1939年9月1日：世界秩序崩塌之際，物理學(xué)的根基也開始動(dòng)搖

認(rèn)真閱讀下面的文章，并思考文末互動(dòng)提出的問題，嚴(yán)格按照互動(dòng)：你的答案格式在評(píng)論區(qū)留言，就有機(jī)會(huì)獲得由中國(guó)人民大學(xué)出版社提供的優(yōu)質(zhì)科普書籍《意識(shí)簡(jiǎn)史》。

世界墜入戰(zhàn)爭(zhēng)的同一天，物理學(xué)家也看見現(xiàn)實(shí)本身正在瓦解。

1939 年 9 月 1 日：一切同時(shí)開始傾斜

故事開始于1939年的9月1日。

W. H. 奧登走進(jìn)曼哈頓中城的 Dizzy Club[1]，在吧臺(tái)前坐下。隨著爵士樂的節(jié)奏和烈酒交織在一起，這位詩(shī)人試圖在一個(gè)已從虛假平衡中傾覆的世界里，重新尋找平衡。

我坐在第五十二大街

其中一個(gè)下等酒吧

疑慮又害怕

當(dāng)聰明的希望已到期

低俗而不誠(chéng)實(shí)的十年失效

注：此處及下文提及的詩(shī)句，均選自?shī)W登的詩(shī)作《1939 年 9 月 1 日》。本文使用的中文版本譯者為黃燦然先生。

希特勒剛剛?cè)肭至瞬ㄌm[2]，隨之而來(lái)的是這個(gè)世界第二次正在墜入戰(zhàn)爭(zhēng)。

就在同一天，科學(xué)期刊《物理評(píng)論》（Physical Review）出版了第 56 卷，其中收錄的兩篇論文合在一起，仿佛足以讓宇宙本身分崩離析。

其中一篇里，羅伯特·奧本海默（Robert Oppenheimer）與哈特蘭德·斯奈德（Hartland Snyder）首次描述了一顆恒星如何坍縮為黑洞；而另一篇里，尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）與約翰·阿奇博爾德·惠勒（John Archibald Wheeler）說(shuō)明了原子核是如何裂解，并釋放出可怕能量的。

最大尺度上時(shí)空的連續(xù)性、最小尺度上物質(zhì)的穩(wěn)定性，以及恰好夾在兩者之間的人類世界：它們幾乎在同一時(shí)刻全都搖搖欲墜。

這是一個(gè)仿佛自身形成了奇點(diǎn)的日期。人類事務(wù)的脆弱性，曾經(jīng)似乎還能由物理學(xué)的堅(jiān)實(shí)可靠來(lái)抵消；但突然之間，物理學(xué)堅(jiān)實(shí)的大廈轟然倒塌了。

憤怒和恐懼的電波

在地球上那些明亮

和暗淡的土地循環(huán)

當(dāng)恒星腳下再無(wú)地面

所有人都以為坍縮終會(huì)停止。阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）、卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild），以及每一位思考過(guò)超高密度天體在自身引力下收縮的物理學(xué)家，都認(rèn)為它最終會(huì)停下來(lái)。把花瓶從桌上碰落，它會(huì)落在地板上，而不會(huì)永無(wú)止境地下墜。我們的腳下總該有一塊可以駐足的平地。但奧本海默和斯奈德在論文《論持續(xù)引力收縮》[3]（On Continued Gravitational Contraction）中證明，事實(shí)絕非如此。

一顆普通恒星能夠發(fā)光照常閃耀，靠的是核聚變向外產(chǎn)生的壓力與引力向內(nèi)施加的擠壓之間的完美平衡。那種平衡本身，就是恒星。但當(dāng)它耗盡燃料——沒有更多氫可聚變成氦，也沒有更多氦可聚變成碳和氧——向外的壓力便會(huì)減弱，引力開始接管一切。

對(duì)于一顆中等質(zhì)量的恒星（即質(zhì)量不超過(guò)太陽(yáng)八倍的恒星），它的外層會(huì)被拋射到太空，內(nèi)部核心則向內(nèi)坍縮，物質(zhì)被壓得越來(lái)越致密，直到——它停止下來(lái)。那兒有一層“地板”。

量子物理定律不允許電子占據(jù)同一個(gè)量 子態(tài)。當(dāng)電子被塞得越來(lái)越緊密時(shí)，它們的動(dòng)量被迫分散開來(lái)，由此產(chǎn)生足以阻止引力沖擊的向外壓力（譯者注：這 種壓力被稱為電子簡(jiǎn)并壓）。就像勢(shì)均力敵的掰手腕選手，它們陷入僵持。我們把這種天體稱作白矮星——一枚致密、藍(lán)白色、在天空中微微發(fā)亮的余燼。

