宠文网

万物简史英文版

宠文网 > 科普学习 > 万物简史英文版

9    THE MIGHTY ATOM

书籍名:《万物简史英文版》    作者:比尔·布莱森
    《万物简史英文版》章节: 9    THE MIGHTY ATOM,宠文网网友提供全文无弹窗免费在线阅读。!


The  great  Caltech  physicist  Richard  Feynman  once  observed  that  if  you  had  to  reducescientific  history  to  one  important  statement  it  would  be  “All  things  are  made  of  atoms.”  Theyare  everywhere  and  they  constitute  every  thing.  Look  around  you.  It  is  all  atoms.  Not  just  thesolid  things  like  walls  and  tables  and  sofas,  but  the  air  in  between.  And  they  are  there  innumbers  that  you  really  cannot  conceive.

The  basic  working  arrangement  of  atoms  is  the  molecule  (from  the  Latin  for  “little  mass”).

A  molecule  is  simply  two  or  more  atoms  working  together  in  a  more  or  less  stablearrangement:  add  two  atoms  of  hydrogen  to  one  of  oxygen  and  you  have  a  molecule  of  water.

Chemists  tend  to  think  in  terms  of  molecules  rather  than  elements  in  much  the  way  thatwriters  tend  to  think  in  terms  of  words  and  not  letters,  so  it  is  molecules  they  count,  and  theseare  numerous  to  say  the  least.  At  sea  level,  at  a  temperature  of  32  degrees  Fahrenheit,  onecubic  centimeter  of  air  (that  is,  a  space  about  the  size  of  a  sugar  cube)  will  contain  45  billionbillion  molecules.  And  they  are  in  every  single  cubic  centimeter  you  see  around  you.  Thinkhow  many  cubic  centimeters  there  are  in  the  world  outside  your  window—how  many  sugarcubes  it  would  take  to  fill  that  view.  Then  think  how  many  it  would  take  to  build  a  universe.

Atoms,  in  short,  are  very  abundant.

They  are  also  fantastically  durable.  Because  they  are  so  long  lived,  atoms  really  get  around.

Every  atom  you  possess  has  almost  certainly  passed  through  several  stars  and  been  part  ofmillions  of  organisms  on  its  way  to  becoming  you.  We  are  each  so  atomically  numerous  andso  vigorously  recycled  at  death  that  a  significant  number  of  our  atoms—up  to  a  billion  foreach  of  us,  it  has  been  suggested—probably  once  belonged  to  Shakespeare.  A  billion  moreeach  came  from  Buddha  and  Genghis  Khan  and  Beethoven,  and  any  other  historical  figureyou  care  to  name.  (The  personages  have  to  be  historical,  apparently,  as  it  takes  the  atomssome  decades  to  become  thoroughly  redistributed;  however  much  you  may  wish  it,  you  arenot  yet  one  with  Elvis  Presley.)So  we  are  all  reincarnations—though  short-lived  ones.  When  we  die  our  atoms  willdisassemble  and  move  off  to  find  new  uses  elsewhere—as  part  of  a  leaf  or  other  human  beingor  drop  of  dew.  Atoms,  however,  go  on  practically  forever.  Nobody  actually  knows  how  longan  atom  can  survive,  but  according  to  Martin  Rees  it  is  probably  about  1035years—a  numberso  big  that  even  I  am  happy  to  express  it  in  notation.

Above  all,  atoms  are  tiny—very  tiny  indeed.  Half  a  million  of  them  lined  up  shoulder  toshoulder  could  hide  behind  a  human  hair.  On  such  a  scale  an  individual  atom  is  essentiallyimpossible  to  imagine,  but  we  can  of  course  try.

Start  with  a  millimeter,  which  is  a  line  this  long:  -.  Now  imagine  that  line  divided  into  athousand  equal  widths.  Each  of  those  widths  is  a  micron.  This  is  the  scale  of  microorganisms.

A  typical  paramecium,  for  instance,  is  about  two  microns  wide,  0.002  millimeters,  which  isreally  very  small.  If  you  wanted  to  see  with  your  naked  eye  a  paramecium  swimming  in  adrop  of  water,  you  would  have  to  enlarge  the  drop  until  it  was  some  forty  feet  across.

However,  if  you  wanted  to  see  the  atoms  in  the  same  drop,  you  would  have  to  make  the  dropfifteen  miles  across.

Atoms,  in  other  words,  exist  on  a  scale  of  minuteness  of  another  order  altogether.  To  getdown  to  the  scale  of  atoms,  you  would  need  to  take  each  one  of  those  micron  slices  and  shaveit  into  ten  thousand  finer  widths.  That’s  the  scale  of  an  atom:  one  ten-millionth  of  amillimeter.  It  is  a  degree  of  slenderness  way  beyond  the  capacity  of  our  imaginations,  but  youcan  get  some  idea  of  the  proportions  if  you  bear  in  mind  that  one  atom  is  to  the  width  of  amillimeter  line  as  the  thickness  of  a  sheet  of  paper  is  to  the  height  of  the  Empire  StateBuilding.

