《物质世界的本质是什么？》
作者：钱思进 向知大师课团队
版本：湖南科学技术出版社 2025年4月
到底什么才是最真实的存在呢？
物质世界的本质到底是什么？这个问题乍一听似乎有些高深，好像和物理学没有太多的关系，但实际上，这是人类最早思考的重大问题之一，和物理学的起源与发展息息相关。
我们来做一个练习：你觉得以下各种东西的“真实”程度是多少？把它们从最真实到最不真实进行排序，你会怎么排？
1.手机
2.相对论
3.梦境
4.爱情
5.病毒
6.原子
7.灵魂
8.小说的人物
9.黑洞
这个练习可以让你对自己所理解的“物质世界的本质是什么”做一个初步的梳理。有些人可能会把“物质”的东西排得靠前（比如原子、手机），另一些人则会把“非物质”的东西排得靠前（比如灵魂、梦境、爱情）。
而这正是古往今来的哲学家、思想家、科学家争论的问题：到底什么才是最真实的存在呢？有的人认为，世界是自然存在的，由最基本的物质元素构成。也有人认为，世界只是神灵创造的，只有神才是真实存在的。还有一些人甚至认为世界根本就是不存在的，就像电影《黑客帝国》中那样，人生只是一个虚拟的幻境，我们就像是电脑里模拟的程序一样（当然，这会带来另外一些问题：电脑是谁创造的？电脑是真实的存在吗？）。
这里有两种回答的依据：一种是用科学来回答（即世界是物质的），对于科学家而言，最实在的就是那些可测量的和可用实验证实的东西；另一种是用非理性的事物来回答（如：世界是精神的/意志的），包括神灵或者某种非物质的观念。
《万物理论》（2014）剧照。
那么，人们对世界的认识到底是从哪来的呢？实际上，我们绝大部分的认识都是基于某种信念。在人类历史的绝大多数时间里，人们相信的真实存在和今天我们相信的东西有很大区别，比如，关于“物质世界的本质是什么”，直到300多年前，主流的回答还是“上帝”“真主安拉”或者“道”之类的。这个问题不仅在历史上引发了无数的争论，还有些人甚至为此献出了生命。
今天，我们大部分人相信世界就是物质的世界，就是科学家所描述的样子，但是你怎么能确定世界就是科学家描述的那样呢？毕竟，普通人很难有机会亲眼看到一个原子或者一个病毒。再比如，虽然我们从小就知道地球围绕太阳转，但是也不太容易给出地球围绕太阳转的直接证据。这些小学课本中的知识其实很多人还不能真正理解，而当代物理学家正在用更加复杂精深的理论去描述更深层次的真实存在。这些理论通过高深的数学进行描述，当然，从普通人的角度，就像看天书一样。
例如，粒子物理的标准模型提出自然界有12种基础的物质颗粒，它们分为6种轻子和6种夸克，构成世间的万物。这一理论的公式被刻在欧洲核子研究中心（CERN）的一块石头上。
（左）粒子物理标准模型（核心部分）及（右）其理论公式（刻印在CERN的一块石头上）：（资料来源：CERN）。《物质世界的本质是什么？》
大家看看这个公式，是不是满脑子都是问号呢？就算不看公式，你能想象我们这个如此大的世界、无穷无尽的宇宙，其实就是由这12种看不见也摸不着的粒子构成的吗？
我们的物质世界。（资料来源：Pixabay和Unsplash）。《物质世界的本质是什么？》插图
另一种理论假说甚至更进一步，提出这些粒子是由很多更小的线状或环状的“弦”组成的，这些“弦”里面藏有一些更高维度的空间——这就是著名的“超弦理论”。对于粒子，大家还可以想象，它们是一种很小很小的“东西”，那么“弦”又是怎么回事呢？现在脑子里的问号是不是更多了？
对于物理学而言，世界是物质的
