给孩子讲量子力学

我们平常见到的很多物体都是稳定的。比如我们屁股下面坐的椅子，手中拿的手机，电脑的屏幕，在很长一段时间内都不会突然变形、走样或爆炸。这是为什么呢？ 这个问题一定会让你觉得莫名其妙。这有什么好问的？本来就应该如此啊！比如说，我们平常用的不锈钢汤勺和刀叉，拿在手里感觉很结实、很坚硬。我们觉得这理所当然，它们本来就应该坚硬。还有很多其他材料也很结实，例如比不锈钢更坚硬的材料——钻石。然而，我们很快会看到，这真的是一个烧脑的问题。 当然，很多材料没有不锈钢餐具和钻石这么坚硬，例如石头。石头也很坚硬，不论是大石头还是小石子，它们都不会突然变软，不会突然变小，更不会突然爆炸。还有比不锈钢和石头更不结实的东西，例如木头。但木头也不会突然变小，不会突然向内塌陷，也不会突然向外爆炸。 我们日常见到的不锈钢、钻石、石头、木头，它们都是固体。固体不会在一般压力之下变形，这是固体的性质。此外还有液体，比如我们日常生活里*需要的东西——水。一个人可以几天不吃饭，但是不能几天不喝水，几天不喝水人就会死掉。水这种东西也不会突然爆炸，不会从一杯水突然缩小到一滴水。水的大小，或者说体积，不会改变，这种性质跟固体是一样的。 还有比水更柔软的东西，就是空气。我们可以看到天上的云彩以及蓝色的东西，这蓝色的东西就是空气。空气之所以变成蓝色，是太阳光照到空气上面产生漫散射造成的，具体细节我们在这里就不讲了。蓝色空气是比水更加柔软的东西，物理学中把它叫作气体。气体同样不会突然变大，也不会突然变小。这种不会突然变大或变小的性质，叫作稳定性。 一个多世纪以前的物理学家就已经发现，不论是固体、液体还是气体，这些物质实际上是由更小的原子组成的。我们用显微镜看这些物体，特别是前面提到的不锈钢，就会看到不锈钢里面有很多原子，排成一列一行、非常规则的形状。但你会发现，在不锈钢原子之间存在很多空隙，也就是空白的区域。不锈钢原子和空白区域的尺寸差距有多大，待会儿我们会用一个形象的比喻来描述。你会看到与空白区域相比，不锈钢原子小得可怜。也就是说，两个原子之间的空隙非常大，大到不可思议。 这就产生了一个问题，如果把水杯放在桌子上，为什么水杯不会穿过桌子掉下去？我们已经知道，水杯和桌子都是由原子构成的，而桌子里的原子和原子之间存在很大的空隙，水杯的原子和原子之间也存在很大的空隙。那么，为什么组成水杯的原子不会从组成桌子的原子之间的空隙中掉下去？这是一般人平时完全没有思考过的问题。换句话说，尽管世上有很多物体，表面看好像很密实，中间没有任何空隙，但如果拿显微镜一看，你就会发现，其实这些物体内部绝大部分区域都是空的，而原子就悬空排在那里。但奇怪的是，这些物体依然能保持稳定，不会突然变大或变小。为什么会这样呢？这就是我们想问的问题。而这个问题的正确答案，就在我们这本书介绍的量子力学中。