文 ｜李淼 （著名理論物理學(xué)家）

本文節(jié)選自李淼近期在博雅小學(xué)堂給孩子們開(kāi)的微課，《寶寶量子物理學(xué)家》系列書(shū)中的一小部分。長(zhǎng)按識(shí)別文末二維碼可收聽(tīng)完整講座音頻。

這本書(shū)非常簡(jiǎn)單，一頁(yè)紙只有一張圖和一句話(huà)，但同時(shí)它又非常復(fù)雜。

我們現(xiàn)在從這個(gè)《寶寶的量子物理學(xué)》第一冊(cè)第一頁(yè)開(kāi)始。

這張圖是一個(gè)球，這個(gè)球?qū)嶋H上代表了我們世界里面的任何一個(gè)物體，它可能是一塊石頭，也可以是一朵鮮花，就是說(shuō)這個(gè)球是一個(gè)特別簡(jiǎn)單的一個(gè)東西。

愛(ài)因斯坦說(shuō)過(guò)一句話(huà)非常重要，任何一個(gè)物體都有能量，而這個(gè)能量跟它的質(zhì)量有關(guān)，也就是能量跟質(zhì)量成正比。

第二張圖說(shuō)這個(gè)物體有能量。我們看到這個(gè)球是發(fā)光的，發(fā)光是給孩子們看的一個(gè)示范，不是說(shuō)這個(gè)球真的在發(fā)光，而是說(shuō)這個(gè)物體是有能量的。這個(gè)能量可能是它的質(zhì)量里面含的一些化學(xué)能，也可能是它這個(gè)質(zhì)量里面含著核能。煤氣爐燃燒的時(shí)候，它是在釋放化學(xué)能，就是分子原子在相互作用。

我給大家看一張煤氣燃燒的圖，我們看到火，這個(gè)火實(shí)際上是煤氣跟氧氣在發(fā)生相互作用，發(fā)出來(lái)的是一個(gè)化學(xué)能。這個(gè)火如果是紅色，就說(shuō)明它發(fā)出的能量比較低，如果藍(lán)的話(huà)，那么它發(fā)出的能量就比較多。我們?cè)倏匆幌绿?yáng)，太陽(yáng)發(fā)出來(lái)的是一個(gè)核能，這個(gè)能量更大。

接下來(lái)我們就看到第四張圖，這又是一個(gè)球，這個(gè)球是藍(lán)色的。為什么是藍(lán)色的呢？因?yàn)樽髡卟惶帽硎疽粋€(gè)球里面什么也沒(méi)有。第四張圖就是說(shuō)這個(gè)能量等于零，沒(méi)有能量。實(shí)際上就等于什么也沒(méi)有。那么當(dāng)一個(gè)物體里面什么也沒(méi)有，就是我們說(shuō)的真空。根據(jù)愛(ài)因斯坦的說(shuō)法，真空沒(méi)有能量。

物理學(xué)實(shí)際上有百分之五十就兩句話(huà)。第一句話(huà)我們剛才解釋了，就是愛(ài)因斯坦老爺爺告訴我們的，任何物體都有能量，這個(gè)能量跟質(zhì)量成正比。那么第二句話(huà)是什么呢？如果我們把一塊石頭打碎，或者說(shuō)我們用電子顯微鏡看一塊石頭，把它放大到一億倍，我們會(huì)看到什么？

如何放大一億倍的話(huà)，那我們看到的原子實(shí)際上已經(jīng)有一公分大小了。也就是像指甲蓋一樣大小的東西，這個(gè)東西實(shí)際上也是很空空蕩蕩的，在中間你看到就是有一個(gè)原子核。其實(shí)如果我們把原子放大到一億倍的時(shí)候，我們都看不到原子核。為什么呢，原子核還是太小，我們就可以看到有一個(gè)原子的空間。

