是针对那些没有相关性的性状。

    孟德尔认清了从未有人看到过的模式，他的工作应该引起很大的反响。但是，当他向当地的自然历史学会宣读他的实验结果论文时，遇到的却是完全的沉默和冷漠。没有人感到有必要提任何问题，也没有报告后的讨论。孟德尔感到失望，他承认自己只是一个完全不知名的业余爱好者，因此他想到要去寻求一位著名植物学家的支持。19世纪60年代初，他把论文寄给瑞士植物学家纳格里，但是这篇论文对于纳格里来说太数学化了。值得肯定的是，纳格里曾经猜想，进化是跳跃式而不是平稳式的连续过程。但孟德尔这篇完全非猜测性的论文却没有激起他的兴趣，被他轻蔑地拒绝了。孟德尔也曾经在1865年和1869年，在知名度不高的《英国自然历史学会学报》上发表过两篇论文，但很少有人注意到。注意到的人，也许是植物学家，论文却含有太多的数学；也许是数学家，论文则含有太多的植物学。

    因此，遗传学历史上最引人注目的信息居然蒙尘长达35年。孟德尔死于1884年，当时没有任何人会想到，有朝一日他会由于这项工作而出名并受人尊敬。

    孟德尔的再发现

    在孟德尔工作的这段时间到20世纪初，两项重要进展——改进后的显微镜和改进后的细胞染色法——打开了通往观测细胞核的渠道，并且使得在不同层次上考察遗传因子成为可能。于是，科学家开始考察细胞核，并发现了在细胞分裂前不久出现的棒状体。这些棒状体，或者所谓的染色体，沿纵轴一分为二，由此产生的两条染色单体分别进入分裂后的两个子细胞。然后染色体卷成一个球，似乎消失了。但是没有人知道染色体起的是什么作用。

    1900年，一位名叫弗里斯（Hugo de Vries，1848—1935）的荷兰植物学家已经认识到，达尔文没有解释个体如何变异并且把这些变异传递下去。于是他着手提出一个理论，用以说明不同特性彼此间如何独立变异并且以许多不同组合方式重新组合的。他从月见草的研究中发现，这种植物的某些类型看来似乎与野生植株有实质性的差别，由此得出结论，新的性状或者突变可以突然出现，并且可以遗传。他通过实验发现，这些相差甚异的不同形式还会繁殖真正的后代。弗里斯在发表他的工作前，查阅这个课题已经发表的各种文献，结果偶然发现了孟德尔19世纪60年代发表的论文，这使他大为惊讶。

    碰巧还有两位科学家，一位在奥地利，一位在德国，也恰好几乎同时发现了孟德尔的工作。他们三位的伟大在于没有一个人将孟德尔的工作占为己有。他们三人都发表了孟德尔的结果，把这一工作完全归功于孟德尔，加上自己的名字只不过是以示确认。

    弗里斯观察到的有些变异并不是像他所认为的，是真正的突变，而是杂交组合。但是，来自于其他渠道的有利证据，仍然有力地支持他的突变概念。实际上，突变已经在很长时间里被普遍观察到，并且被那些畜牧业者用于对牛羊和其他家畜进行选种。但不幸的是，在那些日子里，科学界和畜牧业者之间很少交流。所以，当弗里斯在1901年出版的名为《突变论》（Mutationslehre）的书，其中提出这一观点，进化是由于突变（mutation，源于拉丁语，意思是“变化”）时，它成了新闻。一般都把进化原因的这一条研究线路归功于他。

    贝特淼和基因连锁

    当英国生物学家贝特森（William Bateson，1861—1926）读到弗里斯发现的孟德尔的论文时，印象深刻。他随即成为孟德尔理论的坚定支持者，并把孟德尔的论文译成英文。1905年，他还基于自己对遗传性状所做的实验，从而推进了孟德尔的工作。他发现，并不是所有的特性都是独立遗传，有些是相关的，或者一起遗传。1905年，他发表了自己的结果。

    到这个时候，关于遗传机制的研究正在成形，并且有了相对丰富的文献，贝特森给这个正在成长中的新领域命名为遗传学。1908年剑桥大学任命他为遗传学教授，这是世界上第一个遗传学教授职位。但是，解释基因连锁机理的却是美国科学家摩尔根（Thomas Hunt Morgan，1866—1945）。

    摩尔根的果蝇

    在遗传学的研究中，很少有像摩尔根那样，在果蝇研究上作出了如此富有成效的工作，他最伟大的灵感之一就是采用这一微小而又容易繁殖的生物来检验他关于遗传特性以及它们如何世代相传的思想。

    摩尔根摩尔根是显赫的南方世家后代（一位联邦将军的侄子），1890年从约翰·霍普金斯大学获得博士学位后加入布林马尔学院。1904年成为哥伦比亚大学实验动物学教授。

    孟德尔的工作恰好在前两年重见天日。那些曾经观察过细胞分裂和卵形成时染色体行为的人们，都在谈论这些过程和孟德尔发表的结果之间配合得如此之紧密。但是人体细胞只有23对染色体，它们不能解释人体形态中成千上万种特性，除非染色体中还有某种更小的结构在起作用，并且这些结构携带有大量的因子。1909年，这些因子取名为基因（gene，来自希腊语，意思是“产生”）。然而，当时并没有人知道基因究竟是什么，或者是什么机制使它适于携带遗传信息。

    具讽刺意味的是，直到1908年，摩尔根还在怀疑孟德尔的工作，但是，摩尔根对突变过程十分好奇，他要寻找一种合适的样品来进行这项研究，正如孟德尔发现豌豆一样。他最后找到了果蝇，它体型微小，繁殖极为快速，有显著的突变，只有四对染色体，易于用香蕉喂养。摩尔根发现果蝇可以一年里繁殖30代。不久，摩尔根在哥伦比亚大学的实验室里放满了果蝇瓶。

    然而，经过日复一日的仔细检查，摩尔根还是没有发现任何突变。他把果蝇置于高温和低温下，暴露在酸、碱和放射性之下，喂给它们不寻常的食物，但仍然没有突变。1910年4月的一天，在经过一年的观察和守候之后，一只不正常的白眼果蝇被发现了：果蝇通常是红眼睛的。这正是摩尔根期待已久的突变。他让白眼雄蝇与正常的红眼雌蝇交配。不久，就有了1 237个后代，每个都是红眼。然而，在下一代的4 252个果蝇中，798个是白眼。他成功地使突变性状保存了下来！

    但是，这些数字里有两件奇怪的事情。首先，比例不是孟德尔的31；其次，所有的白眼果蝇都是雄性。当摩尔根和他的小组进一步检验这个问题时，他们发现白眼性状与性别连锁：这是他们发现的第一例连锁性状。

    进一步研究揭示，染色体是遗传物质的载体，基因以直线形式排列在染色体上，它们就像一根绳子上串着的小球，或者链条中的链环。

    到了1910年底，摩尔根已找到40种不同的突变，他取名为驼峰、圆胖、红眼、摺皱、矮胖和斑点。有些没有翅膀，有些没有眼睛，有些没有刚毛，有些卷翅，等等。在大多数情况中，突变不是有利的，但是他发现了其他相关性。白眼只与黄色翅膀共存，与灰色翅膀决不共存。一种他称之为乌黑体的性状，只与粉红色眼睛在一起；另一种叫做黑色体的只与黄色翅膀在一起。摩尔根开始认识到，某些性状位于同一条染色体里。

    然后有一天，真奇怪，白眼果蝇却没有黄色翅膀，这是一个真正的难题。摩尔根大胆解释，也许是染色体之间发生交换从而得到另一条不同的染色体。如果真是这样，也就是说，一组性状与另一组性状相联系，这是以前从未发现过的。后来证明，情况正是如此。（这种情况后来叫做交换）

    摩尔根的工作风格典型体现了在20世纪科学中越来越普遍的团队合作，团队中集中体现了好些科学家的特殊才能。在摩尔根的团队中有斯特蒂文特（Alfred Sturtevant，189I—1970），他是数学分析家，善于分析从果蝇杂交中得到的结果，确定染色体上遗传因子的定位；缪勒（Hermann Muller，1890—1967），一个理论家，善于设计实验；布里奇斯（CalvinBridges，1889—1938），尤为擅长细胞研究。他们既独立研究，也作为一个整体共享结果并在实验中合作。他们一起提出了这一思想，所谓的孟德尔因子，就是在染色体上占据确定位置的特定物理单元，或者基因。

    摩尔根和斯特蒂文特、缪勒及布里奇斯一起，在1915年发表了《孟德尔遗传现象机制》（The Mechanism of Mendelian Heredity）一书，通过作者们划时代的研究，该书为盂德尔式的遗传现象提供了一种分析和综合。这是一本经典著作，已经成为有关遗传现象的现代解释的奠基之作。

