探索 | 細(xì)說(shuō)電、磁、光

宇宙中并非空無(wú)一物，它更像是一片深邃的海洋。在這片無(wú)垠的宇宙中，存在著一類比基本粒子還要微小的超小粒子，這些超小粒子如同海洋中的水滴，充滿了整個(gè)宇宙。

▏電子

生活中有類似電子的存在，那就是旋渦。在空氣中，有兩種旋渦：氣旋和反氣旋。同樣，在宇宙中，也有兩種電子：電子和反電子。而在生活中中，我們則能看到兩種常見(jiàn)的旋渦：龍卷風(fēng)帶動(dòng)物質(zhì)從地面往天上吹，而水漩渦則將物質(zhì)從水面往水下吸。

正反電子、正負(fù)電子并非實(shí)物，它們其實(shí)是由海子形成的兩種完全相反的旋渦。只不過(guò)它們非常非常小，無(wú)法直接觀察到。正電子、負(fù)電子的吸力、斥力其實(shí)是旋渦的吸力、斥力，只不過(guò)表現(xiàn)形式不同。正電荷、負(fù)電荷是這二者完全相反的性質(zhì)。上吹旋渦為正電荷，下吸旋渦為負(fù)電荷。

夸克理論的錯(cuò)誤在于，夸克并不存在，質(zhì)子、中子是由正電子、負(fù)電子、中微子通過(guò)電磁力結(jié)合形成的。當(dāng)核子（質(zhì)子、中子）破碎時(shí)，它們會(huì)自動(dòng)輻射出正電子、負(fù)電子、中微子、光子（正負(fù)電子湮滅）。

▏原子

原子是由原子核和核外電子組成的，它就像是有大氣層的小行星。越靠近原子核，核外電子越小，風(fēng)力越小，能量越低。越遠(yuǎn)離原子核，核外電子越大，風(fēng)力越大，能量越高。電子云就像是地球上的臺(tái)風(fēng)區(qū)，一個(gè)是形成電子的區(qū)域，一個(gè)是形成臺(tái)風(fēng)的區(qū)域。每個(gè)電子云的正下方都有一個(gè)質(zhì)子。電子云的大小和原子核內(nèi)正電子、負(fù)電子的風(fēng)力大小有關(guān)，也和溫度高低、壓力大小有關(guān)。原子也靠電子云俘獲自由電子，就像臺(tái)風(fēng)吸引著周圍的物體一樣，電子云吸力的大小決定了原子對(duì)核外電子的束縛力的大小。

▏光子

光子其實(shí)是由海子形成的一個(gè)一個(gè)熱云團(tuán)，就像一團(tuán)一團(tuán)的熱空氣。熱云團(tuán)單獨(dú)存在可以看成是粒子，熱云團(tuán)內(nèi)部可以形成波，熱云團(tuán)連在一起也可以形成波，電磁波就是光子形成的波。熱云團(tuán)既可分裂，也可以合并，就像氣體一樣。一個(gè)光子可以分裂成兩個(gè)光子，兩個(gè)光子也可以合并成一個(gè)光子。

需要注意的是，實(shí)際上光子是一團(tuán)一團(tuán)熱海子團(tuán)，像一團(tuán)一團(tuán)熱空氣團(tuán)一樣，但人眼看不見(jiàn)熱空氣團(tuán)。為了便于理解，我們通常把光子稱為熱海子云團(tuán)。電和光的關(guān)系不是輻射和吸收的關(guān)系，而是可以相互轉(zhuǎn)變的關(guān)系。電子可以變成光子，光子也可以變成電子。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一個(gè)正電子和一個(gè)負(fù)電子相撞時(shí)，可以撞成兩個(gè)高能光子，這是電變光的現(xiàn)象。而兩個(gè)高能光子相撞，則可以產(chǎn)生一個(gè)正電子和一個(gè)負(fù)電子，這是光變電的現(xiàn)象。熱海子云團(tuán)和冷海子空氣對(duì)流可以形成小海子旋渦，而上吹小海子旋渦和下吸小海子旋渦就變成了正電子和負(fù)電子。而當(dāng)激光照射真空時(shí)，光子和真空中的冷海子空氣對(duì)流也可以形成小海子旋渦，從而源源不斷地產(chǎn)生正電子和負(fù)電子。熱海子云團(tuán)中的上吹小海子旋渦和下吸小海子旋渦是正電子和負(fù)電子的聚集地，有時(shí)它們無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間存在，會(huì)消散成熱海子云團(tuán)，而熱海子云團(tuán)又變成了光子。

有時(shí)這兩個(gè)電子會(huì)發(fā)生碰撞，結(jié)果可能會(huì)相互摧毀，剩下的殘骸則是兩個(gè)熱海子云團(tuán)，而熱海子云團(tuán)又變成了光子。比如地球上的臺(tái)風(fēng)就是一個(gè)很好的例子，它們會(huì)逐漸消散成云團(tuán)。

