《物質(zhì)世界的本質(zhì)是什么？》

作者：錢思進(jìn) 向知大師課團(tuán)隊(duì)

版本：湖南科學(xué)技術(shù)出版社 2025年4月

到底什么才是最真實(shí)的存在呢？

物質(zhì)世界的本質(zhì)到底是什么？這個(gè)問題乍一聽似乎有些高深，好像和物理學(xué)沒有太多的關(guān)系，但實(shí)際上，這是人類最早思考的重大問題之一，和物理學(xué)的起源與發(fā)展息息相關(guān)。

我們來做一個(gè)練習(xí)：你覺得以下各種東西的“真實(shí)”程度是多少？把它們從最真實(shí)到最不真實(shí)進(jìn)行排序，你會(huì)怎么排？

1.手機(jī)

2.相對(duì)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(gè)練習(xí)可以讓你對(duì)自己所理解的“物質(zhì)世界的本質(zhì)是什么”做一個(gè)初步的梳理。有些人可能會(huì)把“物質(zhì)”的東西排得靠前（比如原子、手機(jī)），另一些人則會(huì)把“非物質(zhì)”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(xué)家、思想家、科學(xué)家爭論的問題：到底什么才是最真實(shí)的存在呢？有的人認(rèn)為，世界是自然存在的，由最基本的物質(zhì)元素構(gòu)成。也有人認(rèn)為，世界只是神靈創(chuàng)造的，只有神才是真實(shí)存在的。還有一些人甚至認(rèn)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(gè)虛擬的幻境，我們就像是電腦里模擬的程序一樣（當(dāng)然，這會(huì)帶來另外一些問題：電腦是誰創(chuàng)造的？電腦是真實(shí)的存在嗎？）。

這里有兩種回答的依據(jù)：一種是用科學(xué)來回答（即世界是物質(zhì)的），對(duì)于科學(xué)家而言，最實(shí)在的就是那些可測量的和可用實(shí)驗(yàn)證實(shí)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(zhì)的觀念。

《萬物理論》（2014）劇照。

那么，人們對(duì)世界的認(rèn)識(shí)到底是從哪來的呢？實(shí)際上，我們絕大部分的認(rèn)識(shí)都是基于某種信念。在人類歷史的絕大多數(shù)時(shí)間里，人們相信的真實(shí)存在和今天我們相信的東西有很大區(qū)別，比如，關(guān)于“物質(zhì)世界的本質(zhì)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(gè)問題不僅在歷史上引發(fā)了無數(shù)的爭論，還有些人甚至為此獻(xiàn)出了生命。

今天，我們大部分人相信世界就是物質(zhì)的世界，就是科學(xué)家所描述的樣子，但是你怎么能確定世界就是科學(xué)家描述的那樣呢？畢竟，普通人很難有機(jī)會(huì)親眼看到一個(gè)原子或者一個(gè)病毒。再比如，雖然我們從小就知道地球圍繞太陽轉(zhuǎn)，但是也不太容易給出地球圍繞太陽轉(zhuǎn)的直接證據(jù)。這些小學(xué)課本中的知識(shí)其實(shí)很多人還不能真正理解，而當(dāng)代物理學(xué)家正在用更加復(fù)雜精深的理論去描述更深層次的真實(shí)存在。這些理論通過高深的數(shù)學(xué)進(jìn)行描述，當(dāng)然，從普通人的角度，就像看天書一樣。

例如，粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型提出自然界有12種基礎(chǔ)的物質(zhì)顆粒，它們分為6種輕子和6種夸克，構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)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(zhì)世界的本質(zhì)是什么？》

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

我們的物質(zhì)世界。（資料來源：Pixabay和Unsplash）�！段镔|(zhì)世界的本質(zhì)是什么？》插圖

另一種理論假說甚至更進(jìn)一步，提出這些粒子是由很多更小的線狀或環(huán)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(duì)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(xiàn)在腦子里的問號(hào)是不是更多了？

對(duì)于物理學(xué)而言，世界是物質(zhì)的

在每一個(gè)時(shí)代，那些看起來似乎理所當(dāng)然的對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)，在以前時(shí)代的人們看起來其實(shí)就和天方夜譚一樣。人們的認(rèn)識(shí)不斷發(fā)展變化，也許今天我們看不懂的理論會(huì)成為下一個(gè)時(shí)代人們的共識(shí)。然而，古往今來，人類始終不變的問題都是一個(gè)：真實(shí)物質(zhì)世界的本質(zhì)到底是什么？

