[科普中国]-质子自传

我不知道我是在何时何地出现的。根据旁边目睹了这一切的同伴们的说法，和他们这些质子的诞生过程一样，我也是由两个上夸克和一个下夸克通过某种力量结合在一起而产生的。但我对这些并不是很感兴趣，只是觉得四周十分燥热，我和周围的粒子们都在剧烈地平移、旋转、振动①。我认识了很多比我小得多的电子、轻得似乎没有质量的中微子以及一些和我差不多的中子……然而还没等我熟悉他们，他们就快速地离我远去，徒留我在越来越空旷越来越寒冷的地方逐渐减慢运动的速度②。我望着他们渐行渐远的身影，无限落寞油然而生。奇怪的是，我还能经常看到一些粒子和反粒子碰撞后就马上湮灭了，发出的巨大的能量亮得使我睁不开眼，也激得周围的粒子们更加骚动。这些几乎是在一瞬间完成的事情③，对于刚出现不久的我来说却像一生那么漫长。我开始担心自己会不会和他们一样，划过璀璨光芒④之后溘然长逝。但我的担心是多余的，比起和反质子一起湮灭，我更应该担心另一个问题——孤独。

刚来到世间不久就已举目无亲，四顾茫茫空无一物，我还没来得及从他们那里学会这个世界运行的规律，也还没明白自己为何出现，之后又该何去何从，那时我只能绝望地独自徘徊在苍茫宇宙。旋转，跳跃，我闭着眼默默调整着自己的动作，编排着一出出注定没有观众的独舞。前不见古人，后不见来者。念天地之悠悠，独怆然而涕下。这或许是我当时心情的最佳写照了。往昔的粒子们都去哪儿了？未来也会如此一成不变吗？没有其他东西的指点，我完全想不通，然而不想这些却又实在无聊的紧，只得让我的思绪都被这些似乎永远也想不明白的问题侵占，若是有其他粒子们的陪伴该多好，哪怕只有一个，也好过我自己从时间的起点一直生活到永恒的终结⑤。

注释：

1. 宇宙大爆炸初期温度十分高，温度越高分子热运动（平移、旋转、振动）越剧烈，或者说在微观状态下温度就是表现为粒子的运动的统计平均。

2. 大爆炸发生后1s-10s（“s”代表“秒”），宇宙迅速膨胀，温度从10^10 K下降到10^9 K。其中K为开尔文，摄氏度+273.15=开尔文，如27℃对应于300.15K。虽然摄氏度和开尔文之间的换算只需要加一个常数，但是二者的定义方式完全不同。

3. 大概在1s之内。

4. 其实正反物质湮灭后产生的是高能γ射线，人眼不可见。反物质：是某个特性和正物质相反的物质。比如说质子的反物质——反质子就是带负电但质量和其他性质与质子相同的粒子，反电子也类似。不过其他物质的反物质可能并不是电荷相反这么简单。

5. 目前推测质子可能的最小的平均寿命（2*10^29年）大于宇宙的年龄（1.3*10^10年）。

就在我放弃了寻找伙伴的渺茫希望时，一个身影映入我眼帘。尽管我和大部队分开的时间是如此之久，但我还是能从他与我相仿的身形中认出他是中子①。我向他移动过去，突然感觉到有某种力量把我拉向他，等到近得即将相撞时，又感觉到一股力量阻止我接近他②。

“好幸运，竟然能在这遇见你。”中子说。

“我也觉得很幸运，你不知道我独自在这里飘荡了多久，终于遇见了一个可以说话的东西了。”我十分激动地说。

“我们感到幸运的地方可能不同，如果再过一会儿还没有与你相互作用的话，我将不复存在了。”

“什么意思？”

“我会变成质子并释放出一个电子和一个反中微子③。”

“你为什么会变成我的同类？”

“我也不知道，我只是见过和我一起同行的中子们有些忽然就变了，而他们附近和质子结合在一起的中子过了很长时间都没有变成其他的东西。”

“所以你才会突然把我拉向你防止我逃走，之后发现我没有离开的意思又推开我让我不离你太近？”

“这不是我干的。我也不知道为什么会这样，而且不是每个中子和质子都会有这种力，据说只有自旋平行的才会感觉到比较强的力。”

“自旋是什么④？”

“你可以理解为自己绕着自己旋转。”

“可是我们并没有自己绕着自己转啊⑤？”

“只是想象而已，至于具体是什么我也不知道⑥。”

接下来的一长段时间里，我都沉浸在中子的冒险历程中，虽然他比我出现得晚，但他是与一大堆中子一起扩散，旅途见闻比我这个独行者丰富得多。但我对于中子所说的一切都有些半信半疑，没有亲身经历过，只靠我孤独的游荡之旅怎么都无法想象他描述的那些场景，但是当故事听却很不错。

“既然和中子群们一起的经历那么有趣，为什么你最后单独飞出来了呢？”

“我也不想的，只是我旁边的那个中子毫无征兆地衰变了，释放出来的能量将我震飞，还是向着远离大部队的方向。”

“那你和我在一起了，是不是就不会毫无征兆地衰变呢？”

“我不知道，可能只是能以中子的形态存在得久一些。如果只是我们那些中子们在一起，每过一段相同的时间，我们之中可能就会只剩一半成员⑦。尽管如此，我们却推测不出某个时刻哪些中子会衰变，也不知道我或者其他中子们什么时候会衰变⑧。”我被中子绕晕了，不过还是保持微笑假装听懂了的样子。

“我以前有一个朋友，我刚加入中子群时谁都不认识，也因为太过羞涩不敢去结交他们，是他最初来和我搭话，把我介绍给其他的中子们，就连我和你讲的那些故事，一大半都是他曾经和我讲过的。可是有一次，我们正在互相问着脑筋急转弯，他突然很严肃地问了我一个问题‘你知道什么东西能解答所有的问题吗？’我冥思苦想许久也猜不出来，他看着我的样子哈哈大笑，说着：‘这是我瞎编的一个问题，我来告诉你吧，这个东西就是……’话音未落，它的身体猝不及防地爆裂开来，变成了飞散的质子、电子和中微子，朝着不同的方向远去。而受到惊吓的我，只能眼睁睁地看着这一切发生，甚至连句道别也来不及说。”中子看着有些失落，这使我觉得这段故事很可能不是他胡编乱造的。

“那么你现在知道什么东西能解答所有的问题吗？”我问中子。“不知道，我每次思考这个问题时，脑海中总会浮现出他该开始大笑着而后突然爆裂的情景，我不忍回想。”中子苦笑着，无奈地说。

我俩相伴了许多时光，我觉得应该比我独自游荡的时间要长许多，不过有中子有故事，我并不在乎晃悠了多久。浩瀚无垠的大背景下，我们想去哪便去哪，反正哪里都几乎没有区别，我甚至怀疑整个世界只剩下了我和他，直到一个电子的加入⑨。

