为什么物质既不会坍塌也不发生爆炸？

请对着一杯水注视一会儿。

试想：这表面上平静的水内却有着狂乱的原子在运动。1杯水含有许多水分子，每1个水分子是由1个氧原子和2个氢原子组成的，它们在不断地互相碰撞着。

通常，每个氧原子内有8个电子围绕着含有8个质子的核在运动。而每个氢原子内只有1个电子围绕着只由1个质子组成的核运动。

尽管有很强的电引力，但带负电荷的电子并不会落入带正电荷的质子内，如果电子落入到质子内，其结果就会变成一个不稳定的混合物而发生爆炸。在理论上，在这相当小的有限范围内，水被重力拉着，被大气层压着，就会发生摇晃，因而处于爆炸的边缘。

然而，实际上，一杯水仍然是一杯水。

“在诗人的感官中，它是一个奇迹。”普林斯顿大学的数学物理学家埃利奥特 · 莱布（Elliott H. Lieb）说；“当你考虑到物体的所有的物理力时 · 甚至简单的如一杯水，它也是一种非凡的东西，它不仅仅会发生坍塌，而且还会释放出巨大的能量，直至发生爆炸。”

但是，大多数人把这种事看得太平常所以根本不去考虑它，莱布自言自语，“它好像是那么平常，它只是一种物质。不过，当你仔细考虑这一问题时，它才真正是令人惊奇的。”

撇开这似乎荒唐的事不说，我们来谈谈原子为什么没有坍塌，这一问题牵涉到量子力学和场论中的重大数学问题。“经典物理学并没有对物质是稳定的并占有空间这一事实作出解释”，洛厄尔马萨诸塞大学的数学物理学家玛丽 · 贝思 · 拉斯凯（Mary Beth Ruskai）说。在经典力学和电磁学的定律里，没有什么可以阻止轨道上的电子进入核内的东西。

“对这一问题感兴趣的人必须依靠高深的数学才能获得答案”。

这些人中有莱布和他的同事简 · 菲利普 · 索罗维（Jan Philip Solovej）（也在普林斯顿）以及亚特兰大佐治亚技术研究所的迈克尔 · 洛斯（Michael Loss）。在8月7日的《Physical Review Letters》上，这3位数学物理学家开始研究这一问题 :为什么在强磁场——甚至于它可能仅存在于中子星上的那么大的磁场——作用下物质仍然稳定。莱布对这一问题已研究了28年。物质的稳定性构成了现代物理学的“基本问题”。

关于物质稳定性的研究可以追溯到量子力学的早期。1931年，奥地利物理学家保罗 · 埃伦费斯特（Paul Ehrenfest）说，当你拿着一块金属或者一块石头时，可能会感到“惊讶，这种物质竟占有这么大的空间。”

“诚然”，埃伦费斯特说，“物质由分子组成，分子又由原子组成。但是，为什么原子本身没有那么大？”为了解答这一问题，他想起了由维也纳物理学家沃尔夫冈 · 泡利（Wolfgang Pauli）提出的一条原理：二种同样的粒子不可能同时处于同样的量子状态。泡利原理的意思是：电子不可能都落入具有最小能量、最小原子核周围的轨道，而必需连续地填塞到更大的轨道上去。

“这就是为什么原子不会那么大而金属和石头会那么大的原因”，埃伦费斯特断定。

遗憾的是，这种合理的直观解释并不能使理论物理学家们满意，他们想得到一种更精确的答案。所以他们各自或者共同研究了这一问题，用量子力学和场论方程对其进行了修改，最后，由于缺乏透明度而搁浅，这问题一放就是30年。

60年代中期，物理学家安德鲁 · 利纳德（Andrew Lenard）一一现在布卢明顿印第安纳大学——提出——一个问题 :物质本来就是稳定的可以得到证明吗？新泽西州普林斯顿高级技术研究所的数学物理学家弗里曼 · 戴森（Freeman J. Dyson）被此问题迷住了。

戴森和利纳德对这一问题仔细考虑了一段时间——在任何人都能用一瓶葡萄酒来证明物质本来就是稳定的鼓舞下一然后他们写出了一篇论文发表在1967年8月的《Journal of Mathematical Physics》上。

他们在报告中证明，在泡利的不相容原理下，物质是稳定的，如若没有它，物质就会坍塌成密集的状态，“任何两个肉眼可见的物质装配在一起，都会释放出如原子弹爆炸似的能量。”

实际上，戴森和利纳德通过证明泡利的保持物质稳定的必要的不相容原理，已经在数学上证实了埃伦费斯特的宣称是正确的。然而，为了构筑他们的论点，他俩必须简化其物质模型。而且必须暂时抛开现实世界中的一些现象，如磁场和引力场，而只考虑原子内的带电荷粒子之间的微弱的吸引力和排斥力。

现在来谈谈莱布，他和维也纳大学的物理学家沃尔特 · 西林（Walter Thirring）找到了一种证实物质稳定的证明法，他们的这一方法比戴森和利纳德的主要依靠物理直觉的数学方法更为简单。

