E=mc² ，组成物质的本质是什么？09

本系列文章预计会有10个章节，这套文献将系统的讲述物理学本身，今天是第二季第9篇。

古时候，人们就在思考构成物质的基本元素是什么？

这个问题早在古希腊时候就存在，甚至在中国2400年前，惠子和庄子之间就有著名争论。

庄子说：“一尺之锤，日取其半，万世不竭”。也就是说 基本粒子是一层套一层的，可以永远分下去。

而惠子说：“至大无外，谓之大一；至小无内，谓之小一” 即整个宇宙之外没有东西，他所说的小，可以理解为基本粒子，基本粒子是不可再分的。

在古希腊时期人们支持惠子的观点，所以对物质有提出原子说（或者分子）的说法，但这仅仅是个假说，或者是个哲学概念。那时候人们对分子和原子的概念是很不清晰的，你可以理解为，他们可能认为是同一个东西，毕竟当时根本没有测量的仪器以及理论计算的方式。

18世纪，化学家拉瓦锡等人发现了各种元素，而元素可以构成化合物，但是他们还是不知道什么是化合物，这也是一个猜想。

1799年，法国化学家约瑟夫*普鲁斯特发现了等比定律，也就是说每一种化合物其组成的元素的质量比例都是整数。所有英国化学家道尔顿对等比定律预测到，各个物质存在一些可数的最小单位，不会出现半个单位，而这个单位就是原子。

19世纪，人们根据两个关键证据确立了“物质由原子组成”的原子论，。其中最关键的两个证据：一个是爱因斯坦对布朗运动的解释以及对这一解释的实证材料；另一个是卢瑟福发现的元素的放射性转换。

放射性就是一种元素通过释放辐射而转变为另一种元素的过程。1911年，卢瑟福正式提出了他的原子模型。在卢瑟福的原子模型中，原子由电子和原子核构成，在原子内部，电子围绕着原子核旋转。

原子核又可以分解为质子和中子，质子和中子又可以进一步分解为叫夸克的基本粒子。

原子理论告诉我们，物质的质量是构成该物质的原子的质量总和。因为原子核的尺寸是电子的2000倍到20万倍，所以原子核事实上承载着原子的全部质量，而原子大体上是空的。

我们的物质世界实际上是由质子、中子和电子这三种粒子组成的。这些粒子间还存在各种力的作用。

01 分子的发现

最初证明分子存在的是靠“间接观测法”观察的。

1827年，英国生物学家罗伯特*布朗在显微镜下观察悬浮在水中的花粉所作的不规则运动，后来被称为是“布朗运动”，这部分我们在中学物理了解过。

起初，布朗还以为是微生物在捣鬼，但后来的实验发现并非如此，而是由水分子随机撞击花粉运动导致的。但这依然只是个假说。

1905年，7月18日我佛爱因斯坦发表了《热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮粒子的运动》，才解释了布朗运动。

分子与原子的区别在化学变化中是否可以再分。分子是保持物质化学性质的最小粒子。原子是化学变化中的最小粒子。 （在化学变化中分子可分，原子不能再分。）

02 原子的组成

十九世纪末,科学家基本知道物质是由原子组成的，而且门捷列夫弄好了元素周期表，知道每种原子的化学性质。经典物理学很美好，人们并不急于知道原子还能不能继续往下分。

1897年，约瑟夫·汤姆孙（Sir Joseph John Thomson）发现阴极射线中有一种“微粒”，在外加的电磁场中会发生偏转。汤姆孙意识到这种微粒带负电，并且把它命名为“电子”。这是人们第一次明确知道原子之中还有别的东西，汤姆孙因此得到1904年的诺贝尔物理奖。

原子是电中性的。那既然电子带负电，原子中必定还有带正电的物质。汤姆孙设想了一个模型，现在称之为“梅子布丁模型”，也可以叫“葡萄干布丁模型”。想象有一个松软的、球状的大蛋糕，其中点缀着一些葡萄干。

那些葡萄干就是带负电的电子，而蛋糕本身带正电，和葡萄干达成平衡。原子一受热，电子们就会在蛋糕上震动起来，形成电磁波，这也就是辐射发光。

这个模型听起来挺合理，但是是错的。

后来汤姆孙的学生卢瑟福真正解答了关于原子组成的实验，而卢瑟福的实验原理也不复杂，只花了英国皇家科学院 70 英镑 。他的做法是让两个学生拿阿尔法粒子轰炸金箔。金箔是薄薄的一层金纸，阿尔法粒子是高能量的子弹，你说子弹打在纸上会有什么样的效果？

卢瑟福在实验室周围放了一圈屏幕，记录子弹的反弹情况。

就类似拿一个机关枪对一个黑盒子里面扫射，如果子弹被反弹回来，那么就可以知道这个黑箱里面是失心还是空心。如果子弹传过去了，并且没有改变子弹的轨迹那说明，黑盒里面是空心。而卢瑟福用的枪就是— α射线。

实验发现，绝大多数α粒子直接就从金箔中穿过去了；有少量α粒子发生了偏转；还有极少量的α粒子，居然被金箔给反弹回来了。卢瑟福感到很震惊，纸怎么能把子弹反弹回来呢？唯一的可能性，就是这张纸中散布着一些非常硬的东西。

卢瑟福断定那个硬东西是原子核。大部分子弹穿过，少量偏转，极少量反弹，这说明原子内部根本不是什么葡萄干布丁结构，而是一个极其空旷的空间。这个空间的大小是由外层的电子决定的，而原子几乎全部的重量，都集中在中间很小的那个带正电的原子核上。

只有碰巧靠近原子核飞过的时候，同样带正电的α粒子才能被偏转，因为正电和正电互相排斥；只有正好撞向原子核的α粒子才会被反弹回来。

再到后来，随着物理学的发展，人们发现原子核是由强子组成（质子和中子）。

1969年，美国物理学家穆雷盖尔曼，又证明了质子和中子是由夸克组成，因此获得1969年的诺贝尔物理学奖。

03 夸克是什么？

那么夸克是由什么组成了，是不是由更小的粒子构成呢？人类的好奇心总是在驱动自己寻找事物的本质答案。

可惜，经过试验证明，夸克内部空无一物！也就是说夸克无法再分了。

你看，是不是惠子的结论对了。

可是，人们还是很疑惑，为什么基本粒子的里面却没有物质？原来，夸克是纯能量，和光子一样。这很好的解释了两个问题：第一，就是爱因斯坦著名的质能方程 E= MC²，因为物质的基础就是能量。第二，宇宙最初是纯能量的，并没有物质，后来能量转化为物质，形成了宇宙的粒子。

但，你可能还有一个疑问，既然构成基本粒子是能量，为什么物体有质量、有体积、有形状呢？

而真正解答这个问题一直到2013年，获得诺贝尔物理学奖的彼得*希格斯和弗朗索瓦*恩格勒特给出来答案——即上帝的粒子（希格斯玻色子）。

这部分我们下一讲再谈！

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