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《质子自传》
三体
芫荽    来源社团:南方科技大学科幻协会...
得票 10 阅读 1479 评论 1

电子是个小不点,再加上他离我们很远,更加显得他的身量小了。他说他本来在太空中练习快速飞行技术,却被我们拉着偏离了原来的航向,现在只能围着我们团团转。

“我可没拉着你,都是质子干的。我不带电,我们之间的万有引力和你俩个之间正负电荷的相互吸引的库仑力相比就可以直接忽略了①。”中子撇清关系的同时还不忘说一些我根本听不懂的话。不过他这样一说,我倒是感觉到了好像真的有将我拉向电子的力,但十分微弱,与当初和中子之间的强相互作用力根本无法相提并论。我不禁问道:“如果是我和电子有相互吸引的力,为什么我没有受影响被他拉过去呢?”这惹来了电子的嘲笑:“因为你太重啦!我这么娇小的身躯怎么可能拖得动你们这两个黏在一起的大块头呢!②”

“我们才没有黏在一起,我们都很矜持一靠近就会相互排斥的。”我觉得有必要向电子澄清我和中子的关系,否则被他误认为我俩在他面前秀恩爱就不太好了。电子却很顽固:“反正从我这里看了你们就是黏在一起的,我只相信眼见为实。”中子尴尬地岔开话题:“你开始说你在练习快速飞行技术,我觉得你已经飞得很快了,为什么还要练习呢?”

“哪里快了,比光子差远了!都怪质子突然出现在附近,本来可以直道飞行,现在却要围着你们转圈圈,我从出现到现在还没遇到过这么憋屈的事呢。”

“反正你永远超过不了光子的,不对,是连和他一样快都不可能。”中子说出了残酷的事实。

“哼,就算这样,我也要一直转下去。”

    电子的确说到做到,即使在说话的当儿他也仍在不停地绕着我们旋转。我们想对着他说话就得不停地转向,关键是他并非绕着我们转标准的圆圈,取而代之的的一个奇奇怪怪的绕行方式③。起初我们很难找到他的确切的位置,之后中子找到了规律,虽然我们不知道他具体会出现在哪里,但是中子发现他在每个位置出现的概率大不相同,找到他出现的概率比较大的地方,我们和他面对面谈话的次数终于多了起来。而中子也成功地用自己精彩的故事吸引住了他,热爱自由的他尽管仍在以不同的概率出现在我们附近的不同位置,但是却没有什么想离开的碎碎念了。中子讲得绘声绘色,很多故事我都不知道听了多少遍,但是依然听得津津有味。

“啊啊啊,你们有没有发现什么不对劲的地方?”电子突然问道。

“怎么了?”我和中子异口同声。

“没有光子了!以前我独自飞行加速的时候都会有光子出来的④,自从被你们捉住,不管我怎么加速都没有光子出现啦。”

“为什么会这样?”

“我刚才不是在问你们吗?我还以为见多识广的中子知道呢!”

“我虽然不知道为什么,但我知道你应该感到庆幸你没有发出光子。发出的光子会带走你的一部分能量,能量越来越低的你最后会一头撞向我们⑤。”中子无可奈何。

“哦,我终于知道我为什么永远也追不上光子了!每次我一加速,卑鄙的光子就会偷走我的一部分能量。”电子愤愤不平的说道。

“听起来好像很有道理的样子,但是你仔细想想,就算他带走了你的一部分能量你还是加速了的。所以根本原因不是光子卑鄙,而是因为你有质量。”

“这么小的质量都不行吗?”

“不可以,只要你有质量,当你的速度接近于光速的话你的质量就会变得非常非常大,最后无论多大的力都不能让你加速了⑥。”

“真是悲伤,中子你为什么要讲得这么清楚,一点希望都不留给人家。”电子似乎真的被打击到了,低沉地转移话题,“那光子既然会带走我的能量,有没有可能送回来呢?”

注释:

1. 两个物体间的万有引力F=G*m1*m2/r^2,其中G为万有引力常量,数值约为6.67*10^-11m^3/(kg*s),由卡文迪许在1789年用扭秤法测得,质子和中子的质量约为10^-27kg量级,电子的质量约为10^-31kg量级,由此可以估算出中子和电子之间的万有引力大小约为10^-69N*m^2/r^2;两带电物体间的库仑力大小为F=k*q1*q2/r^2,静电常量k=1/(4πε0)≈9*10^-9N*m^2/C^2,可以使用和卡文迪许扭秤法类似的库伦扭秤法测量出来,质子和电子所带的电荷量都为一个元电荷e=1.6*10^-19C,因此可以估算出质子和电子间的库仑力大小约为10^-48N*m^2/r^2(和上一个分号前面的数据比较一下,你会发现它们的十上面的指数相差很多)。而质子和中子与电子间的距离r可以近似认为是相等的,所以中子和电子间的万有引力要远远小于质子和电子之间正负电荷的相互吸引力(成功帮中子把锅甩给了质子)。

