虚空：宇宙源起何处(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：弗兰克·克洛斯

出版社：重庆大学出版社

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虚空：宇宙源起何处试读：

致 谢

感谢我的编辑莱瑟·梅农（Latha Menon）鼓励我研究并撰写《虚空：宇宙源起何处》，同时，我也要感谢伊恩·艾奇逊（Ian Aitchison）、本·莫里森（Ben Morison）以及肯·皮奇（Ken Peach），感谢他们的中肯意见帮助我将这本书呈现在现实世界中的读者眼前。

庸人自扰

我们当中很多人在年少时都会突然遇到这样一个问题：“世间万物从何而来？”我们可能也好奇于在我们出生之前，我们的意识委身何处。你能识别你最早的记忆吗？当我刚开始上学时， 清楚地记得之前两到三年发生的事情，特别是那些在海边的美好暑假时光，但当我试图回忆更早发生的事情时，印象就模糊了，直至消失。我被告知那是因为我太年幼，仅仅5岁（生于1945年）。我父母谈及的战争，以及战前发生在他们身上的诸多事情，对于我来说毫无意义。 我所知的世界似乎是随着我的诞生而出现的，在那之前并不存在。 那么，在我的意识世界开始“之前”，它们在哪里呢？

这种1945年前所有事物构成的奇幻的虚无世界持续困扰着我；接着在1969年，一件事情将要带给我关于这个问题的新的想法。

这一年，“阿波罗”10号掠过月球表面，展示给人类一个充满岩石和沙砾的不毛之地。这片灰色荒原一直延伸到月球的地平线，弧形地平线衬托出黑暗幽深的宇宙，其间点缀着星罗棋布的、闪烁的群星，以及无数无生命氢球聚变发出的恒定光芒。突然间，在这贫瘠的画面中出现了一颗绮丽的蓝色星球，拥有白色云朵和长满植物的绿洲：人类历史性地第一次见证了地球的升起。在这宇宙中至少有一处生命之所，巨量的原子在那里有序地聚集在一起，从而具有自我意识并能带着求知欲凝视这个宇宙。

如果没有智慧，生命会怎样？如果没有生命来了解，所有的存在又有何意义？百亿年前的景象可能会是这样：一个无生命的虚无世界在广阔的空间中盘旋，其间杂乱地充斥着等离子体云和贫瘠的岩石块。参照我个人的“1945年前”时期，那时重力舞动也在进行，只是没人意识到；这个“意识前”时期正如我的“1945年前”时期的一个巨大的扩展，虽然没有生命，但那时就存在的原子却构成了我们今天的身体。一旦参与进来，这些原子之间复杂的契合就变得有序，从而创造出所谓的意识并且可以看到宇宙远处“意识前”无生命时期发出的光。现在的我们可以接受并见证早期的无生命时期，它在这个事件之后已经成为一种现实。我们还不是从虚无中被创造出来的，而是源自原始的“粗糙物质”以及亿万年前形成的原子，它们的有序排列、聚集就形成了我们。

这就引出了我的终极问题：如果没有生命，没有地球，没有太阳和星星，没有用于聚集的原子，而只有虚无的空旷会怎么样？首先，我删除了我头脑中对宇宙的惯性思维印象，来尽力想象剩下的、一无所有的世界。接着，我发现了一个哲学家们早就明白的事情：思考虚无是极其困难的。年少无知时的我一直好奇在我出生前宇宙在何处，现在我考虑的是如果我压根儿没有出生，宇宙会如何。“我们是幸运(1)的，因为我们终将死亡”，因为所有可能的DNA组合是无限的，而其中有几十亿种永远无法引发出意识。对于那些永远无法出生或者已经死亡的东西，宇宙又该如何？几乎所有文明都创造了关于人死后的神话，所以过去的人很难接受当脑死亡之后意识只能消亡的观点。但是对于那些永远没有开始也不会开始的DNA组合，意识又意味着什么呢？

要理解意识的出现和消亡，和理解宇宙万物如何从无到有一样困难。物质是被凭空创造出来的还是原来就有的某种原始的东西？如果没人知道这里空无一物，那么这里还能空无一物吗？我越努力想解开这些谜团，就越感觉自己处在启蒙和癫狂的边缘。若干年后，作为一名资深宇宙学科学家，我又重新回到这些问题上，开启了一段寻找答案的新旅程。而所有的结果就是这一本薄薄的书。我为我之前问过自己这些问题而感到骄傲，因为数百年来这些问题一直被无数大哲学家提及，并且还没有公认的答案。在不同时期，当一种哲学学说力压群芳，人们接受到的智识也在进化。可以存在一种真空吗？一种一无所有的虚无状态？正如上帝是否存在的问题，这些答案似乎要看你怎么定义虚无了。

考虑到逻辑的巨大力量，古希腊哲学家们持有相反的观点。亚里士多德就曾断言不可能有一个完全虚空的地方。历史上甚至还随之出现了一个名为“自然界憎恶真空”的公理。我首先需要研究的问题之一就是这个公理意味着什么，以及为什么它会在过去两千多年里被奉为真理。稍微归纳一下，我们就会发现，这个理论一直持续到17世纪，而随着实验方法的出现，伽利略的学生们发现，对真空憎恶论的信奉源于对自然现象的误解。在每平方米的地面物体上都有10吨重的空气将气体挤压进任何可能的缝隙中，从而表面上看起来自然界是憎恶真空的。

正如我们所知，现在很容易通过抽气的办法获取真空。亚里士多德犯错了！我们至少可以得到如下结论：如果只有空气，那么抽气之后就空空如也。科学家们已经提出并使用更加精密的装置将这种意识作了拓展，人们清楚地发现，要得到真正的虚空世界，只抽掉空气是远远不够的。现代科学家们认为在理论上是不可能制造一个完全的虚空世界的，所以，也许亚里士多德最终还是对的。虽然如此，科学家们还是乐于在各种领域中使用时间和空间的真空理论，比如，现代物理的一个重要诠释就是完全集中在努力理解真空的特性之上。

我当年的天真问题似乎变得更加扑朔迷离，因为今天的我们知道了前人未知的东西：宇宙正在膨胀，而且从宇宙大爆炸算起的话已经膨胀了大约140亿年了。既不是太阳系、地球，也不是组成我们身体的原子在膨胀，人们普遍接受的理论是“空间本身”在长大。先不考虑“它膨胀成了什么”这个问题，我们对于最初的问题有了新的诠释：如果移除所有的东西，那么空间还会继续膨胀么？这自然地又需要回答另一个问题:如果移走空间内的所有物质，空间该怎么定义。空间和物质是相互依存的吗？即如果我理论上将这些星球、物质混沌等都删去，空间还会继续存在或是抹去物质的时候空间也会消失？让我们先参考一下古代贤明是怎么看这类问题的，比如是否可以移除空间内的所有物质?如果可以，结果会如何？宇宙大爆炸为何没有提前发生？上帝在创世之前在干什么？或者，变成我们的物质一直都存在吗？

