从原子、量子、概率波、反物质到超弦

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大家好，今天我们来聊聊化学。

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在学习化学的过程中，我发现绝大多数人其实都处于一知半解的状态。

因为课本从未真正说清核心问题：我们反复提及的原子，到底是什么样子的？

后来我尝试了多种搜索方式，甚至通过特殊网络访问了日本的相关资源，才发现日本有研究室公布了能够直接观测到原子的图像。

具体来说，这些原子样本是从针尖上刮取的微量物质，经过专业仪器观测，呈现出由清晰小点构成的立体结构。

看到那个视频时，我个人深受震撼。

原子的真实影像：

过去我们始终依靠想象理解原子，而当真正看到这种立体真实的成像后，对世界的认知仿佛提升了一个维度——原来所有物质本质上都是由这些微小的“点点”构成的。

理解了物质的颗粒本质后，我有阵子领悟到“万物本源都是振动”的说法。

这种认知上的突破，让我对物质世界有了全新的思考。

后来我做代课，教学生理解原子轨道时，发现大家依旧困惑不已。

我们初高中阶段对原子结构的记忆，大多是“最外层电子围绕原子核运动”的圆圈示意图。

当时大家只能死记硬背，默认原子核外有大量电子环绕，直到深入学习后才明白，这其实是电子出现的概率分布。

电子始终做无规则运动，但由于其在不同空间区域出现的频率不同，长期观测下呈现出类似“轨道”的分布规律，由此形成了不同的原子轨道。

一、物质的本质

自从建立起“所有物质都是由微粒构成”的认知后，我看待世间万物的视角彻底改变了。

比如之前学习物理中声音的传递时，我们知道周围存在大量飘散的波，它们如同丝带般通过持续振动传递信号，相互作用后推动耳膜，让我们感知到声音。

自从对物质形成具象化理解后，我总能直观想象到空间中波浪形传播的运动状态。

我还产生了一个深刻的思考：

我们眼前看到的一切都不是物质的真实面貌。

在微观世界中，所有物质本质上由极小的颗粒组成，这些颗粒内部存在空隙，且自身又有更小的微粒环绕。

由此可见，一个原子就如同一个微型宇宙。

根据当时科学理论，物质由原子组成，但原子并非不可分割（但现代科学已证实原子可再分）。

早在古希腊时期，人类就已提出原子的概念。

古希腊哲学家德谟克利特认为，世界由不可再分的最小单元——原子构成。

不过，当时的原子只是一个哲学概念。

直到19世纪，英国化学家约翰·道尔顿才将其转化为化学概念，提出了科学的原子理论。

19世纪末，化学家发现所有化学反应都遵循两大规律：

一是物质守恒定律，即反应前后物质的总质量保持不变；

二是定比定律，即每种化合物中各组成元素的质量都存在固定的比例关系。

基于这一发现，道尔顿提出了倍比定律。

该定律指出： 若两种元素能形成多种化合物，当其中一种元素的质量固定时，另一种元素的质量则呈简单整数比。

举例来说，100克碳与133克氧结合生成一氧化碳（1个碳原子结合1个氧原子）；100克碳与266克氧结合生成二氧化碳（1个碳原子结合2个氧原子）。

这种整数倍的比例关系，间接证明了原子的存在。

1804年，道尔顿正式提出原子理论：所有物质均由微小的原子组成，不同化学元素对应不同类型的原子。

道尔顿的原子理论属于古典原子论，而他之后的原子理论则进入现代阶段——因为现代科学可直接观测到原子，而道尔顿并未直接观测到原子，仅通过最简整数比间接证实了原子的存在。