注释：

1. 质子和中子的质量及大小都相似，只是前者带正电后者不带电。

2. 大爆炸发生后10s-10^13 s（约380千年），质子和中子开始形成原子核。核力（原子核中的力）是短程力，只有在几个飞米（大概是原子核的线度，1飞米-15米，飞米是为了纪念意大利物理学家费米而设立的长度单位，我也不知道为什么不翻译成费米┓( ´∀` )┏）内才发生作用；核力是强相互作用力，而且在距离较远时表现为吸引力，在距离较近时表现为排斥力。然而到目前为止，关于核力是怎么产生的及其具体的表达式是什么等基本问题依然没有答案。

3. 中子的衰变，自由中子的半衰期约为10分钟11秒（半衰期：当很多很多很多中子或其他会发生衰变的某种粒子聚集在一起时，其中有一半的粒子发生衰变所需要的时间）。但是与质子结合在一起的原子核中的中子衰变的概率会小很多。中微子：中微子是一种中性的质量极小的基本粒子，在自然界中广泛存在但与物质的相互作用十分微弱。

4. 核自旋：1924年，泡利为了解释原子光谱的超精细结构，提出了原子核作为一个整体必须有自旋的假设。但是直到1932年查德威克发现中子之后，人们才理解核自旋的起源，质子和中子都是费米子（自旋为1/2的奇数倍的粒子叫做费米子，为偶数倍的粒子叫做玻色子），所以原子核的自旋应该是中子和质子的轨道角动量和自旋之和。电子自旋：根据施特恩-盖拉赫实验中氢原子束出现偶数分裂的实验结果，两位荷兰学生乌仑贝克和古兹米特提出了电子自旋的概念。

5. 如果假设电子自旋是电子绕着自己转的话，为了达到1/2的自旋角动量，通过计算可以得出电子边缘的线速度将会超过光速，所以电子自旋的概念一提出就遭到了很多质疑，但是这个概念能很好地解释很多实验现象，因此保留下来。（等等，不是说质子和中子的自旋吗？现在电子还没正式出场呢！啊咧，就算下章预告吧。）

6. 我也不知道。

7. 半衰期是指放射性核素衰变其原有核数一半所需的时间，这是一个统计学上的概念，需要粒子数足够多才有意义。如果最开始粒子数为N的话，那么经过时间t之后还剩下的粒子数为N*e-λt, 其中λ代表粒子在单位时间内发生衰变的概率，当e-λt/2时的t的取值就是半衰期。

8. 任何一个中子在什么时候衰变是不可预告的，但是它在任意时刻的衰变概率是可以预知的。不仅对于中子，对于其他能衰变的粒子也一样。可以类比抛一枚硬币，你不能预知它落下后会正面朝上还是反面朝上，但是你可以预知二者的概率都是1/2。（或许有人会说理想情况下知道硬币的初速度、受力情况、空气密度等再根据流体力学经过一通暴算也是可以预知硬币落下时会正面朝上还是反面朝上的，emmm,我只是举个例子方便你们理解，你们那么认真干嘛。）

9. 大爆炸发生38万年后，电子开始和原子核形成中性的原子。那为什么之前不形成呢？因为要给中子和质子单独相处的机会（划掉），因为之前宇宙的温度太高，就算电子想和原子核形成原子，也会因能量太高而电离出去，离开原子核的束缚变成自由电子。

电子是个小不点，再加上他离我们很远，更加显得他的身量小了。他说他本来在太空中练习快速飞行技术，却被我们拉着偏离了原来的航向，现在只能围着我们团团转。

“我可没拉着你，都是质子干的。我不带电，我们之间的万有引力和你俩个之间正负电荷的相互吸引的库仑力相比就可以直接忽略了①。”中子撇清关系的同时还不忘说一些我根本听不懂的话。不过他这样一说，我倒是感觉到了好像真的有将我拉向电子的力，但十分微弱，与当初和中子之间的强相互作用力根本无法相提并论。我不禁问道：“如果是我和电子有相互吸引的力，为什么我没有受影响被他拉过去呢？”这惹来了电子的嘲笑：“因为你太重啦！我这么娇小的身躯怎么可能拖得动你们这两个黏在一起的大块头呢！②”

“我们才没有黏在一起，我们都很矜持一靠近就会相互排斥的。”我觉得有必要向电子澄清我和中子的关系，否则被他误认为我俩在他面前秀恩爱就不太好了。电子却很顽固：“反正从我这里看了你们就是黏在一起的，我只相信眼见为实。”中子尴尬地岔开话题：“你开始说你在练习快速飞行技术，我觉得你已经飞得很快了，为什么还要练习呢？”

“哪里快了，比光子差远了！都怪质子突然出现在附近，本来可以直道飞行，现在却要围着你们转圈圈，我从出现到现在还没遇到过这么憋屈的事呢。”

“反正你永远超过不了光子的，不对，是连和他一样快都不可能。”中子说出了残酷的事实。

“哼，就算这样，我也要一直转下去。”

电子的确说到做到，即使在说话的当儿他也仍在不停地绕着我们旋转。我们想对着他说话就得不停地转向，关键是他并非绕着我们转标准的圆圈，取而代之的的一个奇奇怪怪的绕行方式③。起初我们很难找到他的确切的位置，之后中子找到了规律，虽然我们不知道他具体会出现在哪里，但是中子发现他在每个位置出现的概率大不相同，找到他出现的概率比较大的地方，我们和他面对面谈话的次数终于多了起来。而中子也成功地用自己精彩的故事吸引住了他，热爱自由的他尽管仍在以不同的概率出现在我们附近的不同位置，但是却没有什么想离开的碎碎念了。中子讲得绘声绘色，很多故事我都不知道听了多少遍，但是依然听得津津有味。

“啊啊啊，你们有没有发现什么不对劲的地方？”电子突然问道。

“怎么了？”我和中子异口同声。

“没有光子了！以前我独自飞行加速的时候都会有光子出来的④，自从被你们捉住，不管我怎么加速都没有光子出现啦。”

“为什么会这样？”

“我刚才不是在问你们吗？我还以为见多识广的中子知道呢！”

“我虽然不知道为什么，但我知道你应该感到庆幸你没有发出光子。发出的光子会带走你的一部分能量，能量越来越低的你最后会一头撞向我们⑤。”中子无可奈何。

“哦，我终于知道我为什么永远也追不上光子了！每次我一加速，卑鄙的光子就会偷走我的一部分能量。”电子愤愤不平的说道。

“听起来好像很有道理的样子，但是你仔细想想，就算他带走了你的一部分能量你还是加速了的。所以根本原因不是光子卑鄙，而是因为你有质量。”

“这么小的质量都不行吗？”

“不可以，只要你有质量，当你的速度接近于光速的话你的质量就会变得非常非常大，最后无论多大的力都不能让你加速了⑥。”

“真是悲伤，中子你为什么要讲得这么清楚，一点希望都不留给人家。”电子似乎真的被打击到了，低沉地转移话题，“那光子既然会带走我的能量，有没有可能送回来呢？”