1.1 对虚空的早期理解

从无到有、存在与消亡这些悖论在所有文明中都被争论不休。追溯到公元前1700年，古印度吠陀经典《梨俱吠陀》（Rigveda）中的赞美诗就唱道：

那里没有存在，也没有消亡。

没有空间的国度，也没有遥远的天空。(2)

是何物驱动？在何处暗涌？

此类问题在古希腊时代就被哲学家无休止地争论。约在公元前600年，泰利斯拒绝接受虚无的存在：对于他来说，从无中不可能生出有，同样的，有也不可能消失为无。他将这种理论扩展到了整个宇宙，即宇宙不可能来自无。

当无的概念遭遇到逻辑准则，泰利斯抛出了一个问题：当人们思考无时，是否就产生了一些东西呢？根据古希腊的逻辑学，答案是：如果没人深思它，那么这里就只有无。而我之前的问题——如果无人知晓这里是无，那么这里还能是无吗——似乎已经在3 000年前就被肯定地回答了。虽然我一直以为，这些理论只是公理上的断言，而没有得到证实。但是我发现在泰利斯之后没有人再定义过“无”这个概念，除了粗浅地说一说“无”就是“有”的反面这种无用之论。

之后，泰利斯将精力从研究“无”转向研究事物的本质。他曾成功预言了发生在公元前585年5月28日的日食，这个骄人的成就也印证了他的能力。因而人们如此认可他的理论也就不足为奇了。他提出，如果事物不能从“无”中被创造出来，那么必然有一种普遍存在的原始精华用来制造万事万物。而“世间万物从何而来？”这个问题又引出了另一个问题：假设我们从一个空间范围内移走了所有的物质，那么这个空间会回到最原始的“无”的状态吗？泰利斯对于这个疑问也提出了他的观点：他认为原始精华是水。冰、水蒸气和液态水是水的3种表相，因此他假设水可以变成其他无限多的形态，冷凝成岩石和其他万物。就像一个水坑看起来消失了，但之后又会以雨的形式从天而降——这就出现了蒸发器的概念，而这个概念让人认识到水是可以循环的。对于泰利斯来说，如果空间内的物质全部转化成了它们的原始形态，即如海洋一般的液态水，那么空间就完全“空”了。因此，水包含了物质所有可能的形态。（2 500多年之后的当代，这个理论已经死亡，但是现代虚空理论延续了这个概念上的术语，假定地认为其内部是一个无限深的基本粒子的“海洋”。）

38年之后（当然这里的年是我们的意识定义的），公元前548年，泰利斯重新回到了讨论“空”这个永恒的话题上面，但是他依旧认为有一种普遍存在的原始精华或者“Ur物质”。但是这个“Ur物质”的性质几经探讨仍然无法有定论。比如，赫拉克利特坚持认为它应该是火。那么火又是从何而来呢？答案是——火是永恒的，正如其他与创世之神有关的事物一样。而通过比较，阿那克西米尼（Anaximenes）认为它应该是空气。空气可以无限扩展，而且不同于水，它无处不在，从而成为宇宙万物之源的首选物质。

在公元前5世纪中叶，恩培多克勒（Empedocles）遇到了一个问题：空气是一种物质还是“空”无一物的空间。而他开始尝试使用实验方法来验证则是源于一种被称为“Hydra”的仪器的发明。这种仪器的主体包含一支玻璃管，一端开口，另一端是一个球形容器，球形容器底部分布了很多小孔，使得水可以穿过小孔流出——前提是管的开口端保持敞开；如果你用手指堵住它，水就不会流出了。如果清空Hydra然后浸入水池中，只要瓶口保持敞开，水就会流进来并重新装满瓶子。然后，如果用手指堵住瓶口，空气逃不出去，同时水也进不来。这说明：空气和水可以交替存在于同一个空间；空气离开前，水无法进入；空气是一种物质而不是“空”间。直到17世纪，托里拆利才解释了其中的过程及缘由。

恩培多克勒将Ur物质的概念延伸为4种元素：空气、图1.1

(a)一个球形瓶装有水,在瓶底部有很多小孔。当顶部的盖子封住时,水会保持在瓶内。当盖子打开,(b)水会从小孔中漏出。

(c)图中的空瓶子顶部的盖子封住,然后浸入水池中,水不会进入瓶内。

(d)打开盖子后，水会通过小孔进入瓶内。

(e)再次合上盖子,一个装有水的球形瓶又能完好如初地从水池中提出来了。 水、火和土。他提出了早期的力量的概念：力量就是爱和恨，是吸引和排斥的驱使者。毫无疑问，他是区分物质和力的第一人，但是他仍然坚持认为不可能有完全空的“空”间。

物质的很多形态都是颗粒状的。而将颗粒球形的物体装在一起时，它们之间会产生空隙。而这种方式排列的“空”间中不可能存在虚空。恩培多克勒认为是一种叫以太的东西，它比空气更轻，填满了颗粒之间的空隙，实际上填满了整个宇宙。

阿那克萨戈拉（Anaxagoras）也拒绝接受“空”间的存在以及“无”中生“有”的理论。他认为物质是从混沌中重新排列后出现的，而非来自“无”中生成的宇宙物质。混沌重排理论承认物质会进化和改变，就像我们吃的食物最终形成了我们的身体一样。基础元素在改变总体结构时表现出的这种性质催生了原种论以及原子论。阿那克萨戈拉相信不存在最小的原子，物质可以被无限分割，因此无须担心球体间的接触会有空隙，不需要用于填充空隙的以太。

伊壁鸠鲁（Epicurus，公元前341—前270年）和留基伯（Leucippus）、德谟克利特（Democritus）一起，继续坚持否认“无”可以生“有”。他们被认为是原子理论、小型基本不可分割原种理论的原创者。他们提出了概念，认为存在虚空和“空”间使得原子在其间穿行。这个理论认为，如果在某处已经存在某物，那么原子就没法再进入此处。要使这种穿行成为可能，那么必然有“空”间使得原子可以进入。他们甚至设想了一个无限大真空宇宙，其间充满移动的原子，它们虽然个体过小无法分别观测，但是抱团形成了可见的宏观态的簇。原子不停地运动，但是整个簇看起来却是大体静止的。这个构想有点像一个非洲蚁窝，远看像一个静止的土堆，但是靠近时会发现它包含数百万个移动的小个体。