在每一个时代，那些看起来似乎理所当然的对物质世界的认识，在以前时代的人们看起来其实就和天方夜谭一样。人们的认识不断发展变化，也许今天我们看不懂的理论会成为下一个时代人们的共识。然而，古往今来，人类始终不变的问题都是一个：真实物质世界的本质到底是什么？
为什么这个问题如此重要呢？实际上，对这个问题的思考，帮助人类走上物种的巅峰，从几百万年前的一种猿类逐步成为地球的霸主，甚至走出地球对宇宙进行探索。
家里养的猫或狗肯定不会去关注“本质”的问题，它们看到罐头里的食物就会高兴地食用，顶多会想一下：还能从哪儿再找到这些好吃的？而完全不会想：这些食物是由什么构成的？为什么我饿了就想吃东西？这背后有什么道理？
哪怕是一个小孩都会对生活中的现象提出问题，尝试思考现象背后的“本质”。比如：看到飞机在天上飞，我们知道这只是一种表面的运动，而想要弄清楚产生这样的运动的原因——飞机是怎么飞起来的？我们看到天空和彩虹，会想：为什么天空是蓝色的？为什么彩虹又是彩色的？这背后有什么规律吗？人们会假设存在一种“现象背后的实在”，这种可能看不见的实在可以用来解释可见的规律。
《瞬息全宇宙》（2022）剧照。
这种对更深层次的东西、对本质思考的能力，是其他动物所不具备的。
物理学就是人类为了解释“物质世界是什么”而发展起来的一门自然科学。物理学研究物质和能量的本质与性质，由于物质与能量是所有科学研究必须涉及的基本要素，所以物理学是自然科学中最基础的学科之一。物理学涵盖广泛的自然现象，无论是微乎其微的基本粒子，还是庞大的宇宙，都是它的研究对象。物理学对整个科学的发展有着深远的影响，物理学的许多定律也构成了其他自然科学学科的理论基础。对于物理学而言，世界是物质的，实在的东西就是物质的全部，这是物理学研究对世界本质认识的一个基本前提。
实际上，整个西方科学的传统都源于古希腊的哲学思想，物理学也不例外，它起源于“自然哲学”，古希腊的“自然”一词指的并不是一个特殊的存在领域（比如我们很多人理解的大自然、森林、大海），而更多是指一种“本质”和“根据”。自然哲学也就是研究物质世界本质的哲学，其实就是研究“什么是最基本的”这一问题。
比如，经典物理学中牛顿（1643—1727年）关于“万有引力”的论述著作是《自然哲学的数学原理》，而道尔顿（1766—1844年）作为近代原子论的提出者，他的著作是《化学哲学的新体系》，英国皇家学会（英国最高的科学学术机构）的会刊是《皇家学会哲学学报》。
“科学”这个日常用语，其实从19世纪才开始在英语世界中被广泛使用。工业革命之后，随着自然哲学（关于物质世界本质的哲学）的专业化发展，出现了更加专业的学科，这些学科也就从哲学母体中被剥离出来，成为现在的物理、化学、生物、天文、地质等。
那么，构成物质世界的本质到底是什么呢？古希腊哲学家泰勒斯（约公元前624—前547年）认为，世界的本质是“水”。现代物理学的研究给出了一个非常精炼的微观粒子层次的标准模型，用12种基础的基本粒子来解释物质世界的本质。
现代物理学认为物质是由基本粒子构成的，科学家提出了一个非常精炼的理论模型来描述物质的基本组成部分和作用在它们上的力，这就是粒子物理的“标准模型”。这个模型在近60年来被大量的实验所证实，从而获得公认。
从“元素说”到“原子论”
