製造第一個人工放射性元素──佛雷德里克·約里奧-居禮誕辰│科學史上的今天：3/19

• 作者 / 楊建鄴

一個人在科學探索的道路上，走過彎路，犯過錯誤，並不是壞事，更不是什麼恥辱，要在實踐中勇於承認錯誤和改正錯誤。──愛因斯坦（Albert Einstein，1879−1955）

1914 年，第一次世界大戰爆發，哈恩被徵入伍，改換了身分，於是所有的研究工作都被迫中斷了。哈恩被派到哈伯那兒服役。1905 年，哈伯發明了將空氣中的氮合成氨的方法。我們知道，氨可以用來合成高效化肥，這一發明有極其重大的價值，為德國氮肥工業的興起作出了決定性貢獻。

1915 年年初，哈伯、哈恩與其他一些科學家被政府指令研究毒氣。哈伯是「毒氣計畫」的負責人。哈伯對哈恩說：「我們的任務是建立一支毒氣戰鬥特別部隊，我們要研製新的、殺傷力更大的毒氣。」

哈恩聽了，嚇了一跳，不由倒抽一口涼氣。

接著，哈伯說了一堆大「道理」，這些「道理」在第二次世界大戰發明原子彈時，又被一些科學家再次利用。哈伯在第一次世界大戰期間對德國可說是建立了卓偉功勛，但在第二次世界大戰時，這位無比忠於德國政府的人，因為是猶太人，受到希特勒的迫害，不得不逃離德國，最後暴病身亡。

第一次世界大戰結束後，哈恩和邁特納又在凱薩．威廉物理化學及電化學研究所，繼續已經中斷了四年多的合作研究。很快，他們發現了一種新元素，其原子序數是 91。他們給新元素取名為「鏷」(Pa)。接著，哈恩又做出了許多有價值的工作，因此他被認為是歐洲最權威的分析化學家，尤其在放射化學方面，更有著不同凡響的聲譽。

正在他學術上日見輝煌時，卻捲入了一場學術爭論之中。與他爭論的對手是很有威望的科學家，法國居禮夫人的大女兒伊雷娜–約里奧–居禮 (Irene Joliot-Curie，1897−1956)。

事情的起因和過程，這兒只簡單地介紹一下。義大利物理學家費米用慢中子轟擊 92 號元素鈾時，以為得到了 93 號元素。由於科學家在自然界只見過 92 號元素，從來沒有人見過 92 號之後的元素，所以，如果費米真的得到了 93 號元素，那真是一個非常了不起的發現。

費米開始還比較小心，不敢說自己真的發現了 93 號元素，只是說「有可能發現」新元素。但後來由於沒有人懷疑他的結果，於是費米也開始相信自己是真的發現了 93 號元素。

當時有一位叫伊達．諾達克 (Ida Norddack，1896−1978) 的德國女科學家曾經提出過批評。她在德國《應用化學》雜誌上發表了一封信，對費米提出了批評。在信中她寫道：現在費米還沒有把握說，中子撞擊了鈾以後反應的生成物是什麼，在這種情形下談論什麼「超鈾元素」是不合適的。

諾達克大膽假設，像原子量為 238 的鈾這樣的重原子核，當中子撞擊它時，它有可能分裂成幾大塊碎片，成為幾種比較輕的原子核。

諾達克的批評沒有受到費米和大家的重視，這有三個原因。一是諾達克不是很出名的科學家，刊登她的信的刊物也不是一流刊物。二是她的大膽假設，沒有任何人相信，因為中子的能量很小，「根本不可能」把堅固的原子核撞得分裂開來。舉個例子，一顆手槍子彈最多只能在牆上敲下幾塊碎片；如果說這顆子彈能把這座牆打倒，分裂成兩三大塊，恐怕你也不會相信的。三是哈恩同意了費米的意見，認為費米真的製出了超鈾元素；哈恩是公認的化學權威，這當然使費米相信自己對了。因此，費米拒絕了諾達克的意見。