    摩尔根在1926年又出版了《基因论》（The Theory of the Gene），该书建立了基因理论，并且借助于可用的手段——头脑、眼睛和显微镜，尽可能地扩展和完善了孟德尔的工作。摩尔根有一位学生用X射线探索遗传密码，但是在基因研究方面没有取得重大进展，直到又过一代之后，分子生物学问世，克里克和沃森的工作出现。摩尔根在1933年荣获诺贝尔生理学或医学奖。

    达尔文和孟德尔的结合

    自从弗里斯发现了孟德尔的工作以来，这位修道士有关遗传学方面详尽的实验证据和达尔文的进化理论未能成功地融在一起。一般而言，遗传学家假设，存在正常的基因和偶然的突变。他们认为，大多数突变会被清除掉，而少数有用的突变则导致进化改变。就在这时，遗传学家杜布赞斯基（Theodosius Dobzhansky，1900—1975）出场了。

    杜布赞斯基杜布赞斯基生于乌克兰，受教于基辅大学，1921年毕业。他离开俄国到美国纽约哥伦比亚大学随摩尔根工作。他还随同摩尔根到加州理工学院，并留下任教，1937年成为美国公民。

    杜布赞斯基在《遗传学与物种起源》（Geneticsand the Origin of Species）一书中，成功地综合了达尔文和孟德尔的思想。他指出，突变实际上极为常见，往往既可生存，也是有用的。因此，杜布赞斯基抛弃了“正常”基因的概念，只有“幸存”和非幸存之分。哪一种基因能够生存下来，取决于当时的机遇和当地条件。对某一生境有利的，也许换了一种生境就会成为不利。在某一时刻成功和有用的，也许在另一个时刻就会趋于灭绝。

    弗里斯、贝特森、摩尔根、杜布赞斯基及其同事们，在20世纪前半叶对遗传学所做的重要工作，大大有助于回答有关遗传过程的各种问题。到了1945年，遗传学家正在迅速揭示与微观生命世界有关的各种奥秘。

    寻找古人类

    19世纪末，达尔文的进化论得到更广泛的接受，但绝不是普遍接受，于是，许多科学家开始寻找化石，希望能够为达尔文的人类进化理论提供肯定或者否定的证据。对于“进化论者”来说，这种寻找活动基本上寄希望于找到所谓“空缺的环节”——一种化石，许多人相信通过它能在人类与其类猿祖先之间建立起直观的联系。与许多人对达尔文理论的误解相反，达尔文其实并未宣称人类是猿的直接后代，而是说人类和猿通过共同的祖先相联系。于是，化石的搜索者假定，如果人类和猿类有共同的祖先，就有可能发现某种具有中间形式的化石，当然它已灭绝，从而把人和猿联系起来，这种中间形式将会具有双方的某些特征。

    一个由达尔文的强硬对手，动物学家和古生物学家欧文领导的“反进化论者”团体，尽管人数不多，也不算活跃，但一心希望找到远古人类化石。他们相信，这类化石可以证明人类没有经历任何进化过程，相反，人类一直是“完人”，随着时间的推移，很少变化或者完全没有变化。简言之，尽管大多数反进化论者已经接受了古老地球的思想，但他们还是相信，人类打一开始就是“人类”。因此，我们祖先的远古化石如果能够找到，应该与其现代后裔非常相似。

    至于人与猿之间所谓的相似性，欧文等人也强烈反对。欧文主张，人与猿之间尽管有某些结构上的相似性，但重大差别却有更多。他最关心的是那些与外界和环境影响无关，可以世世代代传递下去不会改变的差别。他乐于引用的论据之一就是大猩猩突出的眉脊。欧文论证说，既然眉脊上没有肌肉，并且大猩猩的行为中没有任何迹象暗示，眉脊会被世代起作用的外界原因改变，所以，眉脊应该出现于所有的大猩猩的祖先及其所有的后代中。欧文论证说，这样一来，如果人与大猩猩共享同一祖先，则人也应该有这样凸出的眉脊，而实际上这在人的身上非常罕见。于是欧文主张，人与猿不可能共享同一祖先。

    有讽刺意味的是，在最早发现的化石之中，正是这样的眉脊成为主要干扰的特征，因为这些化石被认为正是早期人类的化石。

    尼安德特人

    1856年，正在德国尼安德特河谷附近的石灰石洞穴里劳作的采石工人，偶然挖掘出了欧洲第一块可疑的人类化石。遗骸包括一个沉重的颅顶和一打以上的骨头。化石引起当地学校一位教师的注意，于是他把这些化石收集起来，送给波恩大学解剖学教授夏夫豪森（Hermann Schaaffhausen，1816—1893）。夏夫豪森在对这些有趣的骨头作了研究之后，于1857年在波恩的下莱茵医药与自然历史学会会议上报告了他的结论。他说，骨头是人骨，非常古老，但是它们与德国目前已知的任何人种都不同。肢骨非常粗壮，以畸形的方式与发达的肌肉连接，那些形状奇特的颅骨具有发达的眉脊，“这是大型猿类面部构造的特征”。夏夫豪森教授的结论是：骨骼一定属于古老的北方野蛮部落，这个部落也许在很久很久以前曾经被德意志人征服过。

    其他科学家很快听说了这一消息以及夏夫豪森教授的结论。1861年，尼安德特人（人们后来这样称呼那些引起争议的骨头）成了激烈争论的中心。谁是尼安德特人，或者尼安德特人到底是怎样的？他是不是像进化论者相信的那样，非常古老，处于人类早期阶段？他那近似于动物的、类猿的额眉和结实弯曲的骨头，果真提供了显著的证据，表明人类与某些类猿祖先具有联系？或者，像反进化论者相信的那样，他只不过是畸形的现代人，极有可能是一个高度扭曲、外貌丑陋、与世隔绝的隐士，死于发现残骸的洞穴里？在这个洞穴里，没有发掘到其他有助于确定年代的化石——动物或者植物，而今天用来测定年龄的复杂技术当时还没有研制出来。所以，反进化论者的看法对许多局外人来说极有说服力。依据外貌以及由外貌得到的暗示，要相信这样一个生物以某种方式与现代人有所联系，实在令人匪夷所思。即使某些进化论者，在面对尼安德特人似兽的外貌时也感到困惑。一位著名的进化论者叫威廉·金（William Jing），爱尔兰戈尔韦女王学院的地质学教授，他对尼安德特人的外表尤其感到困惑——这一外表给他的暗示是，一种“思想和欲望……绝不会超出兽类水平”的生物。威廉·金建议把尼安德特人专门分成一类，叫穴居人（homo neanderthalensis），以便与给予人类的名称“智人”（homo sapiens）相区别。

    尼安德特人真是进化论者所谓的空缺环节吗？赫胥黎，一位出色和好斗的进化论者，所谓“达尔文的斗犬”曾精辟地概括了进化论的主要观点。赫胥黎论证说，尽管这些头骨是迄今为止所发现的最接近猿的遗骸，但它不是来自介乎猿与人之间的生物。赫胥黎还论证说，决定性的因素是大脑容量，尼安德特人的颅容量几乎为最大的猿的两倍，处于现代人的范围之内。尼安德特人非常古老，近似于兽，但却是人。它不是那个空缺的环节。尼安德特人肯定非常原始，许多人不愿意看到这一点，但它却还不够原始，不足以充当猿和人的共同祖先。

    在以后的年代里，世界范围内发现了更多这类奇特的人类化石，有男也有女。通俗出版物中的漫画迅速传播了这种蹒跚而行近似于兽的“猿人”形象，具有发达的下巴和眉脊，后来还成了低成本拍摄的好莱坞电影中的角色。即使在今天，它们的身上依然笼罩着神秘。后来的发现证明，第一批尼安德特人化石并不十分典型。科学家的结论是：许多骨头扭曲变形也许是由于关节炎。有一位人类学家认为，典型的尼安德特人如果穿上现代人的衣服，头上戴一顶帽子，走在今天车水马龙的街道上，不会招来行人的回头率。

    然而，尼安德特人究竟与现代人是什么关系呢？现在估计，尼安德特人大约生活在距今350 000年至40 000年以前（甚至也许是30 000年以前）。多年来研究者曾相信，尼安德特人是我们直系祖先的一部分，但是最近更令人惊讶的化石证据表明，尼安德特人和智人（现代人）显然曾经生存于同一时代。他们与我们有什么关系？怎样和为什么尼安德特人竟消失了？是现代人把他们杀掉了吗？21世纪初发现的一些证据，甚至暗示有同类相残的行为。难道他们由于异种交配，已逐渐融入现代人基因库里？或者他们只是在生存斗争中失利，逐渐走向灭绝？

    如今越来越明确的是，尼安德特人并不是空缺的环节。但是许多科学家，包括那位好怀疑的赫胥黎，都相信真正弥补空缺的化石证据可以找到。尽管当时化石证据缺乏，但后维多利亚女王时代的乐观主义依然深得人心。化石的形成过程充其量只能看做是一个随机过程，即使在今天也难以完全理解该过程。化石的形成是由于，在某些环境中，一株植物，或者一个昆虫，或者一根骨头，在死后没有分解成化合物。相反，它被掩埋了，并且逐渐被泥土中的矿物质所渗透，这些矿物质缓慢地以自己的分子代替遗骸中的分子，直到原来的有机体被石头替代和复制。这里的关键词是“在某些环境中”，这些环境是如此的罕见，以至只有微乎其微的骨头才会成为化石。

