我們平時生活中所知道的、所看到的一切物體都有體積，也理所當然的要佔據空間，這一點確實不容易讓我們察覺，而且兩個物體還不能同時佔據同一空間！

甚至空氣也必須佔據空間，換句話說：有空氣的“地方”沒你，有你的“地方”沒空氣！其實公元前5世紀的恩培多克勒就認識到了這個問題的雛形，當時他只是想證明，空氣是一種實體物質！

恩培多克勒有一個葫蘆，並且在葫蘆的底部開了幾個小孔，然後去河邊往葫蘆裡裝滿水。如果這時把葫蘆提起來，顯而易見水就會從底部漏出來。但是恩培多克勒發現當用拇指或手把葫蘆嘴堵上的時候，水就不會從底部流出來了。那麼是什麼阻止了水的下落？一定是葫蘆底部的空氣給水施加了壓力，並且佔據了外部的空間！

問這個問題的另一種方式是：為什麼一個以上的物體不能同時出現在“同一個”地方?

就像上面的運動遠，不管怎麼努力，他都不會和地面佔據同一個空間。不僅僅是我們宏觀世界，在微觀世界裡我們不能把任意多的粒子（如：原子、甚至質子、中子或電子）放在有限的空間裡。

但是不還有一些特殊的粒子，例如：我們可以把光子無限多地壓縮排任意小的空間裡。宇宙中第二、第三和第四重的基本粒子也是如此：希格斯玻色子、z玻色子，如果你能克服這些粒子的電荷斥力，甚至還有w玻色子。

那麼，為什麼構成宇宙中所有正常物質的質子、中子和電子會受到這樣的限制呢?

這就是泡利不相容原理！

泡利原理告訴我們，我們不能把兩個相同的費米子放在相同的量子態中。

如果把溫度降到絕對零度或者用任意大的力壓縮玻色子，我就可以把任意數量的玻色子壓縮到任意小的空間裡。

但是正常物質是由質子、中子和電子組成的，這些都是費米子。這個簡單的原理意味著，有一個有限的體積，一旦空間被物質粒子其中的一個所佔據，其他物質就不能進入它的範圍!

這就是為什麼物質總是佔據空間，不管它是帶電的還是電中性的，也不管溫度、壓力或任何其他物理性質!

白矮星和中子星

一顆白矮星是由普通原子組成的，和我們人類一樣，白矮星的質量與太陽差不多，但體積和我們地球差不多。但是一顆白矮星的密度大約是地球的30萬倍！然而，儘管有強大的引力在壓縮白矮星，但原子卻拒絕屈服。這是為什麼?

因為在恆星內部深處雖然存在巨大的壓力，但是因為泡利不相容原理，一個原子的電子不願意讓其他電子靠近，而產生的抵抗壓縮的壓力，被稱為電子簡併壓！但是還有更極端的情況。

在中子星更加巨大的壓力下，電子寧願與質子結合，產生一箇中子和一箇中微子，一路坍縮成中子星！也不會讓其他電子和它進入相同的量子態，去違反泡利定律。

但是中子也是費米子，所以即使是完全由中子構成的恆星也不會無限的坍縮！中子星是宇宙中已知密度最大的物體，它們仍然是由物質構成的，它們仍然佔據空間！

另一方面，暗物質可以是玻色子，也可以是費米子（輕子），我們還不知道暗物質是什麼，但是玻色子的機率比較大，既有足夠的質量，還不不佔據空間！

因為物質的基礎是原子，而原子是有體積的並佔據一定空間。

圖示：原子示意圖基本上已經成為現代科學的圖騰和代言人

原子由原子核和電子組成，當兩個原子彼此靠近時，帶有同樣電荷的電子之間會相互排斥，這就是著名的同性電荷相互排斥定律，無論是否形成電子對，這樣的阻力都會阻止原子彼此嵌入。

圖示：電荷之間的吸引力和排斥力，是維持我們日常世界最重要的力之一

原子本身是有大小的，而原子彼此間又不能重疊在一起，因此合乎邏輯的推論自然是：

由原子組成的物質將會擁有體積並佔據空間

那麼原子到底有多大呢？

這世上不止一種原子，元素週期表上面列出的就是人類已經發現的所有原子，其中還包括宇宙中不存在，純粹人造的原子，但它們都非常不穩定，很快就發生放射性衰變轉變成其他穩定原子了，不同的原子大小也有微弱差異，總的來說原子大小遵循一個簡單的規律，同一列的原子從上到下逐漸變大，同一行的原子，從左往右逐漸變小（這涉及到原子核吸引力和電子運動之間的複雜關係）。

