物質結構的層次和尺度

在複雜性科學和物質多樣性研究中，尺度效應至關重要。尺度的不同常常引起主要相互作用力的差異，導致物質性能及其運動規律和原理的質的區別。
通常把尺度粗分為宏觀、微觀和介觀(Mesoscopic)。但微觀的含義有兩種，生物學上的微觀通常是指肉眼看不見，用光學顯微鏡(放大幾百倍)可以看見的東西，如把微生物、細菌、細胞等稱為微觀生命。它們的尺度大致在100μ到0.1μ之間。而物理學和化學中的微觀，是指原子和小分子的尺度，即0.1-1nm的尺度。為避免混淆，筆者建議把前者稱為「顯微觀(Optico-microscopic)」，後者稱為「微觀(Microscopic)」。介觀是指介乎微觀與宏觀之間。筆者認為，物質尺度的劃分，應該先考慮宇宙間物質究竟有多少層次，再根據物質的層次結構來劃分尺度。因此本文內容分4部分：(1)宇宙進化的8個層次結構；(2)物質結構的層次和尺度；(3)尺度的劃分；(4)尺度效應的重要性。
一、字宙進化的8個層次結構
筆者建議把宇宙進化分為8個層次。第一層次是物理進化，從宇宙大爆炸開始到3萬年，是宇宙的嬰兒時期。按照宇宙大爆炸理論，大爆炸開始時處於超高溫、超高密的超統一場。開始後10^-44秒發生超統一相變，超統一場分化為引力場和大統一場，時間和空間也開始分化。到10^-36秒發生大統一相變，大統一場分化為強場和電弱場，夸克和電子等輕子也分化出來。到10^-12秒，發生電弱相變，弱場和電磁場分化出來。到10^-6秒，夸克合成中子和質子。到3分鐘，中子和質子合成氦、氘等輕核。到3萬年合成原子。以上是物理進化。
第二層次是天體演化，從3萬年到現在的150億年，宇宙由原子云凝聚成星雲、星系和現在夜空中燦爛的星星。
第三層次是地質演變，從46億年前地球誕生開始到現在，是地球的青年時期。
第四層次是化學進化，從大爆炸後3萬年原子形成開始，到34億年前微觀生命開始。這是宇宙的幼童時期。這一層次的化學進化是從原子到生物大分子，從尚無生命的生物大分子到有生命的單細胞微生物，是由化學進化到生物進化的飛躍。當有了人類以後，化學進化還要發展下去。這就是不斷人工合成新的分子和新材料，現在已有200O多萬種，大概每隔1O年要翻一番。
第五層次是生物進化，從34億年前直到現在。
第六層次是社會進化，從4O0多萬年前有猿人開始直到現在。
第七層次是人工自然進化，包括農業、工業、信息產業(包括計算機、電訊、網絡等)、生物工程產業等。
第八層次是由物質產生精神，形成文化、藝術、科學、技術等，又由精神反作用於物質。這個層次是人腦、信息、自然進化的層次。
這8個層次，構成整個宇宙的進化。每一層次的學問依次為：(1)物理學；(2)天文學；(3)地質、大氣、海洋、環境等地球科學；(4)化學；(5)生物學、醫學等生命科學；(6)社會科學；(7)技術科學、工程科學；(8)數學和系統科學，哲學、宗教、思維和認知科學，語言學和文學，音樂藝術等。這些學問構成人類文化和精神財富的總體。
二、物質結構的層次和尺度
宇宙間物質的結構，從小到大可分為5個大層次，即原子及其以下的層次、分子及其聚集態的層次、生物的層次、地球的層次和宇宙的層次。
1.原子及原子以下的層次和尺度
(1)時間和空間都有最小的極限，分別稱為普朗克時間和普朗克長度。
t_p=普朗克時間=[hG/2πc^5]^1/2=5.38×10^-44秒≈10^-44秒
1_p=普朗克長度=[hG/2πc^3]^1/2=1O^-33cm
比它們小的時間和長度是沒有意義的，因為那時時間和空間還沒有分化出來。
(2)輕子(電子、μ子和中微子)和夸克的層次，它們的尺度是1O^-16cm。
(3)中子和質子的層次，它們的尺度是10^-13cm。
(4)原子核的層次，它們的尺度是1O^-13cm到1O^-12cm。
