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第2章 星星点点（第2页）

原因很复杂

爱因斯坦在瑞典领取诺贝尔奖的时候，年轻的丹麦物理学家兼足球爱好者[4]尼尔斯·玻尔正在把量子论应用到整个原子上。

原子由几种粒子构成，包括聚集在原子核中心的质子，以及在原子核外、像蜜蜂绕着蜂巢一样嗡嗡飞行的电子。（原子核里也有中子，但当时尚未被发现。）

众所周知，发光原子发出的光，其值是该原子所特有的。例如，热铁发出的光与热镍发出的光频率不同，相反，当光照射在原子表面时，它们吸收不同颜色的光。以前这很难解释，因为人们认为光是一种平滑的波状物质。可是，一旦我们知道光有时由特定能量的粒子构成，就有可能解释它与物质的相互作用。光子能有特定的值，所以电子能也有特定的值。

在玻尔的量子论中，电子并不是围绕着原子核快速地随机移动的。相反，它们穿越无形的球面，且这些球面间隔的距离是特定的。玻尔把这些球面称为“电子壳层”，但很明显他应该称之为“玻尔比特”（1）。

玻尔设想的原子是一个三维的太阳系，这是人们至今还在绘制的原子图像。然而，电子和行星的区别在于，行星能够以它喜欢的任意距离绕太阳运行。引力在空间的每一点都起作用，并随着距离的增大而平稳地减小。所以只要以正确的速度避免被吸过去，行星就能够在任意轨道上运行。

但电子壳层不同。电子不能吸收任意的能量，因为能量被分割成特定的值（我们说电子壳层是量子化的）。

低能量的电子固定在靠近原子核的壳层上，但如果它吸收一个光子，就会获得推力，从而绕着更远的壳层轨道运行。假设壳层之间的距离是固定的，只允许一定能量的跃迁，那么就只有特定的光束能与特定的原子相互作用。

假设两个壳层之间的距离是20eV。如果电子吸收一个20eV的光子，它就能完美地跃迁，但如果我们向原子发射19eV的光子，就什么也不会发生。原子中不允许发生19eV的跃迁，因此光子会继续穿过，就好像原子不在那里一样。

这意味着两个壳层之间的电子不存在中间能量值。因此，当电子吸收一个光子并跃迁到更高的壳层时，它不会通过中间的“真空地带”。它显然是瞬间从内壳层跳到外壳层的，这就是所谓的“量子跃迁”。我并不是说电子在壳层之间瞬间移动……但看起来就是这样。

量子跃迁是指电子从一个壳层消失，出现在下一个壳层，并在这个过程中吸收一个光子（如果获得能量）或释放一个光子（如果失去能量）。具有讽刺意味的是，“量子跃迁”一词在日常生活中往往意味着巨大的变化，但它实际上指的是可能发生的最小改变。

玻尔不确定为什么电子在特定的能量轨道上运行，而且还产生量子跃迁。但这解释了他想要的东西，所以他把一堆想法混杂在一起，决定不要想太多。

从本质上讲，玻尔利用现有的物理概念做了一幅拼贴画，就像一个孩子从父母的日用织品柜偷布料，然后把它们粘在一起，形成了真实但丑陋的画面。而且，由于没有人能做得更好，所以所有人都接受了，并把它贴在自己的冰箱上。

玻尔这样回答

无论如何，量子跃迁的确解释了一些非常重要的事情。质子对其电子有吸引力，在我们前面看到的光电效应中，电子必须克服这种吸引力。我们把粒子的这种相互吸引的属性称为“电荷”，它有两种不同的形式，分别是正电荷（质子）和负电荷（电子）。带相同电荷的粒子相互排斥，就像磁铁的同名磁极一样；而带相反电荷的粒子相互吸引。

从本杰明·富兰克林和他的风筝-雷电实验开始，人们就知道了电荷（顺便说一句，这是个真实的实验，而不是什么都市传说）。[5]电荷究竟是什么，现在这个问题变得很复杂（我们将在第12章弄清楚）。但无论你知不知道是什么导致了电荷的复杂性，它都提出了一个很好的问题：如果电子携带的电荷与质子的相反并且吸引质子，那么为什么电子不会螺旋式地飞向原子核使原子萎缩？为什么原子不会灭亡？