注释：

1. 两个物体间的万有引力F=G*m1*m2/r^2，其中G为万有引力常量，数值约为6.67*10^-11m^3/(kg*s),由卡文迪许在1789年用扭秤法测得，质子和中子的质量约为10^-27kg量级，电子的质量约为10^-31kg量级，由此可以估算出中子和电子之间的万有引力大小约为10^-69N*m^2/r^2;两带电物体间的库仑力大小为F=k*q1*q2/r^2,静电常量k=1/(4πε0)≈9*10^-9N*m^2/C^2，可以使用和卡文迪许扭秤法类似的库伦扭秤法测量出来,质子和电子所带的电荷量都为一个元电荷e=1.6*10^-19C,因此可以估算出质子和电子间的库仑力大小约为10^-48N*m^2/r^2（和上一个分号前面的数据比较一下，你会发现它们的十上面的指数相差很多）。而质子和中子与电子间的距离r可以近似认为是相等的，所以中子和电子间的万有引力要远远小于质子和电子之间正负电荷的相互吸引力（成功帮中子把锅甩给了质子）。

2. 如果你上面这一大堆推导都不愿看的话，那么你只需要看到一堆“约为”“估算”“近似”就行了，并非我不愿按计算器（明明就是），只是真正的物理学家们也是这么睿（流）智（氓），总是做一大堆符合物理条件的近似，先猜它们在理想状况下会是什么样子再合理外推（你们或许知道“真空中的球形鸡”这个笑话）。

3. 质量越大惯性越大，虽然质子和电子所受到的电荷间的相互吸引力是一样大小的，但是质量比电子大得多的质子更不容易受这个力的影响而移动，而更轻的电子则一下子就被质子拉过去了。

4. 卢瑟福根据α粒子散射实验提出了原子的“行星模型”（电子像行星一样绕着原子核转），但实际上电子并非绕着原子核做圆周运动，而是以不同的概率出现在原子核附近的区域，这些概率不同的区域可以形象地称之为“电子云”。尽管如此，很多时候为了研究问题的方便，依然可以认为电子绕着原子核做圆周运动。后面质子和中子找到电子出现概率比较大的地方然后舒服地对话纯属剧情需要，实际上应该是不可能的，因为根据不确定性原理，在微观世界的电子的位置确定了，他的动量（速度）就会有很大的不确定性。也就是说，即使质子中子找到了电子出现概率较大的地方，如果电子正好待在那里，由于动量的不确定他马上就会跑远了。

5. 变化的电场会产生磁场，加速飞行的电子相当于一根通着电流不断变化的导线，导线周围会产生磁场，如果电子的加速度不是恒定的话，电流的变化就不是恒定的，其所产生的变化的磁场又会产生电场……如此循环，传播出去的电场和磁场就形成了电磁波（光就是电磁波）。讲得可能不太清楚，但是把电动力学的公式放出来肯定会更加迷糊。如果电子在弯道加速的话，同样会辐射出电磁波，这原本是让希望电子能在加速器中接近光速的物理学家们头痛不已的问题，因为辐射出的电磁波会带走一部分能量。然而辐射出的电磁波却能有很大的用处，它的频率和电子的加速度相关，通过改变电子的加速度就能得到不同频率的光，用来作为各种实验的光源，于是外形极具科幻感的同步辐射光源就应运而生了。

6. 根据经典电动力学（4中所述），如果按照卢瑟福所提出的“行星模型”，电子在轨道上运动时会辐射出电磁波消耗能量，能量越来越低的电子最终会撞到原子核上。所以之后丹麦物理学家玻尔又根据中国的阴阳理论（是的你们没看错，玻尔甚至在自己的族徽中以太极图作为中心图案），提出了半经典半量子的轨道分立的概念。即电子是沿着分立的圆轨道绕着原子核旋转，旋转时不辐射电磁波，只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时才会辐射出电磁波（释放出光子）。虽然有点强行设定，但是玻尔的原子模型在解决实际问题上很有用。当然电子的真实运行情况应该是用量子力学中薛定谔方程算出来的“电子云”更加合理，但是玻尔的时代薛定谔还未登场。

7. 根据爱因斯坦提出的狭义相对论，m’=m/（1-v^2/c^2）^1/2, m’为物体的动质量，m为物体静止时的质量，v为物体的运动速度，c为光速，由没排版好的公式可以不明显地看到当物体的运动速度接近于光速时，分母接近于0，所以此时物体的质量会变得近似于无穷大，由a=F/m可知，无论给它多大的力，都很难使它加速了。

电子话音未落，只见一大束不同颜色的光子飞速而来①。奇怪的是，有些光子撞在电子身上什么事情也没有发生，而其中某个光子刚刚挨着电子便与电子融为一体②。当这些不速之客走远之后，我们想看看吸收了一个光子的电子有什么变化，却发现之前寻了好久规律的电子出现概率已经不适用了，电子依旧在我们周围运动着，只是有时候觉得离我们更远了一些③。我和中子花了一些时间才终于又找到他在每个位置出现的大致概率，和他舒服地对话。

我忍不住问道：“你刚刚……是吃了一个光子？”

电子却很无辜地回答：“我又不是故意的，是他自己撞上来的。”

“我不是这个意思，我是想问光子竟然真的能回到你身体里？”

“你不是都看到了吗？”电子有些不太耐烦。

“你为什么只挑这一个光子下手呢？之前应该有很多光子撞在你身上的。”

“我也想将他们全部抓住补回我之前的能量，可是不知道为什么，在他们之中我只能吸收这一个光子。”

正说着，一个光子从电子身上窜了出来，迅速逃离消失在了远方。电子的运动又变为一种前所未见的行迹，我们还没来得及找出他的分布规律，便见到又一个光子飞出不见。而此时电子恢复了最初的绕行方式，我暗自庆幸不用再进行枯燥的找电子出现概率的过程了④。

“好不容易觉得离你们远一些有离开的希望了。吝啬的光子，不过吸收了一个而已，我放他出来便罢了，他还要再拉出一个同伴。”

“可是你的能量和吸收光子前并没有什么区别啊，你还是和最初一样绕着我们转。”中子这话不知道是安慰他还是在挖苦他。

之后，每当有光照射过来，尽管知道毫无意义，尽管只能吸收一些特定的光子，电子仍坚持不懈地吸收所有他所能吸收的撞到他身上的光子。电子变成另外一种绕行方式不久就陆续释放出一个甚至好几个光子，然后又跌回最开始的运动。如果幸运的话，他也是有可能捉住光子在更高的轨道上待很长时间的，但这也是暂时的，一旦有和被他捉住的光子频率一样的光子扎堆过来，团结的光子群们就会带走被电子捉住的光子⑤。而我和中子在接下来的时间里都要忍受掉回原来绕行轨道上的电子的牢骚。如果不是知道他想离开，我们还会误以为他在乐此不疲地玩着抓光子的游戏呢。

一个平平无奇的日子，和往常一样，又有一大群光子飞来，这次很巧第一个撞上的光子就被电子吸收，我们原以为这次也会电子也会和以前一样徒劳无功，然而出乎我们的预料，电子越飞越远了。我们静静地等着他扔出几个光子再回来，却再也没有等到⑥。

“他终于得偿所愿了。”中子似乎为他感到高兴。

“原来他那么想离开我们。”我有些失落。

“他那时可能自己也不知道发生了什么吧，毕竟失败了那么多次，谁知道这次竟然能远走高飞了呢？”