這個(gè)空間幾乎是一個(gè)真空，中間是一個(gè)原子核，外面有很多很多電子在轉(zhuǎn)，這些電子幾乎看不見(jiàn)。

如果我們把原子再放大到一千億倍，原子核就變得有頭發(fā)那么粗細(xì)。那我們現(xiàn)在看看第六張圖，這第六張圖說(shuō)原子里面有中子。

然后我們?cè)倏吹谄邚垐D，就是原子核里面有兩種粒子，一種是中子，還有一種是質(zhì)子。那么這個(gè)是要把一個(gè)原子核要放大到一千億倍，我們才能勉強(qiáng)看到里面有東西，這些東西就是質(zhì)子和中子。

質(zhì)子和中子是什么？這本書(shū)沒(méi)有告訴我們，但其實(shí)質(zhì)子和中子實(shí)際上也沒(méi)有那么簡(jiǎn)單，物理學(xué)告訴我們質(zhì)子和中子其實(shí)里面還有三個(gè)夸克，夸克我們今天就不細(xì)講，我們就講的是整個(gè)原子核里面是由中子和質(zhì)子組成的。

在這個(gè)世界里，最最簡(jiǎn)單的原子就是氫原子，氫原子里面中間只有一個(gè)質(zhì)子，然后外面跑著一個(gè)電子。所以我們就看到第八頁(yè)。第八頁(yè)說(shuō)這個(gè)原子核里面除了中子和質(zhì)子以外，外面還有跑著電子，這些電子實(shí)際上也是很小的，即便把它放大到一億倍再放大到一千倍我們?nèi)庋垡彩强床坏降?，可是每個(gè)電子都有能量。

然后我們就看到第九頁(yè)，外面有很多電子，電子發(fā)光，實(shí)際這個(gè)發(fā)光的也是給小朋友一個(gè)示范，不是說(shuō)這個(gè)電子真在發(fā)光，只是說(shuō)電子像太陽(yáng)一樣也有它的能量。那么我們看看這些電子到底有多少能量？

翻到第十頁(yè)，第十頁(yè)告訴我們的是跑在最外面一層的電子能量最多。

第十一頁(yè)告訴我們，跑在最里面的電能量最少。

這是為什么呢？其實(shí)道理非常簡(jiǎn)單，這個(gè)道理就相當(dāng)于我給大家看一張圖。

一個(gè)人跳傘，他可以從一個(gè)很高的樓跳下來(lái)，身上背著一個(gè)降落傘。那么一個(gè)人跳傘的時(shí)候，他總是從最高的地方跳到最低的地方是吧，他不可能說(shuō)是跳傘了，然后越跳越高，對(duì)吧，這是不可能的。為什么一個(gè)人跳傘的時(shí)候會(huì)從高的地方落到低的地方呢？原因很簡(jiǎn)單，是一個(gè)能量的原理。就是說(shuō)低的地方能量比較低，我們通常是傾向于向能量低的地方走。電子也一樣，電子在原子核里面就是在外面那個(gè)電子能量最高，在里面那個(gè)電子能量最低，發(fā)現(xiàn)這個(gè)規(guī)律的是一個(gè)叫波爾德物理學(xué)家，是他告訴我們這個(gè)電子在原子里面不光有能量，還有速度。

這個(gè)速度有多快呢？比光速要慢一些。光速是每秒三十萬(wàn)公里，一秒鐘光能繞著地球跑七圈到八圈。電子大約是光速的一百分之一到一千分之一，這是什么意思呢？

如果是光速的一百分之一，那么它每秒就要跑三千公里，就相當(dāng)于從廣州到了北京了。

在外面那一層的這個(gè)電子跑的要慢一些，這個(gè)也是有道理的。就相當(dāng)于我們?cè)诘厍蛏戏判l(wèi)星，放的越高這個(gè)衛(wèi)星繞著地球跑的速度就越慢，電子在原子里面也一樣，它飛的高，速度可能是光速的一千分之一，飛的低一點(diǎn)，就是光速的一百分之一，幾乎在一秒鐘之間就從廣州跑到北京了。