的波的多普勒频移有着不同的起因，但第3章描述的多普勒效应仍是我
们考虑星系红移的一种有用的方法。
图64 宇宙在这里由一个气球的表面来表示。每个点代表一个星系，被圈起来的这个点代表我
们自己的银河系。随着气球的膨胀（即宇宙膨胀），其他的点看起来正离我们远去，正如哈勃
观察到的那样，所有的星系都正在远离我们而去。星系越遥远，在给定的时间间隔内退行的距
离就越大，因此速度就越快——这就是哈勃定律。通过标记两个星系，一个靠得较近，另一个
离得较远，这种效果会看得更清楚。
如果所有空间都在膨胀，而星系又坐落在空间上，那么你可能会认
为星系也在膨胀。从理论上说，这是可能的，但实际上因为星系内存在
巨大的引力作用，因此这种影响是微不足道的。因此扩张是发生在宇宙
星系际层面，而不是在某个局地的星系内部。在伍迪·艾伦的电影《安
妮·霍尔》的开始的回闪镜头里，辛格太太带着她的儿子艾尔维去看医
生，因为艾尔维神情沮丧。男孩向医生解释说，他看到宇宙正在膨胀，
所以他认为他周围的一切都会被撕裂。他的母亲打断了他：“甭管宇宙
怎么做，你在布鲁克林！布鲁克林不膨胀！”辛格夫人是绝对正确的。
现在，气球的类比已经有了，是时候澄清普遍存在的误解了。如果
所有的星系都在远离地球，那是不是意味着地球是宇宙的中心？就好像
整个宇宙是从我们现在生活的这个地方发展起来的。那岂不是我们真的
占据着宇宙的一个特殊位置？事实上，无论观察者处于何处，都存在处
于中心的错觉。由图64可以看出，我们银河系只是其中的一个点，随着
气球膨胀，所有其他的点似乎离我们越来越远。然而，如果我们从不同
的点的位置来看，所有其他的点同样看上去在远离。换言之，其他点也
会认为它处在宇宙的中心。宇宙就没有中心——或者说，每一个星系都
可以宣称自己处在宇宙的中心。
在20世纪20年代中期，爱因斯坦曾一度对宇宙学失去了兴趣，但在
哈勃的观测强化了大爆炸的思想后，他又重新回到了这个领域。1931
年，趁着在加州理工学院休学术假，他和他的第二任妻子艾尔莎应邀作
为哈勃的贵客对威尔逊山天文台进行了访问。他们参观了巨大的100英
寸胡克望远镜，天文学家们向他们讲解了这台巨大的机器是怎么探索宇
宙的。令人吃惊的是，艾尔莎对此印象不是特别深刻：“嗯，嗯，我丈
夫确实显得孤陋寡闻。”
不过，爱因斯坦的努力仅限于理论，而理论可能是错误的。这就是
为什么投资昂贵的实验设备和望远镜是值得的，因为只有它们有可能使
我们对什么是好的理论和不好的理论做出区分。爱因斯坦早期笃信的是
静态的宇宙，而那个理论与哈勃现在的观察似乎是矛盾的，由此可见观
察能力对判断理论的重要作用。
在威尔逊山访问期间，爱因斯坦与哈勃的助手密尔顿·赫马森进行
了交流。赫马森向爱因斯坦展示了各种照相底版，并指出他们所探索的
星系。他还给爱因斯坦看了星系的光谱，上面显示出系统的红移。爱因
斯坦已经读了哈勃和赫马森发表的论文，但现在他可以自己来看这些数
据。得出的结论似乎是必然的。观测表明，星系正在退行，宇宙正在膨
胀。
1931年2月3日，爱因斯坦向聚集在威尔逊山天文台图书馆的记者发
布公告。他公开宣布放弃自己的静态宇宙学并支持大爆炸膨胀宇宙模
型。总之，他发现哈勃的观测是有说服力的，并承认了勒迈特和弗里德
曼的理论始终是对的。随着世界上最著名的天才改变观点，现在改为支
持大爆炸理论，于是宇宙膨胀概念成为正式的观点，世界各大报纸纷纷
予以关注。哈勃家乡的报纸《斯普林菲尔德日报》在头版头条以通栏标
题《离开奥沙克山去研究星星的年轻人使爱因斯坦改变想法》刊载了哈
勃的事迹。
爱因斯坦不仅放弃他的静态宇宙模型，而且重新考虑了他的广义相
对论方程。我们知道，爱因斯坦的原始方程准确解释了熟悉的引力，但
这种吸引力可能最终会导致整个宇宙的坍缩。而宇宙在他看来是永恒
