如果我們觀察自己的身體是由什么組成的,，在更小,、更基本的層面上，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)體內(nèi)有一個(gè)完整的微型宇宙結(jié)構(gòu),。我們的身體由器官組成,，而器官又是由細(xì)胞組成，細(xì)胞含有細(xì)胞器,，細(xì)胞器由分子組成,，分子本身是由單個(gè)原子鏈連接在一起。原子存在于極其微小的尺度上,，直徑只有1埃（1埃等于0.1納米,，1埃等于10的負(fù)10次方米），但它們由更小的成分組成：質(zhì)子,、中子和電子,。

圖注：因?yàn)橛钪嬷惺`態(tài)和完全自由的粒子不一樣,，所以可以想象,，質(zhì)子穩(wěn)定性比我們通過測(cè)量原子和分子的衰變特性所觀察到的要差，因?yàn)橘|(zhì)子與電子和其他復(fù)合結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起,。然而,，我們?cè)谒袑?shí)驗(yàn)裝置中觀察到的所有質(zhì)子,，我們從未見過與質(zhì)子衰變一致的事件。

我們大家都了解組成每個(gè)原子核的質(zhì)子和中子的微小尺寸為一費(fèi)米,，一費(fèi)米比埃米小100,000倍,。而電子則更小，不超過質(zhì)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(gòu)成的東西——大部分都是空的,？事實(shí)上，一點(diǎn)也不,。讓我們一起看看科學(xué)解釋,。

圖注：從宏觀尺度到亞原子，基本粒子的大小在確定復(fù)合結(jié)構(gòu)的大小方面起著很小的作用,。這些構(gòu)造塊是否真正具有基本或點(diǎn)狀粒子仍不得而知,，但我們確實(shí)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(xù)結(jié)構(gòu)組成的,，那么在薄金薄片上發(fā)射的所有粒子都將直接通過它,。經(jīng)常出現(xiàn)硬質(zhì)后座力，甚至使某些粒子從其原始方向反彈的事實(shí),，有助于說明每個(gè)原子固有一個(gè)硬而致密的核,。

根據(jù)我們的正常經(jīng)驗(yàn)，如果您想知道某物有多大,，只需進(jìn)行測(cè)量即可,。對(duì)于非量子物體，這不是問題,，因?yàn)闇y(cè)量物體的不同方法都會(huì)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(yùn)動(dòng)或重力沉降之類的依賴于物理的技術(shù),，您都將獲得完全相同的解決方案,。

但是對(duì)于所有最小的物體,，例如單個(gè)原子,，這些技術(shù)不再有效。發(fā)現(xiàn)放射性后不久,，就首次嘗試了探測(cè)原子內(nèi)部的嘗試,，并且實(shí)際上是巧妙的。通過將放射性物質(zhì)發(fā)射的粒子發(fā)射到原子薄板上,，歐內(nèi)斯特·盧瑟福試圖確定當(dāng)您檢查原子內(nèi)部時(shí)發(fā)生了什么,。他發(fā)現(xiàn)的一切震驚了世界。

圖注：如果原子是由連續(xù)結(jié)構(gòu)組成的,，那么在薄金薄片上發(fā)射的所有粒子都將直接通過它,。經(jīng)常出現(xiàn)硬反沖，甚至使某些粒子從其原始方向反彈的事實(shí),，有助于說明每個(gè)原子有一個(gè)硬而致密的核,。

這些快速移動(dòng)的粒子被發(fā)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(huì)散開,。當(dāng)大多數(shù)粒子直接穿過時(shí)，有一小部分卻被偏轉(zhuǎn)了,，有些甚至以其原始方向的反方向返回,。正如15年后盧瑟福自己所說，

“這是我一生中發(fā)生過的最不可思議的事情,。簡(jiǎn)直不可思議,，就好像你向一張紙巾發(fā)射了一枚15英寸的炮彈，然后彈回來并擊中您一樣令人難以置信,?！?/p>

這種用于測(cè)量粒子尺寸的技術(shù)稱為深層非彈性散射，今天用于限制質(zhì)子和中子內(nèi)部基本粒子的大小和測(cè)量特性,。從盧瑟福到大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī),，一百多年來，這是測(cè)量基本粒子尺寸的重要方法,。

