一滴水放大400萬(wàn)倍后，99.99%都是空的

你剛喝下去的那口水里，有一個(gè)你從未注意過(guò)的世界。

0.5厘米的一滴水，安安靜靜待在杯子里。如果把它放大400萬(wàn)倍，你會(huì)看到什么？

先給你一個(gè)數(shù)字

如果把全人類(lèi)78億人體內(nèi)所有原子的原子核擠在一起，去掉所有空當(dāng)，有多大？

一塊方糖那么大。

你每天喝的水、呼吸的空氣、拿在手里的手機(jī)，99.9999999999999%是空的。你以為摸到了實(shí)物，其實(shí)摸到的是電磁力——電子之間相互排斥的力。你根本沒(méi)碰到任何東西，只是大腦告訴你“碰到了”。

你身體里的物質(zhì)，如果只算原子核，只剩一粒灰塵。

作為物理系老學(xué)長(zhǎng)，我至今仍會(huì)被這樣的數(shù)據(jù)震撼。

從這滴水開(kāi)始

現(xiàn)在，我們從頭把這滴水放大。

10倍：果凍

水滴開(kāi)始晃動(dòng)，像果凍，像小時(shí)候捏過(guò)的軟糖。水不是“流”的，是“顫”的。

100倍：你的私人房客

密密麻麻全是活的。你的皮膚上生活著數(shù)以?xún)|計(jì)的細(xì)菌，從出生起就與你共生。它們大多是條件致病菌，正常情況下與你相安無(wú)事。人體攜帶的微生物數(shù)量甚至超過(guò)人體細(xì)胞總數(shù)。

1000倍：透明的拖鞋

草履蟲(chóng)——一種單細(xì)胞原生動(dòng)物，形狀像透明的拖鞋，在水中到處游動(dòng)，以細(xì)菌為食。你吞咽時(shí)，咽下去的并不是草履蟲(chóng)（它生活在淡水里），而是口腔中的大量細(xì)菌。

1萬(wàn)倍：細(xì)菌的微觀世界

細(xì)菌擠在一起，形態(tài)各異，有的分裂，有的死亡。一滴水里可以包含數(shù)億個(gè)細(xì)菌，它們之間進(jìn)行著復(fù)雜的物質(zhì)交換和信息傳遞。

10萬(wàn)倍：細(xì)胞的能量工廠

細(xì)胞內(nèi)的線粒體（細(xì)胞的能量工廠）和葉綠體（植物的光合作用器）清晰可見(jiàn)。線粒體將你攝入的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氧氣轉(zhuǎn)化為能量，支撐你每一次呼吸、每一次心跳。葉綠體存在于植物細(xì)胞中，被你吃下后會(huì)逐漸被消化，但其中的有機(jī)物成為你身體的一部分。

繼續(xù)放大，細(xì)胞結(jié)構(gòu)變得模糊。跨過(guò)一道邊界——生命現(xiàn)象消失，我們進(jìn)入了分子的世界。

100萬(wàn)倍：水分子的真實(shí)面貌

水分子（H?O）呈現(xiàn)V字形，鍵角約104.5度。它們?cè)诔叵乱云骄俾始s每秒600米（約高鐵時(shí)速的7倍）熱運(yùn)動(dòng)，不斷相互碰撞、彈開(kāi)。水分子之間通過(guò)氫鍵相互連接——正是氫鍵讓水在常溫下保持液態(tài)。

你聞到的花香、身邊人的氣味、食物的香氣，都是這些分子撞擊你鼻腔感受器的結(jié)果。

分子熱運(yùn)動(dòng)頻率極高，常溫下每個(gè)水分子每秒碰撞約10萬(wàn)億次（數(shù)量級(jí)估算，不同溫度下略有差異）。由于分子尺寸極小，它們?cè)趦纱闻鲎仓g仍能移動(dòng)相當(dāng)長(zhǎng)的距離（相對(duì)其自身尺寸而言）。

分子由原子構(gòu)成。繼續(xù)放大，我們將看到原子的真實(shí)面目。

400萬(wàn)倍：原子——霧，而不是彈珠

原子并不是硬邦邦的小球。它們是概率云——電子在空間中出現(xiàn)概率的分布。物理學(xué)家用薛定諤方程描述這種分布，這就是量子力學(xué)中的電子云概念。電子沒(méi)有確定的軌道，只有出現(xiàn)概率的高低。

原子核位于電子云的中心，體積極小。如果把原子放大到足球場(chǎng)大小，原子核只有一?；覊m那么大。原子的質(zhì)量幾乎全部集中在這?！盎覊m”上。

所以，你摸水杯、摸手機(jī)、摸任何東西，感受到的并不是實(shí)體接觸，而是電子之間的電磁排斥力。

上帝擲骰子嗎

100年前，盧瑟福通過(guò)α粒子散射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了原子核。他的學(xué)生玻爾提出行星模型，將電子想象成繞核旋轉(zhuǎn)的行星。這個(gè)模型很直觀，但后來(lái)被量子力學(xué)修正。

薛定諤用波動(dòng)方程描述了電子云的形態(tài)，海森堡指出電子的位置和動(dòng)量不能同時(shí)精確測(cè)定——這就是不確定性原理。量子力學(xué)的哥本哈根詮釋認(rèn)為，粒子的狀態(tài)在測(cè)量前只能用概率描述。

愛(ài)因斯坦對(duì)此表示懷疑，他說(shuō)：“上帝不擲骰子。”但后續(xù)的大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)，微觀世界確實(shí)以概率的方式運(yùn)行。

你剛喝下的那口水里，就有數(shù)以?xún)|億計(jì)的“骰子”在按照量子力學(xué)的規(guī)則運(yùn)動(dòng)。

這些概率性的微觀行為，最終決定了宏觀物質(zhì)的性質(zhì)——包括你手中那杯水的“空”。

為什么這很重要

你喝下的不只是水。是原子，是虛空，是幾十億年前恒星核聚變產(chǎn)生的重元素，是超新星爆發(fā)播撒的星塵。

你可能覺(jué)得這很虛無(wú)，但從另一個(gè)角度看：

原子本身沒(méi)有意志，卻在漫長(zhǎng)的宇宙演化中偶然組合成了你，組合成了你身邊的人，組合成了窗臺(tái)上的植物、窗外的飛鳥(niǎo)。

空，才有地方容納物質(zhì)，才有地方形成結(jié)構(gòu)。正因?yàn)樵觾?nèi)部是空的，電子才能在其中運(yùn)動(dòng)，分子才能形成化學(xué)鍵，復(fù)雜的生命結(jié)構(gòu)才能出現(xiàn)。在原子尺度上，“空”不是缺失，而是物質(zhì)存在的基礎(chǔ)。

下次端起水杯，停一秒。想想里面的分子熱運(yùn)動(dòng)，想想幾十億年的星塵，想想你此刻的存在。

然后，喝下去。

作者：物理系老郭

本文旨在用視覺(jué)化的方式介紹微觀世界的基本概念，部分比喻經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化。如需深入了解，建議查閱相關(guān)教科書(shū)或科普資料。