>>> 2005年第5期
科学的极限
作者：吴 铭
最低的温度是多少？最小的物体是什么？最短的时间计量单位是什么？这些问题的答案不仅是新奇事物的罗列，而且是通往新知识领域的大门，科学的新边界。
超越这个边界意味着我们将到达新的领域。在那里，目前科学家使用的物理定律将失去效力，任何事物的形态都不像教科书上说的那样。但今天，任何人都不会为上述问题找到答案。有些界限是不可逾越的，如超越光速。
但有些边界仅仅是由我们认知宇宙的能力决定的，是所有科学边界中最容易逾越的。我们的认知是与进化“同步”的，只能了解现实生活中的部分事物，还有许多事物不为人所知。幸运的是，增强感官能力的工具越来越多了。显微镜就是一个很好的例子——目前识别最小微粒的最好工具。人类测量地球引力的能力也增加了。最快的神经纤维传导信息的时间只要数百毫秒，因此我们不能了解发生时间比这更短的事物。
但这是真的吗？1999年，阿哈麦德·泽维尔因发现飞秒(相当于一千万亿分之一秒)激光而获得诺贝尔物理学奖。利用这种激光可以“拍摄”到原子和分子的化学反应过程，了解在这一过程中的中间产品。这是化学家梦寐以求的事。这令人震惊吗？不!因为今年又发现了原秒激光——衡量更短时间的单位。多么令人头晕目眩呀!
最短的时间
在100多年前的1900年，物理学家马克斯·普朗克发现，能量可以分为不可再分割的单位，并将其命名为“量子”。为了描述量子的体积，人们通常使用基本量子即普朗克量子来形容。这一发现标志着量子力学的诞生，其对科学发展起的作用超出普朗克本人的想像。例如，把普朗克量子同光速和其他常数结合在一起，就可以得出空间和时间方面不可分割的量子，也就是最短的距离单位和最短的时间单位。普朗克长度为10-33米。普朗克时间为10-45秒。
如何超越普朗克长度和普朗克时间还是个谜，因为现行物理定律在这个范围内就失效了。因此，宇宙论学者在研究宇宙起源时，在大爆炸之后，最多就能计算到10-43秒。要研究普朗克时间之前发生的事，还缺乏新定律。这种新定律，理论物理学家已研究几十年了。
最小的生物
人们了解的可以独立生存的最小的生物是支原体——一种没有细胞壁的细菌。一些支原体对人体是有害的。人们认为，支原体是在减少基因组的基础上，从其他细菌进化而来的。最小的支原体的基因组仅仅是病毒的2倍。病毒更小，但只有寄生在其他生物上才能生存。支原体的长度为0．1微米到0．3微米。那么现在的问题是，比支原体更小，基因也更少的生物能够独立生存吗？生物学家是很愿意回答这个问题的。这不仅是出于好奇心，而且还因为答案有助于人们了解那些对生命至关重要的基因。
这个信息将有助于生物学家将来“制造”专门用于某项工作——从消除环境污染到合成塑料——的微生物。到目前为止，用支原体进行的实验仍在继续。根据生存环境的不同，支原体的基因组有270组至600组。下一步是研究看起来必不可少的基因组在起什么作用。
最低的温度
“请让我咖啡里的原子加速运动!”这不是请求加热咖啡的最常用的说法，但在技术上是正确的。体温只不过是体内原子运动产生的结果：原子运动越快，体温越高。因此，当原子绝对平静下来时，温度才能变得最低。
当温度达到零下273．16摄氏度即绝对零度时才会出现这种现象。但谁也没有经历过这种现象，因为消除一个系统的所有热量是不可能的。在自然界，最冷的是外太空，气温达零下270摄氏度。但在实验室里，可以达到更低的温度。1995年，美国一实验小组将原子冷却到与绝对零度相差不足一千七百亿分之一摄氏度的水平上。接近绝对零度意味着发现了一种新的物质状态：玻色——爱因斯坦凝聚态。在这种状态中，一种气体的原子被“冷冻”了。这样，原子就开始以协调的方式震动，在激光中形成惟一一种波长。在任何其他物质状态下，都没有出现过类似现象。原子冷凝后，相互之间的影响就很小了。
最小的物质
目前，最精确的显微镜能够区分数十分之一埃——只有人类毛发直径的一千万分之一——的细小物体。我们进入原子世界，如果想精确地描述宇宙的话，那就要借助量子力学。现在，即使了解了原子的情况，人们的惊奇也不会减少。因为所发生的事情是非常罕见的，正如物理学家所说，是“非直观的”。隧道效应是最令人震惊的现象之一。粒子可以像声波那样运动，穿越不可逾越的障碍。声波可以穿透厚厚的墙壁，粒子也能这样。另一个引入注目的量子效应是隐形传送。人们能够创造两个相互关联的粒子，这样，发生在一个粒子上的反应会“影响”另一个粒子，尽管它们实际上相隔很远的距离。
最快的速度
光速是每秒钟29．9792458万公里，任何物质的速度都不会超过它。为什么呢？原因就是著名的爱因斯坦相对论：E=MC2，即能量等于物质质量乘光速的平方。相对论意味着质量随着速度的增加而增加，直至无穷。
根据这个理论，超过光速是不可能的。但如果是在航天器中旅行呢？这时就会出现与时间有关的相当有趣的现象。实际上，光速是一个常数：光速在空间的速度是不变的。但如果航天器以每秒15万公里的速度飞行，光速同样可以达到每秒15万公里吗？不是的。由于光速是不变的，因此，在相对论中，变化的是时间。对于一个以接近光速的速度飞行的旅行者来说，距离会变短，时间会放慢，因此光速永远是接近每秒30万公里，不管是对静止的物质还是对行进中的物质来说都是如此。
粒子加速器就是利用了这个原理：质量随着速度的增加而增加。在加速器中，粒子的速度不断增加，直至接近光速，在碰撞中将能量转为质量，产生新的粒子。这样，就可以研究物质的成分了。