第二章 不成对的自旋电子

今天，从概念上来说，我们把磁力归为电磁力的一部分，而电磁力则是标准物理模型中宇宙的四种基本力之一。所谓的基本力就是宇宙当中最基本，无法被更进一步统一的力。如果将它与数学上的概念进行类比，这个概念类似于素数（比如3和13）的概念，除了自身和1之外，它不能被分解为其他任何整数的组合，而基本力则是无法被更进一步统一在一起。

从理论上来讲，素数有无穷多个，但就人类目前对宇宙的认识水平来看，只有四种基本力，它们分别是引力、强核力、弱核力和电磁力。（值得注意的是，目前科学家们依然在孜孜不倦地寻找神秘的第五种基本力，并偶尔会发表已经找到这种力的声明，当然，这都是极具争议的，也希望大家在日常生活中能够持续关注这个问题。）这些力中的每一种都是宇宙运行所固有的，也是宇宙运行所不可或缺的。它们与宇宙、太阳、月亮、星辰、太空一起诞生。

引力是让艾萨克·牛顿的苹果掉到地上的力，它还防止你在地球旋转时被地球甩出去。它掌管着物质相互吸引而不会相互排斥的法则。引力是四种基本力中最弱的，但它却可以延伸到无限的空间。核力则只控制着原子内部，而不是更宏观的东西。强核力将原子核结合在一起，弱核力（之所以称为弱，是因为它的作用范围小于强核力）允许原子分解裂变形成其他类型的原子。这种性质使得弱核力仿佛炼金术师，能够改变元素，左右着元素的放射性衰变。太阳的能量让地球成为了一个温暖宜居的星球，便是这两种核力的结果。读到这里的时候，太阳中的弱核力正让氢质子释放出足够的能量来变成重氢原子（氘），然后在强核力的推动下，这些重氢原子便融合成了氦原子。

那什么是电磁力？它是将物质结合在一起的力。美国理论物理学家肖恩·卡罗尔解释说：“除了让我们站在地球上的引力，我们所看到的一切现象都是由磁力和电力引起的。”它是原子结构的基础，是将电子固定在原位并允许原子连接成分子的原因1。但原子结构的规律又来自哪里呢？它来自于宇宙诞生的本身。

宇宙大爆炸发生在大约137亿年前，在这之后我们如今的宇宙被创造了出来。那构成宇宙及其中所有物质的又是什么呢？是原子和它们形成的元素吗？对于量子场理论家来说，答案可以被精确到比原子更基本的东西。对于他们来说，宇宙是由一个个场构成的：每个基本力的场，还有管理着物质的其他13个场2。简单来说，场就是流体物质的数学表达，这种物质遍布于宇宙各处3，有各自的数值并保持着流动和摇摆状态。而要理解这些概念是有一定困难的。美国已故物理学家理查德·费曼在他为加州理工学院的本科生举办的著名物理讲座中表示，他从未能够完全理解形成电磁场的内在原因。“你们想要知道我是如何想象和看待磁场和电场的吗？或者说我想象电磁场的形象是为了什么呢？这种想象与试图想象屋子里隐形的天使有什么不同吗？这的确有很多不同，因为想象电磁场远比想象隐形的天使困难得多。”4

我们可以理解电磁场的某些部分。比如电磁场是一种波动，而光波或者声波是电磁场穿过空间的涟漪。而从另一个角度来说，电磁场又是一个个存在于某个位置而不存在于其他位置的粒子。但是，就像通过光和波动来理解电磁场一样，粒子性依然是理解电磁场的一个方面，这些粒子就像是把微小的波捆绑成一束能量5。粒子能够构成原子，或者其他宏观上我们可以看到和感觉到的东西，而目前人们看来最基本的粒子就是电子和两种夸克：上夸克和下夸克，而它们都有自己的场。如果你从生物学的角度去类比，它们就像是DNA的基础碱基对，它们是地球上每一个生物的基础。宇宙的神奇之处在于，从理论上来说，这些夸克就像碱基对一样都是可以相互替换的，而电子也是这样。而它们和它们的场构成了所有事物的基石，包括你和我。

以上对理论物理学家的意义在于我们观察到的只是事物可被观察的一部分。我们通常意义上的宇宙空间其实充满了电磁场以及和电磁场相关的物质和力，对物理学家来说，这点也不足为奇。

当宇宙刚刚诞生百万分之一秒的时候，它已经冷却到足以让夸克结合起来形成质子和中子，并最终形成原子核6。（“原子”这个词来自希腊语，意思是“不可分割的”，事实证明他们搞错了。）电子则不会结合起来形成更大的东西，它们仍然处在独奏的状态。粒子还不会形成原子，因为彼时的宇宙依然太热了。