圖示：原子半徑示意圖

鹵族元素氟氯溴碘的原子半徑分別為64pm、99pm、114pm、135pm (pm 皮米，萬億分之一米，10^-12米），逐漸增大，這是因為它們是同一列的元素，隨著原子量變大，其原子的半徑也逐漸變大。由於原子近似可以看成一個球形，因此知道了它的半徑，就能用球體公式算出原子的體積。

圖示：球體積公式

雖然每個原子的體積都很小很微不足道，比如氟原子的體積大約為1.097*10^-30立方米，但宏觀世界的物質都是由許許多多個原子組成的，著名物質單位摩爾中，經過實驗測定發現1摩爾物質含有約6.02×10²³個微粒（愛因斯坦當年還做過摩爾的理論計算呢），對於簡單物質，這意味著含有6.02×10²³個原子，對於大多數物質，則通常對應著6.02×10²³個分子，分子也是由原子構成的。規定摩爾這個單位，主要是為了方便計算，比如1摩爾水的質量大約是18克，而水的相對分子量也同樣是約18。

物質佔據的體積，不僅僅和原子的體積有關，還取決於其它因素，比如固液氣的轉化，會導致體積發生劇烈變化。

1摩爾氟氣就含有6.02×10²³個氟氣分子，而在1個大氣壓零攝氏度（標準狀態）的情況下，它佔據22.4升的空間。讓我們計算一下，所有氟氣分子的總體積應該是多少？

6.02×10²³×1.097*10^-30（氟原子體積）×2（每個氟氣分子由兩個原子組成）

= 1.32×10^-6立方米

每立方米=1000升

那麼氟氣分子只算分子堆疊在一起的體積，它只該佔據1.32×10^-3升呀！

那為什麼在標準狀態下，1摩爾氟氣分子會佔據多達22.4升空間呢？

這就涉及到物質的狀態了，物質有最基本的三種狀態，固液氣。（實際上更多，不過這裡只說這三種）。在這三種狀態下，物質的量不變，但物質佔據的空間體積卻會發生劇烈變化，多數情況下，固體的體積小於液體小於氣體！所以，當氟氣是氣體時，它在標準狀態時，也就是一個大氣壓和零攝氏度時，1摩爾氟氣就會恰好佔據22.4升的空間呢。

圖示：氣體分子間的距離要考慮氣體分子的動能和受到的壓力。

炸藥之所以會發生劇烈的爆炸，就是因為透過化學反應，它會從固、液態物質轉變成新的氣態物質，於是體積發生劇烈膨脹，這就會產生爆炸現象。

圖示：劇烈爆炸引發區域性空氣迅速膨脹，改變了區域性空氣密度，引發折光效應，在高速攝像機的影像中形成肉眼可見的衝擊波行進途徑。衝擊波是爆炸造成人員傷亡的重要原因，如果在太空或月球上，由於沒有大氣，爆炸的威力也將被削弱。

所以，物質之所以佔據空間，不僅僅是因為構成物質的原子是要佔據空間的，還要考慮物質所處的特殊狀態或者物理屬性。比如，水在一個大氣壓下凝結為固態時的體積竟然比在液態時更大，這讓冰的密度小於水，這對地球生命的生存意義重大！

終極追問：原子為何要佔據空間？主要是因為神出鬼沒的電子。

因為電子在空間中閃現，讓原子需要佔據巨大的空間，從原子質量分佈的角度看，原子內部似乎十分空曠，因為原子核佔據原子質量的九成九以上，而原子核本身的體積很小，所以在早期的科普中通常都說原子幾乎是空的，相比起原子核所佔據的空間而言，原子內部空間十分巨大！但現在新的粒子物理學家不在這麼看待原子，他們認為用原子內部是空的這種說法是一種誤導，因為原子內部並不存在沒有粒子沒有能量的絕對真空。

這張圖上較淺的顏色表示密度較高的區域。注意，雖然氫原子只有一個電子，但這一個電子填滿了整個原子。並不存在完全真空的區域，即使是黑暗區域電子也有出現的機率，因此其物質能量密度依然大於零。

恆星可以進一步幫助我們理解原子的大小

圖示：恆星的命運

要更加深刻地理解原子的體積，我們還可以藉助天文學的幫助，當恆星在生命後期通常轉變為白矮星、中子星和黑洞。這其中白矮星和中子星對於我們理解原子會很有幫助。

圖示：白矮星大小與地球相當，但質量通常為半個太陽那麼大

在巨大的引力作用下，原子和原子被徹底擠壓在一起，原子核和原子核彼此融合，由此形成一個怪異的超巨大原子，這就是白矮星上發生的事情。白矮星的體積相比起恆星發生了劇烈收縮，它將收縮到差不多地球大小，但同時還保留了大約一半恆星的質量，這導致在白矮星上，每立方分米物質的質量達到1噸！