的、静态的，因此他在他的方程中加了一项宇宙学常数——纯属人为
——以便引入一项在大尺度上起作用的斥力来防止坍缩。现在，既然宇
宙已被证明不再是静态的了，于是爱因斯坦放弃了宇宙学常数，又回到
他的广义相对论的原始方程。
爱因斯坦一直感到宇宙学常数不自然，将它插入到方程只是为了符
合既成的静态和永恒的宇宙观。事实证明，这种约定俗成和合规的理念
让他迷失了。在他作为一个物理学家的早期生活中，在他处于智力巅峰
时，他总是遵从直觉，蔑视权威。就这么一次，他屈从了群体的压力，
结果还被证明是错了。后来他称宇宙学常数是他一生中最大的错误。正
像他写给勒迈特的信中所说的那样：“自从我引入这个词后，我一直觉
得有昧于良心……我无法相信这样一个丑陋的东西应该在自然中得以实
现。”
虽然爱因斯坦热衷于放弃他的宇宙修正因子，但信奉永恒的、静态
的宇宙的宇宙学家们仍然相信宇宙学常数是广义相对论中一个重要的和
有效的部分。甚至一些大爆炸宇宙学家也对它偏爱有加，不愿失去它。
通过保留宇宙学常数但改变它的值，他们可以调整他们的大爆炸理论模
型并修正宇宙的膨胀速率。宇宙学常数代表了一种反引力作用，它可以
使宇宙膨胀得更快。
宇宙学常数的值和有效性在大爆炸理论的支持者之间产生了一些冲
突，但在1933年1月——爱因斯坦第一次到访这座天文台的两年后——
在帕萨迪纳威尔逊山的大本营研讨会上，勒迈特和爱因斯坦结成了统一
战线。勒迈特向与会的杰出的天文学家和宇宙学家（听众中包括埃德温
·哈勃）阐述了他的宇宙大爆炸模型。虽然这是一次学术聚会，但勒迈
特在物理学中编织了一种诗的意境。特别是他又给出了他最喜欢的烟花
的比喻：“在万物开始的时候，有一束美不胜收的烟花。在一声爆炸之
后，烟雾充满了苍穹。我辈来得太晚，无法见证造物主创生那一刻的辉
煌！”
尽管爱因斯坦可能希望看到的是更多的数学细节和较少的粉饰，但
他还是赞扬了勒迈特的开拓的努力：“这是我听过的对创生的最优美、
最满意的解释。”此言的确不虚，特别是从一个6年前还在将勒迈特的物
理学斥为“可憎”的人的口中说出。
爱因斯坦的认可标志着勒迈特的生涯在科学界内外都开始步入名人
的行列。毕竟，这里站着的是一位证明了爱因斯坦错了，一位在望远镜
的水平尚无法检测出星系逃离的年代就高瞻远瞩地预言了宇宙在膨胀的
人。勒迈特被邀请到世界各地去演讲，他获得了众多的国际奖项——他
确实有资格享受宣称自己是一名著名的比利时人这一难得的荣誉。他的
人气、魅力和标志性的地位部分来自于他作为一个牧师和一个物理学家
的双重身份。全程参加了1933年帕萨迪纳会议的《纽约时报》记者邓肯
·艾克曼写道：“他的观点有趣而重要，不是因为他是一名天主教神父，
也不是因为他是我们这个时代的领军数学物理学家之一，而是因为他两
者兼顾。”
图65 1933年，阿尔伯特·爱因斯坦和乔治·勒迈特在帕萨迪纳出席关于哈勃的观测结果和宇宙
的大爆炸模型的研讨会。
像伽利略一样，勒迈特相信上帝保佑那些具有探索精神的人，他会
珍爱地看待科学的宇宙观。与此同时，勒迈特对他的物理学研究和他的
宗教信仰保持严格的区分，他宣称他的宗教信仰确实不是他研究宇宙学
的动因。“数以百计的专业和业余科学家实际上相信圣经，却假装教授
科学，”他说，“这是一个很好的协议，就像假设二项式定理必须是权威
的宗教教条。”
然而，一些科学家仍然认为神学对这位神父的宇宙观有负面影响。
这些反宗教人士抱怨道，他的万物创生于原始原子的理论不过是对存在
伟大的造物主的一种伪科学证明，是现代版的《创世记》。为了削弱勒
迈特的地位，这些批评者不断强调大爆炸假说的一个严重缺陷，即其对
宇宙年龄的估计。根据哈勃的观测，距离和速度测量意味着宇宙不到20
亿岁。鉴于现代地质研究已经估计出一些地球上的岩石的年龄为34亿
年，因此两者之间至少有14亿年的尴尬的年龄差距。大爆炸模型似乎意
