为什么原子是宇宙最伟大的奇迹

原子具有由微小电子轨道运行的巨大带电原子核，原子是如此简单的物体。奇迹般地，它们构成了我们所知道的一切。
不起眼的原子是整个宇宙中最简单的结构之一，它有一个微小的大质量质子和中子核，由更轻的电子轨道运行。
然而，也许我们宇宙最神奇的特性是它允许这些原子的存在，这些原子反过来又构成了一些非常神奇的东西，包括我们。
原子真的是所有存在中最伟大的奇迹吗？在本文结束时，您可能会被说服。
关于我们存在的最显着的事实之一是在2000多年前首次假设的：在某种程度上，我们物质现实的每个部分都可以简化为一系列微小的组成部分，这些组成部分仍然保留着它们重要的个体特征，使它们能够组装起来，构成我们看到、知道、遇到和体验的一切。最初是一个简单的想法，归因于阿卜德拉的德谟克利特，最终会发展成为宇宙的原子论观点。
虽然希腊语的字面意思是“ἄτομος”——意思是“不可切割的”——并不完全适用于原子，因为它们是由质子、中子和电子组成的，但任何“分裂”原子的尝试都会进一步导致它失去它的本质：事实上它是元素周期表上的某个特定元素。这是允许它建立存在于我们观察到的现实中的所有复杂结构的基本属性：其原子核中包含的质子数量。
原子是如此小的东西，如果你要计算一个人体内所包含的原子总数，你必须数到1028：左右。是整个可见宇宙中恒星数量的一百万倍以上。然而，我们自己是由原子构成的事实，也许是整个宇宙中最伟大的奇迹。

无论是在原子、分子还是离子中，电子从较高能级到较低能级的跃迁将导致以基本常数定义的非常特定波长的辐射发射。如果这些常数发生了变化，那么整个宇宙中原子的性质也会发生变化。
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这是一个简单的事实，即不起眼的原子是我们在宇宙中已知的所有物质的核心，从普通的氢气到人类，行星，恒星等等。我们宇宙中由正常物质组成的一切——无论是固体、液体还是气体——都是由原子组成的。即使是在非常高能量条件下或在星系际空间稀疏深处发现的等离子体，也只是被剥夺了一个或多个电子的原子。原子本身是非常简单的实体，但即使具有如此简单的属性，它们也可以组装成真正令人难以置信的复杂组合。
原子的行为确实非常了不起。请考虑以下事项。
它们由一个小的，巨大的，带正电的原子核组成，并由一个大的，低质量的，带负电荷的电子弥漫云绕行。
当你将它们彼此靠近时，原子会相互极化并吸引，导致它们要么共享电子（共价），要么一个原子从另一个原子上吸走一个或多个电子（离子）。
当多个原子结合在一起时，它们可以产生分子（共价）或盐（离子），这可以像只有两个原子结合在一起一样简单，也可以像将数百万个原子结合在一起一样复杂。

分子，物质粒子连接成复杂构型的例子，获得它们的形状和结构，主要是由于存在于它们的组成原子和电子之间的电磁力。可以创建的结构种类几乎是无限的。
学分：丹尼斯马吉洛夫
理解原子如何相互作用有两个关键。
了解每个原子都是由带电成分组成的：一个带正电的原子核和一系列带负电的电子。即使电荷是静态的，它们也会产生电场，每当电荷运动时，它们也会产生磁场。结果，存在的每个原子在进入电场存在时都会变得极化，而每个存在的原子在暴露于磁场时都会被磁化。
此外，理解围绕原子轨道上的电子将占据最低的可用能级。虽然电子可以位于原子核约0.1纳米（或多或少）的空间内的任何位置，但就能量而言，它只能占据一组特定的值，这是量子力学规则所规定的。这些与能级相关的电子可能被发现的分布也由量子力学的规则决定，并遵循特定的概率分布，对于每种类型的原子，任何任意数量的电子都绑定在一起，这是唯一的可计算的。

