構成物質世界的本質到底是什么？

《物質世界的本質是什么？》

作者：錢思進 向知大師課團隊

版本：湖南科學技術出版社 2025年4月

到底什么才是最真實的存在呢？

物質世界的本質到底是什么？這個問題乍一聽似乎有些高深，好像和物理學沒有太多的關系，但實際上，這是人類最早思考的重大問題之一，和物理學的起源與發展息息相關。

我們來做一個練習：你覺得以下各種東西的“真實”程度是多少？把它們從最真實到最不真實進行排序，你會怎么排？

1.手機

2.相對論

3.夢境

4.愛情

5.病毒

6.原子

7.靈魂

8.小說的人物

9.黑洞

這個練習可以讓你對自己所理解的“物質世界的本質是什么”做一個初步的梳理。有些人可能會把“物質”的東西排得靠前（比如原子、手機），另一些人則會把“非物質”的東西排得靠前（比如靈魂、夢境、愛情）。

而這正是古往今來的哲學家、思想家、科學家爭論的問題：到底什么才是最真實的存在呢？有的人認為，世界是自然存在的，由最基本的物質元素構成。也有人認為，世界只是神靈創造的，只有神才是真實存在的。還有一些人甚至認為世界根本就是不存在的，就像電影《黑客帝國》中那樣，人生只是一個虛擬的幻境，我們就像是電腦里模擬的程序一樣（當然，這會帶來另外一些問題：電腦是誰創造的？電腦是真實的存在嗎？）。

這里有兩種回答的依據：一種是用科學來回答（即世界是物質的），對于科學家而言，最實在的就是那些可測量的和可用實驗證實的東西；另一種是用非理性的事物來回答（如：世界是精神的/意志的），包括神靈或者某種非物質的觀念。

《萬物理論》（2014）劇照。

那么，人們對世界的認識到底是從哪來的呢？實際上，我們絕大部分的認識都是基于某種信念。在人類歷史的絕大多數時間里，人們相信的真實存在和今天我們相信的東西有很大區別，比如，關于“物質世界的本質是什么”，直到300多年前，主流的回答還是“上帝”“真主安拉”或者“道”之類的。這個問題不僅在歷史上引發了無數的爭論，還有些人甚至為此獻出了生命。

今天，我們大部分人相信世界就是物質的世界，就是科學家所描述的樣子，但是你怎么能確定世界就是科學家描述的那樣呢？畢竟，普通人很難有機會親眼看到一個原子或者一個病毒。再比如，雖然我們從小就知道地球圍繞太陽轉，但是也不太容易給出地球圍繞太陽轉的直接證據。這些小學課本中的知識其實很多人還不能真正理解，而當代物理學家正在用更加復雜精深的理論去描述更深層次的真實存在。這些理論通過高深的數學進行描述，當然，從普通人的角度，就像看天書一樣。

例如，粒子物理的標準模型提出自然界有12種基礎的物質顆粒，它們分為6種輕子和6種夸克，構成世間的萬物。這一理論的公式被刻在歐洲核子研究中心（CERN）的一塊石頭上。

（左）粒子物理標準模型（核心部分）及（右）其理論公式（刻印在CERN的一塊石頭上）：（資料來源：CERN）。《物質世界的本質是什么？》

大家看看這個公式，是不是滿腦子都是問號呢？就算不看公式，你能想象我們這個如此大的世界、無窮無盡的宇宙，其實就是由這12種看不見也摸不著的粒子構成的嗎？

我們的物質世界。（資料來源：Pixabay和Unsplash）。《物質世界的本質是什么？》插圖

另一種理論假說甚至更進一步，提出這些粒子是由很多更小的線狀或環狀的“弦”組成的，這些“弦”里面藏有一些更高維度的空間——這就是著名的“超弦理論”。對于粒子，大家還可以想象，它們是一種很小很小的“東西”，那么“弦”又是怎么回事呢？現在腦子里的問號是不是更多了？

