我们大部分时间都不是空荡荡的

如果你看看你的身体是由什么组成的，在更小更基本的层面上，你会发现你体内有一个完整的微型结构宇宙。你的身体是由器官组成的，而器官又是由细胞组成的，这些细胞含有细胞器，细胞器是由分子组成的，分子本身是由单个原子链连接在一起的。原子存在于极其微小的尺度上，直径只有1°ngström，但它们是由更小的成分组成的：质子、中子和电子。

构成每个原子核的质子和中子的微小尺寸是已知的：每一个只有一飞米，比一个“ngström”小10万倍。但电子本身与点状的电子没有什么区别，因为它的大小不超过质子或中子大小的万分之一。这是不是意味着原子--以此类推，所有由原子组成的东西--基本上都是空白的空间呢？不用谢。这就是为什么的科学原理。

在我们的正常经验中，如果你想知道某样东西有多大，你只需去测量它就行了。对于非量子物体，这不是问题，因为不同的测量物体的方法都会给你相同的答案。无论你使用的是测量棒(如尺子)、高清晰度成像，还是依赖物理的技术，如布朗运动或引力沉降，你都会得到相同的解决方案。

但是对于最小的物体，比如单个原子，这些技术就不再有效了。第一次探索原子内部的尝试是在发现放射性后不久进行的，而且实际上是独具匠心的。欧内斯特·卢瑟福通过将放射性物质发射的粒子发射到薄薄的原子片上，试图确定当你检查一个原子的内部时发生了什么。他的发现震惊了世界。

这些快速移动的粒子被发射到一张非常薄的金箔上，金箔被锤击得如此之薄，以至于如果徒手触摸它就会分崩离析。虽然大多数粒子直接穿过，但有一小部分但相当大的一部分被偏转，一些粒子甚至以与原始方向相反的方向返回。正如卢瑟福自己在大约15年后所说的那样，

这是我一生中发生过的最不可思议的事情。这几乎就像你向一张卫生纸发射了一枚15英寸的炮弹，它回来击中了你一样令人难以置信。

这种测量粒子大小的技术被称为深度非弹性散射，今天被用来限制质子和中子内部基本粒子的大小和测量其性质。100多年来，从卢瑟福到大型强子对撞机，这都是测量基本粒子大小的重要方法。

但是，在这些高能条件下，常规原子和原子核被以接近光速移动的粒子轰击，这并不是我们日常生活中原子通常经历的情况。我们生活在一个低能量的宇宙中，我们体内的原子和各种粒子之间发生的碰撞的能量不到大型强子对撞机能量的十亿分之一。

在我们的量子宇宙中，我们经常谈论波粒二元性，或者说组成宇宙的基本量子同时表现出波状和粒子状的属性，这取决于它们暴露在什么条件下。如果我们的能量越来越高，我们正在研究的量子行为更像粒子，而在更低的能量下，它们的行为更像波。

我们可以通过研究光子来说明其中的原因：与光相关的能量量子。光有多种能量，从超高能伽马射线到超低能无线电波。但是光的能量与其波长密切相关：能量越高，波长越短。

我们所知的能量最低的无线电波有几米甚至几公里长，它们的振荡电场和磁场有助于使天线内的电子来回移动，产生我们可以使用和提取的信号。另一方面，伽马射线的能量可能如此之高，以至于需要数万个波长才能穿过一个质子。如果你的粒子的大小大于你的光波长，光可以测量它的大小。

但是如果你的粒子比光的波长小，那么光就不能很好地与该粒子相互作用，表现得就像波一样。这就是为什么低能量光子，就像可见光光子一样，在穿过双缝时会产生干涉图案。只要狭缝足够大，光的波长可以穿过它们，你就会在另一边得到干涉图案，展示这种波状行为。

即使你一次只发送一个光子，这也是正确的，这表明这种波状的性质并不是发生在不同的光子之间，而是每个单独的光子都在以某种方式干扰自己。

即使你用电子代替光子，这仍然是正确的，因为即使是大质量的粒子在低能量条件下也可以表现得像波一样。即使是通过双缝一次发送一个的低能电子，加在一起也会产生干涉图案，显示出它们的波状行为。

当我们想象一个原子时，我们中的大多数人会本能地回到我们都知道的第一个模型：一个点状的电子围绕着一个小而致密的原子核运行。这个原子的“行星模型”最先是由于卢瑟福而产生的，后来由尼尔斯·玻尔和阿诺德·索默菲尔德改进，他们认识到离散能级的必要性。

但在上个世纪的大部分时间里，我们已经认识到这些模型太像粒子，无法描述实际发生的情况。电子确实占据了离散的能级，但这并不能转化为类似行星的轨道。相反，原子中的电子表现得更像一朵云：一团弥漫的雾，散布在特定的空间体积上。当你看到原子轨道的插图时，它们基本上向你展示了单个电子的波状形状。

如果你要把一个高能光子或粒子送进去与一个电子相互作用，当然，你可以精确地确定它的位置。但是--这就是量子力学绊倒我们大多数人的地方--将高能粒子送进那里的行为从根本上改变了原子本身内部发生的事情。它使电子的行为像粒子一样，至少在那个相互作用的瞬间是这样，而不是像波一样。

但在这种相互作用发生之前，电子一直像波一样活动。当你有一个孤立的，室温的原子，或者是连接在一个分子甚至整个人体中的原子链，它们的行为不像这些具有明确定义的点的单个粒子。相反，它们的行为就像波，电子实际上位于整个~1ngström体积中，而不是在一个特定的点状位置。

更好的理解电子的方式是像“雾”或“云”，散布在原子核周围的整个空间。当两个或更多的原子结合在一起形成一个分子时，它们的电子云重叠，电子在空间中的范围变得更加分散。当你把手压向另一个表面时，那个表面上的电子所产生的电磁力会对你手中的电子产生推力，导致电子云扭曲变形。

当然，这是违反直觉的，因为我们太习惯于用粒子来思考物质的基本成分。但更好的做法是把它们想象成量子：在高能条件下表现得像粒子，而在低能条件下表现得像波浪。当我们在正常的地面条件下处理原子时，它们是波状的，单个量子独自占据了大量的空间。

每当我们依靠直觉来理解宇宙时，都会有一个很大的问题：直觉是从经验中产生的，我们个人对宇宙的体验完全是经典的。我们的宇宙是由粒子在一个基本现象中组成的，粒子的集合可以压缩、稀疏和以波浪状的方式振荡。

但在原子、光子和单个电子的量子领域，波状行为和粒子状行为一样基本，只有实验、测量或相互作用的条件才能决定我们观察到的是什么。在非常高的能量下，实验可以揭示出我们非常熟悉的类似粒子的行为。但在正常情况下，就像我们在自己身体里经常经历的那样，即使是一个单独的电子也会散布在整个原子或分子上。

在你的身体里，你基本上不是空虚的。你们主要是一系列的电子云，它们都被支配整个宇宙的量子规则捆绑在一起。

“从大爆炸开始”现已在“福布斯”上播出，并于7天后在Medium上重发。伊森已经写了两本书，“超越银河系”和“星际迷航：从三重订单到曲速驱动的星际迷航的科学”。