(5)原子的層次，它們的尺度是1O^-8cm，與原子核的尺度相差4到5個量級。如果把它放大10^11倍，作個類比，那麼1個原子就好比1個10米直徑的圓形大廳，大廳中間只有1粒芝麻大小(毫米尺度)的原子核和若干粒細菌大小(微米尺度)的電子。其它已知粒子(除中微子外)之所以不能進入到這個十分空曠的大廳中去，是由於原子的電子軌道的量子化和巨大的庫侖及Pauli拆力。2OO0年2月19日的美國《The New York Time》和20日的《The Plain Dealer》，報導了義大利羅馬大學的科學家小組(8名作者中有4名來自中國的高能物理所，第一作者是Rita Bernabei)發現的WIMP粒子(Weak interaction mass particle)，其質量可能為質子質量的5O倍，但沒有電磁相互作用，只有弱相互作用(其作用距離只有10^-13cm)。它能進入任何由原子組成的物質。這一發現如被證實，將解決21世紀的科學難題之一：「佔宇宙總質量9O%的暗物質究竟是什麼？」
2.分子及其聚集態的層次和尺度
分子是一種可以在通常條件下獨立存在、具有一定化學特性的物質微粒。除惰性氣體原子可以生成單原子分子外，其它元素的分子則是由2個或多個原子通過共價鍵或共價配鍵連接而成。從原子、分子到分子聚集態，可以分為以下層次。
(1)單原子分子。化學元素中只有惰性氣體原子He，Ne，Ar，Kr，Xe，Rn可以在通常條件下獨立存在，生成單原子分子。它們的尺度在0.1納米左右。
(2)小分子。分子量在1OOO以下的分子，通常稱為小分子，它們的尺度在0.1-1納米之間。
(3)高分子。高分子是由單體重複聚合生成的大分子，分子量從幾千到幾十萬，甚至幾百萬，所含原子數一般在幾萬以上。高分子的尺度從幾納米到幾十納米。高分子纖維的尺度可以長達幾百納米以上。
(4)生物大分子。生物大分子是有生物活性的大分子。人體中的蛋白質約有1O萬種，它們的尺度在幾十納米量級。人類DNA分子含有3O億鹼基對，大約1O0O億個原子。生物大分子的尺度範圍十分寬廣，從幾納米到幾百納米。
(5)非生物大分子。是指沒有生物活性的大分子，例如1991年飯島(Iijima)首先合成的碳納米管。它是由層狀結構的石墨片捲成的無縫空心管，有多層的，也有單層的，其直徑約在1納米至幾十納米之間。碳納米管的長度可用化學方法剪切。例如直徑1.4納米長為15納米的碳納米管約含有3OOO碳原子，分子量為3600O。碳納米管有長達1cm的，其分子量就有幾十億。
(6)超分子。超分子是2個或2個以上分子通過非共價鍵的分子間作用力結合起來的物質微粒。這些分子間作用力包括範德華引力、各種不同類型的氫鍵、疏水-疏水基團相互作用、疏水-親水基團相互作用、親水-親水基團相互作用、靜電引力、極化作用、電荷遷移、分子的堆積和組裝、位阻和空間效應，等等。相對於共價鍵而言，分子間作用力至今研究得很不夠，是今後要重視的方向。
(7)分子聚集體。
3.生物的層次
(1)細胞，(2)組織，(3)器官，(4)系統，(5)生物個體。
4.地質的層次
5.宇宙的層次和尺度
(1)衛星的層次。
(2)行星的層次。地球的直徑是12753Km=0.425光秒。
(3)恆星的層次。太陽的直徑是1.39×1O^6Km=46.3光秒。
(4)星系的層次。銀河系的形狀像一個鐵餅，直徑10萬光年，厚約600O光年。
(5)星系團的層次。尺度在1O0O萬光年的量級。
(6)超星系團的層次。尺度在1億光年的量級。
(7)最遙遠的類星體。距離地球約13O億光年。
三、尺度的劃分
1.宇觀(Cosmoscopic)是指人們用各種波段的天文望遠鏡及太空梭上的各種現代宇宙探測儀器能觀察到的宇宙尺度。在這一尺度範圍，主要作用力是萬有引力和電磁作用力，主要學科是宇宙學、天文學、牛頓力學和廣義相對論。
2.遙觀(Remote sensoscopic)是指人們用地球軌道上的人造衛星的遙感技術(Remote sensing)能夠觀察到的尺度，大致從1Km到3OO00Km，所以把遙觀的英文譯名定為Remote sensoscopic。這個尺度範圍的主要作用力也是萬有引力和電磁作用力，主要學科是地球科學、地理學、遙感學、經典力學。
3.宏觀(Macroscopic)是指人眼能夠直接觀察到的尺度，大致從0.1mm到1Km。在這個尺度範圍，主要作用力也是萬有引力和電磁作用力，主要學科是經典力學、經典物理學、經典化學、經典生物學、工程科學、技術科學等。