2. 如果你上面这一大堆推导都不愿看的话,那么你只需要看到一堆“约为”“估算”“近似”就行了,并非我不愿按计算器(明明就是),只是真正的物理学家们也是这么睿(流)智(氓),总是做一大堆符合物理条件的近似,先猜它们在理想状况下会是什么样子再合理外推(你们或许知道“真空中的球形鸡”这个笑话)。

3. 质量越大惯性越大,虽然质子和电子所受到的电荷间的相互吸引力是一样大小的,但是质量比电子大得多的质子更不容易受这个力的影响而移动,而更轻的电子则一下子就被质子拉过去了。

4. 卢瑟福根据α粒子散射实验提出了原子的“行星模型”(电子像行星一样绕着原子核转),但实际上电子并非绕着原子核做圆周运动,而是以不同的概率出现在原子核附近的区域,这些概率不同的区域可以形象地称之为“电子云”。尽管如此,很多时候为了研究问题的方便,依然可以认为电子绕着原子核做圆周运动。后面质子和中子找到电子出现概率比较大的地方然后舒服地对话纯属剧情需要,实际上应该是不可能的,因为根据不确定性原理,在微观世界的电子的位置确定了,他的动量(速度)就会有很大的不确定性。也就是说,即使质子中子找到了电子出现概率较大的地方,如果电子正好待在那里,由于动量的不确定他马上就会跑远了。

5. 变化的电场会产生磁场,加速飞行的电子相当于一根通着电流不断变化的导线,导线周围会产生磁场,如果电子的加速度不是恒定的话,电流的变化就不是恒定的,其所产生的变化的磁场又会产生电场……如此循环,传播出去的电场和磁场就形成了电磁波(光就是电磁波)。讲得可能不太清楚,但是把电动力学的公式放出来肯定会更加迷糊。如果电子在弯道加速的话,同样会辐射出电磁波,这原本是让希望电子能在加速器中接近光速的物理学家们头痛不已的问题,因为辐射出的电磁波会带走一部分能量。然而辐射出的电磁波却能有很大的用处,它的频率和电子的加速度相关,通过改变电子的加速度就能得到不同频率的光,用来作为各种实验的光源,于是外形极具科幻感的同步辐射光源就应运而生了。

6. 根据经典电动力学(4中所述),如果按照卢瑟福所提出的“行星模型”,电子在轨道上运动时会辐射出电磁波消耗能量,能量越来越低的电子最终会撞到原子核上。所以之后丹麦物理学家玻尔又根据中国的阴阳理论(是的你们没看错,玻尔甚至在自己的族徽中以太极图作为中心图案),提出了半经典半量子的轨道分立的概念。即电子是沿着分立的圆轨道绕着原子核旋转,旋转时不辐射电磁波,只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时才会辐射出电磁波(释放出光子)。虽然有点强行设定,但是玻尔的原子模型在解决实际问题上很有用。当然电子的真实运行情况应该是用量子力学中薛定谔方程算出来的“电子云”更加合理,但是玻尔的时代薛定谔还未登场。

7. 根据爱因斯坦提出的狭义相对论,m’=m/(1-v^2/c^2)^1/2, m’为物体的动质量,m为物体静止时的质量,v为物体的运动速度,c为光速,由没排版好的公式可以不明显地看到当物体的运动速度接近于光速时,分母接近于0,所以此时物体的质量会变得近似于无穷大,由a=F/m可知,无论给它多大的力,都很难使它加速了。




-完-
我要评论
芫荽 2018-01-10 14:01
核反应的公式格式有点错乱,原子前面的数字本来是放在左上角代表核子数的,不是化学反应式中代表原子的个数的。另外10^15飞米=1米,注释中也被吞了。
科普作品
质子自传
| 目录  (共10章)
评委点评 评语汇总

读完给人眼前一亮,感觉自己都已经进入质子的角色,去看世界了。整个作品不仅科学表述准确,文风也很让人容易接受,是一篇难得的佳作。不过文中括号部分的旁白注释过多,可以适当减少,或者换个方式表述。

2018-01-09 17:42 匿名 ——

科学性与与科普性非常强的一篇文章,但它又不像教科书那样枯燥乏味,就连文中的注解也散发出可爱的气息来 。和第一轮相比,第二轮不仅仅内容更加充实,故事线更长,作者还采纳了建议在文中专门备注了科学知识点,这点非常难能可贵。

2018-01-12 17:04 匿名 ——

作者下了很大的功夫查阅了国内外不少文献,力求把最新的知识和成果呈现出来,这种精神很值得提倡。作者同时具有较深厚的文学修养和文字功底,能把学术概念、词汇转化成通俗易懂的语言表达出来,还设计了故事情节,吸引读者阅读下去,这些都是可圈可点之处。建议注释精简、精炼,以免喧宾夺主。

2018-01-13 20:09 匿名 ——

一个相对冷的选题能写成这样让人欲罢不能,很棒!期待看到粒子(元素)全传。

2018-01-23 16:12 匿名 ——

质子、中子、电子,这些微观世界的物质,是科普的难点,本文的重要特色在于拟人化,展现了这些微观粒子的主要特征。对话和故事性都很有特色。

2018-02-08 23:58 匿名 ——

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