味着地球比宇宙更古老。
在大爆炸的批评者们看来，勒迈特模型的根本问题在于认为宇宙有
一个有限的年龄。而他们认为宇宙是永恒不变的，因此大爆炸模型是无
稽之谈。这在当时仍然是权威的观点。
然而，权威也不能只坐在背后攻击大爆炸——他们也得依据他们偏
爱的稳恒态宇宙模型来解释最新的观测结果。哈勃的观测清楚地表明，
星系有红移，在退行，所以大爆炸的批评者必须证明这些事实并不一定
意味着在过去存在创生的那一刻。
牛津大学的天体物理学家亚瑟·米尔恩是第一批想出另一种与稳恒
态宇宙相容的方式来解释哈勃定律的人中的一位。在他的号称“运动相
对论”的理论中，星系有着广泛的速度，有些在空间中移动缓慢，有些
移动得很快。米尔恩认为，越遥远的星系运动的越快这是很自然的，正
如哈勃观察到的那样。因为正是由于它们有这么快的速度，它们才能飞
出这么远。按照米尔恩的观点，星系以正比于其距离的速度退行并不是
原始原子爆炸的结果，而是随机运动的实体无阻碍地自由运动的自然表
现。这种解释无懈可击，而且它还鼓励其他天文学家们在稳恒态宇宙框
架下去创造性地思考哈勃红移问题。
图66 弗里茨·兹威基，光疲劳的缺陷理论的发明者，这个理论试图解释哈勃观测到的星系红
移。
对大爆炸宇宙模型予以最猛烈批评的是保加利亚出生的弗里茨·兹
威基。他以偏心和顽固而著称于宇宙学界。1925年，他应诺贝尔奖得主
罗伯特·密立根的邀请到访加州理工学院和威尔逊山天文台。但兹威基
日后却以怨报德，在某个场合下公然宣称密立根一生中就没出个什么好
主意。他的同事个个都是他污蔑的目标，其中许多人成为他最喜欢用的
侮辱性用词——“混球”——的指称对象。就是说你像一个球体一样从各
个方向看上去都一样，一个混球就是一个混蛋，不管你怎么看。
兹威基研究了哈勃的数据，质疑是不是所有的星系都在移动。他对
星系红移的解释是基于这样一个公认的概念：行星或恒星辐射出任何东
西都会失去能量。举例来说，如果你把一块石头扔到空中，它带着能量
和速度离开地球表面，但致密地球的引力会降低石头的动能，减缓其速
度直到速度为零，于是石头落回地球。同样，逃出星系的光的能量也会
受到星系引力的侵蚀。光不可能慢下来，因为光速是恒定的，所以能量
损失表现为光的波长增加，使它显得更红了。换句话说，这便是对哈勃
的红移观测的另一种可能的解释，它不涉及宇宙膨胀。
兹威基的星系红移是引力抽取掉光的能量的说法称为光疲劳理论。
这一理论的主要问题是它得不到已知物理定律的支持。计算表明，引力
是会对光产生一定影响，导致红移，但这种效应仅在很低水平，显然不
足以解释哈勃的观测结果。兹威基则通过指责观察结果来反驳，声称这
些结果可能被夸大了。事实上，他甚至怀疑哈勃和赫马森的诚信，暗示
他们的团队可能滥用他们的特权控制了世界上最好的望远镜。兹威基声
称：“他们的年轻助手中拍马屁者因此有机会修改他们的观测数据，来
掩饰他们的缺点。”
虽然这种直言不讳的行为肯定会使许多科学家对兹威基感到反感，
仍然有一些人加入了他的光疲劳兵团。甚至他的显然错误的物理都没使
他们掉头，因为兹威基在研究上有一项无可挑剔的良好记录。事实上，
在他的职业生涯中，他曾在超新星和中子星等领域做出过开创性的工
作。他甚至预言了暗物质的存在。暗物质是一种神秘的不可见的实体，
最初提出时受到嘲笑，但如今已被广泛接受为一种真实的存在。光疲劳
理论似乎同样可笑，但也许它同样会被证明是正确的。
然而，“大爆炸”的支持者完全拒绝“疲劳”的概念。他们认为，它充
其量也只能说明观测到的一小部分红移。作为大爆炸阵营的代表，亚瑟
·爱丁顿这样总结了他认为的兹威基理论的错处：“光很奇怪——甚至比
我们20年前能想象的更奇怪——但如果奇怪得离谱我还是会感到惊
讶。”换句话说，爱因斯坦的相对论已经改变了我们对光的理解，但在
解释哈勃红移的问题上并没有为光疲劳理论留下空间。
