撰文 | 云风 ◈ 图源 | Internet
原子中可能存在生物的观点由来已久了，这与我们对原子的一种描述方式有关。
大多数情况下，我们对原子的描述都是“电子围着原子核旋转”，这种描述方式极易让人联想到地球围绕着太阳。既然原子看上去与太阳系差不多，上面有生物的设想也是合情合理的。
不仅向下联想很合理，向上联想也同样合理，因此有人甚至联想到了太阳系只是组成某个巨星生物的一颗原子，我们只是生活在它的体内而已。
然而这两种观点都是错误的，因为“电子围着原子核旋转”这种描述本身就是错误的，之所以没有摒弃，是由于原子在化学反应中是无法分割的，因此从化学层面而言，没有必要为了追求严谨而过于繁琐地描述原子的形态。
可是对于更加微观的量子力学来说，情况就有所不同了，所以让我们从量子力学的角度出发，去看一看原子模型的发展始末。
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汤圆模型
道尔顿的原子模型▲
这是一个无比伟大的错误，因为它是世界上“第一个原子模型”，可以说是人类与原子的初次相遇。
无论正确与否，世间所有的“初次”都值得被铭记，承认吗？
我没有开车。
在这个模型中，原子是一个汤圆，并且是没馅儿的纯粹实心的汤圆，它具有两大特性：其一是不可分割，这在化学层面来说的确如此；再就是同一种元素中的原子，质量和性质完全相同。
这种实心圆球的原子模型被称为“道尔顿模型”，是英国科学家约翰·道尔顿于1803年提出来的。它真正的伟大之处在于让外国的科学家吃上了汤圆……
不对，它真正的伟大之处在于将原子从哲学引入了科学研究，让化学彻底从炼金术中脱离了出来，因此约翰·道尔顿也被誉为“近代化学之父”。
这可能是不敢跟中国人抢“汤圆之父”的缘故。
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麻圆模型
美味的，哦不，汤姆逊的原子模型▲
这一模型的提出，有赖于有科学家发现了比原子更细小的东西——电子的存在。
在外国的科学家们吃了100年没馅儿的汤圆之后，终于有人实在是受不了了，并在1904年提出了新的解决方案：咱应该在汤圆上加一些芝麻！
这个受不了实心汤圆的人，是英国的物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊——此人正是电子的发现者，于1897年发现了电子。
其实汤姆逊并不认为电子是粘在原子核表面的，而是“均匀分布”在原子内部的，相较于麻圆，它更像是一个西瓜，所以“汤姆逊模型”也被称为“西瓜模型”。
不过西瓜子儿是随机分布在瓜瓤中的，但在“汤姆逊模型”中，电子是完全均匀地分布在原子中的，它们在受到激发时会飞出原子，从而产生阴极射线。
实际上在“汤姆逊模型”中，所谓的原子就是均匀分布在一个球状区域中的N个电子，除外并无其他东西了，因为此时人类还没有意识到原子核的存在。
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太阳系模型
卢瑟福的原子模型▲
这大概是最广为人知的原子模型了，它甚至曾一度成为了象征科学的标识。
大约在七八十年代的时候，但凡在大街小巷遇到与科学有关的宣传物，就一定能见到它的身影（但或许很多人并没有意识到这个图案来自于原子的模型）。
也正是由于这一模型的提出，才导致了文章开头所提到的那两大设想，在这一模型中，原子的形态确实与恒星系一模一样——电子在“距离很远”的轨道上围绕着原子核旋转。
谢天谢地，科学家们终于不惦记吃了。
这个星系式的原子模型也算是一项无比伟大的错误，尽管它仍然错误地描述了电子，却让人类初次意识到了原子核的存在。
这一模型是汤姆逊的学生，英国物理学家欧内斯特·卢瑟福1911年提出来的，因为他觉得老师做的麻圆不好吃。
卢瑟福在使用α粒子（放射性物质产生的一种高能放射性粒子）轰击超薄金箔的多次实验中，发现了一个问题：绝大部分被发射出去的α粒子只有大约2°到3°的反射角；可的确有1/8000的α粒子以大于90°、甚至以180°的大角度被反射了回来。