“或许吧。少了一个电子，感觉周围清净了不少。”我知道过不了多久我就会改口的，“少了一个电子，感觉周围凄凉了不少。”

“偌大的空间，又只剩我们两个了呢。”

注释（本章节虽然因为剧情需要只写了氢原子的激发，但其他原子的电子的跃迁也与之类似）：

1. 光的颜色：光是电磁波，可见光的颜色其实对应的的是光的频率（或者说波长，因为频率*波长=光速，光速一定时，频率和波长是一一对应的），而一个光子所携带的能量等于普朗克常量和光子频率的乘积。人眼能感知到的光的波长范围大概为400-760nm，具体因人而异。这些不同波长的光进入人眼后经过处理就表现为了不同的颜色，如果觉得难以理解的话，可以类比声波，我们在初中的时候就学过人耳能听到的声音的频率范围约为20-20000Hz,不同频率的声音进入人耳后经过加工，人们就能感受到音调的高低。所以和不同的动物能听到的声音频率范围不同一样，不同的动物能感知的光的频率范围也不一样，那么问题来了，什么动物看到的光的频率范围最大呢？答案就是曾称霸表情包界的皮皮虾（好像……有点扯远了）。

2. 根据玻尔原子模型，当电子吸收一个光子时会从低轨道跃迁（如果觉得“跃迁”这个物理学语言不太理解，就把它当成跳跃吧）到更高的轨道，但只有当这个光子的能量正好等于这两个轨道的能量差时光子才会被电子吸收。当然，使电子跃迁到高能级的方法不只有让他吸收光子，还可以加热、通电，或者撞击以给他提供足够的能量。

3. 2中为了解释的方便依然采用了原子轨道模型。能量更高时电子在原子核外的分布概率会与能量较低时不太一样（“电子云”的形状会发生变化），并且有机会去离原子核更远的地方。

当电子吸收了一个光子之后，一般情况下会马上以光子的形式释放出能量并回到能量更低的轨道。只是有可能在两个轨道间还有一个或几个轨道，这时候电子就可能先释放出一个光子到中间的轨道歇歇脚，再释放出一个光子回到最稳定能量最低的基态（见右边用画图画的图，请无视比例的不协调和与事实不太相符的颜色）。值得一提的是，无论是释放一个光子直接回基态还是释放几个光子在中间休息下，这些光子的总能量都会等于最初的轨道和最后的轨道的能量之差。光子的能量与频率成正比，可见光的频率又与颜色相对应。对于不同的原子，其原子核外部的电子的轨道是不相同的，相应的能极差也不一样，所以不同的原子中的电子从高能级跃迁回低能级时放出来的光子的能量（即频率，也就是颜色）是各不相同的。看到这里，不知道你们有没有想到 - -焰色反应。想当初在复习人教版物理选修3-5（让我坚定地跳入物理坑的“始作俑者”）和化学时，突然发现了电子跃迁和焰色反应之间的联系，现在想来也是有点小激动呢！当然，这么重要的原理不能只被浪费在制造烟花上，所以便有了光谱分析，通过分析原子的吸收或发射光的频率（这里不说颜色是因为有些光人眼不可见），就能判断出这是什么原子。

4. 上一条注释讲了一般情况，这里该讲特殊情况了，当电子收到激发比如说吸收了一个光子或者从外界吸收了很多热量跃迁到高轨道之后，有可能死皮赖脸地赖在那里不下来了（“我受刺激了，要光子亲亲抱抱才下去”），这时候如果有符合条件的光子，即能量正好等于高轨道和基态的最低轨道的能量之差的光子来刺激电子，他就会跳回基态并释放出一个光子。这便叫做“受激辐射”，也是激光的基本原理，当然人类世界的激光是不会由激发氢原子产生的。

当光子的能量比电子的最低轨道与最高轨道的能极差还大时，就有可能把电子从原子中剥离出来使电子变成自由电子，并且光子的剩余的能量转化为电子的动能。考虑光子打到连接到电路中的金属板时（如右图所示，紫光打在金属板上），会激发出表面的电子，拥有初动能的电子会继续向前运动，运动的电荷就形成了电流，如果有足够多的电子打到对面的金属板上，那么电路就会由原来的断路变成通路，电流表就有了示数，这就是光电效应。爱因斯坦只做了一点微小的工作（与其他工作相比）引入了光子的概念解释了这一过程中一些无法用经典物理解释的诡异现象，于是获得了1921年的诺贝尔物理学奖。

让我们意外的是，这次的二人行并没有持续多久，因为很快就有新的电子补充上来。可是这个电子非但没有离开的意思，反而经常缠着中子给他讲故事，中子只能不厌其烦地重复着他已经讲过无数遍的旅行见闻。除了这一点之外，这个电子与之前那个几乎没有区别，永远确定不了只能找概率碰运气才能找到的位置和一有机会便进行的“抓光子放光子”游戏都差点让我们以为以前那个电子又回来了。

如果不是那次偶然的碰撞，我差点会以为一个电子、一个中子再加上一个质子就是最终的组合形态了。和我们相撞的是一个电子绕着一个质子自称为“氕”的组合，我觉得这名字很酷，便怂恿中子也给我们的组合取了一个名字：氘。“氕”觉得我们都只包含一个质子，应该可以共用同一个名字“氢”，他们看到我们对于取名的热情，说：“我们这两个组合的质子数相同中子数不同，所以我们应该互为同位素，而且你们知不知道？我们这两个组合都是原子哦，而且我们还可以被称为核素。”我只觉得他们对于取名太过疯狂，不过是简单随意的两个组合，为什么要这么多繁杂的名字②。

我们本来想好好地拥抱一下来表示友好和欢迎，没想到用力过猛硬生生地撞在了一起分不开了。这次碰撞显然放出了不少能量，撞完之后我们都感觉自己似乎轻了一些，同时还晕头转向地加快了运动速度③。我虽然有些排斥新来的质子④，但是中子从中斡旋⑤，保持了挤在这个小小尺度的我们不至于分崩离析。有着取名癖的新来的质子说：“我们所待在的这个小小的地方，我决定称为‘原子核’，我们可是处在原子的最核心位置呢！”新来的电子却嘲笑着：“在最中间有什么用，挤在那个小小的地方稍微动一动就要碰到别的东西了。哪有我们呆的地方好，区域之大任我翱翔。”我们观察新来的电子在某些位置出现的概率，惊喜地发现竟然和原来的电子几乎一样。看起来两个电子在外围倒是相处得不错，还能在同一轨道上和睦相处。

“要不是他的自旋正好和我相反，我才不会让他和我待在同一轨道⑥。”电子傲娇的说着。

“氕和氘合在一起了，应该想个新的名字才行。”新来的质子建议。

在此之后，我们的队伍逐渐壮大了起来，其中涌入了新的电子们、和电子相等的质子们以及使我们这些相互排斥的质子们不散伙的中子们。 每加入一些新成员，如果其中包含了质子，就会有一些粒子乐此不疲地给我们这个新组合（或者按照“氕”说的称为原子）按照质子数量的不同取不同的名字。于是就有了“氢”“氦”“锂”“铍”“硼”等一大堆我根本记不住的名字。

