原子內部幾乎全是空的,但為什麼人體是實實在在的?

如果我們觀察自己的身體是由什麼組成的，在更小、更基本的層面上，我們會發現體內有一個完整的微型宇宙結構。我們的身體由器官組成，而器官又是由細胞組成，細胞含有細胞器，細胞器由分子組成，分子本身是由單個原子鏈連接在一起。原子存在於極其微小的尺度上，直徑只有1埃（1埃等於0.1納米，1埃等於10的負10次方米），但它們由更小的成分組成：質子、中子和電子。

圖註：因為宇宙中束縛態和完全自由的粒子不一樣，所以可以想像，質子穩定性比我們通過測量原子和分子的衰變特性所觀察到的要差，因為質子與電子和其他複合結構結合在一起。然而，我們在所有實驗裝置中觀察到的所有質子，我們從未見過與質子衰變一致的事件。

我們大家都了解組成每個原子核的質子和中子的微小尺寸為一費米，一費米比埃米小100,000倍。而電子則更小，不超過質子或中子大小的1/10000。這是否意味著原子——或者說，所有由原子構成的東西——大部分都是空的？事實上，一點也不。讓我們一起看看科學解釋。

圖註：從宏觀尺度到亞原子，基本粒子的大小在確定複合結構的大小方面起著很小的作用。這些構造塊是否真正具有基本或點狀粒子仍不得而知，但我們確實了解宇宙從宇宙大尺度到微小的亞原子尺度。

如果原子是由連續結構組成的，那麼在薄金薄片上發射的所有粒子都將直接通過它。經常出現硬質後座力，甚至使某些粒子從其原始方向反彈的事實，有助於說明每個原子固有一個硬而緻密的核。

根據我們的正常經驗，如果您想知道某物有多大，只需進行測量即可。對於非量子物體，這不是問題，因為測量物體的不同方法都會給您相同的答案。無論您使用量尺（例如尺子），高清成像還是諸如布朗運動或重力沉降之類的依賴於物理的技術，您都將獲得完全相同的解決方案。

但是對於所有最小的物體，例如單個原子，這些技術不再有效。發現放射性後不久，就首次嘗試了探測原子內部的嘗試，並且實際上是巧妙的。通過將放射性物質發射的粒子發射到原子薄板上，歐內斯特·盧瑟福試圖確定當您檢查原子內部時發生了什麼。他發現的一切震驚了世界。

圖註：如果原子是由連續結構組成的，那麼在薄金薄片上發射的所有粒子都將直接通過它。經常出現硬反衝，甚至使某些粒子從其原始方向反彈的事實，有助於說明每個原子有一個硬而緻密的核。

這些快速移動的粒子被發射到一張非常薄的金箔上，金箔被錘打得非常薄，如果用人手觸摸它，它就會散開。當大多數粒子直接穿過時，有一小部分卻被偏轉了，有些甚至以其原始方向的反方向返回。正如15年後盧瑟福自己所說，

「這是我一生中發生過的最不可思議的事情。簡直不可思議，就好像你向一張紙巾發射了一枚15英寸的炮彈，然後彈回來並擊中您一樣令人難以置信。」

這種用於測量粒子尺寸的技術稱為深層非彈性散射，今天用於限制質子和中子內部基本粒子的大小和測量特性。從盧瑟福到大型強子對撞機，一百多年來，這是測量基本粒子尺寸的重要方法。

圖註：當將任意兩個粒子碰撞在一起時，可以探測碰撞粒子的內部結構。如果其中一個不是基本粒子，而是一個複合粒子，則這些實驗可以揭示其內部結構。在這裡，設計了一個實驗來測量暗物質/核子散射信號。直到今天，深層非彈性散射實驗仍在繼續使用。

但是，在這些高能條件下，常規原子和原子核被接近光速運動的粒子轟擊，這並不是我們日常生活中原子通常會遇到的條件。我們生活在一個低能量的宇宙中，我們體內的原子以及各種粒子之間發生的碰撞的能量，不到大型強子對撞機所能達到的能量的十億分之一。

在我們的量子宇宙中，我們經常談論波粒二象性，或者說組成宇宙的基本量子具有波狀和粒狀性質的想法，這取決於它們所處的條件。如果我們使用更高的能量，我們正在研究的量子將更像粒子，而在更低的能量下，它們更像波。

圖註：光電效應詳述了光子如何根據單個光子的波長而不是光強度或總能量或任何其他性質來使電子電離。如果一束光以足夠的能量進入，它可以與電子相互作用並使其電離，將其踢出材料並產生可檢測的信號。

我們可以通過檢查光子來說明為什麼：與光有關的能量量子。從超高能量的伽瑪射線到超低能量的無線電波，光都具有多種能量。但是光的能量與波長密切相關：能量越高，波長越短。

我們知道的最低能量的無線電波長几米甚至幾千米，它們的振蕩電場和磁場有助於使天線內的電子來回移動，從而產生一個我們可以使用和提取的信號。另一方面，伽馬射線的能量是如此之高，以至於即使單個質子也需要數以萬米的波長才能穿過。如果粒子的大小大於光的波長，則光可以測量其大小。

