經(jīng)典的　“原子為什么沒塌”問題

你腳下的地板，你坐的椅子，為什么不會塌下去?

這個問題問得好怪呀，你也許會說。那么，我來解釋一下：我們都知道，地板也好，椅子也好，最終都是由原子組成的;而原子又是由原子核和核外電子組成的。原子核比起原子來，小得可憐。如果把原子比作一座體育館，那么原子核只相當(dāng)于一顆玻璃珠。所以，整個原子內(nèi)部其實是空蕩蕩的，全靠在核外運動的電子支撐著。

這一現(xiàn)象過去讓經(jīng)典物理學(xué)家非常困惑，因為按照他們的理解，做圓周運動的電荷是要發(fā)射電磁波，損失能量的。這一來，核外的電子遲早會能量耗盡，掉進原子核;于是，整個原子都“塌”下去。但這一切并沒有發(fā)生。

后來發(fā)展起來的量子物理學(xué)解答了這個難題。根據(jù)量子力學(xué)，在核外運動的電子，能量從低到高，占據(jù)著一條條軌道。在經(jīng)典物理學(xué)中，電子運動的軌道半徑可以隨意變化;但在量子物理學(xué)中，電子的軌道半徑只能取某些固定值;這意味著，電子的軌道是分立的、不連續(xù)的。電子在這些軌道上運動的時候，不發(fā)射電磁波，不會損失能量;只有當(dāng)它從一條能量高的軌道跳到能量低的軌道時，才發(fā)射電磁波，損失能量。

既然核外電子運動不會損失能量，原子自然也就不會塌下去。

量子版的　“原子為什么沒塌”問題

經(jīng)典物理學(xué)的“原子為什么沒塌”問題，就這樣被量子物理學(xué)回答了。但這個解釋自身還包含一個問題：像水流一樣，電子都有往能量低的地方跑的趨勢，那么處于能量更高、離核更遠的軌道上的電子，為什么不紛紛“跳”到能量最低、離核最近的軌道上去呢?這樣一來，原子不也還是要“塌”(雖然不是徹底塌)下去嗎?

這又是另一版本的“原子為什么沒塌”問題。這個問題還是量子理論自身解決的。原來，核外的電子不僅要遵循上述的量子規(guī)則，還要遵循另一條叫“泡利不相容原理”的量子規(guī)則。泡利不相容原理說，在一個系統(tǒng)中(如一個原子)兩個相同的粒子(如電子)不可以占據(jù)同一個量子態(tài)。

量子態(tài)就是粒子所處的量子狀態(tài)，類似經(jīng)典物理學(xué)中，以位置、速度來標(biāo)志的物體的運動狀態(tài)。具體到核外的電子，其量子態(tài)是以其軌道(或者叫軌道量子數(shù))和自旋來標(biāo)志的。而電子的自旋只有兩種：朝上或朝下(這里的“上下”不是一個空間概念，只是為方便起見借用的說法)。所以，根據(jù)泡利不相容原理，處于同一條軌道上的電子，為了避免處于同一個量子態(tài)，必須在自旋上有所區(qū)別，而電子的自旋只有“朝上”和“朝下”兩種。這意味著，同一條軌道最多只能被兩個電子占據(jù)。如此一來，當(dāng)靠近原子核的軌道已被電子占據(jù)的時候，離核遠的軌道上的電子想跳下去，就不可能了。它們就只好老老實實呆在遠處，為原子“守護疆土”。這樣，原子也就不會“塌”下去了。

這個道理就好比大家都是好學(xué)生，在一個階梯教室上課時，都想占據(jù)前排的座位。但是很遺憾，前排已經(jīng)被人占了，而學(xué)校又規(guī)定，一個座位只能坐一個人，不允許你坐在人家的腿上，或者疊羅漢坐在人家的肩上，所以你只好坐后面。在遵守學(xué)校規(guī)則的前提下，大家盡可能靠前坐，把前面的座位先坐滿。