為什么這個(gè)問題如此重要呢？實(shí)際上，對(duì)這個(gè)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?qū)τ钪孢M(jìn)行探索。

家里養(yǎng)的貓或狗肯定不會(huì)去關(guān)注“本質(zhì)”的問題，它們看到罐頭里的食物就會(huì)高興地食用，頂多會(huì)想一下：還能從哪兒再找到這些好吃的？而完全不會(huì)想：這些食物是由什么構(gòu)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(gè)小孩都會(huì)對(duì)生活中的現(xiàn)象提出問題，嘗試思考現(xiàn)象背后的“本質(zhì)”。比如：看到飛機(jī)在天上飛，我們知道這只是一種表面的運(yùn)動(dòng)，而想要弄清楚產(chǎn)生這樣的運(yùn)動(dòng)的原因——飛機(jī)是怎么飛起來的？我們看到天空和彩虹，會(huì)想：為什么天空是藍(lán)色的？為什么彩虹又是彩色的？這背后有什么規(guī)律嗎？人們會(huì)假設(shè)存在一種“現(xiàn)象背后的實(shí)在”，這種可能看不見的實(shí)在可以用來解釋可見的規(guī)律。

《瞬息全宇宙》（2022）劇照。

這種對(duì)更深層次的東西、對(duì)本質(zhì)思考的能力，是其他動(dòng)物所不具備的。

物理學(xué)就是人類為了解釋“物質(zhì)世界是什么”而發(fā)展起來的一門自然科學(xué)。物理學(xué)研究物質(zhì)和能量的本質(zhì)與性質(zhì)，由于物質(zhì)與能量是所有科學(xué)研究必須涉及的基本要素，所以物理學(xué)是自然科學(xué)中最基礎(chǔ)的學(xué)科之一。物理學(xué)涵蓋廣泛的自然現(xiàn)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(duì)象。物理學(xué)對(duì)整個(gè)科學(xué)的發(fā)展有著深遠(yuǎn)的影響，物理學(xué)的許多定律也構(gòu)成了其他自然科學(xué)學(xué)科的理論基礎(chǔ)。對(duì)于物理學(xué)而言，世界是物質(zhì)的，實(shí)在的東西就是物質(zhì)的全部，這是物理學(xué)研究對(duì)世界本質(zhì)認(rèn)識(shí)的一個(gè)基本前提。

實(shí)際上，整個(gè)西方科學(xué)的傳統(tǒng)都源于古希臘的哲學(xué)思想，物理學(xué)也不例外，它起源于“自然哲學(xué)”，古希臘的“自然”一詞指的并不是一個(gè)特殊的存在領(lǐng)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(zhì)”和“根據(jù)”。自然哲學(xué)也就是研究物質(zhì)世界本質(zhì)的哲學(xué)，其實(shí)就是研究“什么是最基本的”這一問題。

比如，經(jīng)典物理學(xué)中牛頓（1643—1727年）關(guān)于“萬有引力”的論述著作是《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)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(xué)哲學(xué)的新體系》，英國皇家學(xué)會(huì)（英國最高的科學(xué)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)）的會(huì)刊是《皇家學(xué)會(huì)哲學(xué)學(xué)報(bào)》。

“科學(xué)”這個(gè)日常用語，其實(shí)從19世紀(jì)才開始在英語世界中被廣泛使用。工業(yè)革命之后，隨著自然哲學(xué)（關(guān)于物質(zhì)世界本質(zhì)的哲學(xué)）的專業(yè)化發(fā)展，出現(xiàn)了更加專業(yè)的學(xué)科，這些學(xué)科也就從哲學(xué)母體中被剝離出來，成為現(xiàn)在的物理、化學(xué)、生物、天文、地質(zhì)等。

那么，構(gòu)成物質(zhì)世界的本質(zhì)到底是什么呢？古希臘哲學(xué)家泰勒斯（約公元前624—前547年）認(rèn)為，世界的本質(zhì)是“水”�，F(xiàn)代物理學(xué)的研究給出了一個(gè)非常精煉的微觀粒子層次的標(biāo)準(zhǔn)模型，用12種基礎(chǔ)的基本粒子來解釋物質(zhì)世界的本質(zhì)。