諾達克與哈恩相識，哈恩也曾經關心過諾達克的研究。因此，在 1936 年一次見面時，諾達克向哈恩建議說：

「哈恩教授，您是否可以在您講課中，或者在著作中，提到我對費米的批評？」

哈恩嚴肅地拒絕了，並且說：

「我不想使您成為人們的笑柄！您認為鈾核會分成幾塊大碎片，依我看，純粹是謬論！」

但過了兩年之後，哈恩自己卻證明了這個「謬論」是真理；而且在 8 年之後，哈恩還因為這個發現得了諾貝爾化學獎！世界上有一些事情就這麼奇怪！

正當哈恩否定了諾達克意見之後，法國著名的化學家伊雷娜卻指出，諾達克的意見很可能是對的。伊雷娜在實驗中發現，用中子撞擊鈾以後，在反應產物中找到了比鈾輕得多的產物，其原子量只有鈾的一半。如果伊雷娜的實驗是真的，那鈾原子核就真的被中子撞成兩大塊了！

哈恩實驗室的工作人員都不相信伊雷娜的實驗結果，一些人嘲笑伊雷娜：

「伊雷娜還指望利用從她光榮的母親那兒學到一點化學知識，其實這早已經過時了。」

哈恩訓斥了說諷刺話的人，但他也不同意伊雷娜的意見。因此他以私人名義寫了一封信給伊雷娜，建議她更細緻地重做一次實驗。哈恩認為自己夠客氣的了，否則他會在刊物上提出批評，那伊雷娜就會出大醜了！

但是伊雷娜一點也不領哈恩的情，她在前一篇文章的基礎上，又發表了第二篇文章，進一步肯定了第一篇文章的結果。哈恩生氣了，覺得伊雷娜太不自量，竟然完全不聽一下他的善意勸告，一意孤行。他氣惱地對助手斯特拉斯曼（Fritz Strassman，1902−1980）說：

「我不會再讀這位法國太太的文章！」

繼續閱讀：原子彈的發明原理，從一個被說荒謬的假設開始（下）

• 作者／史坦利．萊斯 (Stanley A. Rice)；譯者／李延輝

月亮上，全部都是黑色和白色。晚上是晚上，白天是白天，沒有灰色地帶。但在地球上，因為大氣層分散了日光，所以會出現晨光與暮光的灰色陰影。地球具有多樣性，科學也在研究多樣性，上述只是幾乎無數種呈現方式中的第一種。

但人類心靈並不是一直輕易就接受多樣性。人類心靈有二元偏見，我們看待事物非黑即白，但科學必須抗拒這種偏見，就像抗拒其他許多偏見一樣。

即使人類心靈並未以二元的方式看待世界，也會以分類的方式看待：即使現實往往包含連續體而非各自獨立的類別，我們仍喜歡將所有事物分類。二元思考是分類思考的兩類別子集合。想知道一些分類和連續思考的例子嗎？這就是本章涵蓋的內容。

分類思考就是只能分兩類？

或許人類偏向分類思考是因為我們是兩兩對稱的生物。我們有左右手、腳和很多其他東西，也有上和下、前和後。相較之下，水母就是放射對稱，它有前和後，但除此之外其他部分都從中心點放射而出對稱。假如水母可以思考，它可能會將世界看成充滿各種可能性，而不只是「這個」相對於「那個」。

動物和人類祖先必須迅速決定是否該採取行動，例如是否要逃離老虎，是否要吃某種食物，這可能是我們演化出二元思考的原因。生死交關的決定往往是二元對立的，甚至對水母來說也是如此。

一方面，人類往往會將世界視為非黑即白，不是這個就是那個，非左即右，不是這裡就是那裡，非上即下，不是我們就是他們。另一方面（延續我二元對立的隱喻），我們也承認有許多多樣性無法納入分類思考的框架中。（世界上有兩種人：會將事物分類的人和不會將事物分類的人。）人類常常努力在分類思考和連續思考間取得平衡，但這是假設我們能將所有思考分類為分類或連續思考。