當(dāng)光子進(jìn)入原子大氣層（主要是電子云區(qū)域）時(shí)，會(huì)和原子大氣層中的冷海子空氣對(duì)流形成旋渦，這就是電子的形成過(guò)程。這個(gè)過(guò)程就像是原子吸收光子的過(guò)程。一旦電子成為旋渦，它很快就會(huì)消散成熱云團(tuán)，也就是光子，這是原子輻射光子的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程不斷重復(fù)進(jìn)行，原子就會(huì)不斷吸收光子、形成電子、消散電子、輻射光子。

在觀測(cè)者眼中，電子會(huì)突然從一個(gè)位置上消失，然后又突然出現(xiàn)在另一個(gè)位置上，他們會(huì)誤以為是一個(gè)電子在不同空間中跳來(lái)跳去，但實(shí)際上是因?yàn)椴煌恢眯纬傻牟煌郎u。這些旋渦的形成和消散是不確定性的，是概率性的。

原子核像地球的固體核心，原子大氣層像地球的大氣層，核外電子則像地球大氣層中的臺(tái)風(fēng)和旋渦。因此，正確的原子模型應(yīng)該是地球臺(tái)風(fēng)模型。人們一直覺(jué)得電子軌道很怪異，其實(shí)主要是因?yàn)閷?duì)電子的認(rèn)識(shí)不足造成的。如果你把電子當(dāng)成旋渦的形式存在，你會(huì)發(fā)現(xiàn)電子軌道原本就是這樣子的。

▏核外電子的命運(yùn)

光子進(jìn)入原子大氣層（主要是電子云區(qū)域）后，核外電子一般有四種命運(yùn)：一是墜入原子核，與質(zhì)子結(jié)合形成中子，這被稱為軌道電子俘獲；二是能量低，無(wú)法逃脫原子，然后消散成光子，這被稱為發(fā)光；三是能量高，可以逃脫原子，然后變成自由電子，這被稱為發(fā)電；四是形成化學(xué)鍵，將原子結(jié)合在一起形成分子，這被稱為化學(xué)反應(yīng)。

在一般情況下，發(fā)光和發(fā)電通常會(huì)涉及到第二種和第三種情況。形成的電子能量低，無(wú)法逃脫原子，會(huì)發(fā)光。形成的電子能量高，可以逃脫原子，會(huì)發(fā)電。值得注意的是，光電效應(yīng)的本質(zhì)是光變電，是高能光子將原子內(nèi)的自由電子變成自由電子，不是光撞電。材料內(nèi)部的自由電子就是這樣產(chǎn)生的。

▏電場(chǎng)與磁

電子是海子的旋渦態(tài)，磁是海子的流體態(tài)。電子的磁場(chǎng)并非由電子自旋產(chǎn)生，而是因?yàn)殡娮邮莻€(gè)旋渦，就像龍卷風(fēng)可以產(chǎn)生風(fēng)一樣。變化的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。半導(dǎo)體在高溫時(shí)（或受到光照）可以積累自由電子，這就是為什么它導(dǎo)電。導(dǎo)體也可以積累自由電子，導(dǎo)電。

在電壓的作用下，這兩種材料中的自由電子作定向運(yùn)動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。磁是海子的流體態(tài)，像風(fēng)和水一樣流動(dòng)。電磁場(chǎng)（電場(chǎng)、磁場(chǎng)）就是海子的定向流動(dòng)范圍。當(dāng)電子作定向運(yùn)動(dòng)時(shí)，風(fēng)向一致，風(fēng)力就會(huì)疊加，可以吹動(dòng)海子定向流動(dòng)，從而形成電場(chǎng)。而當(dāng)電子作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)，風(fēng)向不一致，風(fēng)力就會(huì)相互抵消，無(wú)法吹動(dòng)海子定向流動(dòng)，所以無(wú)法形成電場(chǎng)。電磁場(chǎng)的存在可以為電子補(bǔ)充能量。

磁是海子的流體態(tài)，像風(fēng)和水一樣流動(dòng)。在物質(zhì)材料中，分子或原子基本單元中的電子（核外負(fù)電子、化學(xué)鍵電子）是旋渦。只要旋渦有風(fēng)力，就可以吹動(dòng)海子流動(dòng)，從而形成磁場(chǎng)。當(dāng)大量基本單元組成集團(tuán)結(jié)構(gòu)后，所有基本單元形成的磁場(chǎng)都同向整齊排列（電子風(fēng)向一致），這樣的集團(tuán)被稱為磁疇。由于電子旋渦的風(fēng)向一致性，所以磁疇有方向。

磁體和非磁體的區(qū)別在于磁疇的方向是否一致。在磁體中，磁疇方向一致，意味著電子的風(fēng)向一致，風(fēng)力就會(huì)疊加，可以吹動(dòng)海子定向流動(dòng)，形成磁場(chǎng)。而在非磁體中，磁疇方向不一致，意味著電子的風(fēng)向不一致，風(fēng)力就會(huì)相互抵消，無(wú)法吹動(dòng)海子定向流動(dòng)。

