万物的本质：一切都是虚空!!!

每天，我们都在忙忙碌碌工作，我们吃饭，坐车上班，在办公室用电脑办公，下班回家坐沙发上看电视，晚上躺在床上惬意的睡个觉。

不同形状、不同颜色的事物

可你想过没有，这些我们平时工作和生活所依赖的事物，床、被子、桌子、食物……等等，这些不同材质、不同形状、不同功能、不同味道、不同触感、不同颜色的事物它们都是由什么构成的？甚至我们自身又由什么构成的?

事物的基本构成

元素周期表

一旦你开始思考这个问题，那么我们就会想起中学时学过的物理课本，所有的物体都是由原子构成的，在古希腊哲学家德谟克利特提出原子（英文“atom”）一词时，就隐含了“不可分割”的意思。

之后，科学家经过不懈努力发现了100多种不同类型的原子，后来，俄罗斯化学家门捷列夫发现从最轻的氢原子到重原子有一定的周期性，所以他按照原子量制作了一张元素周期表。

原子的构成

当然，随着知识的积累，你又知道，原子其实也不是尽头，还可以进一步分割，它实际上是由更加微小的质子、中子和电子构成的。而其中的质子和中子共同构成了电子核，而围绕电子核旋转的是电子。而之所以我们周围各种物质形态、性质各异，都是在于原子与原子钟的电子相互结合的原因，这种结合会形成复杂的排列。

质子和中子由夸克组成

难道一切到此为止？肯定不是的，1967年至1973年在斯坦福线性加速器中心最前沿的实验已经证实，质子和中子也是由更微小的成分构成的，这种成分就是夸克，质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子由一个上夸克和两个下夸克组成。

有人问，按照这种思路，是不是还可以再分割？目前来说，按照现有技术，这已经是尽头了，因为夸克有个奇怪的地方，那就是不可隔离性，虽然夸克很像电子，都是基本粒子，但是我们无法像观察电子一样把单个夸克取出来观察。所以，最前沿的科学对是否能够分割夸克仍没有答案。

这就是事物的构成链路，夸克组成质子和中子，质子、中子、电子组成原子，原子组成分子，分子构成物质。也就是说，文章开头说的，你所有生存和生活的一切，床、桌子、食物、空气、水，甚至包括你自己都是由夸克构成的。

到此为止，你肯定还不足为奇，因为大部分都是课本知识，但是在这些粒子组成中还隐藏着一个可怕的事实，这才是万物的本质。

认清微观粒子的真面目

上文，我们已经很清楚，万物都是由夸克经过各种排列组合，形成了大千世界的万事万物。但是还有一个问题需要我们深入思考。请看下图：

这是微观粒子的一个尺度图。细心的读者会发现，他们的比例是如此悬殊，假设夸克和电子的大小是1米，也就相当于我们人的肩宽，那么质子的边界是1公里，原子核的边界是100公里（用时速100公里的车也要跑1个小时），原子的边界将达到可怕的10万公里（大约相当于月地平均距离38万公里的四分之一），如果你还没有直观的印象，请看下图。

这个图虽然仍没法将其比例直观显示，但是大家已经可以看出来，整个氢气分子，除了6个夸克和两个电子外，其余全部是虚空。

如果我们再来看电子，更加匪夷所思，电子大小和夸克差不多，但是电子居然是以云态存在于原子核外。这里有必要再多说一点，生活中，有人总是不太理解，一直问我，原子核不是应该像太阳系那样么，我说你的思维还停留在1911年，看下图的原子结构模型演变图就一目了然。

现代的电子云模型已经是不争的事实，那么电子的云态到底是什么形状呢，请看下图：

电子轨道示意图

可以看出，上图中红色部分是电子出现的地方，其余部分是电子从未出现的地方，看起来，电子不是在一个线性轨道上运动，而是在一个类似于球面、锥面或其他曲面的内外运动，所以才有明显的分割。每个电子都在自己的能级层上，进行着量子态运动，表现为无处不在，就像一片云一样包裹着原子核，因此称为电子云。

氢原子的电子云

有人肯定会有疑问，电子如何在一个曲面内外运动，然后跳过空白区域，并在另一个曲面内运动？小编这里只能回答，不知道，因为这是宏观物理规则无法解释的，但事实上，电子就是那样在运动，似乎它们能够穿过某种高维空间，并在另一个地方出现，也许这就是微观世界的法则。

知道了电子云，我们更加感兴趣的是电子到底是个什么东西？部分物理学家认为夸克、电子等基本粒子可能是点粒子，也就是说这些基本粒子是零纬度，不占据空间，也就是说类似于一个质点。

看清万物的本质

如果我们反过来把上面得到的信息梳理一遍，我们会发现什么呢？

世界上的万事万物，颜色、质感、味道、形状等等，所有我们能感受到的一切，都是光和电子的相互作用，而光子是没有静质量的虚空粒子，电子则是没有结构的质点，而唯一让我们感觉比较踏实的原子核，居然也是由类似于质点的夸克组合而成。当然，最前沿的理论——弦理论还认为，所有微观粒子都是由弦的不同振动状态组成的，听起来似乎更加科幻。