對于物理學而言，世界是物質的

在每一個時代，那些看起來似乎理所當然的對物質世界的認識，在以前時代的人們看起來其實就和天方夜譚一樣。人們的認識不斷發展變化，也許今天我們看不懂的理論會成為下一個時代人們的共識。然而，古往今來，人類始終不變的問題都是一個：真實物質世界的本質到底是什么？

為什么這個問題如此重要呢？實際上，對這個問題的思考，幫助人類走上物種的巔峰，從幾百萬年前的一種猿類逐步成為地球的霸主，甚至走出地球對宇宙進行探索。

家里養的貓或狗肯定不會去關注“本質”的問題，它們看到罐頭里的食物就會高興地食用，頂多會想一下：還能從哪兒再找到這些好吃的？而完全不會想：這些食物是由什么構成的？為什么我餓了就想吃東西？這背后有什么道理？

哪怕是一個小孩都會對生活中的現象提出問題，嘗試思考現象背后的“本質”。比如：看到飛機在天上飛，我們知道這只是一種表面的運動，而想要弄清楚產生這樣的運動的原因——飛機是怎么飛起來的？我們看到天空和彩虹，會想：為什么天空是藍色的？為什么彩虹又是彩色的？這背后有什么規律嗎？人們會假設存在一種“現象背后的實在”，這種可能看不見的實在可以用來解釋可見的規律。

《瞬息全宇宙》（2022）劇照。

這種對更深層次的東西、對本質思考的能力，是其他動物所不具備的。

物理學就是人類為了解釋“物質世界是什么”而發展起來的一門自然科學。物理學研究物質和能量的本質與性質，由于物質與能量是所有科學研究必須涉及的基本要素，所以物理學是自然科學中最基礎的學科之一。物理學涵蓋廣泛的自然現象，無論是微乎其微的基本粒子，還是龐大的宇宙，都是它的研究對象。物理學對整個科學的發展有著深遠的影響，物理學的許多定律也構成了其他自然科學學科的理論基礎。對于物理學而言，世界是物質的，實在的東西就是物質的全部，這是物理學研究對世界本質認識的一個基本前提。

實際上，整個西方科學的傳統都源于古希臘的哲學思想，物理學也不例外，它起源于“自然哲學”，古希臘的“自然”一詞指的并不是一個特殊的存在領域（比如我們很多人理解的大自然、森林、大海），而更多是指一種“本質”和“根據”。自然哲學也就是研究物質世界本質的哲學，其實就是研究“什么是最基本的”這一問題。

比如，經典物理學中牛頓（1643—1727年）關于“萬有引力”的論述著作是《自然哲學的數學原理》，而道爾頓（1766—1844年）作為近代原子論的提出者，他的著作是《化學哲學的新體系》，英國皇家學會（英國最高的科學學術機構）的會刊是《皇家學會哲學學報》。

“科學”這個日常用語，其實從19世紀才開始在英語世界中被廣泛使用。工業革命之后，隨著自然哲學（關于物質世界本質的哲學）的專業化發展，出現了更加專業的學科，這些學科也就從哲學母體中被剝離出來，成為現在的物理、化學、生物、天文、地質等。

那么，構成物質世界的本質到底是什么呢？古希臘哲學家泰勒斯（約公元前624—前547年）認為，世界的本質是“水”。現代物理學的研究給出了一個非常精煉的微觀粒子層次的標準模型，用12種基礎的基本粒子來解釋物質世界的本質。

現代物理學認為物質是由基本粒子構成的，科學家提出了一個非常精煉的理論模型來描述物質的基本組成部分和作用在它們上的力，這就是粒子物理的“標準模型”。這個模型在近60年來被大量的實驗所證實，從而獲得公認。

從“元素說”到“原子論”