在这个新宇宙诞生大约100秒的时候，物质继续冷却到足以让一些质子和中子连接起来并形成氦原子核，即两个质子和两个中子构成的原子核。又过了38万年，宇宙已经足够冷却，于是一些简单的原子核在它们周围的空间中获得了电子。负的电子和正的质子充分证实着电磁场的准则：相反的电荷相互吸引，相同的电荷相互排斥。所以负电子被吸引到正质子附近。这种吸引力使电子保持在原子核周围的空间里。中子，顾名思义是中性的。那为什么质子是正的，电子是负的，中子是中性的呢？如今并没有令人满意的解释，似乎它们天生就有这些差异，而我们只是碰巧赋予它们这种命名。那么为什么相反的电荷相互吸引呢？同理，它们也是天生如此。

原子大部分的质量位于其中心，也就是质子和中子组成的原子核，而电子的质量远小于它们，并且处在不断的运动过程中。正如一些化学家说的那样，如果整个原子有一个棒球场那么大，那么原子核就只有场心的棒球那么大。这使得大多数早期理论家认为原子当中是空旷的。今天我们知道它充满了无形的场。因为原子会产生物质，这也意味着大多数物质，而不仅仅是空间，都是以不可见的场存在的。这包括构成你身体的物质。我有时会想那些把场弄明白的科学家，他们的感觉是怎样的。我想象着他正以新奇的角度看着他自己的手，并试图看透它。

原子就是电子、质子、中子这三个主要组成要素的排列，而不同的排列方式决定了最终会组成哪种原子。而如果你可以在这里做进一步的思考，那么你还可以从磁力的角度去理解原子。

对于每一种原子，质子的数目是关键。该数字决定了它是哪个元素。换句话说，元素的特定身份由其原子核中的质子数控制。质子的数量也决定了元素在元素周期表中所处的顺序，因为元素周期表是从氢开始按照原子序数递增依次排列的7。

当质子数目发生变化时，例如在放射性衰变或核聚变期间，原子的名称也会发生变化。之所以氢原子会是氢原子，就是因为它的核中只有一个质子。当巨大的热量迫使氢原子核与另一个氢原子核融合时，新生的原子就有两个质子，于是它就变成了氦原子。当原子核中质子的数量发生了变化，元素的名称也随之发生了变化。

相比之下，原子中的中子和电子的数目可以在不改变原子名称的情况下改变。例如碳元素，作为元素周期表中的第六个元素，始终具有六个质子。但在自然界中，有时它有不同数量的中子。这些具有不同中子数目的碳元素被称为同位素8。如果中子太多，原子就会变得具有放射性和不稳定性，然后会转变为另外一种更稳定的元素。

处在原子核周围空间的电子，为电磁学难题的解开提供了一个突破口。在一个多世纪以前，当电子被发现时，科学家将它们想象成小行星围绕着类似恒星的原子核在固定的轨道上运动，就像地球围绕太阳一样。他们甚至将这些电子运动的轨迹用天文学上已有的名词来称呼，比如轨道。

如今人们所说的电子在轨道中移动，指的其实是电子运动可能存在的数学表达式。我知道，这听起来像天书。但它只是意味着电子不是在一个线形轨道中，而是在核周围非常清晰的三维云中做着概率波的运动。你无法指出一个具体的地方，并说这就是电子现在的位置。所以电子并不需要处在一个特定的线形轨道上。而电子的云轨道也具有许多的理论形状，一些是球形，另一些则是复杂的三维8字形或者哑铃形，或者其他更为复杂的形状。

一个非常违背直觉但又客观的观点是电子和其他粒子既可以作为场当中的波，也可以作为单个物理粒子，即电子具有波粒二象性。这种性质是宇宙基本的组成部分。例如，当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，它们被当作单独的物理实体。但是当它们在任一时间点无法处于一个具体而可识别的地方时，它们又像一个波或一个场。为了理解电磁学，我们必须首先接受这种复杂性。

还有一点值得指出的是虽然描述电子行为的行星轨道假说现在已经过时，但它作为一种方便认知的形象仍然是有用的。事实上，轨道是围绕原子核以同心环或同心层或同心壳的形式排列的。这种简化使它们更容易被具象化。一个核心法则是，电子离原子核越远，它所拥有的能量越大，越容易脱离原子的影响。

