原子的內(nèi)部空間，似乎空曠無(wú)物，然而若從波動(dòng)或能量的角度觀察，則并非空無(wú)一物。同樣地，透明度也是一個(gè)相對(duì)的概念，取決于物質(zhì)對(duì)特定頻率電磁波的透過(guò)能力。

如何理解原子的空曠？

第一個(gè)對(duì)原子內(nèi)部的空曠感到驚奇的科學(xué)家叫做盧瑟福。1911年，他進(jìn)行了一項(xiàng)名為“α粒子散射實(shí)驗(yàn)”的科研活動(dòng)，即將α射線投射到一片薄薄的黃金箔片上。他注意到，盡管大多數(shù)α粒子順利地穿過(guò)了金箔，仍有少數(shù)α粒子遭遇了強(qiáng)烈的散射，大約有1/8000的α粒子散射角度超過(guò)了90°，其中一些甚至達(dá)到了150°的大角度散射。

通過(guò)這一實(shí)驗(yàn)，盧瑟福揭示了原子內(nèi)部的空曠以及其核心的存在。根據(jù)大角度散射的數(shù)據(jù)，他推算出原子核的直徑上限為10的負(fù)14次方米，并由此提出了我們?cè)谛W(xué)課本中所見(jiàn)到的行星模型。

盧瑟福繼續(xù)著他的實(shí)驗(yàn)，對(duì)原子核進(jìn)行轟擊，8年后，他在轟擊氮原子核的過(guò)程中，偶然間擊發(fā)出一種更微小的粒子，并測(cè)定了其所帶的電荷與質(zhì)量，這便是質(zhì)子。

這便是我們目前對(duì)原子的基本認(rèn)識(shí)，但原子內(nèi)部究竟有多空曠？

以氫原子為例，如果把原子核放大至1米，那么原子核與電子之間的距離則相當(dāng)于100公里。確實(shí)，這是一個(gè)巨大的空間。如果兩個(gè)原子互相碰撞，我們完全可以認(rèn)為它們會(huì)直接穿越對(duì)方。但現(xiàn)實(shí)情況顯然并非如此。

原子內(nèi)部雖然空曠，但物質(zhì)為何會(huì)顯得如此堅(jiān)實(shí)？

若用經(jīng)典物理學(xué)來(lái)解答這個(gè)問(wèn)題，似乎是無(wú)解的。但幸運(yùn)的是，量子力學(xué)為我們提供了一個(gè)合理的解釋。

首先回答這一問(wèn)題的是玻爾，他是盧瑟福的弟子，繼承和發(fā)展了盧瑟福的原子模型，并提出了“能級(jí)”概念，認(rèn)為電子在不同的能級(jí)軌道間進(jìn)行不連續(xù)的躍遷，即電子只能在特定的軌道上運(yùn)動(dòng)，這增加了兩個(gè)原子核外電子碰撞的可能性，但依然不夠充分。

接下來(lái)，海森堡進(jìn)一步推進(jìn)了這個(gè)問(wèn)題的研究。海森堡在攻讀博士學(xué)位時(shí)研究的是湍流問(wèn)題，他面對(duì)復(fù)雜混亂的湍流現(xiàn)象，憑借一種物理直覺(jué)，選擇忽略過(guò)程，直接得出結(jié)論，后來(lái)他的方法被數(shù)學(xué)家證明為正確。

海森堡提出，電子不僅存在于特定的能級(jí)，還會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在該能級(jí)上的每一個(gè)位置，這就是“不確定原理”，這也構(gòu)成了我們今天所說(shuō)的“電子云”概念。然而，這樣的“電子云”似乎不足以使物質(zhì)顯得堅(jiān)實(shí)。

此時(shí)，天才泡利登場(chǎng)了。他21歲時(shí)便領(lǐng)悟了當(dāng)時(shí)鮮有人能理解的相對(duì)論，并且喜歡與女性共舞。他在舞池中觀察到量子力學(xué)的“不相容原理”：如同舞池中的男女，電子在與氫原子核“跳舞”時(shí)，不允許其他電子介入，每個(gè)氫原子核只能與一個(gè)電子配對(duì)。因此，在一片“電子云”中，只能有一個(gè)電子存在，不容許第二個(gè)電子的存在。這樣，原本松軟的“電子云”變得堅(jiān)硬，兩個(gè)原子因此必須保持一定的距離，我們也就不必?fù)?dān)心水杯會(huì)突然從桌面消失。

換言之，電子的能級(jí)定義了其崗位，不確定性原理令電子無(wú)處不在，而不相容性讓電子變得堅(jiān)固，三者結(jié)合，形成了我們能夠觸感的物質(zhì)實(shí)在性。

如何從微觀視角理解透明性？

之前提到，電子在特定的能級(jí)上移動(dòng)，不同的原子和電子層有著不同的能級(jí)。不同的能級(jí)代表著不同的能量。當(dāng)照射物質(zhì)的光的能量與能級(jí)匹配時(shí)，電子會(huì)吸收光，這樣的物質(zhì)便顯得不透明；反之，若光的能量與能級(jí)不匹配，光便會(huì)穿透原子，這樣的物質(zhì)便是透明的。

至于什么情況下算是“匹配”，什么情況下算是“不匹配”，這要由量子力學(xué)來(lái)決定，在此不作詳細(xì)說(shuō)明。

光的能量由其頻率決定，頻率越高，能量越大；頻率越低，能量越小。我們?nèi)粘Ｋf(shuō)的“透明”通常僅指可見(jiàn)光頻率范圍。例如，我們說(shuō)玻璃是透明的，實(shí)際上它只是對(duì)可見(jiàn)光（波長(zhǎng)在400～760nm之間）透明，對(duì)紅外線則不透明。人體看似不透明，但對(duì)短波的X光卻是透明的。所以，透明性本質(zhì)上是一個(gè)相對(duì)概念。

大多數(shù)金屬是不透明的，并且呈現(xiàn)出所謂的金屬光澤。這是因?yàn)榻饘僭映俗陨淼慕Y(jié)構(gòu)電子外，還擁有大量可在原子間自由移動(dòng)的電子，這也是它們導(dǎo)電的原因。這些自由電子就像一片電子海洋，可以有效地反射光線。

總之，物體的透明與否，是電子與光線相互作用的結(jié)果，受到量子力學(xué)的制約，與原子的空曠程度無(wú)關(guān)。光與所有物質(zhì)的相互作用，要么是反射，要么是吸收，要么是穿透，各自占據(jù)一定的比例。

可以說(shuō)，是量子力學(xué)賦予了宏觀物質(zhì)的實(shí)在性，給我們帶來(lái)了五彩斑斕的世界。

深入探索微觀世界，你會(huì)發(fā)現(xiàn)如果沒(méi)有量子的不確定性，宏觀世界的確定性將難以存在。

一個(gè)看似粒子狀的電子，在一片電子云中隨時(shí)都可能出現(xiàn)在任何位置，這一點(diǎn)可能難以理解。但如果把這個(gè)電子想象成一種波，可能就容易理解了。這也是我們常說(shuō)的“波粒二象性”。盡管這也許不是物質(zhì)的最終真相，但目前我們只能通過(guò)這種方式來(lái)描述它。