何为微观世界之最小?在物理学早期,答案曾指向原子。
原子,作为化学反应中的基本单位,当氢气(H₂)在氧气(O₂)中燃烧生成水(H₂O)的化学过程中,其分子便是由氢原子与氧原子所组成。但此非终点,科学的探索更进一步揭示了原子的内部构造。
随着科学的进步,我们发现,曾经以为已至微末的原子,其内部居然还隐藏着更为微小的构造——原子核以及绕其旋转的电子。
当科学家们发现并研究起原子核与电子这两个奇妙的存在时,他们为这些微观粒子进行了详尽的“体检”与“称重”。他们发现,一个原子的绝大部分质量都集中在原子核上,而原子核的体积却只占整个原子的极小部分。
更为神奇的是,当我们将目光深入至原子内部,会发现电子的体积比原子核还要小。这意味着在一个原子的内部,除开原子核与电子,其余的空间几乎都是“空”的。这不禁让人联想到,传说中的“绝对真空”是否就藏匿于原子的内部?
为了更深入地了解原子内部的结构,我们仿佛需要进行一场微小的手术。中心为原子核,它由质子与中子组成。质子的数量决定了原子的属性,改变质子数即可改变元素的种类。
以氢原子为例,它仅含一个质子。而当为其添加一个质子时,它便变成了氦原子。在原子核的周围,电子不停地沿着特殊轨道运动,其数量与质子数相同。例如氢原子中只有一个电子。
整个原子内部的环境就像一个微缩的宇宙系统。但与真实的宇宙系统不同之处在于,其运动与轨道存在极大的差异。在原子内部,电子围绕原子核的运动方式是“一层一层”的,而每个能级都可以容纳一定数量的电子。
当电子在不同能级间跃迁时,会释放出能量,这种能量以光子的形式存在,形成了不同原子的独特光谱。
虽然我们常以经典物理学的视角看待事物,认为原子中大部分空间应为实物所占据。但事实上,若将原子放大至如体育场般大小,原子核的大小则仅如一颗红豆,而电子的存在更是微如尘埃,甚至不如电脑屏幕上的一个像素点大。这意味着在原子这个微小的“体育场”内,除了微小的实体和大量的“空地”,几乎别无他物。
电子的存在形式并非我们所想象的弹珠或小球,而更像是一片“电子云”。由于电子的运动速度接近光速,且实在太小,使得我们无法直接观察到它。适用于宏观物体的经典物理学无法完全解释电子的运动规律。
量子力学应运而生。在量子力学的规则下,电子展现出波粒二象性。其存在并非固定于某处,而是以一定的可能性存在于特定区域中。这种可能性并非随意而定,而是由所谓的“波函数”所决定。
虽然我们无法确切地确定电子的位置,但我们可以根据其可能性来理解其在原子中的存在。从某种意义上说,原子核外的空间被“电子”所充满。但这只是一种描述方式,实际上电子的存在仍是一种量子力学中的不确定性。
若从经典物理学的角度来解析,电子与原子核之间的相互作用力维持了原子内部的平衡。它们之间既有吸引力也有排斥力,这些力都基于电磁力的作用。也就是说,在经典物理学的视角下,原子内部的空间并非完全真空,而是充满了电磁作用力及量子力学效应。
那么,现实中是否存在一片真正意义上的“绝对真空”呢?量子力学的理论告诉我们,即使在我们认为的真空状态下,也可能瞬间生成虚拟粒子对并迅速相互抵消、堙灭。而在现实的实验中,无论利用何种手段都无法完全移除空间中的所有粒子和辐射。
“绝对真空”的概念似乎并不存在。无论我们如何观察、如何理解微观世界,都会发现新的认识与性的真相。
人的视觉有其局限性,当我们将目光投向微观世界时,或许会遇到常识的认知。让我们期待着更多的科学发现与研究结果来揭示未知的奥秘。