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原子內(nèi)部99%以上都是空的,為什么物體看起來卻是實(shí)體的?

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把一個(gè)原子放大到足球場(chǎng)那么大,原子核只有中間那顆綠豆那么小,電子在看臺(tái)最外圈飛。中間呢?什么都沒有??赡悻F(xiàn)在正靠在桌子上,手沒有穿過去,這是怎么回事?



一場(chǎng)被誤解的"空"

說原子99.9999999%是空的,這話沒毛病。1909年,盧瑟福做了那個(gè)著名的金箔實(shí)驗(yàn),讓?duì)亮W尤マZ金箔,結(jié)果絕大多數(shù)粒子直接穿了過去,好像金箔根本不存在。只有大約八千分之一的粒子被彈了回來。

就是這個(gè)實(shí)驗(yàn),讓人類第一次意識(shí)到:原子不是實(shí)心小球,它的質(zhì)量幾乎全部集中在一個(gè)極小的核心里。



如果把氫原子放大到直徑100米,原子核只有1毫米。這個(gè)比例什么概念?相當(dāng)于一顆玻璃珠放在天安門廣場(chǎng)中央,電子在廣場(chǎng)邊緣繞圈,中間全是空氣。

于是很多人就想當(dāng)然地問:既然原子這么空,為什么我的手拍桌子會(huì)疼?為什么兩塊鐵撞在一起會(huì)發(fā)出聲音?為什么我不會(huì)直接穿過地板掉下去?



問題出在"空"這個(gè)字上。我們?nèi)粘@斫獾目?,?什么都沒有",像一個(gè)房間,把家具都搬走,你可以隨便進(jìn)出。但原子內(nèi)部的"空",完全不是這個(gè)意思。那里沒有物質(zhì),但充滿了力。

電子云不是云,是一堵看不見的墻

盧瑟福的行星模型只是個(gè)粗糙的類比。真正的電子既不是小球,也不綁定在某條軌道上轉(zhuǎn)圈。量子力學(xué)告訴我們,電子是一團(tuán)概率云,它同時(shí)"彌散"在原子核周圍的整個(gè)空間里。



1926年,薛定諤寫出了描述電子行為的波動(dòng)方程。這個(gè)方程的解不是一個(gè)確定的位置,而是一個(gè)概率分布。氫原子的1s軌道,電子最可能出現(xiàn)的地方是距離原子核0.053納米處,這就是玻爾半徑。但關(guān)鍵在于,電子在整個(gè)球殼區(qū)域內(nèi)都"存在",只是某些地方概率高,某些地方概率低。



你可以這樣想象:電子不是一顆在球場(chǎng)里跑來跑去的足球,而是整個(gè)球場(chǎng)同時(shí)彌漫著一層"足球的存在感",中間濃一點(diǎn),邊上淡一點(diǎn),但到處都有。



當(dāng)兩個(gè)原子靠近,它們的電子云開始重疊。這時(shí)候,泡利不相容原理就登場(chǎng)了。1925年,奧地利物理學(xué)家泡利提出這個(gè)原理:兩個(gè)電子不能處于完全相同的量子態(tài)。



當(dāng)你用手按桌子,手里的原子和桌子的原子距離越來越近,電子云被迫擠壓在一起。但電子們"拒絕"進(jìn)入相同的狀態(tài),這種拒絕產(chǎn)生了一種強(qiáng)大的排斥力。

這個(gè)力有多強(qiáng)?強(qiáng)到你用盡全身力氣也無法讓兩個(gè)原子真正"融合"。1立方厘米的固體物質(zhì)里大約有1023個(gè)原子,它們每一個(gè)都在用電子云互相"頂"著對(duì)方。這種力不是因?yàn)殡姾膳懦?,雖然電子確實(shí)帶負(fù)電,而是量子力學(xué)層面上的"狀態(tài)排斥"。



所以,你的手拍桌子會(huì)疼,不是因?yàn)樽驳搅耸裁磳?shí)心的東西,而是因?yàn)閮蓤F(tuán)電子云互相不讓路。說白了,你從來沒有真正"接觸"過任何東西,你只是感受到了電子之間那股拒絕親密的力。

電磁力:微觀世界的真正推手

除了泡利排斥力,還有另一個(gè)主角:電磁力。

原子核帶正電,電子帶負(fù)電。當(dāng)兩個(gè)原子靠近時(shí),一個(gè)原子的電子會(huì)被另一個(gè)原子的原子核吸引,同時(shí)又被對(duì)方的電子排斥。這種吸引和排斥同時(shí)存在,最終在某個(gè)平衡點(diǎn)穩(wěn)定下來,這就是化學(xué)鍵的本質(zhì),也是固體能夠維持形狀的原因。



