近日讀到一篇分析原子內部結構文章，它從原子中巨大的空間說起，談到質子、中子，又談到夸克和玻色子，最後談到弦，得出的結論是原子中本來空空如也，並且咱們整個世界都是由一維的「弦」及能量構成，給人一種世界虛無的玄幻印象。
今天我們也來解剖原子，看看世界到底是物質的呢，還是虛幻的？
（溫馨提醒：本文約3400字，讀完大約需要5分鐘時間。你可以選擇看大標題、粗體要點和文末結論部分來了解。）
原子很空前幾天在寫一篇關於原子的文章時，我用了下面這張圖來形容原子內部的空間：
如果將原子比作體育場，原子核與電子的位置
當我們將一個原子放大到體育場的大小，電子會處在看臺的位置，這時候原子核在哪裡？圖片中黃色箭頭指向草坪，原子核有草坪那麼大嗎？並不是，原子核太小了，在體育場裡它只有綠豆那麼大，所以我們沒辦法在圖中把它標出來。我們能在看臺上找到電子嗎？很難，電子比座椅上的灰塵還小！
由此可見，原子內部真的很空。
實際上，構成世間萬物的原子的直徑大約在10⁻¹⁰m的數量級，比如說我們最常見的碳原子直徑為182pm（皮米，1皮米相當於1米的一萬億分之一），也就是1.82×10⁻¹⁰m，一個C-12原子的質量僅為1.993×10⁻²⁶kg。
原子的質量主要集中在它的原子核，準確地說是集中在其質子和中子。所以我們通常將原子畫成這個樣子以突出原子核：
通常所見的原子模型
在日常所見的原子模型中，原子核是顆大大的球，它很突出地居於原子中間，電子圍繞在它的周圍運轉，就像行星繞著太陽運行一樣。
類似的圖都是錯誤的。如果你在任何一張A4紙上畫原子，原子核都幾乎小到看不見，而電子更是無處尋找。原子核的體積僅為原子體積的千億分之一，也就是說在原子中除原子核外有99.99%以上是空的，但就是這極小的原子核，卻集中了原子99.96%的質量。
原子是有質量的。儘管小，儘管很空，但原子並不是虛無。
原子的「殼」原子核與電子之間看似有巨大的空間，這空間裡有什麼？
原子核中至少有一個質子，除氫的同位素氕外，其它的元素原子核還會有中子。中子對外顯示電中性，質子帶正電荷，所以原子核整體帶正電。
氘原子結構
帶正電的原子核周圍存在強大的電場，電子也有自己的電場，帶負電荷的電子圍繞原子核運動，原子核與電子之間主要是靜電力的相互作用。
電子很輕，質量僅為9.11×10⁻³¹kg，它在原子這樣的極小尺度裡以接近光速運行，所以從外部看，電子是隨機出現在原子外圍，它並不會像行星圍繞恆星那樣以圓周軌道或橢圓軌道運動，它的軌跡更像是一團雲霧，因此被稱為電子云。
氫原子的電子云像一團濃霧，它表示電子會隨機出現在各個位置
我們並不實際了解電子的運動軌跡，但科學家通過實驗證明了圍繞原子核運行的電子有它們各自的軌道，並且這些軌道呈現一定的規律性。
不要以為原子核與電子軌道之間很空，你就可以隨便進入，事實上當電子佔滿了它們的軌道之後，就在原子的外圍構建起了一層或幾層無形的「殼」，除了不帶電的中子和中微子外，這個殼層（又稱「能層」）是謝絕其它物質入內的。
這就是為什麼原子看起來很空，但它又十分堅硬的原因。緻密的原子核擁有強大的電場，它吸引電子在其周圍建立起一層無形的硬殼，除非把它投入到恆星中央或核聚變反應堆中，否則我們無法穿透原子的殼層。
緻密的原子核原子核以千億分之一的體積佔據了原子99.96%的質量，它是緻密的，原子核的密度大約為10¹⁷kg/m³。如果你在1立方釐米小手指尖大小的空間裡裝滿原子核，它的重量將達到1億噸！
除氕外，其它元素的原子核都由質子和中子組成。
原子核構成示意圖
原子核中質子的數量被稱為原子序數，它決定原子是什麼；中子是原子核的「穩定劑」。當原子序數小於20時，原子核裡質子與中子的數量基本相等，無論中子多了或少了，原子核都不穩定，它有放射性，會通過衰變和釋放能量來使自己達到穩定的狀態。但是當原子核裡的質子數量大於20個時，它就需要更多的中子來幫助穩定。
原子核裡並不空，質子之間以及質子與中子之間被強力緊緊地拉在一起。質子的靜止質量是1.6726231(10)×10⁻²⁷kg，是電子質量的1836倍；中子跟質子差不多大，它的靜止質量為1.6749286(10)×10⁻²⁷kg，約是電子質量的1838倍。我們不能單純把質子與中子的質量簡單相加來得到原子核的質量，事實上原子核的質量要小一些，這是因為一部分的質量被轉化為核子之間的結合能量了。