    到了19世纪末，尽管大多数科学家已经转向进化论这一边，但分歧仍然存在，主要集中于人类如何和什么时候与他们的古代祖先相分离。达成共识的是，有三个基本属性可以看成是明显属于人类的特性，大脑的扩大、持续的直立行走以及小前牙与大后牙的排列方式，但同时仍有争论，针对哪一种属性最先出现。早期许多寻找所谓空缺环节的尝试都带有这一争论的影响。在尼安德特人首次披露之后大约30年间，没有发现新化石可用于确定到底什么时候人“变成人”，也没有发现任何标志性事件。

    直立人

    海克尔（Ernst Haeckel，1834—1919）是德国的进化论者和进化论的普及作家，他对听众的吸引力甚至超过杰出和雄辩的赫胥黎。但是，海克尔也常常令科学界感到尴尬，因为尽管他是一位超凡的演说家，他的公开讲演富有魅力，但他的研究和科学却是错误百出。海克尔论证说，人类最重要的特征是语言能力，如果空缺环节能够找到，它应该是处于人类刚刚学会讲话之前的某一进化点上。1868年，他出版了一本书，题名《自然创造史》（The History of Creation），这是最早一本完全拥护进化论的动物学教科书，其中他还给出了第一幅系谱树图。在海克尔看来，生命的进化从单细胞开始，经过22个台阶，最后是人，人高高站立于树梢上。当然，在今天的科学家看来，海克尔的“树”是高度误导的，因为它把人类看做是进化的最终“目标”，描述的是一条直接通往人类的进化道路。

    海克尔然而，在海克尔的时代，他的著作激励了许多想要成为化石探求者的人，特别是因为海克尔预言人与猿之间的中间环节将会在系谱树上的第21层台阶发现。他甚至给这一中间生物起了一个名字，叫做“无语猿人”。更有甚者，他在书中和讲演中屡屡提及，他甚至知道在哪里可以找到它。海克尔相信，不会说话的猿人起源于一个古老的大陆，名叫莱默里亚大陆，后来沉入印度洋海底。他说，从这一“人类的摇篮”里，那不会说话的猿人最先散布到非洲、亚洲，然后到地球的其他地方。他宣称，有些地方，也许在东南亚，在婆罗洲或者爪哇，有可能发现这些著名的空缺环节。

    海克尔本人没有去寻找他那无语猿人，而是鼓动学生和化石寻找者去做这件事。荷兰解剖学教师杜波伊斯（Eugene Dubois，1858—1940）就是其中的一位。出于对一成不变的教学生活的厌烦，他迷上了寻找空缺环节的设想，于是他向同事们宣布，他要离开阿姆斯特丹的教学岗位，追随海克尔的建议，动身到亚洲去追逐进化论大奖。由于他的探险没有得到经费支持，他应募参加了荷兰的东印度军队，答应参军8年，但是要按他的要求把他派到苏门答腊。1887年秋天，他带着妻子与小女儿起程。这是这位年轻的进化论者一生中的转折点。

    由于在苏门答腊只需做些轻微的医务工作，杜波伊斯抓紧分分秒秒的空余探索这一地区的石灰石洞穴和采石场的堆积物，以便实现他那不可思议的目标。由于疟疾，他的身体变得虚弱不堪，于是，他设法说服荷兰的东印度政府免除他的军事义务，转而任命他掌管爪哇的古生物学调查。他筹备这一远征的速度是如此之快，以至人们猜测政府自始至终知道他的目的，事实上，接纳他服役、给他提供运输条件，甚至提供囚犯劳力，都是在隐秘资助他的行动。无论如何，在1890年3月，他出发去了爪哇，他长期梦寐以求的寻找空缺环节的远征终于可以启程了。

    杜波伊斯发现他的第一块化石是在1891年，或者至少是他的囚犯劳力为他发现了这块化石。他的工人沿着索罗河费力地搜索层积的堤坝，终于找到了一块微小的颚骨碎片和一个臼齿。几个星期后又找到了一块颅顶骨，大约十个月后，在同一地点发现了一块股骨化石。牙齿像是黑猩猩的，颅顶骨的脑容量较小，有突出的眉脊，股骨虽然比现代人的更粗壮结实，却肯定是人骨，因为它显然已经具有习惯于直立行走的姿态。这是一个无足轻重的证据，但杜波伊斯却反复加以思考。颅顶骨对于猿来说过于大了，然而其脑容量却很小，而且具有眉脊。颚的小碎片没有提供足够的证据，不足以说明这个生物是否会说话，于是杜波伊斯无法运用海克尔的理论。但是股骨却很有分量。他确定，这些化石表明有一种小脑猿人，是用两条腿直立行走的。

    他认为，他已经发现了空缺的环节！正如他在1894年写的：因为“这是一个类人的动物，显然在人与其最近的已知哺乳动物亲戚之间构成了这样一个环节，正如进化理论所假设的那样……”

    由于他基本上以股骨作为证据，没有足够的颚骨来支持海克尔的论点，于是，他把他的化石称为“直立猿人”，而把海克尔的化石称为“无语猿人”，然后他把证据公之于科学界。

    1895年，在莱顿召开的第三届动物学国际会议上，科学界成员对此情况极为重视，无论是乐意还是不乐意看到这一情况的人。几乎没人不同意，杜波伊斯的发现令人惊讶，又极具重要性。到此为止，化石人只发现了很少几例，任何更多的发现对于研究来说都具有重大价值。但是，很少有人认同杜波伊斯的论点，认为他确实发现了人与猿之间的中间环节。有些人，对原始发现的记录不全以及发现物缺少准确的时间和地点记载感到不安，由此质疑化石所代表的是否确是同一个体。有些人感到化石更像猿而不是人，还有人说它们更像人而不是猿。有些人理直气壮地认为，没有足够的化石证据对此作出评判。

    当在其他会议上收到类似的祝贺（“好发现！”）和反对（“坏解释！”）时，杜波伊斯变得越来越失望和愤怒。他认定自己的解释是正确的，他已找到了空缺环节，只有忌妒或愚蠢才令那些人对此视而不见。他对自己的发现满怀激情，带着他的爪哇人（科学家开始这样叫它），从一个会议转到另一个会议，寻找知音。他用一个手提箱来安放化石，就好像它是可爱的宠物一样。但最后，他筋疲力尽，只好带着他的化石远离科学界。

    杜波伊斯的故事没有一个幸福的结局。他的余生是这样度过的：隐居在一个远离科学界的地方，拒绝任何人再研究甚至看一眼他的宝贝——直立人化石。根据一则流行的传说，他甚至把化石藏匿在他家的地底下，偶尔拿出来自娱自乐。然而最后，当20世纪20年代和30年代在中国开始找到一系列令人惊奇的发现物时，杜波伊斯化石的真正性质才凸显出来。

    中国的这些发现物后来就叫北京人，它的故事很离奇。20世纪20年代初，有一位名叫赫伯勒尔（K．A．Heberer）的德国博物学家得知中国的药店里卖过一种药，叫“龙骨”，磨成粉后用于民间医药。他非常好奇，开始遍访药店并考察各种骨头。在四处搜寻的过程中，他收集到90种以上的哺乳类动物化石和一颗牙齿化石，从中发现了标本，这些样品要么属于人类，要么属于猿类。

    有关赫伯勒尔发现的消息很快传到世界各地那些热衷于寻找化石的人们的耳朵里，自从海克尔的“人类摇篮”理论流行以来，他们早就蜂拥进入中国各地。在以后的几年里，可以看到那些人竞相穿梭于商店、洞穴和山坡之间。

    最后在1929年，继各种发现之后，第一个人科动物的颅骨从深埋的周口店村附近的石灰石洞穴里被发掘出来。（人科动物是指两条腿的灵长类中的任何成员，包括人类，有灭绝的和活着的）它的骨头很厚，具有突出的眉脊，脑容量小于现代人。这里可真是风水宝地，20世纪30年代初期，在这里发现了14个以上的颅骨以及11个颚骨和100颗以上的牙齿。某些现象格外奇怪：发现物中大部分是头骨以及头骨一部分，大多数颅骨显示出大脑曾被挖空的证据。但所有颅骨都跟杜波伊斯的爪畦人惊人地相似，实际上，是如此的相似，以至爪哇人和北京人无疑属于同一物种——已经灭绝的直立行走人，其脑容量比现代人略少，生活在180万年以前。1950年，美国进化论生物学家迈尔（Ernst Mayr，1904—2005）给它取了一个名字叫直立人，目的是把这一物种定义为既不是猿，也不是空缺的环节，但显然属于早期人类形式。

