第一章 古典物理学之坍塌

原子的结构

1905—1908年之间,爱因斯坦和闵可夫斯基将一个根本的变革引入我们的时间与空间的观念。1911年卢瑟福在我们的物质概念里引入了自德谟克利特以来最为巨大的变革。奇怪的是,对这两种变革的接纳完全不同。时间和空间的新观念,在各方面都被看成是革命性的。有人以极大的热忱来欢迎它们,其他一些人则拼命地反对。物质的新概念则遵循科学发现的一般经验:它逐渐证实它的价值。当证据被完全确认后,它便迅速地取代以前的学说,学术界没有感受到大的冲击。但是现在,当我听到现代科学对布尔什维克主义的抗议和对旧秩序的哀挽时,我便不由得想到,卢瑟福而非爱因斯坦才是真正的始作俑者。当我们把固定的宇宙与我们通常所预想的宇宙相比较时,最为显著的变革并不是爱因斯坦的时间和空间的再认识,而是把我们所认为的一切实体使之瓦解,解离成飘荡在虚空里面的细点了。对于那些认为事物多少是如它们所显现给我们的人而言,这是一个突如其来的震动。近代物理学所揭示的原子内的虚空,比天文学所揭示的星际空间巨大的真空更令人震撼。

广告:个人专属 VPN,独立 IP,流量大,速度快,连接稳定,多机房切换,每月最低仅 5 美元

原子之疏松一如太阳系。假使我们消除人体中所有未被填充的空间,而把他的质子和电子聚结成为一个整体,那么人便要缩小到只有用放大镜才看得到的细点了。

这种物质的稀松性在原子理论中不曾预示过,确切地说,业已知道和空气相似的气体里,原子之间远远分开,留出大量空洞的空间。但这也只是预测,具有空气特性的东西在其中才会只有相当少量的物质,而“空无所有”通常都用来表示没有物质存在。在固体中,原子被紧密压缩接触,所以旧的原子理论同我们的预想相一致,把固体物质看成大部分是无多大空隙的实体。

发端于19世纪末的物质的电工理论起初也没有改变这一认识,虽知道阴电是很小容积内集中的单位电荷,但是物质的其他要素,即阳电,可比照原子同样大小绘制成胶质圆球,在里面还包含有细微的阴电荷,所以在一个固体里面的空间大部分是充实的。

但在1911年,卢瑟福表明,阳电也是要集中成细微的小点的,他的少量实验证明原子能够施加巨大的电场力。除非阳电荷作为一个高度集中的引力源,否则这种力是不可能的,它必须包括在与原子大小相比较还要细小得多的核里面。因此,第一次,原子的主体就完全成为真空了,原子的“太阳系”模型代替了实际的“棒球”模型。两年后,尼尔斯·玻尔基于卢瑟福的原子理论而发展了他的著名的理论。此后原子理论更是突飞猛进。未来无论原子的观念有多大变化,但要再回到旧的实体原子理论是不可想象的。

现在所接受的结论是:一切物质,最终都是由两种基本要素——质子和电子构成的。

从电性上看,质子和电子电性互斥,因为质子是一个阳电荷,而电子则是一个阴电荷,但在其他方面,它们的属性又差异巨大。质子质量是电子的1840倍,所以物质的绝大部分质量都是基于构成物质要素的质子。除了在氢气里面,找不出纯净的质子。氢气似乎是物质最原始的形态,氢原子包括一个质子和一个电子。在其他物质原子里面,多个质子和较少的电子结合在一起构成原子核。达到电性平衡要求的电子像原子核遥远的卫星一样散布着,这些电子甚至能够从原子逃逸而自由地穿过物质飘荡。一个电子的直径差不多为一个原子的直径的五万分之一,原子核的直径也大不了多少,一个孤立的质子还要小得多。

30年前,在以太拖曳问题上有过许多争论,即绕太阳运动的地球是否拖曳着以太一道行走。当时,原子的实体性是不成问题的,很难相信物质能够从以太中费力通过而不搅乱它。实验结果发现没有出现以太的对流,这是令人惊奇而困惑不解的事。但是我们现在证实,以太能够滑过原子,如同滑过太阳系一样容易,而我们的预想却全然指向了别的方向。

在稍后几章我们会再回到“太阳系”的原子,现在我们所关注的是两件事情:一是原子是极端空虚的;二是它是由电荷构成的。

卢瑟福的原子核理论常常不被看做是20世纪的一场科学革命,它是一个非常远大的发现,但却是一个落在物理学的古典的体系里面的发现。这一发现的本质和意义能够用平常的名词来表示,即可以用科学上早已流行的概念来说明。“革命性”的称号通常留给了两个近代伟大的进步——相对论和量子理论,这两个理论不但是有关世界内容的新发现,它们还包括了我们如何思考世界的变革。它们不能用平常的字眼表示,原因在于我们首先不得不掌握那些在旧的物理学体系中都不曾梦想过的新概念。

我并不确定“古典物理学”这一说法有严格定义,但普遍的观点是:牛顿在《原理》中所发展的自然规律的理论框架,为后世的理论发展提供了一个希望遵从的范式。在这一框架的四个角之内,出现认识上极大变革是可能的,光波说代替了粒子说,热从物质(热素)变成了动能,电从连续的流体变成以太里形变的核。但这在原系统的弹性范围中得到认可。波动、动能与形变在原系统中早已有各自的位置,将同样的概念用于说明更为广泛的现象,是对牛顿原始观点普适性的一个贡献。

现在我们来看古典物理学系统是如何坍塌的。