科学的进步只能通过探寻物质结构吗？

很多人认为科学的进步是通过发现物质结构，因此认为科学家应该研究和探索物质世界。但是，现代科学研究认为我们在宇宙中看到的天体、星系、行星、恒星、星系团甚至整个宇宙都是由物质组成的。因此，对这些物质的研究和探索将帮助我们理解整个宇宙的结构和起源。

这种说法乍一看很有道理，但是在最近发表的一篇论文中，来自剑桥大学天体物理学团队的研究人员提出了一种新的观点。该团队从一些非常古老的元素中发现了原子结构，并提出了一个新的科学问题：科学家可以通过寻找物质结构来推动科学进步吗？这个问题听起来很简单，但是作者提出了一个深刻而又复杂的想法。

一、物质世界可以揭示原子结构吗？

为了了解宇宙中原子结构的起源，作者首先需要了解原子结构。因为我们所知道的所有物质都是由原子组成的。原子是分子、原子团或分子的基本单位。目前，科学家已经确定了约120种化学元素。但是，有哪些元素可能存在不同的原子结构呢？

该团队采用了一种非常特别的方法——对古代元素的分析，其方法与地球上观察到的化石十分相似。这些样品是科学家在20世纪初发现和描述的，并且可以追溯到远古时期。通过分析这些元素，该团队发现了不同的原子结构，包括一些较轻且较易分散到物质中。他们发现最重、最难分散的元素是铬、镁和钴等。尽管研究人员使用了不同类型的元素，但他们得出了相同的结论：这些元素是由非常小且非常稳定的分子组成，分子之间有很强的相互作用。

为了解释这一发现，研究人员解释说，铬等元素具有与碳原子相似的化学键，而钴等元素则具有类似于碳原子的化学键，并且会以类似于碳原子的形式存在于较重元素中。因此，铬等元素与碳原子结合在一起，形成了一种非常稳定的化学键。

二、从古老的元素中寻找原子

剑桥大学天体物理学团队的科学家们使用了一种特殊的方法来识别那些已经消失在宇宙中的元素。首先，研究人员从地球上最常见的元素开始：氦，这些元素被认为是地球上存在的最古老的元素之一，所以研究人员从氦开始。

然后，研究人员使用了一种名为X射线荧光光谱（XrD）的仪器，通过它可以测量原子在特定波长下辐射出来的能量。科学家们发现，随着时间的推移，在X射线下观察到的原子中会发生结构变化。这种变化可以从一个原子移动到另一个原子，或者从一种元素移动到另一种元素。

科学家们发现了几种这样的结构变化，包括铁原子中独特的“八边形”（以及其他一些变化）。他们认为这种现象是由于这些元素中原子内部结构的改变引起的。

研究人员说：“当我们研究像铁这样比较普通的元素时，我们会发现它们几乎完全由两种以上的原子组成。但是当我们研究像氦这样比较古老但非常不常见的元素时，我们发现它们中存在着特殊结构。因此我们提出了一个问题：与在地球上发现的其他元素相比，这些元素有什么独特之处？以及这些元素是如何进化成我们现在所知的这个样子的？

1、XrD可能会揭示古老的元素的存在

从原子的角度来看，我们已经知道在宇宙中发现的元素大部分都是由两个或更多个元素组成的。例如，锂是宇宙中已知的最常见的元素，这一点是毫无疑问的。因此，科学家们推测宇宙中其他可能存在更多元素的地方也是如此。

“我们认为，通过 XrD的特殊功能，可以在这些未知领域中进行探索。比如，我们可以研究其他恒星周围元素分布情况。因此，我们正在考虑建立一个具有这种功能的实验阵列。如果这是真的，那么我们将可以推断宇宙中是否存在更多古老的元素。

剑桥大学天体物理学研究小组成员、该小组的主要作者马修·亚历山大（Matthew Alexander）说：“我们正在利用这种技术来研究一些我们以前无法知道、甚至无法想象到的事情。这使得我们可以更好地了解宇宙中元素的起源和进化方式。”“对科学家来说，这是一个非常有趣和令人兴奋的发现！”

2、结构的变化可以说明事物为什么会发生变化

在研究了几十种不同的元素之后，研究人员确定了一些元素的原子结构，例如铁和锂，发现它们与以前被认为是不稳定的元素不同。他们还确定了在其他一些元素中，例如铀和钴，这些元素都是非常稳定的。