    直到1940年去世，杜波伊斯都拒绝接受北京的发现和他自己的发现有类似之处，尽管今天爪哇人已被公认为最早发现的直立人。在他最后的日子里，可怜的杜波伊斯甚至推翻了他自己过去的声明：他所钟爱的不会说话的猿人与人类至少有那么一点联系。取而代之的是，它与人类没有任何联系，只不过是化石猿的一个变种。

    解剖学家凯斯爵士（Sir Arthur Keith，1866—1955）在他为杜波伊斯所作的悼词中，总结了杜波伊斯的一生：“他是一位理想主义者，他的思想是如此坚定，以至于他不惜扭曲事实，而不是改变思想以顺应事实。”

    辟尔唐人骗局

    这是凯斯爵士的一则讽刺性声明，他在20世纪20年代初由于被自己的偏见所蒙骗，从而参与到一起科学骗局中臭名昭著的事件，为其提供确证。

    和他的许多英国同事一样，凯斯属于进化论学派，相信脑容量的进化，而不是直立行走，是区别人系的首要特性。在反思尼安德特人和爪哇人化石时，凯斯曾如此告诉听众：“……我们拥有的知识——知识非常不完全——仅有两个人，它们都出现在更新世初期。一个外貌类似动物，另一个肯定智力低下。”他论证说，如果这些化石真的代表了现代人的祖先，那我们就必须接受这样的事实，即“……在更新世时初期，在一个相对短的时间跨度内，人类大脑以令人惊奇和几乎难以置信的速度得到演化”。

    凯斯相信尼安德特人和爪哇人不可能是现代人的真正祖先，而是现代人祖先的近亲和同代人，他们比现代人有着更大的脑袋。所以，当英国苏塞克斯郡辟尔唐公共地附近的一个沙砾坑中发现令人吃惊的化石时，毫不奇怪，凯斯会积极参与验证活动。

    故事要从一个名叫道森（Charles Dawson，1864—1916）的英国业余地质学家开始说起。1912年12月，在一次地质学会议上，道森宣读了一篇论文，描述他的活动和在辟尔唐的发现。他说，几年前，他接触了某些不寻常的褐色燧石，于是追踪找到了沙砾坑。想到此处也许还会藏有其他有趣的标本，于是他要求常在这个坑里工作的工人多长个心眼儿，看看有没有什么不寻常的东西出现。

    据道森说，不久后他们果真找到了一件标本，看上去像是椰子壳的一部分，在挖掘过程中已经破碎。于是，他们扔掉了其中的某些，但是后来想到道森也许会感兴趣，又找回了一小块带给道森看。道森说，他立刻认出这是化石颅骨的一部分。他返回到坑地试图寻找其余的碎片，但是没有找到，直到1911年秋天，才终于发现另一块颅骨碎片。

    道森说，这时他才把这些碎片拿到不列颠博物馆，向博物馆的地质学保管人伍德沃德（Arthur Smith Woodward，1864—1944）出示这些标本。伍德沃德极感兴趣，开始跟道森一起，每逢周末都到坑地去工作。不久又有一个人加入到这一行列中，这就是德日进神甫（Father Pierre Teilhard de Chardin，1881—1955），他是一位业余地质学家和耶稣会传教士，也开始把部分时间花在挖掘上。

    1912年夏天，他们找到了更多的颅骨碎片和一组哺乳动物牙齿化石，并且得到了他们最大的发现物：类猿颚骨化石的一部分。

    在人数众多的1912年会议上，道森兴高采烈地宣布，他们发现的是一个新物种，取名为道森的曙人。更令人兴奋的，是曙人或者辟尔唐人（它迅速闻名于世）所具有的含义。将其复原后，很容易就可以看出辟尔唐人已经具有极为古老的大脑袋和突出的类猿下巴。

    这正是许多英国进化论者希望找到的，特别是对那些相信大脑袋才是早期人类明显标志的人来说。于是，辟尔唐人身上所见的大脑袋颅骨和类猿的下巴，成了不容置疑的证据。发现物见于英国，这些英国人类学家自然认为，智能生物显然最早必定在此出现。

    凯斯爵士对最初的复原曾经有过一些挑剔，但还是表示欣赏。于是，英国其他许多重要的解剖学家和进化论者立刻集合在凯斯周围，一起检验辟尔唐人并且宣告它是可信的。其中也出现过一些异议，特别是当宣布从坑下发现的其他化石证据确证了大脑袋的辟尔唐人应该超前于尼安德特人和爪哇人时。但是很快这些声音就被淹没了。那些质疑人的颅骨和类猿的下巴似乎过于完善的声音也遭到同样的下场。颅骨太接近人，下巴太接近猿：它们怎么可能真是属于同一个体？

    回答当然是不可能。辟尔唐人是一个骗局。颅骨来自人类而下巴来自猿——两者曾被仔细加工、折断、拼合和染色，以便看起来像是来自同一个体。

    遗憾的是，过了40多年才发现这一点——直到20世纪50年代，当一位年轻的科学家，他不囿于前辈的观点，对化石进行了客观公正的检验和运用新的科学试验方法，真相才大白于天下。凯斯和他的同事们看到的只是他们想要看的，而忽略了明显的事实。

    是谁一手打造了这一骗局？是道森、他的同事中的一位，还是别的什么人？由此招来许多猜测和谴责，但答案仍然是一个谜，并且看来难以破译。

    非洲宝地

    正当辟尔唐人坐在不列颠博物馆显赫的位置上等待其垮台的命运时，其他惊人的发现正在世界其他地方陆续出现——但由于辟尔唐人受到误导的吹捧，这些发现竟可悲地被嘲弄了许多年。

    在20世纪头25年里，广为流传的看法往往随同海克尔理论一起出现，这个理论认为人类家族的发源地可能位于亚洲的某一个地方。但显然，从尼安德特人以及其他发现来看，包括有争议的辟尔唐人，欧洲曾经是人类变迁史中的重要地区，但很少有人听从达尔文的建议，他曾指出非洲实际上是最有可能发现人类最早起源的地方。

    1923年，30岁的澳大利亚出生的解剖学家达特（Raymond Dart，1893—1988）来到南非，开始在约翰内斯堡的威特沃特斯兰德大学做教学工作。达特曾在英国受教于一些杰出的英国进化论学者，并且对进化论产生了强烈的兴趣，尤其对寻觅早期人类感兴趣。他的重要贡献是1924年发现了人类进化的特征，当时有一位学生带给他一具狒狒颅骨化石，她是在一个朋友的起居室壁炉架上看到的。这个房子属于北方石灰石公司（一家露天采矿公司）的经理，而颅骨来自一个名叫汤恩（Taung）的地方，离此地约200英里。这个颅骨和以前见过的任何其他狒狒颅骨明显不同，达特大有兴趣，他请采石场工人把其他发现送给他看。几个星期后，他收到了两大箱包装好的化石！就像圣诞节早晨的儿童一样，他开始兴奋地研究起他的宝贝。

    当把箱子里的化石一件一件进行分类时，他真的找到了宝贝！全世界的进化论学者讨论得很多的是大脑和大脑容量，以及直立行走或大脑容量这两个性状究竟哪一个最先出现。但是还没有一个人发现过达特突然握在手中的这一标本：一个颅腔模型——一块变成化石的物质，精确地复制了颅骨的内部形状，保存了大脑外部的细节、血管以及所有的结构。它虽然不是脑化石，但却是仅次于脑化石的最好标本！它对于猿有些大，对于人又有些小。但他认识到，确实有某些特征更接近于人而不是猿。

    他的好运还只是个开头。他激动地继续进行研究，发现有一块石灰石，里面嵌有变成化石的前额背部和部分变成化石的面部。那块颅腔模型正好与这块石灰石严密吻合！这是同一标本的一部分！然而整个面部是什么样子呢？在后面的73天里，他仔细剥离岩石，一点一点地，慢慢呈现出石化后的面部，“钻石切割机都未曾这样爱护或者这样细心地针对无价的宝石……”，他后来这样描写自己的工作。1924年12月23日，他的礼物展现在他面前。“我可以从正面看到面部，尽管右侧仍未完全展露……出现的是一张孩子的脸，一个婴儿，满口的奶牙和正在萌出的臼齿”，他写道，“我怀疑，可曾有过父母如此为他的作品感到骄傲，那就是我在那个圣诞节得到的汤恩宝贝。”

    化石来自于一个儿童，死时也许只有三四岁。达特肯定，这是一项重要发现，它就是某种早期的人科动物（该名词也用于这一类群，包括人、长臂猿和猿），但又是哪一种？它不像是森林猿，因为南非在数百万年前，气候相对干燥。还有，尽管化石显示一张幼猿的脸，它的脑子却更像人——不是在大小，或者成年后它会长到多大（比起完全的人来还是小得多）——而是在它结构的某些特点上。更重要的是，达特注意到，脊髓离开颅骨进入脊柱的孔，在汤恩颅骨上要比现代猿更为靠前，表明它和直立动物一样，头部可以在脊骨上保持平衡。再有，前额的倾斜不像猿那样突出。达特对他的发现物进行了长期而艰苦的思考，反复核对他的化石和他的想法，终于作出结论。他的汤恩代表了一种非常古老的生物（科学家今天估计汤恩大约生活在100万到200万年前），它的脑子只比猿大一点点，但是大脑结构在某些方面已经具有类人而不是类猿的特征。再有，尽管这一生物具有一张猿的脸，但它走路时已习惯于像人一样地直立。

