TBBT第4季11集：扎克遭遇科学男

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2011年12月06日17:57

　　在本集中扎克提出了一个奇怪的观点：“那就是我喜欢科学的原因，是因为没有人知道正确答案。”他的话引起科学男们的侧目，但是仔细想想却不无道理。

　　（文/大卫·萨尔兹保）我相信很多人都会嘲笑扎克，因为这集他把原子模型当成了太阳系的图片。但一个世纪前，尼尔斯•波尔正是靠它们的相似性获得了诺贝尔奖。

　　孤立的星球会以恒定速度沿直线不断前行。这个现象非常重要，它反映了牛顿第一定律的观点：“任何物体在不受任何外力的作用下，总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。”如果我们的星球像1972年和1973年发射的先锋号航天探测器一样，那么只要保持目前的速度就可以在几十年内把太阳系远远甩到身后。因此，如果地球以接近正圆的轨道绕太阳运行，那么一定有力作用于它。还有什么比这更简单吗？但是其中仍有很多令人费解的奥妙，甚至会使物理新生叹为观止。

　　这个图代表的是行星系统还是原子？

　　牛顿第二定律表明，物体的加速度跟物体所受的力（如太阳和地球间的吸引力）成正比：“力等于质量乘以加速度”。加速度只是一个定义量，表示单位时间内的速度变化。当描述车在10秒内“从零加速到60英里/时”时，我们就定义了加速度。但是，一年中地球速度的改变少于平均值的2%，同时平均速度在40亿年中几乎没有变化。如果地球轨道为正圆，这个速度就不会改变。那么由力产生的加速度又去向何方了呢？这是因为速度不仅包含速率，还有方向。每六个月，地球就会完全改变对大阳的朝向。在这样的圆轨道中，加速度改变的是运动方向而不是速率……所以速度仍在改变。

　　牛顿第二定律同样说明加速度和力作用的方向相同。人们容易错误地认为星球的加速度与运动方向一致。但实际上，重力的方向是沿太阳和地球的连接线。所以加速度也指向地球和太阳的连接线，而不是星球运行的方向。加速度以合适的角度使星球运动在轨道中。此时，星球方向改变速度不变，却仍在加速中。一个力就可以驱动圆形轨道行星永久运动，它的速度和能量不会变化。

　　理查德•费曼提出了一个好观点。在开普勒时代，人们认为地球是由星球上空的天使推动。牛顿告诉我们这是不可能的。天使们必须把我们拉向太阳才能创造圆形轨道。

　　回首20世纪早期，原子被看做组成基本元素不可分割的单位，并受到广泛认同。没有人了解原子的结构，合理的理论比比皆是。电子的发现者汤姆逊构想了“葡萄干布丁”模型，其中正负电荷相等并通过某种粘性物质均匀混合。这猜想不坏但与事实不符。另有一个模型认为原子是立方体，电子分布在各个角上。日本物理学家长冈半太郎提出的模型中，电子以恒定的半径分布在集中正电荷的盘形核周围，很像土星的窄环。

　　所有的模型都能得到合理解释。事实上在被提出后不久，葡萄干布丁模型便成为解释原子核结构比较合适的理论。但没有定量理论计算可以验证此模型，所以只能通过实验来得出正确的方向。在欧内斯特•卢瑟福的实验室中，证据显示α粒子（正电荷粒子）分布在包裹严密的固体核中。所以最接近事实的预测胜利者是土星模型，或着说是行星模型。不幸的是它也没有得到任何正确预测。

　　尼尔斯•波尔迅速的把该模型提炼成电子以不同距离绕原子核运行的模型。在他提出的模型中电子以恒定距离和速度运行，这和行星非常相似，但是引力被电子（负电荷）和原子核（正电荷）间的静电力替代。他提出的电子只能以特定距离围绕原子核运行的假定为量子理论的开展作出了贡献。

　　实验表明波尔的模型比土星模型更给力，因为它解释了原子射出光频率的特定值。这给我们留下了通俗文化中最流行的原子形象——像行星和太阳一样，小小的电子围绕着原子核不停飞驰。

　　原子行星模型之所以广为流传，是因为它做出了第一次正确的预测。但它并不完美。

　　物理学家们几乎立刻就发现波尔的原子行星模型仍有发展的余地。事实上加速的电子能够辐射功率。这是无线电广播发射机的工作原理——在金属天线中加速电子。但由于原子可以永远保持稳定，同时电子又在不停运转（加速）。矛盾就产生了。波尔提出电子存在最小半径，巧妙地回避了该问题。但是并不能解决更严重的问题。围绕中心电荷的电子应有特定的运行方向，这样就会存在角动量。但实验的结果不同，电子的角动量可以为零。而物体围绕中心按轨道运行时角动量不可能为零。

　　最终星系模型被数据抹杀了。只有等到量子力学时代到来，薛定谔波动方程提出，才能得到符合所有观测结果的原子图景。在这个更加合理的模型中，能量最低的电子存在原子核周围的云中，没有任何轨道。不幸的是，当量子力学模型占据上风时，再也没有类似行星轨道的相似系统可以提供比对。