但假如恒星更大，或者一顆白矮星從伴星那里吸走了一部分質(zhì)量，電子簡(jiǎn)并壓便不夠用了。恒星繼續(xù)坍縮，密度不斷上升。電子被壓入原子核，與質(zhì)子結(jié)合形成中子（譯者注：這種過(guò)程被稱為逆β衰變）。引力試圖把這些中子也擠進(jìn)同一量子態(tài)，于是它們的動(dòng)量劇烈增大，產(chǎn)生一種新的壓力接住了這次下墜（譯者注：這種新的壓力被稱為中子簡(jiǎn)并壓）。原來(lái)“地板”之下，還有一層“地板”。這種新的平衡就是中子星。

可是，如果恒星還要更重——比如它最初擁有太陽(yáng)二十倍的質(zhì)量——中子簡(jiǎn)并壓也支撐不住了。那又會(huì)怎樣？

奧本海默和斯奈德在 9 月 1 日發(fā)表的論文中寫道：“如果原始恒星的質(zhì)量足夠小，或者恒星有足夠多的物質(zhì)可被輻射從表面吹走，或直接以輻射形式損失，又或者恒星的角動(dòng)量足夠大，能把它分裂為小碎塊，那么剩余物質(zhì)便可形成穩(wěn)定的靜態(tài)分布……我們所考察的，是違背這些條件的情形。”

也就是說(shuō)，他們考察的是：根本不存在“地板”的情形。

奧本海默和斯奈德借助愛因斯坦方程揭示，這顆正在屈服的恒星會(huì)不斷縮小，最終達(dá)到其“引力半徑”——也就是今天所謂的事件視界。那里是這樣一個(gè)邊界：引力強(qiáng)大到極點(diǎn)，時(shí)空幾何也扭曲到極點(diǎn)，以致于光仿佛只能原地奔跑；所有向外的路徑都會(huì)重新把它帶回內(nèi)部。

黑洞的基本結(jié)構(gòu)以及其對(duì)恒星物質(zhì)的吸積效應(yīng)

在遠(yuǎn)處觀察的人看來(lái)，隨著恒星縮小，光的波長(zhǎng)會(huì)顯得越來(lái)越被拉長(zhǎng)，時(shí)間會(huì)顯得越來(lái)越緩慢。這是芝諾式的坍縮：向內(nèi)落下的物質(zhì)似乎要花無(wú)窮久才能接近視界，永遠(yuǎn)也無(wú)法穿過(guò)去。事件視界看起來(lái)像一層地板，但那只是相對(duì)觀察者而言。換到下落物質(zhì)自身的視角，就沒有什么視界；只有世界仍在繼續(xù)坍縮，而引力在吞噬了它能找到的一切之后，開始吞噬自身。再也無(wú)法召喚出任何反作用力。現(xiàn)實(shí)已經(jīng)無(wú)計(jì)可施。在一秒鐘之內(nèi)，萬(wàn)物收縮為一點(diǎn)，隨后歸于虛無(wú)。

奧本海默和斯奈德本人仍抓住一絲希望。奇點(diǎn)的形成——空間、時(shí)間與世界的終結(jié)——如此令人不安，以至于他們確信自己一定錯(cuò)了；他們一定遺漏了“某種真正能夠抹平奇點(diǎn)的、本質(zhì)性的物理事實(shí)”。

侵?jǐn)_我們的私生活

那不宜提及的死亡味

冒犯著這九月的夜晚

電話線斷掉之后

那年 9 月 1 日清晨 4 點(diǎn)，但澤中央郵局的電話線路中斷了。位于波蘭走廊中的但澤是一座半自治城市，但鐵路和郵政由波蘭人運(yùn)營(yíng)。德國(guó)人切斷電話線四十五分鐘后，波羅的海上空響起了第一陣槍聲。志愿者紛紛趕來(lái)保衛(wèi)這棟建筑：戰(zhàn)斗工兵、陸軍預(yù)備役少尉康拉德·古德斯基（Konrad Guderski）；郵局局長(zhǎng)揚(yáng)·米雄（Jan Michon）；51名波蘭雇員；以及大樓管理員、他的妻子和他們 10 歲的女兒埃爾維娜（Erwina）。納粹逼近時(shí)，他們架起了機(jī)槍、各式步槍和手榴彈。

