很多人認為科學的進步是通過發現物質結構，因此認為科學家應該研究和探索物質世界。但是，現代科學研究認為我們在宇宙中看到的天體、星系、行星、恆星、星系團甚至整個宇宙都是由物質組成的。因此，對這些物質的研究和探索將幫助我們理解整個宇宙的結構和起源。
這種說法乍一看很有道理，但是在最近發表的一篇論文中，來自劍橋大學天體物理學團隊的研究人員提出了一種新的觀點。該團隊從一些非常古老的元素中發現了原子結構，並提出了一個新的科學問題：科學家可以通過尋找物質結構來推動科學進步嗎？這個問題聽起來很簡單，但是作者提出了一個深刻而又複雜的想法。
一、物質世界可以揭示原子結構嗎？
為了了解宇宙中原子結構的起源，作者首先需要了解原子結構。因為我們所知道的所有物質都是由原子組成的。原子是分子、原子團或分子的基本單位。目前，科學家已經確定了約120種化學元素。但是，有哪些元素可能存在不同的原子結構呢？
該團隊採用了一種非常特別的方法——對古代元素的分析，其方法與地球上觀察到的化石十分相似。這些樣品是科學家在20世紀初發現和描述的，並且可以追溯到遠古時期。通過分析這些元素，該團隊發現了不同的原子結構，包括一些較輕且較易分散到物質中。他們發現最重、最難分散的元素是鉻、鎂和鈷等。儘管研究人員使用了不同類型的元素，但他們得出了相同的結論：這些元素是由非常小且非常穩定的分子組成，分子之間有很強的相互作用。
為了解釋這一發現，研究人員解釋說，鉻等元素具有與碳原子相似的化學鍵，而鈷等元素則具有類似於碳原子的化學鍵，並且會以類似於碳原子的形式存在於較重元素中。因此，鉻等元素與碳原子結合在一起，形成了一種非常穩定的化學鍵。
二、從古老的元素中尋找原子
劍橋大學天體物理學團隊的科學家們使用了一種特殊的方法來識別那些已經消失在宇宙中的元素。首先，研究人員從地球上最常見的元素開始：氦，這些元素被認為是地球上存在的最古老的元素之一，所以研究人員從氦開始。
然後，研究人員使用了一種名為X射線熒光光譜（XrD）的儀器，通過它可以測量原子在特定波長下輻射出來的能量。科學家們發現，隨着時間的推移，在X射線下觀察到的原子中會發生結構變化。這種變化可以從一個原子移動到另一個原子，或者從一種元素移動到另一種元素。
科學家們發現了幾種這樣的結構變化，包括鐵原子中獨特的「八邊形」（以及其他一些變化）。他們認為這種現象是由於這些元素中原子內部結構的改變引起的。
研究人員說：「當我們研究像鐵這樣比較普通的元素時，我們會發現它們幾乎完全由兩種以上的原子組成。但是當我們研究像氦這樣比較古老但非常不常見的元素時，我們發現它們中存在着特殊結構。因此我們提出了一個問題：與在地球上發現的其他元素相比，這些元素有什麼獨特之處？以及這些元素是如何進化成我們現在所知的這個樣子的？
1、XrD可能會揭示古老的元素的存在
從原子的角度來看，我們已經知道在宇宙中發現的元素大部分都是由兩個或更多個元素組成的。例如，鋰是宇宙中已知的最常見的元素，這一點是毫無疑問的。因此，科學家們推測宇宙中其他可能存在更多元素的地方也是如此。
「我們認為，通過 XrD的特殊功能，可以在這些未知領域中進行探索。比如，我們可以研究其他恆星周圍元素分佈情況。因此，我們正在考慮建立一個具有這種功能的實驗陣列。如果這是真的，那麼我們將可以推斷宇宙中是否存在更多古老的元素。
劍橋大學天體物理學研究小組成員、該小組的主要作者馬修·亞歷山大（Matthew Alexander）說：「我們正在利用這種技術來研究一些我們以前無法知道、甚至無法想像到的事情。這使得我們可以更好地了解宇宙中元素的起源和進化方式。」「對科學家來說，這是一個非常有趣和令人興奮的發現！」
2、結構的變化可以說明事物為什麼會發生變化
在研究了幾十種不同的元素之後，研究人員確定了一些元素的原子結構，例如鐵和鋰，發現它們與以前被認為是不穩定的元素不同。他們還確定了在其他一些元素中，例如鈾和鈷，這些元素都是非常穩定的。
研究人員說：「我們現在已經了解到為什麼氦是一個非常穩定的元素，而其他元素不是很穩定。我們可以通過找到一些變化來解釋這種現象。」
