原子，原子核電子，質子中子，夸克，弦

大約在兩千五百年前，古希臘人留基伯提出了原子論，而後他的學生德謨克里特發展並完善了原子論，然而此時的原子論就同四元素說等理論一樣——它們都誕生於哲學的、抽象的、邏輯的思考，並不具有科學的、實踐的、客觀的意義。如今，原子論從一衆描述物質組成的學說中脫穎而出，但是現在的它已經同古希臘時的它在本質上完全不同了

——現在的原子論是經過科學實驗檢驗的，是經過相對論、量子力學發展的，是可以應用於實踐並符合物理理論預期的。

人們並不瞭解宇宙中暗物質和暗能量的基本組成，但人們對在感官上可以直接接觸、在科學上容易開展研究的普通物質卻有着深刻的認識：所有的普通物質都由原子組成，換言之，不同種類、不同數量、不同排列方式的原子們組成了千變萬化的普通物質。

原子由原子核和核外電子組成。原子核帶正電，處在原子的核心區域，它佔據了原子絕大部分的質量，就像太陽佔據了太陽系絕大部分的質量一樣，但是原子核的體積卻只佔原子體積的幾千億分之一——可見其密度奇大無比。核外電子帶負電，電子的負電同原子核的正電相抵消，因此原子整體上呈中性，電子的遷移、重排等行爲在宏觀上就形成了各色的化學反應。如同在軌道上繞着太陽運動的行星們，電子也在不同的軌道上繞着原子核高速運動——不過它遵循的規則遠比行星遵循的更加複雜。量子力學的發展有助於我們更加準確地認識電子運動規律，電子的分佈可以用四個物理量進行描述：主量子數——原子核外分佈着許多電子層，用KLMNOPQ區分，處在K層的電子和處在L層的電子的主量子數就不同；角量子數——電子層內含有電子亞層，處在同一個電子層的多個電子需要以此進行區分。電子亞層用s、p、d、f去區分，處在L層s亞層的電子和處在L層p亞層的電子儘管有着相同的主量子數，但它們的角量子數是不同的；磁量子數——電子亞層內並不存在電子亞亞層，但是電子亞層本身在空間中有着不同的分佈形式，好比一塊長方體木板豎着放與橫着放是不同的，當不同電子在同一電子層的同一電子亞層時，我們還要區分電子亞層的空間分佈；自旋——當不同電子的主量子數、角量子數、磁量子數都一樣時，根據泡利不相容原理，二者的自旋必定不同——一個向上一個向下（一個+1/2，一個-1/2），自旋是電子的內稟屬性，電子的自旋只有兩個方向。這也就是說，世界上不存在主量子數、角量子數、磁量子數、自旋都一樣的電子。

目前電子無法再一步細分，但原子核內部明顯有着更細微的結構。原子核由質子和中子組成。質子帶正電——這就是原子核帶正電的原因，中子不帶電，二者的質量相當接近。質子的數量決定了原子在元素週期表上處在哪個格子內，中子的數量影響同一格子內存有多少同位素。“同性相斥，異性相吸”是電磁學告訴我們的常識，質子都帶正電那麼原子核就應該因爲質子之間的排斥而不穩定，然而事實是許多原子核是相當穩定的，因此必然存在其他的力來抵消質子之間的排斥力，這個力叫做強相互作用。強相互作用既不是引力也不是電磁力，是同它們地位相同的另一個基本相互作用，它束縛住了質子和中子，從而保持住了原子核的穩定。

那質子和中子可以再細分嗎？可以，根據量子色動力學（QCD），質子和中子由夸克組成。夸克有兩個重要的性質——色和味：味——夸克有六種味，分別是上、下、頂、底、奇異、粲；色——每種味的夸克又都有三種色，分別是紅色、藍色和綠色。現在我們將這 些知識運用在質子和中子上看看：帶正電的質子由兩個上夸克和一個下夸克組成的，上夸克帶+2/3電，下夸克-1/3負電，因此質子正好帶+1電；中子則是由兩個下夸克和一個上夸克組成的，所以中子是不帶電的，而質子和中子內的這三個夸克分別有着紅藍綠三種色。

到這裏我們對普通物質的組成已經有了非常深刻的認識了，然而我們不禁發問：爲什麼夸克必須三三成對？爲什麼處在原子核心的不是“夸克核”而是質子和中子組成的“原子核”？夸克爲什麼不自由？

這是受到了強相互作用的影響。強相互作用的存在一方面保證了原子核的穩定存在，另一方面造成了“夸克禁閉”現象：我們至今沒有發現自由夸克，它們被限制在質子和中子當中，這是因爲強相互作用的作用強度與距離成負相關，當兩個夸克之間的距離增大時，同樣增大的強相互作用所蘊含的能量就足以在空間中形成新的夸克，於是一個夸克就總會同另一個夸克連接了，夸克因此無法獨立自由地存在，在這一過程中，多餘的強相互作用會“溢出”形成π介子。

在文章的最後，我覺得很有必要介紹一下弦理論。弦理論認爲，將微觀粒子看作“粒子”是錯誤的，物質最基本的存在形式是一維的弦，弦進行不同形式的震動會產生不同的粒子。同時，弦可以進行分裂和融合，用粒子的角度來看就好比兩個電子之間交換了光子然後排斥開了，這個過程實際上是弦之間進行分裂和融合。當然，粒子之間有如費米子、玻色子的區別，弦同樣分爲開弦和閉弦，而弦理論統一量子力學和廣義相對論的奧妙則在於此：弦理論認爲，閉弦就是引力子。膜理論認爲宇宙存在於一個巨大的二維的膜上，在我們宇宙所在的膜的旁邊則是另一個膜，閉弦一端連接着我們的膜，另一端是連接着另一個膜，因此我們宇宙的引力相互作用就相當小了，因爲它“流失”到了另一個膜上，成爲了另一個宇宙的暗物質——我們宇宙的暗物質的來源也是這樣的。

十分感謝讀者您看到這裏！下一篇文章預告：從商鞅變法引發的思考，連坐思想的揚棄處理。標題還不能先告訴大家哦。

另外：好奇，如果我寫EVA（新世紀福音戰士）的文章大家會歡迎嗎？