在華沙，防空警報(bào)響徹整個(gè)城市。通勤者從有軌電車中涌出，躲進(jìn)最近的建筑物。警察催促零散的行人趕緊進(jìn)屋。在畢蘇斯基廣場(chǎng)[4]，一戶農(nóng)民丟下馬車，跑去避難。一切寂靜無(wú)聲。細(xì)雨落在空蕩蕩的街道上，落在遺棄在道路中央的公共汽車、汽車和電車上。隨后，其中一名農(nóng)民又跑回到外面，把飼料袋綁到馬的嘴邊，再迅速躲回屋內(nèi)。

但誰(shuí)能活得長(zhǎng)久

在欣快癥的夢(mèng)里

望著鏡子他們看到

帝國(guó)主義的面孔

和國(guó)際壞事

原子核的最后一道防線

原子核本來(lái)被認(rèn)為是穩(wěn)定的。當(dāng)然，你可以轟擊它們，它們會(huì)放出一兩個(gè)粒子，就像石頭被崩掉一些碎屑；但石頭本身仍在。后來(lái)，化學(xué)家用中子轟擊鈾原子，結(jié)果卻得到了鋇——一種在元素周期表中位置相差極遠(yuǎn)、令人完全無(wú)法理解的元素。仿佛鈾原子核從中間裂成了兩半。沒有人知道這怎么可能。但在他們 1939 年 9 月 1 日發(fā)表的論文《核裂變的機(jī)制》（The Mechanism of Nuclear Fission）中，玻爾和惠勒表明，原子核與其說(shuō)像石頭，不如說(shuō)更像水。他們寫道：“本文基于原子核與液滴之間的類比，對(duì)裂變過(guò)程的機(jī)制及其伴隨效應(yīng)作出了詳細(xì)論述。[5]”

在由質(zhì)子和中子構(gòu)成的原子核中，帶正電的質(zhì)子之間存在相斥的靜電力，它施加向外的壓力，威脅著要把整個(gè)原子核炸開；與此同時(shí)，只在短距離內(nèi)起吸引作用的核力又把它們維系在一起。在某些重同位素中，例如鈾-235或钚-239，質(zhì)子和中子的構(gòu)型正處于穩(wěn)定性的邊緣。一個(gè)中子撞上去，整個(gè)原子核便會(huì)變形，就像從水龍頭垂下、被拉長(zhǎng)的水滴。在論文中，玻爾和惠勒通過(guò)計(jì)算展示了這種變形的不同階段：它如何振蕩、拉長(zhǎng)，又如何試圖維持自身完整。

液滴從水龍頭中落下時(shí)不斷變形、振蕩的過(guò)程[6]

有時(shí)，原子核能夠承受這次撞擊并恢復(fù)。它可以吸收中子，發(fā)生變形，然后通過(guò)發(fā)射伽馬射線甩掉多余能量；中子在原子核中找到位置，原子核作為一種更重的同位素重新穩(wěn)定下來(lái)。有時(shí)，它會(huì)把中子重新吐出去，或?qū)⒁粋€(gè)中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子，或是在亞穩(wěn)態(tài)中搖擺，之后才找到新的基態(tài)。

但玻爾和惠勒表明，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)無(wú)法回頭的臨界點(diǎn)。中子恰好使這顆“液滴”變形到無(wú)法復(fù)原的程度。它被拉長(zhǎng)，中間收窄；一團(tuán)團(tuán)質(zhì)子和中子聚在兩端，核力勉強(qiáng)把它們維系在一起，就像表面張力把水滴懸在水龍頭上，而它已隨時(shí)準(zhǔn)備滴落。

液滴模型所描述的原子核裂變過(guò)程

玻爾并不喜歡“裂變（fission）”這個(gè)詞。“它的動(dòng)詞是什么？”他問惠勒，“你總不能說(shuō)一個(gè)原子核‘裂了個(gè)變（fishes）’吧？”，但此時(shí)一切為時(shí)已晚。只在近距離有效的核力無(wú)法跨越這個(gè)被拉長(zhǎng)的形狀，而靜電斥力卻作用于完整距離，把兩半猛然推開。玻爾和惠勒寫道：“隨著原子核的分裂，將釋放出極大量的能量。”

但裂變的結(jié)果并不只是能量，也會(huì)產(chǎn)生更多中子。只要把多米諾骨牌以恰當(dāng)方式排好，你就可能啟動(dòng)一場(chǎng)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

迷失在鬧鬼的樹林

害怕夜晚的兒童

從未有過(guò)快樂或滿意

世界在下墜，生活仍在繼續(xù)