輸電本質(zhì)上就是載流子（一般指電子）對(duì)電場(chǎng)的傳輸。電場(chǎng)再帶動(dòng)載流子運(yùn)動(dòng)，說(shuō)白了就是電子定向運(yùn)動(dòng)吹動(dòng)海子定向流動(dòng)，海子定向流動(dòng)再帶動(dòng)電子定向運(yùn)動(dòng)。磁場(chǎng)是由海子的流動(dòng)產(chǎn)生的。因此，輸電過(guò)程中電流的大小、方向和磁場(chǎng)強(qiáng)度密切相關(guān)（注意：電磁場(chǎng)可以給電子補(bǔ)充能量）。

▏超導(dǎo)體

水在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、0℃以下就會(huì)結(jié)冰。如果是60℃的熱水，我們可以在不降溫的情況下，加壓到16500個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，這時(shí)水也能變成冰。不過(guò)想要得到冰，要么得低溫，0℃以下，要么得高壓，幾萬(wàn)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。而要得到超導(dǎo)體，要么需要超低溫，要么需要超高壓，幾百萬(wàn)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

其實(shí)超導(dǎo)體和冰的特性很相似。海子也會(huì)結(jié)冰，所以超導(dǎo)體的性質(zhì)和冰的性質(zhì)一模一樣，所以超導(dǎo)體是一塊海子冰。然而，人類永遠(yuǎn)無(wú)法在常溫常壓下得到超導(dǎo)體，因?yàn)槌瑢?dǎo)體就如同一塊海子冰，海子在常溫常壓下是無(wú)法結(jié)冰的。

原子通過(guò)電子云俘獲電子，所以電子云可以影響電子，導(dǎo)致電子定向運(yùn)動(dòng)變慢，形成電阻。原子核內(nèi)也有電子，電子是旋渦，旋渦會(huì)產(chǎn)生風(fēng)力，溫度可以影響電子風(fēng)力，高溫風(fēng)大、低溫風(fēng)小。在超低溫環(huán)境中，原子核能量變低，核內(nèi)電子風(fēng)力變小，導(dǎo)致電子云縮小。另外，海子結(jié)冰了，這塊冰是有縫隙的，電子在冰縫中運(yùn)動(dòng)，冰把電子和縮小后的電子云隔離開(kāi)來(lái)，但電子運(yùn)動(dòng)不受電子云影響，所以呈現(xiàn)0電阻狀態(tài)。由于電子的風(fēng)力也無(wú)法帶動(dòng)原子運(yùn)動(dòng)，電子也無(wú)法消散成光子，所以超導(dǎo)體通電時(shí)不發(fā)熱、不發(fā)光。

磁是海子的流體態(tài)，像風(fēng)和水一樣流動(dòng)。電磁場(chǎng)是海子的定向流動(dòng)范圍。超導(dǎo)體的完全抗磁性，也就是邁斯納效應(yīng)，磁力線無(wú)法穿透超導(dǎo)體，這說(shuō)明磁力線被超導(dǎo)體擋住了，就像冰擋住了水。磁力線的本質(zhì)是一股一股的海子流，像一股一股的水流，能擋住水的只有冰。超導(dǎo)體如同一塊海子冰，當(dāng)溫度太高時(shí)，冰會(huì)融化。因此，超導(dǎo)體有一個(gè)臨界轉(zhuǎn)變溫度。

超導(dǎo)體如同一塊海子冰，把超導(dǎo)體放在磁場(chǎng)中，就如同把冰放在水流中。如果水流太猛，冰就會(huì)融化，所以超導(dǎo)體有一個(gè)臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度。超導(dǎo)體如同一塊海子冰，電子是由海子形成的旋渦。在超導(dǎo)體中加入電流，就如同在冰縫中注入水和水漩渦。水和水漩渦太多的話，冰就會(huì)融化，所以超導(dǎo)體有一個(gè)臨界電流密度。

第一類超導(dǎo)體和第二類超導(dǎo)體在材料上是有明顯區(qū)別的。第一類超導(dǎo)體是單質(zhì)，而第二類超導(dǎo)體是合金或者化合物。這導(dǎo)致它們的熔化情況不同，進(jìn)而影響它們?cè)诖艌?chǎng)中的表現(xiàn)。第一類超導(dǎo)體的熔點(diǎn)一樣，同時(shí)熔化，無(wú)法形成貫穿的熔洞，磁無(wú)法穿透，直到完全熔化，才完全變成正常態(tài)。而第二類超導(dǎo)體由多種元素組成，熔點(diǎn)不一樣。有的元素熔點(diǎn)低，會(huì)在一定程度上形成貫穿的熔洞。這使得磁可以通過(guò)熔洞穿透超導(dǎo)體直至完全穿透。此時(shí)第二類超導(dǎo)體被鎖定在磁場(chǎng)中無(wú)法動(dòng)彈。這就是量子鎖定現(xiàn)象。

（圖片源自網(wǎng)絡(luò)）

作者 | 幾維鳥畢業(yè)于新西蘭林肯大學(xué)。對(duì)大眾科普知識(shí)擁有濃厚興趣，曾在多個(gè)科普期刊上發(fā)表過(guò)科普文章。關(guān)注事實(shí)，積極探索前沿科技。