虽然这种原子理论和现代物质理论很像，但在2 000多年的人类文明中占主流地位的亚里士多德的观点却是与之背道而驰的。亚里士多德认为虚空必须是彻底规则和对称的，必须前后相同、左右一致、上下一样。这个概念也在《梨俱吠陀》的赞美诗《创世圣诗》中出现：

有上耶？

有下乎？

在这种哲学体系下，物不会自行掉落或者移动，而只能稳定存在于此。这其实就形成了后来牛顿力学的一个大概。但是亚里士多德认为这种性质导致“无”是不可能存在的，并从逻辑上将虚空不存在的观点进行了最为清晰的表达。假设“空”间是一种物质，并且现在你将一个物质放入这个“空”间，那么在同一空间点上就同时存在了两个“物质”。如果上述情况有可能的话，那么推广到现实世界中就会荒谬地允许任何两种物质同时存在于同一地点。所以，在亚里士多德看来，逻辑上空间不可能是一种物质，因此也是一种非存在。他将虚空定义为没有存在体，并且因为物质的基本元素是永恒存在的，因此不可能有一个地方是完全空的。

小结一下，亚里士多德逻辑否认虚空的存在，并使得学术界普遍认为“自然界憎恶真空”。这种观点长期被认为是不证自明的，虽然现在我们知道那是错误的。

1.2 憎恶从何而来？

一些其他的例子似乎也能得到类似的结论。我们将两个沾了水的平盘叠起来后，通常将一个盘子从另一个滑开是容易的，但是如果试图直接将两个盘子掰开就十分困难了。人们曾经幼稚地解释为：如果掰开盘子，那么就会制造出真空，而“自然界憎恶真空”，因此就不可能掰开盘子。

回到饮料吸管：吸一两秒之后，我们用手指堵住吸管的上端，同时将下端留在果汁里。吸管里就会得到一条美丽的液柱。松开手指，果汁就会流回到杯子里：为什么手指不松，果汁就流不回去呢？“自然界憎恶真空”理论又来了。为什么液柱不分成两段，低的部分流回杯子，而高的部分则留在吸管里？按照之前的解释，如果分段，在上下分开的缝隙处就会形成真空。这样看来，吸管中留下的液柱更证明了自然界对于真空的憎恶。

上述解释被人们奉为真理近2 000年，当然实际上是错误的。而在发现真理的道路上，更大的阻碍在于：很多人坚信上帝不会创造一个东西称为“无”，因此显然不会有真空。在当时，如果你逆潮流地坚持说真空是可以存在的，那么你措辞必须小心谨慎，以免被打成邪教去接受审判。有一个取巧的观点这样说：上帝无所不能，可以创造有，那么也可以创造无；如果认为不能创造无，那么就是限制上帝的能力；所以，真空是可以存在的。之后遭遇邪教门的伽利略就认为真空可以存在，并且是第一个计划进行实验验证的人。通过实验的方法来检验理论想法，这在当时是很激进的，所以也很危险：异教徒的结局往往是被烧死。然而，正是得益于这些实验，人们最终才解开了真空憎恶现象的谜团，并且理解了真空的各种性质。科学家们沿着这条路继续深入地研究，才陆续发明了很多我们现在觉得理所当然的设备。

1.3 空 气

在孩提时期，我们所认知事物的自然规律是：移动的物体会自动减速，并且轻的纸张会比重的石头落地更慢。而伽利略的实验建立了真正的自然真理，并由此引出了之后的牛顿定律：运动物体会做匀速直线运动，除非受到外力作用。

伽利略是第一个发现空气也有重量的人。当容器被加热，其中的热空气就会上升并从开口处跑掉。受这个现象的启发，伽利略将加热前后的容器进行称重，发现加热跑掉的空气带走了一部分重量。这就证明了空气是有重量的。但由于没法确定实际跑掉的空气的体积，他没法计算空气的密度。不过接下来他将一个气球充满空气，接着换成充满水，最终他得出结论，认为空气的密度比水小400倍。他的实验虽然简单粗糙，但却意义非凡：今天我们所知道的准确值是在海平面处，空气密度大概比水小800倍。

和所有在厉风中艰难前行过的人一样，伽利略也意识到空气能够产生力，虽然直到数十年之后牛顿才将力、质量和加速度完美联系起来。空气可以阻止移动，就如同风可以吹动轻盈的羽毛，甚至在完全静止的空气中羽毛下落的速度也比石头慢得多。如果是石头和铅块，体积相似但质量不同，它们下落的速率却相同。由此，伽利略直觉上认识到了一个自然界规律：是空气阻力影响到了羽毛。

空气存在的影响是十分出人意料的。其对运动的阻力使得我们即使在高速路上匀速驾驶也得一直踩着油门。踩油门意味着能提供汽车前进所需的动力；如果没有空气阻力，那么踩油门提供的动力将会不停地对汽车进行加速。但是实际上当速度越快时，其反方向阻力就越大。只有当油门提供的动力和空气造成的阻力精确平衡的时候，汽车才能完全以恒定速度前行。

当汽车驶过后，车后方会造成空气旋涡并且立即形成短时的“稀薄”空气。正是这种车前方的高气压和车后方的低气压之间的压力差形成了净阻力。所以，在更好的空气动力学设计下，空气会更快地填满车后的空间，那么，汽车前后的气压差就会更低，自然空气阻力也会更小。汽车设计，抑或竞赛自行车及高山速降滑雪所用的头盔，目的都是为了最小化空气阻力：这也是一个巨大的产业。

如此明显不过的例子在17世纪的时候却是很难见到的，所以才凸显出伽利略透过现象见本质的天赋。一粒鹅卵石掉进黏稠的蜂蜜中几乎立即就停住了，而掉入水中的话阻力就小很多，更别说掉进空气中了。伽利略就此预测：如果没有空气阻力，所有的东西下落的速度就会一样。虽然伽利略不能制造出真空，但理论上存在真空状态这一概念对于他来说已经没有哲学上的问题，只是技术上过于困难而无法完成。在300年之后，“阿波罗”飞船上的宇航员在月球表面扔下了一片羽毛和一粒石子，人们终于以一种极其直观的方式验证了伽利略的理论。而最初的实验其实早在1717年10月24日就由德萨吉利埃（J.Desaguliers）在伦敦皇家学会牛顿分会完成了。

1.4 制作真空

伽利略知道,抽取式水泵最多只能将水抽到10米高。自然会阻止真空的形成,但是似乎存在限制:虽然不知道是何物在阻止真空的形成,但当水到达10米之后,此物看起来是被打败了。伽利略想知道,如果他用密度最大的液体——水银来代替水,将会有什么效果。伽利略有一个学生名叫埃万杰利斯塔·托里拆利(Evangelista Torricelli),其在伽利略的指导下于1643年得到了答案。他利用一支一端密封的长约一米的玻璃管,以及一个装满水银的杯子完成了一个简单的实验并分析了结果。