    1925年2月7日，达特在权威的《自然》杂志上发表了他的发现和结论，在这篇著名的论文里，达特提出，他的汤恩是“介乎现存类人猿和人之间已灭绝的一种猿类”。

    不像杜波伊斯，达特没有寻找空缺的环节。他是一位老练的进化论学者，不会相信存在一个单一、清晰的“环节”，通过它可以回答有关人类过去的所有问题。但是他肯定他的发现（他称之为“非洲的南方古猿”），代表了以前从未碰到过的一个完全新的科，也许是部分的环节，在人类进化之谜中肯定是重要的一部分。

    他的论文立即引来一片强烈的反对声。来自科学共同体的质疑就像一块石头砸在他的肩上。不仅因为达特工作的这个区域，非洲，人人都知道不是恰当的搜索地区，毕竟亚洲才是最有希望的“人类的摇篮”，那里才有可能提供需要的化石，而且还因为他的解释大胆地越过了界线。所以，“专家们”高声反对。凯斯爵士在那年夏天检验了汤恩的石膏模型，提出了最权威的意见，发表在《自然》上，对达特把汤恩当做猿与人之间的中间环节提出了挑战。他写道：“对模型的检验可以使动物学家认识到这一说法是荒谬的。颅骨属于一个幼年类人猿——大约生长了四年的类人猿，它与两种非洲类人猿——大猩猩和黑猩猩，相似的地方是如此之多，以至应该毫不犹豫地把它归入这一现存的群体之中。”至于达特关于颅腔模型表明其大脑具有某些类人特征的观点，凯斯以“猜测性的说法”而加以拒绝。

    此外，难道辟尔唐人不是已经表明，早期人脑很大，并且领先于直立行走？自命不凡的达特大错特错！在非洲起源就是个错误。

    于是，在权威之手的操纵之下，达特和非洲南方古猿立刻销声匿迹了。

    但是，达特不像杜波伊斯，他没有使他的发现或者他的思想归于沉寂。尽管没有资助和官方认可，他依然致力于发现更多的证据，坚信最终定会找到证据，他的汤恩会得到平反。

    这个故事有了愉快的结局。

    “这个故事催人泪下……这个人作出了世界历史上最伟大的发现之一——它的重要性也许可以和达尔文的《物种起源》相提并论，然而英国的文化却把他看成是一个淘气的小孩……，”苏格兰古生物学家和医生布卢姆（Robert Broom，1866—1951）就是这样写的，他后来在达特的故事中添加了新的一章。

    布卢姆决定加入达特与其汤恩的事业时，已经是一位知名的南非化石寻觅者。布卢姆出生于苏格兰，先是在澳大利亚生活了一段时期，然后大约在1900年到南非开始行医。作为骨骼搜寻者，布卢姆主要寻找南非的早期哺乳动物化石。他意志坚定，精力充沛，也很成功。1920年，他被选为皇家学会会员，1928年，由于在哺乳动物方面的工作，他被授予学会的皇室奖。当布卢姆读到《自然》杂志1925年2月号上刊载的达特的论文时，他立刻写信给达特，祝贺他的“辉煌”发现。两个星期后，在未作通报的情况下，突然闯进达特的实验室，跪在摆放汤恩颅骨的平台前。这正是爱作戏的布卢姆一个典型的戏剧性动作，在用了一个周末检验颅骨以满足自己的好奇心后，他承诺尽力找到其他的化石来确立其真实性。

    遗憾的是，先前的任务使布卢姆难以抽空来寻找其他的南方古猿，直到1936年他已经69岁了，才全力以赴投入一系列探险活动。一切准备就绪，他豁出命地工作。他赞赏达特，但是“达特不太像斗士，”他后来这样写道。

    结果惊人。

    搜寻的消息一旦传出，他就从达特的两个学生那里得知，在约翰内斯堡附近的斯特克芬坦还有另一个大型商业石灰厂。他与这个工厂的经理取得联系，请他们随时留意情况，而他自己则继续到其他地点去寻找。1936年8月，他到石灰厂察看情况，这时离他开始探寻还不出几个月，经理们已经把可能让他感兴趣的碎片收集在一起，于是他在这些碎片堆中翻寻。令人惊奇的是，他很快就发现了一个漂亮的成年南方古猿颅骨和一个完整的成年颅腔模型！

    他的好运和探险还在继续。1938年，他得知距斯特克芬坦一英里远处有一个名叫科隆德拉的地方，有一个男孩持有一些形状特殊的牙齿。于是他在上学途中跟踪这个男孩，闯进教室，当场买下了这些牙齿，并且得知，该男孩在附近还藏有其他一些宝贝。这时还有一个小时才放学，布卢姆怕跟少年失去联系，就说服了学校校长，让他给学生作一次讲演。在接下来的一个钟头里，他在黑板上一边画画，一边向4位老师和120位学生讲解化石和洞穴。下课铃声响了，他马上和这位学生一起去附近的山坡，在那里该男孩藏着一个南方古猿的下巴，上面还附有两颗牙齿。

    他继续在更多的地址挖掘，发掘出了更多的南方古猿化石，更多的颅骨、下巴、牙齿，几乎完整的盆骨，肩胛的一部分，以及臂骨和腿骨。

    20世纪40年代末，达特在经过几年的沉寂之后，又回到“战场”，在玛卡彭斯伽也发掘了一个现场。1948年，达特和布卢姆已经积累了足够的化石证据，来说服大多数曾经一度怀疑的科学组织，让他们认识到南方古猿不仅存在一种类型，而是两种——一种纤细，另一种更粗壮。但是这两种类型都具有小型的脑袋、像猿的脸和直立走路的习惯，和达特的原始发现一样。这两种类型都是人类的远古亲戚。即使原先持怀疑态度的凯斯，也不得不根据非洲大量出现的具有说服力的证据，重新考虑他原先的评价。

    “达特教授是正确的，而我错了，”布卢姆在一封给《自然》杂志的信中这样写道。在1948年出版的《人类进化的新理论》（A New Theory of Human Evolution）一书中，他继续热情地写道：“在所有已知的化石类型中，南方古猿是最接近人类的，最适于站在人类祖先直系这一位置上。”他甚至建议把南方古猿改名为“达特人”，以示对其发现者的敬意。

    南方古猿并没有重新命名，但是在科学界出现这一转向则毫无异议，即肯定它的可靠性和在人类进化史中的重要性。南方古猿至少作为重要的早期人科动物而被接受。随着舆论的转向，人们达成了这样的共识，人脑的出现是在直立行走之后，而不是之前。

    然而，并不是每个人都同意这一观点。即使在20世纪50年代戳穿了辟尔唐骗局之后，仍然有一些进化论学者坚持认为，是大脑袋，而不是直立行走，引导人类的进化。著名的古生物学家利基（Louis Leakey，1903—1972）就是这样一位坦率的批评者，他对南方古猿在人类进化路线中的地位提出批评。利基当时甚至还在非洲工作——主要是在奥杜韦（Olduvai）峡谷和附近的坦桑尼亚所属地区——试图寻找化石证据，因为他相信，人类早在几百万年以前就已经定形，并且实际上一直没有改变。利基相信，南方古猿、爪哇人、北京人、尼安德特人以及其他所有的种类，都不过是失败的进化实验，顶多不过是已经灭绝的似人动物的亲戚或后代。

    20世纪后半叶，利基和妻子玛丽（Mary，1913—1996，也是杰出的考古学家），以及他们能干的女儿玛爱娃（Maeve，1942—）和儿子理查德（Richard，1944—）作出了一系列精彩的发现。这些发现，再加上年轻科学家约翰森（Donald Johanson，1943—）等人的发现，因其对人类起源的挑战而不断震撼着科学界。

    争议再次集中于南方古猿。它究竟是最终变成现代人的直接祖先，还是人类的旁亲，曾与人类平行演化，并来自于同一个未知祖先？

    在20世纪剩下的岁月里，研究者不断尝试揭开人类家族进化的谱系树，争议仍在继续进行。

    医学和机器贩子

    20世纪前半叶，科学不断带动技术的发展，同时还吸引了相当一部分居心不良的人，他们在日益增长的声望和成就的掩护下，做着阴暗的勾当。欺诈能手娴熟地利用公众对技术进步的迷恋。由于大多数人实际上对物理学或其他科学基础知识所知甚少，尽管他们从中得益匪浅，因此当有人拿出一个看似普通，上面装有几个刻度盘的密封箱子，说是可以解除他们的痛苦或者治好他们的疾病时，这些人很容易就相信了。这个世纪的开始，带来了电灯照亮街道的奇迹。莱特兄弟在1903年第一次通过飞行器上天。1927年，带有刻度盘的箱子把音乐和问答比赛节目以及新闻送到家里。不久，鞋店用荧光镜显示足骨。医生的诊所用X射线检查断骨。厨房里电器代替了老式的冰箱。至于这些机器都是怎样工作的，对于普通人，从办公室工作人员到银行经理，从看门人到不动产大资本家，一般都不是十分清楚。

