宇宙计时者_[美] 大卫·J. 赫尔芬德_9787572721236

原子小得令人难以想象：一粒菜籽就由1500万万亿个原子构成。
原子内部几乎空无一物：99.9999999999%以上都是空的。
但科学家已学会精准计量这些近乎虚无的微小粒子，还能深入观察它们的内部状态。通过这样近距离的研究，我们发现，原子凭借其独特的特征和稳定的内部时钟，成为承载着过往历史秘密的小小档案库。
大卫·赫尔芬德借助原子重建了宇宙的历史追溯到138亿年前宇宙诞生的最初1微秒。他告诉我们如何利用探测器、反应堆、显微镜和望远镜，解读这些极微小粒子诉说的故事，破获一些历史谜案：一本中世纪的插图书是真品还是赝品？冰川里的遇难者死于五千年前还是几年前？一万年前的古人类晚饭吃了什么？人类出现之前地球气候是怎样的？我们在哪里找出恐龙灭绝元凶的线索？我们的地球和太阳系是何时形成的？我们能否追溯恒星核心原子的诞生过程，甚至窥见宇宙本身的起源？
通过了解这些构成万物的基础单位，我们将逐渐揭开那些遥不可及的时代和地域中的奥秘。

引言
它们几乎是空的：99.999 999 999 999 995% 的体积空间里几乎空无一物，然而，正是它们构成了世间万物你所见、所触、所闻、所尝、所感的一切。你吃的食物、穿的衣服，都是由它们组成的。它们的运动速度决定了你感受到的冷与热。它们不仅构建了物质世界，还孕育了你的希望、梦想和记忆。它们既能以孤立的形式存在，也能组合成高度复杂的结构。它们记录时间，也能揭示过去的秘密；没有它们，这些秘密将永远无从知晓。
它们就是原子。
你可能从未见过原子，尽管它们无处不在。这并不奇怪，因为原子不仅是几乎空无一物，而且是非常、非常微小的空无一物1500 万亿个原子才能组成一颗种子。
我们已经学会了如何直接与这些近乎虚无的微小存在互动，向它们提出详细的问题，调整它们的内部状态，并解读它们复杂的历史。你可以问它们：
你是怎么出现在中世纪祈祷书的那一页上的？
你是什么时候被画在洞穴墙上那头鹿的臀部上的？
当你作为雪花落在格陵兰冰川上的时候，那里的温度是多少？当地球从围绕新生太阳运转的物质盘中形成时，你在哪里？
在宇宙形成的最初3分钟里，你和你的伙伴们在做什么？
不需要严刑拷打，仅仅需要适当地诱导一下，原子就会告诉你它的秘密所有这些问题的答案。
关于15世纪的祈祷书，原子会有点不好意思地说：我是更晚一点1896 年才被添加上的。
关于洞穴的壁画，它会说：那是17 150 年前的事，误差大约为10 年。
关于格陵兰冰原下1 千米处的温度，它的答案相当精确：-25.5℃。
在太阳系行星形成时，我离有强大吸引力的行星轨道很远！原子回答道。
你指尖上一个在宇宙形成时就存在的原初原子会告诉你最后一个问题的答案：我正准备与一个可爱的氘核结合。
原子也随时准备引导我们探索更复杂的问题：
人类的饮食如何随时间变化？
我们在何时发展出农业，从而放弃了游牧生活？
恐龙在统治地球1.8亿年后，为何突然消失？
在地球形成后，生命为何如此迅速地出现？
而为什么生命的关键分子都是左撇子？
婚戒里的黄金是在宇宙历史的哪个时刻锻造而成的？
通过探测、计数、激发和转化这些微小的原子历史学家，我们能找到这些问题（甚至更多问题）的详细答案。在此之前，我们需要更正式地认识一下原子。
原子（Atomos）在希腊语中是不可分割的意思，在其最初的概念中，原子正是如此原则上存在的最小的、不可再分割的物质。2500年前，这个概念被引入西方世界时，还纯粹是一个哲学概念：世界由各种各样的物质组成，如果把一块物体（比如木头）分成两半，然后再分成两半，如此重复分割下去，最终会得到木头的最小粒子，即木头原子。当然，当时没有任何方法可以验证这一想法，但它听起来并非全然荒诞不经。
在古希腊，这一概念输给了另一种哲学观点一种更简单的物质观，即物质仅由4种基本元素以不同比例组成：土、气、火、水。原子观念在西方世界几乎被完全冷落了近2000年。然而在16世纪，原子概念重新出现在西方思想中。它先是在教会中得以正名，被视为上帝的造物，到18世纪则成为实证研究的对象。
现在，我们保留了原子是物质的基本构成单元这一概念，摒弃了它们不可分割的观念。事实上，我们对原子的组成部分已经有了极其详细的了解：一个复杂的、带正电的原子核，由质子和中子组成（质子和中子本身又由更基本的实体夸克构成），周围环绕着带负电的电子电子属于另一类被称为轻子的粒子。甚至，我们将这些组成部分视为粒子在特定位置以特定速度运动的物质碎片的传统观念也已经消失，取而代之的是更为抽象且反直觉的量子波粒二象性。