著名的美籍猶太裔物理學家理查德·費曼（1918—1988年）曾經說過這樣一段話：“假如由于某種大災難，所有的科學知識都丟失了，只有一句話可以傳給下一代，那么怎樣才能用最少的詞匯來傳達最多的信息呢？我相信這句話是原子的假設（或者說原子的事實，你愿意怎樣稱呼都行）：所有的物體都是由原子構成的——這些原子是一些小小的粒子，它們一直不停地運動著，當彼此略微離開時相互吸引，當彼此過于擠緊時又互相排斥。只要稍微想一下，你就會發現，在這一句話中包含了大量的有關這個世界的信息。”

那么，什么是原子呢？

《瞬息全宇宙》（2022）劇照。

從表面上看，世界似乎是由各種各樣不同的物質組成的，人們能辨識出水、火、空氣、木頭、金屬、谷物、泥土等，而火燃燒會變成灰，冰會化成水，木頭會腐爛，金屬會熔化，它們都能不斷變化。于是，古代的哲學家們便想：有沒有一種不變的、基本的東西可以來解釋變化的萬物呢？在2600多年前的古希臘，泰勒斯就提出世界是由“水”這種元素構成的。

泰勒斯是西方的第一位哲學家和自然科學家，他也是古希臘第一個不用神明鬼怪來解釋“世界的本質是什么”的思想家。據說有一天晚上，他在曠野間思考，邊走路邊仰頭觀察天上的星星、研究氣象問題，卻因為沒看路不小心掉進了井里。人們諷刺他只顧天空卻不知道腳下發生的事。后來他通過觀察天象，預測當年的橄欖會豐收，并利用這個知識在橄欖油市場上賺了一大筆錢。雖然他關于“水”組成世界萬物的說法在今天看來很可笑，但這實際上是一種了不起的思考，體現了人們對世界表現出來的樣子和實際的樣子的區分。通過對現象背后“本質”的思考，人們得以用理性的認識去系統性地解釋雜亂無章的日常現象。現代科學理論其實就是這樣一種策略的延伸和發展。

類似地，中國古代也提出過“陰陽五行學說”，認為世間萬物都有陰陽的屬性，并由金、木、水、火、土等基本元素構成：“故先王以土與金木水火雜，以成百物。”

后來，古希臘哲學家亞里士多德（公元前384—前322年）發展了前人的理論，提出物質由土、水、氣、火四種元素構成，這就是“四元素說”。總之，這一類用某些“元素”來解釋物質世界的說法，被統稱為“元素說”。

那么，“原子論”又是怎么回事呢？

早在2500年前，古希臘哲學家德謨克利特（公元前460—前370年）就提出：物質由離散而微小的、不能被分割的顆粒組成。他將這些顆粒命名為“原子”，他的理論也被稱作古典原子論。他認為，就是這些原子通過不同的方式組合在一起，構成了各種各樣的物質，包括水、火、風等。物質可以發生變化，而原子本身是永恒不變的。人們怎么能知道原子的存在呢？

德謨克利特分析：在一塊面包還沒被拿上餐桌時，我們就可以感知到它，因為我們聞到了它的氣味。那么，它的氣味是從哪來的呢？實際上，氣味就來自組成面包的粒子——原子，它提前飄到了我們的鼻子里，與我們的嗅覺產生了相互作用，所以我們才能聞到它。

物理和化學到底是什么關系呢？

雖然德謨克利特在2500年前就提出了原子說，但他的理論沒有得到普遍的認可，問題就在于原子非常小，人們無法直接觀察到，也就很難證明它的存在。盡管伽利略（1564—1642年）、牛頓等物理學家對于原子說始終保持了開放的觀點，但由于無法通過實驗和數學計算的方式去研究原子，它始終僅僅是停留在哲學層面上的爭論。對比而言，火、水、氣、土這些元素是很容易觀察并理解的，而煉金術等手工藝制作業的發展使得人們能夠通過實驗對這些物質進行研究，因此亞里士多德的“四元素說”在西方一直占據主要的地位，直到17世紀化學學科發展才發生了變化。

