聊一聊蟻人中相關的科學問題,不過還是想先強調一下,漫威系列其實並不算硬科幻,嚴格來說甚至都不算科幻,可以算玄幻,所以大家不用太過糾結裡面的一些原理,非要想知道到底能不能實現啊,具體怎麼實現,什麼時候能實現,如果真要強行解釋裡面的一些原理,我覺得只要每個人能夠自圓其說就行了,沒有所謂的對與錯,頂多是誰的解釋更合理一些,所以我說的也並不一定正確,只是想讓大家通過這些科幻作品,上了解一些現實中的科學知識,這也算是達到了啟蒙科普的目的吧,而且這種方式應該比純粹的科普,應該更有趣一些吧,好了言歸正傳,說到蟻人。
首先想到的就是它縮放自如的能力,電影中的這個能力,是通過皮姆粒子實現的,它是皮姆博士發現的一種,比原子還小的亞原子粒子,那它讓蟻人縮小的原理是什麼呢,壓縮分子甚至原子之間的間隔就不說了,壓縮分子甚至原子之間的間隔就不說了,這個是肯定的而且是最容易想到的,但是僅憑這個,應該還不足以把物體壓縮到影片裡那種程度,怎麼進一步壓縮呢,那就只能壓縮原子本身了,原子還可以被壓縮,確實可以而且有很大的可壓縮空間,具體來說這要從原子結構說起了,大家通常都會把原子結構看成是「行星模型」,大家通常都會把原子結構看成是「行星模型」,「太陽」就是原子核,「行星」就是圍繞原子核運動的電子。
整個「太陽系」就相當於一個原子,這個原子內部其實是非常空曠的,有多空曠,如果把地球看成一個原子,原子核也就是一棟樓的大小,電子就更小的可憐了,大概只有一個足球那麼大,這麼來看原子簡直就是一個「大氣泡」,有著相當大的壓縮空間,但是為什麼原子很難被壓縮呢,這裡涉及了「泡利不相容原理」,什麼是「泡利不相容原理」,它說的是不能有兩個或兩個以上的粒子,處於完全相同的狀態,就是說電子之間要保持足夠的安全距離,不允許同時存在於一個能級,如果用行星模型來比喻的話,你也可以簡單想像為。
就像地球和火星,不能同時處於同一軌道一樣,其實根據量子力學,這個行星模型是不準確的,首先,而是能級躍遷,比如從地球軌道上的某個位置,突然蹦到了火星軌道上的某個位置,其次,同時存在於所有能級的所有位置,就像雲一樣所以也叫「電子云」,所以更合理的模型應該是「雞蛋模型」,就是如果把原子看成一個雞蛋,原子核就是蛋黃,這個模型更接近於真實情況,真因為這個泡利不相容原理,所以在日常生活中,是無法把一個大物體,直接壓縮到極其微小的尺寸的。
但是在宇宙裡是存在這種現象的,就是恆星塌縮後的白矮星,可以看成一堆雞蛋放在一起,使勁一壓,結果雞蛋殼被壓碎了,各個蛋黃在一灘蛋清中流淌著,其實就是原子核漂浮在,一片電子海洋中的狀態,這可不是上次說的那個「狄拉克之海」,那個是帶負能量的電子，不是一回事,那個是帶負能量的電子不是一回事,由於軌道能級越低電子距離原子核越近,當物質被壓縮到極大密度時,引力會把電子和原子核,拉的很近很近,這個時候電子會把低能級的軌道全部填滿,而根據泡利不相容原理,每個軌道只能容納兩個自選方向相反的電子,你可以簡單理解為。
這些電子不能都擠在最近的那一個軌道上,它們只是把離原子核最近的幾個軌道佔滿了,這些相互靠近的電子,將產生一種新的排斥力,用來阻止物體進一步縮小,這個就是「電子簡併壓力」,俗稱「電子簡併力」,這個電子簡併力其實並不是一種力,你可以把它想像成,類似大氣壓一樣的東西,這個時候雖然物體已經縮小到很小了,但是物質結構還是正常的,因為原子核和電子各就其位,原子的結構還是完整的,這就是白矮星繼續塌縮的結果中子星,這個時候連之前電子和原子核,之間的空間都不存在了。
只剩下一個孤零零的原子核,一個挨一個地擠在一起,此時「中子簡併壓力」代替了「電子簡併壓力」,來阻止物質進一步塌縮,你可能想到了,好了現在再回看蟻人中的皮姆粒子,把人變小的原理,除了分子間和原子間間距,我目前認為有兩種可能,第一種可能,電子擠滿了靠近原子核的低能軌道,就像白矮星一樣,對蟻人來說這種可能性比較靠譜,至少物質的正常結構還在,只有一個地方不太合理就是,根據質量守恆,無論體積變大變小,質量不會變,所以變小後密度會變得很大。
那麼這麼大密度的蟻人別說騎著螞蟻跑了,應該會穿透各種物體,直接跌入地心吧,同樣對於變大後的蟻人來說,它的密度應該非常小,像電影裡一樣在水裡泡看,顯然也是不合理的,然後說第二種可能,電子被壓入原子核,物質的正常結構已經不存在了,就像中子星一樣,這種情下況蟻人的尺寸會比第一種更小,但是此時蟻人已經不是「人」了,因為組成人的物質的基本原子結構都不存在了,所以這種情況不大可能,無論哪種情況,都無法實現電影裡那種,把整個物體縮小到亞原子尺寸的可能,因為這個時候已經不叫蟻人了,好了蟻人中還有什麼相關的量子知識呢。