世界中的世界
天然晶体具有七种基本的形状和各种各样的颜色。这些外形所反映的晶体空间图形和晶体组成物质总是令人类着迷{希腊人认为，组成晶体的那些元素实际上更像一些规则的实心球。这一点用现在的话来说就是；天然晶体反映了其组成原子的某些特性。而这些特性可以帮助我们把这些原子分成元素族。这就是我们这个世纪的物理世界，而晶体是通往那个世界的第一条通道。
在各种晶体中，最廉价的晶体就是普通盐的那种简单无色的立方体，而且到目前为止，它仍是最重要的晶体之一。在靠近古波兰首都克拉科的威尔里茨卡（Wielicaka）大盐矿，采盐的历史有近千年。一些17世纪的木头矿坑和马拉的机械仍被保留着。炼金术士帕拉塞尔苏斯也许在他的东方之旅时到过这里。他在公元1500年以后改变了炼金术的流程，他坚持认为，在所有对人类和自然都有益的元素中，最有价值的肯定是盐。对于生命来说，盐是必需品，而且在各种文明中，它都是具有某种象征性。如我们现在仍像罗马士兵一样，把付给人们的工资称作“盐钱（salary）”。在中东，一份合同仍用盐来密封，这样的合同在《旧约全书》中被称作“一份像盐一样永恒的契约”。
从一个方面来说，帕拉塞尔苏斯是错的，因为根据现在的认识，盐不是一种元素，而是氯和钠这两个元素的化合物。很显然，用那种白色的、嘶嘶冒泡的金属钠和一种黄色有毒的氯气就足以生成具有稳定结构的普通盐。除此之外，更明显的是钠和氯属于不同的元素族。在一个元素族中，元素间存在着有序的相似性质：钠属于碱金属族，而氯属于活跃的卣族元素。当我们用同一族的另一元素替代晶体中一个元素时，晶体的形状和透明度仍保持不变。例如，钠就肯定可以被钾替代，生成钾的氯化物。在另一族中，同样地，氯可以被它的姐妹元素溴替代，生成钠的溴化物。当然，我们可以作双重改变生成氟化锂，在氟化锂中，钠被锂代替，氯被氟代替。即使是这样，上述替代所生成的那些晶体仍无法用肉眼来区分。
是什么使元素之间具有元素族的类似性？在1860年代，每个人都搔着头考虑这个问题，有几位科学家提出了一些相当类似的答案。解决这一问题最成功的人是一位年轻的名叫德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫的俄国人，他于1859年参观过威尔里茨卡（Wieliczka）盐矿。他那时才25岁，是一个贫穷、谦逊、努力工作并且有才华的年轻人。他家是一个有14个孩子的大家庭，他是其中最小的一个，他守寡的母亲一直很钟爱他，并满怀希望地引导他热爱科学。
使门捷列夫成名的不仅仅是他的才华，还有他对元素的强烈爱好。这些元素是他的朋友，他了解这些元素的脾气和行为的细节。当然，这些元素可以仅用一个基本的属性互相区分开来，那就是约翰．道尔顿1805年最先提出的：每个元素都有一个特征的原子重量。那些使元素类似或不同的属性是如何由那单一给定的常数或参数决定的？这是同题的重点，门捷列夫就专门研究这一问题。他把元素写在卡片上，用他的朋友们称之为“耐性”的游戏方式不断地重新摆放卡片的位置。
门捷列夫在卡片上写出原子和它们的原子量，然后按它们的原子量的顺序将元素竖排出来。氢是最轻的，他并不真正知道原因，但却明智地把它留在他的排列方案的外边。按原子量，接下来应该是氮。但很幸运的是，门捷列夫并不知道这个元素，因为那时地球上还没有发现它——该元素的姐妹元素很久之后才被发现，它一直是个难对付的独行者。
门捷列夫因而用碱金属之一的锂放在元素列的开头（因为他知道氢之后锂是最轻的元素）。然后是铍、硼，接下来是熟悉的元素碳、氮、氧，排第七的是氟，按原子量的顺序，下一个元素就是钠，而且它和锂有族的类似性，因此，门捷列夫决定从钠开始排列与第一列平行的第二列。第二列接下来是一系列熟悉的元素：镁、铝、硅、磷、硫和氯。可以确信，这些元素组成了完整的七个元素的系列，因此最后一个元素氯处在与氟水平的行上。
很明显，在原子量系列中存在某些非偶然的、系统性的东西。当我们开始下一列即第三列时就更清楚了。按原子量的顺序，在氯之后的下一个元素就是钾，然后是钙。因此，到目前为止，第一行就包含了锂、钠和钾，它们都是碱金属；而第二列目前包含了铍、镁和钙，它们是另一类具有相似性的金属族。事实上，这种排列的水平行是有道理的，他们把不同的元素族放在一起。门捷列夫已经发现或者已经找到了元素间的数学上联系的重要证据。如果我们按原子量来排列这些元素，以每七个元素作为一个垂直的列，然后再重新排下一列的话，那么我们就可以在横行上得到递降排列的、不同的元素族。
