目前所知,自然界中的物質(zhì)分為實(shí)物和場(chǎng)。物質(zhì)的存在會(huì)占據(jù)一定的空間,當(dāng)空間中沒有任何實(shí)物時(shí),便稱之為空。
如果用宏觀世界中的經(jīng)驗(yàn)來看,原子內(nèi)部絕大部分空間都是空的。可從微觀角度來看,由于物質(zhì)的存在方式與我們所看到的宏觀現(xiàn)象不一樣,因此并不能認(rèn)為大部分空間都是空的。
對(duì)于宇宙中由實(shí)物粒子構(gòu)成的普通物質(zhì),如果存在絕對(duì)實(shí)心的物質(zhì),就意味著存在不可分割的基本粒子。
由于人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)還有限,只能根據(jù)目前人類的主流科學(xué)觀點(diǎn)來回答。根據(jù)目前的實(shí)驗(yàn)以及粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型,該模型下的基本粒子可以暫時(shí)當(dāng)作實(shí)心物質(zhì),目前并沒有確切的證據(jù)顯示這些基本粒子還存在更精細(xì)的結(jié)構(gòu)。所以這個(gè)問題暫時(shí)沒有明確的答案。
下面來詳細(xì)介紹一下。
人類對(duì)原子的認(rèn)識(shí)之旅
人們很早就認(rèn)識(shí)到,物質(zhì)是由微粒組成的。在很長(zhǎng)的一段時(shí)間中,人們一直認(rèn)為原子是不可分割的基本粒子,也就是實(shí)心粒子。直到19世紀(jì)晚期,物理學(xué)家才發(fā)現(xiàn)了亞原子粒子以及原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu),證明原子可以再分。
1897年,湯姆遜在研究陰極射線的時(shí)候發(fā)現(xiàn)了電子,并證明了原子可以再分。電子是人類發(fā)現(xiàn)的第1個(gè)亞原子粒子。到了20世紀(jì)初,盧瑟福又發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子,認(rèn)識(shí)到原子具有核式結(jié)構(gòu),并認(rèn)為原子核中還存在中子。1932年,盧瑟福的學(xué)生查德威克通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了中子的存在。
按照大眾的理解,原子的結(jié)構(gòu)就如同太陽系的結(jié)構(gòu),地球繞著太陽轉(zhuǎn),電子也在繞著原子核運(yùn)轉(zhuǎn),這種模型可以方便人們理解,卻并不完全正確。實(shí)際上,根據(jù)量子力學(xué)理論,電子云模型才是最貼切的模型。至此,人類才完全弄明白原子及其結(jié)構(gòu)。
原子內(nèi)部的空與宏觀世界的空不同
從宏觀角度來看,實(shí)物總是占據(jù)一定的空間,并且所占據(jù)的空間范圍是可測(cè)的。比如教室里的一張課桌,該桌子的體積就是它所占的空間范圍大小。如果整間教室就只有一張桌子,那么教室就顯得很空。
原子的直徑是指原子核及原子核周圍的電子所占據(jù)的空間,大約在10^-10米,而原子核的直徑在10^-15~10^-14米之間。原子核占原子總質(zhì)量的99%,可體積卻只占原子體積的幾千億分之一。核外電子的質(zhì)量很小,僅為質(zhì)子質(zhì)量的1/1836,直徑大約在10^-15米。
從上面這些數(shù)據(jù)可以看出,原子內(nèi)部的空間是真的很空曠,不僅原子核占據(jù)的空間很小,電子占據(jù)的空間也很小??呻娮拥倪\(yùn)動(dòng)方式與宏觀世界中行星的運(yùn)動(dòng)方式不一樣,因此說原子內(nèi)部很空,是不恰當(dāng)?shù)摹?/span>
宏觀物體的運(yùn)動(dòng)都是可以精確預(yù)測(cè)的,比如,天文學(xué)家可以精確預(yù)測(cè)地球的運(yùn)動(dòng)軌跡??墒窃诿鎸?duì)原子等微觀粒子時(shí)卻束手無策,因?yàn)槲⒂^世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與宏觀世界不同。電子繞原子核運(yùn)動(dòng),并不像行星繞恒星運(yùn)動(dòng)。電子并不存在恒定的運(yùn)動(dòng)軌道,而是按概率分布在原子核周圍,電子的能級(jí)越高,在遠(yuǎn)離原子核的空間區(qū)域出現(xiàn)的概率越高,反之亦然。
由于核外電子的運(yùn)動(dòng)位置是不確定的,電子能夠隨機(jī)出現(xiàn)在任何位置,只是在某些區(qū)域的出現(xiàn)概率高,在某些區(qū)域的出現(xiàn)概率低。出現(xiàn)概率低,并不代表不可能出現(xiàn)。可見,原子內(nèi)部的空與宏觀世界中的空,不一樣。
是否存在絕對(duì)實(shí)心的物質(zhì),目前尚不清楚
實(shí)心的物質(zhì)必然不存在次級(jí)結(jié)構(gòu),因?yàn)樗旧砭褪俏镔|(zhì)存在的最基本形態(tài)。
隨著人類對(duì)事物本質(zhì)的深入認(rèn)識(shí),我們發(fā)現(xiàn)宇宙中的實(shí)物都是由微小的粒子構(gòu)成的,比如分子、原子、電子、質(zhì)子、夸克、光子等。這就好像搭積木,先由幾塊積木構(gòu)成若干個(gè)模塊,然后再用這些模塊構(gòu)成完整的作品。一張課桌就是由數(shù)不清的原子構(gòu)成的。
我們?cè)J(rèn)為原子就是構(gòu)成物質(zhì)的最小粒子,可是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,我們又發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子、中子等亞原子粒子。大型對(duì)撞機(jī)的使用,又讓我們認(rèn)識(shí)到核子是由夸克構(gòu)成的。夸克、電子等粒子就是最基礎(chǔ)的粒子嗎?目前尚不清楚。
英文是由26個(gè)英文字母構(gòu)成的,可是人類目前發(fā)現(xiàn)的基本粒子就高達(dá)61個(gè),這不得不讓人懷疑,這些粒子很有可能還存在更深層次的結(jié)構(gòu)。
為此,科學(xué)家們提出了許多種理論,目前最有希望的就是弦理論。理論物理學(xué)家認(rèn)為,這些粒子實(shí)際上是由幾種微小的弦構(gòu)成的,弦的不同振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生不同的基本粒子??上?,目前并沒有辦法用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該理論是否正確。
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