趣味地球化学
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4.诞生于地球的原子的动态

眼前浮现出一副曾经见到过的夜景,那是克里木迷人的夜景。宇宙似乎瞬间入眠了,静谧的海水让人感觉不到它的流动。南方的众星眼都不眨一下,便投放出斑斓的光芒。周围静悄悄的,整个宇宙似乎在一刹那间停止了运转,静止在南部那美妙的无声的夜空里。

现实情形同我记忆中的夜景似乎毫无差别,但令大家意想不到的是,在这个时候有好多电磁波在瞬间穿梭了整个世界,其波的长度不一:有的仅有几米、有的长达几千米,这些波勇猛地蹿到臭氧层,转瞬便返回地球。这些波相互叠在一起,仅靠我们的耳朵根本感觉不到宇宙间的震动。

而悬挂于高空的繁星,像是被牢牢地镶嵌于夜空纹丝不动,实际上它们也随着地球在高速地运转着,旋转的速度令人晕眩,一秒钟能走几百千米甚至是几千千米。诸多的星体包括太阳,其裹挟着不借助望远镜无法看到的众多天体,朝着银河的一面旋转;一些星体更是以高得惊人的速度急速运动着,才聚拢出了庞大的星云;更甚者有些星星飞向了无人知晓的宇宙空间。

由于太阳附近温度过高那些经高温灼烤的物质就转化成蒸汽,而蒸汽以一秒钟几千千米的高速往上涌,一会儿就形成了一股股大气流,转瞬化作环绕在太阳身边的日珥且光芒四射。

距我们遥不可及的星体里面的最深处,亦有熔掉的物质在不停舞动。该处的温度在几千万度:细微的粒子分崩离析,原子核也裂开了,电子流腾空而起,电磁波跃过千百万甚至是几十亿千米的间隔跑到地球,使得地球大气都紊乱了。

1910年5月28号日食时的日珥,两张图展示的是10分钟内的变异

宇宙空间变得躁动不安了,公元前100年左右,一位大学者卢克来修讲了下面这段话:

不用说,那些原始的天体,

在辽阔的空间到处得不到安息。

相反,它们不断做出各种运动,相互追赶,

有一部分彼此发生碰撞而远远飞散,

有一部分却分散在相离不远的地方。

大家脚下的地球富有生命,我们脚踩着的地球看似很安静、静谧,其实在它的体表的各个部位都有生命迹象,仅一立方厘米见方的土壤中生活的小细菌就多达千百万个。人类发明的显微镜使我们的研究范畴更广了,获悉了那些微小细菌生物生活的别样环境,一直处于动态之中的过滤性病毒环境,吸引众人争鸣:这种过滤性病毒从属于生物界呢,抑或是非生物界鲜有的分子?

身处热运动之中的海水中的分子始终是运动着的,经科学研究发现,海水中富含的分子的振波长而复杂,并以一分钟几千米的速度在移动。

空气同地球间也一直发生着原子的交换活动。氢原子是由地下深处扩散至空气中的,因其运行的速度超过了引力,也就是说引力对它而言不起作用,就蹿到了星际的间隙。

游动的氧原子由空气中蹿至有机体,植物在分解二氧化碳后,碳就不停地循环,不过在地球深处,存在着由重岩石熔出的灼热熔岩,其喷涌着想跃至地球的表面。

如果我们眼前有一个洁净透明的晶体比如水晶,虽然坚硬无比,但是看上去却静悄悄的纹丝不动。晶体像是由各个小格子固定着,从而晶体包含的原子被紧紧定格于格子的交叉点。不过这仅是人们的想象:实际上原子一直在发生着位移,它们环绕着自身的平衡点始终在抖动,彼此间不停地交换着电子,位于它们体内的电子有时如同金属原子的电子般突然离去,有时又突然聚拢到一起沿着交错的轨道发生着位移。

大家周围所有的一切都是有生命的。克里木的静止般的夜景不是真实的景象;人类掌握的科技在一些情况下可让自然界受人意志的束缚,果真如此的话,人们对身边的物质移动的状况就会有更为清晰的剖析。当今的科技已能测出物质以几百万分之一秒里的高速在运行,借助新X射线便可将精确度提高至几百万分之一厘米,如此精确的程度我们一般用的尺子是无法企及的,通过调整其能将我们平常看到的东西扩大20万~50万倍,通过它我们才得见着世界上最小的过滤性病毒,更能见识物质的单个分子。显而易见,这个世界将不再是悄无声息的,而是由各个运动互相交织组合而成的,只不过彼此都想求得瞬间的平衡而已。

