精密的仪器下,科学家看到了一个原子,它的直径是10^-10米,这就相当于太阳系和宇宙有多大,原子就有多小。
它内部的原子核,直径是10^-15米,原子核与原子整体之间,这片空旷的区域便是电子的天下。
但电子并非完全铺满这片区域的,而且原子核的质量占整个原子的99%以上,这都可以理解成,原子核之外的那个世界是空旷无比的,只不过肉眼看不到罢了。
那么,能否这样去理解,原子构成的世间万物其实都是空的呢?
原子的空和不空世间万物包括人体,都是由一个个的原子构成的。如果说原子的内部是空的,是不是说组成人体的我们,其实也是空的。
这样去理解不能说是错误的,但实际上有些概念却已经混淆了。
就像一堆蓬松的棉花和一块石头,两者质量相同,在视野范围内,棉花如果没有被压缩,它的体积看起来更大。
可以这样去理解,棉花和石头的密度差异,让前者看起来内部是“空”的。
将这一场景切换到原子的内部,它的空旷似乎也如同棉絮之间的缝隙一样,也是空旷的。
而且也是因为这种“空”,才能让比电子更小的中微子穿透一切。
肉眼可见的范围内,不管是空气还是别的什么物质,都不能穿透人的身体。但是在肉眼看不见的地方,中微子却在源源不断穿透一切。
这种来自宇宙深处的微小粒子,能轻松把地球上的一切都穿透,甚至连地球本身都能穿透。
如果将你的视野缩小到中微子一样的视野,人的身体包括地球上的山川水流等事物,都是有着巨大的空隙可供自己穿越。
从中微子的视野去看,人和一切都是空的。进一步去思考的话,你会察觉到中微子视野下的一切,难以看到物体的全貌。
就像一个中微子穿透面前的水杯,它的眼里看不到水杯的全貌,看到的只是原子内部的空隙。至于在中微子视野之外的世界又是什么样子,我们就只有想象了。
正因为如此,脑洞大开的人才觉得,宇宙很大其实也很小,它可能小到就像一个原子,原子核和原子内部之间的空旷区域,就是天体和各个星系。
电影《黑衣人》里,银河系就挂在了一只猫的脖子上,其探讨的实际上也是类似的问题。
但就像上面所说的,像这样去理解原子内部的空旷,实际上在概念上就错了。
至于为什么是错的?咱们接着往下聊。
原子的结构和大小很多人会觉得,原子这个词汇是现代科学进步后才发明的,实际上它在数千年前就有了。
德谟克里特,生活在公元前3世纪的古希腊人,他就提出原子是最小的微粒,是构成万物的基础,而且原子是不可以分割的。“原子”的意思在希腊语中就是不可分割的意思。
我国古代的惠施,也说过“至小无内,谓之小一”。老子说道生一,一生二,二生三,这些都能说明,古人虽然没有仪器看到原子,但对物质的组成理解跟现代人是一样的。
但也有不同的看法,比如亚里士多德,他就认为物质的组成是连续的,而不可能是一粒粒的东西组合在一起。
在西方,由于亚里士多德在后世学界成了绝对的权威,所以相当长的时间里,没有谁能去挑战他提出的理论。我国古代自春秋战国以后,也没有系统研究过物质和世界的组成。
所以此后的数千年,东西方的学者再没有认真去思考过这个问题,更没有谁再去提起过原子了。
直到近代社会开启,西方的科学家才再次思考构成物质的基础是什么。比如罗蒙诺索夫,18世纪就提出一个观点,物体是微粒组成的,物体的性质取决于微粒的性质。
再之后,道尔顿把几千年前的原子学说再次搬了出来,在一系列的实验和研究之后,道尔顿相信物质就是由一定质量的原子构成的。
虽然近现代科学家开始重新研究原子,但由于之前人类没有精密的观测仪器,还无法看到原子的真身。
直到仪器越发精密后,科学家不但看到了原子,而且还发现那是一个相当空旷的世界。就是说,在宇宙空间的无限大另一端,原子的世界往无限小的方向去了。
这便是宏观世界和围观时间的差异。简单去理解,目力所及之处都是宏观世界,肉眼不可见的则是微观世界。