再者，二元對立也符合我們的公平感。記者就有強烈的偏見要「平衡雙方報導」，即使有兩方以上或其中一方顯然行事荒唐也是如此。

微世界中的多樣性

在科學家研究的物理、化學、生物和人類世界中，少有事物在分類上是絕對的。極少數二元對立的事物之一就是原子粒子的電荷。電子具有負電荷，而質子具有正電荷。但連電荷都是一種夸克的衍生特性，而夸克就構成了電子和質子粒子。其他事物無論是可分類或連續的，都以許多不同可能性的形式存在。

元素符號都一樣，中子、電子數目不一樣

以原子為例，「原子」一詞代表不可分割的事物。原子會分裂，但一旦發生分裂，原子就會喪失其特性，所以「它們」不可能分裂但仍維持原樣。

我們可能會認為所有的碳原子都很類似，全都屬於一種類別。但並不是這樣。它們的原子核都有六個質子。大多數也會有六個中子（使它們成為 ¹²C 或碳-12）。但少數碳原子多了一個中子，重量更重（¹³C 或碳-13）。再更少數的碳原子多了兩個中子，原子核變得不穩定，因此具有放射性（¹⁴C 或碳-14）。不同元素的同位素具有相同數目的質子，但中子的數目不同。

同樣地，純粹的鐵原子具有 26 個質子和 26 個電子。但許多鐵原子已經失去了它們的電子。亞鐵離子失去了兩個電子，而三價鐵離子則失去了三個。這讓它們具有不同的電荷。同一元素的不同離子具有相同數目的質子，但電子數目則不同。因此，每一種元素組成的類型都不同。

拉著電子不放的氧，讓水分子也「黏」在一起

我們可能會想，在這些類別中，原子都很相似。但連這也不是完全正確，因為原子絕對不會獨立存在。

舉例來說，思考一下兩個氫原子和一個氧原子組成了水分子（H₂O）。分子內的原子都自由分享它們的電子，但也不能說完全自由。氧分子就是出了名的渴求電子。在水分子內，自由移動的電子時間大多花在氧原子上，而較少花在出了名軟弱的氫原子上。

水分子具有一個中性電荷，電荷中共有 18 個質子和 18 個電子，但它有三極：兩個正氫極和一個負氧極。一個水分子的正極會吸引其他水分子的負極，讓水分子稍微黏在一起。

水分子的黏性是造成冰會漂浮的重要特性，也會使液態水最後煮沸前保留許多熱度，並在蒸散作用時透過植物將水往上拉，還有其他許多事物，少了這些事物，生命就不可能存在。

這些「氫鍵」也將 DNA 的股鏈結合在一起，強韌到足以保存分子完整性，但又寬鬆到足以讓各股鏈分解再重新聚集。（DNA 是細胞內儲存遺傳訊息的分子。為了讓這些資訊可以供細胞使用或是傳給下一代，股鏈必須能夠彼此分離，顯示出其隱藏的訊息。）因此，一個原子的特性取決於哪個或哪些其他的原子與其結合。

壁虎不貼牆也能爬牆，也是原子搞的鬼？

一個原子或分子可以互相改變，甚至不必結合也可以做到。用個隱喻來說，一個分子的電子可以嚇跑其他鄰近分子的電子，造成電荷差異，讓分子可以互相吸引。

這種「凡得瓦力」（Van der Waals forces）也讓壁虎不用真的黏在牆上就可以爬上牆。2014 年，國防高等研究計畫局（Defense Advanced Research Projects Administration, DARPA）宣布要發展壁虎裝，使用這樣的力量讓軍人可以爬牆，就算不像壁虎一樣輕而易舉，也可以勝過其他軍人。在每個原子的離子或同位素類別中，有一整個可能特性的連續體，這取決於其他可能與其結合的原子，甚至是那些恰好接近它的原子。

向左旋，向右旋，性質大不同！

許多分子可以以一種以上的構造存在，例如就像彼此的鏡像一樣。（這種分子只有兩種可能的鏡像，這可能是宇宙中除了電荷外，少數二元對立的性質之一。）這會造成很大的差異。

「左旋」的胺基酸組成的蛋白質讓我們維持生命，「右旋」的蛋白質則常有毒。左旋和右旋的胺基酸混合起來造成不穩定的蛋白質。因此，自然淘汰已經排除任何結合左旋和右旋型態的蛋白質。地球上的生命恰好是以左旋胺基酸開始，右旋胺基酸只好扮演壞人的角色。在火星的生命非線性死亡之前，火星上如果有蛋白質，或許就是由右旋胺基酸組成。

