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第3章 跃入原子世界(第2页,共2页)

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但那还是没告诉你电子到底长啥样,我最好还是老实说:在这个问题上那个缩微版的你可能要面对一点点的失望。没有可能描述一个电子的样子,因为这是由它所属的量子场所决定的。

电磁场无处不在,宇宙中的每一颗电子不仅属于其中,而且还与任何另一颗电子一模一样,无论那颗电子位于何处,处于何时。你可以任意交换两个电子,宇宙都不会有一丝一毫的改变。因为这个原因,也因为它们所表现的量子场,电子无法按照我们形容宏观物体的方式来形容。它们属于场的一部分。它们是场的一部分,就像巨大海洋里的一滴水,或者夜晚空气里的一阵风,你无法确切定位或分离那滴水或那阵风。只要你没有盯着它看,那滴水和那阵风就像是海洋本身,或者空气的流动。它们会混入一个比自身大很多的实体之中,它们没有个体自我这个概念。

在量子世界中,只要你开始观察,电子就变成具有某些特性的粒子,就像从海洋中取出的水滴,但它们的特性却又与你以前见过的东西都不一样。它们的行为超出你的预期——或者至少超出我们的感官依据我们在日常生活中的经验所预期的。

如果你知道电子在哪里,你就不可能知道它移动的速度:它的速度变得无法预测。这就是为什么你难以发现那个氢原子边上的电子。每次你看到它,它就开始胡乱移动,无法追踪,从你的视线中消失。

同样,如果你知道电子所带有的能量,你就不可能知道它能维持这种能量多久。

能量与时间,位置与速度,在量子世界的场中并不是互相独立的概念。在本书第六部分中你会了解更多,而现在,既然缩微版的你正第一次游历量子世界,你可以把它当成一次警告(或者剧透)。缩微版的你应该全盘接受,就像一个第一次发现世界的幼童:不带任何偏见。位置与速度无法同时知道?行。规则就是这样。量子规律允许幽灵般的跃迁和隧穿?好吧。随它。对于这一切,未来可能会有解释,也可能没有。

话虽然这么说,这个量子隧穿我第一次听到时也觉得是天方夜谭。有人告诉我,爱因斯坦有一次上完一堂量子物理学课时曾经对他的学生们说过:“如果你们理解了我所要告诉你们的事,那么显然我没有讲清楚。”所以如果你也觉得这些东西完全就像胡扯,很正常。大自然并不会生气。它只是在那里等着我们去发现,仅此而已。但这真的是真的吗?

好吧,有些人很看重量子隧穿,还想替它找到实际应用。难以置信的是,他们成功了。

大约三十年前,德国物理学家格尔德·宾宁(gerdbinnig)与瑞士物理学家海因里希·罗雷尔(heinrichrohrer)都在ibm的苏黎世分部工作,他们相信自己可以利用量子隧穿效应来扫描极小尺度上的物体表面,以观察该表面到底是什么样子。他们相信量子隧穿能让他们看到原子本身。

在正常情况下,如果没有别的更好去处,电子不会离开自己的原子瞎逛。在正常情况下,如果的确有地方可以去,那个地方也应该离原先的原子很近,不然它们也去不了。除非它们可以利用量子的力量隧穿过空间并越过阻碍。

宾宁和罗雷尔将一根极细的比针尖还尖的针连接到电流仪上扫描物体表面,却不让针尖碰到表面。针尖距离物体表面距离较远,他们不应该探测到任何信号,因为针尖与表面的距离已经超过了电子所能正常穿越的距离。

但他们的确探测到了电流,它们来自电子的跃迁。当针尖离材料表面的原子越近,它能探测到的跃迁就越多,电流也就越强。他们将这些电流标记成表,得到一个3d的表面图,在原子水平上,有着极为丰富的细节。他们造了一台显微镜,现在被称为“隧道扫描显微镜”。这台显微镜能够看到原子本身。它的精确度让人吃惊——介于氢原子直径的1%与10%之间。换句话说,如果氢原子有脚,隧道扫描显微镜能数出脚的个数,甚至脚趾的数目。