圖注：當(dāng)將任意兩個(gè)粒子碰撞在一起時(shí),，可以探測(cè)碰撞粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如果其中一個(gè)不是基本粒子,，而是一個(gè)復(fù)合粒子,，則這些實(shí)驗(yàn)可以揭示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在這里,，設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)來測(cè)量暗物質(zhì)/核子散射信號(hào),。直到今天，深層非彈性散射實(shí)驗(yàn)仍在繼續(xù)使用,。

但是,，在這些高能條件下，常規(guī)原子和原子核被接近光速運(yùn)動(dòng)的粒子轟擊,，這并不是我們?nèi)粘Ｉ钪性油ǔ?huì)遇到的條件,。我們生活在一個(gè)低能量的宇宙中，我們體內(nèi)的原子以及各種粒子之間發(fā)生的碰撞的能量,，不到大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)所能達(dá)到的能量的十億分之一,。

在我們的量子宇宙中，我們經(jīng)常談?wù)摬６笮?，或者說組成宇宙的基本量子具有波狀和粒狀性質(zhì)的想法,，這取決于它們所處的條件。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,。

圖注：光電效應(yīng)詳述了光子如何根據(jù)單個(gè)光子的波長(zhǎng)而不是光強(qiáng)度或總能量或任何其他性質(zhì)來使電子電離,。如果一束光以足夠的能量進(jìn)入,，它可以與電子相互作用并使其電離，將其踢出材料并產(chǎn)生可檢測(cè)的信號(hào),。

我們可以通過檢查光子來說明為什么：與光有關(guān)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(zhǎng)密切相關(guān)：能量越高,，波長(zhǎng)越短。

我們知道的最低能量的無線電波長(zhǎng)幾米甚至幾千米,，它們的振蕩電場(chǎng)和磁場(chǎng)有助于使天線內(nèi)的電子來回移動(dòng),，從而產(chǎn)生一個(gè)我們可以使用和提取的信號(hào)。另一方面,，伽馬射線的能量是如此之高,，以至于即使單個(gè)質(zhì)子也需要數(shù)以萬米的波長(zhǎng)才能穿過。如果粒子的大小大于光的波長(zhǎng),，則光可以測(cè)量其大小,。

圖注：用光進(jìn)行的雙縫實(shí)驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生干涉圖案，就像對(duì)任何你能想象到的波所做的那樣,。不同顏色的光的特性被理解為,，是由于不同顏色的單色光的不同波長(zhǎng)造成的。較紅的顏色具有更長(zhǎng)的波長(zhǎng),，更低的能量和更多的擴(kuò)展干涉圖樣,。較藍(lán)的顏色具有更短的波長(zhǎng)，更高的能量,，并且干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(zhǎng)小，光就不能很好地與粒子相互作用,，表現(xiàn)得像一個(gè)波,。這就是為什么像可見光光子一樣，低能光子通過雙縫時(shí)會(huì)產(chǎn)生干涉圖樣的原因,。只要狹縫足夠大，光的波長(zhǎng)可以穿過它們,，你就會(huì)在另一邊得到一個(gè)干涉圖樣,，顯示出這種類似波的行為。

即使一次發(fā)送一次光子也是如此,，這表明在不同的光子之間并沒有發(fā)生這種波狀性質(zhì),，但是每個(gè)單獨(dú)的光子都在以某種方式干擾自身。

即使用電子代替光子,，這仍然是正確的,，因?yàn)榧词故谴筚|(zhì)量的粒子在低能量條件下也能像波一樣運(yùn)動(dòng),。即使通過雙狹縫一次發(fā)射一個(gè)低能電子，也會(huì)產(chǎn)生這種干涉圖樣,，顯示出它們的類波行為,。

圖注：我們大多數(shù)人將原子視為由單個(gè)電子繞軌道運(yùn)動(dòng)的原子核的集合。盡管這對(duì)于某些目的可能是有用的可視化,，但對(duì)于在任何給定時(shí)間理解空間中電子的位置或物理范圍,，這是災(zāi)難性的不足。

當(dāng)我們描繪一個(gè)原子時(shí),，我們大多數(shù)人本能地恢復(fù)到我們都學(xué)到的第一個(gè)模型：點(diǎn)狀電子繞著一個(gè)小而密集的核運(yùn)行,。原子的這種“行星模型”首先是由于盧瑟福（Rutherford）提出的，后來由尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）和阿諾德·索默費(fèi)爾德（Arnold Sommerfeld）完善,，他們認(rèn)識(shí)到需要離散的能級(jí),。