溫度也來參一咖

變化越來越多了。想一下有一堆同樣種類的分子，電荷和左右旋都沒有差異。分子集合在一起會具有特定溫度。溫度來自於移動的能量，或分子的動能。但沒有任何兩個分子具有一模一樣的動能。每個分子都有自已獨特的能量狀態，有些移動得多，有些移動得少。你可以把溫度想成是分子的平均動能，但這不是嚴格數學定義下的平均。

水一煮沸，平均動能就足以造成分子在液體中不再彼此黏合，自由地以氣態移動飛散。但早在水煮沸之前，許多水分子就已有足夠的能量可以蒸發。連冰都有一些水分子，可以進入氣態，以美麗的科學術語來說，這種過程稱為昇華，但這種例子很罕見。所以甚至連一杯水裡的水分子也有多樣性，而且是連續的多樣性。分子並不是屬於動能的類別。

可能存在的分子種類數目理論上是無窮無盡。在真實世界中，這並非無窮無盡，但當然也超越人類心靈所能理解的範圍，至少我無法理解。1976 年，我在有機化學拿了 C，後來每況愈下。

所以這就是多樣性、多樣性、多樣性，且常是連續而非可分類——而且我們還只是在講分子而已。

——本文摘自泛科學 2020 年 5 月選書《像科學家一樣思考》，2020 年 4 月，商周出版。

• 本文接續上一篇：原子理論是什麼？你夠了解原子嗎？——《科幻小說不是亂掰的：白日夢世界中的真實科學》上

反物質是怎麼一回事？

反物質是一種物質，只是不同的物質而已。

它之所以不同是因為它是由奇特的粒子所組成，這種粒子有著和一般物質相反的電荷。換句話說，在反物質裡的原子有帶正電的電子，稱為陽電子或正電子，盤旋在一個由帶負電的質子，又稱為反質子，所組成的原子核上方的活躍雲團。當一個粒子接觸自己的反相同那面時，它們會互相殲滅對方。那股能量必須要有出處，在科幻小說裡，這股能量能當作機器或武器的能量使用。

理論上來說，在我們的宇宙裡的每一個物質，應該要有一樣數量的反物質。並且它們應該已經將對方清除，但並沒有，所以我們才會在這兒。因為某些原因，在我們的宇宙的附近，物質在原始年代（primordial era〉會逐漸將反物質排擠出去。這在宇宙的其他地區並不必然是真的。在那兒的某處有可能是反物質銀河，這可以是科幻小說作家考慮用的素材。如果來一個一艘太空船正穿過一道只能用看的卻無法接觸的反物質銀河這樣的題材，如何？

諾貝爾獎得主的物理學家保羅．狄拉克（Paul Dirac〉於一九二八年導出一個發現反物質的方程式。這並非他的本意，完全是個偶然事件，這也是許多新發現的動機。一切都是從他有一個非常詭異的想法開始的，那就是自然法則應該適用於一切所有的事物。自己去想想吧！ 在那個時候量子力學是以薛丁格的破壞相對論做出公式化的表達，而相對論完全忽視量子力學。

狄拉克的公式成功地將這兩者一致化，當他呈現一個電子以接近光速的速度行進時會產生什麼。好笑的是這個公式也有一個一致的解決方式，就是陽電子。卡爾．戴維．安德森（Carl D. Anderson〉於一九三二年發現陽電子，也就是反物質的第一個直接證據。

他因為這項發現於一九三六年獲頒諾貝爾獎。現在陽電子已經使用於正子電腦斷層掃描上。

好吧！ 來點比較平易近人的話題吧！ 雖然現在還處於針對癌症治療的概念階段，使用反物質而非放射療法（對腫瘤放射 X 光或質子〉可能對病人來說會安全的多。反質子可以使用於殲滅腫瘤原子的核心裡的質子。加上釋放出的能量可以對腫瘤細胞做出更大的破壞。