著名的美籍犹太裔物理学家理查德·费曼（1918—1988年）曾经说过这样一段话：“假如由于某种大灾难，所有的科学知识都丢失了，只有一句话可以传给下一代，那么怎样才能用最少的词汇来传达最多的信息呢？我相信这句话是原子的假设（或者说原子的事实，你愿意怎样称呼都行）：所有的物体都是由原子构成的——这些原子是一些小小的粒子，它们一直不停地运动着，当彼此略微离开时相互吸引，当彼此过于挤紧时又互相排斥。只要稍微想一下，你就会发现，在这一句话中包含了大量的有关这个世界的信息。”
那么，什么是原子呢？
《瞬息全宇宙》（2022）剧照。
从表面上看，世界似乎是由各种各样不同的物质组成的，人们能辨识出水、火、空气、木头、金属、谷物、泥土等，而火燃烧会变成灰，冰会化成水，木头会腐烂，金属会熔化，它们都能不断变化。于是，古代的哲学家们便想：有没有一种不变的、基本的东西可以来解释变化的万物呢？在2600多年前的古希腊，泰勒斯就提出世界是由“水”这种元素构成的。
泰勒斯是西方的第一位哲学家和自然科学家，他也是古希腊第一个不用神明鬼怪来解释“世界的本质是什么”的思想家。据说有一天晚上，他在旷野间思考，边走路边仰头观察天上的星星、研究气象问题，却因为没看路不小心掉进了井里。人们讽刺他只顾天空却不知道脚下发生的事。后来他通过观察天象，预测当年的橄榄会丰收，并利用这个知识在橄榄油市场上赚了一大笔钱。虽然他关于“水”组成世界万物的说法在今天看来很可笑，但这实际上是一种了不起的思考，体现了人们对世界表现出来的样子和实际的样子的区分。通过对现象背后“本质”的思考，人们得以用理性的认识去系统性地解释杂乱无章的日常现象。现代科学理论其实就是这样一种策略的延伸和发展。
类似地，中国古代也提出过“阴阳五行学说”，认为世间万物都有阴阳的属性，并由金、木、水、火、土等基本元素构成：“故先王以土与金木水火杂，以成百物。”
后来，古希腊哲学家亚里士多德（公元前384—前322年）发展了前人的理论，提出物质由土、水、气、火四种元素构成，这就是“四元素说”。总之，这一类用某些“元素”来解释物质世界的说法，被统称为“元素说”。
那么，“原子论”又是怎么回事呢？
早在2500年前，古希腊哲学家德谟克利特（公元前460—前370年）就提出：物质由离散而微小的、不能被分割的颗粒组成。他将这些颗粒命名为“原子”，他的理论也被称作古典原子论。他认为，就是这些原子通过不同的方式组合在一起，构成了各种各样的物质，包括水、火、风等。物质可以发生变化，而原子本身是永恒不变的。人们怎么能知道原子的存在呢？
德谟克利特分析：在一块面包还没被拿上餐桌时，我们就可以感知到它，因为我们闻到了它的气味。那么，它的气味是从哪来的呢？实际上，气味就来自组成面包的粒子——原子，它提前飘到了我们的鼻子里，与我们的嗅觉产生了相互作用，所以我们才能闻到它。
物理和化学到底是什么关系呢？
虽然德谟克利特在2500年前就提出了原子说，但他的理论没有得到普遍的认可，问题就在于原子非常小，人们无法直接观察到，也就很难证明它的存在。尽管伽利略（1564—1642年）、牛顿等物理学家对于原子说始终保持了开放的观点，但由于无法通过实验和数学计算的方式去研究原子，它始终仅仅是停留在哲学层面上的争论。对比而言，火、水、气、土这些元素是很容易观察并理解的，而炼金术等手工艺制作业的发展使得人们能够通过实验对这些物质进行研究，因此亚里士多德的“四元素说”在西方一直占据主要的地位，直到17世纪化学学科发展才发生了变化。