这就好比一颗台球撞到另一颗台球时只会以小角度偏离路径，不可能被大角度反弹回来（打缩竿这种神操作者滚……），大角度反弹就说明它一定撞到了某个质量比它大得多的东西。这个东西就是位于原子中心的原子核，人们也正是由此现象才意识到了原子核的存在。
此外，一大束α粒子被发射出去后，只有极小一部分被反弹回来，则说明原子核在整个原子体积中的占比很小，因此卢瑟福便认为，原子的形态就是N个电子在距离很远的轨道上围绕着原子核运动，就如同行星围绕恒星那样，所以这一模型也被称为“行星模型”。
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量子化模型
撰文 | 云风 ◈ 图源 | Internet
玻尔的原子模型▲
这种原子模型看上去跟“行星模型”差不多，都是电子沿着轨道围绕原子核运动，唯一的不同之处在于，电子拥有了一种“闪现技能”。
因为一位名字特别长的丹麦物理学家——尼尔斯·亨利克·戴维·玻尔在详细计算了卢瑟福的行星模型之后，发现到了一个十分严重的问题：电子如果以行星的方式始终沿一条轨道做环绕运动，它存在的时间会非常短，短到连他的全名都念不完就会沿螺旋线“坠毁”在原子核中。
这不难想到，因为在运行过程中能量必然会逐渐消耗嘛。
这一发现就充分地说明玻尔的全名真的太长了……咳，说明卢瑟福的行星模型是不完备的，电子不可能如此短命，否则整个宇宙就崩塌了。
既然电子不能短命，卢瑟福的“行星模型”就只能短命了——它在量子力学中仅仅存活了两年，就于1913年被玻尔提出的新模型顶替了。
玻尔认为，电子的确是在原子核之外的轨道上运行，但是在运行的过程中会在各条轨道上不断跃迁（闪现）。它会从一条轨道上消失并立刻出现在另一条轨道上，而不不需要从轨道之间的任何位置经过。
电子在具有不同能量时会位于不同的轨道，它在靠近原子核的轨道上会吸收到能量，从而跃迁到高级的轨道上。与此同时，电子在位于轨道上的时候，也不会辐射或吸收能量，只有在跃迁的那一瞬间才会辐射或吸收能量。
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棉花糖模型
“概率云”原子模型▲
实在想不到，这帮吃货科学家绕了一大圈之后，最终还是回到了吃上面。这算是千里之行始于足下，最终却不过叶落归根吗？
总而言之，这坨棉花糖便是最新的原子模型了，也是目前量子力学领域公认的原子模型，我们暂且可以认为它是正确的（在更正确的模型被提出之前）。
在这个棉花糖中，电子不再做任何运动，而是以一种“概率云”的形式紧紧地包裹在原子核的外面，它在任意时间都存在于这个“概率云”的任意位置。
这个模型不好说是由哪一个人提出的，但它与德国物理学——沃纳·卡尔·海森堡提出的“不确定性原理”有着无比密切的关系。
“不确定性原理”是指电子（也包括任何粒子）的位置和速度是不确定的，我们不可能同时测量出它的速度和位置——测量位置就无法得到速度，测量速度就无法得到位置。并且，这与科技或仪器的先进与否无关，因为无论多先进的技术手段，都无法避免测量行为会对粒子状态所造成的干扰。
我们唯一能确定的是，这块棉花糖的大小必然大于或等于普朗克常数除于4π，也就是ΔxΔp≥h/4π。
哦不，我们还能确定的是，在这样一块棉花糖中根本就没有生物的容身之处，太阳系的形态也跟原子截然不同……
从原子模型的演化历程中，我们可以大致窥探到科学研究是在不断提出设想，然后又不断验证并纠正这些设想的旅途中缓步前行的。
在这一过程中难免会出现不少的错误，但从整体上看，一代代科学家们的确是在一步一个脚印地让人类愈来愈接近真相，因此每一个错误的结果，都可以被视作一个伟大的里程碑。
以这样的视角来看，每一位理论提出者，都是接着上一位理论提出者手中的火炬在继续向前奔跑，这使得科学发展的道路就宛如一场接力赛道。
幸而，人类当中有一群卓越的科学家在这条赛道中不断前行，人类社会才变得越来越美好，今天的我们才可以选择乘坐飞机前往千里之外的城市，而不必在马背上颠簸数月。