早先,大概是在古希腊强盛前,名哲学家赫拉克利特就生活于小亚细亚的岛屿之上,他有未卜先知的特异功能,他对宇宙间的事知道的颇多,他留下了一句话,在他之后的赫尔岑[1]将其说成是人的历史上最赋有天分的人的名言。

这句话是:“一切都在流动。”他从永恒运动的观点出发表达了他对世界的认识,人们就是抱着这种想法迎接着历史的各个阶段。卢克来修以此为基础在他的诗里流露出有关万物的本质及世界历史等哲学思想。罗蒙诺索夫以此作为理论基础建立起了自己的物理学,他认为宇宙中的各个点均存在三种运动方式:直线向前的、环绕运动的、摇摆的。最新的研究结果已经为此做了见证,由此大家也应该换个视角来欣赏宇宙中的一切了,并可找寻出物质的运动规律了。

面对原子的分布规则,我们以为,正是自然界中的一些速度不等、方向不一且规模有别的永恒而复杂的运动规律,才让这些活动无休止地进行从而让大自然富有生气,其也使得各式各样的原子显得异常活跃,人们觉得自己似乎得用新的方法论去观察、认识和理解我们周围的世界了。

光我们所看到的周围世界都广袤而不同凡响,大家都已经无法用千米这个单位去衡量了,因为这个单位不够度量。以地球同太阳的距离15000万千米作为例子来说,尽管一秒钟光就能绕着太阳跑上七圈半,但是要跑完这个路程也得8分钟左右,就算用地球和太阳的距离作为度量长度的单位都是不够衡量的。于是聪明的科学家就想出了一个与众不同的单位,那就是“光年”,意为光线在一年跑出的路程。将望远镜调到最大的倍数就能发现更多的星体,它们散出的光跑上千百万年才能落到地球之上……这一切充分说明自然界是没有界限的!而人类仅能看到有限的周围世界,则是缘于人们的智慧还有限无法造出更先进的望远镜……那些在宇宙中聚拢在一起的团团星际物质,凝结到一块儿人们称其为“星协”,它们的数量在一千亿个左右。一个星协包括大约一千亿颗星,一个星星又包含1后面加57个零数量的质子和中子,即组合出宇宙的众多小粒子。就这还不包括那些更微小的携带电的小粒子呢,它们所带的电是负的,那些电子我们没有计算在内。

在大自然中最多的是氢。大家都很清楚,诸多星云的成分仅包含氢。氢原子不但受到万有引力的影响,还受原子间特有的推力的影响——原子彼此间存在的这种力尚在探索阶段——就是让它们集合起来的那种力。聚拢出一大团一大团的原子,团内原子的数量得用56位数字来表示,即它们组合出了一颗星,不过相对于宇宙而言聚拢出一颗星的原子就太渺小了。也许大家会觉得,宇宙中的大部分是空无一物的,一立方米包含10个或者是100个物质的微小粒子,也就是原子,因此该处的压力不及一个标准大气压的十的二十六次方分之一。面对如此浩瀚的宇宙我们不仅会联想到另一个稠密的空间,那个空间的密度小缘于星体深处的压力,那里存在着几十亿大气压的压力,另外还有几千万甚至几亿度的高温:此处也为自然界的实验室,从氢原子产生出了更多新且更重的原子,首当其冲的要数氢原子了。

其中的一些星星发出很亮的白光,如较为有名的天狼星伴星,组成该星的物质结合的异常紧密,其重量为相等体积的金与铂的1000倍。我们想象不出这种物质到底是什么,它的特点又有哪些。

一是无垠的星际空间里单个原子在翱翔,在此处自然界的静止和急速运转不可辩驳的同时进行着,温度也是我们无法想象的零度。

二是星体的中央,千百万度的高温同时还有千百万大气压的压力相聚于此,在这里电子的排斥力对于原子不起作用,聚拢起来成了一大块很紧密的物质,这是我们在地球上无法见到的物质。在这样的情形下就演变出了化学元素,星体越大,其深处的温度就越高同时压力也越大,从而形成的元素也就重起来了,而且越发得牢固。

