原子不是實心粒子,內部像太陽系一樣空曠?那存在實心的物質嗎?

科學探索菌 發佈 2020-03-22T17:18:47+00:00

英文是由26個英文字母構成的,可是人類目前發現的基本粒子就高達61個,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構。

目前所知,自然界中的物質分為實物和場。物質的存在會占據一定的空間,當空間中沒有任何實物時,便稱之為空。

如果用宏觀世界中的經驗來看,原子內部絕大部分空間都是空的。可從微觀角度來看,由於物質的存在方式與我們所看到的宏觀現象不一樣,因此並不能認為大部分空間都是空的。

對於宇宙中由實物粒子構成的普通物質,如果存在絕對實心的物質,就意味著存在不可分割的基本粒子。

由於人類對自然界的認識還有限,只能根據目前人類的主流科學觀點來回答。根據目前的實驗以及粒子物理標準模型,該模型下的基本粒子可以暫時當作實心物質,目前並沒有確切的證據顯示這些基本粒子還存在更精細的結構。所以這個問題暫時沒有明確的答案。

下面來詳細介紹一下。

人類對原子的認識之旅

人們很早就認識到,物質是由微粒組成的。在很長的一段時間中,人們一直認為原子是不可分割的基本粒子。直到19世紀晚期,物理學家才發現了亞原子粒子以及原子的內部結構,證明原子可以再分。

1897年,湯姆遜在研究陰極射線的時候發現了電子,並證明了原子可以再分。電子是人類發現的第1個亞原子粒子。到了20世紀初,盧瑟福又發現了質子,認識到原子具有核式結構,並認為原子核中還存在中子。1932年,盧瑟福的學生查德威克通過實驗證實了中子的存在。

按照大眾的理解,原子的結構就如同太陽系的結構,地球繞著太陽轉,電子也在繞著原子核運轉,這種模型可以方便人們理解,卻並不完全正確。實際上,根據量子力學理論,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構。

原子內部的空與宏觀世界的空不同

從宏觀角度來看,實物總是占據一定的空間,並且所占據的空間範圍是可測的。比如教室里的一張課桌,該桌子的體積就是它所占的空間範圍大小。如果整間教室就只有一張桌子,那麼教室就顯得很空。

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。核外電子的質量很小,僅為質子質量的1/1836,直徑大約在10^-15米。

從上面這些數據可以看出,原子內部的空間是真的很空曠,不僅原子核占據的空間很小,電子占據的空間也很小。可電子的運動方式與宏觀世界中行星的運動方式不一樣,因此說原子內部很空,是不恰當的。

宏觀物體的運動都是可以精確預測的,比如,天文學家可以精確預測地球的運動軌跡。可是在面對原子等微觀粒子時卻束手無策,因為微觀世界的運動規律與宏觀世界不同。電子繞原子核運動,並不像行星繞恆星運動。電子並不存在恆定的運動軌道,而是按機率分布在原子核周圍,電子的能級越高,在遠離原子核的空間區域出現的機率越高,反之亦然。

由於核外電子的運動位置是不確定的,電子能夠隨機出現在任何位置,只是在某些區域的出現機率高,在某些區域的出現機率低。出現機率低,並不代表不可能出現。可見,原子內部的空與宏觀世界中的空,不一樣。

是否存在絕對實心的物質,目前尚不清楚

實心的物質必然不存在次級結構,因為它本身就是物質存在的最基本形態。

隨著人類對事物本質的深入認識,我們發現宇宙中的實物都是由微小的粒子構成的,比如分子、原子、電子、質子、夸克、光子等。這就好像搭積木,先由幾塊積木構成若干個模塊,然後再用這些模塊構成完整的作品。一張課桌就是由數不清的原子構成的。

我們曾認為原子就是構成物質的最小粒子,可是隨著科學技術的發展,我們又發現了電子、質子、中子等亞原子粒子。大型對撞機的使用,又讓我們認識到核子是由夸克構成的。夸克、電子等粒子就是最基礎的粒子嗎?目前尚不清楚。

英文是由26個英文字母構成的,可是人類目前發現的基本粒子就高達61個,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構。

為此,科學家們提出了許多種理論,目前最有希望的就是弦理論。理論物理學家認為,這些粒子實際上是由幾種微小的弦構成的,弦的不同振動和運動會產生不同的基本粒子。可惜,目前並沒有辦法用實驗驗證該理論是否正確。

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