能量最低原理,是原子核外电子排布的三原则之一。原子核外电子排布的原则为:
(1)泡利不相容原理——一个原子轨道最多只能容纳两个电子,并且自旋方向相反。或者说,在同一原子里,不会出现电子层、电子亚层、电子云伸展方向和电子自旋状态完全相同的电子。
(2)能量最低原理——在满足泡利原理前提下,电子将按照使整个原子体系总能量最低的原则填充。
(3)洪特规则——在同一亚层的各个能量相等的轨道上,电子尽可能分占不同轨道,且自旋状态相同。
能量最低原理,指的是“整个原子体系”的能量最低原则。作为一个体系,整个原子的能量不能机械地看做各电子所处轨道的能量之和,这是因为,某电子的“轨道”不仅与核电荷数、主量子数、角量子数等参数有关,还运动态地与电子数目以及其他电子各处在什么轨道上有关,其他电子的不同组合会导致对该电子的轨道能的不同影响。这就好比一个足球队是否处于最佳状态是由球队整体的运动状态决定的一样,不能单看一个队员的状态。因此,“能量最低原理”虽然是原子系统电子排布的一个原则,但它并仅仅只是电子的、质子的、或者是某一种微观粒子的具体属性,而是原子系统的系统性的、宏观的属性。所以我认为能量最低原理的适用性不仅仅是只限原子系统的,而是普遍适用于所有系统的。
四大基本力是建立秩序、构建系统的;而熵是系统混乱(破坏)程度的指标。能量最低原理,就是负熵(四大基本力)与熵增之间的矛盾调和的结果。如果没有能量最低原理,由于负熵与熵增是完全矛盾的,四大基本力就没有构建成系统的可能性了。最多只能形成强子系统,引力不能抵消熵增前面已经讨论过了,而电磁力只能对抗单个粒子的熵增,电磁力系统由于电磁力的强度相对太弱;作用距离又太短,不能形成如引力系统一样庞大的体系,所以是完全没有能力对抗熵增的。因此,除强子系统以外的系统,如果没有能量最低原理,就不可能形成,或者说即便是形成了,也是瞬间湮灭的,绝不可能持续性的存在。能量最低原理,就是物质系统可以存在,并且可持续性存在的根本原则。因为“能量最低原理”,就是系统整体耗能最小的组织原则,就是最简单直接(概率最大)的有序化原则。只有这样的原则才能阻止熵增瞬间瓦解负熵(秩序),熵增才是渐进的,系统存在才能有可持续性。
其实强子系统的渐近自由原理,体现的也是能量最低原理。当夸克之间的距离靠近时,强力的作用就弱,距离足够近时强力几乎为零;只有夸克间距离远时强力才发挥它强大的作用力。强力也是遵循能量低原理的,它只是负责禁闭夸克,甚至在特殊情况下创造夸克,而不是时时刻刻都控制夸克,夸克在强力允许的范围内是可以自由活动的,强力就是以耗能最小的原则来禁闭夸克的。
强子系统、电磁力系统、引力系统,都是遵循能最低原理的,所以能量最低原理是所有物质系统的组织(有序化)原则。我不懂数学,也不懂科学,无法用科学语言来阐述这个思想,但我很有信心,能量最低原理是比熵增定律更普适的一条系统性的能量定律。
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