科學月刊529期：質疑才是好科學
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■2014年 529期科學月刊 ■何秉倫
清華大學物理系林秀豪教授問了全班一個問題：原子為何是穩定的？最簡單的氫原子由一個電子和一個質子所組成的，相信許多人從國中接觸到理化課就學過，但是，從未拿「穩定性」去質疑過老師。當下，班上許多同學提出很多很棒的答案，從各個理論的角度切入，試著解釋氫原子具有一個自然穩定的基態：因為電子在軌域上以駐波形式運動，有人說因為用量子力學的機率解釋存在，有人答因為電子沒有軌跡，所以就不可能放出電磁波等等。當下，連我也覺得很正確，很動聽。但回到問題的核心，為何原子是穩定的？這些林林總總的解釋，總有揮之不去的盲點。
充滿了矛盾和質疑的理論，在課堂上被熱烈討論，到最後，我們曾經深信不疑的理論，其正確性都是值得懷疑的，氫原子模型的提出者——波耳，頓時間變成這個世界上最不負責任的科學家。林教授在課堂上提醒大家：學物理要注意不能被某些假象和錯覺所矇蔽，進而失去正確的識別和判斷，更不能對某個理論及其締造者產生盲目崇拜。
我們可以試著這樣去瞭解原子的穩定性：（1）氫原子由帶正電的原子核與帶負電的電子構成，正負相吸的庫侖作用會使得質子與電子無限接近。根據測不準原理，當電子在無限接近質子時，其位置就十分明確，也意味著電子的動量不確定度會趨向於無窮大。因此，電子的動能將會很大，顯然不是穩定的狀態。（2）若是電子停下來，動量就幾乎是零，然而其位置的不確定性就會很大。在這種狀況下，庫侖作用導致的位能將趨近無限大。顯而易見，這也不是穩定下來的好方法。（3）在測不準原理的協調下，電子以一種有點亂又不會太亂的方式，巧妙平衡動能與位能間的競爭，而呈現一個穩定平衡的狀態。無論電子的位置，或是電子的動量，都處在有點亂而不是太亂的狀態，這就是氫原子的基態。
當然，這只是費曼給出的一個通俗的解釋，在量子力學裡如果要完全解釋這個問題，肯定要有更嚴格的計算。顯然，林教授這門熱統計物理課堂上沒有太多的計算，但是學科學不僅僅要精通其數學語言，還要學會用不同面向去質疑正確解答，如此，才能真正的站在巨人的肩膀上，好好檢視自己做學問的態度和眼光。（就讀清華大學工學院學士班四年級）
本版內容由台灣立報與《科學月刊》合作出版
《科學月刊》網址：http://www.scimonth.com.tw/
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