我们先看下面这个东西：

旋转LED灯

旋转LED灯高速旋转的效果

上面的旋转LED灯大家应该都见过，静止状态下，它是由一个个的数码显示点组成，但是一旦高速旋转，那么就会显示各种非常绚丽的效果。

同样道理，微观世界似乎也差不多，当所有的电子和光子都高速运转起来，这个世界也就显得光彩夺目，绚丽无比，但是其本质还是夸克、电子、光子这些质点通过各种力的作用搭建起来的一个虚空结构。

如果把这种结构表示出来就是下图这样：

这就是这个万事万物的本质所在，你Get到了吗？

原子内部真的是虚空(空无一物)

原子很空

　　前几天在写一篇关于原子的文章时，我用了下面这张图来形容原子内部的空间：

　　如果将原子比作体育场，原子核与电子的位置

　　当我们将一个原子放大到体育场的大小，电子会处在看台的位置，这时候原子核在哪里？图片中黄色箭头指向草坪，原子核有草坪那么大吗？并不是，原子核太小了，在体育场里它只有绿豆那么大，所以我们没办法在图中把它标出来。我们能在看台上找到电子吗？很难，电子比座椅上的灰尘还小！

　　由此可见，原子内部真的很空。

　　实际上，构成世间万物的原子的直径大约在10 m的数量级，比如说我们最常见的碳原子直径为182pm（皮米，1皮米相当于1米的一万亿分之一），也就是1.82×10 m，一个C-12原子的质量仅为1.993×10 kg。

　　原子的质量主要集中在它的原子核，准确地说是集中在其质子和中子。所以我们通常将原子画成这个样子以突出原子核：

　　通常所见的原子模型

　　在日常所见的原子模型中，原子核是颗大大的球，它很突出地居于原子中间，电子围绕在它的周围运转，就像行星绕着太阳运行一样。

　　类似的图都是错误的。如果你在任何一张A4纸上画原子，原子核都几乎小到看不见，而电子更是无处寻找。原子核的体积仅为原子体积的千亿分之一，也就是说在原子中除原子核外有99.99%以上是空的，但就是这极小的原子核，却集中了原子99.96%的质量。

　　原子是有质量的。尽管小，尽管很空，但原子并不是虚无。

　　原子的“壳”

　　原子核与电子之间看似有巨大的空间，这空间里有什么？

　　原子核中至少有一个质子，除氢的同位素氕外，其它的元素原子核还会有中子。中子对外显示电中性，质子带正电荷，所以原子核整体带正电。

　　氘原子结构

　　带正电的原子核周围存在强大的电场，电子也有自己的电场，带负电荷的电子围绕原子核运动，原子核与电子之间主要是静电力的相互作用。

　　电子很轻，质量仅为9.11×10 kg，它在原子这样的极小尺度里以接近光速运行，所以从外部看，电子是随机出现在原子外围，它并不会像行星围绕恒星那样以圆周轨道或椭圆轨道运动，它的轨迹更像是一团云雾，因此被称为电子云。

　　氢原子的电子云像一团浓雾，它表示电子会随机出现在各个位置

　　我们并不实际了解电子的运动轨迹，但科学家通过实验证明了围绕原子核运行的电子有它们各自的轨道，并且这些轨道呈现一定的规律性。

　　不要以为原子核与电子轨道之间很空，你就可以随便进入，事实上当电子占满了它们的轨道之后，就在原子的外围构建起了一层或几层无形的“壳”，除了不带电的中子和中微子外，这个壳层（又称“能层”）是谢绝其它物质入内的。

　　这就是为什么原子看起来很空，但它又十分坚硬的原因。致密的原子核拥有强大的电场，它吸引电子在其周围建立起一层无形的硬壳，除非把它投入到恒星中央或核聚变反应堆中，否则我们无法穿透原子的壳层。

　　致密的原子核

　　原子核以千亿分之一的体积占据了原子99.96%的质量，它是致密的，原子核的密度大约为10 kg/m 。如果你在1立方厘米小手指尖大小的空间里装满原子核，它的重量将达到1亿吨！

　　除氕外，其它元素的原子核都由质子和中子组成。

　　原子核构成示意图

　　原子核中质子的数量被称为原子序数，它决定原子是什么；中子是原子核的“稳定剂”。当原子序数小于20时，原子核里质子与中子的数量基本相等，无论中子多了或少了，原子核都不稳定，它有放射性，会通过衰变和释放能量来使自己达到稳定的状态。但是当原子核里的质子数量大于20个时，它就需要更多的中子来帮助稳定。

　　原子核里并不空，质子之间以及质子与中子之间被强力紧紧地拉在一起。质子的静止质量是1.6726231(10)×10 kg，是电子质量的1836倍；中子跟质子差不多大，它的静止质量为1.6749286(10)×10 kg，约是电子质量的1838倍。我们不能单纯把质子与中子的质量简单相加来得到原子核的质量，事实上原子核的质量要小一些，这是因为一部分的质量被转化为核子之间的结合能量了。

