第八課
原子的故事——解讀原子的奧秘
主講人
《云里 · 物理》系列微課簡介
上節(jié)課我們學習了一些原子的基本知識，這節(jié)課我們將認識原子是由什么組成的，而且有沒有一些奇怪的、不同于我們所熟悉的原子的粒子。
原子的“身高”和“體重”
01
世界萬物由原子組成，那么原子有哪些基本性質(zhì)呢？
原子的性質(zhì)
原子有確定的大小，它的大小大概是一個?，也就是10-10米。這里說的是原子中電子軌道的大小，而不是原子核的大小——原子核的大小要比這個小得多得多。
原子有確定的質(zhì)量，也就是所謂的相對原子質(zhì)量。這里有一個簡單的規(guī)則：只要數(shù)一數(shù)原子里面有多少個質(zhì)子和中子，它的相對原子質(zhì)量就是多大，因為原子的質(zhì)量都集中在質(zhì)子和中子上面。比如碳有6個中子、6個質(zhì)子，那么它的相對原子質(zhì)量是12。
為了聯(lián)系微觀和宏觀，人們采用“阿伏加德羅常數(shù)”來聯(lián)系宏觀和微觀的質(zhì)量。阿伏加德羅常數(shù)也稱為一個摩爾的原子數(shù)，它大概是6×1023 個。也就是說，1摩爾的碳原子，它是多重呢？6×1023個碳原子，它的質(zhì)量是12克，那么單個原子的質(zhì)量也就很容易得出了。
原子有多少種類？如果按原子中的質(zhì)子的數(shù)目來分，大概有100多種——這就是我們所熟知的100多種元素；如果按照原子中的中子數(shù)再把它細分，大概有近千種——也就是幾百種不同元素的同位素。
原子另外一個很重要的性質(zhì)，就是會發(fā)光，而且會發(fā)出特定的光。
原子光譜
比如把一小粒食鹽放在火上去燒，我們很容易就看到黃色。這是因為食鹽中的鈉離子，它的特征發(fā)光能夠產(chǎn)生兩道明亮的黃線。不同的元素會發(fā)出不同的光，這樣我們不僅可以證實物體中這種原子的存在，而且可以明確地指出來它是哪種原子。就好比指紋，它可以用來鑒別物質(zhì)的成分。
數(shù)學形式的原子
02
根據(jù)原子發(fā)光的性質(zhì)，人們對原子的基本構成又有更深入的理解。這個方面的先驅(qū)是玻爾。玻爾在思考“原子為什么會發(fā)光”、“為什么會發(fā)特定的光”的時候，提出了所謂的玻爾原子模型。他認為原子之所以發(fā)光，是因為原子中的電子具有確定的軌道，電子在不同的軌道之間躍遷，就會發(fā)射出能量等于這兩個軌道能量差的光線來。
波爾原子模型
軌道能量的公式是
軌道半徑的公式是
它們都有非常確定的數(shù)學關系，這是玻爾的主要的貢獻。但是玻爾的原子模型仍然是比較粗略的，并不太精確，甚至有很多的問題。比如說“為什么電子就會待在確定的軌道上，而不會輻射電磁波，不會變得不穩(wěn)定”，玻爾并沒有解決這些問題。
進一步的發(fā)展建立在20年代，人們建立的量子力學的基礎之上。根據(jù)量子力學——現(xiàn)在我們所知的最精確的理論——我們能夠確切地了解每個原子周圍電子的分布情況。電子是按照軌道分布，而且一個軌道上有確定的能量、確定的動量、確定的數(shù)目，甚至還有一些特別的空間分布，比如說電子在原子周圍的分布。
量子力學模型
而了解原子的性質(zhì)，只需要通過量子力學的薛定諤方程。
薛定諤方程
這個方程雖然看起來復雜，但是它是可以計算求解的。所以有了量子力學，我們完全可以用數(shù)學的方式來理解原子的性質(zhì)，而且得到和實驗觀測非常一致的結論。這是當前對原子最重要的認識。
用數(shù)學的辦法來理解這些原子的性質(zhì)，就會產(chǎn)生我們所熟知的元素周期表。元素周期表是實驗規(guī)律的總結，但是因為現(xiàn)在對原子的性質(zhì)了解得如此透徹，我們完全可以用數(shù)學的方法來理解所有原子的性質(zhì)。用量子力學加上數(shù)學解法，我們可以知道元素周期表中每一個元素的性質(zhì)。
