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原子中電子和原子核之間是絕對的真空嗎?

先說答案,在原子里面電子和原子核之間不是絕對真空。因為宇宙中壓根沒有絕對真空。

從字面上理解,絕對真空就是絕對的什么也沒有的空間,有點類似于閔可夫斯基的純粹空間,下面從空間的概念實質(zhì)上先來闡明“什么也沒有并不是空間”的科學認識,排除絕對真空中純粹空間自身的存在;然后再從科學實踐中的“真空不空”來證明不存在絕對真空(物理意義上的)。最后再結(jié)合原子來回答原子空間不存在絕對真空的原因。

一無所有的空間是不存在的

空間給人空曠的感覺,它是看不見,摸不著的,是不能被人感到但可被人知道的存在,空間的主要特征就是“空”,“空”也是個物質(zhì),如果沒有空間,那連“空”也沒有。人們認為宇宙是有限的,常常說宇宙外面什么也沒有,有很多人就把空間理解為“什么也沒有”――絕對真空,把什么也沒有的宇宙之外理解為就是空間,認為宇宙存在于空間中,空間是一種先驗地幾何存在。這當然是錯誤的:空間的“空”不是什么也沒有,而恰恰是物質(zhì)的一種表現(xiàn),是一種物質(zhì)形式。宇宙之外的“什么也沒有”,意思就是連“空”也沒有,是真正地沒有,而空間不是如此。

實際上歷代先賢們就一再拒絕作“空間是一無所有的,卻具有物理意義”的假設,特別是“加速度”概念出現(xiàn)以后,因為加速度只能是相對于具有實際物理意義的空間。笛卡爾認為“一無所有的空間是不存在的”,愛因斯坦創(chuàng)立廣義相對論后,意識到笛卡爾的觀點基本上接近真理,他認為:一無所有的空間是不存在的,沒有場的空間是不存在的,時間和空間不能獨立存在,只能作為場的結(jié)構(gòu)性質(zhì)而存在,而場就是物質(zhì)。抽取走了場和物質(zhì)的閔可夫斯基的純粹空間是不存在的。好了,厘清了空間的概念才會很好地回答問題。

現(xiàn)代科學證明物理概念上的絕對真空不空,里面充滿了各種粒子,包括虛光子和能量。

真空是一個物理現(xiàn)象,指在給定的空間內(nèi)低于一個大氣壓的氣體狀態(tài)。真空是個相對概念,宇宙太空中空間真空度很高,但也不是沒有一點物質(zhì),每立方米含一個氫原子或分子。真空本來指沒有任何實物粒子存在的空間,但正如上面所說,什么都沒有的空間是不存在的,即絕對真空是不存在的。你把一個空間的氣體都趕跑,會發(fā)現(xiàn)經(jīng)常有基本粒子在真空中出現(xiàn)又消失,無中生有。


就像狄拉克認為的那樣,真空是個波動的能量海,當能量高時,轉(zhuǎn)化為一對對虛的正反電子,當能量低時,一對對虛的正反粒子相互湮滅轉(zhuǎn)化為能量(光子),量子力學認為真空就是一個量子場系統(tǒng)的基態(tài),即沒有任何場量子被激發(fā)的基態(tài),是能量最低的狀態(tài),從這些意義上說,真空不空,沒有絕對“真空”。

原子里面沒有絕對真空

咱們先來看看原子里面原子核和電子之間的空間有多大?原子核由質(zhì)子和中子組成,原子核的直徑在10^-15米到10^-14米之間,體積只占原子總體積的幾千億分之一,舉個不太恰當例子,如果把原子比作一個標準體育場,原子核就是一個小米粒。可見原子之中99.999……%是空隙,其中核外電子以率云的形式圍繞在原子核周圍,充滿了整個原子空間。有人說了,核外電子體積比起原子核又小的太多了,且只有幾個、幾十個、幾百個,怎么能占滿體育場?這是因為電子具有波粒二象性,電子沒有確定的軌道,整個原子空間可能都去。根據(jù)不確定性原理,不能同時確定它的速度和位置,只能用小黑點的疏密去形象表示空間各電子出現(xiàn)概率大小,這種圖形就是電子云。

從圖中看出,可以認為電子充滿了整個原子空間,另外按照波爾模型,原子空間是分能層的,有著實際物理意義上的空間結(jié)構(gòu)。

從這些物理意義上說,原子里面電子和原子核之間的“廣大”空間不是絕對真空。綜合上面對空間和真空實質(zhì)上的討論,原子里面電子和原子核之間絕不是絕對真空,不論是數(shù)學概念上的,還是物理概念上的。

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