由此看來，正是這個令人費解的“泡利不相容原理”，阻止了你的地板，你的椅子，甚至你本人塌下去。

對光透明的費米氣體

泡利不相容原理不僅適用于電子，還適用于包括電子在內(nèi)的一大類粒子。這類粒子叫“費米子”。費米子有一個共同點，即自旋量子數(shù)都是半整數(shù)(因為微觀粒子的自旋也是量子化的)。比如，電子的自旋量子數(shù)是1/2，其他自旋量子數(shù)是3/2、5/2、7/2……的粒子，也都屬于費米子。常見的質(zhì)子、中子都是費米子。相反，那些自旋量子數(shù)是整數(shù)(如0、1、2……)的粒子，叫玻色子。光子、希格斯粒子都是玻色子。玻色子不需要遵守泡利不相容原理。

現(xiàn)在，讓我們回到題目上來。這個30年前預(yù)言的量子效應(yīng)就跟泡利不相容原理有關(guān)。

對于一大群自由的費米子(所謂“自由”就是可以忽略相互間的作用)，當(dāng)溫度降得足夠低，所有粒子都停止運動之后，如果它們密密麻麻擠在一起，就意味著所有能級最低的量子態(tài)都被填滿，物質(zhì)的這種形式被稱為“費米?！薄Ｔ诖饲闆r下，粒子變得無法移動。

要獲得費米海，需要滿足苛刻的條件。首先，要保證粒子全部是費米子;其次，要達到高密度和超低溫。

現(xiàn)在，讓我們看一團費米氣體過渡到費米海時會發(fā)生的一個現(xiàn)象。假如這團由費米子組成的氣體，原先是“霧蒙蒙”、不透明的，當(dāng)溫度持續(xù)降低，你會發(fā)現(xiàn)，它逐漸變透明了!

這里的“透明”是什么意思呢?就是說，你朝它照射一束光，光可以沒有阻礙地穿透這團氣體，不會發(fā)生任何吸收、散射或反射。

動彈不得的費米海粒子

為什么會發(fā)生這個現(xiàn)象呢?這值得我們好好解釋一下。

平常光照射到物體上，一部分光要與物體的原子作用，由此偏離原來的傳播方向，造成所謂的吸收、反射和散射。光的能量和傳播方向被改變的同時，對原子也有反作用力，使得原子反沖，稍稍移動位置。

可是，當(dāng)光照射到處于費米海狀態(tài)的粒子時，假如粒子獲得來自光的反沖力，勢必要移動位置，但我們前面說了，費米海中相鄰的量子態(tài)都已經(jīng)被占滿，粒子是無法移動的，所以光的照射對它們沒有作用。換句話說，處于費米海狀態(tài)的粒子不會與光發(fā)生任何作用。這樣一來，光就可以無阻礙地穿越這團氣體。

這個量子效應(yīng)是30年前理論上預(yù)言的，最近被國際上三個研究小組同時觀察到了。三個小組都用了磁場設(shè)置的“陷阱”來將費米粒子捕捉到一起(創(chuàng)造高密度的條件)，然后冷卻到接近絕對零度。雖然每個小組各自使用了不同類型的原子(都是費米子)，但都觀察到了同樣的現(xiàn)象。作為對照，其中一個小組還把一群玻色子冷卻到相同的溫度，卻沒有觀察到類似的效應(yīng)。

科學(xué)家猜測，白矮星、中子星內(nèi)部的物質(zhì)就處于費米海狀態(tài)。這意味著，這些天體的內(nèi)部雖然非常密實，但對于光，又是極透明的，完全違反我們的直覺。不過，這里指的僅是其內(nèi)部，表面就不一定了。所以，這個猜測不容易驗證。

這項成果有一個潛在的應(yīng)用，即用于延長激發(fā)態(tài)原子的壽命。當(dāng)在低能量軌道還有空位時，有核外電子就占據(jù)了高能量軌道，這種原子叫激發(fā)態(tài)原子。激發(fā)態(tài)原子是不穩(wěn)定的，那個占據(jù)高能量軌道的電子，很快就會通過釋放光子，回到低能量軌道。這叫“退激發(fā)”。所以，激發(fā)態(tài)原子壽命極短，很難被研究。

但是，假如我們把一個激發(fā)態(tài)原子放到費米海中，情況就不一樣了。它要想釋放光子，回到低能量狀態(tài)，光子勢必要給它一個反沖，讓它移動位置，而根據(jù)泡利不相容原理，處在費米海中的粒子是無法動彈的。所以，退激發(fā)也就不會發(fā)生了。如此一來，就延長了它的壽命，允許科學(xué)家從容地研究它。