研究人员说：“我们现在已经了解到为什么氦是一个非常稳定的元素，而其他元素不是很稳定。我们可以通过找到一些变化来解释这种现象。”

研究人员表示，他们相信这些发现可以帮助人们理解为什么原子会经历结构的变化。“我们在铁中观察到的独特结构以及铁对生命过程的重要性使我们得出结论：“很显然，这种结构变化是有意义的”。

剑桥大学天体物理学团队在《天体物理》杂志上发表了一篇论文，其中描述了他们使用X射线荧光光谱仪观察铁原子中特殊结构变化的方式，并详细说明了这是如何在铁原子中发生的。“我们在这些变化中观察到了什么？它们为什么会发生？它对铁的化学性质有何影响？这一发现表明X射线荧光光谱仪可以用来观察原子中结构变化的过程。”

三、一种可能的解释

研究人员认为，在过去的半个世纪里，科学家们一直在寻找物质结构，但这并没有使科学得到进步。他们得出结论，必须改变这种状况。

对于第一个问题，研究人员认为，当科学家们在实验室中研究原子时，他们其实是在模拟一个非常复杂的宇宙。因为原子核和原子是非常小的物体。只有当他们的工作达到一定程度时，我们才能发现原子或分子是什么样子。换句话说，研究原子是一项非常复杂的工作。

但是，研究人员还指出：“这不是说科学家应该彻底放弃物质结构的发现。相反的是，他们应该开始寻找更多的物质结构，包括在地球上发现的东西。因为他们对物质结构的了解越多，他们就可以更好地理解我们从宇宙中看到和学到的东西。”

此外，还有其他一些因素可以解释为什么科学家们在过去几十年里一直在寻找物质结构。首先是环境因素：在过去几年里，人类活动使大气中的二氧化碳含量增加了近1/3,这是一个非常重要的因素。其次是研究方法：该团队使用了一种名为量子动力学（QD）的新方法来模拟原子和分子之间产生反应所需的能量（这需要数万亿年）。最后一点也是最重要的一点：科学家们已经开始掌握如何利用这些原子结构来更好地理解宇宙中各种事物（比如在整个宇宙中发现原子）的结构。

1、地球上的一切

当研究人员第一次看到他们的发现时，他们的研究对象感到非常惊讶。因为他们从一个非常简单的现象中发现了一个基本问题，这个问题不是科学家们第一次发现。几十年来，这个问题一直困扰着科学家们。该团队认为，新的研究将有助于找到解决这个问题的方法。

当然，这项研究并非没有缺陷。它有可能存在缺陷：由于实验数据是用英语写成的，研究人员不会阅读这些数据，所以他们不知道这些数据的含义。

此外，该团队还表示：“我们发现的所有材料都是非常复杂的，而这个问题必须在一个非常复杂的实验中解决。但是这些研究对象只是我们发现物质结构并与我们现在正在做的事情相匹配。”

该团队希望在未来几年内开始更多地探索地球上存在何种类型的物质结构，以及其内部结构是如何工作的。他们还希望能够利用这种研究方法来理解人类在宇宙中学到的一切东西，以及人类未来将如何利用这些知识。

但他们也希望能够用一种简单而明确的方式来说明物质结构对科学发展有什么作用。对于这个问题，研究人员们认为，他们仍在寻找答案。

2、我们无法观察到的物质结构

如果在未来几年里，我们能探测到更多的物质结构，那么这些结构是否会成为我们的视觉假象呢？或者它们是否会成为一种新的物质形式？研究人员指出，理论上，这些结构可以作为新的科学思想或新的理论。然而，对于这种情况，研究人员建议应该对这些结构进行仔细的研究。研究人员说：“对于这些新发现，我们需要在理论上进行更好的研究。”

最后，研究人员表示：“虽然我们对宇宙有一个非常大和完整的理解，但这并不意味着我们应该满足于此。相反的是，我们应该将注意力集中在我们需要知道的事情上。”他补充说：“这就是为什么当我谈到‘科学’时，我说它包括了我们可以确定‘它是什么’和‘它如何运作’。”

但就目前而言，这种观点还不足以使科学家们放弃对物质结构进行探索。相反的是，该团队正在努力寻找各种不同类型的物质结构，以便更好地理解我们所了解的宇宙中发生的事情。虽然他们还不知道具体是什么东西，但他们希望最终能发现任何一种物质结构。