随着加入的质子、中子、电子越来越多，原子核里面越来越热闹，原子核外群电子乱舞越来越让我眼花缭乱。我闲来无聊数了数，包括我竟然已经有26个质子了，按他们取的名字，我们现在应该叫“铁”了⑦。我们经常聚在一起唱歌跳舞分享故事，现在想来，这或许是我一生中最快乐的时光。快乐的时光总是稍纵即逝，没多久我们便感觉到了来自外界的压力。之所以明白这一点是因为我能感觉到平时连见面都见不到的邻居们都渐渐靠在了一起，电子们都被压得四散逃逸。我所在的原子核和其他原子核们紧紧地挤压着，虽然我很不愿意，但还是无可奈何地和另一些核融合在一起组成了质子数更多的原子核。融合是大势所趋且愈演愈烈，原子核中的质子数和中子数加起来已将超过一百了。在这极度压抑的环境下不知道过了多长时间，突然有一股神秘力量把我弹开，这力量是如此之大以至于我所处的原子核区域在离开的时候还和半途中碰撞到的质子中子团们结合在了一起。万幸的是，我总算是离开那个高压得让我喘不过气了的鬼地方了。迁徙到的新地方空间充足，周围也零星洒落着其他原子又不会太过寂寞，而原子核外，我们这些质子们凭着自身魅力重新吸引了相等数量的电子来做我们的外城护卫。

原子核这一方小小区域容纳这么多质子中子到底是有些勉强了，终于在某一个时刻，两个质子和两个中子突然与我们告别，去征服外界的星辰大海了⑧。一些本来就是从大原子核里飞出来的粒子们不以为意，倒是原本是独自旅行的粒子们开始战战兢兢，好不容易感受到一大堆小伙伴的温暖，如果一不小心飞了出去继续重复以前的孤寂生活，那可真是太残忍了。

注释：

1. 嬗（shan,第四声）变：指蜕变，更替。也指一种元素通过核反应转化为另一种元素或者一种核素转变为另一种核素。此章有大量强行解说的尴尬情节，大家习惯就好。

2. 想通过这篇科普文就搞清楚这些繁杂的概念的，还是去看解释和定义更加清晰的高中物理课本吧。

3. 这就是两个氢原子结合在一起发生了核聚变。两个氢原子的质量会稍微大于一个氦原子的质量，损失的质量转化为能量，一般是转化为了原子的动能。人们最为熟悉的爱因斯坦质能方程²这个时候就派上用场了。氢弹的爆炸原理就是核聚变，虽然两个氢原子发生核聚变产生的能量很少，但是氢弹里面包含的是10^23以上量级的氢原子数目，总能量就非常的巨大了。一个氢弹的威力相当于几百个原子弹，联合国五大常任理事国的共同特点之一就是都拥有氢弹。另外，太阳的能量也主要是通过核聚变产生。

4. 同种电荷相互排斥。

5. 质子和质子间因库仑力而相互排斥，万有引力在这里和库仑力相比几乎可以忽略，是什么让原子核不至于散开呢？那就是质子和质子之间、中子与中子之间以及质子和中子之间的强相互作用力，强相互作用力在小尺度内很大，足以与质子与质子间的同种电荷的排斥力平衡。

6. 泡利不相容原理，即两个电子不能占据同一个轨道，除非他们自旋相反。

7. 质子数较少的原子可以通过核聚变形成质子数较多的原子，自发进行的核聚变一般到铁元素就无法继续下去了。因为原子（万事万物）都倾向于处在能量最低的状态，比如你喜欢“葛优瘫”是因为处于这个姿势时比你正襟危坐时的重力势能更低。而原子序数大于26的元素，即元素周期表上排在铁以后的元素再聚变时，形成的新的核的质量会大于发生聚变的两种原子的质量之和。也就是说，铁以后的元素发生核聚变不但不会释放能量，反而还要吸收能量，他们当然不乐意处于能量更高的状态，所以自发的核聚变一般就到铁为止。但凡事皆有例外，就像如果你妈拿着鸡毛掸子让你端正坐姿的话，迫于伟大母亲的高压，你还是会好好坐着到达一个重力势能更高的状态的。对于原子，这个高压则来自于恒星内部大质量的挤压、超新星爆发、中子星相撞等。所以，你下次可以指着温度计里的水银向周围的吃瓜群众们嘚瑟：“你们知道吗？这可是超新星爆发留下来的证据……”

8. α衰变，两个质子两个中子的组合体是氦原子核，也被称为α粒子。α衰变和核裂变不同，前者是原子自发发生的衰变，一般会释放出α粒子，而后者是用中子轰击重核才会发生的反应。

时光转瞬即逝，电子能级起起伏伏，质子中子来来去去，我也算是看淡了悲欢离合。这些都是再自然不过的事情，其背后所遵循的规律也并非我们所能改变的，我一直都这么认为。但现实又给我的自以为是来了当头一击，我不觉沮丧反而十分欣喜，今后的见闻若仅仅是曾经的重复，那未免也太无趣了。

那是在我写这篇自传的不久前，我周围的粒子们都声称遭遇了灵异事件。被不断推进加速的电子，不明就里被凑在一起的一大群氢原子和氧原子，总是身不由己撞击其他原子核的氦原子核……如此种种，似乎都昭示了某些未知的神秘力量的介入。

最先挑起这个话题的是新加入的一群电子：“我们正好好地在原子核外晃悠着，突然收到了一股巨大的能量，于是身不由己地离开了原来的原子核出去游荡，之后又受到电场的吸引加快了移动的速度，我们飞行了很久，途中除了我们这群电子之外，几乎见不到其他的东西。就像有什么东西专门为我们设置的跑道一样，终点处是一堆排列得还算整齐的原子，我们冲了过去，被原子核捕获，还发出了很多光子来庆祝。”“你们是笔直得飞过去的？为什么我们在中途被电场拉得转弯了？”另一群电子疑惑不解①。

我正在思索电子们的说法，突然听到周围的粒子们激动地大叫：“快看！快看！”我向他们指着的方向看去，那壮观的景象我一辈子都忘不了。如果我记得没错的话，当时我所处的原子核里应该是有80个质子②，我们一起惊讶地看向一个方向。那是氦原子核——也被我们称为α粒子飞来的方向。我们的视野里都是数不清的α粒子浩浩荡荡地飞奔而来，气势汹汹地，似乎饱含着一定能成功掠夺我们领地的信念。从来没见过这种景象的我们有些惊慌，但中子安慰我道：“别担心，你和α粒子带同种电荷，他们近不了你的身的。”我悬着的心稍稍放了下来。α粒子们离我们越来越近，这时我才发现那些从远处看来像是正好撞向我们的α粒子们其实都离我们所处的原子核区域有一大段距离，再加上我们与他们间同种电荷相互排斥的库仑力，离我们竖直距离越近的一些α粒子偏转的方向越大，使得离我们的竖直距离更加远了。观察了许久之后，我这才发现这些粒子对我们构不成威胁，逐渐放松了警惕，因此没有察觉到潜藏在数以千计的粒子中的一个正对着我的α粒子。等我反应过来，他距我不过咫尺之遥，我害怕地闭上了眼睛，准备接受被撞得粉身碎骨的命运。当然我什么事都没有，要不然怎么会有这篇自传呢？等我再次睁开眼，那个α粒子已经灰溜溜地原路返回了。中子在一旁微笑着：“没想到你这么胆小啊，都已经和你说了不用担心的啦。只身前来的α粒子，怎么可能克服的了我们这里这么多质子对他产生的库仑排斥力呢。”“可是你不是说力的作用是相互的吗？为什么我不会被撞得后退呢？”“他可不只来撞你，而是与这整个原子核区域的众多质子和中子们对抗，我们的质量比他大得多得多，受他的影响微乎其微几乎不用考虑了。”③

