为了理解空在原子内部是如何开放的,我们打个比方:如果一个氢原子的原子核是一个直径为一米的球体,那么围绕它运行的电子没有乒乓球那么大,但是它离原子核的距离是30公里,而且它的运行速度非常快。从原子核的侧面看,天空似乎充满了这个电子,所以如果从原子的外部看,这个电子已经围绕原子核旋转成了一个直径高达60公里的球体。但在这么大的球体中,只能观测到一个质子和一个电子,总体积不到1立方米。所以,如果把原子比作太阳系,原子内部比太阳系还要宽。
这样我们可能会感受到空原子内部是如何打开的!那么我们可以压缩原子的体积吗?事实上,原子的体积从来都不是确定的。在不同的环境下,它的体积变化很大。事实上,减小一个原子的体积是很容易的,我们平时也经常做这样的事情。
比如我们给自行车打气的时候,当我们把泵里的空气体向下压缩的时候,一个筒管空的压力只是原来体积的一小部分。在这个过程中,原子之间的距离会被压缩,相应原子的电子与原子核之间的距离会被压缩,但幅度相对较小,但原子体积一定会发生变化。
其实不仅仅是抽空气的现象,我们平时看到的很多物理化学现象,比如加热或冻结,或者某些元素发生化学反应的现象,都会引起原子层面的情况变化,也会在一定程度上改变原子的体积。
我们以氢原子为例。太阳系最大的行星木星富含氢元素,木星上氢原子体积变化明显:木星大气中有大量的氢元素,占木星大气的90%。随着木星大气层从表面到底部的加深,氢原子的体积不断缩小,木星大气层的底部是液态氢的海洋,也就是氢已经被压成了液体。这里氢原子的体积会比木星大气中氢原子的体积小很多。液态氢的海洋之下是金属氢,也就是氢已经表现出固态的金属性质,氢原子的体积会比液态氢小。
然而,金属氢不是最小的氢元素。在太阳内部,由于高温高压的作用,较小的氢原子会合成氦原子。太阳老年进化时,氢元素会耗尽,碳氧元素会占绝大多数。因为压力不足以让氧气继续核聚变,太阳会变成白矮星,它巨大的引力会促使电子在原子核之间流动,所以白矮星就像一个等离子球,其中,
但是,能彻底结束原子状态的是中子星。当原始质量在太阳8-30倍之间的大质量恒星发生超新星爆炸时,巨大的压力会直接将电子压入原子核的质子中,形成中子。那么此时如果用“直径60 km空匡原子”的类比来描述这个原子的体积,其实已经从正常状态下的60km大小发生了变化。
中子星可以终结原子状态,但黑洞可以毁灭原子,因为黑洞可以进一步粉碎这个“直径1米的球体”。能压多小?还没有人知道,因为目前我们对黑洞中的世界一无所知。