暂且忽略这种复杂性，我们重新确立了这样的观念：构成任何物质的最小单位是原子（或原子的精确组合）。此外，我们现在知道，宇宙及其包含的一切历史，都写在构成当今宇宙中所有正常物质的基本原子组成部分轻子和夸克的特定排列中。只要理解了支配这些粒子行为的物理定律，我们就能解读这段历史，就像掌握了语法和句法规则后，我们就可以阅读人类记录的历史文献。尽管原子不像人类历史学家那样可能带有文化偏见，但它们确实有自己的偏好，在我们交叉审问原子以提取它们的历史启示时，我们必须警惕这些偏好。
最重要的是，原子历史学家为我们提供了比最古老的文字记录更早的时间线索，使我们能以量化的形式描绘出历史学家所称的史前时代。此外，它们还揭示了人类登场之前地球的过往故事：地球气候的演变、大气的演化、生命的起源、太阳系的诞生，甚至以一种自我反思的方式揭示了原子自身的历史追溯到组成它们的粒子在宇宙大爆炸最初几微秒内诞生的那一刻。
正如前文所述，原子极其微小数万亿个原子可以在针尖上跳舞而不会踩到彼此的脚，这比传说中针尖上的天使还令人惊叹。它们的内部结构实际上是一场由带电粒子精心编排的小步舞曲，而它们舞蹈的节奏使我们能在数十亿光年外的空间中识别它们。值得注意的是，我们在宇宙深处看到的原子与构成我们自身的原子完全相同。
这些近乎空无一物的微小存在究竟是什么样子呢？如果我在曼哈顿120街和百老汇大街的拐角处放一个网球代表氢原子核（最简单的原子核），那么它的电子将在大约2千米外的96街到145街的某个地方绕行；如果你以轻快的步伐行走，可能需要半小时才能到达那里。而你会看到什么呢？很可能什么也看不到，因为：（1）在这个尺度上，电子比一粒沙子还小得多（实际上直径至少是沙粒的10万分之一）；（2）它将以每秒约1350英里（约2173千米）的速度飞速运动就像一团转瞬即逝的概率云，你几乎不可能捕捉到它的踪迹。
尽管如此，我们对原子的深入了解使我们能以惊人的程度控制它们的行为，而这正是现代生活的基础。例如，第55号元素铯（Cesium），定义了我们时间系统的基础：1秒等于铯原子在两个激发态之间跃迁时发出的光波振荡周期的9 192 631 770倍。你手机中的GPS（全球定位系统）正是依赖于此，它用空间轨道上的原子钟精确到32 000年误差1秒告诉你最近的咖啡店在哪里。事实上，你的手机本身（像世间万物一样由原子构成）也依赖于我们一次又一次精确而可靠地操纵原子组成部分的能力。你吃的食物、服用的药物、开车时燃烧的燃料，之所以能发挥作用，都是因为我们能控制原子的重新排列。
尽管原子并非坚不可摧（我们稍后会看到它们的消亡和转变所带来的后果），但它们是非常坚固的构建单元，在地球条件下，它们往往能够无限期地保持其特性。构成你身体的原子来自你吃的食物、喝的水和呼吸的空气（每克物质中约有500 亿亿个原子）。这些食物又依赖于食物链底层的植物从空气中以及通过根部吸收的原子。空气和土壤的原子组成因地球表面的地质作用和生物活动而改变，近期则受到人类集体活动的影响。这些过程中释放和重新排列的原子，最初在45.67亿年前从形成太阳系的星际气体和尘埃云中收集而来。是的，这些云中的原子甚至可以追溯到宇宙大爆炸的最初时刻。
本书将开启一段极速之旅聚焦过去138亿年间宇宙的量化历史。这段历史将通过一系列故事展开，而原子始终是主角。这场名为元素的宇宙大戏中共有94位主要演员。为了彰显它们的重要地位，全书将对所有元素名称采用首字母大写的标注方式。
这些原子具有非凡的稳定性，且每个原子都为细心的观察者提供了独特线索，这使我们能以出众的细节还原整个故事。我们可以利用原子为人类创造的艺术作品确定精确的年代，追溯农业和人类饮食的发展历史，拼凑过去气候的变迁以帮助我们理解未来的可能走向，并重建太阳系乃至宇宙本身的历史。我们将揭露艺术赝品，识别被盗雕像的来源，并确定古代人类的死因（甚至能知道他们去世当天午餐吃了什么）。我们将推断10万年前地球的温度，并将其与当时的大气成分联系起来。我们将确定地球和月球的形成时间，并在我们的时间轴上标记生命的起源。凭借对原子结构及其多种变化的深刻理解，我们可以真正意义上逐个原子地重建历史。原子记录了有机世界和无机世界中的种种事件。从牙釉质到植物和微小浮游生物的外壳，从火山喷发形成的玻璃颗粒到地壳深处形成的岩石，再到南极冰层中封存的气泡，原子都是历史的见证者。它们常常直接讲述真相，但有时也会在背景中隐藏着秘密，我们必须仔细挖掘才能完全信任它们。尽管偶尔需要一些谨慎的交叉询问，但从艺术到食物，从气候变化到行星灾难，从生命的起源到宇宙的诞生，原子都将是我们忠实的向导。

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