原子的核力前面的章節提到，質子是帶正電荷的，它有電場，兩個質子之間因為電荷相同會相互排斥，為什麼在原子核裡它們可以緊密地「粘」在一起？
這是因為核力在起作用。
兩個質子之間，或者說兩個原子核之間因為具有相同的電荷而互相排斥，這個排斥的力是靜電力。靜電力很強大，它使質子擁有自己的勢力範圍，我們稱之為庫侖勢壘。如果想把兩個質子捏合在一起，就需要非常大的力來克服這個庫侖勢壘。
兩個原子核之間因靜電力互相排斥
可是一旦兩個質子接近到2.5fm（飛米，1飛米等於一千分之一皮米）時，核力就起作用了，它會迅速將質子拉到一起，同時向外釋放巨大的能量，這個聚變能量是由質子的質量轉化的。核力是強力，它比靜電力強137倍，可以確保原子核保持穩定，不會散開。
將兩個質子壓在一起會發生核聚變
量子理論認為原子核內部的結合力是核力，核力是一種強相互作用力，它是由介子提供的，介子是一種夸克組合。
質子與中子由夸克構成科學家們通過強大的粒子對撞機撞擊微觀粒子後證實，質子與中子還是可以再分割的，它們由一種叫「夸克」的微觀粒子組成。
與電子一樣，夸克是更小的基本粒子，同時，夸克也是有質量的。科學家們目前共找到6種不同「味道」的夸克，它們分別是它們是上（u）、下（d）、粲（c）、奇（s）、頂（t）和底（b）夸克。每一種味的夸克質量各不相同，其中上夸克質量約在1.7 - 3.3（ MeV/c²）間，它帶+2⁄3電荷；下夸克的質量為4.1 - 5.8（ MeV/c²），它帶-1⁄3電荷。
通常兩個上夸克與一個下夸克結合成一個質子，而一個上夸克與兩個下夸克組合會產生一個中子，質子與中子又稱為重子。質子與中子的電性質是由夸克的電性質決定的，從夸克的角度看，中子並不是不帶電，它只是對外顯示電中性。
兩個上夸克與一個下夸克組成了質子
夸克之間並不相互吸引，將夸克拉在一起結合成質子或中子的是另一種基本粒子「膠子」，膠子沒有質量，但它負責在夸克之間傳遞強力，從而將夸克拉在一起。量子物理學認為夸克不能單獨存在（夸克禁閉），所以膠子儘管跟光子一樣沒有質量，它也無法達到光速，因為它必須與夸克共存。
而通過強力將質子、中子拉在一起形成原子核的介子，它是由一對正反夸克組成的。
夸克還能不能再分？沒有實驗可以證明夸克還可以分成更小的粒子，但科學家們認為夸克應該是分層的，這決定了夸克擁有不同的「味」、不同的「色」以及不同的質量。或許未來的某一天我們可以確定夸克可以被分得更小，這不僅需要理論支持，還需要科學實驗的結果來加以證實。
到目前為止科學家們證實能找到的基本粒子包括：
6種夸克：上（u）、下（d）、粲（c）、奇（s）、頂（t）和底（b）夸克；
6種輕子：電子、 μ子、 τ子、電子中微子、 μ子中微子和 τ子中微子；
四種規範波色子：光子、膠子、w和z玻色子
和被稱作「上帝粒子」的希格斯玻色子。
已經確認的基本粒子圖表
總結：一、我們了解了原子內部的結構，原子核與核外電子都是有質量的實體粒子，儘管很「空」，但強大的靜電場決定了原子內部巨大的空間是「不可侵犯」的。
二、原子核內的強相互作用力會將質子與中子拉在一起，要做到這一點並不容易，你需要付出極大能量去克服靜電力造成的庫侖勢壘；而一旦兩個質子足夠接近時將引發核聚變，原子核的改變會伴隨強大能量的釋放。
三、質子與中子都由更小的基本粒子夸克結合而成，夸克由膠子傳遞的強力結合在一起；同樣，原子核內部核子之間則是由一對正反夸克組成的介子傳遞的強力「粘合」在一起。
四、原子並不是虛空，組成原子的幾乎所有的基本粒子都已經被證明了具有體積和質量，原子是質量與能量的結合體。最近的科學檢測結果表明，此前一直被定義為「質量嚴格為0」的光子也具有質量，光子的靜止質量小於1.2×10^(-51)g。這證明構成宏觀宇宙的一切物質都是真實存在的三維物體，而不是由一維「弦的振動」或能量構成的虛幻世界。
五、科學需要推理與想像，科學同時需要現實可驗證，單憑計算、推理與想像並不能被稱為科學。到目前為止，所有的「弦理論」、「十維時空」、「膜結構」、「多重宇宙」以及「宇宙由能量構成」等等都僅是數學上的推理，沒有任何一項實驗或觀察可以證明它們真實存在。
有人稱「弦理論」可以解釋一切，遺憾的是它從來沒有得到過證明
因此，無論從經典物理學還是量子物理、無論對微觀粒子的研究還是對宏觀世界觀察，都證明我們生活的這個宇宙都是物質的、四維的和真實的。