任何一個原子放大,裡面都有一個星球,住著智慧生物,是這樣嗎?

2020-10-18 星辰大海種花家

「一花一世界,一葉一菩提」,這佛語出自《華嚴經》,也是佛經中對世界本質的認知!隨著二十世紀初對原子內部的認識,每一個原子內部都是一個小的「行星系」,因此也有人據此認為佛教早就洞察了宇宙的本源,那麼將原子無限放大,真會看到一個我們這樣的世界嗎?

原子內部的「行星世界」

人類對原子的認識源自兩千多年前的古希臘的德謨克利特時代,他仔細探討了物質結構的問題,提出了原子論的思想,但當時的原子論僅僅是一種哲學思想!真正的原子認識要到19世紀初的道爾頓提出原子論來解釋化學反應中的現象,當然道爾頓也只是知其然不知所以然!

JJ湯姆遜發現電子是一個巨大的進步,根據我們現在了解的原子行星模型理論,這已經發現行星了!那什麼時候發現太陽呢?要到1909年盧瑟福的學生在做α粒子散射實驗,發現α粒子絕大部分都「穿牆而過」,只有極小一部分被擋了回來,因此發現了原子核,這就是太陽所在!

此後盧瑟福提出了那個著名的原子行星模型理論,不過很快就遭到了科學界的反對,因為電子帶負電荷,而原子核帶正電荷,如果真的存在這樣的模型,那麼電子會在瞬間墜入原子核,原子結構崩潰!因為電子和質子中和後變成中子,然後15分鐘左右後中子又將衰變(質子要到1920年被盧瑟福發現,中子要到1932年才被查德威克發現)。

量子力學下的原子模型

從盧瑟福發現原子核之後提出原子行星模型開始,量子力學也開始發展了,普朗克在更早一些時候因為解釋黑體輻射而提出了最小能量子的概念,愛因斯坦則光電效應解釋,此後的量子力學發展,就圍繞著原子核外電子的性質展開!

  1. 泡利在1925年提出了泡利不相容原理,避免了電子墜入原子核造成世界毀滅!

  2. 1925年,艾倫費斯特的兩個學生烏侖貝克和古德施密特和德國物理學家拉爾夫·克勒尼希一起發現電子自旋,如果把電子當成行星的話,自轉也發現了,不過電子是非常特殊的1/2自旋,也就是轉兩圈才能看到同一面!

  3. 1927年海森堡在《論量子理論運動學與力學的物理內涵》論文中提出了不確定性原理,也就是電子的位置和動量不可能同時獲知!

根據薛丁格方程,電子不僅具有不確定性原理,出現的方式還是概率雲模式,也就是說電子會在它的能級上隨機出現在任何位置,所以想要確認電子的位置不可能,只能確定它出現概率,比如我們只能知道它在這個位置上出現的概率是90%,即使99%它仍然是概率,不可能100%。

電子出現的方式

如果原子是一個微觀版的行星系,那麼行星具有哪些特性?

早期的原子模型都是盧瑟福的原子行星模型,中心是一個原子核,外圍是環繞原子核的電子,非常直觀,連小孩子一看都能理解,在八十年代國內出版的科普刊物中都是這樣的描述,但它已經完成了歷史使命,現在的原子模型是薛丁格的電子云模型!

假如把電子當成行星,那麼它有哪些特性?

電子是第一個發現的基本粒子,它已經無法再分,如果把它當成行星,那麼將會有很多有趣的性質,比如我們這個宇宙的能量釋放形式,大都是通過電子的能級躍遷和跌落進行的能量釋放,而且這個能量的釋放是電子能級的整數倍出現的!

簡單的說比如地球會在自己的軌道上吸收能量後突然跑到火星軌道上,然後那個軌道不穩定,又會跌落回自己的軌道上,並且釋放出一個光子!

還有一個特性則是它的不確定性原理和電子云模式,比如地球上要發射一個探測器到火星,那麼它只能出去,再也無法回來,因為出去後再也無法確定電子的位置在哪裡,速度如何同步?因為這兩個無法同時獲知,而且即使確定了位置,也只是一個概率,因此1969年阿姆斯特朗登上月球,要返回地球時候,再也找不到地球了,因為整個地球軌道上都是概率模式出現的地球!

當然還有個奇怪的現象,比如飛船好不容易返回了地球的軌道,要濺落大西洋,但這軌道如何計算?因為1/2自旋要自轉兩圈才能看到一次大西洋,這是什麼鬼?估計阿姆斯特朗就懵逼了!

所以微觀和宏觀是無法等同的,因為這是兩個完全不同規律的世界!

延伸閱讀:劉慈欣的《微觀盡頭》

《微觀盡頭》是劉慈欣發表在1999年6月第6期《科幻世界》上的一個短篇,儘管字數不多,但揭示了一個輪迴的宇宙,大意說的是 人類製造了一個150千米周長的加速器,將粒子加速到了10^20GeV,試圖擊碎夸克,結果奇怪的事情發生了,天空變成了乳白色,星星則成了小黑點,宇宙反轉成了負片!

走到微觀盡頭時,就會回到宏觀,擊碎了人類發現的、組成物質的最小基本單位費米子夸克,其力量將會反作用到最大的結構宇宙上!

當然這只是一個大劉在科幻小說中的描述,不得不說這是一個非常具有開創性的思維,但它卻無法用來指導科學研究,微觀就是微觀,它可以影響宏觀,但它卻不會和宏觀形成循環!

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