原子99.999%的空間是空的,那為何它構成的東西,卻是實實在在的?

一提到原子，很多人想到的是類似於太陽系那樣的原子模型，電子像是行星一樣在外圍，中心有個原子核，而且這個原子核還真的不小。

實際上，原子的真實面貌與大多數人想像中的是完全不一樣的。

上世紀初，科學家盧瑟福就開始著手研究原子結構。他用α粒子轟擊金箔，結果大多數的α粒子都穿過了金箔，有少數的α粒子發生了較大的偏折，極其小數的α粒子偏轉角度超過了90度，有的甚至是直接180度角反彈回來。

那盧瑟福的實驗能說明什麼呢？

這個實驗告訴我們，原子是很空曠的，並且並不存在一層外殼包裹著；除此之外，原子核遠比我們想像中的要小得多。如果我們把原子看成像足球場那麼大，那麼原子核大概也就是一隻螞蟻那麼大。那麼問題就來了，原子明明是空空如也，為什麼原子構成的萬物都實實在在？

要搞清楚這個問題，我們就得先來了解一下宇宙中的四大基本相互作用。上世紀，科學家發現，在宇宙存在著四種基本相互作用，分別是強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用和引力相互作用。那它們有什麼用呢？

我們所處的宇宙是一個物質主導的宇宙，構成物質的基本單位是基本粒子，比如：夸克、電子、中微子等等，這類粒子也被稱為費米子。如果把一坨基本粒子放一起，它們是很難構成物質的。這就需要有「粘合劑」，而相互作用起到了粘合劑的作用。不同的相互作用的作用範圍不同，強度也不同，起到了不同的「粘合劑」作用。

強相互作用和弱相互作用確保了原子核結構得以形成。電磁相互作用確保了原子結構得以形成；引力相互作用則是物質之間相互吸引的作用力。那麼問題來了，四大基本作用是通過什麼樣的方式實現的呢？

科學家發現，它們依靠的是另外一種實實在在的物質，我們把它們叫做：場。最被人所熟悉的「場」應該就是電磁場了。電磁場可以傳遞電磁相互作用。

如果「場」是一種物質，那麼場應該也有自身的「基本粒子」，我們把這種粒子叫做玻色子。電磁場對應的玻色子就是光子。也就是說，電磁力是依靠傳遞光子來實現相互作用的。同理，強相互作用是依靠膠子來傳遞作用的；弱相互作用是依靠W玻色子和Z玻色子來傳遞作用的。

以上我們說的這套理論被稱為粒子物理標準模型，這個模型目前已經統一了電磁相互作用和弱相互作用，部分統一了強相互作用。在這個理論中，科學家還假設了「引力子」是傳遞引力相互作用的玻色子，只不過"引力子」的假設還存在很多問題。

多說一句，除了這些玻色子之外，還有一種玻色子是賦予粒子質量的，這個玻色子被叫做希格斯玻色子，也被稱為上帝粒子。

了解了這些，我們再來看開頭的問題：原子明明是空空如也，為什麼原子構成的萬物都實實在在？

很明顯，原子之間的相互作用必然是電磁相互作用，這是因為原子核外是存在著電子的。所以，本質上應該是原子裡的電子和其他原子裡的電子發生電磁相互作用。

當然，這麼說其實並不嚴謹。這是因為我們還沒有說清楚：電子到底是什麼狀態？

著名的量子力學奠基人海森堡曾經提出一個不確定性原理。這個不確定性原理告訴我們，電子的位置和動量信息是無法同側測準的，如果你測準了位置信息，就測不準動量信息，測準了動量信息，就無法測準位置信息。那這個理論有什麼用呢？

這個理論告訴我們電子在原子核的狀態和宏觀物體是不同的，它是呈現電子云的形式。具體來說就是，電子出現在原子核外的任意位置，我們只知道它出現在某個位置的概率，但我們無法同時知道它的位置和動量信息。你可以理解成電子無處不在，同時存在於任意位置。

也就是說，原子間的相互作用實際上是原子核外的電子云之間的電磁相互作用，同時它們要滿足泡利不相容原理，說白了就是電子需要按著某種規則排排坐，狀態不能重疊。這就使得原子即便是空空如也，也不會彼此穿過，原子才能構成物質。