虽然爱丁顿攻击兹威基的光疲劳理论，赞同勒迈特的原始论文，但
他仍然对宇宙的起源问题保持了一种相对开放的心态。爱丁顿认为，勒
迈特的思想很重要，值得更广泛的受众了解，这就是为什么他会向专业
期刊推荐这一学说，并帮助翻译这位比利时人的工作，但他并不完全信
服整个宇宙突然诞生于原始原子衰变的思想：“从哲学上说，我讨厌这
种自然当前的秩序有一个开端的思想。我想找到问题真正的结症所
在……作为一名科学家，我不可能就这么轻易相信宇宙始于一声巨
响……它没法让我信服。”爱丁顿认为，勒迈特的创生模型是一种“太过
缺乏美感的突变”。
最后，爱丁顿提出了他自己的勒迈特模型的变种。他认为当前的宇
宙源于一个袖珍宇宙，而不是勒迈特的原始原子。然后，宇宙不是突然
膨胀，而是非常缓慢地膨胀，最终加速到我们今天看到的膨胀水平。勒
迈特的膨胀就像一颗炸弹的突然猛烈爆炸；而爱丁顿的膨胀则更像是雪
崩的逐渐累积过程。一座覆盖着积雪的山可能会稳定很多个月。然后一
阵淡淡的轻风使得雪花变身为冰晶体，它倾覆在另一个冰晶体之上，这
些冰晶体就这么在微风下滚动着先是形成雪团然后又慢慢变成了一个小
雪球，它的重量越来越大，将更多的冰雪卷积进来形成斜坡面，直到雪
片开始崩塌，于是一场雪崩便不可避免了。
爱丁顿解释了他为什么更倾向于自己的渐进模型而不是大爆
炸：“将世界看成是由原始的不稳定平衡下的均匀分布缓慢地进化而
来，这至少在哲学上是令人满意的。”
爱丁顿还声称，凭借某种值得商榷的逻辑，他的版本可以解释有生
于无的某种东西。他的思路始于这样一个前提，宇宙永远是存在的，如
果我们在时间上回到足够早，我们就会发现一个完全均匀、致密的宇
宙，它本身作为一种存在是永恒的。其次，爱丁顿认为，这样的宇宙就
相当于无：“在我看来，在哲学上不可分辨的相同与虚无之间是无法区
分的。”宇宙中可以想象的最微小的波动——相当于雪崩所起始的雪花
——将破坏宇宙的对称性并引发一系列导致我们今天所看到的充分膨胀
的事件。
1933年，爱丁顿写了一篇科普读物《膨胀的宇宙》，它的目的是要
在区区126页中解释宇宙学中的最新想法。他将广义相对论、哈勃的观
测结果、勒迈特的原始原子和他自己的思想全都囊括在内，通篇充满创
意。例如，鉴于所有星系都在逃离，爱丁顿敦促天文学家乘星系距离还
不太远，还能看得到，赶紧加速建造更好的望远镜。在另一个戏谑之
处，爱丁顿把对哈勃的观测结果的理解翻了个个儿：“所有的变化都是
相对的。宇宙的膨胀是相对于我们共同的物质标准。反过来，我们的物
质标准相对于宇宙的大小在缩小。因此’膨胀的宇宙’理论也可以称为’收
缩的原子’理论……谁能说膨胀的宇宙就不是我们的以我为中心的世界
观的另一个例子呢？宇宙应该是一种标准，我们应当用它来衡量自己的
兴衰。”
以一种更为严肃的方式，爱丁顿给出了对大爆炸模型的诚实的总
结。他指出，对于是否存在创生的时刻，确实有很多有利的重要理论解
释和有说服力的观测证据，但在大爆炸模型能够被广泛接受之前仍有大
量的工作要做。他称哈勃的红移“太过纤薄，还支撑不住深远的结论”。
证明的责任显然落在大爆炸模型的支持者肩上，他鼓励他们寻求更多的
证据来巩固他们的立场。
虽然科学界保守的权威们仍坚持其传统的永恒的、基本上是静态的
宇宙观，但大爆炸的支持者们已准备好投入战斗，这种士气在某种程度
上是源于现在他们在与保守派论战时处于一种成熟的位置。宇宙学不再
由神话、宗教和教条所主导，也明显摆脱了个人偏好和个性力量的影
响，因为20世纪的功能强大的望远镜所提供的观测结果已能够有力地支
持一种理论并摧毁另一种理论。
爱丁顿本人对某种版本的大爆炸模型终将取得胜利这一点是乐观
的。在他的书的结尾，他制作了一幅简明而引人注目的图像来说明20世
纪30年代初大爆炸模型的状态：