3、了解我们如何形成我们的宇宙

“我们知道，宇宙是由这些原子和分子组成的，”研究人员说道，“我们现在知道了这些东西的结构。所以如果你想了解你所看到的宇宙是怎么形成的，你必须对它有更好的了解。”

在他们的论文中，研究人员提出了一些解决办法。他们指出，在接下来的30年里，他们希望能够收集到足够多的数据，从而能够绘制出整个宇宙中所有物质结构的图像。因为宇宙是如此复杂和庞大，以至于即使在现在，它也不能被完全理解。所以为了构建宇宙中最大、最复杂和最令人印象深刻的结构之一，科学家们需要不断收集数据、测量和建模。这项工作也将是非常耗时和昂贵的。因此，他们提出了一些新方案来提高研究效率并实现更高的准确性。

该研究人员指出：“我们所看到的宇宙只是整个宇宙中很小一部分，但这并不是全部。因为我们知道还有其他宇宙存在。在每个宇宙中都有更大和更复杂的结构。”

如果没有我们对物质结构研究到如此深、如此复杂和如此令人印象深刻时所获得的信息，科学家们就无法更好地了解我们如何形成宇宙中所有事物是如何形成的。

四、更大的问题

对于该研究，剑桥大学天体物理学教授兼剑桥大学和牛津大学联合实验室的研究员、博士后研究员 Ian Lyngston说：“这个想法有点极端。在研究一种元素的过程中，你真的需要知道这种元素是由什么组成的吗？是通过分析它们的原子结构吗？这似乎并不能真正帮助我们了解宇宙的结构。”

但在研究过程中， Lyngston教授团队在许多元素中发现了新的原子结构，从而推动了研究的发展。

“如果你去寻找这种新发现的原子结构，你就会发现更多这样的结果，” Lyngston教授说，“如果我们能够观察到这些新发现的原子结构，那么你就能理解宇宙是如何开始以及为什么会有这样的结果。但是这些原子结构已经存在了几十年，它们在宇宙中有多普遍？它们是否会长期存在？如果我们可以找到这样的原子结构，那么它们可能会推动我们理解宇宙是如何开始的。”

1、为什么该团队能在如此有限的时间内发现更多新的结构？

Lyngston教授指出，在过去的20年里，人类已经发现了1000多种元素，但仅有200多种元素被确定为存在新的原子结构。所以，这意味着我们在相当长的一段时间内只能观察到有限数量的新的原子结构。

但研究团队相信，他们能够找到更多的原子结构。其原因在于，该团队的研究使用了一个更加完整的证据链。与之前的研究不同，该团队有一个特别的工具来检查和测量原子结构之间可能存在的差异。

“这是我们拥有的最强大、最精确的工具之一，” Lyngston教授说，“这意味着我们可以确定我们发现了什么。这是一种基于观察而不是理论预测或是推测的工具。因此，我们在理论上能够研究新结构，并且在实验上能够验证这一点，这种方法是前所未有的。”

Lyngston教授也指出了其他可能产生这种情况的原因：如果不存在新结构会出现得比预期更快，那么我们可能就会错过更多新结构。他指出：“在过去，当我们发现一些元素时，我们已经错过了一些新结构和新原子。例如，我们曾经有一个观察结果说某些元素存在于宇宙中每一种形式中；但是现在看来它们可能都不存在于宇宙中。因此，这种情况与预期不符。所以这可能是新结构出现得比预期更快或是其他原因导致了这些结果。”

在过去的20年里， Lyngston教授研究了近3000种元素，以观察它们在特定条件下是否会存在新的结构。在研究过程中发现了许多新结构，其中许多是在过去10年里首次被确定为存在于宇宙中。

“我想说的是：如果你看到一些元素家族中不断有新成员出现，那么它可能就不是很普遍了。因此它需要足够多（才能）被发现和确定——你必须找到足够多不同的东西才能观察到它们在特定条件下可能会发生什么。这样才能确保所有元素都有可能被发现和确定为存在于宇宙中。” Lyngston教授说。

2、这些结构是否会长期存在于宇宙中？

在这项新研究中，科学家们发现了一些奇怪的原子结构，它们与标准模型中描述的原子结构非常不同，这表明这种原子结构很可能是全新的。

不过，科学家们也强调，并不是所有发现的原子结构都是新发现的。他们分析了几种元素中出现的特殊原子结构，并在一些元素中发现了这些特定原子结构。

这说明我们需要寻找更多不同种类的原子结构。同时，科学家们也在寻找与其他元素之间的不同之处，这一点也很重要。

Lyngston教授说：“你不可能确定所有原子的化学性质，因为我们对此并不熟悉。我们对不同种类元素之间的化学性质了解得更多，这一点很重要。现在我们知道所有元素都是由氢元素构成的，但是我们对它的其他原子结构却知之甚少。这意味着在某些方面而言，我们其实对它们更加了解一些。”