4.顯微觀(Optico-microscopic)是指以放大幾百倍的光學顯微鏡為觀察手段的尺度，大致從1μ到100μ=0.1mm。在這個尺度範圍，主要作用力是萬有引力、電磁作用力，以及由表面張力(包含毛細管作用)等引起的效應，主要學科是經典力學、微生物學、顯微醫學(包含顯微外科、病理分析等)、微電子技術，等等。
5.介觀(Mesoscopic)是指介乎顯微觀和微觀之間的尺度，大致從1nm-10Onm，所以叫它納米觀(Nanoscopic)更為確切。這個尺度可用掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡等來觀察。因為它的特徵是量子狀態和經典狀態的交叉和混合，因而賦予納米分子、納米材料、納米器件等許多特異的性質和功能，有廣闊的應用前景。在這個尺度範圍，主要作用力是萬有引力、電磁作用力，以及由表面張力、平均自由途徑等引起的效應，主要學科是納米科學和納米技術。在納米科學領域，量子力學和經典力學同時起作用，在理論探討上有特殊難度。
6.微觀(Microscopic)是指原子和小分子的尺度範圍，從1-1OA=0.1-1nm。在這個尺度範圍內的主要作用力是電磁作用力，具有量子化和波粒二重性的特徵，主要學科是量子力學、相對論量子力學、原子物理、分子物理、量子化學、單分子化學等。
7.皮米觀(Picoscopic)尺度範圍為1pm-100pm=0.01A-1A=10^-12m-10^-10m，即硬X-射線波段和軟λ波段，介乎原子和原子核之間的尺度。將來在對超固體、中子星、白矮星等超高密度物質的結構研究中要涉及這一尺度範圍。
8.飛米觀(Fentoscopic)和亞飛米觀(Subfentoscopic)前者是指原子核的尺度，從1fm-10fm=10^-15m-1O^-14m=1O^-13cm-1O^-12cm；後者是指夸克和電子的尺度(1O^-16cm)以及超弦理論模型和宇宙大爆炸理論中更小的尺度，直到10^-33cm，跨2O個量級。在這個尺度範圍，主要作用力是電磁作用力、強相互作用力、弱相互作用力，具有色荷、對稱性、量子化和波粒二重性等特徵，主要學科是量子色動力學、規範場論、超弦理論、宇宙大爆炸理論等。皮米、飛米和亞飛米觀也可總稱為渺觀。
以上8個尺度層次，共跨62個量級。
四、尺度效應的重要性
本文開頭就敘及，在複雜性科學和物質多樣性研究中，尺度效應至關重要。尺度的不同，常常引起主要相互作用力的不同，導致物質性能及其運動規律和原理的質的區別。下面舉一些例子說明尺度大小對性能的影響。
1.納米金屬粉有異乎尋常的物理化學性質和催化性質。如金的熔點為1063℃，納米金的融化溫度卻降至33O℃。銀的熔點為96O.3℃，而納米銀為100℃。納米鉑黑催化劑可使乙烯催化反應的溫度從600℃降至室溫。
2.乳狀液(如牛奶)是水包油(乳脂)的顆粒分散在水相中的混合物。這些顆粒能散射可見光，所以不透明。但當顆粒的尺度小於100納米，即可見光波長為400-800納米的1/4時，它們就不能散射可見光，使得乳狀液變得像真溶液一樣透明清亮，這就是微乳狀液。
3.電子或聲子(phonons)的特徵散射長度，即平均自由途徑(Mean free path)系納米量級。當納米微粒的尺度小於此平均自由途徑時，電流或熱的傳遞方式就發生質的改變。
4.與微粒運動的動量p=mv相對應的de Broglie波長λ=h/p，通常也在納米量級。由此產生許多所謂「量子點(Quantum D0t)」的新現象。
5.小尺度體系的熱力學性質。當尺度介於十分之幾到1O納米的量級，即處於量子尺度和經典尺度的模糊邊界(fuzzy boundary)時，熱運動的漲落和布朗運動將起重要的作用。前面提到的納米金屬粉熔點降低的原因可能在此。
6.納米粒子的比表面很大，由此引起性質的不同。
7.當代信息技術的發展，推動了納米尺度磁性(Nanoscale magnetism)的研究。由幾十個到幾百個原子組成的分子磁體表現出許多特性，如tunneling，quantun coherance，thermo-induced spin crossover transitions。
以上列舉的由尺度效應產生的質變，常常發生在納米的量級。這就是納米科學和納米技術的重要性與日俱增的根本原因。
(據科技之光網)