電磁力是四大基本力之一,它的強(qiáng)度是引力的103?倍。什么意思呢?如果你把兩個(gè)電子放在相距1米的地方,它們之間的電磁排斥力,比它們之間的引力強(qiáng)一千億億億億倍。這就是為什么原子能抵抗重力:你站在地面上,腳底的原子用電磁力撐住你,地球的引力根本不是對(duì)手。



1948年,費(fèi)曼、施溫格和朝永振一郎獨(dú)立發(fā)展出量子電動(dòng)力學(xué)(QED),把電磁力的本質(zhì)解釋得更深:電子之間通過交換"虛光子"來傳遞力。這個(gè)理論的預(yù)測(cè)精度高得離譜,電子的磁矩理論值和實(shí)驗(yàn)值相差不到萬億分之一,是人類歷史上最精確的物理理論之一。



所以,當(dāng)你握住一個(gè)杯子,支撐你握力的其實(shí)是電磁力。當(dāng)你坐在椅子上,托住你體重的還是電磁力。整個(gè)宏觀世界的"固體感",幾乎全部來自電磁相互作用和泡利不相容原理這兩件事。

固體、液體、氣體:空隙一樣多,表現(xiàn)天差地別

說到這里,可能有人會(huì)問:既然原子都是空的,為什么水是液態(tài),鐵是固態(tài),空氣是氣態(tài)?它們的原子結(jié)構(gòu)有本質(zhì)區(qū)別嗎?

答案是:原子層面沒有太大區(qū)別,真正的區(qū)別在于原子之間的距離和結(jié)合方式。



固體里的原子幾乎是緊緊挨在一起的。以鐵為例,鐵原子之間的間距大約是0.287納米,它們通過金屬鍵牢牢鎖住彼此,像士兵方陣一樣整齊排列。這種結(jié)構(gòu)叫晶格。每個(gè)原子的電子云和鄰居重疊,泡利排斥力讓它們既不能靠得更近,金屬鍵又不讓它們分開,于是就"卡"在那里了。



液體呢?原子之間的距離和固體差不多,但它們不再固定在晶格位置上,而是可以滑動(dòng)。水分子之間的平均距離約為0.31納米,和冰的0.27納米差不太多。但冰有嚴(yán)格的六邊形晶格結(jié)構(gòu),水沒有,水分子可以互相溜達(dá),所以水能流動(dòng)。



氣體就完全不一樣了。常溫常壓下,空氣分子之間的平均距離大約是3納米,是固體和液體的十倍。分子們像一群瘋狂亂飛的蒼蠅,每秒碰撞數(shù)十億次,但大部分時(shí)間都在空無一物的空間里穿梭。這就是為什么空氣可以被壓縮,而水幾乎不能,水分子之間已經(jīng)"頂"在一起了,沒有多少可壓縮的余地。



同樣是"空空如也"的原子,固體、液體、氣體表現(xiàn)得天差地別。這告訴我們,宏觀性質(zhì)不取決于原子本身"實(shí)"不"實(shí)",而取決于原子之間的力和排列方式。



有個(gè)更極端的例子可以說明這一點(diǎn):中子星。在中子星內(nèi)部,引力強(qiáng)到把電子壓進(jìn)了質(zhì)子里,變成中子。沒有了電子云,就沒有泡利排斥力,物質(zhì)可以被壓縮到難以想象的密度,一立方厘米的中子星物質(zhì)重約10億噸。

這時(shí)候,原子"空隙"幾乎完全消失了。地球如果被壓縮成中子星密度,直徑會(huì)從12742公里縮小到大約22米,大概一個(gè)籃球場(chǎng)那么大。

我們生活在一個(gè)被力支撐的世界

1990年代,IBM蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們用掃描隧道顯微鏡"看到"了原子,甚至用探針一個(gè)一個(gè)地把氙原子排成了"IBM"三個(gè)字母。



那張照片至今仍是科學(xué)史上最震撼的圖像之一。但有意思的是,顯微鏡"看到"的并不是原子本身,而是電子云的邊緣,探針尖端和原子電子之間的力。

你以為你看到了"東西",其實(shí)你感受到的只是力。



這種感受無處不在。你敲鍵盤,感受到的是電磁力。你踩在地上,感受到的是電磁力。你被人擁抱,溫暖是紅外輻射(本質(zhì)還是電磁波),壓迫感是電磁力。你這輩子從未真正"碰"過任何東西,你所有關(guān)于"實(shí)體"的經(jīng)驗(yàn),都來自原子之間那層薄薄的力的邊界。



物理學(xué)家費(fèi)曼說過一句話:"如果讓我用一句話總結(jié)人類最重要的科學(xué)知識(shí),我會(huì)說:萬物都由原子組成。"

但這句話還可以再補(bǔ)一句:而原子之間,全是空和力。

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