世界上最小的东西是什么？在多年前的物理学界，这个问题的答案一度是“原子”。

是化学反应中的最小单位，我们常听闻的化学反应——燃烧反应，即氢气（H₂）在氧气（O₂）中燃烧生成水（H₂O）的化学方程式，其中的氢分子就由两个氢原子组成，同理其中的氧分子则由两个氧原子组成。

不过，在后来的物理学研究中，科学家们渐渐发现，本以为已经是最小微粒的原子还能继续被切割得更小——原子的内部，还存在着原子核，以及绕核旋转的电子。

既然发现了原子核以及电子这两个新奇的“小玩意儿”，科学家们自然要对这两个微观粒子进行深入的“体检”——在“称重”时，科学家们很快发现，一个原子的质量几乎都集中在原子核上，其占比甚至达到了99.96%以上。然而，原子核的体积却相当小，只占整个原子体积的几千亿分之一。

这就奇怪了，原子核的体积已经这么小了，要知道电子的体积还要比原子核的体积更小。也就是说，一个原子的内部，把原子核与电子除开外，其实99％的空间“都是空的”！难道，传说中神秘的“绝对真空”，就存在于原子的内部吗？

让我们给原子做个小“手术”，细细“解剖”它内部的结构，揭开问题的谜底……

原子内部的结构剖析

原子内部的结构是怎样的？原子内部的中心是原子核，原子核由质子和中子两种微观粒子所组成。其中，质子的存在非常神奇，它就像一位魔法师，可以随意变化原子的“归属”——只要改变质子的数量，就可以改变原子所属的元素。

例如，只有一个质子的原子是氢原子，它的原子序数为1，它也因此成为了元素周期表中的第一个元素。而如果给氢原子核中再添加一个质子，它就变成了氦原子，原子序数随之变为2，在元素周期表中对应的是第二个元素——氦元素。

在原子核的周围，有电子不停地沿着特殊的轨道，以它为中心，环绕着它运动。电子的数量和原子核中质子的数量相同，也就是说，一个原子核中有多少个质子，它的周围就有多少个电子围绕着它运动。例如氢原子中只有一个质子，那么相应地，它也只有一个电子。

看起来，整个原子内部的环境就像一个微缩的宇宙系统。电子围绕着原子核旋转，且有着其特殊的轨道，这就好像月球绕着地球转动、地球绕着太阳转动一样——虽然可以这么简单地进行理解，但事实上这两种环绕系统存在很大的差别。

月亮环绕地球、地球环绕太阳，两者其实都有固定的运动轨道，不会发生改变。但在原子内部，电子围绕原子核运动的方式却是“一层一层”的。原子核周围有着不同的能级轨道来供给电子运动，其中每个能级都可以容纳一定数量的电子，而电子则可以在不同的能级之间跃迁。

当电子从高能级跃迁至低能级时，会释放出能量，这种能量一般以光子的形式存在，这就形成了不同原子独特的光谱，可供科学家们辨认这些原子的身份。

我们都知道，原子中主要的质量都由原子核提供，但原子核的体积却非常小，而电子的体积还要比原子核更小。如果把整个原子放大到一个体育场那么大，那么原子核在其中只有一颗红豆的大小，而电子的大小更是微如一粒尘埃，如果在电脑上显示这么一张图片，电子的大小甚至还不如一个像素点大。

也就是说，在原子内部这个偌大的“体育场”内，除了一颗绿豆和几粒灰尘之外，99％的空间都是空空荡荡的——那么，这些空间里难道真的什么也没有吗？难道这些空间是以一种“绝对真空”的形式存在的吗？

不是一粒“珠”，而是一片“云”

在我们对电子的印象中，它一直都像是一粒弹珠，或是一个小球，围绕着中心的大球旋转，然而事实却并非如此，它的存在形式其实更像是一片“云”。

实际上，由于电子实在太小了，且一直在以接近光速的速度运动，所以人类目前还无法确切观察到它。因此，适用于宏观物体的经典物理学已经无法帮助我们理解电子的运动规律，这时，新的物理学应运而生了，它就是量子力学。

