手绘墙画颜料:(二）都是电子惹的祸

都是电子惹的祸

物理大师费曼曾经说过：如果在某次灾难中，所有的科学知识都将毁灭，只有一句话能够传给下一代，那么怎样的说法才能以最少的词汇包含最多的信息呢？我相信那就是原子假说，即万物由原子组成，原子是一些小粒子，它们永不停息的四下运动，当它们分开一段小距离时彼此吸引，而被挤到一堆时则相互排斥。

宇宙万物都是由原子组成的，但是，当我们进入原子内部考察电子的运动规律时，却发现原子模型存在着三个致命的弱点。

1：原子是由居于原子中心的带正电的原子核和核外带负电的电子构成。由于异性电荷相吸，那么为什么质子和电子不会凑到一块来呢？

2：原子核中有若干个全部带着正电荷的质子，为什么它们不会相互推开呢？ 

3：是什么东西把带负电的电子保持在一起呢？

这也意味着，理论上是不可能存在由电子、质子、中子组成的原子，但是，这是不正确的，万物的确存在，原子也的确存在，而且是稳定的，有大量的实验事实和整个化学的支持。”（摘自《费曼物理》）

那么导致原子不能稳定存在的原因到底是什么？

1·1  引入“某某素”“某某子”

十七世纪以后，机械唯物主义战胜了神学，自然科学发生了一次巨大的飞跃，以牛顿为代表的一批科学家用观察和实验的方法研究自然现象，他们建立了以经典力学、热力学、统计物理学、经典电动力学为基础的一个完整、严密的经典物理学的理论体系。这个理论体系的建立、大大扩展了人类对客观世界物质结构及其运动规律的认识。在科学技术领域和哲学领域均产生了划时代的影响。

当时人们研究问题的方法，是迪卡尔奠定理论基础的分析方法：一般把事物分解成若干部分，然后抽象出最简单的因素来，再以部分的性质去说明复杂事物。由于受到唯物机械观的影响，当时人们在把自然科学分出去的时侯，不自觉的引入了一些“某某素”“某某子”，然后用这些性质各异的“物质粒子”去分别解释各类现象。

例如，在研究燃烧现象时，引入了一种物质“燃素”。 在研究热现象时，引入一种0质量的热物质“卡路里”。在分析摩擦起电现象时引入“电子”。在分析磁现象时寻找“磁极单子”。在研究光现象时，粒子说引入了“光粒子”，波动说引入了传递机械振动光波的媒介物质“以太”。

那么引入这些物质后，到底能不能帮助我们更好的了解大自然？大自然是否真的像人们猜测的那样客观存在这些物质？

现在我们已经了解到，引入“燃素”、“卡路里”虽然能够简易地解释当时发现的大部分燃烧现象、热现象，使人们相信它是正确的。但是，现代化学之父拉瓦锡在做金属的煅烧实验时，发现金属在煅烧后重量是增加的，而按照燃素说，燃烧后的灰烬应该比燃烧前要轻。在这种鲜明的事实面前，拉瓦锡毫不犹豫的拿起奥卡姆剃刀剃掉了“燃素”这种物质，提出了科学的燃烧学说-氧化学说。

1798年，英籍物理学家伦福德用钝钻头加工炮筒时，发现摩擦生的热是“取之不尽的”， “热质守恒”观点是错误的。于是伦福德果断的向0质量的热物质（卡路里）剪去；热是物质内部粒子运动的一种宏观表现，物质内部根本不存在热物质（卡路里）。伦福德的实验彻底摧毁了热质说，并为物理学的发展开辟了道路。

1905年3月，爱因斯坦根据著名的麦克尔逊、莫雷“以太漂流实验”否定了以太的存在。

1·2  摩擦起电的困惑

可以说电学是从研究摩擦起电现象开始的。18世纪中期，富兰克林经过分析和研究后提出；世界上有两种性质不同的电，一种为正电，另一种为负电。摩擦两个不同物体就会引起电子的转移，得到电子的物体带负电，而失去电子的物体显正电。

但是，如果富兰克林当时再做一个实验；同种材料进行相互摩擦会不会产生摩擦起电现象？相信他绝不会轻易做出以上结论。

现在让我们拿一些容易起电的同种材料进行相互摩擦，例如；用力掰断一根旧圆珠笔套，然后用这二截圆珠笔套相互摩擦，我们会发现两个摩擦表面能够出现带电现象。通过进一步的实验表明：两个表面所带电荷为同性电荷，并且有的材料摩擦可以带同性正电荷，有的摩擦后可以带同性负电荷。在排除了外界的影响(如通过其它导体导走电荷等)之后，实验仍能得到相同的结果。