It  is  of  course  the  abundance  and  extreme  durability  of  atoms  that  makes  them  so  useful,and  the  tininess  that  makes  them  so  hard  to  detect  and  understand.  The  realization  that  atomsare  these  three  things—small,  numerous,  practically  indestructible—and  that  all  things  aremade  from  them  first  occurred  not  to  Antoine-Laurent  Lavoisier,  as  you  might  expect,  or  evento  Henry  Cavendish  or  Humphry  Davy,  but  rather  to  a  spare  and  lightly  educated  EnglishQuaker  named  John  Dalton,  whom  we  first  encountered  in  the  chapter  on  chemistry.

Dalton  was  born  in  1766  on  the  edge  of  the  Lake  District  near  Cockermouth  to  a  family  ofpoor  but  devout  Quaker  weavers.  (Four  years  later  the  poet  William  Wordsworth  would  alsojoin  the  world  at  Cockermouth.)  He  was  an  exceptionally  bright  student—so  very  brightindeed  that  at  the  improbably  youthful  age  of  twelve  he  was  put  in  charge  of  the  local  Quakerschool.  This  perhaps  says  as  much  about  the  school  as  about  Dalton’s  precocity,  but  perhapsnot:  we  know  from  his  diaries  that  at  about  this  time  he  was  reading  Newton’s  Principia  in  theoriginal  Latin  and  other  works  of  a  similarly  challenging  nature.  At  fifteen,  stillschoolmastering,  he  took  a  job  in  the  nearby  town  of  Kendal,  and  a  decade  after  that  hemoved  to  Manchester,  scarcely  stirring  from  there  for  the  remaining  fifty  years  of  his  life.  InManchester  he  became  something  of  an  intellectual  whirlwind,  producing  books  and  paperson  subjects  ranging  from  meteorology  to  grammar.  Color  blindness,  a  condition  from  whichhe  suffered,  was  for  a  long  time  called  Daltonism  because  of  his  studies.  But  it  was  a  plumpbook  called  A  New  System  of  Chemical  Philosophy,  published  in  1808,  that  established  hisreputation.

There,  in  a  short  chapter  of  just  five  pages  (out  of  the  book’s  more  than  nine  hundred),people  of  learning  first  encountered  atoms  in  something  approaching  their  modernconception.  Dalton’s  simple  insight  was  that  at  the  root  of  all  matter  are  exceedingly  tiny,irreducible  particles.  “We  might  as  well  attempt  to  introduce  a  new  planet  into  the  solarsystem  or  annihilate  one  already  in  existence,  as  to  create  or  destroy  a  particle  of  hydrogen,”

he  wrote.

Neither  the  idea  of  atoms  nor  the  term  itself  was  exactly  new.  Both  had  been  developed  bythe  ancient  Greeks.  Dalton’s  contribution  was  to  consider  the  relative  sizes  and  characters  ofthese  atoms  and  how  they  fit  together.  He  knew,  for  instance,  that  hydrogen  was  the  lightestelement,  so  he  gave  it  an  atomic  weight  of  one.  He  believed  also  that  water  consisted  of  sevenparts  of  oxygen  to  one  of  hydrogen,  and  so  he  gave  oxygen  an  atomic  weight  of  seven.  Bysuch  means  was  he  able  to  arrive  at  the  relative  weights  of  the  known  elements.  He  wasn’talways  terribly  accurate—oxygen’s  atomic  weight  is  actually  sixteen,  not  seven—but  theprinciple  was  sound  and  formed  the  basis  for  all  of  modern  chemistry  and  much  of  the  rest  ofmodern  science.

The  work  made  Dalton  famous—albeit  in  a  low-key,  English  Quaker  sort  of  way.  In  1826,the  French  chemist  P  .J.  Pelletier  traveled  to  Manchester  to  meet  the  atomic  hero.  Pelletierexpected  to  find  him  attached  to  some  grand  institution,  so  he  was  astounded  to  discover  himteaching  elementary  arithmetic  to  boys  in  a  small  school  on  a  back  street.  According  to  the scientific  historian  E.  J.  Holmyard,  a  confused  Pelletier,  upon  beholding  the  great  man,stammered:

“Est-ce  que  j’ai  l’honneur  de  m’addresser  à  Monsieur  Dalton?”  for  he  couldhardly  believe  his  eyes  that  this  was  the  chemist  of  European  fame,  teaching  a  boyhis  first  four  rules.  “Yes,”  said  the  matter-of-fact  Quaker.  “Wilt  thou  sit  downwhilst  I  put  this  lad  right  about  his  arithmetic?”

Although  Dalton  tried  to  avoid  all  honors,  he  was  elected  to  the  Royal  Society  against  hiswishes,  showered  with  medals,  and  given  a  handsome  government  pension.  When  he  died  in1844,  forty  thousand  people  viewed  the  coffin,  and  the  funeral  cortege  stretched  for  twomiles.  His  entry  in  the  Dictionary  of  National  Biography  is  one  of  the  longest,  rivaled  inlength  only  by  those  of  Darwin  and  Lyell  among  nineteenth-century  men  of  science.

For  a  century  after  Dalton  made  his  proposal,  it  remained  entirely  hypothetical,  and  a  feweminent  scientists—notably  the  Viennese  physicist  Ernst  Mach,  for  whom  is  named  the  speedof  sound—doubted  the  existence  of  atoms  at  all.  “Atoms  cannot  be  perceived  by  the  senses  .  .

