我们知道原子非常非常的小,小到我们的肉眼根本无法分辨。一根头发丝的直径,差不多相当于50万个碳原子排在一起。如果一个原子能有弹珠一般的大小,那么你的拳头就和地球差不多大。这样的类比也许依然不是很直观?没关系!我们再举一个例子。现在看看你的小拇指,假设你的小拇指指尖和你现在所处的的房间一样大,然后我们将这个房间填满大米,在这之中,每一粒米的大小就相当于你指尖一个细胞。
这个时候我们再做一次假设,把每一粒大米,也就是每一个细胞再想象成一个房间,然后再往里面灌满大米,现在大米的尺寸就和细胞内的蛋白质相当了。这还不算完!我们还要用沙子填满其中的空隙,这个时候沙子的大小就代表了指尖内的一个原子。即便原子已经很小很小,但它仍然不是组成世界的最基本单元。原子本身也具有内部结构,它是由质子、中子和电子组成的。
质子和中子组成了原子核,质子带一个单位的正电荷,中子不带电,他们之间靠强相互作用结合在一起。强相互作用是四大基本相互作用之一。质子和中子还可以继续分解,人们认为它们由更小的夸克构成。夸克究竟小到什么程度,科学家们现在也不得而知。在现有的理论下,夸克和电子都是不可再分的,它们都是最基本的粒子,因而可以被看做是“一个点”。相比于原子核依靠强相互作用牢牢束缚在一起,核外电子则显得自由得多。
在经典模型中,电子在原子核外做高速运动,速度可达2200km/s,这样的速度绕地球一周只需18秒。原子并不是一个致密的结构,原子核和核外电子之间有很大的空隙。事实上在一个原子中,99.999999999999%的空间都是真空。如果把构成帝国大厦的原子中所有的真空都去掉,那么帝国大厦将会变成米粒一般大小。如果把构成整个人类的原子中所有的真空都去掉,那么人类用一个汤匙就能装下。
以上的两个例子,并不是单纯的脑洞大开。宇宙中的中子星正是这样的存在,它只有中子组成,密度大到惊人,一个直径只有几公里的中子星,质量便可以达到太阳的好几倍。然而所谓的真空其实“不空”,真空中也无时无刻不存在着量子涨落,产生一些粒子和能量,并且短时间内迅速消失。它对宇宙大尺度结构的起源非常重要。前面我们说了,电子围绕原子核做高速运动,更准确地说,电子以电子云的形式存在于原子核周围。
电子以一定的概率随机出现,但不同位置的概率并不相同。图中所示的这些区域内,电子出现的概率高达95%,因而被称作原子轨道。但是,95%并不是100%,尽管电子被电磁力束缚在原子核周围,但是从概率上讲,电子有可能出现在原子轨道外,距离原子核很远很远的位置,甚至在宇宙的另一端。听上去是不是非常神奇?正是这些神奇的东西,构成了宇宙间的万事万物。
然而这还不是全部,除了夸克、电子,宇宙中还有大量其它的基本粒子。科学家们把它们都统一在标准模型的框架内。不过标准模型也并非完美,仍然有很多超越标准模型的现象,例如暗物质、暗能量等,等待着科学家们去探究,或许其中就隐藏着宇宙的终极奥义吧。