但正如有些科学家所指出的那样,大众理解的微观世界,仅仅是肉眼不可见的这一层概念。还有一层微观,尺度不但更小,在物理和化学的层面,它所表现出来的特性,跟肉眼可见生物意义上的微观也有差异。
上面所说的原子内部的空,实际上就是从生物学的可见与不可见的概念去理解的。而如果将这一问题放到物理和化学的领域,空与不空,就又是另外一种概念了。
所以说,如果从生物学的角度去理解原子内部的空,很多概念就和物理以及化学层面表现出来的特性不一样了。
就像一个杯子,你肉眼看到它是空的,但是它的内部其实充满了肉眼不可见的空气。放到更小尺度下,还有更多的基本粒子在杯子里运动。
所以从这个角度去看,你说杯子里是空还是不空呢?也因此,空和不空的背后,从不同的学科概念去看,就会呈现出不一样的结果。
回到原子的问题上来,以肉眼的尺度去衡量,它的空旷组成了一个看不见的世界。但从物理和化学的角度去分析,所谓的空旷又成了一个伪概念。毕竟,构成原子结构的内部,其中的电子和原子核,又表现出了很多其他性质。
微观和宏观之间你在切菜,一刀下去切断的不仅仅是蔬菜本身,而且还切到了数量庞大的原子。
有人在这个问题上,又会犯一种明显的错误,即一刀切下去,会不会正好把一个原子切成两半?
如果这样去理解的话,其实是忘记了原子是非常小的结构。菜刀的刀刃在肉眼里是微细锋利的,可在一个原子的视野里,刀刃的宽度,可能比一个地球还要大。
在这种情况下,接触到刀刃区域的原子,实际上只能被刀刃挤压,而不会被劈成两半。
原子有多小呢?以一根头发丝为例,头发丝的横切面我们肉眼几乎不可见。然而就是在这不可见的区域内,可以排列50万个原子。
假设现在一个原子突然变成了玻璃球般大小,那么按照比例,一个人的拳头就变成一个地球般大小了。
大小之间的差异,实际上正是微观世界和宏观世界的差异体现。
数千年来,包括现在不借助仪器的情况下,我们能看到的永远是一个宏观世界。所有的知识结构,包括对世界的理解,都建立在肉眼可见的范围内。
然而随着对微观世界的越发深入了解,科学家突然发现微观世界不但同样广阔,而且和宏观世界对比起来,还是一个不确定态结果。
很多宏观世界的知识理论,放到微观世界里就不行了。这种宏观和微观上的差异,已经困扰了科学界一个多世纪。
虽然目前围绕微观世界,科学界也逐步构筑起了一些理论,但目前人类对微观世界的认知,还仅仅是一点皮毛。除了科学之外,宏观和微观的差异,也影响着人类整体的思辨和认知。
给原子拍照很长一段时间里,人类也仅仅是对原子进行观察和研究,并没有为其拍过照片,尤其是内部结构的照片。
因为原子的内部放在宏观的视野里是微小和脆弱的,要给它拍照几乎是不可能的。
直到2013年,科学家才利用氢原子,拍摄了原子的内部结构照片。利用激光和显微镜,在放大两万倍的特殊镜头下,科学家对其进行了拍摄。
通过给原子的内部拍照,进一步证实了原子的内部其实并不是空旷的。其内部的微粒密度,也存在很大的差异。
这些微粒在电子的扰动下,也在不停做着运动。所以说在肉眼不可见的地方,确实也是一个更加奇妙的世界。
结语原子组成了宏观世界,而一个原子本身又属于微观世界。微观和宏观之间,肉眼的标准仅仅是可见与不可见,而物理性质上的特性,又会呈现出别的变化。
你看不见的原子,又有着各自的运动和特性,可尤其组成的一个水杯,或者是其他物质,肉眼状态下又或许是静置的。
这种差异体现在世间万物的方方面面,科学家想要了解其中的内在,而在概念和认知层面,人类似乎又早早认识到了这种差异。
只是我们看不到它的变化,只能依靠想象,去认识那无穷小的世界。在小到一定程度后,似乎又跟无穷大的宇宙,完美融合在了一起。
参考资料:
《物质的构成——原子学说》 中国科学院 2010年9月9日《世界首张原子内部结构图亮相 颠覆传统观念》 科学网 2013年5月29日