.  they  are  things  of  thought,”  he  wrote.  The  existence  of  atoms  was  so  doubtfully  held  in  theGerman-speaking  world  in  particular  that  it  was  said  to  have  played  a  part  in  the  suicide  of  thegreat  theoretical  physicist,  and  atomic  enthusiast,  Ludwig  Boltzmann  in  1906.

It  was  Einstein  who  provided  the  first  incontrovertible  evidence  of  atoms’  existence  withhis  paper  on  Brownian  motion  in  1905,  but  this  attracted  little  attention  and  in  any  caseEinstein  was  soon  to  become  consumed  with  his  work  on  general  relativity.  So  the  first  realhero  of  the  atomic  age,  if  not  the  first  personage  on  the  scene,  was  Ernest  Rutherford.

Rutherford  was  born  in  1871  in  the  “back  blocks”  of  New  Zealand  to  parents  who  hademigrated  from  Scotland  to  raise  a  little  flax  and  a  lot  of  children  (to  paraphrase  StevenWeinberg).  Growing  up  in  a  remote  part  of  a  remote  country,  he  was  about  as  far  from  themainstream  of  science  as  it  was  possible  to  be,  but  in  1895  he  won  a  scholarship  that  took  himto  the  Cavendish  Laboratory  at  Cambridge  University,  which  was  about  to  become  the  hottestplace  in  the  world  to  do  physics.

Physicists  are  notoriously  scornful  of  scientists  from  other  fields.  When  the  wife  of  thegreat  Austrian  physicist  Wolfgang  Pauli  left  him  for  a  chemist,  he  was  staggered  withdisbelief.  “Had  she  taken  a  bullfighter  I  would  have  understood,”  he  remarked  in  wonder  to  afriend.  “But  a  chemist  .  .  .”

It  was  a  feeling  Rutherford  would  have  understood.  “All  science  is  either  physics  or  stampcollecting,”  he  once  said,  in  a  line  that  has  been  used  many  times  since.  There  is  a  certainengaging  irony  therefore  that  when  he  won  the  Nobel  Prize  in  1908,  it  was  in  chemistry,  notphysics.

Rutherford  was  a  lucky  man—lucky  to  be  a  genius,  but  even  luckier  to  live  at  a  time  whenphysics  and  chemistry  were  so  exciting  and  so  compatible  (his  own  sentimentsnotwithstanding).  Never  again  would  they  quite  so  comfortably  overlap.

For  all  his  success,  Rutherford  was  not  an  especially  brilliant  man  and  was  actually  prettyterrible  at  mathematics.  Often  during  lectures  he  would  get  so  lost  in  his  own  equations  thathe  would  give  up  halfway  through  and  tell  the  students  to  work  it  out  for  themselves.

According  to  his  longtime  colleague  James  Chadwick,  discoverer  of  the  neutron,  he  wasn’teven  particularly  clever  at  experimentation.  He  was  simply  tenacious  and  open-minded.  Forbrilliance  he  substituted  shrewdness  and  a  kind  of  daring.  His  mind,  in  the  words  of  onebiographer,  was  “always  operating  out  towards  the  frontiers,  as  far  as  he  could  see,  and  thatwas  a  great  deal  further  than  most  other  men.”  Confronted  with  an  intractable  problem,  hewas  prepared  to  work  at  it  harder  and  longer  than  most  people  and  to  be  more  receptive  tounorthodox  explanations.  His  greatest  breakthrough  came  because  he  was  prepared  to  spendimmensely  tedious  hours  sitting  at  a  screen  counting  alpha  particle  scintillations,  as  they  wereknown—the  sort  of  work  that  would  normally  have  been  farmed  out.  He  was  one  of  the  firstto  see—possibly  the  very  first—that  the  power  inherent  in  the  atom  could,  if  harnessed,  makebombs  powerful  enough  to  “make  this  old  world  vanish  in  smoke.”

Physically  he  was  big  and  booming,  with  a  voice  that  made  the  timid  shrink.  Once  whentold  that  Rutherford  was  about  to  make  a  radio  broadcast  across  the  Atlantic,  a  colleague  drilyasked:  “Why  use  radio?”  He  also  had  a  huge  amount  of  good-natured  confidence.  Whensomeone  remarked  to  him  that  he  seemed  always  to  be  at  the  crest  of  a  wave,  he  responded,“Well,  after  all,  I  made  the  wave,  didn’t  I?”  C.  P.  Snow  recalled  how  once  in  a  Cambridgetailor’s  he  overheard  Rutherford  remark:  “Every  day  I  grow  in  girth.  And  in  mentality.”

But  both  girth  and  fame  were  far  ahead  of  him  in  1895  when  he  fetched  up  at  theCavendish.

1It  was  a  singularly  eventful  period  in  science.  In  the  year  of  his  arrival  inCambridge,  Wilhelm  Roentgen  discovered  X  rays  at  the  University  of  Würzburg  in  Germany,and  the  next  year  Henri  Becquerel  discovered  radioactivity.  And  the  Cavendish  itself  wasabout  to  embark  on  a  long  period  of  greatness.  In  1897,  J.  J.  Thomson  and  colleagues  woulddiscover  the  electron  there,  in  1911  C.  T.  R.  Wilson  would  produce  the  first  particle  detectorthere  (as  we  shall  see),  and  in  1932  James  Chadwick  would  discover  the  neutron  there.