現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為物質(zhì)是由基本粒子構(gòu)成的，科學(xué)家提出了一個(gè)非常精煉的理論模型來描述物質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)模型”。這個(gè)模型在近60年來被大量的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，從而獲得公認(rèn)。

從“元素說”到“原子論”

著名的美籍猶太裔物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼（1918—1988年）曾經(jīng)說過這樣一段話：“假如由于某種大災(zāi)難，所有的科學(xué)知識(shí)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(dá)最多的信息呢？我相信這句話是原子的假設(shè)（或者說原子的事實(shí)，你愿意怎樣稱呼都行）：所有的物體都是由原子構(gòu)成的——這些原子是一些小小的粒子，它們一直不停地運(yùn)動(dòng)著，當(dāng)彼此略微離開時(shí)相互吸引，當(dāng)彼此過于擠緊時(shí)又互相排斥。只要稍微想一下，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，在這一句話中包含了大量的有關(guān)這個(gè)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(zhì)組成的，人們能辨識(shí)出水、火、空氣、木頭、金屬、谷物、泥土等，而火燃燒會(huì)變成灰，冰會(huì)化成水，木頭會(huì)腐爛，金屬會(huì)熔化，它們都能不斷變化。于是，古代的哲學(xué)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(gòu)成的。

泰勒斯是西方的第一位哲學(xué)家和自然科學(xué)家，他也是古希臘第一個(gè)不用神明鬼怪來解釋“世界的本質(zhì)是什么”的思想家。據(jù)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?yàn)闆]看路不小心掉進(jìn)了井里。人們諷刺他只顧天空卻不知道腳下發(fā)生的事。后來他通過觀察天象，預(yù)測當(dāng)年的橄欖會(huì)豐收，并利用這個(gè)知識(shí)在橄欖油市場上賺了一大筆錢。雖然他關(guān)于“水”組成世界萬物的說法在今天看來很可笑，但這實(shí)際上是一種了不起的思考，體現(xiàn)了人們對(duì)世界表現(xiàn)出來的樣子和實(shí)際的樣子的區(qū)分。通過對(duì)現(xiàn)象背后“本質(zhì)”的思考，人們得以用理性的認(rèn)識(shí)去系統(tǒng)性地解釋雜亂無章的日常現(xiàn)象�，F(xiàn)代科學(xué)理論其實(shí)就是這樣一種策略的延伸和發(fā)展。

類似地，中國古代也提出過“陰陽五行學(xué)說”，認(rèn)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(gòu)成：“故先王以土與金木水火雜，以成百物。”

后來，古希臘哲學(xué)家亞里士多德（公元前384—前322年）發(fā)展了前人的理論，提出物質(zhì)由土、水、氣、火四種元素構(gòu)成，這就是“四元素說”�？傊@一類用某些“元素”來解釋物質(zhì)世界的說法，被統(tǒng)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(xué)家德謨克利特（公元前460—前370年）就提出：物質(zhì)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(rèn)為，就是這些原子通過不同的方式組合在一起，構(gòu)成了各種各樣的物質(zhì)，包括水、火、風(fēng)等。物質(zhì)可以發(fā)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(shí)，我們就可以感知到它，因?yàn)槲覀兟劦搅怂臍馕�。那么，它的氣味是從哪來的呢？�?shí)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(chǎn)生了相互作用，所以我們才能聞到它。

物理和化學(xué)到底是什么關(guān)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(rèn)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(xué)家對(duì)于原子說始終保持了開放的觀點(diǎn)，但由于無法通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)計(jì)算的方式去研究原子，它始終僅僅是停留在哲學(xué)層面上的爭論。對(duì)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(shù)等手工藝制作業(yè)的發(fā)展使得人們能夠通過實(shí)驗(yàn)對(duì)這些物質(zhì)進(jìn)行研究，因此亞里士多德的“四元素說”在西方一直占據(jù)主要的地位，直到17世紀(jì)化學(xué)學(xué)科發(fā)展才發(fā)生了變化。