玻尔的回答是，那将违背能量量子化的原理。靠近原子核的、最低壳层的电子，处于能量阶梯的最底层，它吸收任何能量值都不可能向内偏移。

一旦电子处于最低壳层，失去能量的唯一方法就是彻底摆脱能量阶梯，简单地说就是湮灭。电子可能拼命地想要往原子核移动，但能量量子化的原理比电荷吸引法则更深层、更本质。

电子之王

量子论刚开始在欧洲萌芽的那段时间，粒子物理领域无可争议的领袖是英国物理学家J。J。汤姆孙—他不仅指出电子带负电荷，还最早发现了电子。

今天，汤姆孙的骨灰被埋在艾萨克·牛顿旁边。在剑桥大学，物理系位于J。J。汤姆孙大道。哦，他还被授以爵位。他也获得了诺贝尔奖。他的六个学生也是如此。

但，是他发明了量子长裤吗？

发现电子及其性质是汤姆孙的至高荣耀。他利用电弧的偏转证明了电子的存在，并测量了电弧的重量。因为电有质量，所以它一定是由同样具有质量的粒子构成的。

汤姆孙于1897年4月30日宣布这一发现。几个人在讲座结束后跑来祝贺他成功愚弄了世人。[6]不可能有比原子更小的东西，对吧？

但毫无疑问，电子是真实存在的。最小的原子是氢原子，而电子的质量只比氢原子的两千分之一大点儿，但它仍然是真实的。汤姆孙最开始想要将其命名为“微粒”来纪念牛顿，而美国物理学家卡尔·安德森则想要称之为“负电子”[7]（我们都认为这是能想到的最好的名字），但“电子”这个名称取而代之。

汤姆孙有许多著名的学生，包括发现了原子核的欧内斯特·卢瑟福，以及指出电子必须在壳层轨道中绕原子核运行的尼尔斯·玻尔。

然而，在汤姆孙的学生里，有一个人的发现最具革命性：电子并非总是粒子，它们有时像光子一样具有波动性。J。J。汤姆孙的儿子乔治·汤姆孙发现了这一点。

光有时是粒子，有时是波，这一点令乔治很感兴趣，所以他决定看看电子是否具有同样的性质。

如果电子具有波动性，那它显然是很小的波，因此长期以来没有被探测到。为了在双缝实验中使电子衍射，乔治·汤姆孙需要一组很小的双缝（更小的波需要更小的间隔），这不是一件容易的事情。

为了解决这个问题，他找到了一些赛璐珞胶片，就像电影摄像机里使用的那种。之所以选择这种材质，是因为其中的原子按一定的间隔排列，就像原子尺度上的双缝，然后乔治发射了一束穿过它的电子。

果然，在双缝的另一侧，电子束分裂成斑马条纹，意味着电子必须像波一样相互干涉。（特别注意：实际上，在之前外村彰的实验中，他使用的粒子就是电子。但我觉得如果我在那时宣布电子是波，会引起大众的恐慌、骚乱和我们所知文明的终结，所以我撒谎了。）

人们都知道电子是一种粒子，原来它也可以像光波一样叠加和衍射。乔治因此获得了诺贝尔奖。

1908年，J。J。汤姆孙因为证明电子是粒子而获得诺贝尔奖；1937年，他的儿子又因为证明电子不是粒子而获得诺贝尔奖。这真是太有趣了。我喜欢想象汤姆孙家的圣诞晚餐有多么尴尬：J。J。汤姆孙和乔治·汤姆孙面对面坐着，两个人都面带愁容，他们戴着五颜六色的纸帽子，漫不经心地擦拭着自己的奖牌，汤姆孙夫人则局促不安地坐在他们中间。“亲爱的，你们谁想吃梅子布丁（2）吗？”

（1）　原文是“Bohrbits”，Bohr是玻尔的名字，bit是比特—二进制的单位，也可以理解成一个个点，本章标题“星星点点”的原文就是“BitsandPieces”。这里有一点调侃的意思。—译注

（2）　J。J。汤姆孙曾经提出一种原子模型，他认为在原子中，电子悬浮于均匀分布的带正电物质里，就像梅子散布在布丁里一样，因此也叫“梅子布丁模型”。这一模型后来被欧内斯特·卢瑟福推翻。—译注