出现的化学元素便是同宇宙混沌形态相抗争的首要环节,在高温和高压下,处于游离态的质子和电子能生产出重一些的原子核。

照此下去,不同的位置慢慢就会出现不同的结构,从而出现人类称作化学元素的东西。有些元素储藏的能量多些,因此就重一些;而一些仅包含几个质子和中子的,就要轻得多。那些重量轻的元素常常在星体的身边或它们的大气层流动,或者是聚拢出庞大的星云。那些较为稳定的元素,则停靠在热浪席卷的或熔掉的星体表面。

一些结构在遇到强有力的辐射后会损坏一些星体的构造,促使其他结构出现:出现的这种巨大力量会有损原子核的稳定,造成一些元素的分崩离析,新的元素又诞生了,该过程一直延续到新原子不再受这种力量的控制才结束。形态各异的原子在宇宙空间的运动过程就从此时算起了。其中的一些原子,比如钙与钠的原子,遍布行星际的间隙,其可自由翱翔于整个宇宙。那些重量大的原子,性格稳重,一起在星云的某个角落聚拢。遇到降温的情形,各个原子的电场就连接起来了,这么一来,结构简单的化合物分子就形成了,像碳化物和碳氢化合物以及乙炔的微小颗粒,另外还有地球上见不到的一些物体,它们都是原子组合成的新生物,它们是研究天体的物理学家在观察遥不可及的星体中炙烤着的表面之际观测到的。这种处于游离态的结构并不复杂的分子,慢慢组合成整齐划一的体系。在温度不高的情况下,脱离有损自己的环境,无须触及星体的纵深处,就可形成宇宙组合的第二环境,结晶体就诞生了。晶体作为别样的建筑物,它里面的原子都按一定的规律排列着,如同方形的块状物放在盒子里那样。晶体的出现是物质脱离混沌状态的第二个步骤,每立方厘米晶体的产生,就得让1之后添22个零的原子聚拢到一起。结晶物质常常表现出不一样的个性,这就是晶体的特性。晶体来源于原子,不过对于晶体而言,原子里的那些规则却都丝毫不起作用了,不受人类还没弄清楚的原子核能规律的约束,而是受新生成的物质的规则制约——化学规律约束。

我不打算继续写这方面的内容了。我要特别指出的是,我们对宇宙的认识还是很有限的,自然界变化多端,它的静止只是相对而言的,实际上在其内部运动无所不在;世上的物质都是在运动中形成的,新的物质的形态跟我们在地球表面见到的毫无二异,如同大家在大自然中的硬石块中发现的一模一样。笔者前面介绍的内容,好多已由当前的科研成果验证了,不过有关从混沌状态先诞生原子后又出现晶体,还存在好多人们解不开的谜团。

但是我上面同大家讨论的问题,是出生于罗马的卢克修莱在2000年前就讲得很明白的了,太不可思议了吧?我们给大家摘录他的其他几行诗:

原始的时候只是一片混沌和暴风,

一切的开端都是没有秩序的乱哄哄,

在混乱的交战里诞生了

空隙、路线、结合、吸引、冲撞、相遇和运动。

因为它们的形状样式不相同,

大的和小的互相冲散,各奔西东,

它们之间的运动毫无规律,

性质不同的部分彼此分散,

相同的部分联合占据一部分世界,

然后在这世界里发展、合作分工。

由此可见大自然中的万物不是完全不动的:所有的东西都在运动,只是运动的速度有差异而已。在人们的印象里石头是不动的,殊不知,它时刻都在动,这有什么可奇怪的呢,构造它的原子每分每秒不都在动吗?我们以为石头是静止的,因为人们无法发现这种变动,还由于这种运动结果经过一个很长的时间才能为人们认识,而人类自身的运动速度则要超出石头很多倍。

最初人们认为原子不可分、稳固,连续不断跟它不相干,殊不知这个想法是不正确的,原子也在跟随时间变化。一些人们被称作放射性的原子,其运动速度一般较快,除此之外的原子的运行速度都很慢……再则说了,人类了解的一些原子也不断在变,其诞生于炙烫的星体中,然后成长直至消亡……

而且人类运用自己的智慧一直呈现着它们的持续变化与发展历程:由最初的不熟悉、模糊、混乱,不过随着人类知识的增长就弄清了自然界物质的各种互相联系的类型了,明白运动是遵循一定规则的,从而认识到宇宙是严密的、统一的……而后来的科学研究也证明了这些。