我终于放下心来，和其他的核子们一样见怪不怪了，于是被打断的灵异故事会又重新开始。接下来发言的是能直面α粒子洪流的质子：“其实α粒子这阵仗我早就见过了，只不过那时候我在一个只有14个核子（质子和中子都是核子）的氮原子核中，可以说是势单力薄了。所以我一不注意就被一个α粒子撞出了原子核，还让他取代了我的位置④。”另一个中子接话道：“我也和你有相似的经历呢，只不过我那时是在有9个核子的铍原子核中⑤。”这两段话一出，周围的粒子们骚动不安，一些开始强烈谴责α粒子们这种缺德的行为，显然忘了他们前不久就待在一个α粒子中；还有一些则为α粒子们辩护，声称多亏了他们才使质子和中子有逃出原子核束缚见识广阔天地的机会，虽然发言者们是最害怕被撞出原子核的；更有阴谋论者甚至编造了一大段故事“其实这些事都不是α粒子愿意去做的，在他背后一定隐藏着幕后主使，这个幕后主使妄图窥视我们这些粒子的存在，就施魔法控制了很多α粒子成为他们的雇佣兵……”

我在金原子核中度过了一段安逸的时光，然而兜兜转转，我又来到了一个拥有27个核子数的铝原子中。让我感到欣慰的是，最初遇到的中子一直陪在我的身边⑥。

“中子中子，你知不知道为什么会发生这些诡异的事情？”

“不知道，不过我猜或许是在我们所生存的这个地方还有一些比我们大得多得多，还能够操纵我们这些小粒子的东西。”

“那他们这么厉害又比我们大得多得多，岂不是会和我们抢地盘？我们能打得过他们吗？”

“或许我们能和他们同时共存呢？而且说不定他们还是由我们所组成的原子构成的呢。”

“怎么可能？中子你又在开玩笑骗我了。”

“你又没有长到和他们一样大来观察他们，你怎么知道我说的是假的呢？”

“但是觉得很匪夷所思呢。”

“那就不思了吧。话说回来，最近我们四周的质子中子来去太过频繁了，我有点担心我们终将分离开来。”

“不会的，我们一定可以一直一直在一起的！”我不安地说。彼时的我还不知道，在遥远的未来，面对光电倍增管，我将会想起α粒子猛烈地撞向我们并将中子击飞的那个时刻⑦。

“黯然销魂者，唯别而已。”中子说着我不可能听懂的话，渐渐离开了铝原子核。他带着纯真的眼神看着我，说：“别伤心啊，我只是暂时离开而已。你在原子核里好好待着，我肯定有机会回来的，到时候又可以找到很多新的故事讲给你听了。”“嗯，我就在这里等你回来。”我强颜欢笑，虽然知道世界之大，世间的质子如此之多，他再找到我的机会是很渺茫的，但我仍愿意相信他。

远处的中子身上突然发出闪光，他的小身躯裂开了，质子、电子和一个反中微子沿着三个不同的方向走远了。我在原地愣住了，连自己所在的原子核里放出了一个正电子和中微子都没有发觉。

“中子是个大骗子！”

注释：

1. 电子的发现：1897年，J.J.汤姆逊发现阴极射线是一种独特的粒子流，并通过射线的偏转算出这种粒子质量仅仅只有当时发现的质量最小的氢离子的千分之一，并且其荷质比（电荷与质量的比值）与阴极材料无关。J.J.汤姆逊因此获得1906年的诺贝尔物理学奖，他采用了1891斯托尼（George Johnstone Stoney）为电荷的最小单位起的名字“电子（electron）”来命名这种粒子。

2. 不好意思，你记错了。质子当时处在金原子核中，金原子核中只有79个质子。

3. α粒子散射实验：J.J.汤姆逊发现电子之后，提出了原子中的正电荷均匀地分布在整个原子球内而电子镶嵌在其中的“西瓜模型”。1909年，卢瑟福的助手和学生在用α粒子轰击金箔时发现α粒子有大约八千分之一的概率被反射回来，如果是“西瓜模型”的话，这一概率应当要小得多得多得多（可以估计“西瓜模型”产生90°偏转的概率约为1/10^3500,偏转角度越大概率只会越小）。所以卢瑟福提出了原子核式结构模型，也就是所谓的“行星模型”：正电荷处在原子的中间，电子绕着它转，就像行星绕着太阳转。

4. 质子的发现：α+14N→p+17O,其中p代表质子（1H），α代表氦原子核也就是α粒子（4He）。1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮气，发现有五万分之一的概率发生上述反应，这是历史上第一个人工核反应。同时卢瑟福发现打出的粒子和氢原子核有相同的性质，而氢元素是最小最轻的元素，因此卢瑟福以希腊语中有“第一个（first）”意思的单词“πρῶτον”命名这种粒子为“质子（proton）”。

5. 中子的发现：α+9Be→n+12C,其中n代表中子。1932年，查德威克重复了前人所做过的这个实验，发现产物中有一种中性的、质量和质子差不多的粒子，他称之为“中子（neutron）”。在他之前有很多科学家都做过这个反应，包括下面提到的约里奥·居里夫妇，但是他们都不敢大胆猜测产物中包含一种新的粒子。所以不要再说科学家们发现真理都是靠运气的了，有很多时候都是“真理碰到了鼻尖上都没发现”的。

6. 这个质子要经历怎样的核反应才能从金原子核里到铝原子核里呢？不想找资料硬凑了，姑且接受这个设定吧。（说到中子一直陪着质子，突然想起江南在《龙族》中的一句话“你陪了我多少年，花开花落，一路上起起跌跌”。捂脸逃）

7. α+27Al→n+30P,30P是放射性核素，半衰期为2.5分钟，30P→30Si+ e+ +ν，其中e+为正电子，就是带正电且质量和一个电子差不多的粒子，ν为中微子。1934年，法国约里奥·居里夫妇用第一个反应产生了第一个人工放射性核素30P。约里奥·居里夫妇是人们熟悉的居里夫人的女儿和女婿（仰慕居里夫妇到愿意入赘的程度），他们在1935年因发现人工放射性而获得了诺贝尔化学奖（化学奖？）。