Lyngston教授是英国国家物理实验室（National Physics Laboratory）天体物理学研究中心（Center for Astrophysical Research）主任，他领导着一个研究团队并负责了一些最重要的实验工作。在 Lyngston教授团队发现了一个独特的原子结构之后，其他科学家也开始关注这个问题。

“目前有许多研究正在进行中，” Lyngston教授说，“但是这些研究结果令人兴奋吗？当然令人兴奋！它们将会揭示宇宙是如何形成的、以及宇宙为什么会开始这样发展的过程。”

3、科学家们未来面临的问题是什么？

Lyngston教授认为，目前科学家们面临的一个关键挑战是，如何在宇宙中搜寻更多的原子结构。目前已知最古老的元素是氦，但在宇宙早期，它是一种比氦更重的元素。

一开始，科学家们认为这些元素的组成可能与它们的原子结构类似。但经过几十年的研究，科学家们发现有些元素已经离我们非常遥远，而且它们只存在于星系中。

“我们需要了解这些元素会长期存在吗？如果它们不会长期存在，那么我们就可以知道它们是什么；但如果它们不会长期存在，那么我们就可以确定这些元素是否和其他元素有一些不同。Lyngston教授指出，尽管目前科学家们还没有发现任何新的原子结构，但在未来一段时间内，如果我们能够找到这些新的原子结构并确认它们在宇宙中的普遍分布程度，那么科学家们可能会找到更多关于宇宙如何起源以及为什么会出现这些新元素的信息。“通过了解更多的原子结构信息，我们就可以建立起宇宙起源以及它如何开始。我们也可以利用这些信息来确定我们是否可以利用它来创造出新物质或新生命。”

但 Lyngston教授表示，要找到更多原子结构并不容易。“这需要花很长时间。因为我们需要用各种方法去分析现有的数据以及收集到数据后可能出现的数据结果。”由于要发现更多的原子结构需要大量的计算和分析数据，而这些计算和分析工作并不是由人类独立完成的。因此这种方式很难实现。“因此这对人类来说是一件好事，但对机器来说就不是那么容易了”。

五、为什么不能发现整个宇宙的物质结构？

在论文中，作者提出了一个问题：为什么我们不能通过寻找物质结构来推动科学进步？

他们发现，即使在遥远的未来，人类也不会有足够的时间去探测整个宇宙的物质结构。要想回答这个问题，我们必须考虑到三个方面的限制：

1.从科学角度看，人类还没有足够的时间去探测宇宙中的所有原子。

2.从技术角度看，目前人类还没有足够的技术去探测物质结构。

3.从心理学角度看，我们现在不会有足够的时间去研究关于宇宙中物质结构的所有问题。

为了回答这个问题，研究人员提出了三个假设：

1.我们不会探测整个宇宙。因为宇宙非常大，它包含了数万亿颗恒星、星系团和星系。对于人类来说，这是一个难以想象和无法实现的目标。

2.我们无法探测所有原子，但我们可以从单个元素开始探索物质结构。

3.在某种程度上，我们可以探测到物质结构，但在特定时刻我们不会探测到它。也就是说，我们只能探测到目前所发现的元素中较大的原子结构，但这些原子结构是不是代表宇宙中所有的原子或整个宇宙？目前还没有答案。

研究人员认为这个假设是合理的。他们说：“当我们发现一个元素时，这就是一个线索。”

“然而当我们了解它是如何产生（原子）时，这就会成为一个难题”他们说。“要想理解物质结构是如何产生并演化得如此之好的原因，我们必须深入研究原子内部。”

作者指出：“这就像读一本关于宇宙起源和演变的书，你必须先了解宇宙如何起源、如何演化才能了解整个宇宙。”所以有一件事是肯定的：如果我们想要了解宇宙中所有元素在最初形成时是如何排列、如何相互连接的，那么我们就必须先对宇宙做一个大概的描述才行。