对于这个实验,现代的科学教材可能会描述如下:首先,用一支一端密封的短管,10厘米或20厘米长足矣,其中装满液体。用手指将开口端堵住,然后将管子倒过来,小心地将其放入液体杯中,当开口端没入液面之下后轻轻将手指移开。当开口端在液面以下时,管中的液体会老实待着:液面上方会保留着一条美丽的水银柱。托里拆利实验使用的液体是水银,当然这种物质由于其毒性，今天已经越来越少被用来进行验证演示了。他发现,管中的水银和杯子上方的空气之间的相对质量会直接关系到液柱的支撑能力。更加准确地说,为了平衡杯中水银上方的空气压力,管中的水银必须存在一定的高度。其实托里拆利的实验中所使用的管子大概有76厘米长,并且曾经出现一个难题:如果将一支1米长的管子装满水银,同样倒过来并将开口端浸入液体杯中,那么水银柱会往下掉直到高度是76厘米,然后保持稳定。那么在管子顶部出现的24厘米长的空间里面是什么东西呢?曾经充满水银的这24厘米,现在似乎什么都没有了。由于空气不会进入这24厘米,托里拆利意识到:他成功地制作出了真空。

在海平面,我们上方的空气重量会形成每平方厘米约1千克的力,相当于每平方米受力约10吨。对于空气的巨大力量最著名的验证当属奥托·冯·格里克（Otto von Guerick）的实验,此人在德国马德堡市做了30年的市长,并且是一位在科学普及方面有着巨大天赋的科学家。图1.2 马德堡半球实验

1654年,他进行了其“真空秀”,使用了16匹马、两个直径约1米的中空铜质半球,还邀请了当地的消防部门。这两个半球被组装成了一个整球。格里克首先演示轻松地将两个半球分开又合拢。当然,正如魔术师表演时一样,他随机邀请了几名现场观众来确认分开、合拢两个半球确实是容易的。接着,真正的表演开始了,由马德堡消防部门提供的真空泵被接入其中一个半球的阀门上,然后对整球抽气。数分钟后,他宣布球内的空气已经抽完,然后关上阀门,移除真空泵,并邀请现场观众再来分开两个半球——这自然就变成了不可能的任务。为了增加表演的戏剧性,使其更容易被人铭记,每组8匹马的两组马队整装待发,一队拉住一个半球,另一队拉另一个半球。教科书对之后的结果描述得很简单:两组马队反方向拉两个半球却没有拉开。但事实往往充满偶然并复杂得多,先是每匹马“各自为政”,拉的方向不统一。格里克进行了六七次尝试才使得这两组马队步调一致且方向统一。然后它们就开始了声嘶力竭的“战争”,两组马队倾尽全力进行反方向拉拽,但是这两个半球严丝合缝,根本没有一点分开的意思。最后,格里克将放气阀门打开,等空气进入球内之后,两个半球就被轻易地分开了。

在格里克的实验里,当球壳内的空气被抽走之后,由于没有球壳内部的压力补偿,上空的大气重量就全部压在球壳外部,净压力约10吨每平方米。虽然黄铜球壳的强度很大不会被大气压瘪,但是8匹马组成的马队的力量就不足以克服球壳外表面数吨重的压力了。

1.5 布莱斯·帕斯卡:水与酒的博弈

在法国也有一位具有表演天赋的科学家,他就是布莱斯·帕斯卡（Blaise Pascal）。他重复了托里拆利的实验,但是分别使用了水和酒来代替水银。

帕斯卡选择了在法国鲁昂进行这个实验,其观众多达数百人。实验用的管子长达15米,通过可倾斜式桅杆可以将管子竖起来与地面垂直。之所以要用这么长的管子,是因为水和酒的密度比水银小约15倍,由此大气压力支撑的液柱高度会增加15倍,总共增加约11米高。这个实验的影响力和其规模一样庞大,人们拭目以待:水和酒，哪个液柱会高一些呢?

在你作出判断之前,你必须知道两件事:酒的密度比水小,即每升体积更大一些,但是酒更易挥发(鼻子能闻到酒味就是因为酒挥发出来的蒸汽),相应水的挥发性就差很多了(除非被强力氯化)。仅考虑重量时,显然密度更大的水形成的水柱比酒形成的酒柱要低,这与水银柱比水柱和酒柱都要低是一个道理。但是,液柱下降后，在管子顶端形成的空间内会发生什么呢?

我们必须考虑到在当时没有人相信真空的存在——“无”的理念在当时被认为是无稽之谈。当时的一种“解释”认为,是液体挥发的蒸汽弥漫并占满了管子的顶端空间,所以挥发性越强的液体上端形成的空间应该越大。那么根据这个理论,酒挥发性更强，因此上端的空间更大,液柱自然越低。然而,如果是大气压力作用于液柱周围的液面从而支撑起液柱,那么更轻的酒形成的酒柱就应该低于水柱——酒柱和水柱都高于水银柱也是相同原因。

帕斯卡用实验给出了答案,他将两个管子分别加满水和酒,再将管子竖立,其高度远远高于周围的屋顶。结果显示,酒柱比水柱高。就此,帕斯卡证明了挥发气体并不是上部空腔形成的原因;大气压力决定了(3)液柱的高度。而液柱上方的空间里空无一物,那里就是真空。

1.6 真空长什么样?

托里拆利制造出了真空,或者说至少制造出了一个没有空气的空间,看起来是一个虚空。但是,它是什么:“无”的性质是什么?

英国人罗伯特·胡克（Robert Hooke）制造了真空泵,接着罗伯特·博伊尔（Robert Boyle）用它来抽空了一个很大的空间,比托里拆利的大得多。这也使得他能够进行实验,研究真空的特性。他通过观察小鸟和老鼠的窒息来确定空气是否被抽空:当时的道德观和现在稍有不同。透过真空依然可以看到对面的灯光,说明光可以穿过真空。然而,当空气抽走后,其中的铃声却无法传出了。

在法国,布莱斯·帕斯卡设法对真空进行了称重实验。他设计了一端有注射器的一支管子,然后用它从杯子里抽取水银。水银柱随着抽取不断上升直至76厘米高,之后就停在那儿了。这一步与托里拆利实验很相似。接着,帕斯卡继续拉注射器的活塞,水银保持不变,但是注射器管道长度增加了:水银柱上方的空腔增大了。在这个过程中,帕斯卡将整个装置放在重量计上。在整个过程中,装置的重量保持不变。水银进入管子时,总的水银量没有变化,只是从杯中转移到了管内。一旦液面高度达到76厘米并停住,液柱上方的空腔就开始增加。空腔内充(4)满的就是“真空”。就此,帕斯卡证明真空没有通常所说的质量。