这些电子在轨道中的运动特性为我们提供了一种产生磁场的方法。除了一些例外9，宇宙中的每个电子都处于一个轨道中，或者处于进入一个轨道的过程中。但宇宙还有一条定律便是每个轨道只容得下两个电子，也就是一对电子，而这一对电子又必须以相反的方向旋转10。令人困惑的是，这里描述电子自旋方向的比喻竟来自于制表行业：如果一对指针中的一个是顺时针旋转，那么另一个必须是逆时针旋转。关键点在于一个运动必须抵消另一个运动才能达到平衡。另外，每个轨道也包含在可以容纳固定数量电子对的壳层或组里。

电子在选择所处的轨道时有很强的偏好，它们以高度严谨的方式填补轨道。事实上，它们有严格的行为准则，在移动到另一个外层轨道之前必须先填满一个内层的轨道，只有在特殊情况下才能打破这些准则。回到棒球场的比喻，便是必须先将靠近球场的钻石贵宾区座位坐满，如果还有剩余的电子，再逐行逐行地向看台上更远区域就座。

电子其实不喜欢配对11，它们更愿意在轨道上独自表现，配对是最后的选择。它们会在消耗能量进入更高级的壳层之前就先配好对，这样它们就可以拥有一个属于自己的位置。

我大学有个化学老师，讲课时深入浅出，他常提起年轻时喝啤酒看棒球比赛的经历。他曾经这样描述过电子的排布规律：假设有六个喝完啤酒后急需小便的年轻人，而卫生间内只有三个小便池。那么每队的前三个人都有小便池可用，接下来每队剩下的那个人将会要求和前面的那个人共用一个小便池。其实当有空的小便池时，他们是不愿意和其他人共用的，他们也想每人有一个单独的小便池。而当每个小便池的第二个位置都被占据时，队伍后面双膝紧紧并拢等待的男人们则不得不到楼上去找另外一个卫生间。

虽然每个轨道都有偶数个位置，但并不是每个原子都有偶数个电子。这意味着有时在轨道上会有电子没有配对，它们有专属于自己的位置。人们称它们为“单电子”。在法语里它们被称为“独身者”。

这便是磁力的来源。当材料由具有一个或多个不成对自旋电子的原子组成时，原子本身会产生一个微小的磁场。但是在一些特殊的物质中，这些单独的电子可以在相同的方向上旋转、排列，在一个更大的范围内保持一致性，并放大这种微小的磁场，最终使其影响范围大于自身，在宏观层面上显现出来。在大多数物质中，这个磁场很弱并且转瞬即逝，只能通过精密仪器测量。还有一些物质，其中的磁场相互抵消而不是相互放大。但是一些原子却可以有很强的磁场，最常见的是铁、钴、镍。铁原子在其最外层的填充轨道中有四个不成对的电子，钴原子有三个，镍原子有两个。当这些元素与其他元素结合以构成诸如磁铁矿、赤陶土、玄武岩之类的材料时，材料内的磁场便可以持续很长时间。

因为在相同方向上旋转的不成对电子会产生磁场，所以磁场本身在往一个方向运动这种说法是正确的。事实上也确实如此，与轨道一样，科学家们使用行星运动的语言来描述这种现象。他们说磁铁有南北两极，在极点处磁场最强，磁场运动的方向是从北向南。

沿相同方向运动的磁场会相互排斥，而沿相反方向运动的磁场会相互吸引。它与原子结构中质子和电子的正负电荷相互吸引或排斥的道理相同：即异极相吸，同极相斥。因此，当你试图将一块磁铁的南极贴在另一块磁铁的北极上时，它们会咔哒一声黏在一起，并使磁场增强。但是如果你试着将两个磁铁的南极或北极接在一起，磁铁则会相互排斥，它们坚决拒绝连接在一起。这就是磁铁的基本推拉运动，是它们内部强大而无形的磁场在做着推动和拉动，这种磁场与构成宇宙的场是相同的。

磁场除了具有方向，也具有强度。想象一下，你只有一个原子，那么无论有多少不成对的自旋电子，该场都非常弱，而聚集大量具有不成对自旋电子的原子则会产生更强烈的场。因此，较大的磁铁比较小的磁铁磁力更强。将两块我们刚才说的磁铁的南北极连接在一起，可以产生更强大的磁场。这是说得通的，因为你有更多未配对的自旋电子向着同一方向拉动。

为了完整地描述磁铁或者其产生的磁场，你需要能够弄明白方向和强度。数学家将同时具有大小和方向的量称为矢量12。当我们说矢量上的速度时，它既有大小又有方向。因此，汽车的速度是往东北方向每小时100公里。这与说汽车朝向东北方向行驶（只有方向），或者说汽车每小时行驶100公里（只有大小）是不同的。

宏观上，如果宇宙诞生之时，没有电磁相互作用力这种原力的影响，那么它从原子结构开始就会是一个无法想象、完全不同的世界。