元素周期表
原子變身術
03
原子另外一方面的性質(zhì)就是它的穩(wěn)定性。小原子是非常穩(wěn)定的，但是當原子變大了之后，它也可以變得不太穩(wěn)定。比如說很重的鈾元素，它在一段時間內(nèi)會分裂成兩個原子——鋇和氪，同時產(chǎn)生一些中子。如果這些中子被別的原子核俘獲，就會引發(fā)別的原子核繼續(xù)分裂，產(chǎn)生更多的中子。所以一個原子分裂，導致其他原子分裂，最終導致更多的原子分裂，這就是鏈式反應，也就是核裂變。核裂變產(chǎn)生了原子彈 ，產(chǎn)生了原子反應堆，這種發(fā)電的新技術是我們能源的主要來源之一。
核裂變反應
核聚變反應
鏈式反應
除了核裂變，原子還可以通過碰撞來組合成更重的元素。比如氘核和氚核，它們都是氫的同位素，如果這兩個原子高速碰撞，它們就會產(chǎn)生一個氦原子核，同時也產(chǎn)生一個中子。這個過程當中有一部分質(zhì)量損失了，轉(zhuǎn)化成巨大的能量。核聚變也可以作為能源的來源，比如太陽中的能量都是來自于核聚變。但是人類和平利用這種聚變的能量的目標還沒有實現(xiàn)。
原子家族的怪物
04
除了由電子和質(zhì)子、中子組成的原子核，世界上其實還有一些其它的奇怪一點的原子。在這方面，大家都很熟悉的是所謂的反物質(zhì)的原子。原子核周圍有很多的電子，電子是帶負電的粒子，在平面電容器里面會偏轉(zhuǎn)。但是有一類電子，它不僅不帶負電，反而帶正電；它在平板電容器中會產(chǎn)生相反方向的偏轉(zhuǎn)。這就是所謂的正電子。
反物質(zhì)原子
正電子最初來自于英國科學家狄拉克的一個理論預言。他是在用量子力學來理解原子性質(zhì)的時候，發(fā)現(xiàn)必須有一種解——要產(chǎn)生帶正電的電子。他把這種電子叫做正電子，正電子后來在實驗上得到了證實。
如果一個正電子、一個反質(zhì)子和反中子組成一個新的原子，那這個原子就是反物質(zhì)的原子。反物質(zhì)的原子和正常的原子相比，它的外層是帶正電的，而原子核是帶負電的，這非常奇怪。就好比這個原子在照鏡子一樣，產(chǎn)生了相反的世界，它和正常的原子相遇會湮滅，放出巨大的能量。
除了這種由普通的電子和質(zhì)子組成的原子，還可以有別的原子。比如電子除了被正電子所替代，還可以由μ子來替代。μ子的性質(zhì)和電子的性質(zhì)非常相似，但是兩者靜止質(zhì)量相差210倍左右。也就是說，μ子圍繞質(zhì)子運轉(zhuǎn)形成的新的原子，它的大小會比正常的原子小很多。μ子也可以用在探測很多的物質(zhì)成分上，變得非常有用。
μ子原子
除了這些反物質(zhì)原子、μ子原子，可能還有一些更奇怪的原子，比如說我們都熟悉的中子星。中子可以認為是0號元素，因為它不帶任何的質(zhì)子。而整個星體全由中子組成，可以認為是一個巨大的原子核，它不帶任何正電，所以也不需要任何負電子，它本身就可以當成一個孤立的、單個的原子。這是一個非常奇怪的原子，在宇宙空間已被證實存在。
從原子到基本粒子
05
剛才提到不僅有電子、質(zhì)子、中子，還有些奇怪的粒子，比如說μ子和中微子等等這些稀奇古怪的粒子。但是這些粒子到底有多少？有哪些性質(zhì)？是怎么樣的？
過去的幾十年，人們獲得了大量關于粒子的知識，探測這些粒子通常是通過所謂的云室。一個盒子里面充滿了水蒸氣，這些粒子通過這些水蒸氣的時候，會產(chǎn)生氣泡。根據(jù)這些氣泡我們就可以判斷這些粒子的軌跡，從而可以推出這些粒子的帶電量、質(zhì)量等等基本的性質(zhì)。
云室
根據(jù)云室以及其他的一些手段，人們發(fā)現(xiàn)宇宙間奇怪的粒子太多了。除了μ子、中微子，還有τ粒子，還有各種強子、各種介子。
