基本问题物质怎么可能大部分是空的空间

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我们都知道，我们每天所看到的、所触摸到的以及以其他方式与之互动的物体都占据着一定的空间，你用的桌椅占有一定空间，你喝的水有体积，等。

所有这些物体细分下去，由分子组成，分子又由原子组成，原子又由原子核和绕原子核运动的电子组成。原子核也不是基本粒子，它们是由更小的实体组成的。原子又可细分为物质的基本成分，称为标准模型的粒子。

这些标准模型的粒子根本不占据可测量的体积，它们只是点状粒子。从体积上看，原子核的体积只占原子体积的10^15分之一，也就是说，原子内部约99.%的空间都是空的，却包含了原子质量的约99.95%。

原子核由单个质子或质子和中子的混合体组成，其中单个质子（或中子）的直径已被测量为0.84至0.88飞米（千万亿分之一米）之间。质子和中子本身可以进一步细分为夸克和胶子。最后，至少根据目前最好的实验和观测结果，是这些基本粒子：电子、胶子和夸克等，构成了我们所观察到的物质实体：从质子和中子、原子核、原子、分子、到我们的细胞成分、细胞、器官和生物体等。

自然有人会问，这些基本的、微小的、甚至可能是无维度的点状粒子是如何占据这么多空间的呢？

首先，这要归因于下面的三个基本事实：

电子的质量很小但并非零质量；

电子的强烈的负电荷；

和大质量、带正电的原子核。

除了上面这样的三个基本事实，再加上量子力学里的一个量子规则——泡利不相容原理，你就会明白，为什么这些基本的、微小的点状物质粒子能占据这么多的空间。

泡利不相容原理是微观粒子运动的基本规律之一，它可以阻止任何两个相同的某种类型的量子粒子占据同一量子态。粒子有两种类型，费米子和玻色子，虽然对于有多少相同的玻色子可以在同一物理位置占据相同的量子态没有限制，但泡利不相容原理适用于所有费米子。鉴于每一种夸克和每一个电子都是一个费米子，这一规则甚至排除了无限小的粒子在同一空间内共存。仅仅基于这一规则，你就可以看到多个粒子，即使它们本身没有一个"大小"，也被要求彼此分开一个有限的距离。

再加上，这些粒子有其如电荷等固有的基本属性，这些特性包括电荷、弱同位旋（weakisospin）和弱超荷（weakhypercharge）以及色荷。拥有电荷的费米子粒子，即受泡利不相容原理约束的粒子，将经受电磁力，与光子耦合。具有弱同位旋和弱超荷的费米子粒子经受弱核力，与W和Z玻色子耦合。而带有电荷的费米子粒子经受强核力，与胶子耦合。

事实证明，夸克和电子，以及电子的两个更重的基本表亲，μ子和tau粒子，都带有电荷，这意味着它们都经受电磁相互作用。在电磁学中，类似的电荷（++或--）排斥，相反的电荷（+-或-+）相互吸引，越靠近，则力越强。所有的夸克都带有色荷，这意味着它们都经受强核力。强核力总是具有吸引力，在非常小的粒子分离处，强核力归零，但两个带色电荷的粒子离得越远，核力越大。

控制宇宙中物体大小的另一个方面是宇宙中所有费米子（和一些玻色子）所固有的另一个基本量子属性：质量。如果一个物体是无质量的，也就是说，它的质量为零，它就不能保持静止，而是必须始终保持不仅是运动，而且是以宇宙中允许的最快速度运动：光的速度。光子是无质量的，胶子是无质量的，引力波是无质量的。它们都可以携带能量，但本身没有质量，因此，它们总是以允许的最大速度——光速运动。