　　原子的核力

　　前面的章节提到，质子是带正电荷的，它有电场，两个质子之间因为电荷相同会相互排斥，为什么在原子核里它们可以紧密地“粘”在一起？

　　这是因为核力在起作用。

　　两个质子之间，或者说两个原子核之间因为具有相同的电荷而互相排斥，这个排斥的力是静电力。静电力很强大，它使质子拥有自己的势力范围，我们称之为库仑势垒。如果想把两个质子捏合在一起，就需要非常大的力来克服这个库仑势垒。

　　两个原子核之间因静电力互相排斥

　　可是一旦两个质子接近到2.5fm（飞米，1飞米等于一千分之一皮米）时，核力就起作用了，它会迅速将质子拉到一起，同时向外释放巨大的能量，这个聚变能量是由质子的质量转化的。核力是强力，它比静电力强137倍，可以确保原子核保持稳定，不会散开。

　　将两个质子压在一起会发生核聚变

　　量子理论认为原子核内部的结合力是核力，核力是一种强相互作用力，它是由介子提供的，介子是一种夸克组合。

　　质子与中子由夸克构成

　　科学家们通过强大的粒子对撞机撞击微观粒子后证实，质子与中子还是可以再分割的，它们由一种叫“夸克”的微观粒子组成。

　　与电子一样，夸克是更小的基本粒子，同时，夸克也是有质量的。科学家们目前共找到6种不同“味道”的夸克，它们分别是它们是上（u）、下（d）、粲（c）、奇（s）、顶（t）和底（b）夸克。每一种味的夸克质量各不相同，其中上夸克质量约在1.7 - 3.3（ MeV/c ）间，它带+2 3电荷；下夸克的质量为4.1 - 5.8（ MeV/c ），它带-1 3电荷。

　　通常两个上夸克与一个下夸克结合成一个质子，而一个上夸克与两个下夸克组合会产生一个中子，质子与中子又称为重子。质子与中子的电性质是由夸克的电性质决定的，从夸克的角度看，中子并不是不带电，它只是对外显示电中性。

　　两个上夸克与一个下夸克组成了质子

　　夸克之间并不相互吸引，将夸克拉在一起结合成质子或中子的是另一种基本粒子“胶子”，胶子没有质量，但它负责在夸克之间传递强力，从而将夸克拉在一起。量子物理学认为夸克不能单独存在（夸克禁闭），所以胶子尽管跟光子一样没有质量，它也无法达到光速，因为它必须与夸克共存。

　　而通过强力将质子、中子拉在一起形成原子核的介子，它是由一对正反夸克组成的。

　　夸克还能不能再分？

　　没有实验可以证明夸克还可以分成更小的粒子，但科学家们认为夸克应该是分层的，这决定了夸克拥有不同的“味”、不同的“色”以及不同的质量。或许未来的某一天我们可以确定夸克可以被分得更小，这不仅需要理论支持，还需要科学实验的结果来加以证实。

　　到目前为止科学家们证实能找到的基本粒子包括：

　　6种夸克：上（u）、下（d）、粲（c）、奇（s）、顶（t）和底（b）夸克；

　　6种轻子：电子、 μ子、 τ子、电子中微子、 μ子中微子和 τ子中微子；

　　四种规范波色子：光子、胶子、w和z玻色子

　　和被称作“上帝粒子”的希格斯玻色子。

　　已经确认的基本粒子图表

　　总结：

　　一、我们了解了原子内部的结构，原子核与核外电子都是有质量的实体粒子，尽管很“空”，但强大的静电场决定了原子内部巨大的空间是“不可侵犯”的。

　　二、原子核内的强相互作用力会将质子与中子拉在一起，要做到这一点并不容易，你需要付出极大能量去克服静电力造成的库仑势垒；而一旦两个质子足够接近时将引发核聚变，原子核的改变会伴随强大能量的释放。

　　三、质子与中子都由更小的基本粒子夸克结合而成，夸克由胶子传递的强力结合在一起；同样，原子核内部核子之间则是由一对正反夸克组成的介子传递的强力“粘合”在一起。

　　四、原子并不是虚空，组成原子的几乎所有的基本粒子都已经被证明了具有体积和质量，原子是质量与能量的结合体。最近的科学检测结果表明，此前一直被定义为“质量严格为0”的光子也具有质量，光子的静止质量小于1.2×10^(-51)g。这证明构成宏观宇宙的一切物质都是真实存在的三维物体，而不是由一维“弦的振动”或能量构成的虚幻世界。

　　五、科学需要推理与想象，科学同时需要现实可验证，单凭计算、推理与想象并不能被称为科学。到目前为止，所有的“弦理论”、“十维时空”、“膜结构”、“多重宇宙”以及“宇宙由能量构成”等等都仅是数学上的推理，没有任何一项实验或观察可以证明它们真实存在。

　　有人称“弦理论”可以解释一切，遗憾的是它从来没有得到过证明

　　因此，无论从经典物理学还是量子物理、无论对微观粒子的研究还是对宏观世界观察，都证明我们生活的这个宇宙都是物质的、四维的和真实的。