1.7 大气压强

每单位面积上的压力被定义为压强。正如你可以用滑雪板在雪地里驰骋,而穿普通的鞋子就要陷进去:滑雪板将你的体重分布到了很大的一个面积上,因此单位面积上的压力——压强就减小了。在海平面上,大气压强和76厘米汞（水银）柱压强一样大,也等于约11米高的水柱压强。

如果你头上顶着76厘米汞柱,那么你感到的总压强就是两个大气压——一个来自大气,而多出来的另一个则来自汞柱。如果在海里潜水,感觉会更加明显:海水比淡水密度略大,潜入10米以下就足够感觉到两个大气压了。每多下潜10米,就会增加约一个大气压。之前“自然界憎恶真空”这样的咒语来源于诸多自然现象,而这些自然现象的根源就是外部的大气压。

人体的皮肤表面积约为1平方米,这意味着在海平面上大气会加载给人约10吨重的力,并随着你潜水深度的增加而受到海水的额外压力。这么大的力,为何人没有感觉到呢?压强是空气分子互相作用平衡的结果。空气分子以同样的力作用于上下左右,相互抵消,没有净力,也不会加速。这种作用在液体水的压强中也适用。人类肺中的空气将会向外产生与外部大气一样的压强。这种内外空气压强的平衡,才使得我们感到舒适。如果突然改变这种压强,譬如处于快速下降的电梯或者降落的飞机内,抑或在游泳时突然下潜,人就会感到不适，耳朵会出现“爆音”。

海拔的突然变化会导致压强的变化。这是因为大气是有限的:高海拔处人更接近大气层外表面,头上的空气较少,因此压强更低。不同于海天之间的交界非常明确,大气表层则相对平缓得多,越往外空气越稀薄，直到最终进入完全真空的外太空。这就是人类的最初认知。

布莱斯·帕斯卡在1648年完成了一次意义深远的实验,该实验显示气压计的液柱高度与海拔息息相关,帕斯卡由此推论出气压存在临界值。他的姐夫弗洛林·佩瑞尔（Florin Perier）在海拔850米的Puy-de-Dome山顶测量了汞柱的高度,在相同的时间点，山脚下也在进行相似的实验。山脚的汞柱高度为76厘米,而在山顶要低8厘米。由此可见，随着海拔升高，汞柱高度会降低,这是由于海拔越高气压越低,也可以说因为高度越高,其上空大气质量越小,向下压力也越小。

人们由此发明了高度计——利用测量与海平面之间的相对气压来确定海拔高度。然而更加深奥之处在于其对大气本身性质研究的意义。它暗示了地球是被一层有限的空气球壳密封起来的,大气层与海(5)洋一样也有“海面”,但其上方似乎空无一物。这被当时的一些宗教哲学家认为是妖言惑众,他们不认为上帝会创造譬如真空等的一无是处的事物。尽管如此,新的实验方法不断揭露了这些迷信的真面目,在之后的数个世纪内这种揭露屡见不鲜。

今天我们可以通过各种不同的方式来感受大气压强的存在。大气压强随着海拔升高而降低;在珠穆朗玛峰顶的大气压是海平面大气压的1/3,那里汞柱的高度只有25厘米。这就是我们上方10千米的情况。当飞机在这个海拔高度飞行时,机舱内必须加压,通常加压到海拔1.6千米高的大气压水平。这意味着舱内的加压空气在每平方米上加载的压力比外部稀薄空气产生的压力要大得多。这一结果导致在机舱门的位置会产生数吨重的向外推力。大家在下次乘坐飞机时,可以认真欣赏一下舱门的巧妙设计——打开时必须先向内拉拽然后再转动开舱,以保证不能直接向外打开;向外的压力实际上帮助了舱门在飞行过程中纹丝不动。

在距地面高度100千米处的大气压是地表的十亿分之一;在400千米高度是万亿分之一;在与月球之间的太空中已经降低到10的19次方分之一——比质子相对于1千米的尺寸比例还小。因此我们可以说大气本质上是禁锢在一层薄薄的球壳中,这个球壳厚度不足地球半径的百分之一。而更广为人知的是,一些政客似乎更加关心人类正在如何污染这片赖以生存的神奇大气层。越接近大气层顶部,上方的空气质量越小而压强越低。在宇宙飞船飞向月球过程中,旅程的前10千米穿过的大气物质会较多,之后越来越少。如果飞船飞到更远的星球上去,那么物质就更加少了。

即使在地表位置,大气压也并不是一成不变:晴好时气压较高,风暴时气压较低。“水银掉下来了”曾是对坏天气的一个著名的隐喻。“自然界憎恶真空”,这条曾被宗教和历史哲学家坚信不疑的理论,最终还是被埋在滚滚历史红尘之中了。帕斯卡也注意到了相似的一些特点,山顶相较于山谷,阴雨天相对于晴好天,自然界似乎都更憎恶真空——(6)正是空气的质量导致了所有那些哲学家们曾归咎为“虚构的原因”的自然现象。(1) 来自英国著名演化生物学家理查德·道金斯（Richard Dawkins）在2005年的某次电视采访中的评论。(2) 在Google上可以找到很多对Rigveda的翻译。本书使用了印度学学者邓尼吉·澳弗雷哈迪（Doniger O’Flaherty）在The Rig Veda Anthology（Penguin,1982）一书中的翻译。(3) 证实真空存在后,严格地说并不能全然否定蒸汽的作用。酒蒸气确实有弥漫到液柱上方的空腔内。其造成的“蒸汽气压”会略微地将液柱压低一点,之所以说“略微”，那是因为相对外部大气来说蒸汽是非常稀薄的。通过精确测量水和酒的质量比和液柱高度比之后,发现确实酒的挥发性导致了液柱的小幅降低。因此液柱上方空腔并不是完全空无一物,只是相对外部大气显得微不足道而已。(4) 实际上他的仪器精度不够。当注射器内空腔增大时,活塞另一端的空气被排出,最初由空气充满的体积内变成了真空,空气减少,整个装置的质量会减小。虽然真实质量应该减小,但是就帕斯卡的实验目的而言,其结果是激动人心的:不论托里拆利实验抽出的空腔内是何物,它都没有质量。(5) 亚里士多德也曾认为大气和海洋一样存在“海面”,但是他认为“海面”上方是一片火海。(6) B.Pascal,死后被H.Genz在Nothingness（Perseus,1999）一书中引证。

