问题

物质的性质是否一定来自于结构,或者说是否存在物质其没有任何结构,但仍存在性质?

回答
这个问题触及到了物质的本质,也是物理学和哲学上一个非常古老且深刻的探讨。简而言之,物质的性质几乎可以说是结构决定的,并且很难想象一个“没有任何结构”的物质能够展现出任何性质。 让我们来详细剖析一下。

首先,我们需要定义一下“结构”和“性质”。

结构 (Structure):

在讨论物质时,“结构”可以是一个非常广泛的概念。它可以指:

宏观结构: 物质的形状、大小、密度、排列方式,例如晶体的格子结构、液体的流动性、气体的扩散性。
微观结构: 构成物质的基本粒子(原子、分子、离子)的种类、它们之间的化学键类型(离子键、共价键、金属键、范德华力)、它们的空间排布、它们与周围环境的相互作用方式。
量子结构: 构成物质的粒子(如电子、质子、中子)本身的内禀属性,例如它们的电荷、质量、自旋、以及它们在原子核内的排列方式。更进一步,即使是基本粒子本身,也可以被认为具有某种“内部结构”,尽管我们目前的理解可能还不够深入(比如夸克模型)。

性质 (Property):

物质的性质是指它在受到外部刺激或与环境相互作用时所表现出的特征或行为。这些性质可以是:

物理性质: 颜色、气味、导电性、导热性、硬度、熔点、沸点、密度、磁性、光学性质(折射率、反射率)等等。
化学性质: 反应性、氧化性、还原性、酸碱性、稳定性等等。
机械性质: 强度、韧性、弹性、塑性等等。

结构与性质的必然联系:

核心观点是,物质的性质,无论是宏观的还是微观的,都源于其构成单元的种类、数量、排列方式以及它们之间相互作用的模式,而这一切构成了物质的“结构”。

我们可以从几个层面来理解这种联系:

1. 基本粒子层面: 即使是构成物质的最基本单元,比如电子、夸克,它们本身也拥有内禀的“结构”或说是“属性”。例如,电子的电荷、质量、自旋是它的基本性质,这些性质直接决定了它如何与电磁场相互作用,如何参与化学键的形成。如果电子没有这些“内在属性”(可以视为一种最基础的结构),它就无法形成原子,更不可能形成分子。

2. 原子和分子层面:
原子: 原子的性质(如化学反应性、原子半径、电离能)很大程度上取决于其原子核的质子数(决定了元素种类)以及电子的排布(壳层结构、价电子数)。不同的电子排布导致了元素周期表中元素的周期性性质。例如,钠原子最外层有一个容易失去的电子,这使得它具有强烈的化学活性,容易形成带正电的钠离子。而氯原子则有一个倾向于获取电子的电子排布,使其具有强烈的氧化性。
分子: 分子是由原子通过化学键连接而成的。化学键的类型(离子键、共价键、金属键)和分子的三维空间构型(分子结构)直接决定了分子的性质。例如,水的分子呈V字形,氧原子带部分负电荷,氢原子带部分正电荷,这种极性使得水具有很高的表面张力、良好的溶解性以及形成氢键的能力,这些都是其“结构”赋予的“性质”。相比之下,甲烷(CH4)分子呈四面体结构,键是极性的,但整个分子是相对对称的,整体表现为非极性分子,因此在性质上与水有很大差异。

3. 宏观层面:
晶体与非晶体: 相同化学组成的物质,其宏观性质可以截然不同,这很大程度上取决于其微观结构的差异。例如,金刚石(碳的晶体)和石墨(碳的另一种晶体)都是由碳原子构成,但它们的原子排列方式(晶体结构)不同,导致了它们性质的天壤之别:金刚石极硬、绝缘;石墨很软、导电。非晶体(如玻璃)由于其原子排列无序,其性质也与晶体有很大不同。
合金: 不同的合金(如钢和纯铁)由于其原子在金属格子中的排列和掺杂了其他元素,表现出不同的强度、硬度和韧性。

是否存在“没有任何结构”但仍存在性质的物质?

从我们目前的科学理解来看,答案是否定的。

“没有任何结构”可能意味着:

没有基本粒子: 如果没有构成物质的基本粒子,那么就不存在相互作用,也就没有性质。
没有粒子之间的排列或相互作用: 即使有粒子,如果它们完全孤立,没有任何排列、结合或相互作用,那么它们也无法展现出我们通常所说的“性质”。性质往往是在与环境的互动中体现出来的。例如,一个孤立的电子,它有质量、有电荷、有自旋,这可以说是它的“内禀性质”,但这些内禀性质本身也是基于它存在的“某种内在的、量子化的结构”。
完全随机、无序到极致: 即使是量子真空,也充满了涨落,并不能说它是“没有任何结构”。而我们接触到的宏观物质,无一例外地遵循着某种程度的有序性或无序性,而这种有序或无序本身就是一种结构。

可能的哲学或概念上的讨论:

或许可以从非常抽象的哲学角度去探讨:

“空”或“虚无”: 如果我们将“虚无”定义为“不存在任何东西,包括结构和性质”,那么它当然不存在任何性质。
“纯粹的数学对象”: 一个纯粹的数学概念,比如数字“3”,它没有物理意义上的结构,但它有一个“性质”,那就是它是奇数、素数等等。但这属于数学领域,而非物理物质。

在物理学领域,任何我们能观测到的“物质”或“能量”都必然具有某种我们能够描述的“结构”,无论这种结构是粒子本身的内禀属性、粒子间的排列组合,还是它们所处的场(如电磁场、引力场)。这些结构是其性质的根源。

总结一下,物质的性质,无论从哪个层面看,都是其结构决定的。没有结构,就没有我们能够理解和描述的性质。你可以把它想象成一副骨架(结构),而性质则是这副骨架能够做出的动作和表现出的特征。没有骨架,什么动作也做不了,什么特征也展现不出来。

网友意见

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我不是学物理学的,但是其实有个古代的哲学定义非常接近这个看法。

这就是“质料”(matter)。质料就被定义为是自身不具有“形式”(结构),但却能够赋予"形式"以“可感性”(sensible)的东西。

所以问题其实是……什么是“物质”。

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现代统计物理表明,微观结构往往不重要。物质的很多性质只取决于对称性,拓扑,维数,等等。

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