圖示：中子星內部究竟是什麼，現在並不清楚

但白矮星並不是體積最小的星，如果質量繼續增加，最終白矮星上的電子會被壓縮排原子核中，同時原子核中的質子和電子結合轉變成中子，整個星體現在都由中子構成，這時候星星的體積不增反減，繼續收縮大約一千倍，典型中子星的直徑只有10公里，但質量超過一個太陽的質量。中子星上物質的密度更加驚人，一個乒乓球大小的體積就能達到驚人的10億噸。

所以，這告訴我們一件事，原子的體積和原子的質量相比，具有極大的水分，原子的大小可以被大幅度壓縮，當然這需要非常強大的壓力，在白矮星和中子星中依賴的是足夠多的物質形成的巨大萬有引力，如果繼續增加，超過量子物理學能提供的斥力，那麼星星將最終轉變成黑洞，至於黑洞的奇點是否有體積，這是目前尚未完全得到解決的問題，一些物理學家認為，黑洞奇點也具有一個最小體積。

這是一個十分有趣，很簡單又十分複雜的話題。

說它簡單，一句話就能解決：就是空間和物質、時間在我們這個三維世界是不可分割的三位一體，有物質存在，才有空間存在，有了物質和空間，就必須用時間來衡量它們的變化。

空間是物質的存在形式，是物質的屬性和外延，空間是靠物質來支撐的，沒有了物質支撐，空間就不存在。哪怕這個空間中有一個粒子存在，這個空間就有了意義，都是為這個粒子而生。這個粒子的運動、變化、持續性、順序性，就是時間的表徵。

說它複雜，就是這個問題涉及了物理學的許多方面。物質與空間和時間的關係，涉及到熱力學理論、量子理論、真空理論等諸多理論。

熱力學理論認為，溫度取決於物質的運動，從微觀領域來說，就是分子、原子、粒子的振動頻率，物質運動得越激烈，表現出的溫度就越高，物質動能越低，溫度就越低，運動如果停止，溫度就會降到絕對零度（0開爾文，-273.15攝氏度）。

根據熱力學第三定律，絕對零度永遠無法達到，只可無限逼近。因為任何空間都必須存在能量和熱量，沒有任何能量和熱量的空間就完全沒有粒子振動，空間失去意義而消失，總體積就變成零。

量子力學認為，粒子速度的不確定性、位置的不確定性不得小於普朗克常數，

普朗克常量為h=6.62606896（33）×10^（-34） J·s，由此得出的普朗克長度為1.6×10^-33cm。

這就是物質最小的狀態和空間。海森堡不確定關係是我們宇宙一個基本物理定律，因此，當粒子運動速度為零時，粒子就有了固定的位置和狀態，就與這個定律相悖，因此是不存在的。

一些量子力學科學家還提出了真空零點能理論，認為即使在絕對零度和絕對真空，還存在“真空零點能”，或叫“量子真空”。

這就是“零點振動”，這種量子真空中蘊藏著巨大的本底能量，是一切物質運動及能量場的最初始狀態。

這種狀態具有無限變化的潛在能力，在這種零點能的量子真空中，會產生虛粒子，就是一對反粒子不斷地出現和湮滅。一些科學家推測，在這種量子真空中，每立方厘米的能量密度達到10^13焦耳。

真空理論認為，在我們宇宙中，沒有絕對的真空。

在宇宙星系間氣體最稀薄的空間，都有原子粒子運動，每個立方米至少有1個原子，這是宇宙最極端的真空狀態。即使把空間縮小到1立方厘米，也還有粒子活動，比如光子、中微子、暗物質、暗能量等。

即使空間分割得再小，也還存在著量子活動。因為海森堡不確定性原理認為，不可能同時得知一個粒子的位置和動量，這樣即便1個立方米里面有一個粒子活動，我們也無法確切的知道在哪一個立方厘米裡面，或者在哪一個立方毫米里面。

還有就是所有物質裡面都不是密密實實的，都有巨大的空間。

原子的體積中基本都是空間，原子核佔有原子質量的99.96%以上，卻只佔有原子體積的幾千億到萬億分之一。

中子星是一種極端高壓下形成的極端緻密天體，其上的物質為中子簡併態，就是原子被全部壓碎，電子壓進了原子核，與帶正電的質子中和成了中子，加上原子核裡原來的中子，整個星球就變成了一個大中子核。這中子星物質密度達到每立方厘米10~20億噸。

其實中子、質子也還不是密密實實的，它們又由夸克組成，這其中還有很大的空間。

因此可以說，宇宙物質從宏觀上來說，不存在沒有空間的物質，從微觀上來說，也沒有不帶空間密密實實的物質。

所以宇宙萬物實際上就是物質空間時間的總稱，在宇宙以內，這三者無法分割。