所謂夸克

質子和中子都是由夸克所組成的。夸克的形式物理學家稱做「有不同的口味」：上夸克、下夸克、迷人的夸克、奇怪的夸克、頂尖的夸克、墊底的夸克。

為了讓這篇文章（幾乎是啦！〉保持簡單，我會將討論範圍縮小至上夸克與下夸克，因為它們是最穩定的。你要做好心理準備，因為我在這裡會變得比較數學性喔！ 但都只是些加法演算而已啦！

來複習一下，一個質子帶有一正電荷，一個電子帶有一負電荷，與一個不帶電的中子。現在奇怪的來了：上夸克帶有三分之二正電荷及下夸克帶有三分之一負電荷。是的，這些都是部分少量的。我知道，這很誇張！ 對非物理學家的人來說，這根本不用擔心，因為歸因於強核子力，它們在大自然裡絕對不會被單獨發現。

夸克是如何在一個原子的核心裡為粒子充電：

一個質子是由兩個上夸克及一個下夸克所組成。

現在用數學來表現：

+ 2／3（上夸克〉+ 2／3（上夸克〉- 1／3（下夸克〉= 1，一個正電荷。

一個中子是由一個上夸克及兩個下夸克所組成。

+ 2／3（上夸克〉- 1／3（下夸克〉- 1／3（下夸克〉= 0，一個電中性。

為了讓這點更複雜，沒有兩個夸克的結合可以讓你得到負一、零或一。好吧！ 是幾乎沒有任何結合。要讓一個兩個夸克的結合可以成立，你需要所謂的反夸克（帶有負三分之二與正三分之一電荷〉。

在接下來的這兩個段落是針對完整性，所以下次某人試著要用核子物理學來讓你對他有好感時，你可以點頭示意表示了解。

強子和夸克的關係

任何由強核力結合而成的事物稱為強子。任何由三個夸克組成的強子稱為重子（像是質子和中子〉。從另一角度來看，介子是由兩個夸克所組成的強子。

電子是基本的粒子，意味著它們無法再做分割。它們來自和夸克無關的另一個稱為輕子的家族。不像強子，輕子不會和強核力互動。它們的選擇仲裁者是電磁力。電子是最輕的帶電輕子。這對我們的存在是非常棒的，因為只有最輕的帶電輕子是最穩定的。因為這種穩定性才會產生化學。

來個小結論吧！

四種宇宙原力的影響範圍

在影響的範圍與強度來說，這四種力量有很大的分別。其中最強的力量（真是驚喜！〉是強核力。提供一個參考方式，想像強核力的強度是被定義為相等的一種力量。第二強的力量是電磁力，但只有強核力的一百三十七分之一的強度。接著是弱核力，令人震驚的是它只有強核力的 0.0000001 強度。最後來到這四個裡面最弱的力量，就是重力，它只有強核力的 0.00000000000000000000000000000000000001 的強度。

是的，重力是相對地微不足道。我們的整個星球都在把你往下拉，但只要一個廚房用吸鐵貼就能夠讓一個迴紋針從地面上彈跳起來。而且你一定有注意到一丁點的靜電是如何讓一張紙可以貼在你的手上並壓倒性地征服整個星球的重力作用。

重力與電磁力兩者皆有一種無限範圍的影響力，而強核力與弱核力的範圍則較小。強核力的影響力不超過一個原子核的寬度（0.000000000000001 公尺，或一費米〉。弱核力則侷限於一個質子直徑的一個百分比的十分之一。

核融合 vs. 核分裂

核分裂是當重的原子核以分裂的方式釋放能量。核融合是從結合原子核及提升元素週期表到較重的原子。舉例來說，在早期的宇宙，氫原子融合以形成氦原子。當兩個原子融合時，新原子的大部分會比兩個原來的原子總和來的少。消失的大部分透過 E=mc2 公式變成能量。

身為一種力量來源，核融合的優點是沒有像核分裂一樣會有長久的放射性的廢料產生。

——本文摘自《科幻小說不是亂掰的》，2019 年 3 月，時報出版