倫敦的孩子們?cè)谌敲恳蛔疖囌九抨?duì)，一只手緊握母親的手，另一只手拿著防毒面具。美國(guó)與歐洲之間的電話服務(wù)被切斷。英國(guó)銀行把資金轉(zhuǎn)移到鄉(xiāng)間莊園。燈火管制開始實(shí)施；交通信號(hào)燈被套上開有狹縫的硬紙板罩。在倫敦動(dòng)物園，為防止危險(xiǎn)動(dòng)物在混亂中逃逸，40 條毒蛇和幾只黑寡婦蜘蛛被實(shí)施安樂死。三千名出租車司機(jī)加入消防部門，在他們的出租車上裝配了拖車式水泵。在曼徹斯特，3600 名孕婦被疏散。（報(bào)紙報(bào)道，留下的男人們不得不自己給自己做早餐。）在開羅，圖坦卡蒙石棺上的珠寶被裝進(jìn)防爆地下室。在巴黎，圣德尼拉沙佩勒教堂最后一塊彩色玻璃被拆下，小心收藏起來(lái)。

因?yàn)殄e(cuò)誤繁殖于

每個(gè)男人和女人的骨子里

渴望它不能擁有的東西

不是愛大家

而是被獨(dú)愛

還有更多事情仍在發(fā)生。在馬薩諸塞州希思鎮(zhèn)，人們贈(zèng)予諾瑪·貝爾一籃鮮花，以表彰她在新英格蘭電話公司服務(wù)了 24 年。在新貝德福德，排污工人找回了黛西·弗萊明遺失的錢包。在賓夕法尼亞州比弗福爾斯，一只大丹犬獻(xiàn)血，救下了一只名叫 Tiny 的波士頓梗犬。在俄亥俄州克利夫蘭，數(shù)百名兒童參加了烤棉花糖活動(dòng)。而在大西洋的另一端，正午的柏林，遠(yuǎn)處傳來(lái)槍聲；人群看見一群鸛鳥飛過(guò)，歡呼起來(lái)。

夜晚毫無(wú)設(shè)防

我們的世界在昏睡

然而，在正義互換信息之處

譏諷的燈光在閃動(dòng)

臨界點(diǎn)之后：誰(shuí)來(lái)把世界拉回平衡？

在生命中，在宇宙中，都存在臨界點(diǎn)，存在無(wú)法回頭的時(shí)刻。有時(shí)你墜落，會(huì)有東西接住你；有時(shí)你只會(huì)不斷地下墜。我們總想相信，萬(wàn)事萬(wàn)物在其核心都是穩(wěn)定的，就像蒼穹中恒定不移的星辰；可實(shí)際上，一切始終處在邊緣，自然力把所有事物推向極端，推向它們破裂的地方。正因?yàn)橥局写嬖谝恍┕?jié)點(diǎn)——真正意義上的風(fēng)暴眼——各種力量在那里暫時(shí)相互抵消，或彼此牽制，時(shí)空、結(jié)構(gòu)和社會(huì)才能至少維持一小段時(shí)間。直到某種事物再次將它們推離平衡，某一股力量掙脫束縛，再無(wú)剎車。這會(huì)觸發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：中子作用于中子，引力疊加于引力，恐懼加劇恐懼，權(quán)力強(qiáng)化權(quán)力。當(dāng)它發(fā)生時(shí)，便無(wú)法回頭。僅若我們足夠幸運(yùn)，最終方能抵達(dá)某種新的平衡。

但這里或許正是奧本海默和斯奈德?lián)淖约哼z漏的那條本質(zhì)事實(shí)：恒星和原子會(huì)屈服于自然力；但你和我，同樣也是自然力。我們可以反向施力，在世界徹底脫離掌控之前，努力將它扳回某種穩(wěn)定狀態(tài)。

也許，我就像它們一樣

由愛和塵土構(gòu)成

被同樣的虛無(wú)與絕望圍攻

放射出一束堅(jiān)定的光芒

[1]Dizzy's（Dizzy Club）：20世紀(jì)30年代紐約曼哈頓中城西52街附近的一家酒吧，毗鄰當(dāng)時(shí)著名的爵士樂街區(qū)。1939年9月1日，英國(guó)詩(shī)人W. H. 奧登在此目睹紐約的夜生活，并在德國(guó)入侵波蘭、第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)當(dāng)天寫下了著名詩(shī)作《1939年9月1日》的開篇。值得注意的是，這里的Dizzy酒吧很可能并非今天紐約曼哈頓林肯中心以爵士樂著稱的Dizzy‘s。

[2]1939年9月1日，納粹德國(guó)入侵波蘭，第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)。德軍憑借裝甲部隊(duì)、空軍和機(jī)械化部隊(duì)的協(xié)同進(jìn)攻迅速突破波蘭防線，歐洲由此進(jìn)入全面戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期。