对应于氢原子内不同状态的能级和电子波函数，尽管所有原子的构型都非常相似。能级以普朗克常数的倍数量化，但轨道和原子的大小由基态能量和电子质量决定。由于泡利不相容原理，只有两个电子，一个向上旋转，一个向下旋转，可以占据这些能级中的每一个，而其他电子必须占据更高，更庞大的轨道。当你从较高的能级下降到较低的能级时，如果你只发射一个光子，你必须改变你所处的轨道类型，否则你将违反某些无法打破的守恒定律。
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对于一个非常好的近似值，宇宙中物质的这种观点：
它是由原子组成的，
周围有一个重的带正电荷的原子核和轻的负电荷，
响应电场极化，响应磁场磁化，
可以与其他原子交换（离子）或共享（共价）电子，
形成键，引起极化和磁化，并影响它们周围的其他原子，
几乎可以解释我们熟悉的日常生活中的一切。
原子彼此组装形成分子：原子的束缚状态以几乎无数组的配置折叠在一起，然后可以以各种方式相互作用。将大量的氨基酸连接在一起，你得到一种蛋白质，能够执行许多重要的生化功能。在蛋白质上添加一个离子，你会得到一种酶，能够改变各种分子的键结构。
如果你以正确的顺序构建一条核酸链，你既可以编码任意数量的蛋白质和酶的构建，也可以复制你自己。通过正确的配置，一组组装的原子将组成一个活的有机体。

虽然人类是由细胞组成的，但在更基本的层面上，我们是由原子组成的。总而言之，人体中有接近~10^28个原子，按数量计算主要是氢，但按质量计算主要是氧和碳。
学分：吉姆·马什在 RationalDiscoveryBlog.com
如果有一天人类的所有知识都在某个大灾难中被消灭，但仍有聪明的幸存者留下来，简单地将原子知识传授给他们将大大有助于他们不仅理解周围的世界，而且开始重建物理定律和全套物质行为的道路。
原子的知识将很快导致元素周期表的重建。在微观世界中存在“有趣”事物的知识将导致细胞，细胞器，然后分子及其原子成分的发现。分子之间的化学反应以及相关的构型变化将导致如何储存能量以及如何释放能量的发现，无论是生物上还是无机上。
人类文明花了数十万年才实现的目标可以在人类的一生中重新发现，并且当放射性或光与物质之间的相互作用可能性等特性被发现时，将带来更多迷人的暗示。

元素周期表按原样排序（以行状周期和列状组为单位），因为自由/占用价电子的数量是确定每个原子化学性质的第一因素。原子可以连接起来形成种类繁多的分子，但每个原子的电子结构主要决定了哪些配置是可能的、可能的和能量上有利的。
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但原子也足以让我们超越这种道尔顿式的世界观。发现原子可能彼此具有不同的质量，但仍能保留其元素特性，这不仅会导致同位素的发现，而且有助于研究人员发现原子核由两种不同类型的粒子组成：质子（带正电荷）和（不带电）中子。
这比几乎任何人都意识到的要深刻得多，乍一看。在原子核内，有：
两种类型的组分粒子，
彼此几乎但不完全相同的质量，
其中较轻的带正电荷，较重的带中性电荷，
并且完整的原子核由电子绕行：具有质子具有相等和相反电荷的粒子，并且质量小于原子核内质子和中子之间的质量差。
在哪里，如果你服用一个自由质子，它会很稳定。
如果你拿一个自由电子，它也将是稳定的。
然后，如果你拿一个自由中子，它不会稳定，但会衰变成质子、电子和（也许）第三个中性粒子。

大质量原子核中核β衰变的示意图。β衰变是通过弱相互作用进行的衰变，将中子转化为质子，电子和反电子中微子。在中微子被知道或探测到之前，能量和动量似乎在β衰变中都不守恒;沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）提出存在一种新的、微小的中性粒子。
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这个小小的领悟，突然之间，会教会你很多关于实相的基本本质。
首先，它会立即告诉你，质子和/或中子之间一定存在一些比电磁力额外的力。例如，氘的存在（具有1个质子和1个中子的氢同位素）告诉我们质子和中子之间存在某种吸引力，并且不能用电磁力（因为中子是中性的）或重力（因为引力太弱而无法解释这种结合）来解释。必须存在某种核约束力。
这种力必须至少在某个小距离范围内，能够克服同一原子核内质子之间的静电排斥：换句话说，它必须是一种更强的核力，甚至比两个质子之间的排斥力（本身相当强）还要强。因为没有完全由两个（或多个）质子组成的稳定原子核，所以中子必须在原子核的稳定性中发挥作用。
換句話說，只要發現原子核包含質子和中子，強核力的存在 - 或非常類似的東西 - 就成為必要的。