就像你在自家厨房里发现的金原子,在十年前就已被这种方式扫描过。今天隧道扫描显微镜被用来显示不同的原子如何混合在一起构成我们周围的各种物质,以及以前无法想象的人造物质。有了这种显微镜,工程师们具备了移动单个特定原子的能力。量子隧穿是真实的,并且已经有了实际应用。

因为成功设计了这种工具,宾宁和罗雷尔被授予一九八六年的诺贝尔物理学奖。

那些电子环绕在宇宙中所有原子的周围,它们都与你想抓住的那个长得一模一样。它们都很狡猾。尽管我们无法用我们日常生活中的语言来形容它们到底长什么样子,科学家们还是学会了接受它们奇特的行事方式。

发展至今的科学认为,电子并不由比它更小的粒子构成。与原子不同,它们没法再切开、分裂或打破。它们是电磁场的产物,是电磁场的一种表现。

因为电子就是自己本身,除了自己什么都不是,是电磁场最基础最本质的表现之一,所以它们被称为基本粒子。

与之相对比,早先出现在冰箱贴与冰箱之间从被压扁的命运中将你拯救出来的那些稍纵即逝的光珠,被称为虚拟粒子,这些虚拟粒子是各种作用力载流子。它们存在的意义就是为了携带电磁力,让它作用于带电荷或磁荷的粒子之间。

原子由更小的构件(如电子和那些构成原子核的东西)所构成,它们不是基本粒子,但它们由许多基本粒子构成。

电子并不是只通过虚光子与其他世界发生联系。它们也涉及实光子,那些你的眼睛能够看到的光线。物质与光的游戏让我们能够看到世界。

今天我们认为,实光子与电子一样,都是电磁场的基本表现,不由任何其他东西构成:它们是一个不可见海洋中纯粹的涟漪,而且是量子涟漪,意味着它们既能像波一样活动,也能像粒子一样活动。

一些光子正从你的氢原子身边冲刷而过。它们走了很久才到达这里。它们花了大约一百万年才挣扎着从太阳内核聚变处走到了太阳表面,那是大约八分半钟以前的事,在那里,它们终于获得了解放,毫无阻挡地穿过外太空,没有任何物质拦截它们,它们快速前行,以光速穿越了分隔太阳的狂暴表面与地球的一亿五千万公里的距离。它们有那么多地方可以去,却在一秒钟的很小一个分隔中撞入了地球的大气,再一路冲下来,到达……你的厨房窗口。从那里,已经没有什么能够阻挡它们。它们穿过窗子,掠过你的氢原子。

缩微版的你看着它们互相踩踏着涌入厨房,希望能看到它们撞到你的原子。但是它们都飞过你的原子撞到厨房的墙上。

只有一个除外。那个光子不见了。

消失了。

它去哪儿了?

你环顾四周,惊讶不已,最后你留意到你的氢原子外围那个捉摸不定的电子摇摆得不一样了。作为包围原子核的波,它的相邻波峰间距离变短了。

怎么会这样?

它被激发了。

它吞下了光子。

记得前些时候,在本书第二部分我们第一次看到的这个奇怪现象吗?当时我们正在确认宇宙第一原则。

但现在发生了一些更有趣的事情:过了一小会儿,那个电子突然以随机的方向分裂出一个光子,这个光子与刚才自己吞掉的那个消失的光子完全一样。

你花了一点时间思考,得出了唯一可能的结论:电磁场最出名的两种基本粒子,也就是电子和光子,可以也的确发生了相互作用。电子与光子可以互相转化。

你又思索了几分钟,意识到自己实际上早就知道这一点:当你沐浴在太阳光下时,不是能够感觉到温暖吗?面对冬天壁炉里熊熊燃烧的木头,你的皮肤不是会觉得发热吗?你的皮肤与世界上所有的物质一样,都由原子构成。这些原子的外层充满了电子。当来自太阳的光线照到你的皮肤,皮肤上的原子及其电子们会捕获一些光子,从而进入激发状态。在激发状态下,电子们摇摆得更快,于是产生了你身体所享受(或痛苦)的热量。

这是一个很惊人的发现,所以我再次重复:物质与光可以也的确在互相转化。

在我们这个世界,所有一切都是物质与光的游戏。

但不止于此。

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