到目前为止，我们可以毫无障碍地按照门捷列夫的方案来排列元素，就像他在有了第一个念头之后两年——1871年所排列的图案一样。在第三列之前没有任何遗漏，第二列之后就不可避免地碰到了第一个问题。为什么这个问题是不可避免的？因为就像从氮的缺失一例中所了解的那样，门捷列夫手上没有掌握全部的元素资料。在已知的92个元素中，当时缺少63个元素的资料。此后不久，门捷列夫留下一个缺口跳过去了。他留下的第一个缺口就在第三列的第三个元素的位置上。
虽然我们说门捷列夫留下了一个缺口，但这句简单的话后面却掩藏着他的最令人敬佩的思想。在第三列第三的位置上，门捷列夫遇到了困难，但他通过将这一位置空起来的方式解决了这一难题。他之所以作出这种选择，是因为下一个名叫钛的元素不具备适合那一位置的属性。在与缺口同一横行或元素族的是硼和铝。所以他说：“这儿缺一个元素，而且当它被发现时，它的原子量应排在钛之前。留一缺口可以把该列以后的元素放到正确的横行上，钛属于碳和硅一族的。”基本的排列图真的就是这样排的。
缺口或缺失元素的概念是一个科学的灵感。它用实际的事例印证了弗朗西斯·培根很久以前用概括性的术语所表达的信仰：“新的自然定律可以从老的定律中推测或总结出来。”门捷列夫的猜测表明：归纳对于科学家来说，有比对培根或其他哲学家更微妙的作用。在科学上，我们不可能简单地沿着从已知到未知的线性过程前进。我们有点像在玩纵横拼字游戏，我们扫描两个不同的行列来寻找它们的交叉点：那就是未知事物的藏身之处。门捷列夫扫描了列中的原子量和行中元素族的类似性，然后指出在它们的交叉点上缺失的元素。在此过程中，他做的是实际的预测，他还作了一次演示（对此现在仍知之甚少）：科学家们做归纳的过程。
很显然，最令人感兴趣的是位于第三列和第四列的缺口。我们将无法忽视这些缺口而完成这张表，除非我们认为这些缺口很有用并且继续往下排，确信该列在它应该结束的地方结束，即以卤族元素溴结束。表中有许多缺口，门捷列夫标出了其中的三个。第一个缺口就是前面我们已经指出的第三列第三个。其余的两个是在第四列的第三个和第四个。对这两个缺口，门捷列夫预言：根据已有的元素，应该可以找到这些未知元素，它们不仅应具有符合垂直系列的原子量，而且应该具有与第三和第四行相适应的元素族的性质。门捷列夫预言中最著名也是最后被确认的例子是第三个缺口，他称之为“类硅”。他当时虽极精确地预言了这一陌生而重要元素的特性，但这一元素直到约20年前才在德国被发现。它没有沿用门捷列夫的叫法，而被叫作锗。根据“类硅”的性质应介于硅和锡之间的原则，他推测该元素的重量是水的5．5倍，这是对的。他预测该元素的氧化物的重量应该是水的4．7倍，这也是对的。他预测的其他化学和物理性质也都对了。
这些预测使门捷列夫名扬四海，但在俄罗斯却例外——在那儿他不是一个先知，因为沙皇不喜欢他的自由主义政见。稍后，在英国发现了一个完整的新的元素系列：开始是氮，随后是氖、氩。这一发现进一步强化了他的成功。他虽没有被选人俄罗斯科学院，但在世界的其他地方，他的名字却充满魔力。
很清楚，潜在的原子模型是数字型的。但这还不是一个完整的故事，我们肯定漏掉了某些东西。我们还不能简单地相信元素的所有性质都包含在一个数字——原子量中。到底隐藏着什么呢？一个原子的重量可能是其组成的某种度量。如果是这样的话，它肯定隐藏着某些内部结构，以及原子物理堆集的某种方式，这些才产生了那些元素特性。然而，当时人们相信原子是不可分的，因此上述想法还难以令人相信。
这就是转折点为什么直到1897年才出现的原因，汤姆森（J．J．Thomson）那年在剑桥发现了电子。是的，原子具有组成部分，它不是不可分的，就像它的希腊名字所暗示的那样。电子虽只占原子质量或重量的很少的一部分，但却是一个实实在在的部分，并且它带有一个电荷。每个元素的特征由组成它的电子数所决定。原子的电子数与元素在门捷列夫表中所占的位置数完全相等，当然，这张表中氢是排第一，氮排第二。也就是说，锂有三个电子，镀有四个电子，硼有五个电子等，以此规则可以类推整个表。元素在表中所占具的位置叫做它的原子序号，现在，它已具有物理真实性，即原子内部的电子数的支持。情况开始从原子量转向原子数，而原子数实质上就意味着原子结构。