Further  still  in  the  future,  James  Watson  and  Francis  Crick  would  discover  the  structure  ofDNA  at  the  Cavendish  in  1953.

In  the  beginning  Rutherford  worked  on  radio  waves,  and  with  some  distinction—hemanaged  to  transmit  a  crisp  signal  more  than  a  mile,  a  very  reasonable  achievement  for  thetime—but  gave  it  up  when  he  was  persuaded  by  a  senior  colleague  that  radio  had  little  future.

On  the  whole,  however,  Rutherford  didn’t  thrive  at  the  Cavendish.  After  three  years  there,feeling  he  was  going  nowhere,  he  took  a  post  at  McGill  University  in  Montreal,  and  there  hebegan  his  long  and  steady  rise  to  greatness.  By  the  time  he  received  his  Nobel  Prize  (for“investigations  into  the  disintegration  of  the  elements,  and  the  chemistry  of  radioactivesubstances,”  according  to  the  official  citation)  he  had  moved  on  to  Manchester  University,and  it  was  there,  in  fact,  that  he  would  do  his  most  important  work  in  determining  thestructure  and  nature  of  the  atom.

1The  name  comes  from  the  same  Cavendishes  who  producec  Henry.  This  one  was  William  Cavendish,  seventhDuke  of  Devonshire,  who  was  a  gifted  mathematician  and  steel  baron  in  Victoriar  England.  In  1870,  he  gave  theuniversity  £6,300  to  build  an  experimental  lab.

By  the  early  twentieth  century  it  was  known  that  atoms  were  made  of  parts—Thomson’sdiscovery  of  the  electron  had  established  that—but  it  wasn’t  known  how  many  parts  therewere  or  how  they  fit  together  or  what  shape  they  took.  Some  physicists  thought  that  atomsmight  be  cube  shaped,  because  cubes  can  be  packed  together  so  neatly  without  any  wastedspace.  The  more  general  view,  however,  was  that  an  atom  was  more  like  a  currant  bun  or  aplum  pudding:  a  dense,  solid  object  that  carried  a  positive  charge  but  that  was  studded  withnegatively  charged  electrons,  like  the  currants  in  a  currant  bun.

In  1910,  Rutherford  (assisted  by  his  student  Hans  Geiger,  who  would  later  invent  theradiation  detector  that  bears  his  name)  fired  ionized  helium  atoms,  or  alpha  particles,  at  asheet  of  gold  foil.

2To  Rutherford’s  astonishment,  some  of  the  particles  bounced  back.  It  wasas  if,  he  said,  he  had  fired  a  fifteen-inch  shell  at  a  sheet  of  paper  and  it  rebounded  into  his  lap.

This  was  just  not  supposed  to  happen.  After  considerable  reflection  he  realized  there  could  beonly  one  possible  explanation:  the  particles  that  bounced  back  were  striking  something  smalland  dense  at  the  heart  of  the  atom,  while  the  other  particles  sailed  through  unimpeded.  Anatom,  Rutherford  realized,  was  mostly  empty  space,  with  a  very  dense  nucleus  at  the  center.

This  was  a  most  gratifying  discovery,  but  it  presented  one  immediate  problem.  By  all  the  lawsof  conventional  physics,  atoms  shouldn’t  therefore  exist.

Let  us  pause  for  a  moment  and  consider  the  structure  of  the  atom  as  we  know  it  now.  Everyatom  is  made  from  three  kinds  of  elementary  particles:  protons,  which  have  a  positiveelectrical  charge;  electrons,  which  have  a  negative  electrical  charge;  and  neutrons,  which  haveno  charge.  Protons  and  neutrons  are  packed  into  the  nucleus,  while  electrons  spin  aroundoutside.  The  number  of  protons  is  what  gives  an  atom  its  chemical  identity.  An  atom  with  oneproton  is  an  atom  of  hydrogen,  one  with  two  protons  is  helium,  with  three  protons  is  lithium,and  so  on  up  the  scale.  Each  time  you  add  a  proton  you  get  a  new  element.  (Because  thenumber  of  protons  in  an  atom  is  always  balanced  by  an  equal  number  of  electrons,  you  willsometimes  see  it  written  that  it  is  the  number  of  electrons  that  defines  an  element;  it  comes  tothe  same  thing.  The  way  it  was  explained  to  me  is  that  protons  give  an  atom  its  identity,electrons  its  personality.)Neutrons  don’t  influence  an  atom’s  identity,  but  they  do  add  to  its  mass.  The  number  ofneutrons  is  generally  about  the  same  as  the  number  of  protons,  but  they  can  vary  up  and  downslightly.  Add  a  neutron  or  two  and  you  get  an  isotope.  The  terms  you  hear  in  reference  todating  techniques  in  archeology  refer  to  isotopes—carbon-14,  for  instance,  which  is  an  atomof  carbon  with  six  protons  and  eight  neutrons  (the  fourteen  being  the  sum  of  the  two).