原子内部何其空旷

2.1 电 子

人类发现电现象已经有上千年历史，但很多现象（譬如磁性指南针、闪电火光、电的属性等）一直到19世纪仍是未解之谜。在孩提时期，我从跳蚤市场花一便士买了一本书，其中详细记录了19世纪末发生的各种相关的科学故事。书名为《科学问答》，1898年出版，书中在回答“电为何物？”这个问题时，它引用了维多利亚时代情景剧的台词“电是一种无法估量之流体，是人类的未解之谜”。经过100年之后，现代的电子通信及整个相关产业都是得益于汤姆森在1897年发现了电子，并由此在《科学问答》出版前的整整一年回答了以上问题，才使得今天资讯的交互变得迅速得多。

电子以电流的形式流过电缆并建立起了现代工业的能量输送方式；穿过我们迷宫般的中央神经系统，使我们保持知觉；是物质原子的基本组分，其在原子间的传递最终支撑起了后来的化学、生物学以及我们的生命体。

电子是所有物质的一种基本粒子，它是一种最轻的带电、稳定、无处不在的粒子。所有固体结构的形态都可以通过原子边缘的电子回旋形式来描述。电子无处不在，正因如此，19世纪人们通过各种物质来抽取制作真空的能力的发展才导致了这种物质组分的发现。

虽然最初人们并没有直接接触到虚空这个问题，但是很久以来人们就感觉到物质是具有神秘性质的。古希腊人很早就意识到一些问题，譬如琥珀在与皮毛摩擦后具有吸起碎纸片的能力，而在希腊语中电子和琥珀用词是相同的。更现实一点，在干燥的天气中用梳子快速地梳动头发，你就可能看到火花的出现。玻璃以及一些宝石在摩擦后也可以吸附物质。在中世纪的欧洲宫廷，人们就已经知道很多物质在摩擦后都具有神奇的吸附能力。威廉·吉尔伯特，伊丽莎白一世时期的宫廷物理学家，提出物质具有“电优性”，而且电是一种“无法估量之流体”（正如我前面提及的1898年出版的书里描述的一样），可以通过摩擦的方式在物质之间传递。获取或者失去这种电优性就如物体正在被充电或者放电。

美国人本杰明·富兰克林曾为美国宪法的制定而呕心沥血，他同时也对电现象十分着迷，尤其是闪电现象。乌云是一种自然的电子产生器，可以创造百万伏的高压并产生足以致命的闪电。富兰克林的见解认为，物质都具有潜在的电能，其可以在物质之间相互传递。但是没人知道这种无法估量之流体究竟为何物。

今天我们知道这一切源于电子，其质量仅有典型原子的约1/2 000，而且由于电流活动中仅有很少部分的电子参与其中，因此物质充电后其质量变化极小而无法被测到。那么这种无法估量的流体是怎样在之后被单独列出并被研究的呢？

通常电流是在物质内部流动，譬如导线，然而人们无法直接观察导线内部的情况，由此人们想到了摆脱导线而直接观察电火花。闪电现象说明电流可以穿过空气，人们由此萌发出想法以使电流从通常的金属线导体中剥离出来、暴露出来，从而直接观察。

由此，科学家们尝试在玻璃管道中充入不同的气体来制造电火花。常压下的空气可以导电但是会遮蔽电子的流动现象。如果将气体从管道中慢慢抽出，最终应该会只剩下电流。随着工业革命以及更高级的真空泵的出现，科学家能够在真空管道内的稀薄气体中实现放电，并观察到了很多奇异现象。最终，电渐渐被揭开了其神秘面纱。在1/15个大气压下，电流会在空气中形成飘浮的发光云团，这使得英国科学家威廉·克鲁克斯（William Crookes）能够确信他当时正在制造灵异物质，而这对于维多利亚时期的降神会来说则更加重要，他们利用它宣扬灵异主义。

而这种微弱的灵异现象发光的颜色与气体种类有关，比如钠会发黄光，现代照明中常用的汞会发绿光。这是由于电子流碰撞进入气体原子中，进而从原子中释放能量发光。随着气压进一步降低，发光现象最终会消失，但在靠近电源位置的玻璃表面会产生微弱的绿色微光。1869年，人们发现管道内部的物体会在这种绿光作用下产生投影，从而证明在这种实验条件下，电流源处会放出射线并轰击玻璃管壁。克鲁克斯发现磁场会使这种射线发生偏转，说明它们带电。到1897年J.J.汤姆森（J.J. Thomson）同时使用磁力和电力（通过将电池的两极连接在管道内部的两块金属板上）成功使得电束流发生了偏移（这就是电视机的简单原型）；通过调整磁力和电力的强度，他成功地发现了电流组分的一些性质，并由此发现了电子，其质量极小，甚至与最轻的原子——氢原子相比也微不足道。概括他的实验，其不再研究气体管道或者导线中的电性质，而将电流引入真空管道中，最终推论出所有原子中的带电组分都是电子。

电子的质量比最小的原子还轻约2 000倍，科学家认识到这点之后，就立即明白了为何电子可以如此轻易地在铜导线中穿行。原子曾一直被认为是基本粒子，而电子的存在完全推翻了这个理论，其显示原子具有复杂的内部结构，其中电子包围着一个致密的中心原子核。

菲利普·莱纳德（Phillipe Lenard）使用电子束轰击原子，发现电子束会直接穿透原子，一路形同无物。莱纳德总结了这种出人意料的情况——似乎固体在原子尺度上是透明的，并认为“一立方米的固体铂内部其实和浩瀚星空一样空旷”。

形象地说，我们书中的每一个句号，它用的油墨就包含了1 000亿个碳原子。如果想用肉眼看到这些原子，就需要将这个句号扩大到100米的尺度。这个尺度虽大，但是似乎还可以接受。然而，如果要用肉眼看到原子核，你就需要将句号放大到10 000千米的尺度：与地球两极的间距相当。

氢是最简单的原子，它可以提供给我们原子幅度和内部空旷度的信息。其中心核是一个单独的正电性粒子——质子。电子远离中心质子，其运行轨道决定了原子的边缘尺寸限制。如果从原子的中心开始向外旅行，到达质子边缘的时候我们只是完成了整个旅程的万分之一。最终我们会到达遥远处的电子，其大小微乎其微，不足质子的千分之一，更不足原子的千万分之一。真空曾帮助人类发现物质除了包含原子之外还有电子，而当真正制造出一个近乎完美的真空时，我们看起来已经成功证明了原子是一个近乎完美的虚空体：99.999 999 999 999 9%的部分都是空的。莱纳德并没有判定原子的内空性：相比原子内部微粒物质来说，外部空间的氢原子的密度已经算很大了。

原子核本身十分脆弱。如果将中子或质子放大1 000倍，我们会发现它们也具有丰富的内部结构。就像一大群蜜蜂，远远看去似乎是一个黑点，近看会发现是很多嗡嗡作响、威力无限的小家伙。这与中子和质子很相似，在低成像能力下它们看起来就是一个简单的点，但是在高分辨率下就能发现其是由更小的粒子——夸克组成的簇团。我们必须将句号放大到100米的尺度才能看到原子；放大到地球大小才能看见原子核。而要显示出夸克，得把句号的半径继续向外增大，跨过月球之后还要继续走20倍的距离。

