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人为什么不会掉进地板里?是什么力在阻止我们?

2017-02-23 16:30:36

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怪罗科普

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科学家们惯于问一些让不搞科学的人听起来很愚蠢的问题,譬如:“人为什么不会掉进地板里?”甚至有一本书还用这个问题做书名。从我们的日常经验看,地板表面是坚固的,它的功能之一就是防止人掉下去。这是我们对地板...

人为什么不会掉进地板里?是什么力在阻止我们?

科学家们惯于问一些让不搞科学的人听起来很愚蠢的问题,譬如:“人为什么不会掉进地板里?”甚至有一本书还用这个问题做书名。

从我们的日常经验看,地板表面是坚固的,它的功能之一就是防止人掉下去。这是我们对地板的起码要求啊!不过,这类看似“愚蠢”的问题,其实大有文章。地板是原子构成的,正是有了对原子本质的认识,才会引发这个问题。

约2500年前,古希腊哲学家认为万物都是由原子构成的。不过当时人们只是将原子想象成坚硬的小球,还并未真正了解它。直到20世纪,人们才对原子的面貌有了更细微的了解。

人为什么不会掉进地板里?是什么力在阻止我们?

经过一个世纪的科学探索,描绘出的原子“图”是什么样的呢?它是由直径为1个单位的坚硬的原子核(稍后我们再说“单位”是什么意思)和由围绕这个原子核的质量轻得多的微粒(电子)组成的,原子99.9%的质量都集中于原子核。

虽然电子有时也能存在像微小的实体球那样的行为,但是科学家们一般认为电子就像一团密度会发生变化的电子云。电子云团半径为3万多个单位。电子云密的地方电子出现的概率大,疏的地方电子出现的概率小。科学家可以使用精密仪器用质子撞击电子,或让电子产生辐射,从而确定电子位置。

这就像一个人,我们用一团云来代表这个人,这团云在他家所在的那片区域密度很高,在他家附近的大型购物中心区密度就低一些,在他的健身房密度更低。但是,他本人身在何处并不知道,除非有人和他撞在一起,此时云团会立时变得浓重,他会就此现身。

让我们回过头来说说原子。

人为什么不会掉进地板里?是什么力在阻止我们?

假如原子核和一个直径10厘米的橘子一样大,那么电子云团的边缘会有3千米到30千米那么长。所以,任何由原子构成的实物——比如一块地板——可以说99%的部分都是空的,就像在一个辽阔的平原上,隔几公里散落着一个橘子,几乎没有质量的电子云漂浮在周围。

实际上,科学家用“飞米“来测量原子核距离的单位,一飞米等于一千万亿分之一米。原子核直径大概有2个飞米,而原子的半径约有10万个飞米,所以,100亿个原子排成一队,长度才有1米。

对于“人为什么不会掉进地板里?”这个问题,估计你现在该有点明白为什么要这样问了。

人为什么不会掉进地板里?是什么力在阻止我们?

其实,这个问题的内涵可能比你想到的还丰富。不仅仅是“实实在在”的地板内原来大部分都是空的,就连立在地板上的鞋子或脚也都是原子构成的,它们的空间与质量之比同样大得不得了。

那么,为什么这两个基本上是由空荡的空间构成的集合物,在碰到一起时不会彼此交叉穿过呢?其实这就像两支相距几千米远、沿英吉利海峡相向行驶的舰队。

问题的答案在于一种常识——但这个常识经常被误解——“实心”究竟是什么意思?如果你认为这个词的意思是一个空间充满了质量,那么就大错特错了。

人为什么不会掉进地板里?是什么力在阻止我们?

我们要在我们的认识中加入原子的另一特性——围绕原子核的力场。当两个原子靠近时,会受两种力的作用,一种是吸引力,一种是排斥力。一个原子向另一个原子靠近,最后会停在两种力互相平衡的某一点上,于是,原子就被牢牢地固定在这个位置上。一个原子团是由两种力锁定而成的,譬如地板这样的固体物,其他原子要想拆散它们,也要达到一个平衡点,由这个平衡点再向前靠近一点,就必须克服更强大的排斥力,而这个排斥力要比把你的脚拉向地板的重力大得多。

所以,等下次在房间里走动时,你可以想象一下,自己的脚和地板是被两股强大的原子排斥力撑开了一个微小的间隙。

我们为什么不会从地板上掉下去?原因就在于这股强大的原子排斥力。

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