但是在上個(gè)世紀(jì)的大部分時(shí)間里，我們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這些模型太像粒子了,，無法描述實(shí)際發(fā)生的事情,。電子確實(shí)占據(jù)了離散的能級(jí)，但不會(huì)轉(zhuǎn)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(nèi)的彌散霧。當(dāng)您看到原子軌道的圖示時(shí),，它們基本上是在向您顯示單個(gè)電子的波狀形狀,。

圖注：每個(gè)s軌道（紅色），每個(gè)p軌道（黃色）,，d軌道（藍(lán)色）和f軌道（綠色）只能包含兩個(gè)電子：一個(gè)自旋向上,，一個(gè)自旋向下。

如果發(fā)送一個(gè)高能光子或粒子到其中與電子相互作用,，當(dāng)然,，我們可以精確地確定它的位置。但是——這就是量子力學(xué)讓我們大多數(shù)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(nèi)部的情況,。它使電子的行為像一個(gè)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(fā)生這種相互作用之前，電子一直都像波一樣起作用,。當(dāng)我們有一個(gè)孤立的室溫原子,，或者一個(gè)分子甚至整個(gè)人體鏈接在一起的原子鏈時(shí)，它們的行為就不會(huì)像這些具有明確定義的點(diǎn)的單個(gè)粒子。取而代之的是,，它們的行為就像波,，電子實(shí)際上位于整個(gè)約1埃體積中，而不是位于一個(gè)特定的點(diǎn)狀位置,。

圖注：電子在各種量子態(tài)下的氫密度圖,。盡管三個(gè)量子數(shù)可以解釋很多，但必須加上“自旋”來解釋周期表和每個(gè)原子在軌道上的電子數(shù),。

考慮電子的更好方法是像“霧”或“云”,，它散布在原子核周圍的整個(gè)空間中。當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)原子結(jié)合在一起成為一個(gè)分子時(shí),，它們的電子云就會(huì)重疊,，并且電子在空間中的分布會(huì)更加分散。當(dāng)我們將手按在另一個(gè)表面上時(shí),，該表面上的電子產(chǎn)生的電磁力會(huì)推向我們手中的電子,，導(dǎo)致電子云扭曲和變形。

當(dāng)然,，這是違反直覺的,，因?yàn)槲覀円呀?jīng)習(xí)慣于根據(jù)粒子來思考物質(zhì)的基本成分。但最好將它們視為量子：在高能條件下表現(xiàn)得像粒子,，而在低能條件下表現(xiàn)得像波,。當(dāng)我們?cè)谡５牡孛鏃l件下處理原子時(shí)，它們就像波浪一樣,，單個(gè)量子獨(dú)自占據(jù)大量空間,。

圖注：如果我們捕獲一個(gè)束縛一個(gè)電子的原子核，則每個(gè)電子會(huì)看到以下10個(gè)概率云,，其中這10個(gè)圖對(duì)應(yīng)于電子分別占據(jù)1s,，2s，2p,，3s,，3p，3d,， 4s,，4p，4d和4f軌道,。電子永遠(yuǎn)不會(huì)在一個(gè)特定的時(shí)間位于一個(gè)特定的位置,，而是以云狀或霧狀存在，并散布在代表整個(gè)原子的整個(gè)空間中,。

每當(dāng)我們依靠直覺來理解宇宙時(shí)，都會(huì)遇到一個(gè)大問題：直覺來自經(jīng)驗(yàn)，而我們自己對(duì)宇宙的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)完全是經(jīng)典的,。我們的宇宙是由基本現(xiàn)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(gè)電子的量子領(lǐng)域中，波行為與粒子行為一樣基本,，只有實(shí)驗(yàn),、測(cè)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(shí)驗(yàn)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?cè)谧约荷眢w中不斷經(jīng)歷的那樣,，即使是單個(gè)電子也會(huì)擴(kuò)散到整個(gè)原子或分子上,。

綜上所述，在低能量的地球上,，由原子構(gòu)成的身體是實(shí)實(shí)在在的,。因?yàn)槲覀儽灰幌盗须娮釉瞥錆M，而這些電子云都由控制整個(gè)宇宙的量子規(guī)則束縛在一起,。