    各种小商贩和供应商也在这个充满诱惑的时期里适时出现，于是就在20世纪初产生了许多骗局，其中包括声名狼藉的医学“黑箱”。伊万斯（Christopher Evans，1931—1979）在他的《非理性的膜拜》（Cults of Unreason）一书中，定义早期电子学理论中的黑箱为：“……一个假设的系统，其内部逻辑是未知的，人们只能根据输入和输出情况来说明这一系统。”对于许多神秘的诡计，这正是一个恰当的描述，这些诡计通过20世纪上半叶那些无耻的“行医”医师提供给公众。我们今天也许会对当时那种轻而易举的上当行为感到好笑，然而，这可是一桩很不愉快的事实：许多类似的诡计，以某些化妆整容和更时髦的名义，今天仍然在向公众兜售。

    长期的遗产

    其实，黑箱的传统早在20世纪前就已悄然出现——开始不是用箱子，而是用棍棒、一大盆水和一些磁铁。执棒的人是美斯美尔（Anton Mesmer，1734—1815），大水盆足够坐下一打病人，与美斯美尔的棍棒关联的磁铁使他可以操纵“动物磁性”，他相信这种磁性来源于所有人体。美斯美尔宣称，磁是普遍存在的活力。一旦得到正确激发，这一“动物磁性”就会治愈病人心理和生理上的所有毛病。在最终被富兰克林和一个特别研究委员会曝光之前，美斯美尔和他的魔医装置一度成为18世纪末巴黎的时尚。同一时期的伦敦，有一位格拉汉医生（James Graham，1745—1794）说服许多有钱的客户，只要在他特殊设计的（带电的）“天床”上睡上一夜就可以保证这对快乐的夫妇可以得到健康快乐的孩子。与此同时，在美国有一个名叫培金斯（Elisha Perkins，1741—1799）的人，在美斯美尔的棍棒上再加一根棍棒，并去除美斯美尔其余的装置，宣称用他那“取得专利的磁牵引器”（在一个特制的皮箱子里有两根金属棒）在病人身体上摩擦，就可以祛病驱邪，医治所有疾病。

    就像许多伪科学与另类医学一样，在20世纪上半叶被许多庸医所利用的黑箱是基于这样的思想，有某种非物质的“能力”，为人体固有，但又与人体分离。美斯美尔最终发现，他实际上不需要棍棒，没有它也能操纵“能力”。尽管相关研究结束了这场游戏，但在19、20世纪之交以后，其他许多“美斯美尔主义者”（人们这样称呼他们）在欧洲和美国变得更为普及。最终，“美斯美尔主义者”的活动放弃了“能量”交换这一中心思想，转到所谓的催眠术，这个过程直到今天仍充满争议，并且常常被误解。其他从业者做的事情属于我们今天所谓的“另类医学”，他们继续相信，有一些科学上未知的能力与躯体和心灵的健康和安宁有关。于是，操纵这些“力”，使之取得“平衡”、“调整”以及其他与之相互作用的本领，就成了许多20世纪另类医学，也是今天许多另类医学的基础。

    黑箱的讨巧之处就在于把这些古老的思想和技术上的新奇迹与神秘性结合在一起。黑箱开始用于行骗，是在无线电在美国家庭普及之后不久。

    第一座商业无线电台KDKA，于1920年在宾夕法尼亚州匹兹堡开始广播，通过一个带有刻度盘的普通箱子，音乐开始进入居民家庭。如果转动小箱子上的刻度盘，就可以把声音和音乐从遥远的地方传到房间中，这里是否还有其他奇迹？大多数人都知道，这里面有电的参与，还有某种形式的“波”神奇地在空气中穿行。但除非是有科学知识的学者、少数聪慧的技术能手，或者那些稚气未脱的少年“科学家”或技师，他们在卧室或地下室里摆弄那些晶体组件及其他奇异的小零件，其他人几乎不会对这件事情多加思考。对于大多数人来说，只要能按开关、拨旋钮，充分利用科学技术的另一个奇迹就足够了。

    克朗的治病

    与此类似，许多江湖医师提供的机器事实上也都很神奇。有一位医师名叫克朗（HeilEugene Crum），他也提供一个箱子，宣称不仅能医治癌症、关节炎、神经错乱、痔疮等大大小小的各种疾病，还能使盲人复明、截肢者长出新臂和新腿。据这位能干的“医生”所说，他那不可思议的箱子甚至可以完成医学以外的奇迹。克朗宣称，他的奇异器件还可以完成“财政事务”（给病人带来财富）、肥沃田野和使高尔夫草坪上的草变得更绿。1936年，克朗医生为他的器件申请到了专利。一个小木箱，顶上开槽，旁边一排小孔，小孔上粘贴有不同颜色的纸片，每块纸片写上一个字母。箱内有一灯泡和乱七八糟的电线，还有一支充满水的玻璃管。木箱外部的踏板和刻度盘与其内部没有任何连接。操作本身非常简单，完全按照“医生”的指示。病人只要舔一舔小纸片，把含有病人唾液的纸片从箱子顶部的狭槽送进箱里。如果病人住得太远，或者由于某种原因不能在场，唾液也不需要，只要把一张病人的图片或者病人的手迹样本送入槽口就可以了。

    为了操纵这个器件，克朗医生或者其他操纵者需要乱动踏板和转盘，同时口中念念有词，背诵各种疾病的清单。最后灯光穿过彩色纸片中的一张，纸上的字母显示病人疾病的第一个字母。然后箱子把它的治病能力，或眷在这位能干医生的诊所里，或者从几百英里以外，向病人“传播”。克朗医生和他的“合作治疗器”（他对器件的称呼）欺骗了太多的人，终于引起了法庭的注意，最后法庭在经过漫长的辩论后，发现他犯有“重大道德败坏”罪。

    一个卑鄙的行医者

    然而，比起20世纪初最大的黑箱医生阿布朗斯（Albert Abrams，1863—1924）来，克朗算是小巫见大巫了。和当时大多数行骗者或有问题的医疗器械贩子不同，阿布朗斯是一位合格甚至受到高度尊敬的医生。他出生于加利福尼亚州的旧金山，是一位非凡的聪明少年，很小就学会说德语。后来在欧洲定居，19岁时从海德堡大学获得医师学位，成为学校里获得这一学位的学生中最年轻的一位。回到美国后，又在另一所学校学习并获得另一个医学学位，这个学校就是他家乡旧金山的库柏医学院。他性格开朗、精力充沛，并善于与人交流，不久就发表了一系列令人注目的医学论文和出版了关于心脏病的教科书。他在库柏医学院担任病理学教授，同时又是加利福尼亚医学学会的副主席。有讽刺意味的是，在早期发表的一篇论文中，他抨击当时甚为流行的医疗骗局，曾这样写道：“医生只能想他所知道的，但那些不受良心约束的庸医，却认为他什么都知道：在行骗者的心中，真理永远无法与谎言成功地竞争。”

    写下这些话的人不久后却也加入到“行骗者”的行列，这其中的缘由只能是一个谜了。然而，即使在阿布朗斯还没有成为美国最知名的医学骗子之前，已有人质疑他的道德品质。有消息说，他最后离开库柏医学院正因为他那些不当行为，他在课堂上敷衍了事，然后向听课的学生索取200美元，到他家里去听更精彩的内容。还有传闻说他的论文有一些地方是从别人的著作那里“借来”的，却没有注明出处。

    也许阿布朗斯开始堕落的最早线索是1909年他采用了一种“新医疗理论”（他称之为“脊椎理疗学”）。他在有关这一新思想的书和文章中宣称，运用这一理论，医师不仅可以诊断疾病而且可以治愈疾病，其做法就是通过细心而持续地敲打病人的脊骨。不久，尽管其他医学权威提出了批评（他有时在广告中聪明地加以引用），但他还是在美国各地进行“脊椎理疗学”讲演。

    不用说，尽管在轻信的听众中，他的人气在不断上升，但在曾经对他怀有敬意的同行心里，他的声望却在持续下跌。不过，阿布朗斯真正与正规医学绝交，是从他发明“发电器”（dynamizer）和“振荡器”（oscilloclast）以及他谦虚地称为“阿布朗斯的电反应”（ElectricalReactions of Abrams，简称ERA）开始。

    “新时代的精神是无线电”，阿布朗斯在宣布他的发现时写道：“我们可以把无线电用于诊断。”不久他把他的两种新发明相结合，发电器用于诊断，振荡器用于治疗，他宣称对于那些前来尝试他那奇异发现的人们来说，他的机器不仅能诊断病因而且还有治疗效果。正像他年轻时曾抨击过的庸医一样，他宣称神奇的黑箱子能够医治任何疾病，于是吸引了众多人。他的机器不仅可以诊断和治疗癌症、糖尿病、癣菌病、肺炎以及数百种其他折磨人类的疾病，甚至灵敏到可以显示不在场的病人的年龄、性别和宗教信仰。