我们在多大程度上相信这个故事？科学有其自己的展厅和车间。今
天的公众，我确实认为，还不足以在这间陈列测试产品的展厅里徜徉；
他们需要去车间看看那里正在加工什么。欢迎你进来，但请你不要按照
你在陈列室所看到的物件的标准来判断。我们已经在科学大厦的地下室
里转过了一个车间。那里光线很暗，有时我们会跌倒。关于我们的种种
传闻令人糊涂且混乱，这种局面我们还没有时间去扫除。工人和机器都
还笼罩在一片黑暗中。但我认为这里的有些东西已经成形——也许显得
有点大。我不太清楚当它完成并打磨后在陈列室里会是什么样子。
从宇宙模型到原子模型
为了使大爆炸模型被接受，有一个看似无害的问题不能被忽视：为
什么有些物质比其他物质更常见？如果我们看地球，我们发现地心是由
铁组成的，地壳则主要由氧、硅、铝和铁占主导，海洋主要是由氢和氧
（即水）构成，大气主要是氮和氧。如果我们跑得稍远一点，那么我们
会发现，这种分布在宇宙的尺度上并不是典型性的。通过利用光谱学研
究星光，天文学家们意识到，氢是宇宙中最丰富的元素。这个结论已被
编成一首著名的摇篮曲：
一闪一闪小星星，究竟何物现奇景；
通过光谱显微镜，知原来你是氢；
一闪一闪小星星，究竟何物现奇景。
宇宙中下一个最丰富的元素是氦。氢和氦在宇宙中占到绝大多数。
这两种元素也是最小和最轻的元素，因此天文学家们面临这样一个事
实，即宇宙主要是由小的原子而不是由大的原子构成的。这种不平衡的
程度在以下的元素在宇宙中的丰度按原子序数的列表可以看得更清楚。
这些值是基于当前的测量值，它们与20世纪30年代的估计值相去不远：
换句话说，氢和氦约占宇宙中所有原子的99.9%。这两种最轻的元
素是极其丰富的，而接下来的轻的或中等重量的一批原子则不太常见，
最后，像金和铂这样的重原子则更加罕见。
科学家们开始奇怪为什么轻元素和重元素的宇宙丰度之间会有这么
大的差异。永恒宇宙模型的支持者无法给出一个明确的答案；他们的退
路是宇宙一直就是这样包含着目前这种比例的元素，而且永远不变。丰
度的范围简单来说就是宇宙的固有属性。这是一个令人非常不满意的答
案，但它有一定的自洽性。
然而，丰度的神秘性对于大爆炸的支持者来说则带来了更多的问
题。如果宇宙从创生的那一刻起就开始进化，那么为什么它会进化出这
样一种氢和氦，而不是黄金和白金的方式？是什么机制造成创生过程优
先创造轻元素而不是重元素？无论是什么解释，大爆炸的支持者都必须
找出它，并表明它与大爆炸模型是兼容的。任何合理的宇宙理论都必须
准确地解释宇宙是如何形成的，否则就将被认为是失败。
解决这个问题需要采用一种完全不同于先前的宇宙研究方法。在过
去，宇宙学家都将注意力集中在尺度非常大的事物上。例如，他们用广
义相对论来研究宇宙，这个理论描述的是巨大的天体之间的引力作用。
他们用巨型望远镜去观测非常遥远的巨大星系。但是，要解决宇宙丰度
的问题，科学家们需要新的理论和新的设备来描述和探测非常非常小的
对象。
在开始讲述大爆炸的这部分故事之前，我们需要先对原子的现代研
究历史做一个简短的回顾。本节的余下部分讲述那些为原子物理学奠定
了基础的物理学家们的故事。他们的工作能使大爆炸的支持者们来探讨
宇宙中充满氢和氦的原因。
当代对原子的理解始于化学家和物理学家们对放射性现象的浓厚兴
趣。放射性这一现象是在1896年被发现的。很明显，一些最重的原子，
如铀，是有放射性的，这意味着它们能够以辐射形式自发地放出大量的
能量。有一段时间，没有人能理解这种辐射到底是什么或是由什么造成
的。
玛丽和皮埃尔·居里夫妇当时站在了放射性研究的前沿。他们发现
了新的放射性元素，包括镭，它比铀的放射性要强100万倍。镭的放射
性排放最终被它周围的物质所吸收，能量被转换成热能。事实上，1千
克镭产生的能量足以在半小时内烧开1公升的水，更令人印象深刻的
