原子很小,直徑大約只有10的-10次方米。原子由原子核和電子構成,如果把原子比作一個足球場的話,原子核就相當于一粒豆子的大小,電子就更小了,甚至比塵埃還要小。
這是不是意味著原子內部除了原子核和電子之外,就什麼都沒有了呢?原子內部大部分空間都是一片虛空?
一開始,人們也確實這樣認為的。比如說,著名的「α粒子散射實驗」就表明,原子內部真的是一片虛空。
物理學家盧瑟福最早做過這個實驗,實驗很簡單,用α粒子轟擊薄薄的金箔。 實驗結果顯示,大部分α粒子都能直接穿過金箔,但也有極少數α粒子會發生偏轉,有的偏轉角度甚至能超過150度。
盧瑟福做出判斷,認為原子有一個致密的內核,通過計算,這個內核的半徑大約為10的14次方米。盧瑟福也首次提出了原子結構模型,非常類似太陽系的結構,也因此被稱為「行星模型」。原子中間的原子核就相當于太陽系中的太陽。
那麼,既然原子很空,為何物體看起來很實在呢?
用盧瑟福提出的行星模型很難解釋這個問題。盧瑟福的學生波爾第一次回答了這個問題。在原子行星模型的基礎上,波爾提出了「能級」的概念,他認為電子并不像八大行星那樣圍繞原子核運行,電子不但有固定的軌道,還能在不能的能級軌道之間來回躍遷。
但是波爾的「能級模型」仍舊不能詮釋物體為何很實在。物理學家海森堡更進一步,在能級模型的基礎上,提出了「不確定性原理」,認為電子可以同時出現在能級上的每個位置,就像一團云霧那樣,這也是我們常說的「電子云」概念。
但電子云概念似乎也很難讓物體實在起來,畢竟電子云可以壓縮。
另一個天才物理學家泡利提出了「不相容原理」,認為一個能級上只允許一個電子存在,不允許其他電子存在,如果其他電子試圖進來,就會產生強大的排斥力。如此一來,看起來軟綿綿的「電子云」一下子就會因為斥力表現得很堅硬實在。
事實上,不僅僅是電子,其他基本粒子也有這樣的特性。「不相容原理」讓電子之間產生強大的排斥力,也被稱為「電子簡并壓」,要想對抗這種力量,需要更強大的外部力量,比如說中子星的誕生過程,就是因為強大的引力迫使「電子簡并壓」屈服,最終電子被壓縮到質子上,結合在一起中子。
那麼,為什麼大多數物體都不透明呢?所謂的透明,只是相對的,是以人類視角來定義的。
上面剛剛說了,電子可以通過吸收或者釋放光子在不同的能級之間來回躍遷,當照射的光線能量與不同能級的能量差相匹配時,光子就被電子吸收,物體就是不透明的。反之,如果光子沒有被吸收,光子會直接穿過原子,物體就會很透明。
而所謂的透明,也只是在可見光的范圍里,因為人們只能看到可見光。 比如說,玻璃是透明的,但它只是對于可見光透明,對于紅外線就不透明,因為紅外線并不能穿過玻璃。
而我們看到的大多數物體都是不透明的,比如說人體,但是在能量更強的X光面前,大多數物體都是透明的,因為X光的穿透性更強。醫生也經常會用X光照射病人的身體,查看人體就能知道是否有病變。
金屬一般是不透明的,而且通常都有金屬光澤。主要是因為金屬中有很多到處亂串的自由電子,這些自由電子不但可以讓金屬導電,還能有效地反射光線,讓金屬表現出金屬光澤。
總之,物體的實在與否,透明與否,與原子內部是否空曠沒有直接關系。物體表現出實在性,主要是因為力的相互作用,不僅僅有「電子簡并壓」,當兩個物體相互靠近時,還會存在電磁作用。
物體的透明與否主要與照射進去的光是否能被電子吸收,如果被吸收了就不透明,反之則是透明的。
以上這些都是量子力學帶給我們的知識。在量子世界,一切都是不確定的。但也正是量子世界的不確定性,才造就了我們巨觀世界的確定性。
誠然,量子世界確實很詭異,至今人類都無法參透其中的本質,比如說任何微觀粒子都具有波粒二象性,這讓我們很難理解。
但我們知道,波粒二象性確實存在,其實不知道波粒二象性背后隱藏的底層邏輯到底是什麼,這也是科學家努力的方向。