Neutrons  and  protons  occupy  the  atom’s  nucleus.  The  nucleus  of  an  atom  is  tiny—only  onemillionth  of  a  billionth  of  the  full  volume  of  the  atom—but  fantastically  dense,  since  itcontains  virtually  all  the  atom’s  mass.  As  Cropper  has  put  it,  if  an  atom  were  expanded  to  thesize  of  a  cathedral,  the  nucleus  would  be  only  about  the  size  of  a  fly—but  a  fly  manythousands  of  times  heavier  than  the  cathedral.  It  was  this  spaciousness—this  resounding,unexpected  roominess—that  had  Rutherford  scratching  his  head  in  1910.

It  is  still  a  fairly  astounding  notion  to  consider  that  atoms  are  mostly  empty  space,  and  thatthe  solidity  we  experience  all  around  us  is  an  illusion.  When  two  objects  come  together  in  the2Geiger  would  also  later  become  a  loyal  Nazi,  unhesitatingly  betraying  Jewish  colleagues,  including  many  whohad  helped  him.

real  world—billiard  balls  are  most  often  used  for  illustration—they  don’t  actually  strike  eachother.  “Rather,”  as  Timothy  Ferris  explains,  “the  negatively  charged  fields  of  the  two  ballsrepel  each  other  .  .  .  were  it  not  for  their  electrical  charges  they  could,  like  galaxies,  pass  rightthrough  each  other  unscathed.”  When  you  sit  in  a  chair,  you  are  not  actually  sitting  there,  butlevitating  above  it  at  a  height  of  one  angstrom  (a  hundred  millionth  of  a  centimeter),  yourelectrons  and  its  electrons  implacably  opposed  to  any  closer  intimacy.

The  picture  that  nearly  everybody  has  in  mind  of  an  atom  is  of  an  electron  or  two  flyingaround  a  nucleus,  like  planets  orbiting  a  sun.  This  image  was  created  in  1904,  based  on  littlemore  than  clever  guesswork,  by  a  Japanese  physicist  named  Hantaro  Nagaoka.  It  iscompletely  wrong,  but  durable  just  the  same.  As  Isaac  Asimov  liked  to  note,  it  inspiredgenerations  of  science  fiction  writers  to  create  stories  of  worlds  within  worlds,  in  which  atomsbecome  tiny  inhabited  solar  systems  or  our  solar  system  turns  out  to  be  merely  a  mote  in  somemuch  larger  scheme.  Even  now  CERN,  the  European  Organization  for  Nuclear  Research,  usesNagaoka’s  image  as  a  logo  on  its  website.  In  fact,  as  physicists  were  soon  to  realize,  electronsare  not  like  orbiting  planets  at  all,  but  more  like  the  blades  of  a  spinning  fan,  managing  to  fillevery  bit  of  space  in  their  orbits  simultaneously  (but  with  the  crucial  difference  that  the  bladesof  a  fan  only  seem  to  be  everywhere  at  once;  electrons  are  ).

Needless  to  say,  very  little  of  this  was  understood  in  1910  or  for  many  years  afterward.

Rutherford’s  finding  presented  some  large  and  immediate  problems,  not  least  that  no  electronshould  be  able  to  orbit  a  nucleus  without  crashing.  Conventional  electrodynamic  theorydemanded  that  a  flying  electron  should  very  quickly  run  out  of  energy—in  only  an  instant  orso—and  spiral  into  the  nucleus,  with  disastrous  consequences  for  both.  There  was  also  theproblem  of  how  protons  with  their  positive  charges  could  bundle  together  inside  the  nucleuswithout  blowing  themselves  and  the  rest  of  the  atom  apart.  Clearly  whatever  was  going  ondown  there  in  the  world  of  the  very  small  was  not  governed  by  the  laws  that  applied  in  themacro  world  where  our  expectations  reside.

As  physicists  began  to  delve  into  this  subatomic  realm,  they  realized  that  it  wasn’t  merelydifferent  from  anything  we  knew,  but  different  from  anything  ever  imagined.  “Becauseatomic  behavior  is  so  unlike  ordinary  experience,”  Richard  Feynman  once  observed,  “it  isvery  difficult  to  get  used  to  and  it  appears  peculiar  and  mysterious  to  everyone,  both  to  thenovice  and  to  the  experienced  physicist.”  When  Feynman  made  that  comment,  physicists  hadhad  half  a  century  to  adjust  to  the  strangeness  of  atomic  behavior.  So  think  how  it  must  havefelt  to  Rutherford  and  his  colleagues  in  the  early  1910s  when  it  was  all  brand  new.

One  of  the  people  working  with  Rutherford  was  a  mild  and  affable  young  Dane  namedNiels  Bohr.  In  1913,  while  puzzling  over  the  structure  of  the  atom,  Bohr  had  an  idea  soexciting  that  he  postponed  his  honeymoon  to  write  what  became  a  landmark  paper.  Becausephysicists  couldn’t  see  anything  so  small  as  an  atom,  they  had  to  try  to  work  out  its  structurefrom  how  it  behaved  when  they  did  things  to  it,  as  Rutherford  had  done  by  firing  alphaparticles  at  foil.  Sometimes,  not  surprisingly,  the  results  of  these  experiments  were  puzzling.

