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原子结构像太阳系吗?科学家:其实更像黑洞 [复制链接]

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如果你在一个搜索引擎上搜索“原子结构”“太阳系”这两个词,一定会找到类似于“原子结构和太阳系竟如此相似”,甚至还有各种非常玄幻的标题,令人细思极恐。


其实,在刚接触原子结构的时候,的确有很多人会有这样的感慨,并且可以罗列出许多相似之处:

原子由原子核和电子构成,原子在中心,电子在周围绕原子运动,就像太阳系行星绕太阳公转;

原子核和电子所占的空间是整个原子的极小一部分,其他绝大部分是空的,太阳系内绝大部分空间也是没有任何天体;

电子有自旋,行星也在自转……

看起来,这个宇宙的确令人感到不可思议,没想到极其巨大的天体竟然和微观世界的粒子有如此高的相似性。但问题在于,真是如此吗?


大不相同
说真的,现在还坚持认为原子结构像太阳系的,都是上学没好好学的。因为在高中的时候,我们就知道卢瑟福的行星模型被推翻了,取而代之的是玻尔的电子云模型,这就要说到量子力学里的叠加态了。而对于叠加态,大家的误解也非常多。

此前就有人在网上发文章,说叠加态特别神奇,一个电子可以同时出现在这里,又出现在那里,相当于同时处于两个状态。

那么,量子力学里的叠加态,真是在说这种现象吗?

并不是。


(图片说明:行星模型不是目前最可靠的原子结构模型)
我们知道,微观粒子的属性有叠加态和本征态两种状态,当我们不观测它时,它处于叠加态,观测它时,它就会坍缩到某一种本征态。然而,叠加态绝非是不同的本征态简单罗列在一起那么简单,而是一种完全不同的状态。

举一个生活中常见的例子:假如天上有一片树叶在下落,一边下落一边摇摆,它的下方有一个小水坑,还有一块干燥的地面,还有一个垃圾桶,它落在水坑里或者地面上抑或垃圾桶中,就是它的三个本征态,但我们不可能说它在空中飘着的时候是既在水坑里又在地面上又在垃圾桶中。


对于粒子来说,也是如此。以电子为例,电子云只是告诉我们它可能出现在某个位置的概率有多大,而不是说它同时在所有的位置上。

说起来,也怪这些名词令人误解,毕竟刚开始研究这些问题的时候,科学家们也不是完全理解这些问题,所以难免用错误的理解方式和词语来形容量子力学,后来由于习惯一直延续下来。

通过上面的例子大家就会明白,尽管我们经常提到电子轨道,但它的运行模式和行星的轨道完全不是一个概念,或者说电子根本就没有所谓的轨道。


(图片说明:电子云模型是目前最可靠的原子结构模型)
相同的情况,也导致了另一个误解,那就是电子的自旋。自旋也是因为误解而留下来的一个名不符实的名词,如今也继续导致人们的误解。

所谓的自旋,绝不是自转,它是一种内禀属性,代表着电子的角动量,而这个角动量的方向可能是向上,也可能是向下,同样属于叠加态。大家也知道,处于叠加态的电子,绝不是自旋同时向上又向下的。

由此可见,所谓的原子结构像太阳系天体,其实根本站不住脚,几乎所有的论据都是可以轻易推翻的。


那么,宇宙中到底有没有天体像原子呢?还别说,真有,那就是黑洞。

黑洞和原子结构的惊人相似
说起来可能令人非常惊讶,但事实上的确如此。

三大属性

首先,对于一个电子来说,它有三个物理量非常重要,分别是质量、自旋和电荷。

对于黑洞来说,竟然也是一样的。在1973年的时候,霍金等人就提出了著名的“黑洞无毛定理”。该定理指出:当一个物质被黑洞吞噬后,它将会失去几乎一切信息,但唯独会保留三个物理量——质量、角动量和电荷。


质量和电荷自不必说,和电子是一样的。前面我们也提到过,电子的自旋其实就是它的内禀角动量,这也是和黑洞的另一个属性相同。也就是说,对于黑洞和电子来说,最重要的三个属性是相同的。

内部结构

其次,从结构上来说,黑洞也远比太阳系更像原子。

黑洞的奇点,就像是原子内部的原子核——是整个系统的中心,并且占据了绝大部分质量。而且,在黑洞周围有一个标量场,在这个标量场中,粒子的存在形式也更像是电子云,在某些特定的位置上,允许某些特定的粒子有概率出现在某个位置上,这看起来也有点像电子的叠加态。


黑洞“分子”

更加神奇的是,两个原子之间可以形成分子,通过共价键“共享”电子的方式结合在一起。而在宇宙中,也有双黑洞结构。令科学家们感到不可思议的是,双黑洞结构之间的相互作用,竟然也像是形成了一种黑洞“分子”一样。

两个黑洞分别有属于自己的标量场,而在双黑洞相互围绕着进行公转时,黑洞周围的微观粒子也会像分子中的共价键一样排布。


神奇吗?
的确,从黑洞和原子结构的这些属性上来看,二者之间的确有很多相似之处。但是,我们也要从科学的角度去理解,而不是用超自然现象和毫无科学根据的玄幻说法来耸人听闻。毕竟从本质上来讲,黑洞和原子的确还是有非常大的区别的。

随便举一个例子:原子核内部还是分质子和中子的,而黑洞的奇点中到底有什么,没有人知道。

至于黑洞为何会与原子有这么多的相似之处,也有很多种可能:可能只是个巧合,或者质量、角动量以及电荷本就是宇宙中最重要的三种属性……总之,我们本着科学的求知和客观态度,早晚会找到答案,而不是得到什么神话一般的结论。


当然,物理学家们也始终相信,并且始终追求的,就是宇宙一定有一种万有理论,能够解释所有的物理现象。也许,当我们找到这种万有理论时,黑洞和原子之间的相似之处,也将有一个确切而又完整的说法。
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