是，放射性的持续几乎有增无减——1千克镭每30分钟烧开1公升新鲜的
水这种行为可以持续1000年。虽然比起炸药，镭释放能量的速度很慢，
但它最终释放出的能量是同等重量的炸药的100万倍。
多年来，没有人完全理解放射性所带来的危险，大家以天真乐观的
态度来看待像镭这样的物质。美国镭公司的萨宾·冯·佐赫茨基甚至预
言，镭会被用作民用电源：“在你自己的房子里完全用镭来照明的时代
无疑即将到来。漆在墙壁和天花板上的镭所发出的光，在色调上就像柔
和的月光。”
居里夫妇都遭受到辐射损伤，但他们仍不遗余力地进行这项研究。
经过多年与镭的接触，他们的笔记本变得带有很强的放射性，以至于今
天它们仍必须存储在一个铅盒内。玛丽的双手经常沾满镭的尘埃，以至
于她的手指在笔记本的纸上留下了看不见的放射性痕迹，笔记本夹着的
照相胶片可以真实记录下她的指纹。玛丽最终死于白血病。
居里夫妇在他们狭小的巴黎实验室里以巨大的牺牲为代价，在许多
方面让我们看清了在理解原子内部构造方面的巨大欠缺。科学家们似乎
感到他们的知识倒退回去了——仅仅在几十年前，他们就声称要充分利
用元素周期表来理解物质的这一建筑砖块。1869年，俄罗斯化学家德米
特里·门捷列夫绘制了一张列出了从氢到铀的所有已知元素的图表。通
过将周期表中不同元素的原子以不同的比例化合，就能够形成分子，并
能够解释太阳之下、太阳之内和太阳之外的每一种物质。例如，两个氢
原子和一个氧原子结合成一个水分子H2O，这仍是正确的，但居里夫妇
表明，某些原子体内有强大的能量源，而元素周期表无法解释这一现
象。没有人对原子深层次内到底发生了什么有可靠的线索。19世纪的科
学家把原子想象为简单的球体，但要解释放射性，原子就必须有更复杂
的结构。
图67 元素周期表显示了所有化学元素——物质的基本单元。它们原本可以从最轻的到最重的
排列成一行（1氢，2氦，3锂，4铍，等等），但这种表格式排列则显示得更为清楚。元素周期
表将具有公共属性的元素放在一组。例如，最靠右边的列包含了所谓的惰性气体（氦，氖
等），这些元素的原子很少与其他原子反应形成分子。不论周期表在帮助我们理解元素间相互
反应时起着什么作用，它确实没有提供了解放射性的原因的任何线索。
被吸引到这个问题上来的一位物理学家是新西兰人——欧内斯特·
卢瑟福。他备受他的同事和学生们的喜爱，但他也以粗暴专制而著称。
他很容易发脾气，而且表现傲慢。例如，根据卢瑟福的观点，物理学是
唯一重要的科学。他相信这门学科能够提供对宇宙的深刻和有意义的理
解，而所有其他科学的全副精力只是用于单纯的测量和编目。他曾说
过：“所有的科学要么是物理学要么就是集邮。”结果事与愿违，这种狭
隘的评论使得诺贝尔奖委员会在1908年只是授予他化学奖。
图68 这是卢瑟福在三十出头时拍摄的肖像。他很瞧不起化学家，而这在物理学家中并不少
见。例如，当诺贝尔奖获得者物理学家沃尔夫冈·泡利的妻子离开他嫁给一个化学家后他很生
气：“如果她找了一个斗牛士的话，我会理解，但一个普通的化学家……”
第二张照片显示的是一个更加成熟的卢瑟福与他的同事约翰·拉特克利夫在卡文迪什实验室。他
们头上的标语“请小声说话”就是专门针对卢瑟福的，他喜欢可着嗓子唱“前进！基督徒的士兵
们”这支歌，弄得实验室的敏感设备无法正常工作。
在20世纪初卢瑟福走上研究道路时，原子图像仅比19世纪人们想象
的那种简单的、无结构的球稍许复杂一些。当时原子被认为含有两种成
分：带正电荷的物质和带负电荷的物质。相反电荷的吸引就是为什么这
些物质会被束缚在原子内的原因。后来，1904年，杰出剑桥物理学家
J.J.汤姆孙提出了一种被称为葡萄干布丁的模型。在这个模型下，原子
由一系列带负电的粒子镶嵌在一个带正电的生面团状的材料中组成，如
图69所示。
图69 这个截面展示了约瑟夫·汤姆孙的葡萄干布丁原子模型。其中每个原子都是由一系列带负