后来的元素周期表正是在道尔顿原子模型的基础上建立的，其核心理论至今仍具有重要意义。

二、原子由电子、质子和中子组成

道尔顿原子理论无法解释同位素现象，例如氢的三种同位素：氕、氘、氚。

这三种同位素的质量不同，氕的相对质量为1，氘为2，氚为3。

这一问题的突破出现在1897年。

物理学家汤姆孙在阴极射线管实验中发现了一种未知带电粒子，测量后发现其质量比氢原子轻1000多倍，这表明原子并非不可再分的最小单位。

汤姆孙将这种粒子命名为电子，并提出了“葡萄干布丁模型”：带负电的电子均匀悬浮在原子内部的正电物质中。

后来，英国物理学家卢瑟福进行了α粒子散射实验。

他用带正电的氦核（α粒子）轰击仅几个原子厚度的金箔。

根据当时的原子模型，原子内的正电荷均匀分散，α粒子束应能克服库仑力直接穿透金箔。

实验结果显示，绝大多数α粒子确实径直穿过金箔，但有少数α粒子发生了大角度偏转，甚至被反弹回来。

这一现象令人震惊，就如同炮弹轰击纸张却被反弹一般。

基于实验结果，卢瑟福推翻了汤姆孙的原子模型，提出了“行星模型”，并明确了原子的核心特点：

第一，原子存在原子核；

第二，原子的全部正电荷集中在原子核内，这些正电荷的载体是质子；

第三，原子核体积极小，其与原子的大小比例堪比一颗葡萄与一座大型球场，因此原子内部大部分空间是空的；

第四，电子围绕原子核运动。

此时可能会产生疑问：电子为何必须围绕原子核运动？

原因很简单：电子与带正电的原子核之间存在吸引力，为克服库仑力避免原子坍缩，电子需围绕原子核运动。

这一微观现象与宏观天体的运行规律具有相似性，因此卢瑟福原子模型也被称为行星模型，且完美解释了α粒子散射实验的结果。

建议大家查看相关实验图示，直观感受原子结构的震撼——一个原子真的如同一个微型宇宙。

但新的问题随之而来：带正电的质子相互排斥，为何能共存于极小的原子核内？

卢瑟福大胆预测，原子核内应存在一种中性粒子，以抵消质子间的排斥力，否则质子会因同性相斥而分散。

1932年，詹姆斯·查德威克发现了中子。

至此，“物质由原子组成，原子由电子、质子和中子构成”的原子理论正式确立，并沿用至今。

三、原子的电子轨道是量子化的

卢瑟福的行星模型存在一个很大缺陷：无法解释原子的稳定性。

根据麦克斯韦电磁波理论，加速运动的带电粒子会辐射电磁波。

围绕原子核做圆周运动的电子属于加速带电粒子，理应持续辐射电磁波并逐渐失去能量，最终坠入原子核。

通过计算，宇宙中的所有原子会在诞生后10⁻¹¹秒内消失。

这让物理学家陷入困境：若假设电子围绕原子核做圆周运动，原子会因电子辐射电磁波而坍缩；若假设电子不做圆周运动，电子又会被原子核吸引而坍缩。

基于当时的原子模型，所有原子都无法避免坍缩的命运。

此外，卢瑟福的原子模型也无法解释氢原子的光谱现象。

这其实是我们学生时代学习化学时的一个核心困惑。

我

小时候就曾为此纠结，后来带领国际学校的学生深入研究后才意识到，我们当时所学的化学理论较为滞后，难以通过前沿化学研究建立对世界的新认知。

一旦突破这一认知瓶颈，很多问题便会迎刃而解。

以光谱为例： 太阳光通过三棱镜后会分解为不同颜色的光，这是人类首次发现光谱现象。

随后物理学家发现，将某种元素加热后会产生特定的光谱（或颜色），且几乎所有元素的光谱都不是连续的——这意味着特定元素只能发射或吸收特定波长的光。

不同元素的光谱可视为其独特的“指纹”，物理学家可通过分析光谱判断物质的元素组成，例如通过太阳光谱分析太阳的元素构成。

但在当时，光谱仅属于经验科学，物理学家无法解释其形成原因。

例如，氢原子受激发后会发出4种可见波长的光，分别为410纳米、434纳米、486纳米和656纳米，这些光谱线在底片上呈现为清晰的亮线，其间距规律无法用经典理论解释。

总之就是各种无法解释。

直到1885年，瑞士科学家巴尔末提出了一个公式，能够准确计算出氢原子光谱的规律。

这一公式的神奇之处在于，仅凭数学推导就精准契合了实验观测到的光谱间距，但它本质上仍是经验公式，无法解释氢原子光谱的形成原因，且公式中一个常量的物理意义也未被明确。

类似这样难以解释的问题还有很多。

量子信息+熵，能解释宇宙的演化吗

热力学第二定律，也许是物理里最根本的几条原理之一。

它说，一个系统的熵只会随时间增加，不会减少。

这也是唯一一条能指明"时间箭头"朝哪走的物理定律。

熵，说白了就是无序的程度：熵越低，结构越有序；熵越高，越散乱。

糖从浓处向淡处扩散、气体膨胀、咖啡放凉，背后都是熵在增加。

人们相信，宇宙的演化也遵循这条定律。

宇宙早年处于低熵状态，一路演化到高熵。

可就在这个过程中，宇宙造出了一些极其复杂的结构——星系就是代表。

星系的熵很低，却是在一个高熵的环境里形成的。

这看起来像是在违反第二定律。

这个存在已久的矛盾，正是物理学家金妮斯特拉·比安科尼想解决的难题。

引力、熵与量子信息的交织，是比安科尼理论的视觉主题（图片来源：Physics World） 在爱因斯坦的广义相对论里，有个叫"度规"的数学对象，描述时空是怎么弯曲的；物质沿着这条弯曲走，就表现成了引力。