這些豐富多樣、各種各樣的粒子組成了一個巨大的家族。粗略來說可以分為兩大類，一類是玻色子，自旋的狀態(tài)為整數(shù)；另外一類稱為費米子，自旋狀態(tài)為半整數(shù)。玻色子包括光子、W粒子、Z粒子；費米子包含強子和輕子。輕子是類似于電子的粒子，它們的質(zhì)量可能與電子不太一樣，但是其他性質(zhì)都非常相似，比如說都帶一個負電荷；強子又分為重子和介子，介子一般是質(zhì)量比重子略小的粒子。
粒子家族
這些基本粒子有各式各樣的確定的性質(zhì)。比如不同的粒子，它們會有不同的確定的質(zhì)量，特定的電荷，特定的自旋。它們甚至有一些奇怪的性質(zhì)，比如所謂的宇稱。宇稱是指粒子內(nèi)部的空間分布以及同位旋、質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)等這些性質(zhì)。了解了這些粒子，我們就進入了所謂的亞原子的世界。
亞原子世界：
夸克的“色”與“味”
06
剛才已經(jīng)提到原子（比如碳原子）是由電子和原子核組成，原子核是由質(zhì)子和中子組成。那一個質(zhì)子是怎么組成的？
亞原子世界
一個質(zhì)子，人們認為是有三個小顆粒，這三個小顆粒稱為夸克，有時候也叫部分子。這些夸克之間通過一種相互作用的粒子——膠子——來聯(lián)系在一塊形成一個整體。夸克和電子的性質(zhì)比較類似，但是它帶的電荷是分數(shù)個電荷。三個夸克組合在一塊可能不帶電，也可能帶一個電荷。舉個例子：氦原子核。它的外層有兩個電子，但是原子核內(nèi)部是由兩個質(zhì)子和兩個中子組成，每個質(zhì)子和中子都是由三種夸克和很多的膠子構成。
夸克和膠子
我們發(fā)現(xiàn)夸克有非常特別、非常奇怪的性質(zhì)，它甚至可以有自己的顏色、自己的味道，以及其他一些特別的性質(zhì)。注意，這里面的顏色和味道只是人們形象的稱呼，并不是說真正的顏色。比如，組成中子的三個夸克一定是紅色、藍色和綠色，這樣的話它們組合在一塊才成為白色。這是指這三個夸克有不同的特性，這三個特性要組合在一塊形成一個穩(wěn)定的狀態(tài)，我們稱之為白色的狀態(tài)。
而不同的夸克的味是指不同的類型。比如有上夸克，有下夸克，還有頂夸克、底夸克等等。
這些夸克、電子、光子、膠子等等，組成了我們現(xiàn)在對這些基本粒子的認識；換而言之，這么豐富的基本粒子，它們的基本成分可能也是非常簡單的。大概分為這幾類：六種夸克 、三個輕子和三個輕子所對應的中微子。這是組成物質(zhì)世界的基本成分。
標準模型
同時還有一些傳播相互作用的粒子——玻色子，比如說W玻色子、Z玻色子。光子是最典型的傳播電磁作用的基本粒子，膠子是傳播強相互作用的基本粒子。
基本粒子中還有一個非常熱門的粒子，叫上帝粒子，前幾年引起了廣泛關注。所謂的上帝粒子就是希格斯粒子，而希格斯粒子又是什么呢？在宇宙誕生之初，能量非常高，所有的粒子在質(zhì)量分布上都是處于原點的附近，也就是處于不帶質(zhì)量的狀態(tài)。但是這些粒子隨著宇宙的冷卻，它們和希格斯場進行相互作用，在質(zhì)量分布譜上逐漸偏離了原點，產(chǎn)生了確定的質(zhì)量。換句話說，這些基本粒子之所以有確定的質(zhì)量，是因為和希格斯粒子有相互作用。希格斯粒子改變了它們存在狀態(tài)，產(chǎn)生了質(zhì)量——這也是宇宙中質(zhì)量的來源。
上帝粒子：希格斯(Higgs)粒子
“行跡不明”的粒子們
07
這些都是確定存在的粒子，除了這些還有什么粒子呢？還有一些人們現(xiàn)在還不能確認的粒子，比如前兩年比較熱門的引力波。引力波人們已經(jīng)探測出來，是兩個黑洞或者是兩個天體運動的時候產(chǎn)生的空間的一種扭曲，這種扭曲我們能夠直接探測，從而確認引力波的存在。
但是按照量子力學，一切波都應該是由粒子組成的。那么和引力波對應的引力子存在不存在，現(xiàn)在我們并不知道。所以引力子是不是一個真實的粒子，現(xiàn)在還沒有答案。
引力波和引力子