[3] J. R. Oppenheimer and H. Snyder, “On Continued Gravitational Contraction,” Physical Review 56, 455–459 (1939). 譯者注：該論文由奧本海默和其學(xué)生斯奈德合著，提出了著名的Oppenheimer-Snyder塌縮模型，將恒星近似為均勻、無(wú)壓的球?qū)ΨQ塵埃云，研究其在廣義相對(duì)論下引力收縮的演化。

[4]畢蘇斯基廣場(chǎng)不僅是華沙的中心廣場(chǎng)，更是波蘭國(guó)家獨(dú)立和民族記憶的象征。1939年德國(guó)入侵波蘭后，這里很快成為納粹占領(lǐng)統(tǒng)治的象征性地點(diǎn)，其命運(yùn)也映射了波蘭在戰(zhàn)爭(zhēng)中的遭遇。

[5]玻爾和惠勒提出的液滴模型將原子核視為具有表面張力和形變能力的液滴。當(dāng)重核吸收中子后，可能因形變過(guò)大而分裂成兩個(gè)較輕的原子核，從而發(fā)生核裂變。

作者：Amanda Gefter

翻譯：Wonder

審校：姬子隰

fu

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shi

jian

今天我們將送出由中國(guó)人民大學(xué)出版社提供的《意識(shí)簡(jiǎn)史》。

當(dāng)AI超越人類，意識(shí)是否仍珍貴？這是一部關(guān)乎存在與未來(lái)的必讀之書。

站在21世紀(jì)中葉的門檻，我們不得不承認(rèn)：人類正面臨一場(chǎng)前所未有的“意識(shí)危機(jī)”。這種危機(jī)一方面源自科學(xué)技術(shù)對(duì)人類意識(shí)的挑戰(zhàn)；另一方面則出自我們對(duì)自身定位的迷茫。意識(shí)究竟是什么？它從何處來(lái)，又將向何處去？這些問題如同夜空中最遙遠(yuǎn)的星辰，既璀璨奪目又令人費(fèi)解。

世界人工意識(shí)協(xié)會(huì)理事長(zhǎng)段玉聰教授撰寫的這本《意識(shí)簡(jiǎn)史》，試圖以兼具哲思、科普與文學(xué)性的筆觸，帶領(lǐng)讀者踏上一段探索意識(shí)簡(jiǎn)史的旅程。在這里，我們將縱覽意識(shí)的演化歷程，領(lǐng)略前沿理論對(duì)意識(shí)之謎的種種詮釋，并直面當(dāng)今時(shí)代有關(guān)意識(shí)的挑戰(zhàn)與危機(jī)。從遠(yuǎn)古祖先的第一次靈光乍現(xiàn)，到現(xiàn)代人工智能的崛起帶來(lái)的震撼，我們將層層撥開意識(shí)的面紗。

【互動(dòng)問題：奧本海默—斯奈德的恒星引力坍縮模型與玻爾—惠勒的原子核液滴模型，分別描述了宇宙中極大與極小尺度上的物理系統(tǒng)。盡管兩者尺度相差懸殊，它們的穩(wěn)定性都取決于不同物理機(jī)制之間的競(jìng)爭(zhēng)；一旦系統(tǒng)越過(guò)臨界點(diǎn)，原有結(jié)構(gòu)便可能不可逆地瓦解。

物理學(xué)中，微觀世界與宏觀宇宙之間為何會(huì)出現(xiàn)這類相似的結(jié)構(gòu)和規(guī)律？請(qǐng)結(jié)合你的理解談?wù)勥@種跨尺度對(duì)應(yīng)，或是舉個(gè)例子說(shuō)明。】

請(qǐng)大家嚴(yán)格按照互動(dòng)：?jiǎn)栴}答案的格式在評(píng)論區(qū)留言參與互動(dòng)，格式不符合要求者無(wú)效。

截止到本周四中午12：00，參與互動(dòng)的留言中點(diǎn)贊數(shù)排名第二、三、五的朋友將獲得我們送出的圖書一套（點(diǎn)贊數(shù)相同的留言記為并列，并列的后一名次序加一，如并列第二的后一位讀者記為第三名，以此類推）。

為了保證更多的朋友能夠參與獲獎(jiǎng)，過(guò)往四期內(nèi)獲過(guò)獎(jiǎng)的朋友不能再獲得獎(jiǎng)品，名次會(huì)依次順延

*本活動(dòng)僅限于微信平臺(tái)

編輯：7號(hào)機(jī)

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不代表中科院物理所立場(chǎng)