这篇论文发表在《自然》杂志上，有兴趣的读者可以下载查看完整文章。

六、一些元素被证实含有不同的原子结构

通过与剑桥大学的研究人员合作，剑桥大学天体物理学团队能够在大量元素中发现原子结构。这些元素包括：铁、镁、碳、氧和铝。

研究人员发现，某些元素确实具有不同的原子结构，这表明这些元素之间存在差异。该团队也发现，在20世纪初发现的铁，即使它在当时非常稀少，也具有不同的原子结构。虽然铁的原子核和电子是相同的，但是在铁中电子的排列方式并不相同。

这意味着在铁中有两种不同类型的原子结构。研究人员相信，他们发现了这种差异只是进一步揭示了原子结构背后存在着更多奥秘。

因此，剑桥大学天体物理学团队提出了一个新的问题：科学家是否可以通过观察特定元素中所含的原子结构来推动科学进步？当然，这种想法非常简单，但它仍然具有很大的挑战性。如果一种元素有两种不同类型的原子结构，那么就应该有两种类型的物质来观察和研究：科学家可以观察并记录不同类型的物质吗？

在这里，我们不太可能找到答案。如果没有这种特殊元素，科学家将无法找到具有特定原子结构的物质。这就是为什么这个问题如此复杂和如此重要的原因——它表明科学进步不仅依赖于探索新事物和新领域，而且还依赖于对科学事实和发现进行综合分析和理解。

在科学中，发现新事物需要探索已知事物之外的东西——我们不知道所有事物是否都具有相同物质结构。因此，当科学家试图用已知的事物来解释未知事物时，他们会受到这些未知事物自身所包含的结构规则的限制。

1、物质结构和过程

我们之所以无法观察到一个物质的结构，是因为我们不知道这个物质由什么构成。也就是说，我们不知道构成物质的基本元素是什么——不同类型的原子结构是如何结合在一起的。因此，对物质结构的了解非常有限，这一点毋庸置疑。

通常，我们可以从一个物体的表面来推断它是由什么构成的。这就是物理学中所谓的“表面视觉”。从表面上看，物质似乎具有相同的特征：即物体越大越重，它就越有吸引力。例如，当一艘航空母舰的内部被打开时，我们可以看到内部有很多复杂的管道、电线和设备。

科学家通过观察航空母舰外部并推断内部结构，从而推断内部结构——这与表面视觉相对应。物质也是一样。通过观察物质是否具有特定形状、大小、颜色等特征，科学家可以推断出它是否是由某种物质构成的。

正如我们之前提到的，许多元素都具有相同类型的原子结构，但它们所含的原子结构可能是不同类型的：有些原子可能有更高排列方式——例如在铁中，电子可能被更紧密地排列在一起。我们可以观察到不同类型的原子结构和物质过程，但无法将它们联系起来分析或解释它们背后的结构规则。

2、从更广泛的角度来看，物质结构是科学和技术的基础

如果我们对科学进步的理解仅限于已知的事物，那么我们对科学进步就会非常有限。事实证明，科学进步不仅依赖于探索新事物，还需要对所有事物进行综合分析。

我们可以利用科学来更好地理解自然界，如我们现在使用的计算机。这些计算机的设计是基于其运行的原理，而不是使用单个硬件。当然，有了这些机器，我们能够开发出新的计算机，但这些机器是基于哪种原理设计的呢？

目前尚不清楚。但可以肯定的是：我们需要开发一种新技术来利用这些原理，以及利用新技术来更好地理解我们周围世界中发生的事情。例如，随着 AI和机器学习技术的出现，计算机将越来越多地通过观察周围环境和物体来学习、预测并改变自身行为。

人类可以对新事物进行预测并采取行动。在此过程中，科学家和工程师必须考虑如何将这些规则应用到各种新技术中去，以帮助我们更好地理解自然界及其规律。

七、科学如何证明这些物质结构是正确的？

在宇宙中，许多非常古老的元素是由其原子结构组成的。由于这些元素的原子结构和化学性质非常相似，因此它们很容易被科学家识别并发现。在一个多世纪以来，人们一直在寻找宇宙中所有的原子，但没有找到任何证据来证明原子结构确实存在于物质世界中。

尽管现代科学已经在研究我们宇宙的起源方面取得了一些进展，但是它并没有找到任何证据证明宇宙中所有的元素都是由它们构成的。因为化学性质相似并不能完全解释这些元素之间的化学差异。这就是为什么现代科学无法通过寻找物质结构来推动科学进步。因为如果我们想要探索宇宙中所有的元素，那我们就必须接受它们是不同于我们认识到的元素。