還有一些所謂的天使粒子，也就是馬約拉納粒子，它是指一個粒子既是正物質(zhì)又是反物質(zhì)，是正物質(zhì)和反物質(zhì)的天然的組合，好比天使和魔鬼都組合在一塊兒，所以被稱為天使粒子。
天使粒子
另外一種粒子就是所謂的磁單極子。我們知道單個電荷——正電荷、負電荷——是存在的。而一個磁鐵，它有磁北極、磁南極；單個的磁北極、磁南極能不能存在，在現(xiàn)實生活中我們并沒有發(fā)現(xiàn)。但是原則上或者是理論上，它可以存在，但是為什么探測不到，不得而知。
磁單極子
還有一種粒子就是所謂的軸子，它是一種特殊的光子，和光子類似。目前的電磁波都是橫波，它是由普通的光子作為媒介。如果有軸子所媒介的電磁波的話，電磁波就不一定是橫波了，它可以有縱波的形式，這也非常奇怪。但是軸子是不是存在，人們并不知道。
軸子
由演而生的準粒子
08
除了這些粒子，還有一類粒子我們稱之為準粒子，或者說是一種生成的、演生出來的粒子這種概念。它是怎么回事？回想一下我們很熟悉的游戲——多米諾骨牌。多米諾骨牌是由一個個的小骨牌或小方塊擺在一塊組成，如果我們壓倒開頭的一個骨牌，它就會像波一樣壓倒后面的骨牌產(chǎn)生一個波紋，這個波紋可以看作是一個粒子的運動。也就是說這個波浪本身就像一個粒子的行為，但實際上它并不是由某一個骨牌組成的，而是這些骨牌集體運動所產(chǎn)生的行為，這一類的粒子我們稱為準粒子。
多米諾骨牌
最常見的準粒子存在固體中。固體里面有原子存在，而原子會振動。如果原子的振動按照特定的模式，它就可以產(chǎn)生一個像波的東西，這個波的行為可以用粒子來描述，一般稱為聲子，它是一種典型的準粒子。
聲子
還有在超導體和拓撲的材料組成的界面上，有一些粒子的行為既是正粒子又是反粒子，就組成了所謂的馬約拉納粒子，它也是一種準粒子。
馬約拉納零能模
還有在固體里面，我們看到有一些特殊的準粒子，它對應的所有的磁的狀態(tài)，都是指向它自己，或者是全從它自己指向外面——這非常類似于磁單極的概念——這種叫做外爾手性粒子。
外爾費米子
是點還是線——
這是一個問題
09
，
那么一個重要的問題是，這些基本的粒子，比如說電子、夸克，有沒有結構？它又是由什么東西組成的呢？最新的觀念認為，這些基本的粒子可能也是有結構的，這個結構也許不是以點粒子的狀態(tài)存在的，而是以一維的弦的狀態(tài)存在。
也就是說，宇宙空間在很小很小的尺度上充滿了很小很小的線。這些線有不同的運動方式，這些運動方式就對應于不同的粒子。用這種觀點，人們可以把所有基本粒子的性質(zhì)和它們的狀態(tài)都統(tǒng)一理解——這就是所謂的弦理論。
弦理論
人們甚至可以更進一步地認識到，這些弦代表著某種狀態(tài)，這些狀態(tài)的信息就對應于這些弦不同的激發(fā)，這些不同的激發(fā)才產(chǎn)生了所謂的粒子，產(chǎn)生了現(xiàn)在的物質(zhì)世界。這些弦的狀態(tài)或者弦的信息量決定了我們這個世界物質(zhì)的存在，也就是信息導致了物質(zhì)世界。這個聽起來有點像唯心的觀點，但是實際上有非常深刻的道理。至于這個弦理論是不是真實的描述現(xiàn)在的世界的理論，人們并不知道，所以仍然是一個假想狀態(tài)的理論。
關于基本粒子是怎么組成的，還有另外一派的觀點。這一類的觀點是，基本粒子不一定由更小的粒子組成，而是有可能是由更大的粒子集體運動、集體合作產(chǎn)生的——也就是生成的，并不是小的組元構成的。
人們在80年代發(fā)現(xiàn)了所謂的分數(shù)量子霍爾效應。分數(shù)霍爾效應是指對在平面內(nèi)運動的粒子，我們測量它的電阻，如果這個粒子帶有一個電荷，那么電阻就是一個平臺；如果它帶有兩個電荷，電阻就會是更小的平臺。
分數(shù)量子霍爾效應