那么，17世紀(jì)的化學(xué)界有什么新聞呢？那就是出現(xiàn)了被稱為“現(xiàn)代化學(xué)之父”的法國化學(xué)家拉瓦錫（1743—1794年）。他將會(huì)計(jì)記賬式的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用到化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩糠治觯ū热缡褂锰炱阶鳛橹饕獪y量工具），改變了人們對(duì)土、水、氣、火這四種元素的認(rèn)識(shí)。其中最著名的實(shí)驗(yàn)就是拉瓦錫證明水是由兩種物質(zhì)組成的：他把水蒸氣通過燒得發(fā)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(gè)容器中，通過電火花點(diǎn)燃后又形成了水蒸氣。拉瓦錫撰寫的《化學(xué)概要》一書建立了現(xiàn)代化學(xué)的基礎(chǔ)，他將化學(xué)科學(xué)從定性研究轉(zhuǎn)向定量研究，并建立了現(xiàn)代化學(xué)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(chǎn)，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(duì)化學(xué)很感興趣，于是，在就讀巴黎大學(xué)法學(xué)院之后，他仍然利用課余時(shí)間繼續(xù)學(xué)習(xí)自然科學(xué)。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(gè)私人化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，致力于化學(xué)研究�，旣惓蔀槔咤a的助手，協(xié)助他翻譯文獻(xiàn)、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(xiàn)。不過，在舊版高中化學(xué)課本的插圖中，拉瓦錫的妻子卻被忽略掉了。

拉瓦錫�！段镔|(zhì)世界的本質(zhì)是什么？》插圖

你也許會(huì)有疑問，物理通識(shí)讀物為什么會(huì)涉及化學(xué)發(fā)展的知識(shí)呢？物理和化學(xué)到底是什么關(guān)系呢？實(shí)際上，化學(xué)是受物理學(xué)影響最深遠(yuǎn)的自然科學(xué)之一，化學(xué)的發(fā)展也深刻地影響了物理學(xué)的發(fā)展�；瘜W(xué)是在原子、分子層次上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化規(guī)律的自然科學(xué)，它是化學(xué)變化的核心基礎(chǔ)�；瘜W(xué)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(xué)實(shí)驗(yàn)來證實(shí)的。

早期化學(xué)家往往同時(shí)被稱為物理學(xué)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(zhì)之間能發(fā)生什么反應(yīng)，這就是無機(jī)化學(xué)，即討論與生命體無關(guān)的物質(zhì)的研究內(nèi)容。

化學(xué)反應(yīng)本身的理論，即各種化學(xué)元素之間的相互作用規(guī)則，都和核物理、量子力學(xué)等理論有密切聯(lián)系。原則上，理論化學(xué)的最深刻部分和物理學(xué)密不可分，早期的化學(xué)家往往同時(shí)被稱為物理學(xué)家。

1808年，英國科學(xué)家道爾頓出版了《化學(xué)哲學(xué)的新體系》一書，在書中他詳細(xì)描述了自己的原子理論和主要實(shí)驗(yàn)，這是繼拉瓦錫之后理論化學(xué)的又一次重大進(jìn)步。他揭示了一切化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象的本質(zhì)都是原子的運(yùn)動(dòng)，原子就是組成化學(xué)元素的最小物質(zhì)顆粒。

現(xiàn)在我們知道，大多數(shù)不同的物質(zhì)是由不同的分子構(gòu)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(gòu)成的�，F(xiàn)代的原子分子學(xué)說是這樣具體解釋的：同一種原子可能組成不同的物質(zhì)，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(zhì)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(shí)際上，絕大部分物質(zhì)都是由分子組成的，而分子又是原子經(jīng)過化學(xué)鍵構(gòu)建而成的。

當(dāng)然，稀有氣體如氦、氖、氬、氪、氙、氡直接就是由原子組成的物質(zhì)，而不是氦原子構(gòu)成氦分子，再構(gòu)成氦氣。那么，原子是怎么通過化學(xué)鍵相互結(jié)合在一起的呢？這實(shí)際上就是現(xiàn)代化學(xué)主要研究的問題，而物理學(xué)則關(guān)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(zhì)世界的本質(zhì)是什么？》，較原文有刪節(jié)修改。已獲得出版社授權(quán)刊發(fā)。

原文作者/錢思進(jìn) 向知大師課團(tuán)隊(duì)

摘編/何也

編輯/張進(jìn)

導(dǎo)語校對(duì)/趙琳