那么，17世紀的化學界有什么新聞呢？那就是出現了被稱為“現代化學之父”的法國化學家拉瓦錫（1743—1794年）。他將會計記賬式的嚴格標準應用到化學實驗中，通過嚴謹的定量分析（比如使用天平作為主要測量工具），改變了人們對土、水、氣、火這四種元素的認識。其中最著名的實驗就是拉瓦錫證明水是由兩種物質組成的：他把水蒸氣通過燒得發紅的熱鐵分解為氫氣和氧氣，這兩種氣體被收集并混合到一個容器中，通過電火花點燃后又形成了水蒸氣。拉瓦錫撰寫的《化學概要》一書建立了現代化學的基礎，他將化學科學從定性研究轉向定量研究，并建立了現代化學的命名法體系，至此，新的“元素”概念也誕生了。

拉瓦錫出生于貴族之家，繼承了巨額遺產，從小衣食無憂。家人希望拉瓦錫成為一名律師，但是他一直對化學很感興趣，于是，在就讀巴黎大學法學院之后，他仍然利用課余時間繼續學習自然科學。后來，拉瓦錫取得了律師證書，還成為一家私人征稅公司的老板，手頭十分寬裕，他利用這些資金與自己聰慧的妻子瑪麗共同打造了一個私人化學實驗室，致力于化學研究。瑪麗成為拉瓦錫的助手，協助他翻譯文獻、為他的著作繪制插圖。拉瓦錫在法國大革命中被處死后，瑪麗積極推廣他的研究，為傳播他的思想做出了重要貢獻。不過，在舊版高中化學課本的插圖中，拉瓦錫的妻子卻被忽略掉了。

拉瓦錫。《物質世界的本質是什么？》插圖

你也許會有疑問，物理通識讀物為什么會涉及化學發展的知識呢？物理和化學到底是什么關系呢？實際上，化學是受物理學影響最深遠的自然科學之一，化學的發展也深刻地影響了物理學的發展。化學是在原子、分子層次上研究物質的組成、結構、性質和變化規律的自然科學，它是化學變化的核心基礎。化學所在的尺度是微觀世界中最接近宏觀的。原子理論在很大程度上是通過化學實驗來證實的。

早期化學家往往同時被稱為物理學家

從拉瓦錫到門捷列夫（1834—1907年）完成元素周期表，都是在確定哪些物質之間能發生什么反應，這就是無機化學，即討論與生命體無關的物質的研究內容。

化學反應本身的理論，即各種化學元素之間的相互作用規則，都和核物理、量子力學等理論有密切聯系。原則上，理論化學的最深刻部分和物理學密不可分，早期的化學家往往同時被稱為物理學家。

1808年，英國科學家道爾頓出版了《化學哲學的新體系》一書，在書中他詳細描述了自己的原子理論和主要實驗，這是繼拉瓦錫之后理論化學的又一次重大進步。他揭示了一切化學反應現象的本質都是原子的運動，原子就是組成化學元素的最小物質顆粒。

現在我們知道，大多數不同的物質是由不同的分子構成的，比如水是由許許多多的水分子組成的，而這些水分子又是由氫原子和氧原子構成的。現代的原子分子學說是這樣具體解釋的：同一種原子可能組成不同的物質，比如氧原子既可以組成氧氣分子，又可以組成臭氧分子，雖然都是氧原子組成的，但它們的性質卻截然不同。我們需要呼吸氧氣生存，但是呼吸臭氧則不能生存。實際上，絕大部分物質都是由分子組成的，而分子又是原子經過化學鍵構建而成的。

當然，稀有氣體如氦、氖、氬、氪、氙、氡直接就是由原子組成的物質，而不是氦原子構成氦分子，再構成氦氣。那么，原子是怎么通過化學鍵相互結合在一起的呢？這實際上就是現代化學主要研究的問題，而物理學則關注一些別的問題，比如，原子到底是不是最小的東西呢？原子里面還有什么東西？它們又是如何相互作用的呢？

本文選自《物質世界的本質是什么？》，較原文有刪節修改。已獲得出版社授權刊發。

原文作者/錢思進 向知大師課團隊

摘編/何也

編輯/張進

導語校對/趙琳