我们都知道,万物都是由原子构成的,而原子由原子核和核外电子组成。原子很小,直径大约为10的负10次方米。 但是相比原子,原子核和电子就更小了。如果把原子比作足球场的话,原子核就相当于球场中间的一只蚂蚁而已,而电子比原子核又小多了。 一个原子,除了原子核和电子之外,绝大部分都是虚空。而我们人体都是由最基本的原子组成的,为什么我们人体看起来如此实在,而不是虚空的呢? 这种温度也一度困扰着物理学家们,一开始他们也不知道原子内部大量的虚空是不是真的空,人们对原子结构的认知也经历了几个阶段。 最开始的时候,人们一度认为原子就是不可再分的实心体,就像一个玻璃球那样。但卢瑟福做了一个实验改变了人们的传统认知,这个实验就是粒子散射实验,用粒子轰击金箔,发现大部分粒子都直线穿过,只有少量粒子的方向发生偏转甚至直接反弹。 预知卢瑟福提出了原子的行星模型,认为原子结构就是太阳系那样,中间存在一个致密的原子核,后来又发现了电子,认为电子就像太阳系内的八大行星那样,围绕原子核旋转。 不过由于原子核带正电,电子带负电,电子在原子核外围旋转会不断辐射电磁波,最终因能量不断变低而坠入到原子核上。 但现实并不是那样的,原子很稳定,正常情况下从来没有电子自发地坠落到原子核上。 后来,在卢瑟福行星模型的基础上,波尔等人又提出了电子跃迁模型,认为电子只能在固定的轨道上来回跃迁,通过吸收或者释放光子的方式不断跃迁。但这种模型仍然不能解释原子为何如此稳定。 随着量子力学的发展,科学家对微观世界有了更深刻的认知,那里的一切看起来与宏观世界格格不入,完全颠覆了我们的传统认知。 对于量子世界里的微观粒子来讲,他们一点也不听话,甚至违背了统治我们宏观世界的因果关系,我们完全没法预测微观粒子的运动规律,它们就像会施展魔法一样,随机出现在一个地方,然后瞬间又出现在另一个地方,甚至可以同时出现在两个不同的地方。 这样的事情在我们的宏观世界完全不可能,但微观世界确实存在。到了微观世界,微观粒子的表现开始模糊起来,表现得不再像粒子,更像是波。 这就是量子力学的核心,不确定性。我们不能同时确定微观粒子的位置和速度,两者的不确定性必须不小于一个常数。 而电子就是如此诡异的微观粒子,它们并不是乖乖地围绕原子核运转,而是完全随机地出现在原子核微外围的每个地方,结果表现出来的就是电子云。 原子核外围不再是单个电子,而是一大片云团。即便是只有一个电子,也能形成大片的云团。 电子并不只是出现在一个地方,而是同时出现在两个或多个地方,散布在原子核周围的整个空间里。 这也是为什么原子内部看起来完全是虚空状态,实际上是由电子云形成的非常致密的结构状态。 当我们触碰任何物体时,都会感受到物体很实在,并没有虚空的感觉,因为物体表面的电子会产生强大的电磁力,也是排斥力,推动我们手上的电子。电磁力是我们日常生活中最常见的力,除了引力之外,我们感受到的所有力都是电磁力,比如说弹力,摩擦力,阻力,各种机械力等,本质上都是电磁力。 电子的这种诡异行为非常违反我们的直觉,事实上,不仅仅是电子,任何微观粒子都有电子这样的诡异行为。著名的电子双缝干涉实验能让我们更具体地感受到电子到底有多诡异。 所以,我们对原子内部是虚空的看法只是错觉,那里一点也不空,甚至比我们的宏观世界更实在。那里的微观粒子不但可以随机出现在任何地方,还有各种相互作用力充斥着微观世界的每个角落,那些相互作用力就像胶水一样,牢牢地粘结着微观粒子。 电子等微观粒子为何拥有如此诡异的特性? 这是一个大问题,也是量子力学的核心问题,不确定性。具体体现在微观粒子的叠加态或者说波粒二象性。 科学家们只知道微观粒子拥有如此诡异特性,并不知道为何拥有如此诡异特性。也就是说,人类只知其然,而不知其所以然。这也是为什么不止一个物理学大佬会这样说:世界上没有谁真的明白量子力学!