    阿布朗斯黑箱成功的关键在于他宣扬所谓“电振动”理论，他声称电振动是从人体中的细胞发出的。当疾病降临人体时，根据疾病的特性会发出不同的振动。他的发电器和振荡器可收集从人体“发送出来”的不同“振动”，测量它们的电子频率，然后发送矫正信号给病人。阿布朗斯在他的广告中说，重要的是，所有这些只需通过病人在任何时间、任何地点采集的血样就可进行，只要在采集血样时面向西方就可以了。至于为什么病人必须面向西方，阿布朗斯从未解释过。阿布朗斯对他后来声称的事情也没有解释，这就是，用病人的手迹或者病人通过电话的声音，就可以取代血样，使他的非凡装置正常行使功能。

    就像克朗医生一样，阿布朗斯结论性的声明也许使他的骗术已触及底线，但是除了正规的科学界和医学界以及少数的怀疑论者之外，显然很少有人关注这一点。阿布朗斯在财政事务上极为精明，他不仅亲自给病人治病，还把他那密封的装置租给其他不可靠的医师。多达5 000套装置在世界不同地点行医。只要租用者中，有任何一人撕破密封，检查箱子内部，就一定会对看到的情况大吃一惊，然而显然没有一个人出来声诉，那些人全是轻信者或庸医。直到阿布朗斯不断壮大的医疗王国被美国医学协会和《科学美国人》（ScientificAmerican）杂志注意之前，就是没有人站出来过。在1923—1924年间，这两个组织花费了大量时间研究阿布朗斯的理论和装置。著名物理学家密立根（Robert Millikan，1868—1953）在首次看到阿布朗斯的一个箱子里，电线、杂物和终端乱作一团的情景时，评论道：“它们就像是一个十岁孩子制作，用来愚弄八岁孩子的那种装置。”

    然而，和大多数医疗骗子一样，阿布朗斯有大量拥护者自愿认同他的思想。

    《科学美国人》的编辑注意到，著名作家和许多奇怪思想与医学时尚的辩护者辛克拉尔（Upton Sinclair，1878—1968）在1922年为一份通俗杂志写过一篇赞美文章，介绍阿布朗斯及其装置，对此这位编辑评论说：“以他的名义把一个非同寻常而有说服力的故事带给大众，大众却忽视了这样的事实，辛克拉尔的名字对于医学研究的意义，就如同著名拳击冠军丹姆西（Jack Dempsey，1895—1983）谈论有关第四维空间。”

    这一调查研究在1924年底结束，《科学美国人》的一个特设委员会作出结论，说阿布朗斯的思想和装置“最多”是“一种幻觉”，最糟则是“一桩巨大的骗局”。这个小组还注意到，无线电和电学的不断进步“在医学中引起了各种神秘主义”。

    然而对于阿布朗斯来说，调研的结果无关紧要。这位亿万富翁，在委员会作出结论之前几个月因肺炎去世，终年60岁。

    在阿布朗斯死后多年，他的装置中有数百套依然在投入使用。在他去世之前不久，他为他的理论和装置奠定了基础。遗憾的是，这些理论和装置在用今天的新技术和现代“行话”进行更新之后，许多仍在运用，继续欺骗那些容易上当的人。

    妇女在科学中

    20世纪前半叶在许多方面值得庆贺——相对论的辉煌、量子物理学和初步认识原子结构等奇迹，遗传学和战胜疾病方面取得的进展以及远古人科动物化石的发现。但是，有一个值得庆贺的领域却往往被忽视了：妇女首次以不断增长的数目进入科学舞台。

    传统上，妇女一般都不受科学训练，或者没有资格接受训练，由此给科学带来的损失不可估量，尤其自科学革命以来的几个世纪里。1692年，蒂弗〔Daniel Defoe，1659/1661（？）—1731〕以他那个时代不寻常的进步姿态如此谴责道：

    “考虑到我们是文明和基督教的国度，而世界上最野蛮的习俗之一就是：我们否认妇女学习的好处。……她们的青春时代都耗费在学习刺绣，或者制作小摆设上。诚然，也教她们怎样阅读，也许还要教她们写自己的名字，等等，但这就是妇女受教育的最高程度了。……对于男人（我指的是绅士）来说，难道受这一点教育就够了吗？”

    例外也有。18世纪业余天文学家威廉·赫歇尔让他的妹妹凯洛琳和他一起研究星空。文艺复兴时期英国的伊丽莎白一世和18世纪俄国的凯瑟琳大帝，都给她们生活的文化氛围定下了基调，这就是对妇女有更多的期待并由此对妇女有更多的尊敬。但是一旦王座的权力不再属于妇女，这种来自权威人物的影响就很快衰退。伊丽莎白去世40年后，诗人布拉德斯特里特（Anne Bradstreet，1612—1672）写道：“把妇女说成这样毫无理由，知道它是诽谤，但一度却是叛逆。”

    直至19世纪90年代和20世纪初期，欧洲和美国的许多大学依然拒绝妇女入学，有时甚至不让她们进入教室。我们曾经见到，诺埃特只许完成教学任务，却不给薪金。直到20世纪60年代，针对科学界妇女如此之少（在“大艺术家”中也是如此）这一现象，男人们常常声称这些数字显然表明，妇女缺少想象力、才能和智慧。（但是在缺乏同样教育的情况下，上述任何一项怎么可能得到发展呢？这就好比把一个人按在水下，然后来裁判其呼吸能力）许多妇女眼看这些约定俗成的不平等，亦缺乏自由的选择以及缺乏对其女性前辈应有的尊重，不由得感到愤怒。此种悲剧对于科学与社会带来的同样是损失，其损失程度永远难以估量。

    到了20世纪70年代，妇女可以得到同样的教育了，但历来反对妇女在智力上发展的偏见仍然在挡道。最后，今天的女孩在成长中怀有不同的期望，不再像她们的曾祖母那样受到各种偏见和先入为主观念的束缚，这些观念涉及妇女能不能够，或者应不应该自己安排生活。

    在20世纪初期，开始有了妇女出现在科学中的范例，有一些妇女做得非常出色。这些19世纪出生，20世纪初接受教育的妇女往往面临诺埃特曾遭遇的情形。其他人，例如马尔特伯（Margaret Maltby，1853—1946）则从开风气之先的大学及其弹性的校规里找到了出路。马尔特伯发现，美国的大学和学院更宽松一些。美国第一所男女合校的大学或学院是欧柏林学院，早在1837年就开始这样做了，紧接着的是安提克学院（1852）和威斯康星大学的师范学院（1860）。还有一些大学是：威斯康星大学（1866）、波士顿大学（1869）、密歇根大学（1870）、康奈尔大学（塞奇学院，1874）和芝加哥大学（1890）。

    居里一家

    和意大利18世纪的贝斯一样，玛丽·斯可罗多夫斯卡对于科学的雄心远远超过其他妇女，她和一位已经在科学界享有盛誉的著名科学家结婚。她以其聪明才智、坚韧不拔、努力勤奋以及对自己的工作在物理学中之地位的洞察和理解，赢得了人们的尊敬。

    玛丽·居里1895年7月26日，斯可罗多夫斯卡和皮埃尔·居里结婚，两年后，他们有了第一个女儿伊伦，后来也成为一名科学家，并且也是一位诺贝尔奖获奖者。1897年，玛丽开始以沥青铀矿作为实验对象，检验矿石中的元素并试图发现贝克勒尔报告的辉光从何而来。皮埃尔与她一起工作，两人发现，不是一种元素，而是两种元素与此有关。因此皮埃尔和玛丽在1903年与贝克勒尔分享诺贝尔物理学奖。居里夫妇的第二个女儿爱娃（Eve）出生于1904年，后来写过她母亲的传记。玛丽·居里就这样找到了一条途径，使得养育家庭、从事赢得诺贝尔奖的科学以及和丈夫的紧密联系这三者相结合。尽管1906年她失去了皮埃尔，失去了这位亲密的伴侣、实验室合作者、最好的朋友和丈夫，但她还是挺了过来。

    当皮埃尔1906年不幸去世时，他在索邦神学院的教学岗位转给了玛丽——这并不是皮埃尔的正式教授职务，尽管她的地位是诺贝尔奖获奖者——只是一个教学岗位，不过无论如何，在索邦神学院，这还是第一次把教学岗位交给一位妇女。然而，由于她是妇女，她在法国科学院院士竞选中落选。法国科学院从1666年建立以来，从未接纳过任何一位妇女，直到1962年。（伦敦的皇家学会也好不到那里去，它直到1945年才接纳第一位妇女成员）1911年，玛丽·居里成为唯一两次获得诺贝尔奖的人。这位身材矮小的波兰物理学家在任何意义和任何时代里都是真正的巨人。