One  puzzle  that  had  been  around  for  a  long  time  had  to  do  with  spectrum  readings  of  thewavelengths  of  hydrogen.  These  produced  patterns  showing  that  hydrogen  atoms  emittedenergy  at  certain  wavelengths  but  not  others.  It  was  rather  as  if  someone  under  surveillancekept  turning  up  at  particular  locations  but  was  never  observed  traveling  between  them.  No  onecould  understand  why  this  should  be.

It  was  while  puzzling  over  this  problem  that  Bohr  was  struck  by  a  solution  and  dashed  offhis  famous  paper.  Called  “On  the  Constitutions  of  Atoms  and  Molecules,”  the  paper  explainedhow  electrons  could  keep  from  falling  into  the  nucleus  by  suggesting  that  they  could  occupyonly  certain  well-defined  orbits.  According  to  the  new  theory,  an  electron  moving  betweenorbits  would  disappear  from  one  and  reappear  instantaneously  in  another  without  visiting  thespace  between.  This  idea—the  famous  “quantum  leap”—is  of  course  utterly  strange,  but  itwas  too  good  not  to  be  true.  It  not  only  kept  electrons  from  spiraling  catastrophically  into  thenucleus;  it  also  explained  hydrogen’s  bewildering  wavelengths.  The  electrons  only  appearedin  certain  orbits  because  they  only  existed  in  certain  orbits.  It  was  a  dazzling  insight,  and  itwon  Bohr  the  1922  Nobel  Prize  in  physics,  the  year  after  Einstein  received  his.

Meanwhile  the  tireless  Rutherford,  now  back  at  Cambridge  as  J.  J.  Thomson’s  successor  ashead  of  the  Cavendish  Laboratory,  came  up  with  a  model  that  explained  why  the  nuclei  didn’tblow  up.  He  saw  that  they  must  be  offset  by  some  type  of  neutralizing  particles,  which  hecalled  neutrons.  The  idea  was  simple  and  appealing,  but  not  easy  to  prove.  Rutherford’sassociate,  James  Chadwick,  devoted  eleven  intensive  years  to  hunting  for  neutrons  beforefinally  succeeding  in  1932.  He,  too,  was  awarded  with  a  Nobel  Prize  in  physics,  in  1935.  AsBoorse  and  his  colleagues  point  out  in  their  history  of  the  subject,  the  delay  in  discovery  wasprobably  a  very  good  thing  as  mastery  of  the  neutron  was  essential  to  the  development  of  theatomic  bomb.  (Because  neutrons  have  no  charge,  they  aren’t  repelled  by  the  electrical  fields  atthe  heart  of  an  atom  and  thus  could  be  fired  like  tiny  torpedoes  into  an  atomic  nucleus,  settingoff  the  destructive  process  known  as  fission.)  Had  the  neutron  been  isolated  in  the  1920s,  theynote,  it  is  “very  likely  the  atomic  bomb  would  have  been  developed  first  in  Europe,undoubtedly  by  the  Germans.”

As  it  was,  the  Europeans  had  their  hands  full  trying  to  understand  the  strange  behavior  ofthe  electron.  The  principal  problem  they  faced  was  that  the  electron  sometimes  behaved  like  aparticle  and  sometimes  like  a  wave.  This  impossible  duality  drove  physicists  nearly  mad.  Forthe  next  decade  all  across  Europe  they  furiously  thought  and  scribbled  and  offered  competinghypotheses.  In  France,  Prince  Louis-Victor  de  Broglie,  the  scion  of  a  ducal  family,  found  thatcertain  anomalies  in  the  behavior  of  electrons  disappeared  when  one  regarded  them  as  waves.

The  observation  excited  the  attention  of  the  Austrian  Erwin  Schr?dinger,  who  made  some  deftrefinements  and  devised  a  handy  system  called  wave  mechanics.  At  almost  the  same  time  theGerman  physicist  Werner  Heisenberg  came  up  with  a  competing  theory  called  matrixmechanics.  This  was  so  mathematically  complex  that  hardly  anyone  really  understood  it,including  Heisenberg  himself  (“I  do  not  even  know  what  a  matrix  is  ,”  Heisenberg  despairedto  a  friend  at  one  point),  but  it  did  seem  to  solve  certain  problems  that  Schr?dinger’s  wavesfailed  to  explain.  The  upshot  is  that  physics  had  two  theories,  based  on  conflicting  premises,that  produced  the  same  results.  It  was  an  impossible  situation.

Finally,  in  1926,  Heisenberg  came  up  with  a  celebrated  compromise,  producing  a  newdiscipline  that  came  to  be  known  as  quantum  mechanics.  At  the  heart  of  it  was  Heisenberg’sUncertainty  Principle,  which  states  that  the  electron  is  a  particle  but  a  particle  that  can  bedescribed  in  terms  of  waves.  The  uncertainty  around  which  the  theory  is  built  is  that  we  canknow  the  path  an  electron  takes  as  it  moves  through  a  space  or  we  can  know  where  it  is  at  agiven  instant,  but  we  cannot  know  both.