单个质子和中子可能是无色实体，但它们中的夸克是有色的。胶子不仅可以在质子或中子内的单个胶子之间交换，还可以在质子和中子之间的组合中交换，从而导致核结合。但是，每个交易所都必须遵守全套量子规则。
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此外，一旦以下任一：
发现自由中子可以衰变，
或发现放射性β衰变，
或者发现恒星的核心是由核聚变驱动的，
这意味着除了重力、电磁力和强核力之外，还有第四种基本相互作用的存在：我们称之为弱核力。
不知何故，必须发生某种相互作用，允许人们吸收多个质子，将它们融合在一起，然后让它转化为比原来的两个质子质量更小的状态，其中一个质子至少转化为中子和正电子（反电子），并且能量和动量仍然守恒。将一种类型的粒子转换为另一种不同于“其各部分的总和”或“创造等量的物质和反物质”的能力是其他三种相互作用都无法容纳的。仅仅通过研究原子，就可以推断出弱核力的存在。

质子-质子链最直接和最低能量的版本，它从最初的氢燃料中产生氦-4。请注意，只有氘和质子的融合才会从氢中产生氦;所有其他反应要么产生氢气，要么从氦的其他同位素中产生氦气。
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为了拥有一个拥有多种原子的宇宙，我们需要我们的现实表现出一组特定的属性。
质子和中子的质量必须非常接近：如此接近，以至于质子和中子在一起的束缚态 - 即氘子 - 的质量必须低于两个质子。
电子的质量必须小于质子和中子之间的质量差，否则中子将是完全稳定的。
此外，电子必须比质子或中子轻得多。如果它的质量相当，原子不仅会小得多（以及由原子构建的所有相关结构），而且电子将在原子核内花费大量时间，以至于质子与电子融合产生中子的自发反应将是快速和可能的，并且即使在室温条件下，附近的原子也会自发融合在一起。（我们在实验室制造的μ子氢中看到了这一点。
最后，恒星获得的能量必须足以让恒星内部的原子核发生核聚变，但不能说越来越重的原子核总是更稳定，否则我们最终会得到一个充满超重、超大原子核的宇宙。
一个富含各种原子但以氢为主的宇宙的存在需要所有这些因素。

一颗非常大质量恒星在其整个生命周期中的解剖结构，当核心耗尽核燃料时，最终形成II型超新星。聚变的最后阶段通常是硅燃烧，在超新星出现之前，在核心中产生铁和类铁元素的时间很短。在整个宇宙中发现的许多元素，包括铁，硅，硫，钴，镍等，主要是在像这样的大质量恒星的核心内部产生的。
学分：Nicolle Rager Fuller/NSF
如果一个来自另一个宇宙的智慧生物第一次遇到我们和我们的现实，也许我们想要让他们意识到的第一件事就是这个事实：我们是由原子组成的。在这个宇宙中由物质组成的每样东西中，都有微小的实体——原子——它们仍然保留着只属于特定原子物种的基本特征。你可以改变这些原子内部原子核的重量，但仍然得到相同类型的原子，但如果你改变它们的电荷，你会得到一个完全不同的原子。并且这些原子都由精确平衡原子核内正电荷所需的带负电荷的电子数量绕行。
通过观察这些原子的行为和相互作用，我们可以了解从中出现的几乎所有分子和宏观现象。通过观察这些原子的内部成分以及它们如何组装自己，我们可以了解作为我们现实基础的基本粒子、力和相互作用。如果在后世界末日世界中，只有一条信息可以传递给幸存的一群人类，那么可能没有一条信息比我们都是由原子组成的这一事实更有价值。从某种意义上说，它是与我们宇宙有关的所有属性中最神奇的属性。