正如质子、中子相对原子来说很小一样，夸克相对质子或中子来说也很小。在原子层面上，中心致密原子核与外围电子之间存在广大的空旷区域，而相似的情况在原子核内部同样存在。总的来说，原子的基本结构远远超出人们的想象，而其中的空旷更是极其深奥。

2.2 原子到底有多空旷？

La Globe的创建地处于瑞士的另外一个地方，是一个展览中心。当它关闭后，人们不知道怎么处置，最后捐给了CERN作为展览中心发挥余热，从而免于被拆毁。CERN的管理者们欣然接受了捐赠，为避免贪多嚼不烂，他们并没有花数百万法郎来清理这个庞然大物，虽然每一次展览都得花这么多钱。一位科学家提议将这个难题转换成一个有趣的谜语：La Globe是一个中空的球，里面空无一物，既然CERN的科学家们都是原子方面的专家，就让中空的La Globe本身成为原子的一个隐喻吧。最后，CERN方面花了一点钱做了一个小球，直径1毫米，悬吊在La Globe的中心。这样一来，参观者们就能亲身体会到原子的空旷：这个小球就像原子核，而外墙代表原子的外围界限。当然，如果能再花点钱，用激光束在外墙上模拟电子的退激和跃迁就更完美了。这样就可以稍微收点入场费，而后现代哲学家们也会很开心。

可惜这个提议没被接受，公众也就没有机会花钱进入一件虚拟的艺术品，从而亲身领略原子内部的空旷。取而代之的是，这个与周围风景格格不入的建筑承接了各种与CERN相关的展览。但是，假设CERN接受了那个疯狂的提议，而你驾车穿过整个欧洲只为领略原子内部的神奇，然后你买了门票，进入了这个巨大的球，突然发现这里——空空如也：你是会愤怒地要求退票，还是会庆幸自己看到了伟大的真相？

原子是一个巨大的虚空体，其内部的粒子也是一样，但是故事才讲了一半：它们内部实际上充满了电场和磁场，其力量巨大，如果你试图进入，它们会瞬间将你阻停。正是这些力量使物质变得坚固，虽然构成的原子似乎是空的。当你看这段文字时，也许正舒服地坐着，那么得益于这种力量，你实际上是在组成下方椅子的原子上方以一个原子的高度悬浮着。

原子根本不是空的。在1906年，科学家发现其中充满的巨能电(1)场来源于原子核。当时，卢瑟福注意到，一束带正电的α粒子穿过云母薄片后，后端的成像会变得模糊，这说明穿过云母时α粒子发生了散射，从而其飞行轨迹发生了弯曲。这很奇怪，因为α粒子的飞行速度达到15 000 千米每秒，是光速的1/20，能量巨大。电场和磁场都可以略微偏转α粒子，但是仅仅穿过几个微米（百万分之一米）的云母绝不可能做到这么大的偏转程度。卢瑟福通过计算，得出云母中的电场强度极大，远超过人类已知的最大强度。空气中如果有如此强的电场，那么必然闪电横飞。他能想到的唯一解释就是，这么强的电场只会存在于极小的范围内，甚至比原子还小。

由此他大胆设想：正是这种高强电场将电子禁锢在原子中，也正是其偏转了高速α粒子。

1909年，卢瑟福给一个年轻学生欧内斯特·马斯顿（Ernest Marsden）安排了一个任务，观察是否有α粒子被偏转了很大的角度。马斯顿用金片代替了云母，使用闪烁屏来探测散射后的α粒子。他将探测屏四处移动，从金片后方到侧面，甚至到放射源周围。这样他就可以探测到大角度偏转的（甚至是反射的）α粒子。

出乎所有人的意料，马斯顿发现1/20 000的α粒子会被反射回放射源并打在放射源附近的探测屏上。这个结果简直不可思议。当时所知最强的电场力都极难偏转α粒子，而仅仅数百个原子的薄金片却直接将其偏转了180°。难怪卢瑟福惊呼：“这就像你用15英寸的炮弹去轰击一张白纸，炮弹却被直接弹回来并把你炸死了！”

经过对这个现象数月的日思夜想，卢瑟福最终通过一个非常简单的计算认识到了其中的意义。这关键在于他知道入射α粒子的能量，也知道每一个α粒子带两个正电。金原子内部的正电荷会排斥靠近的α粒子，逼其减速并将其偏转。α粒子越接近原子内的正电荷，被偏转的角度就越大，直至在最极端情况下被电荷逼停并反向掉头回射。

卢瑟福计算了α粒子可以到达的与正电荷的最近距离，其结果令人十分震撼：只有在极罕见情况下，α粒子才能在被反射前到达离原子中心万亿分之一厘米距离处，即原子半径的万分之一处。由此可见正电荷被高度集中在原子中心，导致原子内部粒子非常少而布满电场。那么，“场”又是什么东西呢？

2.3 场

让·米歇尔·雅尔（Jean Michel Jarre）的粉丝一定知道他的一张专辑——Champs Magnetiques，译成中文为“磁场”。场的概念在大众中的传播要归功于重力场，以及科幻小说中提及的“时空统一体中的扭曲场”。这个术语指出，在假想的虚空中其实还存在很多其他的东西。为了探寻场的影响为何物，我们需要首先定义科学家们所说的“场”。明确的存在是最容易被形象化的，因此，我们先回到之前说过的地球和大气压上。

总是关心天气预报的人一定熟悉大气压强分布图，这就是数学家们眼中的一种场，它是不同点上的不同数字的一个集合，体现在气压图中数字就是不同地点上的大气压强值。就像等高线图一样，相同压强的点被连成等压线——英文称为“isobars”：iso（相等），baros（质量或压强）。

如果仅凭数字的集合就能定义一个场，那么这个场被称为标量场。气压的变化导致风的形成。当等压线比较稀疏时会微风拂面，而当等压线非常密集时，说明气压的变化很快，风就会变得狂暴起来。风速分布图是矢量场的一个绝佳的例子。它的每个点上都同时包括数字和方向信息，

具体而言就是风的速率和方向（图2.1）。

在大气压和风之间存在一个实物的媒介，那就是空气，其密度差异决定了场，也使得我们可以建立一个可见的实物模型。然后，场的概念同样适用于那些没有实物媒介的情况。这也正是重力场和电场背后隐含的场概念，其对空间内遍布的各种力的大小和方向进行了定义。