3Any  attempt  to  measure  one  will  unavoidably3There  is  a  little  uncertainty  about  the  use  of  the  word  uncertainty  in  regard  to  Heisenbergs  principle.  MichaelFrayn,  in  an  afterword  to  his  play  Copenhagen,  notes  that  several  words  in  German-Unsicherheit,  Unscharfe,Unbestimmtheit-have  been  used  by  various  translators,  but  that  none  quite  equates  to  the  English  uncertainty.

Frayn  suggests  that  indeterminacy  would  be  a  better  word  for  the  principle  and  indeterminability  would  be  betterstill.

disturb  the  other.  This  isn’t  a  matter  of  simply  needing  more  precise  instruments;  it  is  animmutable  property  of  the  universe.

What  this  means  in  practice  is  that  you  can  never  predict  where  an  electron  will  be  at  anygiven  moment.  You  can  only  list  its  probability  of  being  there.  In  a  sense,  as  Dennis  Overbyehas  put  it,  an  electron  doesn’t  exist  until  it  is  observed.  Or,  put  slightly  differently,  until  it  isobserved  an  electron  must  be  regarded  as  being  “at  once  everywhere  and  nowhere.”

If  this  seems  confusing,  you  may  take  some  comfort  in  knowing  that  it  was  confusing  tophysicists,  too.  Overbye  notes:  “Bohr  once  commented  that  a  person  who  wasn’t  outraged  onfirst  hearing  about  quantum  theory  didn’t  understand  what  had  been  said.”  Heisenberg,  whenasked  how  one  could  envision  an  atom,  replied:  “Don’t  try.”

So  the  atom  turned  out  to  be  quite  unlike  the  image  that  most  people  had  created.  Theelectron  doesn’t  fly  around  the  nucleus  like  a  planet  around  its  sun,  but  instead  takes  on  themore  amorphous  aspect  of  a  cloud.  The  “shell”  of  an  atom  isn’t  some  hard  shiny  casing,  asillustrations  sometimes  encourage  us  to  suppose,  but  simply  the  outermost  of  these  fuzzyelectron  clouds.  The  cloud  itself  is  essentially  just  a  zone  of  statistical  probability  marking  thearea  beyond  which  the  electron  only  very  seldom  strays.  Thus  an  atom,  if  you  could  see  it,would  look  more  like  a  very  fuzzy  tennis  ball  than  a  hard-edged  metallic  sphere  (but  not  muchlike  either  or,  indeed,  like  anything  you’ve  ever  seen;  we  are,  after  all,  dealing  here  with  aworld  very  different  from  the  one  we  see  around  us).

It  seemed  as  if  there  was  no  end  of  strangeness.  For  the  first  time,  as  James  Trefil  has  put  it,scientists  had  encountered  “an  area  of  the  universe  that  our  brains  just  aren’t  wired  tounderstand.”  Or  as  Feynman  expressed  it,  “things  on  a  small  scale  behave  nothing  like  thingson  a  large  scale.”  As  physicists  delved  deeper,  they  realized  they  had  found  a  world  where  notonly  could  electrons  jump  from  one  orbit  to  another  without  traveling  across  any  interveningspace,  but  matter  could  pop  into  existence  from  nothing  at  all—“provided,”  in  the  words  ofAlan  Lightman  of  MIT,  “it  disappears  again  with  sufficient  haste.”

Perhaps  the  most  arresting  of  quantum  improbabilities  is  the  idea,  arising  from  WolfgangPauli’s  Exclusion  Principle  of  1925,  that  the  subatomic  particles  in  certain  pairs,  even  whenseparated  by  the  most  considerable  distances,  can  each  instantly  “know”  what  the  other  isdoing.  Particles  have  a  quality  known  as  spin  and,  according  to  quantum  theory,  the  momentyou  determine  the  spin  of  one  particle,  its  sister  particle,  no  matter  how  distant  away,  willimmediately  begin  spinning  in  the  opposite  direction  and  at  the  same  rate.

It  is  as  if,  in  the  words  of  the  science  writer  Lawrence  Joseph,  you  had  two  identical  poolballs,  one  in  Ohio  and  the  other  in  Fiji,  and  the  instant  you  sent  one  spinning  the  other  wouldimmediately  spin  in  a  contrary  direction  at  precisely  the  same  speed.  Remarkably,  thephenomenon  was  proved  in  1997  when  physicists  at  the  University  of  Geneva  sent  photonsseven  miles  in  opposite  directions  and  demonstrated  that  interfering  with  one  provoked  aninstantaneous  response  in  the  other.

Things  reached  such  a  pitch  that  at  one  conference  Bohr  remarked  of  a  new  theory  that  thequestion  was  not  whether  it  was  crazy,  but  whether  it  was  crazy  enough.  To  illustrate  thenonintuitive  nature  of  the  quantum  world,  Schr?dinger  offered  a  famous  thought  experimentin  which  a  hypothetical  cat  was  placed  in  a  box  with  one  atom  of  a  radioactive  substanceattached  to  a  vial  of  hydrocyanic  acid.  If  the  particle  degraded  within  an  hour,  it  would  triggera  mechanism  that  would  break  the  vial  and  poison  the  cat.  If  not,  the  cat  would  live.  But  we could  not  know  which  was  the  case,  so  there  was  no  choice,  scientifically,  but  to  regard  thecat  as  100  percent  alive  and  100  percent  dead  at  the  same  time.  This  means,  as  StephenHawking  has  observed  with  a  touch  of  understandable  excitement,  that  one  cannot  “predictfuture  events  exactly  if  one  cannot  even  measure  the  present  state  of  the  universe  precisely!”

