模型很要紧
——从葡萄干面包到臭蜂群
科学家们在建立一种创新思维时，往往要构思出形象的模型，这东西很有用。我自己在上学时也构思过模型，非常好地解释了“静电荷只分布在导体表面”的现象，甚至还能解释“尖端放电”。
一、原子的两种模型
什么叫模型？举个例子，比如原子，古希腊时代就已经提出来了，那时不过把它想象成为最小的，不能再分割的实心小球罢了，这也算一种模型，有了模型人们就好理解。
到了十九世纪，物理学家们发现在原子里面同时存在正电荷和负电荷，但原子本身却不表现出电性，说明正负电一样多，中和了。这就比古希腊前进一大步，说明原子内部应该有结构了，而不是实心小球。要描述正负电荷如何分布，就得需要新的模型
这些正负电荷在原子内部到底怎样分布呢？汤姆孙提出一种猜想，整个原子像一个面包，均匀分布着正电荷，而负电也就是电子，则像镶箝在面包中的一颗颗葡萄干一样，这就是所谓“葡萄干面包”模型。
但后来卢瑟福发现这个模型与实验结果不符，因为用α射线照射原子时，发现大部分α粒子都能轻松地直线穿过原子，只有极少量α粒子却被硬生生地挡回来。这说明原子内部绝大部分都是空空如也，可随便穿透，只有极小的部分是硬核，被挡回来。于是他又构造了一种“太阳系模型”，即整个原子就像太阳系一样，绝大部分空间没东西，空的，只在中心有一个相当于太阳的核，而原子中的电子就像太阳系的那些行星一样，绕着中间的核在旋转。而且原子在质量分布上也跟太阳系很像，太阳系的绝大部分质量都集中在太阳上，原子的绝大部分质量也都集中在中间的原子核上，电子或行星只占了整个系统极小的部分。
上图为两种原子模型
这个模型很形象地描述了原子内部的结构，很好地解释了α粒子的散射现象，而且还能解释更多的东西，比如能级轨道等等。这些在高中物理中都已学过，此处不在赘述。
后来量子力学兴起，人们意识到，行星模型仍然不完美。基本粒子并不像宏观星球那样有清晰明确的轨道，它们处在哪个位置无法确知，只能说粒子出现在何处的几率有多大，它们只遵从量子方程求出的几率结果。所以人们又推出电子云模型，电子围绕原子核运动的轨迹，就像一团模糊的云一样。这样，原子模型又前进了一步。
二、小孩互推模型
下面我再讲讲我是如何用一个好模型来解释“静电荷分布”。只要学过高中电学都知道，一个孤立的金属导体，如果在它上面放上若干个同种电荷，那么这些电荷只能分布在导体表面，内部却没有电荷，即使这个导体是实心金属球也没用。
当我上中学时，只知其然而不知其所以然，也没深究。到了大学学静电学时，又学到这个现象，这时我就想知道为什么会这样分布呢？电荷为什么不愿意到里面去呢？虽然从公式计算出来就是这个结果，但我还是很难理解。因为公式太抽象，不形象，不生动。
我从小就是美术爱好者，不管学数学，还是物理、化学，都愿意从形象的角度来思考，我觉得这样能理解得更深刻。因为世间万物不管高深还是浅俗，都有相似性。比如电流和水流，就有很多相似之处，能理解水流，就容易理解电流。
我想既然同种电荷（比如电子吧）相互之间是排斥的，我就把它想象成一群孩子，相互之间推来搡去，都想把别人挤远，自己占据最大地盘。然后我把导体想象成一个大操场，孩子们在操场上推来推去，最终只会形成一种均匀分布的状态，无论操场边缘，还是中间，都会平均分布着孩子。只有这样，他们每人才能获得最大空间，这就是相互排斥的结果，这也可以叫做“孩子互推”模型。
电子也相互排斥，为什么就不能在导体内外全部均匀分布呢？为什么非得挤在最外圈最表层呢？
带着这个问题我去问老师，我讲了半天“小孩互推，占据最大空间”，没想到老师完全听不懂我在说什么，他很奇怪，电子怎么会成为小孩？再说，公式计算出来就是这个结果，你承认它就是了，没必要打什么比方。
我也觉得很奇怪，老师肯定比我们理解得更深，他怎么会听不懂我的模型呢？这个问题缠绕在我心中，久久未得其解。
三、臭蜂群模型
后来忽然有一天，我发现自己的模型有问题。孩子互相推搡，虽然也是排斥，但孩子胳膊长度有限，只要能把其它孩子推离自己胳臂以外就够了。而电子之间的斥力则是无限远的，离得再远也能够得着，这就不一样。再说，小孩在操场上互推，是二维平面的，而电子则可以在一个立体空间上分布，是三维的。也就是说，我开始建立的模型的并不完全符合电子规律。
这时我又想象出另一种模型，我把电子想象成在空中上下反翻飞的蜂群，而每只峰都会发出一种臭味，这种臭味连蜂自己也讨厌，每只蜂都想远离其它蜂。这就是一种斥力。而这斥力是能传播很远的，所谓“顶风臭十里”那种恶臭。而且相互离得越近就越臭，越远就越安全，这就跟电子之间的电场一样，也是相互排斥，我们可以称它为“臭味场”。显然这种按浓度分布，越远越稀的场，一般应该符合平方反比定律。而小孩互推肯定不符合平方反比定律，只服从“臂长规律”。
这种模型我称它为“臭蜂群模型”。有了这个模型我就能解释“静电荷只分布在导体表面”了。
我把导体想象成一个大笼子，臭蜂们只能在笼子里面飞行，一般飞不出去。就像电子只能分布在孤立导体上，离不开这个导体。