    家庭与科学

    也许没有其他女性科学家像玛丽·居里和她的一家那样，获得如此之高的尊敬和名声。她的科学生涯开始于她所从事的物理学领域突然间备受关注的年代，而她本人的坚强性格和非凡才能反过来又为该学科增添了更多的魅力和来自公众的敬畏。

    但是其他妇女，特别是近年来的妇女，在从事科学的同时，都已经有了家庭负担。有这样一位女性，名叫戈佩特（Maria Goeppert，1906—1972），1906年出生，正好是居里第一次获得诺贝尔奖之后的几年，所以，她可以算是名副其实的第二代。戈佩特来自一个科学世家——尽管她出生的德国反对妇女进入大学，但她父亲还是鼓励她学习，并且希望她进入大学。戈佩特在科学家的圈子里长大，成为一名科学家似乎是顺理成章的事情。和玛丽·居里一样，她也嫁给了一位科学家，是美国人，名叫乔·梅耶（Joe Mayer），受洛克菲勒奖学金的资助而来到德国。后来他们在美国定居，她希望在一所更宽松的美国大学里找到一个教学岗位。然而，她的领域——量子物理学——在美国不怎么出名，再加上其他排挤因素，使得她的求职之路困难重重。不过，她还是找到了一个薪水微薄的研究助理的工作。她成功地把量子力学运用于物理化学中，从而作出了突破性的贡献，在这一课题上发表了好几篇重要论文。

    戈佩特·梅耶在1933年有了第一个孩子，这一年也是犹太科学家从德国大批离去的开始。由于她所从事的领域里第一流的科学家大多来到美国，结果使她有机会向这些科学家请教。物理学家泰勒（Edward Teller，1908—2003）邀请她一起工作，因为她擅长数学，在这个领域里作出过重要贡献。1963年，戈佩特一梅耶荣获诺贝尔物理学奖。在一次采访中她说道：“如果你爱科学，你真正需要的就是继续工作。诺贝尔奖会使你激动，但是它决不会改变什么。”

    孤军奋战

    另外两位诺贝尔奖得主代表的是某些妇女的另一种选择，她们是麦克林托克（BarbaraMcClintock，1902—1992）和列维一蒙塔尔西尼（Rita Levi-Montalcini，1909—）。

    麦克林托克和戈佩特一样，1902年6月16日出生于康涅狄格州的哈特福德，在康奈尔大学学习，从学士学位一直学到博士学位。她的研究集中于玉米遗传学和“跳跃基因”这一概念。麦克林托克有两个教学岗位，但她主要还是一名研究者，20多年中，她在自己的领域里持续发表了一系列论文。

    她是一个特立独行者，不怎么与人交流，也不愿提供解释。但是人们仍然公认她是一位非常优秀的科学家。有一个故事说她在冷泉港会议上向许多领头生物学家宣读论文。没有人听懂她所说的内容，那些生物学家全都忽视了她。麦克林托克也许有些害羞，但是她很坚强，实事求是，不愿承认她一直遭忽视。事实上，生物学家斯特蒂文特在她讲话后评论：“我一个字也没有听懂，但是如果麦克林托克说它是这样，它就一定是这样。”

    麦克林托克于1983年获得诺贝尔生理学或医学奖。

    还有一位特立独行者是列维一蒙塔尔西尼，她从小就对生理学充满激情。她和她的孪生姐妹泡拉（Paola）在1909年4月22日出生于意大利的都灵市。列维一蒙塔尔西尼像麦克林托克一样终生未嫁。她母亲在她的童年给予她支持和温暖。她的父亲则很守旧，对妇女在社会中的地位持传统观念，在家里他说了算。他认为妇女无须受大学教育，于是，把儿子吉诺（Gino）送进大学，把两个女儿送进女子学校。由于列维一蒙塔尔西尼受的是非正规大学教育，因此无法以科学为生。但是当她儿童时的家庭女教师死于癌症时，她决定要成为一名医生。她向父亲恳求，最终和父亲达成协议：如果她承诺不结婚，她可以从事科学生涯。父亲从他一个姐妹的经历中得出结论，在女人的一生中，家庭和教育是不能兼顾的。对于列维一蒙塔尔西尼来说，这一让步是一种巨大的解脱，她愿意作出这一选择。于是，她继续学习，准备入学考试，在入学考试中获得优异成绩，1930年进入都灵医学院。1939年取得学位。然而在短期实习后，她不得不隐匿起来，因为纳粹和法西斯分子正在搜捕犹太人，把他们送到集中营。然而，从她读过的一篇论文中，她产生了一个实验设想，实验可以用小鸡胚胎来做，把这些胚胎藏在她的卧室里就可以了。她的兄弟吉诺帮她准备实验条件。她考察胚胎发育的最早阶段，亦即细胞开始分化时，特别注意神经细胞。后来证明，这些正是解决问题的第一步，最终还使得她获诺贝尔奖。战后列维一蒙塔尔西尼迁到密苏里州的圣路易斯，在那里，汉伯格尔（Viktor Hamburger，1900—2001）正在做类似的工作。多年来，她一部分时间住在圣路易斯，一部分时间在罗马。她经常旅行，工作出色，并且以对神经生长因子的实验研究而闻名。1968年，列维一蒙塔尔西尼当选为美国国家科学院院士，1986年，由于发现和离析了神经生长因子的工作与柯恩（Stanley Cohen，1922—）分享诺贝尔生理学或医学奖。

    上述四个故事说明，当妇女选择科学作为职业时仍然面临特殊的挑战，但是，要达到事业和家庭的平衡并不只有一条道路。在21世纪初，科学界中妇女数目正在增长。有一个促进妇女投入科学的网站不再开列1975年以后的女性科学家名单，理由是人数太多了。这场战斗也许已经接近胜利。

    结论

    1945年是一个强烈对比的时期：一场毁灭性的战争终于结束，人们刚刚松了一口气并且开始有了乐观情绪，但紧接着又面临广岛与长崎原子弹轰炸后带来的极端恐怖。科学家第一次发现自己正在走出研究所和大学实验室，以掌握知识者应有的政治和社会责任感发表时评。许多物理学家，包括玻尔和爱因斯坦，都积极投身于“和平利用原子能”这样的组织，它的宗旨是致力于和平利用原子能，建立反对运用核武器的条约。许多生物学家在为辐射对所有生物的危害，特别是对人体的危害而大声疾呼。原子弹的蘑菇云永远地改变了世界和科学界。

    科学也通过其他方式在发生改变。1895年以后的50年里，科学已经越来越多地变成团队的活动。实验室和研究所，从物理学的卡文迪什实验室到哥伦比亚大学摩尔根小组的“蝇室”，成为新发展和新发现的苗圃。日益增长的复杂性产生了新的科学分支，诸如神经解剖学和亚原子物理学。科学进步要求越来越昂贵和特殊的设备，只有靠来自公共机构的资助、共享研究与开放的资源，以及来自政府的资助，才能得到足够的经费。哥白尼独自坐在塔里就能计算宇宙结构的时代，或者富兰克林放弃经商，未经正规的科学训练，就能对电学知识作出重大贡献的时代已经一去不复返了。相比于过去，现在的科学不仅更加需要高度的客观性和创造性，而且要有交换思想、向别人学习以及从训练中受益的能力。

    再有，越来越昂贵的研究也有其负面效应。由于越来越依赖政府和大型企业的支持，因而科学更多地被特殊利益所束缚，并且更加保密。在曼哈顿工程进行期间和其后，国际信息交流极为缓慢，在有些情况下甚至完全阻塞，因为国家和私人利益要保护他们的发现所得。

    但是科学在许多方面却变得比以前更加活跃。20世纪前半叶发现原子具有结构，于是深入其内核并且使之分裂。经典物理学的思想体系对物理科学统治了两个世纪，但新出现的相对论却使之陷入困境。

    除了这些变化，在原子世界里还揭示了一整套新宇宙观：革命性的量子观永远地改变了我们过去的宇宙观，那是一个有序而且可以预测的宇宙。物质本身不再是有形、稳定的东西，而是一种振动着的粒子，彼此还有相互作用，更诡异的是，它似乎受概率所控制。

    在生命科学方面，强大的新概念产生了：遗传现象受细胞中的微小实体控制；机体平常合成的物质（如胰岛素），或者由食物产生的物质（如维生素），是维持生命的要素。

    许多问题仍然有待解答——有些重要的发现还束之高阁。原子的探索者刚刚开始探索原子王国。新仪器和更复杂的测量将揭示质子、中子和微小电子后面更深层次的非凡发现。原子还有什么新秘密可以揭示？原子和分子之间有什么联系？生物体的基本单元是什么？是什么机制使染色体能够自我复制？基因由什么组成？它们怎样为后代性状设计蓝图？生命是如何起源的？宇宙是怎样开始的？宇宙在膨胀吗？宇宙中有没有其他的世界，其中存在生命、智慧生命和其他的文明吗？

    20世纪后半叶的科学将揭示一个更加神奇的世界，这是一个知识接踵而至，科学家可以接近的世界，因为他们可以站在前人的肩上。

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