研究人員表示，他們相信這些發現可以幫助人們理解為什麼原子會經歷結構的變化。「我們在鐵中觀察到的獨特結構以及鐵對生命過程的重要性使我們得出結論：「很顯然，這種結構變化是有意義的」。
劍橋大學天體物理學團隊在《天體物理》雜誌上發表了一篇論文，其中描述了他們使用X射線熒光光譜儀觀察鐵原子中特殊結構變化的方式，並詳細說明了這是如何在鐵原子中發生的。「我們在這些變化中觀察到了什麼？它們為什麼會發生？它對鐵的化學性質有何影響？這一發現表明X射線熒光光譜儀可以用來觀察原子中結構變化的過程。」
三、一種可能的解釋
研究人員認為，在過去的半個世紀里，科學家們一直在尋找物質結構，但這並沒有使科學得到進步。他們得出結論，必須改變這種狀況。
對於第一個問題，研究人員認為，當科學家們在實驗室中研究原子時，他們其實是在模擬一個非常複雜的宇宙。因為原子核和原子是非常小的物體。只有當他們的工作達到一定程度時，我們才能發現原子或分子是什麼樣子。換句話說，研究原子是一項非常複雜的工作。
但是，研究人員還指出：「這不是說科學家應該徹底放棄物質結構的發現。相反的是，他們應該開始尋找更多的物質結構，包括在地球上發現的東西。因為他們對物質結構的了解越多，他們就可以更好地理解我們從宇宙中看到和學到的東西。」
此外，還有其他一些因素可以解釋為什麼科學家們在過去幾十年里一直在尋找物質結構。首先是環境因素：在過去幾年裡，人類活動使大氣中的二氧化碳含量增加了近1/3,這是一個非常重要的因素。其次是研究方法：該團隊使用了一種名為量子動力學（QD）的新方法來模擬原子和分子之間產生反應所需的能量（這需要數萬億年）。最後一點也是最重要的一點：科學家們已經開始掌握如何利用這些原子結構來更好地理解宇宙中各種事物（比如在整個宇宙中發現原子）的結構。
1、地球上的一切
當研究人員第一次看到他們的發現時，他們的研究對象感到非常驚訝。因為他們從一個非常簡單的現象中發現了一個基本問題，這個問題不是科學家們第一次發現。幾十年來，這個問題一直困擾着科學家們。該團隊認為，新的研究將有助於找到解決這個問題的方法。
當然，這項研究並非沒有缺陷。它有可能存在缺陷：由於實驗數據是用英語寫成的，研究人員不會閱讀這些數據，所以他們不知道這些數據的含義。
此外，該團隊還表示：「我們發現的所有材料都是非常複雜的，而這個問題必須在一個非常複雜的實驗中解決。但是這些研究對象只是我們發現物質結構並與我們現在正在做的事情相匹配。」
該團隊希望在未來幾年內開始更多地探索地球上存在何種類型的物質結構，以及其內部結構是如何工作的。他們還希望能夠利用這種研究方法來理解人類在宇宙中學到的一切東西，以及人類未來將如何利用這些知識。
但他們也希望能夠用一種簡單而明確的方式來說明物質結構對科學發展有什麼作用。對於這個問題，研究人員們認為，他們仍在尋找答案。
2、我們無法觀察到的物質結構
如果在未來幾年裡，我們能探測到更多的物質結構，那麼這些結構是否會成為我們的視覺假象呢？或者它們是否會成為一種新的物質形式？研究人員指出，理論上，這些結構可以作為新的科學思想或新的理論。然而，對於這種情況，研究人員建議應該對這些結構進行仔細的研究。研究人員說：「對於這些新發現，我們需要在理論上進行更好的研究。」
最後，研究人員表示：「雖然我們對宇宙有一個非常大和完整的理解，但這並不意味着我們應該滿足於此。相反的是，我們應該將注意力集中在我們需要知道的事情上。」他補充說：「這就是為什麼當我談到『科學』時，我說它包括了我們可以確定『它是什麼』和『它如何運作』。」
但就目前而言，這種觀點還不足以使科學家們放棄對物質結構進行探索。相反的是，該團隊正在努力尋找各種不同類型的物質結構，以便更好地理解我們所了解的宇宙中發生的事情。雖然他們還不知道具體是什麼東西，但他們希望最終能發現任何一種物質結構。
3、了解我們如何形成我們的宇宙
「我們知道，宇宙是由這些原子和分子組成的，」研究人員說道，「我們現在知道了這些東西的結構。所以如果你想了解你所看到的宇宙是怎麼形成的，你必須對它有更好的了解。」