但是除了這些整數(shù)的平臺之外，人們還發(fā)現(xiàn)了2/3 、1/3甚至其他比例的平臺。根據(jù)同樣的推測，人們可以假定，組成這些電流的粒子就應該帶有分數(shù)電荷，比如說1/3個電子的電荷、2/3個電子的電荷，帶這些電荷的粒子就特別像一個夸克了。也就是說，夸克這樣的基本粒子，有可能是大量的粒子組合起來生成的——這就是所謂的基本粒子可能是演生出來的，可能是更大范圍內(nèi)的物質(zhì)成分組合出來的。
“一粒沙中見世界”
10
剛才講的形形色色的存在和可能存在的粒子，是不是構成這個世界的全部？其實不是的。剛才提到的這些粒子，充其量只能組成我們世界5%的成分，也就是5%的可見成分。
那么其他的成分還有什么呢？它包括27%的所謂的暗物質(zhì)，即現(xiàn)在還沒法感知、沒法探測的粒子。除了暗物質(zhì)之外，還有一些可能不以物質(zhì)確定狀態(tài)存在的所謂的暗能量，它占了宇宙68%的成分。
暗物質(zhì)和暗能量
那么人們怎么知道這些暗物質(zhì)和暗能量的存在呢？這是通過一些理論結合實驗觀測分析得到的。比如根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，我們知道光線碰到大質(zhì)量的天體會彎折。如果我們在宇宙中看到有一片區(qū)域光線彎折了，但是那個區(qū)域并沒有任何熟悉的已知的可見物質(zhì)，那么這個區(qū)域里面到底是什么東西導致了光線的彎折？可能就是現(xiàn)在還沒探測到的所謂的暗物質(zhì)。
那么暗物質(zhì)到底是由什么組成的？現(xiàn)在人們對此并沒有任何的了解。它可能是軸子組成的，也可能是引力子對應的費米子組成的，也可能是中微子對應的玻色型的中微子組成的，甚至是一些假想的弱相互作用的粒子。確切的暗物質(zhì)到底是什么，人們并不知道，這現(xiàn)在還是科學研究的前沿。
由于這些知識，人們提出了關于這個世界的一種貪吃蛇的理念。貪吃蛇是古埃及神話中的一個傳說的動物，它是咬著自己尾巴的一條蛇，叫Ouroboros，或者說咬尾蛇。這個蛇聯(lián)系了極大和極小的物質(zhì)世界。
貪吃蛇
電子非常穩(wěn)定，電子又非常小，它的內(nèi)部結構人們并不知道。如果想探測這個電子是由什么組成的，可能需要巨大的能量才能把這個電子打開，從而探知它的內(nèi)部結構。但是巨大的能量有可能會產(chǎn)生一個大爆炸，產(chǎn)生一個新的宇宙，甚至產(chǎn)生了星系、天體、周圍的物質(zhì)。所以為了探測這種極小的物質(zhì)，也許我們不得不了解這些極大的物質(zhì)。或者說，為了了解整個宇宙的秘密，也許我們需要知道一個電子它的內(nèi)部到底由什么組成的、到底是不是弦。
極大和極小以這樣一種神奇的方式聯(lián)系在一塊兒，物質(zhì)世界就是這種極大和極小相互關聯(lián)的所組成的世界。這是一種非常神奇的、非常有啟發(fā)性的觀點。
總結一下：世界萬物都是原子組成的，這是一個非常重要、非常核心的觀念；而這些原子有確定的結構，原子是由基本粒子——比如電子、甚至原子核里面的夸克和膠子——組成的；這些基本的粒子，可能不是由更小的粒子構成，而是由更大的結構集體運動所生成的。這些生成的所謂的準粒子和真實存在的這些粒子，到底哪個更真實，這是一個有趣的問題。
現(xiàn)在了解了這些知識，我們再看一看周圍的世界。比如課桌，我們知道它是由一個個的原子所組成的。這些原子有內(nèi)部的原子核和電子結構，但是這些結構有沒有可能像梵高的《星空》這幅畫所展示的那樣，這些星星實際上是由漩渦組成的，這些漩渦反而是更基層的、更真實的存在？這些漩渦的運動導致了我們可見的星星。是不是這樣一個道理呢？
《星空》
通過這兩節(jié)課的學習，大家是不是覺得周邊的物質(zhì)世界非常的神奇呢？大家了解了原子的知識，是不是再看一看周圍的物體，眼光會有所不一樣呢？
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