莱布和许多合作者一道将注意力转向了更加仔细地检查物质所处的位置，实际上也就是坍塌的研究。例如，在万有引力——只有吸引没有排斥——作用下，物质将会发生坍塌，而泡利的排斥作用只适用于恒星那么大的物体。

1931年，诺贝尔奖得主萨布拉曼扬 · 钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）预言，质量为太阳物质1.4倍的恒星，在核燃料燃完后，就会在它自己的引力下发生坍塌。半个多世纪后，莱布和纽约大学柯朗（Courant）研究所的数学物理学家H.-T. 姚（H. -T. Yau）证明，从量子力学的基本原理出发，钱德拉塞卡的预言是正确的。

然而，在地球上，物质——没有恒星那么大的万有引力——是稳定的。

“这是奇妙的”，洛斯说，“看看周围，我们所见的物质都是电粒子成比例扩大而构成的，然而原子是那么的小，而每个原子实质上都是空的”。洛斯说，为了更深入地认识这一问题，记住，物质大部分是空的，模糊的电子云盘绕在原子核的周围，相对地说，原子核非常之小，而且核非常之小，而且分子里的原子核间留下了非常大的空间。但是，如果有人将2夸脱的水倒入一个大水缸，那么这个人就有了2夸脱的水，而不可以说得到了双倍密度的“紧密”的1夸脱水。

“从科学的观点来看，这种现象可能还是要从数学上来解释，”洛斯说。从量子力学方程式出发，物理学家们现在可以证明，这些数学公式必须具有协变的解法——含有物质自身是稳定的意思。

实际上，没有人能够迫使2块石头变成一块超密集的石头。不过，物质在非常大的磁场作用下，就会发生变化，这样的磁场强度要达到10¹²高斯——比实验室的最大的人造磁场还要强100万倍——就有可能将原子压缩成可能要发生爆炸的密集状态。

在他们8月7日的报告中，莱布、洛斯和索罗维写道，他们看到了在强磁场作用下物质的稳定性。这种磁场并不是“地球上所见的那种磁场，”洛斯说，而是中子星上可能有的那种磁场，它可能是地球上磁场强度的10¹²倍。

中子星——巨大的恒星坍塌的产物——产生了相当大的磁场和万有引力。例如，这种星球上引力可以将地球压缩成弹子般大小。不过，地球上不可能存在这么大的场，而且，要产生这么强的场需要巨大的能量。

例如，在地球上，有人把“二块石头撞在一起，看到的结果是冒出火花”，莱布说“没有什么奇迹发生。”但是，如果能量包含在2块石头之内而不是存在于各自分离的原子之内会发生什么情况？在极端的条件下，如果这些物质和能量结合起来，它们就会发生收缩、坍缩、爆炸。的确，自然界中有这样的事例——如果星球爆炸——物质经历了一连串的变化，然而，条件是要有巨大的引力，比地球上的要大得多。

“这里有两种观点，一种理由不充分，一种充分。”莱布说，“不充分的理由是，物质之所以是稳定的，是因为巨大的能量被限制在每个原子内了。充分的理由是，物质的能量仍然是随看粒子数量的多少而决定的也就是说，能量的大小和原子数的多少是成正比的。自然界的这种现象反映在一些不变的物理常数之中。

实际上，莱布和他的同事们已经在数学上证明，甚至在极端的条件下，物质仍然是稳定的。当用量子力学方程式——支配原子行为的公式——解释时，物质经受住了巨大磁场的冲击而不发生坍塌。

早期的研究认为，由于某些原因，自然界的几个主要物理常数在不断地增大，物质就会越来越不稳定。现在，这三位科学家指出，因为这些常数实际上非常小，所以粒子和场的能量已以某种方式相互抵消，因而物质是稳定的。

“我们已经证明，在这些条件下，能量不但有限，而且与粒子的数目是成比例的，”莱布说，“为了达到如此强的稳定性，本来就应该是这样的。”

而且，通过用数学来阐明物质保持稳定的条件，莱布和他的同事们可能将会搞清，某些恒星走向坍塌和爆炸的事件在地球上将不会发生。

“这是惊人的成果，”拉斯凯说，“这些普通的生活常识，竟然需要用量子力学才能得到解释。”

“如果物质是不稳定的，我们就不可能存在”，她接着说，“而且即使在不稳定的情况下我们还能生存的话，最终我们还不能正常地生活。例如，我们将一杯水放在桌子上，就有可能处在发生核爆炸的危险之中

不管怎么说，这一问题还没有完全解决，戴森说，因为在任一科学领域内，每解决一个问题就会产生一些新的问题。“关于大量的原子之间的相互作用仍然是悬而未决的问题，”他写道。

“但是在这一研究领域，埃利奥特的研究成果有点像摩西（圣经中的人物）所指出的通往希望之乡的道路一样，”戴森补充道，“当然，他也不是十全十美的。”

[Science News，1995年10月14日]