在他們的論文中，研究人員提出了一些解決辦法。他們指出，在接下來的30年里，他們希望能夠收集到足夠多的數據，從而能夠繪製出整個宇宙中所有物質結構的圖像。因為宇宙是如此複雜和龐大，以至於即使在現在，它也不能被完全理解。所以為了構建宇宙中最大、最複雜和最令人印象深刻的結構之一，科學家們需要不斷收集數據、測量和建模。這項工作也將是非常耗時和昂貴的。因此，他們提出了一些新方案來提高研究效率並實現更高的準確性。
該研究人員指出：「我們所看到的宇宙只是整個宇宙中很小一部分，但這並不是全部。因為我們知道還有其他宇宙存在。在每個宇宙中都有更大和更複雜的結構。」
如果沒有我們對物質結構研究到如此深、如此複雜和如此令人印象深刻時所獲得的信息，科學家們就無法更好地了解我們如何形成宇宙中所有事物是如何形成的。
四、更大的問題
對於該研究，劍橋大學天體物理學教授兼劍橋大學和牛津大學聯合實驗室的研究員、博士後研究員 Ian Lyngston說：「這個想法有點極端。在研究一種元素的過程中，你真的需要知道這種元素是由什麼組成的嗎？是通過分析它們的原子結構嗎？這似乎並不能真正幫助我們了解宇宙的結構。」
但在研究過程中， Lyngston教授團隊在許多元素中發現了新的原子結構，從而推動了研究的發展。
「如果你去尋找這種新發現的原子結構，你就會發現更多這樣的結果，」 Lyngston教授說，「如果我們能夠觀察到這些新發現的原子結構，那麼你就能理解宇宙是如何開始以及為什麼會有這樣的結果。但是這些原子結構已經存在了幾十年，它們在宇宙中有多普遍？它們是否會長期存在？如果我們可以找到這樣的原子結構，那麼它們可能會推動我們理解宇宙是如何開始的。」
1、為什麼該團隊能在如此有限的時間內發現更多新的結構？
Lyngston教授指出，在過去的20年里，人類已經發現了1000多種元素，但僅有200多種元素被確定為存在新的原子結構。所以，這意味着我們在相當長的一段時間內只能觀察到有限數量的新的原子結構。
但研究團隊相信，他們能夠找到更多的原子結構。其原因在於，該團隊的研究使用了一個更加完整的證據鏈。與之前的研究不同，該團隊有一個特別的工具來檢查和測量原子結構之間可能存在的差異。
「這是我們擁有的最強大、最精確的工具之一，」 Lyngston教授說，「這意味着我們可以確定我們發現了什麼。這是一種基於觀察而不是理論預測或是推測的工具。因此，我們在理論上能夠研究新結構，並且在實驗上能夠驗證這一點，這種方法是前所未有的。」
Lyngston教授也指出了其他可能產生這種情況的原因：如果不存在新結構會出現得比預期更快，那麼我們可能就會錯過更多新結構。他指出：「在過去，當我們發現一些元素時，我們已經錯過了一些新結構和新原子。例如，我們曾經有一個觀察結果說某些元素存在於宇宙中每一種形式中；但是現在看來它們可能都不存在於宇宙中。因此，這種情況與預期不符。所以這可能是新結構出現得比預期更快或是其他原因導致了這些結果。」
在過去的20年里， Lyngston教授研究了近3000種元素，以觀察它們在特定條件下是否會存在新的結構。在研究過程中發現了許多新結構，其中許多是在過去10年里首次被確定為存在於宇宙中。
「我想說的是：如果你看到一些元素家族中不斷有新成員出現，那麼它可能就不是很普遍了。因此它需要足夠多（才能）被發現和確定——你必須找到足夠多不同的東西才能觀察到它們在特定條件下可能會發生什麼。這樣才能確保所有元素都有可能被發現和確定為存在於宇宙中。」 Lyngston教授說。
2、這些結構是否會長期存在於宇宙中？
在這項新研究中，科學家們發現了一些奇怪的原子結構，它們與標準模型中描述的原子結構非常不同，這表明這種原子結構很可能是全新的。
不過，科學家們也強調，並不是所有發現的原子結構都是新發現的。他們分析了幾種元素中出現的特殊原子結構，並在一些元素中發現了這些特定原子結構。
這說明我們需要尋找更多不同種類的原子結構。同時，科學家們也在尋找與其他元素之間的不同之處，這一點也很重要。