背包客和登山爱好者们对重力场应该是感触良多的。在悬崖上爬得越高，掉下来就死得越惨。如果你不想亲身冒险，那就看看地图上的等高线，它会给出测得的海拔高度，从中可以想象出那些高山和峡谷的壮美画面。在气象图中有类似于等压线的一种图线，将相同的海拔高度点连成线。如果你可以无所顾忌地向海中跳水，那么跳台越高，入水速度越快，此时你拥有的“动能”就越大。在海面上的任何高度，你都有“潜力”去获取最后入水时的动能。在重力作用下，你下落的距离越长，那么最终获取的动能就越大。因此，地图上的相同等高线上的点具有相同的势能，它们被称为“等势”。

由于重力的作用，自然界的物体会向下掉落，从高势变为低势。下落加速的作用力大小与势的变化率成正比，即山的倾斜度。相比平缓的山，从陡峭的山上滚落时速度来得更快。这里有一个常识：力正比于势的变化率，正如风的强度正比于等压线的倾斜度。因此，倾斜度分布图的每一点上都有幅度（剧烈或平缓）和方向（比如北向或南向倾斜）。这时的场包含了力量的幅度和方向，因此是矢量场。

在牛顿眼里，掉落的苹果和移动的行星都是由重力支配的。在太阳系中，太阳是处于中央的最大的吸引体。假设你在太阳引力作用下向太阳“掉”去，那么你出发的地方越远，到达太阳的时候速度就会越大。由此可知，离太阳越远，势能越大。太阳周围的重力场等势点构成以太阳为中心的球面。随着你离太阳的距离减小，势能也变小，所以你从高势区到低势区会被加速。势能的减小会通过动能的增加来补偿。这是宇宙的规律。

搁置太阳和重力，我们看看电荷和电场，会发现相同的结论。我们对于伏特的概念应该非常熟悉，即使可能不知道它是如何定义的。高电压意味着高势——此处的“势”会导致电子突然移动，从而诱导电颤动，某种程度上就如肌肉抽搐。如果电池的两极正负电势相同，那么两极距离越近时电场越强，势的变化率越大。在大气的情况下，我们尚有一个物质媒介来帮助我们进行形象思维，而在重力场或电场情况下，找不到这样的物质媒介；我们掌握的只是概念和一些经验感受，没有可见的“存在”可以描绘。好在这些场是可以测量的，并由此将重力场和电场展示在我们的面前。

2.4 场是否有大小

为了研究原子内部的电场强度，我们得先看看在宏观世界里现有的技术能做点什么。

从手电筒或者收音机里取出一枚电池，通常它可以提供几伏特的电压，并且正负极板之间距离大概为一毫米，换算下来正负极板之间的电场高达1 000伏特每米。在SLAC（the Stanford Linear Accelerator in California,加州斯坦福直线加速器中心），科学家通过电场可以将电子加速到接近300 000 千米每秒。为此他们在3 000米的长度上加载了约300亿伏特的电压，其电场相当于1 000万伏特每米。这些高端科技得到的电场比一般电池要强得多，但是相比原子内部的电场却不值一提。在加州斯坦福直线加速器中心，电场强度为10伏特每微米，而在氢原子中的电子和质子之间的电压就高达数十伏特，而它们的间距平均只有1/10个纳米（百亿分之一米）。原子内部的电场强度比现有宏观技术能达到的最强电场还大1 000倍，虽然原子电场的范围被限制在原子尺度上。

众所周知，电荷同性相斥、异性相吸。在原子内部有两种电荷：带负电荷的电子游弋在原子边缘，带正电荷的原子核位于原子中心。当两个原子互相靠近，一个原子内的带正电的原子核会吸引另一个原子内带负电的电子，会使两个原子继续靠近一点。由此，原子之间会相互吸引并凝聚在一起形成分子并最终形成宏观物质。如今人类可以宏观达到的最强电磁场与原子内部的电磁场相比都微不足道，这归结于正负电荷之间的平衡效应，无屏蔽的高能反向电荷存在于原子范围内。当人们意识到这一点后，就能够理解为什么即使速度高达14 000 千米每小时（约为光速的1/20）的α粒子也会大角度地被原子偏转，甚至被逼停再反射回去：原子内部的电场筑起了一座不可逾越的高大城墙。

想要探索原子的内部结构，人们需要比原子小得多的探针，比如卢瑟福就使用了α粒子作为探针。但实验发现原子内部并不是空空如也，反而如石头一般致密，将探针粒子全部拒之门外。这正是电场在作祟。托里拆利能将空气从某个空间内抽走，但是绝不能将空气原子内的致密电场抽走。带电的原子核会对整个宇宙产生一种莫名的影响。即使将其他物质全部移走，这种影响也无法消除。

电荷的移动会产生磁效应，磁效应可以传播很远，例如地心磁效应。我们这颗美丽星球的地心部分是旋转的高温熔岩，其高温导致原子变得混乱，从而使原子内部的电子可以自由运动。电子运动形成的电流将地球变成了一个巨大的磁体，拥有南北两极，并且将磁场延伸到太空中。地磁场强度要比重力场大得多，从而导致地球上的磁针偏转。这一现象自古以来就被旅行者和迁徙候鸟用来指引方向。17世纪时，人们对于真空的探索才刚开始，但磁现象早已为人类所熟知。后来，人们很快就发现磁和光都能穿过真空，虽然直到19世纪人们才真正了解了光、电场和磁场三者之间的深层次关系。

在我们头顶数千千米外，空气已经几乎不存在了，但是磁场却遍布其间。这些磁场对我们来说意义重大。它们的磁力能够将宇宙射线和带有高能电荷的太阳风偏转使其离开地球。这对于地球人来说是一个至关重要的保护罩，因为暴露在这些射线下时我们的DNA将被破坏。如果这个磁场消失了，地球变得和现在的火星一样，那么我们这个物种的末日也就到了。

帕斯卡和佩雷（Perier）证明了地球之外是真空，没有空气。不过，虽然太空里几乎没有空气，但是却有一些诸如地磁场这样的极为重要的存在体。

2.5 重力场和平方反比定律

重力应该是我们最熟悉的力，但是它似乎并不强：我们可以轻易对抗地球重力捡起一个苹果。而捡起苹果所需的肌肉力量则来自更强的电力，其保持我们身形挺拔。但是，物质内的正负电荷产生的吸引或者排斥力会相互抵消，而随着物质的增加,内部原子积累的万有引力却会增大。通常直径大于500 千米的物质就会产生明显的万有引力。

万有引力各向同性，因此对于三维的物质会在每个方向上产生相同的力，最终将物质压缩为球形。球形的太阳就是这样形成的。当然你可能会问，地球表面为何会有波浪形的高山和峡谷。答案是其来源于地球自转以及内部地壳运动导致的地理活动。

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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