Because  of  its  oddities,  many  physicists  disliked  quantum  theory,  or  at  least  certain  aspectsof  it,  and  none  more  so  than  Einstein.  This  was  more  than  a  little  ironic  since  it  was  he,  in  hisannus  mirabilis  of  1905,  who  had  so  persuasively  explained  how  photons  of  light  couldsometimes  behave  like  particles  and  sometimes  like  waves—the  notion  at  the  very  heart  of  thenew  physics.  “Quantum  theory  is  very  worthy  of  regard,”  he  observed  politely,  but  he  reallydidn’t  like  it.  “God  doesn’t  play  dice,”  he  said.

4Einstein  couldn’t  bear  the  notion  that  God  could  create  a  universe  in  which  some  thingswere  forever  unknowable.  Moreover,  the  idea  of  action  at  a  distance—that  one  particle  couldinstantaneously  influence  another  trillions  of  miles  away—was  a  stark  violation  of  the  specialtheory  of  relativity.  This  expressly  decreed  that  nothing  could  outrace  the  speed  of  light  andyet  here  were  physicists  insisting  that,  somehow,  at  the  subatomic  level,  information  could.

(No  one,  incidentally,  has  ever  explained  how  the  particles  achieve  this  feat.  Scientists  havedealt  with  this  problem,  according  to  the  physicist  Yakir  Aharanov,  “by  not  thinking  aboutit.”)Above  all,  there  was  the  problem  that  quantum  physics  introduced  a  level  of  untidiness  thathadn’t  previously  existed.  Suddenly  you  needed  two  sets  of  laws  to  explain  the  behavior  ofthe  universe—quantum  theory  for  the  world  of  the  very  small  and  relativity  for  the  largeruniverse  beyond.  The  gravity  of  relativity  theory  was  brilliant  at  explaining  why  planetsorbited  suns  or  why  galaxies  tended  to  cluster,  but  turned  out  to  have  no  influence  at  all  at  theparticle  level.  To  explain  what  kept  atoms  together,  other  forces  were  needed,  and  in  the1930s  two  were  discovered:  the  strong  nuclear  force  and  weak  nuclear  force.  The  strong  forcebinds  atoms  together;  it’s  what  allows  protons  to  bed  down  together  in  the  nucleus.  The  weakforce  engages  in  more  miscellaneous  tasks,  mostly  to  do  with  controlling  the  rates  of  certainsorts  of  radioactive  decay.

The  weak  nuclear  force,  despite  its  name,  is  ten  billion  billion  billion  times  stronger  thangravity,  and  the  strong  nuclear  force  is  more  powerful  still—vastly  so,  in  fact—but  theirinfluence  extends  to  only  the  tiniest  distances.  The  grip  of  the  strong  force  reaches  out  only  toabout  1/100,000  of  the  diameter  of  an  atom.  That’s  why  the  nuclei  of  atoms  are  so  compactedand  dense  and  why  elements  with  big,  crowded  nuclei  tend  to  be  so  unstable:  the  strong  forcejust  can’t  hold  on  to  all  the  protons.

The  upshot  of  all  this  is  that  physics  ended  up  with  two  bodies  of  laws—one  for  the  worldof  the  very  small,  one  for  the  universe  at  large—leading  quite  separate  lives.  Einstein  dislikedthat,  too.  He  devoted  the  rest  of  his  life  to  searching  for  a  way  to  tie  up  these  loose  ends  byfinding  a  grand  unified  theory,  and  always  failed.  From  time  to  time  he  thought  he  had  it,  butit  always  unraveled  on  him  in  the  end.  As  time  passed  he  became  increasingly  marginalizedand  even  a  little  pitied.  Almost  without  exception,  wrote  Snow,  “his  colleagues  thought,  andstill  think,  that  he  wasted  the  second  half  of  his  life.”

4Or  at  least  that  is  how  it  is  nearly  always  rendered.  The  actual  quote  was:  “It  seems  hard  to  sneak  a  look  atGod’s  cards.  But  that  He  plays  dice  and  uses  ‘telepathic’  methods.  .  .  is  something  that  I  cannot  believe  for  asingle  moment.”

Elsewhere,  however,  real  progress  was  being  made.  By  the  mid-1940s  scientists  hadreached  a  point  where  they  understood  the  atom  at  an  extremely  profound  level—as  they  alltoo  effectively  demonstrated  in  August  1945  by  exploding  a  pair  of  atomic  bombs  over  Japan.

By  this  point  physicists  could  be  excused  for  thinking  that  they  had  just  about  conqueredthe  atom.  In  fact,  everything  in  particle  physics  was  about  to  get  a  whole  lot  morecomplicated.  But  before  we  take  up  that  slightly  exhausting  story,  we  must  bring  anotherstraw  of  our  history  up  to  date  by  considering  an  important  and  salutary  tale  o