刚开始想到这个题目时，原本是想写两篇同名的科幻小说：一篇讲述一名宇航员因飞船故障而被卷入虫洞穿越到战国时期，借用某国质子的身份和利用飞船上的先进技术来改变历史进程的幻想故事；另一篇则是就质子尺度的微观世界的文明如何感知宏观世界文明的存在并相互交流而提出的设想。然而前一篇因为深感自己古典文化知识的匮乏而没动笔，后一篇则因为冥思苦想许久都无法构建出一个能说服自己的微观世界文明形态而转为写科普文，这样一切不符合常理之处都可以用“科普剧情需要”搪塞过去了。其实之所以要写这一大堆懒婆娘的裹脚布似的序言，只是担心自己可能凑不够字数。下文只是对文中一些设定的说明（或者说自己给自己的文章找bug），与主线情节毫无联系，不感兴趣的读者完全可以直接跳过看正文了。

关于时间：人类所定义的时间都是由一些周期性运动作为参考所定义的，比如说太阳东升西落再升起时，一天过去了；月儿由圆变缺再变圆，一个月溜走了；春困夏乏秋打盹冬眠又春困，一年结束了。而经历诸多改变，1s现在被定义为铯原子的9192631770次固有微波振荡次数所需的时间。在质子尺度，尤其是对于单独游荡的质子来说，似乎很难找到一个周期运动并以此来定义时间，所以文中都是用“不久”等比较模糊的时间。但是基本可以确定本文的时间跨度大概是从宇宙大爆炸不久到现在。

关于地点：毕竟是个地球人写的文，所以这个质子最后必然是要待在地球上的，甚至还要见证物理学史上的一系列事件。先不说这个质子能不能正好这么幸运每次都参与那些历史事件，毕竟不能像《三体》中的智子一样有意识地在地球上行动。不过以人这么宏观的视角来看，质子可以算是全同粒子，不如把题目暂且理解为质子们的自传吧。

关于尺度：实际上原子和原子核的半径之比大概是10000：1，而质子和电子的大小也相差了几个数量级。所以质子中子能不能看到核外电子都是一个问题，更别说还要找他出现的位置及概率了。如果真要较真的话，对于没有眼睛的质子来说，如何“看”又是一个大问题。但是都已经接受了质子能说能想还可以给自己写自传的设定，还有什么不能接受的呢？

关于角色：最开始出现的中子似乎开了上帝视角懂得太多了一点，然而科普文如果缺乏这种角色大概会很难进行下去，读者可以索性把它当做化身成中子的作者吧。而之后的光子的形象也有点迷糊，虽然光具有波粒二象性，但是一般光的波长远远长于质子等微观粒子的直径，所以光在这么小的尺度可能更多地表现出波的性质，但为了叙事的方便，还是让它表现为一个粒子吧。另外有一点，可见光的频率不同，经过人眼的处理所呈现的颜色也不同，而与光子所带能量成正比的频率不知道在微观状态下是否还以颜色的形式表现出来。可是，没有色彩的质子世界岂不是太过无趣了？

关于外形：现有技术还无法直接通过仪器看到质子和中子，只能根据他们的一些性质试图推测出他们的形状，然而太过高深，我还看不懂，所以我也不知道质子中子是圆的还是椭圆的。

关于语言：原本是想用十分质朴的语言来写全文，毕竟能让行文变得华丽的成语、诗词歌赋等都充满了宏观世界的意象，但是干巴巴的语言又未免会让人觉得索然无味，索性凭着自己的感觉写让自己看着舒服的文章。质子都会用中文给自己写自传并通过互联网投稿参加比赛了，就不用纠结它是从哪学来的辞藻了吧。

关于注释：一轮投的稿主要是写出来自嗨的，很多地方都只有懂的人才看得懂，因此在二轮添加了一些注释。但是有些看似简单的东西其实背后的原理十分复杂，再加上文中描述的都是微观尺度，必然绕不开量子力学。如此一来，简单描述一下原理，随性做一些扩展，就是洋洋洒洒一大段，未免使注释喧宾夺主了，希望不会让大家回想起被高中注释比原文还长的文言文支配的恐惧。但无论如何，注释也能算是科普很重要的一部分，若是只看着看似形式新颖的科普文的故事情节而不了解其中所想展示的科学原理，那还不如去看人物刻画更加立体且故事情节更加饱满的小说呢。

从宇宙大爆炸之后不久到现在我写下这篇自传的漫长岁月里，并没有什么值得记录的东西。然而年纪大了往往容易怀旧，仅仅一些琐事就能写得这么长。没有最初的中子陪伴的黯然失色的时光，我已经不太记得我是如何度过的。在不同时间辗转于不同的原子核中，我都无所适从。原子核中依旧热闹，但热闹是他们的，我什么也没有。最后，一个α粒子满足了我的心愿，将我从氮原子核中挤出，我又恢复了独自游荡，就像最开始一样。

一个带正电的质子，或者说氢原子核在宇宙大爆炸初期是很稳定的，但到了现在却很快吸引了一个电子过来。这个电子在我周围转悠的概率和起初差不多，也会闲来无聊抓光子或者被未知能量激发到高能级再跳下来放出光子。一切看起来都和最初一样，只是没了和我一起找电子概率的中子。百无聊赖中我又想起了中子曾经不忍回想的那个问题，“你知道什么东西能解答所有的问题吗？”我问不停运动着的元气电子。电子思索着：“真的有这种东西吗？这个问题的答案好像有点复杂呢。”“答案！这个问题的答案就是‘答案’！要是中子还在就好了。”我心中百感交集，但电子无法理解：“听不懂你在说什么。”说完便不再理我。我不和他计较，实际上在和我相伴过许多时光的中子衰变之后，我就不奢望有什么别的粒子会理解我了。更何况是一个相处不久的电子呢？

有时候活得太久了也是一种悲哀，尤其是和你心有灵犀的伴侣先行离开之后。但是据这里的其他质子们说我们质子是不会自发衰变的，至少在宇宙毁灭之前不会。哦，忘了说了，我现在在一个巨大无比的坑洞中，和一个氧原子以及另一个氢原子结合在一起，举目望去周围全是这种组合。而当初的电子嫌我无聊的紧，更倾向于贴着氧原子那边活动，只是碍于我们之间还有些微弱的吸引力才没有完全脱离我。所以虽说我和其他原子结合在一起，但实际上我仍是被排挤在外的裸露的氢原子核，不过我反倒和周围的另一个分子中的氧原子的吸引力比平常稍强一些①。

我曾问过他们为什么这里会有这么多氢氧原子组成的相同的结构，其中一个电子说：“我曾听一个硅原子说过，这些相同的结构叫做水分子，我们在这是因为有东西想要知道你们质子会不会衰变，但是推测出来你们的半衰期很长，所以只能把很多很多的质子集中在一起。这样的话，即使一个质子衰变的概率很小，但这里这么多质子，总会碰到一两个衰变的，这样通过计算就可以知道你们的半衰期了②。”我似懂非懂，将信将疑，却打消了再问别的粒子的念头。