电的粒子（葡萄干）镶嵌在一个带正电的生面团状的材料（布丁）中组成。轻的氢原子的一小
团带正电的面团里只嵌有一个负电性的粒子，而重的金原子的带正电的面团较大，其中会嵌入
许多带负电的粒子。
放射性的一种形式是α辐射。这种辐射似乎是由带正电荷的粒子组
成，这种粒子被称为α粒子。人们推测，这种现象可以用原子吐出一块
带正电荷的面团来解释。为了检验这一假设以及整个葡萄干布丁模型，
卢瑟福决定用一组原子发射出的α粒子去打另一组原子，看看会发生什
么。换句话说，他想用α粒子来探测原子。
1909年，卢瑟福让他的两位年轻的物理学家——汉斯·盖革和欧内
斯特·马斯登——来进行这项实验。盖革后来因发明了辐射探测器——
盖革计数器——而名满天下，但眼下，两人只好用最原始的设备凑合着
做。检测α粒子是否存在的唯一方法是在α粒子可能的飞行路径上放置一
块涂有硫化锌的屏幕。当α粒子打到硫化锌上时，屏幕会发出微弱的闪
光。为了看清楚这种闪光，盖革和马斯登需要事先花30分钟时间进行暗
适应。即使这样，他们仍然必须通过显微镜来观察硫化锌屏幕。
实验的关键部分是镭的样品，它向所有方向放射出α粒子。盖革和
马斯登用开有狭缝的铅屏蔽材料来包裹镭，使之变成可控制的α粒子
束。接下来，他们在α粒子出束的路径上放置一片金箔片，如图70所
示，看看α粒子打在金原子上会发生什么事情。
α粒子带正电荷，而原子是负电荷和正电荷的混合。同种电荷相
斥，异种电荷相吸。因此盖革和马斯登希望α粒子和金原子之间的相互
作用能够透露一些关于金原子内部的电荷分布信息。例如，如果金原子
确实是由负电荷均匀散布在正电荷面团内这种结构构成的，那么α粒子
就应仅有略微的偏转，因为它们遇到的是均匀分布的正负电荷的混合。
果然，当盖革和马斯登在金箔的另一侧放置了硫化锌屏幕，让它正对着
镭样品时，他们检测到的仅是对α粒子路径方向的最小的偏转。
随后卢瑟福要求将探测器移动到金箔和镭源的同一侧，这“纯粹是
为了好玩而已”。当时的想法只是想看看α粒子是否有可能被金箔反弹。
如果汤姆孙模型是正确的，那么应该什么都检测不到，因为他的葡萄干
布丁模型将原子内的电荷混合在一起，应该对入射的α粒子没有如此剧
烈的影响。然而，盖革和马斯登被他们所看到的结果惊呆了。他们确实
检测到明显是被金原子弹回的α粒子。虽然每8000例中只有1例α粒子被
弹回，但这已超出汤姆孙模型所预言的范围。实验结果似乎与葡萄干布
丁模型相矛盾。
在门外汉看来，这似乎只是产生了意想不到的奇怪结果的一次实
验。但对于对原子结构有深刻认识的卢瑟福来说，这个结果令人极度震
惊：“这是我一生中从未遇到过的最不可思议的事件。这就像你向一块
纸巾发射一颗15英寸的子弹，结果它折回头来打到你身上一样的不可思
议。”
这个结果在葡萄干布丁原子的背景下似乎是不可能的。因此，这一
实验迫使卢瑟福不得不放弃汤姆孙模型，并构建一种全新的原子模型，
它应能够说明α粒子的回弹。他反复揣摩这个问题，最终想出了一种似
乎说得通的原子结构。卢瑟福提供的这种原子表示的大部分内容即使到
今天仍然有效。
图70 欧内斯特·卢瑟福让他的两位同事，汉斯·盖革和欧内斯特·马斯登，用α粒子来研究原子结
构。他们的实验用镭样品做α粒子源。包裹镭样品的铅屏蔽罩开有狭缝，使α粒子束出射打到金
箔上，探测α粒子的探测器可在金箔周围移动以便检测α粒子的偏转方向。
大部分α粒子以很小的偏转甚至不偏转直接穿过金箔打在位置A的探测器上。如果汤姆孙的葡萄
干布丁模型是正确的，那么这个结果是可以预料的，因为这个模型想象负电荷粒子是均匀镶嵌
在正电荷的面团里的。
然而，在某些情形下，α粒子以一种非常令人奇怪的方式弹回，并被位于位置B的探测器拾取。
这些事实启发卢瑟福提出了新的原子模型。
