原子内部99%以上都是空的，为什么物体看起来却是实体的？

把一个原子放大到足球场那么大，原子核只有中间那颗绿豆那么小，电子在看台最外圈飞。中间呢？什么都没有。可你现在正靠在桌子上，手没有穿过去，这是怎么回事？

一场被误解的"空"

说原子99.9999999%是空的，这话没毛病。1909年，卢瑟福做了那个著名的金箔实验，让α粒子去轰金箔，结果绝大多数粒子直接穿了过去，好像金箔根本不存在。只有大约八千分之一的粒子被弹了回来。

就是这个实验，让人类第一次意识到：原子不是实心小球，它的质量几乎全部集中在一个极小的核心里。

如果把氢原子放大到直径100米，原子核只有1毫米。这个比例什么概念？相当于一颗玻璃珠放在天安门广场中央，电子在广场边缘绕圈，中间全是空气。

于是很多人就想当然地问：既然原子这么空，为什么我的手拍桌子会疼？为什么两块铁撞在一起会发出声音？为什么我不会直接穿过地板掉下去？

问题出在"空"这个字上。我们日常理解的空，是"什么都没有"，像一个房间，把家具都搬走，你可以随便进出。但原子内部的"空"，完全不是这个意思。那里没有物质，但充满了力。

电子云不是云，是一堵看不见的墙

卢瑟福的行星模型只是个粗糙的类比。真正的电子既不是小球，也不绑定在某条轨道上转圈。量子力学告诉我们，电子是一团概率云，它同时"弥散"在原子核周围的整个空间里。

1926年，薛定谔写出了描述电子行为的波动方程。这个方程的解不是一个确定的位置，而是一个概率分布。氢原子的1s轨道，电子最可能出现的地方是距离原子核0.053纳米处，这就是玻尔半径。但关键在于，电子在整个球壳区域内都"存在"，只是某些地方概率高，某些地方概率低。

你可以这样想象：电子不是一颗在球场里跑来跑去的足球，而是整个球场同时弥漫着一层"足球的存在感"，中间浓一点，边上淡一点，但到处都有。

当两个原子靠近，它们的电子云开始重叠。这时候，泡利不相容原理就登场了。1925年，奥地利物理学家泡利提出这个原理：两个电子不能处于完全相同的量子态。

当你用手按桌子，手里的原子和桌子的原子距离越来越近，电子云被迫挤压在一起。但电子们"拒绝"进入相同的状态，这种拒绝产生了一种强大的排斥力。

这个力有多强？强到你用尽全身力气也无法让两个原子真正"融合"。1立方厘米的固体物质里大约有10²³个原子，它们每一个都在用电子云互相"顶"着对方。这种力不是因为电荷排斥，虽然电子确实带负电，而是量子力学层面上的"状态排斥"。

所以，你的手拍桌子会疼，不是因为撞到了什么实心的东西，而是因为两团电子云互相不让路。说白了，你从来没有真正"接触"过任何东西，你只是感受到了电子之间那股拒绝亲密的力。

电磁力：微观世界的真正推手

除了泡利排斥力，还有另一个主角：电磁力。

原子核带正电，电子带负电。当两个原子靠近时，一个原子的电子会被另一个原子的原子核吸引，同时又被对方的电子排斥。这种吸引和排斥同时存在，最终在某个平衡点稳定下来，这就是化学键的本质，也是固体能够维持形状的原因。

电磁力是四大基本力之一，它的强度是引力的10³⁶倍。什么意思呢？如果你把两个电子放在相距1米的地方，它们之间的电磁排斥力，比它们之间的引力强一千亿亿亿亿倍。这就是为什么原子能抵抗重力：你站在地面上，脚底的原子用电磁力撑住你，地球的引力根本不是对手。

1948年，费曼、施温格和朝永振一郎独立发展出量子电动力学（QED），把电磁力的本质解释得更深：电子之间通过交换"虚光子"来传递力。这个理论的预测精度高得离谱，电子的磁矩理论值和实验值相差不到万亿分之一，是人类历史上最精确的物理理论之一。

所以，当你握住一个杯子，支撑你握力的其实是电磁力。当你坐在椅子上，托住你体重的还是电磁力。整个宏观世界的"固体感"，几乎全部来自电磁相互作用和泡利不相容原理这两件事。

固体、液体、气体：空隙一样多，表现天差地别

说到这里，可能有人会问：既然原子都是空的，为什么水是液态，铁是固态，空气是气态？它们的原子结构有本质区别吗？

答案是：原子层面没有太大区别，真正的区别在于原子之间的距离和结合方式。

固体里的原子几乎是紧紧挨在一起的。以铁为例，铁原子之间的间距大约是0.287纳米，它们通过金属键牢牢锁住彼此，像士兵方阵一样整齐排列。这种结构叫晶格。每个原子的电子云和邻居重叠，泡利排斥力让它们既不能靠得更近，金属键又不让它们分开，于是就"卡"在那里了。

液体呢？原子之间的距离和固体差不多，但它们不再固定在晶格位置上，而是可以滑动。水分子之间的平均距离约为0.31纳米，和冰的0.27纳米差不太多。但冰有严格的六边形晶格结构，水没有，水分子可以互相溜达，所以水能流动。

气体就完全不一样了。常温常压下，空气分子之间的平均距离大约是3纳米，是固体和液体的十倍。分子们像一群疯狂乱飞的苍蝇，每秒碰撞数十亿次，但大部分时间都在空无一物的空间里穿梭。这就是为什么空气可以被压缩，而水几乎不能，水分子之间已经"顶"在一起了，没有多少可压缩的余地。

同样是"空空如也"的原子，固体、液体、气体表现得天差地别。这告诉我们，宏观性质不取决于原子本身"实"不"实"，而取决于原子之间的力和排列方式。

有个更极端的例子可以说明这一点：中子星。在中子星内部，引力强到把电子压进了质子里，变成中子。没有了电子云，就没有泡利排斥力，物质可以被压缩到难以想象的密度，一立方厘米的中子星物质重约10亿吨。

这时候，原子"空隙"几乎完全消失了。地球如果被压缩成中子星密度，直径会从12742公里缩小到大约22米，大概一个篮球场那么大。

我们生活在一个被力支撑的世界

1990年代，IBM苏黎世实验室的科学家们用扫描隧道显微镜"看到"了原子，甚至用探针一个一个地把氙原子排成了"IBM"三个字母。

那张照片至今仍是科学史上最震撼的图像之一。但有意思的是，显微镜"看到"的并不是原子本身，而是电子云的边缘，探针尖端和原子电子之间的力。

你以为你看到了"东西"，其实你感受到的只是力。

这种感受无处不在。你敲键盘，感受到的是电磁力。你踩在地上，感受到的是电磁力。你被人拥抱，温暖是红外辐射（本质还是电磁波），压迫感是电磁力。你这辈子从未真正"碰"过任何东西，你所有关于"实体"的经验，都来自原子之间那层薄薄的力的边界。

物理学家费曼说过一句话："如果让我用一句话总结人类最重要的科学知识，我会说：万物都由原子组成。"

但这句话还可以再补一句：而原子之间，全是空和力。