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袁岚峰1周前
世界上为什么会存在固体? | 袁岚峰 向大家推荐一家著名的科普杂志,它叫做《科学世界》,由中国科学院科学出版社主办,制作十分精美,在学术界声誉卓著。他们邀我开了一个专栏,从2025年1月开始。下面,我就来介绍一下我在《科学世界》2025年5月刊的文章,标题是《世界上为什么会存在固体?》。 乍看起来,这似乎是个不知如何下手的问题。但实际上,对这个问题已经有了好几个层面的回答。而所有这些回答,都是基于量子力学。 第一个层面是,固体为什么会有硬度?也就是说,原子之间为什么会有排斥力?或者说,原子为什么不会重叠到一块去?例如你用手拍桌子,你会感到疼,而不会发生手穿过桌子这样的事。 有人可能会说,这是因为原子中有电子,而电子带负电,所以不同原子的电子之间会互相排斥,把它们推开。这是一个符合直觉的答案。但有了量子力学之后,人们就发现,电子之间的经典排斥其实只是一个比较次要的原因。真正主要的原因,是泡利不相容原理(Pauli exclusion principle)。 这个原理说的是,两个费米子不能处于相同的状态。什么叫费米子?它是微观粒子的一大种类。所有的微观粒子都属于两类,费米子(fermion)和玻色子(boson)。费米(Enrico Fermi,1901 - 1954)和玻色(Satyendra Nath Bose,1894 - 1974)分别是意大利和印度物理学家。 费米子遵循泡利不相容原理,而玻色子不受这个原理的束缚。也就是说,费米子不能有两个粒子处于同样的状态,但玻色子可以有任意多个粒子处于同样的状态。电子、质子、中子都属于费米子。作为对照,我们上一期中提到的光子(photon)属于玻色子。 因此,当我们力图把两个原子重叠到一块的时候,有些电子就会被强迫处于同一个状态。它们非常不愿意这样,于是会产生一个强大的排斥,将它们推开。实际上,随着距离的缩短,这种泡利排斥是指数上升的。这个速度比同号电荷之间的电磁排斥快得多,电磁排斥只是反比于距离的平方。这就是为什么,泡利不相容原理是原子不能重叠到一起的主要原因。 了解到这个层面,你的知识水平已经超过99%的人了。然而99.9%的人都没有想到下一个层面的问题:如果原子之间只有排斥力,没有吸引力,那么它们还能不能形成固体?#知识前沿派对 #量子力学 #固体 #泡利不相容原理 #费米子
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