质子和电子

质子和电子

对简单性的追求并非促使物理学家对核结构领域进行研究的唯一动力。根据对放射性材料的实际观测，似乎很显然，至少有些核是必须具有某种结构的，即它们是由更简单的粒子集聚而成的。例如，有些放射性核放出β粒子（电子)，另一些则放出α粒子（氦核)。对于这些放射现象最简单的解释就是：核内部本身就含有更简单的核和电子，而它们由于某些原因偶然会被释放出来。

如果我们确信有些核是由更小的核加上电子组成的，那么很容易就能进一步推断出，所有的核也许都具有这种结构。为了使问题更加简单，我们还可以假设，如果核是由更简单的核组成的话，那么应该由尽可能简单的核组成。

人们已知的最简单的核是氢1的核，其质量数为1，所带电荷为＋1。卢瑟福曾经把氢1的核称为质子。在20世纪20年代，存在着一种普遍的看法，即认为质子是能够带一个正电荷的最小和最简单的粒子。后来，便出现了这样的理论，即原子核也许由质子和电子组成，它们一起被挤压在一个微小的体积内。

从某些放射性原子中放出的α粒子，其质量数为4，因此它可能由4个质子组成，每个质子的质量数均为1。但是，α粒子还带有2个正电荷，而4个质子所带的总电荷为＋4。那么看来在α粒子中，除了4个质子外必定还有2个电子，用来抵消2个正电荷，同时又没有增加什么质量。一个拥有4个质子、2个电子的α粒子就像人们观测到的那样，其质量数为4，所带电荷为＋2。

对于其他的核，也能得出类似的结果。这还可以用以解释同位素。例如：氧16的核，其质量数为16，所带电荷为＋8，因此，它应由16个质子和8个电子组成。氧17的核可以被看作增加了一个质子—电子对，因而质量数增加1而所带电荷不变。总共17个质子和9个电子使得其质量数为17而所带电荷为＋8。同样，氧18的核可以被看作又增加了一个质子—电子对^[1]，因而它由18个质子和10个电子组成，其质量数为18，所带电荷为＋8。

没过多久，物理学家们便成功地运用了这种核结构的质子—电子理论，主要是因为它让宇宙变得非常简单。按照这种理论，宇宙中的所有物体都是由大约100种原子组成的。根据这种观点，每个原子由数量相等的两种类型的亚原子粒子，即质子和电子组成。所有质子均位于核中，而有些电子位于核中，其他电子则环绕在核的周围。

此外，整个宇宙似乎是通过两个场结合在一起的。核是通过质子与电子之间的电磁吸引结合在一起的；原子作为一个整体是通过核与电子之间的电磁吸引结合在一起的。各种不同原子的结合则形成了分子、晶体或者像行星那样大的实体，它们是通过电子从一个原子转移至另一个原子，或通过共享电子结合而成的。那么，有没有不是通过电磁场结合成一体的物质呢？当然有。

气体分子是散布的，相互之间离得较远，只能受到很微弱的电磁力。但是，如果它们仅仅受到这一种力的作用，分子会消散并散布到浩瀚的宇宙空间。气体还会受到其他某些东西的影响而聚集成一个庞大的物体，影响它的就是引力。这就是我们周围的大气能围绕着地球的原因。

然而，引力场是非常弱的，以至于需要一个非常大的物体才能拉住气体。例如，地球上的低沸点液体总有蒸发的趋势，如果引力不够强的话，它们的分子就会逃逸进空间。正因为有地球引力的吸引，我们才能拥有海洋，而月亮就因为不够大，表面上不能存在自由水。

在空间相隔很远距离的物体还能通过引力场结合在一起，如人造卫星与行星、行星与恒星、恒星相互结合在一起组成的星系、星系相互结合在一起组成的星系团。宇宙作为一个整体，确实是依靠引力结合在一起的。

除此之外，电磁场与光子的辐射有关，引力场与引力子的辐射有关，可见整个宇宙似乎是由四种粒子组成的，它们是质子、电子、光子和引力子。质子的质量数为1，电荷为＋1，自旋为＋1/2或-1/2。电子的质量数为0.000 55，电荷为-1，自旋为＋1/2或-1/2。光子的质量数为0，电荷为0，自旋为＋1或-1。引力子的质量数为0，电荷为0，自旋为＋2或-2。

这是多么简单啊！甚至比古希腊时代适用于地球的四元素和属于天体的第五元素观念还要简单。事实上，宇宙再也没有像20世纪20年代的那几年里看上去的那么简单。

实际上那只是一种想使问题变得更简单的伟大尝试而已。为什么应该是两个场：电磁场和引力场呢？难道不会是同一现象的两个方面吗？难道不会是一组方程式说明了两种情况吗？

可以肯定，电磁场和引力场似乎截然不同。电磁场仅涉及带电的粒子，而引力场则涉及所有具有质量的粒子，无论其带电还是不带电。电磁场涉及吸引力和斥力，而引力场只涉及吸引力。对于一对给定的粒子而言，电磁场和引力场两者都对其有作用，但电磁场的强度却是引力场的数万亿亿亿倍。因此，我们在研究一个质子—电子对时，只须考虑两者之间的电磁吸引力；相比之下，引力的作用微不足道。

虽然如此，这种差别不会成为统一的障碍。首先，磁、电和光从表面上看是三种差别很大的现象，而麦克斯韦发现了一组方程式，可以包括全部这三者，显示出它们是同一现象的不同方面。

恰恰是爱因斯坦，花费了他生命中的最后几十年的时间，在其被称为统一场论的理论体系中，试图找到也包含引力场的更加基本的方程式，来完成麦克斯韦的研究工作。但是，正如我们将要看到的那样，他失败了，没能完成这一心愿。

核结构的质子—电子体系本身就没有被坚持下去，因为它包含了一个致命的缺陷。