世界什么样(7)

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让我们回到现实世界,只顾眼前周围物质的演变。物质的定义是占有空间位置、有质量的实体。宇宙中的物质是不可分割的,但为了描述,我们只得定义一个观测的系统,把某个对象与其周围的世界区分开来。

物质永远在变,而化学正是关于变化的科学:现像的描述基于实验,原因的解释只深入到元素层面。化学把变化的类型归纳为四种:合成、分解、置换(重组)和燃烧,原因是力和能量(物理),过程的描述则需要数学。

什么是元素?就是用化学方法不能再分割为更小单位的东西;现在我们已知120种元素。什么是化学方法?混合:让分子碰撞,使其改变结构,形成新的物质;还可以加热、加催化剂、加熔剂,用酸腐蚀,用电击,。。。,唯有原子不变。

什么是原子?本意是不可再分割的东西;可是,物理学家们有更厉害的招数,可以把原子打碎:用高速粒子去撞!撞出了质子和中子。在微小的原子核里,原来还有许多其他的亚原子粒子,是强核力把它们凝结在一起,尽管质子带正电而相斥。强核力的携带者是胶子。在原子核的周围,则是电磁力(光子是携带者)控制的轻子世界。

化学家们说,解释物质的化学性质,有质子、中子和电子就够了。确实,从可观测的意义上说,人们也只能做到这一步。离子的形成、原子结合成分子,可以用外层电子的数量来解释;物质的稳定性,可以用电子层满、结合能量的大小来解释;化学反应可以用电子的转移、能量的转换来解释。只是化学键也得分三种:共价键、离子键、极性键,共价就是两个原子共享电子对,离子键则是电子发生了转移,极性键则是介于二者之间,电子对发生了偏移。偏移了多少?电子对活动的公共区域是什么样的?这些都还没有定量的描述。

一个原子集结了一定数量的质子和电子,这个数量是由质子间的质量(强核力就是夸克之间的引力)确定的。质子其实就是原子里的黑洞,当它吞下一个电子后,就成为一个中子,一个中性质量的体现者。从最简单的氢原子(一个质子+一个电子)到120多个质子的未名元素,就是强核力作用的范围。我列出的强核力的计算式子,证明了这一点。

电子是另一种电量(负)的携带者,而电量只不过是动因的另一个名称。与其说是质子吸引了电子,不如说是电子俘获了质子以达成中性,因为除了被囚在一个原子里的电子,更多的则是自由电子。电子没有内部结构,却可以吸放光子,产生电磁力。诸多电子在极其微小的空间里,以高速(光速的百分之一)运动,其运动轨迹是可以描述的吗?

Bohr的行星模型太过于简单,电子的轨道根本不可能固定不变。那么把电子轨道换成电子云,总可以了吧?可模糊的一片,不是在蒙人吧?

量子场论说,只能用概率来描述粒子的状态。一个电子处于某个区域的概率如何计算?按理先得知道它运动的规律,而运动的原因是外力、能量和意向,我们只从描述其能量着手。任何物体都具有动能、势能和动量,按照能量守恒(与时间无关)定律,其总量是一个常数值(与时间无关);Schrödinger 方程说,一个物体的能量总和与其状态函数(复数)的时间变化率成正比,而比例系数为纯虚数!Max Born更是发现,Schrödinger 的状态函数(又称波函数)正是计算电子概率密度的工具。遗憾的是,此状态函数没有一个明确的形式。

微小的粒子总是同时具有波的性质,电子其实是一个驻波(波形无法前进,无法传播能量),其状态函数应当包含波动方程;电子也是一个能量的载体,其状态函数也应当包含热扩散方程;此外还要考虑物体自旋的能量和角动量,外力的影响。

从功能原理出发,结合物体量变的规律,我们很容易列出任何系统的运动方程。以前有人说,有那么一个方程,能够包含系统的所有信息,我还不信,现在我自己把它列出来了!有此方程,爱因斯坦和Schrödinger 方程都只是特例。

据此,我们可以定义电子出现在某一空间区域的概率,定义带电粒子的负电性,解释粒子碰撞、结合的规律,阐明化学反应的机制,明了物质的宏观性质。只是,要明了物质的本质,我们还要深入到原子核内部去,这是化学的根基、粒子物理学的任务,也正是我的下篇文章要叙述的。

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