Lyngston教授說：「你不可能確定所有原子的化學性質，因為我們對此並不熟悉。我們對不同種類元素之間的化學性質了解得更多，這一點很重要。現在我們知道所有元素都是由氫元素構成的，但是我們對它的其他原子結構卻知之甚少。這意味着在某些方面而言，我們其實對它們更加了解一些。」
Lyngston教授是英國國家物理實驗室（National Physics Laboratory）天體物理學研究中心（Center for Astrophysical Research）主任，他領導着一個研究團隊並負責了一些最重要的實驗工作。在 Lyngston教授團隊發現了一個獨特的原子結構之後，其他科學家也開始關注這個問題。
「目前有許多研究正在進行中，」 Lyngston教授說，「但是這些研究結果令人興奮嗎？當然令人興奮！它們將會揭示宇宙是如何形成的、以及宇宙為什麼會開始這樣發展的過程。」
3、科學家們未來面臨的問題是什麼？
Lyngston教授認為，目前科學家們面臨的一個關鍵挑戰是，如何在宇宙中搜尋更多的原子結構。目前已知最古老的元素是氦，但在宇宙早期，它是一種比氦更重的元素。
一開始，科學家們認為這些元素的組成可能與它們的原子結構類似。但經過幾十年的研究，科學家們發現有些元素已經離我們非常遙遠，而且它們只存在於星系中。
「我們需要了解這些元素會長期存在嗎？如果它們不會長期存在，那麼我們就可以知道它們是什麼；但如果它們不會長期存在，那麼我們就可以確定這些元素是否和其他元素有一些不同。Lyngston教授指出，儘管目前科學家們還沒有發現任何新的原子結構，但在未來一段時間內，如果我們能夠找到這些新的原子結構並確認它們在宇宙中的普遍分佈程度，那麼科學家們可能會找到更多關於宇宙如何起源以及為什麼會出現這些新元素的信息。「通過了解更多的原子結構信息，我們就可以建立起宇宙起源以及它如何開始。我們也可以利用這些信息來確定我們是否可以利用它來創造出新物質或新生命。」
但 Lyngston教授表示，要找到更多原子結構並不容易。「這需要花很長時間。因為我們需要用各種方法去分析現有的數據以及收集到數據後可能出現的數據結果。」由於要發現更多的原子結構需要大量的計算和分析數據，而這些計算和分析工作並不是由人類獨立完成的。因此這種方式很難實現。「因此這對人類來說是一件好事，但對機器來說就不是那麼容易了」。
五、為什麼不能發現整個宇宙的物質結構？
在論文中，作者提出了一個問題：為什麼我們不能通過尋找物質結構來推動科學進步？
他們發現，即使在遙遠的未來，人類也不會有足夠的時間去探測整個宇宙的物質結構。要想回答這個問題，我們必須考慮到三個方面的限制：
1.從科學角度看，人類還沒有足夠的時間去探測宇宙中的所有原子。
2.從技術角度看，目前人類還沒有足夠的技術去探測物質結構。
3.從心理學角度看，我們現在不會有足夠的時間去研究關於宇宙中物質結構的所有問題。
為了回答這個問題，研究人員提出了三個假設：
1.我們不會探測整個宇宙。因為宇宙非常大，它包含了數萬億顆恆星、星系團和星系。對於人類來說，這是一個難以想像和無法實現的目標。
2.我們無法探測所有原子，但我們可以從單個元素開始探索物質結構。
3.在某種程度上，我們可以探測到物質結構，但在特定時刻我們不會探測到它。也就是說，我們只能探測到目前所發現的元素中較大的原子結構，但這些原子結構是不是代表宇宙中所有的原子或整個宇宙？目前還沒有答案。
研究人員認為這個假設是合理的。他們說：「當我們發現一個元素時，這就是一個線索。」
「然而當我們了解它是如何產生（原子）時，這就會成為一個難題」他們說。「要想理解物質結構是如何產生並演化得如此之好的原因，我們必須深入研究原子內部。」
作者指出：「這就像讀一本關於宇宙起源和演變的書，你必須先了解宇宙如何起源、如何演化才能了解整個宇宙。」所以有一件事是肯定的：如果我們想要了解宇宙中所有元素在最初形成時是如何排列、如何相互連接的，那麼我們就必須先對宇宙做一個大概的描述才行。
這篇論文發表在《自然》雜誌上，有興趣的讀者可以下載查看完整文章。
六、一些元素被證實含有不同的原子結構
