物質為何能保持穩定？
本文摘自《給孩子講量子力學》
我們平常見到的很多物體都是穩定的。比如我們屁股下面坐的椅子，手中拿的手機，打開電腦看到的屏幕，在很長一段時間內都不會突然變形、走樣或爆炸。這是為什麼呢？
這個問題一定會讓你覺得莫名其妙。這有什麼好問的？本來就應該如此啊！比如說，我們平常用的不鏽鋼湯勺和刀叉，拿在手裡感覺很結實、很堅硬。我們覺得這理所當然，它們本來就應該堅硬。還有很多其他材料也很結實，例如比不鏽鋼更堅硬的材料——鑽石。然而，我們很快會看到，這真的是一個燒腦的問題。
當然，很多材料沒有不鏽鋼餐具和鑽石這麼堅硬，例如石頭、木頭等固體也不會突然變小，不會突然向內塌陷。此外還有液體、氣體，它們同樣不會突然變大，也不會突然變小。這種不會突然變大或變小的性質，叫作穩定性。
一個多世紀以前的物理學家就已經發現，不論是固體、液體還是氣體，這些物質實際上是由更小的原子組成的。我們用顯微鏡看這些物體，特別是前面提到的不鏽鋼，就會看到不鏽鋼裡面有很多原子，排成一列一行、非常規則的形狀。但你會發現，在不鏽鋼原子之間存在很多空隙，也就是空白的區域。不鏽鋼原子和空白區域的尺寸差距有多大，待會兒我們會用一個形象的比喻來描述。你會看到不鏽鋼原子與空白區域相比小得可憐。也就是說，兩個原子之間的空隙非常大，大到不可思議。
這就產生了一個問題，如果把水杯放在桌子上，為什麼水杯不會穿過桌子掉下去？我們已經知道，水杯和桌子都是由原子構成的，而桌子里的原子和原子之間存在很大的空隙，水杯的原子和原子之間也存在很大的空隙。那麼，為什麼組成水杯的原子不會從組成桌子的原子之間的空隙中掉下去？這是一般人平時完全沒有思考過的問題。換句話說，儘管世上有很多物體，表面看好像很密實，中間沒有任何空隙，但如果拿顯微鏡一看，你就會發現，其實這些物體內部絕大部分區域都是空的，而原子就懸空排在那裡。但奇怪的是，這些物體依然能保持穩定，不會突然變大或變小。為什麼會這樣呢？這就是我們想問的問題。而這些問題的正確答案，就在我們要介紹的量子力學中。
第一個發現物體內部很空的人叫盧瑟福，盧瑟福想要研究原子內部有什麼結構。他設計了一個實驗，用一種叫α粒子的東西來往物體內部打。他發現α粒子很容易穿過物體，說明物體內部大部分都是空的。但隨著實驗的進行，奇怪的事情發生了：有一次，α粒子打進物體內部後，竟然從原路反彈回來！這說明什麼呢？說明在原子內部，一定存在著一種特別小、又特別堅硬的東西，也就是所謂的原子核。就這樣，盧瑟福弄清楚了原子的結構：內部有一個特別小、帶正電，還特別堅硬的原子核，原子核外有一些質量更小、帶負電的電子。
在繼續之前，讓我們先回顧一下問題：為什麼由很多原子構成、中間存在很大空隙的物質能保持穩定？這個問題為什麼很難回答呢？
我們現在想像有兩隊士兵，他們排成兩排，每排相鄰兩個士兵之間的距離為十米，然後他們互相朝對方走過去。你會發現由於每排士兵之間都相距十米，他們撞上對方士兵的可能性是很小的。多數情況下，他們會相互穿過，沒有任何碰撞地走過去。這其實就是我們前面問的問題。把一個水杯放在桌子上，水杯原子間存在很大的空隙，桌子原子間也存在很大的空隙。但問題是，水杯原子總能撞上桌子原子，因此才不會穿過桌子掉下去。
士兵的例子其實只是一個簡單的類比。事實上，這個問題比我們想像的要驚人得多。物質的原子之間，已經空蕩到極其誇張的程度。到底有多誇張呢？現在就讓我們來看一看。
打個比方，讓我們把一個原子核放大一千萬億倍。一千萬億是什麼概念呢？我們地球上目前有70億人。有人估算過，如果把所有曾在地球上生活的人都加起來，大概會有一千億人。用這一千億再乘以一萬，就是一千萬億。這麼大的數字，一般只有在天文學中才會用到，所以人們就把這類數字叫作天文數字。把一個原子核放大一千萬億倍，這個原子核的直徑就會達到1米，和一個士兵的身高差不多。
原子的結構就是電子在繞著原子核轉，有點像地球在繞著太陽轉。我們把電子所在軌道的大小看作是一個原子的大小。類似的，我們把原子也放大一千萬億倍。你猜現在的原子會變成多大？有100公里，大致相當於從北京到天津的距離。換句話說，如果把原子核放大到一個人的大小，那麼原子核之間的距離最少也會有從北京到天津那麼遠。讓我們回到士兵的比喻。有兩排士兵，每排相鄰的兩個士兵之間都隔了100公里。現在讓這兩排士兵互相朝對方士兵走去。那他們會彼此相撞嗎？肯定不會！