那是一个使现代物理得以兴起的智力突破。从此，伟大的时代开始了。物理在当时的年代中成为最伟大的集体科学工作，不，更甚之应该说是20世纪伟大的集体艺术工作。
我之所以说是“艺术工作”，是因为那种认为原子中存在内部结构，即原子世界中还有微观世界的想法，立即唤起了艺术家们的想像力。1900年以后的艺术就不同于此前的那些艺术，正如我们在那个时代极具创造力的画家的作品中所看到的那样：例如，阿姆伯托．勃西奥尼（UrabertoBoceioni）的《一条街的力量》或他的《骑车人的物力论》。现代艺术与现代物理同时起步，因为它们都起源于相同的想法。
从牛顿的光学时代开始，艺术家一直沉浸于事物表面的色彩。20世纪改变了这一切。如伦琴（Rontgen）的X射线画，它看到的是皮肤下面的骨头，并且还可以看得更深，看到一个物体或人体内部的固体结构。一个名叫胡安·格里斯（Juan．Gris）的画家一直从事结构分析，他在《寂静的生命》中观察自然构成，或在《走江湖的小丑》中观察人的构成。
例如，立体派画家明显受到晶体族的启示。他们在山坡上看一个村子的形状的方式，就像乔治·布拉奎（CeorgesBraque）在他的《雷斯塔克的房子》中所做的那样，或者是像毕加索在《阿维隆的少女》中画一群妇女所做的那样。在帕罗·毕加索著名的开始立体绘画的《丹尼尔画像》中出现一个单一面孔，说明兴趣已从皮肤和面容转向了内在的几何。头已经被分拆成数学图形，然后作为一种重构、一种再创造从内到外再拼接起来。
这种对隐蔽结构的新的探寻正在冲击着北欧的画家们。例如，弗朗兹．马克（FranzMarc）在《森林中的鹿》这幅画中注重于自然风景；立体派艺术家吉恩·梅茨因格（JeanMetzinger）喜欢与科学家交往，他的作品《屋中的妇女》被尼尔斯·玻尔收藏，玻尔在他哥本哈根的家中收藏了许多画。
艺术作品与科学论文之间有两点明显的不同：第一点，在艺术作品中，画家是用视觉将世界分成一片片，然后在同一块帆布上将它们拼起来。第二点，当他作画时，你能看见他的思考。（例如，乔治·修拉在他的作品《拿粉扑的少妇》中，用一种颜色点涂在另一种颜色的旁边，以获得整体效果。）在上述两个方面，科学论文常常是不同的。它常常只是一种分析，并且总是在其不受个人情感影响的语言中将其思维过程隐藏起来。
我已经有选择她谈到了20世纪物理学的奠基人之一，尼尔斯·玻尔，因为他在这两方面都是一位技艺高超的艺术家。他没有预备好的答案，他常常这样开始他的讲课：“我说的每句话你们都不应看作是定论，面应该看作是一个问题。”他提出的问题是美于世界的结构的。与他一起工作过的那些人，无论玻尔是年长还是年轻时（他在70岁时仍头脑敏锐），都是一些正在将世界分成碎片、思索这些碎片然后再将它们组装起来的人。
他在20岁时首次与J．J．汤姆森和他以前的学生恩斯特·卢瑟福一起工作。卢瑟福大约在1910年时就是世界上杰出的实验物理学家。（汤姆森和卢瑟福就像门捷列夫一样，都是在他们寡居的母亲的影响下转向科学的。）卢瑟福当时是曼彻斯特大学的教授。在1911年，他就提出了一个新的原子模型。他认为，原子的大部分是在一个重核或原子中心的核中，电子以一定的轨迹围绕核旋转，其方式就像行星围绕太阳转一样。这是一个卓越的概念，也是一次很好的对历史的讽刺，在300年里，哥白尼、伽利略和牛顿的蛮横形象已成为每个科学家最自然的典范。就像在科学中常常发生的那样，一个时代无法接受的理论，由于它的成功而变成日常的理论。
然而。卢瑟福的原子模型还有某些错误的东西。如果原子真是一台小型的机器，那么它的结构如何解释这样的事实：它为什么能不停地运转呢？它难道是一台小型的永动机，而且是惟一的永动机？当行星在轨道中运行时是在不停地丢失能量，所以，它的轨道圈在年复一年地缩小，每年缩小很小一点点，但最后，这些行星都将坠落在太阳上。如果那些电子完全就像行星一样，那么它们将坠落在原子核上。肯定有某种东西阻止电子不停地损失能量。这就需要一个新的物理概念，即把一个电子所能放出的能量限定到一个固定值上。只有这样，才可能有一个准绳、一个确定的单位，它可以使电子保持在固定的轨道上。