圖註：用光進行的雙縫實驗會產生幹涉圖案，就像對任何你能想像到的波所做的那樣。不同顏色的光的特性被理解為，是由於不同顏色的單色光的不同波長造成的。較紅的顏色具有更長的波長，更低的能量和更多的擴展幹涉圖樣。較藍的顏色具有更短的波長，更高的能量，並且幹涉圖中的最大值和最小值更緊密地聚集在一起。

但是如果粒子比光的波長小，光就不能很好地與粒子相互作用，表現得像一個波。這就是為什麼像可見光光子一樣，低能光子通過雙縫時會產生幹涉圖樣的原因。只要狹縫足夠大，光的波長可以穿過它們，你就會在另一邊得到一個幹涉圖樣，顯示出這種類似波的行為。

即使一次發送一次光子也是如此，這表明在不同的光子之間並沒有發生這種波狀性質，但是每個單獨的光子都在以某種方式幹擾自身。

即使用電子代替光子，這仍然是正確的，因為即使是大質量的粒子在低能量條件下也能像波一樣運動。即使通過雙狹縫一次發射一個低能電子，也會產生這種幹涉圖樣，顯示出它們的類波行為。

圖註：我們大多數人將原子視為由單個電子繞軌道運動的原子核的集合。儘管這對於某些目的可能是有用的可視化，但對於在任何給定時間理解空間中電子的位置或物理範圍，這是災難性的不足。

當我們描繪一個原子時，我們大多數人本能地恢復到我們都學到的第一個模型：點狀電子繞著一個小而密集的核運行。原子的這種「行星模型」首先是由於盧瑟福（Rutherford）提出的，後來由尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）和阿諾德·索默費爾德（Arnold Sommerfeld）完善，他們認識到需要離散的能級。

但是在上個世紀的大部分時間裡，我們已經認識到這些模型太像粒子了，無法描述實際發生的事情。電子確實佔據了離散的能級，但不會轉化成類似行星的軌道。取而代之的是，原子中的電子的行為更像云：散布在特定空間體積內的彌散霧。當您看到原子軌道的圖示時，它們基本上是在向您顯示單個電子的波狀形狀。

圖註：每個s軌道（紅色），每個p軌道（黃色），d軌道（藍色）和f軌道（綠色）只能包含兩個電子：一個自旋向上，一個自旋向下。

如果發送一個高能光子或粒子到其中與電子相互作用，當然，我們可以精確地確定它的位置。但是——這就是量子力學讓我們大多數人感到困惑的地方——將高能粒子送入其中的行為從根本上改變了原子內部的情況。它使電子的行為像一個粒子，至少在那一次相互作用的那一刻，它使電子的行為像粒子，而不是波。

但是直到發生這種相互作用之前，電子一直都像波一樣起作用。當我們有一個孤立的室溫原子，或者一個分子甚至整個人體連結在一起的原子鏈時，它們的行為就不會像這些具有明確定義的點的單個粒子。取而代之的是，它們的行為就像波，電子實際上位於整個約1埃體積中，而不是位於一個特定的點狀位置。

圖註：電子在各種量子態下的氫密度圖。儘管三個量子數可以解釋很多，但必須加上「自旋」來解釋周期表和每個原子在軌道上的電子數。

考慮電子的更好方法是像「霧」或「雲」，它散布在原子核周圍的整個空間中。當兩個或多個原子結合在一起成為一個分子時，它們的電子云就會重疊，並且電子在空間中的分布會更加分散。當我們將手按在另一個表面上時，該表面上的電子產生的電磁力會推向我們手中的電子，導致電子云扭曲和變形。

當然，這是違反直覺的，因為我們已經習慣於根據粒子來思考物質的基本成分。但最好將它們視為量子：在高能條件下表現得像粒子，而在低能條件下表現得像波。當我們在正常的地麵條件下處理原子時，它們就像波浪一樣，單個量子獨自佔據大量空間。

圖註：如果我們捕獲一個束縛一個電子的原子核，則每個電子會看到以下10個概率雲，其中這10個圖對應於電子分別佔據1s，2s，2p，3s，3p，3d， 4s，4p，4d和4f軌道。電子永遠不會在一個特定的時間位於一個特定的位置，而是以雲狀或霧狀存在，並散布在代表整個原子的整個空間中。

每當我們依靠直覺來理解宇宙時，都會遇到一個大問題：直覺來自經驗，而我們自己對宇宙的個人經驗完全是經典的。我們的宇宙是由基本現象中的粒子組成，粒子的集合可以以波浪狀的方式壓縮，稀化和振蕩。

但是在原子、光子和單個電子的量子領域中，波行為與粒子行為一樣基本，只有實驗、測量或相互作用的條件才能確定我們觀察到的東西。在非常高的能量下，實驗可以揭示出我們非常熟悉的類粒子行為。但在正常情況下，就像我們在自己身體中不斷經歷的那樣，即使是單個電子也會擴散到整個原子或分子上。

綜上所述，在低能量的地球上，由原子構成的身體是實實在在的。因為我們被一系列電子云充滿，而這些電子云都由控制整個宇宙的量子規則束縛在一起。

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