通過與劍橋大學的研究人員合作，劍橋大學天體物理學團隊能夠在大量元素中發現原子結構。這些元素包括：鐵、鎂、碳、氧和鋁。
研究人員發現，某些元素確實具有不同的原子結構，這表明這些元素之間存在差異。該團隊也發現，在20世紀初發現的鐵，即使它在當時非常稀少，也具有不同的原子結構。雖然鐵的原子核和電子是相同的，但是在鐵中電子的排列方式並不相同。
這意味着在鐵中有兩種不同類型的原子結構。研究人員相信，他們發現了這種差異只是進一步揭示了原子結構背後存在着更多奧秘。
因此，劍橋大學天體物理學團隊提出了一個新的問題：科學家是否可以通過觀察特定元素中所含的原子結構來推動科學進步？當然，這種想法非常簡單，但它仍然具有很大的挑戰性。如果一種元素有兩種不同類型的原子結構，那麼就應該有兩種類型的物質來觀察和研究：科學家可以觀察並記錄不同類型的物質嗎？
在這裡，我們不太可能找到答案。如果沒有這種特殊元素，科學家將無法找到具有特定原子結構的物質。這就是為什麼這個問題如此複雜和如此重要的原因——它表明科學進步不僅依賴於探索新事物和新領域，而且還依賴於對科學事實和發現進行綜合分析和理解。
在科學中，發現新事物需要探索已知事物之外的東西——我們不知道所有事物是否都具有相同物質結構。因此，當科學家試圖用已知的事物來解釋未知事物時，他們會受到這些未知事物自身所包含的結構規則的限制。
1、物質結構和過程
我們之所以無法觀察到一個物質的結構，是因為我們不知道這個物質由什麼構成。也就是說，我們不知道構成物質的基本元素是什麼——不同類型的原子結構是如何結合在一起的。因此，對物質結構的了解非常有限，這一點毋庸置疑。
通常，我們可以從一個物體的表面來推斷它是由什麼構成的。這就是物理學中所謂的「表面視覺」。從表面上看，物質似乎具有相同的特徵：即物體越大越重，它就越有吸引力。例如，當一艘航空母艦的內部被打開時，我們可以看到內部有很多複雜的管道、電線和設備。
科學家通過觀察航空母艦外部並推斷內部結構，從而推斷內部結構——這與表面視覺相對應。物質也是一樣。通過觀察物質是否具有特定形狀、大小、顏色等特徵，科學家可以推斷出它是否是由某種物質構成的。
正如我們之前提到的，許多元素都具有相同類型的原子結構，但它們所含的原子結構可能是不同類型的：有些原子可能有更高排列方式——例如在鐵中，電子可能被更緊密地排列在一起。我們可以觀察到不同類型的原子結構和物質過程，但無法將它們聯繫起來分析或解釋它們背後的結構規則。
2、從更廣泛的角度來看，物質結構是科學和技術的基礎
如果我們對科學進步的理解僅限於已知的事物，那麼我們對科學進步就會非常有限。事實證明，科學進步不僅依賴於探索新事物，還需要對所有事物進行綜合分析。
我們可以利用科學來更好地理解自然界，如我們現在使用的計算機。這些計算機的設計是基於其運行的原理，而不是使用單個硬件。當然，有了這些機器，我們能夠開發出新的計算機，但這些機器是基於哪種原理設計的呢？
目前尚不清楚。但可以肯定的是：我們需要開發一種新技術來利用這些原理，以及利用新技術來更好地理解我們周圍世界中發生的事情。例如，隨着 AI和機器學習技術的出現，計算機將越來越多地通過觀察周圍環境和物體來學習、預測並改變自身行為。
人類可以對新事物進行預測並採取行動。在此過程中，科學家和工程師必須考慮如何將這些規則應用到各種新技術中去，以幫助我們更好地理解自然界及其規律。
七、科學如何證明這些物質結構是正確的？
在宇宙中，許多非常古老的元素是由其原子結構組成的。由於這些元素的原子結構和化學性質非常相似，因此它們很容易被科學家識別並發現。在一個多世紀以來，人們一直在尋找宇宙中所有的原子，但沒有找到任何證據來證明原子結構確實存在於物質世界中。
儘管現代科學已經在研究我們宇宙的起源方面取得了一些進展，但是它並沒有找到任何證據證明宇宙中所有的元素都是由它們構成的。因為化學性質相似並不能完全解釋這些元素之間的化學差異。這就是為什麼現代科學無法通過尋找物質結構來推動科學進步。因為如果我們想要探索宇宙中所有的元素，那我們就必須接受它們是不同於我們認識到的元素。