卢瑟福模型将全部正电荷集中在称为质子的粒子上，它位于原子的
中心，这个区域被称为原子核。带负电荷的粒子，所谓电子，围绕核做
轨道运动，并因其所带的负电荷与原子核内的正电荷之间的吸引力而被
束缚在原子上，如图71所示。这个模型有时被称为原子的行星模型，因
为绕核做轨道运动的电子就如同绕太阳做轨道运动的行星一样。电子和
质子具有相等且相反的电荷，并且每个原子都包含数目相同的电子和质
子，所以卢瑟福原子的总电荷为零，就是说它是电中性的。
图71 卢瑟福的原子模型有一个位于中心的由带正电荷的质子构成的核，带负电荷的电子在核
外作轨道运行。这些图未按比例绘制，因为核的直径大约是原子直径的十万分之一。质子数等
于电子数，并且这个原子序数对于特定元素的所有原子都相同，它也确定该元素在周期表（图
67）中的位置。氢原子具有1个电子和1个质子，氦原子具有2个电子和2个质子，锂原子有3个电
子和3个质子，等等。
核内中子的数量可以不同，但只要质子的数量保持不变，它就仍然被认为是相同化学元素的原
子。例如，大多数氢原子没有中子，但有一些氢原子有1个中子，被称为氘，而含有2个中子的
被称为氚。正氢、氘和氚都是氢的同位素。
质子和电子的数目至关重要，因为它定义了原子的种类，在元素周
期表中出现在每个原子旁边的也正是这个数字（图67，原书第287
页）。氢的原子序数是1，因为它的原子有1个电子和1个质子；氦的原
子序数是2，因为它的原子有2个电子和2个质子；等等。
卢瑟福怀疑核内还含有一种不带电的粒子，他的这一想法后来被证
明是正确的：中子具有与质子几乎相同的质量，但它不带电荷。正如图
71所说明的那样，核内的中子数量可以改变，但只要原子中的质子数目
保持不变，那么它就仍然是同类元素的原子。例如，大多数的氢原子没
有中子，但是有些氢原子有1个或2个中子，它们分别被称为氘和氚。普
通氢、氘和氚都是氢的形式，因为它们都包含1个质子和1个电子，它们
被称为氢的同位素。
虽然原子体积上的变化取决于它所具有的质子、中子和电子的数
量，但它们的直径通常小于1米的10亿分之一。然而，卢瑟福的散射实
验表明，原子核的直径还要将原子的直径除以10万。从体积上说，原子
核只占整个原子的（1/100000）3或0.0000000000001%。
这个图像具有非凡的意义：原子，这种构成我们周围世界实实在在
可感知的万事万物的基本要素，是由几乎完全空的空间组成的。如果将
单个氢原子扩大到一座音乐厅（例如伦敦的皇家阿尔伯特音乐厅）那么
大，那么在金色大厅的广阔空虚之中，原子核的大小将只有跳蚤这么点
大，而更小的电子则蜷缩在大厅某处的角落里。此外，质子和中子每一
个的重量都几乎是电子的2000多倍，而质子和中子则是驻留在无穷小的
核内，因此一个原子至少有99.95%的质量是被挤压在其体积的
0.0000000000001%的空间里。
这个修改的原子模型为卢瑟福的实验结果提供了一个完美的解释。
由于原子的大部分空间是空的，因此绝大多数α粒子会穿过金箔，只发
生轻微的偏转。然而，一小部分带正电荷的α粒子会迎面碰撞上带正电
荷的原子核，从而引起剧烈反弹。图72演示了这两种相互作用形式。最
初，卢瑟福的实验结果让人感到是根本不可能的，但有了这个修改的模
型后一切都显得十分显然。卢瑟福曾经说过：“所有的物理学结果，要
么是不可能的，要么是微不足道的。一切不可能的结果，一旦你理解它
之后，就变成微不足道了。”
图72 盖革和马斯登的实验的结果表明，一小部分α粒子撞到金箔上后被反弹回来。这使得汤姆
孙的葡萄干布丁模型失去意义。
图（a）表示金箔由葡萄干布丁模型原子构成。带正电的面团里均匀撒布着带负电的布丁粒子，
这种非常均匀的电荷分布使入射的α粒子几乎不偏转。
图（b）所示的金箔由卢瑟福的原子构成，它能够解释α粒子的反弹。在这种模型下，正电荷被