就这样，我已经在这个满是水分子的地方停留了很久。说停留也不是很恰当，毕竟我还是会被和我同处在一个水分子里的氧原子氢原子拖着四处晃悠，以碰撞的形式跟其他的水分子们打招呼，同时自己也会不由自主地随着他们的节奏振动摇摆着。在这漫长的期间，我一直没听说过有哪个质子衰变，或许懵懂时期我一语成谶，将从时间的起点一直生活到永恒的终结了。

注释：

1. 氢键：氢原子和氧化性比较强的原子（比如说氧原子、氟原子、氮原子）组成化合物时，氢原子中的电子会更加偏向于氧化性更强的原子，导致氢原子核接近于裸露在外，这时氢原子核和邻近的分子中的非氢原子之间会产生比一般分子间的范德瓦尔兹力更强的吸引力，这就被称之为氢键。不过氢键还是比同一个分子中氢原子和非氢原子间的共价键更弱的。拥有氢键的物质往往熔沸点会相对较高。

2. 超级神冈探测器：为了探测质子衰变，日本的一群疯狂科学家们（没有凤凰院凶真）在日本岐阜县的一个深达1000米的废弃砷矿中建造了一个高41.4米、直径39.3米的圆柱形容器，在其中盛有5万吨高纯度的水，容器的内壁上安装有11200个光电倍增管，用于探测高速中微子在水中通过时产生的切伦科夫辐射③。（概率不够数量来凑，就像一张彩票中奖率是很低的，但是如果你买了几千万张彩票，那么中奖的概率就大大提高了。）这台探测器最初名为神冈核子衰变实验（KamiokaNDE），于1982年开始建造，1983年完工。20世纪90年代，神冈探测器经过再次扩建，于1996年开始观测，名为超级神冈探测器，容量扩大了十倍。虽然到目前为止，超级神冈探测器并没有探测到由质子衰变而产生的中微子，但是它却探测到了来自太阳系外的天体产生的中微子。而且，这也不妨碍在其中进行的有关中微子相关性质的探测，更不妨碍从其中产生一大堆诺贝尔奖。1998年，日本超级神冈实验以确凿证据发现中微子振荡现象，这一现象改变了以往人们认为的中微子没有质量的观点，证实了中微子其实也有微小的质量。（相关数据资料来源于百度百科）

3. 切伦科夫辐射：当介质中的粒子速度超过介质中的光速时，会产生切伦科夫辐射。爱因斯坦在狭义相对论中提出的光速不变指的是真空中的光速不变，但在介质中的光速会小于真空中的光速（所以会产生折射现象），而光速不可超越也是指真空中的光速不可超越。类似于飞机飞行时接近音速会产生激波，介质中的粒子速度超过介质中的光速时，也会产生冲击波。

8.1 番外

自从坑洞不知道为什么扩大了很多倍之后，加入了很多新的水分子，其实我也分不清哪些是新的水分子哪些是原来就存在的水分子，都是和我在同一个水分子中的氧原子为了显示自己过目不忘的本领而说出来的。

“质子，你还记得我吗？”我前方一个氧原子中的中子冷不防地问我。一听到这个熟悉的声音，我的心中就有了答案，但还是觉得难以置信地问：“你是？”

“我说过，我一定会回来找你的。”

“可是，你不是已经……”

“是的，但是如果给了足够的能量的话，质子和电子是有可能变回中子的。”

“那这是质子的衰变吗？”

“并不是，质子的衰变是不需要电子参与不需要外加能量的自发行为，和我变回来是完全不一样的。不过话说，我为了变回中子几乎走遍了全世界所有的加速器，你见到我完好无损地回来之后就这个反应？”

“听不懂，不过你能回来真的是太好啦！神通广大的中子啊，你知道怎么把我变成氘吗？”

先插一句，此文为了致敬司马迁，特地采用了纪传体的形式（我瞎说的，你们不要当真），虽然是凭着质子的记忆以从前往后的时间顺序来叙述，但从人类发现这些现象的角度来说，时间轴不是一般的混乱。如果有读者想好好梳理一下时间的话，可以去看曹天元写的“编年体”量子力学史话《上帝掷骰子吗》。然后你就会发现本文的文笔是多么的稚嫩，文学气息多么的贫瘠。（还是说你们不比较就已经看出来了？）

参加比赛之前我写过的最长的文章就是800字的作文，万万没想到自己真的可以写出上万字的文章。虽然匆匆写就的文章中可能存在着不少文学、语法、逻辑、科学上的错误，因为时间紧迫也没办法像写论文一样查阅一堆专业认可度较高的文献，只瞟了几眼维基甚至百度百科就凭着上课和讲座中道听途说的内容来科普了（自谦的说法，我还是比较认真写的啦）。平心而论，我看过的科普作品实在不多，从小在一个连书店都没有的八十线小山村长大，能在课余时间把学校发的《自然》《科学》（课本，不是杂志）《课外阅读》翻来覆去看几十遍，中学时期倒是有机会去小县城的新华书店趁着店员不赶人的时候偷偷看着书。然而那时候所能翻到的科普书籍往往都只是在序言中写着“能把一个科学原理对扫地的女仆讲懂了才算是真正的科普”但在正文却只知道堆砌数据和干巴巴资料，连课本都比它们讲的有趣。因此自己尽量不让自己的文章和那些一样索然无味，就算不能把科学原理让扫地女仆都听懂（我的这篇文章肯定至少是初高中生才能看懂了），至少也不能让读者打瞌睡，为此特地添加了一些括号里的吐槽内容。

如果有耐心看完全文的读者或许会问，我又不学物理，了解这些微观世界知识有什么用？为了在妹子面前侃侃而谈？其实我一开始也不知道我写这篇科普文章到底要像读者们科普什么，仅仅是一时兴起就编了一个质子的故事，看得懂的可以会心一笑，看不懂的也可以不明觉厉地看个热闹。但是后来慢慢有了一些想法：19世纪末20世纪初是物理学大爆炸的一段时间，那些物理学家们前仆后继地站在巨人的肩膀上拨开在即将建成的物理大厦上方漂浮的两朵乌云，创立了量子力学和相对论，这段历史光是听着就热血沸腾，更何况它还与我们每天都要接触的手机电脑里的各种电子器件息息相关。这些不太专业的科普或许能让读者对微观世界和量子力学有一些粗浅的了解，至少在有人说“电荷不存在”时学会自己思考其合理性。如果因此让更多人对物理产生兴趣，那就是意外之喜了（不过原来就对物理不感兴趣的人应该不会看我的这篇科普吧）。啰嗦了一大堆，差不多可以提交了，终于可以去复习即将考试的量子力学了。

[1].杨福家.原子物理学.第四版.北京:高等教育出版社，2008.

[2].David J. Griffiths. Introduction to Electrodynamics, 3rd ed., USA: Prentice Hall, 2011.

[3].https://en.wikipedia.org/wiki/Chronology_of_the_universe.

[4].https://en.wikipedia.org/wiki/Electron.

[5].https://en.wikipedia.org/wiki/Proton.

[6].https://en.wikipedia.org/wiki/Neutron.

[7].百度百科