那么，17世纪的化学界有什么新闻呢？那就是出现了被称为“现代化学之父”的法国化学家拉瓦锡（1743—1794年）。他将会计记账式的严格标准应用到化学实验中，通过严谨的定量分析（比如使用天平作为主要测量工具），改变了人们对土、水、气、火这四种元素的认识。其中最著名的实验就是拉瓦锡证明水是由两种物质组成的：他把水蒸气通过烧得发红的热铁分解为氢气和氧气，这两种气体被收集并混合到一个容器中，通过电火花点燃后又形成了水蒸气。拉瓦锡撰写的《化学概要》一书建立了现代化学的基础，他将化学科学从定性研究转向定量研究，并建立了现代化学的命名法体系，至此，新的“元素”概念也诞生了。
拉瓦锡出生于贵族之家，继承了巨额遗产，从小衣食无忧。家人希望拉瓦锡成为一名律师，但是他一直对化学很感兴趣，于是，在就读巴黎大学法学院之后，他仍然利用课余时间继续学习自然科学。后来，拉瓦锡取得了律师证书，还成为一家私人征税公司的老板，手头十分宽裕，他利用这些资金与自己聪慧的妻子玛丽共同打造了一个私人化学实验室，致力于化学研究。玛丽成为拉瓦锡的助手，协助他翻译文献、为他的著作绘制插图。拉瓦锡在法国大革命中被处死后，玛丽积极推广他的研究，为传播他的思想做出了重要贡献。不过，在旧版高中化学课本的插图中，拉瓦锡的妻子却被忽略掉了。
拉瓦锡。《物质世界的本质是什么？》插图
你也许会有疑问，物理通识读物为什么会涉及化学发展的知识呢？物理和化学到底是什么关系呢？实际上，化学是受物理学影响最深远的自然科学之一，化学的发展也深刻地影响了物理学的发展。化学是在原子、分子层次上研究物质的组成、结构、性质和变化规律的自然科学，它是化学变化的核心基础。化学所在的尺度是微观世界中最接近宏观的。原子理论在很大程度上是通过化学实验来证实的。
早期化学家往往同时被称为物理学家
从拉瓦锡到门捷列夫（1834—1907年）完成元素周期表，都是在确定哪些物质之间能发生什么反应，这就是无机化学，即讨论与生命体无关的物质的研究内容。
化学反应本身的理论，即各种化学元素之间的相互作用规则，都和核物理、量子力学等理论有密切联系。原则上，理论化学的最深刻部分和物理学密不可分，早期的化学家往往同时被称为物理学家。
1808年，英国科学家道尔顿出版了《化学哲学的新体系》一书，在书中他详细描述了自己的原子理论和主要实验，这是继拉瓦锡之后理论化学的又一次重大进步。他揭示了一切化学反应现象的本质都是原子的运动，原子就是组成化学元素的最小物质颗粒。
现在我们知道，大多数不同的物质是由不同的分子构成的，比如水是由许许多多的水分子组成的，而这些水分子又是由氢原子和氧原子构成的。现代的原子分子学说是这样具体解释的：同一种原子可能组成不同的物质，比如氧原子既可以组成氧气分子，又可以组成臭氧分子，虽然都是氧原子组成的，但它们的性质却截然不同。我们需要呼吸氧气生存，但是呼吸臭氧则不能生存。实际上，绝大部分物质都是由分子组成的，而分子又是原子经过化学键构建而成的。
当然，稀有气体如氦、氖、氩、氪、氙、氡直接就是由原子组成的物质，而不是氦原子构成氦分子，再构成氦气。那么，原子是怎么通过化学键相互结合在一起的呢？这实际上就是现代化学主要研究的问题，而物理学则关注一些别的问题，比如，原子到底是不是最小的东西呢？原子里面还有什么东西？它们又是如何相互作用的呢？
本文选自《物质世界的本质是什么？》，较原文有删节修改。已获得出版社授权刊发。
原文作者/钱思进 向知大师课团队
摘编/何也
编辑/张进
导语校对/赵琳
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