值得庆幸的是，宇宙中有许多实体是有质量的，包括所有的夸克、电子和电子的（更重的）表亲：μ介子和tau粒子。电子是极轻的粒子，而夸克的范围从比电子"稍重"的上下夸克到"最重的已知基本粒子"的顶夸克。有了质量，粒子的运动速度就会比光速慢，甚至可以在适当的条件下使它们静止下来。如果不是因为夸克和电子的质量，以及赋予这些粒子质量的希格斯场，从质子、原子核、原子以及随后由它们构成的一切物体中形成束缚态是完全不可能的。

以质子和中子来讲：由夸克和胶子组成的实体。每个质子和中子里面的夸克都有电荷和色荷。相似的夸克（上或下）之间的电荷导致排斥，而不同的夸克（上-下或下-上）之间的电荷则具有吸引力。当夸克靠得很近时，强作用力可以忽略不计，这意味着如果它们彼此移动，它们会简单地彼此"滑过"。然而，它们之间的距离越远，它们之间的吸引力就越大，从而防止它们相距太远。事实上，一旦质子或中子内的夸克彼此达到一个临界分离距离，强力就会使它们彼此"弹回"，就像一个被拉伸的弹簧。

由于质子和/或中子内的夸克具有非零质量，这些夸克的运动速度须始终比光速慢，它们能够加速、减速，甚至（暂时）在这个复合结构内静止。夸克之间的强力和电磁力结合在一起，创造了尺寸有限的质子和中子，每个略低于1飞米，而夸克之间的结合能，由于强力，最终决定了质子和/或中子的总质量。只有约1%的质子/中子质量来自其内部的夸克，而另外约99%的质量来自这种结合能。

原子核的体积大约等于其组成的质子和中子加在一起的体积。但是对于原子本身，由电子环绕的原子核，事情就变得有点棘手。电磁力现在是决定原子大小的因素，带正电的大质量原子核固定原子，而带负电的、质量小得多的电子围绕原子核运行。因为它们彼此带相反的电荷，原子核和电子总是相互吸引，但由于每个质子的质量是每个电子的倍，电子围绕每个原子核快速移动。最简单的原子是氢，只有一个电子围绕着一个单独的质子运行，被电磁力固定在一起。

由于泡利排除原理：没有两个相同的费米子可以在同一地点占据相同的量子态。氢原子很小，因为它的电子处于允许的最低能量状态，即基态，而且只有一个电子。然而，较重的原子核，如碳、氧、磷或铁，其核内有更多的质子，需要在其内有更多的电子。如果低能量子态充满了电子，那么随后的电子必须占据更高能态，从而导致更大的电子轨道（平均）和占据更大体积的"更膨胀"的原子。碳原子每个有6个电子，氧原子有8个，磷原子有15个，铁原子有26个电子。

原子核拥有的质子越多，在原子外围运行的电子就越多。拥有的电子越多，必须占据的能量状态的数量就越多。原子内最高能量电子的能量状态越高，原子必须占据的物理体积就越大。一个氢原子的直径可能只有约1埃（1埃=10^-10米=0.1纳米），但更重的原子可能大得多，直径可为数埃。

尽管原子经常聚集形成更大的结构，但大多数物体所占的体积主要可以通过了解物体的组成原子本身所占的体积来解释。原因很简单：泡利不相容原理指出，没有两个相同的费米子可以占据相同的量子态，这就阻止了相邻原子的电子侵犯另一个原子所占据的体积。以我们人体为例，我们主要由碳、氧、氢和氮组成，其余大部分为磷、钙、铁和其他适度的重元素。一个典型的成年人体内大约有约10^28个原子，如果假设一个典型的原子约为2埃，这意味着一个成年人的体积约为8万立方厘米，大约相当于一个约80公斤成年人的大小。

所以，对于构成我们所熟悉的宏观物体来说，它是这些因素的累积效应：电子的很小质量但非零质量；电子的强大的负电荷；和大质量、带正电的原子核；再加上泡利不相容原理，使得拥有所占据的体积。从基本的量子微观对象、一直到我们的宏观物体世界，就是这些根本上是极为微小的，甚至可能只是点状的粒子最终占据了如此多的空间。