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文 ｜李淼 （著名理论物理学家）
本文节选自李淼近期在博雅小学堂给孩子们开的微课，《宝宝量子物理学家》系列书中的一小部分。长按识别文末二维码可收听完整讲座音频。
这本书非常简单，一页纸只有一张图和一句话，但同时它又非常复杂。 我们现在从这个《宝宝的量子物理学》第一册第一页开始。 这张图是一个球，这个球实际上代表了我们世界里面的任何一个物体，它可能是一块石头，也可以是一朵鲜花，就是说这个球是一个特别简单的一个东西。 爱因斯坦说过一句话非常重要，任何一个物体都有能量，而这个能量跟它的质量有关，也就是能量跟质量成正比。 第二张图说这个物体有能量。我们看到这个球是发光的，发光是给孩子们看的一个示范，不是说这个球真的在发光，而是说这个物体是有能量的。这个能量可能是它的质量里面含的一些化学能，也可能是它这个质量里面含着核能。煤气炉燃烧的时候，它是在释放化学能，就是分子原子在相互作用。 我给大家看一张煤气燃烧的图，我们看到火，这个火实际上是煤气跟氧气在发生相互作用，发出来的是一个化学能。这个火如果是红色，就说明它发出的能量比较低，如果蓝的话，那么它发出的能量就比较多。我们再看一下太阳，太阳发出来的是一个核能，这个能量更大。 接下来我们就看到第四张图，这又是一个球，这个球是蓝色的。为什么是蓝色的呢？因为作者不太好表示一个球里面什么也没有。第四张图就是说这个能量等于零，没有能量。实际上就等于什么也没有。那么当一个物体里面什么也没有，就是我们说的真空。根据爱因斯坦的说法，真空没有能量。 物理学实际上有百分之五十就两句话。第一句话我们刚才解释了，就是爱因斯坦老爷爷告诉我们的，任何物体都有能量，这个能量跟质量成正比。那么第二句话是什么呢？如果我们把一块石头打碎，或者说我们用电子显微镜看一块石头，把它放大到一亿倍，我们会看到什么？ 如何放大一亿倍的话，那我们看到的原子实际上已经有一公分大小了。也就是像指甲盖一样大小的东西，这个东西实际上也是很空空荡荡的，在中间你看到就是有一个原子核。其实如果我们把原子放大到一亿倍的时候，我们都看不到原子核。为什么呢，原子核还是太小，我们就可以看到有一个原子的空间。 这个空间几乎是一个真空，中间是一个原子核，外面有很多很多电子在转，这些电子几乎看不见。 如果我们把原子再放大到一千亿倍，原子核就变得有头发那么粗细。那我们现在看看第六张图，这第六张图说原子里面有中子。 然后我们再看第七张图，就是原子核里面有两种粒子，一种是中子，还有一种是质子。那么这个是要把一个原子核要放大到一千亿倍，我们才能勉强看到里面有东西，这些东西就是质子和中子。 质子和中子是什么？这本书没有告诉我们，但其实质子和中子实际上也没有那么简单，物理学告诉我们质子和中子其实里面还有三个夸克，夸克我们今天就不细讲，我们就讲的是整个原子核里面是由中子和质子组成的。 在这个世界里，最最简单的原子就是氢原子，氢原子里面中间只有一个质子，然后外面跑着一个电子。所以我们就看到第八页。第八页说这个原子核里面除了中子和质子以外，外面还有跑着电子，这些电子实际上也是很小的，即便把它放大到一亿倍再放大到一千倍我们肉眼也是看不到的，可是每个电子都有能量。 然后我们就看到第九页，外面有很多电子，电子发光，实际这个发光的也是给小朋友一个示范，不是说这个电子真在发光，只是说电子像太阳一样也有它的能量。那么我们看看这些电子到底有多少能量？ 翻到第十页，第十页告诉我们的是跑在最外面一层的电子能量最多。 第十一页告诉我们，跑在最里面的电能量最少。
这是为什么呢？其实道理非常简单，这个道理就相当于我给大家看一张图。
一个人跳伞，他可以从一个很高的楼跳下来，身上背着一个降落伞。那么一个人跳伞的时候，他总是从最高的地方跳到最低的地方是吧，他不可能说是跳伞了，然后越跳越高，对吧，这是不可能的。为什么一个人跳伞的时候会从高的地方落到低的地方呢？原因很简单，是一个能量的原理。就是说低的地方能量比较低，我们通常是倾向于向能量低的地方走。电子也一样，电子在原子核里面就是在外面那个电子能量最高，在里面那个电子能量最低，发现这个规律的是一个叫波尔德物理学家，是他告诉我们这个电子在原子里面不光有能量，还有速度。 这个速度有多快呢？比光速要慢一些。光速是每秒三十万公里，一秒钟光能绕着地球跑七圈到八圈。电子大约是光速的一百分之一到一千分之一，这是什么意思呢？ 如果是光速的一百分之一，那么它每秒就要跑三千公里，就相当于从广州到了北京了。 在外面那一层的这个电子跑的要慢一些，这个也是有道理的。就相当于我们在地球上放卫星，放的越高这个卫星绕着地球跑的速度就越慢，电子在原子里面也一样，它飞的高，速度可能是光速的一千分之一，飞的低一点，就是光速的一百分之一，几乎在一秒钟之间就从广州跑到北京了。 |
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