原子内部除了原子核和电子,真的是什么都没有了吗?
对于原子内部电子与原子核之间的空间性质问题,答案并非真空。在宇宙中,我们不能找到任何一处完全的真空。
绝对真空的概念,如果从字面意思理解,就是指一个空间内没有任何物质的存在。这样的状态类似于物理学家闵可夫斯基所描述的纯粹空间。我们首先需要明确一点,即“不存在任何物质”的空间并非空无一物——科学上早已证明,不存在这样的绝对真空。科学实践中的“真空不空”现象表明,在物理意义上,绝对真空并不存在。接下来,我们将结合原子的特性,解释为何原子中的空间也非绝对真空。
不存在任何物质的空间
空间给人的感觉是空旷的,它不可见、不可触,虽然不能通过感觉器官感知,却可以被人类所认知。空间的显著特点是“空”,但这“空”本身也是一种存在。如果没有空间,那么连“空”也不复存在。人们常说宇宙是有边界的,边界之外一无所有。这种观点将空间理解为“空无一物”,即绝对真空,并误以为这就是空间的性质,认为宇宙存在于这样的空间中,空间则是先验的几何存在。然而,这种理解是错误的。空间的“空”并不意味着一无所有,而是代表了一种物质的存在形态,一种物质的表现。宇宙边界之外的“一无所有”意味着连“空”都不存在,而空间并不如此。
历史上的科学家们一直拒绝接受“空间是空无一物的,却具有物理意义”这一观点。尤其是在“加速度”这一概念出现后,因为加速度只能相对于具有实际物理意义的空间而存在。哲学家笛卡尔认为“不存在空无一物的空间”,而爱因斯坦在创立广义相对论后,也赞同笛卡尔的观点,他认为:没有物质的空间、没有场的空间以及时间和空间都不能独立存在,它们只能作为场的结构性质存在,而场就是物质。因此,闵可夫斯基的纯粹空间是不存在的。
现代科学证明,从物理概念上讲,绝对真空并非空无一物,而是充满了各种粒子,包括虚光子和能量。
真空是一个物理现象,通常指的是在一定空间内,气压低于一个大气压的状态。真空是一个相对概念,宇宙中的太空真空度极高,但其中并非完全没有物质存在。例如,在每立方米空间内可能有一个氢原子或分子。按照传统观念,真空指没有任何实物粒子的空间,但如前所述,这样的空间是不存在的,因此绝对真空也是不存在的。当我们试图将一个空间的气体全部移除时,我们会发现,基本粒子经常会在真空中突然出现又消失,仿佛无中生有。
根据狄拉克的理论,真空可以被视为一个波动的能量海。在高能量状态下,真空会转化为一对对虚的正反电子;而在低能量状态下,虚的正反粒子会相互湮灭,转化为能量(光子)。量子力学则认为真空是量子场系统的基态,即没有场量子被激发的状态,是能量最低的状态。从这些角度来看,真空并非空无一物,没有绝对的“真空”。
原子内部也并非绝对真空
原子的结构中,原子核与电子之间的空间究竟有多大?原子核由质子和中子构成,其直径介于10的-15次方米至10的-14次方米之间,在整个原子体积中仅占极小的一部分,我们可以用一个比喻来说明:如果将原子比作一个标准体育场,那么原子核就如同一粒小米。这就意味着,原子中的绝大部分是“空隙”,核外的电子以概率云的形式围绕在原子核四周,占据了整个原子的空间。尽管电子的体积远小于原子核,且数量有限,但由于电子具有波粒二象性,它们没有固定的运动轨迹,整个原子空间都有可能是它们的活动范围。根据不确定性原理,我们无法同时确定电子的速度和位置,只能通过电子云图像来表示电子在空间各处出现的概率大小。
从图像上我们可以看出,电子实际上占据了整个原子空间。按照波尔的原子模型,原子空间是分层的,具有实际的物理结构。
因此,从物理意义上讲,原子中电子与原子核之间的广阔空间并非是绝对真空。结合之前对空间和真空的讨论,我们可以确定,不论是从数学还是物理角度,原子内部都不存在绝对真空。