可能聰明的小朋友會問了，雖然原子核之間隔了很遠，但如果讓每個原子核或電子都運動起來，就像讓每個士兵都在自己的隊伍里來回跑動，這兩隊士兵是不是就會相撞了呢？答案是相撞的可能性的確會增大，但依然非常小。因為相鄰士兵之間畢竟隔了100公里，那可是從北京到天津的距離。不相撞，就可以互相穿越。那為什麼我們在現實生活中從未看見水杯穿越桌子掉下來呢？
第一個回答這個問題的人就是玻爾，他是丹麥的一位大物理學家。他最早提出了氫原子的模型，也就是一個電子繞著一個原子核轉的模型。基於盧瑟福的實驗結果，玻爾提出了著名的氫原子模型。下面就是這個模型的示意圖。
氫原子中心有一個原子核，原子核外還有一個電子。最關鍵的是，電子只能在一些特定的軌道上運動。這就像學校運動會的100米賽跑，運動員只能在自己的跑道里完成比賽，而不能橫穿操場直接跑向終點。電子也是如此，它只能待在特定的軌道里，無法在其他地方穩定存在。這樣就像我們剛才所說的，如果士兵都可以在自己隊伍里來回跑動，那麼這兩隊士兵相互走過去的時候就有可能碰到一起了。儘管這兩隊士兵都可以在自己隊伍里跑，他們相互走過去碰到一起的可能性還是很小，畢竟相鄰兩個士兵之間隔了100公里。所以玻爾的氫原子模型只是解決物質穩定性問題的第一步。
第二個推動問題解決的人是德國物理學家海森堡。海森堡是怎麼解釋物質穩定性問題的呢？他說原子中的電子，其實並不在一個個獨立的軌道上運動，而是像鬼影一樣到處移動。換句話說，電子的位置是不確定的，任何時刻都會同時出現在很多地方。只有當我們去看的時候，才能知道電子具體出現在哪裡；如果不去看，電子就會同時待在很多地方。雖然海森堡的理論讓相距甚遠的原子可以撞到一起，但無法保證它們相撞後能互相彈開。所以，物質穩定性問題依然沒有得到解決。
第三個解決問題的人出現了，他就是海森堡的師兄，奧地利物理學家泡利。泡利發現了著名的泡利不相容原理。這個原理其實很簡單，就是說在一個氫原子核周圍只能有一個電子，另外一個電子根本就進不去。正如一個男生只能和一個女生跳舞，不能同時跟兩個女生跳一樣，「一朵雲彩」裡面也只能有一個電子，不允許第二個電子的存在。你看，泡利不相容原理一引進來，原來軟綿綿的雲彩立刻就變得很堅硬了吧？換句話說，原子是由一對對「舞伴」組成的，他們不喜歡其他的「舞伴」隨便靠近。正是由於這個原因，兩個原子勢必要保持一定的距離，而不會碰撞到一起。這就解釋了我們上面說過的由一排排原子組成的物體不會突然縮小，以及水杯放在桌子上不會突然掉下去的問題。
對泡利不相容原理做出進一步貢獻的人叫費米，是一位義大利的物理學家。費米認為在原子的世界裡，所有女生其實都是一模一樣的。換句話說，所有的電子都長得一模一樣。兩個一模一樣的女生可以在兩朵不同的雲彩里和兩個男生跳舞，但是不允許這兩個女生在同一朵雲彩里和一個男生跳舞。
聰明的小朋友可能會問，我們能不能把原子核放在一堆，把電子放在另一堆，然後讓一大堆原子核和一大堆電子互相繞轉？如果發生這種情況的話，物質還會不會塌陷或爆炸？這是一個很好的問題。解決這個問題的人是英國物理學家戴森。戴森用泡利不相容原理證明了原子核一定會與電子配成一對，從而形成原子。這也符合我們日常生活的經驗。在舞會上，不可能是男生擠成一堆，女生也擠成一堆，然後一堆男生和一堆女生圍在一起跳舞。舞會總是由很多對舞伴組成，每對舞伴都包括一個男生和一個女生，男生和女生會自動在舞會上結成舞伴，這就徹底解決了物質為什麼不會塌陷的問題。
估計有同學要問了，你只說了為什麼物質不會向內塌陷，並沒有說為什麼物質不會向外爆炸啊？答案其實很簡單。我們已經說過，原子核會與電子配對，從而形成原子。這就像男生和女生會結成舞伴，然後在舞會上跳舞一樣。常常會有這種情況：一對舞伴中的男生也想跟其他女生跳舞，而一對舞伴中的女生也想和其他男生跳舞。因此，不同的舞伴之間可以相互交換成員。類似的，不同的原子之間也可以互相分享電子和原子核。這種情況下，不同的原子間會產生一種吸引力，這就是所謂的化學鍵。
給大家看一張圖。這就是兩個氫原子形成一個氫分子的示意圖。氫原子是由一個氫原子核和一個電子所組成的一對舞伴。當兩個氫原子足夠接近的時候，兩個氫原子中的電子就可以越界跑到對方的區域。這就像兩對舞伴，其中的兩個女生都可以去跟另外的男生跳舞。這樣，兩個氫原子由於化學鍵的吸引力緊緊地結合在一起，從而形成了一個氫分子。正是由於化學鍵的吸引力，物質才不會四處飛散，更不會突然爆炸了。
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