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在我们中学以前的教科书上，有介绍汤姆生发现了电子，从而说明原子是可以再分的，而在此基础上，卢瑟福建立了原子的核式结构模型，后来又发现原子核可以再分为质子和中子，而质子和中子由夸克组成。而当时的配图描述了这些粒子都是球形的。那么事实真的是这样吗？ 大部分人可能知道，现代物理学认为，电子，质子和中子的形状根本没有意义，因为它们也表现出类似自然的波。其实仅在玻尔和古典理论中，假设它们只是点或微小的球形，仅用于解释物质的某些性质。因此，理查德·费曼（Richard Feynman）曾经说过的关于这些粒子形状的回答：“自然，它是如此的荒谬。” 而其实这些粒子实际上不是球形，而是内部具有着复杂的结构。 为什么将它们描述为球形，这是一个简化描述而已。就好比有一个例子：首先我们被告知哥伦布发现了美国。然后，我们发现维京人早在数百年前就已经在加拿大。然后我们了解到，哥伦布从未真正踏上过美国，甚至没有走到佛罗里达的尽头（他只探索了一些加勒比海群岛）。 其实说原子是球形，或者说哥伦布发现了美国，那都是“傻瓜版”，“简化版”，针对的也只是不明白真相的人群，因为教授一些真的事实可能会有一些困难存在，当然也包括了个人知识储备不足的因素。 那么原子实际上是什么样的？一般原子结构包含原子核与核外电子，原子核直接极小，体积不到整个原子的千亿分之一，核外电子只能用电子云描述其在原子核外某处出现的概率大小。原子核就更不像球体了，它是质子中子结合的产物。 电子是基本的，目前电子是不可再分的，而质子和中子不是，从对撞机实验中我们可以确定的是，质子和中子是复合粒子，由更多我们称为夸克的基本实体构建而成。电子是具有自旋的量子：虽然很难观察到，但它绝对不是均匀的球体。质子和中子也几乎是如此，因为它们是由夸克三重态构成的，但似乎也像原子轨道一样隐约地展现出“能量壳”。在标准模型中，电子和夸克都没有任何“大小”：它们是点状的。 测量与宏观物体我们认为的形状的概念只适用于宏观物体，在量子尺度下，形状的概念未来将取决于用什么测量方式去描述。1926年海森堡从云室实验中观察电子径迹的问题进行思考，他试图用矩阵力学为电子径迹作出数学表述，可是没有成功。这使海森堡陷入困境。他反复考虑，意识到关键在于电子轨道的提法本身有问题。人们看到的径迹可能并不是电子的真正轨道，而是水滴串形成的雾迹，水滴远比电子大，所以人们也许只能观察到一系列电子的不确定的位置，而不是电子的准确轨道。这让他得到了新的思路，我们可能无法测量精准的电子轨道。 客观物体受观测的干扰？其实在早期量子力学的主要争端中，那就是关于观测之外客观物体的解释问题。这个问题最早的答案表现在如下的陈述中:客观物体受观测工具的干扰。它是由海森堡结合着他的不确定原理的发现而给出这个陈述的，海森堡主张一切测量的不确定性都是由于观测工具的干扰造成的。 海森堡的这个陈述曾经引起了一场物理哲学探讨的高潮。哲学家，还有些物理学家，认为海森堡的陈述乃是知觉主体影响其知觉对象等传统哲学观念的物理证实。他们反复地提到这个观念，认为在海森堡原理中可以看出这样的陈述：主体不能同外界严格分离开来，主客体之间的界线只能随意划定，或者说，主体在知觉活动中创造出客体世界。 在爱因斯坦相对论的讨论中,曾经有过一段类似的时期，把时间和运动的相对性归之于观测者的主观性。后来的分析表明，时空的陈述依赖于参考系是与任何人的感觉毫无关系的，它是表示物理世界中各种描述所牵涉的定义的任意性。我们将看到，这个解答也适用于量子力学问题，虽然这里的情况甚至比相对论还要复杂。 海森堡证明，为了精确地决定粒子的位置，需要使用波长很短的光波，就是说，这些光波带有较大的能量子，粒子受到它们的碰撞后速度要发生变化，因此这个实验不能测定粒子的速度。另一方面，如果我们想决定粒子的速度，那就必须使用波长很长的光波，以便不使待测的速度发生变化，但这时我们将不能精确地确定粒子的位置。 此外，不确定原理涉及很多深刻的哲学问题，用海森堡自己的话说：“在因果律的陈述中，即‘若确切地知道现在，就能预见未来’，所得出的并不是结论，而是前提。我们不能知道现在的所有细节，是一种原则性的事情。” 而从量子力学的现代观点上看，这种不确定性是量子的内禀属性。 这个解释在告诉我们，我们可能无法知道任何粒子的形状特点，以及它的未来状态，因为有些信息无法同时获知，但是在某一个测量尺度下，我们可以在某一个确定的范围内确定某些状态量或者是事件的发展变化。这在宏观下，是经得起考验的，但在量子尺度下，这一切都无法获知精确值。 最后甚至于，粒子事物的本身是否在某一时刻存在确定的某一类型状态值（比如速度），这也是目前未知的，因为每个事物的时间本身是否无限可分还是未知之谜。 其实总结来说，通过人类观测所得到的世界，只是仅仅是事物本身的冰山一角。或者说，我们看到的世界只是表观的事物，而事物的本身则是人类永远无法把握的。 |
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