而在量子力学里，"算符"是对量子态做变换的数学工具。

比安科尼的关键一步，就是把这个"度规"当成量子算符来用，用量子化的方式描述时空的几何。

这样一来，会冒出两个"度规"：一个是"真实"的时空度规，一个是由物质和能量诱导出来的度规。

两者之间"差多少"，用量子信息论里的一个量来度量，叫量子相对熵。

正是这两个几何之间的量子相对熵，决定了时空怎么演化——换句话说，它给出的运动方程，就是引力。

在低曲率极限下，这套方程能精确还原爱因斯坦的广义相对论。

可一旦超出这个极限，方程就得被一个叫"G场"的对象修正。

G场生出一个暗能量项，而且是动态的。

暗能量被认为是直接推动宇宙膨胀的东西；在标准广义相对论里，它由静态的宇宙学常数驱动。

现在冒出一个动态的暗能量项，就有了被实验检验的机会。

比安科尼又把这套理论用到了弗里德曼-罗伯逊-沃克（FRW）宇宙模型上。

这是广义相对论对宇宙行为的一级近似，假设宇宙各向同性、处处均匀、且在膨胀。

膨胀由宇宙的主导成分驱动——暗物质、普通物质，或辐射。

宇宙膨胀时，体积变大，总熵也跟着变大。

但正因为体积涨得更快，单位体积里的熵——也就是熵密度——反而随时间下降。

总熵在涨，局部熵密度却在降，这就给了星系、甚至生命这类低熵结构一个在膨胀宇宙里被造出来的机制。

那这算不算违反第二定律？比安科尼用非空的 FRW 宇宙算了一遍总熵：要把熵密度在整个时空区域上积分，而因为体积随时间变大，总熵成了时间的函数——膨胀的速度超过了熵密度衰减的速度。

所以对辐射主导和物质主导的宇宙，总熵依然随时间增加，第二定律照样成立，尽管局部熵密度在下降。

比安科尼强调，GfE 理论还很年轻，需要实验来验证。

但这项工作揭示了它内在的热力学本质，为经典引力与量子引力都打开了新路——把引力用"量子信息"和"熵"来表述，也许正是通向"量子化引力"这个百年难题的另一条路径。

引力，也许并不是什么神秘的基本力，而只是信息与熵的必然结果。

若真如此，宇宙为什么要演化、为什么能长出星系和生命，答案也许就藏在这条最普通的第二定律里。

来源：S. Jones, "Could quantum information theory explain universe evolution?" Physics World, 14 Sep 2026. 报道所引研究：G. Bianconi, Physical Review D.

追踪13.4万亿个暗物质！百亿亿次超算用4天完成这场模拟

科技日报记者 刘霞 美国能源部阿贡国家实验室日前发布消息称，该机构科学家借助“极光”百亿亿次超级计算机，完成了迄今规模最大的两次宇宙学模拟。

每次模拟都追踪了13.4万亿个暗物质粒子在286亿光年宽度区域内的演化过程。

这一成果有助于科学家研究宇宙暴胀，并为分析大型巡天观测数据提供重要支撑。

左图为百亿亿次级模拟生成的全天空光锥图；右图外圈显示宇宙微波背景辐射，扇区分别展示视线速度（红/蓝）、物质密度（灰）和引力势（绿/蓝）。

图片来源： 美国阿贡国家实验室 宇宙暴胀理论认为，极早期宇宙曾经历一段短暂而剧烈的快速膨胀。

这一过程将微观量子涨落拉伸到宇宙尺度，留下微小的密度差异；随后，引力把这些差异不断放大，最终形成我们今天看到的星系、星系团和宇宙大尺度结构。

然而，暴胀背后的具体物理机制仍未完全确定。

通过研究物质在宇宙中的分布，有望找到更多线索，探索宇宙最早期的秘密。

暗物质无法被望远镜直接看见，却凭借引力主导星系形成，并塑造更大尺度的宇宙结构。

在模拟中，暗物质粒子被用作暗物质密度和速度分布的“示踪剂”，团队由此得以追踪宇宙结构跨越数十亿年的演化轨迹。

标准宇宙暴胀模型预测，早期宇宙的密度涨落服从高斯分布，也就是最简单的一类随机模式。

科学家正努力寻找其中可能存在的微小偏差，即“原始非高斯性”。

一旦发现可测量的偏差，就可能暗示暴胀时期还存在其他场、相互作用或动力学过程，从而帮助区分关于宇宙最初时刻的不同理论。

然而，这类信号极其微弱，还可能被“宇宙方差”掩盖——由于观测只能采样宇宙的有限体积，统计不确定性难以完全消除。

因此，探测此类信号需要覆盖最大宇宙尺度的超大规模模拟。

而如此规模的模拟对算力要求极高。

团队在阿贡国家实验室的“极光”超级计算机上完成了计算。

模拟及大部分数据分析约4天完成，目标正是揭示宇宙暴胀的物理本质。

这些模拟数据将助力分析多项大型巡天项目，包括美国能源部支持的暗能量光谱仪（DESI）和NASA的SPHEREx任务，两者目前均处于数据采集阶段。

模拟与前沿观测相互印证，将共同描绘出更为精细的宇宙图景，推动人类对宇宙起源与演化的探索。

来源：科技日报