
“两个物体能够碰到一起吗?”
“那还用说?到处都是挨在一起的东西啊。”
“我的意思是……他们真的互相接触……”
“什么意思?现在我的屁股难道没有接触椅子吗?”
“你说的对,你虽然坐着,但是你的屁股并没有碰到椅子。”
“……”
去年年底在可汗学院学习化学的时候,有一天学到electronic structure of atoms,课上讲到原子外层的电子环绕模型,一个是中学学过的经典结构(classical mechanics),也称为波尔模型(Bohr model),就是电子按照不同的能级,在原子外层以类似星球轨道(orbit)的方式运转而存在;还介绍了一种量子结构(quantum mechanics),就是电子是在空间轨道(orbitals)上,按不同的量子数运转;课上介绍了量子结构的四种量子数,分别以n(principal quantum number)、l(angular momentum quantum number)、ml(magnetic quantum number)、ms(“spin” quantum number)来描述(科学家猜测某些物质有磁性是和其中的某个量子数的形式有关)。
听得似懂非懂,但终于知道了一件事,那就是科学家至今也不知道电子是以何种方式存在的。课后空闲的时候,我有个想法,就是究竟两个物体接触的时候,微观下的接触面是什么样的?譬如我的手指贴在手机屏幕上,从微观的尺度,是不是我的手指皮肤的原子,和屏幕玻璃的原子碰在一起?它们碰在一起的时候,电子(不管它是怎么运动的)不会相互碰撞吗?
时隔不久,我读到一本书,《爆笑科学漫画——物理探秘》(作者:拉里·高尼克 / 阿特·霍夫曼,译者:吴宝俊),里面提到自然界只有四种相互作用力:万有引力、电磁相互作用力、强相互作用力和弱相互作用力,大自然万物都是由这四种自然力构建起来的。其实到1935年为止,人们只知道其中的两种:万有引力和电磁力(有兴趣的同学可以阅读《亚原子世界探秘——物质微观结构巡礼》一书的第十章)。我看了这四种力,就有点纳闷,这四种力怎么没有弹力?就是说如果我坐在椅子上,椅子支撑我的力是什么力?肯定不是万有引力,也不应该是电磁力,也不是强相互作用力(这是指原子核内质子间的聚合力,这种力究竟怎么产生的,竟然比正电荷间的排斥力强得多,Heisenberg通过量子力学有一些思考和概念,但最终的答案只有上帝知道),弱互相作用力就更不可能了(它只是促成某些粒子的转变)。
我的手和手机屏幕之间的作用力是哪一种呢?
前些日子,无意中在油管上看到一个科普视频,题目叫How close can two people physically get?,十分有趣,请先欣赏。
是不是很有意思?弹力应该属于电磁相互作用,同电子之间的互斥和它们在原子内的能级有关。
昨天在可汗上物理课,学到斜面与摩擦力(Inclined planes and friction)这个小单元,萨尔讲课的时候探讨了静摩擦力(static friction)和动摩擦力(kinetic friction),他也从微观的角度说到接触面的问题:
…When you zoom in to the atomic level, almost nothing is completely smooth… So the molecules, when you zoom up really close for the surface, might look something like this… I’m just trying to look at what’s happening with the atoms where they contact, or the molecules where they contact? …it’s actually interesting philosophically — nothing is ever really in contact with each other. You really just have atoms that are repulsing each other, because their electrons the electromagnetic force of repulsion between them is not allowing them to get any close together. So that’s all — when you push something, it’s just the electrons in your hand pushing on the electron — or the electronic clouds in your hand pushing on the electron clouds of the pen you’re holding, or the key on your keyboard, or the mug, so that it repulses it and causes it to go in the other direction. So there’s never any of this thing like, what we imagine in our heads, real contact.— From Intuition on static and kinetic friction comparisons @02分08秒

另外,说到摩擦力,再多说几句。定义和计算公式啥的都好懂,但有一个熟知的现象——静摩擦力要比动摩擦力大(Why static friction is harder to overcome than kinetic friction),这个是为什么,萨尔说他也不知道,只是大概讲了讲他的猜测。课后的一篇知识文档里,在解释什么是摩擦力的时候,还有如下一句话:
But to be completely honest, we still don’t have a complete understanding of the microscopic causes of friction. More recent research in tribology (study of sliding surfaces) suggests that vibration in the surfaces, leading to energy loss through heat, is a main source of friction.
第一次听说tribology这个词,也第一次知道原来如此常见的摩擦力,至今却无人确切地知晓它的来历,心中不由感慨,想到诗篇139篇的一句话“你的作为奇妙,这是我心深知道的”,诗人思想到人的受造,心生敬畏;而此刻的我,用手敲击着键盘,想到在这世上,其实我们从未触碰过任何一样事物,可是摩擦力却真实存在!没有它,世界是无法想象的,但我们却不知道它从哪里来……在最简单的事上,我们依然如同婴孩,“主啊,你的作为奇妙,我心才知一二!”
耶和华的作为本为大,凡喜爱的都必考察!