实验表明同一种材料相互摩擦后，两个物体表面带同性电荷，这也表示同一种材料相互摩擦时，某一种电荷在两个物体的摩擦表面同时增加了。显然电子转移说遇到了与热质说完全相同的问题，它根本没有办法解释这一现象，而这一现象又是客观存在的。

1·3 我们发现了电子

1897年，汤姆逊通过阴极射线实验，第一个发现了“电子”。但是，汤姆逊测得的阴极射线粒子的荷质比平均值是1·3×10-11千克/库伦，而理论值却是0·56857×10-11千克/库伦，显然实验值和理论值相差很远。进百年来，不断有科学家重复汤姆逊的实验，实验表明汤姆逊当时的实验误差最高只能达百分之二十，而扣除这一因素，实验值和理论值仍相差很大。

现在出现了一个问题，如果我们通过汤姆逊实验发现了电子，那么它会导致我们的一些精密电磁实验的实验值和理论值不相符。为了解决这一问题，爱因斯坦提出“只要摒弃牛顿所确立的绝对空间和绝对时间的概念，一切困难都可以解决。”现在，一些精密电磁实验的实验值和理论值必须通过“洛伦兹变换”才能达到一致。

1·4 原子不能稳定存在的力学原因

在建立原子模型时，我们引入了二种电物质“电子”和“质子”，但是，根据电的同性相斥、异性相吸的性质，原子自然发展的趋势却是：同性粒子在斥力作用下将会自动分离，而异性粒子又是相吸的，这就造成同性粒子因斥力而分离，又因异性粒子的引力而聚合。同性粒子在引力、斥力双重作用下，将自动分离向着异性物质方向运动，其结果自然是异性粒子相互结合在一起而不再分离。

当我们想尽各种办法的把电一分为二，认为独立存在二种电性物质时，大自然以其不可阻挡的力量，使“二”重新结合成“一”。而要阻止大自然的这一趋势，我们不得不认为在质子之间存在一个比电力更为强大的“强作用力”。但是，由于“强作用力”不是来自于物质自身，因此我们目前仍不清楚其产生原因是什么、作用机理是什么。这也表示强作用力，目前它只是出于原子稳定需求，人为增加的一种动力。

为了阻止电子坠入原子核中，有人猜测：“原子必定有一种“稳定态”，在这种状态下，电子的运行轨道是稳定的，它不辐射光，也不会跌入原子核。”但是，处于“基态”的电子与原子核之间的异性电荷吸引力就会突然消失吗？

这个问题我们即躲不过去，也绕不过去，我们只能勇敢的正确面对。现在关键的问题真的不是讨论那一个“假说”更有希望解决原子稳定问题，而是应该考虑大自然是否真的存在一个由“电子”构成的原子。

如果大自然真的存在这样的原子，那么，我们一定能够建立一个稳定的原子模型。因为，大自然从来就没有欺骗过我们，相反，人的感觉、思想有时却会欺骗我们。

如果大自然根本就不存在这样的原子，那么，无论我们再怎么努力，我们“永远”也找不到解决原子稳定的办法。正如中国古代思想家早就指出的“孤阴不生、独阳不长”，只有一面的基本粒子是不可能独立存在的。只有一面的基本粒子不但不能构成万物，反而会导致万物不能稳定存在，阻碍我们客观、真实的认识大自然。

正如爱因斯坦在《物理学的进化》所说的：“······  某些自然之谜已经解决了，但是进一步研究之后，证明了其中有许多只是暂时的和表面上的解答，往往有一个理论看来似乎很圆满了，但是进一步来读它就发现它还是不适当的。新的情况出现了，它们跟旧的理论是相互矛盾的，或者不能用旧的理论解释它们。我们读得愈多，我们对这本书理解得就愈充分，虽然我们不断地往前迈进，但是圆满的解答却似乎不断地在向后退逃。”

不可否认的是，借助电子的帮忙，我们确实能够解释许许多多的自然现象，使人们相信它是正确的。但是进一步来读它，就发现它还是不适当的，在电子所涉及的所有领域都出现了这样那样的问题。新的情况出现了······

既然大自然的力量是让电子和质子结合在一起，那么我们为什么还要把它们分开？

既然大自然的力量是让电子和质子结合在一起，那么我们人类真的有能力把它们分开吗？

既然大自然的力量是让电子和质子结合在一起，那么我们为什么不能顺应大自然的这一趋势，认为二者原本就是同一物体的正反二面。

也许在顺应自然后，我们的理论会变得越来越自然。

也许在减去一些东西后，我们的理论会变得越来越简单。

也许离开电子的帮忙，我们反而能够更好的了解大自然。

也许没有了电子，经典电动力学理论反而变得更加牢固。