那么这时臭蜂应该怎样分布才能使自己闻到的臭味最少？很显然，如果它们待在笼子里面，笼子中间，周围四面八方全被臭蜂包围，大家的臭场相互重叠，那么它肯定更痛苦。它们只有扒在笼子上，把鼻子尽量伸出笼子，让所有臭蜂都处在自己的背后，这样才能使自己离别人最远，使臭味最少。
如果导体是个圆球，那么臭蜂们最好在笼子表面上均匀分布，才能使自己离其它臭蜂尽量远。所以电子在圆球形导体的表面肯定都是均匀分布的。
但如果不是圆球，而是椭球呢？比如像甜瓜那样。那么臭蜂肯定在两头分布得更密集一些，因为这两头离其它臭蜂相对更远些。
四、还能解释尖端放电
如果这个突出的“甜瓜头”再尖一些，再长一些，臭蜂肯定就会更密集一些，因为此地离其它蜂群相对更远些。
但如此一来，此地臭蜂太集中，臭味场更浓，排斥力更强，大家都挤着往最尖端上躲，尖端处互相排斥推搡得就更厉害，都要努力地“冲破牢笼，奔向自由”。
当尖端足够尖足够长时，臭蜂足够多，尖端则达到最密集，臭蜂的努力挣扎也就足够强烈，最终就会有一些臭蜂终于挣脱牢笼，飞了出去。这就是所谓“尖端放电”！
你看，这个模型已经解释了两种物理现象，其实想通了也就那么回事。电子互相排斥，跟臭蜂互相排斥，都是“场”的作用，在本质上并没有区别。
五、还能解释异性相吸
这个模型除了能解释同性相斥，还能解释异性相吸。我们可以想象，除了臭蜂之外，还有另一种“香蜂”。这种香蜂如果有大脑的话，它的思维跟臭蜂恰好是反的，它们把臭叫香，把香叫臭。就像有些人把臭豆腐当美味（叫做“臭香臭香的”），或者狗把屎当美味也是一个道理。它们最喜欢臭峰的那种臭味，却不喜欢自己和同类的香味（这跟人类是不是也一样？小说经常描写久别的丈夫半夜归来，妻子只凭那“熟悉的汗酸味”就能知道是他回来了，也许她们喜欢闻那味道？不得而知。而男人则无一例外喜欢闻女人的体香）。香蜂之间也互相排斥，但如果一遇到臭峰，则立即两眼放光。当然，臭峰也是这样，一遇到香峰，则喜上眉梢。它们二人（二蜂）一旦接触，则紧紧拥抱在一起，从此再不愿分离。
这时香臭两种味就互相抵消，中和了，我们对抱在一起的一对蜂既闻不出臭，也闻不出香，觉得它俩是无味的（就跟原子中正负电中和不表现电性一样）。至于臭豆腐炒肉是不是也能香臭中和？我就不知道了。
即使香蜂与臭蜂不接触，离得老远，也能感知到对方的存在，总想迫不急待地扑过去。很明显，臭味、香味都是“场”嘛，只要是场，就具有远距离起作用的特点。
六、还能解释火花放电
有了这个认识，我们还能解释电火花放电和云雨中雷电。
比如天上有两群香臭不同的蜂群，相当于天上的两朵携带正负不同电荷的云。它们隔着老远，就闻到了对方。但因为被束缚在自己那块云中，无法单独飞过去。
一旦这两群蜂离得足够近，蜂足够多，干劲足够大，它们就能冲破束缚，互相冲过去，在空中强烈结合，如果是蜂群，也许会集体发出震耳欲聋的欢叫，闪出生命的火花。如果是正负电荷，则会产生高热、爆炸，发出耀眼的闪电，和震耳欲聋的雷声。总之，都是能量的释放。
电火花放电其实也是这个道理，它就相当于微型雷电，或者几对香臭蜂的碰撞结合。
七、有没有模型非常重要。
没有模型，只靠数学公式推演，太抽象，很难理解，无法激发出创新的火花。在科学上，凡是新理论，大都有模型，凡是大科学家，大都具备抽象和形象两种思维。
比如凯库勒作梦，梦到一只咬自己尾巴的虫子，从而激发出苯分子是环形结构的创新思维。再比如量子力学非常抽象，难以理解，薛定谔则想象出一只关在黑屋中不知死活的猫，来描述不确定的状态，被称为“薛定谔的猫”。
我的老师只有抽象思维，对形象的模型思维完全不理解，估计他很难成为大科学家。只能当个普通老师。我自己虽然有模型思维，形象思维，但层次究竟太低，又不从事专业工作，也不可能有大发现。
八，模型好不好也很重要
即使有了模型，但模型好不好也很关键。原子模型一开始是“葡萄干面包”，这个模型就不行，不能解释实验。只有想象出太阳系模型之后，人类对原子的认识才大大进了一步。
再比如我对“导体电荷只分布在表面”，先建立了一个“小孩互推模型”，无法解释实验。后来又建立了“臭蜂群模型”，这样才彻底理解了静电现象。并且由此出发还能解释种种静电现象。所以这个模型是成功的，管用的。
不过，也不是说任何一种科学现象都能建立起合适的模型，正如人们说：“任何比喻都是蹩脚的”。
比如近几年炒得很凶的“量子纠缠”很难理解，找不到一种非常好的模型来解释。有人设想出一种“手套模型”，一对纠缠的量子就像一双手套似的，即使两只手套相距遥远，但只要知道了其中一只为左手，那么立刻就能知道另一只一定为右手，这样就能解释纠缠量子之间的信息为何能瞬间传播，不需要时间，但还有更麻烦的困惑无法解释。因为量子行为到底跟人类的宏观行为不是一码事，完全不是一个层级上的东西，有些东西真的很难理解。
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(2023-07-17 10:05:12) 
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