让我们先揭晓答案:在原子内部,电子与原子核之间并非是完全的真空。因为在整个宇宙中,完全的真空是不存在的概念。
若从字面上解析,所谓的绝对真空就是一片虚无,没有任何物质存在的空间。它类似于物理学家闵可夫斯基所描述的纯粹空间。现在,我们首先从空间的内涵来阐述“没有任何物质”的概念,并以此否定绝对真空中纯粹空间的实际存在(从科学的角度来看);接着,我们将通过科学实践来证明真空并非真正的空无一物(在物理学意义上)。最后,我们将结合原子的特性来解释为何原子内部不存在绝对真空。
不存在任何物质的空间实际上是不可能的
空间给我们的感觉通常是开阔而空旷的,它看不见、摸不着,虽然不能通过触觉感知,却可以被人们所认知。空间的显著特点是“空”,但这“空”本身也是一种存在。如果没有空间,那么就连“空”也不复存在。人们常说宇宙有其边界,边界之外空无一物。很多人因此将空间理解为“什么都没有”,即认为存在绝对的真空。这种将宇宙之外的空间理解为空无一物的观点是错误的。空间的“空”并不意味着没有任何物质存在,而是一种物质形态的表现。而宇宙之外的“无”,意味着连“空”这种物质形态也不存在,这才是真正的空无。
历史上许多科学家都曾拒绝接受“空间是空无一物的,却具有物理意义”这一观点。尤其是当“加速度”这一概念出现后,加速度只能在有实际物理意义的空间内发生。哲学家笛卡尔曾指出“不存在任何物质的空间是不存在的”。爱因斯坦在提出广义相对论后,也认同笛卡尔的看法,他认为没有物质的空间是不存在的,时间和空间也不能独立存在,它们仅作为场的结构特性存在,而场即物质。因此,闵可夫斯基所提出的不包含场和物质的纯粹空间是不存在的。只有澄清了关于空间的概念,我们才能更好地回答原子内部是否存在绝对真空的问题。
现代科学已经证明,从物理概念上讲,绝对真空并不是真正的空无一物,其中充满了各种粒子,包括虚光子和能量。
真空是一种物理现象,指的是在一定空间内气压低于大气压的状态。真空是相对的,即便是宇宙空间的真空度极高,也并非完全没有物质存在。例如,在一立方米太空中可能存在一个氢原子或分子。真空原本指的是不存在任何实物粒子的空间,但正如前面所述,这样的空间是不存在的,因此绝对真空也就不存在。如果你试图将一个空间的气体全部移除,会发现真空中常有基本粒子突然出现又消失,仿佛无中生有。
正如物理学家狄拉克所推测的那样,真空可能是一片波动的能量海。在高能量状态下,可能转化为一对对虚的正反电子;在低能量状态下,正反粒子则可能相互湮灭,转化为能量(光子)。量子力学认为真空是量子场系统的基态,即没有任何场量子被激发的基态,这是能量最低的状态。因此,从这些角度看,真空并不空,不存在所谓的绝对“真空”。
原子内部同样不存在绝对的真空
在原子内部,电子与原子核之间的空间有多大呢?原子核由质子和中子构成,直径介于10的负15次方米至10的负14米次方米之间,仅占原子总体积的极小一部分。以体育场作比,原子核就如同一粒微小的沙子。
显而易见,原子内的大部分空间为空隙,核外电子以几率云的形式分布在原子核四周,占据了整个原子空间。虽然核外电子体积远小于原子核,并且数量较少,但它们能够填满整个体育场,原因在于电子具有波粒二象性,没有固定的运动轨道,可以出现在原子的任何位置。根据不确定性原理,我们无法同时确定电子的速度和位置,只能通过电子云的疏密来表示电子在空间各点出现的概率大小。
根据电子云的图像,我们可以认为电子已经占据了整个原子空间。而且,按照波尔的原子模型,原子的空间是分层的,具有实际的物理结构。
综上所述,无论是从数学还是物理的角度,原子内部电子与原子核之间的空间绝不是绝对的真空。