在量子力学的规则中，电子的存在形式表现出波粒二象性，可以用粒子的特性来描述，但更多的时候表现为波的特性。“波函数”可以解释电子存在的过程，它所表示的并不是电子确切存在于某处，而是用于表示电子出现在特定位置的概率，也就是电子存在于某处的可能性。

电子在原子中的位置并不能精确地确定，而是以一定的概率存在于一个区域中，这个区域便被称为原子轨道或是电子云。也就是说，从单纯的理论上讲，一个原子核周围的电子可能存在于原子核附近，但也甚至可能存在于地球之外，只不过从概率上来说，电子存在于地球之外的可能性几乎为零。

既然无法确切地确定电子的位置，而只能用可能性来描述它的存在，那么，在某个层级轨道上，电子就可能出现在A处，也可能出现在B处，甚至可能同时出现在两处。只有我们确切地观察到了它出现在某处，才能使其波函数坍缩于此处，确认其中的某一种可能性。

因此，电子位置的不确定性在某种程度上对我们来说就意味着原子核外的电子无处不在——以这种量子力学的视角来解释，在原子内部、原子核之外的空间里，其实充满了电子。

但这终究是把不确定性夸大了的说法，如果要再严谨一点，以经典物理学的角度来解读问题，我们就要去探究电子和原子核之间的关系。

实际上，电子和原子核之间随时都在发生着相互作用。电子带有负电荷，而原子核中的质子带有正电荷，由于异性相吸的原理，电子会被原子核吸引带向原子的中心——这种力被称为库仑力，是电子之所以可以在原子内部稳定存在的原因之一。

此外，由于同性相斥的原理，不同的电子之间会产生相互排斥的力，这就是原子中的泡利不相容原理。这就使得原子中的电子不会堆积得过于紧密，而是比较有序地隔开距离。

两种相互作用力的存在维持了原子内部的平衡，它们虽然听起来大相径庭，但实际上却都基于同一个要点——电磁力。也就是说，以经典物理学的视角来看，原子内部除了原子核与电子的存在以外，剩余的空间主要是电磁场。

综合下来看，原子内部除了原子核与电子以外，似乎大部分空间都是空的，但实际上其中却充满着无形的电磁作用力以及量子力学效应，也就是电磁场和“电子”——这部分空间并非“真空”。

“绝对真空”存在吗？

原子内部看似虚无，但实际上也充满了粒子间的相互作用力。那么，实际生活中有没有一片空间，是确实不存在任何物质、能量、粒子、作用力或是辐射的“绝对真空”呢？

上文我们已经提及了量子力学中量子的波动性质，我们可以通俗地把它理解为一种可能性和随机性。在量子力学的视角下，即使在纯粹的真空状态下，我们从中找不出任何一枚粒子，但量子场仍然存在。

因为可能存在一种虚拟的粒子对，它们其中一枚粒子具有正能量，另一枚具有负能量，它们可以在瞬间生成，又几乎同时地相互抵消、堙灭，就好像潮涨潮落一般，使得空间再次回到真空状态。这些虚拟粒子可能不真实存在，但它们是能量波动的重要表现。

而在现实的实验中，科学家们利用真空泵以及其他技术来尽可能地移除空间中的各种物质，比如空气和各种微观粒子，创造一种无限接近于真空的环境。但实际上，无论利用何种手段，空间中也仍会残留一些粒子和辐射，例如各种宇宙射线，以及残余的气体分子。

因此，结合经典物理学的现实实验以及量子力学的理论角度来看，“绝对真空”都是不存在的。

人类肉眼的视觉能力是有限的，我们用肉眼看见的事物未必就是它的全貌。当我们把眼光放至微观世界时，可能会颠覆自己的认知，认识到一个全新的世界。如今的量子力学还在发展完善的道路中，我们也期待着更多的新研究成果，来解开未知的种种迷惑。